宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第3章

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　　　　克罗狄乌斯·托勒密（约　90～168）在公元　130年左右首先发现了这个挑战性问题的一个解决方法。这个方法是古代最接近“万有理论”的东西，并且延续了一千多年的时间。托勒密面临的挑战在于，他需要把行星的复杂运动，包括所有的逆行运动，同亚里士多德认为的地球是宇宙的中心的严格观念结合起来。其他所有天体都要在圆形轨道上以不同的角速度绕地球转动，而且宇宙中的任何天体都不能改变亮度或是其他的内在属性（图1。7）。这件事确实很有挑战性。
　　　　图1。7　亚里士多德和托勒密的宇宙模型
　　　　托勒密在他的著作《至大论》中是这样回答这个难题的：从行星或太阳绕地球的圆形轨道（或叫做“均轮”）可以反推出一个点的运动，而这个点又是该行星的另一个小型圆周运动（又叫做“本轮”）的圆心，行星就沿着本轮运动。＇19＇行星的总体运动看起来就像一个由绵延不断的螺旋线套着的圆（图1。8）。
　　　　图　1。8　本轮。一个行星沿着一个小圆运动，也就是本轮，而本轮的圆心C，再沿着一个大圆运动
　　　　从地球上看，像火星那样的行星的总体运动是绕着某个动点的圆，而那个动点本身又处在一个围绕太阳的圆形轨道上。随后托勒密精益求精，又在行星绕太阳的轨道上增加了更多本轮（做圆周运动的圆）。为了进一步追求更高的精确度，中世纪的哲学家们继承了托勒密的方法，增加了越来越多的本轮。＇20＇
　　　　以非常高的精确度把行星和太阳的所有运动特点与观测对应起来，又可能会改变许多别的东西。增加本轮可以很好地描述地球上看到的逆行运动。在行星绕小本轮的轨道上，有一半时间行星的运动方向与它在均轮的运动方向相同；而另一半时间则是相反的，我们就看到了逆行。从地球上看，那个行星就会突然减速，在天空中停住，然后反向，再次减速，再次停住，再次反向。这是真正的逆行，而不是由行星以不同速率绕太阳转动而产生的假象。
　　　　关于行星和太阳绕地球的复杂运动，古代人所给出的回答表明了仅从观测入手，或从一般的哲学原理出发，要想正确地描述宇宙是多么艰难。如果当初亚里士多德有进一步追问，那他就不得不努力解决另一些尴尬的问题。为什么地球并不是完美的球形？既然地球的中心地位被看得这么重要，那为什么其他圆周运动可以在本轮上进行，而本轮的圆心并非地球？为什么人们能接受每个行星均轮的圆心都偏离了地球的想法？偏离得可能并不多，但要么地球是宇宙的中心，要么就不是啊。
　　　　哥白尼革命
　　　　如果全能的主在创造万物之前咨询我的意见，我肯定会建议让某些事物变得简单些。
　　　　——阿方索十世（1221～1284，卡斯蒂利亚王国国王）＇21＇
　　　　托勒密的地球处于宇宙中心的模型，是人类所创造的一种复杂构想。它并不正确，可是有太多办法能够对它进行微调以符合对于行星别扭运动的最新观测结果，因此它一直延续了下来，并没有受到太大的挑战。这种情况一直持续到15世纪。托勒密理论灵活多变的特点导致“本轮”一词成了专门用来描述不靠谱的或过于复杂的科学理论的贬义词。如果你构建一个理论的时候不断往里面添加细节，试图解释所有可能发生的新现象，那你的理论就不会有什么说服力。就像你提出了一个汽车理论并预言说，所有的汽车都是红色的。星期一早晨你出门后发现了一辆黑色　汽车，于是你就修改了理论，然后预言说除了星期一那天有一些黑色汽车外，其他所有的车都是红色的。许多黑色和红色的车在面前开过，一切看起来都不错。但在下午又开过来一辆绿色的车。好吧，除了午后有绿色的汽车之外，所有星期一的汽车都是红色或黑色的。你能看出来接下去会如何。这就是一种有一系列“本轮”修正的汽车理论。每一个新现象都能被微小的修正所解释，这样就可以保住你最开始提出的大前提。但到了一定时候，你就该意识到必须要推倒重来了。
