“民主”的定律

法律面前，人人平等。

——罗马法

哥白尼的后世研究者又逐渐改善了他的日心太阳系模型。一位来自英国林肯郡的青年最终用数学的形式把它描述了出来，形成了一套崭新的运动与引力定律——这位青年就是大名鼎鼎的艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643—1727）。牛顿的引力定律和运动三定律在其后的近250年里主宰了所有物理学家和工程师认识世界的方式。这几条定律将此前对天体运动的一切图像式描述都转化成了更精确的数学描述：它们给出了数学方程（即描述物体运动的“法则”），方程的解（即按照那些法则计算出的结果）则可以成功地预言物体随时间变化的运动轨迹，如月球和行星的运动。其中一项预言，便是行星围绕太阳运动的轨道并非哥白尼假设的圆形，而是椭圆形，而太阳则位于其两个焦点中的一个（图2.1）。

牛顿的运动三定律可以这样表述：

第一定律：物体在不受任何力作用的时候，总保持静止或匀速直线运动状态。

第二定律：物体动量的变化速率等于这个物体受到的力。

第三定律：每个作用力都有与它大小相等、方向相反的反作用力。

图2.1　夸张化的椭圆形行星轨道，显示了太阳在椭圆形焦点处的位置。

这三条定律里隐藏着很多卓越的远见。第一定律提到了“不受任何力作用”的物体，但有谁真正见过这种物体呢？这是一种理想化的事物，牛顿把它作为一种衡量标准。过去，大多数人认为不受任何作用力的运动中的物体会逐渐变慢并停止，但牛顿意识到，运动物体变慢是由其他力——如摩擦力和空气阻力导致的。他敏锐地分析出在特定情形下物体受到的所有力，并想象出了在没有受到任何作用力的理想条件下，物体会是什么样子。

当牛顿说一个物体处于运动或静止的状态时，我们会问：“相对于什么参照物运动和静止呢？”实际上，他给所有在空间中运动的物体设定了一个虚拟的、固定的“舞台”，也就是“绝对空间（absolute space）”，这个“舞台”由遥远的恒星确定，他认为这些恒星既不会变化，也不会移动。牛顿定律决定了物体在这个“舞台”上的一切运动和变化，并且一切事物都不会影响空间本身的构造。

牛顿意识到，在宇宙这个大舞台上，他的简单定律只对一些特殊的“演员”成立。在没有受到力的作用时，这些特殊的“演员”必须相对于远处的恒星（及这些恒星构成的绝对空间）静止或做匀速直线运动——既不能做变速运动，也不能绕着这些恒星或其构成的绝对空间旋转。假设宇航员在一个旋转着的宇宙飞船里透过窗子向外看，他就会看到远处的恒星围绕着他做圆周运动，或者说，它们相对宇航员有一个加速度——然而它们并没有受到什么力的作用啊？因此，对这个正在旋转的宇航员而言，牛顿第一定律就不成立，而第二定律的形式也变得更为复杂。［4］

牛顿运动定律的表述形式也显示，在自然规律及其结果中存在着某种形式的“反哥白尼原理”，对一些特定的观察者而言，运动定律的形式要比其他观察者看到的更简单。然而，客观准确的自然规律如果经过了合适的表述，不应该在所有的观察者眼中都是一样的吗？有些观察者眼中的自然规律居然会比其他人眼中的更简单，按道理讲，这样仿佛拥有“特权”的观察者是不应该存在的。

自从有了牛顿定律这一有力武器，物理学家和天文学家就可以理解天空中一切物体的运动了。他们可以解释恒星的分布，解释宇宙是如何从一个简单的状态演变到如今的结构的。当时的天文学家没有像今天这么强大的天文观测手段，所以他们对宇宙图景的认识有其局限性，不过随着时间的推移，他们逐渐构建出了能解释恒星分布的理论，并把这些天文学现象与物理学和运动理论联系了起来。最重要的是，他们开始思考牛顿的运动理论能否告诉我们宇宙经历了什么样的变化。