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我所關注的重要與不重要的事實

2019年10月7日 星期一

迷思終結:為什麼海洋有潮汐(但我家浴缸沒有)


這次導讀的是上面由 PBS時空 頻道發布的影片,當初看了到我幼小的心靈(2015) 整個被震撼了。

同學小心,留意,太重要,快筆記!你可能誤解了潮汐的根本成因。

通常在物理/地球科學課本,因為篇幅時間有限,潮汐的成因點到為止,不會把整套道理講完整(老師表示趕課深深深幾許)。這使得絕大多數人都只處在一知半解的狀態而不自覺。
一知半解這點有啥壞處?嗯,基本上沒有XD。

是的,精確去了解這內情,除了純粹窮理致知,幾乎沒有任何日常效益。或許當你是尖端廠商要開發潮汐發電,或理解全球氣候變遷海平面上升以輔助未來的臨海都市防汛設計......會大有幫助。

但一般人則否,懂了也不會發大財。甚至可能因為知道太多而變得趾高氣昂討人厭,中了知識的詛咒,近視度數加深,不會像想像中一樣變得內涵充滿。

我們大可採取「這種事給牛頓和物理學者去懂就好,我負責懂其他事情」——這麼巧,正是牛頓最早解出了潮汐的數學原理,寫在《自然哲學的數學原理》裡面。

話說,別人懂了我就不用懂,是一個當代社會腦袋專業分工的概念?

總之,我們甚至還約定俗成一套關於潮汐怎麼作用的簡化版本,一種「神話學」來滿足天真好騙的小孩的好奇心,放在所有篇幅有限的課本、雜誌、博物館告示牌上。

而就像所有神話,潮汐成因也有很多個版本任君取用。最普遍的說法是:

月球繞地球公轉,地球靠近月球的地方(迎面)受到月球的引力抬升,遠離月球(在正對面)的地方因為離月球遠受到引力比較小,再受到「離心力」而抬升。這樣的作用力稱為 引潮力。水因為比岩石容易變形 #BeWater 所以在海洋中形成了兩個隆起。隆起隨著地球自轉而動,因此一天有兩次潮汐。

看圖說故事,或許故事只是美麗的神話
簡而言之,通行的故事指出,在地球和月球的連線上,月球的引力因為某些緣故(稱為「引潮力」,彷彿只要知道了名字就等於懂了XD)會同時造成近端高高飛起,遠端也高高飛起。

這個神話還有衍伸神話:當天上行星連成一線時,飛高高的引潮力會疊加變大,實際上初一、十五的大潮就是太陽和月亮的引潮力疊加的結果,而初八、廿三的小潮就是月亮和太陽的引潮力呈直角,互相干涉而變小。

星象學家樂於搭這個神話的便車,更是衍伸出了九星連珠,必有怪異的傳說,而且你出生時候的冥王星位置會導致你的某種乖桀性格......

但天真的孩子免不了長大,神話的脆弱之處免不了被揭穿,一個一擊斃命的問題出在:如果引潮力真的那麼威,可以把海水扯高半公尺。那為什麼湖泊、水庫、澡盆、一杯咖啡的液面不會在初一十五滿出來?

哲學迅猛龍 philosoraptor.meme

這個問題反映了進階的「定量推論」的開始,也就是藉由「測量」來定奪理論的真實與適切性,而這正是近代科學的宗旨。管它「定性理論」吹得天花亂墜,都不敵亮出個數值看看來得真確。

所以那個神奇的引潮力有多大?以月球為例,尷尬得要命,它貢獻的垂直引潮力的大小,是地球地心引力的【一千萬分之一】。太陽的值更小,大約是一半。

【一千萬分之一】......【一千萬分之一】......【一千萬分之一】......

等等我們冷靜一下,這也太小了吧。

就如影片裡物理學家 Gabe Perez-Giz 所形容:
(Gabe 是 PBS 時空 頻道的第一任主持人,現因公務繁忙已退役)

就算在月亮當頭的時候,你把地球引力用某種魔法關掉,也感覺不出來垂直潮汐力的拉扯......至於星象學嘛,冥王星更不用說對你毫無影響。

* note: 影片中還有一個重點是引潮力其實是假的,眼睛......呃不對,精確來說是它是地球-月球彼此公轉的這個 非慣性座標系統 中的一種慣性力(inertial force)或是說「假想力」。

但請恕我不想在這裡用文字描述座標轉換,以及為什麼這使得我們有三種等價的方式來分析引潮力的大小和方向。請無懼數學的小勇者參考這個詳盡的文件 海洋潮汐成因 作者為一位香港的物理老師吳老師 (Chiu-king Ng)。

