《假如地球是个甜甜圈》Epub+Pdf+Mobi+Txt+Azw3 下载在线阅读

内容简介：

这是一本非常有趣的人文科学书籍，可以以荒谬的问题为出发点“印象姿势”。

你有没有想过，如果霸王龙来到今天的世界，它能否生存下来？恐龙有没有可能是高智商动物？如果自行车的速度能与光速相媲美，会怎么样？你能用木头造一台电脑吗？人插上翅膀也能飞吗？圣诞老人真的存在吗？如果.如果.

这些问题看起来荒谬，但实际上意义非凡。通过它们，我们可以理解很多科学道理。连爱因斯坦都承认，因为异想天开的问题，他开始研究相对论。事实上，千奇百怪的想法使我们有不同的思维角度，研究这些想法，我们会对现实世界有更深刻的认识。这种了解世界的方法是不是特别有趣？在作者的指导下，我们将更好地理解现实世界的科学基础，融合物理学、生物学、地理学等多个学科的知识。

作者简介：

勒内·屈耶里耶(Rene Cuillierier)、物理学家、科普作家、《科学与生命》等多家科普杂志都有专栏，读者粉丝很多。

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书友评论：

假如自行车的速度可以匹敌光速

光速，那可不是一般地快！在日常生活中，这样的速度一定会让我们猝不及防。以下内容，胆小勿入！

今天早晨，你买完早点正骑着自行车悠闲地往家走，突然，所有的物理定律仿佛都失灵了。是时空错乱了？还是你中了魔法？你发现你的自行车正在以269813千米/秒的速度冲刺，这可是光速的90%啊……（仔细想想，大概还是中了魔法的可能性大一些。）

在你的周围，一道道亮光飞速闪过，眼前的一切都变了形，还出现了各种奇怪的色彩，像坐上了科幻电影中光速飞船一样（其实你还没有达到光速）。只有一件事和电影里不一样：你的第一感觉并不是自己在向前走，而是在向后退——你的家原本就在街的尽头，现在好像突然间越来越远了。

要想知道为什么会出现这些现象，咱们得先说点别的。爱因斯坦的相对论认为，光速是我们宇宙中最大的速度。对于任何人来说，光速都是299792458米/秒。仔细想想，这是很奇怪的，因为这就意味着如果你向光源靠近，另一个人站在原地不动，光速对于你来说并不会比另一个人更快，而是完全一样的。在此我们不再展开论述，但是我们都知道，速度等于要走的路程除以走完这段路程所需要的时间，爱因斯坦从中推导出的结论就是，对于你和另一个人来说，你们的路程和时间是不一样的。没错，我知道，这太不可思议了，但是别冥思苦想了，就是这样。你只需要知道，靠近光源会使路程变短（还会使时间膨胀，但现在不需要考虑这一点）。

在你以90%的光速冲刺的时候，你视野的中心会变得非常晃眼。前方的物体似乎越来越远，与此同时身后的物体却出现在眼前。你看到的画面会出现不一样的颜色：既有很深的蓝紫色，也有画面中央越来越暗的红色，甚至还会出现红外线（这就是为什么你的后视镜里一片漆黑）。

结果就是，在路边的行人看来，你好像被向前压扁了。一般情况下，这种效果微乎其微。但当速度达到光速的90%，你和你的自行车看起来就只有正常长度的43%。但是要注意！对于你来说，不是你被压到前面去了，而是路人和街边的一切都以269813千米/秒的速度向后退了！但你看到的却是路人和街边的一切都被向前压缩了。

这又是怎么回事呢？大部分图书在描绘飞速前进时大概都会配这样一幅插图：行人看到飞速骑车的人被压向前方，而车上的人看到周围的事物退到身后、路程变短。可是今天早晨，所有人都发现事实完全不是这个样子！这是因为，以你现在这么快的移动速度，光线要费好大的劲才能到达观察者的眼中——这里的“观察者”既包括你自己，也包括周围所有看着你的路人。所以高速运动不仅会缩短距离，还会产生光学效应，（相对论还不够复杂吗？怎么还有光学效应！）让周围的事物难以辨认。

