27.3  测地线的疑问

我们知道，西班牙的马德里位于美国纽约的正东面，两地基本上处于同一个纬度上。从地图上看，从纽约到马德里最短的飞行距离似乎应该是朝着正东方向的一条直线。

然而，事实却并非如此。霍金在他的《时间简史》一书中为我们提供了这样一个例子：从纽约起飞的飞机如果一直向东飞行，最终到达马德里的飞行里程是 3707英里。而从纽约起飞的飞机如果先往东北方向，然后逐渐转向东方，最后转向东南方向飞行，只需3605英里即能到达目的地。

为何纽约与马德里之间的直线飞行距离会比弧线飞行距离要长？这种看似有违常理的现象便是所谓的测地线问题。一直以来，学术界无不认为这一问题是由时空弯曲或者翘曲造成的。似乎时空就像一张纸，想怎么弯曲便怎么弯曲。然而，我们却有理由对此表示怀疑。因为，这一测地线的问题完全可以用常理来解释。

首先，让我们来举一个例子。假设，有两个人准备乘坐各自的快艇横渡一条湍流的河。其中一个人在横渡的过程中始终瞄着河对岸直线距离最近的那个目标点行驶，而另一个人则在横渡的过程中先瞄着偏上游的方向行驶，尔后再朝着目标点行驶。当两个人都到达目标点时，便会发现前者横渡的实际距离要比后者长得多。

原因何在？很简单，这是由于湍流使快艇产生了位移。而快艇要想消除位移的因素，则必须朝着与湍流相反的方向加力。确切地说就是将快艇朝着偏上游的方向行驶。当快艇朝上游方向移动的速度恰好等于湍流的速度时，快艇实际上行驶的路径便是一条直线。

相比之下，飞机也存在“位移”的问题。因为，地球在自转和公转，太阳系也不是静止不动的。

如果我们暂时抛开太阳系运行和地球公转的因素，那么，从理论上看，飞机离开地面后在空中的运行速度应该等于飞机发动机的运行速度加上由地球自转造成的惯性速度之和。但是，由于空气阻力的因素，飞机在空中的实际运行速度应该小于这个和。

假设，在空气阻力的影响下，飞机发动机的速度不变，由地球自转造成的惯性速度减少。那么，地球自转速度与飞机惯性速度之间的差异便是造成飞机与地球相互位移的根本原因。由于地球的自转是自西向东转动的，所以如果站在地球北极的高空向下俯视，马德里相对于从纽约起飞的飞机来说是在不断地朝着东北方向位移。

因此，从纽约起飞的飞机必须提前朝着东北方向飞行才有可能尽快地与不断地朝东北方向位移的马德里会合。从地图上看，似乎飞机是先向东北，然后逐渐转向东方，最后转向东南方向。其实，如果站在地球北极的高空往下看，飞机所飞行的路径是一条始终朝着东北方向的直线。

而如果从纽约起飞的飞机始终朝着正东方向飞行，其实际飞行距离应该是“纽约至马德里的实际距离”加上“飞机惯性速度与地球自转速度的差所产生的距离”之和。如果站在地球北极的高空向下俯视，其结果与我们在地图上看到的情况刚好相反，飞机朝正东方向飞行的路径是一条围绕着地球北极而形成的弧线。

由此可见，飞机的测地线问题与“时空”是否弯曲应该是没有关系的。

那么，太空测地线的问题是否也是如此呢？目前尚无法肯定。因为，有关太空测地线的问题牵涉到了“光”的本质，而光的本质迄今为止仍在争论。争论的焦点问题是：“光”究竟是一种行声音一样的波，还是一种基本粒子？“波动说”认为“光”是一种以“以太”为媒质的压力，类似于声波和水波。“微粒说”认为“光”是一种能量的集合——光子。当然，还有一种更流行的看法，那就是将两种观点综合起来，即所谓的“波粒二重性”

换句话说，“微粒说”认为光是一种高速飞行的物质，比如说射出的子弹；“波动说”认为光是某类物质之间的感应，比如说一个人拍另一个人的肩膀；“波粒二像说”认为光是物质传递物质，比如说击鼓传花。

谁是谁非？

首先让我们来分析一下“微粒说”的可能性。如果光是一种高速飞行的粒子，那么，经过无数次的镜面反射之后其速度必然有所下降。然而，我们可以通过各种实验来证明事实并非如此。

其次让我们来分析一下“波动说”和“波粒二像说”的可能性。显然，这两种观点的前提必须是宇宙空间中充满“以太”。于是便产生了这样一个问题：宇宙空间中是否存在“以太”？在迈克尔逊看来，答案是否定的。因为，迈克尔逊认为，如果宇宙空间中存在“以太”，那就必然会产生由光引起的“以太风”。就像我们骑自行车时，速度越快风的阻力就会越大。而在迈克尔逊的“以太风”实验中并未发现任何“以太风”的迹象。但是，迈克尔逊忽略了这样一个问题，所谓的“以太风”只能在“微粒说”的前提下产生，而“波动说”（例如，一个人拍另一个人的肩膀）和“波粒二像说”（例如，击鼓传花）根本产生不了“以太风”。因此，迈克尔逊的“以太风”实验只能说明这样一个问题，如果“微粒说”是对的，宇宙空间中就不可能存在“以太”。反之，如果“微粒说”是错的，“以太风”实验便毫无价值。

