上一期，我们通过分析伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》（简称《对话》）卷首插画、里乔利《新天文学大成》卷首插画、塞拉里乌斯《和谐大宇宙》卷首插画，探讨了宇宙体系从“地心说”转变成“日心说”的历程，以及“日心说”的后续发展，讲到开普勒椭圆轨道模型确立了太阳系的概念。与开普勒同时代的伽利略开创了近代科学，至此天文学的发展也走上了高速公路，人们在大致清楚行星轨迹后，就要以科学的方法弄清楚行星为什么会这样运动、什么时候开始这样运动、宇宙怎么形成的等问题。

（壁画“伽利略的斜面实验”，图片来自《科学的历程》）

本期将通过布莱克的《牛顿》、达利的《记忆的永恒》两幅画来分析行星为什么这样运动、宇宙是怎样诞生的等问题。

（布莱克《牛顿》，图片来自网络）

（威廉·布莱克，1757年-1827年，图片来自网络）

威廉·布莱克是英国浪漫主义诗人、画家，“天不生牛顿，万古如长夜”，他所处的年代正是牛顿力学盛行的年代。画中牛顿全身肌肉紧绷，像是赤诚的自然之子正全神贯注地盯着手中的圆规，思考着自己的数学问题；同时又像神一样在制定宇宙规律，用圆规对宇宙进行精确构思，正是牛顿机械自然观的直观表现。

（达利《记忆的永恒》，图片来自网络）

（萨尔瓦多·达利，1904年-1989年，图片来自网络）

萨尔瓦多·达利是西班牙超现实主义绘画大师，与爱因斯坦生活在同一年代。《记忆的永恒》画面中远景是海岸线和天空映照着山脉，近景是三个软绵绵的，或悬挂在光秃秃的树枝上，或瘫软在那个粉灰色怪物的表面的，或垂挂在立方体的边缘，是我们常见的钟表。达利把拥有着坚固外形的钟表画成了软绵绵的样子，暗示金属材质的钟表及其精细的内部机械构造也可能伸展、弯曲和融化，意在质疑和挑战我们对于物理世界的理性认知和常识，钟表象征时间，仿佛时间变得弯曲。这与相对论的时空观有异曲同工之妙。

（“宇宙如钟表”，图片来自网络）

（牛顿，1643年-1727年，图片来自网络）

一是牛顿的大机械宇宙观（机械自然观）。从伽利略开创近代科学以来，一个世纪的物理学在牛顿这里完成了大综合，他是有史以来最伟大的天才：在数学上，发明了微积分；在天文学上，发现了万有引力定律；在力学上，提出牛顿三定律；在光学上，发现了太阳光谱、发明了发射式望远镜。开普勒首次阐述了行星运动的椭圆轨道，而1684年牛顿第一个从数学上证明了在平方反比于距离的力作用下，行星必做椭圆运动。1686年牛顿出版了科学史上最伟大的一部著作《自然哲学的数学原理》，开辟了全新的宇宙体系，提出了牛顿三定律和万有引力定律。至此，在经典力学体系下，支配天体运动的动力问题已经解决，那就是万有引力，万有引力是超距作用（即时作用）的。机械自然观随着牛顿力学的建立而确立，笛卡尔第一次系统表述了机械自然观的基本思想：人与自然相分离、自然界的数学设计、物理世界的还原论说明、自然界与机器的类比。在机械自然观看来，宇宙从初始状态开始，任意时刻都是确定的、被设计好的，空间是绝对平直的，仿佛钟表等机械一般。

（康德-拉普拉斯星云假说，图片来自网络）

（拉普拉斯，1749年-1827年，图片来自网络）

二是康德-拉普拉斯星云假说。牛顿的万有引力解释了行星运动的动力问题，却没有解释宇宙的初始状态，亦即宇宙从什么时候开始是这个样子的。刘慈欣的《三体》描述了三体星人的“三体问题”，其实牛顿的万有引力解决了“二体问题”，欧拉提出了天体力学中的摄动方法，即将三体问题转化为一个二体问题加一个摄动。但天体力学成就最大的是拉普拉斯，拉普拉斯是拿破仑时期的科学家，致力于解决太阳系内的多体力学问题。1799年起相继出版了《天体力学》的五卷，这部著作汇集了天体力学自牛顿以来的全部成就，被誉为那个时代的《至大论》，他也因此被称为法国的牛顿。拉普拉斯证明了太阳系的稳定性，并且与德国哲学家康德（1755年）独立提出了“星云假说”（1796年）。拉普拉斯注意到太阳系行星的同向性和共面性，因此猜测太阳系起源于一团旋转的巨大星云，由于引力作用星云不断收缩，较外围的星云在离心力作用下保持在外轨道绕中心转动，并且在自身引力作用下收缩成行星，星云的核心则收缩成太阳。

