3.1 在宇宙论中牛顿理论的困难

除上一章第四节所讨论的困难外，经典天体力学还存在另一个基本困难，就我所知，第一个对这个基本困难进行详细论述的是天文学家西利格。如果我们深思一下，对宇宙万物，对被视为整体的而言，我们应该持何种眼光来看待这一问题。那么我们的最初回答便一定会浮现于脑海中：就空间（和时间）而言，宇宙是无限的。星体的存在无所不在，因此，就物质的密度来说，虽然细节的变量很小，但平均说来各处都是一样的。另外，我们无论在空间中的穿梭旅行多远，稀薄的恒星群在各处浮游移动，它们都具有同一的种类和密度。

这个看法与牛顿的理论大相径庭。在牛顿的理论中，宇宙被要求具有某种中心，星群的密度以非常拥挤的形式聚在一起，从这个中心向外扩展，星群的群密度逐渐减小，直到在非常遥远的地方，成为一个空虚的无限区域。恒星宇宙应该是一个有限的岛屿处于无限的空间海洋中。

这个概念的本身非常难尽如人意。因为它导致了下述结果：恒星发出的光和恒星系中的各个单独的恒星不断向无限的空间奔涌，而且永不回返，永不继续与其他自然客体发生相互作用。这样一个有限的物质界一定会因逐渐而系统地削弱而进入穷尽。

宇航员在月球 合成图片

宇航员大卫·斯哥特在月球上进行了羽毛和铅球实验，由于月球上不存在空气的阻力因素，因此他发现羽毛和铅球以同样的速度下落。这个实验证明了不管物体的质量是多少，其速度增加的速率都是一样的。

为了避免出现这种进退两难的局面，西利格修正了牛顿定律。他假定，在很大的距离中，两质量之间的吸引力与平方反比定律得出的减小的结果相比，要快得多。于是，物质的平均密度不论是在极近处还是在极远处，处处一样便出现了可能，而无限大的引力场也就不会产生，也使我们摆脱了物质宇宙应该具有某种中心等诸如此类讨厌的概念的纠缠。当然，我们从这种基本困难中摆脱出来也付出了代价，那就是在既无经验根据亦无理论根据的情况下修改并复杂化了牛顿定律。这样的定律我们能够设想出无数个，而且都可以实现其同样的目的。但我们没有任何根据说明为什么其中一个定律比任一其他定律更为可取，这些定律中的任意一个，并没像牛顿定律一样，即使很小的部分都建立在更为普遍的理论原则上。

宇宙最低温度 合成图片

根据物理学原理我们知道，如果想要分子停止运动，需要非常低的温度。物理学家们在实验中设法使温度达到了零下272.59摄氏度，这是目前所知宇宙中的最低温度。

附〉〉〉为什么是爱因斯坦

已去世的几何大师陈省身曾经说过，一位数学家应当做好的数学，就是简洁易为人理解的、有开创性的、有发展的数学。这个概念也可以被推广到物理学领域中去。在谈及爱因斯坦1905年的成就时，芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳说，“爱因斯坦以一种公众能够理解的方式改变了物理学家对宇宙的看法，这，就是好的物理学”。

要摆脱那些符号化的表象探讨爱因斯坦的成就，无法回避的一个问题是：爱因斯坦和他的相对论，是如何影响了科学思维的？缺乏对这个问题的认识，所有流于细节琐事的分析，都将成为无本之木。

故事要从“以太”说起。

19世纪末，物理学家们普遍认为，物理学的主要框架已经一劳永逸地构成了。此后的工作，只是把物理常数的测量弄得更准确一些，并把光以太结构的研究再推进一步。当时，人们仍然相信，宇宙空间中充满了亚里士多德命名为“以太”的连续介质，就像空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。然而，1887年迈克尔逊-莫雷的实验却显示，光线看起来总是以同样的速度传播，这就与根据以太理论推导出的光速差别结论产生了矛盾。

荷兰物理学家洛伦兹这时候给出了他的解答，建立于以太真实存在基础上的洛伦兹变换方程。然而，26岁的爱因斯坦却大胆地摒弃了以太这个经典权威的概念。他对洛伦兹变换方程进行了修正，并指出，因为无法探测相对于以太的运动，因此，以太的概念是多余的。这就对人们以往奉之为金科玉律的“同时性”概念提出了挑战。在爱因斯坦看来，每个人都有他自己的时间值，如果两个人是相对静止的，那么，他们的时间就是一致的。如果存在相互的运动，他们观测到的时间就是不同的。乘飞机一直向东飞行，叠加上地球旋转的速度，人们就有可能获得生命的延长，虽然可能只不过是零点几秒而已。

相对论的一个重要结果，便是质量与能量间的关系。爱因斯坦假定光速对所有的观测者都不变，如果持续给物体供应能量，被加速物体的质量就会增大。这种质量与能量的关系，便是著名的E=mc2。当铀原子核裂变成两个小的原子核时，因为很微小的一点质量亏损，便会释放出巨大的能量。原子弹与核能的理论基础，便源出于此。

太阳系 合成图片

太阳系是由受太阳引力约束的天体组成的系统，它的最大范围约可延伸到1光年以外。太阳系的主要成员有：太阳（恒星）、八大行星（包括地球）、无数小行星、众多卫星（包括月亮），还有彗星、流星体以及大量尘埃物质和稀薄的气态物质。在太阳系中，太阳的质量占太阳系总质量的99.8%，其他天体的总和不到太阳系的0.2%。太阳是中心天体，它的引力控制着整个太阳系，使其他天体绕太阳公转，太阳系中的八大行星（水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星）都在接近同一平面的近圆轨道上，朝同一方向绕太阳公转。

