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    一位著名的科學家（據說是伯特蘭·羅素）曾經作過一次天文學講演。他描述了地球如何圍繞著太陽公轉，而太陽又是如何圍繞著稱之為我們星係的巨大的恒星集團的中心公轉。演講結束之際，坐在房間後排的一位小個老婦人起立說道：“你講的是一派胡言。實際上，世界是馱在一隻巨大烏龜背上的平板。”這位科學家露出高傲的微笑，然後答道：“那麽這隻烏龜站在什麽上麵的呢？”“你很聰明，年輕人，的確很聰明”，老婦人說，“不過，這是一隻馱著一隻，一直馱下去的烏龜塔啊！”

    大多數人會覺得，把我們的宇宙喻為一個無限的烏龜塔相當荒謬。但是我們憑什麽就自認為知道得更好呢？我們對宇宙了解了多少？而我們又是如何知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在開端之前發生了什麽？時間的本質是什麽？它會有一個終結嗎？物理學中最近的突破，使我們有可能為其中一些長期以來懸而未決的問題提供答案，而奇妙的新技術是實現這些突破的部分原因。對我們而言，這些答案也許有朝一日會變得和地球圍繞著太陽公轉那麽顯而易見——或許也會變得和烏龜塔一樣荒謬，隻有時間（不管其含義如何）才能裁決。

    早在公元前340年，希臘哲學家亞裏士多德在他的《論天》一書中，就能夠對於地球是一個圓球而不是一塊平板這個信念提出兩個有力的論證。第一，他意識到，月食是由於地球運行到太陽與月亮之間引起的。地球在月亮上的影子總是圓的，這隻有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發生在太陽正好位於這個圓盤中心的正下方的時刻，否則地球的影子就會被拉長而成為橢圓形。第二，希臘人從旅行中知道，在南方地區觀測北極星，比在較北地區，北極星在天空中顯得較低。（由於北極星位於北極的正上方，所以它出現在北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的某觀察者，北極星剛好出現在地平線上。）根據北極星在埃及和在希臘表觀位置的差別，亞裏士多德甚至估計出地球大圓長度為400000斯特迪亞。現在不能準確地知道，1斯特迪亞的長度究竟是多少，但也許是200碼（1碼=0.9144米）左右，這樣就使得亞裏士多德的估計大約為現在接受數值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個論證，否則何以從地平線駛來的船總是先露出船帆，然後才露出船身？

    亞裏士多德認為地球是不動的，太陽、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著地球公轉。他相信這些，是因為他認為地球是宇宙的中心，而圓周運動是最完美的；他的這種看法是基於某些神秘的原因。公元2世紀，這個思想被托勒密精製成一個完整的宇宙學模型。地球處於正中心，8個天球包圍著它，這8個天球分別負載著月亮、太陽、恒星和5個當時已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。為了說明在天空中觀察到的這些行星的相當複雜的軌道，人們認為它們本身沿著附在相應天球上的更小的圓周運動。最外層的天球攜帶著所謂的固定恒星，它們的相對位置總是保持不變，但是總體圍繞著天空旋轉。最後一層天球之外為何物一直不很清楚，但是它肯定不是人類所能觀測到的宇宙部分。

    托勒密模型的係統可以相當精密地預言天體在天空中的位置。但是為了正確地預言這些位置，托勒密不得不假定，月亮遵循的軌道有時使它離地球的距離是其他時候的一半。這意味著月亮有時顯得要比其他時候大一倍！托勒密承認這個瑕疵，但是盡管如此，他的模型被廣泛地，雖然不是普適地接受。它被基督教會接納為與《聖經》相一致的宇宙圖象。這是因為它具有巨大優勢，即在固定恒星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間。

    然而，1514年波蘭教士尼古拉·哥白尼提出了一個更簡單的模型。（起初，也許哥白尼害怕被教會譴責為異端，所以將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽靜止地位於中心，而地球和行星們圍繞著太陽作圓周運動。將近一個世紀以後，人們才認真接受他的觀念。後來，兩位天文學家——德國人約翰斯·開普勒和意大利人伽利略·伽利雷開始公開支持哥白尼理論，盡管它所預言的軌道還不能完全與觀測相符合。直到1609年，亞裏士多德和托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空。當他觀測木星時，發現有幾個小衛星或月亮圍繞著它轉動，這表明不像亞裏士多德和托勒密設想的那樣，並非所有東西都必須直接地圍繞著地球轉動（當然，仍然可能相信地球是靜止地處於宇宙的中心，而木星的衛星沿著一種極其複雜的軌道圍繞地球運動，表觀上看來它們是圍繞著木星轉動。然而，哥白尼理論卻簡單得多了）。同時，約翰斯·開普勒修正了哥白尼理論，提出行星不是沿著圓周而是沿著橢圓（橢圓是拉長的圓）運動，從而最終使預言和觀察相互一致了。

