1、探索雞蛋旋轉(zhuǎn)之謎,A 案例： 凱斯莫法特（Keith Moffatt）是英國劍橋大學(xué)三一學(xué)院教授，流體力學(xué)學(xué)報(bào)主編，曾先后執(zhí)教于英國布里斯托大學(xué)、法國工業(yè)大學(xué)和巴黎高等師范學(xué)院，他主要致力于磁流體力學(xué)和湍流理論方面的研究。 1997年圣誕節(jié)，莫法特給孫子買了一個(gè)圣誕禮物厄萊（Euler）圓盤。這種簡單的小玩具看上去就是一個(gè)厚厚的圓幣，表面十分平整光滑。如果在一個(gè)光滑平面上空，使圓盤像硬幣那樣騰空旋轉(zhuǎn)落下，并讓圓盤的邊緣接觸平面，它就會越轉(zhuǎn)越快，直到幾分鐘后戛然而止。厄萊圓盤的這一特性引發(fā)了莫法特極大的好奇心，他于是決定投入這方面的研究。,A 案例討論題：,1. 莫法特是如何發(fā)現(xiàn)問題的？ 2.

2、什么是科學(xué)問題？發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的科學(xué)問題通常需要什么條件？,B 案例： 研究結(jié)果在2000年公布后，出人意料地引起了巨大的反響，來自世界各地的講座邀請絡(luò)繹不絕。一次，當(dāng)莫法特在劍橋大學(xué)舉辦講座時(shí)，一位聽眾就厄萊圓盤和熟雞蛋在旋轉(zhuǎn)上的相似性提出詢問。 “當(dāng)時(shí)我不假思索地回答說，同厄萊圓盤相比，雞蛋的旋轉(zhuǎn)只不過是小巫見大巫。當(dāng)然，這個(gè)問題倒是可以用作大學(xué)生的考試題目?！蹦ㄌ睾髞砘貞浀?。因?yàn)閷λ麃碚f，熟雞蛋的旋轉(zhuǎn)是一件再普通不過的事情了：將雞蛋放在沸水中煮10分鐘，注意保持蛋殼的完整。煮熟后，把雞蛋平放在桌面等略微粗糙的平面上，用拇指和中指捏住，讓它快速旋轉(zhuǎn)起來。多試幾次，手法熟練之后，你就會發(fā)現(xiàn)一個(gè)

3、令人驚奇的現(xiàn)象，雞蛋在水平方向自轉(zhuǎn)數(shù)圈之后，突然會以一端站立起來，繼續(xù)豎著轉(zhuǎn)動(dòng)！,B 案例（續(xù)）： 熟雞蛋的這一絕活是一個(gè)奇怪的物理現(xiàn)象，生雞蛋就無法做到這一點(diǎn)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的雞蛋豎立起來，其重心位置提高，隨之增加了雞蛋的勢能。而通常的情況恰好相反，自由運(yùn)動(dòng)物體的勢能一般會逐漸減少，比如說，一個(gè)圓球沿著斜面向下滾動(dòng)，總會在高度最低的位置到達(dá)靜止的力平衡狀態(tài)。 那次在劍橋的講座後不久，日本橫濱Keio大學(xué)物理系教授Yukata Shimmomura拜訪了莫法特。這位日本學(xué)者也參加了那次講座，熟雞蛋旋轉(zhuǎn)問題引起了他的濃厚興趣。他利用業(yè)余時(shí)間試圖解答這道簡單的“大學(xué)生試題”，但卻沒有成功。,B案例討論題：

4、,1. Yukata Shimmomura為什么會對熟雞蛋旋轉(zhuǎn)問題感興趣？ 2. 你認(rèn)為類似“雞蛋旋轉(zhuǎn)”這樣的問題有研究價(jià)值或?qū)嵱脙r(jià)值嗎？ 3. 莫法特將會如何對待這位日本教授的來訪以及他所面臨的難題？,C 案例： 莫法特看了日本學(xué)者的研究資料後，才發(fā)現(xiàn)熟雞蛋旋轉(zhuǎn)原來是一道好幾個(gè)世紀(jì)以來一直令物理學(xué)家困擾不已的棘手難題?？茖W(xué)文獻(xiàn)顯示，這一現(xiàn)象被學(xué)界稱為“杰萊特雞蛋”，因愛爾蘭物理學(xué)家杰萊特而得名。后者1872年在其主要研究陀螺的著作論摩擦原理中，首次提到了熟雞蛋的旋轉(zhuǎn)。 莫法特和日本學(xué)者由此展開合作，他們認(rèn)為，雞蛋和桌面之間的摩擦力使得雞蛋的對稱軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)從水平方向轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较?。根?jù)他們的模

5、型演示，如果平面足夠光滑，或者雞蛋在旋轉(zhuǎn)時(shí)沒有發(fā)生位移，雞蛋就不會豎起來，因?yàn)槭闺u蛋對稱軸方向變化的原因正是由于摩擦引起的不穩(wěn)定。 換句話說，摩擦使雞蛋的側(cè)面在旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生輕微的擺動(dòng)。在這一過程中，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢能，從而使雞蛋的重心位置迅速提高。而生雞蛋內(nèi)的蛋清和蛋黃則會吸收這些能量，自身開始運(yùn)動(dòng)。,C案例討論題：,1. 莫法特與日本學(xué)者合作的動(dòng)力和基礎(chǔ)是什么？ 2. 你認(rèn)為他們的合作會成功嗎？為什么？,D案例： 2002年3月，莫法特和日本學(xué)者在自然雜志上共同發(fā)表了他們的研究成果。這篇題為破解雞蛋旋轉(zhuǎn)之謎的文章長僅2頁，寫滿了各種方程。莫法特坦率地說道：“僅僅用2頁的篇幅和16個(gè)方程式來闡述這一

