讓葡萄干跳舞

好奇心流淌在我的家族血液中。我的家人總是樂于接觸和探索新事物，不厭其煩地嘗試新東西。所以，哪怕我在全家聚餐時(shí)突然跑進(jìn)廚房翻出一瓶檸檬汽水和一把葡萄干開始搗鼓，他們也絲毫不會(huì)大驚小怪。那是個(gè)美麗的夏日，我母親家的花園里坐著全家人，包括我的妹妹、姨媽、祖母和父母。我找出一瓶2升裝的廉價(jià)檸檬汽水，撕掉標(biāo)簽，然后把那個(gè)塑料瓶放到桌子中央。面對我的瘋狂之舉，他們誰都沒有說話，但我知道，大家都在關(guān)注我的一舉一動(dòng)。于是我打開瓶蓋，往瓶子里加了整整一把葡萄干。檸檬汽水里升起了泡沫，等氣泡散盡，我們發(fā)現(xiàn)葡萄干在水中舞動(dòng)。我本來覺得這個(gè)小把戲最多能吸引大家一兩分鐘的注意力，但祖母和父親卻一直盯著它看。塑料瓶仿佛變成了一盞熔巖燈，葡萄干從瓶底浮到水面上，然后又沉下去，周而復(fù)始。它們在瓶子里打著旋兒互相碰撞，十分熱鬧。

一只麻雀飛了過來，它一邊啄著桌上的面包屑，一邊好奇地看了瓶子一眼。桌子對面的父親也緊盯著瓶子，眼神里同樣充滿好奇。“放其他東西進(jìn)去也行吧？”他問道。

答案是肯定的，而且理由非常充分。瓶蓋打開之前，瓶內(nèi)氣壓遠(yuǎn)高于外部氣壓。就在你擰開瓶蓋的瞬間，瓶內(nèi)氣壓下降了。檸檬汽水里溶解著大量氣體，高壓迫使它們停留在水中；但是突然之間，所有氣體有了個(gè)出口。問題在于，它們需要一條疏散路線。制造新氣泡非常困難，所以這些氣體分子只能加入已有的氣泡。葡萄干來得正合適，它的表面滿是V形褶皺，這是個(gè)有利因素，因?yàn)闄幟势疅o法徹底填充縫隙里的空間。沉到水底的葡萄干，每一條皺褶里都藏著氣泡的雛形——一小團(tuán)氣體。這就是你需要葡萄干（或者其他密度略大于水的皺巴巴的小東西）的原因。檸檬汽水里的氣體涌進(jìn)這些還未成形的氣泡，給葡萄干穿上一層氣體組成的救生衣。葡萄干本身的密度比水大，所以重力會(huì)拖著它沉到水底；但氣泡成形后，葡萄干和這些氣泡加在一起的整體密度就變小了，于是它開始上浮。到達(dá)水面后，氣泡破裂散逸，于是你看到葡萄干沉了下去。葡萄干被氣體托出水面，因?yàn)槭ゾ壬露鲁粒@樣的過程周而復(fù)始，直至檸檬汽水里多余的二氧化碳耗盡。

在桌子中央放了半小時(shí)以后，瓶子里令人眼花繚亂的現(xiàn)象終于漸漸平息，只是偶爾還有一粒葡萄干無精打采地緩緩沉浮，檸檬汽水也蒙上了一層黯淡的黃色。浮力帶來的盛大演出已經(jīng)謝幕，剩下的一大瓶液體看起來就像泡著死蒼蠅的尿樣。

試試看吧。如果你能找到一小把葡萄干，那么這套小把戲很適合在在聚會(huì)時(shí)活躍氣氛。關(guān)鍵在于，氣泡和葡萄干融合成了一個(gè)整體，它們一起運(yùn)動(dòng)。裹在葡萄干上的氣泡幾乎沒什么重量，卻能大大擴(kuò)展它們所占的體積。物體的密度等于質(zhì)量除它占據(jù)的空間，所以葡萄干和氣泡組成的這個(gè)整體，其密度小于葡萄干本身。重力以拉力的形式作用于物體，密度小的東西重力也更小。正因如此，某些物體能浮起來——漂浮只是重力引發(fā)的一種分層現(xiàn)象。重力將密度大的液體向下拉扯，如果浸泡在液體內(nèi)的物體密度相對較小，它就會(huì)上浮。所以我們說，比液體密度小的物體會(huì)漂浮在液面上。

充滿空氣的空間可以幫助調(diào)節(jié)物體的相對密度和漂浮狀態(tài)。眾所周知，“永不沉沒”的“泰坦尼克號”就在底艙中設(shè)計(jì)了巨大的防水隔間，它們的作用類似葡萄干上的氣泡：充滿空氣的隔間為這艘巨輪提供了更多浮力，讓它能浮在海面上。結(jié)果“泰坦尼克號”撞上了冰山，隔間的密封性遭到破壞，水灌滿了底艙，就像葡萄干上的氣泡散逸到空氣中。和失去了救生衣的葡萄干一樣，“泰坦尼克號”只能無奈地沉入深海。[13]

我們見慣了物體的沉浮，卻很少會(huì)想到物體有重力才有沉浮。這種亙古長存的力量占據(jù)著生命的舞臺(tái)，時(shí)時(shí)刻刻提醒我們哪邊是“下”。重力的作用大得不可思議，它將所有物體固定在地面上，讓一切看起來井然有序。與此同時(shí)，重力產(chǎn)生的效果也是最直觀的。力很奇怪——你看不見它，也很難弄清它的作用。但重力一直在那里，大小不變（至少在地表是這樣），方向恒定。如果你想深入了解力，重力是理想的啟蒙老師。先了解一下墜落現(xiàn)象吧，這是最好的入門方式，不是嗎？

空中墜落和海上搖擺

跳板跳水和高臺(tái)跳水帶來的感覺介于極度的自由和徹底的瘋狂之間。離開跳板的瞬間，你完全感覺不到重力的存在。當(dāng)然，重力并沒有消失，但在那一刻，它是作用在你身上的唯一的力，沒有任何力與它抗衡。這時(shí)，你在旋轉(zhuǎn)中感覺自己就像一個(gè)完全不受外力的物體，仿佛飄浮在太空中，你將體會(huì)到極度的自由。但世上沒有免費(fèi)的午餐，一兩秒后你就會(huì)到達(dá)水面，麻煩也跟著來了。你有兩條路可走：要么用手或者腳開辟一條小小的通道，讓身體其余部分能夠優(yōu)雅地滑入水中，最大限度地壓制水花；要么張開四肢，任由自己的肚子或者背部迎接沖擊，激起巨大的水花。當(dāng)然，第二種方式會(huì)很疼。

二十多歲時(shí)我做過幾年跳板跳水選手和教練，但我討厭高臺(tái)跳水。跳板富有彈性，而且它距離水面的高度只有1～3米，感覺有點(diǎn)像蹦床，只是著陸更加平緩。高臺(tái)卻是堅(jiān)硬的，不同高臺(tái)距離水面的高度分為5米、7.5米甚至10米。我常去訓(xùn)練的那個(gè)游泳館只有5米的高臺(tái)，但我依然想方設(shè)法逃避高臺(tái)跳水。

