一个苹果砸出来的糊涂帐 -- 强力推荐理工科童鞋看看

秦汉唐

一、那些都是幻觉


大家都听过一个故事：据说牛顿先生在树下打酱油，突然掉了一颗苹果，砸在他老人家脑袋上。换别人砸了也就砸了，说不定顺手把苹果捞进口袋里补偿损失，不厚道的还找果树主人去索赔，他却不依不饶，非要琢磨为啥苹果不往天上飞而要砸他，最后琢磨出个万有引力来。


书上的故事讲到这里大都划上了句号，但书本外边的故事其实没有完。不管牛顿有没有真的被砸到过，这个苹果扯出来的问题是相当纠结，一直到飞机轮船、太阳星星，甚至我们手上的GPS，都跟这个不长眼的苹果有点关系。之所以一个苹果能砸出这么大的效果，是因为牛顿琢磨出万有引力后不肯放手，又在琢磨另一件事：苹果砸到人是因为有引力，那这个引力又是因为啥？


牛顿捣鼓了半天，提出了各种各样的方案都搞不清楚。最后实在头痛，那时的古人又实在，没有春哥和凤姐可信，他老人家只好跑到教堂里信上帝，宣布引力是上帝干的，不用再研究了。


牛顿这一想就一了百了地轻松了。可他老人家信了上帝，上帝却没给什么奖励，几百年过去了，天上也没见天使扑哧扑哧地往下飞吉祥，砸人的陨石倒来了不少，于是大家还是一代接一代地琢磨这个问题，原因也很简单：科学家和神学家不一样。科学家是研究问题、解决问题，神学家则是糊弄问题。同样是电磁感应，神学家的工作是宣布上帝制造了电磁感应，科学家的工作则是搞出电动机来打豆浆；而碰到急性阑尾炎一类要命的事，科学家知道怎么开刀，把那个要命的小东西割掉万事大吉，而神学家只能看着你死去活来，在一旁拿着十字架，通知大家准备把你装到小木盒子里埋掉。


不甘心的人类就这样继续研究那个苹果砸出来的奥秘。一下过去了两百多年，无数人给出了无数解释，但都说不清楚这引力到底是怎么回事。终于到了一九一五年，一个人站了出来，对全世界平静地说：我知道是怎么回事。


这种话大家听过了无数遍，再多几个人说也没啥稀奇，但这个人的说法却着实有些骇人听闻。因为这个人的看法是：其实世界上本来就没有引力，所谓引力，是一种幻觉。


幻觉？大家都瞪大了眼睛。大家都看得见、摸得着的东西怎么是幻觉，要么我往你脸上砸个臭鸡蛋试试，你敢说那一头浆糊也是幻觉？


面对大家的质疑，这个人表现得很平静：不错，你就是往我头上砸臭鸡蛋，那也是幻觉。


说这句话的人没有疯，也没有任何心理疾病，他就是上个世纪最伟大的物理学家之一、相对论和时空理论的创始者，爱因斯坦。




二、今天，你扭曲了没？


说起爱因斯坦，必须要先说明两个概念，就是基础科学和应用科学。


所谓基础科学，就是指研究世界最根本规律的科学。例如拿一根棍子撬石头，在普通人撬了就撬了，到了基础科学家那里，就要分析出力臂、力矩，然后研究棍子和石头间的效应，最后给出公式才算完成任务；而应用科学，则是把基础科学家们弄出的公式应用到实践里去，象基础科学研究出了燃烧、压力压强什么的，应用科学家们就负责搞出个火车头或大轮船，然后带大家满世界乱跑。总地来说，同是被人嘲笑的科学家，这两种人也有很大的分别：搞基础科学的，都是一帮怪人，头发不剪，衣服不换，一脸守着死工资打转的穷酸样，整天在公式堆里钻来钻去，写些谁也看不懂的符号，出门吃个饭都不利索；而搞应用科学的也呆，却还能风光一些，虽然不象商人或财团那样财大气粗，但只要工夫深，哪个地方都抢着要，隔三岔五弄个新发明出来，时不时还弄个专利开公司，赚上一大笔钱。


