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危险的分工从苹果陷阱,到特斯拉幻影

来源:梵蒂冈城 时间:2021/4/11
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编者语:刷屏整个年的特斯拉,在年初因为ModelY继续在中国媒体上刷屏。但在热闹中人们似乎忘记一个事实:特斯拉在中国,几乎没有任何核心研发团队。

本文作者:刘芮/陈帅

出品:远川研究所科技组

这家曾被中国制造业工人和消费者拉出泥潭的公司,仍然把几乎所有的研发力量都布局在美国加州。比如连线杂志就曾报道过特斯拉在加州的“神秘二楼”——特斯拉以电池、传动、动力电子等先进制造技术全部孕育于此,催生了特斯拉最多每周50次的工艺改进[3]。

而在中国,特斯拉不仅没有独立研发团队,其网站上面向中国大陆招聘的个职位中,大多数都属于生产、交付、销售、客户支持等岗位,制造技术的研发岗位极少,软件和人工智能的更是几乎没有。换句话说,特斯拉的核心秘密,仍然在千里之外的加州。

以ModelY为例,这辆刷屏车之所以能顺利国产化,上海临港超级工厂里的工人不分昼夜的三班倒固然重要,但起决定作用还是特斯拉对自动化设备的研发。

比如在去年12月,一家外媒就通过航拍捕捉到了临港工厂里一台长19.5米、高5.3米、篮球场大的巨型机器。这是特斯拉与意大利工业机械巨头意德拉(IDRA)联合研发的铝铸工艺压铸机。这台压铸机几个月前才刚刚抵达上海,在调试完成后已经迫不及待地开始运行[1]。

这台机器名为GigaPress,重量高达吨,相当于5架航天飞机之和。它可以将传统车架中的需要加工再组装70个零件,焊接至次的复杂生产过程,变成一次简单压铸加工,让焊接两小时变成压铸两分钟,同时也为ModelY省下了20%的成本[2]。

GigaPress压铸机,Fremont,California

为了让这台压铸机能够有用武之地,特斯拉甚至还挖来了苹果合金专家查尔斯·柯伊曼研发相应的铝合金材料。苹果合金团队的成名作是MAC电脑的一体化铝合金机身,在同等密度下,材料强度比标准铝合金高60%。这意味着,即使别的厂商买到特斯拉的压铸机,也没有好材料来加工。

压铸机和铝合金只是特斯拉在制造技术方面的冰山一角。事实上,宣称要实现%国产化的特斯拉,制造设备、Autopilot自动辅助驾驶系统、高精度传感器、电机电控等核心部件依旧由美国研发中心牢牢把握,给到中国的,依旧是组装厂、配件厂以及售后中心。

上一个产品在中国疯卖,但在中国却一个研发中心都没有的企业是谁?没错,是苹果。

苹果每年销售的2亿部手机中90%以上都在中国生产,但从芯片到操作系统,到最新的产品规划,设计图纸,全部在位于加州的苹果总部中完成。苹果的心法一直都清晰地印在它家产品的背后:DesignbyAppleinCalifornia,AssembledinChina(加州设计,中国组装)。

而这种“中国只有供应链,没有创新研发的”产业分工,也就造成了一个关于中美制造业的特殊现象:论产业链体量、就业人数、,美国的企业在远远落后于中国,但在产品终端,苹果的净利润相当于A股最大的12家苹果概念股利润之和的20倍。

远在大洋彼岸,库克只需一通电话,就能够让十几万中国的流水线工人连夜爬起,为苹果的万亿市值增砖添瓦。而每当他们在富士康的工厂里组装好一部最新的iPhone,库比蒂诺小镇苹果总部里库克的电脑上,不断跳跃着的数据就会被再一次刷新。

这背后既是一场渗透产业链的权力游戏,更是一场事关国家竞争力的危险分工。核心问题在于:美国的制造能力到底是如何控制大洋彼岸的每一环节的?

一个行业内众所周知的秘密是:一般的手机厂商对于供应商来说最多被尊称一声爸爸,但苹果对于供应链企业来说,它的身份更像是:“慈父”。

比如你翻开苹果的研报,就会发现苹果连续十几年,每年都有百亿美元的资本支出,其中75%以上开支用于设备和软件购买[4]。然而早在90年代末,苹果就已经甩卖掉了自己几乎全部的工厂。那么一个几乎没有工厂的企业,买这么多设备到底给谁用?

答案是:供应链企业。

在富士康的各条苹果产线中,有20%-50%不等的设备,由苹果提供。而在一些小型的苹果代工厂中,几乎每一千台设备里,就有台是由苹果承担的。

比如,年,为了力推全金属机身,苹果将CNC(数控机床)变成了手机产业链的当红炸子鸡,甚至在一段时间里垄断了市场上全部的高端设备。而这些设备的售价,单台就高达万美金。苹果采购之后,尽数配送给相关供应商[5]。

数控机床在加工金属机身

当然,苹果也不是无私奉献。供应商用了苹果提供的机器之后,那么这条产线就会被单独划给苹果,不能用于生产其他厂家的产品。这就能够保障即使同行想来“抄作业”,也找不到产能,从而在一段时间内维持苹果硬件的特色吸引力。

而在新品投产前,苹果也都会派出资深工程师,入驻代工厂来帮助解决问题。比如产业内流传的一个经典故事是:

苹果的某家南方代工厂的仓库里,经常出现老鼠啃食双面胶的问题。苹果总部知道后,直接派人从美国过来,制定了一套仓库养猫方案,包括猫的品种、年龄、数量、采购预算、采购途径、工作福利,甚至于猫的绩效考核与猫的心态保持,以确保猫能按照纪律打工。

