宇宙膨脹背后的故事 （一～二）
·程鶚·
（一）：愛因斯坦無中生有的宇宙常數(shù)
1907年底鸠窗，德國的《放射性和電子學(xué)年鑒》（Yearbook of
Radioactivity and Electronics）編輯邀請瑞士專利局的一位“二級技術(shù)專
家”（Technical Expert Second Class）撰寫一篇關(guān)于相對論的年度綜述鲁豪。
當(dāng)時28歲的愛因斯坦（Albert Einstein）剛剛從“三級技術(shù)專家”提升到
“二級”，個人生活隨著工資的相應(yīng)上漲而略有改善虎锚。但他對寫這篇綜述文章顯
然比在專利局中的本職工作更為上心覆糟。
狹義相對論這時已經(jīng)發(fā)表兩年多了猛遍，也已經(jīng)逐漸被物理學(xué)界接受。但愛因斯
坦對他自己這個理論的“狹義”始終耿耿于懷驰后。之所以有著這么個定語肆资，是因為
她有著兩個明顯的缺陷。一是不能與牛頓（Isaac Newton）的萬有引力和諧：
后者的瞬時“超距作用”特性在違反著相對論中作用力傳播速度不能超過光速的
限制灶芝；二是這個理論只適用于勻速運動的“慣性參照系”郑原，無法應(yīng)用于有加速度
的系統(tǒng)。
就在愛因斯坦坐在專利局里糾結(jié)如何綜述這兩個不足之處時夜涕，他腦子里突然
冒出個思想火花：如果一個人在空中自由落下犯犁，他是感覺不到重力的——他處于
“失重”狀態(tài)。還不僅僅是這個人自己的感覺：如果他在下落過程中放開手里的
蘋果女器，他也不會看到蘋果像牛頓所說的會落下地面酸役，而是會“靜止”地停留在他
手邊。（當(dāng)然，在旁觀者看來涣澡，蘋果正在和這個人一起落下地面贱呐。）
愛因斯坦后來說那是他一輩子所產(chǎn)生的“最快樂的想法”（happiest
thought），并由此推論出他著名的“電梯假想試驗”：一個處于封閉電梯中的
人沒有辦法知道他的“失重”是因為電梯在墜毀入桂，還是電梯其實是浮游于不存在
重力的宇宙空間奄薇。反過來，如果這個人感受到重力抗愁，他也不可能知道那是因為電
梯停在地球表面馁蒂，還是在沒有重力的太空中正加速上升。
于是驹愚，重力與加速度并沒有區(qū)別远搪，只是著眼點不同劣纲。因此逢捺，狹義相對論的兩
個缺陷其實是同一個，可以同時解決癞季。在狹義相對論中劫瞳，時間、距離等概念不再
絕對绷柒，而是“相對”于所在的參照系志于。在推廣的相對論中，重力——或萬有引力
——也不再絕對废睦，只是相對于所在的參照系是否加速而存在伺绽。
這樣，他為年鑒撰寫的狹義相對論綜述的后面加上一節(jié)嗜湃，成為走向廣義相對
論的第一座路標(biāo)奈应。
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轉(zhuǎn)眼又是好多年過去了。愛因斯坦早已告別專利局购披，成為正式的杖挣、也越來越
著名的物理學(xué)家。他對如何推廣相對論也有了逐漸清晰的想法：蘋果落地刚陡、月亮
繞地球轉(zhuǎn)等等重力現(xiàn)象其實是因為地球的質(zhì)量讓其附近的空間彎曲了惩妇，蘋果和月
亮只是在彎曲的空間中做慣性運動。而且筐乳，不只是蘋果歌殃、月亮這類“物體”，即
使是沒有質(zhì)量的光蝙云，也會在大質(zhì)量附近隨著空間而彎曲氓皱。
但直到1915年，他在尋求一個完整的理論的征途上還一直是在屢敗屢戰(zhàn)贮懈，不
得要領(lǐng)匀泊。那年夏天优训，愛因斯坦去哥廷根大學(xué)訪問講學(xué)，與那里的數(shù)學(xué)大師希爾伯
特（David Hilbert）切磋各聘。兩人都有直覺揣非，廣義相對論的數(shù)學(xué)形式已經(jīng)幾乎觸
手可及，正等待著那最后的突破躲因。
回到柏林后早敬，愛因斯坦進入近乎癲狂狀態(tài)。第一次世界大戰(zhàn)已經(jīng)打響大脉，德國
實行戰(zhàn)時管制搞监，限量供應(yīng)生活必需品。偏偏此時镰矿，他妻子帶了兩個兒子離家出走琐驴，
