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宇宙-第39章

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  猎户星座(非黄道带)以4颗亮星为界,被3颗星组成的对角线分为两半,这一对角线表示猎人的腰带。根据通用的天文投影方法,悬挂在腰带下的2颗较暗的星组成猎人的剑。剑身中间的那颗星,实际上不是一颗星,而是巨大的气团,叫做猎户座星云,星云中不时地产生出新的恒星。猎户星座中的大多数星体炽热而年轻,而且大都演化迅速,最终在称为超新星的宇宙爆炸中了却残生。它们的生命周期大约为几千万年。假如用计算机进行模拟,把猎户星座未来的情形描述出来,我们就会惊奇地发现,这个星座中多数星体的诞生及其蔚为壮观的混灭,如同夜空中的萤火一般,闪烁明灭、飘忽不定。

  半人马座α星是距太阳最近的恒星系。它实际上是一个3连星,两颗星各自绕对方旋转,而第三颗星(半人马星座的比邻星)则始终以一定的距离环绕前两颗星运行。当第三颗星处于其轨道的某个位置时,它是离太阳最近的恒星,它的名字就是由此而来的。我们在天空中所见到的大多数恒星都是双重或多重的星系。太阳这个星系倒是一个有点奇怪的例外。

  在仙女星座中,第二颗最亮的β星距我们75光年。我们现在所看到的它的光亮,在黑暗的星际空间旅行了75年才到达地球。举一个不大可能的例子,如果仙女座β星上星期二因爆炸而消毁的话,也只有等75年之后我们才能得到这个消息。这是因为,爆炸产生的有趣信息以光速运行也要75年的时间,才能穿过茫茫的宇宙空间到达地球。我们现在所看到的这颗星的星光在它出发的时候,年轻的爱因斯坦还是瑞士专利局的工作人员,刚刚发表了划时代的伟大理论狭义相对论。

  空间和时间是互相关联的,我们不可能只是遥望太空而无须顾及时间。光的运行速度极快,但空间极其浩瀚,且星体遥遥相隔。在天文数字上,75光年左右的距离是微不足道的,仅举几个例子便可说明这一点。从太阳到银河系中心的距离为3万光年;从地球到位于仙女星座的、离我们最近的旋涡星系M31的距离为200万光年。我们现在所看到的M31的星光向地球出发时,地球上还没有出现进化成现代人的人类祖先;而从地球到最远的类星体需要80~100亿光年,我们现在所看到的是它们在地球凝聚之前、在银河系形成之前的形状。

  这种现象并非仅仅局限于天体,只不过由于天体相距非常遥远,有限的光速才显得如此重要而已。假如你的朋友站在房间里3米外的另一头,你用眼看她时,你所看到的并不是“现在”的她,而是 1/亿秒“以前”的她'(3米)/3 ×108米/秒=1/(108 /秒)=10…8秒,即1%微秒。在这类计算中,我们只要用距离除以速度就得到了时间'。你的朋友的“现在”与1/亿秒以前的差别微乎其微。谁也不会去注意这点变化。相反,如果我们观察一个80亿光年以外的类星体,我们所看到的是80亿年前的它,这一事实可能就非常重要了(例如,有人认为类星体可能是只发生在星系早期历史的爆炸事件中。如果真是这样,那么星系离我们越远,我们观测到它的历史就越早,它也就越可能是类星体。当我们遥望50亿光年以上的距离时,类星体的数目确实在增加)。

  两艘“旅行者”号宇宙飞船目前正以光速的万分之一的速度飞行,它们是地球上发射的最快的飞行器。但是,它们可能要用4万年的时间才能到达最近的恒星。那么,难道就没有希望飞离地球,穿过惊人的遥远的旅程到达半人马星座比邻星吗?此外,难道就无法达到光的速度了吗?光速的奥秘究竟何在呢?我们不能飞得比光速更快吗?

  例如你在19世纪90年代里去过意大利迷人的托斯堪乡下,你或许会在通往帕维亚城的大道上碰到一位留着长发的、中途退学的中学生。他的德国老师对他说过,他绝不会有任何成就,他提出的问题破坏了课堂纪律,他最好还是退学。于是,他离开了学校,漫步在乡间的大道上。在意大利北部的自由天地里,他反而能够思索那些与在纪律严明的普鲁士课堂中被强行灌输的、来不及消化的各种课程相差甚远的事情。这个青年学生名叫阿尔伯特·爱因斯坦,正是他的沉思默想改变了整个世界。

  伯恩斯坦的科普著作《自然科学通俗读物》使爱因斯坦爱不释手。书的第一页就描述了电流通过导线以及光通过空间的不可思议的速度。他不禁想到,假如能以光的速度运动,世界将会是什么模样呢?一个10多岁的孩子,走在乡间阳光绮丽的小道上,竟然会想到以光速旅行,这是多么迷人、多么不可思议的想法啊!假如以光的速度旅行,你是不会感到在运动的。如果开始时你从光的波峰上出发,那么在旅行的过程中你会觉得一直在这波峰上,完全不会意识到它是波动的。倘若以光速旅行,就会出现这种怪事。爱因斯坦对这类问题想得越多,就越是摸不着头脑。如果真能以光速旅行,好像到处都会出现矛盾。人们往往不加仔细地推敲,就把某些说法当成真实的。爱因斯坦提出的这些简单问题,早在几个世纪之前就应该想到。例如,我们说两件事情同时发生,究竟指的是什么意思呢?

  让我们设想一下我骑着一辆自行车向你奔去的情景。当我接近一个十字路口时差点撞上一辆马车,为了避免相撞,我赶紧转弯。让我们再把这一事件细细地体会一下,并设想一下马车和自行车都以接近光速的速度行驶的情景。如果你站在路上,马车行驶的方向与你的视线垂直。通过阳光的反射,你看见我向你骑来。难道我的速度不该叠加到光速上,我的影像不是要比马车先到达你的眼睛吗?难道你不是在看到马车之前就看到我转弯吗?从我的角度,而不是从你的角度看,马车和我会同时到达十字路口吗?我会不会几乎和马车相撞?在你看来,我是否无缘无故地转弯,并兴高采烈地朝芬奇城骑去呢?这些都是奇怪而又微妙的问题。它们向一切显而易见的常情提出了挑战。有理由相信,在爱因斯坦之前没有人想到过这类问题。正是从这些基本的问题出发,爱因斯坦才对整个世界进行了彻底的再认识,从而导致了物理学上的一场根本变革。

  要想认识世界,要想在高速运动时避兔上述逻辑上的矛盾,肯定存在某些我们必须遵循的自然规律。在爱因斯坦的狭义相对论中,他总结了这些法则。一个物体发出的光(不管是反射还是发射出来的),不论这个物体是处于运动状态还是处于静止状态,光的运动速度都是相同的。就是说,不能把物体的运动速度叠加到光速上。此外,任何物体的运动速度都小于光速,即不能以光速或大于光速的速度运动。在物理学上,没有任何事物阻碍你以尽可能接近光速的速度运动,即可达到光速的99。9%,但无论人们如何想方设法,都绝对不可能再获得最后的0。1%的速度。既然从逻辑上讲世界是协调一致的,那么就必定存在一个速度极限。否则就可以通过增加运动物体的速度来达到任何想要达到的速度了。

  本世纪初,欧洲人普遍相信存在不受一般法规制约的特殊参照系:德国、法国或英国的文化和政治结构比其他国家好;欧洲人比殖民地国家的人优越,他们受统治是他们的福气。阿里斯塔恰斯和哥白尼思想在社会和政治上的应用遭到反对和藐视。但是年轻的爱因斯坦在物理学上反对特殊的参照系,在政治上同样反对这种优越感。他认为,宇宙中充满了星体,这些星体在各个方向上匆忙地奔驰着,没有任何处于“静止”的地方。在对宇宙的观测上也不存在一处优于另一处的问题。这就是相对论一词的含义。相对论乍看起来很玄乎,其实很简单:就宇宙而言,没有什么地方比其他地方更优越。不论由谁来描述,自然规律都应是一致的。如果自然规律具有不变的一致性,那么认为我们这个小天地在宇宙中有什么特殊之处,就是令人费解的逻辑了。因此可以得出结论,人们不可能以超光速的速度运动。

  我们之所以能听到鞭子抽动的噼啪声,是因为鞭梢以大于声速的速度运动。从而产生一种冲击波,产生一个小小的声响。雷声的道理也与此类似。人们曾经认为飞机的速度不能大于声速,但如今超音速飞行却是极平常的事。但是,光障和声障不同,它不仅仅是一个技术上的问题(像超音速飞机所解决了的技术问题),而是如同万有引力一样)是一个基本的自然规律问题。在人类的历程中,还没有任何现象(包括鞭响和雷声)能在真空中以大于光速的速度运动。相反,人们的普遍经历(包括核子加速器和原子钟)都精确地、定量地符合狭义相对论。

  同时性的问题适用于光,但却不适用于声,因为声音是通过某种物质媒介,通常是空气传播的。当你的朋友在谈话时,到达你耳朵的声波是空气分子的运动,然而光却可以在真空中传播。空气分子要运动需要一定的条件,真空中不具备这样的条件。太阳光能够穿越宇宙空间照射到我们身上,但是无论我们如何仔细地倾听,也不可能听到太阳黑子的爆炸声,或者听到太阳闪光的轰鸣。在相对论学说创立之前,人们一度认为光的传播是通过一种特殊的、充满宇宙空间的介质以太。但是,著名的迈克尔逊…莫雷实验证明,根本不存在以太这种物质。

  我们有时会听说某种事物能运行得比光还快,特别常提到的是所谓的“思维速度”。这是一种格外愚蠢的说法,因为思维的脉冲通过脑神经细胞的速度并不比一辆驴车快多少。人类聪明到能够提出相对论,这只说明我们有高超的思维能力,但并不能因此吹嘘,说我们的思维速度有多么快。不过,计算机的电子脉冲速度倒确实与光速相差无几。
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