求知简史-从超越时空到认识自己 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

人类的探索必须继续 

我们需要知道我们是谁，我们需要知道我们在哪里以及我们是怎么到达那里的。科学直面人性，伴随我们去寻找光，寻找更多的智慧之光。

如果理性是我们在科学中所用到的工具，那它J不是科学前进的动力。我们并不试图把理解SJ作为目的。我们的探求定义了我们自身，是我们之所以为人的印记：激情、梦想、挑战与忧喜并存的经历，生命不息前进不止的永恒渴望，我们知之甚少、令人生畏却又充满诱惑的各种感觉，各种奇观等待着我们探索，游离于我们的视野之外，却又缓缓走向我们，如此神秘……

我们以Z擅长的方式探索自然，用的是我们的工具和直觉，模型和近似计算，充满想象力的描述，比喻和画像。我所理解的科学是无止境的求索，而没有显而易见的尽头。随着我们对SJ的了解更加深入，随着我们的理论直面数据，求之弥深，思之弥远，我们意识到我们得到的答案有时是前进了一大步，有时也会倒退：知识岛在变大，有时也会收缩，正如我们对宇宙又多了一层了解，或是否认了先前的谬误。我们会看得更清楚，但永远看不透。

渴望完整的知识未免太过天真。科学在求索的路上总会有错误的地方。也许我们渴望拥有确定无疑的答案，但必须承认不确定性，只有这样我们才能进步。我们局限于有限的视野，被不完整的知识环绕着。我们所看到的一切，不过是洞穴壁上的影子。然而，如果把这些限制D作不可逾越的障碍，那J太过简单化了。各种限制正是进步的触发因素：它们可以增进我们对于SJ的了解，并知道怎样去感受这个SJ；它们可以使我们更了解自身，同时又吸引着我们继续前进，以寻求答案。我们不断突破限制，并将一往无前，这样我们才能更好地了解我们是谁。科学也是这样一直前进的——时而进步，时而倒退，但始终面向前方——我们每个人都一样，我们每个人的追求之心亦复如是。如果有YT我们对探索未知充满了恐惧，那么那YTJ是我们停止进步之日。

科学不仅仅是有关自然SJ的知识，它还是一种人生观，一种生活方法，它是人类在充满神秘、恐惧和奇迹的SJ上取得进步的共同愿望。科学是我们深夜的裹脚布，是黑暗中的光明，是我们在共同努力寻求同一目标时提醒我们自己能做什么的灯塔。科学既可以用来做善事，也可以用来酿恶果，而科学的这种两面性不过是反映出人类本性的不稳定性及人性中创造和毁灭的两种倾向。

随着探索的进行，我们了解了自然的方方面面，我们要记得，无知之滨伴随着知识之岛而扩张：未知之海滋养着我们的成功。同样我们也应记住，科学不过占领了知识岛的一部分而已，还有许多其他认知方式，它们能够，也应该互相补益。自然科学和社会科学理所D然地能够阐释各方面的知识，但不应被寄以解答一切问题的厚望。若想把我们所能取得的成J全集中于知识岛上之一隅，那将是何等狭隘的见解啊！

人类是具有多面性的生物，人类寻求答案也会以众多可以互补的方式进行。每种方式都服务一个目的，每种方式都不可或缺。和爱人共饮一杯红酒，这杯红酒的意义并不止于其化学上的分子构成，物理上的液体浓度，表面的光线折射，生物学上酒的发酵，以及我们对它的感官反应。除此之外，我们还会感受到它深红的颜色与味道，与爱人做伴的愉悦，以及眼睛里闪烁的爱意，加速的心跳，天涯共此时的深刻情感。即使这些反应大多以人类认知和神经细胞为基础，将它们都简单地说成可计算的数据集合J是大错特错了。它们叠加在一起，构成了人类活着的意义，借助它们，人类寻求着真理，寻求着友谊，寻求着理解与爱。

并非所有问题都有答案。若寄希望于科学解答一切难题，那么之于人类J是消其神，铩其羽，使人类不能多维度地存在于世。本书旨在探索科学知识的边界，鉴于此，这也是一种错误的希望。在科学的框架内，寻求SJ起源和结局的答案，寻求意义与目的的答案；我们必须这样做，我们必须一直如此。这也是我作为科学家此生耗时Z多的事。D然，如果真以为科学探索之路会有尽头，未知之海是有界限的，仅凭科学便可将其穷尽，那J是另一码事了。如声称人类可以了解一切，可以一个接一个地撬开自然的秘密宝库，像打开俄罗斯套娃那样直到我们得到Z后一个，那将是多么狂妄的想法啊！

承认人类知识的不完整性并不意味着人类智慧的失败，也不意味着我们人类从此举手投降，放弃探索。它意味着我们将科学置于人类王国之内，虽然科学是强有力的，但它也有犯错的时候，虽然科学是我们描述SJ的Z好工具，但仅靠科学也是不够的。科学并未反映出上帝所赋予的真理，并不是由从完美的柏拉图主义王国获出的发现所组成；科学反映出人类的不安与忧虑，反映出人类对于秩序和控制力的渴望，反映出人类在无垠宇宙面前的敬畏之心。

我们对于视界之外潜藏着什么并不知晓，我们对宇宙初始状态的思考一筹莫展，我们对如何对量子SJ进行确定性的描述难以措手。这些未知并非我们目前无知的表现，也不是我们探索工具有限的证明。这些未知偷偷反映出自然的本质，光速、时光之箭、不可改变的随机性构成了它的边界。“我们不知道”和“我们没办法知道”有着本质的区别。针对这些未知的答案，J算找到了，其适用范围也会FC有限。除非我们比光速更快，否则我们不能直接探索宇宙边界之外的SJ；所有对于宇宙初始状态的科学解答都严重依赖于科学框架中概念上的限制——场、守恒定律、不确定性、空间、时间和重力的本质；量子物理的非定域性使得对于微小SJ确定性的求索成为不可能。更笼统地说，所有科学探索都必然有其局限性。

我理解，对于一些人来说，他们很难承认科学的局限性并不损其美妙，亦不去其效力。我认为这种抗拒根植于一种过时的思考方式，这种思考方式把科学D作所有奥秘的征服者，将获得JD知识的虚幻目标与持续探索的动力相混淆。和这种思考方式相反，我认为还原科学的本来面目会使之变得更加美丽，更加有力，这将让科学与人类其他富有创造力的行为相结合，使之变得引人注目，多姿多彩，D然，也和我们人类本身一样并不完美。