具体来说，在路人看来，你并没有被压扁，你在旋转！这种现象叫作“特勒尔旋转”，是科学家特勒尔在20世纪50年代发现的，奇怪的是这种现象几乎被物理学家们遗忘了将近半个世纪。当你飞速前进的时候，和你处在同一高度的人会看到一个非比寻常的画面：在他们看来，你好像转了64度，因此他们看到的几乎是你的后背，就好像你和你的自行车正在横着走一样！而且马路对面的人也会看到同样的景象（别以为他们会看到你的正面）。

特勒尔旋转。想象一个彩色的立方体：上表面是绿色的，面向你的AB面是红色的，左侧的AD面是蓝色的。当这个立方体以极快的速度从你的面前经过时，它的长度受到相对论的影响会被压缩，AB面就会显得窄一些。但是还不仅如此！要想让各处的光线同时到达你的眼睛，离你较远的D棱发出的光就需要比A棱和B棱稍微早一点点出发。但是在早一点点的时候，立方体还在靠左边一点的位置上。结果就是，蓝面的一小部分会出现在你的视野中……最终，你会觉得立方体在旋转。

“好吧”，你对自己说，“那我会看到什么呢？”和“特勒尔旋转”相对应的效应叫作相对论像差。这个名字挺吓人，其实道理很简单。这就好像在下雨天的时候，如果你静止不动，雨滴就会竖直落在你的身上，你移动的速度越快，雨滴就会越来越多地打在你的脸上，也就是落在你行进的方向上。对于光线来说也是一样的。各个方向的光线会随着你的突然加速一时间扑面而来！

这种光线的“聚焦”就会导致你的视野中心变得特别晃眼。而且这束光还会有点蓝，这是因为光线中的粒子——光子来自你面前的物体，打到你身上的光子带着更高的能量，表现出来的颜色就是蓝光。反过来，你身后的光子要赶上你的速度可没那么容易，所以它们表现出来的效果就会更暗、发出红色的光（出现在后视镜中的甚至会是红外线，因此人眼是看不到的）。

同样的道理，在加速之前你看到的一切现在只占据了你视野的1/3，因此看起来似乎变远了。更糟糕的是，你视野中的其他东西其实都在你的身后。所以这就是为什么你的第一感觉是自己在后退！

相对论像差。下雨的时候，你走得越快，直接打在你脸上的雨滴就越多。同样，当你的速度是光速的90%的时候，光束好像“扑面而来”：加速前出现在你视野中的一切现在只占你全部视野的1/3，而身后的一部分光线好像从两侧照了过来。

你可能会说，这种感觉不会持续很长时间：以我这么快的速度，就算路的尽头显得更遥远了，我到达那里也用不了多久，甚至我一下子就能走到更远的地方去呢！理论上，是这样的……除非我们再把空气的因素考虑进去。这样一来，你的飞速之旅将会比你想象的还要短暂得多！

当你以90%的光速前进的时候，空气就没法泰然地在你身边流动，包围你、填补你身后留下的空间了，因为来不及。空气中的分子不断旋转、相互碰撞，一般情况下的平均速度是400米/秒。换句话说，这些分子的速度是你的六十万分之一，在你看来，它们似乎一动不动。你现在就像漫画书里穿墙而过的人一样，会在空气中穿过，留下一个跟你一模一样的洞！

这样的话，当你和自行车前面堆积的空气和你们的重量一样时，你就没法再往前走了。要积攒这么多的空气要走100来米，因此只需要0.5微秒！（这是从路人的角度来看。对于你来说，因为时间被放大了，整个过程大概还要再短一半。）停下来之后，你会发现自己的身上以及自行车的表面落着一层几十千克重的空气，压缩后的厚度是0.01毫米，温度差不多有100万亿摄氏度。你想得没错，“这也太吓人了”。

