人类认识宇宙,从“看星星”开始
宇宙认识的开端:与生产生活密切相关的天象观测
“天地混沌如鸡子,盘古生其中。”在古老的中国人看来,整个宇宙,也就是我们生活的世界,不过是一个混沌的类似于鸡蛋的东西,盘古生在其中,创造了人类文明。当然,除了这种“混天说”,早期中国人还提出了关于世界的“盖天说”,即“天圆地方说”。“天似穹庐,笼罩四野。天苍苍,野茫茫,风吹草低见牛羊。”穹隆状的天覆盖在呈正方形的平直大地上,天地宛如一座顶部为圆形的凉亭。
当然,受科技水平和自身居住环境的限制,早期中国人对世界的这些认知基本上都是通过“看天”的活动得来的,且仅仅局限在他们所能看到的地球上。同样,西方人最开始对宇宙的认知也局限在自身生活的世界——地球上。他们把高山大海当作宇宙的尽头,认为高山围起了大地,而天空高高地悬挂在高山之上。每天,太阳会横穿过天空,并在夜晚来临时潜入地下隧道,等第二天又重新从东方升起。
“壬午卜,扶,奏丘,日南,雨”,距今三千多年的殷商甲骨文上的这段记录,描述了人们根据太阳的位置变化来确定天气的情景。实际上,在经历了不断抬头望天、看星星,以及对自身生存的世界的诸多猜测之后,人们逐渐发现了天象(泛指各种天文现象)跟地球上的气象(发生在天空中的风、云、雨、雪等一切大气的物理现象)密切相关,而气象直接影响着农业生产和季节变换。于是,有意识地观察和认识天象,以更好地服务农业生产和生活,就成了早期人类最感兴趣的活动之一。而这,也成了人类认识宇宙的开端。
“斗柄东指,天下皆春,斗柄南指,天下皆夏,斗柄西指,天下皆秋,斗柄北指,天下皆冬。”距今2000多年的战国古书《鹖冠子》中的这段内容,描述了人们根据黄昏时分观测到的北斗七星的位置来判断季节的情况。实际上,经过不断观测天象,人们逐渐从日月星辰的升降隐现中总结出了日、月、年的概念,并由此制定出了简单的历法。据记载,中国在殷商时期就制定出了阴阳历,年有平年、闰年之分,平年12个月,闰年13个月,闰月置于年终,称十三月。但在甲骨卜辞中还偶有十四月甚至十五月出现,这说明当时人们还不能很好地把握年月之间的长度关系。此外,古埃及人很早就意识到了季节的变换,并有专门的人负责观测天象。经过长期的观测,古埃及人产生了“季节”的概念,把一年定为365天。我们现在用的阳历,就来源于古埃及的历法。
▲北斗七星的指极星正在坚守岗位,“指示”着北极星。
▲北斗七星转呀转,一圈又一圈。如果你在北半球向北走得足够远的话,就能看到图中的情景。这是一年之中某个特定时节晚上8时左右的图像。图中左侧为西北方向,右侧是东北方向。
就这样,立足于农业生产和生活,人们开始了天象观测活动,并根据天象逐渐总结制定出了系统的历法。而这些天象观测,无疑为人类认识宇宙打开了大门。接下来,在继续观测天象的过程中,人们逐渐发现了天体(宇宙中各种实体如恒星、行星的统称)运行的规律,并开始有意识地研究这些规律从而重新认识自身生存的世界。
古代人类的宇宙学说:从星占学家到球形大地
“天象垂,见吉凶,圣人象之。”距今三千多年的《周易·系辞上》上的这句话,体现出古代人类利用天象来预测吉凶的情况。实际上,在通过观测天象制定出历法、分出时节之后,人们从天体运行中发现了另一个颇有意思的东西——星辰的变化预示着人世间的兴亡更替。于是,基于天文观测的星占学说出现了,它给人类观测研究天体运行、进一步认识宇宙奠定了坚实的基础。
“紫微星下凡”是古代中国人熟知的一句话。在他们眼中,紫微意味着紫禁城,是人间皇帝住的地方,因此紫微星就是“真命天子”。“每逢乱世,紫微星就会下凡,拯救世间苍生,而他身边总是跟着二十八个人。”这样的说法听来很玄妙,却是当时天文观测成就的体现,紫微星和其身边的二十八个人,其实就来自中国古代的天文图——二十八星宿。二十八星宿,又称二十八舍或二十八星,是古人为观测日、月、星运行而划分出的二十八个星区,用来说明日、月、星运行所到的位置。我们现在熟知的五行八卦中的四大神兽“青龙、白虎、朱雀、玄武”就来自二十八星宿。
