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“我认为太阳系是上帝造出来的。”他班上一位女生说道。
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“但我爸爸说太阳系是一团巨大的分子云造出来的。”菲利普插嘴说。
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“那这团巨大的分子云又是从哪里来的呢？”另一位男孩问。
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“也许是上帝造出了这团分子云，然后这团分子云再造出了我们的太阳系。”第一个女孩说。
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我相信，自从人类直立行走以来，就开始仰望夜空，好奇那些星星从何而来。从古至今，人们都知道，有些事情是可以被理解的，而有些则如秘密般深藏不露、不为人知。比如，我们知道此时此刻正在发生什么，也知道那些与我们密切相关的事情，诸如周遭有何物、早餐吃什么。但是，望向更遥远的地方和更久远的过去，我们仿佛遇到了一块知识的巨石，横亘在路上。巨石之外是无知的世界。在上一章中，我们目睹了人类如何用智慧推着这块巨石往前，将我们对空间的认知逐步扩大——从地球到太阳系，再到星系，最后到达数十亿光年外的宇宙深处。那么现在，让我们开始第二段智慧的探险，一起来看看人类如何推着这块无知的巨石溯流而上，到达时间的源头。
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“月亮为什么不会掉下来呢？”我们用这个问题，来开始这段冒险。
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太阳系制造机：45亿年的引力与压力之战
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直到约400年前，“月亮为什么不会掉下来呢”这个问题看起来还毫无解决的希望。那时候，人们刚通过巧妙的观测，用肉眼可见的线索确定了太阳、月亮、水星、金星、火星、土星和木星的位置。哥白尼、第谷·布拉赫（Tycho Brahe）、约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）等科学家甚至计算出了这些天体的运动规律——太阳系就像钟表，每个部分都循着完美的圆形轨道，周而复始地运动着，仿佛永无止境。没有迹象表明它有一天会停下来，更不知道它是否始于过去的某一天。那么，太阳系是永续永存的吗？如果不是，它是从哪里来的呢？
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当时市场上卖的钟表，对齿轮、弹簧等部件的工作原理，人们都了如指掌。对一只特定的钟表，人们不仅能预测它的未来，还能推知它的过去。比如，你能准确预测一只手表会按稳定的速度运行下去，但由于摩擦力的存在，如果你不上发条，它就会慢慢停下来。通过分析，你能知道它上个月什么时候上过发条。那么，天体也遵循这样的规律吗？是否也存在某种类似摩擦力的力，影响着它们的运动，最终改变它们的轨迹呢？如果事实果真如此，那我们就能像对待钟表一样，算出它形成的时间和方式。
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答案却似一记响亮的耳光：“不是！”我们已经很了解地球上的物体在空间中的运动，不管是随手扔一个石子，还是古罗马的投石机和发射铁球的大炮，它们的运动轨迹都很容易预测，并且无一例外都会掉落到地面上。然而，天体们却仿佛遵循着与地球上的物体完全不同的定律。比如，如果月亮是天上的一块大石头，为何它不会像其他石块一样掉到地面上呢？经典的回答是：月亮是天堂之物，而天堂之物必然遵循着不同的规律，不受万有引力的影响，所以它不会掉下来。还有一些人进一步解释道：天堂之物之所以与众不同，是因为它们是完美的。不信你看，它们有着完美的球形外表，它们运行的轨迹是完美的圆形——完美的东西才不会掉到不完美的地面上来呢。而地球上处处充斥着不完美：摩擦力会让物体减速，火焰会熄灭，人会死去。而在天堂，物体之间没有摩擦力，太阳不会熄灭，时间一望无垠，没有尽头。