（相对论中的太阳和地球，图片来自网络）

（爱因斯坦，1879年-1955年，图片来自网络）

三是爱因斯坦的相对论时空观（有限无界静态宇宙模型）。19世纪是天文学家运用牛顿力学和万有引力定律进行天文发现的世纪，恒星周年视差、海王星在19世纪发现。直到20世纪初的1900年，开尔文勋爵在演讲中提出物理学大厦已经完工，只剩“两朵乌云”，其中一朵“迈克尔逊-莫雷干涉实验”催生了相对论。1905年是物理学奇迹年，因为这一年爱因斯坦发表了3篇划时代的论文，一篇解释了光电效应，一篇研究了布朗运动，最伟大的一篇提出了狭义相对论。狭义相对论基于光速不变原理、狭义相对性原理，推导出高速运动下尺缩钟慢、质量增加，时间和空间的绝对性被打破。自此，已延续2000多年的由亚里士多德为解释天上物体的匀速圆周运动而创造的“以太”，变得不再必要。11年后的1916年，爱因斯坦运用黎曼几何完成了广义相对论的最终形式。广义相对论是描述物质间引力相互作用的理论，这一理论首次把引力场解释成时空的弯曲。广义相对论有三大预言：水星近日点的进动、引力红移、引力场使光纤偏转（爱丁顿1919年在日全食时观测验证），在之前和随后几年均被验证。

（牛顿VS爱因斯坦，图片来自网络）

相对论否定了牛顿的绝对时空观，催生了相对论时空观。相对论时空观中时间和空间被联系在一起，它们互相联系又互相制约，物质的运动对时间和空间有一定的影响，三维的空间与时间一起组成了四维时空。爱因斯坦在得出引力场方程后，马上联想到将整个宇宙作为考虑对象，宇宙论落寞了几百年后（从开普勒后，宇宙论很少被研究）又开始复活。爱因斯坦像开普勒一样，相信宇宙是一个和谐的整体。经过推算，爱因斯坦认为宇宙是封闭的球面模型，宇宙不仅是有限无界的，而且是静态的。

（“宇宙大爆炸”，图片来自网络）

（哈勃定律，图片来自网络）

四是大爆炸宇宙论（宇宙学界的标准模型）。运用爱因斯坦的广义相对论，几乎与爱因斯坦同时，荷兰天文学家德西特得出了膨胀的宇宙模型；1922年，苏联物理学家弗里德曼得出了均匀各向同性的膨胀或收缩模型；1927年比利时天文学家勒梅特也独立得出了弗里德曼的结论。后来弗里德曼发现基于相对论引力场方程，宇宙模型必定是动态的。哈勃定律（河外星系的视向退行速度与距离成正比）公布后，人们惊喜发现它所展示的宇宙正是弗里德曼模型预言的那样。

（伽莫夫，1904年-1968年，图片来自网络）

（宇宙背景辐射，图片来自网络）

既然宇宙是膨胀的，那么越往早去，宇宙体积就越小，在某一个时间前，宇宙就应该是一个极小的点。1940年，美国物理学家伽莫夫等人提出了大爆炸宇宙模型，他们认为宇宙起源于一次巨大的爆炸，之后不仅连续膨胀，而且温度也在由热到冷逐步降低。在宇宙早期，不仅密度很高，而且温度也很高，所有天体及化学元素都是在膨胀过程中逐步生成的，但原初辐射与物质元素脱离耦合后仍保持黑体谱（可以理解为大爆炸的“声音”），黑体辐射的温度大约是5K。1964年美国工程师彭齐亚斯和威尔逊果然意外观测到了这种宇宙微波背景辐射，这次意外发现使得大爆炸模型成为宇宙学界的标准模型。大爆炸宇宙论目前已经成为“原理”，它使得天体物理学与粒子物理学相关联，使得天文学成为一个统一的整体。

上述四种宇宙观，从1686年牛顿机械自然观的确立，到拉普拉斯1796年提出星云假说，再到爱因斯坦1916年提出相对论宇宙观，最后到1940年伽莫夫等提出大爆炸宇宙论，均发生在17世纪-20世纪的近代科学和现代科学时期。经历了大机械宇宙观和相对论宇宙观，最终确立了大爆炸宇宙论。

宇宙观发展到牛顿这里，似乎经历了一次大的转变，不再拘泥于开普勒以前的种种拘束，但是也保留了一些痕迹。一是“以太”的使用继续延续，直到狭义相对论出现才得以摒弃。二是对开普勒椭圆轨道模型的沿用和证明，牛顿第一个用数学方法证明了行星运动的椭圆轨道，其实也是对开普勒的延续。

关于动力问题。关于行星绕日运动，牛顿解释是说行星在太阳引力作用下围绕太阳运动，爱因斯坦解释是说太阳引力使其附近空间发生强烈弯曲和封闭，行星在弯曲空间中做直线运动。从牛顿开始，人们开始思考支配天体运动的动力问题（亚里士多德也分析过，不过他没有用到数学），宇宙观的主要争论点便进入了天体力学阶段，而不再是（一）和（二）中的宇宙中心问题和行星轨道问题。

关于“宇宙”的概念。在牛顿之前，人们研究中的“宇宙”主要指太阳系六大行星，牛顿的万有引力使得人们将目光放宽到了六大行星之外，并且使得亚当斯和勒维烈计算出了海王星。随后，“宇宙”的概念也从太阳系推宽至整个宇宙。虽然从毕达哥拉斯开始，就有“恒星天球”（用来表示天空中不变的星星，即遥远的恒星），但是毕竟没有对他们进行实质性的研究。

关于宇宙的起源和演化。在牛顿之前，几千年的天文学，人们更多的是研究宇宙是什么样子的，很少有人去研究宇宙是怎么来的、又是怎么发展的。直到万有引力定律和相对论出现后，人们才有了科学工具去研究宇宙的起源问题。

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