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第二部分 理解外部空間 第6章感受引力

駕馭我們宇宙的一共有四種基本作用力,其中引力大概是我們最經常意識到的一種。每次摔倒,每次利用腿部肌肉推動自己站立,每次抬起重物,你都會被提醒引力的存在。

所有一切都受到引力影響。

但所有一切也都創造引力,包括你,包括你那悉尼的阿姨每次聖誕送你的水晶花瓶。

正好說到花瓶,想像一下在小島上的你身邊恰好有一隻她送你的花瓶。

看看它。

現在讓它掉落在一個堅硬的表面上。

它落下去,成為碎片。

你可以想像讓你收藏的那些花瓶全部落下,在地球上你能想到的各個地方。

真奇怪,它們總是會落下。打碎。不管在哪裡。

好。

這個實驗不僅處理了你的那些花瓶,還證明了一件事:只要比空氣密度大,任何在地球上投下的物體都會落下,牛頓(以及任何頭腦正常的人)從一開始就知道這件事。

那麼比空氣輕的東西呢?為什麼氣球可以升到天空而不落下?它們沒有感受到地球引力嗎?

它們的確感受到地球引力,但是它們有競爭對手存在。

當物體被地球往下拖拽時,密度越高的往往會處於越下面的位置。如果比空氣輕的物體看上去在往上飛,那是因為它們上面的空氣密度比它們高,所以要下來佔據它們的位置。如果我們能夠看見空氣,你就能直觀地看到這一現象,可惜你看不見空氣,只能看到整個過程的結果:輕於空氣的物體被往上推,因為看不見的空氣堆積到了它們的下面。引力永遠是互相吸引的,它永遠讓物體掉落,但競爭產生了層次,某些物體不得不往上走,以騰出空間容納比自己更重的物體。

明白這些以後,我們可以把地球想像成一個巨大的球體,因為它在自己周圍的宇宙構造中產生了陡峭的弧度,所以許多東西粘在了它的表面。你所見到的一切物體都會順著斜坡滑下,你自己也順著斜坡滑下,直到地板或者其他什麼東西——比你密度更高的東西出現在你下方,防止那些物體、你和其他一切東西進一步下滑。地殼上的岩石比水密度大,因此海洋位於海底堅硬的岩層之上。石頭與水比空氣密度大,因此大氣層位於我們地球表面(岩石或水)之上。

我們人類,生活在吸附於地球表面約一百公里厚的大氣層下。我們比空氣密度大,我們不會飛起來。但我們比地面密度低,所以我們能夠站在其上。

有些時候,一些物體(或動物)能夠離開地面,升入天空,但它們需要能量來支持這種行為,往往要不了多久就必須回到地面,除非它們比空氣輕,我們從來沒有見過比空氣輕的動物,如果真有這樣的動物,顯然結局必然是不幸的。

那麼要是沒有地球,所有的一切又會掉到哪裡去呢?

你那熱帶島嶼上現在正是星期日早晨,你的朋友們在你那次奇怪的意識旅行後天天給你帶早餐,而且顯然他們對你的故事表現出越來越強的好奇心。一些人甚至懷疑你是不是真的看到了你描述中的東西,其餘人覺得晚上睡不著覺,擔心太陽的死亡。不幸的是,這些人想方設法要讓你不再說下去。看上去他們的確找到了一個辦法。

你睜開雙眼。

空氣裡的塵埃在早晨的陽光裡翻騰舞動,它們一定也感受到了引力,你正浮想聯翩,有人來敲你的門。

「進來。」你一邊說,一邊從床上坐起身,期待著面帶微笑的朋友或許會帶來水果和咖啡。

門開了。是她。你那位住在悉尼的阿姨。

她身邊還有三隻大包,裡面裝滿了水晶花瓶,雖然你一直認為不可能,但它們的確比你想在引力實驗裡打碎的那些還要醜陋許多。

她走進房間,一點也沒有為你還躺在床上感到擔憂,她走到你身旁,拍拍你的臉頰,遞給你一隻花瓶,靜靜地微笑著,臉上帶著理解你的表情,知道沒有語言能夠準確地形容你見到她突然來訪時的興奮之情。

