第5章 有升必有落——重力
让葡萄干跳舞
好奇心流淌在我的家族血液中。我的家人总是乐于接触和探索新事物，不厌其烦地尝试新东西。所以，哪怕我在全家聚餐时突然跑进厨房翻出一瓶柠檬汽水和一把葡萄干开始捣鼓，他们也丝毫不会大惊小怪。那是个美丽的夏日，我母亲家的花园里坐着全家人，包括我的妹妹、姨妈、祖母和父母。我找出一瓶2升装的廉价柠檬汽水，撕掉标签，然后把那个塑料瓶放到桌子中央。面对我的疯狂之举，他们谁都没有说话，但我知道，大家都在关注我的一举一动。于是我打开瓶盖，往瓶子里加了整整一把葡萄干。柠檬汽水里升起了泡沫，等气泡散尽，我们发现葡萄干在水中舞动。我本来觉得这个小把戏最多能吸引大家一两分钟的注意力，但祖母和父亲却一直盯着它看。塑料瓶仿佛变成了一盏熔岩灯，葡萄干从瓶底浮到水面上，然后又沉下去，周而复始。它们在瓶子里打着旋儿互相碰撞，十分热闹。
一只麻雀飞了过来，它一边啄着桌上的面包屑，一边好奇地看了瓶子一眼。桌子对面的父亲也紧盯着瓶子，眼神里同样充满好奇。“放其他东西进去也行吧？”他问道。
答案是肯定的，而且理由非常充分。瓶盖打开之前，瓶内气压远高于外部气压。就在你拧开瓶盖的瞬间，瓶内气压下降了。柠檬汽水里溶解着大量气体，高压迫使它们停留在水中；但是突然之间，所有气体有了个出口。问题在于，它们需要一条疏散路线。制造新气泡非常困难，所以这些气体分子只能加入已有的气泡。葡萄干来得正合适，它的表面满是V形褶皱，这是个有利因素，因为柠檬汽水无法彻底填充缝隙里的空间。沉到水底的葡萄干，每一条皱褶里都藏着气泡的雏形——一小团气体。这就是你需要葡萄干（或者其他密度略大于水的皱巴巴的小东西）的原因。柠檬汽水里的气体涌进这些还未成形的气泡，给葡萄干穿上一层气体组成的救生衣。葡萄干本身的密度比水大，所以重力会拖着它沉到水底；但气泡成形后，葡萄干和这些气泡加在一起的整体密度就变小了，于是它开始上浮。到达水面后，气泡破裂散逸，于是你看到葡萄干沉了下去。葡萄干被气体托出水面，因为失去救生衣而下沉，这样的过程周而复始，直至柠檬汽水里多余的二氧化碳耗尽。
在桌子中央放了半小时以后，瓶子里令人眼花缭乱的现象终于渐渐平息，只是偶尔还有一粒葡萄干无精打采地缓缓沉浮，柠檬汽水也蒙上了一层黯淡的黄色。浮力带来的盛大演出已经谢幕，剩下的一大瓶液体看起来就像泡着死苍蝇的尿样。
试试看吧。如果你能找到一小把葡萄干，那么这套小把戏很适合在在聚会时活跃气氛。关键在于，气泡和葡萄干融合成了一个整体，它们一起运动。裹在葡萄干上的气泡几乎没什么重量，却能大大扩展它们所占的体积。物体的密度等于质量除它占据的空间，所以葡萄干和气泡组成的这个整体，其密度小于葡萄干本身。重力以拉力的形式作用于物体，密度小的东西重力也更小。正因如此，某些物体能浮起来——漂浮只是重力引发的一种分层现象。重力将密度大的液体向下拉扯，如果浸泡在液体内的物体密度相对较小，它就会上浮。所以我们说，比液体密度小的物体会漂浮在液面上。
充满空气的空间可以帮助调节物体的相对密度和漂浮状态。众所周知，“永不沉没”的“泰坦尼克号”就在底舱中设计了巨大的防水隔间，它们的作用类似葡萄干上的气泡：充满空气的隔间为这艘巨轮提供了更多浮力，让它能浮在海面上。结果“泰坦尼克号”撞上了冰山，隔间的密封性遭到破坏，水灌满了底舱，就像葡萄干上的气泡散逸到空气中。和失去了救生衣的葡萄干一样，“泰坦尼克号”只能无奈地沉入深海。[13]
我们见惯了物体的沉浮，却很少会想到物体有重力才有沉浮。这种亘古长存的力量占据着生命的舞台，时时刻刻提醒我们哪边是“下”。重力的作用大得不可思议，它将所有物体固定在地面上，让一切看起来井然有序。与此同时，重力产生的效果也是最直观的。力很奇怪——你看不见它，也很难弄清它的作用。但重力一直在那里，大小不变（至少在地表是这样），方向恒定。如果你想深入了解力，重力是理想的启蒙老师。先了解一下坠落现象吧，这是最好的入门方式，不是吗？
空中坠落和海上摇摆
跳板跳水和高台跳水带来的感觉介于极度的自由和彻底的疯狂之间。离开跳板的瞬间，你完全感觉不到重力的存在。当然，重力并没有消失，但在那一刻，它是作用在你身上的唯一的力，没有任何力与它抗衡。这时，你在旋转中感觉自己就像一个完全不受外力的物体，仿佛飘浮在太空中，你将体会到极度的自由。但世上没有免费的午餐，一两秒后你就会到达水面，麻烦也跟着来了。你有两条路可走：要么用手或者脚开辟一条小小的通道，让身体其余部分能够优雅地滑入水中，最大限度地压制水花；要么张开四肢，任由自己的肚子或者背部迎接冲击，激起巨大的水花。当然，第二种方式会很疼。
