第4章 我们的宇宙图象(1)

亚里士多德以为地球是不动的，太阳、玉轮、行星和恒星都以圆周为轨道环绕着地球公转。他信赖这些，是因为他以为地球是宇宙的中间，而圆周活动是最完美的；他的这类观点是基于某些奥秘的启事。公元2世纪，这个思惟被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中间，8个天球包抄着它，这8个天球别离负载着玉轮、太阳、恒星和5个当时已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。为了申明在天空中察看到的这些行星的相称庞大的轨道，人们以为它们本身沿着附在呼应天球上的更小的圆周活动。最外层的天球照顾着所谓的牢固恒星，它们的相对位置老是保持稳定，但是团体环绕着天空扭转。最后一层天球以外为何物一向不很清楚，但是它必定不是人类所能观察到的宇宙部分。

大多数人会感觉，把我们的宇宙喻为一个无穷的乌龟塔相称荒诞。但是我们凭甚么就自以为晓得得更好呢？我们对宇宙体味了多少？而我们又是如何晓得的呢？宇宙从何而来，又将向那边去？宇宙有开端吗？如果有的话，在开端之前产生了甚么？时候的本质是甚么？它会有一个闭幕吗？物理学中比来的冲破，使我们有能够为此中一些耐久以来悬而未决的题目供应答案，而奇妙的新技术是实现这些冲破的部分启事。对我们而言，这些答案或许有朝一日会变得和地球环绕着太阳公转那么显而易见――或许也会变得和乌龟塔一样荒诞，只要时候（不管其含义如何）才气讯断。

当人们群情到无穷时，这类论证是你会遭碰到的一种圈套。在一个无穷的宇宙中，因为在每一点的两边都有无穷颗恒星，以是每一点都能够以为是中间。好久今后才认识到精确的体例，便是先考虑有限的景象，这时统统恒星都相互落到一起，然后加上在这个地区以外大抵均匀漫衍的更多恒星，看事情会如何窜改。遵循牛顿定律，均匀地讲，这分外的恒星对本来的那些底子没有甚么影响，以是这些恒星还是一样快地落到一起。我们情愿加上多少恒星便能够加上多少，但是它们仍然老是向本身坍缩。现在我们晓得，不成能存在一个无穷静态的引力老是吸引的宇宙模型。

遵循他的引力实际，牛顿认识到恒星应当相互吸引，如许它们仿佛不能保持根基上不动。莫非它们不会都一起落到某处去吗？在1691年写给同期间另一名最首要的思惟家理查德・本特里的一封信中，牛顿论证道，如果只要有限数量标恒星漫衍在一个有限的空间地区里，这确切是会产生的。但是另一方面，他推断说，如果存在无穷数量标恒星，大抵均匀地漫衍于无穷的空间中，对它们而言，因为这时不存在一其中间落点，这类景象就不会产生。

托勒密模型的体系能够相称紧密地预言天体在天空中的位置。但是为了精确地预言这些位置，托勒密不得不假定，玉轮遵守的轨道偶然使它离地球的间隔是其他时候的一半。这意味着玉轮偶然显得要比其他时候大一倍！托勒密承认这个瑕疵，但是固然如此，他的模型被遍及地，固然不是普适地接管。它被基督教会采取为与《圣经》相分歧的宇宙图象。这是因为它具有庞大上风，即在牢固恒星天球以外为天国和天国留下了大量的空间。

这一年，艾萨克・牛顿爵士出版了他的《天然哲学的数学道理》，这部或许是物理科学中有史以来最首要的著作。

在这部著作中，牛顿不但提出物体如安在空间和时候中活动的实际，并且生长了为阐发这些活动所需的庞大的数学。别的，牛顿还提出了万有引力定律。按照这条定律，宇宙中的任一物体都被别的的物体吸引。物体质量越大，相互间隔越近，则相互之间的吸引力越大。恰是这同一种力，使物体下落到空中。（一个苹果落到牛顿的头上使他获得灵感的故事，几近必定是不敷凭信的。牛顿本身说过的不过是，当他坐着堕入深思之时，一个苹果的下落使他获得了万有引力的思惟。）牛顿继而证明，按照他的定律，引力使玉轮沿着椭圆轨道环绕着地球运转，而地球和其他行星沿着椭圆轨道环绕着太阳公转。

乃至那些认识到牛顿的引力实际导致宇宙不成能静止的人，也没有想到提出宇宙能够正在收缩。相反，他们试图修改实际，使引力在非常大间隔下变成架空的。这并没有太大影响他们对行星活动的预言，但是却答应恒星的无穷漫衍保持均衡状况――邻近恒星之间的吸引力被远间隔外的恒星来的斥力均衡。但是，现在我们信赖，如许的均衡是不稳定的：如果某一地区内的恒星略微相互靠近一些，它们之间的引力就会加强，并超越斥力的感化，是以这些恒星就会持续落到一起。反之，如果某一地区内的恒星略微相互阔别一些，斥力就起主导感化，并差遣它们离得更远。

哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球，以及与其相干的宇宙存在着天然鸿沟的看法。“牢固恒星”除了因为地球环绕着本身的轴自转引发的穿越天空的转动外，它们的位置显得牢固稳定，很天然会令人猜测到牢固恒星是和我们太阳近似的物体，只是比太阳分开我们远很多了。

在20世纪之前从未有人提出过，宇宙是在收缩或是在收缩，这风趣地反应了当时的思惟民风。普通以为，宇宙要么以一种稳定的状况存在了无穷长的时候，要么以多多极少正如我们明天察看到的模样在有限久的畴昔创生。

早在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，就能够对于地球是一个圆球而不是一块平板这个信心提出两个有力的论证。第一，他认识到，月蚀是因为地球运转到太阳与玉轮之间引发的。地球在玉轮上的影子老是圆的，这只要在地球本身为球形的前提下才建立。如果地球是一块平坦的圆盘，除非月蚀老是产生在太阳恰好位于这个圆盘中间的正下方的时候，不然地球的影子就会被拉长而成为椭圆形。第二，希腊人从观光中晓得，在南边地区观察北极星，比在较北地区，北极星在天空中显得较低。（因为北极星位于北极的正上方，以是它呈现在北极的察看者的头顶上，而对于赤道上的某察看者，北极星刚好呈现在地平线上。）按照北极星在埃及和在希腊表观位置的不同，亚里士多德乃至估计出地球大圆长度为400000斯特迪亚。现在不能精确地晓得，1斯特迪亚的长度究竟是多少，但或许是200码（1码=0.9144米）摆布，如许就使得亚里士多德的估计约莫为现在接管数值的两倍。希腊人乃至为地球是球形供应了第三个论证，不然何故从地平线驶来的船老是先暴露船帆，然后才暴露船身？

但是，1514年波兰教士尼古拉・哥白尼提出了一个更简朴的模型。（开初，或许哥白尼惊骇被教会怒斥为异端，以是将他的模型匿名地传播。）他的看法是，太阳静止职位于中间，而地球和行星们环绕着太阳作圆周活动。将近一个世纪今后，人们才当真接管他的看法。厥后，两位天文学家――德国人约翰斯・开普勒和意大利人伽利略・伽利雷开端公开支撑哥白尼实际，固然它所预言的轨道还不能完整与观察相合适。直到1609年，亚里士多德和托勒密的实际才宣布灭亡。那一年，伽利略用刚发明的望远镜来观察夜空。当他观察木星时，发明有几个小卫星或玉轮环绕着它转动，这表白不像亚里士多德和托勒密假想的那样，并非统统东西都必须直接地环绕着地球转动（当然，仍然能够信赖地球是静止地处于宇宙的中间，而木星的卫星沿着一种极其庞大的轨道环绕地球活动，表观上看来它们是环绕着木星转动。但是，哥白尼实际却简朴很多了）。同时，约翰斯・开普勒修改了哥白尼实际，提出行星不是沿着圆周而是沿着椭圆（椭圆是拉长的圆）活动，从而终究使预言和察看相互分歧了。

一名闻名的科学家（传闻是伯特兰・罗素）曾经作过一次天文学报告。他描述了地球如何环绕着太阳公转，而太阳又是如何环绕着称之为我们星系的庞大的恒星个人的中间公转。演讲结束之际，坐在房间后排的一名小个老妇人起立说道：“你讲的是一派胡言。实际上，天下是驮在一只庞大乌龟背上的平板。”这位科学家暴露傲岸的浅笑，然后答道：“那么这只乌龟站在甚么上面的呢？”“你很聪明，年青人，的确很聪明”，老妇人说，“不过，这是一只驮着一只，一向驮下去的乌龟塔啊！”

其部分的启事能够是，人们偏向于信赖永久的真谛，也能够因为从以下的看法能够获得安抚，即固然他们会生老病死，但是宇宙必须是不朽的稳定的。

就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相称讨厌的假定，因为椭圆明显不如正圆那么完美。固然他几近偶尔地发明椭圆轨道能很好地和观察相合适，但却不能把它和他的磁力引发行星环绕太阳活动的思惟相互调和起来。只要到更晚很多的1687年，这统统才获得解释。

另一个反对无穷静止宇宙的异见凡是归功于德国哲学家亨利希・奥勃斯，他在1823年撰写了这个实际。究竟上，牛顿的一些同期间人已经提出过这个题目。乃至奥勃斯的文章也不是貌似有理地辩驳这个模型的第一篇。不管如何说，这是第一篇被遍及重视到的文章。其困难在于，在一个无穷静止的宇宙中，几近每一道视野必须闭幕于某一颗恒星的大要。如许，人们能够预感，全部天空乃至在夜晚都会像太阳那么敞亮。奥勃斯辩驳说，远处恒星的光芒会被它穿超出的物质接收而减弱。但是如果真是如此，这介于其间的物质终究会被加热到收回和恒星一样强的光为止。能够制止全部天空像太阳那么敞亮的结论的唯一体例是，假定恒星并非永久那么敞亮，而是在有限久的畴昔才开端发光。在这类环境下，吸光物质还没加热，或者远处恒星的光芒尚未达到我们这里。这就使我们面对着甚么是初次引发恒星发光的题目。