你手捧花瓶,閉起眼睛想要保持平靜,內心裡突然絕望地想要飛去另一個地方。

幸運的是,當你再次睜開雙眼時,發現你的確飛走了。

非常「另類」的地方。

外太空中。

小屋、陽光、你的床和阿姨,都不見了。

你又回到了恆星中間,如同在本書第一部分中一樣,不過這次看起來要安全得多。

環顧四周,你禁不住微笑起來。

沒有什麼馬上爆炸的跡象。

沒有被熔化的地球。

所有的恆星都很遠,一切都那麼安靜。你漂浮在充滿微小亮點的無邊黑暗之中,感覺很酷,雖然有一些怪異。

在本書第一部分中,你發現在太空裡的只是自己的意識。除了被彈出黑洞的那一個瞬間,你感受不到任何力量。這次,你將經歷一些不同的感覺,你沒有把自己的身體留在島上,而是在太空中,包裹著的宇航服材料給它提供了保護,你正體會著失重的感覺。

看上去一切都很真實,甚至你能感受到陣陣噁心,但很快你就克服了它。

而且你還意識到,雖然很幸運,你的阿姨已不在你身邊,但她給你的花瓶依然在你手中。

你帶著嘲諷的微笑環顧四周,發現沒有什麼東西可以讓你砸那只花瓶。沒有地球,沒有恆星。

你臉上露出堅毅的神情,決定再做一次引力實驗。

你伸出雙臂,放開手,放下花瓶,不管你怎麼看,那只花瓶依然停在原地,紋絲不動。一分鐘過去了,又一分鐘過去了,很快,時間一分鐘一分鐘地流逝,什麼都沒發生。

或許這只花瓶還向你移動了一點,但沒有多少距離。沒到能夠記錄到的程度。

最後,你失去了盯著這隻大花瓶看的興趣,你用指尖推動它,看著它慢慢離你而去,沿著一條直線。可喜的擺脫。

如果你不推它,這只花瓶會一直陪伴著你。它不會掉落。無論如何,它又能掉到哪裡去呢?周圍沒有行星與恆星,也就沒有上下左右之分。一片虛空之中,所有方向都是等價的,沒有一個花瓶可以飛向的地面,除非,你把自己看作地面。但那樣太粗暴了吧,不是嗎?好吧……談論宇宙時,你不會過於在意自己。過了好長一段無所事事的時間,你果然看見那只花瓶在朝你飛來。真難看,即便隔著這麼遠。引力在起作用,你創造的引力。

你心底浮現出一個奇怪的問題:是這只花瓶飛向你,還是你飛向它?

從你的角度看,也同樣可以把花瓶看作地面,而你正向它掉去。不幸的是,你還來不及仔細想想這個問題,一顆小行星從你身邊掠過,用它看不見的引力抓住你和那只已經很近了的花瓶。

如果有人問你,你或許會說因為你更重,會比花瓶更早落到小行星的地面上。然而,不對。事實並非如此。你和那只花瓶同時到達了那塊表面滿是塵土的石頭上。當你的雙腳接觸到那軟軟的地面時,你立刻抓起那不成功的藝術品砸向小行星的地面。

不幸的是,那顆小行星的地面並不像地球的那麼堅硬,花瓶沒碎。相反,一片巨大的宇宙塵土被你揚起,包裹著你……滿心不快,你舉起花瓶用盡全力往外扔去,徹底擺脫它。這下,它回不來了,你認為,你透過塵埃雲看著它消失在遠方,放下心來,覺得它將永遠在宇宙中孤獨自轉。

終於清靜了!

你現在可以放鬆一下,欣賞欣賞不受干擾的美景,仔細想想那些從來沒有人想過的引力實驗。

正當你胡思亂想時,忽然注意到你所站立的這塊石頭不再直線前進,它的軌道突然變彎了,朝向一個黑暗冰凍的世界飛去,那是一顆沒有恆星的游離行星,在虛空中遊蕩,懷著一個可能永遠不會實現的希望——就是某天能夠找到一個閃亮的新家。你的周圍依然存在危險。只是你剛才沒有發現。

有一個瞬間,當你的石頭正往下向著那顆行星加速時,你的心被提到了嗓子眼,幾乎可以肯定,你將與行星正面碰撞,即將撞上那個冰冷而死寂的世界表面。你聽說過,面對即刻到來的死亡之時,人們會記起早已忘記的記憶,或看見自己的一生在眼前展開。你好像沒有經歷這些,除了阿姨的臉,你什麼都想不起,似乎將你這個身體所面臨的必然死亡歸咎於她和她的花瓶。

為了拯救自己,你拚命向下發力,跳離了小行星表面,剛完成這個動作,你就意識到兩件事:一是與你想像的不同,你並不在一條撞擊軌道上;第二,雖然你能跳離小行星,但卻無法在太空中游泳。

