一位著名的科學(xué)家（據(jù)說是伯特蘭?羅素）曾經(jīng)作過一次天文學(xué)講演。他描述了地球如何圍繞著太陽公轉(zhuǎn)，而太陽又是如何圍繞著稱之為我們星系的巨大的恒星集團(tuán)的中心公轉(zhuǎn)。演講結(jié)束之際，坐在房間后排的一位小個(gè)老婦人起立說道：“你講的是一派胡言。實(shí)際上，世界是馱在一只巨大烏龜背上的平板?！边@位科學(xué)家露出高傲的微笑，然后答道：“那么這只烏龜站在什么上面的呢？”“你很聰明，年輕人，的確很聰明”，老婦人說，“不過，這是一只馱著一只，一直馱下去的烏龜塔??！”

    大多數(shù)人會(huì)覺得，把我們的宇宙喻為一個(gè)無限的烏龜塔相當(dāng)荒謬。但是我們憑什么就自認(rèn)為知道得更好呢？我們對(duì)宇宙了解了多少？而我們又是如何知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在開端之前發(fā)生了什么？時(shí)間的本質(zhì)是什么？它會(huì)有一個(gè)終結(jié)嗎？物理學(xué)中最近的突破，使我們有可能為其中一些長期以來懸而未決的問題提供答案，而奇妙的新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這些突破的部分原因。對(duì)我們而言，這些答案也許有朝一日會(huì)變得和地球圍繞著太陽公轉(zhuǎn)那么顯而易見――或許也會(huì)變得和烏龜塔一樣荒謬，只有時(shí)間（不管其含義如何）才能裁決。

    早在公元前340年，希臘哲學(xué)家亞里士多德在他的《論天》一書中，就能夠?qū)τ诘厍蚴且粋€(gè)圓球而不是一塊平板這個(gè)信念提出兩個(gè)有力的論證。第一，他意識(shí)到，月食是由于地球運(yùn)行到太陽與月亮之間引起的。地球在月亮上的影子總是圓的，這只有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發(fā)生在太陽正好位于這個(gè)圓盤中心的正下方的時(shí)刻，否則地球的影子就會(huì)被拉長而成為橢圓形。第二，希臘人從旅行中知道，在南方地區(qū)觀測北極星，比在較北地區(qū)，北極星在天空中顯得較低。（由于北極星位于北極的正上方，所以它出現(xiàn)在北極的觀察者的頭頂上，而對(duì)于赤道上的某觀察者，北極星剛好出現(xiàn)在地平線上。）根據(jù)北極星在埃及和在希臘表觀位置的差別，亞里士多德甚至估計(jì)出地球大圓長度為400000斯特迪亞?，F(xiàn)在不能準(zhǔn)確地知道，1斯特迪亞的長度究竟是多少，但也許是200碼（米）左右，這樣就使得亞里士多德的估計(jì)大約為現(xiàn)在接受數(shù)值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個(gè)論證，否則何以從地平線駛來的船總是先露出船帆，然后才露出船身？

    亞里士多德認(rèn)為地球是不動(dòng)的，太陽、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著地球公轉(zhuǎn)。他相信這些，是因?yàn)樗J(rèn)為地球是宇宙的中心，而圓周運(yùn)動(dòng)是最完美的；他的這種看法是基于某些神秘的原因。公元2世紀(jì)，這個(gè)思想被托勒密精制成一個(gè)完整的宇宙學(xué)模型。地球處于正中心，8個(gè)天球包圍著它，這8個(gè)天球分別負(fù)載著月亮、太陽、恒星和5個(gè)當(dāng)時(shí)已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。為了說明在天空中觀察到的這些行星的相當(dāng)復(fù)雜的軌道，人們認(rèn)為它們本身沿著附在相應(yīng)天球上的更小的圓周運(yùn)動(dòng)。最外層的天球攜帶著所謂的固定恒星，它們的相對(duì)位置總是保持不變，但是總體圍繞著天空旋轉(zhuǎn)。最后一層天球之外為何物一直不很清楚，但是它肯定不是人類所能觀測到的宇宙部分。

