人类的知识-第4章
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宇宙，包括它的科学和诗的方面，都写进了但丁的《天堂篇》；其中科学一
方面是沿袭亚里斯多德和托勒密的。大地是个球体，位于宇宙的中心；撒旦
在地球的中心，地狱是座倒立的圆锥，撒旦就是圆锥的顶端。在地球另一面
和那路撒冷正好相对的地方是炼狱，它的最高峰就是地上的天堂，正好和月
亮接触。
天体是由十个同心的天球构成的，最靠下面的是月球。凡是比月亮低的
东西都是可以腐化败坏的；凡是比月亮高的东西都是永不毁灭的。比月亮高
的天球照顺序排有水星、金星、太阳、火星、木星、土星和各恒星，再往上
就是最外层的天球。过了最外层的天球最后还有最高天，最高天没有运动，
也没有时间和地点的分别。上帝，这个亚里斯多德所谓的不受动的推动者，
先使最外层的天球运转，再由最外层天球把运动传到恒星层，这样依次把运
动最后传到月球。但丁的作品并没有提到这些不同的天球的大小，可是他却
能够在二十四小时之内走遍天球。显然他所想象的宇宙用现代的标准来衡量
未免小了一点；因为这个宇宙不过是几千年前才创造出来的。所以它的开始
并不是很久以前的事。各天球都以地球为中心，它们是上帝选民的永久住所。
上帝的选民包括那些受过洗礼，在信仰和德行两方面都达到要求标准的人，
那些预见到基督降生的教长和先知，以及少数在尘世受到奇迹的启示的非基
督教徒。
近代天文学的开路人正是为了反对这样一种宇宙观而进行斗争的。把哥
白尼所引起的震动和亚里斯塔库斯所遭到的默默无闻作一个对比是很有意思
的。斯多葛学派的克林提斯认为亚里斯塔库犯了亵渎神明的罪，应当受到审
判，但是当时的政府对这个提议却表示了非常冷淡的态度；假如他真和伽里
略一样受到迫害，说不定他的学说会变得人所共知。亚里斯塔库斯和伽里略
后世声名的不同当然还有其它重要的原因。希腊时代的天文学是有闲富人的
一种消遣——尽管是种高尚的消遣，却不是整个社会生活的一个组成部分。
到了十六世纪，科学已经发明了火药和罗盘针，美洲的发现使人们看出了古
代地球构造学的局限，天主教的正统开始成了阻挡物质进步的一道障碍，蒙
昧主义的神学家的狂怒使得科学家在世人眼中成了代表新智慧的英勇战士。
十七世纪由于发明了望远镜、动力学和万有引力定律，科学的世界观取得了
完全的胜利，人们不仅把科学看成探索纯粹知识的一把钥匙，而且也把它当
作推动经济进步的一个有力工具。从这时起，人们才认识到科学并不只是关
系到个人，而且是关系到整个社会的一件事情。
把太阳和行星看作一个完整体系的学说实际上是由牛顿完成的。这个学
说与亚里斯多德和中世纪的哲学家所不同的地方在于：它不是以地球，而是
以太阳作为太阳系的中心；天体在不受外力作用下，沿着直线而不是圆来运
动；事实上天体运动的轨道既不是直线也不是圆，而是椭圆；保持它们的运
动并不需要外力的作用。但是关于太阳系的起源，牛顿却没有说出什么科学
性的意见；他设想上帝在创造世界时，用手沿着切线的方向把行星掷了出去，
然后就交给万有引力定律去支配它们。在牛顿之前，笛卡尔曾经提出太阳系
起源的学说，可是他的学说看来是站不住脚的。康德和拉普拉斯发明了星云
说，根据这个假说，太阳是由一块原始星云凝聚形成的，行星则是由于太阳
自转越来越快而被抛出去的。这个学说看来也有缺点，近代天文学家都趋向
一种看法，认为行星是当另外一个星体经过太阳附近时形成的。在这个题目
上人们所知道的仍然不多，但是没有一个人怀疑行星是由于某种内部作用从
太阳产生出来的。
晚近天文学最显著的进步是关于星体和星云这一方面。恒星中最近的半
人马座α星离地球大约有25×1012 英里，或4。2 光年。（光速每秒186，000