不过,“慈父”会无微不至,“慈父”也会无比严谨。

比如曾经有一家机床供应商在苹果工程师面前王婆卖瓜,夸自己产品的加工效果可以像镜子一样亮。结果被苹果工程师连续追问:像镜子一样亮到底如何量化?最终,这家企业花了多万元,从美国采购回了阿美特克的白光干涉仪,这才回答出了这个灵魂之问[6]。

除了教工厂生产,苹果给供应商撒起钱来也毫不手软:年9月库克宣布从苹果公司的“现金制造基金”中拿出2.5亿美元,用于奖励康宁公司,后者曾帮助过苹果公司研发出大猩猩玻璃。这基本与康宁半个季度的利润相当了。

与苹果的深度绑定,为这些企业带来了丰厚的资本市场回报:年以来,苹果产业链A股三大龙头:立讯精密、歌尔声学、蓝思科技,平均涨幅高达5倍,同期,大盘上涨不到40%。所以有人戏谑:只有苹果的上游才配叫产业链,国产机的上游,只能叫概念股。

但对于挤破头想进入苹果产业链的公司,最终会发现:苹果的馈赠,既是他们十年增长十倍的蜜糖,更是让他们逃不出苹果掌心的索套,这个索套的根,则在大洋彼岸加州的一座办公室中。

苹果产业链上,有来自49个国家与地区的家供应商,超过万工人在三班倒的不停生产,有多家遍及全球的苹果商店和数以千计的渠道在不间断的营业,每小时卖出2万部苹果手机。他们塑造了人类历史上市值最大的公司,也是新时代的日不落帝国——苹果。

这个庞大帝国的首都,是耸立在加州小镇库珀蒂诺上的苹果总部(SpaceShip),这座世界上最大的单体办公楼,汇集着苹果从全球招揽的1.2万名精英,占地超过美国国防部五角大楼,也如同国防部一般指挥着全球各个为苹果征战的军团。

傍晚的苹果总部

而帝国的心脏,则是一个摆放着U2主唱波诺(Bono)创立的慈善基金会海报与一台iMac的办公室。每天清晨,当库克沉思着面对这台iMac上不断变化数字时,就如同一位帝王,在俯视着他的江山。

苹果则通过安插在供应链的两套系统,监视着帝国诸侯的一举一动,来给他们拨调资源、预留利润、规划产能。

第一套是掌握了全球情况的疆域图,苹果重金投资的企业资源规划(ERP)系统。

在这套系统里苹果从零部件供应商到组装厂,最后到渠道的数据全部被打通。库克的电脑中,可以呈现苹果全球供应商当天的运转情况:从每个零部件的产量,到每个产线的开工情况,甚至具体到每家工厂的生产良率[7]。

每当富士康几十万流水线女工组装完一部iPhone,大洋彼岸库克电脑中,就会出现一个更新跳跃的数字。

库克与富士康女工,年

另一个案例是,作为苹果的重量级声学器件供应商,瑞声的苹果产线上,控制软件、电脑以及ERP系统全部来自苹果,相关的产线负责人经常会收到苹果的远程邮件,指出某一条生产线上的问题。重点是,指出问题后,只有苹果开权限后,相关负责人才能去现场查看[8]。

也就是说,在这一条产线上,除了厂房、工人,以及部分设备是瑞声的,剩下的都由苹果控制[8]。

当然,支撑一个帝国对各个军区的管控,不会只有无形的手。帝国系统的第二套:是由人组成的密布整个帝国版图的钦差系统。巅峰时期,仅仅在富士康这一家代工厂,苹果就投入了0多位“钦差”。

在这套钦差系统里,有EPM(工程专案经理)、GSM(全球供应链经理)以及SQE(供应商质量工程师)各种角色,有的负责提供技术支持;有的负责沟通协作帮助上达天听;有的则负责监督企业一举一动,上到人事任免,下到一台机器的摆放位置。

9年8月,因为在一个小零件的成本控制上没能达到苹果的要求,苹果相关负责人一通电话打到了郭台铭处问责,让直接负责此事的郭台铭钦定接班人蒋浩良,一夜之间被贬成了数码相框等新产品的董事长室特助。

通过这两套系统,苹果与供应链形成了半监督半合作的关系,所有供应链在苹果面前都是透明的:

一位台湾的光学企业高层清晰的记得自己多年前初次与苹果GSM见面的震撼。在去往美国的飞机上,这位高管与业务骨干们经历了一路沙盘推演,终于算出了公司一颗镜头0.99美元的成本价。

却没想到见面后,苹果GSM直接拿出了一叠评估报告上面清晰的写着这家企业的产品良率、镜头产品射出成型状态、产线规模、物料进口甚至加工成本,然后不由分说的给出了10%~15%利润空间,售价1.1美元的决定。高管当场目瞪口呆[9]。

在两套监视之下,苹果产业链玩家的底牌和底裤,都被清清楚楚的亮在苹果的后台,而迎接他们的,是苹果馈赠之外的另一面。

苹果产业链光鲜的另一面是:替苹果研发试错、为苹果扛库存压力。简单的说就是,拿了大哥的好处,那为大哥挡枪流血、为大哥打架坐牢,也是应该的。

年,为了用蓝宝石替代康宁的玻璃屏幕,在苹果支持下,美国一家叫做极特先进(GTAdvancedTechnologies)的企业花了整整9亿美金在在亚利桑那州盖蓝宝石工厂。按照合约,苹果会预付5.78亿美金的预购款给极特先进,用于扩产以及相关的设备投入。

也正是由于苹果的支持,那一年的极特先进,即使财务亏损,股价却走出了一个漂亮的大涨曲线。

相似的温情开头,却迎来了不一样的结局:仅仅一年后,苹果就就因为蓝宝石成本高且易碎,重回了康宁怀抱并“含泪”增长一整年,再一次创下成立以来的历史股价新高。而激进扩产的极特先进,为了偿还债务,甚至沦落到了卖熔炉还债、裁员破产的故事收尾。

蓝宝石玻璃最终只被用在了苹果手表之上

绕过了研发的坎,还有库存的沟:众所周知,苹果凭着“零库存”的供应链管理能力,在Gartner推出的全球前25大供应链厂商的排名中,曾连续七年稳坐第一。后来甚至倒逼Gartner在年于正常排名之外又推出了“供应链大师”称号,苹果再次蝉联大师之位5年。

然而苹果的“零库存”背后,却是供应链的一把血泪。近十年来,苹果的平均库存往往不到营收的2%,但苹果的供应商们的库存占比却是苹果的十倍之多,大陆的果链三剑客,旺季前的库存平均,则足足达到了收入的1/4以上。

即便强如富士康,面对苹果的“甩锅”也依旧毫无还手之力。

年,苹果的iPhoneX与XR系列销售不及预期,连带全产业链在年全年遭遇大跌,富士康母公司鸿海精密的股价也从年初的元跌到的年末的70元,而原本给苹果准备的60条生产线直接荒废了12条不论,苹果还直接提出了砍单的要求,扬言如果富士康讨价还价,就把订单交给竞争对手。

说白了,这种前期高成本投入+后期高库存的财务状态就像在钢丝上行走:将企业的财务安全牢牢与苹果的订单量绑定在了一起,订单好的时候,跟着苹果吃肉喝汤,订单不好的时候,替苹果坐牢挡枪。

但供应链付出了这么多,却不能换来苹果真正的信任,苹果对于供应链的态度,依旧是冷酷的帝王术:即利用二号打一号,三号制衡二号。

一个关于苹果供应链的名场面是:7年乔布斯手里拿着没有物理键盘、没有手写笔的初代iPhone发布时激情演讲“它将改变一切”,台下镜头一扫而过,两个华人模样的中年男子,正激动的失声痛哭。这两人,正是台湾触摸屏生产商TPK的老板江朝瑞与孙大明。

为了这块苹果的屏幕,TPK在6年里烧光了代工赚的12亿新台币,其中仅仅与苹果的联合研发周期就有足足两年。在苹果几乎变态的苛刻要求下,TPK的技术长一度被折磨到九次找老板痛诉要撂挑子放弃,产线爬坡阶段,更是每天与苹果开会到凌晨一点后,又继续与主管开会到凌晨4点半[7]。

业内流传:一方苹果屏,几万青年肝。

如此劳苦功高,遗憾的是,TPK激动的泪水挂在嘴角还没干,苹果的劈腿就来了:年,苹果以供应链安全为由,迫使TPK将技术专利对外授权。一年之内,仅仅大陆,就冒出了不下五家竞争对手。

那么TPK们就没想过反抗吗?当然想过。但对于订单在人家手里,核心技术也在人家手里的供应商来说,反抗是一件很难的事情。

苹果的把戏是全球通用的,但一个特殊的现象是:受伤的角色在中国大陆格外的多。

年,立讯精密抢单瑞声科技的声学器件以及触控马达业务,让瑞声稳定了多年的41%毛利率压到了次年的37%;而两年后风水轮流转,立讯的AirPods订单被歌尔股份分掉一杯羹,新品AirPodsMax更是交给歌尔独家代工,让歌尔的股价两年涨了接近5倍。

不过早在歌尔抢单AirPods之前,年主营玻璃盖板的蓝思科技就通过投资豪恩声学,杀入了歌尔的势力范围……

苹果的几个大陆供应链商,不但接受苹果监视、替苹果背锅,而且在苹果的制衡术游戏里玩的不亦乐乎,杀伐不断,利润率却往往越杀越低。相比之下,苹果几次对高通、三星、台积电的制衡术,却最后都悻悻而归。

这背后是苹果产业链赛道的不同。

一部手机,可以分解为核心芯片、高价值元器件、精密件、模组、组装代工五大环节。将这五大环节上的企业与其地域分布结合,又可以看到一个现象,产业链诞生之初,苹果就在全球范围内画出了一个清晰的赛道分布:

美国,牢牢把控了价值最高的手机芯片,这是美国的传统优势产业:苹果自己研发处理器,基带芯片由高通提供,Wi-Fi芯片由博通,射频芯片由思家讯、Qorvo提供,这几家基本上都是美国本土企业。

次一级的是存储、面板灯高价值、但是价格波动剧烈的大宗元器件,在美国的一手主导下,由日本转移到韩国,苹果入局后则将这一产业格局进一步稳定:存储是三星、SK海力士的天下;面板由三星、LG共同供应,中国企业在最近几年才逐渐开始切入。

经历了上世纪80年代美国打压后的日本,则主动据守在了市场虽小但格外稳定的精密元件生产:比如村田、太阳诱电的MLCC,AKM的电子指南针,TDK的电池。

在今年的iPhone12Pro的拆解中,这三大家占据了62%的零组件价值,也是最稳定的赛道。

相对底端的,是大陆和台湾的公司。

相较而言,中国台湾厂商所把控的系统组装,利润低但体量大,需求稳定,富士康、和硕、纬创基本上成了苹果的御用代工厂和采购大管家。而大陆的产业链公司,则密集的集中在两大赛道,即模组与精密件。

