科学与宗教：21世纪的问题(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：（美）梅尔·斯图尔特 徐向东 邢滔滔

出版社：北京大学出版社

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科学与宗教：21世纪的问题试读：

从哥白尼的关于日心说的《天体运行论》（1543）到牛顿的《自然哲学的数学原理》（1687），这个时代见证了古老的、亚里士多德式的宇宙论的终结，以及现代天文学的诞生。为什么这个过程要持续一个世纪之久？亚里士多德的主要错误在于他将地球和天体物理学一分为二。而收集证据来反对这种常识性的分隔，并建立起一个全新、统一的物理学，就耗去了数十年的光阴。新观点的形成至牛顿最终达到顶峰，第谷·布拉赫、开普勒和伽利略亦是其间的重要角色。这些思考说明，对于科学革命而言，最重要的是信念，而非证明。[1]

1959年，著名小说家亚瑟·柯斯勒出版了《梦游者》，该书对科学革命——尤其是哥白尼、开普勒和伽利略的作用——进行了历史性的描述。身为小说家，柯斯勒考虑问题时用的是恶棍—英雄模式，而且很显然，开普勒正是他笔下的英雄。因为，对于那位在《天体运行论》（1543）中引入日心说体系的哥白尼，柯斯勒的态度简直是惊人地挑剔。他草草地认定，《天体运行论》是“一本无人问津的书”，并且堪称“史上销量最差”。

这种说法显然是错的。一本书要真是“史上销量最差”，就不可能接着出第二版（1566）、甚至第三版（1617）了。我花了三十年来搜集16世纪的复本，并且确实查阅了600件样本，阅读许多读者写在书页上的旁注。后来，当我把这段“寻宝”经历写成报告出版时，我用了《无人问津的书》作为标题（现在这本书已经被翻译成13种语言，其中包括中文）——当然是讽刺的说法。不过，柯斯勒其实是一个有智识的读者和作者。那么，他怎么会犯这样的错误呢？

20世纪的作家很容易去凭空想象事情应该是怎样，而不是了解历史究竟是如何演进的。柯斯勒具有充足的历史知识，知道日心说体系才是行星系统的正确蓝图，而传统的地心说是非常错误的。所以，如果某人极富洞察力地将事情导向正轨，其他人肯定很快就会看到自己的方法有错，于是采纳新的体系。那么，当时的人们忽略日心说是因为愚蠢么？还是因为他们恰好没有读过哥白尼的书？柯斯勒认为人们并不愚蠢，于是他下了结论——当时没有人读过这本书。

但这不是唯一的可能。知识阶层懂得拉丁文，可能阅读该书，并将其作为一个计算行星位置的巧妙手段而接受。事实上，书中未署名的前言已经告诉了读者足够的信息：“精确地观察并提出假设，以便行星在过去或现在的任何时间所处的位置都能够被计算出来，这是天文学家的责任。我们的这位作者出色地履行了这项责任。但这些假设不必是真实的，甚至不必是可能的。”换句话说，这本书是一本计算方法指要，而非关于宇宙的物理性描述。假如这份由出版权威编造的前言没有出现在书中的话，全欧洲的知识阶层也会造一个出来。毕竟，将地球置于一种令人头晕的运动中，这种说法看上去十分荒唐，违背了所有的常识。如果地球是在一种快速旋转的状态下盘绕回旋，想象一下鸟儿们该有多可怜吧！

所以，为了探查科学革命蜗牛般的发展步调，并找出世界观变化得如此缓慢的原因，我们需要首先考察16世纪即将到来之际的宇宙论图景——彼时哥白尼在意大利刚刚读完大学。而这就意味着我们必须简要地考察一下亚里士多德这位古代世界最聪慧的人以及他的两个最严重的错误。亚里士多德的错误

亚里士多德的宇宙论组织有序，且依赖于常识。宇宙间最显明的区分之一，存在于苍穹中永恒无尽的运动同大地万物的短暂易逝之间。腐朽与衰败是尘世间的标记；与此相反，不朽却属于上苍。从运动本身就能看出这一点。天空中的运动必定是永存的，因此它们必是圆环的，没有开端也没有终结。这完全是自然的。在地面上，运动或者向上，或者向下。土与水下降，气与火上升，除非受到外力作用，否则运动总是沿直线进行。我们可以在下面这个表格中构造出这种安排，其中包括这四种地球上的元素：这就是亚里士多德式宇宙论的基本框架，在下界的现时与上界的永恒之间，存在着明显的二分。而这便是亚里士多德的错误。

尽管如此，亚里士多德的宇宙论还是会导向一些有趣的结论。比如说，我们可以考虑一下地球的形状。在他的宇宙论中，有一个中心地带，那些较沉的元素总是自然地落向这个地带。土与水开始下落，而土块和水滴就向着中心地带下降。当它们持续堆积，就会自然地聚积为一个球形的凝堆，因为物质会落向尽可能低的位置。这样，地球就会变成球形，或者接近球形。这个理论不需要其他证明，因为这个初始模型（archetypal form）就是所需要的全部。但亚里士多德在他的《论天体》中又补充了一个有趣的、经观察得来的证明，这几乎是一个后来才形成的想法：月食的时候，地球投在月球上的影子的边缘总是凸的。

五个世纪之后，托勒密在他的《天文学大成》（Almagest，该书是古代世界论述理论天文学的最重要著作，也是地心说天文学的奠基性作品）中略过了初始模型，这一假说不再被提起，但是书中给出了几个可观测的证明：（1）由于观测者处在地球上不同的经度，月食就会出现在地平线以上不同的高度。（2）旅行者行进的方向不同（南或北），看见的星宿也不同。（3）船桅上的航海者将首先看到海岸。

托勒密的含糊论证在约翰尼斯·塞科诺伯斯克（Johannes Sacrobosco）的《天球论》（De sphaera，约1215年）中得到了明晰的发展，后者曾以手稿形式广泛流传，后来，到了1472年年初，又迅速增加了许多印刷本。于是，早在哥伦布开始航海之前，受过教育的欧洲人就充分地认识到地球是一个球体。“地球是平的”，这个神话基本上是19世纪的发明，我接下来就要解释这一点。