甚至在我们身边，在目前所知的疆界之内，我们只能看到万物之一毫。回想起我们为暗物质和暗能量所环绕，构成我们可见SJ的物质只占宇宙中各种物质的5%。此刻，不明的暗物质J在我们周围。即使我们的工具不断演进（这是毫无疑问的），即使我们Z终解开了暗物质和暗能量的奥秘，但我敢肯定，我们能获取的信息只有这么多。意料不到的事无疑潜伏在我们眼皮底下，可能会使我们目前的SJ观发生巨大转变。

我们所谓的现实，是由各种不断演变的观点镶嵌而成的图案。

请再留意一下，我的观点并非悲观，并不是要人类放弃求索。恰恰相反，人类求索之路必须走下去。对自然的探索使我们活着有意义：我们会寻求更多答案，但同时心里也很清楚，令人惊讶的新问题会层出不穷。D我们从历史角度来看待科学时，不仅需要我们学会接受知识的不完整性，同时还要将其视为前进不止的象征，J和人类自身一样。

和我们的祖先一样，我们深深为大地的浩瀚所折服，为隐藏在未知中向我们招手的美丽而折服。是敬畏使我们有动力，并使我们昂然出发。是敬畏架起了人类过去与现在的桥梁，并带着我们走向未来，持续探索。我们无须将论点细分成“我们能知道一切”和“我们不能知道一切”，相反，让我们拥抱内心深处的敬畏之情，拥抱内心深处的学习热情，去发现，去一点一点照亮前方的路，使知识岛的边界进一步向外扩展，向里扩展，向各个方向扩展——只要我们继续推进伟大的求知事业。让我们咆哮吧，冲着知识之光的熄灭而咆哮。我们永远不会满足于轻轻步入漫漫长夜。我们要继续发光：这才是重要的，这才是我们作为人的意义所在。

1. 改变SJ的观测工具

——三个杰出的人如何运用新的观测工具改变我们的SJ观

伽利略在1608年秋天接触到了产自荷兰的望远镜，而在此之前，D谷在16世纪Z后三十年已细心测量了天体的运动。多亏了他的个人财富以及丹麦国王弗雷德里克二世的支持（弗雷德里克二世于1576年把哈文岛奖给了D谷，包括岛上所有农民、仆人……在D谷有生之年，只要他愿意继续他的科学研究，那么岛上的一切都归D谷所有1），D谷制造了整套测量仪器，这在D时是QSWY的。在望远镜诞生以前，天文测量都只能靠肉眼观察四分仪、六分仪、星盘和其他仪器，来测量天体的位置和运动。到了D谷时期，这些工具都演变成了角度测量仪，天文学家用角度测量仪对天球进行角度测量，群星也J自然附属于这个想象中的穹1；CY =CY。

于朗空无云之夜踱步外出，众星璀璨（多达上千个），绽于眼前，诸星间距似永恒，恰如镶嵌于黑暗之中。夜色渐深，整个天穹自东向西，缓缓移动。古人夜观天象，看到星辰的位置似乎固定不变，受此启发，便将这天空中的图画赋予意义，称之为星座。尽管同一星座在不同民族的神话中意义不同，人们想要从夜空中获取信息的强烈愿望却在人类文化中无处不在。事实上，有关星辰的误解可以清楚地表明我们的感觉是怎样欺骗我们的，星星既非静态——有些星星的移动速度高达每小时几千公里——也远非人类所理解的平面天穹，群星与地球的距离远近不一，散布于星际空间那无穷无尽的三维立体体积里。天穹和柏拉图的洞穴寓言一样，是出于我们对现实的有限感知而产生的错觉（但在这里，天穹后面应该没有魔术师存在）。这一错觉与我们和群星之间相距甚远密不可分。正如一架高飞于空中的飞机，地面之人望之如蚁行，而有些星体距离我们有成百上千光年之远，这些可见的星星因而看起来是静止不动的。2

如果生活在北半球，透过长曝光照片则能看出，天空绕着一个星体旋转，这个星体J是北J星。事实上，这是地球自转时自转轴始终指向北J星之故，而非天空围绕北J星旋转：北J星（J现在而言）恰好与地球北J对齐。这种对齐方式会在随后的几千年间渐行渐远，因为地球自转轴方向的漂移，像个摇摇欲坠的陀螺，这一运动被称为岁差。

地球绕自身的轴旋转，这一反人类直觉的理念困扰了人类观察者几千年。这一理念认为，地球而非天空，每二十四小时自转一圈。亚里士多德学派的学者对此提出了反驳，称如果地球自转，那么云和鸟J会被甩在后面，抛向天空的石头也会被留在天空。除厄克方图（Ecphantus）和赫拉克利德斯（Heraclides）等少数希腊思想家外，地球自转这一在D时“荒诞不经”的想法直到两千年后才被哥白尼重新提起。

为了测量恒星和行星的相对位置，天文学家以地球的赤道为界，将天空分为两个半球。北J星在北半球的上方。我们把高于或低于天球赤道的角度称为“黄赤交角”（地球表面的纬度与赤道之间的角度也享其名）。因此北J的黄赤交角是90度。和从英国格林尼治的JD零点开始的地球经度相比，环天球赤道圈的位置被称为赤经。一般而言，赤经度的零度是在春分点，也J是太阳穿过赤道的地点。3稍微复杂一些的地方在于，它和角度不同，正如纬度和经度（和赤纬）不同一样。正确的提升是以小时、分钟和秒来衡量的。天文学家用地球自转将两个角度单位结合到了一起。地球每24小时自转360度，每小时旋转15度，每分钟旋转0.25度（又名15弧分），每秒旋转15角秒（又名15弧秒）。因此，角度为15度的赤纬道之于零点是相隔了一个小时。比如说，要找到猎户座参宿四恒星，那J从春分处以东5时52分（赤经）和赤道以北7度24弧角（磁偏角）处观测。

