时间开始之前的时间

第一节 地球的撤退

1、“宇宙”是什么意思？

在爱因斯坦的相对论确立之后，科学界关于宇宙的定义有了一个公认的概括性描述：宇宙，是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体，是一切空间和时间的综合，是一个时空连续系统，包括其中所容纳的任何物质、能量与事件。

这个关于宇宙的概念性定义很绕口很复杂，但宇宙就是这样，包罗万象、深奥无比。

那么宇宙这个词又是怎么来的？

古人眼中的宇宙是什么样子？

早在2300多年前，中国战国时代的思想家庄子率先提出了宇宙这个名词，他在《庄子·齐物论》中充满激情的幻想自己可以“旁（傍）日月，挟宇宙，为其吻合”。这是“宇宙”这个词语第一次出现在史料中。

其后，汉代的刘安在《淮南子·齐俗》中进一步给宇宙下了一个定义：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”

“往古来今”指的是时间，“四方上下”则指的是空间，时空的统一就是宇宙。

这个简单的宇宙定义和几千年后我们所认可的科学定义极其相似，可见中国古代的智者在创造这个词汇的同时，已经意识到宇宙是一个包含时间和空间的统一体，只有把时间和空间统合起来才能称为宇宙。至于汉语中和“宇宙”通用的“世界”二字也同样蕴含着古人的智慧，是时间（世代）和空间（边界）的合称。

在西方，古希腊人认为宇宙的创生乃是从浑沌中产生出秩序，所以在希腊语中用κoσμoζ 来表示宇宙，其原意就是秩序。至于其他的字母语言体系中，宇宙这个词都是源自希腊，比如在俄语中叫кocMoc ，在德语中叫kosmos ，在法语中叫cosmos；在英语中叫cosmos、universe……等等，不一而足。

总之，宇宙是一个相当深奥的词汇，在不同时期、不同地域甚至不同的研究者，都对此有不同的看法，而且宇宙这个话题本身，也是永无定论，永远处于不断的完善与不断的发现当中，并且常改常新。

2、有限无边的宇宙

在讲述宇宙的历史之前，我们有必要先来探讨一下有关宇宙的两个形容词，也就是茫茫宇宙给我们人类的第一直觉：古老、遥远。

说它古老是指宇宙的年龄，这个年龄久远的要用亿年来计算。

说它遥远是指宇宙的范围，这个范围庞大的要用光年来衡量。

如此看来，古老和遥远，其实就是时间和空间这两个抽象的东西，在我们人类眼中的第一直觉。事实证明，这个直觉非常正确，我们用了许多方法去验证宇宙的古老和遥远。

我们先来看看宇宙的年龄是怎么算出来的。

千里之行，始于足下。

我们脚下的地球是宇宙一部分，还是跟我们息息相关的重要部分，从地球的年龄入手，检验一下我们的科学手段，可以让我们更加直观的对宇宙年龄有一个了解。

那么，地球的年龄有多大了？

很明显，这个问题对于现今的科技来说比较简单，这要得益于现代物理学的一个分支——核物理学。

核物理学告诉我们，在地球上的众多元素中，有一类元素叫做放射性元素。这种放射性元素随着时间流逝，会缓慢的衰变成其他元素，不管是在高温高压的地心深处，还是暴露在凉风习习的地球表面上，这种放射性元素的衰变时间总是固定的。因此，我们只要使用专业仪器测出岩石里已经衰变的元素量，就可以根据衰变速度求出岩石年龄，所以只要测出最古老的岩石年龄自然就是地球的年龄了。但是这种方法也有一个弊端，就是无法确定我们找到的岩石果真是地球上最古老的岩石，万一还有更古老的岩石静静的躺在某个偏僻角落里，那我们的测算将会出现偏差。

幸好，科学家又发现了另外一个证据，就是落在地球表面的陨石——准确测量出它们的年龄就完全可以纠正这个偏差。

经过长期的一系列同位素测算，科学家们发现所有陨石的年龄都和地球上最古老的岩石年龄接近，于是基本判定地球和陨石甚至太阳系都是共同形成的，年龄是大约45.37亿年，也有其他科学家采用别的方法认为地球年龄应该是44.67亿年左右，但是不管哪个说法，对于地球那漫长的地质年代来说，数字上都相差不远。

四十多亿年了，宇宙中一个小小太阳系就这么古老，那些宇宙超深空中的遥远天体说不定还要古老。

总之，通过核物理学让我们知道了地球和太阳系的大致年龄，但是用这个办法却无法测量宇宙的年龄，因为我们人类的科技水平相对来说其实并不高，直到现在都丝毫没有办法去离开太阳系，自然测量不到太阳系外的宇宙实物。