分析结果：A、“微粒说”不符合客观现实；B、迈克尔逊的“以太风”实验无法否定“以太”的存在。

如果人们最终能够证明“光”的确是靠“以太”一类的媒质来传播的，而不是可以像子弹一样在太空中穿梭的“光子”来传播的。那么，太空测地线的问题便有了更合理的解释，而“相对论”就需要重新论证了。

27.4  移居外星球的疑问

2006年06月18日 环球时报上刊登了一篇题为《霍金预言人类百年后需移民外星 》的报道：

【“现代爱因斯坦”霍金13日在一个记者招待会上大胆预言，如果未来100年内人类没有因自相残杀而灭亡的话，人类应该移民外星球，建立不需要地球支持而自我维持的太空殖民地。

现年64岁的英国天体物理学家霍金称，他相信全球变暖、核战争和基因病毒都有可能在未来某一天彻底毁灭地球上的生物，人类要想永远在宇宙中生存下去，必须到其他行星上探索家园。霍金认为，人类大约在20年后便可在月球建立永久基地，40年后就可到达火星。但这两个星球都缺乏氧气，而且体积太小，不适合人类居住。

霍金说：“为了人类的生存和延续，我们应该分散到宇宙空间居住，这是非常重要的，地球上的生命被一场大灾难灭绝的危险性越来越大，比如突然的地球温度上升、核战争、基因变异的病毒或者其他我们还没有想到的灾难。”霍金称，人类应该拥有不需要地球支持的太空殖民地。

霍金还透露，他准备涉足科幻小说世界。他会与女儿鲁西合著一本适合儿童阅读的有关宇宙奥秘的著作。他说，经常与子女分享宇宙奥秘，就像哈利·波特一样，只是他漫游的是科学世界，而非魔术境界。】

可以说，霍金的建议也是全人类的梦想。如果这一梦想能够得以实现的话，那么，人类就不仅仅是地球的主人了，而是宇宙中的主人。到那时，地球就不再是人类的唯一家园了，而仅仅是人类无数个家园之一。到那时，人类再也无需去担心地球最终会被糟蹋成什么样子了，大不了再换一个，甚至还有可能会换一个更好的。

但是，如何才能实现这一梦想呢？在月球或者火星上盖一个房子就可以了吗？显然不行。因为，月球和火星上没有大气层、没有合适的大气压、没有氧气、没有水、没有草更没有牛羊。如果仅仅是到月球和火星上去旅游，人们可以躲在宇宙飞船里依赖从地球带过去的资源生存，并在飞船上的资源耗尽之前返回地球。但如果是移民，那就不能完全依赖从地球带过去的资源了，他们必须在月球和火星上就地取材、自给自足。而能够自给自足的唯一办法，就是建立一个能够源源不断地向人类提供各种食物资源的生态环境。

因此，人类能否移居月球和火星的关键就在于能否在那里建立一个能够满足人类生存条件的生态环境。

然而，问题就出在这里。在一些科幻作家们的眼里，生态环境的问题似乎很简单。他们以为只要在月球或者火星上盖一个密闭的大房子，然后，利用太阳能技术就可以解决大房子里面的能源问题，再利用生物技术就可以在大房子里面营造出像地球一样的生态环境了。其实，这完全是异想天开。

从某种意义上说，生态圈二号实验就是人类在外星球上营造生态环境的一次尝试。但是，毫无疑义，这种尝试注定是要失败的。而注定失败的根本原因有两点：

A、生物链不完整。生态系统是由生物链构成的组合性结构，如果生态链不完整，则组合性结构必然无法正常运行；

B、忽略了生态系统与其宏观和微观之间的关系。生态系统也是生命，也需要新陈代谢。从植物的光合作用上可以看出，生态的新陈代谢能力至少能够达到粒子水平。如果将生态系统封闭起来，封闭的隔层就会在一定程度上阻断生态系统的代谢来源。长此以往生态系统就会窒息，或者被活活地饿死。

如何解决这两大问题呢？从理论上看，当人类完全掌握了生态系统的“解剖图谱”之后，第一个问题也许就迎刃而解了。但是第二个问题就难了，而且即便是在理论上也无法解决。

因为，生态系统是一种组合性结构，而任何组合性结构与其宏观和微观的组合性结构之间的因果关系是无法分割的。所以，人类离不开生态环境，生态环境离不开地球环境。如果我们要想在外星球上营造一个适合于自己生存的生态环境，那就必须为生态环境营造一个地球环境，甚至还要为地球环境营造一个太阳系的环境。否则，规模再大的组合性结构都会因无法新陈代谢而解体。如果我们认为人类的本事再大也不可能营造出地球和太阳系的环境，那就说明人类决不可能成为外星球的居民。

由此可见，地球是我们人类唯一的家园，移居外星球的构想是不切合实际的。

除非，我们能在浩瀚的宇宙中找到一颗宏观条件和微观条件都与地球一模一样的行星。虽然，这在理论上是成立的。但是，现实的可能性却是很小很小，比器官移植的可能性还要小得多。

                          （待续）