模组,可以理解为把数十个细小的零件拼装成一个可以即插即用的小模块,这个模块的核心往往是来自欧美日韩的芯片,不严谨的说,可以理解为电子产业链中的乐高。这条线上的代表企业,有做摄像头、指纹识别等模组的欧菲光、马达模组的金龙机电、电池模组的欣旺达、微型麦克风的歌尔声学。

精密件则是另一条战线,主要包括了构成机身和机身外观的各种外观件、结构件、功能件。具体来说,就是老板们凭着几台CNC(数控机床)起家,为苹果组织工人,就能搭起产线开工的零部件:其中代表有蓝思科技的玻璃盖板、长盈精密的机壳、科森科技的金属中框、立讯精密的连接器。

简单来说,大陆的两个赛道就是苹果的“芯片打包店”和“五金加工店”。

但这两个店,生意却并不怎么稳定。芯片打包店模组不必多说,门槛低,利润更低,随时都有被半路杀来的对手打到家门口的风险。毕竟干打包细小零件的活,门槛并不高,总会有手脚更勤快的对手。进而给了苹果利用二号打一号,三号制衡二号,不断压低毛利的机会。

相比之下,精密件被人打到家门口的概率小了,但却面临着在苹果的不断升级改版中,将整个技术路线都踢出局的尴尬:

单就精密件中的外观件来说,从iPhone3G的塑料、到iPhone4的双层玻璃、到iPhone5的全金属机身,到iPhoneX对玻璃机身的回归。可以说,每次果粉们惊呼苹果带来的外观大变样,往往就意味着一家精密加工企业出局,和另一家的升起。

比如年,苹果将金属机身改为玻璃机身,主营玻璃盖板的蓝思科技当年完成了股价的底部反弹;而供应金属机壳的长盈精密当年股价应声暴跌,虽然早在一年前,长盈精密就从陶瓷材料到汽车零件一路并购,但也没有阻止公司一年后利润跌到1/20。

而在苹果反复横跳中被玻璃-金属机身周期困扰的蓝思科技,也今年8月抛出了对苹果金属机身壳供应商可成科技的泰州工厂的收购,完成金属玻璃两头下注。

蓝思的想法很简单,既然一条道有风险,那就把规模越做越大,品类越扩越多,多踩几条道。

不过,扩张真的能够治百病吗?

这是几家代表性苹果产业链企业的业务版图,纵向看,每个企业都是四面开花的全能选手,从而避免了单一赛道被淘汰的噩梦;

但横向看,多者如天线、声学,少者如射频,几乎每一个苹果的产业链赛道上,都至少有两到三家企业竞争[10]。

也就是说,有限的市场里,每一个供应链企业手里的筹码越多,苹果用二号打压一号,用三号威胁二号的筹码,压低整个产业利润的筹码也就越多。这一场四面突围,迟早会变成一轮轮内部对决。

走入苹果产业链,难;跳出苹果给予的宿命安排,更难。

总结来说,苹果的手段其实很简单:

慈父的馈赠:给设备、给软件、给资金、给技术支持,悉心带领供应链企业做大做强,最后让供应链离不开自己;

帝国的监视:软件附带监视功能;技术支援深入企业运营与机密,通过紧密的合作让供应链企业的最后底牌无可藏匿;

围城的苦果:用订单将供应链企业变成苹果的库存、创新的风险转移器;挑动供应链的竞争,压低他们的毛利;

宿命的抗争:在赛道划分之初,就将竞争最大、门槛最低的模组、精密件留给中国,利用人口红利加剧内卷。

而这种苹果陷阱的本质正是在于,用二十分之一的利润,吸引到了中国最优秀的企业,让他们组织最优秀的工程师和的年轻的劳动力为它服务;用顶尖的软件监控他们,用深入到企业生产管理方方面面的锦衣卫系统盯着他们的底牌,再将风险、内斗加在他们头上。

最终将中国走向老龄化前最珍贵的劳动者红利、工程师红利,变成源源不断输送给华尔街股东们的分红。

如今,接着苹果而来的特斯拉,也正在续写苹果的模式。可叹的是,眼下我们还沉浸在特斯拉的中国效率以及特斯拉承诺的%国产中沾沾自喜,却忘了我们正在从一个苹果陷阱走到另一个特斯拉陷阱之中。想要脱离陷阱,首先就得正视中美两国的制造业关系。

在中文自媒体上,美国制造业衰落基本上是板上钉钉的事情:比如苹果手机靠中国造、特斯拉汽车靠中国造、通用跌落神坛、波音马上完蛋,美国没有生产能力,唯一的制造业就是印钱。以至于有人会发帖求问:美国什么制造能力都没有,具体到哪天会崩溃?

在数据上,这个观点也并非没有例证,联合国统计司数据显示:年全年,中国占全球制造业产出的28%,比美国领先了10个百分点。

美国的制造业规模早在年就已经被中国反超。在0年到年间,美国大约有六万家工厂倒闭;制造业在职人员数量从万减少到万,骤降35%,此后十年间,数量常年固定在1万,大部分中低端制造业就业机会,已经美国永久流失。

但是,美国制造业真的衰落了吗?

近些年来,美国的制造业产值在美国GDP总占比常年稳定在11%上下,但是美国国内企业研发投入中,制造业企业占比却高达68%之多。如果真的在不断走弱,为何制造的研发费用却在不断的提升呢?

或许,更接近事实真相的是,美国本土的制造业就业确实流失了,一个以美国为总部,生产基地遍布全球的组织化网络,却在不断放大。

因此,位于这个网络核心的美国制造企业,反而加大了研发支出。这种强势也反映在了资本市场:美国制造业的市值,占据了全球制造业市值的一半。毕竟海外的收益,还是会体现在本国的股票上。新时代的产业链殖民,正在一轮轮的上演。

这也无怪乎,相比网络上的沸腾,决策层却异常冷静,年9月,发改委产业司原司长年勇就在一场峰会上表示:美国其实是一个制造业大国,美国也没有放弃制造业,如果把美国服务业中为制造业服务的部分和制造业合并的话,美国围绕制造业产生的经济总量超过60%。

同样,在年底中国工程院出版了一份报告《年中国制造强国发展指数报告》,用制造业产值、劳动生产率、研发强度等18个指标对世界制造业强国进行打分,结果是美国以分遥遥领先于三个制造业立国的强国:德国()、日本()和中国()。

细看分数,原因一目了然,除了制造规模类的指标,中国对美国的大幅领先。在制造业品牌、装备制造、研发投入强度等领域,近7年分数差距仅仅缩小了3分,年与美国差距甚至还有微小扩大。

这显然就是特斯拉与苹果等跨国巨头布局的结果:在加州,他们研究材料、设备和系统,在中国,他们运来加工设备、装上管理软件、然后叫来中国的供应商,要求不分昼夜的批量交付。

大规模制造能力,是过去几十年用血汗换来的一张牌,但这绝不是中国制造的终点。如果我们沾沾自喜这一点,认为特斯拉实现国产化就万事大吉了,那么就会像苹果90%在中国生产一样,最后只成就一个传奇的商业帝国,和一众围绕着它争风争宠的供应链厂家。

不要让苹果的陷阱,变成特斯拉的幻觉。行百里者半九十,中国的制造业,还有最艰难的一段路要走。

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不可定向的二维紧流形,而球面或轮胎面是可克莱因瓶克莱因瓶定向的二维紧流形。如果观察克莱因瓶,有一点似乎令人困惑--克莱因瓶的瓶颈和瓶身是相交的,换句话说,瓶颈上的某些点和瓶壁上的某些点占据了三维空间中的同一个位置。我们可以把克莱因瓶放在四维空间中理解:克莱因瓶是一个在四维空间中才可能真正表现出来的曲面。如果我们一定要把它表现在我们生活的三维空间中,我们只好将就点,把它表现得似乎是自己和自己相交一样。克莱因瓶的瓶颈是穿过了第四维空间再和瓶底圈连起来的,并不穿过瓶壁。用扭结来打比方,如果把它看作平面上的曲线的话,那么它似乎自身相交,再一看似乎又断成了三截。但其实很容易明白,这个图形其实是三维空间中的曲线。它并不和自己相交,而是连续不断的一条曲线。在平面上一条曲线自然做不到这样,但是如果有第三维的话,它就可以穿过第三维来避开和自己相交。只是因为我们要把它画在二维平面上时,只好将就一点,把它画成相交或者断裂了的样子。克莱因瓶也一样,我们可以把它理解成处于四维空间中的曲面。在我们这个三维空间中,即使是最高明的能工巧匠,也不得不把它做成自身相交的模样;就好像最高明的画家,在纸上画扭结的时候也不得不把它们画成自身相交的模样。有趣的是,如果把克莱因瓶沿着它的对称线切下去,竟会得到两个莫比乌斯环。在二维看似穿过自身的绳子在二维看似穿过自身的绳子如果莫比乌斯带能够完美的展现一个“二维空间中一维可无限扩展之空间模型”的话,克莱因瓶只能作为展现一个“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”的参考。因为在制作莫比乌斯带的过程中,我们要对纸带进行°翻转再首尾相连,这就是一个三维空间下的操作。理想的“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”应该是在二维面中,朝任意方向前进都可以回到原点的模型,而克莱因瓶虽然在二维面上可以向任意方向无限前进。但是只有在两个特定的方向上才会回到原点,并且只有在其中一个方向上,回到原点之前会经过一个“逆向原点”,真正理想的“三维空间中二维可无限扩展之空间模型”也应该是在二维面上朝任何方向前进,都会先经过一次“逆向原点”,再回到原点。而制作这个模型,则需要在四维空间上对三维模型进行扭曲。数学中有一个重要分支叫“拓扑学”,主要是研究几何图形连续改变形状时的一些特征和规律的,克莱因瓶和莫比乌斯带变成了拓扑学中最有趣的问题之一。莫比乌斯带的概念被广泛地应用到了建筑,艺术,工业生产中。三维空间里的克莱因瓶拓扑学的定义编辑克莱因瓶定义为正方形区域[0,1]×[0,1]模掉等价关系(0,y)~(1,y),0≤y≤1和(x,0)~(1-x,1),0≤x≤1。类似于MobiusBand,克莱因瓶不可定向。但Mobius带可嵌入,而克莱因瓶只能嵌入四维(或更高维)空间。莫比乌斯带编辑把一条纸带的一段扭°,再和另一端粘起来就得到一条莫比乌斯带的模型。这也是一个只有莫比乌斯带、一个面的曲面,但是和球面、轮胎面和克莱因瓶不同的是,它有边(注意,它只有一条边)。如果我们把两条莫比乌斯带沿着它们唯一的边粘合起来,你就得到了一个克莱因瓶莫比乌斯带莫比乌斯带(当然不要忘了,我们必须在四维空间中才能真正有可能完成这个粘合,否则的话就不得不把纸撕破一点)。同样地,如果把一个克莱因瓶适当地剪开来,我们就能得到两条莫比乌斯带。除了我们上面看到的克莱因瓶的模样,还有一种不太为人所知的“8字形”克莱因瓶。它看起来和上面的曲面完全不同,但是在四维空间中它们其实就是同一个曲面--克莱因瓶。实际上,可以说克莱因瓶是一个3°的莫比乌斯带。我们知道,在平面上画一个圆,再在圆内放一样东西,假如在二度空间中将它拿出来,就不得不越过圆周。但在三度空间中,很容易不越过圆周就将其拿出来,放到圆外。将物体的轨迹连同原来的圆投影到二度空间中,就是一个“二维克莱因瓶”,即莫比乌斯带(这里的莫比乌斯带是指拓扑意义上的莫比乌斯带)。再设想一下,在我们的3°空间中,不可能在不打破蛋壳的前提下从鸡蛋中取出蛋黄,但在四度空间里却可以。将蛋黄的轨迹连同蛋壳投影在三度空间中,必然可以看到一个克莱因瓶。制造经历编辑过去,德国数学家克莱因就曾提出了“不可能”设想,即拓扑学的大怪物--克莱因瓶。这种瓶子根本没有内、外之分,无论从什么地方穿透曲面,到达之处依然在瓶的外面,所以,它本质上就是一个“有外无内”的古怪东西。尽管现代玻璃工业已经发展得非常先进,但是,所谓的“克莱因瓶”却始终是大数学家克莱因先生脑子里头的“虚构物”,根本制造不出来。许多国家的数学家老是想造它一个出来,作为献给国际数学家大会的礼物。然而,等待他们的是一个失败接着一个失败。也有人认为,即使造不出玻璃制品,能造出一个纸模型也不错。如果真的解决了这个问题,那可是个大收获!直径和年龄最新的研究认为宇宙的直径可亿光年,甚至更大。[28]目前可观测的宇宙年龄大约为.2亿年。[29]形状宇宙微波背景的温度一端高,暗示呈弯曲状宇宙微波背景的温度一端高,暗示呈弯曲状[30]目前的宇宙理论认为宇宙可能是类似马鞍状的负弯曲形状,该理论源于宇宙大爆炸理论,整个宇宙的外形如同一个吹起的气球,我们则生活在宇宙的“表面”。[31]同时,科学家也认为宇宙是平坦的,根据美国宇航局的调查,宇宙可能是平坦的,年的调查发现如果宇宙是平坦的,那么误差只有0.4%。[32]斯蒂芬·霍金表示,我们宇宙的形状可能是一种难以置信的几何图形,更接近于超现实主义的艺术,如同荷兰艺术家摩里茨·科奈里斯·埃舍尔创银河系银河系[33]作的图形一样。霍金的想法以弦理论为依据,而该理论目前仍然还处于假设之中,并未被验证。如果用语言来形容宇宙的形状,应该是整体呈现多重镶嵌模式,具有无限重复出现的扭曲面,曲面间环环相扣,如同科奈里斯·埃舍尔创作的“圆形极限IV”图案,也与美国工程师P.H.Smith创作的“史密斯圆图”类似,体现出双曲空间的概念,是一种非欧几何的空间形态。[34]层次结构当代天文学研究成果表明,宇宙是有层次结构的、即将发生碰撞的两个星系NGC和NGC即将发生碰撞的两个星系NGC和NGC[35]不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。行星、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转,构成太阳系。太阳系外也存在其他行星系统。约2亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系的直径约10万光年,太阳位于银河系的一个旋臂中,距银心约2.6万光年。银河系外还有许多类似的天体系统,称为河外星系,常简称星系。目前观测到亿个星系,科学家估计宇宙中至少有2万亿个星系。星系聚集成大大小小的集团,叫星系团。平均而言,每个星系团约有百余个星系,直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。椭圆星系HerculesA中心超大黑洞引发的喷流椭圆星系HerculesA中心超大黑洞引发的喷流[36]若干星系团集聚在一起构成的更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形,其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团,只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。星系分类根据可反映星系发展状态的序列号对星系进行了分类,可以粗略地将星系划分出椭圆星系、透镜星系、漩涡星系、棒旋星系和不规则星系等五种。[37]太阳系天体太阳质量占太阳系总质量的99.86%,它以自己强大的引力将NASA公布的太阳风暴的照片NASA公布的太阳风暴的照片[38]太阳系里的所有天体牢牢地吸引在它的周围,使它们不离不散、井然有序地绕自己旋转。同时,太阳又作为一颗普通恒星,带领它的成员,万古不息地绕银河系的中心运动。[39]太阳的半径为千米,质量为1.×10^30kg,中心温度约0000℃,。[40]如果一个人站在太阳表面,那么他的体重将会是在地球上的20倍。[41]现代星云假说根据观测资料和理论计算,提出:太阳系原始星云是巨大的星际云瓦解的一个小云,一开始就在自转,并在自身引力作用下收缩,中心部分形成太阳,外部演化成星云盘,星云盘以后形成行星。目前,现代星云说又存在不同学派,这些学派之间还存在着许多差别,有待进一步研究和证实。[42]金星是离太阳的第二颗行星,夜空中亮度仅次于月球。[43]金星上没有水,大气中严重缺氧,二氧化碳占97%以上,空气中有一层厚达20千米至30千米的浓硫酸云,地面温度从不低于℃,是个名副其实的“炼狱”般世界。金星地面的大气压强为地球的90倍,相当于地球海洋中米深度时的压强。金星大气主要由二氧化碳等温室气体组成,失控的温室效应,是导致金星极端气候的主要原因。由于金星没有内禀磁层保护,诱发磁层中磁场重联释放的巨大能量,使得金星大气被加热后加速逃逸。科学界认为,金星上大气的逃逸,是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大气所笼罩,从而导致严重的温室效应的原因。[44]木星是离太阳第五颗行星,而且是最大的一颗,比所有其他的行星木星及其卫星欧罗巴(木卫二)木星及其卫星欧罗巴(木卫二)[45]的合质量大2倍(地球的倍),直径km。它是气态行星没有实体表面,由90%的氢和10%的氦(原子数之比,75/25%的质量比)及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。木星可能有一个石质的内核,相当于10-15个地球的质量。内核上则是大部分的行星物质集结地,以液态氢的形式存在。液态金属氢由离子化的质子与电子组成(类似于太阳的内部,不过温度低多了)。木星共有67颗木卫。按距离木星中心由近及远的次序为:木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四、木卫十三、木卫六、木卫十、木卫七、木卫十二、木卫十一、木卫八和木卫九。[46]水星是最接近太阳的行星。水星的半径约为公里,在八大行星中是最小的。水星昼夜温差极大,白天摄氏度,晚上约可达零下度,是太阳系八大行星中温差最大的一个行星。[47]水星的外大气层非常稀薄,是由水星表面和太阳风中的原子和离子构成。[48]科学家确认水星表面含有丰富的碳,认为碳是水星表面呈黑色的原因,水星表面的岩石是由低重量百分比的石墨碳构成。[49]“好奇号”火星探测器在火星表面采集样本“好奇号”火星探测器在火星表面采集样本[50]火星是地球的近邻,是太阳系由内往外数第四颗行星。直径km,体积为地球的15%,质量为地球的11%。火星表面是一个荒凉的世界,空气中二氧化碳占了95%。火星大气十分稀薄,密度还不到地球大气的1%,因而根本无法保存热量。这导致火星表面温度极低,很少超过0℃,在夜晚,最低温度则可达到-℃。火星被称为红色的行星,这是因为它表面布满了氧化物,因而呈现出铁锈红色。其表面的大部分地区都是含有大量的红色氧化物的大沙漠,还有赭色的砾石地和凝固的熔岩流。火星上常常有猛烈的大风,大风扬起沙尘能形成可以覆盖火星全球的特大型沙尘暴。每次沙尘暴可持续数个星期。火星两极的冰冠和火星大气中含有水份。从火星表面获得的探测数据证明,在远古时期,火星曾经有过液态的水,而且水量特别大。[51]土星是离太阳第六颗行星,直径㎞,体积仅次于木星。主要由氢组成,还有少量的氦与微量元素,内部的核心包括岩石和冰,外围由数层金属氢和气体包裹着。地球距离土星13亿公里。土星的引力比地球强2.5倍,能够牵引太阳系内其它行星,使地球处于一个椭圆轨道中运行,并且与太阳保持适当距离,适宜生命繁衍。当土星轨道倾斜20度将使地球轨道比金星轨道更接近太阳,同时,这将导致火星完全离开太阳系。[52]土星是已知唯一密度小于水的行星,假如能够将土星放入一个巨大的浴池之中,它将可以漂浮起来。土星有一个巨大的磁气圈和一个狂风肆虐的大气层,赤道附近的风速可达0千米/时。在环绕土星运行的31颗卫星中间,土卫六是最大的一颗,比水星和月球还大,也是太阳系中唯一拥有浓厚大气层的卫星。[53]天王星是离太阳第七颗行星,51km。体积约为地球的65倍,在九大行星中仅次于木星和土星。天王星的大气层中83%是氢,15%为氦,2%为甲烷以及少量的乙炔和碳氢化合物。上层大气层的甲烷吸收红光,使天王星呈现蓝绿色。大气在固定纬度集结成云层,类似于木星和土星在纬线上鲜艳的条状色带。天王星云层的平均温度为零下摄氏度。质量为8.±13×102?kg,相当于地球质量的14.63倍。密度较小,只有1.24克/立方厘米,为海王星密度值的74.7%。[54]恒星恒星海王星是离太阳的第八颗行星,直径千米。海王星绕太阳运转的轨道半径为45亿千米,公转一周需要年。海王星的直径和天王星类似,质量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大气成分都是氢和氦,内部结构也极为相近,所以说海王星与天王星是一对孪生兄弟。[55]海王星有太阳系最强烈的风,测量到的时速高达2公里。海王星云顶的温度是-°C,是太阳系最冷的地区之一。海王星核心的温度约为°C,可以和太阳的表面比较。海王星在年9月23日被发现,是唯一利用数学预测而非有计划的观测发现的行星。[56]冥王星,位于海王星以外的柯伊伯带内侧,是柯伊伯带中已知的最大天体。[57]直径约为±20km,是地球直径的18.5%。[58]6年8月24日,国际天文学联合会大会24日投票决定,不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星,而将其列入“矮行星”。大会通过的决议规定,“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行星”中,只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交,不符合新的行星定义,因此被自动降级为“矮行星”。[59]冥王星的表面温度大概在-到-℃之间。冥王星的成份由70%岩石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆盖着一些固体氮以及少量卫星拍月球经过地球,可见清晰月球背面卫星拍月球经过地球,可见清晰月球背面[60]的固体甲烷和一氧化碳,冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有机物质或是由宇宙射线引发的光化学反应。冥王星的大气层主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷组成。大气极其稀薄,地面压强只有少量微帕。[61]地球是离太阳第三颗行星,是我们人类的家乡,尽管地球是太阳系中一颗普通的行星,但它在许多方面都是独一无二的。比如,它是太阳系中唯一一颗面积大部分被水覆盖的行星,也是目前所知唯一一颗有生命存在的星球。质量M=5.×10^24公斤,表面温度:t=-30~+45。[62]英国科研人员在《天体生物学》杂志上报告说,如果没有小行星撞击等可能剧烈改变环境的事件发生,地球适宜人类居住的时间还剩约17.5亿年,不过人为造成的气候变化可能缩短这一时间。[63]彗星是由灰尘和冰块组成的太阳系中的一类小天体,绕日运动。[64]科学家使用探测器对彗星的化学遗留物进行分析,发现其主要成份为氨、甲烷、硫化氢、氰化氢和甲醛。科学家得出结论称,彗星的气味闻起来像是臭鸡蛋、马尿、酒精和苦杏仁的气味综合。[65-66]“67P/楚留莫夫-格拉希门克”彗星“67P/楚留莫夫-格拉希门克”彗星[67]在太阳系的周围还包裹着一个庞大的“奥尔特云”。星云内分布着不计其数的冰块、雪团和碎石。其中的某些会受太阳引力影响飞入内太阳系,这就是彗星。这些冰块、雪团和碎石进入太阳系内部,其表面因受太阳风的吹拂而开始挥发。所以彗星都拖着一条长长的尾巴,而且越靠近太阳尾巴越长、越明显。太阳系内的星际空间并不是真空的,而是充满了各种粒子、射线、气体和尘埃。[68]柯伊伯带,是一种理论推测认为短周期彗星是来自离太阳50—天文单位的一个环带,位于太阳系的尽头。柯伊伯带是冰质残片组成的巨环,位于海王星轨道之外,环绕着太阳系的外边缘。[69]物质多样性红巨星,当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段,步入老年期时,它将首先变为一颗红巨星。称它为“巨星”,是突出它的体积巨大。在巨星阶段,恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。称它为“红”巨星,是因为在这恒星迅速膨胀的同时,它的外表面离中心越来越远,所以温度将随之而降低,发出的光也就越来越偏红。不过,虽然温度降低了一些,可红巨星的体积是如此之大,它的光度也变得很大,极为明亮。红巨星一旦形成,就朝恒星的下一阶段白矮星进发。[70]白矮星,是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为颜色呈白色、体积比较矮小,因此被命名为白矮星。哈勃望远镜观测到白矮星死亡过程哈勃望远镜观测到白矮星死亡过程[71]白矮星是一种很特殊的天体,它的体积小、亮度低,但质量大、密度极高。白矮星是中低质量的恒星的演化路线的终点。在红巨星阶段的末期,恒星的中心会因为温度、压力不足或者核聚变达到铁阶段而停止产生能量。恒星外壳的重力会压缩恒星产生一个高密度的天体。一个典型的稳定独立白矮星具有大约半个太阳质量,比地球略大。这种密度仅次于中子星和夸克星。如果白矮星的质量超过1.4倍太阳质量,那么原子核之间的电荷斥力不足以对抗重力,电子会被压入原子核而形成中子星。原子是由原子核和电子组成的,原子的质量绝大部分集中在原子核上,在巨大的压力之下,电子将脱离原子核,成自由电子。这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙,从而使单位空间内包含的物质也将大大增多,密度大大提高了。形象地说,这时原子核是“沉浸于”电子中,常称之为“简并态”。[72]大多数的恒星内核通过氢核聚变进行燃烧,将质量转变为能量,并产生光和热量,当恒星内部氢燃料完成消耗完后就开始进行氦融合反应,并形成更重的碳和氧,这一过程对于类似太阳这样的恒星而言,就显得较为短暂,并形成碳氧组成的白矮星,如果其质量大于1.4倍太阳质量,就会发生Ia型超新星爆发。[73]类星体,20世纪60年代以来,天文学家还找到一种在银河系以外像恒星一样表现为一个光点的天体,但实际上它的光度和质量又和星系一样,我们叫它类星体,现在已发现了数千个这种天体。[74]超新星,是恒星演化过程中的一个阶段。超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。一般认为质量小于9倍太阳质量左右的恒星,在经历引力坍缩的过程后是无法形成超新星的。[75]在大质量恒星演化到晚期,内部不能产生新的能量,巨大的引力将整个星体迅速向中心坍缩,将中心物质都压成中子状态,形成中子星,而外层下坍的物质遇到这坚硬的“中子核”反弹引起爆炸。这就成为超新星爆发,质量更大时,中心更可形成黑洞。[76]在超新星爆发的过程中所释放的能量,需要我们的太阳燃烧亿年才能与之相当。[77]超新星研究有着关乎人类自身命运的深层意义。如果一颗超新星爆发的位置非常接近地球,目前国际天文学界普遍认为此距离在光年以内,它就能够对地球的生物圈产生明显的影响,这样的超新星被称为近地超新星。有研究认为,在地球历史上的奥陶纪大灭绝,就是一颗近地超新星引起的,这次灭绝导致当时地球近60%的海洋生物消失。[78]通常认为完整的日心说宇宙模型是由波兰天文学家哥白尼在年发表的《天体运行论》中提出的,实际上在西方公元前多年的阿里斯塔克和赫拉克里特就已经提到过太阳是宇宙的中心,地球围绕太阳运动。坚实的大地是运动的这一点在古代是令人非常难以接受的,古代人缺乏足够的宇宙观测数据,以及怀着以人为本的观念,使他们误认为地球就是宇宙的中心。并且托勒密的地心说体系可以很好的和当时的观测数据相吻合,因此地心说被大众广泛接受并被当时的教廷认为是神圣不可侵犯的真理的一部分。所以在《天体运行论》出版以后的半个多世纪里,日心说仍然很少受到人们的

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