英里；一个光年是光在一年内所走的距离。）最早一次测定星体的距离是在
1835 年；从那时起，人们使用各种巧妙的方法算出越来越远的距离。人们相
信用现有的威力最强的望远镜可以看到的最远目标离地球大约有五亿个光
年。
人们现在有了一些关于宇宙的一般结构的知识。太阳是银河系中的一个
星体，银河系由大约3，000 亿颗星体汇集而成，广度大约有150，000 个光
年，厚度大约有25，000 至40，000 个光年。银河的总质量大约为太阳质量
的1，600 亿倍；而太阳的质量大约为2×l027 吨。整个银河系缓慢地绕着它
的重心旋转；太阳需要2。25 亿年才能走完它绕着银河系所走的轨道。
我们用望远镜可以观察到，在银河以外的空间相当均匀地散布着和银河
系大小差不多的其它星系。这些星系叫作外银河星云；其中可以观察到的估
计约有三千万个；但是这个统计还不完全。两个星云之间的平均距离大约有
二百万个光年。（这些事实大多数采自赫伯尔的《星云的世界》，1936 年版。）
有关星云的最奇异的事实之一就是除了极少例外，它们的光谱线都向着
红端移动，移动量和星云的距离成正比。唯一看来合理的解释是说星云正在
远离我们，最远的星云离开的速度也最快。在，500 万个光年远的距离这种
速度达到每秒，300 英里。（赫伯尔，第118 页，第八图。）速度到了一定
的距离就会和光速变得相等，结果不管我们用的望远镜威力有多大，星云仍
然不会被我们观察到。
广义相对论对这个奇异的现象提出了一种解释。这个理论认为宇宙的大
小是有限的——这并不是说它有一个边缘，超过了这个边缘就不再是宇宙的
一部分，而是说宇宙是一个三度的球体，其中无可再直的直线最后都又回到
出发点，象地球表面的情况一样。这个理论进一步推测宇宙一定不是逐渐缩
小就是逐渐扩大；然后它根据从星云上观察到的事实断定宇宙是在逐渐扩
大。照爱丁敦的说法，宇宙每十三亿年左右扩大一倍。（《科学的新途径》
第210 页。）如果这是正确的话，那就是说宇宙以前曾经很小，但是将来会
变得很大。
这就使我们想到地球、星体和星云的年龄问题。根据大部分从地质学得
来的证据，人们估计地球的年龄大约有30 亿年。太阳和其它星体的年龄仍然
是一个争执不决的问题。如果在星体的内部，物质能够因一个电子和一个质
子转化为辐射而归于消灭，那么星体的年龄可能有好几亿万年；如果不能够，
那么星体的年龄可能只有几十亿年。（H。斯宾塞·琼斯：《无尽的世界》第
231 页。）总的说来，后一种看法似乎更为普遍。
我们甚至有理由相信宇宙有一个时间上的开始；爱丁敦一直主张宇宙大
约从纪元前900 亿年开始。这比起我们的曾祖父一辈所相信的纪元前4004
年确实要长，但是它仍是一段有限的时期，至于这个时间以前到底是什么样
子，这类古老的谜语仍然没有得到解答。
我们从这个天文学的宇宙概观所得到的最重要的结论是：虽然宇宙确实
很广大很悠久，我们却有理由——尽管这些理由现在看来还带有很大的臆测
性——相信宇宙既不是无限广大，也不是无限悠久。广义相对论，通过把观
察和推理巧妙地结合起来，自认能够告诉我们宇宙整体是什么样子。如果这
是确实的话——我并不相信它是这样——那么一直成为天文学的特点的空间
和时间上的度量的增加将会有一个限度，这个限度是我们测度能力所及的范
围。爱丁敦主张宇宙的周界的数量级是60 亿个光年。（《科学的新途径》第
218 页。）如果真是这样，更好一些的望远镜将使我们“完全掌握这个令人
感到棘手的局面”。我们正在开始看到，我们不久也可能“把它击成粉末”。
但是我并不认为我们将来能够“把宇宙改造得更合乎我们的心愿”。
第三章物理学的世界
目前最进步的并且看来最能阐明世界结构的科学是物理学。这门科学实
际上是从伽里略开始的，但是为了充分估计他的成就，我们最好对于伽里略
