乌龟塔的故事

关于宇宙图像,人类的探索从未间断。

有这样一个“乌龟塔”故事。

一位著名的科学家曾经作过一次天文学讲演。他描述了地球如何围绕着太阳公转,而太阳又是如何围绕着称之为我们星系的巨大的恒星集团的中心公转。

演讲结束之际,坐在房间后排的一位小个老妇人起立说道:“你讲的是一派胡言。实际上,世界是驮在一只巨大乌龟背上的平板。”

这位科学家露出高傲的微笑,然后答道:“那么这只乌龟站在什么上面的呢?”“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,一直驮下去的乌龟塔啊!”

大多数人会觉得,把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬。

但是我们凭什么就自认为知道得更好呢?我们对宇宙了解了多少?而我们又是如何知道的呢?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?

物理学中最近的突破,使我们有可能为其中一些长期以来悬而未决的问题提供答案,而奇妙的新技术是实现这些突破的部分原因。

对我们而言,这些答案也许有朝一日会变得和地球围绕着太阳公转那么显而易见——或许也会变得和乌龟塔一样荒谬,只有时间才能裁决。

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,就能够对于地球是一个圆球而不是一块平板这个信念提出两个有力的论证。

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地球公转。他相信这些,是因为他认为地球是宇宙的中心,而圆周运动是最完美的;他的这种看法是基于某些神秘的原因。

公元2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,8个天球包围着它。

这个模型被基督教会接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。因为它具有巨大优势,即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了大量的空间。

然而,1514年波兰教士尼古拉·哥白尼提出了一个更简单的模型。他的观念是,太阳静止地位于中心,而地球和行星们围绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后,人们才认真接受他的观念。

后来,两位天文学家——德国人约翰斯·开普勒和意大利人伽利略·伽利雷开始公开支持哥白尼理论,尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相符合。直到1609年,亚里士多德和托勒密的理论才宣告死亡。

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。

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。

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。

亚里士多德和其他大多数希腊哲学家不喜欢创生的思想,因为它带有太多的神学干涉的味道。所以他们相信,人类及其周围的世界已经并将继续永远存在。

古人已经考虑到上述文明进步的论点,用周期性洪水或其他灾难的出现,使人类重复地回到文明的开初,来回答上面的诘难。

1781年,哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的著作——《纯粹理性批判》。在这本书中,他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、在空间上是否有限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反。

1929年,埃德温·哈勃作出了一个里程碑式的观测,即不管你往哪个方向观测,远处的星系都正急速地飞离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。

哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无限小,而且无限紧密。在这种条件下,所有科学定律并因此所有预见将来的能力都崩溃了。如果在此时刻之前有过一些事件,它们将不可能影响现在发生的东西。

科学的终极目的是提供描述整个宇宙的单一的理论。然而,大多数科学家遵循的方法是把问题分成两部分。

首先,存在一些定律,这些定律告诉我们宇宙如何随时间变化;第二,存在宇宙初始状态的问题。

有些人觉得科学只应关心第一部分,他们将初始状态的问题看作玄学或宗教的事体。他们会说,无所不能的上帝可以随心所欲地启始宇宙。

那也许是真的,但是,倘若那样,他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。

今天,科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。

广义相对论描述引力和宇宙的大尺度结构,而量子力学处理极小尺度。

然而可惜的是,这两个理论不是相互协调的——它们不可能都对。

现在,如果你相信宇宙不是任意的,而是被明确的定律制约的,你最终必须将这些部分理论合并成一个能描述宇宙中万物的完整统一理论。

然而,在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的矛盾。

在前面概括的关于科学理论的思想中,假定我们是理性的生物,既可以随心所欲地观测宇宙,又可以从观察中得出逻辑推论。

然而,如果真有一个完整的统一理论,则它大概也将决定我们的行动。

这样,理论本身就决定了我们对之探索的结果!

其实,发现一个完整的统一理论可能对我们种族的存活无助,甚至也不会影响我们的生活方式。

然而自从文明开始以来,人们即不甘心于将事件看作互不相关不可理解。他们渴望理解世界的根本秩序。

今天我们仍然亟想知道,我们为何在此?我们从何而来?

人类求知的最深切的意愿足以为我们从事的不断探索提供充足的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作出完整的描述。

心归航,再启航

愿每日微小知识激发你的深刻思考

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