站在5米的高臺(tái)上，腳下的水面看起來非常遙遠(yuǎn)。游泳池底總有細(xì)碎的泡泡冒上來，所以就算池水紋絲不動(dòng)，你也能清晰地看到水面的位置。最基礎(chǔ)的熱身動(dòng)作是向前正跳——看到這個(gè)名字，你不難想象出相應(yīng)的動(dòng)作。跳水者站在跳臺(tái)末端，雙臂伸直緊鎖在頭頂，同時(shí)向前彎腰，整個(gè)身體呈L形，保證上半身與下半身形成直角。現(xiàn)在眼前的高度看起來似乎沒那么嚇人了，因?yàn)閺澫卵院螅愕念^離水面近了一點(diǎn)。然后，你踮起腳縱身一躍，就在這個(gè)瞬間，你自由了。天地間只剩下你和這顆重達(dá)6×1024千克的星球，重力是你們之間唯一的聯(lián)系。根據(jù)宇宙的法則，這意味著你們正在互相拉扯。

和其他所有力一樣，重力會(huì)改變你的速度，它會(huì)帶來加速度。這就是著名的牛頓第二定律[14]：作用于你的合力會(huì)改變你的速度。起跳前，你處于靜止?fàn)顟B(tài)，起跳的瞬間，你動(dòng)了起來。加速度的有趣之處在于，它衡量的是物體每秒的速度變化。從起跳到下落1米，你需要花費(fèi)相對較長的時(shí)間（0.45秒）。在下一個(gè)1米，你的下落會(huì)花費(fèi)更少的時(shí)間，也正因如此，這個(gè)過程中可以用來加速的時(shí)間比上一個(gè)1米短暫。下落1米時(shí)你的速度是4.2米/秒，下落2米以后，你的速度也只達(dá)到了6.2米/秒。

因此，在跳水的過程中，你要花大部分時(shí)間待在最糟的地方：遠(yuǎn)離水面的高空。舉個(gè)例子：從5米高臺(tái)跳水的時(shí)候，前一半的時(shí)間里你只能下降1.22米，但接下來就很快了，整個(gè)5米的下落過程在1秒內(nèi)就能完成，最終你的速度將達(dá)到9.9米/秒。你伸展身體扎向水面，期待著沒有水花的完美入水。

比賽前夕，無論來到哪個(gè)游泳池，隊(duì)里的其他人都會(huì)爭先恐后地?fù)屨几叩奶_(tái)，我卻不會(huì)。我覺得在空中停留的時(shí)間越長，出錯(cuò)的可能性就越大。但這個(gè)想法其實(shí)不太站得住腳，因?yàn)槟愕倪\(yùn)動(dòng)速度太快，額外的距離根本不會(huì)增加多少速度。舉例來說，下降5米需要1秒，下降10米只需1.4秒，雖然你的運(yùn)動(dòng)距離變成了原來的2倍，但速度卻只會(huì)增加40%。我很清楚這一點(diǎn)。但在4年的跳水生涯中，我從沒跳過超過5米的高度。我不恐高，只是害怕最后的沖擊。重力加速的時(shí)間越長，最后減速的過程就越讓人不適。如果你也有不小心摔壞手機(jī)的經(jīng)歷，你肯定明白讓重力做主有時(shí)候不是什么好事。墜落的距離越長，物體獲得的加速度也越大，不過事情也有例外。

在地球上，重力的作用是有限制的。因?yàn)樽饔糜谀愕牧Σ恢怪亓σ环N，最終的加速度取決于所有力的合力。速度變快了，你需要在單位時(shí)間內(nèi)推開的空氣也會(huì)變多，這些空氣會(huì)阻擋你前進(jìn)，部分抵消重力的加速效果，因?yàn)樗姆较蚺c重力完全相反。到了某個(gè)時(shí)刻，重力與阻力相平衡，你的運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)定下來不再變快。以樹葉、氣球和降落傘為例，這些東西的重力很微弱，相比之下，作用于它們的空氣阻力相當(dāng)可觀，所以這些物體在下落速度相對較小的時(shí)候就會(huì)達(dá)到受力平衡。如果是人的話，想在地面附近讓重力與空氣阻力相平衡，你的速度很可能要高達(dá)190千米/小時(shí)才行。悲傷的是，墜落的人在低速下受到的空氣阻力相當(dāng)微弱，直到現(xiàn)在，這樣的力量也無法讓我安心地跳下10米的高臺(tái)。

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我主要研究海面附近的物理學(xué)現(xiàn)象。我是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，測量海天之間這片美麗而混亂的空間中發(fā)生的事情，這是我工作的一部分。我經(jīng)常需要在科考船上工作好幾個(gè)星期，在海面上漂浮的科考船就像一座功能齊全的移動(dòng)科學(xué)村。在船上生活的問題在于，這里的重力環(huán)境和你以前習(xí)慣的大相徑庭。“下”變成了一個(gè)不確定的概念。有時(shí)候物體墜落的方向和速度與陸地上相同，有時(shí)候卻完全不一樣。要是桌子上的東西沒有固定，你就總有些提心吊膽，因?yàn)檎l也無法確定它會(huì)一直停留在原處。海上生活充斥著橡皮筋、線、繩子、黏性防滑墊和上鎖的抽屜。變幻莫測的力隨時(shí)可能把各種物品甩向四面八方，就像喜歡惡作劇的科學(xué)幽靈；在這種情況下，你需要這些小玩意兒幫助維持生活的秩序。

我研究的是風(fēng)暴中破碎的海浪產(chǎn)生的氣泡，所以我經(jīng)常在惡劣的天氣下出海幾個(gè)月。實(shí)際上我喜歡出海，因?yàn)槲液芸爝m應(yīng)了海上的生活。這樣的經(jīng)歷也讓我深刻地認(rèn)識到，我們平時(shí)對重力有多么熟視無睹。

在某艘南極科考船上，乘務(wù)長懷著近乎偏執(zhí)的熱情每周讓我們做三次循環(huán)訓(xùn)練。我們聚集在大船中央一個(gè)空曠的鐵壁船艙里，乖乖地跟著指揮蹦蹦跳跳，每次持續(xù)1小時(shí)。這可能是我做過的最鍛煉人的循環(huán)訓(xùn)練，因?yàn)橛肋h(yuǎn)不知道下一秒哪里會(huì)冒出一個(gè)力需要去克服。你可能覺得前幾個(gè)仰臥起坐輕松得不像話，那是因?yàn)榇碚谙蛳聝A斜，這有效地抵消了重力。船駛到浪谷的時(shí)候，你簡直感覺飄飄欲仙。然而就在下一個(gè)瞬間，重力陡然增加了50%，你覺得自己像是被橡皮筋緊緊地捆在了地面上，你必須調(diào)動(dòng)肚子上的所有肌肉才能勉強(qiáng)把身體拉起來。幾個(gè)仰臥起坐以后，重力又會(huì)再次消失。需要跳躍的運(yùn)動(dòng)感覺更糟，因?yàn)槟阌肋h(yuǎn)不知道哪邊才是地板。訓(xùn)練終于結(jié)束了，可是在洗澡的時(shí)候，你還得在小隔間里追逐花灑噴出的水流，因?yàn)榇碓趽u晃，你根本不知道它下一秒會(huì)噴向哪里。