接下来会发生什么呢？说到“密度很大温度极高的气体”，物理学家可能会想到太阳的核心，那里的密度为150千克/升，温度为500万摄氏度。在这样的环境中，原子核（太阳含有的是氢原子）就会发生激烈的碰撞，然后黏在一起形成更重的原子核（氦），同时释放大量的光能和热能。这个过程就是热核反应。哎呀！哎呀！哎呀！你堆积起来的空气会不会变成原子弹呢？

这可值得好好想想。原子核是非常微小的，只有原子大小的十万分之一，站在原子核的角度，它撞到其他原子核的难度堪比用子弹去打一粒尘埃，所以原子核互相碰撞是很罕见的情况。因此，在太阳的核心，1千克物质发生聚变产生的能量和地球上1千克堆肥慢慢发酵产生的能量差不多。（没错！太阳之所以那么亮，首先是因为在它的核心有很多很多的物质。）这样，在你飞速前进的那个非常短暂的瞬间，核聚变产生的能量可能连一滴雨水都煮不开！

当然，你堆起来的空气大概要比太阳核心的物质密度大100倍、温度高2000万倍！事实上，宇宙中还从来没有发现过这样的东西呢。单从密度上来看，恒星死亡后留下的高密度尸体——白矮星可以达到这么大的密度。而单从温度上来看，大爆炸之后百万分之一秒内发生的分子碰撞差不多也就是这个温度。所以不得不承认，没有超级计算器，我们很难计算出来具体会发生什么。但这才是有趣的地方，我们先不管那些！就算我们假设所有的原子核都发生聚变，释放出来的能量也完全可以忽略不计，它只相当于400万吨TNT炸药——差不多是广岛原子弹威力的250倍……你觉得这已经很多了吗？继续往下看你就不会这么想了。

要引发大爆炸其实不一定非要用核能。空气之所以能够让运动的物体停下来，那是因为物体把运动产生的能量——动能——全部释放在了这团空气中。例如，当一颗3亿吨的流星——差不多就是直径为600米的小山那么大——以航天飞机的速度（28000千米/时）穿过大气层时，它引起的爆炸相当于20亿吨TNT炸药，也就是所有大国全部核武器的总和。当你以光速的90%行进时，你60千克的身体也可以产生同样的效果！所以，0.5微秒之后，你压缩起来的高温空气绝对可以让你的家乡（甚至整个省）变成一座喷发的火山：轰！

假如地球是平的

在过去很长的一段时间里，我们的祖先都对此深信不疑。但仔细想想，人们之所以会有这种错觉，恰恰是因为地球是圆的！

说到地球是平的，人们首先会想到像大饼一样的地球，正如特里·普拉切特^[1]（Terry Pratchett）所描绘的碟形世界，但这样的地球并不是一个适合散步的地方：这里的地心引力很小（因为你的脚下没有多少物质），而且物理学家们都认为，这种“大饼”很快就会碎成千万块，但是别觉得失望。如果地球是个立方体，它的六个面也可以都是平的，而且很有可能在相当长的时间内保持这样的形状，这就值得我们好好讨论一下了。在方形的星球上，生活会是什么样子呢？跟紧了，这里和地球可完全不一样。

现在让我们来想象这样一个星球：构成它的岩石和地球的岩石差不多，它的体积和地球一样，它表面的物体受到的“地”心引力也和在地球上相似，唯一的区别是，这个星球是棱长为10270千米的立方体。准备好了吗？变！好了，我们现在就站在了这个方形星球某个表面的中心……

当你睁开眼睛，你的第一个发现便是这个世界广阔无垠。在我们圆形的地球上，就算在比较理想的情况下——比如在海边，你能看到的距离也不过三四千米。因为地面是弧形的，所以光线需要“拐个弯”才能从地平线的后面来到你的眼前。在这里就不一样了。无论向哪个方向望去，你的视野都非常非常开阔，你甚至可以看到距立方体中心5000多千米的棱边。因此视野少说也比地球上远了1000倍！而这只是第一个惊喜。