尽管狭义相对论与麦克斯韦的电磁理论结合得非常完美，但它却与牛顿的重力理论不相容。几年后，爱因斯坦想到，如果质量和能量会造成四维空间（三维空间加上时间）的弯曲，那么，问题就迎刃而解了。这个关于弯曲时空的新理论，便是广义相对论。霍金曾评价道：“从公元前300年欧几里得完成他的《几何原本》后，这是一个人类感知他们存在于其中的宇宙的最大的革命性的更新……它彻底改变了人们对宇宙的起源及归宿的讨论方向。静止的宇宙可能永远存在……但根据广义相对论，宇宙大爆炸标志着宇宙的起源，时间的开始。从这个意义上说，爱因斯坦不仅仅是过去100年中最伟大的人物，他应该获得人们更长久的尊重。”

宇宙的膨胀 合成图片

广义相对论彻底地改变了有关宇宙起源和命运的讨论。它使宇宙的膨胀理论日益得到证明。科学家们对宇宙的星系进行观测的成果都表明宇宙正在膨胀：几乎任何一对星系之间的距离都在增大。

正是具备了这种科学属性的爱因斯坦，才可能在整个20世纪中成为妇孺皆知的科学新世界代言人，并 一步步被神化。

反射望远镜（左） 示意图

美国天文学家埃德温·哈勃利用这台2.4米的反射望远镜发现银河只是宇宙许多星系中的一个星系，每一个星系都包含着众多的星球，同时，这些星系都朝着互相背离的方向运动。这一发现证明了宇宙膨胀理论的正确性，从而改变了人们对宇宙结构的看法。

哈勃望远镜（右）

哈勃望远镜长13.3米，直径4.3米，重11.6吨，造价近30亿美元，于1990年4月25日由美国航天飞机送上高590千米的太空轨道。哈勃望远镜以时速2.8万千米沿寂静的太空轨道运行，默默地窥探着太空的秘密。哈勃望远镜是有史以来最大、最精确的天文望远镜。它上面的广角行星相机可拍摄到几十到上百个恒星照片，其清晰度是地面天文望远镜的10倍以上，其观测能力等于从华盛顿看到1.6万千米外悉尼的一只萤火虫。

〉〉〉谁是下一个？

会不会有下一个爱因斯坦？他是谁？他在哪儿？毫无疑问，在这个国际物理年中，这些问题会成为最常被提及的话题。

讨论两个名人之间的相似之处和不同点，是一件不太有建设性但却极为有趣的事。所以，才会有人对这样的比较乐此不疲：牛顿与伽利略、爱因斯坦与牛顿……甚至，一本最新出版的爱因斯坦传记的主题，也是比较爱因斯坦与毕加索在创造性上的异同。在讨论21世纪谁将接过爱因斯坦的火炬，解决现今物理学界面临的危机时，史蒂芬·霍金成了一个经常被提及的参照系。

霍金说：“在过去的100年中，世界经历了前所未有的变化。其原因并不在于政治，也不在于经济，而在于科学技术，直接源于先进的基础科学研究的科学技术。没有别的科学家能比爱因斯坦更代表这种科学的先进性。”有人认为，霍金在《时间简史》中分别为爱因斯坦、伽利略和牛顿立传，显示了他与三位科学巨人比肩的雄心。与其这样阴谋理论地妄加揣测，倒不如视其为一个当代理论物理学家对自身谦逊而恰如其分的认识。媒体尽可为霍金冠上“活着的爱因斯坦”之类的帽子，但无论从哪个坐标系上，霍金与综合了科学天才、历史背景、个人魅力的爱因斯坦都是无法进行比较的。霍金有一次开玩笑说：“他们需要的只是一个英雄，而从不关心我做过些什么。”

《纽约时报》曾经雄心勃勃地给出了一个未来爱因斯坦的任务清单。它们都是困扰现今物理学界的难题。如果联想到1900年希尔伯特提出的23个数学问题，此后是如何影响了20世纪的数学发展方向，过分地追究这些问题从重要性和开拓性上是否足以同相对论媲美，并不是一种好的态度。

人造卫星（左） 摄影

人造卫星是个兴旺的家族，如果按用途分，它可分为三大类：科学卫星、技术试验卫星和应用卫星。科学卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气、地球辐射带、地球磁层、宇宙线、太阳辐射等，并可以观测其他星体。技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星。应用卫星是直接为人类服务的卫星，它的种类最多，数量最大，其中包括通信卫星、气象卫星、侦察卫星、导航卫星、测地卫星、地球资源卫星、截击卫星等。

恒 星（右） 合成图片

广义相对论理论预言由于太阳的质量的缘故，太阳近处的点的光锥会向内稍微偏折。这表明，从远处恒星发出的刚好通过太阳附近的光线会被折弯成很小的角度，对于地球上的观察者而言，这恒星显得是位于不同的位置。

这些未来爱因斯坦任务清单中的问题包括：

上帝是否拥有选择？

宇宙的所有特性对于某种未知的法则而言，是否都是可预测的和不可避免的？

那些似乎可以加速宇宙膨胀并使星系越来越快地彼此分离的暗能量到底是什么？

为什么我们恰好生活在这个暗能量正要主宰宇宙演变的过程的时间点上？

这种推动力是否会永远继续下去，将所有的能量与生命吸出宇宙之外？

保持星系和星团聚拢的神秘引力胶——暗物质又是什么？

四维空间足够了吗？

宇宙中是否还存在着另外的隐秘或微小维度？

大爆炸之前发生了什么？

时间和空间是自无形的永恒中出现的吗？

量子力学是否是事物的最终描述？

困扰爱因斯坦的EPR佯谬是否要被修改？

相对性是永恒的吗？

到底是否存在超光速？