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1 ●如何制造终极过山车 ●●重力势能 ●●发射弹射器 ●●G力 ●●向心力 ●●别太狼狈 在一秒多一点的时间里，就从零加速到时速 100公里，上下颠倒，以 5倍于地球重力的力量翻转，然后再从 100米高空降落，这种感觉可能并不是每个人都消受得了的。不过对于过山车的狂热爱好者来说，这就是天堂的感觉。终极过山车将在确保安 全与吓破胆子之间寻找精准的平衡。 1.1 重力势能 经过长时间的排队，你终于坐进过山车，扣上安全带，然后不安地等待出发。你以前没坐过这个，尽管刚从车上蹒跚走下的那些脸都绿了的游客给了你一个大体印象，你仍然不知道接下来会发生什么。你还在想怎么坐舒服点的时候，控制员已经在广播里喊道：“冲啊！冲啊！”过山车俯冲并开始加速。 大多数过山车本身不带内置电源。事实上，在它们的旅程中大多数时候都不需要推动力。它们首先会被牵引到一个最高处，然后释放。正是这最初下落中获得的速度，为过山车提供了跑完余下轨道的能量。过山车大多数时间其实是在“滑翔”，这个过程反映了物理学的一个核心原理— —“能量守恒”。这个原理是指把一个孤立的物理系统中所有形式的能量加起来，得到的数值即系统总能量不随时间变化。在这个系统中能量可以从一种形式转化到另一种形式，但是总和永远守恒。 对于过山车来说，主要的能量形式是机械能，这种能量分两部分，一部分是与过山车运动有关的动能，另一部分是过山车在地球重力场中的高度所决定的重力势能，所谓势能大体和拉伸了的弹簧里蕴含的能量是一回事。过山车处在起点，即峰顶时，它的速度和动能都是零，所有的能量都以重力势能这种形式呈现。当它被释放并开始下落，速度逐步加快，重力势能就逐渐转化为动能；当它再爬升时，能量转化又反向进行。现实情况里，这种能量守恒并不完美，因为能量会因车轮和轨道或别的什么摩擦而损失。只要相接触的两个表面有些微凹凸不平，相互摩擦就会造成能量损失。过山车和空气也会有摩擦。损失的能量并不是消失了，而是以热量和声音的形式被带走了。存在摩擦能损意味着在过山车的轨道上，所有其他峰顶的高度都要一个比一个低，而且都必须比起点低。如果有哪个峰和起 “我们遇到的限制不是来自工程技术，而是来自人体所能承受的不适感的极限。 ” ——过山车设计师艾伦 •哈里斯 1 如何制造终极过山车 “很难想象还有什么时刻会让你比现在分泌的肾上腺素更多：你的身体上下翻滚，头朝下冲着地面以每小时 100公里的速度直坠。 ” ——迈克尔 •布鲁克斯 1.3 G力 方向的改变可以分为两种，垂直方向的（翻过高峰或穿过低谷）或水平方向的（拐弯）。在这两种情况下你体验的 G力不一样，这和人体的安全限度有关。在穿过低谷的时候你可以承受的将你“按”回座位的压力，最大能达到 6G。可以和宇航员做个比较，宇航员乘太空飞船时也很少受到 3G以上的压力。（只不过宇航员进入轨道前需要承受数分钟的高 G力，而在过山车上这样高的 G力不过只有电光火石的一秒间。）而你在翻越高峰时所能承受的使你离开座位的力，即相反方向的力，通常就要低很多，约为 2G。最不善承受压力的时刻是水平拐弯的时候，极限是 1.8 G。这是因为人颈侧部肌肉很薄弱。大多数过山车会通过让轨道在拐弯处倾斜的方式尽量缓解这样的侧向力，这样拐弯处的力的一部分就会沿身体方向把你压入座椅，而不是都用于将你的脖子拉向一侧。 你在拐弯时体验到的力可以通过牛顿运动定律计算出来。