但这个世界要发展、要创新，就离不开这些寒酸而不起眼的基础科学家。他们是点燃文明之灯的指路人，也是揭开世界深遽奥秘的窃火者。哪怕他们挣钱不多（个别牛气冲天的大科学家除外），思维也跟不上潮流，整个世界的潮流仍然取决于他们天天写在纸上的公式、数据和理论，一句话：少了他们，世界不转。


爱因斯坦就是这样一位基础科学家。一九一五年的时候，他经过莫名其妙的思考和谁也不知道怎么琢磨出来的推算，硬是不承认牛顿大爷发现的万有引力，并告诉大家：所有的引力，其实都是幻觉。苹果之所以会砸到牛顿、臭鸡蛋之所以能飞到人脸上，不是因为地球的引力，而是因为地球的质量太大，扭曲了附近的空间向它坍缩。换句话来说，苹果其实一直就没动，鸡蛋也是按着直线往前飞，是因为这个空间连同时间都被扭曲了，所以看上去才显得往地上掉。


这个说法实在骇人听闻。按爱因斯坦的理论，空间和时间是连在一起分不开的哥俩，每个运动的物体根据自已的速度、质量，都有自已的时空场。运动越快，质量就越大，时间也会变得越慢，整个宇宙就是时空交联在一起的一大锅粥。


这个理论很好地解释了鸡蛋和苹果的矛盾，也很好地解释了为什么光经过太阳时会偏转一个角度的问题：在光眼里，它还是按直线走的，只不过太阳质量实在太大，把空间弯了一个角度，就象足球表面一样弯曲，所以它也得跟着走一趟弯路。如果星球的质量密度足够大、空间缩得够狠，那就连附近的光线都出不去，直接被绕进去打圈，永远也出不来，这样的东西叫黑洞。


黑洞是个很可怕的东西：连光都飞不出来，那别的东西在里面自然也别想有好结果，所有的物质都被扯成基本粒子挤成一团。至于大家在里面到底是怎么个运动法，到目前为止谁也说不清楚，原因很简单：看不到。


看得到看不到其实都不是关键，黑洞再狠，毕竟离地球太远，一时半会不用担心。大家关心的是黑洞里面的时间问题：根据爱因斯坦大爷的理论，质量和速度不仅仅是弄得空间扭曲，时间也要跟着转，那空间扭到光速都逃逸不出去的时候，时间该怎么个转法？


很遗憾，黑洞里的时间问题，爱因斯坦老大爷也不知道。他只知道，根据他的理论和公式，算出来的太阳到水星轨迹是对的，说明引力确实只是一种幻觉，大家真正碰到的，是时空转换场。


爱老大爷五十年代就过世了。几十年后，财大气粗的美国发明了一种新技术，在天上放卫星给地面导航，俗称GPS。在这项技术的头几年，大家都忙着改善设备的精度，希望能把接收器调精密点、处理器做快点，以为这样就能得到精确的数据，却发现有些参数怎么调也调不好，按照卫星信号算出来的位置，一天能偏出十几公里去。从比例上看，十几公里比两万公里并不算大，但如果拿它去导航就会害死人，能叫车往水库里开、把飞机往大楼上引。总之，这个系统偏差太大，不能投入实用。


几十亿美元要打水漂，这个结果让所有人都怒了，何况大家都用的是最好、最贵的专用设备，不是一元店里买来的地摊货，怎么会有这么大的偏差呢？大家很自然地想到了爱因斯坦。


按爱老大爷的理论，运动的物体时间步伐会变短，而光和电磁信号都是在扭曲空间里按扭曲线路传播的，离引力场越近，扭曲的程度就越高。卫星离地面两万公里，运动速度又快，上面的原子钟运转要比地面慢一点，大概一天会有七微秒的差异，加上地面的空间扭曲度同卫星不一样，两边有一个小小的差值，如果要拿卫星导航，就要把这些差值和差异加进去。