不过聪明的科学家们经过长期观测，发现了宇宙里的一种星星可以解决这个年龄问题，那就是白矮星。

白矮星是宇宙中一种很有个性的星星，它们的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。它最突出的一个特征就是它的温度，这个温度会随着时间的流逝而有规律的慢慢冷却，因此被视为测量宇宙年龄的理想“时钟”。

原理很简单，实际应用却比较麻烦，这些体积很小的白矮星由于温度很低而显得黑暗无比，黑暗到我们的天文望远镜都很难看到它，给实际测算制造了不小的难处。

近年，美国天文学家们利用哈勃太空望远镜观测到了迄今所发现的最古老白矮星，这颗古老白矮星位于地球7000光年之外，发出的光线极其微弱，亮度还不及人眼所能看到的最暗星体的10亿分之一。

在观测它的过程中，哈勃太空望远镜使出了浑身解数，用望远镜上的照相机一直拍摄了67天，才拍摄下迄今最黯淡、温度最低的白矮星照片。如此费劲的观测带来喜人的成果，科学家们根据它的冷却程度和距离、大小、温度等其他相关数据，推算出这颗白矮星冷却到如此程度，所需时间至少在130亿年至140亿年之间，就好似通过余烬的温度去推测一堆炭火是何时熄灭的，而宇宙中再没有比它冷却程度更深的星星了，这几乎可以看做是宇宙的年龄区间，但还是不够精确。

不过人类就快接近到宇宙的真实年龄了，实质性的进展在2010年出现。

这一年的5月，被誉为东方诺贝尔奖的邵逸夫奖把天文学奖颁发给3位美国天文学家，他们被认为在测算宇宙年龄方面取得重大成果。这三位美国科学家使用“威尔金森微波各向异性探测器（WMAP 太空卫星）”，通过分析宇宙空间温度的微小变化，以前所未有的精确度，测量空间温度变化的灵敏度达到百万分之一。结果，宇宙年龄的最终测量结果为137.5亿年，上下误差1.3亿年（根据空间温度来推测其经过多长时间的方法比较专业，我们不需要去深入研究了）。

137亿年，这是迄今为止关于宇宙年龄最新的结论了，基本上被大多数天文学家所接受，成为主流科学界所确认的宇宙年龄。

知道了宇宙的大致年龄后，我们迫切的想要知道，宇宙现在“生长”的有多高多大了？

换句话说，宇宙到底有多远？

想知道宇宙有多远，我们就必须知道天文单位，因为宇宙实在是太大太大了！

在地球上，我们习惯用“公里”来形容空间的距离，比如广州到北京的铁路距离有2300公里，地球的半径为6378公里，可是，一旦离开地球到宇宙空间，“公里”这把尺子用起来就很不方便，比如冥王星到太阳的平均距离为5900224000公里，离我们最近的恒星叫做比邻星，足足远在39923300000000公里之外……。打个比方来说，宇宙飞船“旅行者”号的时速为52000公里，如果我们想搭乘它到比邻星上去旅行，来回一次就要17万年。

这真是难以想象的庞大天文数字，使用起来也比较麻烦，谁都不想每次看到数字就要去查查后面几个零，于是，科学家便决定采用更大的长度单位来衡量宇宙距离，这里头最常用的就是光年。

光年，顾名思义，是光线在一年中所走过的距离，虽然叫做光年，却是一个长度单位而非时间单位。光的速度是每秒30万公里，算下来，一光年的距离就是大约94600亿公里。

以光年来作为计量单位，宇宙中的长度单位立刻变的一目了然，比如银河系的直径大约10万光年，最近的河外星系是220万光年之外的仙女座星系，最远的天体目前还没有定论，但是据称哈勃望远镜已经看到了130亿光年之外的星星！

是的，宇宙就是如此辽阔、如此遥远！

继续下文之前，先澄清一个大家经常遇到的误解。

这个误解就是：宇宙的年龄不是137亿年吗？最古老的光自然就是137亿年前从宇宙深处发出的，那它怎么可能在宇宙中穿梭137亿年以上的时间呢？因为有个别的科学家声称他们观测到了距离地球140亿光年之外的星体发出的光线，难道他们不知道宇宙年龄是137亿年吗？。

