近代科学发展与宇宙起源认识的历史回顾

求知是人的本能。人从自然界异化出来以后，便开始了对宇宙万物的认识活动。

关于宇宙的起源，远古时代人类只能通过想象以编造神话的方式加以说明。世界许多民族都有自己关于宇宙开创的神话。中国古代有盘古开天辟地、印度有“梵天”创造世界万物，埃及人则认为宇宙万物都是由神创造的，古希腊也有自己关于宇宙起源的传说。神话是人类文明初期的产物，虽然它很幼稚，却是远古先民渴望了解宇宙万物由来这一朴素愿望的真实反映。

随着认识能力和思维水平的提高，人类抛弃了神话，开始以理性思辨的方式说明宇宙的起源和基本物质构成。老子《道德经》是我国最早的哲学著作，其中用“道生一，一生二，二生三，三生万物”的命题说明宇宙的生演过程。汉代人认为，天地万物未形成之前，宇宙是一片混沌状态，由此经历了太易、太初、太始、太素和太极五个演化阶段，然后形成有形有象的天地万物。我国古代还长期流行元气化生万物的观念。古代希腊也有多种关于宇宙基本物质构成的理论，爱奥尼亚的泰勒斯认为宇宙万物起源于水，爱弗斯的赫拉克利特认为火是生成万物的原素，留基伯和德谟克利特则认为宇宙万物是由原子和虚空构成的。这类理论是对宇宙本源问题作出的思辨性说明，属于哲学本体论，虽然比神话传说前进了一大步，但仍然不具有多少科学性。此外，古希腊、古罗马人还建立了一种地心宇宙观，认为地球是宇宙的中心，它是静止不动的，其他天体都绕着地球运动。这种认识虽然统治了西方长达一千多年，但最终被证明是错误的。

图3.1　位于十字架与日心体系之间的哥白尼

伴随着近代科学的产生，人类对宇宙起源的认识有了进一步发展。1543年，波兰天文学家哥白尼提出了日心宇宙观（图3.1），指出地球不是静止不动的，而是与其他行星一道绕太阳做圆周运动，太阳才是静止不动的（图3.2）。由此，人类遇到了太阳系的起源问题。1644年，法国哲学家和数学家笛卡儿提出了太阳系起源的涡旋运动理论。这一理论认为，宇宙空间原来充满了混沌的物质微粒，这些物质微粒做涡旋运动，在运动中涡旋中心的物质不断聚集，从而形成了太阳；其余的物质慢慢形成了地球和各个行星，较细微的残余物质则形成了透明的天空。笛卡儿的涡旋说是纯粹思维的产物，但他猜测宇宙空间充满着不断运动着的物质微粒，并用涡旋运动解释天体的形成，这些思想对17世纪末和18世纪初欧洲的科学认识活动有不小的影响。

图3.2　太阳系图景

关于太阳系的起源和宇宙的结构问题，牛顿从万有引力观念出发，也提出了自己的看法。1692年，他在给英国神学家本特利主教的信中说，假如宇宙间物质是均匀分布的，并且每个物质粒子都对其他粒子具有内在的引力作用，再假定宇宙空间是有限的，那么这些物质将由于引力作用而向内聚集，结果会在空间的中央形成一个巨大的球状物质；但是，如果这些物质是均匀地散布在无限的空间中，那么它们就不会只聚集成一团，而是会形成许多引力中心，聚集成无数个巨大的天体，它们彼此距离很远，散布在整个无限的空间中。他设想这很可能就是太阳和其他恒星形成的原因。在这封信中，牛顿进一步提出：为什么有些物质形成了发光的太阳，而其他物质形成了不发光的行星？为什么太阳系行星都沿着同一方向绕太阳公转？为什么各行星轨道几乎都在同一平面上？对于这些现象，他无法用自然的原因加以解释，而是把它们归因于全智全能的上帝。而且，牛顿在1693年给本特利的第二封信中，把行星沿轨道方向运动的原因也归之于上帝。牛顿的这种宇宙演化思想把天体运动的原因归之于上帝，显然是错误的。

1755年，康德提出了太阳系起源的星云假说。康德认为，太阳系起源于一团巨大的原始星云，这团星云是由大小不等的固体微粒构成；引力使星云中的微粒相互接近，大微粒把小微粒吸引过去凝成大的团块，而且由于引力作用团块会不断增大，结果在引力最强的中心部分先形成巨大的天体，这就是太阳；其余的微粒在太阳吸引下向中心下落时，与其他微粒发生碰撞而改变运动方向，由此产生绕太阳的圆周运动，这些绕日运动的微粒又逐渐形成多个引力中心，各个中心最后凝聚成向着同一方向转动的行星；卫星形成的过程与行星类似。显然，康德从万有引力出发，通过引入碰撞作用而解决了星云物质横向运动的起源问题，从而较好地说明了太阳系的起源，其中有些观念至今仍有一定的认识价值。(www.xing528.com)