讓他一個人在公寓中自生自滅，吃不上一頓可口飯菜秤标。他們?yōu)榱私疱X和孩子不停
地在通信中打著筆戰(zhàn)绝淡。但更讓他憂心的是與希爾伯特的持續(xù)信件來往，從對方的
書信中越來越明顯地可以看出來希爾伯特有可能搶先發(fā)現(xiàn)苍姜、發(fā)表廣義相對論場方
程牢酵。
為了不失去優(yōu)先權(quán)，愛因斯坦提前安排11月在普魯士科學(xué)院舉行每周一次的
學(xué)術(shù)講座衙猪，“第一時間”發(fā)布他的最新進展馍乙。11月4日第一講開始時，他內(nèi)心里
對這個系列的走向其實還十分迷茫垫释。
在講座之外丝格，愛因斯坦整天除了給夫人、希爾伯特及其它同事朋友寫信便是
在埋頭演算饶号，一次又一次發(fā)現(xiàn)铁追、修正自己推導(dǎo)中的錯誤。終于在11月中茫船，他嘗試
用正在建構(gòu)中的新公式推導(dǎo)水星公轉(zhuǎn)軌道近日點進動問題時琅束，一舉得到了與牛頓
力學(xué)不同、而與實際觀測幾乎理想符合的數(shù)值算谈。
這是他的新理論的第一個成功涩禀，解決了一個困擾天文學(xué)家、物理學(xué)家?guī)资?/p>
的老問題然眼。已經(jīng)不那么年輕的愛因斯坦突然興奮莫名艾船，心慌意亂，竟連續(xù)三天沒
能平靜。
11月25日屿岂，愛因斯坦在普魯士科學(xué)院做了他的講座系列的最后一講践宴。留在黑
板上的是一個簡潔得難以置信的方程，一個統(tǒng)一了慣性參考系和加速運動的廣義
相對論場方程爷怀。
希爾伯特在哥廷根也同時舉行著他自己的系列講座阻肩，并在20日發(fā)布了他發(fā)
現(xiàn)的場方程，比愛因斯坦早了五天运授。但他沒有試圖爭取發(fā)明權(quán)烤惊。他說，哥廷根的
每個人都比愛因斯坦更懂得（廣義相對論中所用的）四維時空的數(shù)學(xué)吁朦，但只有愛
因斯坦才明白它背后的物理柒室。
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愛因斯坦寫出的廣義相對論場方程是一個看起來直截了當(dāng)?shù)牡仁剑鹤筮吺敲?/p>
述四維時空“形狀”的張量，右邊則是時空中能量（和質(zhì)量）逗宜、動量的分布雄右。中
間那個等號將這兩個過去毫無關(guān)聯(lián)的元素聯(lián)系了起來。方程中沒有“力”锦溪，卻能
描述水星繞太陽的公轉(zhuǎn)：因為太陽的質(zhì)量造成它附近空間的彎曲不脯，而在這彎曲空
間中的水星便自然地繞太陽轉(zhuǎn)起了圈——并且比在牛頓力學(xué)中轉(zhuǎn)得更為精確府怯。
后來刻诊，美國的物理學(xué)家惠勒（John Wheeler）言簡意賅地總結(jié)出廣義相對
論場方程的真諦：“時空告訴物體如何運動，物體告訴時空如何彎曲牺丙≡蜓模”
（“Spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to
curve〕宀荆”）二者相輔相成粟判，渾然一體。
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廣義相對論發(fā)表之后峦剔，不僅在水星公轉(zhuǎn)軌道進動的計算上令人信服档礁，更因為
光線因為太陽而彎曲的預(yù)測在1919年日全食時由英國天文學(xué)家愛丁頓（Arthur
Eddington）的觀測證實而轟動世界，一舉奠定愛因斯坦在科學(xué)史上的地位吝沫。
愛因斯坦一發(fā)而不可收拾呻澜，進入了十年前他石破天驚地連續(xù)發(fā)表光電效應(yīng)、
布朗運動惨险、狹義相對論羹幸、質(zhì)量能量之等價那一系列劃時代論文的“奇跡年”
（Annus Mirabilis）之后的又一次創(chuàng)造性高峰。他的眼光更是超越太陽系辫愉，投
向更廣闊的宇宙：既然“物體告訴時空如何彎曲”栅受，那么只要知道宇宙中的星球
質(zhì)量分布，就可以直接推導(dǎo)出整個宇宙的形狀。
在20世紀(jì)初屏镊，人類對宇宙的格局只有非常樸素的直覺認識依疼。我們所處的太