这其实是一个误解，乍一看似乎有点道理，但实际上却是错的。因为用光年这个距离单位去衡量宇宙年龄这个时间概念是完全不正确的做法。

举个最简单的例子。

我们抬头看到天上一架飞机，按下秒表10秒钟后听到声音传来，那就可以从声波的速度大致计算出飞机的距离肯定是3500米，但是要知道声波传递的10秒钟内，飞机又往前飞了很远，已经不在发出声波的位置了，所以3500米的距离并不完全正确。这个例子应用在宇宙中对遥远星星的观测，还要加上另一层复杂性，就是宇宙空间是不停膨胀的，那些发出光线的星星并非静止不动，而是迅速远离我们，导致我们看到它发出的光线时，它早已经跑的很远了，这光线传到地球的时间，不是短短10秒，而是动辄千万年、上亿年，如此漫长时间内，光线在膨胀空间中走过的距离必然大于它出发时和地球的距离，甚至有些光线根本到不了我们的视线内就消耗在一直膨胀的空间中，如同跑步机上的履带不断加快速度，让跑步的人永远也跑不到头一样，所以说，看到140亿光年之外的星光是完全有可能的。

既然星光可以从140亿光年之外传来，那么宇宙到底有多远呢？

通过相对论的计算，理论上认为膨胀宇宙的大小概念十分复杂、十分多变，有科学家通过太空卫星的观测结果，谨慎推算出宇宙直径大概930亿光年的结果。我们要注意的是，930亿光年这个数字仅仅是理论上的预测，还没有得到证据的支持，其他人还有着其他理论去支持不同数字。

说到底，宇宙的大小目前并没有公认的数字，在宇宙边缘的空间膨胀速度可能是光速，也可能快于光速，在那些地方的时空概念将会很模糊，很有可能和我们所理解的时空有相当大的差距，这些差距还在随时的改变之中。

直径？难道宇宙的形状是一个大圆球？

我们不知道，科学家们也不知道，这个概念太大了——谁也不能跳出宇宙之外去看宇宙的形状，只能猜测说宇宙的形状可能是球形，也更可能是“有限无边”的形状。

“有限无边”是什么意思？听起来似乎有点矛盾，“有限”怎么能“无边”呢，这不是互相矛盾吗？

不矛盾，有限无边说明我们的宇宙不是无限，而是有限的一个时空。

我们试着用地球来理解一下“有限无边”的含义。

地球的表面积是有限的，这通过地球半径的长度数据可以很容易的计算出来。但是，地球表面又是没有边缘的——从地球表面的任何一点向任何方向前进，都无法找到一个边界离开地球，无论怎么去找，最终都只能回到出发时的地点。

宇宙的“有限无边”与此同理，只不过地球表面是二维平面，宇宙是三维空间而已。但是宇宙到底什么形状，还是无法确定，因为符合“有限无边”条件的形状有很多，并非球形一种，轮胎形和克莱因瓶形也符合“有限无边”的条件。

图：宇宙的可能形状

“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。只能希望在未来的某一天，科学家能够解开这个谜题，告诉我们宇宙到底是什么形状的。

3、宇宙大尺度

宇宙中，星光点点。

我们的太阳是其中一颗普通的恒星，是没有伴侣的一颗单星，而宇宙中的多数恒星常常是两颗、三四颗、十几颗到几十万颗聚集在一起，分别叫双星、聚星和星团，这些单星、双星、聚星和星团又聚集在一起形成星系，亿万年来都很难把它们分开，构成了宇宙的组成基石。

太阳所在的星系在宇宙中算是大型星系，叫做银河系，共有数千亿颗恒星。而宇宙中和银河系差不多的星系还有数千亿个……宇宙，相当的浩瀚。

宇宙中的相邻星系会受到彼此引力影响，组成更大的星系团。比如银河系就和最近的50多个星系一起组成了本星系团，在宇宙空间中占据一块1000万光年左右的地盘。本星系团中只有银河系和仙女星系两个大星系，其他成员基本上都是小星系。

星系团之间也有引力影响，它们会受到彼此的引力影响，组成更为庞大的“超星系团”。比如银河系所在的超星系团叫做“室女座超星系团”，直径至少2亿光年，除了本星系团之外，还包括100多个其他星系团（其中总共有2500多个星系）。其形状类似平底锅里的薄饼，正在自转和膨胀，银河系只是其中很小的小单位，位于室女座超星系团的边缘和其他所有成员星系一样，围绕着本超星系团中心作公转运动，银河系的公转周期大约是1000亿年。

但是本超星系团还不是最大的宇宙尺度——距银河系约2亿光年的地方潜伏一个巨大的未知引力源，不停牵引着本超星系团，这个极其神秘的质量核心，目前还在不停的自转着，吸引着本超星系团向着它不断公转前进，连同周围的超星系团比如武仙超星系团、北冕超星系团、巨蛇-室女超星系团等一起组成更大的超超星系团。

但这还不是最大的结构…………有消息说，在总共131亿光年直径的可见宇宙中，存在直径20多亿光年的大型公转结构，差不多占了宇宙五分之一那么一大块区域！这是什么结构，科学家是在不得而知吧。

如同下图所示，宇宙的大尺度模拟图片中每一个亮点就是一个最基本的象我们银河系一样的星系，看起来似乎是一个蜘蛛网样的结构（这是天文学家们根据实际观测所作出的电脑模拟图）。

