从转鸡蛋到哈勃望远镜

王治钧

日常生活中的现象是如何与物理学相结合的？当我们学到某一个物理学定律后，能用它来做些什么？让我们听听英国物理学家海伦·切尔斯基（Helen Czerski）是怎么说的。

如果将现在物理学的内容描绘在一个坐标轴上，可以得到下面这张图。横轴代表时间，纵轴代表被观测物质的大小。

图中左下角是量子力学，它是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，它研究的对象微小而难以捉摸。图中右上角是宇宙，它巨大、遥远而神秘，包含了太多我们至今都难以解释的现象。

但在这两者之间，还包含着火山、云彩、单簧管、气泡等等我们日常生活中的东西，它们的运行都遵循着物理学定律。在这个区域内，众多的物理学原理共同作用，造就了这个美妙且复杂的世界。

要如何辨别一个鸡蛋是生的还是熟的？可以让鸡蛋旋转起来，手指用力快速按住鸡蛋，再挪开手指。熟鸡蛋会停止转动，而生鸡蛋会因为蛋清、蛋黄等液体的惯性，带动鸡蛋继续旋转（具体现象会因鸡蛋转速、力的大小和持续时间略有差别）。

這个生活中的实验证明了物理学中的角动量守恒定律：如果一个质点（质点系）相对某一定点（定轴）所受的力矩之和（外力矩之和）始终为零，那么质点（质点系）相对于该点（定轴）的角动量是守恒的。

太空中的哈勃望远镜

这个看上去很晦涩的物理学定律，用上述实验就很容易理解：让物体（鸡蛋）沿固定轴转动，它会一直旋转，直到有外力（手指，也可能是桌面的摩擦力）使它停下来。

并非只有鸡蛋遵从这个规律，它在太空同样适用。哈勃望远镜（在地球轨道的望远镜）自1990年升空已经在太空中漂浮了30多年。它曾在1995年拍摄过一张照片，名为哈勃深空视场（Hubble Deep Field）。这张照片的拍摄位置在大熊座，覆盖范围的宽度只有2.6弧分（又称角分，是量度角度的单位，1度=60弧分=3600角秒），面积为全天面积的2400万分之一，约等于我们看到的100米外一颗网球的大小，并且由于拍摄目标太暗淡，整张影像由342次曝光叠加而成。在这个过程中，哈勃望远镜需要在连续10天内观测这一小片区域。那么问题来了，哈勃望远镜一直在绕地飞行，要如何精确地控制其指向位置呢？

原来，哈勃望远镜是使用“反作用轮”来进行指向位置控制的。当反作用轮顺时针转动时，哈勃望远镜就会逆时针转动。而这其中的基本原理与鸡蛋相似，都是利用角动量守恒定律，只不过诠释的角度不同：在一个孤立的系统中，角动量的总量必须保持不变，如果系统的一部分开始朝一个方向旋转，那么系统的其余部分必须朝相反的方向旋转。

 哈勃深空视场（图片来源/美国航空航天局）

鸡蛋竟与天文望远镜有着千丝万缕的联系，可见生活中任何一个小小的现象都独具物理学价值，当它们聚集在一起时，就变成了我们的生活，甚至是推动世界前进的科技力量。

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）