宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第4章
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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�
