浴室里的科里奧利效應(yīng)

這是精彩的一幕。納紐基是剛好位于赤道北面的一座小鎮(zhèn)，赤道在這里穿過非洲肯尼亞。小鎮(zhèn)建于20世紀(jì)初，它給人的感覺還是一片尚未開發(fā)之地。

去往附近肯尼亞山的旅游車常會在此頻繁停留。表面看來，這里似乎是一些必去的禮品與古董的代理店，不過它的另一個特色是一位名叫麥克利維（Peter McLeary）的當(dāng)?shù)厝?。?dāng)游客們聚攏來，麥克利維就會為他們演示一個可能會讓他們忘不了的把戲。

麥克利維帶著游客來到畫在一間燒毀的舊旅館地板上的一根線旁邊，告訴他們說這是赤道的實際位置。作為一個能言善道的演說者，他解釋說，在這條線以北，水排出時形成順時針的旋渦；在這條線以南，則以逆時針方向排出，這一效應(yīng)是由地球自轉(zhuǎn)所引起的。

隨后他會進(jìn)一步證明這一點。他取出一個大約30厘米見方的小而粗糙的方盤，并將它注滿水。他放一些火柴棍在盤里，以便觀眾們能更容易地看到水流的旋渦。他走到線的一側(cè)并面向觀眾，然后拔出塞子，讓水流出。毫無疑問地，當(dāng)在赤道線以北做此演示時，水以順時針方向排出；當(dāng)在赤道線以南重復(fù)這個實驗時，水則以逆時針方向排出。這是地球自轉(zhuǎn)的直接證據(jù)！

這一演示很有說服力。麥克利維做了很多年，這總能讓他迅速得到輕信的游客們的小費。無數(shù)的游客看過這一演示，BBC的系列節(jié)目《極地之旅》（Pole to Pole）^[1]甚至為其制作了特別節(jié)目。在節(jié)目中，前巨蟒六人喜劇組合（Monty Python）^[2]成員之一傻小子佩林（Michael Palin）在世界各地旅行，尋訪有趣的景象。在這個特別段落中，佩林觀看了麥克利維的演示并且補充道：“這就是我們所知的科里奧利效應(yīng)……它的確在起作用。”

事實并不是這樣的。佩林以及在他之前之后不知多少游客都上當(dāng)受騙了。而且，這個騙局并未終止于此。這個由來已久的觀點還被用來解釋馬桶以及水槽與浴缸何以在南北半球的排水方向不同。很多大學(xué)生稱，他們的中學(xué)科學(xué)教師們向他們講授了這一事實。問題是，這并非事實。這是蹩腳的天文學(xué)。

科里奧利效應(yīng)的確是存在的。到1800年代時，人們早已知道，沿南北線發(fā)射的炮彈往往會偏離筆直路徑。如果向南發(fā)射，炮彈總是會落在目標(biāo)偏西的位置，而如果向北發(fā)射，則落在目標(biāo)偏東的位置。1835年，法國數(shù)學(xué)家科里奧利（Gustave Gaspard Coriolis）發(fā)表了一篇論文，它有一個并不招搖的標(biāo)題——《論物系相對運動方程》，描述了后來被稱為科里奧利效應(yīng)的現(xiàn)象。

想象一下自己站在地球上。是的，這很容易?，F(xiàn)在，想象地球在自轉(zhuǎn)，每天一圈。還在聽我說嗎？好吧，現(xiàn)在想象你站在赤道上。地球的自轉(zhuǎn)帶著你向東運行，一天后，你在空間掃過了一個大圓，其半徑等于地球半徑。在赤道上，意味著你一天走了40 000千米（25 000英里）。

現(xiàn)在想象你在北極點。一天后，你圍繞所站的地點轉(zhuǎn)了一圈，但實際上你就沒挪窩。北極點被定義為地球自轉(zhuǎn)軸穿過地面的那一點，該點被非常精確地定義于此，因此你不會在那里劃出圈來。你只是在旋轉(zhuǎn)，而根本沒有作向東的運動。

當(dāng)從赤道向北移動，你會發(fā)現(xiàn)向東的速度下降。在赤道上，你以幾近1670千米/小時（1030英里/小時）的速度向東運行（24小時共運行40 000千米）。在位于北緯大約27°的佛羅里達(dá)州薩拉索塔，你將以1500千米/小時（930英里/小時）的速度向東運行。當(dāng)來到地處北緯44°的緬因州威斯卡西特時，你向東運行的速度僅為1200千米/小時（720英里/小時）。如果你敢于挑戰(zhàn)阿拉斯加州巴羅的嚴(yán)寒去到北緯71°的地方，你將以550千米/小時（340英里/小時）的速度從容不迫地移動。最后，在北極，你將根本不會向東移動，你僅僅是自己打轉(zhuǎn)而未向東移動半步。

