阿西莫夫：為太陽稱重（《太陽三部曲》之二）

【譯者之言：知道了太陽離我們的距離，那太陽有多重，或者更準確地說，太陽質(zhì)量有多大呢？人類對它的認知，依然經(jīng)歷了一個漫長的過程?！?/p>

年輕的時候，我讀過大量的詩歌。部分原因是學校讓我們學習詩歌，而部分原因是因為我也不知道有什么更好的東西可讀。正如我經(jīng)常解釋的那樣，我移民來美國的父母對美國文學知之甚少，無法去指導我閱讀，于是我見什么讀什么。我因此閱讀了大量通常小孩都應(yīng)該比較討厭的詩歌，因為也沒有人告訴我，我應(yīng)該討厭詩歌。

在任何情況下，我都還記得那些日子里讀過的很多詩歌，因為我總是很難忘記任何東西（除了重要的事情，比如我親愛的妻子珍妮特為了讓我永生，而給我的指示）。即使在今天，一些詩歌仍在為我的世界觀增添色彩。

例如，有一首弗朗西斯·威廉·鮑迪倫（Francis William Baudylan）（不瞞你說，我不得不去查了一下他的名字）的詩，這是他寫的一首短詩，詩的第一節(jié)是這樣的：

黑夜有千只眼，

白天僅有一只；

太陽慢慢逝去，

光明漸漸枯萎。

無論是在文學上還是在科學上，在我讀過的任何東西中，都沒有遇到過像這四行詩那樣堅定地贊賞太陽的重要性。

因此，年輕的時候，當我發(fā)現(xiàn)在我們普通世俗的歷史上，我們所認識的第一個一神論者——埃及法老阿赫納頓（Akhenaton）（公元前1372-1362年）——選擇太陽作為唯一的最高的神，我一點都不感到驚訝。（是個不錯的選擇，阿赫納頓，我覺得。很合乎邏輯。）

那么，我將繼續(xù)討論太陽。在上一篇短文中，我提出了一個問題：太陽有多遠？答案是1.496億公里（92.96百萬英里），而太陽直徑為139.4萬公里（86.6萬英里）。

現(xiàn)在讓我們問第二個問題，而這次我故意用一種幼稚的方式：太陽有多重？

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一開始，西方宗教的傳統(tǒng)觀點是，太陽只是一個光的容器。

光本身是圣經(jīng)中提到的，第一件被創(chuàng)造的東西，因為在第一天，“上帝說，你們要有光，于是便有了光?！保▌?chuàng)世紀1：3）

首先，我們可以假設(shè)，光只是滲透到宇宙中，但是（還是在第一天），上帝將光明與黑暗分開，以區(qū)分白天和黑夜。

直到第四天，光才被收集到各種天體中，其中最亮的，無以倫比的是太陽，月亮遠遠跟在第二，星星只是一點點小光亮。“上帝造了兩大團光；較大的一團管白天，而較小則管夜晚，他也創(chuàng)造了星星?！保▌?chuàng)世紀1：16。）

地球上也存在光，它獨立于天體。有短暫、偶爾出現(xiàn)的閃電，可能引發(fā)森林火災(zāi)。最終，人類點燃可能點燃了一些火，以產(chǎn)生光亮和溫暖。對地球光源的研究提出了一個非常重要的觀點，即光顯然沒有重量，它是非物質(zhì)的。

由此，可以得出一個重要的結(jié)論。如果太陽只不過是一個光球，它也一定是非物質(zhì)的，并且沒有重量。如果是這樣，即使它距離很遠，很大，也沒什么關(guān)系。無論它多大，它仍然是一個沒有重量的東西，人們可能會說，它一定是繞著沉重的地球在轉(zhuǎn)動。

對地球上光的第二個基本觀察是，除非發(fā)出光的火焰持續(xù)得到燃料供給，否則它不可能長期存在。木材或油一旦消耗盡，任何光源都會消失。

另一方面，太陽不會熄滅，它一直發(fā)光，貫穿人類歷史，沒有變化，直到今天也沒有顯出逐漸減弱或衰退的跡象，更不用說熄滅了。也沒有任何跡象表明，在這個過程中，太陽正在消耗燃料。

由此，可以得出結(jié)論，地球上的光與天上的光有一定的根本差別。地球上的光是基于燃料燃燒的短暫現(xiàn)象；而天上的光是永恒的，不需要燃料。這是一個表明地球上的自然法則不同于天上法則的重要例子。