同样地,西方世界的天文观测成就也体现在星占学上。公元前2000多年的美索不达米亚文明中的苏美尔人就建造了七级神庙,每一级代表一个天体,即月亮、太阳、水星、金星、火星、木星和土星。他们认为,这七颗天体可以为祭师们铺平通向神的路。此外,他们还制定了自己的星座,并把天空分成三部分。
在蓬勃兴起的星占学的刺激下,古代的天文观测取得了卓越的成就,而星占学家对太阳、月亮和行星的研究,给整个天体运动研究提供了重大的驱动力。借助于这些系统的观测结果和天文图,人们开始从科学层面重新认识自身生活的世界,并有意识地建立关于世界本质的宇宙模型。
我们知道的第一个宇宙学家是来自古希腊的泰勒斯。有“科学和哲学之祖”之称的泰勒斯,是古希腊第一个提出“什么是万物本原”问题的人。他认为,水是世界初始的基本元素,大地一开始从海底升起,地面漂浮在海面上。随后,泰勒斯的门生阿那克西曼德提出了新的学说,他试图在这个学说中解析天体的形成。他认为,太阳是天上最高的天体,其下是月亮,再下是“固定的”恒星,最后是行星。他同时相信,大地是一个圆柱体,人类就生活在圆柱体的一端。
公元前340年,古希腊哲学家亚里士多德的著作《论天》的出版,把人们带入了认识宇宙的新阶段。在《论天》中,亚里士多德用绝对的事实论证了地球是球形的。首先,他发现月食的产生是地球运行到太阳和月球之间引起的,此时地球把它的影子投射在月球上,导致了月食发生。由于地球的影子总是圆的,因此可以肯定,地球是一个圆球。另外,从地平线驶来的航船,一开始总是一个看不清特征的小点,当它越来越近,你会看到更多细节。在这个过程中,人们总是先看到船帆,之后才会看到船身。高耸在船身上的桅杆首先露出地平线,这也说明地球是球形的。
从亚里士多德的“球形大地”开始,西方世界逐渐进入了系统而科学地研究宇宙本质规律的时期。而在中国,虽然人们很早就进行天象观测并取得了非凡的成就,但因为封建集权的限制,这种研究并没有形成体系。因此,在亚里士多德球形大地的基础上,西方世界进入了建立宇宙模型的阶段,并由此带领人类迈入了宇宙认知的新篇章。
宇宙地心说:静止不动的地球,是宇宙的中心
据说,最早提出“地心说”观点的人是古希腊学者欧多克斯。在这之后,“地心说”经亚里士多德完善,并最终由托勒密发展成为“地球是宇宙的中心”的宇宙模型。
在亚里士多德论证地球是球形的同时,他就表达了“地球是宇宙中心”的观点。他认为,宇宙是一个有限的球体,分为天地两层,地球是静止的,位于宇宙的中心。在地球之外,有9个等距离的天层,从里到外依次是月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天和原动力天,此外就空无一物。上帝推动了恒星天层,从而带动所有天层运动。此外,亚里士多德还提出了构成物质的“五种元素”,即地球上的物质是由水、气、火、土四种元素组成,而天体则由第五种元素“以太”组成。
▲托勒密
有人说,亚里士多德之所以认为地球是宇宙的中心,是出于一些神秘的原因。不过,尽管他的“地心说”模型有模有样,但随着对行星观测的不断发展,人们发现它无法很好地解释行星的“不规则”运行。于是,公元2世纪,另一位天才的希腊天文学家托勒密在亚里士多德理论的基础上,提出了更为完善的“地心说”。
在托勒密看来,要解决行星的不规则运行,如某些时候行星会出现“逆行”现象,向着反方向运行,势必要在原本绕地球运行的轨道之外,给行星再加一个运行轨道。因此,他提出了“本轮”和“均轮”的理论,即各行星都绕着一个较小的圆周运动,而每个圆周的圆心都在以地球为中心的圆周上运动,每个小圆周叫作“本轮”,绕地球的圆周叫作“均轮”。