图：宇宙大尺度电脑模拟图（其中每一个亮点都是一个星系）

我们的宇宙就是按照恒星、星系、星系团、超星系团、超超星系团……阶梯状越来越大。不得不说，这个大尺度结构是很精巧的，它们依靠强大的超距引力（也可能不是引力）彼此影响，还会公转和自转，这些蜘蛛网形状汇聚出的整体形象是什么样子呢？总体看起来又是啥样？

答案很简单：我们不知道，根本无法知道，这也就是宇宙到底什么形状的终极问题。

我们的时空不能延伸到我们的宇宙之外，我们永远不能跳到我们的宇宙之外去观看我们的宇宙是什么样子的，所以谁也无法将宇宙的形状尽收眼底。

尽管不知道，天文学家取得目前成就也仍然是一种奇迹，因为对于宇宙来说，渺小的人类可以算出这么遥远的距离，到底是怎么算出来的？

这要归功于宇宙中存在的众多量天尺，通过量天尺让我们知道了许多星系和恒星的距离。而量天尺并非一开始就被发现的，天文学家花费了许多年才找到这把“量天尺”。

那么，什么是“量天尺”呢？

很久以前，古人把天上的恒星描绘在纸上，用想象的线条连起来，形成一个个图案并为之命名，这就是星座。其实，组成星座的恒星和星系在宇宙中可能没有任何联系，距离也相差十万八千里，仅仅只是一种平面的投影关系，并且每个星座内都包含有大量的河外星系。这些恒星和星系距离我们实在太远。以至于看起来象是停留在某块区域一动不动，我们于是把这些区域划定为某个星座，再把所有星座画在一起就构成了全天星图。

仙王座是全年可看见的拱极星座之一，特别是在秋天的夜晚里更加引人注目，它紧挨北极星，与北斗七星遥遥相对，大部分身体沉浸在银河之中无法看到。但这个星座中有一个δ（希腊字母，发音德尔塔）星，我国古代管这颗星星叫做造父一（造父是我国古代传说中一位善于驾驶马车的人）。

造父一的亮度会随着时间变化，而且这种忽明忽暗的亮度变化很有规律，变化周期甚至可以精确到5天8小时47分28秒，后来又发现宇宙中象这样亮度周期性变化的星星还有很多，于是科学家们把它们统一命名为造父变星。

造父变星的亮度变化时间有长有短，但基本上可以认为，相同亮度的两颗造父变星，它忽明忽暗的时间是一样的，所以，我们在测量不知距离的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，就能从其亮度推算出它和地球的距离，因此，造父变星被人们誉为“量天尺”。它们不仅可见于银河系的边远角落，而且明暗交替的变化还使它们显眼于无数河外星系的众星之间。

有了造父变星，就有了相对准确的量天尺，让我们可以更好的测量宇宙间星体的距离。

浩瀚的宇宙，古老而且遥远，我们认识到这一点是数千年的知识积累，而宇宙的历史，也就从这一点一滴的积累中，徐徐展现在我们面前。

4、没有昨天的那一天

一切事情都有开始，世间万物，莫不如此，宇宙也不例外，它不是永恒的无始无终。

宇宙的开始，起源于137亿年以前，在那遥远年代的一个瞬间，突然发生了一个大事件，这个大事件导致了整个宇宙的发展，并且最终产生了各个星系、各个恒星、地球和生命，甚至构成身边所有一切的每个原子。

现代的宇宙天文学上有一个专门的称谓来特指这个大事件，叫做——大爆炸（Big Bang）。

科学界为什么会认定大爆炸是宇宙的起点呢？

这个大爆炸一直都很直观的呈现在我们眼前，只是我们一直没有看到。

20世纪20年代，美国科学家埃德温·哈勃在观察星空时惊讶的发现一个事情：漫天繁星、所有可观测到的星体竟然都在离我们远去，远离的速度还相当快。

于是，所有的科学家开始认真地仔细观测，经过许多次实际观测后，大家不得不承认，这是一个事实。

宇宙怎么会这样？我们的地球、太阳系、银河系出了什么差错，会让所有的星星都远离我们？

科学家们抱着巨大的好奇继续观测，最终发现，不仅仅所有的星星在远离我们，这些星星之间，所有的宇宙天体之间都在彼此远离，而且距离地球越远的星星，飞奔离去的速度就越快。

科学家们开始思索，思索这其中的奥妙、其中的原因。

逐渐，有一个假设，被越来越多的科学家所承认：既然所有的星星都在彼此远离，那么若干年以前，这些星星应该离的很近，甚至有可能都聚集在一个地方！

这个假设最终产生了科学界的“大爆炸理论”，这也是迄今为止最合理、最受认可的宇宙诞生方式。

试着描述一下宇宙的成因，就要把这些互相远离的天体全都拉回去，拉回到137亿年以前，这点点繁星将会不可思议的浓缩成一个密度极大、体积极小的小点，比一个原子的最小构成部分还要小！

