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第四章 学点代数

可是,巴比康却认为如果尼切尔仔细思考,一定也会列出这个等式的。

“这已经很厉害了!”米歇尔·阿尔当说道,因为他这辈子从来就没有做对过一次加法运算,于是,他得出这样的结论:加法就像是中国的七巧板一样,可以得出很多不同的答案。

“我不这么认为,”尼切尔说,“因为我越是研究这个等式,越觉得其中的精妙。”

“不,米歇尔。巴比康所做的要难得多。因为要列出一个方程式,需要考虑这个问题的所有参数。我要做的只是算术,懂得四则运算法则就足够了。”

“现在听我说,米歇尔,”巴比康对他那位对此一窍不通的同伴说道,“你会发现等式里的每一个字母都有它的含义。”

“也就是说,你和我们的主席一样聪明喽?”

“洗耳恭听。”米歇尔一脸顺从的样子。

“我肯定。”

“d代表地心到月心的距离,”巴比康解释道,“因为计算引力须从天体的中心算起。”

“你肯定?”

“这点我明白。”

“没错,”尼切尔答道,“而且通过这个方程式,我还可以算出炮弹在任意一点的速度。”

“r是地球的半径。”

“你认为,尼切尔,”米歇尔问道,“通过这些比埃及白鹳还难懂的象形文字,你就能算出炮弹应具的初速吗?”

“r,半径。同意。”

“当然了,米歇尔,”船长答道,“这些符号虽然看起来晦涩难懂,但对于内行人来说,却是最清楚、最明了、最符合逻辑的语言。”

“m表示地球的质量;m撇是月球的质量。既然引力是与质量成正比的,所以两个天体的质量我们也需考虑进来。”

“尼切尔也明白这是什么意思吗?”

“这是一定的。”

“那就听好,”巴比康说,“v方与v零方之差的二分之一代表着动能变化的二分之一。”

“g代表重力,也就是物体在地球上每秒下落的速度。明白吗?”

“我也想弄明白!”米歇尔嚷道,“哪怕是要以尼切尔十年的寿命为代价,我也要弄明白。”

“非常明白。”

“事实上,”尼切尔内行地看着公式说道,“我觉得这个公式列得很好,巴比康。通过这个动能的等式,我相信我们能得到想要的答案。”

“现在,我用x表示炮弹与地球间的不断增大的距离,v代表在这个距离上的速度。”

“还不如把我吊死算了。”

“好的。”

“总是没正经!”巴比康说道,“你想要学代数,够你学一阵子的!”

“最后,等式中的v零表示炮弹在穿过大气层后的速度。”

“当然喽!”米歇尔说,“这是一目了然的事?我可不必再问什么了。”

“其实,”尼切尔说道,“我们要计算的就是这一点上的速度。因为我们已经知道炮弹的初速是炮弹穿过大气层后的速度的1.5倍。”

“完全明白。”

“这我就不太明白了。”

“x骑着y,y又骑着z,z又爬上了p,”米歇尔大笑着说道,“船长,你能看懂这玩意儿吗?”

“可是这很简单啊!”巴比康说道。

“意思是,”尼切尔答道,“v方与v零方之差的二分之一,等于gr乘以大括号x分之r减一加上m分之m撇乘以小括号d减x分之r减去d减r分之r小括号大括号……”

“对我来说可不简单。”米歇尔说。

“这是什么意思?”米歇尔问。

“也就是说,当我们的炮弹穿过大气层后,它的速度已经降到了初速的三分之二。”

半个小时还没到,巴比康抬起头,将一张写满了代数符号的纸拿给米歇尔看,上面有一个总公式:

“只剩这么多?”