希臘哲學家亞里斯多德（Aristotle）（公元前384-322年）相當詳細地解釋這個問題。一般來說，地球上的物體都是不完美的，是受時間限制的；腐爛和腐敗是不可避免的。另一方面，天體是永恒的，是不會腐爛的；總之，就是完美的。地球上的物體，要么不移動，要么是通過向下下降或向上上升來移動。土地和水趨向于下沉；而空氣和火會上升（按古希臘的觀點，這是構(gòu)成地球的四種基本物質(zhì)或“元素”）。另一方面，天體一直在移動，但它們的移動既不是通過下降，也不是通過上升來完成的，而是在地球周圍巨大、不變的圓環(huán)中前行。

既然如此，天體就不會是由土、水、空氣或火構(gòu)成的了，而是由完全不同的物質(zhì)構(gòu)成，這些物質(zhì)被亞里斯多德稱為“aither”，我們稱之為“aether（以太）”或“ether（以太）”。它來自希臘語，意思是“燃燒發(fā)光”，因為天體永恒地發(fā)著光，而地上的物體是暗淡和黑暗的，除了偶爾有人點燃的火，但與以太的神火相比，人造的火就太不不完美了。

除非有支撐，否則巖石和重物體通常都會墜落。我們都知道這個道理。手握一塊石頭，伸手，放手，它自己會立刻落下。但為什么呢？

為了回答這個問題，亞里斯多德認為，每個物體在宇宙中都有一個自然位置，如果它在那個自然位置之外，只要沒有被約束，它都會盡一切努力回到原來的位置。只要你把巖石保持在半空中，你就會感覺到它的重量，可以說就像它在掙扎，掙扎著想奔向宇宙的中心，這是固體物質(zhì)的自然位置。如果你放手，它就會立即向那個中心移動；換句話說，它就會下落。

亞里斯多德似乎認為，一個物體的沉重與否，是衡量它渴望出現(xiàn)在其自然位置上的強烈程度的標準。因此，重的物體自然就會比輕得物體落得更快。一塊巖石落下的速度就會比一片葉子快得多，而一片葉子又會比一根小羽毛掉得更快。

如果你愿意，你可以通過一個簡單的實驗，就可以證明亞里斯多德在這個觀點中所犯的錯誤：

取兩張同樣的紙，讓它們同時自由下落。它們兩個都會下落得相當緩慢，速度相同?，F(xiàn)在把一張紙揉成盡可能小的紙團，這一過程中其重量并沒有改變，現(xiàn)在準備讓兩個物體自由下落，一個薄而平，一個揉成了緊湊的結(jié)構(gòu)，但兩者都有相同的重量。

讓它們自由下落，看到了吧！揉成團的紙比重量相同的平紙下落要快得多。

為什么呢？因為在大氣中下落的物質(zhì)，必須把大氣分子推開，這就吸收了下落的能量，使它們下落得較慢。如果是一個很重的物體，空氣阻力帶來的減緩可以忽略不計，但如果物體很輕，影響就會較大。如果物體既輕，與空氣接觸的表面又大，影響則會更大。

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在我們看來，這一切都是顯而易見的，但直到亞里斯多德時代過去了19個世紀之后，意大利科學家伽利略（Galileo Galilei）（1564-1642年），才真正驗證了古希臘關(guān)于下落物體的觀念。

十六世紀九十年代，伽利略做了兩件重要的事情。首先，他使用的物體比較重，空氣阻力可以忽略不計。其次，他讓物體在一個傾斜的平面上往下滾動，這降低和減緩了自然下落的趨勢，這樣他就可以更容易地觀察和測量它們移動的速度。

他的實驗證明了一個非常重要的事實——無論物體的重量如何，它們都以相同的速度下降。傳說，伽利略同時從比薩傾斜塔的頂部扔下兩個重球，來證明了這一點。一個的重量是另一個的十倍，一聲悶響，它們同時砸在地上。幾乎可以肯定的是，他并沒有這樣做，但他用球從傾斜平面滾下的實驗，即使不那么壯觀，也還是不錯的。這推翻了亞里斯多德的物理學。

（在真空中，沒有空氣阻力，所有物體，無論重量多輕，表面積多大，都會以相同的速度落下。在真空中，羽毛會像炮彈落下一樣快。這已經(jīng)得到測試，確實如此。）

大約四分之三個世紀后，英國科學家艾薩克·牛頓（Isaac Newton）（1642-1727年）研究了伽利略和其它與運動物體有關(guān)的發(fā)現(xiàn)，并提出了三個假設(shè)，稱為“運動三大定律”，令人滿意地解釋了地球上能遇到的所有運動類型。