再说说D谷·布拉赫，他那巨大的特制仪器使得他测量的行星运行JQ度达到了QSWY的8弧分。4D谷也知道，还需要结合规律来解决行星轨道形状的精度问题：他拥有的数据点越多，J越能JQ探测到行星穿越天空的运动。于是在1572年11月11日，外出漫步回到自己炼金术实验室的D谷在仙后座看到了一颗新星。这一惊人现象如此耀眼，以致新的发光天体竟能在光天化日之下被人看到。根据亚里士多德的物理学，新的天体发光体是不可能存在的：天空是永恒不变的，改变只会出现在月球领域。任何一种天体现象都被视为大气扰动，隶属于“气象学”的研究范围。D谷以他的科学仪器，细心观测了这一新的发光天体，直到它于1574年3月淡出人们的视线。

他的结论是革命性的：1先，“新星”比月球更远；D二，它不是彗星，它没有尾巴，也没有穿越天空。D谷的结论是对亚里士多德信条的D一次严肃挑战。只有拥有足够理性的勇敢之人，才敢宣称某个现有规则是错的，改变正在酝酿之中。D谷追求高精度的测量，因为在他看来在没有数据支持的情况下去理解一些理论，J像空壳一样，观之觉美，却缺乏内容支持。D谷变革性的现代思想由此可见一斑。

我们现在知道D谷观测到了一颗硕大的超新星事件，即一颗爆炸以至于消亡的星体：他所以为的新星事实上是一颗正在消失的老年星体。D谷那了不起的仪器和勤奋使得他比前人看得更清楚；然而，正如科学SS经常发生的事情一样，这也是我们争论的焦点，即D谷的视野为他的见识所限。他对那些质疑他的人所发出的责问对所有人都同样适用：“自以为是的聪明人，观察天空时，何其盲目。”

J好像天空在激励着事情向前发展一样，1577年，又一异象使得业已逐渐蔓延的反亚里士多德主义之火烧得更旺：1577年，整个西欧都看见了大彗星，许多天文学家皆有记载。D年的11月13日，D谷在日落前乘一艘渔船返航途中看到了大彗星，随即对它展开了持续74天的追踪。5将自己的数据与一位来自布拉格的天文学家观测的数据相比较后，D谷得出结论：1577年大彗星距地球之远至少三倍于月球。他注意到他们二人所观测到的月球所处位置不同，而大彗星的情况也不同。D谷在这里所用的技术叫视差，在确定与远处物体之间的相对距离时J其有用。6另外一些天文学家则证实了D谷的发现，这进一步动摇了亚里士多德天体不变学说的根基。

在哥白尼于1543年发表著作《天体运行论》三十年后，D谷得出了这一发现，考虑到这一点，我们不难想象，D谷一定曾热情主动地接受了日心模型。然而，事实并非如此。基于物理学和神学上的原因，他对哥白尼的理论仍持怀疑态度。他提出了具有双中心的奇怪混合模型：地球仍位于创世的正中心，太阳和月亮以它为中心旋转，而其余的星体则绕着太阳旋转。D谷的这种双中心模型是源于他对《圣经》的坚信不疑以及对于观察力量的信念：他细心绘制地图，将星体在一年中不同时间相对于地球位置的任何迹象都做了比较（将他于1577年大彗星观察中所用到的视差技术同样应用于其他星体上），结果却一无所获。

如果地球绕太阳公转，在一年中的不同时间，距地球较近的星体较距地球更远的星体看似会处于不同的位置。D谷对此毫不知情，因为用裸眼来观测出恒星的视差是不可能的，即使用J好的仪器也是如此。D谷和其他人一样，都是茫茫天空的盲目观察者，但他比其他大多数人看得都要远。D谷同样没有找到证明日心说正确性的新物理学，因此即使他的观察和亚里士多德将现实一分为二的旧观点截然不同，他也没有准备好将物理学冒险推进到一个全新的天地中去。

他FC勇敢地与天然水晶球之说决裂，在他的模型中，某些东西肯定与其他东西会有交错重叠。他认为彗星绕着行星旋转，像着火的子弹那样，只在它们尾部留下碎裂的弹片，不过他并没有足够JQ的数据来证实这一点。抛弃人间奉若神明的“水晶球”给D谷带来了巨大的挑战：他需要解释——如果没有载着行星运动的水晶球体存在，天体是如何运动的呢？D谷对自己的数据J为自信，他只说星体盘旋在真空之中，而对于怎样解释他精心测量过的天体运行却并无定论。他需要一个DZZ，一个拥有远见和数学能力的人来证明他的模型重现了宇宙的安排。他需要开普勒。

科学SS很少有人像开普勒一样既令人着迷而又才华横溢——他有些神经过敏，而同时又是个勇敢的德国天文学家，在他Z黑暗的时刻，他将自己与矮小的哈巴狗等同视之，而事实上他是一位知识上的巨人，为宗教自由而抗争的英雄。不正常的成长经历和个人生活所带来的悲剧在他身上留下了伤痕累累的情感烙印，作为17世纪头十年间天主教和路德派之间剧烈宗教冲突的受害者，开普勒把心思投向了天空，探索着在他的生活中一直缺乏的秩序。7

早在1600年，开普勒便作为助手加入到D谷的研究中。D时，D谷这位天文学王子已不再得宠于丹麦王室，此前他是1都位于布拉格的神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家数学家。D谷为了保持其前半生的荣耀与光辉，为他自己、随从以及他的仪器在距布拉格40公里的贝纳提基城堡建起了高度精密的天文台。

从一开始，D谷与开普勒的初衷便大不相同。D谷想要一个理论家来证明他所相信的片面地心说，他相信这与他的观察结果是一致的，也合乎《圣经》所宣扬的。开普勒作为一个坚定的哥白尼学派学者，他想用D谷的数据来建立一个真实的日心说宇宙模型。他们并肩作战了十八个月，而他们之间的理论冲突则是史诗级别的。D谷并不想将其耗费数十年精力的研究成果送给德国人开普勒，而开普勒则迫不及待地想要得到这些数据。在各种给予与索取之后，D谷Z终将他关于火星运动轨迹的数据赠予了开普勒。对D谷来说，这一慷慨之举可谓用心巧妙，他知道火星拥有一个大的偏心轨道，这意味着火星轨道明显偏离了一个简单的圆形。8开普勒的工作便是去解答火星不完美轨道上所存在的圆周运动，从而与D谷的数据相匹配。

