出品：科普中國
製作：城明辰
監製：中國科學院計算機網路資訊中心
地球上，有十分之一的人眼中的日常現象其實和我們大部分人並不一樣。
比如，他們看不到北極星，他們看到的颱風（“旋風”）是順時針轉的，他們看到陡峭河岸往往位於河流的左側......
因為，他們生活在南半球。與此相對的，北半球大陸的面積比南半球大得多，承載著世界上近90%的人口。
由於分屬於南北兩個半球，地球上的一些自然現象卻呈現出相反的規律，這背後最為我們熟知的原因就是地轉偏向力（科氏力）。
被誤解的地轉偏向力
在地理課本中，科氏力又被稱為地轉偏向力。
提到科氏力，許多人往往將它和地球的自旋關聯起來，但實際上，純粹的“地轉偏向力”並不存在，這兩個力在英文中只有一個統一的名稱“Coriolis force”。
物理學中認為，包括地球在內的任何自身旋轉物體，都有可能會產生科氏力。
科氏力來源於一位法國工程師——古斯塔夫賈斯帕德科里奧利（Gustave Gaspard de Coriolis），他在研究水輪旋轉的能量轉化時發現了它，科氏力之名也由此而來。起初，科氏力和大氣以及地球的自轉“八竿子打不著”，它們分別應用在各自的領域中。
科氏力最初是由科里奧利在水輪上發現的（圖片來源：amatterofind）
和離心力類似，在嚴格的物理定義中，科氏力並不是實際存在的作用力，它是為了與當地參考系保持一致而引入的一種效應（科氏效應）。
雖然“不存在”，但由於科氏力的概念易於理解，因此被廣為流傳、廣泛應用。
在地球上，幾乎所有水平運動的物體都會受到科氏力的作用（除了在赤道上的物體），當它沿著一條直線移動時，隨著距離的增加，它的軌跡逐漸發生了彎曲。
“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，從某種意義上來說，運動物體眼中的直線是以其腳下的地面為參考系的，而在旁人的眼中，由於地球的自轉，這條直線其實一開始就是一條曲線。
是不是有點難以理解？
伽利略在提出相對性原理時舉過這樣一個例子：假設在一個平靜的湖面上，有一艘勻速直線行駛的大船，將所有的窗戶都關上。那麼，船上的人是否能分辨出這艘船是靜止的，還是勻速直線運動的？
伽利略的輪船思想實驗（圖片來源：Physics Central）
結果顯然不能。由於慣性的控制，船艙內所做的一切力學實驗的結果和在靜止的船艙裡沒有任何區別。
同樣的，當我們身處在勻速行駛的飛機、火車以及電梯中，往往也會產生“它們是靜止的”這樣一種錯覺。
但地球並不是一艘勻速行駛的船，它始終沿著地軸進行自轉。在地球上所有物體的面前，至少擺著兩套參考系，一套是以自身為原點的自身參考系，另一套則是以地心為原點，始終在自轉的地球參考系。
當然，你還可以建立以太陽為圓心的太陽座標系等其它無數個座標系。
而科氏力作為一種慣性力，它並不是一種力，形象地說，它更像一座橫跨兩套參考系的橋樑。
對於在地球上靜止不動的物體，它們會和上一時刻保持相同的運動狀態，不論是在自身參考系還是在地球參考系，它們都處於靜止狀態，科氏力只能“乾瞪眼”，發揮不了作用。
在地球表面（非赤道）移動的物體同樣也可以選擇這兩套參考系，但身處不同參考系，它的運動狀態卻有了差異。當它筆直向前運動時，它的軌跡在自身參考系中是一條直線，而將其軌跡投影在地球表面，則是一條曲線。彷彿有一隻無形的手（科氏力）把直線給掰彎了，這條曲線是由旋轉的地球和自身的直線軌跡疊加而成的，這就是地球上科氏力的本來面目。
那南北半球的科氏力方向為什麼是相反的？
因為地球是圓的。儘管地球在自西向東自轉，但當我們處於南北半球高空中向下俯瞰（高度要足夠），就會發現，在兩個半球看到地球的旋轉方向是相反的：北極視角逆時針旋轉，南極視角順時針旋轉。這也是南北半球科氏力方向相反的原因。
南北半球相反的科氏力（圖片來源：pressbooks）