以前的思想做一番简括的说明。
中世纪的经院派学者带着大体上从亚里斯多德那里得来的看法，认为天
体与地球上的物体受着不同法则的支配，有生命的物质与没有生命的物质也
是这样。他们认为没有生命的物质，如果听其自然，便会逐渐失去它可能发
生的运动，至少在地球上是这样。按照亚里斯多德的说法，凡是有生命的东
西部具有某种灵魂。一切动植物都有的植物灵魂只管生长的事；动物灵魂才
管运动。世界共有四大原素：土、水、空气和火，其中土和水是重元素，空
气和火是轻元素。土和水有一种自然向下的运动，空气和火有一种自然向上
的运动。最高的天体还有第五种元素，这是火的一种升华。对于所有各种物
质，人们并没有提出成系统的法则，对于物体的运动变化也没有找出科学的
规律。
伽里略——其次还有笛卡尔——提出了直到本世纪以前还足够物理学使
用的基本概念和原理。看来运动的法则对于所有各种没有生命的物质都同样
适用，对于有生命的物质也很可能适用。笛卡尔认为动物是自动机器，它们
的运动在理论上可以用支配铅体坠落的原理同样计算出来。认为一切物质的
组成都相同，认为物质在科学上最重要的性质是它的空间位置，这种看法在
物理学家当中是很流行的，至少他们是把它当作一项指导工作的假定。由于
神学方面的原因，人体却常常（虽然不总是）被认为不受似乎由物理学定律
所支持的那种严格的决定论的支配。除了这个可能有的例外，科学的正统后
来证实了拉普拉斯的看法，这种看法认为一个具有充分数学能力的计算家，
只要知道在某一定时刻宇宙中每个质点的位置、速度和质量，就可以计算出
物理世界的全部过去和未来。如果像某些人所想的那样，偶然出现了奇迹，
那么这些奇迹并不属于科学范围之内，因为它们的本来性质就决定它们不受
定律的支配。由于这个原因，那些相信奇迹的人在计算时也脱离不开科学的
严格性。
伽里略提出了对数理物理学的建立有最大贡献的两个原理：惯性定律和
力的平行四边形定律。关于这两个定律我们必须分别谈一下。
通常称为牛顿第一运动定律的惯性定律，用牛顿的说法来说就是：
“每个物体永远保持静止或匀速直线运动状态，除非受到外力，它不会
改变这种状态。”
在伽里略和牛顿的著作里占有特别重要地位的“力”的概念，后来成了
不必要的东西，在十九世纪，这个概念就被古典力学所抛弃。这就使得我们
有必要对惯性定律重新加以叙述。但是还是让我们先结合伽里略以前所流行
的看法来看这个定律。
地面上的一切运动都有逐渐松弛、最后停止下来的倾向。即使在最平滑
的滚球草场上，滚球不久就会停下来；一块扔在冰上的石头不能永远滑动下
去。虽然天体一直按照轨道运行，发现不出速度有任何减少；但是天体的运
动并不是直线运动。按照惯性定律的说法，石块在冰上的减速，天体沿着曲
线轨道运行都不能从它们的本来性质上，而只能从环境的作用上得到说明。
这个原理使人们有可能把物理世界看作一个在因果关系上独立自足的体
系。人们不久就发现在任何一个动力学上独立的体系内——在非常近似的意
义上讲例如太阳和行星——每个方向的运动量或动量都是一定不变的。所以
一个一旦开始运动的宇宙将永远保持运动状态，除非出现奇迹，使它停止运
动。亚里斯多德认为行星绕着轨道运行要有神来推动，而地球上的运动则可
以由动物的自发动作而产生。按照这种看法，物质的运动只能靠物质的原因
得到说明。惯性定律改变了这种情况，并且使只靠动力学定律来计算物质的
运动成为可能。
照物理学的术语来讲，惯性原理表示，物理学的因果律应该通过加速度
——速度在量或方向上或者同时在量和方向上发生的变化——的说法叙述出
来。古代人和经院派学者认为天体作匀速圆周运动是“理所当然”的，这时
人们发现并不是这样，因为这种运动需要不断改变运动的方向，脱离直线的
运动需要一个原因，这个原因可以在牛顿的万有引力定律上找到�
