第4章　時光中的一瞬—走向平衡

番茄醬和蝸牛


　　慵懶的週日，英式酒吧是解決午餐的最佳地點。我常常覺得這類地方既溫馨又自然：古老的橡木樑柱間隱藏著眾多形狀各異的小空間。你在擦得閃閃發亮的黃銅腳爐和獲獎小豬的照片之間找了張桌子坐下，點了一份標準的酒吧午餐。和餐盤一起端上來的通常還有一碗薯條和玻璃瓶裝的番茄醬。不過接下來就費事了，幾十年來，橡木房梁無數次見證了這項儀式：你得把玻璃瓶裡的番茄醬倒出來才能蘸薯條，這可不是件容易的事。
　　起初，樂天派們只是把番茄醬瓶子倒過來舉在薯條碗上方，結果當然什麼都不會發生，但誰也不會跳過這一步。番茄醬非常黏稠，渺小的重力根本無法把它從瓶子裡拉出來。而它之所以如此黏稠，原因有二：第一，只要夠黏，那麼就算瓶子已經放了很久，番茄醬裡的香料也不會沉底，你要用的時候也不必再把它搖勻；第二，也是更重要的一點，人們喜歡在每根薯條上塗一層厚厚的醬，要是番茄醬很稀，那感覺就差多了。薯條上的黏稠醬汁令人愉悅，可是它還在瓶子裡的時候，你的感覺就不那麼愉快了。
　　幾秒鐘後，你終於和別人一樣，開始相信重力根本奈何不了瓶子裡的番茄醬。你只好搖晃玻璃瓶。你的動作越來越大，最後終於開始用另一隻手用力拍打瓶底。桌邊的朋友們受不了這聲響，紛紛往椅背上靠。一大坨番茄醬猝不及防地流了出來。奇怪的是，番茄醬真正動起來的時候分明相當輕快。現在，厚厚的醬汁覆蓋了整個碗(或許還有半張桌子)，這是最有力的證據。之前它還紋絲不動，突然之間就動若脫兔，這到底是怎麼回事？
　　番茄醬的問題在於，如果你試圖以很慢的速度去推動它，那麼它就會表現得像固體一樣；但要是你迫使它高速運動，它就會表現出液體的性質，可以流動。瓶子裡和薯條上的番茄醬受到的向下的力只有微弱的重力，所以它就像固體一樣死死賴在原地，可只要你搖晃得夠狠，一旦番茄醬開始運動，它就會像液體一樣快速流動。一切都是時機問題。雖然你做的是同樣的事情，但動作快慢不同，造成的結果也會截然不同。
　　番茄醬的主要成分是過篩番茄、醋和香料。混合物本身很稀，毫無特別之處，但在加入了0.5％的多醣之後，它就完全變了。這種糖名叫黃原膠，是一種常見的食品添加劑，由細菌發酵生成。玻璃瓶放在桌上的時候，水分之中的這些長長的糖分子彼此糾纏，維持著番茄醬的形態。而在我們搖晃瓶子的時候，它們開始鬆動，不過很快又會重新纏到一起。等到你開始拍打玻璃瓶，番茄醬受到的振動更加劇烈，糾纏在一起的分子不斷分開，最後，它們糾纏的速度再也趕不上鬆脫的速度，一旦越過這個關鍵點，番茄醬就會失去類似固體的特性，嘩啦啦一下子就從瓶子裡湧出來。1
　　其實我們有辦法解決這個問題。而且，考慮到英國人花了那麼多時間來對付瓶子裡的番茄醬，你會驚訝於這簡單的解決方案竟然沒幾個人用。倒置瓶子、拍打瓶底，這些辦法都收效甚微，因為只有離受力點最近的那部分番茄醬才會鬆動，而瓶頸會被黏稠的醬汁堵塞。最好的辦法是讓瓶頸處的番茄醬鬆動。你只需要將瓶子傾斜到一定角度，輕敲瓶頸，醬汁就會自己流出來，而且不會一下子出來一大堆，因為流動的醬汁數量有限。周圍的用餐者不會被你的手肘撞到，也不會有番茄醬灑到他們身上，薯條也不會被番茄醬徹底淹沒。
　　在物理學的世界裡，時間非常重要，因為事情發生的速度會影響很多東西。如果你以兩倍的速度去完成一件事，有時候能節省一半的時間。不過更常見的是，你會得到一個截然不同的結果。這一點很有用，我們也會運用這個原理以各種方式來控制周圍的世界。時間尺度決定了事情的結果，這一點奇妙無窮。無論是對咖啡、鴿子還是高聳的建築來說，時間都很重要，而不同的時間尺度對這些事物各有不同的意義。這一點不光會讓我們的日常生活變得更加方便，有時候你甚至會發現，生命之所以存在，完全是因為物理學的世界總有些趕不上趟。不過，我們還是從頭說起吧，現在，我們一起來看一種以「永遠趕不上趟」而著稱的動物，它就是慢動作的代名詞。
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　　那天的劍橋陽光明媚，我不得不承認，我被一隻蝸牛打敗了。
　　很少有研究生在畢業前的最後一年花時間研究園藝，但當時我和三位朋友合租的那幢房子有一座花園，這樣的誘惑實在太大。那一年，在工作和運動之餘那稀少的時間裡，我一直忙著清理繁茂的蕁麻，在叢生的雜草中尋找大黃和玫瑰樹之類的寶藏。父親笑我在花園裡種馬鈴薯(「你還真是波蘭人。」他說)，但我新開闢的菜地當然不會只種馬鈴薯。最讓我激動的是，花園裡甚至有個廢棄的溫室，裡面鋪滿了碎石，還種了一架葡萄。春天我可以先在溫室裡培育幼苗(我打算種韭蔥和甜菜根)，然後把它們移植到菜地裡。2月底，我在托盤裡播下種子，然後開始等待新植物發芽。
　　不久後我就發現，幼苗恐怕是長不出來了，因為蝸牛實在太多。我提著噴壺走進溫室，發現每個托盤正中央都有一隻趾高氣揚的蝸牛。新翻開的泥土散落在周圍，土壤中還有星星點點的綠意，那是被咬斷的嫩芽。不肯服輸的我把所有蝸牛都扔了出去，然後重新播種。這次我把所有托盤都放到了磚堆頂上，免得蝸牛再爬進去。兩週後，剛發芽的幼苗又不見了，托盤裡的蝸牛比上次還多。我又想了幾個主意，但卻無一奏效，最後我只剩下一個辦法。這次我找了幾對空花盆，把茶盤倒扣在每對花盆上，這時茶盤看起來活像長了兩條菌柄的大蘑菇。我在所有茶盤邊緣都塗了油，再把育種托盤放到「茶盤蘑菇」頭上。經過這一系列複雜的操作以後，我把最後一批種子撒進托盤，合十祈禱，然後就回去繼續研究凝聚態物理了。