二十多岁时我做过几年跳板跳水选手和教练，但我讨厌高台跳水。跳板富有弹性，而且它距离水面的高度只有1～3米，感觉有点像蹦床，只是着陆更加平缓。高台却是坚硬的，不同高台距离水面的高度分为5米、7.5米甚至10米。我常去训练的那个游泳馆只有5米的高台，但我依然想方设法逃避高台跳水。
站在5米的高台上，脚下的水面看起来非常遥远。游泳池底总有细碎的泡泡冒上来，所以就算池水纹丝不动，你也能清晰地看到水面的位置。最基础的热身动作是向前正跳——看到这个名字，你不难想象出相应的动作。跳水者站在跳台末端，双臂伸直紧锁在头顶，同时向前弯腰，整个身体呈L形，保证上半身与下半身形成直角。现在眼前的高度看起来似乎没那么吓人了，因为弯下腰以后，你的头离水面近了一点。然后，你踮起脚纵身一跃，就在这个瞬间，你自由了。天地间只剩下你和这颗重达6×1024千克的星球，重力是你们之间唯一的联系。根据宇宙的法则，这意味着你们正在互相拉扯。
和其他所有力一样，重力会改变你的速度，它会带来加速度。这就是著名的牛顿第二定律[14]：作用于你的合力会改变你的速度。起跳前，你处于静止状态，起跳的瞬间，你动了起来。加速度的有趣之处在于，它衡量的是物体每秒的速度变化。从起跳到下落1米，你需要花费相对较长的时间（0.45秒）。在下一个1米，你的下落会花费更少的时间，也正因如此，这个过程中可以用来加速的时间比上一个1米短暂。下落1米时你的速度是4.2米/秒，下落2米以后，你的速度也只达到了6.2米/秒。
因此，在跳水的过程中，你要花大部分时间待在最糟的地方：远离水面的高空。举个例子：从5米高台跳水的时候，前一半的时间里你只能下降1.22米，但接下来就很快了，整个5米的下落过程在1秒内就能完成，最终你的速度将达到9.9米/秒。你伸展身体扎向水面，期待着没有水花的完美入水。
比赛前夕，无论来到哪个游泳池，队里的其他人都会争先恐后地抢占更高的跳台，我却不会。我觉得在空中停留的时间越长，出错的可能性就越大。但这个想法其实不太站得住脚，因为你的运动速度太快，额外的距离根本不会增加多少速度。举例来说，下降5米需要1秒，下降10米只需1.4秒，虽然你的运动距离变成了原来的2倍，但速度却只会增加40%。我很清楚这一点。但在4年的跳水生涯中，我从没跳过超过5米的高度。我不恐高，只是害怕最后的冲击。重力加速的时间越长，最后减速的过程就越让人不适。如果你也有不小心摔坏手机的经历，你肯定明白让重力做主有时候不是什么好事。坠落的距离越长，物体获得的加速度也越大，不过事情也有例外。
在地球上，重力的作用是有限制的。因为作用于你的力不止重力一种，最终的加速度取决于所有力的合力。速度变快了，你需要在单位时间内推开的空气也会变多，这些空气会阻挡你前进，部分抵消重力的加速效果，因为它的方向与重力完全相反。到了某个时刻，重力与阻力相平衡，你的运动速度就会定下来不再变快。以树叶、气球和降落伞为例，这些东西的重力很微弱，相比之下，作用于它们的空气阻力相当可观，所以这些物体在下落速度相对较小的时候就会达到受力平衡。如果是人的话，想在地面附近让重力与空气阻力相平衡，你的速度很可能要高达190千米/小时才行。悲伤的是，坠落的人在低速下受到的空气阻力相当微弱，直到现在，这样的力量也无法让我安心地跳下10米的高台。
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我主要研究海面附近的物理学现象。我是实验物理学家，测量海天之间这片美丽而混乱的空间中发生的事情，这是我工作的一部分。我经常需要在科考船上工作好几个星期，在海面上漂浮的科考船就像一座功能齐全的移动科学村。在船上生活的问题在于，这里的重力环境和你以前习惯的大相径庭。“下”变成了一个不确定的概念。有时候物体坠落的方向和速度与陆地上相同，有时候却完全不一样。要是桌子上的东西没有固定，你就总有些提心吊胆，因为谁也无法确定它会一直停留在原处。海上生活充斥着橡皮筋、线、绳子、黏性防滑垫和上锁的抽屉。变幻莫测的力随时可能把各种物品甩向四面八方，就像喜欢恶作剧的科学幽灵；在这种情况下，你需要这些小玩意儿帮助维持生活的秩序。
我研究的是风暴中破碎的海浪产生的气泡，所以我经常在恶劣的天气下出海几个月。实际上我喜欢出海，因为我很快适应了海上的生活。这样的经历也让我深刻地认识到，我们平时对重力有多么熟视无睹。
在某艘南极科考船上，乘务长怀着近乎偏执的热情每周让我们做三次循环训练。我们聚集在大船中央一个空旷的铁壁船舱里，乖乖地跟着指挥蹦蹦跳跳，每次持续1小时。这可能是我做过的最锻炼人的循环训练，因为永远不知道下一秒哪里会冒出一个力需要去克服。你可能觉得前几个仰卧起坐轻松得不像话，那是因为船身正在向下倾斜，这有效地抵消了重力。船驶到浪谷的时候，你简直感觉飘飘欲仙。然而就在下一个瞬间，重力陡然增加了50%，你觉得自己像是被橡皮筋紧紧地捆在了地面上，你必须调动肚子上的所有肌肉才能勉强把身体拉起来。几个仰卧起坐以后，重力又会再次消失。需要跳跃的运动感觉更糟，因为你永远不知道哪边才是地板。训练终于结束了，可是在洗澡的时候，你还得在小隔间里追逐花洒喷出的水流，因为船身在摇晃，你根本不知道它下一秒会喷向哪里。
