1700877569
时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876948]
1700877570
从地心说到日心说
1700877571
1700877572
行星沿着椭圆形轨道运动，但它们的运动似乎并不总是保持一致。所有的行星大致都朝着一个方向运动，可有时，一些行星会暂停并沿反方向运动一段时间。对于古人来说，这种逆行是一大谜题。对这种行为的解释是，地球也是一颗行星，同其他行星一样，它也绕着太阳运行。古人所谓的暂停和运动不过是一种从地球视角出发所观察到的现象。当火星跑在地球前面时，它在天空中向东运动；当地球追上火星时，它会换个方向运动。因此，逆行不过是一个简单的地球运动效应。但我们的祖先不会这样看，因为他们迷信地球是宇宙的中心，是静止不动的。正因为他们认为地球是静止的，因此也就会认为自己所观测到的运动也一定是真实的。于是，古代天文学家往往会用行星的内在运动解释逆行现象。具体来说，他们会设想一个由两种圆圈构成的复杂系统；行星沿着一个小圆转，小圆的圆心再绕着地球转。
1700877573
1700877574
这些小圆被称作“本轮”（epicycle）。行星的本轮绕行周期是一年，这是因为这些本轮本质上就是地球绕日运动。另外一些参数调整引入了更多的圆。最终，整套行星运动系统需要55个圆。通过调准各个大圆的周期，天文学家托勒密将整个模型调整到相当好的精度（见图2-1）。几个世纪后，伊斯兰天文学家们对托勒密模型进行了进一步微调。到了第谷时代，这个模型可以以千分之一的精度预测行星、太阳和月亮的位置，且该模型的预测与第谷的观测相符。从数学上说，托勒密模型相当美丽。千年以来，天文学家和神学家们对它的前提假设毫无质疑。怎么可能说他们错了呢？毕竟，模型得到了观测的验证。因此，我们可以从这段历史中得到这样一个教训：数学上的美或实验上的验证，都无法保证一个理论所依赖的基本观点可以描述我们的现实世界。有时，对自然模式的解码会将我们引入歧途；有时，在个人层面或社会层面上，我们会自我欺骗。托勒密或亚里士多德的科研态度，毫不逊色于当代的科学家。他们只是不走运。在他们面前，多个错误的前提假设交织出一个运行良好的模型。对于这样的自我欺骗，实在没有什么解药。我们唯一可以做的是不断推动科学的前进，最终，其中的错误会自我显现。
1700877575
1700877576
1700877577
1700877578
1700877579
图2-1 托勒密宇宙模型原理图[4]
1700877580
1700877581
哥白尼最终解释了为什么本轮的周期都一样，为什么本轮都绕着太阳轨道运行。他赋予地球以行星身份，并将太阳放到了宇宙的中心。这一举动简化了托勒密的模型，却使得古代宇宙观无法继续生存。如果地球同其他行星一样，在天堂中穿行，那么尘世与天堂到底还有什么区别？
1700877582
1700877583
哥白尼是一个消极的革命者，他错失了其他一些线索。其中的一大线索是，在将地球的运动纳入计算之后，行星的轨道依然不是一个完美的圆。哥白尼无法脱离天体必须沿着圆运动的想法，为了解决这一问题，他还是使用了托勒密的方法，只是将所需圆的数量降至14个。哥白尼之所以引入本轮这一概念，也是出于理论符合观测数据的需要。
1700877584
1700877585
在行星中，火星的轨道偏离圆形最多。第谷给开普勒布置了一个课题，让他解释火星的轨道。这是开普勒的幸运时刻，也是科学的幸运时刻。离开第谷后又过了许多年，开普勒终于发现火星的轨道是椭圆形，而不是圆形。
1700877586
1700877587
在现代的读者看来，这一发现似乎算不上科学革命。在地心说中，行星相对于地球的轨道总是由两个不同周期的圆形轨道组合而成，因而总是不闭合的。只有当我们绘制它们的绕日轨道时，这些轨道才是闭合的。只有在轨道闭合之时，问轨道的形状如何才会显得有意义。这样看来，日心说深化了世界的和谐。
