第1講 有關宇宙的若干觀念

早在公元前340年，亞里士多德在他的《天論》（On the Heavens）一書中，就已能提出兩個令人信服的論據，從而證明地球是一個圓球，而不是一個扁平的盤。首先，他領悟到月食的成因是由于地球運行到了太陽和月球之間。地球投射在月球上的影子始終是圓形的，這一觀測事實只有當地球為球形時才能出現。如果地球是一個扁平的圓盤，那么除非月食發生之際太陽總是正射到盤的中心，否則地球的影子必然會拉長而成為橢圓形。

第二，希臘人在他們的遷居過程中早就知曉，南方看到的北極星在天空中的位置，要比北部地區所看到的位置來得低。根據埃及和希臘兩地所見北極星視位置的差異，亞里士多德甚至估計出了地球的周長為40萬斯達地。1斯達地的準確長度無人知曉，不過很可能約合200碼。如是，亞里士多德的估值約為目前所采用值的兩倍。

此外，希臘人還提出了地球必然為球形的第三個理由：為什么船舶出現在地平線上時，人們先看到的是船帆，然后才看到船身？亞里士多德認為地球是靜止不動的，而太陽、月球、行星以及恒星都沿著圓形軌道繞地球運動。他深信，鑒于某些神秘莫測的理由，地球位于宇宙的中心，而圓運動是最完美的。

公元2世紀，經托勒密的精心推敲，形成了一種完整的宇宙模型。地球位于中心，它的周圍有八個天球，分別承載了月球、太陽、恒星以及當時所知道的五顆行星，即水星、金星、火星、木星和土星。這些行星分別在一些較小的圓軌道上運動，而這些小圓圈又各自附于上面提到的那些天球上，由此來說明所觀測到的行星在天空中的復雜運動路徑。位于最外面那個天球上的則是一些所謂固定不動的恒星，它們之間的相對位置始終保持不變，同時又作為一個整體在天空中轉動。至于在最外面的天球之外又是什么，則從來沒有被搞清楚過，但這肯定不是人類可觀測的宇宙的組成部分。

托勒密的模型提供了一種頗為合理的精確系統，它可以用來預測諸天體在天空中的位置。但是，為了正確地預測這些位置，托勒密不得不設定月球運動的路徑距地球時近時遠，最近時的月地距離只是其他時候的一半。這意味著有時候月球看上去會比通常所看到的大上一倍。托勒密本人知道這是一個問題，但盡管有這個缺陷，他的模型在當時為大多數人所接受，雖然并非人人都予以認可。基督教教會接納了托勒密的模型以作為宇宙的圖像，因為它與《圣經》的記載相符。該模型的一大好處是，它在恒星球之外為天堂和地獄留下了廣闊的空間。

然而，波蘭教士尼古拉·哥白尼在1514年提出了一種更為簡單的模型。最初，哥白尼因擔心會被指控為異端之說，便采用匿名方式發表了他的模型。哥白尼的思想是，太陽位于中心且靜止不動，地球和其他行星都繞著太陽在圓軌道上運動。對哥白尼來說可悲的是，差不多在一個世紀之后人們才認真地接受了他的思想。其時，有兩位天文學家，德國人約翰內斯·開普勒和意大利人加利萊奧·伽利略——開始公開支持哥白尼的理論，盡管事實上該理論所預言的行星運動軌道與觀測結果并不完全相符。亞里士多德—托勒密理論的消亡始于1609年。在那一年，伽利略開始用望遠鏡觀測夜空，當時望遠鏡才剛發明不久。

伽利略在觀測木星時，發現它的周圍有幾顆小的衛星（或者說月亮）在繞著木星作軌道運動。這說明所有天體并非如亞里士多德和托勒密所認為的那樣都必然直接繞著地球運動。當然，仍然可以相信地球位于宇宙中心且靜止不動，不過這時要使木星的月亮看上去表現為在繞木星運動，那么它們繞地球運動的路徑必然極其復雜。然而，哥白尼理論就要簡單得多了。

在同一時期，開普勒對哥白尼理論作了修正，他認為行星運動的軌道不是圓，而是橢圓。這么一來，理論預期與實測結果最終完全相符了。就開普勒而言，橢圓軌道只是一種特定的假設，而且是一種頗不受人歡迎的假設，因為在那時的人看來橢圓顯然不如圓來得完美。開普勒發現橢圓軌道與觀測結果很好地相符帶有某種偶然性，他當時認為由于磁力的作用才使得行星繞太陽運動，而橢圓軌道與這種觀念是無法調和的。

只是到了多年后的1687年，牛頓才對此給出了解釋，那一年牛頓發表了他的名著《自然哲學的數學原理》。這本書也許是物理科學領域迄今為止所出版的一部最為重要的著作，書中牛頓不僅提出了描述物體在空間和時間中運動規律的理論，而且還推導出了分析這類運動所需要的數學公式。不僅如此，牛頓還提出了萬有引力定律。這條定律指出，宇宙中的每一個物體都會受到其他所有物體的吸引，物體的質量越大，物體間的距離越近，引力就越強。正是因為這種作用力的存在，才使得物體會落到地面上來。關于一個蘋果掉到牛頓頭上的故事似乎并不足以為信。牛頓本人提到過的僅僅是，關于引力的思想是他處于沉思冥想之際，由一個蘋果的掉落而引發的。