陽系有一個恒星：太陽。圍繞著太陽在不同距離的軌道上運行的有包括水星而芥、地
球的八個行星（有爭議的“第九大行星”冥王星當(dāng)時尚未被發(fā)現(xiàn)）涛贯，多數(shù)行星還
各自帶有數(shù)目不同的衛(wèi)星。
在太陽系之外蔚出，我們可以看到滿天的繁星弟翘。它們雖然看起來鋪天蓋地，但并
不很勻稱：大部分星星似乎集中在相對很窄的一條帶子上骄酗，就像天空中的一道河
流稀余。這在中國叫做“銀河”，在西方則稱為“奶路”（Milky Way）趋翻。在這條河
外面的星星分布明顯稀疏睛琳，有些部位甚至漆黑一片，似乎沒有星星踏烙。
而這么多的星星师骗，天文學(xué)家對它們的距離、質(zhì)量只有猜測讨惩，實際上一無所知辟癌。
但愛因斯坦不拘泥這些細節(jié)。
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一個流傳甚廣的笑話說一位牧場主因為牛奶產(chǎn)量問題求教于各方專家荐捻。經(jīng)過
一番仔細的調(diào)查黍少、研究之后，一位理論物理學(xué)家找出了應(yīng)對方案处面。他自信滿滿地
對牧場主說厂置，“首先，我們必須假設(shè)奶牛是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓球……”
在遇到未知或無法全面掌握的復(fù)雜問題時魂角，將其高度簡化昵济、抽象到看起來沒
有實際意義的簡單模型是理論物理學(xué)家的拿手好戲。這樣研究出來的結(jié)果也許無
法直接應(yīng)用野揪，卻可以幫助人們理解定性的特質(zhì)访忿。
愛因斯坦心目中——更確切地說，運算紙上——的宇宙便是這樣的一個“球
形奶糯烟簦”：假設(shè)宇宙中的質(zhì)量是完全理想化的均勻分布醉顽，沒有哪個地方多一點，
也沒有哪個地方少一點平挑。讓我們來看看新出爐的廣義相對論場方程會給出一個什
么形狀的宇宙游添。
這個假設(shè)雖然聽起來匪夷所思系草，其實也不那么離譜。太陽系看起來結(jié)構(gòu)復(fù)雜唆涝，
但它所有的質(zhì)量接近99.9％集中在太陽這一個點上找都。與太陽相比，其它的行星廊酣、
衛(wèi)星質(zhì)量完全可以忽略不計能耻，等于不存在。而在太陽系以外亡驰，愛因斯坦覺得宇宙
可能比我們?nèi)庋鬯斑€更大得多晓猛。在那個大尺度上，也許離我們近的恒星集中在
銀河也會顯得微不足道凡辱，遙遠的恒星質(zhì)量分布還是近乎均勻的戒职。
當(dāng)然，更重要的還是只有這樣極端簡化了的模型才有可能從廣義相對論那數(shù)
學(xué)上極其復(fù)雜的場方程中求出一個解來透乾。而即便如此洪燥，愛因斯坦也還花費了一年
的時間。因為他遇到了一個頗為奇葩的難題乳乌。
假設(shè)宇宙質(zhì)量均勻分布之后捧韵，整個宇宙的形狀便由一個變量決定：密度。愛
因斯坦發(fā)現(xiàn)他的宇宙不是無限大的汉操，而是有一個由密度決定的大小再来。但同時因為
廣義相對論方程中空間和時間是緊密相連的四維時空，這個宇宙大小不是恒定的客情，
而是隨時間演變其弊，或者越來越小（塌縮）膀斋，或者越來越大（膨脹）。無論他怎么
折騰痹雅，總也找不出一個不隨時間變化的仰担、靜止的宇宙。
他沒有太多地去思考這背后可能隱含的意義绩社，而是認定了這樣的解是荒唐摔蓝、
不符合物理現(xiàn)實的。他發(fā)明的廣義相對論顯然并不完整愉耙，遺漏了某個能讓宇宙穩(wěn)
定的物理性質(zhì)贮尉。
經(jīng)過反反復(fù)復(fù)地嘗試，愛因斯坦終于找到了缺陷：如果在場方程的左邊再另
加一項朴沿，他就可以得出一個靜止的宇宙解猜谚。
這個新加的項也是同樣的描述時空形狀的張量败砂，但附帶著一個新的常數(shù)作為
系數(shù)。愛因斯坦把它叫做“宇宙常數(shù)”（cosmological constant）魏铅。因為這個
新加的項只有在研究宇宙這樣的大尺度時才有效果昌犹。在太陽系這樣的“小”尺度
上，這個項因為宇宙常數(shù)的數(shù)值太小而可以忽略不計览芳。這樣斜姥，他以前計算所得的