　　　　这个例子当然有些夸张，托勒密的理论则要老练得多。每加入一个新的本轮，就相当于引入一个新的小修正，用以解释人们观测到的行星运动的精确细节。这个理论是第一个将收敛近似过程应用于实际的例子。每次对模型的修正都比上一次的微小，并且比从前的理论更符合天文观测的结果。＇22＇对大多数情况来说，这种方法相当好用。但是整个太阳系的图景全错了，太阳系的中心也弄错了。而对此加以辩驳的是一个非常有说服力的理由。
　　　　尼古拉斯·哥白尼（1473～1543）一般被看成是一位革命者——那个将人类从宇宙中心位置废黜的科学家。但其实真相更为复杂，也更缺少戏剧性。如果他还算个革命者的话，那也只能算是个不情愿的革命者。＇23＇1543年，哥白尼去世后不久，他的著作《天体运行论》就寄给了出版商。这本书没有掀起什么波澜，印数不太多，读的人就更少。然而，哥白尼的远见卓识还是及时地将人类的宇宙观引向了一个转折点。最终，它取代了托勒密的行星理论，把地球中心说换成了现在众所周知的太阳中心说。＇24＇
　　　　16世纪早期的印刷技术有所提高，这就意味着在哥白尼的书中可以把图表嵌入到相关文字中去。其中最著名的一幅图（图1。9）描绘的是一个太阳处于中心的简单模型。最外面的一圈表示我们太阳系之外，也就是“恒星的静止球面”的边界。其他六个圈表示当时已知的六颗行星的运动轨迹。从外向内看，分别表示的是土星、木星、火星、地球（旁边的新月表示月球）、金星和水星。所有行星都在圆形的轨道上绕太阳（Sol）转动。月球被认为在圆形的轨道上绕着地球转动。
　　　　哥白尼和托勒密的体系并不是16、17世纪时仅有的关于太阳和行星的图景。图　1。10，摘自乔万尼·里奇奥利（Giovanni　Riccioli，1598～1671）于1651年所著的《新至大论》＇25＇，很好地总结了摆在后哥白尼时代的天文学家面前的各种世界图景。这里有六个不同的太阳系模型（标为Ⅰ~Ⅵ）。
　　　　图　1。9　哥白尼的太阳中心模型，发表于　1543年。太阳周围的同心圆用罗马数字进行了标记。最外面的恒星层（Ⅰ）是固定的，里面是转动的行星层（Ⅱ~Ⅶ），依次是土星、木星、火星、地球（月球被表示成了新月的形状）、金星和水星的轨道
　　　　模型Ⅰ是托勒密体系，地球处于中心，太阳的轨道在水星和金星轨道之外。
　　　　图1。10　乔万尼·里奇奥利在1651年出版的《新至大论》中展示的六种主要的世界体系
　　　　模型Ⅱ是柏拉图体系，地球在中心，太阳和其他所有行星都在环绕地球的轨道上，但太阳的轨道在水星和金星轨道的里面。
　　　　模型Ⅲ称为埃及体系，其中水星和金星绕着太阳转，并随着外面的行星一起绕着地球转。
　　　　模型Ⅳ是伟大的丹麦天文学家第谷·布拉赫（1546～1601）提出的第谷体系，其中地球被固定在中心，月球和太阳绕着地球转动，但其他所有行星都绕着太阳转。因此水星和金星的轨道有一部分在地球和太阳之间，而火星、木星和土星的轨道则整个把地球和太阳包含在内。
　　　　模型Ⅴ叫做半第谷体系，由乔万尼·里奇奥利本人发明。在这个模型中，火星、金星和水星绕着太阳，并随着木星和土星绕地球转。里奇奥利之所以想要把木星和土星同水星、金星和火星区别开，是因为当时已经知道它们像地球一样有卫星（火星的两个卫星当时还未被发现），所以它们的轨道必须以地球为中心，而不是太阳。