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然而，这种对天堂的美好幻想禁不起推敲。对第谷的观测结果进行分析后，开普勒总结道，行星的轨道并不是圆形，而是被拉长的椭圆形，这可一点也不完美。伽利略用望远镜发现，太阳也并不完美，上面像锈蚀的铁片一样散布着丑陋的黑色斑点；月球就更不用说了，它并不是一个浑圆光滑的完美球体，而是布满了起伏的丘壑和巨大的凹坑。那么，既然月亮并不完美，为什么它不会掉下来呢？
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最后，牛顿终于解决了这个问题，他的想法很简单，但也很激进，那就是：天堂之物遵循着与地球之物完全相同的规律。既然月亮不会像石头一样掉下来，那我们能不能扔出一块石头，也像月亮一样永远不掉下来呢？太阳比地球重多了，扔出的石头为何不会掉到太阳上去呢？牛顿猜想，一定是因为太阳太遥远，万有引力随距离增大而减小。那么，是否能以极快的速度向上抛出一块石头，在引力把它拉回地面之前，就逃脱地球呢？靠牛顿自己的力气肯定不行，但他意识到，如果有一架假想的超级大炮，只要它能给予石头足够的速度，那石头就能逃离地球。正如图2-1所示，水平射出一枚炮弹，它的命运将取决于它的速度——如果它的速度低于某个神奇的值，那它最终将会撞毁在地面上。如果你以越来越快的速度发射炮弹，那它们在坠毁之前所飞行的距离会越来越长。直到你终于到达那个神奇速度，炮弹就不再掉下来，而是保持在固定的高度，以接近正圆的轨道，绕着地球转圈——和月亮一样！在地面上，牛顿用很多东西做过实验，比如石头、苹果等，最终计算出了这个神奇的速度——呼啸而过的每秒7.9公里！
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牛顿认为，如果月球也遵循同样的运动规律，他也能算出它保持圆形轨道所需要的速度。可是有个关键的线索缺失了，即在月球那样遥远的距离，地球的引力会下降到什么程度呢？由于月球以圆形轨道绕地球旋转，每个月转一圈，而这个圆形轨道的半径早已被阿里斯塔克斯算出来了，所以牛顿据此算出了月球的速度——大约每秒1公里，与M16步枪子弹的速度差不多。接下来，牛顿总结出了一个影响深远的结论：假如地球和月球之间的引力与距离的平方成反比，那么，使月球正好绕圆形轨道运行的那个“神奇速度”恰好等于观测到的月球速度！这样，牛顿终于发现了万有引力定律，它放诸四海而皆准，不论在地球上还是天上，都一样。
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图2-1 如果炮弹发射的速度大于每秒11.2公里（D），它就能一飞冲天，逃离地球的引力（忽略空气阻力）。如果速度稍慢一些（C），它将进入椭圆轨道，绕地球旋转。如果发射的速度是每秒7.9公里（B），它的轨道将是一个完美的正圆形。如果速度再低一些（A），炮弹最终将落回地面上。
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一时间，所有谜题都像拼图游戏的碎片一样各自归位。牛顿将万有引力定律与他制定的运动定律结合起来，不仅能解释月亮的运动，还能解释行星绕太阳旋转的运动。他还通过数学推导出，最常见的轨道形状是椭圆形，而不是正圆形，这正是开普勒百思不得其解的问题。
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与所有重大的科学突破一样，牛顿的发现能回答的问题远远超过了那些促使他开始思考的难题。比如，这一定律还能解释潮汐现象——太阳和月亮的万有引力吸引着地球上的海水，但对更近那一面的海水吸引力更大一些，使得海水随地球的自转而被搅动起来。牛顿定律还表明能量是守恒的（在物理学上，守恒的意思是指一成不变），所以如果能量出现在某处，它一定不是从虚无中凭空出现的，一定是从别处而来。潮汐消耗了大量的能量（其中一些被潮力发电站利用），那这些能量来自何处呢？大部分来自地球的自转，所以潮汐的摩擦力使得地球自转变得越来越慢——如果你总觉得一天24小时不够用，没关系，等到两亿年后，地球上的一天将延长到25个小时！
