36氪領讀 | 當你對着穿越文想象時,他們已完成13次時空穿梭

36氪專門為讀書設立了【36氪領讀】欄目,篩選一些值得讀的書,並提供一些書摘。希望你手邊有一本稱心的書,讓讀書這場運動繼續下去。

作者簡介

科林·斯圖爾特(Colin Stuart)

曾榮獲歐洲天文學新聞獎二等獎,英國皇家天文學會成員,科學及天文學作家,曾出版《科學大問題》《為什麼宇宙那麼重要》等作品。《13次時空穿梭之旅》於2016年出版,本書一經出版便登上各大暢銷書排行榜且位居前列,成為英國幾乎人手一冊的科普暢銷書,使科林·斯圖爾特一躍成為歐洲備受關注的科普作家。

內容簡介

時空穿梭是否有可能實現?

宇宙是否真如剝開的洋蔥,存在永無盡頭的平行空間?

宇宙中能看到兩次日落的地方在哪裡?

最美麗的科學發現是什麼?

如何在太空中生存?

本書囊括了世界範圍內久負盛名的科學家們對宇宙時空的探索和前沿科學發現,由英國首名抵達國際空間站的宇航員蒂姆•皮克作序,從英國皇家科學院擁有近200年歷史的聖誕科學講座中精心挑選出了13場與宇宙時空有關的講座,以優美的語言和深入淺出的方式,講述關於這個神秘未知領域的一切,滿足讀者的想象力。

書籍摘錄


不可思議的時空探索之旅 羅伯特·斯塔威爾·鮑爾爵士 1881

對一艘大西洋輪船來說,船上的一點微光完全不足以給出其性能與容量的信息,同樣,閃爍的星星也完全不足以展現無垠宇宙最絢爛的概念以及其中的各種關聯。

1. 日冕是什麼?

2. 地球與太陽距離多遠?

3.「最美麗的科學發現」是什麼?

4. 可以看到兩次日落的地方在宇宙的什麼地方?

在這個令人陶醉的系列講座中,我們將會享受一場盛宴,看看我們位於太陽系中的這片地方,欣賞這幅如今仍在繪製中的畫作。近來發現的一些行星,以及圍繞這些行星的衛星,將會給生命灌注很多熱忱與激情。

我們隨後將離開太陽系,去看看更遙遠的恆星,嘗試標記出它們究竟離地球有多遠,弄清楚它們是否也有自己的行星。鮑爾有着利用成熟而詩意般的類比將複雜事物簡單化的能力,而這個能力正在散發著它的光輝。

我們對太陽系的探索,開始於位居太陽系中間的這顆恆星。我們知道,太陽很熱,可它究竟有多熱?鮑爾讓我們想象一下,「很多男孩都曾做過的一個取火鏡實驗」——利用放大鏡給一些東西點火的古老把戲。他告訴我們,科學家也在利用類似的稜鏡做着實驗,只不過鏡子足有一碼(0.91米)那麼寬。「鋼材也會被太陽光束烤化……所以太陽的溫度肯定比熔融的鋼的溫度還要高;實際上,比我們在地球上可以製造出的任何溫度還要高。」他講道。(如今我們知道太陽表面的實際溫度在5500℃左右。)

隨着鮑爾將一隻足球放到講堂的桌子上代表太陽,他的關注點便轉到了比例上。對比之下,地球將會是多小?「一粒小口徑子彈的尺寸正好合適。」他給出了答案。我們今天知道,大概100萬個地球才可以填滿一個太陽。他身後的大屏幕此時貼出幾張太陽的照片,展現的是一些黑色斑點——太陽黑子。

我們同時欣賞到了壯觀的日食照片,這是因月亮擋住太陽而形成的現象;我們還得以一瞥令人眩暈的太陽大氣——日冕,也只有當月亮用這種方式遮住太陽刺眼的光芒,我們才能肉眼看到日冕;我們還看到了日珥,也就是從太陽邊緣爆發出的火焰般的構造。「其中一部分日珥以每小時20萬英里(32.2萬千米/小時)的速度噴出,也就是說,超過最快的步槍子彈200倍。」鮑爾解釋道。

遮擋陽光的精巧障礙——月亮是鮑爾第二場演講中關注的核心。不過它與太陽之間存在根本的區別——它本身並不能發出一絲光線,全靠反射太陽光。隨着它圍繞地球的位置發生變化,我們會發現它反射的陽光總量也在改變,這就形成了不同的月相。鮑爾在一隻亮着的電燈旁放了一顆小球,然後詢問坐在講堂不同方位的聽眾可以看到什麼樣的球體。這恰如其分地證明了上述事實。隨後,他又讓我們想象一下在月球上居住並回望地球的樣子。我們這顆行星同樣會有陰晴圓缺,只不過光澤更鮮亮些。

