第1讲 有关宇宙的若干观念

早在公元前340年，亚里士多德在他的《天论》（On the Heavens）一书中，就已能提出两个令人信服的论据，从而证明地球是一个圆球，而不是一个扁平的盘。首先，他领悟到月食的成因是由于地球运行到了太阳和月球之间。地球投射在月球上的影子始终是圆形的，这一观测事实只有当地球为球形时才能出现。如果地球是一个扁平的圆盘，那么除非月食发生之际太阳总是正射到盘的中心，否则地球的影子必然会拉长而成为椭圆形。

第二，希腊人在他们的迁居过程中早就知晓，南方看到的北极星在天空中的位置，要比北部地区所看到的位置来得低。根据埃及和希腊两地所见北极星视位置的差异，亚里士多德甚至估计出了地球的周长为40万斯达地。1斯达地的准确长度无人知晓，不过很可能约合200码。如是，亚里士多德的估值约为目前所采用值的两倍。

此外，希腊人还提出了地球必然为球形的第三个理由：为什么船舶出现在地平线上时，人们先看到的是船帆，然后才看到船身？亚里士多德认为地球是静止不动的，而太阳、月球、行星以及恒星都沿着圆形轨道绕地球运动。他深信，鉴于某些神秘莫测的理由，地球位于宇宙的中心，而圆运动是最完美的。

公元2世纪，经托勒密的精心推敲，形成了一种完整的宇宙模型。地球位于中心，它的周围有八个天球，分别承载了月球、太阳、恒星以及当时所知道的五颗行星，即水星、金星、火星、木星和土星。这些行星分别在一些较小的圆轨道上运动，而这些小圆圈又各自附于上面提到的那些天球上，由此来说明所观测到的行星在天空中的复杂运动路径。位于最外面那个天球上的则是一些所谓固定不动的恒星，它们之间的相对位置始终保持不变，同时又作为一个整体在天空中转动。至于在最外面的天球之外又是什么，则从来没有被搞清楚过，但这肯定不是人类可观测的宇宙的组成部分。

托勒密的模型提供了一种颇为合理的精确系统，它可以用来预测诸天体在天空中的位置。但是，为了正确地预测这些位置，托勒密不得不设定月球运动的路径距地球时近时远，最近时的月地距离只是其他时候的一半。这意味着有时候月球看上去会比通常所看到的大上一倍。托勒密本人知道这是一个问题，但尽管有这个缺陷，他的模型在当时为大多数人所接受，虽然并非人人都予以认可。基督教教会接纳了托勒密的模型以作为宇宙的图像，因为它与《圣经》的记载相符。该模型的一大好处是，它在恒星球之外为天堂和地狱留下了广阔的空间。

然而，波兰教士尼古拉·哥白尼在1514年提出了一种更为简单的模型。最初，哥白尼因担心会被指控为异端之说，便采用匿名方式发表了他的模型。哥白尼的思想是，太阳位于中心且静止不动，地球和其他行星都绕着太阳在圆轨道上运动。对哥白尼来说可悲的是，差不多在一个世纪之后人们才认真地接受了他的思想。其时，有两位天文学家，德国人约翰内斯·开普勒和意大利人加利莱奥·伽利略——开始公开支持哥白尼的理论，尽管事实上该理论所预言的行星运动轨道与观测结果并不完全相符。亚里士多德—托勒密理论的消亡始于1609年。在那一年，伽利略开始用望远镜观测夜空，当时望远镜才刚发明不久。

伽利略在观测木星时，发现它的周围有几颗小的卫星（或者说月亮）在绕着木星作轨道运动。这说明所有天体并非如亚里士多德和托勒密所认为的那样都必然直接绕着地球运动。当然，仍然可以相信地球位于宇宙中心且静止不动，不过这时要使木星的月亮看上去表现为在绕木星运动，那么它们绕地球运动的路径必然极其复杂。然而，哥白尼理论就要简单得多了。

在同一时期，开普勒对哥白尼理论作了修正，他认为行星运动的轨道不是圆，而是椭圆。这么一来，理论预期与实测结果最终完全相符了。就开普勒而言，椭圆轨道只是一种特定的假设，而且是一种颇不受人欢迎的假设，因为在那时的人看来椭圆显然不如圆来得完美。开普勒发现椭圆轨道与观测结果很好地相符带有某种偶然性，他当时认为由于磁力的作用才使得行星绕太阳运动，而椭圆轨道与这种观念是无法调和的。

只是到了多年后的1687年，牛顿才对此给出了解释，那一年牛顿发表了他的名著《自然哲学的数学原理》。这本书也许是物理科学领域迄今为止所出版的一部最为重要的著作，书中牛顿不仅提出了描述物体在空间和时间中运动规律的理论，而且还推导出了分析这类运动所需要的数学公式。不仅如此，牛顿还提出了万有引力定律。这条定律指出，宇宙中的每一个物体都会受到其他所有物体的吸引，物体的质量越大，物体间的距离越近，引力就越强。正是因为这种作用力的存在，才使得物体会落到地面上来。关于一个苹果掉到牛顿头上的故事似乎并不足以为信。牛顿本人提到过的仅仅是，关于引力的思想是他处于沉思冥想之际，由一个苹果的掉落而引发的。