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这说明，摩擦力也会影响天体的运动，摧毁了“太阳系永续永存”的思想——在过去，地球的自转一定比现在快。你还能计算出，今天的地球-月球系统的年龄不会超过40亿～50亿年，否则那时的地球自转速度会超级快，巨大的离心力会将地球撕得粉碎。我们终于对太阳系的起源有了第一个线索！“案发时间”总算出现了一线曙光。
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牛顿的发现为人类思想插上了翅膀，走出了征服空间的第一步。他证明，通过地面上的实验，我们也可以发现物理定律，并能将其推而广之，解释天上发生的事情。尽管牛顿的专长只是万有引力和运动，但他的这种思想实验却像燎原野火一样，逐渐蔓延到了其他领域，比如光、气体、固体、电现象和磁现象。人们展开了大胆的猜测，不仅对肉眼可见的宏观现象，还针对微观现象，将牛顿的运动定律运用于原子，来解释气体等许多物质的性质。一场科学革命拉开了序幕，开启了工业革命和信息时代的大门。反过来，这些进步帮助我们创造出强大的计算机，又帮助我们进一步推动了科学的发展，解开物理方程，回答人们曾百思不得其解的许多有趣问题。
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物理定律可以被运用在很多方面。一般情况下，我们希望能用现状预测未来，比如预报天气；也可以把这些公式反过来，用现状去推演过去，比如重建哥伦布在牙买加看见的月食的具体细节。还有第三种方式是，想象一种假设的条件，运用物理公式推算它随时间的变化趋势，比如，模拟一次目的地为火星的火箭发射，计算它是否能如期到达。运用第三种方法，我们找到了太阳系起源的新线索。
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想象一下，外太空有一团极大的气体云，随着时间的流逝，它会发生什么呢？物理定律认为，它的命运取决于两股力量之间无休止的战役——万有引力和压力，前者想压缩它，而后者则想把它撑大。
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如果引力占了上风，气体云开始压缩，它就会变得越来越热（这就是为什么用气筒给自行车打气时会发热），这个过程反过来又增大了压力，遏制了引力导致的进一步压缩。如果引力和压力势均力敌，相互平衡，这团气体会长时间保持稳定状态。但休战总是短暂的，最终都会被打破。由于温度很高，气体云开始闪耀出光芒，把保持压力的热能辐射出去。于是压力变小，引力又会进一步压缩气体，长此以往地进行下去。
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如果我们将引力和压力的物理定律输入计算机，就能模拟出这场战役的各种细节。最后，密度最大的区域变得无比炙热和致密，变成了一个核聚变反应堆——在那里，氢原子聚变生成氦，同时巨大的引力保护它们不会炸开。此时，一颗恒星诞生了。这颗新生恒星最外层的气体非常炎热，闪耀着令人目眩的光芒。光芒吹散气体云剩下的部分，让它显现在我们望远镜的视野中。
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让我们倒带，重播一下，再从另外一个角度看看刚才的过程。在气体云逐渐压缩时，气体轻微的旋转将会被放大，就像冰上舞者收拢手臂时会转得更快一样，产生巨大的离心力。由于离心力的存在，引力无法将所有气体压缩成一个点。取而代之的是，引力把气体压成了像比萨一样的形状——很像我小时候学校附近的比萨店厨师用手旋转比萨面饼，让它变扁平一样。这个“宇宙比萨”的主要成分是氢气和氦气。但是，如果配料表中还包括一些更重的元素，比如碳、氧和硅，那么，在中心生成炙热恒星的同时，外层物质将会形成一种较冷的物体——行星。当新生恒星将剩下的“比萨面团”吹跑之后，行星就会显露出它们的面孔。由于所有的旋转（物理学家称之为“角动量”）都来自最初那团气体云的旋转，所以，不出所料，太阳系的所有行星都往相同的方向公转（如果你从北极的方向往下看，为逆时针方向），与太阳每月自转一周的方向正好相同。
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