就像星際過山車,你和你的石塊速度越來越快,沿著行星在宇宙構造上產生的斜坡一路滑下。如同你預期中的,你在離行星表面幾千英里的地方與它擦肩而過,掠過它黑暗冰冷的地面,與你的石塊一起再次飛向太空,但速度比下落時快了很多。你和你的小行星剛從那個行星世界偷了一些能量——動能,就像在迷你高爾夫球場上的一隻高爾夫球,錯過了那個調皮移動著的球洞,繞著它的邊緣轉了一下,卻令人失望地從另一邊轉了出去。

一個靜止的球洞不會發生這樣的行為,靜止的世界也不行。但移動球洞可以,移動中的行星也一樣。

幾分鐘後,那顆死亡行星已從遠處消失,你又降落到你的小行星上。奇怪了,你意識到,它從來沒有停止吸引你,而且更奇怪的是,你發現你們倆沿著非常相似的軌跡繞過了那個已經不見了的被遺忘的世界。

那個只有你重量四十分之一的花瓶沿著與你相同的軌跡掉落在小行星上雖然有些驚奇,但一座小山那麼大的石頭——小行星,居然也和你一樣飛向行星實在令人難以接受。但這,卻是活生生發生的事實。看起來所有物體無論質量差別都以同樣的方式掉向行星,或者掉向彼此。雖然聽起來離奇,但太陽與羽毛都會以同樣的方式掉向小行星、行星,或任何東西。之所以如此,因為受引力作用,只是沿著質量或能量在宇宙構造上產生的斜坡滑下而已。

我可以理解,你需要在你的石頭上坐一會兒,讓這種想法變得更實際一些。

你看著外部太空。

頭腦裡一片混沌。

你依然不肯放棄,終於,你的堅持給你帶來回報,突然間,你的頭腦裡浮現出一幅無比美麗的畫面。

你開始看到到處存在的曲線:斜坡和山峰,分佈在石頭、遠處的行星和恆星,甚至星系周圍。從遠處光源射來的明亮光線看上去也一樣沿著這些斜坡滑行,留下短暫的螢光足跡,讓你能夠看見,讓你看到宇宙畫布的真正形狀。你看到與你以前的想法不同,光在太空裡也與物體和你自己一樣,並不一直以直線前行。當它路過星系、恆星、行星,甚至一小塊石頭附近時,光線變彎了。物體密度越大,光線路徑離它越近,彎曲程度就越明顯。當星系、恆星、行星移動時,它們所引起的曲線和斜坡也一併移動,跟著它們一起互相舞動、融合。在我們的宇宙裡,一切都在移動,所有地方,所有事物,包括宇宙構造本身。

你所看到的帶有各種形狀的宇宙構造本身,直到剛才對你一直以來保持著不可見的狀態,而實際上現在顯露真相,看起來就像生命體一樣不停變化。

站在小行星上看著這一切的你,與現在正在讀這本書的你一樣,正沿著某條曲線下滑。在小行星上,那塊石頭產生了它,讀這本書時,地球創造了它。在小行星上,這條曲線很柔和,你不需要太多能量就能飛離;在地球上,這條曲線要陡峭很多。

如果你現在沒有往下掉的感覺,那是因為你的腳下有著地面,或者你坐在椅子上,防止你往下滑落,當然你可能還是能感覺到自己的肩膀在往下掉,一直如此。然而,如果你是坐在一架自由下落的飛機上讀這本書,那麼你就真的沿著地球創造的曲線往下滑落。這種沿著時空構造的斜坡往下掉的運動是宇宙中所有物體自己及周圍所有運動中最自然的運動。

當你第一次推開那只醜陋的花瓶時,它慢慢地爬上因你的存在而引起的不可見斜坡,然後它又沿著同一個斜坡滑下,就像從地球表面向上拋出的物體向上移動時速度越來越小,而在向下時又開始加速。

想要離開地球表面進入太空,你向上扔出去的物體速度必須高於每小時40,320公里。慢於這個速度它就會掉回來。永遠如此。

要逃脫你的引力(不是魅力)的束縛,需要有個最低速度,就如同你需要一個最低速度才能將小孩玩的彈珠滾過一個地面的高坎一樣。

那次你沒有將花瓶推得足夠快,所以它又回到你的身邊,因為你也彎曲了宇宙的構造。

後來,當你在飛速掠過行星時利用行星本身的運動加上一點點力後從它的邊上繞道,從另一邊飛速離去的時候,恰好在你自己不知情的情況下用到了宇宙火箭科學家們常用的技術,這一技術能將衛星送到太陽系中遙遠的地方而無需耗費能源:他們讓衛星以合適的角度與距離飛近行星,衛星就會被彈射加速進入到我們太空近鄰的更遠區域。