6、現(xiàn)象的原理，實(shí)在是一次壯舉。實(shí)際上，我們在初稿中計(jì)算了不下300條方程式。” 研究文章的發(fā)表立即引起了傳媒的廣泛報(bào)道。但讓莫法特始料不及的是，他也立刻成為了爭論的焦點(diǎn)。有些學(xué)者批評他未能對概算提供論據(jù)。于是，莫法特、Yukata Shimmomura與一位新的合作者波蘭同行米歇爾布拉尼斯基繼續(xù)進(jìn)行更為深入的研究。 他們首先對2002年研究報(bào)告中提出的“陀螺儀概算”進(jìn)行了更加精確的表述。這一概算當(dāng)時(shí)大大簡化了雞蛋旋轉(zhuǎn)動(dòng)力體系的方程演算和解答。不過，莫法特表示，“陀螺儀概算只是在一定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)才有效，我們當(dāng)時(shí)本應(yīng)明確這一點(diǎn)?！比粚W(xué)者還意識到，模擬演算中桌面對雞蛋的摩擦力有時(shí)消失，這就表明雞蛋旋轉(zhuǎn)

7、時(shí)會作間斷的微小跳躍（以毫米計(jì)算），而不是一直同桌面保持接觸。,D案例討論題：,1.實(shí)現(xiàn)跨國界合作研究的條件是什么？ 2. 如何判斷一項(xiàng)研究的成功？ 3. 你認(rèn)為莫法特他們的研究有實(shí)際意義或應(yīng)用價(jià)值嗎？,E案例： 對莫法特來說，目前的研究還只是停留在抽象的層面上，他說道：“我們現(xiàn)在還只是通過計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行理論研究，還沒有進(jìn)行過更加具體的觀察活動(dòng)，例如拍攝雞蛋的旋轉(zhuǎn)過程來記錄那些跳躍，但是我認(rèn)為我們在旋轉(zhuǎn)過程中聽到的斷斷續(xù)續(xù)的聲音就是雞蛋發(fā)生跳躍的證明?！?莫法特的研究熱情隨后也感染了其他科學(xué)工作者，吸引他們紛紛迫不及待地為解決雞蛋旋轉(zhuǎn)問題出一份力。,E案例（續(xù)）： 例如，日本橫濱大學(xué)的學(xué)者Ke

8、n Sasaki就致力于弄清雞蛋是在哪一端豎起來的，他于2003年10月在美國物理學(xué)報(bào)上撰文指出，“雞蛋的外形看上去像一個(gè)類球體，但它并非真正的類球體，其兩端總會有大小之分。那么，旋轉(zhuǎn)的雞蛋會在哪一端豎起來呢？其實(shí)這取決于開始的推力，也就是在旋轉(zhuǎn)開始之前雞蛋傾斜的方式。開個(gè)玩笑，一旦搞明白其中的奧秘，擲骰子都不會輸錢?！绷硗猓绹永Ｄ醽喞砉W(xué)院的部分?jǐn)?shù)學(xué)家于2004年底完成了杰萊特雞蛋的幾何論述，從幾何理論的角度對類球體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。但是由雞蛋旋轉(zhuǎn)引發(fā)的問題遠(yuǎn)不止這些。在莫法特等三位合作者尚未出版的新著中，他們對形狀不對稱的雞蛋進(jìn)行了研究，形狀不對稱的雞蛋，其質(zhì)量分布不均勻，質(zhì)量中

9、心和對稱中心不在同一點(diǎn)上。他們的另一個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目是對內(nèi)部充滿多少有些粘稠液體的類球體進(jìn)行研究。但這一研究的復(fù)雜性已經(jīng)達(dá)到了令人難以想象的程度。,E案例討論題：,1. 雞蛋旋轉(zhuǎn)問題為什么會引發(fā)不同學(xué)科的學(xué)者的興趣？ 2. 在從事雞蛋旋轉(zhuǎn)問題研究之初，莫法特及其合作者能夠預(yù)見到該問題會引發(fā)如此廣泛而復(fù)雜的研究嗎？ 3. 如何理解科學(xué)研究的動(dòng)力和發(fā)展？,F案例： “起初，我們并沒有想到會發(fā)展到這一步。”莫法特笑著說道。但是，從一個(gè)看起來毫不起眼的問題引申出一連串無窮無盡、更加復(fù)雜的問題，這不正是科學(xué)的本質(zhì)嗎？ 雞蛋問題的復(fù)雜化其實(shí)是一件好事，因?yàn)樗m然看起來無足輕重，但卻同眾多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域有著密切的關(guān)系！氣流運(yùn)動(dòng)往往會帶來不可預(yù)見的后果，雞蛋旋轉(zhuǎn)模型則能為大氣層物理研究提供思路。而內(nèi)部充滿粘稠液體的蛋形體能幫助研究同衛(wèi)星燃料箱有關(guān)的流體動(dòng)力學(xué)難題。 莫法特明確指出，“我們有必要搞清楚流體對衛(wèi)星加速或旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)，因?yàn)檫@對衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)會造成很大的影響。由此，對于雞蛋旋轉(zhuǎn)問題的看法就要發(fā)生重大的改變。”,F案例討論題：,1. 科學(xué)