水星軌道進動、光線因太陽質(zhì)量彎曲等結(jié)果不受影響沧竟。
1917年2月铸敏，他在普魯士科學(xué)院宣講了這個新成果，并以《基于廣義相對論
的宇宙學(xué)思考》（Cosmological Considerations in the General Theory of
Relativity）為題在院刊上發(fā)表了篇幅10頁的論文悟泵，正式發(fā)表了他的宇宙模型搞坝。
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愛因斯坦所遭遇的困難其實并不是廣義相對論帶來的新問題。早在牛頓發(fā)現(xiàn)
萬有引力時魁袜，他便面臨了同樣的質(zhì)問：既然所有質(zhì)量之間都互相吸引桩撮，那么它們
必然會逐漸趨近，最終全部“塌縮”到一個點上峰弹。因此宇宙不可能穩(wěn)定店量。牛頓沒
有什么好辦法。他一廂情愿地辯解道鞠呈，假如宇宙是無限大的融师，沒有哪個點是中心
，也就沒法塌縮到任何一個點上蚁吝『当或者，在無限大的宇宙中窘茁，每個質(zhì)量都同時受
到來自四面八方的吸引力怀伦，互相抵消因此沒有實際效用。
這兩個論點其實都不成立山林，因為它們描述的是不穩(wěn)定系統(tǒng)房待，無法實際存在。
很有一些物理學(xué)家一直試圖構(gòu)造不同模型試圖解決或者繞開這個問題驼抹，均不得要
領(lǐng)桑孩。事實上，愛因斯坦的論文開篇也是討論牛頓力學(xué)的這個老問題框冀，他指出如果
在牛頓的引力場方程中人為引入一個項流椒，至少可以在數(shù)學(xué)上避免這個困難，但在
物理上卻沒有這樣做的理由明也。
他之所以要提出這個可能宣虾，便是為了后面在廣義相對論場方程中引入幾乎雷
同的“宇宙常數(shù)”項做鋪墊惯裕。但即便如此，他也沒有能找出在相對論中強加這個
附加項的理由安岂。
愛因斯坦自己頗為沮喪轻猖。宇宙常數(shù)項的引入是完全人為的，破壞了場方程原
有的渾然天成之美感域那。他只能辯解說非如此無法描述我們所在的宇宙咙边，真真是不
得已而為之。好在這個項本身沒有破壞方程原有的對稱性次员，至少在數(shù)學(xué)上是可以
被允許的败许。
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愛因斯坦的宇宙模型發(fā)表后，引人注目的并不是這個只有物理學(xué)家才會納悶
的宇宙常數(shù)淑蔚，而是他所描述的宇宙之形狀：一個有一定大小的圓球市殷，其半徑由宇
宙中的質(zhì)量密度決定。但她又不是我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ那蛏采馈垡蛩固乖淮浊蓿m
然宇宙的大小有限，卻沒有邊界带迟。
宇宙中的質(zhì)量“告訴”了空間需要彎曲音羞。因為質(zhì)量均勻分布，宇宙中所有的
地方都有著相同的彎曲度仓犬。就像一條紙帶彎起來首尾相連構(gòu)成一個環(huán)嗅绰，這個宇宙
便彎成了一個標(biāo)準(zhǔn)的圓球——恰如理論物理學(xué)家心目中的奶牛。
他說搀继，如果我們能往天上某一個方向打一道有足夠能量的光束（那個時代還
沒有激光的概念）窘面，這束光在若干億年后會從相反方向回到地球，就像麥哲倫（
Ferdinand Magellan）的船隊完成了環(huán)球航行勝利地回到出發(fā)的港口一樣叽躯。
麥哲倫的船隊只能在地球表面的海面上航行财边，他們用3年時間繞地球一圈回
到了原地，說明地球表面是一個大小有限而又沒有邊界的世界险毁。這是三維的地球
在其表面這個二維世界的一個投射制圈。
愛因斯坦解釋說我們所生存的宇宙圓球其實是一個四維空間中的形狀在人類
所能感知的三維空間的一個投射。生活在三維空間中的人類無法看到四維宇宙真
正的形狀畔况，只能感知這么一個有限無邊的圓球形投射。
這個匪夷所思的圖像不僅讓一般人摸不著頭腦慧库。即使是物理學(xué)家跷跪、天文學(xué)家