在本轮和均轮的基础上,托勒密提出了他的地心说宇宙模型。宇宙是一个套着一个的大圆球,地球位于圆球的中心,在地球周围是8个旋转的圆球,上面依次承载着月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星。
对宇宙而言,最外面的圆球即是某种边界或容器,而圆球之外为何物,还没有人弄得清。在最外层圆球上,恒星占据着固定的位置,因此当圆球旋转时,恒星间的相对位置不变,圆球和恒星作为一个整体一起旋转着穿越天穹;内部的圆球携带着行星,这些行星除了在圆球上运行外,还会绕着本轮的小圆周运行,因此相对于地球,它们的轨道就显得复杂,这就导致了它们的运行有时候不规则。
▲托勒密的宇宙模型
相对于亚里士多德的地心说模型,托勒密的更为复杂,当然也能更好地解释行星的运行。与此同时,他还提供了一种非常合理的精确系统,可以用来预测天体在天空中的位置。但是,为了正确地预测这些位置,托勒密不得不假设月球沿着一条特殊的轨道前进,即在这条轨道上,月亮和地球的距离有时是其他时刻的一半,这意味着月亮在某些时刻看起来应当是其他时刻的2倍!这无疑是个瑕疵,但在当时,由于托勒密地心说模型给恒星之外的天堂和地狱留下了大量的空间,因此天主教教会接纳它为世界观的“正统理论”,人们也开始普遍接受它。
科学发展最终证明,“地心说”是错误的。但由于以地球为稳定中心,其他一切都围绕着地球运动的观念是如此令人信服,以至于好几个世纪之内托勒密的地心说模型都占据统治地位。但是,真理的殿堂从来都是不断否定不断建立新理论的过程,1300年后,终于有人大胆地反抗这一理论,并以大无畏的精神提出了全新的宇宙模型,这个人就是哥白尼!
日心说出炉:哥白尼“抗议”——太阳才是宇宙的中心
跟“地心说”一样,最早提出“日心说”的人并不是家喻户晓的哥白尼,而是古希腊最伟大的天文学家、数学家阿里斯塔克斯。
阿里斯塔克斯出生于大约公元前310年,是人类历史上有记载的首位提倡日心说的天文学者。他将太阳而不是地球放置在整个已知宇宙的中心,认为太阳与固定的恒星不会运动,而地球绕着太阳运动。
不幸的是,由于阿里斯塔克斯的宇宙观和日心说理论远远走在了时代前面,因而在当时并未得到公众的承认,甚至还险些被人以亵渎神明罪起诉。于是,这个超前的理论就像珍贵的戒指被扔入大海般消失得无影无踪,直到1800多年后哥白尼的出现。
1473年,哥白尼出生在当时属波兰王国普鲁士行省的小城托伦。在当时,天文学采用的是托勒密的地心说体系。在这个体系中,由于托勒密提出了本轮和均轮的复合,因此它可以预测日食、月食,也可以解释一些现象。但是,随着天文观测技术的进步,人们发现在托勒密的宇宙模型中,需要在行星轨道上附加太多本轮来调整轨道的周期,以适应观测的结果(在文艺复兴时期,托勒密提出的本轮和均轮数目就达到了80多个)。这种现象引发了哥白尼的怀疑,他认为,如果假设太阳是宇宙的中心,其他天体都围绕着太阳旋转,那么就不用人为地加上如此多的本轮了。但这样的观点在当时是万万不敢提出的,因为上帝是在位于宇宙中心的地球上创造了人类,如果说太阳是宇宙的中心,那无疑会被认为是异端邪说。
不过,哥白尼并未因外界的压力而放弃科学探索。1506年,在回国任教后不久,他就开始着手写作自己的天文学说著作《天体运行论》。1512年,哥白尼还把他任职地的城堡西北角的箭楼修建为自己的小型天文台,用自己研制的简陋仪器来进行天文观测和计算。之后,在1514年,由于害怕遭受教会的迫害,哥白尼通过匿名方式发表了自己的宇宙模型,即“日心说”。
▲图为哥白尼描绘的天体运行图,这是以太阳为中心的行星系统。这在现今已得到广泛承认,但在哥白尼所处的时代却是一次科学史上的巨大革命。
他的观念是:太阳静止地位于宇宙的中心,地球和行星都在围绕太阳做圆周运动。
▲哥白尼心目中的宇宙