话音刚落,巴比康就全神贯注地开始工作,尼切尔则继续观察太空,由他的同伴米歇尔去准备早饭。

“是啊,我的朋友,这是炮弹与大气层摩擦造成的。你是知道的,炮弹的速度越快,它所受到的空气的阻力也就越大。”

“现在,”巴比康又说道,“给我一张纸,一支铅笔,半个小时之内我就能够列出等式。”

“这我知道,而且也明白。”米歇尔回答说,“不过你的v方与v零方之差还是像天书一样搞得我摸不着头脑。”

“这句话还明白些。”米歇尔看起来很满意。

“这就是初学代数的人的感觉。”巴比康继续回答说,“现在,为了得出结果,我们要带进这些字母相应的数值,也就是说,带进已知项。”

“也就是说,我们可以通过数的微分求得数的有限量。”

“我已经晕头转向了。”米歇尔答道。

“谢谢。”

“在这些字母中,有一些是已知的,还有一些是要计算的。”巴比康说。

“一种与微分学相反的计算方法。”巴比康严肃地答道。

“我负责算出那些未知的。”尼切尔说。

“也许月球人的积分学比我们更先进呢!顺便问一句,什么是积分学?”

“我们先来看r,”巴比康又说道,“r表示的是地球的半径,从佛罗里达州的纬度来算,也就是我们出发的地方,为六百三十七万米。d代表地心到月心的距离,是地球半径的五十六倍,也就是……”

“当然。”巴比康说。

“也就是三亿五千六百七十二万米,”尼切尔飞快地算出了结果,“这是月圆时,也就是月球处于近地点时,地心与月心的距离。”

“瞧瞧,”米歇尔·阿尔当挖苦道,“数学也有解决不了的问题啊!”

“很好,”巴比康说道,“现在是m分之m撇,也就是月球质量与地球质量之比,等于八十分之一。”

“因为积分学还不能解决这个问题,我们所采用的解决办法被称为‘三体问题’。”

“明白。”米歇尔说。

“为什么?”

“g表示重力,在佛罗里达州的重力为九点八一米,那么gr等于……”

“你马上就能看到。不过,我不能给你画出炮弹在地球和月球间飞行的曲线,因为这两个天体也在绕太阳运行。哦,不,我们假定两个天体是静止的就可以了。”

“六千两百四十八万六千平方米。”尼切尔接着说道。

“那你把等式列出来看看。”

“那现在呢?”米歇尔·阿尔当问。

“好的,我尊敬的朋友。只要列出这个问题的所有参数,如地心与月心间的距离、地球的半径、地球的质量、月球的质量,列一个简单的方程式,我就可以准确地算出炮弹的初速。”

“既然字母的数值都已算出,”巴比康回答说,“现在我要算出v的值,也就是炮弹在穿过大气层后到达引力平衡点时的速度。因为此时的速度为零,我假定v等于零,那么x,也就是平衡点与地心的距离,为d的十分之九。”

“让我看看怎样能够算出我们‘车厢’的初速。”

“我模模糊糊地觉得应该是这样的。”米歇尔说。

“当然,如果你感兴趣的话。”

“既然x为d的十分之九,v又等于零,我们便可以得出如下等式……”

“你能当着我的面操作一下这个工具吗?”

巴比康飞快地写了出来:

“千真万确。”

尼切尔贪婪地看着这个公式,大声说道:“就是这样,就是这样。”

“真的吗?”

“清楚吗?”巴比康问道。

“那就是了,代数也是一个工具,就像犁和锤子一样,但是对于会使用的人而言,这可是好工具。”

“字字清楚,让人过目不忘。”尼切尔答道。

“不相信。”

“多么诚实的人啊!”米歇尔小声感叹道。

“米歇尔,”巴比康反驳说,“你相信打铁可以不用锤子,耕田可以不用犁吗?”

“现在你明白了吗?”巴比康问他。

“瞧,你们这些以X、Y为生的人都一样,总是认为代数可以解决一切。”

“我要是能够明白就好了!”米歇尔·阿尔当嚷道,“不过那时我的脑袋也会开花的!”

“那是因为你不懂代数。”巴比康平静地回答说。

“因此,”巴比康又说道,“v零方等于二gr乘以一减九d分之十r减去八十一分之一乘以d分之十r与d减r分之r的差。”

“好吧,我的巴比康老兄,”米歇尔说,“就算是把我的头割下来,从脚开始割,我也算不出来。”

“现在,”尼切尔说道,“只需计算便可得出炮弹穿过大气层后的速度了。”

“当然可以。如果不是天文台帮我们省去了这个麻烦,我和尼切尔也可以算出来。”

话音刚落,船长便以惊人的速度开始了计算,真不愧为对各种难题都能应付自如的实践家。乘乘除除在他的手下慢慢展开。数字布满了白色的纸面。巴比康认真地看着,而米歇尔·阿尔当却已经感到头痛,双手按着脑袋。

“你也能算出来?”米歇尔·阿尔当问。

几分钟后,巴比康问道:“怎么样?”