　　幼苗不受打擾地長了半個多月，還是出事了：我在原本應該長著幼苗的地方發現了一隻肥大快活的蝸牛。我還記得自己站在溫室裡瘋狂地思考，它到底是從哪裡爬進托盤裡的。只有兩種可能：一、它沿著溫室內牆爬到了屋頂上，然後不知怎麼就正好掉進了托盤裡。這個機率看起來相當渺茫。二、它沿著花盆壁爬到了倒扣的茶盤裡，然後翻過茶盤邊緣，一路闖進最上層的種子托盤。2無論如何，我都不得不承認，蝸牛贏得了獎賞。但是，它是怎麼做到的？這兩條路線都要求它倒懸著爬行，它只能靠黏液把自己固定在物體的表面上。如果你觀察過蝸牛移動，那麼你會發現，它的前進方式和毛毛蟲截然不同——蝸牛永遠不會離開物體的表面，它只會不斷分泌黏液，然後沿著黏液的路線前行。黏液就是蝸牛的祕密武器，而黏液的物理特性和番茄醬差不多。
　　觀察蝸牛移動的時候你看不到太多東西，因為它的腹足邊緣移動的速度非常慢。蝸牛分泌的黏液就像靜止不動的番茄醬，黏稠而厚重，難以移動。不過就在蝸牛身體下方，在腹足的中央，肌肉從後往前運動，以推力迫使黏液流動起來。這些黏液會發生和番茄醬一樣的變化，所以只要速度夠快，它就會輕鬆地流動起來。藉著肌肉的力量，蝸牛在液態的黏液表面滑行，幾乎不會遇到任何阻力。蝸牛需要這層厚厚的黏液，否則它無從著力。蝸牛和蛞蝓之所以能移動，完全是因為它們分泌的黏液同時擁有固體和液體的特性，而這些黏液具體表現出什麼特性是由外界施力所決定的。這種移動方式的最大優勢在於，蝸牛可以藉此頭朝下腳朝上地爬行，因為它們永遠不會離開自己所在的表面。
　　黏液為什麼會有這種效果？因為它的成分是長長的複合糖分子。靜止不動的時候，這些分子之間會連接在一起，賦予黏液固體的特性。但只要外界的推力夠大，這些連接就會斷裂，分子開始像義式細麵一樣交錯滑動。等到黏液再次靜止下來，連接重新成形，短短幾秒後，它又會變得黏稠。
　　就算這些我全都知道，我又該怎麼保護幼苗呢？顯然，我無法阻止蝸牛爬進托盤，因為它的黏液幾乎可以黏在任何一種表面上，包括不沾鍋塗層。實驗表明，就連滴水不沾的疏水性表面都無法讓蝸牛止步。這真是個了不起的成就，不過心疼幼苗的我沒有心情表達讚賞。
　　防滴塗料也是基於同樣的原理。靜止的塗料黏稠厚重，不過只要你用刷子把它抹開，它的黏稠度就會大大降低，讓你能夠輕輕鬆鬆地把它刷得很薄。一旦你挪開刷子，塗料的黏稠度就會立即恢復，所以在乾掉之前，它不會順著牆壁向下流淌。





極快和極慢


　　番茄醬和蝸牛都很渺小，但同樣的物理學現象可能在更大的層面上引發嚴重的後果。2002年，我曾拜訪過紐西蘭的基督城，那是一座寧靜而優雅的城市。幾千年來，雅芳河帶來的無數小顆粒層層堆積，造就了肥沃的土地。但是，這座美麗的城市腳下卻埋著一顆定時炸彈。2011年2月22日中午12點51分，一場6.3級的地震在距離市中心約10公里的位置爆發。地震本身就夠糟糕了，有人被甩到空中，有的建築物四分五裂，而更糟糕的是，組成城市地基的沉積物只有在靜止狀態下才有足夠的強度。和番茄醬一樣，這些顆粒在劇烈的晃動中變成了液體。當然，細節上還是略有不同，沉積物的流動性之所以會大大增強，並不是因為分子之間的連接遭到了破壞，而是因為水湧進沙粒之間，大大降低了土壤的摩擦力。不過，二者背後的物理學原理完全相同。固體的土地在劇烈的振動下像液體一樣流動起來。
　　汽車很重，所以在重力作用下，它會向地面施加很大的壓力。汽車之所以不會陷進地裡，是因為堅固的地面可以抵擋這樣的壓力。不過在基督城地震爆發的那幾分鐘裡，這條法則被打破了。那天有很多車停在路邊的沙土地面上，這些沙土已經幾十年沒有移動過了。但隨著地震的爆發，沙土層開始快速滑動。如果這個過程發生得很慢，那麼停在地面上的車不會有危險，但一切來得如此迅速，水湧進沙粒之間，沙子無法留在原來的位置，被迫四散游走。土地突然變成了水和沙子的混合物，失去了穩定的結構。地面還在搖晃，停在這堆混合物上面的汽車開始下陷。不過，地震一停，只需要一兩秒，大地就能平靜下來，水慢慢退去，地面重新固定下來，但汽車已經被半埋在了土裡。
　　正是這個原因，基督城在地震中損失慘重。地面支撐力不足造成了汽車下陷、建築物倒塌，這種現象叫作「土壤液化」，只有地震這樣強大的力量才能讓沉積物達到足夠的速度，造成這樣的後果。不過，就算外力很小，只要沙質地面運動的速度夠快，情況一樣會很嚴重。因此，陷進流沙時千萬不要拚命掙扎。你越掙扎，沙子的流動性就越強，你下沉的速度也就越快。你應該儘量放慢動作，努力嘗試控制自己的姿態和位置。時間很重要，而速度就是時間的一種表現。改變速度往往會造成截然不同的結果。
　　要想形容某件事情發生得很快，我們常常會說「一眨眼的工夫」。人類眨一次眼大約需要1/3秒，而人類的平均反應時間是1/4秒左右。這聽起來似乎很短，可是你想一想標準反應測試的過程就會知道，這段時間裡我們做了很多事情：光照到視網膜上，專門的感光分子就會開啟一系列化學反應，產生一股微弱的電流。電信號通過視神經傳向大腦，刺激腦細胞相互發送信號，判斷是否需要做出反應。電信號還會沿著神經細胞傳向肌肉。收到「收縮」指令後，肌纖維展開行動，讓你的手按下按鈕。這一切都是為了讓你盡可能地以最快的速度做出反應。
