自然科學

選文一

牛頓的水桶實驗與絕對空間概念

◎〔美國〕萊恩·R·格林

當我們放開水桶，桶和水會一同旋轉，水的表面呈現凹狀。牛頓提出疑問：水的表面為何會形成這樣的形狀？常見解釋是水旋轉時受桶壁壓力，致使桶壁處的水向上延伸。然而，牛頓真正思考的是：水在旋轉究竟意味著什么，水相對于什么在旋轉？當時牛頓正思索運動基礎，尚未厘清旋轉這樣的加速運動無需與外部物體比較的緣由。

起初，人們自然會選擇將水桶當作參照物。但牛頓經論證發現此方法行不通。桶剛開始旋轉時，桶與水存在相對運動，因為桶動而水不會立刻跟著動，此時即便水開始動，水面依然保持平坦。過了一會兒，水隨桶旋轉起來，二者間無相對運動了，水面卻凹了下去。若以桶為參照物，會得出與常理相悖的結論：有相對運動時水面平，無相對運動時水面凹。

進一步推進牛頓的水桶實驗，桶繼續旋轉，繩子反向扭在一起，桶便會慢慢減速直至靜止，可桶里的水還在旋轉。此時水與桶的相對運動和實驗開始時類似（僅旋轉方向不同），但水面形狀卻不一樣（開始時平，現在凹），這表明相對運動無法解釋水面形狀。

排除以桶作為水運動的參照物后，牛頓大膽設想在深冷、完全虛無的真空環境中做轉桶實驗。問題隨之而來，在這完全虛無的空間里，什么能作為巨桶旋轉的參照物？由于空間除巨桶外一無所有，看似沒有可參照之物，可牛頓并不這么認為。

牛頓給出答案，選定空間本身作為終極容器和參照物，他稱其為絕對空間。牛頓提出，我們存在且所有運動都發生在一個透明、虛無的舞臺中，這個舞臺即絕對空間，它是真實的物理實在。雖我們無法抓取、觸摸、聽聞絕對空間，但牛頓堅稱其存在，并認為絕對空間是描述運動最真實的參照。一個物體相對于絕對空間靜止，那它就是真的靜止；相對于絕對空間運動，就是真的運動；相對于絕對空間有加速度，就是處于真正的加速狀態。

然而，對于絕對空間究竟是什么，牛頓的回應含混且武斷。關于絕對空間，他僅表述為“只取決于其本身性質，不需要任何外部事物為其做參考，永遠保持不變并且不可移動”，即絕對空間是永恒的。但牛頓也隱約流露出對這種簡單斷言的不滿，畢竟運動發生于其中的絕對空間無法被我們感知，要有效區分物體的真實運動并非易事。如此一來，牛頓雖將絕對空間置于描述運動的核心地位，卻未清晰定義，這讓人們陷入尷尬境地，也引發了諸多質疑。

（選自《宇宙的結構》，有刪改）

◆含英咀華

本文圍繞牛頓的水桶實驗展開，闡述其對絕對空間概念的探索。實驗中，水與桶相對運動情況與水面形狀的關系，推翻了以桶作為水運動參照物的設想。牛頓進而設想真空轉桶實驗，提出絕對空間概念，認為其是描述運動的真實參照。但牛頓對絕對空間的定義含混，雖強調其對運動概念的重要性，卻因無法清晰闡釋，引發諸多質疑，展現了科學探索中對基礎概念定義的艱難與困惑。

選文二

天文學

◎〔美國〕費 曼

天文學是一門比物理學更古老的學科。事實上，正是天文學向物理學提出了解釋星體運動得如此美妙而又簡單的問題，對于這個問題的理解，就構成了物理學的開端。但是在所有的天文學發現中，最值得注意的是：星體是由同地球上一樣的原子組成的。那么這是怎么知道的呢？原子釋放具有確定頻率的光，這有點像樂器的音色是具有確定的音調或頻率的聲音。當我們聽見幾種不同的音調時，可以分別說出它們來，但是當我們用眼睛觀察混合的顏色時，卻無法說出它由哪幾種顏色組成，因為眼睛的辨別能力在這一點上遠遠比不上耳朵。然而，利用分光鏡我們可以分析光波的頻率，這樣就可以看見各個不同星體上的原子所發出的真正“音調”。事實上，有兩種化學元素在地球上被發現之前就已經在星體上發現了。氦是在太陽上發現的，它的名稱就是由此而來的；锝是在一顆冷卻的星體上發現的。這當然使我們在理解星體方面取得了一定的進展，因為它們也是由跟地球上同樣的原子組成的。

今天，我們已經知道了許多有關原子的知識，特別是它們在高溫而密度不太大的條件下的行為，這樣我們就能用統計力學的方法來分析星體物質的性能。即使我們無法在地球上復現有關的條件，但是應用基本的物理定律往往能精確地或十分接近地說出會發生什么事情。這就是物理學幫助了天文學。

（選自《費曼物理學講義》，有刪改）

◆含英咀華

選段開篇點明天文學與物理學的淵源，引發讀者閱讀興趣。接著巧用樂器音色類比原子發光頻率，生動形象地解釋了相關的專業知識。在知識闡述上由淺入深，邏輯清晰，條分縷析，從原子構成到能量來源、元素形成，層層推進。

探究任務

【文本呈現】

人類DNA長梯上的核苷酸多達10億。大多數的核苷酸組合可能都沒有意義：它們合成出的蛋白質沒有任何功能，能給我們這樣復雜的生物帶來益處的只有很小一部分。但是，它們能做出的組合數量多得驚人——甚至比全宇宙的電子和質子加起來還要多。也就是說，人類擁有的可能性，遠遠多于歷史已經呈現的樣貌：我們還有巨大的潛力尚未得到發掘。肯定有什么組合方法能讓核酸發揮出——不管選取什么標準——更好的效果，完全超越我們和先人。盡管目前人們還不知道該怎么重排核苷酸序列來創造全新的人類，但將來某一天，我們肯定能讓新生兒具備任何想要的特征。只是這個前景令人警醒不安。

演化是通過變異和自然選擇進行的。如果DNA聚合酶在復制過程中出錯，突變就可能產生——但它很少出錯。除此之外，輻射、太陽紫外線、宇宙射線或者環境中的化學物質，都可能改變核苷酸的序列，或者讓核酸扭結。如果突變率太高，我們就會失去40億年艱苦演化的遺傳成果；如果太低，物種演化速度又會跟不上未來環境的變化。物種演化需要在基因突變和自然選擇中取得精確的平衡，才能展現出非凡的適應性。

（選自卡爾·薩根《宇宙》，有刪改）

【思想探究】

人類 DNA 的核苷酸組合數量龐大，潛藏著無限可能性，預示著未來通過重排核苷酸序列塑造理想新生兒特征的潛在能力，這一前景充滿未知與震撼。而在另一方面，演化依賴于基因突變與自然選擇的精確平衡，突變率過高或過低都將給物種演變帶來嚴重后果。這使我們意識到，對 DNA 的人為干預必須謹慎。因此我們在探索利用 DNA 潛力的同時，要尊重自然演化規律。聯系生活實際，談談你認為科技進步與自然法則如何能達到平衡。