牛顿进一步证明，根据他的定律，由于引力的作用使月球沿着椭圆轨道绕地球运动，也使得地球和其他行星遵循椭圆形路径绕太阳运动。哥白尼的模型抛弃了托勒密的天球体系，同时也抛弃了宇宙有一个天然的边界的观念。恒星不会因地球绕太阳的运转而改变它们的相对位置。由此自然可以推知，恒星是一些与我们的太阳类似、但距离要遥远得多的天体。上述推论会引起一个问题。牛顿意识到根据他的引力理论，恒星应该彼此互相吸引；因此，它们似乎不可能保持基本上无运动的状态。那么，所有这些恒星最终会统统落到某一点上吗？

牛顿在1691年写给当时另一位权威思想家理查德·本特利的一封信中指出，如果仅有有限数目的恒星，上述情况确实是会发生的。但是另一方面，他又推断说，如果恒星的个数为无穷大，且又大致均匀地分布在无限大的空间内，那么这种情况就不会出现，因为这时对恒星来说就不存在任何使之内落、集聚的中心点。这种推论是人们谈论关于无限的问题时可能遭遇的陷阱的一个例子。

在一个无限的宇宙中，每一个点都可以被视为中心，因为在每一点处朝各个方向看去都会有无穷多颗恒星。只是在多年之后人们才领悟到，认识这一问题的正确途径是，应该考虑的是一种有限的空间，其中的恒星都会彼此内落并集聚。现在我们要问，如果在上述有限区域的外围加上一些恒星，且它们大体上为均匀分布，那么情况会有哪些变化？根据牛顿定律，后来补充的恒星与原来的那些恒星毫无区别，因而它们也会接连不断地内落。这样的恒星可以想增加多少就增加多少而不受限制，但它们会始终保持不断地自行坍缩。现在我们知道了，不可能构筑一个静态的无限宇宙模型，在其中引力永远是一种吸引力。

在20世纪之前从未有人提出过宇宙正处于膨胀或收缩之中，这耐人寻味地反映了当时的主流思潮。当时为人们普遍接受的观念是，宇宙要么从来就以一种不变的状态永恒存在，要么它是在过去某个确定的时刻被创生出来，而且宇宙诞生时的状态与今天所观测到的样子大体上是一样的。形成这种观念的部分原因也许在于，人们倾向于相信永恒的真理，以及从下述想法中所得到的些许安慰：尽管他们会慢慢地老去，直至死亡，但宇宙是永恒不变的。

即使有人意识到牛顿引力理论表明宇宙不可能是静态的，他们也不会去思考并提出宇宙也许正处于膨胀之中。相反，他们尝试去修正引力理论，办法是在很大的距离上使引力变为斥力。这种做法不会对预测行星的运动产生显著影响。但是，它可以使无限分布的恒星保持平衡状态：近距离恒星间的引力被来自远距离恒星的斥力相抵消。

然而，我们现在认为这种平衡态是不稳定的。如果某一天区内的恒星哪怕只是彼此间稍稍靠近一点儿，它们之间的吸引力就会增强，并超过斥力的作用。这意味着那些恒星便会继续彼此内落、集聚。另一方面，要是恒星之间的距离略有增大，斥力就会占上风，结果使恒星进一步互相远离。

人们通常认为，对无限静态宇宙的另一个反诘是由德国哲学家海因里希·奥伯斯提出来的。事实上，与牛顿同时代的各行各业学者已经提出了这个问题，甚至奥伯斯1823年的文章也不是包含了对这一议题貌似合理的推论的第一篇。不过，这是最早受到人们广泛关注的一篇文章。困难之处在于，在一个无限静态的宇宙中，几乎每一条视线或者每一条边，都将终止于某颗恒星的表面。因此，人们应当看到整个天空会像太阳一样明亮，哪怕在夜晚也是如此。奥伯斯对此的解释是，来自遥远恒星的光线因受到行进路径上物质的吸收而减弱了。但是，如果情况确实如此，那么这类介质也会因受到加热而发光，并最终变得如恒星般明亮。

为了避免得出整个夜间天空会变得如太阳表面那样明亮的结论，唯一的途径是假定恒星并非永远在发光，它们只是从过去某个确定的时刻起才开始发出光芒。在这种情况下，起吸收作用的介质也许迄今尚未得以充分加热，或者遥远恒星所发出的光线可能尚未到达我们这里。这就会引出另一个问题：是什么原因能使恒星在原初位置上开始发光？