　　我們為人體的複雜和精妙付出了速度的代價。我一直認為人類是動物界裡的蝸牛，我們拖著遲緩的腳步在物理世界中踽踽前行，因為我們做的每一件事都牽涉許多不同的步驟。就在我們慢吞吞地處理這些瑣事的時候，其他很多更簡單的物理系統已經在瞬息間經歷了巨大的變化。這些簡單迅速的過程快得讓我們根本無法察覺。將一滴牛奶從高處滴進咖啡杯裡，你或許可以從中一瞥那個世界的運轉。也許你能看到牛奶滴從水面上彈開，然後重新落回杯子裡，這幾乎是人類能分辨的速度的極限。在我唸博士的時候，我的導師就曾說過，要是你的動作夠快，你完全可以在牛奶滴進杯子之前改變主意，在半空中接住那滴牛奶；不過我敢肯定，這樣的事人類完全不可能做到，我們需要一個小得多、快得多的幫手。
　　人類因為慢而錯過了多少東西？這個問題啟迪了我的博士生涯。我總是忍不住去想，世界上有多少事情就發生在我的眼皮子底下，但它們要嘛太小，要嘛太快，總之我都看不見。所以我選擇了一個能讓我擺弄高速攝影機的博士課題，這種技術能讓我看到那個在正常情況下快得完全看不見的世界。但只有人類才能使用高速攝影機，如果你是一隻鴿子，那又該怎麼辦呢？
　　巴里·佛洛斯特(Barrie Frost)是一位銳意進取的科學家，1977年，他設法教會了一隻鴿子使用跑步機。要是在今天，他的研究很可能會入選搞笑諾貝爾獎。這樣奇怪的研究會讓你先是忍俊不禁，然後陷入深思。跑步機的履帶緩緩向後移動，為了保持自己原先的位置，鳥兒不得不邁步前進。顯然，鴿子很快就領會了這一點，但它向前走的時候卻出了點問題。
　　如果你曾坐在城市廣場旁觀察四處覓食的鴿子，你會發現它們在行走的時候頭總會前後擺動。我一直覺得這樣肯定很難受，這看起來也很奇怪，鴿子為什麼要做這樣的無用功呢？跑步機上的鴿子就完全不會點頭。巴里由此推斷，點頭的動作對鴿子來說肯定別有深意。顯然，它們不需要點頭也能行走，所以這與運動完全無關，我們應該從視覺的方向去考慮。跑步機上的鴿子雖然在走，但周圍的環境卻固定不變。如果鴿子的頭一直不動，那麼它在任一時刻看到的東西也完全一樣。這樣的環境清晰而易於觀察。而鴿子在地面上行走的時候，周圍的場景會隨著它的腳步發生變化。
　　事情似乎是這樣的：這些鳥兒看的速度不夠「快」，無法捕捉變化的場景，所以它們實際上並不是在前後擺頭，而是先把頭往前探一點，然後身體跟上，最後頭向後擺動。在它邁出這一步的過程中，頭的位置基本保持不變，這樣它才有更多時間分析眼前的景象，然後再邁出下一步。它們先給周圍的景象拍一張「快照」，然後探頭向前，拍攝下一張快照。要是你能盯著一隻鴿子觀察一會兒，你一定會覺得我說得很有道理(不過這需要一點耐心，因為鴿子的動作通常很快)。3為什麼某些鳥類蒐集視覺訊息的速度特別慢，以至於必須前後擺頭，但其他鳥兒卻不用這樣？誰也不知道這個問題的確切答案。但有一點毋庸置疑：速度較慢的動物必須把世界分割成一幀幀的靜止畫面，才能跟得上外界的變化。
　　人類的眼睛基本跟得上行走的速度，但如果在走路或者奔跑的時候要仔細查看近處的東西，你總得停下腳步才能看個清楚。你的眼睛無法在移動中以足夠快的速度搜集所有細節。實際上，人類處理這個問題的方法和鴿子一模一樣(雖然我們不會前後擺頭)，只不過我們的大腦會把所有東西拼成完整的畫面，所以就連我們自己也無法察覺到這一點。我們的眼睛總在迅速地從某個點跳躍到下一個點，眼神的每一次停留都會為你的腦內畫面增添更多訊息。如果你在照鏡子的時候集中注意力觀察鏡子裡自己的一隻眼睛，然後再把視線焦點轉到另一隻眼睛，你會發現在這個過程中，你根本看不到自己的眼睛有任何動作，但要是有個人站在你的旁邊，他會清晰地看到你眼珠的轉動。大腦將你看到的畫面天衣無縫地拼接在一起，所以你根本不會發現自己的視線發生了跳躍，但這樣的跳躍時時刻刻都在發生。
　　重點在於，我們的速度比鴿子快不了多少，所以這個世界上一定有很多東西的速度比我們快。我們已經習慣了侷限於某個時間尺度之內的生活——從1秒到幾年——但真正的世界比這遼闊得多。如果沒有科學的幫助，那麼我們永遠看不見以毫秒和千年為單位的世界，只能困在目前這個狹小的中間地帶裡。電腦之所以功能強大，甚至有神祕感，也是因為我們有這種需要。電腦能在極短的時間內處理大量數據，所以它們能在瞬息之間完成非常複雜的任務。電腦的速度還在持續提升，但我們對此卻沒有直觀的感受，因為對人類來說，百萬分之一秒和十億分之一秒並無區別，全都快得無法分辨。不過，即便如此也不能抹殺二者之間的巨大差距。
　　觀察的時間尺度決定了你看到的景象。要理解這樣的相對性，我們不妨比較一下雨滴和山：前者速度極快，而後者基本紋絲不動。
　　一顆較大的雨滴能在1秒內墜落6公尺，大約相當於兩層樓的高度。在這1秒之內發生了什麼？雨滴由大量互相推擠碰撞的水分子組成，每個水分子都會和別的水分子抱團，而外面總有力量想拆散它們。
