宇宙

宇宙 太阳、月亮、星星、银河……壮丽而遥远、神秘但可知的宇宙，总会让我们浮想联翩， 引起我们深深的思索。 别急，跟着我来吧！ 宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的我们是不会满足于自身的 生存和种族的绵延，还一代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是，人类理念的进化 是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德——托勒密的地心说到哥白尼——伽利略的日心说 的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一切都在运动，只是 到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后，宇宙演化的观念才进入人类的意识。人们 甚至从来没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明，宇宙的物质在引力作用 下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中，情况也好不到哪儿去，为 了得到一个稳定的宇宙模型，他曾将宇宙常数引进理论中。他们都希望在自己的理论中 找到稳定的宇宙模型。可见，宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中。

一位著名的科学家（据说是贝特郎·罗素）曾经作过一次关于天文学方面的讲演。 他描述了地球如何绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星 群的中心转动。演讲结束之时，一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：“你说的 这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。”这位科学家很 有教养地微笑着答道：“那么这只乌龟是站在什么上面的呢？”“你很聪明，年轻人， 的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊！”

大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们 自以为知道得更多一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？宇宙 从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时 间的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新 技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。也许 有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔 那般荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。

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，就已经能够对于 地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出了两个很好的论据。第一，他认为月食是由 于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球 本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘，除非月食总是发生在太阳正 好位于这个圆盘中心之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二，希腊 人从旅行中知道，在越往南的地区看星空，北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星 位于北极的正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者， 北极星显得刚好在地平线上。）根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别，亚 里士多德甚至估计地球大圆长度为 400斯特迪亚。现在不能准确地知道，一个斯特迪 亚的长度究竟是多少，但也许是200码左右，这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受 数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶来的 船总是先露出船帆，然后才是船身？

亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它 转动。他相信这些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圆周运动最为 完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正 中心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、太阳、恒星和五个当时已 知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。这些行星被认为是沿着附在相应 天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的 天球被镶上固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总体绕着天空旋转。最后 一层天球之外为何物一直不清楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇宙的 部分。

托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。但为了正确地预言这 些位置，托勒密必须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这意味着月亮有时 看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍 地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。这是因为它 具有巨大的优点，即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方。

然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。（起初， 可能由于害怕教会对异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。）他的观念是， 太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后， 他的观念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利的 伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相 符合。直到1609年，亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发 明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时，发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表 明不象亚里士多德和托勒密所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球转。 （当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心，而木星的卫星沿着一种极其复杂 的轨道绕地球运动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。） 同时，开普勒修正了哥白尼理论，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆（椭圆是被拉长的圆） 运动，从而使预言最终和观察相互一致了。

就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相当讨厌的假设，因为椭圆明显 地不如圆那么完美。虽然他几乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相符合，但却不 能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思想相互调和起来。对这一切提供 解释是晚得多的事，那是由于1687年伊萨克·牛顿爵士出版了他的《数学的自然哲学原 理》，这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛顿不但提 出物体如何在空间和时间中运动的理论，并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。 此外，牛顿提出了万有引力定律，根据这定律，宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引， 物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上 的力。（由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。 所有牛顿自己说过的只是，当他陷入沉思之时，一颗苹果的落下使他得到了万有引力的 思想。）牛顿继而指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地 球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。

这不会对行星运动的预言有重大的影响，然而却允许无限颗恒星的分布保持平衡— —邻近恒星之间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而，现在我们知道，这样的 平衡是不稳定的：如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些，引力就增强，并超过斥力 的作用，这样这些恒星就会继续落到一起。反之，如果某一区域内的恒星稍微互相远离 一些，斥力就起主导作用，并驱使它们离得更开。

哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧 密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻 之前有过些事件，它们将不可能影响现在所发生的一切。所以我们可以不理它们，因为 它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上人们可以 说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不 同。在一个不变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予；宇宙的开端并 没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面，如果宇 宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像，上帝是在 大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像发生过大爆炸似的 方式创造，但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物 主，只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已！

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵 循的方法是将这问题分成两部分。首先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律； （如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则这些定律即能告诉我们以后的任一时 刻宇宙是什么样子的。）第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第 一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝 可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全 任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演 化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。

今天我们仍然渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？

人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供正当的理由。而我们的目 标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作完整的描述。