宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第3部分

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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次冲突。还有一些模型认为，宇宙就像一粒种子，发芽生根，到时候它会枯萎，然后又重生，就这样永远处于生死轮回之中。有的文化认为，宇宙根本没必要存在一个开始的时刻。他们认为宇宙的生死轮回是永恒的，不存在什么东西都没有的情况：宇宙就是一种东西，所以不可能什么东西都没有。即使在后来基督教“从无中创造”的创世理论中，也不存在什么都没有的情况。上帝永远存在，即使物质的宇宙不存在的时候也存在。在古希腊的思想家，如柏拉图（约公元前427年～公元前347年）看来，在表面的现象背后，存在一些永恒的法则或理念。在古代，没有任何理论认为，宇宙会无缘无故地产生。但这是一种非同寻常的想法。我们通常认为周围一切事物的产生都有各自的原因。桌子有其产生历史，由于某种原因，它从不那么有序的木头变成了桌子。可是，宇宙是不是一种像桌子一样的“东西”呢？又或者，宇宙就像社会一样，是某种东西的集合？两者之间的区别非常重要，因为社会的每个成员都有自己的母亲（各自的原因），但社会本身并没有母亲。关于各种文化的创世神话，以下书籍的内容非常全面：M。　Eliade；The　Myth　of　the　Eternal　Return；　Pantheon；　New　York　（1954）；　M。　Leach；The　Beginning：　Creation　Myths　around　the　World；　Funk　and　Wagnalls；　New　York　（1956）；　C。　H。　Long；　Alpha：　The　Myths　of　Creation；　George　Braziller；　New　York　（1963）；　E。　O。　James；Creation　and　Cosmology；　E。　J。　Brill；　Leiden　（1969）；　C。　Blacker　and　M。　Loewe　（eds）；　Ancient　Cosmologies；　Allen　and　Unwin；　London　（1975）。
　　　　＇8＇　地磁南极和地磁北极的连线并不平行于地球的自转轴。
　　　　＇9＇　伦敦在北纬51。5度，而新加坡在北纬1度。
　　　　＇10＇古代人把太阳在一年中所走出的圆形轨迹分成了黄道十二宫，并把它们叫做十二星座。古人认为地球是天体运动的中心，所以太阳绕着地球的视运动就会经过十二星座。人们在天空中给每个宫分配了大约　30度长（十二宫加起来就是　360度的圆）、18度宽（约定俗成）的地方。
　　　　＇11＇这些星星叫做北天拱极星。
　　　　＇12＇由于天空中存在这些不可见的区域，而且随着观测者所处纬度和时期（就像陀螺一样，地球的自转轴正以　26　000年为周期在发生摆动）的不同，不可见区域的分布也会发生变化。人们试图利用这一规律来确定古代星图制作者所生活的时期和纬度。古代星图所描绘的星空和今天观察到的星空有所不同，这是因为对当时的观测者来说，今天我们可见星空的一部分区域永远都不会从当时的地平线上升起。这些研究还面临着诸多困难，最近的一篇综述请见：J。　D。　Barrow；　Cosmic　Imagery；　Bodley　Head；　London　（2008）；　pp。11–19。
　　　　＇13＇关于北方神话中大磨盘问题的调研，有一本书很有趣：Hertha　von　Dechend　and　Giorgio　de　Santillana；　Hamlet’s　Mill；　Gambit；　Boston　（1969）。作者说，由于星空呈现为一个大磨盘的样子，北半球高纬度地区流传的天空神话之间存在某种文化上的一致性。不过，由于对某些问题一概而论，这本书招致了古代天文学研究者的批评，可参见以下书评：C。　Payne…Gaposchkin；　J。　Hist。　Astronomy　3；　206　（1972）。