讓我們假定你停留在薩拉索塔，考慮到此地相比于巴羅的適宜氣候，這么做自然是理所當(dāng)然。現(xiàn)在想象赤道上有一個人在你正南方向，他向正北方向拋出棒球，直指你所在的位置。當(dāng)棒球向北運動時，它向東的速度相對于地面增加。相對于你來說，當(dāng)棒球到達(dá)你的位置時，它將以大約1670－1500=170千米/小時（1030－930=100英里/小時）的速度向東移動。即使棒球直接瞄準(zhǔn)你，它也將以一個很大的差值與你失之交臂！當(dāng)?shù)诌_(dá)你所在的緯度時，它會落在你東邊很遠(yuǎn)的地方。

這就是為什么當(dāng)炮彈向北或向南發(fā)射時會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最初從大炮射出時，它們多少都有一個向東的初始速度。但如果是向北發(fā)射，它們在抵達(dá)目標(biāo)的過程中向東移動的速度要比它們下方的地表向東轉(zhuǎn)動的速度快。炮手需要瞄準(zhǔn)稍偏西的位置以抵消這一作用。當(dāng)向南開炮時情況正好相反；炮彈飛向目標(biāo)的過程中向東移動的速度慢于它們下方的地表，炮手需要瞄準(zhǔn)比實際射擊目標(biāo)稍偏東的位置。

在上述像棒球運動一樣的例子中，涉及距離與時間非常大，使得科里奧利效應(yīng)累積增大。事實上，這是一個很小的效應(yīng)。假定你在緬因州威斯卡西特以100千米/小時的速度開車向北行駛?？评飱W利效應(yīng)會讓你以3毫米/秒的小量偏轉(zhuǎn)。持續(xù)行駛整整1小時之后，偏轉(zhuǎn)量僅為10米。你可能不會注意到這一點。

但科里奧利效應(yīng)是存在的。盡管很微弱，但是經(jīng)過很長的距離和時間，它就會疊加累積起來。在適當(dāng)?shù)臈l件下，那可能會是一個很大的值。

這些情況的確會出現(xiàn)。氣壓低的地區(qū)就像一只吸塵器，可以吸引周圍的氣流。讓我們來簡化一下在北半球的情況，假設(shè)氣流僅自正北和正南而來。自正南而來的氣流向東移動的速度比低壓中心附近的氣流要快，因此它會向東偏轉(zhuǎn)。自正北而來的氣流運動得比低壓中心的氣流慢，因此向西偏轉(zhuǎn)。這兩種偏轉(zhuǎn)合成了低氣壓系統(tǒng)的逆時針旋轉(zhuǎn)。這被稱作氣旋系統(tǒng)。

在南半球情況正相反。因為自北而來的氣流向東移動的速度更快，自南而來的氣流移動得更慢，所合成的低氣壓系統(tǒng)將沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向與北半球相反。

如果系統(tǒng)在長時段——幾天或幾周——保持穩(wěn)定，其強度會大大增加。溫暖的海水進(jìn)入系統(tǒng)，使其更強。氣流離中心越近，運動就越快，就像溜冰者收起手臂時，旋轉(zhuǎn)得更快一樣。當(dāng)風(fēng)的強度增加并以100千米/小時或更大時速刮起，就會成為颶風(fēng)（如果在太平洋上，就會形成臺風(fēng)）。

所有這一切，都來自你在汽車?yán)锷踔翢o法覺察的微小偏轉(zhuǎn)。

這是不是聽上去挺耳熟的？沒錯！麥克利維在肯尼亞演示時用來解釋水流方向所用的正是相同的觀點。

但是有一個問題：正如我們已經(jīng)看到的，科里奧利效應(yīng)只有經(jīng)過長距離和長時間的積累才會產(chǎn)生可測量到的效果。就連最深的浴缸也還是太小，且排水太快，因而根本不會受到這一效應(yīng)的影響。計算顯示，水中的無規(guī)則運動比科里奧利效應(yīng)強數(shù)千倍，這意味著水中的任何無規(guī)則渦旋都會完全淹沒這一效應(yīng)。如果你浴缸里的水總是以一種方式排出，那么它與你的排水管具體形狀的關(guān)系更大，而非來自地球自轉(zhuǎn)。

事實上，那些渴望成為物理學(xué)家的人曾利用自家的水槽做過一個實驗。他們發(fā)現(xiàn)，水槽需要靜止平放三周以上，從而使得無規(guī)則的水流減弱到足夠小，才能看到可覺察的科里奧利效應(yīng)。不僅如此，他們還不得不讓水槽逐滴排水，以使這一效應(yīng)經(jīng)過足夠長的時間而變得顯著。在水槽中手洗細(xì)軟衣物時，你是不可能看到這一效應(yīng)的。

這對馬桶來說也同樣適用。這總是讓我忍俊不禁：馬桶是被設(shè)計來使水旋轉(zhuǎn)的，這有助于清理那些不能很容易被清除掉的頑固污物。水通過成一定角度的管道被注入馬桶，因此水流沖洗馬桶的方式總是相同的！即便是我把這馬桶拆下來，搬到澳大利亞去，水流沖洗馬桶的方向還是與現(xiàn)在一樣。