它包括三条定律，由英国物理学家兼数学家牛顿于 1687年发表在他的著作《自然哲学的数学原理》上。第一运动定律是说在没有外力作用的情况下，物体会保持静止或匀速直线运动状态。这条定律也被称做“惯性”定律。这意味着在平直轨道上，过山车将永远运动下去（假如没有摩擦力的话）。但是当轨道拐弯，过山车也会随之拐弯。乘客的运动同样适用牛顿定律，他们有自己的惯性，以及保持直线运动状态的自然趋势，但过山车转弯时来自车厢侧面的压力迫使他们跟着转，并感受到这个力。 牛顿第二运动定律解释了力究竟是如何使乘客转弯的。它指出力与加速度的区别，并揭示力作用在物体上会导致物体沿力的方向加速。如果推桌上的玩具车，我就对玩具车施力了，这导致它加速。类似地，在过山车拐弯的时候乘客感受到过山车施加在他们身上的力，结果导致他们有了侧向加速度。 1 如何制造终极过山车 2 ●如何预测天气 ●●观察天气 ●●如何看气象图 ●●预测天气 ●●数值运算 ●●气象建模 ●●混沌理论 ●●奇异吸引子 ●●超级计算机 2 如何预测天气 1987年 10月 15日晚上，284年来最恶劣的暴风雨横扫英格兰南部，摧毁了许多房屋与资产，造成的损失共计 20亿英镑。风力达到了飓风级，推倒了约 1500万棵树。而就在灾难发生前 24小时，天气预报员还对“我们可能要经历一个暴风雨的夜晚”这种说法付之一笑。他们预测暴风雨不会登陆，只会在英吉利海峡发出对人无害的咆哮。这种错得太离谱的天气预报对我们来说也许已经司空见惯了。但是为什么准确预报就那么难呢？我们可以做些什么来改进呢？ 2.1 观察天气 2.2 如何看气象图 有些时候，天气变化的基本情况会很容易预测。例如，当佛罗里达的地面观测站测量到低气压信息，而亚特兰大海岸边的观测船测量到高气压信息，就可以预测佛罗里达将有强风，因为空气会从气压高的地方向气压低的地方流动。（从更全面的角度来看，风还会受到科里奥利效应的影响而发生偏移，该效应是由行星自转造成的。参见第 4问。） 气象图上表示同一气压的线叫等压线。它们就和三维地貌图的等高线类似，只不过这里画的是地球表面每一点的气压。有时候气压的差别可以通过热效应来预测。热的空气会上升，上升气流在温暖区域形成低气压区； “一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，会在得克萨斯州引起龙卷风吗？” ——爱德华 •洛伦兹 反之，冷的气流则会下降，产生高气压区。温暖的上升气流带着水蒸气爬升到高海拔位置，凝聚成云。温度的差别在气象图上有时候会用暖锋表示，用一串红色半圆标记；有时候则用冷锋表示，用蓝色三角标记。冷锋过境就会导致下雨——或者用气象学家的词来说是“降水”。温暖潮湿的空气爬升到推进的冷锋上面，凝结成云转化为雨落回地面。当周围环境特别冷的时候，水会以雪或冰雹的形式落下。 2.3 预测天气以上介绍的只是一种粗浅的分析，是相当简单的，只能让天气预报员给观众提供笼统的天气信息，像是说“明天将会有风”。但假如我们需要更多细节（例如各区域的阵风风速到底有多快，它们将在一天中的什么时间变得最猛烈，或者飓风只会在英吉利海峡翻江倒海，还是会转向内陆肆虐），这时又该怎么办呢？要在如此细致的程度上预测天气，就意味着要精确求解描述地球大气物理现象的数理方程。这些方程极为复杂，不同物理过程都搅在一起，其中涉及描述空气与海洋的流体力学、热传导、大气化学以及描述太阳辐射的物理学等。事实上，它们实在太难了，几乎不可能求解——至少无法通过我们在学校数学课所学的解方程常规方法解出来。