时间简史

第4章 我们的宇宙图象(1)

这一年,艾萨克·牛顿爵士出版了他的《自然哲学的数学原理》,这部也许是物理科学中有史以来最重要的著作。

在这部著作中,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,牛顿还提出了万有引力定律。根据这条定律,宇宙中的任一物体都被另外的物体吸引。物体质量越大,相互距离越近,则相互之间的吸引力越大。正是这同一种力,使物体下落到地面。(一个苹果落到牛顿的头上使他得到灵感的故事,几乎肯定是不足凭信的。牛顿自己说过的不过是,当他坐着陷入沉思之时,一个苹果的下落使他得到了万有引力的思想。)牛顿继而证明,根据他的定律,引力使月亮沿着椭圆轨道围绕着地球运行,而地球和其他行星沿着椭圆轨道围绕着太阳公转。

哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球,以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。“固定恒星”除了由于地球围绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外,它们的位置显得固定不变,很自然会使人推测到固定恒星是和我们太阳类似的物体,只是比太阳离开我们远得多了。

按照他的引力理论,牛顿意识到恒星应该相互吸引,这样它们似乎不能保持基本上不动。难道它们不会都一起落到某处去吗?在1691年写给同时代另一位最重要的思想家理查德·本特里的一封信中,牛顿论证道,如果只有有限数目的恒星分布在一个有限的空间区域里,这确实是会发生的。但是另一方面,他推断说,如果存在无限数目的恒星,大体均匀地分布于无限的空间中,对它们而言,因为这时不存在一个中心落点,这种情形就不会发生。

当人们议论到无限时,这种论证是你会遭遇到的一种陷阱。在一个无限的宇宙中,因为在每一点的两边都有无限颗恒星,所以每一点都可以认为是中心。很久以后才意识到正确的方法,即是先考虑有限的情形,这时所有恒星都相互落到一起,然后加上在这个区域以外大体均匀分布的更多恒星,看事情会如何改变。按照牛顿定律,平均地讲,这额外的恒星对原先的那些根本没有什么影响,所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少,但是它们仍然总是向自身坍缩。现在我们知道,不可能存在一个无限静态的引力总是吸引的宇宙模型。

在20世纪之前从未有人提出过,宇宙是在膨胀或是在收缩,这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为,宇宙要么以一种不变的状态存在了无限长的时间,要么以多多少少正如我们今天观察到的样子在有限久的过去创生。

其部分的原因可能是,人们倾向于相信永恒的真理,也可能由于从以下的观念可以得到安慰,即虽然他们会生老病死,但是宇宙必须是不朽的不变的。

甚至那些意识到牛顿的引力理论导致宇宙不可能静止的人,也没有想到提出宇宙可能正在膨胀。相反,他们试图修正理论,使引力在非常大距离下变成排斥的。这并没有太大影响他们对行星运动的预言,然而却允许恒星的无限分布保持平衡状态——邻近恒星之间的吸引力被远距离外的恒星来的斥力平衡。然而,现在我们相信,这样的平衡是不稳定的:如果某一区域内的恒星稍微相互靠近一些,它们之间的引力就会增强,并超过斥力的作用,因此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相互远离一些,斥力就起主导作用,并驱使它们离得更远。

另一个反对无限静止宇宙的异见通常归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯,他在1823年撰写了这个理论。事实上,牛顿的一些同时代人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯的文章也不是貌似有理地反驳这个模型的第一篇。不管怎么说,这是第一篇被广泛注意到的文章。其困难在于,在一个无限静止的宇宙中,几乎每一道视线必须终结于某一颗恒星的表面。这样,人们可以预料,整个天空甚至在夜晚都会像太阳那么明亮。奥勃斯反驳说,远处恒星的光线会被它穿越过的物质吸收而减弱。然而如果真是如此,这介于其间的物质最终会被加热到发出和恒星一样强的光为止。可以避免整个天空像太阳那么明亮的结论的惟一方法是,假定恒星并非永远那么明亮,而是在有限久的过去才开始发光。在这种情况下,吸光物质还没加热,或者远处恒星的光线尚未到达我们这里。这就使我们面临着什么是首次引起恒星发光的问题。

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