开普勒以为只需短短数周便可得出结论，而实际上这一工作花费了他将近九年的时间。1609年，他骄傲地发表了《新天文学》（New AstroDmy），他在文中宣称火星的轨道不是一个圆而是一个椭圆。开普勒严格遵照了D谷的数据，得到了这一令人难以想象的、与数千年天文学理论相悖的结论。在尝试将D谷的数据应用于各种圆和本轮数年后，开普勒将托勒密的偏心匀速点理论应用于太阳，将之稍稍偏离了行星轨道的中心。偏心匀速点理论是有效的，但两个测量结果和该模型的预测并不吻合，其误差有8度。多数人在此时便会退出研究，声称该模型是充分接近正确数据的较好方式，但开普勒却迎难而上，或许他知道自己能做得更好。只有那样他才对得起手中的珍贵数据。

于是开普勒继续尝试，直到他偶然得出椭圆理论。这是他D二次尝试该理论，早些时候业已放弃过一次：有时候答案J在你面前，而你却没准备好迎接它。椭圆理论令人十分震惊。经开普勒之手，D谷通过裸眼观察所得的精准数据，将在人类知识SS引发一场革命。科学SS没有什么比这个更能够显示出JQ数据在我们整个SJ观改变过程中所起到的革命性催化作用。在D谷与开普勒的故事中，我们看到观察家和理论家相结合的威力是多么巨大，即使没有想象中那样富有戏剧性。在此我们引述一个爱因斯坦关于科学与宗教的ZM论断：“科学没有宗教J像瘸子，宗教没有科学J像瞎子。”

开普勒并未止步于此。作为变革的代理人，他不能停留在仅仅以D谷的数据证明哥白尼的天文学理论这一点上：他必须提出新的物理学定理来解释这一切。其著作（《新天文学》）的副标题充分说明了这一切：《基于因果关系的新天文学和基于D谷先生的观察从火星运动观测中得出的天体物理学》（A new astroDmy based on causation or a physics of the sky derived from the investigations of the motions of the star Mars founded on observations of the Dble Tycho Brahe）。这是基于天体的物理观测的新天文学。开普勒不仅像他的先行者那样追寻着描述性的天文学，他还想用物理学来解释天文现象，他坚信星体的运动具有某种因果机制。这的确是革命性的，是天文学SS将因果法则囊括进来，以解释作为力的作用结果的行星轨道的1次尝试。开普勒认为太阳和行星本身具有磁性，它们之间的相互作用正是通过磁性。他的灵感来自于伊丽莎白一世的宫廷物理学家威廉·吉尔伯特（William Gilbert）的著作，其书中将地球描述成一个巨大的天然磁石。如果地球是一块磁石，开普勒认为太阳也将会是一块磁石。两块“磁石”通过茫茫太空相互吸引，太阳和行星也一样，即便它们相距甚远。

开普勒在1605年的一封信中写道：“我的目标是证明天体不是什么非凡的生物体，而是一个有类似时钟齿轮和发条装置的机械……几乎所有的运动都是通过某种单一乃至相D简单的磁力产生的……”开普勒关于天体运动的物理原因的创造性见解将成为牛顿力学理论的基石，后者在17世纪才会出现。

在转向其他话题之前，我要指出另一例子来印证开普勒QWGR的现代性，他1609年的一本书的标题是这样的：“……天空的物理……建立在观察基础之上……”开普勒关于宇宙的猜想天马行空，引人注目，他也知道数据是自然与我们所创立的用于解释自然的理论之间Z后的裁决者。尽管这对如今的我们来说是显而易见的，但在D时却并非如此。开普勒是一个过渡性人物，是即将到来的科学变革的先驱。但在D时，他并非孤军奋战，在遥远的意大利，另一个哥白尼学派的学者即将走入历史舞台。

1610年，在开普勒发表《新天文学》一年后，伽利略出版了他的作品《星际信使》（Sidereus nuncius）。在这本小书中，伽利略开始改变我们看待宇宙的方式。他能这样做，是因为他拥有观测天空的有力新工具：望远镜。他所看到的是一个J为美丽而又复杂的宇宙，这种美与亚里士多德理想化的不变宇宙中的空灵天体之完美截然不同。正如D谷的仪器使得他能以前人无可企及的精度来测量天空一样，伽利略的望远镜也使他得以比前人看得更远更清楚。正如在科学SS经常发生的那样，新的观察工具揭示出物理现实全新且常常不可预料的方面。知识岛断断续续地扩大，新的岛屿重新界定了其海岸线，并将过去的海岸线或推入内陆之一隅，或推向遗忘的角落。

尽管早在1608年10月，荷兰眼镜师汉斯·李波尔（Hans Lipperhey）为自己制作的望远镜申请专利时（D局拒绝了他的请求），望远镜的消息便不胫而走，但伽利略所用的D一台望远镜却是他本人的发明。伽利略意识到这种新仪器具有巨大的潜力，于是决定对一位外交官朋友赠予他的望远镜样品加以改进，他自己研磨了镜片，并于1609年7月组装成3倍望远镜。很快，他于8月向威尼斯参议院上呈了8倍望远镜，10月，他又制成了20倍望远镜来观察天空。在改进望远镜的道路上，伽利略并非D自一人。早在1609年8月，英国人托马斯·哈里奥特（Thomas Harriot）便用6倍望远镜观测到了月亮，不过他并未公布他的发现。9望远镜因伽利略而闻名，伽利略为把望远镜升级为研究天文学的新工具而做出了不懈努力，望远镜也如一件武器一般，加速了SJ新秩序的诞生。

有关伽利略及其与天主教斗争事迹的著述颇丰，其中包括我自己的作品《跳动的宇宙》。这里，我们将着重探讨他的发现所带来的影响以及他在发展实证科学方法论中起到的重要作用。实证科学方法论后来成为现代科学的标志。

在《星际信使》一书中（从书名便可看出伽利略将自己视为先知），伽利略描述了他通过望远镜所得到的三个主要发现，这些发现都与亚里士多德的宇宙观相悖：月球表面并不完美，和地球相似，充满了高低起伏，和以太组成的完美无瑕的球体不同；将望远镜对准昴宿星团和猎户座，看到了至少十倍于肉眼可见的星辰，这意味着银河系和其他星云并非云状物，而是由不计其数的星辰组合而成；木星有四个卫星，伽利略巧妙地将之命名为美D奇卫星以纪念他的保护人意大利托斯卡纳大公美D奇。后来的一些发现，例如金星表面发光面的相位和太阳黑子的存在，更令伽利略坚信哥白尼是正确的，亚里士多德错了。10即使它们并不足以证明哥白尼的假说能自圆其说（D谷模型也可以做出完整解释），恒星视差法也可以。伽利略决定向SJ和教会宣布变革的时候到了，这Z终引起了宗教裁判所的愤怒。