更糟的是，这些方程都是高度非线性的，这意味着，当输入参数发生微小偏移时，输出参数就可能有翻天覆地的变化，这使得近似求解都变得很困难。 2.4 数值运算 物理学家攻克这类数学问题的唯一途径就是蛮力硬算。换句话说，就是用“数值计算”方法求解这些方程。采用这个方法，首先要猜一组合适的参数，然后填到方程里，通过微调这些参数，反复试验，直至方程两边凑到相等。第一个建议在预测天气上用这种方法的人，是英国物理学家兼数学家刘易斯 •弗莱 •理查德森。 1922年，他出版了一本名为《利用数值过程预测天气》（Weather Prediction by Numerical Process）的书。书中，他想象了一个挤满“人力计算机”的大厅：人们都手持纸笔忙着凑出描述天气的方程的数值解。一位中央“指挥员”将校验他们的结果，并发出进一步指示。但这个方法要想实现还有一个障碍，理查德森计算出要想实时跟 10 2 如何预测天气 3 ●如何地震逃生 ●●地震是什么 ●●震级 ●●海啸 ●●防震建筑 ●●质量阻尼器 ●●地震预测 14 3 如何地震逃生 地震是自然界最具破坏性的力量之一，威力等同于原子弹。2010年海地遭遇地震，死难者超过了 20万。而随着位处地震多发地带的城市繁荣扩大，未来的地震恐怕将不仅仅夺去数万人生命，而是数以百万计的生命。果真如此吗？从摩天大楼内的巨大摆锤到建筑底部的弹性橡胶垫，这些新技术能用来减轻地震的破坏力，并最终驯服这种可怕的自然之力吗？ 3.1 地震是什么 当构成地球地壳的地质板块在移动中相互摩擦和挤压时，地震就会发生。地质板块就是互相咬合的巨大岩石板，漂浮在由地下金属与岩石熔融而成的液态地层上。当这些液体受地球内部的热量搅动而沸腾翻滚时，它们就会拖动上面的地质板块，带着它们四处漂移。地球由七大板块及很多小板块构成，七大板块包括非洲板块、南极洲板块、欧亚板块、印度洋板块、北美板块、太平洋板块和南美板块。板块的交界处叫“断层带”，由于相邻两个板块的相对运动存在不同情况，断层带有不同的形式。 当两个板块彼此水平擦过时，形成的交界被地质学家称做“转换断层”。当板块挤压在一起，断层处的摩擦使它们不但没法顺畅滑过，而且还会发生摇晃、颤动，这种运动被称为“粘滑运动”。首先，断层处的岩石由于摩擦而黏着在一起。当板块运动时，岩石就会形变，仿佛是橡胶做的。随着时间的推移，断层处的压力逐渐变强，直至最终克服了摩擦力，岩石突然恢复原形，板块彼此迅速滑移。 当数百万吨的岩石以这种方式弹回原形时，会释放出强烈的机械波并沿陆地传导，好比你向池塘丢一块很大的石头激起的阵阵涟漪一般。这时地震就发生了。释放的机械波称为“地震波”，它有着摧毁桥梁建筑的力量，会造成山体滑坡，并诱发“土壤液化”——受影响的土壤变得像黏稠的液体一样，建筑物和其他设施都会陷入其中。真正有破坏力的地震通常都发生在转换断层附近，例如 1906年把旧金山变为废墟的大地震。旧金山紧邻圣安地列斯断层，该断层处在太平洋板块和北美板块的交界处。 这是地质断层带的俯视图。多年来，板块运动使断层处的地貌发生变形。当岩石上累积的弹性势能足够大时，它会突然滑移。这就是地震。 4 ●如何阻止飓风 ●●飓风卡特丽娜 ●●科里奥利效应 ●●飓风热区 ●●萨菲尔-辛普森飓风量级表 ●●雷霆风暴计划 ●●冷却飓风 20 4 如何阻止飓风 飓风是地球上最具破坏性的天气现象。这种猛烈的雷暴天气有时能横跨 2000公里。飓风的风速能达到每小时 280公里。而且当飓风由海上登陆时还会伴随高达 10米的巨浪，席卷海岸。飓风能量的平均产生频率相当于每 20分钟发生一次 10兆吨级核爆。