《第一性原理：21堂科學(xué)通識(shí)課》[英]著周自恒譯劉玉柱審校中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社 /2024.6/79.00 元

馬庫(kù)斯·喬恩，加州理工學(xué)院天體物理學(xué)碩士?？破諘充N(xiāo)書(shū)作家。目前擔(dān)任《新科學(xué)家》雜志宇宙學(xué)顧問(wèn)。著有《奇怪的知識(shí)增加了》等多部暢銷(xiāo)書(shū)。

本書(shū)分為21個(gè)章節(jié)，每個(gè)章節(jié)講述一個(gè)科學(xué)主題的核心知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容涵蓋從引力到黑洞、從狹義相對(duì)論到全球變暖等各種熱門(mén)科學(xué)話題。作者希望讀者能理解每個(gè)要談?wù)摰闹黝}的中心概念，因?yàn)槠渌磺兄R(shí)都是從這個(gè)概念延伸開(kāi)來(lái)的。書(shū)中內(nèi)容生動(dòng)有趣、輕松易讀，可以幫助讀者輕松了解這個(gè)時(shí)代非常重要的科學(xué)思想和非常關(guān)鍵的科學(xué)難題。

牛頓通過(guò)測(cè)量蘋(píng)果下落的時(shí)間估算出蘋(píng)果的加速度，又通過(guò)月球在相同時(shí)間內(nèi)向地球下落的距離估算出月球的加速度。對(duì)比兩者，再加上已知的蘋(píng)果和月球到地心的距離，牛頓得出了引力與距離的平方成反比這一定律。也就是說(shuō)，如果兩個(gè)物體之間的距離變成原來(lái)的兩倍，則它們之間的引力就會(huì)變成原來(lái)的四分之一；如果距離變成原來(lái)的三倍，則引力就會(huì)變成原來(lái)的九分之一，以此類(lèi)推。

牛頓的重要發(fā)現(xiàn)不止于此，他還指出行星在一個(gè)指向太陽(yáng)且與距離的平方成反比的引力作用下，其繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)橢圓。開(kāi)普勒首先發(fā)現(xiàn)行星公轉(zhuǎn)的軌跡是橢圓，并不是古希臘人所認(rèn)為的圓形。開(kāi)普勒在其行星運(yùn)動(dòng)第一定律中闡述了這一發(fā)現(xiàn)：“行星沿橢圓軌道運(yùn)行，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上?！迸ｎD之所以會(huì)關(guān)注對(duì)開(kāi)普勒第一定律的解釋?zhuān)売?684年8月埃德蒙·哈雷（EdmundHalley）的來(lái)訪。哈雷前往劍橋拜訪牛頓，希望能夠解決他的兩個(gè)朋友一一羅伯特·胡克與克里斯托弗·雷恩（ChristopherWren）之間的爭(zhēng)論。盡管沒(méi)有確鑿的證明，但胡克堅(jiān)持認(rèn)為如果引力指向太陽(yáng)，并且其大小與距離的平方成反比，那么行星的公轉(zhuǎn)軌道應(yīng)該是橢圓的，這與開(kāi)普勒的發(fā)現(xiàn)一致。牛頓告訴哈雷他已經(jīng)證明了這一軌道確實(shí)是橢圓的，但他在三一學(xué)院的研究室里找了半天，也沒(méi)找到他的計(jì)算手稿。哈雷的來(lái)訪不僅提醒了牛頓重新計(jì)算一遍，更促使他著手用兩年的時(shí)間完善了此前在引力和運(yùn)動(dòng)方面未發(fā)表的研究成果。牛頓最終出版了堪稱最偉大的科學(xué)成果之一的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。

實(shí)際上，牛頓證明了在向心的、大小與距離平方成反比的引力作用下，物體運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓，但在更普遍的意義上來(lái)說(shuō)，其軌跡應(yīng)該是圓錐曲線。假設(shè)有一個(gè)底面向下直立的圓錐，用一把鋒利的小刀在圓錐上進(jìn)行切割：如果小刀是從圓錐的一側(cè)切割到另一側(cè)，那么切面的邊緣就是橢圓（其中，當(dāng)切面平行于底面時(shí)，其切面邊緣為圓，圓是一種特殊的橢圓）；如果小刀從圓錐的一側(cè)切入，從底面切出，且切面與圓錐的另一側(cè)平行，則切面的邊緣就是一條單側(cè)開(kāi)口的拋物線；如果小刀從圓錐的一側(cè)切入并從底邊向下切出，則會(huì)得到一條單側(cè)開(kāi)口的雙曲線（見(jiàn)圖1）。