伽利略点燃了天文研究现代化与革命性的烈火，但仍残存着其保守性。有一点很特别，他拒绝相信开普勒的椭圆轨道理论。相反，他援引14世纪法国哲学家、牛津学者让·布里丹（Jean Buridan）的理论并对其加以改造，提出了奇怪的圆周惯性定律，以证明星体是在绕太阳做圆周运动。后来他将此定律进一步演绎为线性惯性定律：“除非受到干扰，否则一个在水平表面运动的物体会朝同一方向匀速前进。”（例如滑冰者沿着结冰的湖面这一平滑表面向前滑行。）牛顿随后将这一定律应用于他的运动定律之中，并加入了有关力的定义：“除非受WQ不平衡力作用，否则物体会保持匀速。”顺便说一下，“惯性”这个词1次出现于开普勒1618—1621年出版的《哥白尼天文学概要》（Epitome AstroDmiae Copernicanae，分三卷出版）。在这一早期现代天文学著作中，开普勒将他的椭圆轨道理论推广至所有天体，并用D谷的数据成功证明了自己的数学公式。对他而言，惯性代表了物体对于外力使其进入运动状态的抵抗力。

对伽利略和开普勒来说，宇宙仍是封闭的，包含在固定的恒星天体之内。事实上，开普勒认为无限的宇宙是一可憎之物：“这一思考背后伴随的是潜藏在我内心的隐秘恐惧；其实每个研究宇宙的人都会在想，既然这浩瀚无边的宇宙没有边界和中心，因此其内在之物也J没有确切的位置。”11

开普勒相信，上帝所创造的宇宙必将拥有几何秩序和对称性，它不会是无穷无尽无根无形的。他甚至将宇宙与基督教中的“三位一体”等同视之：太阳居中是圣父，周围的恒星是圣子，充满阳光的间距空间则是圣灵。为支撑其神学论点，开普勒坚持他与无限宇宙相左的观察结果，并引用1604年超新星的例子（开普勒超新星，是近400年来Z后一颗靠肉眼J能观测到的超新星）。无限宇宙的拥护者认为这颗新星生于宇宙深处，故而可见，在它升入虚空之后便会消失不见。开普勒反对这一观点，称新星并未移动。他进一步指出无限宇宙是均质存在的，在任何地点看起来都一样，而这是不可能的，因为人人都能看到，星座里的星体是随意分布的。

布鲁诺（BruD）在异端裁判所所经历的悲惨命运想必为开普勒铭记在心，伽利略更是如此。布鲁诺被定罪，并被公开处以火刑，这多是因为其神学上的异端，而非他所支持的天文学。例如，他声称耶稣并非上帝之子，而是一个高明的巫师；所谓圣灵，是SJ的灵魂。然而，由于他坚信宇宙的无限性，每个天空之中发光的星体都如一个为众多星球所环绕的太阳（他的这一观点是多么正确啊），且每个星球上智慧生物的存在也与地球中心论格格不入，这都与人类D蒙上帝垂青的观点产生了激烈冲突。

在伽利略和开普勒的基础上，牛顿引爆了人类关于现实构想的下一个重大转变。牛顿不仅通过复杂的计算得出了万有引力定律的JQ公式，而且打开了天堂的穹1；CY =CY，指出了宇宙的无限性。像牛顿这样大大拓展了知识岛面积的伟人，可谓是QWGR，后无来者。

2.宇宙的疆域

如果我们将视线转到现代宇宙学的话，事情可J有意思多了。如果将宇宙大爆炸后有限的时间和有限的光速联系起来，J会对我们认知宇宙带来一个难以逾越的障碍。这种界限十分新颖，与我们之前的概念有很大的不同，因为它并不取决于测量工具的精度，这些器具的精度往往反映的是“狭隘”的现实观。这也JD是我们理解物理SJ的J限，这个J限的存在是伽利略、开普勒和牛顿所始料未及的。宇宙也许在空间上无边无际，但是我们对此并不能打包票。我们处于一个信息的球形泡泡里，好似池中之鱼。J限之外存在些什么，我们可以借助模糊的视野推算出这些事物的存在，但是我们不知道“那儿究竟会有些什么”。300年之前，丰特奈尔J已体悟到要想在哲学以及科学领域看得更远并掌握更多知识，J免不了经历痛苦和狂喜的过程。我们冒着碰壁的危险一步步靠近宇宙的J限。如同先驱们曾经做过的一样，我们只能挣脱束缚才能探索新的未知。不过目前我们还没有这个能力。“宇宙之外”成了新的未知领域。

爱因斯坦的相对论关于时间倒流旅行的预言未免让人沮丧。狭义相对论公然宣称时间旅行是不可能发生的，因为D我们达到光速时，质量会增大到无穷大。在我写下这些文字之后，在开车送儿子卢锡安上学的路上，只有六岁的他J此和我展开了形而上学的讨论：“只有一样东西能够以光速旅行啊，爸爸，J是光本身啊！”的确如此。光之所以能做到这一点是因为它没有质量。而物体或多或少都有能量，能量数值等于质量（m）乘以光速的平方（c2），也即爱因斯坦ZM的公式：E=mc2，光的穿梭可谓一刻不歇。光的能量计算公式异常简单且仅由频率f决定，即E=hf，其中h代表普朗克常数，这个微小的常数是自然领域中专为量子所设计的：光的频率越高，则能量越大。光是由一系列的波组成的，但是E=hf这个公式并不能解释光的运动规律。因此，这个公式隐藏了一个迷局，一个现代科学界Z大的迷局。

历史重演，是爱因斯坦发现了光的能量计算公式。爱因斯坦为此做出了他自认为是Z具革命性的迈进，也J是如同大多数人在19世纪将光视为是一种波一样，人们还可以把光视作是一种粒子。这种微小的光粒子J被称作光子。E=hfJ是计算单个光子能量的公式。一束光则会包含许多光子，因此它的能量往往是单个光子能量的整数倍。这一特性也被应用到了货币上。任何金融交易的数额（不管是以数美分计算，还是以数十亿美元计算）Z终结果都会是1美分的整数倍。有一点显而易见，大额交易与1美分之间的“量子”联系被人逐步淡化了。不过J如美分都是货币一样，每个光子都是光。1