「如果有13顆月球……一起照耀的話,想象一下這光芒會怎樣。這樣的夜晚將會多麼美妙!你都可以很輕鬆地讀書了!」這是因為地球比月亮大得多,他對這個事實的描述讓人想起遍燃蠟燭過節的情景。

「一個很美味的葡萄乾小圓布丁,直徑三英寸(7.6厘米)……一個身體結實的男孩可以將它全部吃下。」另一個被用來代表地球的布丁直徑有一英尺(30.5厘米),也就是四倍於前者。不過,「如果一個小男生可以吃掉剛才那個小布丁,那麼需要多少孩子才能幹掉這個大的呢?」,鮑爾問道。答案不是4個,而是64個(或者說4×4×4個)。

因為沒能成功預測在此之後不到一個世紀就實現了的阿波羅登月,鮑爾告訴我們:「沒有探險家可以到達我們的衛星。」(然而,科幻小說中關於人類登月的橋段在1881年之前很久就出現了,而技術又一直在革新,所以他排除了未來所有時期登月的可能性,這還是挺奇怪的。)儘管如此,他說望遠鏡可以替我們完成這段旅程。

這樣做,我們能更近距離地看到我們「鄰居」表面顯眼的黑斑。他稱它們是「曾經盛有大海的空盆地」。(我們現在知道它們並非「大海」,而是熔岩。)鮑爾解釋說那些海洋布滿了坑洞。他展示了它們的基本模型,並斷定它們一定是由火山形成的。(實際上,我們現在知道它們是太空殘骸撞擊到月球表面形成的。)鮑爾還相信,並不存在所謂的月球居民,因為缺少空氣和水,但他沒有排除其他星球存在生命的可能。「想象一下,在所有的這些星球中,只有我們這一顆是獨一無二適合生命的寓所,這似乎是挺可笑的。」

現在,我們轉到最內層的行星——水星。

我們所知道的水星,就是一顆個頭很小、相對較重的行星,距離太陽最近。不過我們怎麼才能在這麼遠的地方對它進行稱重呢?根據鮑爾的描述,在這項努力之中,一顆名為「恩克」(Encke)的彗星充當了我們的助手。當彗星靠近水星時,它的軌道會被行星的引力改變。由於水星是質量最小的行星,所以它所具有的引力也最微弱。根據恩克軌道的輕微偏離,可以計算出水星大概只有地球質量的4%(接近現代最新計算的數值5.5%)。不過,「水星這顆星球到底什麼樣,對此我們幾乎什麼都不知道。它表面具有什麼性質,我們知之甚少,甚至可以說一無所知。」鮑爾說道。[我們其實也是直到1974年NASA(美國國家航空航天局)「水手10號」飛行器抵達其表面之後才開始知道。]

通過觀察下一顆行星——金星,天文學家可以獲得一把丈量天空的尺子。就像月亮有時會從太陽前方經過一樣,金星也會如此,只不過非常罕見。「金星凌日」現象會間隔八年出現兩次,但這兩次之後,下一輪兩次再出現就要等上100多年了。1874年,發生了一次金星凌日,1882年是第二次。「(然後)一直到2004年才會再出現這樣的天文現象。」鮑爾講述道。(他說得對,而且我們在2012年看到了另一次。再下一次直到2117年才會發生。)如此罕見,也就意味着金星凌日在19世紀可謂是大事件。

「我不敢想象還有其他什麼值得慶祝的事情,會比這些事吸引更多人的興趣。」它提供了「一種有價值的方法,用以研究地球與太陽的距離」。在地球的不同位置觀察,你可以發現金星凌日現象起訖於略微不同的時間。與金星之間的絕對距離(比如以英里為單位)就可以利用這一差異進行計算。金星、地球與太陽之間以百分比為單位的相對距離早已被知曉,地球與太陽之間的絕對距離就是以此精確計算的,從而確定大約是9300萬英里(1.5億千米)。

時間之箭  尼爾·約翰遜  1999

1. 時間旅行是否有可能?

2. 光波的運動有多快?

3. 光陰流逝的差別是如何產生的?

4. 原子躍遷的過程是怎樣的?

約翰遜的講座探討了一些最精深的問題,也許可以涉及我們對世界的體會。我們是這樣長大的:我們理解時間的基本機制,一台時鐘的所謂穩定的特性,就是當時間過去一秒,它也會走過一秒。然而物理學中的發現,尤其是過去的20世紀及其前後的發現,讓一切都發生了徹底的改變。我們將會看看,改變你感受到的時間的速度是否有可能實現,並正面解決一個或許可以被稱作最大難題的難題:時間旅行是否有可能?