当然，重力是无辜的。它一视同仁地作用于船上的所有东西，将每一个物体拉往地心的方向。但你总是在需要对抗重力加速度的时候感受到重力的作用。海上科考船这个铁盒子被大自然玩弄于股掌之中。在这里生活，你周围的一切都在加速，你的身体也无从分辨罪魁祸首到底是重力加速度还是其他力带来的加速度。所以，无论这些力来自哪里，所有力抵消或是汇合之后的结果，才是你感觉到的重力。同样，在电梯刚刚启动和即将停止的时候——在电梯加速和减速的过程中——你也会产生一种奇怪的感觉。身体无法分辨电梯带来的加速度和重力造成的加速度，所以你会感觉重力对你的作用在变化。在那短短的几分之一秒内，你体验到了生活在另一颗重力不同的星球上是什么感觉。[15]
幸运的是，大部分时间我们不用为这些复杂的事情操心。在日常生活中，重力恒定不变，永远指向地心。所有物体都会向“下”坠落，就连植物都知道这个。
我的母亲是一位勤劳的园丁，所以我在成长过程中，有很多机会参与播种和锄草，我还会翻肥堆，会对着恶心的鼻涕虫不由自主地皱起鼻子。我还记得，种子萌芽让幼时的我惊叹不已，因为它们能把上和下分得清清楚楚。种荚在黑暗的泥土中悄然张开，根须向下伸展，初生的幼芽努力向上冒出头来。只要拔出一棵刚刚发芽的幼苗，你就能清晰地看到，它毫不犹豫地朝这两个方向生长，不需丝毫探索。根笔直向下，芽挺拔向上。种子怎么知道方向呢？长大一点以后，我找到了答案。真相其实很简单，种子里有一种特殊的平衡细胞，这就像植物版的微缩雪景球。每个平衡细胞里都有一些特殊的淀粉颗粒，这些颗粒的密度大于细胞内的其他物质，所以它们总会沉到细胞底部。蛋白质的网络能够感知这些颗粒的位置，所以种子和幼苗知道哪边是上。下次播种的时候，你可以把种子翻来倒去，想象一下你的动作将如何影响种子里的雪景球；不必在乎种子撒下去的角度，它们会自己解决这个问题。
重力是一种非常有用的工具。铅垂线和水准仪廉价而精准。我们都知道哪边是“下”，但是，既然所有物体之间都有引力，那远处的山岂不是也在拉扯我？为什么地心引力这么独特？
我热爱海滨，原因有很多（浪花、泡沫、日落、海边的轻风），但其中最重要的是，辽阔的大海可以带来弥足珍贵的自由感。在加州工作的时候，我跟别人合住在一栋小房子里，离海滩近得能听到夜晚的涛声。后院有一棵橘子树，我可以坐在门廊下，静观熙来攘往的人群。忙碌的一天结束后，我可以走到公路尽头，坐在光滑而沧桑的石头上遥望太平洋，这真是再奢侈不过的享受。
幼时的我也曾在英国的海边玩耍，但那时候我总忙着寻找鱼儿和鸟，或是惊叹于海浪的壮观。但在圣迭戈看海的时候，我想到的是我们这颗星球。太平洋如此广阔，它在赤道上的跨度足足占据了整个地球周长的1/3。望着远方的日落，我想着脚下这个巨大的岩石球，阿拉斯加和北极在我右侧的远方，脚下的安第斯山脉向左一路延伸到南极洲。我险些迷失在头脑中的画卷里，在那个瞬间，我仿佛一念千里，亲身来到了那些地方。它们都在吸引我，我也在吸引它们。每一个质点都在吸引其他质点，万有引力其实是一种很小的力，就连孩子都能轻松对抗整颗行星产生的引力。但无论如何，这些弱小的吸引力依然存在。我们体验到的重力由无数微弱的力汇集而成。
1687年，伟大的科学家艾萨克·牛顿在《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica）中首次提出了万有引力定律。这条定律指出，两个物体之间的引力与距离的平方成反比。根据这一点，牛顿证明了如果将一颗行星产生的所有引力汇总到一起，许多侧向力会相互抵消，最后只留下一个向下的力，它指向行星正中央，与行星质量及被拉扯物体的质量成正比。如果一座山和你的距离拉长至原来的2倍，那它对你的引力就会变成原来的1/4。所以物体离你越远，对你的影响就越小，尽管影响依然存在。我坐在海滨看落日时，阿拉斯加向我施加了一个向北的引力，与此同时，安第斯山向我施加了一个向南的引力。但这两股力相互抵消，剩下的就是向下的重力。
所以，此时此刻，尽管每一个人都会同时受到喜马拉雅山、悉尼歌剧院、地核和无数海螺的引力，但我们无须深究所有细节，化繁为简就是最便捷的工具。要计算地球对我的引力，我只需要知道地心和我的距离以及整颗行星的质量。牛顿这一理论的美妙之处在于，它简洁、明确、有效。
