2.打開宇宙大門的鑰匙掌握在誰手中？

仰望夜空，你一定會被壯麗的景色震撼——銀河在夜空中描出的弧線，無數的恒星不停地眨著眼，以及從不閃爍的明亮行星。夜空的浩瀚和復雜如山呼海嘯般撲面而來。千百年來，我們的祖先觀察著同一片夜空，并試圖搞清楚他們看到的究竟是什么。解開這個謎題的關鍵是什么？宇宙是如何誕生的？人類在世間萬物中居于何種地位？

對許多古代文明來說，理解天空不僅是一種哲學上或精神上的探索，還是一種實際的需求。掌握天體運行的規律對人類的生存來說至關重要，比如應用于航海、季節性遷徙、作物的生長和計時等。我們的祖先對太陽、月亮和行星的運行周期非常關注，這一點在他們建造的巨石陣中展露無遺。我們發現其中一些結構與天文事件（這些事件通常具備神圣的意義，并且以精心設計的儀式為標志）相呼應，這顯然是當時的人們有意為之的結果。天空被視為超自然力量存在的領域，在某些文化中，太陽、月亮和行星被奉為神祇。

但是，天體運行中非常明顯的規律性隱含著一個截然不同的概念：天空并不是眾神的游樂場，而是一臺機械裝置，是一個由運動部件組建的精密系統。一旦這個概念被確立，精確的測量就成為決定如何組建和調節這臺裝置的關鍵。于是，算術和幾何學變成了不可或缺的技能，天文學家也憑借其強大的能力，在人類社會中扮演著像牧師和皇帝一樣重要的角色。他們周密的測量和分析逐漸揭示出天體運動中的數與形、秩序與和諧，幾個世紀來也建立了許多理論模型。生活在2世紀的希臘天文學家克羅狄斯·托勒密對早期天文學家的思想進行了提煉，形成了著名的托勒密宇宙觀。他提出了一個由相互嵌套的球體組成的復雜系統，這些球體以不同的速度繞地球旋轉。

一方面，宇宙的機械模型在正常地運行；另一方面，神學的維度從未被完全消除。有關宇宙起源的問題一直非常棘手：這個宏偉的裝置是如何出現的？是否存在一種啟動該裝置的原動力？它是一個在混亂中創造秩序的超自然造物主，還是一個可以憑空創造一切的創世之神？在這些早期的模型中，沒人嘗試過將天體的運動與地球上物質的運動聯系起來。雖然天空和大地都存在無數的運動，但它們涇渭分明，這種觀點貫穿了中世紀的絕大部分時間，直至17世紀。此后，人類對宇宙的理解發生了巨大的轉變。一小群有遠見卓識的自然哲學家開始意識到，宇宙的鑰匙并非掌握在神的手中，也不是藏在宇宙本身的幾何結構里。它實際上是一種抽象的事物，超脫于物質世界而存在于自然法則之中，人類的感官無法感知它，但人類的理性能夠理解它。古代哲學家鐘愛的數與形不僅表現在特定的物理對象和系統中，還與自然法則交織在一起，形成了一個由某種宇宙密碼加密的馬賽克圖案。這種概念上的轉向令人心潮澎湃，標志著人類從單純地描述世界進階至解釋世界。1632年，伽利略用詩意的語言表達了伴隨這一轉變而來的巨大認知飛躍：“偉大的自然之書是用數學的語言寫就的”，如果沒有數學語言，“就像一個人在黑暗的迷宮中徒勞地徘徊”。伽利略認為理解宇宙的關鍵在于用數學破解難題，3個世紀后詹姆斯·金斯爵士也表達了同樣的觀點：“宇宙似乎是由一位理論數學家設計出來的！”伽利略開啟了“解開隱藏在自然界中的數學秩序”這一任務，但直到下一代科學家登上歷史舞臺，尤其是在艾薩克·牛頓和戈特弗里德·萊布尼茨的不懈努力之下，伽利略的愿景才得以實現。那時的科學研究可不像今天這樣規模宏大、組織嚴密，這項我們現在稱其為“科學”的事業的開拓者更像邪教組織成員，他們幾乎斷絕了外部交流，傲慢易怒、任性自大地沉浸在古老的神秘傳統之中。