當(dāng)然，重力是無辜的。它一視同仁地作用于船上的所有東西，將每一個(gè)物體拉往地心的方向。但你總是在需要對抗重力加速度的時(shí)候感受到重力的作用。海上科考船這個(gè)鐵盒子被大自然玩弄于股掌之中。在這里生活，你周圍的一切都在加速，你的身體也無從分辨罪魁禍?zhǔn)椎降资侵亓铀俣冗€是其他力帶來的加速度。所以，無論這些力來自哪里，所有力抵消或是匯合之后的結(jié)果，才是你感覺到的重力。同樣，在電梯剛剛啟動(dòng)和即將停止的時(shí)候——在電梯加速和減速的過程中——你也會(huì)產(chǎn)生一種奇怪的感覺。身體無法分辨電梯帶來的加速度和重力造成的加速度，所以你會(huì)感覺重力對你的作用在變化。在那短短的幾分之一秒內(nèi)，你體驗(yàn)到了生活在另一顆重力不同的星球上是什么感覺。[15]

幸運(yùn)的是，大部分時(shí)間我們不用為這些復(fù)雜的事情操心。在日常生活中，重力恒定不變，永遠(yuǎn)指向地心。所有物體都會(huì)向“下”墜落，就連植物都知道這個(gè)。

我的母親是一位勤勞的園丁，所以我在成長過程中，有很多機(jī)會(huì)參與播種和鋤草，我還會(huì)翻肥堆，會(huì)對著惡心的鼻涕蟲不由自主地皺起鼻子。我還記得，種子萌芽讓幼時(shí)的我驚嘆不已，因?yàn)樗鼈兡馨焉虾拖路值们迩宄７N莢在黑暗的泥土中悄然張開，根須向下伸展，初生的幼芽努力向上冒出頭來。只要拔出一棵剛剛發(fā)芽的幼苗，你就能清晰地看到，它毫不猶豫地朝這兩個(gè)方向生長，不需絲毫探索。根筆直向下，芽挺拔向上。種子怎么知道方向呢？長大一點(diǎn)以后，我找到了答案。真相其實(shí)很簡單，種子里有一種特殊的平衡細(xì)胞，這就像植物版的微縮雪景球。每個(gè)平衡細(xì)胞里都有一些特殊的淀粉顆粒，這些顆粒的密度大于細(xì)胞內(nèi)的其他物質(zhì)，所以它們總會(huì)沉到細(xì)胞底部。蛋白質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)能夠感知這些顆粒的位置，所以種子和幼苗知道哪邊是上。下次播種的時(shí)候，你可以把種子翻來倒去，想象一下你的動(dòng)作將如何影響種子里的雪景球；不必在乎種子撒下去的角度，它們會(huì)自己解決這個(gè)問題。

重力是一種非常有用的工具。鉛垂線和水準(zhǔn)儀廉價(jià)而精準(zhǔn)。我們都知道哪邊是“下”，但是，既然所有物體之間都有引力，那遠(yuǎn)處的山豈不是也在拉扯我？為什么地心引力這么獨(dú)特？

我熱愛海濱，原因有很多（浪花、泡沫、日落、海邊的輕風(fēng)），但其中最重要的是，遼闊的大海可以帶來彌足珍貴的自由感。在加州工作的時(shí)候，我跟別人合住在一棟小房子里，離海灘近得能聽到夜晚的濤聲。后院有一棵橘子樹，我可以坐在門廊下，靜觀熙來攘往的人群。忙碌的一天結(jié)束后，我可以走到公路盡頭，坐在光滑而滄桑的石頭上遙望太平洋，這真是再奢侈不過的享受。

幼時(shí)的我也曾在英國的海邊玩耍，但那時(shí)候我總忙著尋找魚兒和鳥，或是驚嘆于海浪的壯觀。但在圣迭戈看海的時(shí)候，我想到的是我們這顆星球。太平洋如此廣闊，它在赤道上的跨度足足占據(jù)了整個(gè)地球周長的1/3。望著遠(yuǎn)方的日落，我想著腳下這個(gè)巨大的巖石球，阿拉斯加和北極在我右側(cè)的遠(yuǎn)方，腳下的安第斯山脈向左一路延伸到南極洲。我險(xiǎn)些迷失在頭腦中的畫卷里，在那個(gè)瞬間，我仿佛一念千里，親身來到了那些地方。它們都在吸引我，我也在吸引它們。每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都在吸引其他質(zhì)點(diǎn)，萬有引力其實(shí)是一種很小的力，就連孩子都能輕松對抗整顆行星產(chǎn)生的引力。但無論如何，這些弱小的吸引力依然存在。我們體驗(yàn)到的重力由無數(shù)微弱的力匯集而成。

1687年，偉大的科學(xué)家艾薩克·牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）中首次提出了萬有引力定律。這條定律指出，兩個(gè)物體之間的引力與距離的平方成反比。根據(jù)這一點(diǎn)，牛頓證明了如果將一顆行星產(chǎn)生的所有引力匯總到一起，許多側(cè)向力會(huì)相互抵消，最后只留下一個(gè)向下的力，它指向行星正中央，與行星質(zhì)量及被拉扯物體的質(zhì)量成正比。如果一座山和你的距離拉長至原來的2倍，那它對你的引力就會(huì)變成原來的1/4。所以物體離你越遠(yuǎn)，對你的影響就越小，盡管影響依然存在。我坐在海濱看落日時(shí)，阿拉斯加向我施加了一個(gè)向北的引力，與此同時(shí)，安第斯山向我施加了一個(gè)向南的引力。但這兩股力相互抵消，剩下的就是向下的重力。

所以，此時(shí)此刻，盡管每一個(gè)人都會(huì)同時(shí)受到喜馬拉雅山、悉尼歌劇院、地核和無數(shù)海螺的引力，但我們無須深究所有細(xì)節(jié)，化繁為簡就是最便捷的工具。要計(jì)算地球?qū)ξ业囊Γ抑恍枰赖匦暮臀业木嚯x以及整顆行星的質(zhì)量。牛頓這一理論的美妙之處在于，它簡潔、明確、有效。

不過，力的確很奇怪。牛頓對引力的解釋固然相當(dāng)巧妙，卻有一個(gè)極大的缺陷：他沒有揭示引力背后的機(jī)制。地球的引力讓蘋果落地[16]——這樣的斷言簡單而直接，但引力從何而來？難道有我們看不見的繩子或者精靈？直到愛因斯坦提出廣義相對論，這個(gè)問題才有了比較令人滿意的答案，但在此之前的230年里，牛頓的引力模型得到了廣泛的接受，而且一直應(yīng)用至今，因?yàn)樗拇_非常有效。

廚房秤、倫敦塔橋和霸王龍

你看不到力，但幾乎每個(gè)廚房里都有測量力的設(shè)備。烹飪（尤其是烘焙）需要一件必不可少的工具，但所有光鮮亮麗的食譜都不會(huì)提到它。你之所以需要這件工具，是因?yàn)槭巢牡牧亢苤匾惚仨殰?zhǔn)確稱量原材料。而要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，你需要一個(gè)行星那么大的（隨便什么）物體。對于喜歡葡萄干餡餅、果醬夾層蛋糕和巧克力奶油蛋糕的人來說，幸運(yùn)的是我們正好就站在這些個(gè)體上。

我有一本手寫的食譜，里面記錄著我從8歲開始搜集的配方。我喜歡翻到最前面回顧過往。胡蘿卜蛋糕就能讓我回憶童年。那一頁潦草的字跡已經(jīng)沾滿了多年積累的污漬，上面寫的第一步是稱200克面粉。烘焙師的辦法其實(shí)很聰明，只是我們早已習(xí)以為常。他們把面粉放進(jìn)碗里，然后直接測量地球?qū)λ囊Γ瑥N房秤就是用來干這個(gè)的。我們把廚房秤放在龐大的地球與小小的碗之間，測量秤受到的擠壓力。物體與地球之間的引力與二者的質(zhì)量積成正比，既然地球質(zhì)量恒定，那么碗里的面粉質(zhì)量就成了影響引力的唯一變量。廚房秤測得的重量實(shí)質(zhì)上是面粉與地球之間的引力，這個(gè)值等于面粉質(zhì)量乘以重力加速度，重力加速度是恒定的，所以，只要測得重量（引力），就能根據(jù)已知的重力加速度算出碗里面粉的質(zhì)量。下一步我們需要100克黃油。于是你換一個(gè)新碗擱在廚房秤上，往里放黃油，直到廚房秤承受的擠壓力達(dá)到剛才的一半。這種簡單實(shí)用的技術(shù)可以幫助你測量物體的質(zhì)量，它適用于這顆行星上的所有物體。物體質(zhì)量越大，重量就越大，因?yàn)榈厍驎?huì)對它產(chǎn)生更大的引力。太空中所有物體都會(huì)失去重量，因?yàn)槟抢锏囊μ酰a(chǎn)生的效果也不夠明顯，除非你靠近某顆星。

廚房秤為我們上了重要的一課：引力造就了地球和太陽系，而且在人類文明中無處不在，但它其實(shí)非常弱小。地球的質(zhì)量是6×102?千克（6×1021噸），但它對那碗面粉的引力還敵不過一根小小的橡皮筋。當(dāng)然，要是沒有引力，所有生命都將不復(fù)存在，但廚房秤帶來的啟示為我們開啟了新的視角。每當(dāng)你拿起一件東西的時(shí)候，請記住，你正在對抗一整顆行星的引力。太陽系之所以有這么大，就是因?yàn)橐芪⑷酢２贿^，與其他基本力相比，引力也有一個(gè)明顯的優(yōu)勢，那就是它的作用距離。引力的確十分微弱，你離地球越遠(yuǎn)，地球?qū)δ愕囊驮饺酰鼌s能跨越廣袤的太空，拉扯其他行星、恒星和星系。每個(gè)引力都很弱小，但宇宙的結(jié)構(gòu)正是由這些渺小的力構(gòu)建起來的。

話說回來，哪怕只是從桌上端起做好的胡蘿卜蛋糕也需要費(fèi)點(diǎn)力氣。蛋糕放在桌子上的時(shí)候，桌面提供的向上的力正好抵消了蛋糕與地球之間的引力。要把它端起來，你花費(fèi)的力氣必須比桌面的支撐力大，這樣才能打破平衡，讓蛋糕向上運(yùn)動(dòng)。在我們生活中起作用的不是某一個(gè)單獨(dú)的力，而是它們抵消和匯總后的合力。這樣一來，事情就簡單多了。多大的力都可以通過反向的力來抵消。要深入思考這個(gè)問題，最簡單的辦法是先觀察固體的受力情況，因?yàn)楣腆w在受力時(shí)不會(huì)變形。倫敦塔橋就是一個(gè)固體。

重力也有很煩人的時(shí)候，如果你想讓物體停留在空中，那就得設(shè)法對抗它。要是做不到的話，東西自然就會(huì)掉到地上，就像水總是天經(jīng)地義地流向低處。不過對固體來說，情況有所不同。我們可以用支點(diǎn)有效地抵消重力，撬起重得不可思議的物體，就像在玩蹺蹺板一樣。蹺蹺板的另一半通常被巧妙地隱藏了起來，倫敦塔橋那兩座美麗的高塔就是這方面的典范。兩座人工島將泰晤士河的寬度等分成三份，兩座高塔矗立在島上，守衛(wèi)著倫敦的入海口，托起貫通城市南北的公路。

塔橋的人行道上總是擠滿了手持相機(jī)的游客，倫敦出租車、紀(jì)念品商人、咖啡攤、遛狗的人和來來往往的巴士組成了這幅畫卷的背景。在混亂的人群中穿梭，我們亦步亦趨地跟在導(dǎo)游身后，就像一群聽話的小鴨子。導(dǎo)游打開塔基的一道鐵門，領(lǐng)著我們繞過墻角，石砌的棚子映入眼簾，看起來就像精致的花園涼亭。周圍突然安靜下來。你幾乎能聽見人們?nèi)玑屩刎?fù)的嘆息，我們這些游客終于熬過了嚴(yán)酷的考驗(yàn)，得到了最后的獎(jiǎng)賞，看到了黃銅刻度盤、巨型控制桿，還有粗笨的閥門。這都是維多利亞時(shí)代留下的堅(jiān)固工程。塔橋以童話城堡般的美麗精致聞名于世，但現(xiàn)在我們看到的才是它的本質(zhì)：這頭優(yōu)雅而強(qiáng)壯的野獸擁有一顆龐大的鋼鐵之心。

早在兩千年前，倫敦就已經(jīng)是一座港口了。河上之城的美妙之處在于，它有兩道可供人休憩的河岸，這不僅僅是一小段海岸線。泰晤士河無疑是一條至關(guān)重要的水上高速公路，可對徒步行走的人和陸上交通工具來說，它又成了一道天塹。曾有不少橋梁跨越這條河流，隨后又消失在歷史的塵埃中。19世紀(jì)70年代，這座城市迫切需要一座新的橋梁，但問題在于，泰晤士河里常有高高的大船經(jīng)過，如何在不妨礙船只通行的情況下幫助馬匹和車輛橫跨河道？最后，人們想出了塔橋這個(gè)巧妙的解決方案。

這座小小的石頭棚子坐落在一道螺旋樓梯頂端，樓梯另一頭旋轉(zhuǎn)向下，連接著塔基旁幾個(gè)大得不可思議的磚砌洞穴。這些巨洞看起來像是通往納尼亞大陸[17]的衣櫥，但這里的“納尼亞”不是奇幻世界，而是工程學(xué)的王國。第一個(gè)洞里安裝著古老原始的液壓泵，第二個(gè)洞比第一個(gè)大得多，一頭木制怪獸占據(jù)了洞穴的大部分空間：那是一個(gè)兩層樓高的巨桶，可以用來臨時(shí)儲(chǔ)存能量，很像電池。不過，第三個(gè)洞才是最大的，這里裝著整座塔橋的配重。

