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宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第4部分
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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着圈圈，因而相对他在做加速运动，但这时没有任何外力作用在它们上面。所以，对于自转的宇航员来说，牛顿第一定律失效了，而他导出的第二定律的形式会变得复杂得多。＇4＇
牛顿的运动三定律反过来揭示了一个问题，既然哥白尼原理存在于自然法则的结果中，那么某种形式的哥白尼原理也应该存在于这些法则本身之中。牛顿定律要求宇宙中存在一类特殊的观测者，对他们来说运动定律比别的观测者看来更加简单。然而，真正的自然法则，如果表述正确的话，应该对所有观测者看起来都一样，无论他们处于什么样的运动状态和位置。没有人有特权认为他们的定律可以比其他人的简单。
物理学家和天文学家借助牛顿定律，就可以试着解释他们看到的所有天体运动。他们可以试着理解星星的分布，理解事物如何从简单的开始变成今天的样子。虽然当时他们缺少我们今天所拥有的望远镜技术，对宇宙景观的视野难免受到技术的限制，但人们还是渐渐开始从天文学的意义上考虑恒星为什么这样分布的问题，并将这些问题与我们所知的物理定律和运动定律联系起来。同时，关键的是，他们开始思考牛顿的运动定律会如何预言宇宙的变化。
变化的宇宙
圆，好似螺旋中的圈/又像转轮中的转轮
——阿兰·伯格曼和玛丽莲·伯格曼（Alan and Marilyn Bergman，美国音乐人）
在牛顿之后的几个世纪中，我们对浩瀚宇宙的赞叹之情与日俱增。托马斯·赖特（Thomas Wright，1711～1786）是英格兰北部达勒姆地区的钟表匠，一位自学成才的天文学家、测量员和建筑设计师，他第一次对银河进行了细致描绘。这条由恒星、气体、尘埃构成的闪亮长带自古以来被所有仰望过夜空的人们所熟知和敬仰。＇5＇借助早期的望远镜，他发现了天空中的星星并不是随机分布的。相反，星星的分布呈现出独特的星系群格局，我们只不过是在其中一个星系的内部向外看。那么，什么样的三维格局才能让银河看起来像现在这样呢？
赖特提出了两个设想。第一个设想是，恒星可能聚集成一个扁平、环形的盘状结构，非常像我们熟悉的土星环，围绕着银河的中心（图2。2a）。银河的中心是“造物中心”，“所有自然法则都源自那里”。第二个设想是，恒星可能聚集成一个球面，银河只是这个球面上的一块薄片，这体现了我们并不靠近星系中心的事实。
进而赖特的想象又更上了一层楼。他认为宇宙中不应该只存在一个这样的巨大星团。他假设这样的星团应该无穷无尽，每一个都是恒星环绕的中心，有的是球形，有的是盘状。他觉得布满夜空的那些暗淡影像有可能都跟银河一样，它们构成了“无穷无尽的广阔空间……与已知的宇宙并没什么不同”（图2。2b）。
赖特花了大量精力对宇宙进行了充满诗意的图像化描述。他画了一个宇宙的巨大图纸（3米×2米），列出了极为丰富的天文学现象，例如日食和彗星的轨道。他从约翰·弥尔顿的《失乐园》中提到的多个太阳和多个世界的想法中获得了灵感，这种想法认为宇宙由无数个太阳系组成，每一个都有自己的行星，围绕中心的恒星转动。在赖特看来，我们的太阳和别的太阳是一样的，而且地球一定是众多行星当中的普通一员。他估算出银河中大约有超过 3 888 000颗恒星以及“60 000 000个像我们这样的行星世界”，尽管这只是整个夜空中的一小部分。