他指出,人类生存的地球只是围绕太阳的一颗普通行星,地球每天自转一周,由此形成天穹的旋转,而月球则在圆形轨道上绕地球转动。此外,太阳在天球上的周年运动是地球绕太阳公转运动的结果,地球上人们观测到的行星的倒退或者靠近现象都是地球和行星共同绕日运动产生的结果。当然,完整的日心体系在哥白尼1543年出版的《天体运行论》中得到了详细阐述,这本书也被认为是现代天文学的起步点。
大地是运动的,对古代人来说,这一观点是难以接受的。此外,“日心说”指出行星围绕太阳做圆周运动,但行星运动的观测结果并非完全符合圆周这一结论。因此,在哥白尼的《天体运行论》出版后半个多世纪里,日心说仍然很少受到关注,支持者更是寥寥。直到1609年,伽利略使用刚发明的望远镜观测木星时发现,在木星周围有几颗小的卫星在绕着木星做运动。这说明,天体并非都像亚里士多德和托勒密认为的那样直接绕着地球运动。几乎在同时,另一位天文学家开普勒改进了哥白尼的理论,使理论预言和观测一下子完全符合起来,由此彻底宣告了托勒密“地心说”体系的死亡。
开普勒三大定律:我证明,地球是围绕太阳运行的
说到开普勒三大定律,就不能不说丹麦天文学家第谷·布拉赫。正是由于参考了他的大量珍贵、精确的天文观测资料,开普勒才最终研究并发现了行星运动的三大定律,为牛顿万有引力定律的发现打下了基础。
▲当一颗超新星爆炸时,其星流会直冲到太空中很远的地方。
作为一个天文爱好者,第谷从十几岁就开始查看星历表和天文学著作,并进行天文观测。1572年,第谷观测到一颗非常明亮的星星突然出现在了仙后座,他为此进行了连续几个月的观察,最终看到了这颗星星从明亮到消失的过程。后来,人们知道这并非一颗新星的生成,而是一颗暗到几乎看不见的恒星在消失前发生爆炸的过程,这颗被发现的星星也被称为第谷超新星。在1577年,一颗巨大的彗星出现在丹麦上空,第谷首次将彗星作为独立天体进行了观测。观测结果显示,彗星的轨道不可能是完美的圆周形,而应该是被拉长的,且由视差判断该彗星与地球的距离比地月的距离更远。
▲彗星是太阳系中的“流浪者”,它们会按时返回。这幅哈雷彗星的照片是1986年它最近一次靠近地球时被拍摄到的。这颗彗星每77年才能返回至近地位置(可视范围之内)一次。
▲第谷宇宙模型
随后,第谷通过精确的星位测量,企图发现由地球运行而引起的恒星方位的改变,但结果一无所得。由此,他开始反对哥白尼的日心说,并在1583年出版的《论彗星》一书中提出一种介于地心说和日心说之间的理论,即地球是静止的中心,太阳围绕地球做圆周运动,除地球外的其他行星则围绕着太阳做圆周运动。这个理论曾一度被人接受,中国明朝就使用了主要依据第谷的观测结果而编制的时宪历。
虽然第谷的行星模型很快就被淘汰了,但他的天文观测对科学革命来说是个重大的贡献。在第谷去世之后,他的助手开普勒利用他多年积累的观测资料,仔细分析研究并提出了行星运动的三大定律,从而揭开了行星运动的秘密。
针对哥白尼的日心说体系,开普勒曾做过这样的设想,即如果行星都在围绕太阳而不是地球运动,同时运行轨道又都是椭圆形的,那么每个行星的轨道就都会是一直向前的,也就不需要再添加什么复杂的本轮来进行调节了。这样一来,行星的运动不但可以用非常简单、优雅的轨道来描述,还可以解释那些不符合圆周运动轨道的行星运动的观测结果。在这个假设的基础上,开普勒参考第谷的大量观测资料,最终提出了行星运动的三大定律。
开普勒第一定律,也叫椭圆定律、轨道定律:每一个行星都沿着各自的椭圆轨道绕太阳运行,而太阳则处在椭圆的一个焦点中。
开普勒第二定律,也叫等面积定律:在相同的时间内,太阳和运动着的行星的连线所扫过的面积都是相等的。这也就是说,行星与太阳的距离是时远时近的,在最接近太阳的地方,行星运行速度最快,在最远离太阳的地方,行星运行速度最慢。
▲开普勒三大定律
开普勒第三定律,也叫周期定律:行星距离太阳越远,其运转周期越长,而它的运转周期的平方与它到太阳之间的距离的立方成正比。由这个定律可以导出,行星与太阳之间的引力与半径的平方成反比,这是牛顿万有引力定律的一个重要基础。