約翰遜這樣開始了他的第一場講座:「1999年是非常特殊的一年……因為它不僅是千年之交,同時是皇家科學院成立200年之年。所以,還有什麼主題比討論時間更合適呢……在本系列講座中,我們將會發現,對於『時間究竟是什麼』這個問題,這200年的科學發展徹底改變了我們的認識……我們將會看到,我們如何通過觀察光波,得到了有關時間本身的一些變革性發現。」

我們可以將光想象成一種波,具有上上下下振動的重複性圖案,就像我們在海灘上可以看到的那種波浪。然而,光波的傳播究竟有多快?約翰遜邀請聽眾席中一個名叫海倫(Helen)的女孩幫助他做一個驗證,道具包括一台微波爐以及一些棉花糖。微波爐發射的微波是一種形式的光,類似無線電波還有我們肉眼能看到的可見光。約翰遜向微波爐中放了一盤棉花糖,而爐中的轉盤早已被移除。微波爐的烹飪方式並不均勻,發射出的微波會在一些位點上下移動,這些地方就會蘊含更多能量,但其他部分就不會有這麼多,這就在爐內造成了一些「熱點」。

當棉花糖被取出后,很容易看出,有一些已經被熔化而其他的一些還沒有。「真的可以看到一幅圖案。」約翰遜說道。相鄰兩條熔融棉花糖帶之間的距離,就等於微波波長的一半。藉助一把尺子,海倫計算了糖帶之間的距離約為0.12米。將這一結果與微波振動的頻率相乘就可以得到速度。幸運的是,微波爐的背後就寫有頻率數值2450兆赫(每秒24.5億次振動)。海倫在計算器上將上述兩個數字相乘之後,得到每秒2.94億米的結果。約翰遜展示了一張卡片,上面寫的是公認的光速數值,即每秒3億米。

「事實證明,海倫不僅計算出了光速,她還算出了宇宙中移動速度最快的事物。」約翰遜說,「這個發現的故事實際上是科學中最偉大的革命之一……並且它告訴我們一些事,這些事徹底讓時間發生了變革。」這便是阿爾伯特•愛因斯坦的工作。「光速的問題讓他很發愁。」約翰遜講道。愛因斯坦得出結論,認為光速對所有觀測者來說都是一樣的,「不管你坐在這兒,還是正乘坐大巴回家,又或是你坐在『進取號』星艦(譯註:著名科幻電影《星際迷航》中一艘星艦的名稱)上。在他提出這一想法之後,已經被操作過的每一個實驗似乎都證實,光速對所有觀測者來說都是一樣的」。

愛因斯坦有關光速的一些觀點,對我們理解時間來說有着意義深遠的暗示作用,而我們之所以能看到這一點,還需要感謝另一位志願者魯比(Ruby)參與了實證。她盤腿坐在一輛木製的小車上,手中握有一隻球,而球的內部有盞燈,代表光線的一個脈衝。她先是上上下下地扔着球,不過隨後約翰遜便拉着車在地面上移動,而攝像機鏡頭一直跟隨着球中發出的光。我們看到球正在沿着鋸齒形的波狀軌跡運動。「某種奇怪的事情發生了——我們看到了與魯比眼中不同的現象。

魯比坐在推車中,(對她來說)球在不變的距離上運動……上上下下,不管她是固定不動,還是我拉着她運動,都是如此。然而,對我們來說……球不僅會上下運動,也在跟着向前走——它運動的距離更遠。」還記得這顆球是代表光的脈動吧?而我們剛剛同意光速對所有觀察者來說都是固定的,而速度等於距離除以時間。「那麼如果速度保持不變而距離卻不同了……那麼時間對魯比和和我們來說就勢必不等同了。」約翰遜說道,「現在這問題開始讓人大開眼界了。」

「想象一下魯比還有一個雙胞胎姐妹。魯比乘坐一艘太空飛船離開了很多年,(然後)又回來了。魯比在太空飛船上計算的時間,與她的孿生姐妹在地球上計算的時間可不同。」對魯比來說,消逝的時間更短,因此當她回到家時,會發現她現在比她的孿生姐妹要年輕,儘管她們出生在同一天。「光陰流逝的不同,取決於你是如何運動的。」約翰遜說,「這太奇幻了,所以我覺得我們應該仔細驗證,看看是不是真的如此。」

英國國家物理實驗室的約翰•萊弗蒂(John Laverty)帶着他的「同卵雙胞胎」來到了現場,那是一對高度精確的原子鐘。萊弗蒂在我們面前將它們進行同步,這樣就會顯示同樣的時間,只有四十億之一秒的誤差。「約翰,如果我們帶上其中一台鐘來一次旅行再帶着它回來,那麼到最後一場講座時,我們是否能夠證明愛因斯坦的理論?」約翰遜問道。「沒錯。」萊弗蒂說道。「那麼,這裡有幾張飛往上海的機票,帶上你的鐘,讓我們看看愛因斯坦說的對不對。」最終,萊弗蒂的助手給原子鐘安排了屬於它自己的座位,搭乘了航班。



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