　　正如我們在第2章中看到的，一個水分子由一個氧原子和兩個氫原子組成，兩個氫原子分別位於氧原子兩側，三者組成V形。水滴由數十億個完全相同的水分子組成，每個水分子都在這個鬆散的網路中不停地跳躍、壓縮、拉伸。在這1秒鐘裡，某個分子可能會跳躍2000億次。運動到邊緣的分子會發現外面沒有任何力量可以抗衡水分子之間的吸引，所以它還會被拉回雨滴中央。漫畫中常見的雨滴形狀完全出自想像：現實中的雨滴可能形狀各異，但絕不會有尖角。雨滴邊緣的任何尖角都會被迅速抹平，因為單個分子根本無法對抗整顆雨滴的拉力。不過，儘管這種向內的拉力非常強大，但雨滴的形狀永遠不可能達到完美，因為在空氣阻力的影響下，它必須不斷地調整自己。雨滴可能會被壓扁，不過它很快就會回彈，過度的回彈可能把它拉成橄欖球的形狀，然後再次被壓扁，這個過程在1秒之內可能會重複170次。試圖扯碎雨滴的外力和它內部的引力來回撕扯，雨滴的形狀也隨之不斷變化。有時候，墜落到薄餅上的雨滴會在瞬間被壓扁，然後它會擴散成一層薄薄的傘面，最後化為無數細小的水滴。這一切都發生在1秒以內。雖然我們看不見，但雨滴在眨眼之間就會變化數十億次。最後，這一滴雨濺落在裸露的岩石上，觀察的時間尺度也隨之改變。
　　這是一塊花崗岩，自人類誕生以來它就沒有動過，也不曾有過任何變化。但在4億年前，南半球曾經矗立著一座巨大的火山，來自地底深處的岩漿擠進火山岩的縫隙之中，接下來的漫長歲月裡，這些岩漿逐漸冷卻下來，慢慢分離，形成各種晶體，最後變成了堅不可摧的花崗岩。時間繼續流逝，宏偉嶙峋的岩山經受了冰川期的摧殘，植物、冰雪和風雨不斷侵蝕打磨著它的形狀。火山逐漸被削平，在這個過程中，它也在不斷移動。一場劇烈的爆炸之後，這一大塊土地開始慢慢漂向北方。地質年代變遷，物種興亡交替，看不見的力量支配著地球表面板塊的聚散。時至今日，這顆行星的生命已經走過了1/10，那座曾經劇烈活動的火山變成了淒涼的遺蹟，原本埋藏在地底深處的岩石暴露在光天化日之下。它就是本尼維斯山，不列顛群島的最高峰。
　　單獨觀察雨滴和山的時候，你很難發現任何變化。但這只是因為我們對時間的感知能力有限，不是因為它們真的一成不變。
　　我們生活在時間尺度的中間地帶，所以有時候，你很難認真去思考這個尺度以外的事情。這裡要說的不光是「現在」與「過去」的區別，還包括「現在」這個詞的確切定義：它可以指此時此刻，也可以指最近幾年。極快和極慢的事件需要的觀察視角當然大相徑庭，但這樣的區別與事物發生變化的方式無關，只與變化的速度有關。還有，變化的「結果」是什麼呢？所謂的「結果」通常指的是某種平衡的狀態。如果沒有外力作用，事物將永遠保持原有狀態，因為它沒有變化的理由。最後，沒有力，也沒有運動，所有事物達到平衡，整個物理世界終將走向唯一註定的命運：平衡。





船閘和大壩


　　想像一下，某條運河裡有一套船閘，人們修建它的理由非常新穎：為了讓船從河裡爬到山上。這個壯舉之所以能實現，是因為船的動力設施可以驅動它逆水而行——但水流的速度不能太快。無論什麼船都不能迎著瀑布前進，但在船閘的幫助下，你可以讓船爬山。
　　一套船閘由兩道閘門組成，這兩道門之間會形成一段獨立的湖泊。船閘一側的水位較高，另一側的水位較低。無論是逆流而上還是順流而下，在運河上行駛的所有船隻都必須通過這兩道閘門。我們不妨假設，現在正好有一條船在船閘下游等待。兩道閘門之間的初始水位與河流下游的水位相同，此時人們打開下游的閘門，讓船逆流而上進入兩道閘門之間，然後關閉閘門。接下來，上游的閘門開了一條縫，水開始流進兩道閘門之間，這一步非常關鍵。上游閘門關閉的時候，閘門以上的水無處可去，只能儘量停留在低處以保持平衡。此時上游的水體處於靜止狀態。但是，一旦閘門打開，上游的水體與下游連通，它立即就會發生變化。突然之間，水有了更好的出路。在重力作用下，水總會往低處流動，我們只需要打開閘門，它就會聽從重力的召喚一瀉而下。所以，上游河水進入兩道閘門之間，托著船隻上浮，直至船閘內部水位與上游水位相等。我們什麼也不必做，只需要打開那道通往新平衡狀態的門。現在，船隻已經達到了運河上游水位的高度，等到船閘完全打開，它就可以沿著緩慢流動的運河逆流而上。在它身後，等到閘門再次關閉，一切又恢復了平衡。船閘內部的水將保持原狀，因為它無處可去。所有力達到平衡。然後，等到下一艘船從上游進入船閘，人們又會打開下游閘門把水放出去，達到新的平衡。
　　這個故事告訴我們，通過控制平衡態的位置，我們可以做很多事情。在沒有外力干擾的情況下，事物總會自我調整到平衡態，然後停留在這個狀態。我們可以透過調整平衡態來達到自己的目的。但我們需要先了解其中的規則，才能保證一切盡在掌握。
　　物理學的世界總是趨於平衡：冷熱不均的液體總會充分混合，直至溫度均衡；氣球總會膨脹，直至內外壓力相等。這個判斷與時間的單向流動息息相關。世界不可能倒退，水永遠不會倒流，這意味著你只需要觀察各個系統如何趨於平衡，就能判斷哪邊是前，哪邊是後。靠蠻力推動事物需要消耗許多能量，相比之下，設法調整平衡的速度要省力得多，而且通常很管用。
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　　胡佛水壩可能是20世紀規模最大的民用工程項目。從拉斯維加斯開車前往水壩的路上，你將經過一片裸露的紅色岩原。只有水的藍色反光偶爾會在沙漠中央一閃而過，提醒你附近可能藏著某些非比尋常的東西。然後，你轉了個彎，那個重達750萬噸的龐然大物突然出現在你眼前，楔形的巨大水泥構造嵌在崎嶇的山體之間。