工程师们于是修改了公式，最后果然发现，位置找对了。OH YEAH！


爱因斯坦在天堂上又一次露出了会心的微笑。




三、我日故我在


前面说过，理论科学家大都不怎么招人待见，走在大街上也没什么人肯正眼多看一下，不过爱因斯坦是个例外。


虽然没什么人看得懂他的书，却并不妨碍他出名。这位老大爷在世界上有无数粉丝，各大杂志都喜欢登他的照片，不管是走在路上还是坐车，都会有人悄悄盯着议论：果然是大家风范，与众不同啊，与众不同。那个年代里广大型男潮女们可以没有衣服穿，可以没有明星八卦看，但谁要说自个没听说过爱因斯坦，马上会引来一阵嘲笑：连他都不知道，你这家伙out了！


之所以能用一堆公式化身成为大众偶像，关键在爱老大爷实在过于前卫，思想的步子迈得太大，理论创新搞得太离奇，谁的意见都敢否定，而且要命的是，他的话居然都是真的，不服不行，服了也不行。他的天才理论很多，什么时空转换之类的都是小意思，让人惊奇的是，这些东西他都没做过实验，换句话来说，是看着问题后在纸上写写算算，然后给出公式解决，大家只管领悟就是了，其中最出名、影响大伙生活最直接的，是他提出的质量能量转换公式。


当时大家都没想过质量同能量有啥关系，爱老先生硬是琢磨出了质量变成能量的规律。按他的说法，原子就象可以拆的积木一样拼来拼去，拼的时候会有一些元素的份量对不上号，质量要少那么一点点。这些跑掉的质量会转成能量，而且放出的能量极其惊人，要按光速的平方来算，这种转换就叫核反应。


质量怎么能转成能量，是件很费解的事情。虽然有点不大好想象，一群科学家还是按他的说法努力折腾，果然折腾出一种靠原子分裂来释放能量的炸弹，在广岛、长崎放了两颗大烟花，直接结束了二战。没有爱因斯坦，日本也会投降，但要拖更长的时间。日本兵每在中国多呆一天，就要多杀很多中国人，从这一点上讲，爱因斯坦的理论对中国其实是有很大贡献的。


爆完了核弹，事情还没有完。一九五二年十月三十号，在太平洋的埃尼威托克岛上，又爆了人类历史上第一颗氢弹，这回不是裂变了，直接把两个氢原子拼到一起组成氦，多余的质量同样全部变成能量释放出来。这是一次载入史册的爆炸，不是因为氢弹的威力大，而是因为氢弹的爆炸方式是聚变，同太阳和其他恒星的能量释放方式一样，换句话说，太阳和其他恒星之所以有这么大能量，不是上帝在里面点火，而是大量的氢不停地搞核爆，人类用这颗氢弹，痛快地解开了太阳的奥秘。


从这一天起，人类终于可以骄傲地抬起头来，指着太阳高声喊一句：


日！




四、这个宇宙不靠谱。


时空转换也罢，氢弹核弹也罢，过去了就过去了，广大科学家们还是淡定地过日子。个人所得税永远那么重，潜规则永远和自已没关系，科学数据也永远那么枯燥。除了科研经费，真正能让他们争得面红耳赤、很不河蟹地吵个不停的，是另一个问题，而这个问题，起源于看星星。


看星星是广大人民喜闻乐见的一种群众性活动。从记事开始，不明真相的人类就没完没了地盯着星空，希望从里面找些启发。一开始只是算命，后来拿星星指方向，都不算离谱。等到发明望远镜了，宅男科学家们就有点不安分起来，拚命拿高倍镜扫月亮、火星，想看上面有没有仙女或天使。不过可惜得很，仙女没看到，天使也没看到，只看到一堆陨石砸出来的环形山。