同时，还有一个问题需要说明：亚里士多德的另一个严重错误是什么？这个错误比较细微，而且可能不是人为预期的。他的篇幅简短的著作《论天》（De caelo）主要包含了今天被称作球面天文学或几何天文学的内容，此外还有关于天体和地球之二分的充分讨论。由于这一点，《论天》在中世纪甚至文艺复兴早期的大学中一直都被视作数学教授的研究领域。亚里士多德将更为哲学化的问题——例如行星运动的原因——留到《形而上学》中加以探讨。随着事情的进一步发展，《形而上学》开始归入哲学教授的研究范畴——一般来说，他们的威望要高于数学家。于是，研究物质的成因就成为哲学教授的职责，而不再属于天文学家（数学教授）。

这个分野在伽利略的故事中具有重要意义。当伽利略获得在佛罗伦萨的教职时，国务大臣询问他对薪水的要求。这位帕多瓦大学的教授很礼貌地指出，在威尼斯共和国，不需特别要求即能领取丰厚的薪金，但是他坚持认为，他的称号不应仅仅是“数学家”，而应充分地扩充为“数学家与哲学家”。也就是说，伽利略想要得到认证，从而能够探讨行星的宇宙论方面，而不仅仅是它们的几何运动。

只有在天文学家乐于拥护行星现象的物理学解释之后（就像伽利略和开普勒那样），天文学才开始了它的迅猛发展。现代天文学于是真正诞生。“平地球”的神话

在美国，十月的第二个星期一被定为公共的“哥伦布纪念日”，这个法定的假日是为了纪念哥伦布以及欧洲对新大陆的发现。每到“哥伦布纪念日”，人们就会一遍遍地、活灵活现地讲述哥伦布是怎样说服了西班牙统治者，费尔迪南和伊莎贝拉，令他们相信地球是圆的。难道基督教国家已经忘记了“地球是圆的”的悠久传统，而回到了亚里士多德？事实上，19世纪早期的美国人实在健忘，而他们试图忘记的，正是标准的英国观念；其中之一就是，塞巴斯蒂安·卡伯特才是在北美登陆的第一人——哥伦布仅仅发现了西印度群岛中的一些小岛。

在杰佛瑞·波顿·罗素（Jeffrey Burton Russell）内容丰富的著作《发明“平地球”》（1991）中，这个故事得到了很好的描述。北美革命之后，民众极度需要树立非英国的英雄形象。哥伦布起到了这个作用。但是直到小说家华盛顿·埃尔文（Washington Irving）访问西班牙、发掘大量资源，炮制出这个广为流传的故事之前，其实并没有多少人了解他。不幸的是，埃尔文混淆了虚构与事实之间的区别，而他笔下最生动的场景之一萨拉曼卡，只是大胆的想象。在萨拉曼卡，哥伦布面对着一个由预备修士组成的专门小组，“一支可观的专家队伍，托钵修会修士和教会的显要人物”，他们“事先就反对他，就像拥有地位和威严的人们倾向于反对贫穷的申请者一样”。他们嘲笑“地球是圆的”这一主张，并引用《圣经》来推断地球应该是平的。哥伦布，这个极端虔敬的人，发现他自己面临的险境不仅是被控宣扬谬见，而且还有引入异教。

事实上，在萨拉曼卡进行的很可能是一个西班牙王室的集会。哥伦布在大学城所面对的难题，并不是令伊莎贝拉和费尔迪南相信地球是圆的，而是使他们了解地球的大小以及欧亚大陆主体部分的范围，以使西行至中国和印度的冒失想法不会显得过分无理。哥伦布对地球的大小做出了错误的假定，不仅如此，他还在相当程度上夸大了从欧洲到中国的距离。

在1486年的下半年，当西班牙王室在萨拉曼卡集会时，到会的学者们不同意哥伦布所说的缩小了的地球体积。他们所坚持的地球周长接近于我们今天的认识。如果哥伦布没有对此作出虚假的估计，他就不可能坚持那次鲁莽的远航。在杰出的传记作家塞缪尔·埃略特·莫里森（Samuel Eliot Morison）看来，众所周知的“平地球”神话只是“骗人的空话”。他评论道：“当华盛顿·埃尔文嗅出良机近在眼前、自己将会创造出生动感人的一幕时，他就炮制了对这个不存在的大学委员会的虚构描述，并在距离真实事件发生130年后发表了他的虚构。他详细地描述这个故事，听任自己的想象自由驰骋。”埃尔文的叙述引人入胜，富有戏剧性，“因为我们都爱听那些关于教授和专家们被简单的常识搞得不知所措的故事。而这个故事完全是误导人的，是刻意而为的一派胡言”。

而“地球是圆的”则是亚里士多德式宇宙论中经得住时间考验的信条之一！哥白尼式变革

为什么日心说宇宙论恰恰是在16世纪上半叶引入欧洲，而不是时间上更早，或者是在其他文明体系中？这是一个迷人而又充满挑战性的问题。很有可能，很多人都有过这个想法，但是立刻把它打发掉了，因为它太荒谬，不值得考虑。毕竟，如果地球是绕着地轴旋转的，那么当一块石头被高高地抛向空中时，会发生什么呢？它肯定会落在另一个国家。那如果地球每年都绕着太阳快速旋转，又会发生什么呢？月亮肯定就会不见了！

于是，真正的问题不在于哥白尼是如何碰巧产生这个想法的，而在于究竟是什么原因促使他坚持这一想法？而这正是从地心说转向日心说的各个技术细节的有趣之处。

图1：我们先来看一个圆，它代表太阳围绕一个不动的地球进行逆时针运动的轨道。接下来，我们加上一个更大的圆（只能显示一小部分），来表示行星的逆时针运动。由于行星有时被观测到是按顺时针方向运动的（就是所谓的“逆行”），我们再加上一个次大圆或者本轮。本轮相对其所在圆的大小，严格地由对逆行的观测决定。对于带外行星（火星、木星和土星）来说，行星在其本轮中的位置具有这种特征：本轮中的矢量总是平行于太阳圆圈中的矢量。哥白尼一定是注意到了这个奇怪的、难以解释的事实，它不是特别明显，除非你对划出的实际角度仔细作图。由此得到的这条线EP，就是我们所要追踪的行星在天空中运动的预期方向。图1

图2：尽管本轮对它所在圆环的比例是严格固定的，但是绝对尺寸并非如此。因此，我们可以重新调整图形，而不用改变任何角度。第二个图表完成的就是这项工作。这样一来，现在本轮就与太阳轨道同样大小。关键的EP线仍保持其方向不变。注意，我们现在可以从ED和DP建立一条关键线。这两条线都很容易计算。但是我们仍然可以从ES和SP发现同样的关键线。为了找到太阳的位置，ES这个方向应该已经被计算出来。这样，这个节省力气的运动就被一些老式的表格确定下来。图2

图3：现在我们可以进行一个简单的转换，保持地球、太阳和各行星的位置不变，但是将这个结构中的其他部分沿地日线（ES）向上移动。像刚才一样，我们可以从ES和SP找到一个角度位置。请看这里！本轮不再是必需的了！这意味着，通过体系自有的内部构成，逆行现在能够自然而然地得到说明，因为本轮的作用已经中止。这样，逆行就有了自然的解释，而不再需要本轮这一特别安排。图3

不过远远不止这些。当哥白尼对所有行星实施这一程序时，他发现自己几乎是自动地构成了一个统一的体系。其中，运行速度最快的水星紧紧地围绕太阳运行，最滞缓的土星则落在接近最外围的环线上，其他行星则按照公转周期依次排列。哥白尼于是宣称：“除此之外，我们没有其他的办法，能够在轨道的大小与在该轨道上的行星运行周期之间建立确实的联系。”于是，以太阳为中心的排列就产生了这个漂亮的统一体。这样哥白尼一举发明了太阳系，作出了根本性的创新。图4　哥白尼《天体运行论》（1543）中的日心体系。哥白尼绘

因为这是首次诞生真正的体系。而该体系同时具有美感，以至于哥白尼一发现它就不愿再放弃，即使这个关于宇宙的结论看上去完全是荒唐的。但是哥白尼对于是否发表手稿犹豫不决，因为他担心被“赶下舞台”。直到一位年轻的路德派天文学家从威登堡来特意造访，哥白尼这位年迈的天主教徒才最终同意将他的手稿带去纽伦堡发表。

首先，那篇匿名的前言有助于保护这本书。哥白尼本人是否同意日心说宇宙论这一物理实在？很可能是这样。但实际上，哥白尼在表露他的哲学倾向时，格外地小心谨慎。书中确实有些部分看上去是在论证一个自然而真实的宇宙论，例如在《天体运行论》中第一卷第十章中、同以太阳为中心的图表一起出现的、宏大的宇宙论段落。在那里，他宣称：“毋庸置疑，如此阔大之物便是万能的创世者的神圣创作。”在其他部分中，他则像个建模型的人或烹调手册作者一样，修修补补。至于格奥尔格·约阿希姆·莱提库斯（Georg Joachim Rheticus）这位年轻的威登堡天文学者，这部划时代著作的促成者，他倒肯定是一位实在论者。他这样写道，“那就像是将万事万物以最高贵的方式联结在一起，仿佛是用金链联结一样”；不仅如此，在他送给朋友的《天体运行论》的赠阅本中，那篇匿名前言中论及“这些假设不必是真实的甚至不必可能”的部分总是被巨大的红“×”划掉了。

不管怎样，距离天文学家们向前迈进一步、以一种显明的、实在论的视角来撰写关于日心说宇宙论的论文，还有几个世代之久。而对此影响最深的，当属开普勒和伽利略。第谷式转折

第谷·布拉赫，丹麦伟大的仪器制造者和观测者，他凭一己之力、用一个数量级就丰富了天文观测数据的全部档案；直至今日，在到处都是天文观测站和数据采集之前，他的成就都是不可复制的。第谷大概处在哥白尼和开普勒的中间，对于我们理解日心说宇宙论的渐进的接受史来说，他是一个关键的转折人物。

第谷曾经评论道：“哥白尼并未触犯数学规则，但他认为地球这个怠惰而缓慢的、不适于运动的物体，可以像拥有以太之炬的事物（即星辰本身）那样快速运动。”而且，每当第谷表达他对哥白尼理论的不满时，他总是首先声称，该理论的物理过程存在着问题；然后，仅仅是次要的，他才声明该理论与《圣经》相违。毕竟，《诗篇》的作者说过，耶和华“将地立在根基上，使地永不动摇”（《诗篇》104）。

同时，第谷是一个物理实在论者。很多观测者都坚持这种实在论观点，他们具有一夜连着一夜在星空下观测的经历，这些经历使他们远离了那种想象出来的、圆环叠套的结构。他还欣赏哥白尼所引入的、围绕太阳排列行星的统一体；并且寻求对哥白尼式安排的观测证据。然而，当他（错误地）以为已经找到证据时，却不再拥护日心主义，转而拥护他自己偏爱的地—日中心体系。在这个体系中，月亮与太阳绕着一个不动的地球旋转。同时，太阳使轨道中的其他行星围绕它旋转，就像它自己绕地球旋转一样。在这个安排中，代表火星轨道的圆环与表示太阳运动的圆环重叠。因此，追随这一观点的人就必须得接受一种透明的、无重量的水晶球体的概念。

1572年，第谷发现了比月球更远的一颗明亮的新星。包括这一发现在内，他的诸多早期观测成就明显削弱了亚里士多德的观点，即：永恒的以太界不会发生衰败或更新。同样，他在1577年发现大彗星沿着远离月球的上方路线进行运动，它会撞碎处在该轨道的任何水晶球体。于是，在第谷的宇宙论中，如果火星在自己的运行轨道上不会撞到任何球体，那么现在，大彗星肯定会。很明显，亚里士多德式的宇宙论遭到了动摇，这动摇或许不是根本性的，但是一场关于传统宇宙论观点的巨变确实正在酝酿。开普勒的“有因的宇宙”

尽管与伽利略相比，开普勒的年纪略小，但是他先行一步，满怀热情地接受了哥白尼的学说。对此我们很难做出精确的解释，但这确实与开普勒的神学研究有关。实际上，开普勒从未接受过数学方面的特殊训练，而且，在“四艺”的数学学科中，他的天文学得了最低分（A-！）。

在亚里士多德的体系中，天空中的运动来自于外部力量，这力量每24小时便将整个由星体组成的（无重量的）结构旋转一周。亚里士多德认为，这旋转天空的力量便是神的爱。开普勒从哥白尼的体系中发现，外部的、由星体组成的天空是固定的，因此行星的运动就必须来自中心——这是非常合理的解释，因为哥白尼已经敦促人们注意以下事实：一颗行星距离越近，它的运动速度就越快。如果光辉的、独一无二的太阳是天父的化身，那么外部天空就是基督再现，二者之间的空间则是圣灵。哥白尼的体系彻底变成了三位一体。毫无疑问，这个令人吃惊的想法与开普勒对哥白尼宇宙论的狂热追随是紧密相联的，也可能与他不愿接受星体就像太阳一样、向着广袤的领域和遥远的空间无限延展这一观点有关。