图2。2 （a） 托马斯·赖特的银河系模型，其中的恒星都均匀分布在一个扁平的盘状空间中。（b）赖特的无穷无尽宇宙模型，就像无穷大空间中有无数个泡泡，每个泡泡都是一个星系。两张图都摘自他 1750 年出版的书《一个原创的宇宙理论》（An Original Theory of the Universe）
赖特的设想和他建立的模型将原本着眼于太阳系的哥白尼原理进行了外推，于是就适用于更大的宇宙，这非常重要。宇宙由大量星系（或“岛宇宙”）构成，而我们的银河系只是其中之一。起初，这样的想法并没有被人们认同。到了1920年，华盛顿的史密森尼学会举办了一场著名的大辩论，两位美国天文学家希伯·柯蒂斯（Heber Curtis，1872～1942）与哈罗·沙普利（Harlow Shapley，1885～1972）各执己见。他们争论的焦点是，夜空中看到的螺旋状星云是不是像银河系一样的遥远星系。沙普利声称，银河系就是整个宇宙，但这并不能让当时的天文学家信服。
图2。3 伊曼努尔·康德
具有讽刺意味的是，赖特的高瞻远瞩之所以会被铭记，是因为它以某种方式被后来的科学家所发扬。后来的科学家有了更先进的仪器，于是进一步丰富了赖特的模型。赖特随后将精力转移到了建筑设计领域，并没有为天文学观测作出更多贡献。＇6＇但是，一位思想敏锐的年轻读者对他提出的宇宙图景十分着迷。1751年，27岁的伊曼努尔·康德（1724～1804）在汉堡市的报纸上读到一篇关于赖特的理论的（不完全可信的）二手说明。四年以后，作为回应，康德匿名写了一本关于宇宙的著作，题为《宇宙发展史概论》。这本书的流传并不广，因为出版商破产了，印好的册子最后也被执行法官拿走了。不过，仅仅一个世纪之后这本书就声名鹊起，当时德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（1821～1894）在德国的一次公众演讲时提到了它，遂引起了天文学家的注意。＇7＇
康德满腔热情地发扬了赖特的银河图景。他提出，赖特的恒星环状结构其实是一个恒星组成的自转盘面，其中向内的万有引力被绕星系中心旋转时产生的向外离心力所抵消。没有引力，这个恒星圆盘就会烟消云散；而没有旋转，所有的恒星就会向星系中心崩塌。康德认为，天文学家在望远镜中看到的所有星云＇8＇实际上是自转的恒星圆盘。
宇宙中万事万物之间都存在某种相似性，这反映出牛顿引力和运动定律是普适的客观规律。星系之间的差别只体现在视亮度上，也就是反映出它们同我们的距离有远有近；天上的星系千姿百态，又可以解释为它们的朝向与我们视线不平行——就像从不同的角度看一个橄榄球。于是，康德更进了一小步，试图寻找更多星系有可能拥有的形状。如果恒星聚集成像银河系这样的星系，也许星系就会陆续聚集成巨大的星系群，后者再聚集成星系群的星系群，依次类推以至无穷。这个方案并不完全自洽，因为它要求星系围绕星系群的中心旋转，形成盘状结构，而这些星系群之间也都要形成巨大的旋转盘面。不过说到用牛顿定律理解太阳系以外的宇宙结构，这是一次绝妙的尝试。＇9＇
