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[散文] 《万物简史》(二)

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发表于 2020-1-6 14:28:02 | 显示全部楼层 |阅读模式




                           《万物简史》(二)

为了解释空间是弯曲的,人们经常提出一个类比,他们试图想象,有个来自平面宇宙、从来没有见过球体的人来到了地球。不管他在这颗行星的表面上走得多远,他永远也走不到边。他很可能最终回到始发地点。他当然会稀里糊涂,说不清这是怎么一回事。哎呀,我们在空间的处境,跟那位先生的处境完全相同。我们只是糊涂得更厉害罢了。

如同你找不着宇宙的边缘一样,你也不可能站在宇宙的中心,说:“宇宙就是从这儿开始。这是一切的最中央。”我们大家都在一切的最中央。实际上,我们对此缺少把握。我们无法用数学来加以证实。科学家们只是推测,我们实际上不可能在宇宙的中央——想一想,这会意味着什么——但是,这种现象对所有地方的所有观察者来说都是一样的。不过,我们真的没有把握。

据我们所知,自形成以来,宇宙只发展到光走了几十亿年那么远的距离。这个可见的宇宙——这个我们知道而且在谈论的宇宙——的直径是1.5亿亿亿( 1  500 000 000 000 000 000 000000)公里。但是,根据大多数理论,整个宇宙——有时候称之为超宇宙——还要宽敞得多。根据里斯的说法,到这个更大的、看不见的宇宙边缘的光年数,不是“用10o,也不是用100o,而是用几百万个0”来表示。简而言之,现有的空间比你想象的还要大,你不必再去想象空间外面还有空间。

很长时间以来,大爆炸理论有个巨大的漏洞,许多人对此感到不解——那就是,它根本无法解释我们是怎么来到这个世界上的。虽然存在的全部物质中有98%是大爆炸创造的,但那个物质完全由轻的气体组成:我们上面提到过的氦、氢和锂。对于我们的存在至关重要的重物质——碳、氮、氧以及其他一切,没有一个粒子是宇宙创建过程中产生的气体。但是——难点就在这里——若要打造这些重元素,你却非要有大爆炸释放出来的那种热量和能量不可。可是,大爆炸只发生过一次,而那次大爆炸没有产生重元素。那么,它们是从哪儿来的?有意思的是,找到这个问题答案的人却是一位压根儿瞧不起大爆炸理论的宇宙学家,他还创造了大爆炸这个词来加以讽刺挖苦。

我们很快就会讲到他。不过,在讨论我们怎么来到这里之前,我们先花几分钟时间来考虑一下到底什么是“这里”,这也许是很值得的。P010

我再来重复一遍,空间是巨大的。恒星之间的平均距离超过30万亿公里。即使以接近于光的速度去那里,这对任何想去旅行的个人来说都是极富挑战性的距离。当然,为了逗乐,外星人有可能旅行几十亿公里来到威尔特郡种植庄稼,或者来到亚利桑那州哪一条人迹稀少的路上,把行驶中的小卡车上的哪个可怜虫吓得魂飞魄散,但这种事似乎永远不会发生。

不过,从统计角度来看,外层空间存在有思想的生物的可能性还是很大的。谁也不清楚银河系里有多少颗恒星——估计有1 000亿颗到 4 000亿颗—一而银河系只是大约1400亿个星系之一,其中许多比我们的银河系还要大。20世纪60 年代,康奈尔大学的一位名叫弗兰克·德雷克的教授为这么巨大的数字所振奋,根据一系列不断缩小的概率,想出了一个著名的方程式,旨在计算宇宙中存在高级生命的可能性。

按照德雷克的方程式,你把宇宙某个部分的恒星数量除以可能拥有行星系的恒星数量;再用那个商除以理论上能够存在生命的行星系数量;再用那个商除以已经出现生命,而且生命提高到了有智力的状态的行星系数量;如此等等。每这样除一次,那个数字就大大缩小——然而,即使以最保守的输人,仅在银河系里,得出的高等文明社会的数字也总是在几百万个。

这种看法多么有意思,多么激动人心。我们也许只是几百万个高等文明社会中的一个。不幸的是,空间浩瀚,据测算,任何两个文明社会之间的平均距离至少在200 光年。为了让你有个清楚的概念,光这么说还不行,还要做更多的解释。首先,这意味着,即使那些生物知道我们在这里,而且能从望远镜里看到我们,他们所看到的也只是200 年以前离开地球的光。因此,他们看到的不是你和我。他们看到的是法国大革命、托马斯,杰斐逊以及穿长丝袜、戴假  褸发套的人——是不懂得什么是原子或什么是基因的人,是用一块毛皮摩擦琥珀棒生电,认为这挺好玩的人。我们收到这些观察者发来的电文,很可能以“亲爱的大人”开头,祝贺我们牵着骏马,能够熟练地使用鲸油。200 光年是如此遥  :远的距离,我们简直无法想象。

因此,即使我们其实并不孤单,实际上我们还是很孤单。卡尔·萨根推算,宇宙里的行星可能多达100万亿亿颗——这个数字远远超出我们的想象力。但是,同样超出我们想象力的,是它们所散落的宇宙的范围。“要是我们被随意塞进宇宙,”萨根写道,“你在一颗行星上或靠近一颗行星的可能性不足十亿亿亿亿分之一(即10-33)。世界是很宝贵的。”

宇宙是个又大又寂寞的地方。我们能有多少个邻居就要多少个邻居。P019

为了理解这是一种多么高超的本事,我们来想象一下,在一张标准的餐桌上铺一块黑桌布,然后撒上一把盐。我们把撒开的盐粒比作一个星系。现在,我们来想象一下,再增加1500张这样的餐桌——足以形成3 公里长的一条直线——每一张餐桌上都随意撒上一把盐。现在,在任意一张餐桌上再加一粒盐,让罗伯特。埃文斯在中间行走。他一眼就看到了那粒盐。那粒盐就是超新星。

埃文斯是个杰出的天才人物,奥利弗·萨克斯在《一位火星上的人类学家》中有一章谈到孤僻的学者,专门用一段文字来描述埃文斯———但他马上补充说:“绝没有说他孤僻的意思。”埃文斯从来没有见过萨克斯,对说他性格孤僻也罢,一位学者也罢,都报以哈哈大笑,但他不太说得清自己怎么会有这种天才。P021

兹威基也是第一个认识到,宇宙里的可见物质远远不足以把宇宙连成一片,肯定有某种别的引力影响——就是我们现在所谓的暗物质。有一点他没有注意到,即中子星坍缩得很紧,密度很大,连光也无法摆脱它的巨大引力。这就形成了一个黑洞。不幸的是,他的大多数同事都瞧不起他,因此他的思想几乎没有引起注意。5 年以后,当伟大的罗伯特,奥本海默在一篇有划时代意义的论文中把注意力转向中子星的时候,他没有一次提到兹威基的成就,虽然兹威基多年来一直在致力于同一个问题,而且就在走廊那头的办公室里。在差不多40 年的时间里,兹威基有关暗物质的推论没有引起认真的注意。我们只能认为,他在此期间做了许多俯卧撑。

令人吃惊的是,当我们把脑袋探向天空的时候,我们只能看见宇宙的极小部分。从地球上,肉眼只能见到大约6 000颗恒星,从一个角度只能见到大约2 000颗。如果用了望远镜,我们从一处看见的星星就可以增加到大约5万颗;要是用一台5厘米的小型天文望远镜,这个数字便猛增到 30万颗。假如使用像埃文斯使用的那种40厘米天文望远镜,我们就不仅可以数恒星,而且可以数星系。埃文斯估计,他从阳台上可以看到的星系可达5—10万个,每个星系都由几百亿颗恒星组成。这当然是个可观的数字,但即使能看到这么多,超新星也是极其少见的。一颗恒星可以燃烧几十亿年,而死亡却是一下子的事。只有少量的临终恒星发生爆炸,大多数默默地熄灭,就像黎明时的篝火那样。在一个由 1 000亿颗恒星组成的典型星系里,平均每二三百年会出现一颗超新星。因此,寻找一颗超新星,有点像立在纽约帝国大厦的观景台上,用望远镜搜索曼哈顿四周的窗户希望发现——比如说—一有人在点着21岁生日蛋糕上的蜡烛。P023

