第一课：为什么引力如此重要

我们的太阳只不过是银河系千亿颗恒星中的一员。银河系就像一个由气体、尘埃和恒星组成的“宇宙岛”，直径超过10万光年。在银河系的中央有一个黑洞，质量比太阳的质量大400万倍，我们称之为超大质量黑洞。这个黑洞和太阳一样，是整个银河系的引力驱动中心。

几个世纪前，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）发现了万有引力定律：两个物体之间的引力与它们各自的质量成正比，质量较大的物体会给质量较轻的物体施加更大的作用力。这一作用力还取决于两个物体之间的距离，如果距离加倍，那么该作用力将减弱四分之一。根据万有引力定律，我们可以计算出宇宙中任意两个物体之间的引力影响，甚至可以计算出你和脚下大地之间的引力是多少。1

万有引力定律使混乱的一切开始井然有序；毕竟，正因为万有引力的存在，才有了我们的太阳系。在太阳形成之前，这片空间中只有一团由氢气和氦气组成的巨型气体云，气体云中有上一代恒星遗留下来的较重元素，包括氧、碳和铁等。由于每一个原子具有一定的质量，这些粒子在这团混乱的气体云中其余粒子的引力作用影响下，开始不断聚集。一团粒子吸引着另一团粒子，直到最终，引力克服了周围旋转的所有粒子的能量，并将这些粒子聚集在一起，使它们冷却下来。接下来，轮到气体云坍缩，气压骤升、密度升高，气体云的高温点燃了核聚变，于是我们的恒星就此诞生。

核聚变是类太阳恒星的能量来源，该反应由四个氢原子参与，形成一个氦核并释放能量，这就是夜空中繁星点点的原因。就这样，曾经只是一团旋转的、充满了原子的气体云，由于引力坍缩变成了一颗燃烧着的原恒星。

现在，那团不停旋转着的气体云也承载着一些宇宙历史信息，比如早几代恒星，甚至是宇宙形成初期的第一批恒星遗留下来的角动量2。总的来说，气体云在聚集之时就会朝某个方向旋转，因此当粒子在引力作用下开始聚集时，它们的旋转方向会保持一致，那么原太阳3的自转方向就基本确定了。早期太阳附近剩余的气体云发生的变化，就像我们在头顶上旋转一块比萨时发生的情况一样：这些剩余的气体云将被压扁成一个碟状结构或圆盘，并且继续旋转着。在圆盘内部，粒子之间的引力作用继续存在。太阳附近形成原行星4的粒子团将越来越多，因此我们能够看到一幅所有行星（包括彗星、小行星以及其他遗留的陨石）都绕行在太阳附近的轨道上，并朝着同一个方向运行的美丽景象。这就是我们认同的、包括太阳在内的所有恒星系统的形成方式。

同样的过程也出现在我们的地月系统中。地球自转的方向与公转方向之所以相同，也是因为地球是通过微小粒子聚集在一起形成的，这些粒子继承了上一代恒星的角动量。同样地，月球绕地球公转方向和地球自转方向也是一致的。

除此之外，它们没有别的相似点了，因为月球的其他属性都很独特。在月球上，一天和一年是一样长的，也就是说，月球绕轴自转的时间（即一天）和月球绕地公转的时间（即一年）是相等的，都需要28个地球日。如果地球也遵循这个例子中的物理规律，那么在整整一年的时间中，一半地球将永远是白天，而另一半地球将永远处于黑夜之中。如果地球自转和公转的速度相同，那么地球的一半将永远朝向太阳。这就是为什么我们只能看到月球的一面，而永远看不到月球的另一面，因为月球的另一面从未朝向我们。不过，这并不代表没有朝向地球那一面的月球是黑暗的，太阳会照亮它。这也能解释我们看到的月球相位：当我们看到满月的时候，月球正对着太阳，太阳将朝向地球的月球面完全照亮了；而当我们看到的是新月时，月球正处于地球和太阳的中间，太阳照亮的是地球上看不到的另一面月球。