“再简单不过了!”巴比康答道。

“很好,”尼切尔回答说,“经过计算,v零,也就是炮弹要达到引力平衡点,穿过大气层后应有的速度应该是……”

“差不多吧!”米歇尔说,“可我还是那个问题,他们是怎么算出炮弹的初始速度的呢?”

“是多少?”

“你是想说,”巴比康答道,“要达到大概位于我们整个行程十分之九处的地球引力与月球引力的平衡点是吗?因为过了这一点,炮弹单凭其重力便可降落在月球上。”

“应该是一万一千零五十一米每秒。”

“我在想我们剑桥的朋友们。你知道,对于数学问题我一向是一窍不通。我简直无法想象,天文台的学者们怎么能够算出炮弹的初速需达到多少,才能最终抵达月球呢?”

“什么?”巴比康跳起来,叫道:“你是说……”

“不知道。”巴比康回答。

“一万一千零五十一米。”

说完这些,他连忙转移了话题。“巴比康,”他说,“你知道昨晚我一直在想什么?”

“该死!”主席大声说道,做了一个失望的手势。

“是啊,”米歇尔答道,“法国人经常开这种玩笑的,有高卢之风。就算是上流社会,也常常会这样学鸡叫。”

“怎么啦?”米歇尔·阿尔当惊讶地问他道。

“你真的很有才华。”尼切尔用怀疑的眼光看着他说。

“我怎么啦?由于摩擦,这个速度是初速的三分之二啊,那么初速应该是……”

两个美国人忍不住哈哈大笑。

“一万六千五百七十六米每秒!”尼切尔答道。

一边说着,他又咯咯咯咯地叫了起来,声音响亮极了,活像一只骄傲的大公鸡。

“剑桥天文台却说一万一千米每秒的初速就足够了,这就是我们的炮弹发射时的速度啊!”

“不,不,我的朋友们,”米歇尔赶紧答道,“是我想用这乡间练声曲叫你们起床呢。”

“也就是说?”尼切尔问道。

“有只公鸡?”尼切尔问道。

“也就是说这个速度还不够!”

但是,尼切尔和巴比康还是醒了。

“糟糕!”

“给我闭嘴!”他低声说道,“你这个蠢东西会让我的计划破产的!”

“我们到不了引力平衡点了!”

米歇尔·阿尔当赶快起来,爬到弹舱顶部,将一只半开的箱子盖好。

“真该死!”

12月3日早晨,三个人被一个意外的欢快的声音吵醒。弹舱里有一只公鸡在打鸣。

“我们甚至连一半的路程都走不完!”

被关在弹舱里的巴比康和他的同伴们,可以认为他们正处在绝对静止状态。而且,就算他们在炮弹的外面,其效果也是一样的。如果不是月亮越来越大,他们真会以为炮弹根本就是静止的。

“以炮弹的名义!”米歇尔·阿尔当跳了起来,叫道,好像炮弹马上就要撞到地球上似的,“我们会掉回到地球上去!”

三位乘客睡得非常安稳,虽然炮弹在极速前进,但里面的人却感觉它是静止不动的。没有任何响动说明炮弹正在太空中飞行。当物体在真空里移动,或者周围的空气与物体一起移动时,无论速度有多大,都不能被人的机体感觉到。哪位地球上的居民会注意到地球正以每小时九万公里的速度运动呢?运动,在这种情况下,跟静止所带来的感觉是一样的。因此,运动对物体没有丝毫的影响。一个静止的物体,如果没有外力推动的话,将永远保持静止。一个运动的物体,如果没有任何外力阻拦的话,会永远运动下去。这种运动与静止的不变性,被称为惯性。

注 释

相对于太阳,炮弹的位置没有什么变化。从天文学的角度看,弹舱底部处在白天,弹舱上面的部分是夜晚。在我们的叙述里所用到的“白天”与“黑夜”,表示的是和地球上的日出和日落同等的时间跨度。

白鹳是古埃及的神鸟。

一夜平安无事。不过“夜”这个字用得不太确切。