没找到仙女的宅男们并不泄气，又拿光学仪器对各星座转来的光线发起了分析研究，这一研究马上发现了惊人的现象：从上个世纪二十年代起，积累的观测结果发现，绝大部分星座发来的光谱线都往红端移了相同的量，宅男们管这个叫红移。

秦汉唐

这是一个可怕的观测结果，但想知道为什么这个结果很可怕，要先从光波的组成说起。


大家知道，所谓白光，其实是由红黄橙绿青蓝紫七种颜色组成的，其中红光波长最长，蓝光最短。如果一个灯泡冲着我们飞过来，因为运动方向影响到波长的缘故，白光会稍稍往蓝偏一点，叫蓝移；而如果灯炮飞离我们，白光就会往红光方向偏移，叫红移。如果宇宙是稳定的，那从概率角度上讲，飞过来的星座同飞离的星座应该一样，就是说红移同蓝移各占一半，这也是大家想看到的结果。但哈勃天文台和其他各个天文小组观察到大部分星座都在红移，而且红移的偏移量都一样，只能说明一件事，就是到目前为止，几乎所有星座都在以相同的程度远离我们，彼此也相互远离，换句话来说，这个宇宙在以稳定的速度膨胀。


无边无际的宇宙居然在膨胀，这是一个可怕的消息，大家立刻想到了一个词：世界末日。如果宇宙真的没完没了地膨胀，那到最后肯定恒星都会烧完，到处冰冷寂静，没有能量，也不会有生命存在了。


看星星竟然看出了世界末日，大家都觉得不大可能，于是加紧琢磨这些照片。这一琢磨，就又琢磨出了新东西：一、所有的星球，年龄都不超过一百五十亿年，宇宙最远的光也不过一百五十亿年；二、从星系的运动方向推算，这些星星月亮们最早时应该是从同一个地方射出来的。


这些东西是怎么看出来的、用了哪些公式定理就不说了。总而言之，言而总之，宅男们围观星座居然围观出了宇宙起源、膨胀和边界，这个消息顿时震精了所有人。这时的棒子还没有发迹思密达，宇宙也没来得及被他们起源，科学家们于是把事情作了一个归纳总结：一百五十亿年前，一个被压缩的高能小球突然爆炸，爆炸中的能量迅速转成质量，产生了各种夸克、胶子和其他种种我们知道或不知道的东西，接着形成质子、中子、原子、分子、星云、气团。大堆的氢原子们被挤得厉害，就开始玩核爆，这就是我们平时看到的恒星，其他没有爆炸的东西则形成行星、慧星，各自在时空扭曲的场里相互打转，最后变成现在的宇宙。


这么大的宇宙居然由一个小小的球爆炸出来，这个说法实在有点骇人听闻，而宇宙有边界的想法也让人觉得莫名其妙：膨胀的宇宙有边界，那中心在哪里？边界外面又是什么？


相信爱因斯坦已经被问了无数遍这个问题。这个心眼实在的老大爷说的话却很玄妙，他的意见是：宇宙到处都是中心，边界的外面还是边界。


这是一个不大好想象的事情。从时空理论上讲，宇宙就象一个吹胀的气球，所有星星都是球面上的点，所以气球在膨胀，星星们相互远离，但哪个点都不是中心，也都看不到边界。从二维空间上看，吹胀的气球表面没有中心、没有边界，绕着球面走一圈肯定回到原点；而从爱老大爷眼睛里看，这个世界是四维的，时间和空间分不开，所以宇宙随着时间膨胀，却不会有中心和边界，这叫四维空间。假如你以一百五十亿倍光速从地球出发，不考虑超光速引发的效应、不撞上倒霉的黑洞，上帝也没开七十迈宝马车找你，走上一年后只会发现自个又回到了地球。


不是所有人都接受爱因斯坦的说法。从前中国就非常排斥他，认为这是资产阶级愚弄人民大众的手段，但问题是所有观察和实验都证明这种说法靠谱，最后大家只好把大爆炸理论和宇宙膨胀写进书里，再接着研究下一个问题：宇宙胀完了会干吗？