這三種形狀分別對(duì)應(yīng)著三種不同的物理情況。如果一個(gè)物體所具備的速度或能量不足以使其脫離太陽(yáng)，那么它將被永遠(yuǎn)“囚禁”在橢圓軌道上，行星就屬于這種情況；但是，如果它具備足夠的能量脫離太陽(yáng)，它就會(huì)沿著雙曲線軌跡飛向遙遠(yuǎn)的星辰大海；如果它正好處于脫離和不能脫離的交界處，就對(duì)應(yīng)著拋物線的情況，此時(shí)，要想擺脫太陽(yáng)的引力束縛，只能讓它與太陽(yáng)之間的距離變成無(wú)窮大，這意味著需要無(wú)窮長(zhǎng)的時(shí)間。

通過(guò)第一運(yùn)動(dòng)定律，牛頓不僅可以解釋月球繞地球的運(yùn)動(dòng)和行星繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，還可以解釋海洋中的潮汐

說(shuō)明：以三種方式對(duì)圓錐進(jìn)行切割，分別得到拋物線（左）、橢圓（中）和雙曲線（右），這三種情況均為物體在太陽(yáng)引力下可能的運(yùn)動(dòng)軌跡。

現(xiàn)象。潮汐現(xiàn)象主要是由月球和太陽(yáng)引發(fā)的。

引發(fā)潮汐的并不是引力，而是引力差。拿月球來(lái)說(shuō)，由于其引力會(huì)隨著距離的增加而減弱，因此當(dāng)海洋朝向月球時(shí)，底層海水所受到的引力會(huì)比表層海水更弱，這種引力差會(huì)在海面上形成一個(gè)隆起。這個(gè)隆起會(huì)隨著地球自轉(zhuǎn)在海面上移動(dòng)，于是便造成了海岸處的海平面時(shí)而上升時(shí)而下降。不過(guò)，這只能解釋每天兩次潮汐中的一次。引發(fā)另一次潮汐的原因是，在背對(duì)月球的一面，底層海水由于距離月球更近，因此所受到的引力大于表層海水，這種引力差會(huì)使得表層海水與底層海水相互遠(yuǎn)離，從而形成了另一個(gè)海面隆起（見(jiàn)圖2）。

實(shí)際上，無(wú)論在任何地方，兩次潮汐之間的時(shí)間間隔都不是24小時(shí)，而是差不多25小時(shí)。這是因?yàn)樵?/p>

說(shuō)明：朝向月球的海面上會(huì)產(chǎn)生隆起，因?yàn)樵虑驅(qū)Ρ韺雍Ｋ囊Υ笥趯?duì)底層海水的引力，而背對(duì)月球的海面上產(chǎn)生隆起的原因則正好相反。

地球自轉(zhuǎn)時(shí)，月球并不是在空中靜止不動(dòng)的，而是沿著與地球自轉(zhuǎn)相同的方向繞地球公轉(zhuǎn)，其公轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為27.3天。這意味著現(xiàn)在位于月球正下方的海洋中的某一點(diǎn)在24小時(shí)之后就不再位于月球正下方了，而這個(gè)點(diǎn)要再次回到月球的正下方，就需要地球再額外自轉(zhuǎn)1/27.3 周，所需的時(shí)間為24小時(shí)的1/27.3，也就是大約53分鐘。因此，兩次潮汐之間的間隔并不是24小時(shí)，而是24小時(shí)53分鐘。

月球引發(fā)的潮汐強(qiáng)度是太陽(yáng)的兩倍，牛頓根據(jù)這一點(diǎn)正確推測(cè)出月球的密度是太陽(yáng)的兩倍。這是一個(gè)舉世矚目的結(jié)果，這個(gè)結(jié)果之所以能夠成立，是出于一個(gè)不尋常的巧合一一在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，月球和太陽(yáng)在天空中的大小完全相同。這個(gè)巧合也意味著，我們可以周期性地見(jiàn)到白全食，此時(shí)太陽(yáng)會(huì)被月球完全遮擋。不過(guò)，這樣的奇觀在地球歷史上只有大約 5% 的時(shí)間才能見(jiàn)到，因?yàn)樵虑蛘诼剡h(yuǎn)離地球。20世紀(jì)70年代，阿波羅計(jì)劃的航天員在月球上留下了數(shù)面能反射激光的“隅角鏡”，通過(guò)計(jì)算從地球發(fā)射的激光脈沖到月球再反射回來(lái)所需要的時(shí)間，我們測(cè)出自前月球遠(yuǎn)離地球的速度為每年約4厘米。

