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作者：(英)蒂姆·詹姆斯

 

内容简介：

 

地球到太阳的距离是1.5亿公里（9300万英里）。假设你决定乘坐世界上最快的载人飞机SR-71黑鸟式侦察机从地球飞往太阳，它的速度可以达到约每秒1公里（0.6英里），以这个速度从伦敦到旧金山只需要2.5个小时。

 

现在想象一下，你在11岁生日那天乘坐SR-71黑鸟式侦察机向太阳出发。你匀速行驶，一秒也不减速，在抵达目的地的时候，你已经中学毕业了。而这仅仅是单程。

 

地球绕太阳转的速度是SR-71黑鸟式侦察机的30倍。所以，如果想要有直观的感受，你可以回忆一下昨天的此刻你在做什么。不管你在做什么，你当时的位置和现在的位置相差250万公里（160万英里）。你正在以比子弹快50倍的速度飞行，每秒钟的路程相当于攀登三次珠穆朗玛峰。但即便地球的速度如此惊人，环绕太阳一圈也要花整整一年时间。

 

太阳可不是简单的火球，它能容纳100万个地球，这就像是在孕妇用的健身球里装满米粒，每一粒米都代表一个地球。太阳的质量如此大，能够吸引一定距离内的行星，最远可以到45亿公里（28亿英里）外的海王星。SR-71黑鸟式侦察机走完这段距离需要142年。

 

继续往外，我们就到了太阳系最大、最边缘的结构：奥尔特云（Oort cloud）。这是一个环绕太阳的、由冰和岩石组成的泡泡，半径为15万亿公里（9.3万亿英里）。从地球到奥尔特云，一束光需要经历一年半时间，SR-71黑鸟式侦察机则需要耗费47.5万年——比人类存在的时间还久。

 

本书中展示了宇宙中我们已知和未知的一切，专注于宇宙中那些令人难以置信的谜团，并为我们提供了“地球外面有人吗”这个话题下近期新的研究成果。

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随便找一个人，问他对高速公路上飞驰而过的汽车的印象，他肯定会发出这样的声音：Niiiiieeee aaaaaooooowwwww。不要假装你没有听过。

声波是振动物体产生的空气压缩和膨胀。松散的压缩产生较长的波长，被我们的大脑处理成低音；致密的压缩产生较短的波长，相应地会被处理成高音。如果振动物体在运动，事情就变得有趣了。

想象有一辆汽车正在朝你驶来，空气中的振动会被挤压在一起，因为汽车正在驶入自己的声波。随后，你的耳膜每秒接收到大量的压缩，你听到了一个高音。

然而，如果汽车正在远离你，脉冲就会被拉长，因为汽车正在远离自己的声波，你的耳朵会把它解释成低音。当救护车和消防车高速驶过你身边的时候，有时你会注意到这种现象。它们的鸣笛声似乎变得“低沉”。

这种现象叫“多普勒频移”，可以在任何一种波上观察到。光表现得像一种波，把能量从一个点传递到另一个点，所以当物体靠近你或远离你的时候，它不仅听起来不同，看起来也不同。

如果我向你扔一个发光的电灯泡，光波到达你的眼睛时会稍微被挤压，从而产生一束“高音”光，你的眼睛感受到的是蓝光或紫光。你把电灯泡丢回来，现在到达你眼睛的光波会被拉伸，创造一束“低音”光，也就是红光。

但是，不同于声音明显的音调变化，光的多普勒频移十分微妙，你的眼睛不够灵敏，因而无法察觉。相邻光脉冲之间的距离约为百万分之一米，这意味着要注意到这种效应，除非物体的移动速度非常快，达到星际速度。

红灯区

1912年，维斯托·斯里弗（发现冥王星项目的领导者）正在分析来自遥远星系的光，以确定它们的组成。他注意到，其他星系发出的光信号与氢元素相同，但光谱向红色端频移。氢是银河系中最丰富的元素，所以在其他地方看到它是很合理的。但为什么光会偏向红色呢？

长期以来，没有人知道这个观察结果意味着什么。但1927年，比利时神父、物理学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）提出了一个大胆的想法：如果光的红移是因为其他星系在远离我们呢？如果宇宙正在膨胀，遥远星系的光波在随着膨胀而拉伸呢？

爱因斯坦读了勒梅特的论文，对其中的数学方法印象深刻，但觉得宇宙膨胀的想法太荒谬了。在一些物理学的神话中，爱因斯坦写信给他说：“你的数学很好，但物理很糟糕。”

同一年稍晚些时候，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）公布了一个更令人费解的发现：星系越遥远，红移越明显。这句话非常耐人寻味，所以让我们来仔细分析它是如何产生的。

想象我们看到了一个特定的星系，姑且称之为“阿诺德”（Arnold）。我们测量到它远离我们的速度是100米每秒（m/s）。现在假设发现了一个比阿诺德更遥远的星系，我们称之为“比琳达”（Belinda），同样以100m/s的速度远离。阿诺德和比琳达以相同的速度远离我们，就像是双人自行车的两个轮子，所以它们发出的光应该具有相同的红移量。

但是，现在假设你就生活在阿诺德星系，并把望远镜对准比琳达星系。在你看来，比琳达星系是静止的，因为你们正在以相同的速度移动。但如果你把望远镜对准银河系，会发现银河系正在以100m/s的速度远离。从逻辑上你会得出这样的结论：你所在的阿诺德星系与比琳达星系是宇宙中的两个中心星系，其他万物都在远离。但你得不出这样的结论。

哈勃发现，更遥远的比琳达星系远离我们的速度比阿诺德星系更快，假设是200m/s。因此，阿诺德星系的观察者会发现比琳达星系正在以100m/s的速度远离，而银河系同样以100m/s的速度朝相反的方向远离。换句话说，如果一切都在相互退行，那么越遥远的物体退行速度就越快。

红移现象也有一些例外，比如仙女座星系有稍微的蓝移（这意味着它处在可能与银河系碰撞的轨道上，大约40亿年后到达），但整体上来说，这个画面是清晰的。从我们的角度来看，越遥远的星系移动速度越快，这意味着所有的星系都在相互远离。

要看到这样的结果，除非宇宙在膨胀。爱因斯坦一听说哈勃的发现，就立刻承认自己错了，并开始宣传勒梅特的膨胀理论。得到爱因斯坦这样的人的认可永远不是坏事。

活着的传奇

关于阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein），传说与事实一样多。我认为其中一个原因是，所有人都知道他是天才，但很少有人能说清楚他究竟做了什么，所以人们编造了一些传说来填补空白。其实，他做了很多事情。

爱因斯坦对科学有许多贡献，包括原子存在的最早证据、量子论的原始版本（他因此获得了1921年的诺贝尔奖⁽¹⁾）、发现质量和能量可以相互转换（E=mc²），以及发现在空间中移动越快，在时间中移动就越慢——这是狭义相对论的一部分。

爱因斯坦还发明了一种没有活动部件的冰箱。更令人兴奋的是，他发明了一种有收腰皮带的男士衬衫！^【1】遗憾的是，他没有因此获得诺贝尔奖，这证明这个残酷的世界没有正义。

然而，爱因斯坦最伟大的创造是发表于1915年的广义相对论，这项创造使他获得了最多的景仰。有很多介绍广义相对论的书，解释爱因斯坦的推导过程，以及广义相对论的内容和意义。在本章中，我们只把它看成最基础的知识点。这既是因为我们不需要该理论的所有数学细节，也是因为我自己几乎不懂这些方程。

首先需要了解的是，我们的宇宙有多少个维度。我们可以用三个维度来描述一个物体的形状和尺寸——长、宽、高。但是，请你想象这样一个物体：存在于上述三个维度，但不存在于任何时间维度。如果你在任意一个时间都不存在，那么你就根本不存在。因此，时间必须被看成是一个独立的维度。

物理学家说，我们的宇宙有（3+1）维。我们不直接说4维，是因为这样表述可以说明时间维度与其他三个维度略有不同——尽管它们密切联系，而且空间维度中的移动方式会影响时间维度中的移动方式。

20世纪10年代，物理学家开始意识到四个维度之间的这种联系，并把它们看成单一背景结构的两个层面，这种结构就叫作“时空”（这个术语来自爱因斯坦的一个偶像，赫尔曼·闵可夫斯基⁽²⁾）。

广义相对论的核心命题是，时空物质会因质量和能量的存在而变形。很奇怪的是，爱因斯坦称之为“软体动物”，因为他把时空想象成一种果冻状物质，会因其他物体的作用而扭曲、摆动。^【2】在宇宙中，真空的背景时空是平滑和平静的；但在大质量旁边，时空会被弯曲和卷曲。

通常使用的类比是，想象一张铺在房间里的、拉紧的橡胶薄片，中间放着一个很重的球。因为球有质量，橡胶薄片会变形，任何试图沿直线从一端运动到另一端的物体，都会倾向于在橡胶上做曲线运动，并且不自觉地向中心的球偏移。

下面是两幅有用的助记图，比在三维中画曲率更容易想象，但我主要是想画这么两幅图。时空曲率看起来是这样的：