兩座高塔之間的橋身分成獨(dú)立的兩半。每年大約有1000次，有大船航行到塔橋附近時(shí)，橋面上的交通暫時(shí)停止。橋身的兩半分別向上抬起，與此同時(shí)，隱藏在塔基下黑暗洞穴中的配重開始下降，它就是蹺蹺板的另一頭。我抬頭仰望巨大的配重塊，不禁問道：“我們頭頂這些東西到底有多重？”導(dǎo)游格倫高興地回答：“噢，這里大約有460噸鉛錠和少量生鐵，它們總在擺動(dòng)。塔橋升起的時(shí)候，你能聽到它們發(fā)出吱扭聲。如果改動(dòng)了橋面上的建筑，那么配重也要重新調(diào)整，這樣才能保證塔橋的完美平衡。”顯然，世界上最大的沙包正懸掛在我們頭頂正上方。

這套方案的關(guān)鍵在于平衡。這一整套機(jī)械裝置的作用不是硬生生抬起塔橋，而是讓它傾斜一點(diǎn)點(diǎn)，支點(diǎn)兩側(cè)受力完全平衡。這意味著我們只需要一點(diǎn)點(diǎn)能量就能讓它動(dòng)起來——只要能克服軸承的摩擦力就行。在這套系統(tǒng)中，重力被抵消了，因?yàn)檐E蹺板兩頭承受的下拉力完全相等。我們無法打敗重力，但可以讓它自己打敗自己。正如維多利亞時(shí)代人們已經(jīng)認(rèn)識到的，造一個(gè)巨大的蹺蹺板就行。

游覽結(jié)束后，我沿著河岸走了一小段路，然后回望這座大橋。現(xiàn)在塔橋在我眼中完全變了模樣，我喜歡這種新奇的角度。維多利亞時(shí)代的人們沒有唾手可得的電力和掌控全局的計(jì)算機(jī)，也沒有塑料和鋼筋水泥這樣的新材料，但他們卻能用最簡單的物理原理完成這樣宏偉的工程。塔橋的簡潔深深觸動(dòng)了我。它之所以如此精確，是因?yàn)楸澈蟮脑矸浅：唵危灰舱沁@個(gè)原因，120年后的今天，這座大橋仍在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，幾乎沒有任何變化。哥特復(fù)興式（或者說宛如童話城堡般）的建筑風(fēng)格只是一層包裝，塔橋的本質(zhì)其實(shí)是一座巨大的蹺蹺板。要是有人能重修一座塔橋，我希望它是透明的，讓所有人都能看到它的巧妙之處。

用蹺蹺板的思路解決重力問題的例子還有很多。請想象一個(gè)4米高的支點(diǎn)，支點(diǎn)兩頭各有一塊6米長的板子，它們共同組成了平衡的蹺蹺板。我說的不是大橋，而是霸王龍，它是白堊紀(jì)最負(fù)盛名的食肉動(dòng)物。兩條粗壯的腿支撐著霸王龍的身體，髖部就是它的支點(diǎn)。霸王龍之所以不會(huì)摔個(gè)嘴啃泥，是因?yàn)樗L著恐怖牙齒的沉重頭顱與肌肉發(fā)達(dá)的長尾巴達(dá)到了平衡。不過，作為一座行走的蹺蹺板，霸王龍生活得并不輕松。再一往無前的霸王龍也難免偶爾想轉(zhuǎn)個(gè)方向，但這個(gè)看似簡單的動(dòng)作對它們來說卻很困難。人們估計(jì)，霸王龍需要花費(fèi)一兩秒的時(shí)間才能轉(zhuǎn)身45度；《侏羅紀(jì)公園》里的霸王龍既聰明又敏捷，但在現(xiàn)實(shí)世界里，霸王龍不可能那么靈活。龐大強(qiáng)壯的恐龍為什么會(huì)有這樣的弱點(diǎn)？這都多虧了物理學(xué)。

冰上旋轉(zhuǎn)的舞者姿態(tài)優(yōu)雅，充滿美感，讓人不由得驚嘆于人體的無窮潛力。不過，要是跟物理學(xué)家一起待得太久，你會(huì)不由自主地想到，花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員最大的貢獻(xiàn)或許在于，人們可以直觀地看到，他們雙臂展開時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)小于雙臂收起的時(shí)候。這個(gè)例子十分實(shí)在，因?yàn)楸鶐缀鯖]有摩擦力，按理來說，在冰上旋轉(zhuǎn)的人，他旋轉(zhuǎn)的“量”是恒定的。真正有趣的地方在于，運(yùn)動(dòng)員不用獲得外力，他們調(diào)整姿態(tài)就能改變自己的速度。我們發(fā)現(xiàn)，物體離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，它旋轉(zhuǎn)一圈所運(yùn)動(dòng)的距離就越長，于是這一圈就會(huì)從總“轉(zhuǎn)量”[18]中消耗較多的一部分。如果你伸開雙臂，那么它們離轉(zhuǎn)軸的距離就會(huì)變遠(yuǎn)，為了達(dá)到新的平衡，身體轉(zhuǎn)動(dòng)的速度會(huì)相應(yīng)變慢。這就是讓霸王龍苦惱的問題。霸王龍的雙腿產(chǎn)生的轉(zhuǎn)向的勁兒（力矩）就是這么多，巨大的頭顱和沉重的尾巴又距離轉(zhuǎn)軸太遠(yuǎn)，就像運(yùn)動(dòng)員伸開的雙臂一樣，所以它只能慢慢轉(zhuǎn)身。要是某只敏捷的哺乳動(dòng)物（比如我們的祖先）能想明白這一點(diǎn)，那它的生活就會(huì)變得安全得多。

這也解釋了我們在快要跌倒的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)本能地張開雙臂。如果我從站立姿勢開始向右摔倒，那么實(shí)際上，我是在繞著自己的腳踝旋轉(zhuǎn)。要是我能在摔倒之前張開胳膊或者雙臂上舉，就能抵消一部分外力，贏得更多時(shí)間，讓我有機(jī)會(huì)調(diào)整姿態(tài)，重新站穩(wěn)。所以平衡木上的體操運(yùn)動(dòng)員總是水平展開雙臂。這個(gè)動(dòng)作能增大她們的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，讓她們有更多時(shí)間調(diào)整姿態(tài)，避免墜落。除此以外，你還可以上下?lián)]舞雙臂，這同樣有助于保持平衡。

