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作者简介

科林·斯图尔特(Colin Stuart)

曾荣获欧洲天文学新闻奖二等奖,英国皇家天文学会成员,科学及天文学作家,曾出版《科学大问题》《为什么宇宙那么重要》等作品。《13次时空穿梭之旅》于2016年出版,本书一经出版便登上各大畅销书排行榜且位居前列,成为英国几乎人手一册的科普畅销书,使科林·斯图尔特一跃成为欧洲备受关注的科普作家。

内容简介

时空穿梭是否有可能实现?

宇宙是否真如剥开的洋葱,存在永无尽头的平行空间?

宇宙中能看到两次日落的地方在哪里?

最美丽的科学发现是什么?

如何在太空中生存?

本书囊括了世界范围内久负盛名的科学家们对宇宙时空的探索和前沿科学发现,由英国首名抵达国际空间站的宇航员蒂姆•皮克作序,从英国皇家科学院拥有近200年历史的圣诞科学讲座中精心挑选出了13场与宇宙时空有关的讲座,以优美的语言和深入浅出的方式,讲述关于这个神秘未知领域的一切,满足读者的想象力。

书籍摘录

不可思议的时空探索之旅 罗伯特·斯塔威尔·鲍尔爵士 1881

对一艘大西洋轮船来说,船上的一点微光完全不足以给出其性能与容量的信息,同样,闪烁的星星也完全不足以展现无垠宇宙最绚烂的概念以及其中的各种关联。

1. 日冕是什么?

2. 地球与太阳距离多远?

3.“最美丽的科学发现”是什么?

4. 可以看到两次日落的地方在宇宙的什么地方?

在这个令人陶醉的系列讲座中,我们将会享受一场盛宴,看看我们位于太阳系中的这片地方,欣赏这幅如今仍在绘制中的画作。近来发现的一些行星,以及围绕这些行星的卫星,将会给生命灌注很多热忱与激情。

我们随后将离开太阳系,去看看更遥远的恒星,尝试标记出它们究竟离地球有多远,弄清楚它们是否也有自己的行星。鲍尔有着利用成熟而诗意般的类比将复杂事物简单化的能力,而这个能力正在散发着它的光辉。

我们对太阳系的探索,开始于位居太阳系中间的这颗恒星。我们知道,太阳很热,可它究竟有多热?鲍尔让我们想象一下,“很多男孩都曾做过的一个取火镜实验”——利用放大镜给一些东西点火的古老把戏。他告诉我们,科学家也在利用类似的棱镜做着实验,只不过镜子足有一码(0.91米)那么宽。“钢材也会被太阳光束烤化……所以太阳的温度肯定比熔融的钢的温度还要高;实际上,比我们在地球上可以制造出的任何温度还要高。”他讲道。(如今我们知道太阳表面的实际温度在5500℃左右。)

随着鲍尔将一只足球放到讲堂的桌子上代表太阳,他的关注点便转到了比例上。对比之下,地球将会是多小?“一粒小口径子弹的尺寸正好合适。”他给出了答案。我们今天知道,大概100万个地球才可以填满一个太阳。他身后的大屏幕此时贴出几张太阳的照片,展现的是一些黑色斑点——太阳黑子。

我们同时欣赏到了壮观的日食照片,这是因月亮挡住太阳而形成的现象;我们还得以一瞥令人眩晕的太阳大气——日冕,也只有当月亮用这种方式遮住太阳刺眼的光芒,我们才能肉眼看到日冕;我们还看到了日珥,也就是从太阳边缘爆发出的火焰般的构造。“其中一部分日珥以每小时20万英里(32.2万千米/小时)的速度喷出,也就是说,超过最快的步枪子弹200倍。”鲍尔解释道。

遮挡阳光的精巧障碍——月亮是鲍尔第二场演讲中关注的核心。不过它与太阳之间存在根本的区别——它本身并不能发出一丝光线,全靠反射太阳光。随着它围绕地球的位置发生变化,我们会发现它反射的阳光总量也在改变,这就形成了不同的月相。鲍尔在一只亮着的电灯旁放了一颗小球,然后询问坐在讲堂不同方位的听众可以看到什么样的球体。这恰如其分地证明了上述事实。随后,他又让我们想象一下在月球上居住并回望地球的样子。我们这颗行星同样会有阴晴圆缺,只不过光泽更鲜亮些。

“如果有13颗月球……一起照耀的话,想象一下这光芒会怎样。这样的夜晚将会多么美妙!你都可以很轻松地读书了!”这是因为地球比月亮大得多,他对这个事实的描述让人想起遍燃蜡烛过节的情景。