　　　　＇14＇　D。　G。　Saari；Collisions；　Rings；　and　Other　Newtonian　N…Body　Problems；　American　Mathematical　Society；　Providence；　RI　（2005）。
　　　　＇15＇实际上，在亚里士多德看来，这两个问题是一回事。他认为，绝对的真空不会产生阻力，因此物体的运动速度就会变成无穷大。大自然在任何情况下都不允许绝对真空和真正的无穷大出现，这种观念在西方哲学中延续了一千五百多年。
　　　　＇16＇这是人们第一次在物理学里提到拓扑问题。实际上，亚里士多德的论述并没有将球体理解为地球唯一可能的形状。为了不让地球转动时产生真空，或进入真空的区域，地球的形状只要是由任何一种旋转对称的图形绕着中心自转而成的就行了。
　　　　＇17＇任何由同心圆盘堆成的形状都可以。但球体的好处是，绕着任何直径转动都是对称的。
　　　　＇18＇Brian　Malow；Nature　11　December　2008。
　　　　＇19＇行星并不是直接落在水晶球面上，而是在另一些以球面上的某一点为圆心的圆上。
　　　　＇20＇另一种方法略有不同，也就是让地球略微偏离均轮的圆心。对不同的行星来说，圆心偏离地球的程度也各不相同。如果要进一步提高精度，就要让行星的轨道处于不同的平面中。
　　　　＇21＇这是阿方索十世对托勒密行星系统的数学复杂性的评价，可能是伪托。
　　　　＇22＇在现代天体动力学的研究中，如果一种运动像中世纪学者对托勒密本轮理论的扩充一样，是由数量有限的周期运动叠加而成的，就叫做准周期运动（quasi…periodic）。如果无限多个运动叠加以后，收敛为一个有限的结果的话，那么这种运动就叫做殆周期运动（almost　periodic）。
　　　　＇23＇　O。　Gingerich；The　Book　That　Nobody　Read；　Walker；　New　York　（2004）。在《无人读过的书》中，金格里奇对哥白尼《天体运行论》的价值和影响给出了极高的评价。他翻阅了所有现存的《天体运行论》的早期版本，研究它们分别被谁读过以及读得有多深入。
　　　　＇24＇公元前　3世纪，萨摩斯的阿里斯塔克（Aristarchus　of　Samos，公元前　310年～约公元前　230年）也提出了这个设想。在《数沙者》（The　Sand　Reckoner）一书中，阿基米德（公元前287年～公元前212年）提到了这个设想：“但是，萨摩斯的阿里斯塔克写了一本书，提出了一些假设，最终的结论是，宇宙实际上比我们现在所能想到的情况大很多倍。他假设恒星和太阳都是静止的。地球在绕着太阳转动，而太阳则位于地球轨道的中心。”
　　　　＇25＇　G。　B。　Riccioli；Almagestum　Novum；　Bologna　（1651）。
　　　　第2章
　　　　对于自身重要性的执著
　　　　对称性让我平静。缺少对称性则让我发狂。
　　　　——伊夫·圣·罗兰（1936～2008，法国时尚设计师）
　　　　特殊的时间和地点
　　　　不要把它想成与赤道平行的纬线，而要意识到当初它也有机会成为赤道。
　　　　——马克·吐温（1835～1910）
　　　　尼古拉斯·哥白尼的名字已经与一整套世界观紧密联系在了一起。在科学界，人们用“反哥白尼”来作为对人类中心论思想的蔑称。在天文学界，人们常常将人类在宇宙中的位置并不特殊的假设尊称为哥白尼“原理”。我们不该像古代人那样，认为地球是宇宙的中心，而是应该假设宇宙到处都一样，并以此作为我们理论的基础。所以，地球应该是宇宙中一颗典型行星，在一个典型星系中围绕一颗典型恒星转动。
　　　　把地球和人类从宇宙中心移走，是科学家们取得的一个重大进步，但如果过于执著于此的话，我们也不得不承认这个原理也有它自身的隐患。尽管我们没有理由相信自己在宇宙中的位置在各个方面都具有特殊性，但否认它在某些方面可能具有特殊性则是过犹不及。
　　　　现在我们已经懂得，在宇宙中，生命只能存在于某些特殊地方。显然我们不能活在恒星的中心，那里连原子都不能幸存；也不能活在物质密度过于稀薄的地方，那里形成不了恒星。＇1＇如果对生命来说，宇宙的这些“典型”环境都过于严酷，使之无法生存和发展，那么我们就不可能处在典型位置上。这种对哥白尼原理的简单节制，对检验现代宇宙学理论而言至关重要。＇2＇