行星在椭圆轨道上绕太阳运动而不是以圆形轨道绕地球运动,这一结论直接印证了哥白尼的日心说理论,也说明了地球确确实实是围绕太阳运行的。而开普勒三大定律的提出,对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述,解决了天文学的一个基本问题,也为接下来牛顿发现万有引力定律奠定了坚实的基础。牛顿曾说:“如果说我比别人看得远些的话,是因为我站在巨人的肩膀上。”毫无疑问,开普勒就是他所指的巨人之一。
宇宙无限性理论:布鲁诺相信,宇宙没有中心
乔尔丹诺·布鲁诺,文艺复兴时期意大利著名的思想家、自然科学家和哲学家。作为哥白尼日心说的坚决拥护者,布鲁诺用自己的生命将日心说传遍了欧洲,成为人们眼中反教会、反经院哲学的无畏战士、捍卫真理的殉道者。
1548年,布鲁诺出生在意大利那不勒斯的一个小镇上,自幼靠神甫们抚养长大。9岁时,布鲁诺前往那不勒斯城学习人文科学、逻辑和辩论术,满15岁时,他进入当地的修道院做了一名修道士,并获得教名乔尔丹诺。在修道院,布鲁诺学习了亚里士多德学派的哲学和托马斯·阿奎那的神学,并于24岁时被任命为神父。虽然已经成为一名神职人员,但年轻人勇敢无畏、怀疑一切的精神使布鲁诺在接触哥白尼《天体运行论》后不久就被吸引了,开始对宗教产生了怀疑。他认为,教会关于上帝具有“三位一体”的教义是不对的,据说他还因此把基督教圣徒的画像从自己的房中扔了出去。当然,这样离经叛道的行径激怒了教会,不久教会就革除了他的教籍。到1576年,为躲避宗教裁判所的追捕,28岁的布鲁诺不得不逃出修道院,出国开始了长期漂流的生活。尽管如此,布鲁诺依然大力宣扬哥白尼的学说,并利用一切机会与官方经院哲学的陈腐教条展开激烈辩论。
其实,布鲁诺的专业既不是天文学也不是数学,他却以超人的预见性丰富和发展了哥白尼的日心说体系。在他的著作《论无限性宇宙及世界》、《论原因、本原和统一》中,他提出了宇宙无限的思想,即宇宙是统一的、物质的、无限和永恒的。他认为,宇宙没有中心,无论在空间还是时间上都是无限的,地球不是宇宙的中心,只是环绕太阳运转的一颗小行星;太阳也不是宇宙的中心,只是太阳系的中心。在无限的宇宙中,有千千万万颗像太阳那样巨大而又炽热的星辰,它们都以巨大的速度向四面八方疾驰不息,在它们周围,也有许多像地球这样的行星,行星周围又有许多卫星。此外,在无限的宇宙中,有无数个“世界”在产生和消灭,不过作为无限的宇宙本身,却是永恒存在的,生命不仅在地球上有,在那些看不见的遥远行星上也可能有。
▲布鲁诺的无限宇宙图像
当时,哥白尼的《天体运行论》虽然已经出版,但由于种种原因并未广为人知,而布鲁诺的大力宣扬无疑让整个欧洲都知道“日心说”体系。这对于宗教“上帝是在位于宇宙中心的地球上创造人类”的说法简直是公然反抗。与此同时,布鲁诺关于“宇宙无限”的种种学说,虽然现在看来无疑是那个时代最为超前的预见和理论,但在当时几乎无人理解,教会更直接斥责其为“骇人听闻”,他本人也被看作极端有害的异端和十恶不赦的敌人。1592年,布鲁诺在威尼斯被捕入狱,之后被囚禁牢中达8年之久。1600年,宗教裁判所判处布鲁诺火刑。在罗马的百花广场,这个捍卫真理的殉道者被活活烧死。
宇宙在运动:牛顿引力理论表明,宇宙不可能静止
虽然开普勒发现了行星运动的三大定律,但有一件事一直让他很烦恼,那就是:是什么原因导致行星围绕太阳运行。他曾以为是磁力导致行星围绕太阳公转,但行星运行的椭圆轨道无法跟这一思想保持一致。事实上,直到1687年艾萨克·牛顿发表他的《自然哲学的数学原理》,这一问题才最终得以解决。
