圖解不需算式的物理學

本書特色

　　本書內容從物理學的誕生開始至牛頓力學、相對論為止。序章是從物理學形成的概括思想觀點，來看物理學誕生的歷史過程。因此，第1章之後即是從學習已完成之物理學理論開始，捨棄歷史的輾轉曲折，直接開啟以合理形式出現的物理學大門。

　　本書內容主要是提供給一般害怕物理學、從未真正了解物理之美的讀者的物理學入門書，因此儘可能不使用算數公式。期望能讓更多人理解近代甚至是現代社會中，極為重要的知識之一，即物理學的思考模式。

作者簡介

水崎高浩

　　1963年出生。理學博士。理論物理學者。

　　於東京大學理學系研究科博士課程終了後，先擔任東京大學理學系研究科物理學科助教，現在為專修大學教授、以及東京大學客座教授。一方面也發表相當多論文，主要於Physical Review學誌上發表。

譯者簡介

張萍

　　1995年始接觸日文；翻譯經驗迄今已有七年。高科大應日系、雲科大企研所畢，日本特別研究生一年。目前在新竹某大財團法人從事對日國際業務。喜好旅行看山看水、上網東張西望。譯有：《圖解半導體製造裝置》（世茂出版）等。

3-5太陽系探勘
藉由繞行星變軌（Swing-by）的方法，即可利用行星的重力使太空探測器加速，而使得運用較少的燃料進行行星探勘的工作變得可能。

行星探勘
為了更有效率地進行行星探勘，行星的位置就顯得相當重要。若是欲進行探勘的行星們是並行在一起的，那麼就可以用一台太空探測器同時進行探勘。以木星與土星為例，探勘時必須考慮兩顆行星朝相同方向前進的時間點。

木星公轉週期為11.86年，土星為29.5年。既然木星與土星朝同一個方向前進，我們就可以求得它們朝下一個相同方向前進的週期（會合週期）。兩顆行星各自公轉的角速度分別為 及 。角速度是由公轉週期除以360°＝2 得來。公轉角速度差即為 ×01.0504。求得的會合週期為2 ×0.0504＝ ，因此為19.8年。若木星與土星在同一個方向，一台探勘機可以同步進行兩種探勘，對行星探勘來說是非常寶貴的機會，這樣的機會約20年才會遇到一次。

也可以用同樣的方法來計算其他兩種行星的會合週期。由於較遠的行星公轉週期較長，這些行星的會合週期也非常之長。多數行星朝向同一方向運行，遇上會合週期時，對行星探勘來說即是非常寶貴的機會。

這種探勘機會曾經在距今約30年前出現。1977年人類發射了太空探測器　　航海家號（Voyager）太空船，當時可以觀察相同方向的木星、土星；轉個方向還可以觀察天王星、海王星，並且航向太陽系之外。之所以能夠如此，其實是利用當時行星位置配置的優勢，並且巧妙地運用力學定律。

繞行星變軌
觀察太空探測器的飛行路徑（圖3　12）可以得知，為了能夠一次探勘數個行星，勢必改變探測器的航行方向。由於改變航向也會改變速度的方向，因此就必須要有加速度運動。因此，必須必需在探測器上增加作用力。

其中一種改變探測器方向的方法是用噴射燃料。但是這樣的方法必須要裝載大量的燃料，實際上會有困難。另一種方法是利用欲探勘行星本身的重力。若這個方法可行，就不只可以方向改變，甚至還可以加速前進。該方法稱為「繞行星變軌」。

若能夠藉由欲採勘行星的重力，以好像要鑽入行星內部的狀態，應該就可以「改變方向」。然而，關於「可以加速」這件事情，你不覺得好像有點奇怪嗎？接著就來說明一下其中的奧秘。

某個物體A在速度 的情況下，撞到非常重且頑固的牆壁B，因此它被同樣的速度 反彈回去。此時，若牆壁以速度 接近物體，則物體的反彈速度會變成是原有速度 ，再加上牆壁接近速度 的兩倍。也就是說，若與運動中的物體碰撞後反彈，則反彈速度就會變成是以對方的速度再加速。這部分可以運用運動量與能量守恆定律來表示。

太空探測器雖然沒有直接衝撞木星，但是卻可以利用木星所擁有的強大重力改變其方向並予以加速。也就是說，航海家可以用木星的公轉方向轉到木星的另一側；也可以藉由木星的重力，利用力量互相牽制的方式來改變其行進方向，同時利用木星公轉速度來加速。雖然實際的運作有些複雜，但是應該可以大致理解其中的架構。航海家在探勘木星並加速後，便繼續探勘土星、天王星以及海王星，並且進行反覆地加速，最後成功甩掉太陽重力、航離太陽系。

描繪金星的圖形　　五芒星
暢銷小說「達文西密碼」是一部意義深遠的作品，其中有提到「金星每八年在黃道帶上所形成的軌跡是個五芒星圖。」我想「這究竟是怎麼一回事呀？」所以就試著去找出解答。

所謂五芒星，如下頁圖所示，是可以用一筆劃畫完的星型。雖然其有許多種象徵的意義，但是和物理卻毫無相關。在此，我們試著來思考金星與該圖形間的關係。

相對於地球公轉週期為1年，金星的公轉週期由於公轉半徑較小，因此速度較快，僅有225天。我們可以藉由這兩個數字，來計算行星的「會合週期」。從計算結果可以發現2/225 2/365＝2/587，因此，每約1年7個月，金星就會接近地球一次。

如果用直覺式的思考模式來看上述的會合週期。365天乘以8等於2,920天。另一方面，225天乘以13等於2,925天。雖然兩個結果有點差距，但是差不多可以視為一樣，這表示當地球進行8次公轉時，金星就會進行13次的公轉。用會合週期的587天除以2,925天，結果就會得到5次，由此可知，8年之內金星會接近地球5次。因此，若將金星的位置以直線連結後，就會發現其剛好和五芒星用一筆劃畫完的順序一致。在黃道帶上，因為金星與地球之間擁有再次接近的特殊關係，因此連結金星的位置即可得到這個有點抽象的五芒星圖形。這是單純觀測天空、金星實際運動也無法了解的情形。將金星與五芒星間的關係連結起來的古人們，好像就已經能夠得知地球與金星環繞太陽的公轉週期比率為（13：8）了。

「達文西密碼」中還提到了牛頓的名字，以及會在第6章中提出相對論的愛因斯坦。愛因斯坦在該作品中，雖然只是被作為一個比喻；但是，牛頓就不是因為物理，而是因為與內容相關而被提及。