泛舟可怡情 行船能悟理
——船上的诗歌与“相对性原理”
来源:科普时报 2021-02-28

元代唐棣《朔风飘雪图》(局部)。

1632年伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的前言和标题页。

□ 陈 征

古时候没有今天这样铺了沥青或水泥的平整的硬化路面,也没有车辆上先进的减震系统,乘车出远门是件非常辛苦的事。坐在颠簸不停的车上,人们要花大量精力稳住自己的身体不要磕着碰着,同时还要稳住自己的五脏六腑不要翻江倒海,没有多少功夫去理会旅途的风光。

而坐船则不然,只要不赶上风高浪急,有大把的时间在平稳的船上,日看风光变幻、夜观星移斗转。所以只要是水路能通的地方,人们大都会选择坐船旅行,省去许多颠簸劳苦。古往今来的文人墨客们概莫能外,于是也在船上留下了许多名篇,在这儿挂一漏万地举上几例:

如诗仙李白的:

《夜泊牛渚怀古》

牛渚西江夜,青天无片云。登舟望秋月,空忆谢将军。

余亦能高咏,斯人不可闻。明朝挂帆席,枫叶落纷纷。

或诗圣杜甫的:

《旅书夜怀》

细草微风岸,危樯独夜舟。星垂平野阔,月涌大江流。

名岂文章著,官应老病休。飘飘何所似,天地一沙鸥。

南唐李后主的:

《渡中江望石城泣下》

江南江北旧家乡,三十年来梦一场。吴苑宫闱今冷落,广陵台殿已荒凉。

云笼远岫愁千片,雨打归舟泪万行。兄弟四人三百口,不堪闲坐细思量。

以及大书法家赵孟頫的:

《虞美人·浙江舟中作》

潮生潮落何时了?断送行人老。消沉万古意无穷,尽在长空澹澹鸟飞中。

海门几点青山小,望极烟波渺。何当驾我以长风?便欲乘桴浮到日华东。

从诗词中不难看出,行船的平稳给了诗人体味自然、抒发感情的充分空间。同时,在这个过程中有些人也会细致地注意到一些现象。比如因为船实在是太平稳了,以至于常常分不清到底船有没有在动。李白的《望天门山》中隐隐透出这种感觉:

《望天门山》

天门中断楚江开,碧水东流至此回。 两岸青山相对出,孤帆一片日边来。

如果你觉得李白诗中的“两岸青山”与“孤帆一片”动起来只是修辞而并非感受,宋人陈与义的《襄邑道中》诗中的描绘则更加生动:

《襄邑道中》

飞花两岸照船红,百里榆堤半日风。卧看满天云不动,不知云与我俱东。

五代时期的一阙《浣溪沙》词中的场景,更明白地写出了诗人“看山恰似走来应”的感觉,以及随后“仔细看山山不动,是船行”的观察和辨别的过程。

《浣溪沙·五两竿头风欲平》

五两竿头风欲平,长风举棹觉船轻。柔橹不施停却棹,是船行。

满眼风波多闪烁,看山恰似走来迎。仔细看山山不动,是船行。

大约成书于东汉以前的《尚书纬·考灵曜》中有这样的话:“地恒动而人不知,譬如闭舟而行不觉舟之运也”。可见这种分辨不清船是不是在运动的情况,古人很早就注意到了。

你我在平稳的高铁上也常会有相似的体验。那么诗人把这片刻的感受化作意象写成了诗,我们能不能从这种感受中悟出些道理呢?

近代科学的先驱伽利略做了这样的事情。在他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中,伽利略借萨尔维阿蒂之口说出:“在一条封闭的平稳速度均匀的大船里,你看到的一切都和平常在地面上看到的一样。水瓶里滴出的水会落到它正下方的罐子里;你把东西扔给相距差不远的朋友,所需要的力气也差不多,跟方向没有关系;不论船的速度有多快,你跳向船尾也不会比跳向船头更省劲儿……”

这就是有名的“萨尔维阿蒂大船”。“你无法在一个封闭船舱内,通过任何实验分辨一艘匀速运行的船是静止还是运动,也无法分辨它的速度”。从船上获得的这个经验,经过以伽利略、牛顿等为代表的物理学家的思考和验证,成为经典力学体系建立的基石——伽利略相对性原理。用物理学家的语言描述这个原理就是:“一切匀速运动的惯性系都是平等的,没有谁比谁更特别”;或者“在一切惯性系当中,力学规律保持不变”。

相对性原理意味着一种不变性,是我们所处的大自然的基本法则,对我们也非常重要。试想一下,如果没有相对性原理,在不同的参照系中的物理规律不同,世界会变成什么样子?

我们的地球在自转的同时,又绕着太阳公转,太阳还带着整个太阳系,绕着银河系中心飞旋。那么北京、悉尼、纽约或是布宜诺斯艾利斯等这些不同地方的城市在同一时刻速度的大小和方向不一样,同一个城市的不同时间,其速度的大小和方向也不相同。它们都是不同的参照系,那么在这些地方的实验室里发现的物理规律可能也不相同。这意味着,牛顿第二定律在北京有效,拿到纽约或布宜诺斯艾利斯就失效了,这世界再无规律可言,这是个多么可怕的事情!

物理规律在不同的时间或地点应该都有效!事实上,大量的生活经验和精密的科学实验都告诉我们,的确如此。所以,相对性原理今天已经是物理学家的基本信念。为了让伟大的麦克斯韦方程组在不同的坐标系中保持不变,爱因斯坦在相对性原理的基础上建立了狭义相对论。而广义相对论中加速度和引力的等效,灵感也很可能源自封闭电梯里的超重和失重现象——一个现代版的“萨尔维阿蒂大船”。

一条大船,一片风平浪静的水面,一段匀速前行的旅程。当你坐在船头欣赏美景,感叹“两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山”之后,不妨闭上眼睛,或是走近封闭的船舱,观察一下萨尔维阿蒂描绘的那些场景,体悟一下“相对性原理”,让宇宙中最基本的法则就以这样的方式展现在你的面前,别是另一番趣味。



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陈 征
北京交通大学副教授
专家简介
陈征,北京交通大学国家级物理实验教学示范中心教师,光学博士。
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