這些想法在你大腦中奔流,你明白了就是在地球上,一切東西也都沿著我們的星球所產生的斜坡一直下滑。因為這個原因,我們的星球有著不同的層次,從天空之頂到最裡面的地心,最輕的粒子在上面,最緻密的在最深處。其緻密的內部完成整個平衡花了幾十億年時間。

不知道你意識到沒有,你已經完全不再把引力看作一種作用力了。現在,你把它看作是一幅由曲線、高峰和斜坡構成的風景。看起來這就是這次旅行帶給你的收穫。讀到這裡,你發現自己忽然又回到了小屋,躺在床上,面對你的阿姨——她看上去有些不知所措。

「我剛才有沒有給過你花瓶?」她有些迷惑,看著你空空的雙手。

「什麼花瓶?」

「沒什麼,親愛的,沒什麼。」

「但是……你來這裡幹什麼?」你問道。

「你的朋友們給我打電話。他們說你有幻覺。關於引力的。等你到了我這年紀,就會發現這種力真是一個負擔。但你還年輕,沒必要為此操心。現在,看看我給你帶來的花瓶,是不是很可愛?」

「沒有什麼吸引住你的力,只是斜坡。」你有些生氣地說,默默詛咒自己那些討厭的朋友。

「斜坡,是的,我知道。」她心不在焉地回答著,順手打開那些花瓶的包裝。

讓你吃驚的是,她甚至反駁說,從向下的角度說,「力」還是「斜坡」或其他什麼,從來沒讓她覺得有什麼不同;當人掉落下去時往往喊的是「救命!我掉下去了」,而不是「救命!我被拉下去了」。你多蠢啊!會斤斤計較這些。

然後她就開始用她帶來的十幾隻花瓶重新裝飾你那至今為止還算有品位的度假小屋。你靜靜地看著她,思考自己的人生怎麼會變成這樣。

那個晚上,當終於找到一些能夠獨處的時間時,你逃離了相對文明的小屋,一個人來到沙灘散步,仰望星辰。你阿姨關於引力的評論讓你心煩意亂,你想總結一下自己對於引力到底瞭解些什麼。

宇宙構造本身有著斜坡。

所有東西都在任何方向上產生不可見的斜坡,我們稱此為引力。物體越緻密,其產生的斜坡就越陡。如果所有的大傢伙們能讓我們宇宙的構造變彎,光一定也能夠,因為能量就是質量,質量也就是能量,E=mc2。

真的是這樣嗎?

真的一切東西都能讓宇宙彎曲?包括光?那麼宇宙的這種構造到底又是什麼東西呢?

當你在你的小屋裡,或者你曾經到過的所有地方,你感覺到過這種構造嗎?你感覺到過牆面形成的斜坡嗎?沙發呢?天花板?或者天空?或者從燈泡射出的光線?沒有,你從來沒有過。你只感受到我們整個地球形成的斜坡,那個讓你的肌肉與骨骼在每個早晨起床之時與之爭鬥的斜坡。如果你是水,你將會被壓平並平攤在地板上,而非牆上。

事實上,你現在所感受到的引力是你周圍所有東西產生的斜坡之和,包括牆、天花板,甚至某只從你頭頂高高飛過的小鳥或飛機。

但那些現在位於你下方的東西與你上方的東西相比遠為顯著。你腳下的地球比你頭頂的天空含有更多質量與能量。因此它產生的斜坡最陡。因此你首先會沿著它滑下,並感覺最強。那就是地球的引力。

但宇宙的構造又是怎麼回事?它到底是什麼?被彎曲的是什麼東西?

事實上是愛因斯坦搞明白了這個問題。

通過公式E=mc2,他告訴我們質量與能量的差別只是表面的,質量與能量只是同一樣東西的兩面。那是在一九五年。到了一九一五年,愛因斯坦又表示宇宙在任何一個地點的形狀由位於該處的質量與能量決定。在這個過程中,他拋棄了把引力看作一種作用力的觀念。引力只是一種幾何學,是曲線與斜坡,由質量和能量所產生。但究竟是什麼東西的幾何學呢?宇宙中並沒有一個塗了肥皂的被拉緊的橡皮膜讓一切物質在上面運動,這是顯然的。當然,也要記住:我們沒有看見某樣東西,並不是它不存在的理由。