也將信將疑，姑且把她稱之為“愛因斯坦的宇宙”（Einstein universe）齐板。
但在人類仰望星空幾千年吵瞻，對滿天繁星發(fā)出過無數(shù)的猜想葛菇、感慨之后，愛因
斯坦是第一個基于物理學(xué)原理為整個宇宙構(gòu)造模型的人橡羞。他的這篇論文因此標(biāo)志
了現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生眯停。
只是，宇宙究竟有多大卿泽、是否有限莺债、是否有邊界、是靜止還是演變签夭、甚至……
真的只有一個宇宙嗎齐邦？在愛因斯坦所處的時代，這些問題不僅沒有答案第租，甚至無
從把握措拇。愛因斯坦的“奶牛”宇宙和他那無中生有的“宇宙常數(shù)”只是一個起點慎宾，
為后續(xù)的幾代人審視宇宙指出了一個方向丐吓。
而要踏實地走上這條路，我們還需要真正地認識我們所在的這個宇宙趟据。
∪纭（二）：尋覓宇宙的中心
愛因斯坦的宇宙“有限無邊”，處處對稱：其中每一個空間點都與其它任何
點等價——這個宇宙沒有中心之宿。在他之前200來年族操，牛頓在辯解宇宙不會因為
他的萬有引力而塌陷時則說過宇宙可以是無限的，沒有任何中心能作為塌陷的終
點比被。他們的出發(fā)點完全不同色难，卻都自然而然地假設(shè)宇宙不存在一個中心。雖然他
們的說法都經(jīng)歷了嚴(yán)格的科學(xué)質(zhì)疑等缀，但至少兩人都沒有因此遭遇科學(xué)之外的詰難枷莉。
比牛頓再早不過幾十年、上百年的伽利略（Galileo Galilei）尺迂、哥白尼
（Nicolaus Copernicus）等人卻沒那么幸運笤妙。他們僅僅質(zhì)疑了地球是否是宇宙
的中心，便觸犯了當(dāng)時社會主流的條規(guī)噪裕。因為在那個年代蹲盘，宇宙的中心不僅是一
個事實判斷，還更是神學(xué)膳音、哲學(xué)之信仰召衔。
× × × × ×
雖然直到今天還有人頑固地認為地球不是一個球體而是非常寬廣的平地（即
“地平說”），人類其實很早就領(lǐng)悟祭陷、接受了地球不是平的這一事實苍凛。古希臘人
觀察到迎接回港船只時總是先看到來船的桅桿然后才能看到船身趣席、航海的船員知
道越往北走北極星在天空的位置會越高，等等醇蝴。
至遲在公元前350年宣肚，亞里士多德（Aristotle）在《論天》（On the
Heavens）中便指出月食是因為地球擋住了太陽投向月亮的光（而不是什么“天
狗吃月”）。所以悠栓，月食時月亮上那個黑影正是地球的投影霉涨，是圓的。在人造衛(wèi)
星闸迷、宇航員能夠直接觀看自己家園的兩千多年前嵌纲，人類其實已經(jīng)用月亮做鏡子看
到了地球的形狀。
亞里士多德之后不久腥沽，埃拉托色尼（Eratosthenes）更是利用夏至日正午太
陽投影在兩個不同維度的城市中的差別測量了地球的大小逮走。他發(fā)現(xiàn)地球的周長是
那兩個城市之間距離的50倍——現(xiàn)代測量的結(jié)果是47.9倍。
與地球是圓的類似今阳，也有不少證據(jù)表明地球是靜止不動的：在地球上生活著
的人安然若素师溅，從來沒有暈車、暈船那種處于運動環(huán)境的反應(yīng)盾舌；我們在地面上跳
起墓臭、或者往天上高高地拋出皮球，都會直上直下地落在原地：地面沒有在騰空時
移動妖谴；如果沒有風(fēng)吹窿锉，空中漂浮著的云彩紋絲不動，不會落在地球的后方……
因此膝舅，古希臘的先賢們認識到人類所處的是一個靜止不動的圓球嗡载，被滿天的
繁星籠罩著，星星們繞著地球步調(diào)一致地緩慢轉(zhuǎn)動（中國人稱之為“斗轉(zhuǎn)星
移”）仍稀。為了辨識這些星星的位置洼滚，他們把比較明亮的星星們就近組合成為“星
座”（constellation），并以它們的形狀加以想象賦予各種形象的名稱技潘。
在這個星空背景上遥巴，還有太陽、月亮以及幾個肉眼可見的星星沒有固定的位
置享幽，而是在一些特定的星座——所謂“黃道十二宮”（zodiac）——中游走铲掐。這
些“行走的星”（wandering stars）因此被稱作行星。在沒有什么測量儀器的
古代值桩，這些行星的位置只能用肉眼觀察迹炼，以其所在的背景星座粗略地描述。