    托勒密模型的系統(tǒng)可以相當(dāng)精密地預(yù)言天體在天空中的位置。但是為了正確地預(yù)言這些位置，托勒密不得不假定，月亮遵循的軌道有時(shí)使它離地球的距離是其他時(shí)候的一半。這意味著月亮有時(shí)顯得要比其他時(shí)候大一倍！托勒密承認(rèn)這個(gè)瑕疵，但是盡管如此，他的模型被廣泛地，雖然不是普適地接受。它被基督教會(huì)接納為與《圣經(jīng)》相一致的宇宙圖象。這是因?yàn)樗哂芯薮髢?yōu)勢，即在固定恒星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間。

    然而，1514年波蘭教士尼古拉?哥白尼提出了一個(gè)更簡單的模型。（起初，也許哥白尼害怕被教會(huì)譴責(zé)為異端，所以將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽靜止地位于中心，而地球和行星們圍繞著太陽作圓周運(yùn)動(dòng)。將近一個(gè)世紀(jì)以后，人們才認(rèn)真接受他的觀念。后來，兩位天文學(xué)家――德國人約翰斯?開普勒和意大利人伽利略?伽利雷開始公開支持哥白尼理論，盡管它所預(yù)言的軌道還不能完全與觀測相符合。直到1609年，亞里士多德和托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡來觀測夜空。當(dāng)他觀測木星時(shí)，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)小衛(wèi)星或月亮圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)，這表明不像亞里士多德和托勒密設(shè)想的那樣，并非所有東西都必須直接地圍繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)（當(dāng)然，仍然可能相信地球是靜止地處于宇宙的中心，而木星的衛(wèi)星沿著一種極其復(fù)雜的軌道圍繞地球運(yùn)動(dòng)，表觀上看來它們是圍繞著木星轉(zhuǎn)動(dòng)。然而，哥白尼理論卻簡單得多了）。同時(shí)，約翰斯?開普勒修正了哥白尼理論，提出行星不是沿著圓周而是沿著橢圓（橢圓是拉長的圓）運(yùn)動(dòng)，從而最終使預(yù)言和觀察相互一致了。

    就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當(dāng)然的，并且是相當(dāng)討厭的假設(shè)，因?yàn)闄E圓顯然不如正圓那么完美。雖然他幾乎偶然地發(fā)現(xiàn)橢圓軌道能很好地和觀測相符合，但卻不能把它和他的磁力引起行星圍繞太陽運(yùn)動(dòng)的思想相互調(diào)和起來。只有到更晚得多的1687年，這一切才得到解釋。

    這一年，艾薩克?牛頓爵士出版了他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，這部也許是物理科學(xué)中有史以來最重要的著作。

    在這部著作中，牛頓不但提出物體如何在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的理論，并且發(fā)展了為分析這些運(yùn)動(dòng)所需的復(fù)雜的數(shù)學(xué)。此外，牛頓還提出了萬有引力定律。根據(jù)這條定律，宇宙中的任一物體都被另外的物體吸引。物體質(zhì)量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。正是這同一種力，使物體下落到地面。（一個(gè)蘋果落到牛頓的頭上使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。牛頓自己說過的不過是，當(dāng)他坐著陷入沉思之時(shí)，一個(gè)蘋果的下落使他得到了萬有引力的思想。）牛頓繼而證明，根據(jù)他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道圍繞著地球運(yùn)行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道圍繞著太陽公轉(zhuǎn)。

    哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關(guān)的宇宙存在著自然邊界的觀念?！肮潭ê阈恰背擞捎诘厍驀@著自身的軸自轉(zhuǎn)引起的穿越天空的轉(zhuǎn)動(dòng)外，它們的位置顯得固定不變，很自然會(huì)使人推測到固定恒星是和我們太陽類似的物體，只是比太陽離開我們遠(yuǎn)得多了。