1876年，瑪麗亞·斯佩特里娜（Maria Spelterina）成為第一個(gè)以走鋼索的方式跨越尼亞加拉大瀑布的女性。一張照片記錄下了她走在鋼索中間的一幕，瑪麗亞鎮(zhèn)定地保持著平衡，腳下還掛著裝桃子的果籃，這是為了更有看點(diǎn)。不過，照片里最醒目的還得數(shù)瑪麗亞手中那根水平的長桿，它是輔助平衡的最佳工具。人的手臂伸展的距離有限，瑪麗亞能夠精確地控制身體的平衡，平衡桿的功用不可忽視，它可以替代手臂發(fā)揮作用。[19]就算身體失去平衡，變化也會(huì)來得很慢，因?yàn)槠胶鈼U兩端之間的漫長距離削弱了力矩的作用效果。人們擔(dān)心瑪麗亞會(huì)摔向一邊，但手中的長桿阻礙了她的身體從左向右的轉(zhuǎn)動(dòng)。霸王龍遇到的也是這種情況。瑪麗亞沒有掉到腳下50米外的瀑布里香消玉殞，7000萬年前的霸王龍無法迅速轉(zhuǎn)向，這兩件事看似風(fēng)馬牛不相及，但背后的物理學(xué)原理卻完全相同。

重力對固體產(chǎn)生拉力，這個(gè)概念聽起來相當(dāng)熟悉，這主要是因?yàn)槲覀冏约阂矔?huì)受到重力的拉扯。不過，世界上除了固體以外還有流動(dòng)的液體。在外力作用下，水像空氣一樣，也在一刻不停地流動(dòng)變化。我們能看到樹葉墜落、大橋升起，卻不常看到液體的流動(dòng)，我時(shí)常覺得這是一大遺憾。液體同樣會(huì)受到各種力的作用，但它們不用保持固定的形狀，所以流體力學(xué)的世界十分美妙。液體自由自在地流淌、旋轉(zhuǎn)、漫延，超乎想象，無處不在。

魚會(huì)打嗝嗎？

氣泡的可愛之處正在于它們無處不在。我覺得氣泡是物理世界的無名英雄，它默默出現(xiàn)在水壺、蛋糕、生物反應(yīng)堆和浴缸里，低調(diào)地完成各種任務(wù)，又在大功告成后悄然消失。氣泡是我們再熟悉不過的東西，所以我們常常意識不到它的存在。幾年前我曾問幾組5～8歲的孩子：“你們覺得哪些地方可能有氣泡出現(xiàn)？”快樂的孩子們給出的答案包括汽水、浴缸和水族箱。可是當(dāng)我問到最后一組的時(shí)候，也許是因?yàn)楹⒆觽兝哿耍瑹o論我怎么和顏悅色地鼓勵(lì)，他們還是不肯說話，只是茫然地瞪著我。休息了很長時(shí)間，反復(fù)地啟發(fā)多次以后，終于有個(gè)普普通通的6歲孩子舉起了手。“那么，”我趕緊換上輕快的語氣，“你能在哪里找到氣泡呢？”男孩用一種“這還用說嗎”的目光瞥了我一眼，然后大聲宣布：“芝士……還有鼻涕。”我無法反駁他，雖然我以前從沒想到過這兩樣?xùn)|西。顯而易見，這孩子吹鼻涕泡泡的次數(shù)應(yīng)該比我多得多。不過至少對某種動(dòng)物來說，冒泡的鼻涕決定了它特殊的生活方式——現(xiàn)在，來認(rèn)識一下紫螺（janthina janthina）吧。

這種紫色的海螺通常生活在海床和海底的巖石上。如果你把紫螺從它棲息的巖石上摳下來，再把它托到稍微高一點(diǎn)的水中并松開手，它就會(huì)下沉。古希臘數(shù)學(xué)家阿基米德（就是那位以“我知道了！”聞名于世的數(shù)學(xué)家）首次總結(jié)出了物體在什么情況下會(huì)上浮，在什么情況下會(huì)下沉。或許阿基米德只想研究船只，但實(shí)際上，浮力定律同樣適用于海螺、鯨，以及浸在液體中的任何物體。

阿基米德指出，浸沒在液體中的物體與被它排開的液體之間存在明顯的競爭關(guān)系。海螺和周圍的水都受到向下的地心引力，水是一種液體，所以物體可以在水中輕松地運(yùn)動(dòng)。作用于某件物體的重力與物體質(zhì)量成正比。如果海螺的質(zhì)量增加1倍，那么它受到的重力也會(huì)增加1倍。物體周圍的水也受向下的重力作用，那么，如果水受到的力相對較大，海螺就只能上浮，好讓更多的水流動(dòng)到海螺下方。根據(jù)阿基米德定律，這只倒霉的軟體動(dòng)物受到的向上的推力（浮力）等于被它排開的水受到的向下的重力。實(shí)際上，這意味著如果海螺質(zhì)量大于被它排開的水的質(zhì)量，那么它將贏得這場重力之戰(zhàn)，并且沉入水底；而要是海螺的質(zhì)量更小（它的密度小于水），那么勝利者就變成了水，水向下流動(dòng)，螺殼向上浮起。大部分海螺的密度大于海水，所以它們總會(huì)沉下去。

大部分海螺都無法逃脫下沉的命運(yùn)，但在歷史上的某一天，某只“普通”海螺遇到了一件倒霉事：一個(gè)氣泡鉆進(jìn)了它的卵鞘。浮力的特殊之處在于，從本質(zhì)上說，對特定液體而言，唯一影響浮力的因素是物體的整體密度。要改變物體的浮力，你不必改變它的質(zhì)量，只要改變它占據(jù)的空間就行——?dú)馀菥涂梢哉紦?jù)很多空間。某一天，一個(gè)比較大的氣泡鉆進(jìn)了海螺的卵鞘，已有的平衡被打破，這只海螺破天荒地在水中晃晃悠悠地浮了起來，漂向頭頂?shù)年柟狻ＭㄍＣ娴拇箝T轟然打開，那里的食物更加豐富……但海螺必須漂到海面上才能享受這些資源，演化之路就此開啟。

今天，這些“漂浮螺”的后裔紫螺已經(jīng)成了全世界溫暖海域中的常見生物。這些顏色鮮艷的海螺會(huì)分泌黏液（和花園石板上常見的黏液是同一種東西），再用肌肉發(fā)達(dá)的斧足攪拌黏液，裹入大氣中的空氣。它們會(huì)建造出比自己的身體還大的氣泡筏，以此確保自身的總密度始終小于海水密度。所以紫螺總是倒懸著浮在海面上（泡泡筏在上，螺殼在下），捕食過往的水母。如果你在海灘上看到了紫螺殼，那很可能就是它們的遺物。

浮力可以幫助我們快速分辨某個(gè)封閉物體內(nèi)部有什么東西。如果兩罐汽水外表看起來完全相同，但其中一罐是無糖的，另一罐加了很多糖，那么你會(huì)看到，無糖汽水在淡水中能浮起來，另一罐則會(huì)沉下去。兩個(gè)汽水罐的體積一模一樣，不一樣的是罐子里的東西。要知道，糖的密度很大。一罐330毫升的汽水通常含有35～50克糖，額外的質(zhì)量拉高了汽水罐的平均密度，讓它在重力之戰(zhàn)中擊敗了淡水，所以罐子才會(huì)沉下去。無糖汽水添加的甜味劑質(zhì)量極小，罐子里幾乎全都是水和空氣，所以它會(huì)浮起來。

生雞蛋的例子可能更實(shí)用一點(diǎn)。鮮雞蛋的密度大于水，所以在冷水中，它會(huì)平躺著沉到水底；但是在冰箱里放了幾天以后，雞蛋會(huì)慢慢失水，蛋殼里的水分悄悄流失，空氣分子滲入雞蛋大頭內(nèi)的氣囊。放了一周左右的雞蛋在水中也會(huì)沉底，但會(huì)立起來，蛋殼較小的那頭朝下，大頭內(nèi)多余的空氣離水面更近。如果雞蛋整個(gè)浮了起來，那說明它實(shí)在放得太久——早餐還是換些別的吃吧！

當(dāng)然，要是能控制隨身攜帶的氣體量和這些氣體占據(jù)的空間，那么你就能隨心所欲地選擇是上浮還是下沉。

剛開始研究氣泡的時(shí)候，我曾讀過一篇1962年的論文，作者一本正經(jīng)地宣稱：“氣泡不僅僅來自破碎的波浪，還有腐敗的物質(zhì)、魚打的嗝和海床里的甲烷。”魚打的嗝？顯而易見，作者屁股下面的皮革大扶手椅應(yīng)該相當(dāng)舒適，所以他才會(huì)說出這種昏話；這把椅子大概位于倫敦某家俱樂部深處，相比大海，這里離醒酒器更近。當(dāng)時(shí)的我覺得這種說法荒謬得可笑，直到三年后，我在庫拉索島的水下與一條巨大的海鰱（長約1.5米）擦肩而過，就在那個(gè)瞬間，我清晰地感覺到了它從鰓里噴出的氣體。事實(shí)上，很多硬骨魚體內(nèi)都有輔助控制浮力的氣囊（魚鰾）。如果你能讓自己的密度正好等于周圍液體的密度，那么你就可以懸浮在原地。海鰱的鰾固然有些特殊（能像海鰱這樣直接呼吸空氣的魚類十分罕見，它可以利用自己的鰓過濾氧氣），但我不得不承認(rèn)，魚的確會(huì)打嗝。盡管如此，我依然認(rèn)為，魚打嗝對海洋中氣泡的形成沒有顯著影響。[20]

重力作用在不同的物體上會(huì)造成不同的結(jié)果。塔橋是固體，所以重力只能改變橋的位置，卻無法影響它的形狀。海螺也是固體，它在海水中運(yùn)動(dòng)，周圍的海水會(huì)隨之流動(dòng)，重新調(diào)整達(dá)到平衡。氣體也會(huì)流動(dòng)，所以液體和氣體都被稱為流體。在重力的作用下，固體也會(huì)在氣體中運(yùn)動(dòng)：充滿氦氣的派對氣球會(huì)飄起來，齊柏林飛艇能浮上天空。其實(shí)它們和粘在氣泡筏上的紫螺一樣。如果要與周圍的流體比賽誰的重力大，它們?nèi)紩?huì)輸。

不變的重力可能帶來不穩(wěn)定因素，這通常意味著各種力和物體需要重新調(diào)整，直至恢復(fù)平衡。不穩(wěn)定的固體會(huì)滑落或者跌落，它周圍的液體或氣體也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的流動(dòng)，為固體的運(yùn)動(dòng)騰出空間。但是，如果變得不穩(wěn)定的不是氣球這樣的獨(dú)立固體，而是流體本身，那又會(huì)怎樣？

蠟燭和鉆石

劃一根火柴點(diǎn)燃燭芯，跳動(dòng)的火焰仿佛一道明亮的噴泉，滾燙的氣體開始升騰。千百年來，溫暖的燭火照亮了無數(shù)抄寫員、陰謀家、學(xué)童和情人。蠟是一種柔軟的燃料，它幾乎可以完成所有令人驚喜的變形。跳動(dòng)的黃色燭焰看似溫馨，實(shí)際上卻蘊(yùn)含著狂暴的力量，足以撕裂分子、鍛造鉆石。而且，每一朵燭焰都會(huì)受到重力的影響。

就在你點(diǎn)燃燭芯的瞬間，火柴的熱量同時(shí)熔化了燭芯內(nèi)部和周圍的蠟，讓它們變成液體。石蠟是一種碳?xì)浠衔铮@種長鏈分子的骨架由幾十個(gè)碳原子組成。熱量會(huì)賦予這些分子能量，讓它們像蛇一樣彼此纏繞并且蜿蜒游動(dòng)（看到液態(tài)石蠟分子你就懂了）。有的分子得到的能量甚至足夠讓它們徹底掙脫燭芯的束縛，變成一股灼熱的氣態(tài)燃料。這些分子的溫度非常高，所以它們能夠以很少的數(shù)量推開大量空氣，占據(jù)可觀的空間。這些分子的結(jié)構(gòu)沒變，它們受到的重力也和原來一樣；但現(xiàn)在，它們占據(jù)了更多的空間，那么單位體積內(nèi)的分子受到的重力也隨之下降。

就像海里裹著泡沫的紫螺一樣，這些灼熱的氣體必然會(huì)上升，因?yàn)橹車鷽鏊旅艿目諝饪倳?huì)試圖溜到它們下面。熱空氣順著看不見的“煙囪”上升，一路上與氧氣混合。你還沒來得及把火柴從蠟燭邊上挪開，這些燃料就已經(jīng)開始在氧氣中燃燒分解，于是上升的氣體變得更燙，其溫度能夠達(dá)到驚人的1400℃。熱空氣上升的速度不斷加快，你親手引爆的“噴泉”變得更加絢爛。燭焰不斷從下方得到新的燃料，因?yàn)闋T芯實(shí)際上是一根細(xì)長的綿條，它會(huì)吸取被燭焰熔化的石蠟分子。

在蠟燭燃燒時(shí)，最下端的焰火是藍(lán)色的，不會(huì)用來照明。長鏈分子在高溫下斷裂，但由于得不到足夠的氧氣，有一部分碎片無法充分燃燒。這些碎片成為滾燙的煙，隨著氣流上升，我們熟悉的暖色燭光就是它們在1000℃的高溫中燃燒發(fā)出的。燭光只是高熱的副產(chǎn)品，爐火中的熱炭發(fā)光與之相似，只是規(guī)模更大。人們發(fā)現(xiàn)，燭焰的光熱旋渦不但可以產(chǎn)生石墨組成的煙（就是我們看到的黑煙），有時(shí)候碳原子還會(huì)聚集起來，形成少量更獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，比如巴克球[21]、碳納米管[22]和鉆石微粒。根據(jù)估算，一朵燭焰平均每秒能制造出150萬顆納米鉆石。

蠟燭的例子完美展現(xiàn)了流體如何在重力作用下調(diào)整自身。涼爽的空氣向下涌動(dòng)，托起熊熊燃燒的燃料，形成持續(xù)不斷的對流。要是你吹滅了蠟燭，那么在接下來的幾秒內(nèi)，氣態(tài)的燃料柱仍會(huì)向上蒸騰。這時(shí)候，如果你捏著一根火柴從上方向下移動(dòng)，這根“燃料柱”就會(huì)被重新點(diǎn)燃，你將看到火焰憑空跳到燭芯上。[23]

