四方上下曰宇,古往今来曰宙,以喻天地。——《淮南子》
宇宙乃生命,生生而不已,周行而不殆。然而2000年以来,人类明知万物都在运动,却唯独要否定宇宙本身的运动。牛顿的万有引力表明,宇宙中的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态,但仍然定义了绝对时空;爱因斯坦的广义相对论得出,宇宙模型不能保持稳定,却毅然引入了宇宙常数。宇宙运动的观念甚至未能产生在这些天才的头脑之中,直到20世纪20年代哈勃发现红移定律后,宇宙的演化才进入人类的意识,宇宙的历史才得以诞生。
宇宙简史主要从古代宇宙说、地心说&日心说、牛顿宇宙学、宇宙佯谬、爱因斯坦宇宙学、宇宙大爆炸、黑洞&白洞&虫洞、暗物质&暗能量等八个方面理解宇宙学的发展,见证人类思想的拓展。
我们有幸生活于仍在进行发现的年代,正如发现新大陆一样只能发现一次,我们正前所未有地了解宇宙的本质。——费曼
超新星SN1054的星云遗迹——《宋史·天文志》1054年记录
古代宇宙说
天下万物生于有,有生于无。——老子
中国古代神话认为,宇宙的创生始于“盘古开天辟地”,《三五历纪》中写道:天地开辟,阳清为天,阴浊为地,盘古生其中,一日九变,神于天,圣于地。天日高一丈,地日厚一丈,盘古日长一岁,如此万八千岁也。古时候人们一直想象着天圆若斗笠,地方如棋盘,至东汉时期,天文学家张衡才提出了浑天说:天有一个天球如蛋壳,地有一个地球如蛋黄,天球包含着地球。并指出月球本身不发光,是日光的反射,认识到了宇宙的无限性以及行星运动快慢与地球远近的关系,众所周知的浑天仪、地动仪正是张衡的两大传世杰作。
盘古开天辟地
万物所由之而生的东西, 万物消灭后复归于它。——阿那克西曼德
西方古代神话有”宇宙乌龟塔”之说:大地伏在一只巨大的乌龟背上。古希腊哲学家泰勒斯认为,宇宙万物源于水,事物皆由水经过不同变化而生成。阿那克西曼德反驳说,宇宙的基质是“无限者”——某种不固定的、无限的物质,无限者分解得到具体的物质,分裂出天体和世界,首次提出了宇宙的机械性模型。数学家毕达哥拉斯则主张,万物皆为数字,宇宙是数的和谐。
宇宙乌龟塔
古之言天者有三,一曰盖天,二曰宣夜,三曰浑天。——《天文志》
古代宇宙说一个最关键的问题是:宇宙的中心是地球还是太阳,地球是静止还是运动?
地心说&日心说
哥白尼对于西方摆脱教权统治和学术统治所做的贡献几乎比谁都大。——爱因斯坦
地心说
公元140年,天文学家托勒密提出了地心说:地球位于宇宙的中心并静止不动,每颗行星都在一个叫“本轮”的小圆上匀速圆周运动,本轮中心在“均轮”的大圆上绕地球匀速转动。这种模型解释了行星视运动的顺行、逆行等现象。不过随着观测精度的提高,地心说模型推算的行星位置和观测结果的偏差越来越大,托勒密的后继者只好通过在本轮上继续添加小本轮来解释。
日心说
1551年,波兰天文学家哥白尼认为,宇宙的规律应该是简明和谐的,弄巧成拙的本轮和均轮不符合宇宙的本质,并提出了日心说:太阳位于宇宙的中心,天体围绕着太阳转动,如此日月星辰的轨道才显得纯粹,行星的顺行和逆行也只是地球运动的自然结果。哥白尼的日心说改写了托勒密延续千年的模型,开启了宇宙学的革命。
行星轨道
希望我没有虚度此生。——第谷
1601年,丹麦天文学家第谷用尽一生观测了750颗星体,收集了大量的观测资料。之后,开普勒利用积累的知识,仔细分析研究,努力了16年,终于发现了开普勒三大定律,彻底摧毁了地心说,完善了日心说。
面积定律
上天赐予我灵魂,大地收容我的俗身。——开普勒
开普勒第一定律(椭圆轨道定律):行星沿椭圆轨道绕太阳运动,太阳处于椭圆的一个焦点上。
开普勒第二定律(面积定律):太阳到行星的连线在相等时间内扫过的面积相等。
开普勒第三定律(周期定律):行星轨道半长轴的三次方与其公转周期的二次方比值一定(T?=aR?)。
鲁道夫星表——开普勒用26年完成第谷遗愿
牛顿宇宙论
给我物质,我就可以用它造出一个宇宙。——康德
近代科学之父——伽利略被誉为第一个在科学实验的基础上融会数学、物理学和天文学的人,1590年,他提出了自由落体定律,纠正了亚里士多德1900多年的错误,并引出了惯性定律和力学相对性原理,改变了人类对物质运动和宇宙的认知。
比萨斜塔与自由落体定律
力学相对性原理:在某个参考系中物体的运动满足牛顿力学定律,则在相对于此参考系作匀速直线运动的参考系中,物体的运动也满足牛顿力学定理。
1687年,在开普勒、伽利略观测和实验的基础上,牛顿在《自然哲学之数学原理》中提出了牛顿运动定律,接着在《论物体的运动》中给出万有引力定律。
牛顿第一定律(惯性定律):物体在不受外力作用时做匀速直线运动或保持静止。
牛顿第二定律(运动定律):物体在外力作用下运动的加速度与外力成正比(F=ma)。
牛顿第三定律(反作用力):作用力和反作用力大小相等,方向相反且在一条直线上(F12=-F21)。
万有引力定律:任意两个物体之间的引力大小同质量成正比,与距离成反比(F=GMm/R?)。
绝对时空
牛顿认为时空是绝对的,物体可以自由驰骋。时间均匀流逝,没有始终,空间对称平坦,无限伸展,为一切物体的运动提供了绝对的时间和空间坐标。牛顿力学在解释天体运行时,展示了无可辩驳的有效性,各种观察数据也证明了万有引力定律在宇宙中的普适性,使得牛顿宇宙观延续了200年之久。
未来宇宙
夫天地者,万物之逆旅也;光阴者,百代之过客也。——李白
宇宙的历史亦是人类的思想史,宇宙的未来即是人类的使命,说到底,人类如同恒星一样,都是宇宙的一种可能,都是宇宙的历史本身。
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