第一章我们的宇宙图象 117 第一章我们的宇宙图象 一位著名的科学家（据说是贝特郎·罗素）曾经 作过一次关于天文学方面的讲演。他描述了地球如何 绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星 系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时，一位 坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：“你说的这些 都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上 的一块平板。”这位科学家很有教养地微笑着答道：“那 么这只乌龟是站在什么上面的呢？”“你很聪明，年轻 人，的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着 一只一直驮下去的乌龟群啊！” 大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的 乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多 一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才
/第一章 我们的宇宙图象 | 17 第一章 我们的宇宙图象 一位著名的科学家（据说是贝特郎·罗素）曾经 作过一次关于天文学方面的讲演。他描述了地球如何 绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星 系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时，一位 坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：“你说的这些 都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上 的一块平板。”这位科学家很有教养地微笑着答道：“那 么这只乌龟是站在什么上面的呢？”“你很聪明，年轻 人，的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着 一只一直驮下去的乌龟群啊！” 大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的 乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多 一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才
18 〔英]史蒂芬霍金：时间简史 知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开 端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时间 的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一 些最新突破，使一部分奇妙的新技术得以实现，从而 对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有 所启发。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着 太阳运动那样显而易见一当然也可能像乌龟塔那般 荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。 早在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德在他 的《论天》一书中，就已经能够对于地球是一个圆球 而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一， 他认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成 的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球本 身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆 盘，除非月食总是发生在太阳正好位于这个圆盘中心 之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。 第二，希腊人从旅行中知道，在越往南的地区看星空， 北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星位于北极的 正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上， 而对于赤道上的观察者，北极星显得刚好在地平线
18 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开 第 端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时间 的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一 些最新突破，使一部分奇妙的新技术得以实现，从而 对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有 所启发。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着 太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔那般 荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。 早在公元前 340 年，希腊哲学家亚里士多德在他 的《论天》一书中，就已经能够对于地球是一个圆球 而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一， 他认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成 的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球本 身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆 盘，除非月食总是发生在太阳正好位于这个圆盘中心 之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。 第二，希腊人从旅行中知道，在越往南的地区看星空， 北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星位于北极的 正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上， 而对于赤道上的观察者，北极星显得刚好在地平线
第一章我们的宇由图象 119 上。)根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差 别，亚里士多德甚至估计地球大圆长度为400斯特迪 亚。现在不能准确地知道，一个斯特迪亚的长度究竟 是多少，但也许是200码左右，这样就使得亚里士多 德的估计为现在所接受数值的两倍。希腊人甚至为地 球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶 来的船总是先露出船帆，然后才是船身？ 亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行 星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些， 是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且 圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托 勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中心， 包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、 太阳、恒星和五个当时已知的行星：水星、金星、火 星、木星和土星（图1.1）。这些行星被认为是沿着附 在相应天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空 中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上 固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总 体绕着天空旋转。最后一层天球之外为何物一直不清 楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇
/第一章 我们的宇宙图象 | 19 上。）根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差 别，亚里士多德甚至估计地球大圆长度为 400 斯特迪 亚。现在不能准确地知道，一个斯特迪亚的长度究竟 是多少，但也许是 200 码左右，这样就使得亚里士多 德的估计为现在所接受数值的两倍。希腊人甚至为地 球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶 来的船总是先露出船帆，然后才是船身？ 亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行 星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些， 是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且 圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托 勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中心， 包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、 太阳、恒星和五个当时已知的行星：水星、金星、火 星、木星和土星（图 1.1）。这些行星被认为是沿着附 在相应天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空 中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上 固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总 体绕着天空旋转。最后一层天球之外为何物一直不清 楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇
20 〔英〕史蒂芬霍金：时间简史 宙的部分。 图1.1从最里面往最外面顺序为月亮球、水星球、 金星球、太阳球、火星球、木星球、土星球和固定恒星 球。最中心为地球。 托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当 精密的系统。但为了正确地预言这些位置，托勒密必 须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这 意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密 承认这个暇疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍地、 却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相 一致的宇宙图象。这是因为它具有巨大的优点，即在 固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方。 然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提 出了一个更简单的模型。（起初，可能由于害怕教会对 异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。）他 的观念是，太阳是静止地位于中心，而地球和其他行 星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后，他的观 念才被认真地接受。后来，两位天文学家一德国的 约翰斯·开普勒和意大利的伽利雷·伽利略开始公开 支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全
20 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 宙的部分。 第 图 1.1 从最里面往最外面顺序为月亮球、水星球、 金星球、太阳球、火星球、木星球、土星球和固定恒星 球。最中心为地球。 托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当 精密的系统。但为了正确地预言这些位置，托勒密必 须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这 意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密 承认这个瑕疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍地、 却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相 一致的宇宙图象。这是因为它具有巨大的优点，即在 固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方。 然而，1514 年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提 出了一个更简单的模型。（起初，可能由于害怕教会对 异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。）他 的观念是，太阳是静止地位于中心，而地球和其他行 星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后，他的观 念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的 约翰斯·开普勒和意大利的伽利雷·伽利略开始公开 支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全
第一章我们的宇由图象 21 与观测相符合。直到1609年，亚里士多德 一托勒密 的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发明的望远 镜来观测夜空。当他观测木星时，发现有几个小卫星 或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密 所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球 转。（当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中 心，而木星的卫星沿着一种极其复杂的轨道绕地球运 动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理 论是简单得多了。)同时，开普勒修正了哥白尼理论， 认为行星不是沿圆周而是沿椭圆（椭圆是被拉长的圆） 运动，从而使预言最终和观察相互一致了。 就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且 是相当讨厌的假设，因为椭圆明显地不如圆那么完美。 虽然他几乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相 符合，但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁 力引起的另一思想相互调和起来。对这一切提供解释 是晚得多的事，那是由于1687年伊萨克·牛顿爵士出 版了他的《数学的自然哲学原理》，这部也许是有史以 来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛 顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论，并
/第一章 我们的宇宙图象 | 21 与观测相符合。直到 1609 年，亚里士多德——托勒密 的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发明的望远 镜来观测夜空。当他观测木星时，发现有几个小卫星 或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密 所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球 转。（当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中 心，而木星的卫星沿着一种极其复杂的轨道绕地球运 动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理 论是简单得多了。）同时，开普勒修正了哥白尼理论， 认为行星不是沿圆周而是沿椭圆（椭圆是被拉长的圆） 运动，从而使预言最终和观察相互一致了。 就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且 是相当讨厌的假设，因为椭圆明显地不如圆那么完美。 虽然他几乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相 符合，但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁 力引起的另一思想相互调和起来。对这一切提供解释 是晚得多的事，那是由于 1687 年伊萨克·牛顿爵士出 版了他的《数学的自然哲学原理》，这部也许是有史以 来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛 顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论，并