Page 273 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

第十四章 宇宙

在汉语中，“宇宙”一词与空间和时间相当，《淮南子》有语：“四方上下曰宇，古往
今来曰宙，以喻天地。”在物理意义上，宇宙是所有空间、时间和物质（能量）的总称。所
谓宇宙学，则是从整体上研究宇宙的时空结构和演化规律的科学。
一、宇宙观的演变
人类对宇宙的认识是随着人类活动范围的不断扩大而逐渐放大的。早期人类的宇宙观无
一例外都信奉“地平说”，认为大地是平坦的，天空为半球拱形笼罩在大地之上，日月星辰
在天空中周而复始的运动，遥远的海洋和山脉一直延伸至宇宙的尽头。这样的宇宙观与古人
的直观感觉相吻合，并与各种宗教的宇宙观相联系，形形色色的古代宗教都是在此基础上利
用宗教神话来解释各种自然现象的。古希腊人最先把对宇宙的认识和宗教观念分割开来，并
力图建立一个统一的宇宙模型去解释天体的复杂运动。古希腊哲学家泰勒斯（Thales，公元
前 625—前 546）认为，水是世界初始的基本元素，大地从海底升起，并被海水包围着，海
水在世界的尽头落入地狱之中。古希腊数学家毕达哥拉斯（Pythagoras，公元前 580—前 500）
提出了大地是球形的“地圆说”理论，他认为，地球是球形自转的天体，太阳、月亮、行星
等天体的运动都是均匀的圆周运动，而宇宙的中心是中央火，所有天体都围绕中央火转动。
公元前 4 世纪，亚里士多德进一步提出了“地心说”，他认为地是球形的，是宇宙的中心，
宇宙是有限的，由以地球为中心的 9 个球面构成，太阳、月亮和当时已知的五大行星（水星、
金星、火星、木星、土星）分别在这些天球上绕地球运动，构成了地球周围的七层天，而第
八层是恒星天，在恒星天之外是神的住所。公元前 2 世纪左右，亚历山大城的埃拉托色尼
（Eratosthenes，公元前 275—193）还测量了地球的大小，他根据同处一条子午线上的西恩
纳城和亚历山大城在正午时分的太阳位置的偏差，算出了地球的半径大约是 7300 公里，这
一数值与现在测量的地球平均半径 6371 公里已经非常接近了。公元 140 年前后，希腊天文
学家克罗狄斯•托勒密（Claudius Ptolemaeus，约公元 90—168）全面继承了亚里士多德的观
点，著成《天文学大成》，创立了在西方流传千余年的宇宙地心说。托勒密认为，地球是宇
宙的中心，是静止不动的，太阳、月亮、行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转
动，而本轮的中心又在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动，且本轮中心在均轮上运
转周期为一年，所有恒星都位于恒星天之上，太阳、月亮和行星除了上述运动，还要与恒星
天一起，每天绕地球转一圈。虽然托勒密的宇宙模型与实际的宇宙结构相去甚远，但他对各
个天体运行轨道的数学描绘却较为圆满的解释了当时观测到的行星运动情况，并取得了航海
上的实用价值，从而被人们广为信奉。后来，中世纪经院哲学家托马斯•阿奎那（T.Aquinas，
约公元 1225—1274）将亚里士多德学说和托勒密体系与基督教神学全盘结合，创立了庞大
的经院哲学体系，地心说由此成为符合基督教信仰的正统学说。
然而，随着天文观测的精度不断提高，人们逐渐发现了托勒密体系的不足。为了与观测
数据相吻合，就需要增添数量越来越多的本轮，这就使托勒密体系变得越来越复杂，每个行
星需要不止一个本轮，而是需要多个“轮上轮”才能描述。到欧洲文艺复兴时期，均轮和本
轮的数量已增加至 80 多个。正是在这样的历史背景下，波兰人尼古拉•哥白尼（Mikołaj
Kopernik，公元 1473—1543）经过长期的天文观察和研究，创立了更为科学的宇宙结构体
系——日心说，从此否定了在西方统治达一千多年的地心说。
其实，日心说并非哥白尼首创，早在公元前 3 世纪，雅典著名的天文学家阿里斯塔克
（Aristarchus，公元前 315—230）就提出了日心说的思想，他认为，地球每天在自己的轴上

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