正是在这一点上，开普勒的物理推论得以展开。在哥白尼的体系中，行星沿圆形轨道运动，而这些轨道是偏离太阳自身的。除地球之外，每颗行星在处于其轨道的近日点时，运动速度都会加快。但是，出于物理学的推论，开普勒认为，把地球排除在这一现象之外肯定是错误的。地球应当同其他行星一样运动，随着与太阳之间的距离变化而改变速度。当靠近太阳时，地球的运动速度也应当加快。

开普勒决心查明这一点。如果地球在其轨道中的运动速度不定，那么根据上述假设，公认的地球轨道的离心率就是错误的。但是，人们能否直接断定这一点？开普勒尝试通过测量太阳在不同季节的大小变化来做到这一点。但这种变化幅度只有将近1%，太过微小而很难捕捉到。在此之前，他有权使用第谷·布拉赫对火星的出色观测结果，于是他通过三角测绘，探定了地球轨道的位置。变化的确微小，然而开普勒确信自己能够测出准确数字。最终，他发现，在预言火星位置时，地球轨道所发生的看似微小的变化实际上造成了巨大的差别。

开普勒对火星的研究始于他跟从第谷做学徒的时期，当时第谷正从丹麦迁往布拉格。这段学徒生涯相当短暂，开普勒实际上只跟了第谷十个月。第谷发现了开普勒的非凡才能，而当他猝然离世之时，他还在安排事宜，以便开普勒能获得“皇帝鲁道夫二世的帝国数学家”的职位。任职顺利通过了，开普勒于是成为第谷的宝贵的观测成果的看管者。他继续钻研火星这颗难以搞定的行星。没过多久，他就得出了有史以来计算火星在穿越黄道带时的经度的最准确公式。但是，在计算火星纬度（即南—北距离）时，他的轨道却不幸失败了。其实这个问题似乎并未困扰过从托勒密到哥白尼的任何一位天文学家，他们都满足于用不同的方式来计算经度和纬度。但是开普勒不同——他所向往的是一种立基于物理成因之上的天文学；并且，用与计算经度完全不同的几何学方法来计算纬度，对他来说毫无意义。

他不知疲倦地研究出一种预备性的轨道，这并非毫无意义。这构成了开普勒的计算程序的一部分。这项研究漫长而又艰巨，最终它将开普勒引向一种椭圆形的轨道。在诸多非常相似的备选曲线中，这种椭圆形对他具有物理学意义。不久以后，伊萨克·牛顿觉察到开普勒已经猜到了椭圆形，但是他，牛顿，证明了这一点。但是，开普勒的猜想确实是一个勇敢的直觉的猜测，并且抓住了通往正确答案的关键。当牛顿说自己是站在巨人的肩上时，他或许并没有意识到，他的成功有多少要归功于开普勒对物理成因的坚持。

这条道路既不轻松，也不明晰。开普勒的老师和从前的导师米歇尔·迈斯特林，敦促他放弃物理成因，并说天文学现象要求几何学解释。最终，开普勒的多数物理学研究都未能通过时间的检验。惯性（inertia）的概念还只是刚刚萌芽——伽利略在这个方面领先他许多。但是，天体物理学的重要性被铭刻在开普勒的不朽著作《新天文学》（Astronomia Nova）——这记录着他的“火星战争”——的扉页上。此书副标题是“以成因为据，或者：天体物理学”。从未有一本书像这样，具体地呈现出与满布错误的数据所进行的艰苦搏斗。这是一个压倒性的理由，旨在说服那些心存怀疑的读者相信，开普勒为了获得那个唯一正确的答案已经付出了足够艰苦的努力。但首要的是，这是以成因为据的“新天文学”。而亚里士多德式的圆环论已经被抛弃。伽利略与天文望远镜

当开普勒还在格拉茨做高级中学教师时（那时他还没有碰到第谷·布拉赫），他在1586年就出版了一本令人惊奇的小册子，名为Mysterium Cosmographicum，也可以译为《宇宙的神圣奥秘》（Sacred Mysteries of the Cosmos）。这本书非常著名，因为它抱有一种奇怪的意图，试图在哥白尼体系中使用五个常规的多面体将六大行星间隔开来。但是在书中，开普勒还钻研了一种对于轨道大小与行星运转之间关系的物理学理解。他派一位朋友带着该书的两份副本前往意大利，令其将书稿交与可能对之感兴趣的人。他的朋友四处探寻，最终将两份副本都交给了伽利略，后者当时正在帕多瓦大学教书。伽利略迅速地回应说，他自己也赞成哥白尼——虽然是秘密地赞成。这是我们所持有的第一份证据，显示出伽利略是倾向于日心说宇宙论的。开普勒在回信中敦促这位意大利人公开表明立场，但是伽利略仍然对此保持沉默。

为了找出那个促使伽利略从一个胆怯的哥白尼追随者变成热情的日心说拥趸的关键时刻，我们必须向前跳进十几年，来到1610年1月7日的帕多瓦。此前一年，关于新发明的小型望远镜的消息已经传到了伽利略耳中；仅仅通过粗略的描述（一根管子里装上两块透镜），伽利略就在一天之内摸索出了制作的办法。他立即着手改进这一发明，从根本上把它从变戏法的玩具改造成一项科学仪器。不到五个月之前，他已经向威尼斯议会展示了一台8倍功效的设备，在此期间他又将该设备充分提高到20—30倍功效。在用改进后的小型望远镜——当时还没有“天文望远镜”这个名字——望向天空时，伽利略就将目光对准了明亮的木星；日落之后，这颗星就闪烁在天空的东南方。这是人类首次看到一颗行星的表面，显然也是将行星从点状的星辰中区分出来的途径，但这并不是唤起伽利略的好奇心的东西。他惊讶地发现，靠近木星还有三颗小星体，而单凭裸眼无法观测到。第二天夜里，“在他未曾意识的命运引领下”，伽利略决定再做一次观测。这一回，三颗小星体处在了木星的另一面。怎么会这样？难道是他的记忆出了错？第三个夜晚，天空中云量很多。而到了星期日，1月10日，其中的两颗星回到了东边，另一颗则可能被木星遮住了。这是应该记录日志的时刻。而伽利略的这份观测日志与他的众多论文一起，保存在佛罗伦萨的国家中心图书馆里，它可能是科技史上最激动人心的单篇手写书稿。接下来数个夜晚的观测证实了这个排列，除了在星期二晚上，第三颗小星体处于木星的西面。然后到了星期三，有了真正重大的发现！事实上，围绕着木星的，共有四颗小星体。

在此之前，伽利略一定已经在构造假说，以解释他所看到的现象：小星体实际上是环绕木星运行的四颗卫星。多么惊人的结论！当时很多人都不接受太阳中心论的哥白尼体系，因为如果地球每年都围绕太阳旋转，那么它如何令月球围绕自己旋转呢？但是，人们都同意木星是在运动着的，而这似乎并不妨碍这颗明亮的行星拥有自己的卫星群。很有可能，是这个重大的发现时刻使伽利略从一个秘密同意哥白尼观点的人变成了热情的拥护者。当他继续在纸页的另一面记录日志时，他不用意大利文，转用拉丁文——这种语言后来成为科学研究领域的国际通行语言。显然，伽利略是在为国际读者写作。

转变不止这些。一个月前，伽利略就将他改进过的天文望远镜转向了月亮。用这台20倍功效的仪器，辨析环形山已经非常容易，但是由于视野限制，勘测月球仍然十分困难。他观测到的图像显示，在一些细微的地方，有分散的小光斑出现在分界线（月球上光亮与黑暗部分的界线）的另一边，在那里山峰捕捉到了阳光在黎明时分的光线。1609年12月，整整一个月里，他利用不断提高的观测能力，不时地添加观测图像。伽利略完全被月亮上有山峰与低谷、坑洼与平原这一事实迷住了。那意味着，月球就像地球一样。严格来说，坑洼和山峦所在的位置基本上是偶然的。重要的是这个事实——月亮并不是通透的、水晶般的以太物质，并不是一个远离满是腐朽与衰败之尘世的、永恒不变的天体，而是与地球一样。亚里士多德式的天地二分彻底粉碎了。

毫无疑问，伽利略想过要出版这份图文并茂的月球发现纪录，但是他似乎对此并不着急——直到他对木星的观测有了新发现。他有好几个月都梦想着离开帕杜瓦，转而接受佛罗伦萨的美第奇宫廷科西莫二世的任职。忽然之间，木星卫星群的发现给了他一个名正言顺的机会，可以将这些卫星命名为“美第奇行星”。在一月底之前，伽利略投入了全部的激情来写作一本关于发现天体的著作。伽利略原本只是一位实验物理学家，忽然间却获得了天文学家这个全新称号。他的《星际讯息》起到了多重作用：一方面，它是一份工作申请，有助于伽利略获得佛罗伦萨的职位；另一方面，它成为伽利略反对具有传统尊荣的亚里士多德式天文学的开篇之作。

在《星际讯息》中，伽利略只是暗示了他的哥白尼式立场。很明显，他不想在申请工作这件事上惹什么麻烦。在他获得了佛罗伦萨的职位后，他的宇宙论立场也就变得更鲜明。他对太阳黑子的观察在《太阳黑子通信集》一书中（1612年，使用意大利方言写作）得到了出色的描述，而此时的伽利略比以前更愿意透露自己的哥白尼式观点。后来，在题献给科西莫强势的母亲、大公夫人克里斯蒂娜的未出版的论文中，伽利略提出对日心说宇宙论做一个圣经式的解释。

1616年，伽利略来到罗马，试图说服天主教会对几种可能的宇宙论观点采取宽容态度，以免他们由于疏忽退守某个体系，而该体系不久将被天文学或物理学发现所确证的事实驳倒。但是，保守的罗马神学家——例如罗伯托·贝拉米尼以及后来的教皇厄本八世——都确信无法找到不可辩驳的证据，因为拥有无限智慧的上帝可能以不同的方式创造事物，就像金星具有不同相位一样（金星的相位也是由伽利略在同一时期发现的）。为了反对伽利略的游说，贝拉米尼命令伽利略不得持有也不得教授哥白尼的原理，因为这一理论看起来是与《圣经》的若干篇章相违背的。而另一方面，伽利略确信可以获得对那部分《圣经》章节的不同解释，于是他继续寻求不可辩驳的证据，以证实地球的运动。

严格说来，伽利略从未真正获得他所寻找的不可辩驳的证据，虽然他认为自己通过潮汐的论证而接近了这些证据。（伽利略相信，地球自身的运动引起了潮汐，现在我们知道，这个观点是错误的。）尽管如此，伽利略始终在其反亚里士多德主义的论证方面保持沉默，直到他在佛罗伦萨的一个熟人当选了教皇。伽利略迅速赶往罗马，希望得到新教皇的允许，写作一本关于宇宙论的书。厄本八世想必认为那会是一篇枯燥的几何学论文。然而，1632年，伽利略完成了伟大的、具有说服力的《对话》。他的这本宇宙论著作用意大利方言、以生动的对话体形式写成，极富说服力地反对了亚里士多德主义。正是这本书令“运动的地球”这个信念使人信服。

厄本和他的同僚十分恼怒，因为伽利略只是一个业余神学家，却认为自己可以告诉他们如何阐释圣经，并且未能把他们的论证记在心里。因此，伽利略被召至罗马，面对审讯。尽管伽利略最终被迫同意否认自己实际上信奉哥白尼的宇宙论（并且因此逃脱了“异教徒”的罪名），但他仍旧被软禁起来，因为他传授了该学说，并且认为圣经并非科学事实的最终权威。牛顿，最终的综合者

显而易见，描述亚里士多德式宇宙论的兴衰，完全可以写成一部多卷本著作。同样，光是伊萨克·牛顿的成就即可以单成一卷，还无法包括全部内容。本文主要聚焦于1543年哥白尼的《天体运行论》到1687年牛顿的《自然哲学的数学原理》之间，仅仅是简要地讨论了天文学研究领域内的少数高峰，而没有讨论力学和光学领域中诸多的杰出人物和重要发展。针对亚里士多德之宇宙论的整场思维巨变是普遍存在且隐而未发的，各种争论并没有足够充分的证据。

证明地球每年围绕太阳运转的一个明显可能的证据在于星群的周期性移动，这被称为视差。即使哥白尼注意到这一现象暗暗证实了自己的理论，他也争辩说，由于星星的距离是如此遥远，这一周年视差是无法观测的。“毫无疑问，全能的造物主的作品是如此广袤”，他这样写道，而这就是《天体运行论》被列入禁止出版物名单时，天主教廷所审查的为数不多的地方之一。哥白尼虔敬的记叙使人觉得好像上帝确实如此创造了宇宙。这个问题直到牛顿仍未获得解决。牛顿的同代人，罗伯特·胡克，根据少量由固定的、朝向天空的望远镜观测得来的数据确信他已经找到了视差，但这是个虚假的发现。所以，正是牛顿有力而宏富的推论、而非其他观测数据，给了亚里士多德式宇宙论最后一击。找到视差成了天文学观测的神圣目标，因为它具有标志性意义——即使在1838年视差被最终观测到之前，同样有效的可测标准早已建立起来了。

