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給孩子最好的科學教育
作者 七君
你考慮過這個問題嗎：當你往下跳的時候，是你的頭先往下掉，還是腳先往下掉？
許多人可能馬上就會說，當然是同時啊，怎麼會有這麼白痴的問題？
呵呵，不要對你的回答太有自信了。先給大家展示一個神奇的現象。
如果你家裡有這種玩具機靈鬼（slinky）嗎？機靈鬼就是扭起來會開心地發出嗚嗚嗚的聲音的那種玩具。它還會自己下樓，自己在跑步機上運動，自我管理能力很強。
好了，你可以拿著機靈鬼，然後撒手看它掉落的樣子。如果你有攝像機，在玩的時候同時把這個過程拍下來回放，然後你就可以看到下面的動圖裡這樣神奇的現象了。
換個角度看：
換一個金屬的機靈鬼試試看：
如果在機靈鬼屁股上掛一個球會怎樣：
@Questacon
很奇怪吧，在放手後，機靈鬼的屁股居然沒有和頭部同時下墜，而是等到頭部掉到附近了才被“推著”往下走。
這好像和我們的常識不符啊。一個人從高出往下跳的時候，全身看起來是同時自由落體啊。自由落體的機靈鬼的頭部為什麼比尾部先“自由落體”？
在2000年時，已故的著名科普作家馬丁·加德納（Martin Gardner）就曾注意到這個奇異的現象。通過他的介紹，一時間許多物理學家和數學家都對這個現象著了迷。
那麼，在頭部掉下來之前，是什麼讓機靈鬼的屁股在空中保持平衡的呢？
讓機靈鬼的屁股在空中保持懸浮這一點還是挺好理解的，因為機靈鬼是一種張力彈簧（tension spring）。
啥意思呢？
我們平常看到的彈簧在被壓縮和拉伸時都會產生張力，或者說彈性。但是張力彈簧不一樣，它只在拉伸時產生張力（有彈性），但是壓縮時不產生張力（沒彈性）。所以我們拉機靈鬼的時候會感到它有彈性，但是壓它的時候它就鬆鬆的。
在機靈鬼的頭掉到屁股的位置之前，屁股上方依舊處於拉伸狀態，這種拉伸狀態產生的張力和屁股的重力能夠抵消，因此屁股能保持平衡。
這對於機靈鬼的每一環來說都一樣。
悉尼大學的物理學家 Rod Cross 和 Mike Wheatland 發表在《美國物理雜誌》（American Journal of Physics）上的研究通過高速攝像發現，機靈鬼在自由落體時，的確是從頭往下一環一環自由落體的。
至於機靈鬼的屁股可以懸浮多久，哈佛大學的物理研究員 Shimon Kolkowitz 以及 Cross 和 Wheatland 的計算發現，市面上的普通機靈鬼的屁股可以在空中懸浮0.3秒左右。
實際上，更重的機靈鬼的屁股的懸浮時間更長，而更沒彈性的機靈鬼的懸浮時間則會變短。
機靈鬼的彈簧性質當然可以解釋讓它的屁股懸浮的力量來自哪裡。可是，為什麼屁股不是和頭一起掉落呢？
哈，如果你能想明白這個問題，相對論你也就能理解很大一部分了。就這麼和你說吧，當你放手讓機靈鬼自由落體時，它的頭比屁股先知道自己應該往下掉的這個信息。
Cross 和 Wheatland 指出，自由落體這個信息會像地震波一樣從上往下沿著機靈鬼的身體傳導（傳播速度是每秒50-100個環），每一環都是接到指令後才開始自由落體的，“改變運動狀態的信息需要一段時間才能傳到到機靈鬼的底部。”
屁股上的那一環只知道它上面的那環在幹嘛，只要上面那環不變（提供了足夠的張力），它就不知道頭部發生了什麼事情，它就按兵不動。
同理，倒數第二環只知道自己上面和下面的那2個環在幹嘛。只要它倆不動，它也不動。因此，當機靈鬼的開始掉落時，墜落的信息是像“哇我的上面太劇烈了場面控制不住了”這樣從上到下一環一環傳遞的。
當你被打臉時，“變形”的信息也像波一樣一圈一圈往外傳播。
而信息的傳播不能超光速瞬時完成，這就是相對論中的定域性原理（Principle of locality），適用於宇宙萬物。
所以根據定域性原理呢，當你從臺階上往下跳的時候，你的 jio 先失去支撐自由落體，然後和你的 jio 連著的 jio 踝才知道下面的 jio 往下掉了，接著它也跟著掉。最後這個信息才傳導到你的頭部。
動畫片中的生物腳先自由落體，頭最後自由落體，實際上意外地還原了定域性原理哩。
不過因為人類的肉體和機靈鬼相比沒什麼彈性（剛性比較大），所以信息的傳導比較快，人眼無法察覺而已。
關於定域性原理在實際生活中的應用，美國自然史博物館天文物理部創始人、天文學家尼爾·德·格拉斯·泰森（Neil deGrasse Tyson）舉了武器的例子：軍事武器研發者早就開始利用定域性原理，把武器做長，比如劍、箭、還有近代的動能穿甲彈（Kinetic energy penetrator）。
我們來舉個例子。
按照我們的直覺，箭扎到人身上的時候，箭頭遇到阻力，整支箭是不是應該立刻放慢速度，然後卡在肉肉裡？
這位大俠，你的劍勾住了我的腰帶。
並不是。
根據定域性原理，即使箭頭被打爆粉碎停了下來，和頭部距離遙遠的箭尾並不能立刻減速，因為減速信息的傳導需要時間，所以箭的剩餘部分會繼續保持原來的速度向前衝，為殺傷力提供了補給。這就是把武器做長的好處之一。
當然了，在打網球啊羽毛球的時候也是一樣。
當你揮拍打球的時候，你以為球的撞擊和你感到的球的撞擊力是同時發生的，其實不然。
球的撞擊也需要時間才能從球拍傳導到你手上（更不要說神經信號的傳遞時間了）。所以，你對球的感覺總有延時。
emmm...原來根據定域性原理，我們根本不可能生活在當下，我們感受到的世界早就已經發生了，我們都只是活在過去的漣漪裡而已...
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