不过，力的确很奇怪。牛顿对引力的解释固然相当巧妙，却有一个极大的缺陷：他没有揭示引力背后的机制。地球的引力让苹果落地[16]——这样的断言简单而直接，但引力从何而来？难道有我们看不见的绳子或者精灵？直到爱因斯坦提出广义相对论，这个问题才有了比较令人满意的答案，但在此之前的230年里，牛顿的引力模型得到了广泛的接受，而且一直应用至今，因为它的确非常有效。
厨房秤、伦敦塔桥和霸王龙
你看不到力，但几乎每个厨房里都有测量力的设备。烹饪（尤其是烘焙）需要一件必不可少的工具，但所有光鲜亮丽的食谱都不会提到它。你之所以需要这件工具，是因为食材的量很重要，你必须准确称量原材料。而要实现这一点，你需要一个行星那么大的（随便什么）物体。对于喜欢葡萄干馅饼、果酱夹层蛋糕和巧克力奶油蛋糕的人来说，幸运的是我们正好就站在这些个体上。
我有一本手写的食谱，里面记录着我从8岁开始搜集的配方。我喜欢翻到最前面回顾过往。胡萝卜蛋糕就能让我回忆童年。那一页潦草的字迹已经沾满了多年积累的污渍，上面写的第一步是称200克面粉。烘焙师的办法其实很聪明，只是我们早已习以为常。他们把面粉放进碗里，然后直接测量地球对它的引力，厨房秤就是用来干这个的。我们把厨房秤放在庞大的地球与小小的碗之间，测量秤受到的挤压力。物体与地球之间的引力与二者的质量积成正比，既然地球质量恒定，那么碗里的面粉质量就成了影响引力的唯一变量。厨房秤测得的重量实质上是面粉与地球之间的引力，这个值等于面粉质量乘以重力加速度，重力加速度是恒定的，所以，只要测得重量（引力），就能根据已知的重力加速度算出碗里面粉的质量。下一步我们需要100克黄油。于是你换一个新碗搁在厨房秤上，往里放黄油，直到厨房秤承受的挤压力达到刚才的一半。这种简单实用的技术可以帮助你测量物体的质量，它适用于这颗行星上的所有物体。物体质量越大，重量就越大，因为地球会对它产生更大的引力。太空中所有物体都会失去重量，因为那里的引力太弱，产生的效果也不够明显，除非你靠近某颗星。
厨房秤为我们上了重要的一课：引力造就了地球和太阳系，而且在人类文明中无处不在，但它其实非常弱小。地球的质量是6×10²⁴千克（6×10²¹吨），但它对那碗面粉的引力还敌不过一根小小的橡皮筋。当然，要是没有引力，所有生命都将不复存在，但厨房秤带来的启示为我们开启了新的视角。每当你拿起一件东西的时候，请记住，你正在对抗一整颗行星的引力。太阳系之所以有这么大，就是因为引力很微弱。不过，与其他基本力相比，引力也有一个明显的优势，那就是它的作用距离。引力的确十分微弱，你离地球越远，地球对你的引力就越弱，但它却能跨越广袤的太空，拉扯其他行星、恒星和星系。每个引力都很弱小，但宇宙的结构正是由这些渺小的力构建起来的。
话说回来，哪怕只是从桌上端起做好的胡萝卜蛋糕也需要费点力气。蛋糕放在桌子上的时候，桌面提供的向上的力正好抵消了蛋糕与地球之间的引力。要把它端起来，你花费的力气必须比桌面的支撑力大，这样才能打破平衡，让蛋糕向上运动。在我们生活中起作用的不是某一个单独的力，而是它们抵消和汇总后的合力。这样一来，事情就简单多了。多大的力都可以通过反向的力来抵消。要深入思考这个问题，最简单的办法是先观察固体的受力情况，因为固体在受力时不会变形。伦敦塔桥就是一个固体。
重力也有很烦人的时候，如果你想让物体停留在空中，那就得设法对抗它。要是做不到的话，东西自然就会掉到地上，就像水总是天经地义地流向低处。不过对固体来说，情况有所不同。我们可以用支点有效地抵消重力，撬起重得不可思议的物体，就像在玩跷跷板一样。跷跷板的另一半通常被巧妙地隐藏了起来，伦敦塔桥那两座美丽的高塔就是这方面的典范。两座人工岛将泰晤士河的宽度等分成三份，两座高塔矗立在岛上，守卫着伦敦的入海口，托起贯通城市南北的公路。
塔桥的人行道上总是挤满了手持相机的游客，伦敦出租车、纪念品商人、咖啡摊、遛狗的人和来来往往的巴士组成了这幅画卷的背景。在混乱的人群中穿梭，我们亦步亦趋地跟在导游身后，就像一群听话的小鸭子。导游打开塔基的一道铁门，领着我们绕过墙角，石砌的棚子映入眼帘，看起来就像精致的花园凉亭。周围突然安静下来。你几乎能听见人们如释重负的叹息，我们这些游客终于熬过了严酷的考验，得到了最后的奖赏，看到了黄铜刻度盘、巨型控制杆，还有粗笨的阀门。这都是维多利亚时代留下的坚固工程。塔桥以童话城堡般的美丽精致闻名于世，但现在我们看到的才是它的本质：这头优雅而强壮的野兽拥有一颗庞大的钢铁之心。
早在两千年前，伦敦就已经是一座港口了。河上之城的美妙之处在于，它有两道可供人休憩的河岸，这不仅仅是一小段海岸线。泰晤士河无疑是一条至关重要的水上高速公路，可对徒步行走的人和陆上交通工具来说，它又成了一道天堑。曾有不少桥梁跨越这条河流，随后又消失在历史的尘埃中。19世纪70年代，这座城市迫切需要一座新的桥梁，但问题在于，泰晤士河里常有高高的大船经过，如何在不妨碍船只通行的情况下帮助马匹和车辆横跨河道？最后，人们想出了塔桥这个巧妙的解决方案。