　　　　就像房地产经纪人所说的，地理位置不代表一切。我们也必须考虑到人类在历史长河中的位置。如果宇宙的总体性质随时间变化，例如年龄越大就越热或越冷，那么我们会发现，只有在宇宙的某些特殊时期，才可能允许恒星、行星和生命的存在。今天我们观察到膨胀宇宙的绝大多数重要特征都与这种偏倚（bias）有关联。现在的宇宙看起来已经很老了，因为构建化学复杂性的砖块，如碳、氮和氧等化学元素的原子核，早已在恒星的缓慢核燃烧过程中造了出来，核燃烧过程在超新星爆发时达到顶峰，将这些生命的必需元素在太空中散播开来。①这些成分变成了行星，最终构成了你和我。恒星的这个炼金过程花了数十亿年，所以宇宙才这么老，我们不应感到意外。我们不可能活在一个非常年轻的宇宙里，因为这样的宇宙来不及制造生命复杂性所需的砖块。
　　　　①　化学元素都是由更基本的质子、中子和电子构成的。例如，氢一般由一个质子和一个电子构成。碳一般由六个质子、六个中子和六个电子构成。宇宙诞生后的一段时期内，只有独立的质子、中子和电子，没有任何化学元素，所有元素都是后来形成的。原初核合成只能产生氢、氦和极少量的锂，排在氦和铁之间的元素可以在恒星内的核聚变中形成，排在铁之后的元素可以在超新星爆发时的剧烈核聚变中形成。——译者注
　　　　未来肯定会有这样一个时期，最后一颗恒星耗尽了它所有的燃料，然后“死”了，塌缩成一坨致密的遗迹，温度越来越低，或成了一个黑洞。也许这表示说在某个时期之后，宇宙中再也没有任何生命能存活了。一些人认为这是一件非常不能接受的事情，他们相信生命不可能灭绝。＇3＇显然，我们所知的生命（碳基的和生化的）不可能无限地存活下去。但如果考虑到我们的高科技的未来发展方向，生命或许还有一线生机。持续的微型化可以节约资源，提高效率，减少污染，甚至开发利用量子世界的奇特韧性（flexibility）。宇宙其他地方高度发达的文明可能已经被迫走上了这样的科技发展之路。他们的纳米尺寸的太空探测器、原子级的机械和纳米计算机，就我们对宇宙探测的原始水平是不可能察觉到的。他们输出的废热可能很少，几乎不留痕迹。要想在遥远的未来存活下去，这可能是我们需要采用的演化策略中影响较小的一种。
　　　　平等的自然法则
　　　　法律面前，人人平等。
　　　　——《罗马法》
　　　　在哥白尼之后，他的太阳中心说逐渐得到了完善。最后，一个来自英格兰林肯郡的年轻人艾萨克·牛顿（1643～1727），用一个关于运动和引力的新理论对这个图景进行了定量描述。在后来的大约二百五十年中，牛顿的万有引力定律和运动三定律始终是物理学家和工程师认识世界的主要方法。这些定律把先前所有对运动的图像化描述变成了一种精确的数学化描述。其中那些方程（关于变化的“法则”）的解（法则的“结果”）成功地预言了月球和其他行星的运动。其中一个预言就是行星绕太阳的轨道并不像哥白尼假设的那样是圆形，而是椭圆，椭圆有两个焦点，太阳位于其中之一（图2。1）。
　　　　图2。1　一个椭圆的行星轨道，太阳位于椭圆的一个焦点上
　　　　牛顿的运动三定律可以被表述成如下形式。
　　　　第一定律：不受任何外力作用的物体将保持静止，或做匀速直线运动。
　　　　第二定律：物体动量的变化率等于它所受到的外力。
　　　　第三定律：每一个作用力都有对应的大小相等、方向相反的反作用力。
　　　　这些定律中隐藏着许多值得注意的深刻见解。第一定律提到不受“任何外力作用”的物体。但是谁见过这种物体呢？这是牛顿作为基准的理想化表述。在此之前，大多数人都认为不受外力作用的物体会逐渐减慢并停下来。但牛顿发现减慢是因为有其他外力作用，比如摩擦力和空气阻力。他能敏锐地察觉出在这种情况下所有起作用的外力，并且能够想象出如果所有外力都没有作用其中会怎样，这是一个完全理想化的情况。
　　　　当牛顿谈到运动或静止的物体时，我们可能会问：“相对谁静止？”事实上，他说的所有运动，都相对空间中一个虚构的固定舞台而言，舞台的位置由遥远的恒星划定。他认为恒星是不变的、静止的，这就是后来所谓的“绝对”空间。牛顿定律规定了事物如何在这个舞台里到处活动和表演。人们无论做什么都不能改变这个架构。
　　　　牛顿意识到，在宇宙的这个舞台里，只有一些特殊的演员才会认为简单的牛顿运动定律是正确的。这些演员的运动不能有加速度，也不能绕着“绝对”空间里那些遥远恒星转动。假设一位宇航员从转动的太空飞船的窗户向外张望。外面的那些星星在反方向转