超新星还有一方面对我们来说是绝对重要的。要是没有了超新星,我们就不会来到这个世界上。你会想得起来,第一章快结束的时候,我们谈到宇宙之谜——大爆炸产生了许多轻的气体,但没有创造重元素。重元素是后来才有的,但在很长时间里,谁也搞不清它们后来是怎么产生的。问题是,你需要有某种温度确实很高的东西——比温度最高的恒星中央的温度还要高——来锻造碳、铁和其他元素;要是没有这些元素,我们就令人苦恼地不会存在。超新星提供了解释。这个解释是一位几乎像弗里茨。兹威基一样行为古怪的英国宇宙学家做出的。

他是约克郡人,名叫弗雷德,霍伊尔。霍伊尔死于2001 年,在《自然》杂志的悼文里被描写成一位“宇宙学家和好辩论的人”,二者他都受之无愧。《自然》杂志的悼文说,他“在一生的大部分时间里都卷入了争论”,并“使自己名声扫地”。比如,他声称,而且是毫无根据地声称,伦敦自然博物馆里珍藏的那件始祖鸟化石是假的,与皮尔当人头盖骨的骗局如出一辙,这使得博物馆的古生物学家们非常恼火。他们不得不花了几天工夫来回答记者们从世界各地打来的电话。他还认为,地球不仅从空间接受了生命的种子,而且接受了它的许多疾病,比如流感和腺鼠疫。他有一次还提出,人类在进化过程中有了突出的鼻子和朝下的鼻孔,就是为了阻止宇宙病原菌掉进去。

是他1952 年在一篇广播稿中开玩笑地创造了大爆炸这个名字。他指出,我们在理解物理学的时候,怎么也解释不了为什么一切会聚合成一点,然后又突然戏剧性地开始膨胀。霍伊尔赞成恒稳态学说,该学说认为宇宙在不断膨胀,在此过程中不断创造新的物质。霍伊尔还意识到,要是恒星发生聚爆,便会释放出大量热量——温度在1亿摄氏度以上,足以在被称为核聚变的过程中产生较重的元素。1957 年,霍伊尔和别人一起,展示重元素是如何在超新星的爆炸中形成的。由于这项工作,他的合作者W.A.福勒获得了诺贝尔奖。霍伊尔则没有,很难为情。P027

大自然和大自然的法则藏匿于黑夜之中;上帝说,让牛顿出世吧!于是世界一片光明。

——亚历山大,蒲柏P032

哈雷是个不同凡响的人物。在漫长而又多彩的生涯中,他当过船长、地图绘制员、牛津大学几何学教授、皇家制币厂副厂长、皇家天文学家,是深海潜水钟的发明人。他写过有关磁力、潮汐和行星运动方面的权威文章,还天真地写过关于鸦片的效果的文章。他发明了气象图和运算表,提出了测算地球的年龄和地球到太阳的距离的方法,甚至发明了一种把鱼类保鲜到淡季的实用方法。他唯一没有于过的就是发现那颗冠以他名字的彗星。他只是承认,他在1682 年见到的那颗彗星,就是别人分别在1456 年、1531 年和1607 年见到的同一颗彗星。这颗彗星直到 1758 年才被命名为哈雷彗星,那是在他去世大约16 年之后。P035

1684 8月,哈雷不请自来,登门拜访牛顿。他指望从牛顿那里得到什么帮助,我们只能猜测。但是,多亏一位牛顿的密友——亚伯拉罕·棣莫佛后来写的一篇叙述,我们才有了一篇有关科学界一次最有历史意义的会见的记录:

1684 年,哈雷博士来剑桥拜访。他们在一起待了一会儿以后,博士问他,要是太阳的引力与行星离太阳距离的平方成反比,他认为行星运行的曲线会是什么样的。

这里提到的是一个数学问题,名叫平方反比律。哈雷坚信,这是解释问题的关键,虽然他对其中的奥妙没有把握。

艾萨克,牛顿马上回答说,会是一个椭圆。博士又高兴又惊讶,问他是怎么知道的。“哎呀,”他说,“我已经计算过。”接着,哈雷博士马上要他的计算材料。艾萨克爵士在材料堆里翻了一会儿,但是找不着。