牛顿的伟大成就在于统一了地球和天体物理学。典型的场景是，牛顿坐在苹果树下，意识到苹果落下与月亮的不断“落下”是相互关联的。事实上，是伽利略用一个球体滚下斜面的试验令牛顿确信了惯性概念——在没有外力作用的情况下，球体的运动将会保持不减弱。世间万物似乎除非为外力所推动否则就不能运动。这一观点完全包含在亚里士多德的物理学中，并且已经在中世纪晚期的大学中遭到了挑战，但正是伽利略充满灵感的试验推断出没有摩擦的理想情况。

不幸的是，开普勒在伽利略的最后一本著作（关于力学的演讲）从意大利私运到莱顿出版之前便已辞世。开普勒正确地推断出，太阳在哥白尼的太阳系中必须处于运动的中心，但是他仍旧拘泥于错误的、亚里士多德式的物理学，从而假定太阳无论如何必须始终推动众行星运转。他知道从太阳射出的光线会随着距离平方的增加而消弭，于是便苦恼于太阳的动力不会同样如此。如果他想到了惯性运动的力，那么事情就会完全不一样了。

在牛顿那个时代，英国的学者们都知道太阳的引力应该随着距离平方的增加而消减，但是很难证明这一点。他们中有三位聚集到一起，讨论在随距离平方的增加而削减的太阳引力下的行星轨道的形状。罗伯特·胡克宣称他能解决这个问题，但是如果他的方法是对的，那看上去也太过简单了。建筑师、牛津大学前任天文学教授克里斯托弗·雷恩知道自己无法解决这一难题，于是他设置了一笔奖金，来征集解决方案。埃德蒙德·哈雷（后来因为以其名字命名的“哈雷彗星”而为人所知）断定最简单的办法还是去问牛顿。牛顿说他已经进行过这项工作，却把计算结果弄丢了。在哈雷的敦促下，牛顿回头重新做起。其间，他意识到不止太阳具有这种力，每一个行星也都具有。这样就形成了万有引力以及他的划时代的《原理》。这确实是一项天才的杰出成就，牛顿用了大约18个月完成它。

牛顿的运动定律和引力理论涵括了从潮汐、月亮落下、彗星运动到地球形状和行星的质量等等的一切。它是如此深广宏富，以至于亚里士多德式的宇宙论终告衰亡。信念最终获胜，而哥白尼的宇宙论最终成为主流！现代科学自此诞生了。

注释

[1]Arthur Koestler，匈牙利裔英国作家，代表作有政治小说《中午的黑暗》。[1]“设计一个与生命相宜的宇宙”（陈玮　译）

我们的宇宙——尤其是地球上的环境，对于智慧生命的生存而言，是令人吃惊地适宜。本文检视了某些化学特性与物理特性，并回顾了我们是如何了解到137亿年来关于宇宙的各种信息的，例如，元素的起源以及它们那惊人地合宜的面貌。本文将对发现外部行星和在银河系其他地方找到生命的前景进行评论，并以此作结。

多年来在哈佛大学任教，我总是不断地开设一门学期课程，题目是“宇宙间的其他地方有智慧生命存在吗？”回答这个问题自然是不可能的，但至少我们可以讨论宇宙的各个方面和历史，这些都对这项迷人的探究有所影响。这些讨论涵盖了天文学、物理学、化学以及生物学，因此，研究的背景相当广泛。“设计一个与生命相宜的宇宙”这个题目涉及上面所有这些话题，足以写一本厚厚的专著了。这里，我仅简要地作一个陈述，稍微谈一些有趣的细节，但是我们应该明了，出于必要的原因，很大一部分相关信息都有所省略。

举例来说，我们可能从一开始就想要定义，生命究竟是什么。我们可以简单地说，生命就是某些自我供给并自我繁衍的东西。然而，某些晶体可以通过从周围环境中获取原子而增长，并且在某种意义上繁衍自身，但我们显然不会认为晶体是活物，因为它们并不具有遗传物质。而今，科学所面对的诸多重大谜团之一，就是生命的起源。对此我们现在几乎没有任何线索。或许，某些类似晶体构成物之类的东西与之有关。而我最近读到一部杰作，整本书都在讨论如何定义生命的问题。因此，“设计一个与生命相宜的宇宙”这一问题，乍看起来似乎非常简单，但它的很多部分实际上是相当复杂的。

下面我会试着说明这项复杂研究的几个方面。我会按照下列标题来讨论相关内容：（1）环境的适宜。（2）宇宙的化学成分。（3）元素的诞生。（4）行星位置。环境的适宜

1913年，哈佛的化学家劳伦斯·亨德尔森（Lawrence Henderson）写了一本富有洞察力的书，名为《环境的适宜》。他知道达尔文的进化论描述了生物体如何在最舒适或者在“适应”其所在的特定物理环境的情况下，最为成功地繁衍后代。但是，亨德尔森发现，如果环境本身不合适，那么就不会存在任何生物。比如说，生命显然要求一种极其复杂的化学过程，以便所有的分子团代谢与繁衍。其中，碳元素扮演了关键角色。碳原子具有一个特点，就是它们可以自己联结起来，形成长链、圆环或是片状物。在这种程度上，没有任何原子有此特性。这里有一个表格，说明了几种原子与最简单的氢原子结合所能产生的化合物的数量：

在这些元素下面，我已经列出了它们与氢原子化合形成的氢化物的数量。由于这份表格得自我本人在半个世纪之前所作的化学笔记，碳原子的数量很可能还需要更新。Google检索用“成千的”、“大量的”以及“接近无限的”这样的词语来描述碳氢化合物的数量。而不管这个数字现在有多大——它反正也不可能数清碳原子与氧、氮结合而生成的极多的化合物的数目——可以肯定的是，就所能合成的分子数目而言，碳原子已经大大超过了氢原子之外的其他原子。稍重一些的硅元素也和碳原子一样，具有自我联结的能力；但是，由于它更重，因此不具有碳原子所具备的诸多优势，正如我们将会发现的，宇宙中硅的数量要远远少于碳原子的数量。因此，要设计一个与生命相宜的宇宙，我们首先需要足够多的碳原子，以便制造出更多的化合物而有助于分子团的代谢与繁衍。从这个角度来看，我们自身所在的宇宙可谓设计良好，因为碳原子在数量最为充足的原子中位列第四。氧原子的数量更丰，但是根据上图所示，我们知道它通过自身和最充足的原子——氢，只能合成两种分子。但是，其中的一个分子是水分子，它具有非常特殊的性质，因而对生命来说极为重要。