如果你想走到立方体的一个顶角去，你就会发现一个非常诡异的情况。出发几个小时之后，走路变得越来越吃力，终于，你意识到一件不可思议的事情：从立方体某一个表面的中心出发，走得越远，原本广阔无垠的平地就变得越斜，大地好像立了起来，脚下的路变成了一座越来越陡的山坡！

如果仔细想想，你就会发现这是个很正常的现象。星球表面的物体都会受到这个星球的吸引，也就是我们所说的“地心引力”，引力的方向大致指向星球的中心。在球形星球上，引力的方向（也就是物体自由落下时的方向）是竖直向下的，总是与地面垂直。但在方形星球上却不一样，在这里，距离每个面的中心越远，引力的方向就会越贴向地面。当然，地面实际上并没有倾斜，它依然是平的。你觉得地面斜了，其实是因为引力与地面的夹角不一样了，别以为这只是一种幻觉。事实上，重力真的在拖你的“后腿”：如果放开一个小球，这个小球就会斜着落地。如果你一不小心摔了跤，你就会向你所在面的中心滚去！尽管这个方形的世界看上去是平的，但从地心引力的角度来说，它的每个表面都好像是盆地一样。聊以慰藉的是，离一个面的中心越远，离立方体的中心也越远，所以引力就会减小。当你到达顶角的时候，你的体重只有平时的65%，这也会让“爬坡”的过程稍稍容易一些。

要想到世界的尽头去看一看，你得爬上一个越来越陡的坡，还得戴上氧气面罩，因为这个星球上的所有空气（还有所有的水）都聚在一起形成了一个巨大的半球形空气罩，覆盖在20%的陆地上。而且到了世界的尽头，你遇到的也有可能并不是人类……

这可不得了！如果被释放的物体会向平面的中心滚去，那么生命所必需的空气、水等一切流动的物质肯定也就没办法均匀地分布在这个星球上啊！所以它们只能聚集在这个“盆地”的“底部”，也就是在立方体每个表面的中心形成一个巨大的水滴。如果这个星球拥有和地球一样多的水和大气，那么这个立方体星球每个表面的中心都会鼓起一片海洋，直径大约有2000千米，和加勒比海差不多大。但海洋中心的深度会超过100千米，也就是比地球上的海洋还要深20倍！这样的话，在这个方形的世界上，视野最不开阔的地方反倒是在海边，因为凸起的大海会让你连对岸都看不到！

地心引力的方向永远大致指向地心。所以，在方形星球上，当你向边缘移动的时候，引力的方向（即小球自由落地的方向）就越来越贴向地面，整个世界好像就要立起来了。这样一来，立方体世界的每一个面给人的感觉都像盆地一样，中间低、四周高。

由于方形世界的每个平面实际上都像盆地一样，所以水和空气只好也向中心聚集。它们会形成半圆形的球面，球面上各处都与地心引力的方向垂直。

和水一样，方形世界的空气也会向中间集中，形成半圆的外壳罩在海洋的上方。坏消息是，海洋周围只有一小圈土地被空气覆盖，适于居住。好消息是，人们走着走着就能去太空漫步了：只需要背朝大海向前走，用不了500千米，你就可以走出大气层！方形星球上4/5的面积都是宇宙真空，和月球一样。所以要想走到立方体的顶角，最好记着穿上宇航服！可事实上，早在走出大气层之前，在走了一两百千米的时候，你就会发现不仅地面变得越来越陡了，而且稀薄的空气也存不住太阳送来的热量，导致这里常年覆盖着积雪，和喜马拉雅山顶一样冷（所以你更觉得自己是在爬山）。这样一来，所有的人就得蜗居在距离海岸150千米的范围内了，而这个面积勉强也只有两个法国那么大！

