·第2章·
宇宙演化的图像

尽管迟至克里斯托弗·哥伦布时代，人们还普遍认为地球是平坦的（甚至至今仍有人这么认为），我们可以把现代天文学溯源到古希腊。公元前340年左右，希腊哲学家亚里士多德便撰写了一部题为《论天》的著作。在该书中亚里士多德对地球是一个圆球而不像一块板子那样平坦的信念进行了有力的论证。

一个论证是基于月食。亚里士多德意识到，月食的产生是地球运动到太阳和月球之间引起的，这时地球把它的影子投射到月球上，导致月食发生。亚里士多德注意到，地球的影子总是圆的。如果地球是一个圆球，这正是你所预料的结果，如果它是一个圆盘，就不会这样。如果地球是一个平坦的圆盘，则只有当月食发生在太阳位于圆盘中心的正下方的时刻，它的影子才能是圆的。而在其余的时候影子将会被拉长成椭圆的形状（椭圆是拉长的圆）。

关于地球是圆的，希腊人还有另一个论证。如果地球是平坦的，你可以料想到，从地平线驶来的船首先表现为一个看不清特征的小点。然后，随着它的驶近，你将能够逐渐识别出更多细部，诸如它的帆和船身。但事实并非如此。当一艘船呈现在地平线上的时候，你首先看到的是船帆，船身随后才进入视线。高耸在船身上的桅杆首先露出地平线是地球为球体的一个证据。

海船出现在地平线上

因为地球是一个球体，所以一艘从地平线上驶来的海船，它的桅杆和船帆先显露出来，随后才是船体。

对于夜空，希腊人也给予了极大的关注。直到亚里士多德时代，人们已经在几个世纪里记录了光点在夜空中如何运动。他们注意到，虽然他们看到的成千上万的光点几乎全部似乎一起穿越天穹，但是其中的5个（不算月亮）例外，它们有时离开由东向西的规则轨道逆行，然后又循原路倒退。这些光点被称做行星——希腊语的意思是“漫游者”。希腊人之所以只观测到5颗行星，是因为肉眼只能观察到这5颗行星：水星、金星、火星、木星和土星。现在我们知道行星们为何沿着这种不寻常的路径穿越天空：尽管恒星和我们的太阳系相比较几乎完全不动，而行星围绕着太阳公转，这样它们在夜空中的运动轨迹比遥远的恒星远为复杂。

亚里士多德认为地球是静止的，而太阳、月亮、行星以及恒星沿着圆形的轨道围绕着地球运动。他之所以有这个信念，是因为他觉得由于一些神秘的原因，地球是宇宙的中心，而圆周运动才是最完美的。公元2世纪，另一个希腊人托勒密将这个观念转变成一个完备的天空模型。托勒密对他的研究极度狂热，他写道：“当我快乐地凝视着密布的恒星群进行圆周运动时，我像是双脚凌空，飞上天穹。”

在托勒密的模型中，8个旋转的圆球围绕着地球，每一个圆球依次比前一个圆球更大，这有点像俄罗斯套娃。地球处于这圆球的中心，而位于最远的圆球之外为何物，从未弄得很清楚，但是它肯定不是人类可观测到的宇宙部分。于是对于宇宙而言，最外面的圆球是某种边界或者容器。恒星在该球面上占据固定的位置，所以当它旋转时，恒星间的相对位置不变，它们作为一个整体，一起旋转着穿越天穹，正如我们所观测到的。内部的圆球携带着行星，它们不像恒星那样被固定在它们各自的圆球上，而是沿着它们的圆球面上的小圆周运动，小圆周又称为本轮。由于行星球旋转，行星本身又在它们的圆球面上运动，因此相对于地球，它们的轨道就显得复杂。托勒密正是以这种方法解释这个事实，即观测到的行星轨道比穿越天穹的简单圆周要复杂得多。

托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了一个相当精确的系统。但是为了正确预言这些位置，托勒密不得不假定月亮沿着这样一条轨道前进，在这一轨道上，月亮和地球的距离有时是其他时刻的一半。这就意味着，月亮在某些时刻看起来应当显得是其他时刻的2倍！托勒密承认这是个瑕疵，但是尽管如此，他的模型仍然被普遍地，虽然并非无异议地接受。它在固定的恒星球之外为天堂和地狱留下了大量的空间，由于这一极大优势，基督教会把它当成和《圣经》相符的宇宙图像。

托勒密模型

在托勒密模型中，地球位于宇宙的中心，8个携带当时已知天体的圆球围绕着它。

然而，1514年波兰教士尼古拉·哥白尼提出了另一个模型。（起先，也许哥白尼害怕被教会谴责为异教徒，所以将他的模型匿名地流传。）哥白尼拥有革命的观念，即并非所有天体都必须围绕地球公转。事实上，他的观念是太阳静止地位于太阳系的中心，而地球和行星在围绕着太阳的圆周轨道上运动。和托勒密模型一样，哥白尼的模型相当成功，但是它和观测并不完全符合。由于它比托勒密模型简单得多，人们也许以为它会被欣然地接受。然而，这个观念几乎花了一个世纪才被认真接受。此后，两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利的伽利略·伽利雷开始公开支持哥白尼理论。

伽利略于1609年开始使用刚发明的望远镜观测夜空。当伽利略观测木星时，他发现几个围绕着它公转的小卫星或月亮伴随着它。这意味着，事情并不像亚里士多德和托勒密所认为的那样，一切都必须直接地围绕着地球公转。在同一时期，开普勒改进了哥白尼理论，提出行星沿着椭圆而非正圆运行。由于这种改进，理论预言一下子就和观测符合起来。这些事件宣告了托勒密模型的死亡。

尽管椭圆轨道改善了哥白尼模型，就开普勒而言，这还仅仅是权宜的假设。那是因为开普勒关于自然的观念不是基于任何观测，而是先入之见：正如亚里士多德一样，开普勒朴实地相信椭圆不如正圆完美。他觉得行星沿着如此不完美的轨道运行的思想太丑，不可能是最后的真理。还有一件使开普勒烦恼的事，他认为磁力迫使行星围绕太阳公转，而椭圆轨道无法和他的这个思想保持一致。尽管他的行星轨道起因于磁力的观念是错误的，我们还是应该把必须有一个力才能引起运动这一认识归功于他。1687年，当艾萨克·牛顿爵士发表了他的《自然哲学的数学原理》，这部很可能是物理科学中有史以来最重要的著作之后，才正确地解释了行星围绕太阳公转的原因，不过那已是很晚的事了。

牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出一个定律，这个定律陈述道，除非有一个力作用在静止的物体上，否则所有这些物体自然地保持在静止状态。牛顿还描述了力的效应如何使物体运动或者改变物体的运动。那么，为何行星以椭圆轨道围绕太阳运行呢？牛顿说，这是由一种特别的力引起的，并且宣称这和你释放物体时，使之下落到地面上而不保持静止的力相同。他把那种力命名为引力（牛顿之前，引力这个词的意思要么是严肃的情绪，要么是庄重的品质，而没有别的意思）。他还发明了一种数学，它在数值上可以算出当一个力，比如引力，拉拽物体时后者的反应，而且他解出获得的方程。他能够用这种方法证明，由于太阳的引力，地球和其他行星应该在一个椭圆轨道上运行——正如开普勒所预言的那样！牛顿宣称，他的定律适用于宇宙中的任何东西，从正在下落的苹果直至恒星和行星。这在人类历史上首次按照定律，既解释了行星的运动，也确定了地球上的运动。它既是现代物理学，也是现代天文学的开端。

抛弃了托勒密球的概念，就不再有任何理由去假定宇宙有一个自然的边界，最外面的球面。而且，因为地球围绕自己的轴自转，恒星就显得似乎在进行穿越天穹的旋转，除此之外，恒星看来是固定不动的，那么认为恒星是像我们太阳一样的，但却非常遥远的物体，就顺理成章了。我们不仅放弃了地球是宇宙中心的思想，而且，甚至认为太阳，也许我们的太阳系在宇宙中都不占有独特的地位。世界观的这一改变象征着人类思想的深刻转变：这是我们现代科学对宇宙理解的开端。