这是很令人吃惊的——犹如有人说他已经找到了治愈癌症的方法,但又记不清处方放在哪里了。在哈雷的敦促之下,牛顿答应再算一遍,写出一篇论文。他按诺言做了,但做得要多得多。有两年时间,他闭门不出,精心思考,涂涂画画,最后拿出了他的杰作:《自然哲学的数学原理》,通常被称为《原理入

极其偶然,历史上也只有过几次吧,有人做出如此敏锐而又出人意料的观察,人们无法确定究竟哪个更加惊人-——一是那个事实还是他的思想。《原理》的问世就是这样的一个时刻。它顿时使牛顿闻名遐迩。在他的余生里,他将生活在赞扬声和荣誉堆里,尤其成了英国因科学成就而被封为爵士的第一人。连伟大的德国数学家戈特弗里德。莱布尼兹也认为,牛顿对数学的贡献比得上在他之前的所有成就的总和,尽管在谁先发明微积分的问题上,牛顿曾跟莱布尼兹进行过长期而又激烈的斗争。“没有任何凡人比牛顿更接近神。”哈雷深有感触地写道。他的同时代人以及此后的许多人对此一直怀有同感。P037

《原理》的产生不能不说是戏剧性的。令哈雷感到震惊的是,当这项工作快要完成的时候,牛顿和胡克为谁先发明了平方反比定律吵了起来,牛顿拒绝公开关键的第三卷,而没有这一卷,前面两卷就意义不大。在紧张地来回斡旋,说了许多好话以后,哈雷才最后设法从那位脾气怪僻的教授那里索得了最后一卷。

哈雷的烦恼并没有完全结束。英国皇家学会本来答应出版这部作品,但现在打了退堂鼓,说是财政有困难。前一年,该学会曾经为《鱼类志》下了赌注,该书成本很高,结果赔了老本;他们担心一本关于数学原理的书不会有多大销路。哈雷尽管不很富裕,还是自己掏钱支付了这本书的出版费用。和以往一样,牛顿分文不出。更糟糕的是,哈雷这时候刚刚接受学会的书记员的职位,他被告知,学会已经无力给他答应过的50英镑年薪,只能用几本《鱼类志》来支付。P038

更为复杂的是,皮卡尔死后,乔瓦尼和雅克·卡西尼父子在更大的区域内重复了皮卡尔的实验。他们得出的结果显示,地球鼓起的地方不是在赤道,而是在两极)——一换句话说,牛顿完全错了。正因为如此,科学院才派遣布格和孔达米纳去南美洲重新测量。

他们选择了安第斯山脉,因为他们需要在靠近赤道的地方进行测量,以确定那里的圆度是否真有差异,还因为他们认为山区的视野比较开阔。实际上,秘鲁的大山经常云雾笼罩,这个小组常常不得不等上几个星期,才等得上一个小时的晴天来进行测量。不仅如此,他们选了个地球上几乎最难对付的地形。秘鲁人称这种地形是“非常少见”的——这话绝对没错。两个法国人不仅不得不翻越几座世界上最具挑战性的大山——连他们的骡子也过不去的大山——而且,若要抵达那些大山,他们不得不涉过几条湍急的河流,钻过密密的丛林,穿越几公里高高的、岩石遍布的荒漠,这些地方在地图上几乎都没有标记,远离供给来源。但是,布格和孔达米纳是坚忍不拔的人。他们不屈不挠,不怕风吹日晒,坚持执行任务,度过了漫长的9 年半时间。在这个项目快要完成的时候,他们突然得到消息,说另一个法国考察队在斯堪的纳维亚半岛北部进行测量(面对自己的艰难困苦,从寸步难行的沼泽地,到危机四伏的浮冰),发现1度经线在两极附近果真要长,正如牛顿断言的那样。地球在赤道地区的测量结果,要比环绕两极从上到下测量的结果多出43 公里。

因此,布格和孔达米纳花了将近10 年时间,得出了一个他们不希望得出的结果,而且发现这个结果还不是他们第一个得出的。他们没精打采地结束了测量工作,只是证明第一个法国小组是正确的。然后,他们依然默不作声地回到海边,分别乘船踏上了归途。P040