康德的图景最突出的特点就是宇宙在演化，它就像生生死死的恒星一样会随时间变化。＇10＇康德的宇宙无边无际，所以并没有真正意义上的中心。但也会有一些特殊的位置，那里的物质密度最大，我们的太阳系就在这样的一个位置。可以看出，生命和有机体像球面波一样，从中心向外传播，所到之处焕发勃勃生机。在每一个尺度上，新形成的结构都在向内的万有引力和向外的离心力作用下保持平衡，就像银河系那样。＇11＇球面波的前缘布满了其他的太阳系，而其后缘则被耗尽了所有资源、陷入腐朽的死去世界所占据（图2。4）。丰富的新结构在膨胀球面的外部演化着，这是宇宙物质创生的前沿。中心区域的古老腐朽物质是第一批结构形成的残渣。但这不仅仅是个宇宙坟场，这些物质可以重新组合自己，循环利用，将来可以用于产生有序的恒星和行星系统，像是“凤凰涅槃”。因此宇宙可以永远演化下去，“创生永远不会完成或终结，它确实有个开端，但永远不会停止”，并且“各个世界和世界体系毁灭了，被吞进了永恒深渊，但同时创生也总是在天上忙着构建新的结构，好好地弥补那些逝去之物”。＇12＇
图2。4 康德的演化宇宙模型由无数个像这样的膨胀球面组成，其中每个球面的前缘都能产生恒星，然后渐渐变暗，而其后缘则标志着恒星的消亡①
① 作者来信指出，这张图只画出了前缘，而并没有画出后缘。——译者注
康德认为，上帝在不断地创造新的更大的世界，演化的宇宙应该被看作这个神圣伟大计划的一部分。所有已知生命的寿命都是有限的，我们不可能奢望违背这个法则。但大自然是无与伦比地丰富，允许“各个世界和世界体系在扮演过各自的角色之后，退出宇宙的舞台”，同时逐渐探索物质的所有可能组合。
康德把最古老的结构率先腐烂，同时新的结构不断形成的循环叫做“一定的规律”（a certain law）。因此，“已形成的世界被局限在已被消灭的自然之废墟和还未成形的自然之混沌中间”。
在以后的职业生涯中，康德的追求不再是天文学和牛顿物理学，而是批判哲学，这使他成为世界最著名哲学家之一。在1781年撰写的《纯粹理性批判》中，他对实在（reality）和主观实在（perceived reality）进行了重要的划分。我们必须区别客观真理和那些符合我们头脑中特有的范畴而为我们所理解的真理。康德将自己的哲学思辨自比于天文学中的哥白尼革命：①
① 此处参照了蓝公武的译本。——译者注
从前，人们假设我们的知识必须与对象保持一致……［但］为了在形而上学上取得进一步的进展，现在我们想试着假设对象必须与我们的知识相一致……这样我们正是沿着哥白尼的思想主线在前进。当假设闪闪发光的漫天星斗在围绕观测者转动时，他就无法对天体运动作出更恰当的解释，于是他把成功的希望寄托在这个假设的反面，即星星是静止的，而观察者在转动。关于对象的直观性，我们也可以在形而上学中进行同样的试验。＇13＇
对康德来说，事物的绝对真理是不可知的。只有部分，当它符合我们头脑中的范畴时，才可以被我们理解。＇14＇
星云假说
黑暗是永恒的，光明只不过是把黑暗隐藏了起来。
——丹尼尔·K。麦基南（Daniel Kian McKiernan）
康德对这个宇宙学理论的对立面也作出了贡献。在1755年的《宇宙发展史概论》中，他描绘了另一种图景：太阳系是由自转的气体和尘埃形成的。在1796年的流行读物《宇宙体系论》当中，法国天文学家皮埃尔·拉普拉斯（1749～1827）把这个想法发展成一个更精确的理论。这个关于宇宙本质的想法具有极高的可读性，并对法国（乃至欧洲）的知识界产生了巨大影响。
拉普拉斯可谓法国的大名人，他是拿破仑的科学顾问，杰出的天文学家、数学家和物理学家，并最终被皇帝授予侯爵。他也是个坚定的理性主义者，想要证明不借助任何超自然的力量，也可以解释行星如何形成。他在那本书的最后一章里解释了太阳系的起源。一团自转的云状物质收缩，形成了一系列行星，在同一个平面上绕太阳公转，同时这些行星也以相同方向围绕各自的对称轴自转。＇15＇这个理论被称为拉普拉斯的“星云假说”。后来，这个观点在当时的天文学家中很流行，他们认为夜空中每一块发光斑点都是正在形成的行星系统。这与赖特的理论非常不同，后者认为这些发光物应该是像银河系一样的星系，每一个都包含数以亿计的恒星和行星系统。