这座小小的石头棚子坐落在一道螺旋楼梯顶端，楼梯另一头旋转向下，连接着塔基旁几个大得不可思议的砖砌洞穴。这些巨洞看起来像是通往纳尼亚大陆[17]的衣橱，但这里的“纳尼亚”不是奇幻世界，而是工程学的王国。第一个洞里安装着古老原始的液压泵，第二个洞比第一个大得多，一头木制怪兽占据了洞穴的大部分空间：那是一个两层楼高的巨桶，可以用来临时储存能量，很像电池。不过，第三个洞才是最大的，这里装着整座塔桥的配重。
两座高塔之间的桥身分成独立的两半。每年大约有1000次，有大船航行到塔桥附近时，桥面上的交通暂时停止。桥身的两半分别向上抬起，与此同时，隐藏在塔基下黑暗洞穴中的配重开始下降，它就是跷跷板的另一头。我抬头仰望巨大的配重块，不禁问道：“我们头顶这些东西到底有多重？”导游格伦高兴地回答：“噢，这里大约有460吨铅锭和少量生铁，它们总在摆动。塔桥升起的时候，你能听到它们发出吱扭声。如果改动了桥面上的建筑，那么配重也要重新调整，这样才能保证塔桥的完美平衡。”显然，世界上最大的沙包正悬挂在我们头顶正上方。
这套方案的关键在于平衡。这一整套机械装置的作用不是硬生生抬起塔桥，而是让它倾斜一点点，支点两侧受力完全平衡。这意味着我们只需要一点点能量就能让它动起来——只要能克服轴承的摩擦力就行。在这套系统中，重力被抵消了，因为跷跷板两头承受的下拉力完全相等。我们无法打败重力，但可以让它自己打败自己。正如维多利亚时代人们已经认识到的，造一个巨大的跷跷板就行。
游览结束后，我沿着河岸走了一小段路，然后回望这座大桥。现在塔桥在我眼中完全变了模样，我喜欢这种新奇的角度。维多利亚时代的人们没有唾手可得的电力和掌控全局的计算机，也没有塑料和钢筋水泥这样的新材料，但他们却能用最简单的物理原理完成这样宏伟的工程。塔桥的简洁深深触动了我。它之所以如此精确，是因为背后的原理非常简单；也正是这个原因，120年后的今天，这座大桥仍在正常运转，几乎没有任何变化。哥特复兴式（或者说宛如童话城堡般）的建筑风格只是一层包装，塔桥的本质其实是一座巨大的跷跷板。要是有人能重修一座塔桥，我希望它是透明的，让所有人都能看到它的巧妙之处。
用跷跷板的思路解决重力问题的例子还有很多。请想象一个4米高的支点，支点两头各有一块6米长的板子，它们共同组成了平衡的跷跷板。我说的不是大桥，而是霸王龙，它是白垩纪最负盛名的食肉动物。两条粗壮的腿支撑着霸王龙的身体，髋部就是它的支点。霸王龙之所以不会摔个嘴啃泥，是因为它长着恐怖牙齿的沉重头颅与肌肉发达的长尾巴达到了平衡。不过，作为一座行走的跷跷板，霸王龙生活得并不轻松。再一往无前的霸王龙也难免偶尔想转个方向，但这个看似简单的动作对它们来说却很困难。人们估计，霸王龙需要花费一两秒的时间才能转身45度；《侏罗纪公园》里的霸王龙既聪明又敏捷，但在现实世界里，霸王龙不可能那么灵活。庞大强壮的恐龙为什么会有这样的弱点？这都多亏了物理学。
冰上旋转的舞者姿态优雅，充满美感，让人不由得惊叹于人体的无穷潜力。不过，要是跟物理学家一起待得太久，你会不由自主地想到，花样滑冰运动员最大的贡献或许在于，人们可以直观地看到，他们双臂展开时的旋转速度远小于双臂收起的时候。这个例子十分实在，因为冰几乎没有摩擦力，按理来说，在冰上旋转的人，他旋转的“量”是恒定的。真正有趣的地方在于，运动员不用获得外力，他们调整姿态就能改变自己的速度。我们发现，物体离转轴越远，它旋转一圈所运动的距离就越长，于是这一圈就会从总“转量”[18]中消耗较多的一部分。如果你伸开双臂，那么它们离转轴的距离就会变远，为了达到新的平衡，身体转动的速度会相应变慢。这就是让霸王龙苦恼的问题。霸王龙的双腿产生的转向的劲儿（力矩）就是这么多，巨大的头颅和沉重的尾巴又距离转轴太远，就像运动员伸开的双臂一样，所以它只能慢慢转身。要是某只敏捷的哺乳动物（比如我们的祖先）能想明白这一点，那它的生活就会变得安全得多。
这也解释了我们在快要跌倒的时候为什么会本能地张开双臂。如果我从站立姿势开始向右摔倒，那么实际上，我是在绕着自己的脚踝旋转。要是我能在摔倒之前张开胳膊或者双臂上举，就能抵消一部分外力，赢得更多时间，让我有机会调整姿态，重新站稳。所以平衡木上的体操运动员总是水平展开双臂。这个动作能增大她们的转动惯量，让她们有更多时间调整姿态，避免坠落。除此以外，你还可以上下挥舞双臂，这同样有助于保持平衡。
1876年，玛丽亚·斯佩特里娜（Maria Spelterina）成为第一个以走钢索的方式跨越尼亚加拉大瀑布的女性。一张照片记录下了她走在钢索中间的一幕，玛丽亚镇定地保持着平衡，脚下还挂着装桃子的果篮，这是为了更有看点。不过，照片里最醒目的还得数玛丽亚手中那根水平的长杆，它是辅助平衡的最佳工具。人的手臂伸展的距离有限，玛丽亚能够精确地控制身体的平衡，平衡杆的功用不可忽视，它可以替代手臂发挥作用。[19]就算身体失去平衡，变化也会来得很慢，因为平衡杆两端之间的漫长距离削弱了力矩的作用效果。人们担心玛丽亚会摔向一边，但手中的长杆阻碍了她的身体从左向右的转动。霸王龙遇到的也是这种情况。玛丽亚没有掉到脚下50米外的瀑布里香消玉殒，7000万年前的霸王龙无法迅速转向，这两件事看似风马牛不相及，但背后的物理学原理却完全相同。
重力对固体产生拉力，这个概念听起来相当熟悉，这主要是因为我们自己也会受到重力的拉扯。不过，世界上除了固体以外还有流动的液体。在外力作用下，水像空气一样，也在一刻不停地流动变化。我们能看到树叶坠落、大桥升起，却不常看到液体的流动，我时常觉得这是一大遗憾。液体同样会受到各种力的作用，但它们不用保持固定的形状，所以流体力学的世界十分美妙。液体自由自在地流淌、旋转、漫延，超乎想象，无处不在。
鱼会打嗝吗？
气泡的可爱之处正在于它们无处不在。我觉得气泡是物理世界的无名英雄，它默默出现在水壶、蛋糕、生物反应堆和浴缸里，低调地完成各种任务，又在大功告成后悄然消失。气泡是我们再熟悉不过的东西，所以我们常常意识不到它的存在。几年前我曾问几组5～8岁的孩子：“你们觉得哪些地方可能有气泡出现？”快乐的孩子们给出的答案包括汽水、浴缸和水族箱。可是当我问到最后一组的时候，也许是因为孩子们累了，无论我怎么和颜悦色地鼓励，他们还是不肯说话，只是茫然地瞪着我。休息了很长时间，反复地启发多次以后，终于有个普普通通的6岁孩子举起了手。“那么，”我赶紧换上轻快的语气，“你能在哪里找到气泡呢？”男孩用一种“这还用说吗”的目光瞥了我一眼，然后大声宣布：“芝士……还有鼻涕。”我无法反驳他，虽然我以前从没想到过这两样东西。显而易见，这孩子吹鼻涕泡泡的次数应该比我多得多。不过至少对某种动物来说，冒泡的鼻涕决定了它特殊的生活方式——现在，来认识一下紫螺（janthina janthina）吧。
这种紫色的海螺通常生活在海床和海底的岩石上。如果你把紫螺从它栖息的岩石上抠下来，再把它托到稍微高一点的水中并松开手，它就会下沉。古希腊数学家阿基米德（就是那位以“我知道了！”闻名于世的数学家）首次总结出了物体在什么情况下会上浮，在什么情况下会下沉。或许阿基米德只想研究船只，但实际上，浮力定律同样适用于海螺、鲸，以及浸在液体中的任何物体。
阿基米德指出，浸没在液体中的物体与被它排开的液体之间存在明显的竞争关系。海螺和周围的水都受到向下的地心引力，水是一种液体，所以物体可以在水中轻松地运动。作用于某件物体的重力与物体质量成正比。如果海螺的质量增加1倍，那么它受到的重力也会增加1倍。物体周围的水也受向下的重力作用，那么，如果水受到的力相对较大，海螺就只能上浮，好让更多的水流动到海螺下方。根据阿基米德定律，这只倒霉的软体动物受到的向上的推力（浮力）等于被它排开的水受到的向下的重力。实际上，这意味着如果海螺质量大于被它排开的水的质量，那么它将赢得这场重力之战，并且沉入水底；而要是海螺的质量更小（它的密度小于水），那么胜利者就变成了水，水向下流动，螺壳向上浮起。大部分海螺的密度大于海水，所以它们总会沉下去。
大部分海螺都无法逃脱下沉的命运，但在历史上的某一天，某只“普通”海螺遇到了一件倒霉事：一个气泡钻进了它的卵鞘。浮力的特殊之处在于，从本质上说，对特定液体而言，唯一影响浮力的因素是物体的整体密度。要改变物体的浮力，你不必改变它的质量，只要改变它占据的空间就行——气泡就可以占据很多空间。某一天，一个比较大的气泡钻进了海螺的卵鞘，已有的平衡被打破，这只海螺破天荒地在水中晃晃悠悠地浮了起来，漂向头顶的阳光。通往海面的大门轰然打开，那里的食物更加丰富……但海螺必须漂到海面上才能享受这些资源，演化之路就此开启。
今天，这些“漂浮螺”的后裔紫螺已经成了全世界温暖海域中的常见生物。这些颜色鲜艳的海螺会分泌黏液（和花园石板上常见的黏液是同一种东西），再用肌肉发达的斧足搅拌黏液，裹入大气中的空气。它们会建造出比自己的身体还大的气泡筏，以此确保自身的总密度始终小于海水密度。所以紫螺总是倒悬着浮在海面上（泡泡筏在上，螺壳在下），捕食过往的水母。如果你在海滩上看到了紫螺壳，那很可能就是它们的遗物。
浮力可以帮助我们快速分辨某个封闭物体内部有什么东西。如果两罐汽水外表看起来完全相同，但其中一罐是无糖的，另一罐加了很多糖，那么你会看到，无糖汽水在淡水中能浮起来，另一罐则会沉下去。两个汽水罐的体积一模一样，不一样的是罐子里的东西。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，额外的质量拉高了汽水罐的平均密度，让它在重力之战中击败了淡水，所以罐子才会沉下去。无糖汽水添加的甜味剂质量极小，罐子里几乎全都是水和空气，所以它会浮起来。
生鸡蛋的例子可能更实用一点。鲜鸡蛋的密度大于水，所以在冷水中，它会平躺着沉到水底；但是在冰箱里放了几天以后，鸡蛋会慢慢失水，蛋壳里的水分悄悄流失，空气分子渗入鸡蛋大头内的气囊。放了一周左右的鸡蛋在水中也会沉底，但会立起来，蛋壳较小的那头朝下，大头内多余的空气离水面更近。如果鸡蛋整个浮了起来，那说明它实在放得太久——早餐还是换些别的吃吧！
当然，要是能控制随身携带的气体量和这些气体占据的空间，那么你就能随心所欲地选择是上浮还是下沉。
刚开始研究气泡的时候，我曾读过一篇1962年的论文，作者一本正经地宣称：“气泡不仅仅来自破碎的波浪，还有腐败的物质、鱼打的嗝和海床里的甲烷。”鱼打的嗝？显而易见，作者屁股下面的皮革大扶手椅应该相当舒适，所以他才会说出这种昏话；这把椅子大概位于伦敦某家俱乐部深处，相比大海，这里离醒酒器更近。当时的我觉得这种说法荒谬得可笑，直到三年后，我在库拉索岛的水下与一条巨大的海鲢（长约1.5米）擦肩而过，就在那个瞬间，我清晰地感觉到了它从鳃里喷出的气体。事实上，很多硬骨鱼体内都有辅助控制浮力的气囊（鱼鳔）。如果你能让自己的密度正好等于周围液体的密度，那么你就可以悬浮在原地。海鲢的鳔固然有些特殊（能像海鲢这样直接呼吸空气的鱼类十分罕见，它可以利用自己的鳃过滤氧气），但我不得不承认，鱼的确会打嗝。尽管如此，我依然认为，鱼打嗝对海洋中气泡的形成没有显著影响。[20]
重力作用在不同的物体上会造成不同的结果。塔桥是固体，所以重力只能改变桥的位置，却无法影响它的形状。海螺也是固体，它在海水中运动，周围的海水会随之流动，重新调整达到平衡。气体也会流动，所以液体和气体都被称为流体。在重力的作用下，固体也会在气体中运动：充满氦气的派对气球会飘起来，齐柏林飞艇能浮上天空。其实它们和粘在气泡筏上的紫螺一样。如果要与周围的流体比赛谁的重力大，它们全都会输。
不变的重力可能带来不稳定因素，这通常意味着各种力和物体需要重新调整，直至恢复平衡。不稳定的固体会滑落或者跌落，它周围的液体或气体也会发生相应的流动，为固体的运动腾出空间。但是，如果变得不稳定的不是气球这样的独立固体，而是流体本身，那又会怎样？
蜡烛和钻石
划一根火柴点燃烛芯，跳动的火焰仿佛一道明亮的喷泉，滚烫的气体开始升腾。千百年来，温暖的烛火照亮了无数抄写员、阴谋家、学童和情人。蜡是一种柔软的燃料，它几乎可以完成所有令人惊喜的变形。跳动的黄色烛焰看似温馨，实际上却蕴含着狂暴的力量，足以撕裂分子、锻造钻石。而且，每一朵烛焰都会受到重力的影响。
就在你点燃烛芯的瞬间，火柴的热量同时熔化了烛芯内部和周围的蜡，让它们变成液体。石蜡是一种碳氢化合物，这种长链分子的骨架由几十个碳原子组成。热量会赋予这些分子能量，让它们像蛇一样彼此缠绕并且蜿蜒游动（看到液态石蜡分子你就懂了）。有的分子得到的能量甚至足够让它们彻底挣脱烛芯的束缚，变成一股灼热的气态燃料。这些分子的温度非常高，所以它们能够以很少的数量推开大量空气，占据可观的空间。这些分子的结构没变，它们受到的重力也和原来一样；但现在，它们占据了更多的空间，那么单位体积内的分子受到的重力也随之下降。
就像海里裹着泡沫的紫螺一样，这些灼热的气体必然会上升，因为周围凉爽致密的空气总会试图溜到它们下面。热空气顺着看不见的“烟囱”上升，一路上与氧气混合。你还没来得及把火柴从蜡烛边上挪开，这些燃料就已经开始在氧气中燃烧分解，于是上升的气体变得更烫，其温度能够达到惊人的1400℃。热空气上升的速度不断加快，你亲手引爆的“喷泉”变得更加绚烂。烛焰不断从下方得到新的燃料，因为烛芯实际上是一根细长的绵条，它会吸取被烛焰熔化的石蜡分子。
在蜡烛燃烧时，最下端的焰火是蓝色的，不会用来照明。长链分子在高温下断裂，但由于得不到足够的氧气，有一部分碎片无法充分燃烧。这些碎片成为滚烫的烟，随着气流上升，我们熟悉的暖色烛光就是它们在1000℃的高温中燃烧发出的。烛光只是高热的副产品，炉火中的热炭发光与之相似，只是规模更大。人们发现，烛焰的光热旋涡不但可以产生石墨组成的烟（就是我们看到的黑烟），有时候碳原子还会聚集起来，形成少量更独特的结构，比如巴克球[21]、碳纳米管[22]和钻石微粒。根据估算，一朵烛焰平均每秒能制造出150万颗纳米钻石。
蜡烛的例子完美展现了流体如何在重力作用下调整自身。凉爽的空气向下涌动，托起熊熊燃烧的燃料，形成持续不断的对流。要是你吹灭了蜡烛，那么在接下来的几秒内，气态的燃料柱仍会向上蒸腾。这时候，如果你捏着一根火柴从上方向下移动，这根“燃料柱”就会被重新点燃，你将看到火焰凭空跳到烛芯上。[23]