    就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當然的，並且是相當討厭的假設，因為橢圓顯然不如正圓那麽完美。雖然他幾乎偶然地發現橢圓軌道能很好地和觀測相符合，但卻不能把它和他的磁力引起行星圍繞太陽運動的思想相互調和起來。隻有到更晚得多的1687年，這一切才得到解釋。

    這一年，艾薩克·牛頓爵士出版了他的《自然哲學的數學原理》，這部也許是物理科學中有史以來最重要的著作。

    在這部著作中，牛頓不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論，並且發展了為分析這些運動所需的複雜的數學。此外，牛頓還提出了萬有引力定律。根據這條定律，宇宙中的任一物體都被另外的物體吸引。物體質量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。正是這同一種力，使物體下落到地麵。（一個蘋果落到牛頓的頭上使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。牛頓自己說過的不過是，當他坐著陷入沉思之時，一個蘋果的下落使他得到了萬有引力的思想。）牛頓繼而證明，根據他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道圍繞著地球運行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道圍繞著太陽公轉。

    哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關的宇宙存在著自然邊界的觀念。“固定恒星”除了由於地球圍繞著自身的軸自轉引起的穿越天空的轉動外，它們的位置顯得固定不變，很自然會使人推測到固定恒星是和我們太陽類似的物體，隻是比太陽離開我們遠得多了。

    按照他的引力理論，牛頓意識到恒星應該相互吸引，這樣它們似乎不能保持基本上不動。難道它們不會都一起落到某處去嗎？在1691年寫給同時代另一位最重要的思想家理查德·本特裏的一封信中，牛頓論證道，如果隻有有限數目的恒星分布在一個有限的空間區域裏，這確實是會發生的。但是另一方麵，他推斷說，如果存在無限數目的恒星，大體均勻地分布於無限的空間中，對它們而言，因為這時不存在一個中心落點，這種情形就不會發生。

    當人們議論到無限時，這種論證是你會遭遇到的一種陷阱。在一個無限的宇宙中，因為在每一點的兩邊都有無限顆恒星，所以每一點都可以認為是中心。很久以後才意識到正確的方法，即是先考慮有限的情形，這時所有恒星都相互落到一起，然後加上在這個區域以外大體均勻分布的更多恒星，看事情會如何改變。按照牛頓定律，平均地講，這額外的恒星對原先的那些根本沒有什麽影響，所以這些恒星還是同樣快地落到一起。我們願意加上多少恒星就可以加上多少，但是它們仍然總是向自身坍縮。現在我們知道，不可能存在一個無限靜態的引力總是吸引的宇宙模型。

    在20世紀之前從未有人提出過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當時的思維風氣。一般認為，宇宙要麽以一種不變的狀態存在了無限長的時間，要麽以多多少少正如我們今天觀察到的樣子在有限久的過去創生。

    其部分的原因可能是，人們傾向於相信永恒的真理，也可能由於從以下的觀念可以得到安慰，即雖然他們會生老病死，但是宇宙必須是不朽的不變的。

    甚至那些意識到牛頓的引力理論導致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能正在膨脹。相反，他們試圖修正理論，使引力在非常大距離下變成排斥的。這並沒有太大影響他們對行星運動的預言，然而卻允許恒星的無限分布保持平衡狀態——鄰近恒星之間的吸引力被遠距離外的恒星來的斥力平衡。然而，現在我們相信，這樣的平衡是不穩定的：如果某一區域內的恒星稍微相互靠近一些，它們之間的引力就會增強，並超過斥力的作用，因此這些恒星就會繼續落到一起。反之，如果某一區域內的恒星稍微相互遠離一些，斥力就起主導作用，並驅使它們離得更遠。

    另一個反對無限靜止宇宙的異見通常歸功於德國哲學家亨利希·奧勃斯，他在1823年撰寫了這個理論。事實上，牛頓的一些同時代人已經提出過這個問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這個模型的第一篇。不管怎麽說，這是第一篇被廣泛注意到的文章。其困難在於，在一個無限靜止的宇宙中，幾乎每一道視線必須終結於某一顆恒星的表麵。這樣，人們可以預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那麽明亮。奧勃斯反駁說，遠處恒星的光線會被它穿越過的物質吸收而減弱。然而如果真是如此，這介於其間的物質最終會被加熱到發出和恒星一樣強的光為止。可以避免整個天空像太陽那麽明亮的結論的惟一方法是，假定恒星並非永遠那麽明亮，而是在有限久的過去才開始發光。在這種情況下，吸光物質還沒加熱，或者遠處恒星的光線尚未到達我們這裏。這就使我們麵臨著什麽是首次引起恒星發光的問題。