我们能指望有一天掌控这种力量吗？有些科学家觉得可以。 4.1 飓风卡特丽娜 2005年 8月 23日，一个听上去没什么威胁的气象现象“ 12号热带低气压”在巴哈马形成。在向美国东海岸缓缓移动的过程中，它逐渐变强，在 8月 24日早上达到“热带风暴”级别。此时它被赋予了一个名字：卡特丽娜。该风暴持续积聚动量，在穿越佛罗里达州并进入墨西哥湾前的数小时便达到了飓风级别。到 8月 28日，它已经变强至 5级，这是飓风强度分类的最高级。它于 8月 29日早晨 6点在路易斯安那州登陆，带来了灾难性的后果。至少 1800人丧生，另有 50万人无家可归。然而，卡特丽娜还不是史上造成破坏最严重的飓风。这一不光彩的荣誉要授予 1970年 11月袭击巴基斯坦和印度的波拉龙卷风。随之而来的巨浪犹如一堵水墙，带走了 50万人的生命。 龙卷风和飓风本质上是一回事。最基本的自然现象是旋状暴风——但是，形成于世界不同地方的龙卷风被赋予了不一样的名字。形成于大西洋上的龙卷风，例如卡特丽娜，或者形成于东太平洋的，都被叫作飓风。而形成于西太平洋的龙卷风则被叫作台风。 4.2 科里奥利效应 当温暖的海水导致潮湿的空气上升到 15公里的高空时，龙卷风便开始形成。在这个海拔高度上空气会冷却，释放热量，并导致水蒸气凝结成雨云。然后干冷空气又会降回海平面，如此循环往复。相应的物理过程被称做对流。它基于气体加热会膨胀的现象。这一现象会使气体密度降低，从而上浮——这和密度小于水的物体会漂浮于海面是一回事。对流同样是热气球能飞的原因。 飓风形成自热带风暴：暖空气上升，凝结成云，化雨而落。整个过程在地球自转影响下加速旋转，形成翻腾的旋风，其风速可达每小时 280公里。 暴风雨云团并降回海平面 ②通过对流，上升的水蒸气冷却 如果只有对流参与其中，飓风还没什么大不了的。但是紧接着有另一个物理过程会使事情恶化，实实在在地恶化。那就是科里奥利效应，以 19世纪法国科学家古斯塔夫 •科里奥利的名字命名。这位科学家是第一个以数学语言描述科里奥利效应的人。该效应使地球北半球的空气逆时针旋转，而南半球的空气则顺时针旋转。 科里奥利效应是由行星自转造成的。想象一下从北极到赤道把地球横切成一组水平切片。地球所有的水平切片保持步调一致旋转，每一片都在一天内转完一周。但是越往南切片的直径越大，所以切片外边缘的线速度也在增加。例如，位于纽约纬度（北纬 40.74°）的地球表面以每小时 1260公里的速度向东运动，而赤道处则转得快多了，速度达每小时 1670公里。两者之间的某个地方，例如古巴岛（北纬 21.5°）则以每小时 1554公里的速度向东运动。问题的关键就在这里。以这个岛上的居民自己的视角来看，赤道相对于他们以每小时 116公里的速度向东运动，但纽约看起来则是以每小时 294公里的速度向西运动的。整体看来就产生了旋转的效果，使对流呈涡旋状，也使北半球其他云层沿逆时针方向旋转。这就是飓风或其他龙卷风自旋的原因。科里奥利效应倾向于把正在上升的暖空气塑造成一个圆柱，在高海拔处空气冷却后又会落回海平面，此时气流会被向外甩出，靠近洋面时又被再次加热并吸回圆柱中心，再次上升。空气在上升冷却的过程中释放热能，为飓风提供能量。 4.3 飓风热区 要产生足以能形成龙卷风的上升热流，大洋温度就必须超过 26℃。一般来说只有热带地区的洋面能达到这个温度，这就是龙卷风有时被称为 “热带龙卷风”的原因。龙卷风可以在全世界的赤道洋盆产生。