因為地球是圓的并有著一定的大小颠毙，在地球表面不同地方胎挎、或者在同一地方
但不同時間看這些行星秩铆，它們背后的星座位置會略有差異。這是因為觀察者角度
不同，與行星位置的視線會延伸到星空背景的不同方位贴浙。這個現(xiàn)象叫做“視差”
（parallax）。通過簡單的幾何關(guān)系很容易想象到乡翅，被觀察的星星離我們越近站宗，
所看到的視差會越大。如果知道地球的大小霎奢，還可以通過視差角度計算星星離我
們的距離户誓。
從亞里士多德到公元2世紀(jì)的托勒密（Claudius Ptolemaeus），希臘先賢
根據(jù)這些觀察和經(jīng)驗積累幕侠，逐漸構(gòu)造出一個非常具體的宇宙模型：靜止不動的地
球處于宇宙的中心帝美。行星處于地球外面不同距離的圓形球殼上，由近及遠依次為
月亮晤硕、水星悼潭、金星、太陽舞箍、火星舰褪、木星、土星疏橄。在往外則是一個非常大的圓球占拍，
上面鑲嵌了所有那些不自己游走的星，即恒星捎迫。
這個恒星球殼便是宇宙的邊界晃酒。在它之外也不是虛空，而是人類不可能接觸
的另一個世界：上帝以及諸神之所在立砸。上帝推動著恒星所在的大圓球掖疮，令其每晝
夜繞地球轉(zhuǎn)動一周。大球還依次帶動其它圓球各自的轉(zhuǎn)動颗祝，那就是我們看到的行
星的“行走”浊闪。
亞里士多德、托勒密的宇宙模型簡單明了螺戳，通俗易懂搁宾。模型中為上帝預(yù)留的
空間和人類占據(jù)宇宙中心的位置也符合上帝造人的邏輯。因此得到廣泛的接受倔幼。
唯一的缺陷是盖腿，即使在沒有精確測量的年代，這個模型所描述的行星位置和
走向也經(jīng)常與實際觀測不符。托勒密不得不持續(xù)加上一系列諸如“均輪”
（deferent）翩腐、“本輪”（epicycle）再加上“偏心”（eccentric）鸟款、“載輪”
（equant）的數(shù)學(xué)手段來修正——或者說拼湊。于是茂卦，就像理想的“球形奶藕问玻”
突然到處長出好多犄角，原本簡潔的模型迅速異化成繁復(fù)混亂的大雜燴等龙。
× × × × ×
古歐洲的科學(xué)处渣、人文在托勒密時代登峰造極，其后卻隨著中世紀(jì)的到來被他
們的后代丟棄蛛砰、遺忘罐栈，直到一千多年后的文藝復(fù)興時期才從阿拉伯人保存的譯本
中重新發(fā)現(xiàn)這個寶藏。在那漫長的十幾世紀(jì)里泥畅，伊斯蘭科學(xué)家做出過一些改進荠诬，
但托勒密的宇宙模型依然保持著原樣。
當(dāng)16世紀(jì)的波蘭人哥白尼重新研究托勒密繁復(fù)的修正過程時涯捻，他很快發(fā)現(xiàn)
如果改動一下浅妆，把行星繞靜止的地球運動改為太陽不動，其它行星（包括地球）
繞太陽運動障癌，可以大大簡化所需要的計算凌外。他指出這樣還可以很簡單地解釋為什
么水星和金星永遠地離太陽非常近：它們處在離太陽最近的圓球上，從外面圓球
上的地球往里看涛浙，它們會總是在一起康辑。
哥白尼自己沒有觀測過行星的位置，也沒有新的數(shù)據(jù)轿亮。他只是用托勒密原有
的數(shù)據(jù)疮薇，從數(shù)學(xué)上說明以太陽為中心的計算手段有明顯的優(yōu)勢。當(dāng)然我注，他也明白
從把一個靜止按咒、處于宇宙中心的地球轉(zhuǎn)換為太陽中心，而上帝為人類特制的地球
只是眾多繞太陽轉(zhuǎn)的行星之一會是一個非同小可的思想轉(zhuǎn)變但骨。雖然有當(dāng)時教皇的
鼓勵励七，他對公開發(fā)表這個理論依然遲疑不決。他的著作直到死后才問世奔缠。
他不可能知道的是掠抬，這個簡單的數(shù)學(xué)變換不僅引發(fā)了“地心說”與“日心說
”曠日持久的爭執(zhí)，而且標(biāo)志了一場科學(xué)革命的到來校哎。
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托勒密的宇宙模型成功地預(yù)測到1560年8月的一次日食两波。才13歲的第谷
（Tycho Brahe）一方面對如此異常的天象和它的可被預(yù)測驚異無比瞳步，一方面也
