财新传媒
位置:博客 > 李淼 > 牛顿力学与微缩人——刘慈欣短篇小说少儿版导读(一)

牛顿力学与微缩人——刘慈欣短篇小说少儿版导读(一)

刘慈欣,大家亲切地称他为大刘,是迄今为止华语界最有名的科幻作家。大家都知道《三体》三部曲,其实他的短篇小说书也非常好,简单一点说,老少咸宜。

大刘的作品的一个共同特色是故事宏大,情节引人入胜,往往一波三折。他的小说还有一个共同点,就是涉及到的科学知识比较硬,也就是说,完全假想的成分不多,基本上都有根据。当然,有根据不等于一定正确。但是,就像大刘自己说的那样,“正确”不是科幻小说所追求的,否则科幻就变成科学普及了,而不是小说。

没有物理学背景知识,我们也能读懂大刘的小说,但总会觉得哪里不舒服,因为这样我们就不会真正领悟大刘小说的奥妙。现在,我们就一册一册地稍微介绍一下这个系列中的物理学背景知识。

首先,在不少小说里出现与万有引力相关的事,比如说第一册中的第一篇故事《人和吞食者》。吞食者是一批驾驶一个巨大宇宙飞船来吞食地球的智慧生物,他们就是恐龙。这个大飞船形状像一个轮胎,比地球还要大,因此它产生的万有引力一点也不逊色于地球产生的万有引力。

我们平时觉得,一个胖子比一个瘦子要重得多,这个重量其实是地球对我们产生的万有引力。很多年以前,英国物理学家牛顿发现了万有引力定律:越重的东西对我们产生的引力越大,如果这个东西距离我们很近,引力就会更大,如果近一倍,引力就会大四倍。这样,除了地球会对我们产生引力,大牙来自的大轮胎飞船也会对我们产生引力。如果地球被轮胎套进去,那么除了地球对我们的引力之外,轮胎也会产生不弱于地球产生的引力,大轮胎就会轻而易举地吸入地球上的东西。

牛顿还发现,一个重量大的东西,推动起来也困难,这就是牛顿第二定律。比如月亮的质量虽然比地球小很多,大约是地球的百分之一,但比起我们自己的身体不知大了多少倍,要推动月亮,就需要巨大的力量。大牙的大轮胎比月亮还要大很多(我估计比地球还要大),因此推动大轮胎比推动月亮更难,所以,地球人想到利用核弹推动月亮,甚至比聪明的恐龙推动大轮胎还要灵活。

在第一册的第二篇小说中,地球被“神”掏空了,这个被掏空了的地球产生的万有引力可以忽略不计。但是,人类习惯了生活在有重力存在的情况,没有了重力,时间长了会产生很多不良后果(例如骨头变细)。“神”为了让人类生活得和以前一样,就让地球转动产生一种离心力。


离心力

转动产生离心力其实是牛顿第二定律的后果。当一个物体沿着一个圆运动时,尽管运动的速度不变,方向却一直在变。要改变运动的方向,就需要力。牛顿告诉我们,这个力与圆垂直,也就是指向圆心。速度增加一倍,力就是原来的四倍,圆的半径减少一倍,力就增加一倍。我们现在的地球也在自转,因此也产生离心力,但这个离心力比地球的重力小很多。

假如我们站在赤道上,地球要转多快才能平衡掉重力呢?答案是每天转差不多17圈!在《诗云》中,地球的转动产生的离心力是重力的1.5倍,那么,地球的转动速度是每天21圈,确实够快的。
 

但是,我们知道,离心力和重力相反,是向外的力,好在,在《诗云》中,人生活在地壳里面,也是说人站着的方向与离心力相反。太阳呢?早已不存在了,代替太阳的是地球中心的一个“神造”太阳,是通向一个黑洞的虫洞,也就是说,这个小太阳发出的光线是一个遥远的黑洞所吸入的光线。

第一册的最后一篇小说《微纪元》同样涉及重力。同样一个地球,但在遥远的未来,人类为了逃避太阳闪烁,将自己缩微了,这样就可以轻而易举地躲到地下去。缩微到身高只有10微米,是原来人类的二十万分之一,体积只有原来人类的亿亿分之一(原小说在这里犯了一个错误)。

有人问过这样问题,假如地球上存在巨人,那么,这种巨人的腰围(腰的周长)该有多大,是不是与身高成比例变大?我们知道,一个正常人类的腰围与腿长差不多,那么,一个身腿长3米的巨人,腰围是不是也是3米呢?回答不简单,数学家欧拉是第一个回答这个问题的人。他发现,身高越高的人,对腰产生的压力变得更大,为了承受更大的压力,人的腰围要比身高更大一些,具体地说,腿长3米的巨人,腰围至少要达到4米才行。

与之相反,如果我们是像《微纪元》里面的微人族,身高是原来的二十万分之一,腰长只需要是原来的四百万分之一,就能承受身体的重量,也就是说,微人族会变得非常非常细腰的种族。
 

不过,大刘在《微纪元》中只是将人类按照比例缩小了,否则人类即使被放大二十万倍看上去也不再是原来的人类,会变得像竹竿一样的人类。将人类按比例缩小,微人族的腰部就会变得特别有力,同样,微人类的双腿也变得非常有力,因此,大刘描述微人类的弹跳力十分惊人,原因正是这个。

大刘并一定知道欧拉的计算公式,他只要根据蚂蚁啊跳蚤啊这些小动物负重的本领和弹跳的能力,就能推想微人族的弹跳力。

以上我们讲了三篇小说涉及到的力学,其实,第二篇小说《诗云》还涉及到高深莫测的量子物理学、量子计算和量子存储,我们就不再介绍了。也许有一天,量子手机成为现实,甚至量子手机不再是手机,而是量子万能器,到那一天,我们就不得不将这些知识写入小学课本。

推荐 6