[时事资讯] 二维宇宙的物理学--引力

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我们知道，在三维宇宙中，所有的长程力（比如万有引力和库仑力）都是和距离平方成反比的。这是因为他们靠一个球状力场（引力场，静电场）来传递，而球面的面积是和其与中心场源的距离平方成正比的，所以，为了维持能量守恒，力的大小就必须和距离平方成反比，这样两者的乘积才是一个常数。

那么我们很容易就能理解，在二维宇宙里，长程力就应该和距离的一次方成反比。这一点我在第一部分曾经就库仑力的大小谈到过。下面我们来讨论，在万有引力与距离一次方成反比的宇宙里，有哪些新鲜的事情。

假如在一个二维星系里，某个恒星周围有若干个行星绕其转动，就像我们的地球和其他行星绕着太阳运转一样。在我们的世界里，行星与太阳的距离越远，其绕行的线速度就越小。推导过程很简单，列一个万有引力等于向心力的方程就可以了——相信各位读者在高中阶段做过很多次这样的推导。然而，在二维宇宙里，如果我们列出这样的方程，解出的结果会是另一个样子。我们会发现，不管环绕半径是多大，绕行的线速度都是一样的。

那么这个速度是多大呢？如果在二维宇宙里，有一个与太阳质量相当的二维恒星，则环绕其运行的行星的线速度约为1152万千米每秒。将其与地球的环绕速度相比，它是地球公转速度的38.7万倍。如果以这个速度公转的话，我们的一年将只有一分半钟。为了对这个速度有更进一步的认识，让我们回忆一下我们的世界里的光速是多少：30万千米每秒。也就是说，如果有个行星环绕着这个二维太阳公转的话，它的公转线速度竟然是我们的光速的38倍之多！

在我们的世界里，如果一个星体要求它的卫星的环绕速度超过光速的话，那它便是我们所谓的“黑洞”。如果在二维宇宙里，光速和我们相同的话，那太阳也就变成了一个黑洞。然而正如我们在前一部分讨论过的，在二维宇宙里，很可能根本就没有光的存在，更无所谓什么光速了。所以，二维宇宙是不是还有相对论、是不是还有所谓的黑洞，这些都是不可简单断言的问题。

现在，我们再来观察，在一个与地球的半径和质量都相当的星球上，它的重力如何。很容易就可以算出，这个二维星球表面的重力加速度是地球的636万倍。显然，任何我们这个世界上的人都无法在这么强的重力场中生存。那么二维人类呢？他们的抗压能力是否能承受如此大的重力？

我们知道，生物的骨骼都有一定的压力承受的限度。一个生物的大小增大一倍，骨骼的截面积变为原来的4倍，可是与此同时，其体重却变为了原来的8倍——这正是生物不能无限制长大的原因。可是在二维宇宙里，所有生物都是在一个平面里，某个生物的大小增大一倍，其体重只会变为原来的4倍。从这个角度来看，二维生物的抗压性应该比我们更好。

在地球上有一种生命力极强的生物叫“水熊”，体积极小（体长不超过一毫米），要在显微镜下才能看清。它可以在没有防护措施的情况下，在深海乃至外太空生存。我们计算一下它在四千米的深海中所受到的压力，大约为40N。而估算一下其在上述的二维星球上所受的重力，其大约为60N，与其在地球深海中所受的压力在同一量级。可以想见，这种生物应该可以在这种强大的重力场中生存。

然而我们很难想象一个智慧生物的体长如此之小。如果要让一种与人类大小相当的二维生物能够生存，其身处的重力场也应该和地球的重力相当，或者最多大一个量级。如果以这个标准计算，那么在二维宇宙里，能够孕育出与人类大小相当的智慧生物的星球，其半径最多只能有十米。然而如此小的星球，又不可能形成一个足够稳定和封闭的生态系统，也无法提供足够多的资源供高等生物产生和演化。所以，最悲观的结果是，在这样的二维宇宙里，根本不会有智慧生物存在。

当然，事情可能也没那么糟糕。在之前的计算中，我们设想一个星球的半径和质量和地球相当，然而它们的星球是只是一个二维平面，相当于把地球压扁形成的一个圆形。这样的一个圆形星球，其质量必定比地球小很多。要知道，在之前我们曾经讨论够，那里的物质密度可能会比三维宇宙更小。从这个角度上讲，我们刚才计算出的重力值显然是偏大的。可是如果我们按照一个单原子层来估计他们的星球重力的话，那计算出的重力又太小了，以至于可以忽略不计。这种计算同样是不太合理的，因为在星球中心的二维原子，在压力下，其密度很可能会远超过一般单原子层的密度。事实上，这里涉及到一个非常复杂的情况，那就是二维原子在高压下会发生什么样的变化。在我们的宇宙里，高压会导致物质发生各种相变，比如白矮星的物质在高压下变成了一种极致的原子密堆积结构，依靠电子的简并压来抵抗引力，而中子星更是连原子本身都被压力破坏了，依靠中子的简并压来平衡外部压力。对于二维原子会发生什么相变，我们现在并不清楚。

我们当然希望这个二维宇宙里存在智慧生物，或者说能够提供智慧生物赖以生存的条件。这样，当他们有一天发现人类文明二维化后留下的废墟时，至少能为我们的文明竖立一座墓碑。