2.打开宇宙大门的钥匙掌握在谁手中？
仰望夜空，你一定会被壮丽的景色震撼——银河在夜空中描出的弧线，无数的恒星不停地眨着眼，以及从不闪烁的明亮行星。夜空的浩瀚和复杂如山呼海啸般扑面而来。千百年来，我们的祖先观察着同一片夜空，并试图搞清楚他们看到的究竟是什么。解开这个谜题的关键是什么？宇宙是如何诞生的？人类在世间万物中居于何种地位？
对许多古代文明来说，理解天空不仅是一种哲学上或精神上的探索，还是一种实际的需求。掌握天体运行的规律对人类的生存来说至关重要，比如应用于航海、季节性迁徙、作物的生长和计时等。我们的祖先对太阳、月亮和行星的运行周期非常关注，这一点在他们建造的巨石阵中展露无遗。我们发现其中一些结构与天文事件（这些事件通常具备神圣的意义，并且以精心设计的仪式为标志）相呼应，这显然是当时的人们有意为之的结果。天空被视为超自然力量存在的领域，在某些文化中，太阳、月亮和行星被奉为神祇。
但是，天体运行中非常明显的规律性隐含着一个截然不同的概念：天空并不是众神的游乐场，而是一台机械装置，是一个由运动部件组建的精密系统。一旦这个概念被确立，精确的测量就成为决定如何组建和调节这台装置的关键。于是，算术和几何学变成了不可或缺的技能，天文学家也凭借其强大的能力，在人类社会中扮演着像牧师和皇帝一样重要的角色。他们周密的测量和分析逐渐揭示出天体运动中的数与形、秩序与和谐，几个世纪来也建立了许多理论模型。生活在2世纪的希腊天文学家克罗狄斯·托勒密对早期天文学家的思想进行了提炼，形成了著名的托勒密宇宙观。他提出了一个由相互嵌套的球体组成的复杂系统，这些球体以不同的速度绕地球旋转。
一方面，宇宙的机械模型在正常地运行；另一方面，神学的维度从未被完全消除。有关宇宙起源的问题一直非常棘手：这个宏伟的装置是如何出现的？是否存在一种启动该装置的原动力？它是一个在混乱中创造秩序的超自然造物主，还是一个可以凭空创造一切的创世之神？在这些早期的模型中，没人尝试过将天体的运动与地球上物质的运动联系起来。虽然天空和大地都存在无数的运动，但它们泾渭分明，这种观点贯穿了中世纪的绝大部分时间，直至17世纪。此后，人类对宇宙的理解发生了巨大的转变。一小群有远见卓识的自然哲学家开始意识到，宇宙的钥匙并非掌握在神的手中，也不是藏在宇宙本身的几何结构里。它实际上是一种抽象的事物，超脱于物质世界而存在于自然法则之中，人类的感官无法感知它，但人类的理性能够理解它。古代哲学家钟爱的数与形不仅表现在特定的物理对象和系统中，还与自然法则交织在一起，形成了一个由某种宇宙密码加密的马赛克图案。这种概念上的转向令人心潮澎湃，标志着人类从单纯地描述世界进阶至解释世界。1632年，伽利略用诗意的语言表达了伴随这一转变而来的巨大认知飞跃：“伟大的自然之书是用数学的语言写就的”，如果没有数学语言，“就像一个人在黑暗的迷宫中徒劳地徘徊”。伽利略认为理解宇宙的关键在于用数学破解难题，3个世纪后詹姆斯·金斯爵士也表达了同样的观点：“宇宙似乎是由一位理论数学家设计出来的！”伽利略开启了“解开隐藏在自然界中的数学秩序”这一任务，但直到下一代科学家登上历史舞台，尤其是在艾萨克·牛顿和戈特弗里德·莱布尼茨的不懈努力之下，伽利略的愿景才得以实现。那时的科学研究可不像今天这样规模宏大、组织严密，这项我们现在称其为“科学”的事业的开拓者更像邪教组织成员，他们几乎断绝了外部交流，傲慢易怒、任性自大地沉浸在古老的神秘传统之中。
图2 托勒密提出的以地球为中心的宇宙模型
伽利略率先使用他发明的望远镜来研究天空，更加精确地测量行星的运动及其轨道的形状。和伽利略一样，牛顿把目光投向了太阳系，试图用数学方法揭示能同时适用于地球和太空的运动定律，而且这些定律可以通过观察和测量加以验证。为了做到这一点，他需要找到那把用数学打造的钥匙，但无论是在古希腊算术和几何学的文献中，还是在中世纪的改良理论中，他都一无所获。于是，牛顿只能自己创造一种数学理论，他称之为“流数术”（fluxions），也就是我们今天所说的微积分。在他20岁出头的时候，正赶上1665—1666年的大瘟疫暴发，他不得不在位于林肯郡的家中隔离。牛顿从那时开始将流数术应用于运动定律，发现了引力这种能够穿过空间的神秘力量，并且精确地计算出引力的大小与距离的平方成反比。
就这样，人类打开了一扇通往天空的新窗户。彗星划出的抛物线、行星优美的椭圆轨道、月球的扇形旋转轨迹……所有天体运行轨道的精致轮廓都已经勾勒清楚，它们彼此之间通过固定的数学逻辑关系联系在一起。我永远不会忘记，学生时代的我第一次将牛顿定律应用于行星绕太阳的公转运动并得出一个对应椭圆轨道的数学公式时，我的内心有多么兴奋。这简直就像魔法一样！不难想象，牛顿本人一定也体验过同样的兴奋，当他用自己创建的公式计算出那些天文学家经过长年累月观察才得到的几何图形时，他是多么兴奋、激动、敬畏啊！
尽管这种程度的进步足以令人叹为观止，但牛顿还有更加宏伟的愿景。在解决了有关太阳系的问题之后，他开始将万有引力定律应用于整个宇宙。既然伽利略用望远镜观测过银河系，那么此时的人们显然已经知道宇宙中布满了恒星。但这些恒星是如何排布的？它们是聚集在一团巨大而有限的云中，还是无穷无尽地散落在无限的空间里？牛顿把宇宙想象成一部巨大的发条机器，无处不在的引力顽强地牵引着空间中的每个天体，并维系着它的结构。当地球绕太阳公转时，其沿着椭圆轨道的运动抵消了引力的作用，最终达到了一种平衡：我们的行星受太阳的引力牵引，但不会落入太阳。不过，作为一个整体的宇宙又会面临怎样的情况呢？牛顿想知道的是，在没有任何东西制衡的情况下，为什么所有的恒星不会聚集到一起形成一团巨大的物质呢？
他得出的答案是，宇宙一定是无限大的。如果没有边界，也没有重心，整个宇宙就没有可坍塌的地方。任意一颗恒星都会被来自各个方向的引力牵引，这些引力之间保持着平衡。“它们之间的相互吸引破坏了它们之间的相互作用。”牛顿用这句奇特的话来表述这种状况。这种做法看似挺聪明，但也可以说是一个思维上的小把戏。正如牛顿自己承认的那样，这种微妙的平衡实际上并不稳定，“在我看来，让一根针立起来的难度和同时让无数根针立起来的难度是无法相提并论的……”所以，牛顿提出的无限大的宇宙正在坍缩的边缘摇摇欲坠。然而，作为一名虔诚的信徒，牛顿在必要的时候并不回避祈求上帝维护他的造物。
这个问题就这样被搁置了。直到两个世纪之后，人们才找到了正确的解决办法，但现在我们透过历史的镜子就可以发现，答案其实远在天边，近在眼前。