“一个很美味的葡萄干小圆布丁,直径三英寸(7.6厘米)……一个身体结实的男孩可以将它全部吃下。”另一个被用来代表地球的布丁直径有一英尺(30.5厘米),也就是四倍于前者。不过,“如果一个小男生可以吃掉刚才那个小布丁,那么需要多少孩子才能干掉这个大的呢?”,鲍尔问道。答案不是4个,而是64个(或者说4×4×4个)。

因为没能成功预测在此之后不到一个世纪就实现了的阿波罗登月,鲍尔告诉我们:“没有探险家可以到达我们的卫星。”(然而,科幻小说中关于人类登月的桥段在1881年之前很久就出现了,而技术又一直在革新,所以他排除了未来所有时期登月的可能性,这还是挺奇怪的。)尽管如此,他说望远镜可以替我们完成这段旅程。

这样做,我们能更近距离地看到我们“邻居”表面显眼的黑斑。他称它们是“曾经盛有大海的空盆地”。(我们现在知道它们并非“大海”,而是熔岩。)鲍尔解释说那些海洋布满了坑洞。他展示了它们的基本模型,并断定它们一定是由火山形成的。(实际上,我们现在知道它们是太空残骸撞击到月球表面形成的。)鲍尔还相信,并不存在所谓的月球居民,因为缺少空气和水,但他没有排除其他星球存在生命的可能。“想象一下,在所有的这些星球中,只有我们这一颗是独一无二适合生命的寓所,这似乎是挺可笑的。”

现在,我们转到最内层的行星——水星。

我们所知道的水星,就是一颗个头很小、相对较重的行星,距离太阳最近。不过我们怎么才能在这么远的地方对它进行称重呢?根据鲍尔的描述,在这项努力之中,一颗名为“恩克”(Encke)的彗星充当了我们的助手。当彗星靠近水星时,它的轨道会被行星的引力改变。由于水星是质量最小的行星,所以它所具有的引力也最微弱。根据恩克轨道的轻微偏离,可以计算出水星大概只有地球质量的4%(接近现代最新计算的数值5.5%)。不过,“水星这颗星球到底什么样,对此我们几乎什么都不知道。它表面具有什么性质,我们知之甚少,甚至可以说一无所知。”鲍尔说道。[我们其实也是直到1974年NASA(美国国家航空航天局)“水手10号”飞行器抵达其表面之后才开始知道。]

通过观察下一颗行星——金星,天文学家可以获得一把丈量天空的尺子。就像月亮有时会从太阳前方经过一样,金星也会如此,只不过非常罕见。“金星凌日”现象会间隔八年出现两次,但这两次之后,下一轮两次再出现就要等上100多年了。1874年,发生了一次金星凌日,1882年是第二次。“(然后)一直到2004年才会再出现这样的天文现象。”鲍尔讲述道。(他说得对,而且我们在2012年看到了另一次。再下一次直到2117年才会发生。)如此罕见,也就意味着金星凌日在19世纪可谓是大事件。

“我不敢想象还有其他什么值得庆祝的事情,会比这些事吸引更多人的兴趣。”它提供了“一种有价值的方法,用以研究地球与太阳的距离”。在地球的不同位置观察,你可以发现金星凌日现象起讫于略微不同的时间。与金星之间的绝对距离(比如以英里为单位)就可以利用这一差异进行计算。金星、地球与太阳之间以百分比为单位的相对距离早已被知晓,地球与太阳之间的绝对距离就是以此精确计算的,从而确定大约是9300万英里(1.5亿千米)。

时间之箭  尼尔·约翰逊  1999

1. 时间旅行是否有可能?

2. 光波的运动有多快?

3. 光阴流逝的差别是如何产生的?

4. 原子跃迁的过程是怎样的?

约翰逊的讲座探讨了一些最精深的问题,也许可以涉及我们对世界的体会。我们是这样长大的:我们理解时间的基本机制,一台时钟的所谓稳定的特性,就是当时间过去一秒,它也会走过一秒。然而物理学中的发现,尤其是过去的20世纪及其前后的发现,让一切都发生了彻底的改变。我们将会看看,改变你感受到的时间的速度是否有可能实现,并正面解决一个或许可以被称作最大难题的难题:时间旅行是否有可能?