圖2　托勒密提出的以地球為中心的宇宙模型

伽利略率先使用他發明的望遠鏡來研究天空，更加精確地測量行星的運動及其軌道的形狀。和伽利略一樣，牛頓把目光投向了太陽系，試圖用數學方法揭示能同時適用于地球和太空的運動定律，而且這些定律可以通過觀察和測量加以驗證。為了做到這一點，他需要找到那把用數學打造的鑰匙，但無論是在古希臘算術和幾何學的文獻中，還是在中世紀的改良理論中，他都一無所獲。于是，牛頓只能自己創造一種數學理論，他稱之為“流數術”（fluxions），也就是我們今天所說的微積分。在他20歲出頭的時候，正趕上1665—1666年的大瘟疫暴發，他不得不在位于林肯郡的家中隔離。牛頓從那時開始將流數術應用于運動定律，發現了引力這種能夠穿過空間的神秘力量，并且精確地計算出引力的大小與距離的平方成反比。

就這樣，人類打開了一扇通往天空的新窗戶。彗星劃出的拋物線、行星優美的橢圓軌道、月球的扇形旋轉軌跡……所有天體運行軌道的精致輪廓都已經勾勒清楚，它們彼此之間通過固定的數學邏輯關系聯系在一起。我永遠不會忘記，學生時代的我第一次將牛頓定律應用于行星繞太陽的公轉運動并得出一個對應橢圓軌道的數學公式時，我的內心有多么興奮。這簡直就像魔法一樣！不難想象，牛頓本人一定也體驗過同樣的興奮，當他用自己創建的公式計算出那些天文學家經過長年累月觀察才得到的幾何圖形時，他是多么興奮、激動、敬畏啊！

盡管這種程度的進步足以令人嘆為觀止，但牛頓還有更加宏偉的愿景。在解決了有關太陽系的問題之后，他開始將萬有引力定律應用于整個宇宙。既然伽利略用望遠鏡觀測過銀河系，那么此時的人們顯然已經知道宇宙中布滿了恒星。但這些恒星是如何排布的？它們是聚集在一團巨大而有限的云中，還是無窮無盡地散落在無限的空間里？牛頓把宇宙想象成一部巨大的發條機器，無處不在的引力頑強地牽引著空間中的每個天體，并維系著它的結構。當地球繞太陽公轉時，其沿著橢圓軌道的運動抵消了引力的作用，最終達到了一種平衡：我們的行星受太陽的引力牽引，但不會落入太陽。不過，作為一個整體的宇宙又會面臨怎樣的情況呢？牛頓想知道的是，在沒有任何東西制衡的情況下，為什么所有的恒星不會聚集到一起形成一團巨大的物質呢？

他得出的答案是，宇宙一定是無限大的。如果沒有邊界，也沒有重心，整個宇宙就沒有可坍塌的地方。任意一顆恒星都會被來自各個方向的引力牽引，這些引力之間保持著平衡。“它們之間的相互吸引破壞了它們之間的相互作用。”牛頓用這句奇特的話來表述這種狀況。這種做法看似挺聰明，但也可以說是一個思維上的小把戲。正如牛頓自己承認的那樣，這種微妙的平衡實際上并不穩定，“在我看來，讓一根針立起來的難度和同時讓無數根針立起來的難度是無法相提并論的……”所以，牛頓提出的無限大的宇宙正在坍縮的邊緣搖搖欲墜。然而，作為一名虔誠的信徒，牛頓在必要的時候并不回避祈求上帝維護他的造物。

這個問題就這樣被擱置了。直到兩個世紀之后，人們才找到了正確的解決辦法，但現在我們透過歷史的鏡子就可以發現，答案其實遠在天邊，近在眼前。