在人類瞭解包圍我們的不可見空氣也是由原子與分子組成之前,所有人都認為那是空的。

這裡我們面對著同樣的鴻溝需要跨越:外太空,雖然看起來是一片虛空,但實際上並不空。同樣,它也並非靜止不變。

讓它成為一個運動和變化著的幾何實體的,正是我至今以來一直稱之為「宇宙構造」的東西。

愛因斯坦發現這個構造是空間與時間的混合,我們在過去的一個世紀中學到,時間與空間這兩個概念,無法彼此分開。

因此「時空」是個更好地形容宇宙構造的名詞,愛因斯坦的廣義相對論告訴我們,時空是如何被其包含的物質所彎曲,以及該效應的反作用。一邊是能量與質量,另一邊是時空的幾何學,對於引力來說這兩者是一樣的概念。

至今,你所經歷的只是空間的彎曲,不包括時間,你這樣想。事實上,時間的彎曲一直存在。它甚至就發生在現在的你身邊,就在你閱讀這句話時。

只是這個效應過於微弱,你的感官無法感知,但很快你就會發現自己會到一個時間彎曲效應非常顯著而令人迷惑的地方。這將在本書第三部分的一架飛機上,以及你在第六部分中最終躍入黑洞時發生。

至於現在,你又回到沙灘上看著星空。夜已很深,但你毫不在意。你看著夜空,確實感覺到自己漂浮在各種奇思妙想之中,它們看上去完全瘋狂,卻又奇跡般地以極好的方式解釋了我們所在的真實宇宙。

因為我們星球給時空帶來的彎曲,讓它附近的一切物體落向自己的表面,這又隨之進一步加強了時空的彎曲。自從地球從一片星雲中誕生數十億年以來,它已經實現了某種平衡,我們的星球包裹著一層大氣,保護我們免於暴露在太空之中,讓我們能夠呼吸存活,並且有時候給我們提供機會,看向天空。

就在這層大氣外面,地球之外,還存在著我們的月球,繞著地球旋轉,就像在大碗裡轉動的玻璃珠,差別在於,月球本身也在時空中造成彎曲。月亮造成的時空彎曲讓存在於地球表面的水向月球滑去。這就是水面跟隨著圍繞地球旋轉的月亮而產生潮汐的原因。

更遠的地方有著太陽,它那陡峭的時空彎曲讓太陽系所有的行星、彗星和小行星們都順著滑下,以不同速度和高度繞著自己旋轉,就像在一個非常大的大碗中轉動的玻璃珠們。

接下來還有來自我們鄰近恆星們的競爭。

一些距離之外,其他恆星對時空的彎曲效應超過了我們的太陽,那些距離遙遠的彗星在臨近太陽系邊緣時會到達山頂,從一個恆星系的地盤跑到了另一個恆星系,就像一顆玻璃珠轉動時到達了一隻大碗的邊緣後會落入另一隻碗,如果邊上恰好有一隻碗的話。在太空裡,邊上永遠有一隻大碗。

銀河系中所有恆星對時空的彎曲加在一起就成為銀河系對時空的彎曲,與我們鄰近星系的彎曲競爭,然後我們本星系群的彎曲又與其他星系群的總體彎曲競爭,永無止境。而愛因斯坦用一個公式就解釋了這一切。

幹得好,愛因斯坦!

你幾乎希望他現在就能出現在你面前,讓你能夠與他握手,但你感覺應該還有更多東西需要搞明白。甚至一些更深刻的東西。是什麼呢?你不是已經讀到過,早先,愛因斯坦打開了一扇門,通往我們的宇宙擁有歷史這一想法?我們的宇宙在過去曾經比現在小?

你在沙灘上坐下,閉超眼睛,集中思想,準備想清楚這到底意味著什麼。

  1. 從第三部分開始,你會熟悉其他三種作用力。這裡只是稍微提一下,它們的存在讓你能夠站起走動而不用害怕穿過地板掉下去。​​​​​

  2. 在本章裡「更輕」實際上指的是「不夠緻密」。​​​​​

  3. 從任何槍支中射出的子彈的速度都遠遠低於它,所以它們注定要回到地面,即便你是朝天發射。所以,不用嘗試。這個40,320公里/小時被稱為地球逃逸速度。作為對比,太陽逃逸速度大約是220萬公里/小時,而那個歐洲宇航局的空間探測器「菲萊號」在二一四年登陸的像橡皮鴨形狀的彗星的逃逸速度只有5.4公里/小時,只要輕輕一跳就能離開。​​​​​

  4. 月亮當然也吸引其他一切,包括我們地球上固體的地殼,以及我們自己、茶杯、勺子等,但因為這些都是固體,所以效應不那麼明顯。​​​​​