每个区域都有各自的飓风季，时间由一年中海平面位置到高海拔位置温差最大的日期决定的——最大的温差可以产生最强的对流涡旋。对于北大西洋地区，飓风季在 6月至 11月，其中大多数飓风都发生在 8月和 9月。印度洋南部地区，飓风季从 12月持续到来年 4月。飓风一旦成型，就倾向于向西迁移，这是由自东向西吹的赤道信风驱使的。和飓风一样，信风也是由对流和科里奥利效应联合产生的。赤道处的热空气由于对流效应上升、冷却并向外迁移到正负 30°的纬度范围内，降回海平面。对流造成的低气压又会把这 “在过去的五十年间，全球范围内飓风夺去的生命比其他任何一种自然灾害都多。 ” ——凯利 •厄玛努尔教授 4 如何阻止飓风23 龙卷风始于热带，在距赤道 500公里的范围内。信风把它们向西吹。“我们的研究显示，总有一天我们可以改造飓风。 ” ——气象学家及飓风专家罗斯 •霍夫曼 股冷空气吸回赤道，如此往复。如果地球不自转，这股气流便只会在垂直于赤道线的直线方向来回移动，但科里奥利效应改变了它。 科里奥利效应对信风的影响和飓风的情形十分相似，这里再解释一下。在信风的情形里，低气压带把气流沿径向拉向赤道。但科里奥利效应使气流逆时针旋转——换句话说，每个向赤道运动的气流都会向右偏转。事实上，使气流向右转是科里奥利效应在北半球的一般趋势；而在南半球，科里奥利效应会使气流向左转。正因如此，南北半球向着赤道的冷气流都被偏转向西，形成赤道附近的信风。这些信风把龙卷风带向西方。 4.4 萨菲尔-辛普森飓风量级表 科学家们利用萨菲尔 -辛普森飓风量级表（ The Saffir-Simpson scale）给飓风的强度分级，该量级表由美国工程师赫伯特 •萨菲尔和美国气象学家鲍勃 •辛普森在 1969年提出。最弱的飓风被定为 1级，指的是风速在每小时 119公里到 153公里之间的飓风；最强的飓风为 5级，指的是风速超过每小时 250公里的飓风。飓风的中心有一个平静区域，称为“风眼”，直径通常有 50公里。这里的气压很低，因为它的对流最强，像个真空吸尘器一样把海平面的热空气吸走。上升热气流旋转上升到风眼边缘，形成快速旋转的厚厚云堆，这被称为“风眼墙”。这里有最强的风和最急的雨。 4.5 雷霆风暴计划 一旦登陆，飓风的威力就会迅速衰减，因为它的能量来源——温暖的海洋——从它下面消失了。这意味着虽然沿海区域格外容易受飓风灾害影响，但向内陆迁移 10～ 20公里就足以躲避最恶劣的情况了。逃跑可以保住生命，但财产损失怎么办？毕竟，没办法连根拔起整座城市，一起搬到安全地带。有没有什么办法可以让我们动摇飓风所依赖的物理基础，改变它的走向，甚至阻止它前进？美国的雷霆风暴计划是最早试图改变飓风的尝试之一，它始于 20世纪 60年代。主要设想是通过播云技术在飓风内部 24 4 如何阻止飓风 5 ●如何让撞向地球的小行星偏离轨道 ●●小行星撞击 ●●通古斯大冲撞 ●●行星防御 ●●核武器方案 ●●动力学冲击型武器 ●●雅科夫斯基效应 ●●小行星进化 5 如何让撞向地球的小行星偏离轨道 6500万年前，恐龙经历了万劫不复的一天。一颗直径 10公里的小行星撞击地球，产生了相当于 20万亿吨 TNT炸药的力量——比现存最大的核弹的破坏力还要强上400万倍。撞击造成了一个直径 180公里的坑，引发了全球烈焰风暴，这场大火最终靠着席卷全球的巨浪才得以熄灭。绝大多数动物都灭绝了，包括恐龙，只有极少数的物种存活了下来。每 1000万年就会有一次直径超过 5公里的小行星撞击地球。小行星的下一次造访会不会意味着人类灭绝呢？不太可能。 