剛才說到牛頓,牛大神對於潮汐的分析,也因為這個數值的陷阱而被打擊了。雖然牛頓正確指出,潮汐力和天體距離的三次方成反比,但由於在他有生之年人類都不知道/還無法測量地球、月亮、太陽的質量多大,和萬有引力常數有多大(由亨利.卡文狄什於 1798 年測出),當然也不可能體會到上述一千萬分之一的無力感。

所以我說,就讓它去,我知道潮落之後一定有潮起......ㄟ不對,就算人生海海,一般人可以打呼嚨 PASS 過去,研究海洋的科學家可不行。

在牛頓之後接手分析潮汐的物理學的人馬,很幸運的是一群世外高人,半世紀之後,法國科學院的數學家群星。其陣容還包括數學之王一枚:歐拉(Leonhard Euler)。他首先領悟到其實垂直引潮力辦不到,但幸好還有「水平引潮力」的存在,是水平方向的引潮力才足以把海水推動。

歐拉歐拉歐拉!
*本段註釋獻給不能理解 Euler 為什麼念歐拉的同學,德語的雙母音 eu 都念「喔依」。同理用德語念法的的人名還有佛洛伊德 Freud、馮諾伊曼 von Neumann。這是名從主人(的念法)原則。別再寫成尤拉、佛尤德、馮紐曼,那誰來著XD

並不是說水平方向的引潮力遠遠比較大,不,它還是很小。但是首先它和地球引力方向平行,不需要和比他強一千萬倍的引力對抗。並且,在開闊的大洋中,這股平行於地面的微弱力量可以積少成多。假設地球完全沒有陸地,水平引潮力就可以橫跨赤道的 1/4 距離,即收集了一萬公里份量的加速度與力來推動水。

* note: 可以用壓力等於密度 × 加速度 × 距離,P=ρgh 來理解。橫著看,海洋相當於一個深一萬公里的池子,由水平引潮力產生壓力,因此可以累積到堪與重力對抗的大小。

小結:也就是說,潮汐力中垂直拉高高的部分一點用也沒有。

實際上,所有海洋科學的書都會開宗明義說,是靠水平推的力,配合廣大的洋面的累積才夠。因此水面太小的湖泊、泳池、馬桶是不會有可見的潮汐現象的。

Gabe 的小結:潮汐其實很像青春痘.....大顆比較好擠 XDDD💞💞💋💋 這也太有畫面不蘇胡。


所以,知道這個可以幹嘛啊。我在此鄭重澄清,答案是不能,就連回答女友和老媽掉進水裡要救誰的問題都派不上用場(因為漲潮再退潮要六小時,都變浮屍了)。

知道水平引潮力才是主角,雖然還了物理一個清白,但是在處理實際上發生在地球上的潮汐,則是因為地形因素——顯然真實的地球有陸地——而更加複雜,而有更多細微的現實考量,例如大氣層,在廣闊的大洋上,風推動水乘上廣大的距離,往往產生的浪高不容忽略。

因此建立一個地球的總體模型,考慮到天文、地形、氣候和水文才會如此艱難,是直到近代出現了電腦數值模擬,配合無微不至的太空衛星遙測,我們才離真懂(「定量模擬」)又更接近了一步。

不管什麼子領域,科學的最終目標「懂」的最高層級都是定量分析:實驗、建立模型、統合不同要素,並試圖做出有效的預測。

其他的都只是神話學(x),善意的謊言,引起人興趣(或不引起)的簡化版的故事而已。講術語不代表懂了,有可能是眼睛業障重。

講到術語,最後來個關鍵字連發時間。

掉入黑洞,極端潮汐力產生的義大利麵化(spaghettification),是分子程度的被潮汐力撕裂。而天然衛星如果距離母星太近,距離低於「洛希極限」(Roche limit)也會破碎,久而久之變成一個星環。以及「潮汐鎖定」「潮汐加熱」......和潮汐相關的科學故事。嘛,神話學。

關於真實世界的潮汐還有一個迷人的點:無潮點

在一個相對封閉的海域裡,潮汐會形成類似轉動水桶一樣的旋轉振盪,而水桶的中心相對的沒有潮汐漲落,彷彿有一個水脊在繞著這一點轉一樣,這就是無潮點(Amphidromic point

複習希臘語,amphi- 兩 drome- 跑,合起來意思就是往兩個方向跑。

很勵志吧,別人都追逐潮流,只有你讓潮流繞著你轉XD


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