　　　　模型Ⅵ就是哥白尼体系，我们已经在图1。9中展示过。
　　　　众多的古代宇宙观教给了我们一些简单的道理。仅靠观察宇宙就想理解它并不容易。我们被局限在一个特殊行星的表面上，同其他行星一起环绕着一颗中年恒星。因此，我们在地球表面所处的地点和时间以及可能抱有的对于我们应在大千世界中处于什么地位的观念，都强有力地决定了我们从夜空中能看到什么。我们的宇宙观预先确定了我们的宇宙模型。
　　　　随着我们对于宇宙的视界日益宽阔，这些问题也变得更为重要了。为了有所进步，我们需要描述和预言我们所能看到的宇宙中的天体运动。最终我们想了解整个宇宙究竟是什么样子的。在这个方向上，18世纪的天文学家果断地迈出了第一步。让我们跟上他们的步伐。
　　　　注释
　　　　＇1＇　C。　Cotterill；The　Coroner’s　Lunch；　Quercus；　London；　（2007）；　p。　123。
　　　　＇2＇　Presidential　Address；　Royal　Astronomical　Society；　February　1963；　see　W。　H。　McCrea；Quart。　J。　Roy。　Astron。　Soc。　4；　185　（1963）。
　　　　＇3＇　G。　Gamow；My　World　Line；　Viking；　New　York　（1970）；　p。　150。
　　　　＇4＇　关于　universe一词的词源，可以追溯到　12世纪古法语中的　univers，而这个词又来自从前拉丁语中的universum。而这个词的源头又是unus，意思是“一”，以及vesus，动词vertere的过去分词，意思是“转变，围绕，合为或改变”。所以，我们得到的字面意思是，一切都“变成一”，或者“合为一体”。在卢克莱修（Lucretius，约公元前　99年～约公元前　55年）创作于约公元前　50年的拉丁文诗歌《物性论》（De　rerum　natura）的第4章第262行中，人们首次发现了universum的诗歌缩写体unvorsum的用法。另一种关于词源的解释则主要与“一切都围绕一”的想法有关，这个想法反映了古希腊宇宙学的思想，即天空最外层水晶球面转动，因而把变化和运动传递给了内层的行星球面，地球则静止地待在这些球面的共同中心。
　　　　＇5＇　这其中包括著名的爱尔兰哲学家约翰·斯考特·爱留根纳（Johannes　Scotus　Eriugena，815～877）。他将大自然（事物最全面的集合）划分为存在的和不存在的两组。这两组又可以进一步分为四类：（1）可以进行创造，但不能被创造的；（2）可以进行创造，也可以被创造的；（3）可以被创造，但不能进行创造的；（4）既不能被创造，也不能进行创造的。爱留根纳把上帝归为第一类和第四类，所谓一切事物的开端和终结。柏拉图式的理念世界属于第二类，而第三类则是上帝主宰的物质世界。在13世纪后期，中世纪的教会区分了三种“万千世界”或万千宇宙，一种是在时间上前后相继的万千世界，一种是在时间上同时存在的万千世界，还有一种是在空间上并存且被虚空隔开的万千世界。
　　　　＇6＇　Genesis　28：　12–13。
　　　　＇7＇　世界的起源是什么？是否会终结？如果会，又将以怎样的方式终结？人类对这类问题的探索有着悠久的历史。这种探索通常最早是以神话故事的形式出现，也就是把宇宙看作一种“东西”。就像地球上环绕在我们周围的那些东西一样，宇宙也是由别的东西做成的。受到各自不同生活方式的影响，人们提出了不同的宇宙模型。有的模型认为，宇宙是一种活的东西，是由众神孵化出的。有的模型认为，宇宙是一个人潜入海底时捉到的。有的模型认为宇宙起源于自泰坦之间的一