实际上，蕴含在光束中的光子在波长不同的色光中可能会有不同的结构。例如，太阳光包含着从红色到紫色的所有可见颜色，每种颜色的光都有自己的波长以及相关的光子结构。如果把光比作货币，太阳光好像是一位光顾货币兑换所的客人，它带着许许多多不同种类的货币（一种货币象征着一种颜色的光），而每一种货币又有自己的分制单位（J像带有能量的光子一样）。

我们从宇宙中所搜集到的大多数信息都是以电磁辐射的形式传递过来的。光学天文学——即用裸眼或是借助望远镜收集可见光光子的传统做法——J是其中一个例子。现在的天文学家所仰望的星空，其所含波长各不相同，几乎包括了从无线电到伽马射线的所有电磁波频谱。不过，对于我们所观察的任何一种光线来说，它们都有相同的速度J限。2因此，正如D你看到这本书时，你所看到的是它在1/1000000000秒之前的样子；D你仰望夜空之时，你看到的是它过去的样子。你看到的月亮跟你1.282秒前看到的月亮是一样的，这是因为月地距离大致为1.282光秒。同理，你看到的太阳跟8.3分钟之前所看到的也是一样的，因为地球与太阳的距离约为8.3光分。也许，J是在“现在”，太阳会突然爆炸，而你却只能在8分钟之后才意识到这一点，结果一切都晚了……

把目光聚焦在太阳系深处，接着我们可以感受到，行星环绕太阳运动时速度是大不相同的：地球与其他行星的距离并不固定，这取决于它们在各自轨道上与其他行星的相对位置。例如，地球与火星之间的距离从4.15光分（两行星距离Z近，即皆在太阳同侧时）到20.8光分（两行星相距Z远的点，即各在太阳一侧时）不等。除非你是美国航空航天局的工程师并负责将宇航器送入另一星球，不然Z好在表述距离时以太阳为参照。光从太阳抵达火星约需12分钟，而到达海王星则需4.16小时。相比于太阳系的疆域，地球与太阳间8.3光分的距离可谓是小巫见大巫了。太阳系Z遥远的星体为奥尔特星云，这是一个充满了冰冻小行星的带状区域，跟太阳以及其他行星的距离大约为1光年。这个气体云中荟萃着46亿年前制造太阳、行星、卫星网络时所收缩变形的许许多多的碎片。

任何2光年直径内的天体（包括我们的地球）都有同一个起源。随着我们走出太阳系，来到陌生的宇宙空间，这些宇宙空间各自都有自己共同的起源及历史。我们可以将这些星系看作是不同的家庭，孩子们有共同的亲本（即初始的气体云），但是接下来他们开始各自为政。离太阳Z近的星系是半人马座，托勒密早在公元2世纪J已将其标记出来。也J是说，你可以在南方天空用裸眼观测到这个星座，并试着说服自己它是状似半人半马的生物。我们在半人马星座中找到了距离太阳Z近的恒星——一个叫作半人马座阿尔法星的三合星，距地球约4.4光年，约合42万亿公里。在这个三合星中，Z近的D属距太阳4.24光年的比邻星。因此，D你在看半人马座阿尔法星（也许你还会错误地认为这是天空中的一颗单D恒星）时，你从这个恒星三合星接收的视觉信息其实是4.4年前的。或许，这些恒星可能早已斗转星移了。不过，我们也能推测它们还在原来的位置上，这是因为我们知道它们的星体种类以及它们在各自生命周期处于何种进化阶段。不过我们J是找不到——也不可能找到——直接证据证明它们仍待在原处。我们目前所观测到的夜空其实是过去历史的集合。

对于身处南半球的人来说，半人马座三面与ZM的南十字星座相接。作为一个出生在巴西的人来说，这个天体的指示性作用在我心中排名D一（远超排在D二位的猎户座）。南十字星座的形象出现在巴西的国旗之上（澳大利亚、新西兰、巴布亚新几内亚和萨摩亚D立国的国旗上也有它的踪影），它代表了我们对天空的忠诚以及对宇宙起源的敬意。毫无疑问的是，这种信仰在16世纪早期被成群的虔诚而贪婪的天主教传教士们所利用，并由此传播到了南美洲；在他们看来，天空中的十字象征着上帝的旨意：南美洲是一块富饶而美丽的应许之地。怀揣着这个信念的传教士纷至沓来，尽其可能地掳走了一切。

在南十字座画一条连接两个纵向恒星的假想线并将其向下延长，这条延长线J会一直指向南天J附近。纵然已在北半球生活数年，但是只要有时间回到巴西的话，我J会不由自主地仰望夜空，寻找南十字座的位置。只有这样我才感觉贴近了那个多年来被自己称作“家”的那片璀璨星空。有趣的是，这个星座是由许许多多与我们相距数百光年的恒星所组成的；我们所看到的十字实际上是一个假象，一个投射在天穹的想象产物。

对于那些对外星生物以及星际旅行感兴趣的人来说，以下内容尤其值得深思。如果我们用目前Z快的飞行器（时速大概为5万公里）驶向半人马座阿尔法星系的话，到达的时间大概需要十万年左右。即使我们能够运用某些新科技造出速度达到光速1/10的飞船的话，我们旅行至半人马座阿尔法星系也需要花费44年。因此，除非我们组织的是为期数千年的大型跨代移民远行或是创造出了前所未闻的全新宇宙旅行科技，否则要想实现星际探险还是任重道远。要知道，这还只是前往距离我们Z近的星系呢！

我们所处的星系——银河系——直径大约为十万光年，即你从银河系一端投射的光将花费十万年才能到达彼岸。换而言之，J在我们探求那些处于银河系边缘的星星时，我们所看见的实际是它们在我们还是智人（“现代人类”的一个分支）时的模样，那时的智人才刚刚开始统治地球。视线回到我们的邻居仙女座星系，从那儿向我们投来的光可以溯源至两百万年之前，D时我们的人类祖先才刚刚开始在非洲繁衍生息呢！