1700877588
1700877589
在我们了解行星的轨道其实是椭圆形之后，托勒密理论被彻底粉碎。一大堆新问题摆在我们面前：
1700877590
1700877591
●为什么行星沿着椭圆形轨道运行？
1700877592
1700877593
●为什么行星不能在天空中随机漫游？
1700877594
1700877595
1700877596
1700877597
●是什么使行星保持运动而不是静止？
1700877598
1700877599
1700877600
1700877601
对此，开普勒作出了一个大胆的猜想，这个猜想随后被证明半对半错。开普勒认为，源自太阳的力使得行星沿特定轨道绕行；太阳好似一条旋转的乌贼，它的触手推动着行星，使它们绕着太阳运动。这是有史以来第一次有人提出行星所受的力源自太阳。可惜，开普勒把力的方向搞错了。
1700877602
1700877603
时间重生：从物理学危机到宇宙的未来 [:1700876949]
1700877604
大一统，逃脱时间的掌控
1700877605
1700877606
第谷和开普勒打破了天体球的局面，从而将两个世界统一在一起。这一统一也将古人的时间观一同埋葬。在亚里士多德和托勒密的宇宙学中，一个没有时间的完美世界包裹着尘世。生老病死，这一切都说明我们所生活的世界受制于时间，局限于月亮轨道之下，而在其之上，是一个个永恒的、完美的圆形轨道。现在，将世界一分为二的天体球被彻底粉碎了。对于时间，这样一个新世界只能作出一种选择。整个宇宙是否都受制于时间，生生灭灭？抑或万事万物都逃脱了时间的掌控，生老病死不过是一些幻象？我们依然会就这一问题辗转反复。
1700877607
1700877608
1700877609
1700877610
1700877611
开普勒和伽利略并没有解决神的世界、永恒的数学世界和我们所生活的世界之间的联系。他们将这一问题继续深化，并打破天地之间的分界，将地球视作另一颗在天空中运行的神圣星球。他们发现，地球同其他行星一道，沿着以太阳为中心的数学曲线运动。但是，受时间约束的现实世界与独立于时间的数学世界之间依然横亘着裂痕，裂痕并未愈合。
1700877612
1700877613
到了17世纪中叶，科学家和哲学家不得不对这一问题作出艰难的选择。这个世界要么存在于时间之内，要么存在于时间之外的数学世界。两条关于现实世界本质的线索仍然没有得到解答，尽管人们对于解释它们早已期待许久。一条线索是，开普勒发现行星沿椭圆形轨道运行，另一条线索是，伽利略发现物体沿抛物线下落。这两条线索都可以通过简单的数学曲线加以表达，每一条都是物体运动之谜的部分答案。分开看，它们都是伟大的科学发现；放在一起，它们是即将绽放的科学革命之花的种子。
1700877614
1700877615
这种情况并没有发生在今日的理论物理学界。我们同样有两个伟大的发现，量子理论与广义相对论，我们渴求统一二者。大统一问题一直是我工作的焦点，我深感今日我们在这一问题上取得的成就来之不易。但同时我也深信，一些简单却不为我们所见的想法，可能会成为最终解决这一问题的关键。我们正在等待的不过是一个小小的新观点，可没有它，科学就无法进步。承认这一点，让身为科学家的我们蒙羞，但这确确实实在历史上发生过。在伽利略和开普勒提出他们的简单发现之前，科学革命一直被天堂尘世两分法所阻碍。这种两分法不允许人们把数学应用于尘世，同时它使人们相信我们无须考虑天体完美运动的成因，这无疑阻碍了我们对世界的理解。
1700877616
1700877617
假如这一错误观念早早被人识破，科学史会发生怎样的改变？每当想到这个问题，我都会激动地颤抖。
1700877618