人类对水的根本性质的认识，和哲学一样久远。古代“七贤”中的第一位、有时亦被称作西方哲学之父的泰勒斯认为，水是万物的基本构成。最终，水和土、气以及火一起，成为古希腊宇宙论中四大元素之一。

水是普遍存在的。地球表面大概有70%都被水覆盖。人的身体中，水占据了一半以上的比例。由宇宙间数量最丰的氢原子和位居第三的氧原子（第二是氦）所构成的水分子，就成为世界上最普遍的分子。不仅如此，水还是最普遍的溶剂，因为它与各种分子都很接近。

海水能够溶解二氧化碳，这对我们有着特殊的意义。像水一样，二氧化碳分子也是由世界上大量存在的原子构成；因此，它也是无处不在的最普遍的化合物之一。如果海洋无力溶解二氧化碳并使之沉积为灰岩的话，那么我们呼吸的空气中将有数量极大的、过剩的二氧化碳。空气中的二氧化碳提供植物生长所需要的碳。而当木头、煤炭和石油燃烧时，就会产生二氧化碳。在我们人体内，二氧化碳是碳水化合物燃烧所产生的主要废物，碳水化合物的燃烧则是令我们的机体正常运转的能量来源。但是，如何消除这些废物呢？对人类而言，至关重要的不仅仅是二氧化碳的可溶性，同样重要的一点，是它很容易被重新释放为气体。血细胞将二氧化碳运送至肺，压力差使它变成气体被释放出去。亨德尔森在《环境的适宜》这部经典之作中，用了整整一章的篇幅来讨论这个问题。

水还具有其他性质，它们对于生命而言也至关重要。比如说，将水冻结是比较困难的；同样，将水煮沸也需要更多的能量。这说明，水更易于停留在液态。提高水温也要求相当多的能量。于是，水就成为保持体温仅在较小幅度内变化的主要因素。不仅如此，水还具有一个非同寻常的特点：当它冰冻之后，它的体积会增大。因此，冰的密度小于冷水，于是冰能够在水面上漂浮。如果水的变化和其他液体一样，那它结冰之后就会变得更重，从而沉入液体的底部。如果水没有这种非同寻常的性质，那么，在寒冷的冬季，一旦海洋开始结冰，冰块就会沉入海底。而且，由于水是良好的阻热体，即使到了夏季，它们也无法再度融化。这样要不了多久，海洋就会被冻得结结实实，而地球就会变成一个冰封的、荒芜的世界。

这样看来，若要拥有一个与生命相宜的宇宙，水、碳和氧就是必不可少的生命元素。宇宙的化学成分

在前一部分，我已经说过在宇宙间的各种元素中，氢、氧和碳是最为丰足的。地球上的情形则远为不同，铁才是数量最多的元素（它构成了地核）；接下来是氧、镁和硅。计算地球上元素的数量，可以通过检测地表岩层的成分和分析地球密度来进行。但是，天文学家该如何确定宇宙的成分呢？

1844年，在完成了那部著名的多卷本著作《实证哲学教程》两年后，法国哲学家奥古斯特·孔德发表了一项关于天体哲学的进一步研究。在该书一开始，孔德就表达了他对这门科学之界限的看法：“诸星体对我们而言，只能被远远地观望。这一无法逾越的界限因而既阻止了我们去思索这些宏大星体上的生命，同时也禁止了我们关于那些无机物的化学、甚至物理性质的更深研究。”这样，他就回应了自己早前的断言：“人们永远无法完成对于全部星体的研究。”

孔德肯定没有想到，在不过一代人的时间里，意想不到的科学发现就证明了他的断言是错误的。自1859年下半年开始，这些出人意表的发展就以惊人的速度在德国的海德堡大学城接连发生。最早的惊喜出自化学家罗伯特·本森（Robert Bunsen）给他的英国同行的一封信，信中他描述了与年轻的同事、物理学家古斯塔夫·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）一同进行的工作：

目前基尔霍夫和我正在进行一项研究，不眠不休。基尔霍夫已经做出了一项意想不到的发现，他找到了太阳光谱中黑线的成因，而且可以在阳光下的光谱中人为提高它们的数量。……于是我们已经找到了确定太阳和行星成分的方法，这就像我们用常见的化学试剂探测[2]锶、氯化物等一样肯定。

几十年前，德国眼镜商约瑟夫·弗洛恩霍夫（Joseph Fraunhofer）已经发现，当阳光穿过裂缝或棱柱时，光谱上彩虹般的颜色就会被一条细细的黑线划过。本森和基尔霍夫早先的一项发现显示，每个元素都在光谱上显示出它自己的、明亮的光谱线原型；但是这些在实验室中明亮的光谱线到了太阳和星体的光谱上，就会变成黑线。这种黑线的作用好似指纹，令两位科学家由此得知，太阳和星体上存在着哪些元素。

在太阳光谱上，多数黑线都来自铁元素。由于降落在地球上的陨石的主要成分都是铁，而且地球物理学家已经推断出地核的成分肯定是铁，科学家们于是自然地得出结论，认为铁必定是整个宇宙范围内数量最大的元素。就像孔德关于星体成分永不可知的结论一样，关于铁含量的假设同样是一个看似确实、最终却被证明是错误的结论。

一位年轻的英国学生塞茜莉亚·佩恩（Cecilia Payne）于20世纪20年代来到哈佛天文台研究大量的星体光谱，并开始确定不同星体的表面温度。同时，她想要了解，是什么引起了不同星体在光谱上的巨大差异。她发现，造成表面差异的是温度的差异，而非化学成分的不同。但是，当她试图使用新的物理学方法来探测元素的实际数值时，有些东西似乎错得离谱：氢和氦——而不是铁，变成数量最大的元素。佩恩的论文指导教师亨利·诺里斯·罗素（Henry Norris Russell）是一位非常杰出的天文物理学家，他说服佩恩相信，在氢和氦这两个最简单原子的物理性质中，有一些奇怪的东西导致了这个反常的结论。几年之后，出现了越来越多的证据，罗素意识到他对铁元素数量最大的认识是错误的，而氢的的确确是星体宇宙中存在数量占绝对多数的元素。但是，这是不是由于氢元素的重量最轻、只是漂浮在星体的最外层的缘故呢？直到1932年，表明星体从表面至内核都主要由氢元素构成的数据计算才最终完成。