拉普拉斯侯爵的理论成为了维多利亚时期的宇宙学标准模型。1890年，当时最杰出的天文史学家艾格尼丝·克勒克（Agnes Clerke，1842～1907）曾如此断言：
现在完全可以这么说，没有任何合格的思想家……还能坚称任何单个星云都是与银河系相同级别的恒星系统。实际上可以肯定的是，天体中所有的星状和星云状的东西都属于同一个巨大集团。＇16＇
维多利亚时期的宇宙是由众多恒星构成的大轱辘，也就是我们所见到的银河。“夜空里的点点星光也许是河外星系”的观点暂时运交华盖了。
爱德华时期的宇宙中的生命
“为什么我们在这儿？因为我们不总是在那儿。”
——BBC电视剧《探案新窍门》＇17＇
艾尔弗雷德·罗素·华莱士（Alfred Russel Wallace，1823～1913）是19世纪一位伟大的科学家，他发现生命在自然选择的过程中会发生演化。不过，他并没有为此得到应有的赞誉。达尔文也在一直思考相同的想法，并经过很长一段时间独立地搜集了有关证据。但达尔文幸运的是，华莱士没有简单地先把自己的想法发表出来，而是写信告诉了达尔文。后来华莱士和达尔文的自然选择理论同时公布于世。华莱士对物理学、天文学和地球科学都感兴趣，在很长一段时期内把达尔文当作自己的同事，为了支持他的工作从很远的地方寄来标本。1903年，在《人类在宇宙中的位置》一书中，华莱士广泛研究了地球成为宜居之地的原因以及从宇宙的状态可以得出的哲学结论。＇18＇
华莱士对开尔文的一个简单的宇宙模型印象非常深刻。开尔文男爵＇19＇是当时英国科学界的领军人物，皇家科学学会的主席（1890～1895）。这个模型从牛顿引力理论发展而来，可以预测宇宙中巨型云状物质的命运。开尔文的兴趣格外广泛，并且都是从很小的时候就开始的：他从10岁起就在格拉斯哥大学听课，15岁时就写出了关于地球结构的重要研究论文；他发展了能量守恒定律和热力学定律的学说，引入了绝对温标；他也搞过仪器，并于1858年参与了跨太西洋海底电报电缆的研制和调试；他还抽空设计了标准水龙头，设计了中央暖气和空调的热泵，并对第一条电气化铁路的设计作出了重要贡献。
当他转而研究宇宙时，思想的锋芒同样锐利。他证明了，一团球状物质最终会由于自身引力而向中心塌缩，唯一能避免落入中心的方法就是绕着它旋转，而这正是康德提出的设想。开尔文的模型包含了约十亿颗太阳大小的恒星，这些恒星产生的引力导致恒星的公转速度正好与我们在附近的太空中所观察到的符合。＇20＇
图2。5 华莱士在1903年画的开尔文宇宙模型，其中太阳系（黑点所示）不在中心位置
图 2。5 是华莱士所画的开尔文宇宙模型。＇21＇华莱士对于开尔文宇宙模型的讨论的有趣之处在于，他采取了一种表面上看起来非哥白尼的观点，因为他认为宇宙中一些地方比其他地方更有利于生命的出现，并且我们因而并非生活在万物的中心，而是在靠近中心的地方。
在开尔文的宇宙模型里，物质将向着中心掉落，并与已经在那里的恒星融合，从而释放出热量，维持着漫长时间的能量输出。华莱士对宇宙广袤尺寸的解释值得大段摘录：
我们已经发现了，能够合理地解释太阳以及恒星群中其他同等地位的恒星得以长时间发光发热的原因。起初，原始宇宙核心部分弥漫的物质缓慢地运动着，逐渐会聚集成巨大质量的天体。但一段时间之后，会有物质以极高的速度，从周边区域稳步地、均匀地流进来，补充物质以产生和维持像我们的太阳那样的高温，并足以延续生命持续发展所需的漫长时间。对生命这个演�
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