继康德之后，法国著名数学家、天文学家拉普拉斯于18世纪末也提出了一个太阳系起源的星云说。他认为，太阳系的所有天体是由一团呈近似球状的巨大气体星云形成的；这团星云开始是炽热的，而且有自旋转运动；由于冷却，星云逐渐收缩，在收缩过程中由于角动量守恒而使转速加快，从而在惯性离心力和吸引力的共同作用下星云慢慢变成扁平的盘状；当惯性离心力和引力相等时，就有部分星云物质留在原处，成为一个绕中心转动的环；在这种运动变化过程中，星云中心部分则收缩为太阳，各个星云环内由于物质分布不均匀性，会使物质向密度较大的地方集中，最后形成行星（图3.3）。拉普拉斯星云说的基本思想与康德星云说相似，二者都认为星际空间细微的物质是演化成天体的原始物质，都合理地把物体的运动归之于自然的原因，但拉普拉斯的学说比康德学说有更多的合理性。比如他假设原始星云本来就在做自转运动，并且引入了角动量守恒原理，因而能比较自然地说明太阳的自转和行星的公转。另外，拉氏假设原始星云处于炽热状态，从而说明了太阳发光的原因，而构成行星的星云是经过冷却过程温度下降了，所以不能发光。

图3.3　太阳系星云假说

毫无疑问，由于时代的局限性，康德和拉普拉斯的星云说都存在不足之处。比如，康德认为物质微粒下落过程的碰撞作用产生斥力，从而引起粒子做圆周运动。事实上这种说法缺乏充分的科学论证。拉普拉斯的星云说也有缺憾之处。19世纪后期英国物理学家麦克斯韦针对拉氏星云说指出，太阳周围的星云物质做公转运动的剪切力不可能使其凝聚成为独立的行星，只能形成星云环。尽管如此，康德和拉普拉斯的星云说仍然是18世纪和19世纪人类关于太阳系和宇宙起源的最合理的理论。

科学史表明，人类对宇宙空间的认识范围是不断扩大的。上古时代，人们心目中的宇宙不外乎是脚下的大地和头顶上的天空。16世纪，哥白尼在其《天体运行论》中写下“太阳是宇宙的中心”这句名言时，宇宙实际上就是太阳系。17世纪，意大利卓越的物理学家和天文学家伽利略把望远镜指向天空时，人类第一次看到银河系是由亿万颗星星所组成，这是人类天文观测第一次真正走出太阳系。

走出太阳系，放眼宇宙，首先遇到的问题是：恒星距离我们多远？银河系的结构是怎样的？银河系之外是怎样的世界？整个宇宙是有限还是无限的？这些是天文学和宇宙学探索的主要问题。如上所述，康德和拉普拉斯的星云说只是就太阳系起源作出的推测，并未涉及太阳系之外的事情。要探讨太阳系以外的宇宙起源问题，尚需要有更多的观测认识。18世纪下半叶和19世纪上半叶，英国天文学家威廉·赫歇尔和其儿子约翰·赫歇尔，利用天文望远镜对银河系天体做了大量观测，取得了一批重要数据资料。19世纪，天文学家把光谱学用于天文观测研究，由此进一步获得了宇宙天体的丰富信息。所有这一切都为人类进一步认识宇宙的起源和宇宙的结构奠定了基础，但是，人类要合理地说明大尺度空间的宇宙结构，要探讨宇宙的起源，首先就要回答宇宙是有限还是无限的问题。过去我们习惯强调宇宙是无限的，其中有无数个恒星。如果真是这样，按照牛顿万有引力定律，则宇宙空间任何给定点的引力将有可能很大甚至无限大，任意一点的引力势也因此而无法确定，这就是西利格之谜。与牛顿同时代的英国天文学家哈雷，针对牛顿理论的这一缺陷也曾明确提出，如果宇宙空间是无限的，并且恒星数量也是无限的，那么黑夜即不复存在，宇宙任何地方在任何时候都应当是非常明亮的。后来，德国天文学家奥伯斯也提出了相似的问题，并被称为“奥伯斯之谜”。西利格之谜和奥伯斯之谜是对宇宙无限论的挑战，但是如果宇宙是有限的，那么人们必然要问，宇宙的边界和中心在何处？边界以外又是什么？

这些问题如果根据欧几里得几何学和牛顿引力理论是无法回答的。只有建立一种新的空间引力理论，才有可能对宇宙作出进一步的说明。德国著名物理学家爱因斯坦创建的广义相对论（图3.4），客观上满足了这种需要。

图3.4　爱因斯坦