　　100年前，科羅拉多河曾在狹窄的河谷中無拘無束地流淌。來自上游落磯山脈和東部廣闊平原的雨水沿著一道道山谷匯入加利福尼亞灣。困擾下游農民和城市居民的不是水量——水量總是充足的——而是這些水到來的時機。春天，洶湧的洪水會橫掃大片土地，可是到了秋天，河道裡只剩下可憐的涓涓細流，完全無法滿足日益增長的人口的用水需求。水的起源地和入海口總是固定不變的，農民和市民真正需要控制的是河水到達某地的具體時間，4最重要的是阻止大量的水在短時間內累積。於是，人們修建了這座大壩。
　　來自落磯山和大峽谷的河水現在全部匯入了大壩上游的米德湖巨型水庫。它們無處可去，至少暫時如此。最重要的是，這些水停留在高處，因為它們無法繼續向下流動。1930年，大峽谷裡的一滴水可能要下降150公尺才會停止運動，但在1935年大壩竣工以後，一滴水在離谷底150公尺的高度就能達到平衡態。最了不起的一點是，我們不需要消耗任何能量就能讓它停留在這裡，我們只需要精心構築屏障，阻止它流向別的地方。我們將它固定在了人類創造出來的平衡態裡。
　　當然，我們也可以讓它去往別處。人類可以通過大壩控制河流，調整科羅拉多河下游的流量，讓這一帶不再有洪水和斷流。除此以外，還有其他好處。水流通過大壩時產生的巨大力量可以用來發電。在美國西南部的這片不毛之地裡，這些水支持了數十萬人的工作和生活。
　　人們修建胡佛水壩是為了控制水流的時機，但它背後的原理還有更廣泛的用途，絕不僅僅侷限於治水。要收集能源，我們慣常的做法是在能源流動的路徑上設置障礙。物理世界總是趨向於平衡，但有時候我們可以控制最近的平衡態的位置，以及事物達到這個平衡態的速度。控制了能量的流動，也就控制了釋放能量的時機。然後，我們設法讓能量通過人工設置的障礙流向平衡態，並在這個過程中對它加以利用。我們既不創造能量也不毀滅能量，我們只會改變它流動的方向和速度。
　　和古代文明一樣，我們也面臨著資源有限的問題。植物形成的化石燃料能量實際上來自太陽，要是沒有植物的轉化，這些能量只能變成無法利用的微弱熱量，就像流入平原的水一樣。化石燃料像一座大壩，它將能量截留在臨時的平衡態中。我們把這些燃料挖出來，對它進行適當的催化，為能量提供一條通往另一種平衡態的路徑(以火焰和化學將燃料轉化為二氧化碳和水)，從而控制了能量釋放的時機。我們面臨的問題是，化石燃料中儲存的「上游」資源只有這麼多，近年來我們已經釋放了億萬年來積存的大量能量。化石燃料的寶庫日漸枯竭，重新補充庫存需要億萬年的時間。所以現在，我們正在努力開發各式各樣的可再生能源，胡佛水壩的水電站就是一例，儘管從本質上說，這些能量的源頭都是太陽能。我們的文明面臨的挑戰自始至終不曾改變：如何有效地保存和重啟能量流，在儘量不改變世界的前提下辦成盡可能多的事情。
　　下次當你打開某件由電池驅動的設備時，請記住，按下開關的時候，你實際上是在選擇能量從電池中釋放的時機，引導能量進入設備電路，幫助你去做有用的事情。完成任務以後，能量會以熱的形式釋放，這是它唯一的歸宿。世界上的所有開關作用完全相同，它們控制著流動的時機，而流動總是趨於平衡。不同的流速也會帶來不同的結果。在這裡，時間很重要，因為它只有一個方向。我們透過選擇時機和速度來掌控世界。但有時候，事物在達到平衡後不會停下來。如果一切發生得很快，那麼平衡可能會再次被打破，這將引發一系列新的現象，甚至會造成問題。





晃動的茶水和喘息的狗


　　在工作日裡，我一定會安排好下午茶時間。但最近我發現，哪怕倒一杯茶也會拖慢我的腳步，這不僅僅是因為燒水需要時間。我在倫敦大學學院(University College London)的辦公室位於一條長走廊的盡頭，而茶水間在走廊另一頭。端著滿滿一杯茶緩步走回辦公室是我一天中最慢的時刻(正常情況下，我工作時的步調總是介於「小跑」和「衝刺」之間)。這並不是因為杯子裡的茶倒得太滿，而是因為水面會晃。你每走一步，水面都會蕩漾得更厲害。任何有理智的人都會覺得放慢腳步是個合理的解決方案，但物理學家就會做個實驗，看看這到底是不是唯一的解決方案。你永遠不知道自己可能發現什麼。我至少要嘗試一下才能甘心接受看似一目了然的結果。
　　如果你把水裝進一個杯子裡，然後把杯子放在平坦的表面上，輕輕推它一下，水面立即就會開始蕩漾。實際發生的事情是這樣的：當你推動杯子的時候，杯子動了，水卻停留在原地，所以水面會沿著被你推動的杯壁上升。現在，杯子裡一側的水面高於另一側，重力會促使水往低處流動，所以另一側的水面也被抬了起來。有那麼一個瞬間，杯子裡的水恢復了水平，但它沒有理由停止運動，於是水繼續湧向另一側。重力總會把水從高處拉向低處，但它需要一點時間才能讓水靜止下來，等到水停止運動，這一側的水面又比原來那側更高，於是運動再次開始。如果放置杯子的表面足夠平坦，那麼蕩漾的水面會逐漸平息下來，杯子裡的水恢復平衡。但要是你一直在帶著杯子走動，那就是另一回事了。
　　問題就在於晃動的頻率。如果換幾個大小不同的杯子來做同樣的實驗，你會發現水面蕩漾的方式大體相同，但小杯子裡的水晃得快，大杯子裡的水晃得慢。無論你最初施加的推力有多大，同一個杯子裡的水每秒蕩漾的次數總是相同的，杯子的直徑是水體蕩漾頻率最重要的影響因素。