有人曾把牛顿称作“现代科学之父”,这一说法虽有些夸张,却并不为过。时至今日,人们依然认为《自然哲学的数学原理》的出版,可能是物理科学领域有史以来最重要的著作。在这本书中,牛顿提出物体如何在空间和时间中运动的理论,认为如果不受外力作用,任何物体都将保持匀速直线运动状态。也就是说,一旦物体静止下来,那么一定有一种外力阻止了它的运动,就像摩擦力和空气的阻力会使滚动的足球静止下来一样。同样的道理,如果一个物体做加速运动或者减速运动,或者是运动方向改变了,那么也一定是有外力作用在了它上面。
▲艾萨克·牛顿
力的效应能够使物体运动或者改变物体的运动,这跟行星以椭圆轨道绕太阳运行有什么关系呢?事实上,正是在这个力和运动的关系的基础之上,牛顿在一个不慎掉落在其头上的苹果的启发下提出了万有引力定律:自然界中任何两个物体间都是相互吸引的,这个吸引力的大小与两物体的质量的乘积成正比,与两物体间距离的平方成反比。万有引力定律,揭开了行星绕日运行的真相。
在牛顿的理论中,自然界中的任何一个物体都用一个叫作引力的力吸引着其他的物体,一个大质量的物体能把另一个小质量的物体吸引到自己身上来。正因为如此,我们看到成熟的苹果总是落在地球的表面之上。事实上,苹果对地球也有吸引力,但因为苹果的质量跟地球相比相差太多,所以看起来苹果就像只被引力吸到地面上一样。当然,引力非常微弱,把两个同样大小的苹果放在一块是不会吸引到一起的。
▲由于受到向着地心的引力影响,苹果总是落 向地面!
不过,一旦引力作用在质量巨大的物体,如太阳和行星之间,那影响就很大了。牛顿设想,如果没有引力,天体一般会沿着某个方向做直线运动,但如果某个天体对另一个天体,如太阳对地球施加了引力,而这个引力又不足以大到让它们撞在一起,那么地球的运行轨道就会弯曲,变成绕太阳运行。
为此,牛顿提出一个方程式来表示这种关系,并将这些数学方程应用到开普勒的椭圆轨道上去。结果表明,二者符合得非常好,用数学公式计算出的火星、木星、土星的轨道跟实测的结果完全符合。由此,人们知道,哥白尼和开普勒是正确的,行星是在引力的作用下在椭圆轨道上绕太阳运行的。
万有引力定律解释了行星的运动,也确定了地球的运动,是现代物理学、天文学的开端。而它的提出,更是引发了天文学家们对宇宙状态的关注:根据引力理论,恒星彼此间会相互吸引,这样一来它们几乎不可能保持所谓的静止状态。这也就是说,宇宙不可能是完全静止不变的,它事实上是运动的。运动的宇宙?这是真的吗?在这个观念的影响下,天文学家们开始了对宇宙状态和起源的推测。
宇宙从何开始:在某一个有限时刻,宇宙开端了
彼此相互吸引的恒星,会不会最终落到某处去呢?1691年,大科学家牛顿给当时的另一位权威思想家理查德·本特利写了一封信。在这封信中,牛顿指出,如果宇宙中仅仅有数目有限的恒星,那么由于相互之间的吸引力,这些恒星最终会落到一个中心点上。但另一方面,如果恒星的数目是无穷大,并且大致均匀地分布在无限大的空间之内,那么恒星就不可能落到一点上,因为此时对恒星来说根本不存在所谓的聚落中心点。
正确地考虑无穷数目恒星状态的办法其实也很容易,那就是先考虑有限的情况。在一个有限的空间内,由于引力作用,恒星会被彼此吸引内落并集聚在一起。现在,在上述有限区域外再加上一些恒星,且让它们也大体分布均匀,会发生什么变化?根据引力定律,后来补充的恒星依然会跟原来的恒星一样,接连不断地内落而集聚。依此类推,人们得出的结论就是,不可能构筑一个静态的无限宇宙模型,因为引力永远是一种吸引力。
宇宙在运动!由引力定律得出的这个结论让相信宇宙以不变状态永恒存在的人们大吃一惊。但更让人吃惊的事情还在后面。通常来讲,在一个无限静态的宇宙中,几乎每一条视线或每一条边,都会终止于某个恒星的表面。这样一来,人们将会看到整个天空像太阳一般明亮,即便夜晚也是如此。但事实并非如此。于是,为避免这种状况,就只能假设恒星并非永远在发光,它们只是在过去的某个时间才开始发光。那么问题来了:是什么原因导致恒星在最开始的位置上开始发光呢?