5.1 小行星撞击 小行星其实是大块大块的岩石碎片，是在太阳系形成过程中遗留下来“小行星穿过地球的。 45亿年前围绕年轻的太阳旋转的尘埃粒子相互碰撞，逐渐开始黏在一轨道的风险近在咫尺。 ” 起形成土块。最终它们变得非常大，其引力足以把不在它们轨道上的物质——物理学家拉过来，使自身得以继续增大。随着这些宇宙巨石的相撞，它们不断长大，威利 •本茨其中许多变得足够大，成为了太阳系的行星和卫星。但碰撞并没有就此停止。在大约 40亿年前的所谓“晚期重型轰击”时期，行星形成时期遗留下来的碎片被行星引力拉住，像霰弹一样撞向行星，因此，靠近太阳的行星遭到了小行星的连续撞击。在地球上，我们的大气层和气候已经侵蚀掩埋了所有的陨石坑，除了最大的那些（如在美国亚利桑那州巴林杰陨石坑），但是只要看看伤痕累累长满麻子的月球，就可以想象地球在其历史上这一阶段曾遭受多少难以想象的粗暴攻击。 这种威胁还没有远离。 2008年 11月 3日晚上 10点 30分左右，一颗孤独的小行星从距离我们星球 38 500公里的地方呼啸而过。听上去离得挺远，但在天文学上，这已是毫厘之差——只有地球到月球距离的十分之一。仅仅在这之前一个月，另一块太空陨石确确实实击中了我们的星球，并在苏丹上空爆炸，而它只给了我们一天的预警时间。幸运的是击中苏丹的陨石较小，直径只有几米，但 11月 3日擦肩而过的那块则要大得多。这块直径 250米以每秒 20公里的速度（近 60倍音速）从外太空飞驰而来的陨石差一点就撞击地面（或由于与前端空气摩擦而受热并最终在大气层中爆炸），如若发生，产生的力量相当于 5亿吨级核武器——广岛原子弹威力的 30 000多倍。 “对于用核武器对付小行星这个方案，只能说人们看了太多电影了……一颗直径半英里（约为 0.8045公里）到一英里（约为 1.609公里）的小行星就像一座山……就算你能把它打碎，那些小碎片也还会瞄准地球，并且这样一来它们会呈散开状。 ” ——地球物理学家 杰伊 •梅洛什 5.2 通古斯大冲撞 小行星威胁着地球，其撞击频率高得令人吃惊。虽然能令恐龙灭绝那种规模的小行星撞击实属亿年一遇，但小型陨石的造访则频繁得多。 1908年，一颗直径 45米的小行星在西伯利亚通古斯河上空爆炸。爆炸力大到足以夷平一座现代都市——事实上，假如它在伦敦中心着陆， M 25环路内的一切都会被毁灭。天文学家相信，每数百年地球至少会遭受一次通古斯级别的撞击。经过国际科学共同体的多次游说，国际政治共同体一致认为有必要采取行动，对抗这一威胁。联合国的近地天体工作组在 2009年 2月召开了第一次研讨会。他们的目标是当探测到小行星撞向地球时，统筹安排全球应对策略。 5.3 行星防御 大多数科学家认为，应对一块撞向地球的陨石需要准备几十年。这意味着我们必须设置宇宙早期预警系统，作为我们的第一道防线。美国国家航空航天局（ NASA）已经接到国会委托，到 2020年，对于直径超过 140米的小行星， 90%都要跟踪记录。美国航天局打算探测并跟踪太空深处的几十万颗流浪陨石，夜复一夜地监测它们，一旦其轨道有穿过太阳系的迹象，我们就会立即收到报告。 仅依靠天文学家盯着他们的望远镜，这件事是不可能办到的，所以今天大多数小行星探测是由机器人望远镜完成的。每个晚上，机器人望远镜都会扫描天空中的预定区域，计算机软件将获得的图像与前一夜拍下的图像做比较。所发现的在帧与帧之间存在位移的任何一个物体，只要不属于已知的小行星或行星，就会被标记下来并作进一步监测，同时向人类天文学家发出警告。 28 5 如何让撞向地球的小行星偏离轨道