D天文学家仰望宇宙时，他们所见的的确确是过去的历史，从光源发出的光可能来自数百万甚至是数十亿年前。这副图景勾勒出来的是一个不断向外延伸的宇宙，这种情形要比静态宇宙复杂那么一点点。在静态宇宙中，你所看到的即为你所得到的影像：如果可以明确知道物体离地球的距离的话，J能简简单单地通过距离除以光速的方法，计算出光离开此物的时间。因为宇宙的膨胀裹挟着其内部所有星系以及其他光源，那么这些光J会在相同的时间里穿行过比静态宇宙中更远的距离。设想一下，一个游泳者顺流而行可以从水流中得到一个加速度，因此他在相同的时间内要比在游泳馆中游得更远。在这个不断膨胀的宇宙中，一个从距地球26亿光年的物体上发出的光是在24亿年前向我们发射的，而不是26亿年前。两种时间的差距会随着物体间距离的增加而拉大。截至我写这篇文章之时，人类已知距地球Z远的物体达到了惊人的321亿光年。从这个物体发来的光早在132亿年前J已发出，光线穿行的距离要比在静态宇宙中远2.5倍。请记住，宇宙已经有将近138亿年的历史，我们接收这个物体上发来的光的时间几乎涵盖了整个宇宙历史，也J是说此时距离大爆炸的时间仅仅过了6亿年而已。

我确信，如果我这么打比方的话，读者是能够明白我的意思的：在某种程度上，我们势必要踢开砖墙、打碎鱼缸、逾越阻碍我们前行的一切障碍。从理论上来说，这个点J叫作奇点，也即时间的起始。从实践的角度来看，这道“墙”（从电磁辐射收集信息的角度来说）在我们认识到奇点的存在之前J已形成。在大爆炸过去大约四十万年之后，宇宙经历了一次深度的变形过程。要想知道其中缘由的话，请将早期宇宙设想为一个原始粒子聚集体，光子、质子、电子、中子以及少许轻原子核在这里彼此猛烈撞击。 3时间越靠前，宇宙的温度也J越高，这些粒子间的相互作用也J越猛烈。因此，随着时间的流逝，急剧膨胀的宇宙冷却了下来：随着宇宙的成长，这些粒子也J逐渐失去了原有的能量。这种能量流失以及冷却作用使得原本在早前不可能发生的事情成为现实——一个电子和一个质子聚合成为一个氢原子。在此之前，充斥在宇宙空间辐射中的光子能量十分巨大，以至于在电子和质子组合成氢原子之前，它们J会被另一部分电子冲撞，使得聚合过程停止。这是一种紧张的三角关系。只有在光子失去活力后，这种三角关系才以电子与质子之间的结合而告终。结果Z简单的原子得以产生；剩下的光子则从痛苦的爱恨纠葛中解脱，从此在宇宙中无拘无束地四散漫游。这个过程J叫作“重组”，并以此标记宇宙从混沌到明晰的转变过程。4

在重组过程之前，光子纠缠于与电子及质子之间的三角关系，致使自身不能无拘无束地在宇宙空间里穿梭。如果光子不能在宇宙空间中传播的话，我们也J不能察觉到它们的踪迹。早期的宇宙对任何电磁辐射来说都是模糊的：要弄清重组过程之前的情形J好似雾里看花般终隔一层。不过，在重组过程刚刚过去不久，光子终于得以在宇宙中自由穿行。在专业术语中，我们将这种情况称之为物质与辐射的“解耦”。“解耦”的光子散落在宇宙各个角落并组成了“宇宙微波背景辐射”，其余的光子在D一个原子出现时光辉便已冷却。在重组过程中，辐射的温度大约为4000开尔文，即7200华氏度（约3982℃）：这个时期宇宙的亮度跟管状荧光灯差不多。让光来吧！在宇宙膨胀的138亿年之后，这些遗留下来的光子被冷却到了令人发指的2.75开尔文，也即-454.7华氏度（约-235℃）。宇宙至此摆脱稚气，外太空也被冰冷的黑暗所吞噬。

由此我们可以理解水平线的概念是如何引导我们进入宇宙学领域的。在海边，水平线标志着我们视线的J限；但是我们也明白，纵然我们看不见，海洋还是会一直延伸到水平线以下。宇宙也正是如此：宇宙中也有一个水平线，从这里发出的光要在138亿年后才能到达地球，而宇宙的寿命也正好是138亿年。即使宇宙的范围远不止于此，我们却无法接收更远的信号。相对论宇宙学使我们不得不面对宇宙观的J限。从物理的宇宙中，我们可以看到知识的岛屿。

用常规宇宙飞船突破光速实现宇宙旅行的梦想仍十分遥远，也没有迹象表明狭义相对论所做的预言有任何纰漏。但即使在我于此为其辩论时，我们也不能BFB地确定狭义相对论没有疏漏；而我们目前的因果架构以及时间次序并不是议题的Z终结论，这也是不可能的。我们应D在现有的科学知识上构建坚实的论点，但是也要在思想上对意外事件保持开放的态度。盲信科学论点始终不变这一态度是我们应D规避的陷阱。人们关于宇宙本质的观点发生过多次转变，我们应D通过对这些转变的回顾来明确一点——即没有所谓“不可侵犯”的科学架构。改变，才是进步的W一途径。

关于宇宙，人类所知道（或能够知道）的信息都来自于我们所居住的这个宇宙泡泡，它的疆域因为光速以及其扩张的历史原因而受到了限制。但讽刺的是我们受制于宇宙；虽然这个空间不一定是像亚里士多德、哥白尼或是爱因斯坦所认为的那样有所界限，但是确实是一个人类暂时还无法逾越的空间。事实上，我们对“外界”——即宇宙水平线以外的事物一无所知，除非外界信号能够传播到我们的空间。外界空间也许会存在疯狂的生物，粉色的大象机器人也许会在曼巴星球上跳着桑巴舞，但是我们不知道——也很难知道这些事情。

目前我们探索早期宇宙的利器D属宇宙微波背景辐射，也J是那些在重组过程中滞留下来的光子。通过多年以来超凡的观测活动，从宇宙微波背景辐射探险者卫星（COBE）、威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）以及现在的普朗克卫星所搜集到的信息，连同地球上的太空观察数据一道，为天文学家绘制一套全面的宇宙初生状态图景立下了汗马之功。某些从微波背景辐射中得到的数值已经被不同的天文观测证实，这一事实凸显出现代宇宙学已经成为由数据所推动的科学，已然脱离了充斥着猜想的早期阶段。在宇宙形成之初，引力对物体所产生的推搡作用惊人地折射出D今众星系分布的方式，而这些作用也被微波背景辐射光子用细微的温度变化适时地记录了下来。

那么，目前对宇宙的观测对我们有什么启发呢？1先，宇宙的几何形状是平面的，如同（二维）桌面的三维效果：除非是在靠近大质量恒星或星系的地方穿行，不然光在任何方向都是直线传播的。宇宙平面构造只是三种可能的构造理论中的一种。其余两种分别是封闭构造理论和开放构造理论。封闭构造理论认为，如果你从一个方向一直走下去J会回到原点，听起来宇宙似乎类似于球面，但请不要用三维的视角来理解它；而在开放构造理论中，如果我们粗略地以品客薯片表面的形状做比方的话，宇宙呈现出两个方向相异的弧形（马鞍，也经常作为该理论的一个示例比方）。

宇宙中的物质种类及其相对数量决定了宇宙的几何形状，也Z大程度决定了宇宙空间的样貌。宇宙中有两种针锋相对的趋势：其一是膨胀性，这是宇宙在其形成之初由于巨热物体与放射物一道被挤入狭小空间中而造成的；其二是收缩性，来自于宇宙中所有物体的引力作用。任何一种胜利倾向都将决定宇宙的命运：宇宙的膨胀也许会永无止境，但如果宇宙中的物质足够多的话，这一膨胀可能会遭遇逆转，演变成坍缩运动。大爆炸也J会成为大坍缩。

由于爱因斯坦已经预言物质会影响宇宙空间的几何形状，因此上述两种趋势还会决定宇宙的形状。物质密度不足的宇宙（所有物体的引力不够大）会永远膨胀下去，以此形成一个开放的几何形状。使宇宙停止膨胀的决定性单位容积能量被称作“临界密度”，即每个立方米中仅能容纳大约5个氢原子。不断地测量结果显示，一般的原子物质只能达到约每立方米0.2个，远远低于这个临界密度（准确来说，只有后者的4.8%）。5

要使得普通原子达到临界密度J必须加入另外一种被称作“暗物质”的物质。为什么称其为“暗”物质呢？这是因为这种物质不发光，也J是说它们不会发出任何形式的电磁辐射。我们之所以知道它的存在，是因为星系移动的速度快于其本身能够达到的速度。天文学家也在测算那些像幽灵一样围绕在星系周围的暗物质是怎样扭曲星系空间的。这种空间扭曲十分壮观。天文学家通过观察来自遥远物体发出的光在经过邻近星系时所发生的情形，来观测这种扭曲现象。这种现象也被称作“引力透镜效应”，因为它的原理FC类似于普通透镜的功能——使光路在通过镜片时发生折曲。如果把包括微波背景辐射等观测信息加在一起的话，宇宙中暗物质的数量约为普通物质数量的6倍，同时使得宇宙密度达到了临界密度值的25.9%。暗物质的本质（即其成分）仍然是现代宇宙学和粒子物理学的核心谜团之一。尽管我们希望我们对暗物质的认识会随着测算工具的进步而进步，但这跟宇宙水平线的存在有所不同——因为后者是不能克服的局限。

如今，人们更多地倾向于认为组成暗物质的物体是超对称理论中的粒子，而这一理论来自于对D今粒子物理学的延伸，包括自然界的新对称。读者可以通过超弦理论来理解超对称理论中“超”字的意思，前者为整合广义相对论与量子力学的备选理论。截至2014年冬天，人们还没有找到任何关于超对称性理论的证据，尽管数十年以来这一理论一直为一部分物理学家所孜孜追求、狂热支持。不过在目前这个节骨眼上，我们还不明确自然界中有多少怀疑超对称理论的存在。

另一种解释暗物质的方法在于给爱因斯坦的广义相对论挑刺，而不是假定存在一套新的粒子种类。广义相对论给引力作用所做出的解释，只适用于大型星系间。对此，同样没有任何证据证明这个解释也适用于其他一些天文观测并与之契合。对暗物质本质的困惑不解也从侧面凸显了工具驱动科学发现（发现新的宇宙成分）的作用，这些谜题受限于目前科学探索工具的精度和适用范围。我们知道星系有隐秘的一面，但是我们J是不知道这个障眼法究竟是什么。

如果我们只考虑原子、暗物质和辐射（虽然其贡献率几乎为零）的总质量（和能量），那宇宙将是一个开放的几何形状，只有临界密度的30％左右。然而，这并非宇宙的全部图景。如果存在一个宇宙常数或类似之物的话，它的作用会使得宇宙向外延展。回想一下，正是爱因斯坦自己提出的这个常数，使他所认为的封闭的宇宙静态化，而在得知哈勃发现宇宙膨胀定律后将其弃置。在后来的一系列斗转星移之后，有两组天文学家通过测算，相D有力地证明类似于宇宙常数的物质不仅存在，还支配着我们宇宙视野中的一切物体。该测量是于1998年公布的，震惊了物理学界和天文学界。但没有人愿意相信这一点。而随着时间的流逝，这一结果经受住了无数的考验和批评。而且，借助于强大的新工具，我们发现了一些前所未知的物体，同时也让宇宙变得越加神秘。J如同对待暗物质一样，我们知道那儿肯定有些什么，但J是不知道它具体是什么。

2011年，三组科研项目领头人获得了诺贝尔物理学奖，以此表彰他们在发现“暗能量”时所做的贡献。类似于一个宇宙常数，暗能量是一种神秘的实体，它不但能够促使宇宙膨胀，而且能够不断加速宇宙膨胀的速度。更值得注意的是，如果按暗能量对宇宙密度所做的贡献计算，人们会发现该数值略低于临界密度的70％。如果你将所有组成宇宙密度的物体考虑进来的话，结果令人诧异：暗能量不仅远远盖过了其他所有或明或暗的宇宙物体，它们的总数还增加了临界密度。这听起来有些矫揉造作，实则句句属实。相比于其他可能的值来说，宇宙内所有物体的整体密度十分接近于宇宙的临界密度。如今测量显示，宇宙物质的平均密度等于临界值，精度大约有0.05%。

乍一看，接近临界密度的宇宙的确是鬼斧神工。但再仔细一想，能够产生万物的宇宙必须满足各种严苛的条件才行：密度不能太小，否则膨胀速度J会太快，物质便不能受引力约束进而形成恒星和星系；密度也不能太大，否则在星体诞生之前自然J会毁灭。能够产生生命的宇宙必须要达到一定的年龄，这样星体才