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穿越平行宇宙
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穿越平行宇宙 知之为知之,不知为不知,是知也。
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孔子
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最可怕的无知,就是拒绝接受你所不知道的东西。
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韦恩·戴尔(Wayne Dyer)
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我们的太阳系从何而来?我儿子菲利普上二年级时,卷入了一场热烈的讨论。
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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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