就在这连时间都不存在的一片虚无中，这个小到不能再小的小东西突然爆炸了！

随着耀眼的闪光，里面的所有东西全被炸了出来，从那一瞬间开始，构成宇宙的一切物质基础全都有了，宇宙就这么开始，这也正就是我们所说的“大爆炸”。

我们无法知道137亿年以前是什么情况，但我们要注意的是这个“以前”，并不是普通意义上的“以前”，因为从“大爆炸”那一刻开始，宇宙才第一次有了时间，而在时间出现之前，还没有时间存在，一切的一切都无法用时间来衡量，在天文学上只能含糊地把那个时间叫做“以前”。所以，发生在137亿年以前的那场“大爆炸”，是没有昨天的那一天，世间万物，所有的一切都要从那一瞬间开始。

大爆炸，是个相当直观的理论，尽管还不够精准，自身也存在一些疑点，却依然很深刻的揭示出宇宙成因。

一开始，科学家们也并不愿意相信“大爆炸”理论，但是除了这个解释之外其他理论全都说不通这个宇宙膨胀的事实，而且这个名词本身就是一个矛盾的说法，是非常不准确的定义，所谓的大爆炸既称不上大，也更没有爆炸的隆隆响声，为什么呢？

说它不大，是因为我们知道宇宙开始的时候是一个小的不能再小的“点”，甚至有可能比一个原子核还要小，根本谈不上有多巨大；说它没有隆隆响声，是因为当时还没有气体来传播震动，自然不可能有声音出现，但是就这么一个不准确的定义，我们却一直沿用至今，因为实在没有更恰当的词汇来形容那一瞬间的神奇。

此时此刻的今天，我们所看到的和听到的、所尝到的和闻到的，包括我们所接触到的一切，都是在大爆炸那一瞬间发生之后。而人类宇宙天文学所解释的现象，也全都是大爆炸发生以后的事儿，没有人知道大爆炸之前的任何事情。

大爆炸的理论并非幻想和猜测，我们有着可信的大量观测记录和计算结果，通过严密的推导，才演变出现代宇宙的模型，让人大致明白了它从何而来，又将怎样演化，而这项工作到现在还远未结束，每时每刻都依然在继续进行中。

“大爆炸”是宇宙进化的科学理论，现在已经变成了宇宙天文学的基础理论，那些硬不接受的人会被视作无知，但是接受和理解又是两回事儿，再正确的理论也不能给出一切疑问的答案，比如说：

在爆炸的一瞬间之前，原来有什么？

——我们不知道；

这个点是如何形成的？

——我们也不知道；

为什么发生了爆炸？

——我们依然不知道。

宇宙膨胀到最后会怎样，是死亡还是永生的循环？

——还是没有人知道。

………。

但是，我们知道的是：科学总是由不知道开始，或者由知道的并不详细开始，随着技术手段越来越先进，随着新的发现越来越多，不知道会变成知道，不详细的会变的越来越完善，这从本质上说，其实就是科学的进步、人类的进步。

5、太阳中心

一年又一年，我们的大部分时间，都被困在我们脚下的星球，要讲述宇宙的历史必然要从地球开始。

地球，金属内核外包着岩石和空气，表面大部分是水，充满各种各样的生物，大约24小时自转一圈，围绕一颗叫做太阳的恒星，每365天转一圈。

太阳，形成于45亿年以前，很大很热，表面温度约摄氏5500度，主要成分是氢和氦，它能通过自身的力量在每秒钟内把7亿吨的氢变成6.95亿吨的氦，而且从不间断，这其中消耗掉的0.05吨氢就转化成了无穷能量（本质上就是无数原子弹在不停爆炸），向外发光发热，带领着地球和其他7个行星——从水星到海王星——以大约每天1900万公里的速度在银河系偏外一点的轨道上运转，成为银河系的一个普通成员。

银河系，大爆炸发生后很早就诞生的古老星系，包含数千亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃，总质量达到太阳质量的1400亿倍，围绕着本星系团的核心自转又公转。

庞大的银河系又和数千亿个其他星系，组成了我们的宇宙。

这就是宇宙，很大很大，非常、非常的大，并且还会更大，还在不停的膨胀中。

这些知识我们是怎么得到的？

我们又是怎么弄清楚这些理论的？

现代宇宙观又是如何形成的？

其实，关于这个问题的探索早就已经开始了，在没有人知道“大爆炸”之前，在没有人知道什么是“天”之前，甚至在科学尚未存在之前，我们的祖先就已经在探寻这一切，探寻着我们的起源。