这是一件更不好说的事情。有人觉得宇宙会象稀饭兑水那样越来越稀，有人觉得胀到一定时候就该停下来，还有人提出更可怕的设想：胀完了，会缩回来。


最可怕的设想就是最后面那个。宇宙要是象弹簧一样能胀，那就应该也能缩，搞不好再过几百亿年这些东西又统统被压到一起，挤成一个大黑洞，然后再挤、挤、挤，挤成一个超小型乒乓球，接着轰地一声爆炸，于是重复上一次的活动。问题是这样闹腾，大伙还活不活了？！


宇宙胀得越来越稀已经没问题了。但太空到底有没有东西、这些东西将来是挤还是散，大家还在研究，这是因为按照引力场（或者叫时空转换场）的理论，算出来的星系运动同观察到的还不大一样，整个太空好象有一个极大的质量场在拖着星系们，至少有一半、甚至百分之九十的质量粒子匀散在里面。这些质量粒子既看不到，也不同电磁波发生任何反应，甚至拿铁筒都捞不到，大家唯一知道的是，这些东西确实存在，因为它们引发的时空扭曲场影响了星系运动。


这种东西叫暗物质。


这是一种摸不透的东西。它们不光躲在烧完的恒星中间，还四处飘散在太空里，但是同其他粒子很难发生反应，现有的手段探测不到，只能通过引力计算来推断，但有一点是肯定的，就是这些东西占的质量，要比能看到的所有东西加在一起还多，要没这些东西，星系早就散了。整个宇宙就象食堂和饭馆供应的免费汤那样，肉和菜都很少，但里面加了大量的淀粉，稠糊糊的份量显得挺多，只是人类拿漏勺捞来捞去，汤里的粉都漏掉了，只看到极少的菜叶和豆子，而科学家的任务，就是研究这锅汤里，到底老板渗了多少粉。


搞这种研究是件吃力不讨好的事情。大家的钱都不多，科研经费也很紧张，而研究动不动就要电子加速器、精密分析仪之类专业的玩艺，这些玩艺不仅是费钱，简直就是烧钱。可怜的科学家们工资比起来少得可怜，年轻的研究员们就业压力更是巨大，不少人到处找不到工作，有时还要兼职搞点补贴。但想要搞清宇宙的奥秘、顺利办签证移民到外星去，就非得解开这些谜团不可，而宇宙将来是胀还是缩、会不会再来一次大爆炸，也得看这些暗物质的运动走向。


几派科学家还在争得面红耳赤，谁也拿不出信服的理由说服谁，说来也是因为现在大家还比较落后，能拿得出手的实验和数据太少，连爱因斯坦都觉得脑瓜子不够用，等这位老大爷一过世，就更没人知道怎么回事了。只有一点是明白的，就是人类想要延续、想要向前发展，就非得搞清楚这些唧唧歪歪的原理不可。


地球实在是太小了。已经安排的这几十亿口人挤成一团，大家的要求也越来越高，而生活每发展一小步，都要科学发展一大步。开车找个路就得动用时空转换公式修正GPS，等不到地球上的资源用完，大家已经在上些往月球移民、去太空开发房地产的项目，指望韩国人是不行的，象牛顿那样转头去信上帝也没用，还得靠这些探索；而越是探索，搞的越明白，问题也就越多。我们看到的，其实都是假象，真正起作用的，是书本上莫名其妙的公式。


这个世界，其实很不靠谱。

异世界

我了个擦，天文地理无所不知的禽兽堂

yurf

oldzheng

禽禽来科普了 学习了学习了

charlie_727

额，好长。。。

FaLcoN

额………

曾经的9号

frey_mvp

这么长的文章啊

donnell

我还是选择信“上帝”吧

Zeus

饿~~~~~~~~~

见性成佛

我，灌水，走人

Fio战神

很喜欢这篇帖子，虽然没看完。。喜欢爱因斯坦，喜欢量子力学，虽然不懂，喜欢那句话，一切都是幻觉。。。