高緯度兩極地區的旋轉角速度最大，科氏力也大。儘管赤道上也存在旋轉角速度，但它正好和地球的旋轉方向完全一致，赤道似乎可以是順時針旋轉，又可以是逆時針旋轉，這個爭議地帶就成為了科氏力的禁區（一條無限細的環線）。
洗手池裡的小漩渦！
當然，不僅是風、洋流和飛機會受到科氏力的影響，地球上幾乎任何在水平方向運動的物體都會受到地轉偏向力的作用，甚至包括馬桶裡的水。
馬桶中旋轉的水流（圖片來源：Mental Floss）
在最理想的狀況下，北半球的馬桶、浴缸以及洗手池中的水流可以產生逆時針的漩渦，但由於科氏力極其微弱，外加噴水方向、水池的形狀以及外界其他因素的干擾，旋轉方向往往存在極大的不確定性。
因此，要想真真切切用肉眼觀察到“科氏力在馬桶中產生的漩渦”極為困難。幾乎所有的書本、網站甚至老師都會說，日常所看到的水池裡產生的漩渦並不是科氏力導致的。
但世界上的各個角落裡，都不免有那麼幾個喜歡抬槓又愛鑽牛角尖的科學家，而麻省理工大學的流體力學教授阿舍爾·夏皮羅（Ascher Shapiro）就是其中之一。
他認為，如果不受任何因素的干擾，即使水池再小，科氏力一定會留下屬於它的漩渦，能夠被我們捕捉到！
儘管許多科學家都明白這個道理，但卻幾乎沒有人有勇氣去做實驗驗證。因為這個似乎在家中廚房裡都可以完成的簡單實驗，實際上存在著一些不可預知的困難。
水池中的漩渦（圖片來源：technologyreview）
1962年，夏皮羅決定嘗試挑戰這個難題。麻省理工大學所在的緯度是42°，在流速近乎5 mm/s時，科氏力只有當地重力的3000萬分之一，為了排除所有因素的干擾，他對測試的各個細節都進行了精心設計。
首先，他選擇了一個直徑約為1.8米，深度約為0.15米的圓柱形水池，底部中間有一個直徑約為1釐米的排水孔，並用塞子進行密封。
此外，他還儘量去除水中的雜質，並調節室內的溫度來控制溫度的變化。而為了防止氣流的干擾，他還在水池的頂部覆蓋了一層塑膠薄膜。
最容易忽略的一點是，水池充滿水後，水體還會殘留微小的運動，這甚至會存在數個小時。為了完全規避掉這部分運動的影響，夏皮羅將水池中的水順時針攪拌旋轉，以抵消科氏力在北半球產生的逆時針的漩渦。
經過24小時的沉澱後，夏皮羅小心翼翼地拔下塞子。
在前12-15分鐘，他幾乎觀察不到任何旋轉的痕跡。然而，隨著時間一分一秒地流逝，在不知不覺中，漩渦逐漸顯示出了逆時針的旋轉狀態。
在各因素被嚴格控制的條件下，夏皮羅最終印證了北半球的科氏力，確實可以使水池中的漩渦發生逆時針旋轉。
就這？這個實驗看起來難度也不大，我們好像在自家的廚房裡也可以完成，但其他人為什麼沒有成功呢？
一方面，其他人可能忽視了水的殘留運動。他們認為在水池中的水在3-4個小時之後就已經完全靜止了。
另外，由於在實驗開始前的十多分鐘內，幾乎捕捉不到旋轉的痕跡，且一部分實驗者設計的水池可能過小，因此還未等到漩渦出現時，水池中的水早已流失殆盡了。又或是一部分實驗者在觀察了一段時間後失去了耐心，而在成功的黎明前草草放棄。
為了更加嚴謹，三年之後，悉尼大學的學者在南半球又做了一次相似的實驗，結果也出現了順時針旋轉的漩渦。至此，“水池裡看不到科氏力產生的漩渦”這個廣為流傳的誤解被徹底粉碎。
緩慢旋轉的漩渦（圖源：ffden）
兩組實驗的結果都發表在了《Nature》上，這隨即引發了世界各個國家讀者的質疑。在那個沒有網際網路的年代裡，作者和讀者只能透過信件來溝通。從發表開始，到十多年之後，夏皮羅還是會收到來自各地的信件，內容幾乎全是關於“水池漩渦”。
今天，在麻省理工大學的檔案館中，我們仍可以看到一個褪色的資料夾，裡面裝滿了讀者發來的郵件以及夏皮羅謹慎而細緻的回信。
科氏力：比你想象得更“無處不在”
科氏力並不會對我們的日常生活產生很大影響，它只有在高速運動的物體上才會充分顯現出來。但對狙擊手而言，高速飛行的子彈若是受到科氏力的影響，則是致命的。
