2013年2月4日 星期一

[數碼新聞]愛因斯坦鮮為人知地質研究:河流侵蝕巴爾定律






由國際空間站工作人員拍攝的圖片,顯示出美國猶他州的鮑威爾湖及其附近的一段廢棄河曲──Rincon

  新浪科技訊 香港時間2月4日消息,在尋常人眼中,愛因斯坦是一位鑽研空間和時間物理定律的科學家,提出了著名的狹義相對論和廣義相對論,但他在業餘時間也做過很多其他學科的研究,撰寫過不少相關的論文,包括一篇人們熟知的涉及化學和布朗運動的文章。在地質學領域,他還曾研究過巴爾定律,並對河流的侵蝕機制提出了個人見解。

  或許很多人都未曾聽說過巴爾定律,這主要有兩個原因:一是該定律並未在現實世界中發揮實際的作用;二是卡爾‧恩斯特‧馮‧巴爾(Karl Ernst von Baer)和愛因斯坦一樣,他在其他領域的成就太過突出,以致掩蓋了在地質學上的工作。

  馮‧巴爾對胚胎學的研究持續了一生,揭示了從鳥類到人類等物種的發育過程。他指出,在胚胎發育的不同階段,不同生物體的外形可以非常相似。事實上,正是他開啟了胚胎學領域的研究。不過,他也花了一些時間在地質學上,並提出了有關河流侵蝕的理論。巴爾定律在河流中的體現相當於科里奧利效應,後者指出長距離運動的物體會受到地球自轉的影響。

  地球本身是一個旋轉體系。想像一下你站在北極點,朝設置在赤道上的靶子投擲一個球體。由於你基本上處於靜止狀態,而靶子會因地球自轉而一直高速流動──一天就能繞地球一圈──因此從你的角度看去,靶子向左流動,而球的運行軌跡向右彎曲。科里奧利效應的奇妙之處就在於,當你急速跑到赤道上,接住這個球,往北極方向再扔過去的時候,球的軌跡還是向右彎曲。這是什麼原理呢?當你在赤道上向北極點望去的時候,看起來是在一條直線上,但實際上你一直處在不斷地向右流動中,你拋出的球在高速運動中也會向右偏,因而其軌跡看起來向右彎曲。在南半球也是同樣的情況,只是物體會向左偏離。

  馮‧巴爾──和愛因斯坦──提出,不單單只有空氣和固體具有會出現這種現象,河流也會受到這種拉力的影響。在北半球,河流流向右側受到的侵蝕通常較嚴重,而左側河岸則較為平緩。南半球的情況則與此相反。這就是巴爾定律的內容,但當時人們並不清楚其中的機制。

  愛因斯坦的論文中指出,在水流衝刷河岸的過程中,河岸受到一股向內的推力,相當於水流對其向外的推力,這就沿著河岸建立起一個壓力梯度。沿著河流底部流淌的水體受到摩擦作用速度減慢,導致向外的推力減小,因而壓力梯度會從側面向中間侵蝕河床。愛因斯坦認為,這就是河流一側被侵蝕,以及河床形成的機制。

  如果對世界各地的河流進行調查,你可能不會找到太多這種侵蝕嚴重的河岸,因為相比河流流速和當地地形等因素,這一定律產生的效應十分有限。當然幸運的是,有了這兩位偉大科學家的業餘工作,我們對這一問題的驗証並沒有花費太多時間。(任天)



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