在地球上，不僅海洋會(huì)產(chǎn)生潮汐現(xiàn)象，巖石也會(huì)，這通常被稱為“固體潮汐”。大約公元前100年，古希臘哲學(xué)家波希多尼（Posidonius）發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：在低潮時(shí)，井水水位會(huì)上升，而在高潮時(shí)，井水水位會(huì)下降。直到1939年，人們才對(duì)這一現(xiàn)象做出了解釋。水井通常挖掘于含水豐富的地層，在高潮時(shí)，地層向上隆起，便會(huì)像海綿一樣將井水吸走；而在低潮時(shí)，地層回落，又會(huì)將之前吸收的水?dāng)D回到井里。井水水位的高低變化取決于若干變量的影響，在某些情況下這種水位差可以高達(dá)一米左右。

1992年，位于日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了另一種由固體潮汐引發(fā)的現(xiàn)象。歐洲核子研究中心有一臺(tái)大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP），它是在巖層中建造的一座巨大的環(huán)形地下隧道。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在這座地下隧道中飛馳的正負(fù)電子，其速度或者說(shuō)是能量每隔25小時(shí)會(huì)發(fā)生兩次上漲。這個(gè)現(xiàn)象讓他們深感困惑，后來(lái)有人發(fā)現(xiàn)是潮汐力讓隧道所在的巖層發(fā)生了變形，導(dǎo)致大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的環(huán)的長(zhǎng)度每隔25小時(shí)發(fā)生兩次大約1毫米的伸縮。

固體潮汐最令人震撼的一個(gè)例子莫過(guò)于外表像比薩一樣的木衛(wèi)一。木星這顆巨行星加上它附近其他衛(wèi)星所產(chǎn)生的潮汐力劇烈地拉扯和擠壓著木衛(wèi)一，導(dǎo)致其內(nèi)部摩擦生熱，使巖石液化，讓木衛(wèi)一成了太陽(yáng)系中火山活動(dòng)最活躍的天體。實(shí)際上，若按同等質(zhì)量換算，木衛(wèi)一產(chǎn)生的熱量甚至比太陽(yáng)還多！

毋庸置疑，牛頓的引力定律具有強(qiáng)大的預(yù)言能力，但是在某些情況下這一定律也會(huì)失效，這是因?yàn)?915年阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（AlbertEinstein）發(fā)現(xiàn)引力的來(lái)源并非質(zhì)量而是能量。質(zhì)能的確是能量的一種形式，但還有其他形式的能量，它們也具有引力，尤其是在太陽(yáng)附近，其引力比太陽(yáng)系中其他任何地方都要強(qiáng)。在這里，儲(chǔ)存在引力場(chǎng)中的能量本身也具有引力，這意味著引力的大小會(huì)比牛頓所預(yù)言的結(jié)果要稍大一些，這能夠解釋距離太陽(yáng)最近的行星一一水星的一些異常運(yùn)動(dòng)。水星的公轉(zhuǎn)軌道并不是固定的橢圓，其橢圓軌道會(huì)不斷改變方向，稱為“歲差”，使其運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出類(lèi)似花瓣的形狀。

牛頓的引力定律會(huì)失效，愛(ài)因斯坦的引力理論，即廣義相對(duì)論，同樣也會(huì)失效。廣義相對(duì)論預(yù)言黑洞的中心以及宇宙大爆炸的起點(diǎn)是一個(gè)匪夷所思的密度無(wú)窮大的“奇點(diǎn)”。物理學(xué)家希望“量子”引力理論能夠解決這個(gè)問(wèn)題。目前，唯一能夠?qū)⒁碚摚ú灰欢ㄊ菑V義相對(duì)論）和量子理論統(tǒng)一起來(lái)的框架是“弦理論”。在弦理論中，基本粒子不再是點(diǎn)狀，而是在十維時(shí)空中振動(dòng)的質(zhì)能弦。這一理論也允許二維、三維、四維等低維度物體的存在，它們被稱為“膜”，這些膜可能與引力的未解之謎有關(guān)。

很多物理學(xué)家相信，自然界的四種基本力都只是同一種超力的不同部分，但很難想象什么樣的公式能夠描述這樣一種超力。弦理論為解決這一難題提供了一種可能性，也許我們的宇宙只是漂浮在十維時(shí)空中的一座三維的島嶼，即 ^s3- 膜”。如果其他的力都只局限于我們的 3- 膜，而只有引力會(huì)泄漏到十維的“體（buk）”中，那么其強(qiáng)度就會(huì)被稀釋?zhuān)@可以巧妙地解釋為什么引力會(huì)弱得如此難以置信。