人类的祖先生活在环境艰苦的地球上，白天看着带来温暖和生命的太阳，晚上看着星星和月亮，感受着四季的交替，天气由温暖到寒冷的过程。他们要想生存下来，就要了解周围的世界，用肉眼和最简单的建筑去预测和解释自然，用仅有的一点点成果来决定何时播种，何时收获，从这里面自然而然的诞生了原始天文学。

不可否认，简单的观察会产生简单的基础性错误，古人眼中的宇宙学基本上都是错误的：太阳跨过白天，星星划过夜空，就象地球是固定的，天空上的一切都在绕着我们旋转，那么我们人类所在的地球自然就是一切的中心、世界的中心、宇宙的中心。

但是，我们现在知道这是非常错误的观点，因为地球不是固定不动的，也更不是什么宇宙的中心。（现代有人认为宇宙浩瀚无穷，从地球每个方向出发都观测不到边界，从这个意义上来说的地球也可以算是宇宙中心，但我们认为这样的中心没有意义，因为到处都是中心，也就到处都不是中心。）

人类的宇宙天文学一步步走向成熟的历史，也就是地球从人类自封的宇宙中心，一步步撤退到宇宙普通地位的历史。

历史上，试图发现宇宙结构，找出地球处于何等地位的理论，从古到今有许多许多。

三千多年前，古希腊地区的爱琴海人已经懂得使用铁器，兴起了许多城邦，中国则是进入了兴盛的西周初期，那时候的古人观测天穹，误以为天空是一个倒扣的锅，而大地是平的，这就形成了人类最早的宇宙结构学说“盖天说”：天是圆形的，象一把张开的大伞覆盖在地上，地是方形的，象一个棋盘，日月星辰则在大伞上移动，因此这一学说又被称为“天圆地方说”。

图：古人的盖天说模拟图

盖天说是古人在简单观察的基础上得出来的结论，经不起仔细推敲。

到了中国的战国末期，关于宇宙星空的理论又出现了“新盖天说”：天和地并不相交，天地之间相距8万里，最高点便是北极。晚上我们看不到太阳，并不是太阳落到地下面，而是到了我们看不见的地方，就象一个人举着火把跑远了，远到我们看不见为止。

新的“盖天说”理论对宇宙结构的认识前进了一大步，而且对古代数学和天文学的发展产生了重要的影响。同一时期，世界上最早的天文学著作，中国的《甘石星经》横空出世，书中不仅详细记载了金、木、水、火、土五大行星的运行规律，以及 800多个恒星的名字，还确立了日食和月食本质上是天体相互遮挡的观察结果。

天文学的理论发展到西汉末期，一种比“盖天说”再进一步的理论出现了，也就是中国天文史上的“浑天说”：天地象一个鸡蛋，天之包地，犹壳之裹黄，天就是鸡蛋的外壳，地则是蛋黄，孤居于天地中，天将地包裹在里面，日月五星都附于“天球”上运行，这与现代天文学的观点十分接近。

浑天说最初认为：大地不是孤零零地悬在空中的，而是浮在水上。后来又认为大地浮在气中，因此有可能回旋浮动，这是人类首次意识到大地有可能是移动的，还有着自己的移动规律。

图：古人的浑天说模拟图

中国古代的科学家张衡则是浑天说也就是地球中心说的集大成者，他在一生中观测记录了2500颗闪烁的星星，创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的浑天仪，可以精确的观测星空。从此，盖天说渐渐没落，以地球为中心的想法在中国古代天文学领域确立了统治地位，一直延续到明代，从西方传来新的日心说理论为止。

我们再来看看西方天文学发展的历程。

与张衡同时代的古希腊天文学家托勒密，也提出了和张衡基本相同的宇宙结构学说，即“地心说”：宇宙是一个有限的球体，分为天地两层，地球位于宇宙中心，所以日月围绕地球运行，上帝推动了恒星天层，恒星天层才带动了所有的天层运动，而人类居住的地球，就静静地屹立在宇宙的中心。

托勒密利用前人积累和他自己长期观测得到的数据，发现了行星的运动规律，可以用一系列非常复杂的圆形轨道来推导，但他的模型尽管符合一部分观测情况，却没有改变地心说的错误基础，并且还过于复杂难懂。

需要注意的是，托勒密尽管能够给行星定位，也可以算出行星在以前和将来的出现位置，但这只是证明了数学的伟大，和宇宙天文学无关，不过有些遗憾的是，使用数学来推导宇宙的方法，从此之后在西方国家一直沿用了几个世纪。