牛頓進一步證明，根據他的定律，由于引力的作用使月球沿著橢圓軌道繞地球運動，也使得地球和其他行星遵循橢圓形路徑繞太陽運動。哥白尼的模型拋棄了托勒密的天球體系，同時也拋棄了宇宙有一個天然的邊界的觀念。恒星不會因地球繞太陽的運轉而改變它們的相對位置。由此自然可以推知，恒星是一些與我們的太陽類似、但距離要遙遠得多的天體。上述推論會引起一個問題。牛頓意識到根據他的引力理論，恒星應該彼此互相吸引；因此，它們似乎不可能保持基本上無運動的狀態。那么，所有這些恒星最終會統統落到某一點上嗎？

牛頓在1691年寫給當時另一位權威思想家理查德·本特利的一封信中指出，如果僅有有限數目的恒星，上述情況確實是會發生的。但是另一方面，他又推斷說，如果恒星的個數為無窮大，且又大致均勻地分布在無限大的空間內，那么這種情況就不會出現，因為這時對恒星來說就不存在任何使之內落、集聚的中心點。這種推論是人們談論關于無限的問題時可能遭遇的陷阱的一個例子。

在一個無限的宇宙中，每一個點都可以被視為中心，因為在每一點處朝各個方向看去都會有無窮多顆恒星。只是在多年之后人們才領悟到，認識這一問題的正確途徑是，應該考慮的是一種有限的空間，其中的恒星都會彼此內落并集聚?，F在我們要問，如果在上述有限區域的外圍加上一些恒星，且它們大體上為均勻分布，那么情況會有哪些變化？根據牛頓定律，后來補充的恒星與原來的那些恒星毫無區別，因而它們也會接連不斷地內落。這樣的恒星可以想增加多少就增加多少而不受限制，但它們會始終保持不斷地自行坍縮?，F在我們知道了，不可能構筑一個靜態的無限宇宙模型，在其中引力永遠是一種吸引力。

在20世紀之前從未有人提出過宇宙正處于膨脹或收縮之中，這耐人尋味地反映了當時的主流思潮。當時為人們普遍接受的觀念是，宇宙要么從來就以一種不變的狀態永恒存在，要么它是在過去某個確定的時刻被創生出來，而且宇宙誕生時的狀態與今天所觀測到的樣子大體上是一樣的。形成這種觀念的部分原因也許在于，人們傾向于相信永恒的真理，以及從下述想法中所得到的些許安慰：盡管他們會慢慢地老去，直至死亡，但宇宙是永恒不變的。

即使有人意識到牛頓引力理論表明宇宙不可能是靜態的，他們也不會去思考并提出宇宙也許正處于膨脹之中。相反，他們嘗試去修正引力理論，辦法是在很大的距離上使引力變為斥力。這種做法不會對預測行星的運動產生顯著影響。但是，它可以使無限分布的恒星保持平衡狀態：近距離恒星間的引力被來自遠距離恒星的斥力相抵消。

然而，我們現在認為這種平衡態是不穩定的。如果某一天區內的恒星哪怕只是彼此間稍稍靠近一點兒，它們之間的吸引力就會增強，并超過斥力的作用。這意味著那些恒星便會繼續彼此內落、集聚。另一方面，要是恒星之間的距離略有增大，斥力就會占上風，結果使恒星進一步互相遠離。

人們通常認為，對無限靜態宇宙的另一個反詰是由德國哲學家海因里?！W伯斯提出來的。事實上，與牛頓同時代的各行各業學者已經提出了這個問題，甚至奧伯斯1823年的文章也不是包含了對這一議題貌似合理的推論的第一篇。不過，這是最早受到人們廣泛關注的一篇文章。困難之處在于，在一個無限靜態的宇宙中，幾乎每一條視線或者每一條邊，都將終止于某顆恒星的表面。因此，人們應當看到整個天空會像太陽一樣明亮，哪怕在夜晚也是如此。奧伯斯對此的解釋是，來自遙遠恒星的光線因受到行進路徑上物質的吸收而減弱了。但是，如果情況確實如此，那么這類介質也會因受到加熱而發光，并最終變得如恒星般明亮。

為了避免得出整個夜間天空會變得如太陽表面那樣明亮的結論，唯一的途徑是假定恒星并非永遠在發光，它們只是從過去某個確定的時刻起才開始發出光芒。在這種情況下，起吸收作用的介質也許迄今尚未得以充分加熱，或者遙遠恒星所發出的光線可能尚未到達我們這里。這就會引出另一個問題：是什么原因能使恒星在原初位置上開始發光？