如果你想了解为什么我们不能每28天看到一次全日食，我来告诉你，这是因为月球的轨道与地球绕着太阳的轨道不在一个平面上，月球的轨道倾斜了5°，因此有时候在新月阶段，天空中的月球要么在太阳上面一些，要么在太阳下面一点。地月系统的所有特点看起来都是偶然出现的，但实际上揭示了月球形成的奥秘。或许你认为与地球在太阳附近形成的情况相类似，月球也是在相同环境下绕着地球形成的，也就是说，月球是从行星残留物中演变而来的。但科学家关于月球形成的最成熟理论远比这个说法更加戏剧化，这个理论叫作“大撞击假说”（Giant Impact Hypothesis），它阐述的是另一个绕日运行的原行星与太阳系早期的原地球发生碰撞，撞击产生的能量非常大、温度极高，熔化了原行星和近一半的地球物质。大量物质被抛掷到太空中，随着地球恢复原状并且保持旋转，那些被熔化、冷却的物质没能逃脱来自地球引力的拖拽。就这样，它们被引力拽入一个旋转的圆盘中，聚集在一起并最终形成了月球。

这个理论解释了为什么地球自转轴是倾斜的。在那场撞击中，地球受到了剧烈撞击，导致它的自转轴轻微地转向一侧，倾斜了大概23°，就像一只可爱的狗偏头望着你一样。这说明当地球在绕日轨道上运行时，我们的南半球正值夏季，太阳光能照射到南极点；6个月后，太阳光照射到北极点，因此地球才产生了四季更替的景象。由于地球自转轴的倾斜，太阳直射点移动到南半球或北半球的时候，对应半球的温度就会升高。

仅凭一个简单的万有引力定律，就能让曾经混沌的宇宙进入一个有条不紊且平静的状态，真的令人不可思议。同样，由于这个物理定律，还引发了苹果从树上掉落、我们的脚踩在大地上以及地球四季更迭的规律，影响着银河系和太阳系中的一切。不仅是我们所在的星系，万有引力定律还影响着我们未知的星际领域，在银河系之外，我们能够看到宇宙中各个方向都存在着更多形状和大小各异的“宇宙岛”。引力使它们从一个巨型混乱的氢气粒子云变成了有秩序且拥有美丽螺旋结构的系统。

尽管万有引力造就了这些美丽的“宇宙岛”，但同样也能够摧毁它们。大多数星系并不是独立存在的，引力将它们绑在了一起。我们的银河系和仙女座星系（Andromeda）都属于本星系群，它们是本星系群中的两大星系，通过引力彼此牵绊着对方。未来的某一天，大约40亿年后，银河系与仙女座星系将相互碰撞，两者之间存在的引力会将它们撕裂开，进而干扰到所有恒星的运行轨道。等一切都尘埃落定的时候，一个更大的星系就此形成，我们称之为“银女星系”（Milkomeda）。

接下来的这个例子运用了另一个物理定律，即热力学第二定律。热力学第二定律阐述的是一个系统的熵不会随着时间而减少。熵是衡量某个系统混乱程度的单位，能够观察系统中粒子的随机运动。因此，随着时间的推移，宇宙作为一个整体必然会变得更加随机。40亿年至50亿年后，我们的太阳将耗尽燃料并吞噬整个太阳系，太阳系内的所有物质都将变成一团混乱的气体云。银河系中的恒星最终将置身于混沌中，它们会随机围绕着“银女星系”中心运行。这就是整个宇宙中所有物质的命运，即使物理定律创造了宇宙的秩序感，宇宙也会将这一切再次打乱。

1 根据万有引力定律，地球对你的吸引力大约500至1000牛，具体取决于你的体重。人类咬一口苹果的力的大小约为700牛，而一只大白鲨的咬力则高达18000牛！

2 角动量（angular momentum）在物理学中是指物体到原点的位移和动量相关的物理量，它表征质点矢径扫过面积的速度大小，或刚体定轴转动的剧烈程度。——编者注

3 天文学中，原太阳（proto-sun）指形成太阳的弥漫、等温和密度均匀的星际云。——编者注

4 原行星（proto-planet）是在原行星盘内大小如同月球尺度的胚胎行星，它们应该是由千米尺度的微行星因彼此的重力相互吸引与碰撞而形成的。——编者注