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第1講關于宇宙的構想

遠在公元前340年，亞里士多德(Aristotle)在他的著作《天論》(OntheHeavens)中就已然提出兩個有力的論據，以支持地球是圓球而不是平板的信念。及時，他認為月食是因地球運行到太陽與月亮之間而引起的。地球在月亮上的陰影總是圓的，這只有當地球呈球形時才有可能。如果地球是一個扁平的圓盤，它的影子就會被拉長而成橢圓形，這樣月食總是當太陽在這圓盤中心的正上方時發生。

第二，古希臘人已從旅行中得知，在南方看見的北極星在天空的位置，要比在北方看見的低些。亞里士多德甚至根據北極星在埃及和希臘的視位之差，得出地球周長的估計值為40萬斯特迪亞。斯特迪亞是古希臘的長度單位，它所相當的確切長度現在已經無從得知，只知道它大約合200碼。如果是這樣的話，亞里士多德的這個估計值就大約是現在公認數值的兩倍。

古希臘人還有第三個論據支持地球必定是球形的，那就是為什么人們首先看到出現在地平線上的船的帆，然后才看到船身。亞里士多德認為，地球是靜止的，而太陽、月亮、行星和恒星都在環繞地球的圓形軌道上運行。他堅信這一點，因為出于神秘的原因，他覺得地球是宇宙的中心，而圓周運動是最為的。

他的構想在公元1世紀被托勒密(Ptolemy)加工成為一個完整的宇宙模型。地球位于中心，環繞著它的是八個天球，它們承載著月亮、太陽、恒星和當時所知的五顆行星：水星、金星、火星、木星和土星。這些行星各自沿其所在天球上較小的圓形軌道運行，這樣才能解釋觀測到的它們在天空中相當復雜的軌跡。最外面的天球上是所謂的不動的恒星，它們總是互相保持不變的相對位置，但它們一起在天空旋轉。在最外面的天球之外有什么，則始終沒能說清楚，但那肯定不是人類可觀測的宇宙的一部分。

托勒密的模型，為預測天體在天空中的位置，提供了一個相當的系統。但是，為了預測它們的位置，托勒密不得不作出一個假設：月亮運行的軌道在某些時候與地球的距離，是其他時候的兩倍。而這意味著，月亮有時候看起來要比通常看到的大兩倍。托勒密明白這是一個缺陷，不過他的模型雖然不是無人非議，卻畢竟為大多數人所接受。它也被天主教會采納為與《圣經》相符的、對宇宙的描述。它較大的優點是，它把恒星天球之外的空間留給了天堂和地獄。

然而，1514年，波蘭僧侶尼古拉 哥白尼(NicholasCopernicus)提出了一個簡單得多的模型。起初，為了避免被指陸為異端邪說，哥白尼匿名發表了他的模型。他的構想是這樣的：太陽靜止地居于中心，地球和其他行星在環繞太陽的圓形軌道上運行。對哥白尼來說可悲的是，幾乎一個世紀之后，他的構想才得到認真的對待。這時有兩位天文學家--德國的約翰尼斯 開普勒(JohannesKepler)和意大利伽利列奧 伽利略(GalileoGalilei)--開始公開支持哥白尼理論，雖然它預測的軌道與觀測到的汗相符。1609年，亞里士多德-托勒密理論的末日降臨了。這一年伽利略開始用剛剛發明的望遠鏡觀測夜空。

當伽利略觀測木星時，他發現它被若干個小衛星，或者說是它的月亮包圍著，它們環繞著它運轉。這意味著，并非如亞里亡多德和托勒密所設想的那樣，所有天體都必須直接環繞地球運行。當然，盡管看到的是木星的衛星繞著木星轉，但他認為地球靜止地居于宇宙中心，而這些衛星沿著極其復雜的軌道繞地球運行，仍然是可能的。不過，哥白尼的理論要簡單得多。

與此同時，開普勒修正了哥白尼的理論，他指出行星不是沿圓周軌道運行，而是沿橢圓軌道運行。這樣，預測終于與觀測吻合了。就開普勒而言，橢圓軌道只是一個特定的假設--而且由于橢圓顯然不如圓，因此這是一個相當討厭的假設。雖然橢圓軌道與觀測非常一致，但他無法將這個近乎偶然的發現與他的行星被磁力驅使環繞太陽運行的思想統一起來。

很久以后，直到1687年，牛頓(Newton)出版了他的《自然哲學的數學原理》(PrincipiaMathematicaNaturalisCausae)，才給出了一種解釋。這本書可能是迄今為止出版的最重要的一部自然科學著作。在書中，牛頓不僅提出了物體如何在空間和時間中運動的理論，而且推演出分析這些運動所需的數學。此外，牛頓還作為公設，提出了萬有引力定律。該定律指出，宇宙中每個物體都受到其他各個物體的吸引，物體的質量越大，互相越接近，則其引力越強。這種引力與使得物體墜落到地上的力是同一種力。牛頓曾被蘋果擊中腦袋的故事多半是子虛烏有。牛頓自己一直只是說，引力的概念，是他處于沉思狀態時，由于一個蘋果落下而產生的。

根據萬有引力定律，牛頓進一步證明，引力使得月亮沿著橢圓軌道環繞地球運行，而且使得地球和各行星沿著橢圓軌道環繞太陽運行。哥白尼模型擺脫了托勒密的天球，與此同時也拋棄了宇宙有固有邊界的思想。當地球繞著太陽轉吋，那些不動的恒星的相對位置看起來沒有改變。因此，很自然地會得出這樣的假設：這些恒星是與我們的太陽類似、但遙遠得多的星體。但是這就產生了一個難題。牛頓明白按照他的引力理論，恒星必定會相互吸引，因此它們不可能基本保持不動。那么它們會不會在某一時刻都墜落到一起來呢？

牛頓在他1691年給當時的另一位思想領袖理查德 本特利(RichardBentley)的信中指出，如果只有有限多顆恒星的話，這種情況確實會發生。但是他推斷，另一方面，如果有無限多顆恒星大體均勻地分布在無限的空間，則這種情況就不會發生，因為不存在讓它們墜落到一起的任何中心點。這個論據是人們在討論無可能遇到的陷阱的一個例子。

在一個無限的宇宙中，每個點都可以當作中心，因為每個點的每一側都有無限多顆恒星。直到許多年之后才明白，正確的思路是考慮有限的情況，這時恒星都往里相向墜落。接著再問：如果在這個區域之外大體均勻地添加更多的恒星，情況會如何變化？根據牛頓定律，增加的恒星對于原來的恒星根本不會產生什么影響，因此這些恒星還是那樣快地往里墜落。我們可以隨心所欲地添加更多的恒星，但它們仍將一如既往地往里相向墜落?，F在我們終于知道，不可能存在這樣一個無限的靜態宇宙模型，在其中引力始終是吸引的。