因為預(yù)測的日期與實際差了一天耿耿于懷，于是迷上了天文腰奋。后來单起，他發(fā)明了可
以精確測量星星高度的六分儀（sextant）。
1572年氛堕，他在仙后星座（cassiopeia）發(fā)現(xiàn)了一顆以往沒見過的星（現(xiàn)在知
道那是一次“超新星”爆發(fā)）馏臭。他跟蹤了幾個月，沒有發(fā)現(xiàn)像月亮所有的視差讼稚。
因此他斷定這顆新出現(xiàn)、后來又消失了的星比月亮遠得多绕沈，應(yīng)該處于最外圍的恒
星球锐想。（在中國的明朝，宰相張居正因為這顆“客星”的出現(xiàn)教導(dǎo)了新登基的萬
歷皇帝應(yīng)該自省修身乍狐。）
然而赠摇，亞里士多德曾經(jīng)信誓旦旦地說月球所在的天球之外是永恒、不變的浅蚪，
不可能突然冒出以前沒有的星星來藕帜。年輕的第谷用實際的證據(jù)推翻了經(jīng)典。
丹麥國王因此賜給他一座小島和資金修建一個專業(yè)天文臺惜傲。第谷在那里發(fā)明洽故、
建造了一系列可以精準(zhǔn)測量星星位置的大型六分儀、象限儀（quadrant）等儀器盗誊，
開創(chuàng)了精確記錄行星數(shù)據(jù)的先河时甚。他還通過測量彗星的位置變化證明這些太陽系
的不速之客不但也是來自遠方、還由遠而近地“穿透”了諸行星所在的那一層層
球殼哈踱，證明亞里士多德所說的實體球并不存在荒适。
1601年，第谷在54歲時“英年早逝”开镣。他的死因一直是科學(xué)史上的一個謎刀诬，
以至于遲至2010年他的遺體還被挖掘出來以現(xiàn)代技術(shù)分析是否死于謀殺。
但對于他的同時代人來說邪财，更值得挖掘的是他遺留下來的海量天文數(shù)據(jù)陕壹。第
谷自己堅持地心說，也構(gòu)造過復(fù)雜的太陽系模型試圖解釋這些數(shù)據(jù)卧蜓。但他的數(shù)據(jù)
比他的理論更富有說服力帐要。因為它們具備前所未有的精確度，迫使人們不得不正
視無論是托勒密還是哥白尼的模型都無法與數(shù)據(jù)吻合的事實弥奸。他的繼任開普勒（
Johannes Kepler）為此不得不另辟蹊徑榨惠。
在各種各樣的嘗試失敗后，開普勒終于領(lǐng)悟到第谷的數(shù)據(jù)說明行星所走的路
徑是橢圓，而不是從亞里士多德赠橙、托勒密到哥白尼耽装、第谷等人一致堅持的圓形。
這些前人之所以對標(biāo)準(zhǔn)的圓形情有獨鐘期揪，除了來自數(shù)學(xué)掉奄、哲學(xué)乃至宗教思維上的
對稱、唯美傾向之外凤薛，也有現(xiàn)實的考慮：沒有什么實在的東西可以轉(zhuǎn)出一個非圓
形的形狀姓建。行星可能不依賴任何實體、“漂浮”在虛渺的空間里沿著抽象的“軌
道”運動還不是他們所能想象的概念缤苫。
開普勒也無法解釋速兔、理解這其中的原理。但他發(fā)現(xiàn)采取橢圓軌道后活玲，其它種
種困難都可以迎刃而解涣狗。他陸續(xù)總結(jié)出后來以他名字命名的“行星軌道三定律”，
揭開了整個太陽系的運動規(guī)律舒憾。
× × × × ×
第谷去世三年后镀钓，一顆更為明亮的超新星在1604年出現(xiàn)在蛇夫座
（ophiuchus），持續(xù)三個星期在白天都能看得很清楚镀迂。（在那之后丁溅，要等到
1987年才能再看到類似的超新星。）開普勒和伽利略都對它進行了長期的觀測招拙。
伽利略當(dāng)時在意大利帕多瓦大學(xué)擔(dān)任數(shù)學(xué)教授唧瘾，因為講授新星的出現(xiàn)表明亞里士
多德體系的錯誤而與本校的幾個哲學(xué)教授結(jié)下了梁子。但他更大的麻煩還在后面别凤。
早在托勒密時代饰序，人們就知道一定形狀的透明晶體、玻璃可以用來制作放大
鏡规哪、老花眼鏡求豫。但直到17世紀(jì)初，才有荷蘭人想起將兩個鏡片用圓筒一前一后連
接起來诉稍，可以觀看很遠的物體蝠嘉。伽利略在1609年聽說后，立刻就自己琢磨著制作
出了望遠鏡（當(dāng)時叫做“間諜鏡”：spyglass）杯巨。他把這個對航海價值無比的新