　　向下的重力始終趨向於讓一切恢復平衡，而液體的運動速度總在水面剛剛越過平衡位置時達到最大值，這二者之間存在衝突。如果杯子比較大，那麼運動的液體就更多，行程更長，每次晃動需要的時間也就越多。每個杯子裡的水都有獨特的搖晃頻率，也就是杯子的固有頻率。如果你只是施加一個最初的推力，然後任由它自行恢復平衡，那麼你總會得到同一個頻率。
　　我在辦公室裡擺弄了一會兒大大小小的杯子。有個印著牛頓頭像的小杯子直徑只有4公分，這個杯子裡的水每秒大約會搖晃5個來回；最大的杯子直徑約10公分，它每秒只會搖晃3次。這個大杯子很便宜，而且又舊又難看，不討人喜歡。但我一直留著它，因為有時候你就是需要一大杯茶。
　　當我端著滿滿的茶杯離開茶水間，沿著走廊快速走了幾步以後，杯子裡的水開始晃了。要是我不想把茶弄灑，那我就不能讓它晃得太厲害。這真是個難題。在我行走的時候，杯子難免會發生輕微的搖晃，要是這個搖晃的頻率正好契合杯子的固有頻率，那麼水面蕩漾的幅度就會越來越大。這就像和孩子一起玩鞦韆，要是你推動鞦韆的節奏正好契合鞦韆擺動的頻率，那麼鞦韆就會越蕩越高。杯子裡的茶也一樣。這種現象叫作「共振」。外界的推力越接近蕩漾的固有頻率，茶就越容易灑出來。所有渴得要命的人都面臨著一個共同的難題：人類行走造成的晃動，其頻率恰好就和普通杯子的固有頻率相當接近。你走得越快，就越契合杯子的固有頻率。這套系統簡直就是逼著我放慢腳步，雖然實際上這只是個煩人的巧合。
　　於是我們發現，這個問題沒有圓滿的解決方案。要是我改用小杯子，那麼相對於我走路的速度來說，它的固有頻率實在太快，所以水面蕩漾的幅度不會越來越大，茶也很難灑出來，但那麼一點點茶根本不夠我喝。可要是改用更大的杯子，我習慣的步調就和它的固有頻率非常接近，走不出三步，茶必然會灑。唯一的辦法就是放慢腳步，讓我的步調變得遠低於杯子的固有頻率。5我很高興自己進行了這番嘗試，但這件事告訴我們，你奈何不了依賴於時間的物理現象。
　　一切搖晃(振動)的物體都有自己的固有頻率。固有頻率由物體本身的特性決定，與外界推力、運動速度等因素無關。盪鞦韆的孩子就是個例子，類似的例子還有鐘擺、節拍器、搖椅和音叉。如果你背的購物袋搖晃的頻率似乎和你的腳步不太合拍，那只是因為它的固有頻率和你的步調有所差別。大鐘的聲音低沉，因為較大的尺寸決定了它們需要更長的時間來完成擠壓—拉伸—擠壓的循環，所以大鐘的聲音頻率更低。我們可以通過聆聽來大致判斷物體的尺寸，這是因為尺寸會影響物體振動的頻率。
　　這些特殊的時間尺度對我們來說真的都很重要，因為我們可以利用這些知識控制世界。要想抑制振幅，你在施加推力時就必須錯開物體的固有頻率。這就是茶杯的遊戲。但是，要想不費力氣地助推一把，就得順應物體的固有頻率。窺破天機的不僅僅是人類，狗也會利用這一點。
　　小狗因卡專心致志地盯著網球，就像等待發令槍打響的短跑運動員。我把網球放在塑膠棒上甩出去，它立即緊張起來。下一個瞬間，網球從它頭頂飛過，因卡跟在後面輕盈地躥了出去，彷彿擁有無窮無盡的精力。小狗在茂盛的草地上高興地追逐網球，我和它的主人坎貝爾聊了會兒天。因卡沒有把網球叼回來，因為它嘴裡已經有一個球了(顯然，小獵犬就是這德行)，不過追上球以後，它一直警惕地守在旁邊，直到我們追上去取出它嘴裡的網球，然後把球再次丟了出去。不停地追逐了半個小時以後，因卡終於快活地搖著尾巴坐了下來，氣喘吁吁地抬頭望向我們。
　　我跪下來摸了摸它的背。跑了這麼半天，因卡渾身發燙。它沒有出汗，因為狗不會出汗，但它仍然需要排出多餘的熱量。它張開嘴巴不停喘氣，看起來相當辛苦，似乎需要消耗大量能量，進而產生更多的熱，這好像有點自相矛盾。我的思緒絲毫沒有影響因卡，有人摸它的背，它看起來倒是很開心，一串唾液從它大張的嘴巴邊上流了下來。每次跑完步，我的呼吸總要過上好一會兒才能平靜下來，但因卡很快就不再大口喘氣。面對那雙棕色的大眼睛，我不由得好奇：在重新開始追逐網球之前，它需要多少休息時間？
　　目前據我們所知，蒸發水分是最有效的散熱方式，所以人類才會出汗。液態水轉化為氣態會帶走大量能量，蒸發形成的氣體還會自行飄走，不留任何痕跡。因為狗不會流汗，所以它們無法在皮膚上產生可蒸發的水，但它們的鼻腔內部卻很濕潤。狗大口喘氣，盡可能地排出鼻腔裡的濕潤空氣，這就是它們快速散熱的方式。好像是為了證明這一點，因卡很快又開始大口喘氣了。我數了一下，它大約每秒鐘會喘3次，看起來的確很辛苦。但狗狗真正聰明的地方在於，它們喘氣的時候其實不怎麼費力。
　　因卡的肺彷彿處在振動中，對於小狗來說，1秒鐘呼吸3次效率最高，因為這正是它的肺的固有頻率。吸氣時肺壁擴張，片刻之後肺壁回彈，如此周而復始。因卡只需要一點力氣，就能讓肺恢復原有尺寸，接著進行下一輪喘息。不利的一面在於，在這麼快的呼吸頻率下，因卡的肺無法徹底完成與外界的氣體交換，所以實際上它得不到多少額外的氧氣。因此，它不會一直這樣劇烈喘氣。不過此時此刻，散熱需求暫時抑制了它對氧氣的需求，所以因卡大口喘氣，讓自己的呼吸頻率貼近肺的固有頻率，同時儘量通過鼻子吸入更多空氣。相對於散發掉的熱量而言，喘氣產生的熱量少得可以忽略不計。它通過鼻子吸氣，同時張大嘴巴，因為滴落的口水也有冷卻作用，唾液蒸發也能輔助散熱。現在因卡已經不再大口喘氣了，它盯上了扔在一邊的網球。只需一個眼神，訓練有素的因卡就已心領神會，遊戲再次開始了。
　　形狀和材質都會影響物體的固有頻率，不過最重要的影響因素是物體的尺寸。體形較小的狗喘氣的速度更快，因為它們的肺更小，固有頻率更高。對於體形較小的動物來說，喘氣是一種相當高效的散熱方式。體形越大，喘氣散熱的效率就越低，可能正因如此，大型動物普遍通過出汗來散熱，尤其是那些沒有毛的動物，比如我們人類。
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　　每件物體都有自己的固有頻率。振動的模式不止一種，同一件物品通常擁有多個固有頻率。物體越大，它的固有頻率就越低。你可能需要花費很大的力氣才能推動一個巨大的物體，但就連建築物也會振動，只不過它們的振動非常非常緩慢。事實上，建築物有些類似節拍器，或者倒過來的鐘擺——它的地基是固定的，但頂部會擺動。高處的風總比地面來得猛烈，有時候風的力量足以晃動細高的建築物，甚至能達到它們的固有頻率。如果你曾在大風天待在高層建築裡，你或許體驗過這樣的晃動。建築物搖晃的循環週期可能長達幾秒，待在裡面的人難免會感到不安，所以建築師花了很多時間來研究如何抑制這樣的搖晃。他們不可能讓大樓完全不晃，但可以改變建築物的固有頻率和柔韌性，儘量減輕搖晃。如果你感覺腳下的樓正在晃，不要擔心——這樣的晃動在設計允許的範圍內，樓不會塌的。
　　風或許時強時弱，但它搖晃建築物的節奏不太可能正好等於大樓的固有頻率，所以樓體搖晃的幅度不會太大。但地震帶來的振動又是另一回事了，強烈的地震波從震央出發，如漣漪般向外擴散，緩慢地搖撼大地。高聳的建築物遇到地震時又會發生什麼？





墨西哥城和臺北101大廈


　　1985年9月19日清晨，墨西哥城開始搖晃。350公里外，幾大構造板塊在太平洋邊緣擠壓碰撞，帶來了一場芮氏8.0級的大地震。墨西哥城搖晃了三四分鐘，地震撕裂了這座城市。根據估算，有10000人在地震中喪生，城市的基礎設施也遭到了嚴重的破壞。恢復重建耗費了數年之久。美國國家標準局(U.S. National Bureau of Standards)和美國地質調查局(U.S. Geological Survey)派遣了四位工程師和一位地震學家前去調查損失情況。他們發回的詳細報告表明，最慘重的損失源自巧合帶來的共振。
　　墨西哥城矗立在湖床的沉積物上，下面是堅硬的岩石盆地。科學家們在地震監控設備上看到了一道十分規律的波，完全不像地震帶來的雜亂波形。我們發現，湖底沉積物的地質構造賦予了它特殊的固有頻率，恰好和350公里外傳來的地震波產生了共振。整個湖床以幾乎完全一致的頻率搖晃，宛如一個整體。
　　這已經夠糟糕了，但在深入調查具體損失的時候，工程師還發現，大多數倒塌或嚴重受損的建築物高度都介於5層和20層之間。很多更高和更矮的建築物都不受影響。人們最後計算得出，地震的頻率差不多契合中等大小建築物的固有頻率。地震以恰到好處的頻率持續了一段時間，這些建築就像音叉一樣振動起來，無一倖免。
　　近年來，建築師越發關注如何控制建築物的固有頻率。為了解決這個問題，人們有時候甚至會採用非常隆重的方式。臺灣的臺北101大樓修建於2004年至2010年，這幢高達509公尺的大樓是世界上最高的建築物6，樓裡最引人注目的無疑是87樓到92樓的觀景區。在這裡可以看到大樓的一個中空區域，裡面裝著一個重達660噸的金色球擺，看起來美麗而怪異，但它非常實用。
　　這個大球不是什麼古怪的裝置藝術，而是幫助大樓抵抗地震的安全設施，它的學名叫作「調諧質量阻尼器」。臺灣地區地震頻發，一旦發生地震，大樓和金球會各自獨立地搖晃。開始，大樓向一側傾斜，帶動金球運動，但是等到金球自己動起來，大樓已經開始向反方向運動。這樣周而復始，二者的運動方向始終相反，可以有所抵消。這個大球能向任意方向移動1.5公尺，它能將大樓的晃動減少40％。7要是大樓完全不動，裡面的人會感覺舒適得多。但地震會打破建築物的平衡態，讓它不得不晃動。建築師無法阻止大樓晃動，只能儘量抑制晃動的程度。大樓裡的人別無選擇，只能坐在來回搖晃的高樓裡安心等待，直到地震能量耗盡，一切重新平靜下來。
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　　物理世界總會趨向於平衡態，這是一條基本的物理學定律，人們稱之為「熱力學第二定律」。但這條定律並沒有描述事物達到平衡需要多少時間。任何能量的注入都會促使事物偏離平衡，開始尋找新的平衡。生命之所以會存在，是因為生物總會利用這個原理來控制事物走向平衡的時間，從而掌握能量的去向。
　　就算住在大城市裡，你的生活中也一定會有各種植物。透過廚房的窗戶，我能看到明亮的陽光照耀著露臺上的生菜苗、草莓等各種草本植物。木質地板會吸收直射的陽光並將之轉化為熱量，這些熱量最終又會通過空氣和建築物流向別處。平衡來得很快，在這個過程中，一切都是那麼順理成章。