只要流体从下方受热，就会产生这样的对流，帮助能量流动、扩散。这是鱼缸加热器、地热设施和炉子上的炖锅有效工作的关键。要是没有重力，这些设备就没法正常使用了。我们常说“热气上升”，这个说法其实不太准确，更确切地说，应该是“较冷的流体赢得了重力之战，所以它向下沉降”。但如果你非要纠正大家的说法不可，那也没有谁会感谢你。
浮力不光会影响热气球、海螺和浪漫的烛光晚餐。广袤的海洋是我们这颗星球的发动机，和其他所有东西一样，大海也会受到重力的影响。深海并不平静，数百年不曾见过阳光的海水在深处流淌、涌动，缓慢而坚定地向着光明前进。不过，将目光投向深海之前，我们不妨先抬头看看。下次在晴朗的高空中看到飞速移动的小点时，请记住，客机的巡航高度大约是10千米。想象一下：你正站在海床最深处的马里亚纳海沟沟底，[24]那么此时此刻，你到海面的距离差不多正好等于飞机到地面的距离。全球海洋的平均深度是4千米，不到客机巡航高度的一半。海水覆盖了70%的地表面积，所以地球的总储水量的确相当可观。
幽暗的深海中隐藏着我们熟悉的模式。让葡萄干在柠檬汽水中舞蹈的机制同样驱使着广袤的大洋绕着这颗星球缓慢运动。当然，这两种运动的规模差距悬殊，而且海洋运动的结果更加重要，但它们背后的原理的确一模一样。我们这颗蓝色星球的蓝色海洋是动态的。
可是，大海为什么会动？
按理说，海洋有数百万年时间调整自己，适应环境，那么它为什么没有达到稳定的平衡状态？搅动大海的关键有两个：热量和盐度。热量和盐度之所以重要，是因为它们会影响海水的密度。在重力作用下，不同区域密度不同的流体自然会流动和调整。我们都知道，海水是咸的，但只要仔细一想，我总会被大海的含盐量给吓一跳。你不妨看看家里的浴缸，要把一浴缸的水变得像海水一样咸，那么你大约需要加入10千克盐，差不多能装满一个大桶。换句话说，一浴缸的海水里就有整整一桶盐！而且大海的盐度并不均匀——海水含盐量为3.1%～3.8%，这个范围看似很小，却很重要。含糖汽水的密度比无糖的大，含盐量高的海水也比淡水密度大。水的密度还会随着温度的降低而增大，海水的温度范围为极地附近的0℃到赤道附近的30℃。含盐量较高、温度较低的水会下沉，而含盐量低、温度高的水总会上升。这个简单的原理推动着全球的海水不停运动。大海里的一滴水可能要花费数千年时间才能完成环球之旅，回到自己的出发点。
北大西洋的风还会吹走热量，所以这里的海水温度更低。[25]刚刚在海面上凝结的时候，海冰的主要成分是水，盐被排除在冰层之外。这样的凝结过程让海水更冷、盐度更高、密度更大。在重力作用下，冷却的海水开始下沉，同时将密度较小的水向上推挤。冰冷的高盐度水在海床上蜿蜒流动，被海底的山谷和山脊限制和阻碍，就像地面上的河流一样。这些海水从北大西洋出发，以每秒几厘米的速度沿着海底向南流动。1000年后，它们终于遇到了第一个真正的大障碍：南极洲。无法继续向南的海水转而向东流动，进入南大洋。这片海域是地球上所有水系的枢纽。海水围绕着白雪皑皑的南极洲，与大西洋、印度洋和太平洋的最南端融为一体。从北极出发的缓慢水流沿着南极洲的海岸运动，最终会再次掉头向北，进入印度洋或太平洋。在这个过程中，它与周围的海水不断融合，密度一路降低，离海面也越来越近。在黑暗的深海中流淌了大约1600年后，这股水流终于又见到了阳光。雨水、入海的河流以及融化的冰不断稀释海水中的盐，海风推着洋流踏上回归北大西洋的旅途。回到起点后，这些水或许又将开始下一个循环。这个过程叫作“温盐环流”：“温”代表温度，“盐”指的是盐度。海水的循环有时候也会被称为“大洋传送带”，这里的描述经过了一点简化，但海水的确会绕着地球流动，驱动这个过程的也的确是重力。
千百年来，海风推动着海面洋流，将探险家和商人送往地球的各个角落。但在深海之中，还有一种同等重要的货物在被系统地输送着，它就是热量。
在地球上，赤道附近吸收的太阳热量最多。这一方面是因为赤道的太阳高度角常常是最大的，另一方面是因为这个纬度的地球周长最长，可吸收热量的面积最大。水的比热容很大，哪怕它升温一点点也能吸收大量的热，所以温暖的大洋就像储存着太阳能的巨型电池。随着海水的流动，这些能量被送往不同的区域，温盐环流悄悄影响着天气。稀薄多变的大气在空中流动，水体形成的稳定热量库在下方不断提供能量，对激变进行缓冲。
大气是最终的受益者，但海洋才是王座背后的力量。下次看到地球卫星图的时候，请提醒自己，大陆固然有趣，蔚蓝的海洋也绝不是填补空隙的无意义地带。想象一下在重力作用下缓慢流淌的巨大洋流，你就会看到那一抹蔚蓝的本质：它是这颗星球最大的发动机。