運動第二定律規(guī)定，如果一個力施加在一個物體上，該物體就會經(jīng)歷一個加速過程。它會加速或減速，或改變運動的方向（這取決于施加力的方向）。更重要的是，同樣程度的力施加在較重的物體上，會比施加在較輕的物體上產(chǎn)生更小的加速度。（要看到這一現(xiàn)象，可以先踢一個足球，然后用同樣的方式踢一顆炮彈，看看會發(fā)生什么情況。）

牛頓定義了物質(zhì)的固有特性，他稱之為“質(zhì)量”。特定物體的質(zhì)量越大，施加給定的力，加速就越小。在地球表面，物體的質(zhì)量與其重量成正比，但兩者是不同的。重量在宇宙中隨著位置發(fā)生變化，但質(zhì)量不是——這一點我們現(xiàn)在不需要討論。

從那時起，牛頓的運動定律就適用于所有的普通條件，它們已經(jīng)被證明是一種完全令人滿意的運動處理方式。（在極端條件下，愛因斯坦對這些定律的推廣更為有用，但現(xiàn)在我們也不會討論這個問題。）

用伽利略和牛頓的運動取代亞里斯多的的運動，這本身并不一定會改變自然法則在地球和天空上不同的命題。無論你如何解釋物體落在地球上的方式，它們都是下落的；而天體不會下落，而是在做環(huán)繞運動。它們似乎在地球周圍做環(huán)繞運動，但即使在前一篇短文中描述的日心說被大家接受，如果一些天體繞著太陽轉(zhuǎn)動，它們?nèi)匀皇窃谧霏h(huán)繞運動，不會落下。

現(xiàn)在怎么辦呢？讓我們換個辦法吧。

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古希臘人認為行星作環(huán)繞運動， 不是因為行星的運動表明了這一點，而是因為圓圈被視為最簡單和最完美的曲線。在他們眼中，天體只能是完美的。

由于行星的運動，并不像它們在其軌道（完美的圓）上應(yīng)該有的那種運動，希臘人認為它們是以圓的組合在運動，是圓在圓上建立的結(jié)構(gòu)，并且越來越復雜。他們堅持強行將行星的實際運動納入他們的整潔和漂亮的概念。（他們稱其為“保存外表”。）

正如上一篇短文中所描述的，當哥白尼認為，除了月球之外，行星實際上都是繞太陽轉(zhuǎn)動的時候，他依然覺得它們是以圓的組合在運動。他也無法擺脫那個特殊的希臘想法。

打破這一魔咒的是德國天文學家約翰·開普勒（Johann Kepler）（1571-1630年）。他有一套由丹麥天文學家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）（1546-1601年）記錄的火星觀測資料，這是那個時候編制得最好的資料，開普勒試圖將這些位置與圓形軌道匹配，但未能成功。

絕望之下，他嘗試了其他類型的曲線，并發(fā)現(xiàn)橢圓（一個稍微扁平的圓圈）正好與軌道匹配。他因此提出了“行星運動三大定律”，前兩個定律在1609年提出，而第三定律在1619年提出。

第一定律規(guī)定行星軌道是一個橢圓。和圓一樣，橢圓也有一個中心，但橢圓還有兩個焦點，分別位于中心的兩側(cè)，而太陽則位于行星軌道橢圓的一個焦點上，而不是在中心處。

第二定律描述了一個給定行星的運動速度，如何隨著離太陽距離的變化而變化。（太陽位于行星橢圓軌道的一個焦點，在行星沿著其軌道前行時，太陽和行星之間的距離也會發(fā)生變化。）

第三定律描述了不同行星繞太陽轉(zhuǎn)動所需的時間長度，是如何與它們離太陽的距離有關(guān)的。

開普勒是第一個對太陽系進行本質(zhì)描述的人，他的描述在今天和他自己的時代都一樣縝密（牛頓和后來的愛因斯坦，進行了一些改進）。與開普勒給我們的畫面相比，太陽系的畫面不太可能再發(fā)生大幅改變。

然而，問題是，行星運動的三大定律與（地球運動）的三大定律有很大的不同，因此，即使到了17世紀中期，自然規(guī)則在地球和天空中，似乎仍然是不同的。

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1666年，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）（1642-1727）離開了正在被瘟疫毀滅的倫敦，回到了他母親的農(nóng)場，一天晚上，他碰巧看到一個蘋果從樹上落下（不，它并沒有砸中他的頭），而此時月亮在天空中閃耀著光芒。

他想知道為什么蘋果掉了，月亮卻沒有，然后他又想到，月亮是掉下來了，但它也在橫向移動，兩種運動的結(jié)合讓它保持在繞地球的軌道上。從軌道的性質(zhì)，我們可以計算出月球每秒鐘朝地球落下的距離，它比蘋果下落慢得多。當然，月亮比蘋果距離遠得多，也許地球的引力隨著距離變大而下降。

我們知道，由于光的強度是距離的平方，地球引力的強度可能會以同樣的方式下降。牛頓進行了計算，最終發(fā)現(xiàn)月球的下落速率只有實際的八分之七，這似乎推翻了他的理論，他失望地將其放棄了。

為什么他的計算失敗了呢？首先，他使用的地球半徑數(shù)字比實際的要小。這影響了他的計算。還有，地球的不同部分，可能會從稍微不同的方向，以稍微不同的距離吸引月球，而牛頓不確定如何去考慮這些情況。

然后有一天，在1684年，當英國科學家們正在討論行星運動被太陽引力控制的可能性時，牛頓的朋友埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）（1656-1742年）問他，如果太陽的吸引力隨著距離的平方而下降，行星會怎樣繞太陽轉(zhuǎn)動。

“橢圓軌道，”牛頓說。

“你怎么知道呢？”哈雷說。

“我曾經(jīng)計算過的呀，”牛頓說。

哈利非常興奮，當他知道牛頓得出了錯誤的數(shù)字時，他堅持讓牛頓再試一次。此時，牛頓已經(jīng)發(fā)明了微積分學，這給了他進行此項計算正好需要的數(shù)學工具。另外，法國天文學家讓·皮卡德（Jean Picard）（1620-1682年）在1671年發(fā)表了對地球半徑新的估算，這比1666年牛頓所使用的更精確。

當牛頓回到他的計算中時，他可以看到就要得到正確結(jié)果了，但他不得不停下來恢復，因為興奮讓他中了風。

然后，哈利又殘忍地催著牛頓寫一本書，描述他的運動定律以及由此可以推斷出的一切情況。哈利讀了校樣，并承擔了出版費用（哈雷很富有）。這本書的短標題是《數(shù)學原理》，出版于1687年，這是世界上有史以來公認的最偉大的科學著作。

牛頓根據(jù)他的三大運動定律，制定了萬有引力定律。他接著根據(jù)萬有引力定律制定了行星運動的三大定律。

請注意，牛頓并非僅僅是提出了一個簡單的引力定律。即使是原始人也知道所有的重物都會掉到地上。每個人都知道地球是引力的來源。這用不著牛頓告訴大家。

牛頓提出的是萬有引力定律。宇宙中的每個擁有質(zhì)量的粒子，會吸引其他每個擁有質(zhì)量的粒子，吸引力與兩者的質(zhì)量成比例，而與兩者之間距離的平方成反比。

這就使得確定宇宙中不同物體的相對質(zhì)量成為了可能。例如，月球不是簡單地圍繞地球轉(zhuǎn)動。根據(jù)牛頓的定律，地球和月球都圍繞一個共同的重心轉(zhuǎn)動。這個重心位于連接地球中心和月球中心的直線上，它與地球中心和月球中心的距離與各自的質(zhì)量成反比。重心可以加以定位，因為在地球繞它轉(zhuǎn)動時，在一個月的過程內(nèi)恒星似乎略有擺動。

地月系統(tǒng)的重心距離地球中心平均為4,728公里（2,938英里）。這實際上是在地球表面之下1650公里（1025英里），因此，說月球正在繞地球轉(zhuǎn)動是非常合理的。

重心接近地球中心的距離比接近月球中心的距離要近81.3倍。這意味著地球質(zhì)量是月球質(zhì)量的81.3倍。我們無法用重心的位置來告訴我們?nèi)魏我粋€物體的絕對質(zhì)量，但我們可以得到兩者的相對質(zhì)量，這也就足夠了。

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那么太陽的質(zhì)量又如何呢？

我們知道月球繞地球運行的速度。如果月球離地球更遠，它就必須經(jīng)過更長的軌道，移動也會更慢，因為地球的引力影響會更弱。我們可以同時考慮這兩種效應(yīng)，計算出月球在任何距離上繞地-月系統(tǒng)的重心轉(zhuǎn)動的速度，例如，在等于太陽與地球之間的距離上。

如果月球離地球1.496億公里，并且附近沒有其他天體干擾，它的移動確實就會非常慢，比地球在同樣的距離繞太陽移動要慢得多。

為什么地球在太陽的影響下，比月球在同一距離上在地球的影響下，移動快得多呢？顯然，因為太陽的引力比地球的引力要強得多。

為什么太陽的引力比地球的引力要強得多呢？因為太陽擁有更大的質(zhì)量。根據(jù)牛頓萬有引力定律，按照已知的月球和地球的軌道速度，以及已知的月球與地球之間的距離和地球與太陽之間的距離，我們就可以計算出太陽相對于地球的質(zhì)量。

原來，太陽并不是非物質(zhì)的光。太陽是一個質(zhì)量等于地球質(zhì)量33.3萬倍的物體，在任何給定的距離上，太陽的引力都是地球引力強度的33.3萬倍。

換句話說，一旦牛頓萬有引力定律的結(jié)果被理解，就再也沒有任何可能的理由（除了盲目和固執(zhí)的信仰），來假設(shè)太陽繞著地球轉(zhuǎn)動了。

1798年，英國科學家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）（1731-1810年）在實驗室中測量了兩個金屬球之間的引力，并由此計算出了地球的實際質(zhì)量。由此，我們可以得到月球和地球的絕對質(zhì)量，但這些數(shù)字巨大得讓我們無法想象。如果我們堅持使用相對質(zhì)量，則會簡單一些，假設(shè)月球質(zhì)量為1，我們可以得到：

月球質(zhì)量=1

地球質(zhì)量=81

太陽質(zhì)量=27000000

我們現(xiàn)在還知道太陽其它什么情況嗎？是的，我們還知道太陽的直徑等于地球的109倍（見上一篇短文），因此其體積等于地球的109×109×109，或1,295,000倍。

那么，如果太陽是由與地球完全相同的材料構(gòu)成，它的質(zhì)量應(yīng)該等于地球的129.5萬倍，但并非如此。

由于太陽的質(zhì)量只有地球的333,000倍，因此它是由比地球輕的材料構(gòu)成的。太陽的密度（每立方米千克數(shù)或每立方英尺磅數(shù)）為333, 000/1, 295, 000，只有地球密度的1/4。

現(xiàn)在我們可以得出一個偉大的結(jié)論。我們已經(jīng)證明了月亮和太陽與地球一樣擁有質(zhì)量。通過類似的方法，我們也可以證明每一個物質(zhì)天體都有質(zhì)量，甚至是遙遠的恒星和星系。（光和其他有些東西是非物質(zhì)的，也沒有普通意義上的質(zhì)量，但我們可以忽略這一點。）

再就是，既然宇宙中所有帶有質(zhì)量的物體，似乎都按照牛頓的方程，遵守萬有引力定律（除非極端情況下，我們必須使用愛因斯坦廣義理論），那么，我們可能就會猜測，宇宙中所有物體，無論是在地球上，還是最遙遠的星系，似乎都遵守相同的自然的法則——所有的自然法則，而不僅僅是萬有引力定律。

當然，這仍然只是一個假設(shè)，因為我們不能在這么遠的距離直接去測量宇宙，但是在牛頓偉大的著作出版三個世紀以來，我們確實還沒有發(fā)現(xiàn)有任何東西，會導致我們，以任何嚴肅的方式，懷疑在地球上所確定的自然規(guī)律的普遍性。

然而，即便如此，仍然還是有牛頓方程式無法回答的問題。例如：

太陽有質(zhì)量，但構(gòu)成太陽的物質(zhì)并不是構(gòu)成地球的物質(zhì)，因為構(gòu)成太陽的物質(zhì)只有構(gòu)成地球物質(zhì)密度的四分之一。

這是因為太陽比地球熱得多嗎？畢竟，密度確實會隨著溫度上升而下降。

還是因為太陽是由與地球相同的物質(zhì)構(gòu)成的，只是比例不同？地球上的一些物質(zhì)也比其他物質(zhì)的密度要小得多，也許太陽主要是由我們在地球上所知道的密度較低的物質(zhì)構(gòu)成的。

或者太陽是由不同于構(gòu)成地球的物質(zhì)構(gòu)成的？即使它們都服從自然法則，也許天體的化學成分與地球根本就不同。也許每個天體都有自己的化學成分，沒有兩個是相似的。

如果是這樣，我們又如何能知道呢？例如，我們又不能去往太陽，對它的材料進行取樣，來進行分析。

事實上，法國哲學家奧古斯特·孔特（Auguste Comte）（1798年-1857年）在1835年指出，恒星的化學成分，就是那種永遠無法獲得的信息科學的一個示例。

不過，有時候這些“不可能！”的大嘴聲明是危險的（盡管我自己也經(jīng)常這樣做）。在孔特去世僅兩年，科學家們就學會了，如何獲得這種孔特認為是永遠都無法獲得的科學信息。

在下一篇短文中，我們將談?wù)撨@是如何做到的，我們將會發(fā)現(xiàn)太陽是由什么構(gòu)成的。

（作者：艾薩克.阿西莫夫（Isaac Asimov），譯者：勁松）