圖1-2　科里奧利效應(yīng)只有在經(jīng)過長距離才會變得顯著。當(dāng)?shù)蜌鈮簣F(tuán)吸進(jìn)來自更高和更低緯度的氣流時，颶風(fēng)就產(chǎn)生了。由于科里奧利效應(yīng)，在北半球，自南而來的氣流會向東運動，自北而來的氣流則向西運動，引起逆時針旋轉(zhuǎn)。

科里奧利效應(yīng)在如此小的尺度仍會起作用這一觀點，是一個有害的神話。我在不計其數(shù)的電視節(jié)目以及雜志文章中看到過它，甚至《體育畫報》（Sports Illustrated）的泳衣專題中也曾對此做過報道。奇怪的是，他們記述了從中美洲國家哥斯達(dá)黎加步行穿越赤道，而哥斯達(dá)黎加距離赤道尚有數(shù)百千米之遙。一些特約撰稿人把圖搞錯，但這些圖又不是雜志通常設(shè)法兜售的那種。要不，也許這類徒步旅行正是模特們?nèi)绾伪３秩绱嗣鐥l的原因。

如果科里奧利效應(yīng)在諸如水槽或平底鍋這樣小的物件上并不會起效，那么麥克利維又是如何讓它實現(xiàn)的呢？畢竟，正像佩林所評論的，該效應(yīng)在他那兒的確起作用了。

事實上，麥克利維欺騙了他的觀眾。如果觀看了他在《極地之旅》中的做法，你就會發(fā)現(xiàn)他騙人的伎倆。他站在自己的那條赤道線上并在盤里注滿了水，然后向北走數(shù)米，并迅速向右轉(zhuǎn)面對觀眾。他打開盤底的一個出水口，而水會十分善解人意地以順時針方向旋轉(zhuǎn)排出。接下來，他再次將盆注滿，向赤道以南走上數(shù)米，然后迅速向左轉(zhuǎn)面對觀眾。排水，此時水會沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)排出。

你看出這是怎么回事兒了嗎？通過以相反方向快速轉(zhuǎn)向，他可以令水以他所想要的方向旋轉(zhuǎn)！水盤近似方形的形狀也助了他一臂之力；當(dāng)水盤轉(zhuǎn)動時，它的四角對水有一個推力，從而讓水更遂心意地流動。

氣象學(xué)教授弗雷澤曾在他的課堂上做過這一演示。他在教室中央畫一條線，并宣稱它就是赤道（他任教于賓夕法尼亞州）。然后他所做的演示與麥克利維的一樣，并得到了相同的結(jié)果。

還是不相信我？那么考慮這一點：在北半球，科里奧利效應(yīng)會使排出的水以逆時針方向旋轉(zhuǎn)，而在南半球則以順時針方向旋轉(zhuǎn)。在北半球，向北流動的水會向東偏轉(zhuǎn)，使水成逆時針方向旋轉(zhuǎn)。由北向南而來的水流則向西偏轉(zhuǎn)，但仍是逆時針。在南半球，情形相反，水將以順時針方向旋轉(zhuǎn)。

但這與麥克利維所演示的正好相反。他是個騙子！

法官大人，我的案子結(jié)了。

喔，其實不是的。我還有另一個傳說要講。當(dāng)搜索有關(guān)納紐基的信息時，我找到了一個旅行者的旅行見聞，記述了小鎮(zhèn)外3個相距大約10米的水槽。一個在赤道以南，一個正好位于赤道上，第三個則位于赤道以北。也許是其他什么人打算搶麥克利維的生意。無論如何，寫下旅行見聞的這位旅行者聲稱，北邊的水槽沿順時針方向排水，南邊的水槽沿逆時針方向排水，而中間的水槽則筆直向下排水。顯然，排水孔被以某種方式鑿開，迫使水以設(shè)計者需要的方向排出。再次請注意，它們排水的方向又錯了！

實際上這非?？尚?。這些騙子經(jīng)歷這樣那樣的麻煩以掙得幾個小錢，他們甚至沒怎么搞懂這個騙局。盡管如此，我認(rèn)為那些騙子并不會餓死。騙子們很少會餓死。他們總是能讓水流的旋轉(zhuǎn)聽命于他們的支配。

【注釋】

[1]《極地之旅》是一部8集的電視紀(jì)錄片，1992年由BBC公司制作并播出。著名旅游節(jié)目主持人佩林從北極出發(fā)，沿東經(jīng)30°旅行，直至南極。原文寫作PBS（美國公共廣播公司），應(yīng)為BBC之誤?！g者

[2]巨蟒是一個英國的六人喜劇組合，成立于1960年代末。他們的電視喜劇系列《巨蟒與飛行的馬戲團(tuán)》（Monty Python and the Flying Circus）在1970年代風(fēng)靡全球。這個組合對大眾文化產(chǎn)生了很大影響，據(jù)說編程語言Python的作者范羅蘇姆（Guido van Rossum）特別喜歡《飛行的馬戲團(tuán)》，因此便以這個組合的名字命名其編程語言。后來成為著名旅游節(jié)目主持人的佩林曾是這個組合的一員?！g者