约翰逊这样开始了他的第一场讲座:“1999年是非常特殊的一年……因为它不仅是千年之交,同时是皇家科学院成立200年之年。所以,还有什么主题比讨论时间更合适呢……在本系列讲座中,我们将会发现,对于‘时间究竟是什么’这个问题,这200年的科学发展彻底改变了我们的认识……我们将会看到,我们如何通过观察光波,得到了有关时间本身的一些变革性发现。”

我们可以将光想象成一种波,具有上上下下振动的重复性图案,就像我们在海滩上可以看到的那种波浪。然而,光波的传播究竟有多快?约翰逊邀请听众席中一个名叫海伦(Helen)的女孩帮助他做一个验证,道具包括一台微波炉以及一些棉花糖。微波炉发射的微波是一种形式的光,类似无线电波还有我们肉眼能看到的可见光。约翰逊向微波炉中放了一盘棉花糖,而炉中的转盘早已被移除。微波炉的烹饪方式并不均匀,发射出的微波会在一些位点上下移动,这些地方就会蕴含更多能量,但其他部分就不会有这么多,这就在炉内造成了一些“热点”。

当棉花糖被取出后,很容易看出,有一些已经被熔化而其他的一些还没有。“真的可以看到一幅图案。”约翰逊说道。相邻两条熔融棉花糖带之间的距离,就等于微波波长的一半。借助一把尺子,海伦计算了糖带之间的距离约为0.12米。将这一结果与微波振动的频率相乘就可以得到速度。幸运的是,微波炉的背后就写有频率数值2450兆赫(每秒24.5亿次振动)。海伦在计算器上将上述两个数字相乘之后,得到每秒2.94亿米的结果。约翰逊展示了一张卡片,上面写的是公认的光速数值,即每秒3亿米。

“事实证明,海伦不仅计算出了光速,她还算出了宇宙中移动速度最快的事物。”约翰逊说,“这个发现的故事实际上是科学中最伟大的革命之一……并且它告诉我们一些事,这些事彻底让时间发生了变革。”这便是阿尔伯特•爱因斯坦的工作。“光速的问题让他很发愁。”约翰逊讲道。爱因斯坦得出结论,认为光速对所有观测者来说都是一样的,“不管你坐在这儿,还是正乘坐大巴回家,又或是你坐在‘进取号’星舰(译注:著名科幻电影《星际迷航》中一艘星舰的名称)上。在他提出这一想法之后,已经被操作过的每一个实验似乎都证实,光速对所有观测者来说都是一样的”。

爱因斯坦有关光速的一些观点,对我们理解时间来说有着意义深远的暗示作用,而我们之所以能看到这一点,还需要感谢另一位志愿者鲁比(Ruby)参与了实证。她盘腿坐在一辆木制的小车上,手中握有一只球,而球的内部有盏灯,代表光线的一个脉冲。她先是上上下下地扔着球,不过随后约翰逊便拉着车在地面上移动,而摄像机镜头一直跟随着球中发出的光。我们看到球正在沿着锯齿形的波状轨迹运动。“某种奇怪的事情发生了——我们看到了与鲁比眼中不同的现象。

鲁比坐在推车中,(对她来说)球在不变的距离上运动……上上下下,不管她是固定不动,还是我拉着她运动,都是如此。然而,对我们来说……球不仅会上下运动,也在跟着向前走——它运动的距离更远。”还记得这颗球是代表光的脉动吧?而我们刚刚同意光速对所有观察者来说都是固定的,而速度等于距离除以时间。“那么如果速度保持不变而距离却不同了……那么时间对鲁比和和我们来说就势必不等同了。”约翰逊说道,“现在这问题开始让人大开眼界了。”

“想象一下鲁比还有一个双胞胎姐妹。鲁比乘坐一艘太空飞船离开了很多年,(然后)又回来了。鲁比在太空飞船上计算的时间,与她的孪生姐妹在地球上计算的时间可不同。”对鲁比来说,消逝的时间更短,因此当她回到家时,会发现她现在比她的孪生姐妹要年轻,尽管她们出生在同一天。“光阴流逝的不同,取决于你是如何运动的。”约翰逊说,“这太奇幻了,所以我觉得我们应该仔细验证,看看是不是真的如此。”

英国国家物理实验室的约翰•莱弗蒂(John Laverty)带着他的“同卵双胞胎”来到了现场,那是一对高度精确的原子钟。莱弗蒂在我们面前将它们进行同步,这样就会显示同样的时间,只有四十亿之一秒的误差。“约翰,如果我们带上其中一台钟来一次旅行再带着它回来,那么到最后一场讲座时,我们是否能够证明爱因斯坦的理论?”约翰逊问道。“没错。”莱弗蒂说道。“那么,这里有几张飞往上海的机票,带上你的钟,让我们看看爱因斯坦说的对不对。”最终,莱弗蒂的助手给原子钟安排了属于它自己的座位,搭乘了航班。

36氪领读 | 当你对着穿越文想象时,他们已完成13次时空穿梭

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