實際上，狙擊並非是遊戲中簡單酣暢的瞄準射擊，超遠距離的狙擊也並非完全符合“目標-瞄準鏡-眼睛”三點一線的原理。
國外“地平主義者”眼中的射擊，他們同樣否認科氏力的存在（圖片來源：thetruthaboutguns）
在扣下扳機的瞬間外，狙擊手更多的工作在於感受當地的溫溼度、風速和風向，並考慮空氣阻力、重力以及當地緯度下科氏力的影響。
當面對極其複雜的擊殺任務時，狙擊手甚至還會和副手（觀察手）使用紙筆進行數學計算，及時調整瞄準鏡，否則毫釐之差也可能導致任務的失敗。
哈勃望遠鏡拍攝的星系照片（圖片來源：bfmtv）
當然，科氏力並非只出現在地球上，任何星球都會受到科氏力的影響。因為地球的自轉速度較慢，所以科氏效應並不明顯。
木星是太陽系中自轉速度最快的行星，其風速高達每小時610公里。在這裡，科氏力“如魚得水”，甚至可以將南北風轉化為東西風。
火星通常被稱為地球的姊妹星，但實際上，與地球具有最多共同特徵的星球是金星，金星距離地球最近，並且二者的大小几乎相同，構造相差不大，且都有濃厚的大氣層。
只是金星是自東向西進行自轉（逆轉）。因此，金星南半球的科氏力現象與地球的北半球完全相似。星球之間各不相同，但又遵循著相似的規律。
無辜躺槍：“遇事不決，科氏力學”
認識到了科氏力的存在後，有些人往往想把世界上所有的現象都與科氏力聯絡起來。比如，靠右行駛的交通規則。
他們說：北半球的汽車在科氏力的作用下傾向於偏向道路的兩側，如果左行的話，它們容易與對面過來的車輛相撞，發生車禍。
這聽起來似乎很有道理，許多南半球國家也確實按照左行的交通規則。但實際上，這和科氏力沒有絲毫關係。
全球有163個國家和地區以右行為交通規範，而76個國家則使用左行的規則，包括英國以及南非、澳大利亞和紐西蘭等前英國殖民地國家。
行駛規則不同的具體原因可以追溯到中世紀的英國騎士，他們在決鬥時，右手持用武器，因此馬匹靠近左側；即使工業革命之後，馬匹換成了汽車，這個傳統也被沿襲了下來。而18世紀的英國號稱“日不落帝國”，它也把右駕左行的交通規則也帶到了各個殖民地。
左行與右行駕駛規則（圖片來源：BrightSide）
此外，還有一些聽起來就很離譜的言論，比如，科氏力導致北半球人的右側鞋底比左側磨損得更加嚴重。然而，這來源於個人的跑步習慣，與地球自轉沒有絲毫關聯。
每個人鞋底的磨損紋路都是獨一無二的，就像是我們的指紋。但“鞋紋”記錄的是我們的走路習慣，一些刑偵人員甚至可以根據鞋底和泥地中鞋印，在人群中精準地鎖定嫌疑人。
鞋底上三種典型的磨損形狀（圖片來源：treadlabs）
換鞋的時候，不妨偶爾把運動鞋翻過來，花幾分鐘分析一下你的鞋底。瞭解鞋底磨損的形狀可以幫助你改善走路以及跑步的姿勢，防止受傷，併為你購買下一雙鞋提供一些指導。
參考文獻：
- https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/coriolis-effect/
- https://www.thoughtco.com/what-is-the-coriolis-effect-1435315
- https://factfile.org/10-facts-about-coriolis-effect
- https://www.technologyreview.com/2012/10/24/183079/verifying-a-vortex/
- https://www.thenakedscientists.com/articles/interviews/can-you-detect-coriolis-effect-your-sink
- https://www.nap.edu/read/23394/chapter/47