漫长的1400年过去后，到了16世纪的欧洲，也就是中国明代万历年间，波兰的天主教会有一个神职人员，这个神职人员的日常工作是收房租和照顾病人，他的名字叫做尼古拉·哥白尼，闲暇时对天文非常感兴趣，他的大多数时间都为了搞不懂托勒密的复杂地心说而苦恼，后来，哥白尼终于想出了一个变通方法，在托勒密的宇宙模型中，很聪明的把地球从宇宙中心拿了出来，而把太阳换到中心……。当哥白尼这样做的时候，也就是让行星绕着太阳转时，他发现水星转一圈要3个月，土星走得慢，转一圈用30年……托勒密那个复杂到极点的宇宙模型，在新模型面前变的苍白无力。

于是，哥白尼在自己的研究笔记中写到：……没有其他办法，可以象日心说这样合理的解释行星轨道和周期。

原来太阳才是我们世界的中心，竟然不是天在动，而是我们在动。

图：哥白尼的日心说示意图

哥白尼用一个全新的理论向旧理论发起了挑战，被挑战的一方不仅仅是不同观点的天文学家，背后还有在欧洲拥有极大权力的教会。因为这种新理论不可避免的给教会带来了慌乱，教会一直宣称我们处于上帝国度——上帝创造了地球，人类是他的形象，那么地球和上帝的子民，必然也应该是万物的中心，而日心说，就和这种根深蒂固的思想有了尖锐冲突。

可能是害怕教会的追究，哥白尼一直没有公布他的理论 ，直到1543年，他在临终前的病床上才发布了他的研究理论——《天体运行论》。

有意思的是，日心说是由教会出身的哥白尼所创立，这个理论在西方世界普及却又是因为教会的力量。

乔尔丹诺·布鲁诺，出生于意大利的一个小镇，年轻时进入修道院学习，后来被任命为神父，是一个对宗教的狂热信仰者，他在28岁时候因为信奉其他宗教被基督教会开除，不得不出国流亡在瑞士、法国、英国和德国等欧洲各地。

当时的欧洲，正处于文艺复兴时期，布鲁诺则是致力于复兴一种古老的埃及宗教，这个秘密宗教只崇拜太阳，而哥白尼提出的日心说正好符合这种宗教的教义，所以布鲁诺举起了宣传日心说的大旗，在欧洲各地大力推广哥白尼理论，试图进行一场宗教革命让自己信奉的秘密宗教占据一席之地，但这个新宗教被基督教会所不容，自己也最终被烧死在罗马的火刑柱上，只不过日心说经过他的大力宣传，在欧洲开始深入人心，其中一个伟大后果则是给德国天文学家开普勒铺平了思想道路——为太阳中心说找到了新的证据。

出生于1571年的开普勒，是实践观察科学的先驱，他在蒂宾根大学学习期间，接触到了日心学说，并且很快相信了这一学说。1609年，开普勒在《新天文学》一书中宣布，他用实际观测资料证明行星是沿着椭圆轨道围绕太阳运动。

开普勒有着珍贵的天文数据，来自于他多年积攒下来的实际观测，他整理数据，根据计算得出的行星运动定律，比起哥白尼更加前进了一步，也让我们距离大爆炸理论更近了一步。

开普勒的行星运动定律认为行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转，而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上，并且行星离太阳越近则运行就越快，距离太阳越远，它的运转周期就越长，这其中必然有某种原因在起作用，可惜开普勒苦苦思索了一辈子也未想出原因：为什么当行星靠近太阳时，速度快，当他们远离太阳时就慢下来，行星运动为什么会遵循这样古怪的定律？

于是，一个宇宙的谜题解开了，新的谜题随之产生了——太阳可以给行星提速，这到底是怎么回事儿呢？

6、伽利略的选择

科学和教条在争辩中来到了17世纪，把这个谜题摆在了伽利略的面前。

要知道，科学家提出一个理论容易，去验证它则是一件非常困难的事情，但是意大利天文学家伽利略做到了，他继承哥白尼和开普勒的理论，用无可争议的证据验证出太阳才是太阳系的中心，也正因为如此，他被西方誉为“近代科学之父”。

伽利略取得如此成就，是因为他使用了一个新技术来改变历史的进程——望远镜。

在某种意义上来说，望远镜是一个革命性的科学仪器，这个发明的出现，就象暗夜的火炬，为以后的科学道路指明了发展方向。望远镜到底是谁发明的已经无关紧要，重 辨别出 要的是怎么去用它，是拿来去看别人的窗户，还是观察宇宙？