宇宙是否有一个开端?
当问题进展到这一步,人们不得不面对这个一直处于神学和玄学范围的问题。事实上,在宗教的早期传说中,有多种关于宇宙开端的观点都认为宇宙有一个开端。《创世记》一书中,圣奥古斯汀就设定宇宙的创生之时约为公元前5000年。而接下来,埃德温·哈勃的发现,终于为这一构想提供了科学依据。
1929年,埃德温·哈勃完成了一项划时代的观测,即无论朝哪个方向看,遥远的恒星都在快速地远离我们所在的银河系,也就是说宇宙在膨胀。这同时意味着,在过去的某个时间,天体是紧密地聚集在一起的。很快,关于大爆炸的学说兴起了,它提出,曾经存在一个称之为大爆炸的时刻,那时候宇宙无限小,密度无限大,大爆炸之后宇宙逐渐膨胀,成为今天我们见到的样子。在这个学说中,时间在大爆炸时有一个开端,即宇宙开始于某个时刻。哈勃的发现最终把宇宙开端的问题彻底纳入了科学的范畴,人们由此可以说,时间有一个起点,即大爆炸瞬间,这意味着在这之前的时间是完全不可定义的。当然,宗教人士依然可以相信,是上帝在大爆炸瞬间创造出了宇宙,上帝甚至可以在大爆炸之后的某个时刻创造宇宙,只不过创造的方式使之看上去像经历了大爆炸。但无论如何,设想宇宙创生于大爆炸之前是毫无意义的。大爆炸的宇宙并没有排斥造物主的存在,只不过对他何时从事这项工作加上了限制而已。从这一点上说,宗教和科学终于达成了一致。
▲被观测到的所有视界距离为150亿光年的空间区域都发出相同的温度的辐射。为什么它们温度相同并且发射出相同类型的辐射?在暴胀(1)前,空间被紧密压缩,因而所有区域都是相邻着的,因此存在着热平衡的状态。在宇宙以超过光速的速度短暂地“暴胀”(2)之后,类星体和星系等物体形成,它们都有自己的视界,由大爆炸后光所传播的距离决定。因此A和B就都位于对方的视界之外。在现代的宇宙(3)里,仍然存在着相同的几何关系——尽管宇宙额外的年龄意味着视界的扩张。在(2)和(3)阶段中,类星体A和B并不互相接触,因而不可能知道对方的存在,然而我们知道它们都存在是因为它们都会待在我们的视界里。
▲在地球上,地平线是我们所能看到的最远点,这是因为我们世界的弯曲。在宇宙中,我们的视界就是我们所能看到的最远点,受到宇宙的年龄以及光的有限速度的限制。如果宇宙是150亿岁的话,那么我们的视界就是150亿光年。任何距离大于150亿光年的两个物体不能知道对方的存在,因为它们所发出的光线没有足够的时间到达对方。宇宙暴胀前,我们的视界以光速扩展。当暴胀发生时,宇宙的半径只有10-35光秒。随着大统一力的分裂,宇宙内部的空间按指数函数膨胀。因此,宇宙变得比所能看到的部分要大得多。原来相接触的区域随着空间的膨胀被分离开来,而分离速度是光速的许多倍。