發(fā)明捐獻給當(dāng)時的威尼斯共和國蚤告，因此贏得終身教職，工資也翻了三番服爷。但更重
要的是杜恰，他同時也把自制的望遠鏡指向了夜晚的星空获诈。
這一看不打緊，用現(xiàn)代的話說就是“三觀盡毀”心褐。
首先舔涎，他看到月球的表面坑坑洼洼，完全不是亞里士多德所想象的那種光滑
圓潤逗爹、完美無缺的天體亡嫌。進而，他發(fā)現(xiàn)木星附近還有小星星掘而，從它們不斷變化的
位置可以推斷它們是在環(huán)繞著木星轉(zhuǎn)圈挟冠，也就是木星有衛(wèi)星——不是所有星星都
在繞地球這個中心轉(zhuǎn)。后來镣屹，他又看到了金星像月亮一樣有圓缺盈虧圃郊，其變化幅
度無法與托勒密的地心模型合拍，但可以用哥白尼的日心模型解釋女蜈。
伽利略不計前嫌，邀請他的老對手來親眼察看這些奇觀色瘩，卻被拒絕伪窖。哲學(xué)教
授們對自己既有的世界觀更為珍惜，只好紛紛做了鴕鳥居兆「采剑科學(xué)家則不一樣。開普
勒收到伽利略送來的望遠鏡后泥栖，很快就證實了他的發(fā)現(xiàn)簇宽，還自己發(fā)明出不同鏡片
設(shè)計的望遠鏡來。
隨著伽利略支持日心說的態(tài)度越來越明朗吧享、擁有的證據(jù)越來越堅實魏割，他與維
護地心說的哲學(xué)家、神學(xué)家的關(guān)系也越來越復(fù)雜钢颂、緊張钞它。1633年，他在教會面前
被迫認錯殊鞭，被判終身軟禁遭垛。傳說他在離開裁判所時，依然嘟囔了一句“可（地球）
的確是在動操灿【庖牵”（“But it does move≈貉危“）
遲至1979年庶喜，教皇保羅二世（John Paul II）才正式為伽利略“平反”小腊。
× × × × ×
沒有證據(jù)表明伽利略曾經(jīng)在比薩斜塔上投下過不同重量的球做演示。但他的
確在比薩大學(xué)任職時開創(chuàng)了系統(tǒng)溃卡、精確運動學(xué)——或科學(xué)——實驗的先河溢豆，并用
數(shù)據(jù)否定了亞里士多德重量與速度關(guān)系的謬誤。因此瘸羡，伽利略普遍被認為是物理
學(xué)——甚至是現(xiàn)代科學(xué)——的開山鼻祖漩仙。
開普勒的行星定律和伽利略的運動學(xué)實驗成果后來在牛頓那里得以集大成，
以牛頓動力學(xué)三定律和萬有引力定律奠定經(jīng)典物理學(xué)牢固的根基犹赖。太陽成為新的
中心队他，行星——包括地球——因為太陽的引力而圍繞太陽在橢圓軌道上運動成為
新的科學(xué)真理。（牛頓引進的“慣性”概念也解決了地球上的人感覺不到地球在
運動中這個難題峻村。）而當(dāng)牛頓展望整個宇宙麸折，猜測不存在什么中心時，也沒有人
再去追究他的離經(jīng)叛道粘昨。
伽利略通過他的望遠鏡還看到了一個人類從來沒有見識過的世界：更多更多
——“幾乎不可思議之多”（“an almost
inconceivable crowd“）——的肉眼無法看見的星星垢啼。宇
宙比當(dāng)時任何人想象的還要更大、更豐富张肾。而他的望遠鏡為人類認識芭析、探索宇宙
打開了一個嶄新的窗口。
1672年吞瞪，伽利略逝世三十年后馁启，法國戲劇家莫里哀（Moliere）
公演了喜劇《女學(xué)究》（The Learned Ladies）。劇中男主
角對他的妻子芍秆、妹妹和大女兒三名女性不思女紅惯疙、家務(wù)，一味追求科學(xué)牢騷滿腹
妖啥。他的抱怨之一是她們在自家樓上裝置了一具天文望遠鏡霉颠，要看月亮上在發(fā)生什
么！
的確迹栓，還在那個年代掉分，擁有、使用望遠鏡進行天文觀察克伊，已經(jīng)成為歐洲上層
人物酥郭、甚至并不富裕的中產(chǎn)階層附庸風(fēng)雅的重要標(biāo)志。他們所有的愿吹，也已經(jīng)不是
伽利略拿在手上的簡單直筒不从，而是占據(jù)整個房間，甚至是需要專門修建天文館式
建筑才能容納的龐然大物犁跪。
自然椿息，他們所觀看的歹袁，也不只是月亮上的變故。人們的視野正投向更高更遠
寝优，逐漸超越太陽系条舔、銀河系，直至宇宙的曠古幽深乏矾。
（未完待續(xù)）
