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《极简宇宙史》第二部分 理解外部空间 第2章讨厌的石头

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我们恒星的表面重力(那个往下拉住你并让你留在星球表面的力)大约比我们地球上强二十八倍,但太阳还不是你在本书第一部分周游外部空间时遇到的引力最强的天体。黑洞,就是一个强大得多的引力提供者。但是,太阳至少比地球强一个数量级,而且与黑洞相比,观察和试验起来也容易得多。那么,牛顿的公式在我们恒星周围与在我们行星周围一样好用吗?我们应该如何检验?

你已经知道,太阳系里有八大行星,从远到近,它们是海王星、天王星、土星、木星、火星、地球、金星和水星。或许我们可以仔细看看它们如何在空间里运行,检查太阳是不是以牛顿公式所描述的那样把它们拖向自己。感谢那些放弃了自己家庭生活与夜生活而坚持观察星星的天文学家们,即便在牛顿时代,人类也已经有了对某些这样的轨道的精确描述。答案几乎过于完美:如果考虑到行星们互相之间的引力作用,所有上述行星都严格按照牛顿的公式运行。真是个好消息……这个公式真的是万有的,宇宙普遍适用。牛顿的妈妈一定对此感到自豪。

但是,等等。那些眼神好的读者无疑已经注意到上面的单子里少了一颗行星。我们只提了太阳系里八大行星中的七个。我们漏掉一个。那个离太阳最近的,受到太阳引力作用最强的那个:水星。

在水星这里,出了一点点问题。一点点不符。不大。差别实在很小,肯定,这没什么大不了。实际上,这点误差很重要。牛顿的工作完成后又过了几百年,这一点点误差改变了人类对于空间以及时间和与之相关的一切事物的认知。

水星看起来很普通,只比我们的月亮大了一点点,是太阳系八大行星中最小的一个。它是岩石质地,表面满是陨石坑,相当长的时间内都不会消失。水星没有大气层,因此也就没有气候变化来抹平它不规则的形状和伤痕。总之,水星不会是一个可能被选作度假目的地的行星。它自转一周需要五十九个地球日,也就是说水星上的一个夜晚相当于地球上的一个月,紧接着是同样漫长的白昼。水星上的白昼与黑夜都同地狱一般残酷,白天的温度可以高达430°C,到了晚上,又低到-180°C。牛顿不知道这些细节,他也不可能猜到水星世界如此糟糕。但今天,我们知道了这些事实,我们还知道了按照牛顿公式计算出来的所有围绕太阳公转的行星轨道看上去都像一个略微压扁的圆形。我刚才已经说过,对于所有其他行星,牛顿的计算在当时(也包括现在)都与观察结果完美吻合。如果那些行星转动时可以在身后留下印迹,所有的行星都会在天空里画出一个鸡蛋的外形,一个被压扁的圆环,一条年复一年不断重复的轨迹,就如牛顿所预言的。但水星例外。水星那个鸡蛋状的轨道自己会旋转,因此水星每次画出的轨迹并不与上次重合。这几乎都是其他行星造成的——每次靠近时它们都将这微小的水星拉向自己——牛顿就已经考虑到这种影响。然而,“几乎都是”不是“全是”。虽然误差很微小,但确实存在。想象一下手表上一秒钟的角度差距(我指的是老式的,有一根长针、一根短针的那种手表),然后再把那个角度除以五百。现在你得到的就是水星实际轨道与牛顿计算在一个世纪后产生的角度误差。

科学家们不用等个几十万年就发现了这么微小的误差本身就令人难以置信,但事实如此。更糟糕的是,我们知道牛顿的公式无法预言这种误差,更不要说解释这种误差了,因为这种误差来自牛顿不可能想象得到的引力的某种特质。

牛顿的公式给物体如何互相吸引定了量,但它没有解释引力到底是什么东西。可怜的牛顿(以及许多别的科学家们)花了自己生命中相当多的一块时间试图理解引力来自何处。物体之间互相吸引是来自物质本身的某种特性吗?那么是不是宇宙中所有的物体都互相联系?如果是的话,这种联系是通过什么建立的?我们从来没有在我们的脚与地面,或者月亮与地球之间检测到可见或不可见的弹力绳。那么是磁力联系吗?但我们脚底没有磁铁,而且我们的身体是电中性的,所以引力肯定不会是电磁力。那么,引力是什么?为什么那个固执的水星,最小的行星,一定要与众不同?

牛顿终于迎来了自己生命的最后一刻,去世了。那一年是一七二七年,他依然没有找到解释。一百八十八年过去了,有个人突然提出一个很奇怪的新想法。

  1. 天王星与海王星是后来才被发现的,而且实际上还是牛顿的公式帮助了它们被发现。​​​​​

  2. 包括天王星与海王星。​​​​​