    按照他的引力理論，牛頓意識(shí)到恒星應(yīng)該相互吸引，這樣它們似乎不能保持基本上不動(dòng)。難道它們不會(huì)都一起落到某處去嗎？在1691年寫給同時(shí)代另一位最重要的思想家理查德?本特里的一封信中，牛頓論證道，如果只有有限數(shù)目的恒星分布在一個(gè)有限的空間區(qū)域里，這確實(shí)是會(huì)發(fā)生的。但是另一方面，他推斷說，如果存在無限數(shù)目的恒星，大體均勻地分布于無限的空間中，對(duì)它們而言，因?yàn)檫@時(shí)不存在一個(gè)中心落點(diǎn)，這種情形就不會(huì)發(fā)生。

    當(dāng)人們議論到無限時(shí)，這種論證是你會(huì)遭遇到的一種陷阱。在一個(gè)無限的宇宙中，因?yàn)樵诿恳稽c(diǎn)的兩邊都有無限顆恒星，所以每一點(diǎn)都可以認(rèn)為是中心。很久以后才意識(shí)到正確的方法，即是先考慮有限的情形，這時(shí)所有恒星都相互落到一起，然后加上在這個(gè)區(qū)域以外大體均勻分布的更多恒星，看事情會(huì)如何改變。按照牛頓定律，平均地講，這額外的恒星對(duì)原先的那些根本沒有什么影響，所以這些恒星還是同樣快地落到一起。我們愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是它們?nèi)匀豢偸窍蜃陨硖s?，F(xiàn)在我們知道，不可能存在一個(gè)無限靜態(tài)的引力總是吸引的宇宙模型。

    在20世紀(jì)之前從未有人提出過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當(dāng)時(shí)的思維風(fēng)氣。一般認(rèn)為，宇宙要么以一種不變的狀態(tài)存在了無限長的時(shí)間，要么以多多少少正如我們今天觀察到的樣子在有限久的過去創(chuàng)生。

    其部分的原因可能是，人們傾向于相信永恒的真理，也可能由于從以下的觀念可以得到安慰，即雖然他們會(huì)生老病死，但是宇宙必須是不朽的不變的。

    甚至那些意識(shí)到牛頓的引力理論導(dǎo)致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能正在膨脹。相反，他們試圖修正理論，使引力在非常大距離下變成排斥的。這并沒有太大影響他們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的預(yù)言，然而卻允許恒星的無限分布保持平衡狀態(tài)――鄰近恒星之間的吸引力被遠(yuǎn)距離外的恒星來的斥力平衡。然而，現(xiàn)在我們相信，這樣的平衡是不穩(wěn)定的：如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微相互靠近一些，它們之間的引力就會(huì)增強(qiáng)，并超過斥力的作用，因此這些恒星就會(huì)繼續(xù)落到一起。反之，如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微相互遠(yuǎn)離一些，斥力就起主導(dǎo)作用，并驅(qū)使它們離得更遠(yuǎn)。

    另一個(gè)反對(duì)無限靜止宇宙的異見通常歸功于德國哲學(xué)家亨利希?奧勃斯，他在1823年撰寫了這個(gè)理論。事實(shí)上，牛頓的一些同時(shí)代人已經(jīng)提出過這個(gè)問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這個(gè)模型的第一篇。不管怎么說，這是第一篇被廣泛注意到的文章。其困難在于，在一個(gè)無限靜止的宇宙中，幾乎每一道視線必須終結(jié)于某一顆恒星的表面。這樣，人們可以預(yù)料，整個(gè)天空甚至在夜晚都會(huì)像太陽那么明亮。奧勃斯反駁說，遠(yuǎn)處恒星的光線會(huì)被它穿越過的物質(zhì)吸收而減弱。然而如果真是如此，這介于其間的物質(zhì)最終會(huì)被加熱到發(fā)出和恒星一樣強(qiáng)的光為止?？梢员苊庹麄€(gè)天空像太陽那么明亮的結(jié)論的惟一方法是，假定恒星并非永遠(yuǎn)那么明亮，而是在有限久的過去才開始發(fā)光。在這種情況下，吸光物質(zhì)還沒加熱，或者遠(yuǎn)處恒星的光線尚未到達(dá)我們這里。這就使我們面臨著什么是首次引起恒星發(fā)光的問題。