伽利略在1609年自己研磨镜片，做出一个放大30倍的望远镜，这个发明在当年肯定是空前的新技术，他就用这个望远镜去看金星的位置。

图：伽利略和他使用的望远镜，这是科学史上的一个里程碑

伽利略看到了最清晰的、有细节的从来没有人看到过的天象，而且这一看从此完全改变了天文学的观点：夜空中竟然有着成千上万的繁星、离我们最近的月亮上全都是坑、木星有好几个卫星、土星则是长着一对“大耳朵”、最伟大的发现是他看到金星和月亮一样有“阴晴圆缺”，也会被太阳挡住，这个发现充分证明金星在绕日旋转，也就证实了哥白尼的日心说理论是正确的！

地球不是中心，太阳才是，这是真的。

哥白尼开了个漂亮的头儿，开普勒做了数学和测量上的推演，伽利略证实了，伽利略看到了，伽利略很实在的把地球推出了宇宙中心，证明地球只是行星中的普通一员。

望远镜是个转折点，分离了古代天文学和现代天文学。

数百年来，教会都在告诉所有人说地球是宇宙的中心，但是伽利略却用事实证明教会的这个观点是错误的，致使教会有遭到社会责难的危险，所以教会对伽利略进行了警告，指出他的研究成果只能用做科学研究，不能用来指责教会，至于对地球和宇宙的描述，则只能由教会专门解释。

伽利略有能力表达他的想法，也解释的很清楚，可是他发布日心说证据之前没有先得到教会的认可，更没有通过教会去发布，所以在1633年，伽利略来到了罗马，接受教会的审讯。这样的审讯让伽利略面临着一个选择：是放弃日心说？还是坚持日心说？

很明显，伽利略是一个非常虔诚的天主教徒，他的两个女儿都是修女，当时的教皇乌尔班八世也是他的好友，并且伽利略用海水流动、潮汐涨落来作为日心说的辅助证据，被许多人证明是错误的，所以，伽利略不得不在教会面前宣布自己放弃了日心说，然后在无比优待的监禁中度过了余生，直到去世后一百多年，他的书才被解禁。

其实，教会的说法和科学研究并不冲突。红衣主教巴罗尼就说的很清楚：圣经是教我们如何进天堂的，而不是教我们天堂是如何运转的。

伽利略是第一个现代科学家，引入了望远镜作观察来证实理论，大胆挑战教条，更难能可贵的是他不小心发现了一个线索，可以解决开普勒思索一生的难题——太阳是如何给靠近自己的行星提速的？

这个线索其实大家都知道，我们在中学的物理教科书上已经学过——比萨斜塔上的自由落体实验：证明了物体的下落速度与物体的重量无关。

事后看来，这是一个非常宝贵的线索，但可惜的是当时的很多人都没有意识到这一点，直到时光飞逝，伽利略之后的另一个天才人物登场，此人将把这个宝贵线索和宇宙星空联系起来，让我们距离大爆炸理论再近一步，而这个天才人物的名字叫做艾萨克·牛顿。

艾萨克·牛顿，一个凭借超然智力取得惊人成就的科学家，生于1643年的英格兰林肯郡，他最大的贡献是创立了经典物理学，使科学史上绽放出了数学的魅力，这是他最了不起的成就。最早的开普勒意识到太阳象是一颗磁铁，但他不知道行星是否也象磁铁一样具有吸力？开普勒之后的伽利略证明了下落物体的速度与重量无关，但他不知道为什么会无关？

成功往往源自积累，牛顿也是这样。他在二人的基础上大大前进了一步，把开普勒和伽利略的理论合并一体，认为导致苹果落地的力量和导致行星围绕太阳旋转的力量是一回事儿，属于同一种力，叫做万有引力。

简单来说，行星落向太阳和苹果砸到脑袋上有着同样的秘密，这个秘密就是万有引力在其中发挥作用——任何有质量的物体，对其他有质量的物体都有引力，月亮吸引着地球上的海洋，地球吸引着月亮绕自己转，太阳吸引着地球和其他行星一起转动……相近物体总会产生引力，甚至地球的椭圆形状，都可以用引力来解释。

牛顿不止发现了引力，还给出了可证明的公式，显示引力是一种能量，是作用于宇宙间的一切物体的力量：太阳具有引力，才吸引住地球和行星不会飞入遥远的太空；地球具有引力，才吸引住月亮不会逃走，吸引住地面上的物质不会离开地球，万物运行都遵循这一个物理学规律。

引力，想一想，真是太奇怪了！地球怎么知道太阳在哪儿？就这么飞过去饶着它旋转，太阳要是突然没了怎么办？

这些问题牛顿也不知道答案，虽然他给出了万有引力定律，但他没有解释，甚至不知道力的本质、力的来源！这个难题需要很多年后的量子力学来解答。

两百年后，阿尔伯特·爱因斯坦达到了牛顿的高度，不止刷新了物理原理，还解释了原理，给世人开辟出一个全新的宇宙观，让现代人都生活在爱因斯坦的宇宙中。