你可能想要知道这个小地方的气候怎么样。要回答这个问题，首先你得明白，方形世界是不可能存在气候带的。在圆形的地球上，阳光几乎垂直射向赤道，从温带地区到两极，阳光与地面的夹角越来越大。因此，离赤道越远，温度就越低。但在方形星球上，阳光与同一个面上任何一点的夹角都是一样的，所以从理论上讲，你在这里无论走多远气候都不会变（除非你走到了可居住区域之外，那些地方完全没有气候）。至于温度的高低，这完全取决于方形星球自转轴的倾斜角度。如果自转轴经过相对两个面的中点，上下两个表面就会终年积雪，就像我们的南极一样，而其他四面则是热带气候。自转轴也有可能经过相对的两个顶点。这样的话，所有的面与太阳之间的夹角都是45度左右，那么处处就都是温和的气候了。

同一表面上每一个点的气候都一样。如果自转轴经过相对两个面的中点，上下两个表面就会终年积雪，就像我们的南极一样，而其他四面则受到阳光的直射，是热带气候。如果自转轴经过相对的两个顶角，那么所有的面都是“温带”气候。

无论是哪种情况，这里都不会刮太大的风。在圆形地球上，空气的剧烈运动能够把赤道地区过多的热量转移到温带。但方形星球不会出现这样的情况。我们最多考虑一下海洋上方的空气。海洋颜色较深，因此它上方的空气会吸收更多的热量。白天，海洋上方的空气温度更高，这些空气会向半球形大气层的上方移动。在高空，大气的温度下降，然后就会向四周降落，落到人类居住区的外缘，随后沿着地面向海洋的中心移动。所以“立方体星球”的天气预报每天都是老生常谈：“午后有微风吹向海洋。”好了，咱们继续向星球的顶角前进。

走在一望无际的平面星球上，你该怎么辨认方向呢？在圆形地球上，几个世纪以来，水手们都是靠天文导航来指路的。他们通过测量日出和日落的时间差来算出东西方向的位置，通过测量北极星在天空中的高度来计算南北方向的位置（在赤道，北极星与地平线平齐；在北极，北极星出现在头顶的正上方）。但到了方形星球，天文导航就不灵了。这是因为方形世界没有时差，当你看到日出的时候，你这个面上的任意一点也都能看到日出；而北极星和立方体的边缘（也就是地平线）永远保持同样的高度，无论你在哪儿。但是没关系——你看大自然多么完美！——在平面星球上根本不可能迷路：你记得吗，这个星球上的任意一点都能一眼望到天的尽头，所以你永远知道自己身在何方。

历尽千辛万苦，你终于来到了顶角。最后几米路着实难爬，但是现在你可以歇歇了。你坐在金字塔的塔尖上，俯视着立方体世界的三个平面：一个是你的家乡，另外两个是你从未见过的异域，真是令人心驰神往。遥望着广阔无垠的平地，你隐约看到了泛着蓝色的生命带。看着看着，你突然想到了什么：这个星球上的六个生物圈都是完全封闭的，它们相互隔着几千千米的真空，各自独立，就好像是在相距很远的星球上一样！某一面上的恐龙可能还没灭绝，另一面可能长着用视黄醛代替叶绿素来进行光合作用的紫红色植物。要是别的面上也有生物想爬到顶角上看看，你可能就会和一对触角“四目相对”……想到这儿，你不禁起了一身鸡皮疙瘩。天啊，这真是一个奇特的星球！

可惜的是，这样的星球可能来不及孕育生命。要想知道为什么，你可以把立方体星球想象成带着棱角的球体。我们姑且把多出来的棱和角看作球面上巍峨的山脉。“巍峨”这个词用在这里其实有些苍白无力，因为这些“山脉”的海拔大约有3000千米，而喜马拉雅山也不过8800多米。然而，再坚硬的岩石也会慢慢变样——你去看看沟壑纵横的大山就知道了，而且这么高的山峰必然会很重，没有任何岩石在这样的重压下依然能够屹立不倒。因此，就算奇迹能够创造出这样一个方形的星球（很难想象真的会有这样的奇迹），它的棱角也很快就会塌陷、碎裂……总之，用不了十亿年（地球上出现生命就用了这么久），这个立方体星球就会变成一个球体。真是太可惜了！不过咱们这次漫步还是挺有趣的，不是吗？

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[1] 英国幻想小说家，代表作品为《碟形世界》系列奇幻小说。——译者注