　　但灑在香菜葉子上的陽光卻有不同的遭遇，它闖進了一間工廠。這些陽光不會直接轉化成熱量，而是以能量的形式服務於光合作用。植物利用陽光打破了葉子裡某些物質的平衡態，透過這種方式將能量儲存在自己體內。植物截斷了能量流向平衡態的最短路徑，然後開始分步利用這些能量。它們生出了類似化學電池的物質，利用這些物質將二氧化碳和水轉化成糖。它們彷彿擁有一條流淌著能量的運河，河道情況異常複雜，有船閘，有交叉口，也有瀑布和水車。控制了能量流經每段河道的速度，就可以控制這裡的所有能量。河道並非暢通無阻，能量也無法一下子從起點流到終點，而是會沿途幫助植物製造複雜的分子。這個過程並不平衡，但植物可以把能量臨時儲存起來，然後開啟通往平衡之路的下一個步驟，如此穩步推進。只要有陽光照在香菜葉子上，它就會為這間欣欣向榮的工廠提供動力。不斷注入的能量推動著不斷變化的目標，但系統始終向著平衡態前進。最後我吃掉了那棵香菜，於是這部分能量又注入了我的系統。這些能量推動我的身體偏離平衡，只要我還在進食，平衡就無法恢復。不過我可以選擇在什麼時間進食，我的身體也可以選擇在什麼時候使用這些能量，這就是我們體內的「船閘」。
　　這顆星球上的生命如此繁多，然而直到今天我們仍無法準確定義「生命」。我們可以憑直覺判斷某樣東西有沒有生命，但若是想用某個簡單的規則來定義這個概念，那就總免不了會有一兩個例外。生命必須能夠維持某個不平衡的狀態，並利用這種狀態來支持複雜的分子工廠，最終藉此完成自我複製和演化。生命能夠控制能量在自身系統中流動的速度，它透過控制能量流來維持自身的存在。從這個角度來說，處於平衡態的事物一定不是活的。這意味著「不平衡」的概念構成了當代兩大謎團的基石：生命從何而來？宇宙中的其他地方有生命嗎？
　　目前，科學家認為，生命或許誕生在37億年前的深海熱泉之中。這些熱泉噴發溫暖的鹼性水，外面則是溫度較低的弱酸性海水。兩種水在熱泉的出口混合，達到平衡，最早的生命可能就誕生在走向平衡的過程中。這裡彷彿有一道船閘，趨於平衡的流改變了方向，構建出最早的生物分子。接著，第一道「關卡」演化成了細胞膜，它是所有細胞與外界之間的城牆，牆內是生命，而牆外不是。最早的細胞之所以能獲得成功，是因為它暫時延緩了平衡態的到來，並由此打開了通往繁複美麗的生物世界的大門。或許其他星球上也會發生同樣的事情。
　　宇宙中的其他地方很可能也存在生命。浩渺的太空中有那麼多攜帶行星的恆星，每顆星球各有獨特的環境。無論形成的條件多麼苛刻，生命一定會在其他地方出現。但地外生命不太可能通過無線電信號和我們打招呼。撇開別的因素不論，宇宙如此廣闊，等我們收到信號的時候，發射信號的地外文明可能早已消亡，何況有能力向宇宙發送信號的文明本身就已是鳳毛麟角。
　　夏威夷的冒納基山頂上矗立著兩座望遠鏡，它們安放在兩座巨大的白色圓形建築裡，在山上比鄰而立。第一眼看到這兩座穹頂的時候，我覺得它們活像是一對凝望宇宙的巨型蛙眼。未來，凱克天文臺(Keck Observatory)的巨大眼珠可能會幫助我們捕捉到太陽系外生命的第一縷痕跡。載有地外生命的行星繞著自己的恆星轉動，恆星的光穿過大氣，會在光譜中留下獨特的「指紋」。凱克天文臺的望遠鏡捕捉的正是這類指紋，不久後它們也許就能探測遙遠行星的大氣成分，比如，大氣裡是否有過多的氧或者過多的甲烷……這些失衡的跡象可能意味著該行星存在生命。我們也許永遠無法確定，但這至少是人類有史以來想出的最可靠的尋找地外生命的方法：世界總會趨於平衡，如果能夠確定它走向平衡的速度遭到了外力干預，這方面的證據或許會幫助我們找到正在演化的生命。
　　

註釋
　　1　這種現象被稱為「剪切稀化」，很快我們就將看到，蝸牛也會利用這種現象。
　　2　當然，還有第三種可能：堆肥裡藏著蝸牛卵或者小蝸牛，它就是在托盤裡孵化長大的。但那隻蝸牛真的很大，我實在無法想像它能在短短幾週內長這麼大。
　　3　佛洛斯特的論文中提到了一件趣事。一般來說，我不會為了喜劇效果而引用科學論文，但是現在，我必須和大家分享這段話：給一隻鳥兒拍完影片片段後，我們本來打算把跑步機關掉，卻不小心把它調到了極慢的速度。片刻之後，我們發現那隻鴿子的頭開始慢慢前傾，角度越來越大，最後它果然摔倒了。進一步的觀察表明，如果跑步機以極慢的速度運轉，鴿子也會摔倒，或者說它的姿態會出現極端的變化。看起來，這樣慢的速度不足以讓鴿子邁步前進，卻會讓它不自覺地試圖調整頭部位置，有時候會導致它失去平衡。
　　4　剛剛搬到美國西南部的時候，我總是忍不住好奇地念叨，想知道在這麼乾旱的地方，水到底是從哪裡來的。馬克·賴斯納(Marc Reisner)的著作《凱迪拉克沙漠》(Cadillac Desert)解答了我這方面的很多問題，也講述了本地供水之戰背後的精彩故事，我非常推崇這本書。就在我寫下這段話的時候，加利福尼亞州的旱災正在肆虐，要解決這個問題，我們必須做出一些艱難的決策，這件事刻不容緩。
　　5　實際上還有個辦法：改喝卡布其諾。液體上方的泡沫層會有效抑制水面的晃動，所以帶有泡沫的飲品更不容易灑。同樣的道理也適用於酒吧。啤酒鑑賞家們或許不喜歡太厚的泡沫，但至少泡沫能預防杯子裡的酒灑出來。
　　6　此數據已經過時，目前全球最高的大樓是828公尺的杜拜哈里發塔，但這個數據更新極快，隨時可能變化。——譯者
　　7　巨大的金球下方還有兩個較小的副擺，可以輔助它完成職責。