只要流體從下方受熱，就會(huì)產(chǎn)生這樣的對流，幫助能量流動(dòng)、擴(kuò)散。這是魚缸加熱器、地?zé)嵩O(shè)施和爐子上的燉鍋有效工作的關(guān)鍵。要是沒有重力，這些設(shè)備就沒法正常使用了。我們常說“熱氣上升”，這個(gè)說法其實(shí)不太準(zhǔn)確，更確切地說，應(yīng)該是“較冷的流體贏得了重力之戰(zhàn)，所以它向下沉降”。但如果你非要糾正大家的說法不可，那也沒有誰會(huì)感謝你。

浮力不光會(huì)影響熱氣球、海螺和浪漫的燭光晚餐。廣袤的海洋是我們這顆星球的發(fā)動(dòng)機(jī)，和其他所有東西一樣，大海也會(huì)受到重力的影響。深海并不平靜，數(shù)百年不曾見過陽光的海水在深處流淌、涌動(dòng)，緩慢而堅(jiān)定地向著光明前進(jìn)。不過，將目光投向深海之前，我們不妨先抬頭看看。下次在晴朗的高空中看到飛速移動(dòng)的小點(diǎn)時(shí)，請記住，客機(jī)的巡航高度大約是10千米。想象一下：你正站在海床最深處的馬里亞納海溝溝底，[24]那么此時(shí)此刻，你到海面的距離差不多正好等于飛機(jī)到地面的距離。全球海洋的平均深度是4千米，不到客機(jī)巡航高度的一半。海水覆蓋了70%的地表面積，所以地球的總儲(chǔ)水量的確相當(dāng)可觀。

幽暗的深海中隱藏著我們熟悉的模式。讓葡萄干在檸檬汽水中舞蹈的機(jī)制同樣驅(qū)使著廣袤的大洋繞著這顆星球緩慢運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，這兩種運(yùn)動(dòng)的規(guī)模差距懸殊，而且海洋運(yùn)動(dòng)的結(jié)果更加重要，但它們背后的原理的確一模一樣。我們這顆藍(lán)色星球的藍(lán)色海洋是動(dòng)態(tài)的。

可是，大海為什么會(huì)動(dòng)？

按理說，海洋有數(shù)百萬年時(shí)間調(diào)整自己，適應(yīng)環(huán)境，那么它為什么沒有達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)？攪動(dòng)大海的關(guān)鍵有兩個(gè)：熱量和鹽度。熱量和鹽度之所以重要，是因?yàn)樗鼈儠?huì)影響海水的密度。在重力作用下，不同區(qū)域密度不同的流體自然會(huì)流動(dòng)和調(diào)整。我們都知道，海水是咸的，但只要仔細(xì)一想，我總會(huì)被大海的含鹽量給嚇一跳。你不妨看看家里的浴缸，要把一浴缸的水變得像海水一樣咸，那么你大約需要加入10千克鹽，差不多能裝滿一個(gè)大桶。換句話說，一浴缸的海水里就有整整一桶鹽！而且大海的鹽度并不均勻——海水含鹽量為3.1%～3.8%，這個(gè)范圍看似很小，卻很重要。含糖汽水的密度比無糖的大，含鹽量高的海水也比淡水密度大。水的密度還會(huì)隨著溫度的降低而增大，海水的溫度范圍為極地附近的0℃到赤道附近的30℃。含鹽量較高、溫度較低的水會(huì)下沉，而含鹽量低、溫度高的水總會(huì)上升。這個(gè)簡單的原理推動(dòng)著全球的海水不停運(yùn)動(dòng)。大海里的一滴水可能要花費(fèi)數(shù)千年時(shí)間才能完成環(huán)球之旅，回到自己的出發(fā)點(diǎn)。

北大西洋的風(fēng)還會(huì)吹走熱量，所以這里的海水溫度更低。[25]剛剛在海面上凝結(jié)的時(shí)候，海冰的主要成分是水，鹽被排除在冰層之外。這樣的凝結(jié)過程讓海水更冷、鹽度更高、密度更大。在重力作用下，冷卻的海水開始下沉，同時(shí)將密度較小的水向上推擠。冰冷的高鹽度水在海床上蜿蜒流動(dòng)，被海底的山谷和山脊限制和阻礙，就像地面上的河流一樣。這些海水從北大西洋出發(fā)，以每秒幾厘米的速度沿著海底向南流動(dòng)。1000年后，它們終于遇到了第一個(gè)真正的大障礙：南極洲。無法繼續(xù)向南的海水轉(zhuǎn)而向東流動(dòng)，進(jìn)入南大洋。這片海域是地球上所有水系的樞紐。海水圍繞著白雪皚皚的南極洲，與大西洋、印度洋和太平洋的最南端融為一體。從北極出發(fā)的緩慢水流沿著南極洲的海岸運(yùn)動(dòng)，最終會(huì)再次掉頭向北，進(jìn)入印度洋或太平洋。在這個(gè)過程中，它與周圍的海水不斷融合，密度一路降低，離海面也越來越近。在黑暗的深海中流淌了大約1600年后，這股水流終于又見到了陽光。雨水、入海的河流以及融化的冰不斷稀釋海水中的鹽，海風(fēng)推著洋流踏上回歸北大西洋的旅途。回到起點(diǎn)后，這些水或許又將開始下一個(gè)循環(huán)。這個(gè)過程叫作“溫鹽環(huán)流”：“溫”代表溫度，“鹽”指的是鹽度。海水的循環(huán)有時(shí)候也會(huì)被稱為“大洋傳送帶”，這里的描述經(jīng)過了一點(diǎn)簡化，但海水的確會(huì)繞著地球流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)這個(gè)過程的也的確是重力。

千百年來，海風(fēng)推動(dòng)著海面洋流，將探險(xiǎn)家和商人送往地球的各個(gè)角落。但在深海之中，還有一種同等重要的貨物在被系統(tǒng)地輸送著，它就是熱量。

在地球上，赤道附近吸收的太陽熱量最多。這一方面是因?yàn)槌嗟赖奶柛叨冉浅３Ｊ亲畲蟮模硪环矫媸且驗(yàn)檫@個(gè)緯度的地球周長最長，可吸收熱量的面積最大。水的比熱容很大，哪怕它升溫一點(diǎn)點(diǎn)也能吸收大量的熱，所以溫暖的大洋就像儲(chǔ)存著太陽能的巨型電池。隨著海水的流動(dòng)，這些能量被送往不同的區(qū)域，溫鹽環(huán)流悄悄影響著天氣。稀薄多變的大氣在空中流動(dòng)，水體形成的穩(wěn)定熱量庫在下方不斷提供能量，對激變進(jìn)行緩沖。

大氣是最終的受益者，但海洋才是王座背后的力量。下次看到地球衛(wèi)星圖的時(shí)候，請?zhí)嵝炎约海箨懝倘挥腥ぃ邓{(lán)的海洋也絕不是填補(bǔ)空隙的無意義地帶。想象一下在重力作用下緩慢流淌的巨大洋流，你就會(huì)看到那一抹蔚藍(lán)的本質(zhì)：它是這顆星球最大的發(fā)動(dòng)機(jī)。