卡文迪许本身就是一部书。他生于一个生活奢华的权贵家庭——祖父和外祖父分别是德文郡公 爵和肯特公爵——是那个年代最有才华而又极其古怪的英国科学家。几位作家为他写过传记。用其中一位的话来说,他特别腼腆,“几乎到了病态的程度”。他跟任何人接触都会感到局促不安,连他的管家都要以书信的方式跟他交流。

有一回,他打开房门,只见前门台阶上立着一位刚从维也纳来的奥地利仰慕者。那奥地利人非常激动,对他赞不绝口。一时之间,卡文迪许听着这些赞扬,仿佛挨了一记闷棍;接着,他再也无法忍受,顺着小路飞奔而去,出了大门,连前门也顾不得关上。几个小时以后,他才被劝说回家。

有时候,他也大胆涉足社交界,尤其热心于每周一次的由伟大的博物学家约瑟夫·班克斯举办的科学界聚会,但班克斯总是对别的客人讲清楚,大家决不能靠近卡文迪许,甚至不能看他一眼。那些想要听取他的意见的人被建议晃悠到他的附近,仿佛不是有意的,然后“只当那里没有人那样说话”。如果他们的话算得上是在谈论科学,他们也许会得到一个含糊的回答,但更经常的情形是听到一声怒气冲冲的尖叫(他好像一直是尖声尖气的),转过身来却发现没有人,只见卡文迪许飞也似的逃向一个比较安静的角落。P045

精密是个关键词。设备所在的屋子里,容不得半点儿干扰。因此卡文迪许就待在旁边的一间屋里,用望远镜瞄准一个窥孔来观察。这项工作极其费劲,要做 17次精密而又互不关联的测量,他总共花了将近一年时间才完成。卡文迪许终于计算完毕,宣布地球的重量略略超过1 300 000 000 000 000 000 000 000磅①,用现代的谴单位来说就是6 000 000 000 000 000 000 000吨(1吨等于1000千克或约等于2205磅)。

今天科学家手里的仪器,其精确度之高,可以测定一个细菌的重量;其灵敏度之高,有人在25 米以外打个哈欠都会干扰读数。但是,他们对卡文迪许1797 年的测量结果没有重大改动。目前对地球重量的最准确估计数是597 250亿亿吨,与卡文迪许的结果只相差1%左右。有意思的是,这一切都只是证实了在卡文迪许1 10 年之前牛顿的估计,而且没有迹象表明牛顿做过任何实验。P047

正当亨利·卡文迪许在伦敦完成实验的时候,在650 公里之外的爱丁堡,另一个重大时刻随着詹姆斯·赫顿的去世而即将到来。这对赫顿来说当然是坏消息,但对科学界来说却是个好消息,因为它为一个名叫约翰。普莱费尔的人无愧地改写赫顿的作品铺平了道路。

赫顿毫无疑问是个目光敏锐、非常健谈的人,一个令人愉快的伙伴。他在了解地球那神秘而又缓慢的形成过程方面是无与伦比的。不幸的是,他不会以人人都能基本理解的形式写下他的见解。有一位传记作家长叹一声,说他“几乎完全不懂得怎么使用语言”。人们看他写的每一行字差不多都会想要睡觉。。在他1795 年的杰作《地球论以及证据与说明》中,他是这样讨论……呃,某个间

我们居住的世界不是由组成当时地球的直接前身的物质所构成的,而是从当今往前追溯,由我们认为是第三代的地球的物质所构咸的。那个地球出现在陆地露出海面之前,而我们现今的陆地还在海水底下。

不过,他几乎独自一人,而且非常英明地开创了地质学,,改变了我们对地球的认识。P049

野外吸引了许多杰出人士,尤其是上面提到的默奇森,他大约花了前半生近30 年时间来骑着马追赶狐狸,用猎枪把空中飞行的鸟儿变成一簇簇飘扬的羽毛。除了阅读《泰晤士报》和打一手好牌以外,他没有显示出任何会动脑子的迹象。接着,他对岩石发生了兴趣,以惊人的速度一跃成为地质学思想界的巨人。P052

吴砺

2020.1.5




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