接下来的十年里，对星体中光谱线的分析使宇宙间最大元素含量的数值不断趋于精确；而多年以来，天文学家都相信他们对于宇宙成分已经拥有了准确的观念。然而，确定宇宙的密度是一项更加困难的工作。但这个数值必定是极低的，因为宇宙的空间极为广袤；而如果在星体内部和各星体之间的物质已经模糊一片、平均分布，那么现在，每立方米的氢原子含量就不应该超过一打。

天文学家开始逐步认识到，在他们的测量方法与宇宙论假设间存在着一个奇怪的悖论。看起来，与一个出于某种引力作用而要求具有更高的质量量值相比，宇宙间的原子密度似乎是有限的。解决方法似乎如下：存在着某种不为人知的质量形式——不是原子，形成了宇宙间可以观测到的大规模的引力作用。这一神秘的引力质量被称作暗物质；迄今为止，这种物质究竟是什么仍然是困扰着天文学家的重大谜团。就在最近，又出现了另一种引力谜团。与我们所熟知的、作为宇宙间一个质量对另一个质量的吸引的引力不同，这是引力的一种负形式，它排斥其他的质量。它一直被称作暗能量，并且比暗物质更加神秘。天文学家现在相信，原子在宇宙间只占据6%。而对于一个宜于生命存在的宇宙来说，暗物质与暗能量是不是最重要的构成，目前完全无法确定。元素的诞生

元素从哪里来？换句话说，原子来自何处？是什么使得它们大量存在？如果你在1930年问一位天文物理学家上述问题，他一定会告诉你，他搞不清这是怎么回事。那时，他甚至还不知道如何着手回答这个问题。

然而，在1935年之前，有一位物理学家想要打破现有的界限，并提出了这个问题。乔治·加莫夫（George Gamow），这位已经在量子力学这一全新领域有所成就的物理学家，对星体之间的核反应和原子的起源产生了兴趣。但是，我们必须先来理解膨胀宇宙与最初原子的概念。

大约二十年前，也就是在20世纪二三十年代，世界上最大的天文望远镜就是位于加利福尼亚州帕萨迪纳的威尔逊山顶那具100英寸的反射器。埃德温·哈勃（Edwin Hubble）使用这一仪器来检测所谓的旋涡星系；他在1924年曾经发表研究，表明有一个非常近的旋涡，仙女座的一个大星系，距离我们大约100万光年。在这个发现的基础上，他继续推导出另一些更明亮的旋涡的距离。不仅如此，他还获得了这些星系的光谱的度量。一般说来，光谱上的暗线会大幅度地移向彩虹的红色一端。这一“红移”可以用多普勒频移来解释。这是声学方面的一个常见现象：一个活动警报器的声调会依据声源朝向或背离观测者的运动速度快慢而发生高低变化。哈勃发现，星系的光芒越微弱（也就是说距离较远），红移就会越显著。看起来，曾经发生过一场巨大的爆炸，而星系曾经背离我们所在的银河系，快速前进。它们从爆炸的火球弹出的速度越快，就离开我们越远。通过回溯，哈勃可以找出爆炸发生的时间，那时它们就像诗人罗宾逊·杰弗斯（Robinson Jeffers）描述的那样，“统统挤进一座港湾”。

宇宙在其最初形成的时候是热的、压缩的。带着这一想法，加莫夫设想了一个极热的、密度极大的纯粹能量的火球，宇宙就是从中产生的。加莫夫喜欢提出卓越的理论观点，但他对枯燥冗长的计算毫无兴趣。于是，他将实际计算工作交由两位年轻同事拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）与罗伯特·赫尔曼（Robert Herman），并显示出纯粹能量的能量光子是可以转化为质子和中子的（使用爱因斯坦表示物质2与能量等价的著名等式E=mc），而这些物质反过来（从最简单的氢原子开始，它以一个简单的质子作为原子核）通过碰撞而累积形成越来越重（从而也越来越少见）的原子核。在缺少这些独特步骤的详细内容的情况下，阿尔弗与赫尔曼基本上同意天文物理学家和地球物理学家所提出的原子数量曲线。

这里只有一个问题，却严重地阻碍了证明：不存在质量5的稳定元素。四种微粒（质子与中子）可以碰撞并联合形成氦——质量4的原子，但是第五种微粒不能与质量4的氦结合，构成一个稳定的质量5的原子核——它无法在足够充分的时间里与另一个质量1的微粒相黏合，从而碰撞、结合形成更稳定的质量6的原子核。因此，在那个宏伟剧变的最初，无从产生质量更重的原子。

加莫夫自然对这个结果感到非常失望，并撰写了一部效仿《创世记》第一章的作品来表达他的沮丧。另一个对这个核物理问题感兴趣的物理学家、加州理工学院的威廉·福勒（William Fowler），将该作品称为“上帝之错”。但实际上，“失落的质量5”结果被证明为对于一个宜于生命的宇宙而言至关重要。因此，让我继续把这个故事说完，来看看这个意料之外的悖论是如何成真的。

从万物诞生的最初时刻起——现在流行的说法将此称为“大爆炸”，氢原子和氦原子就大量地出现。但是，更大质量的原子还要到后来才出现，它们诞生于星体内部地狱般的热量之中。缺少稳定的质量5意味着星体内元素的制造过程有两个步骤，第一步是氢在星体内核的核能沸腾中转化为氦，继而，当氢耗尽而产生大量的氦时（主要是这一最初的核子燃烧产生的“灰烬”），第二步就发生了：氦经过累积形成更大质量的原子。由于氦具有4个单位的质量，那么，2、3或者4个氦原子的原子核熔合，就形成了质量单位为8或者12（碳）或者16（氧）的原子，这样就跳过了不稳定的质量5。这第二个步骤要求星体内部具有高得多的温度，而这个条件必须要等到大量氢燃料转变为氦才能达到。对于像太阳一样的星体，这大概需要一共100亿年。这就保证了一颗太阳般的星体具有长久而稳定的寿命。当然，正是这一漫长的演变过程提供了一个稳定的太阳环境，使得其间的生物演化能够次序进行。

如果没有“缺失的质量5”，情形就会不同了。假设质量5是稳定的。那么，在宇宙创生的最初时刻，由于质子在数量上占据了绝大多数（每一个质子都有一个质量单位），那么原子质量的形成过程就是一步步沿着原子核的梯级，向着铁的方向发展。这样就不可能形成特定数量的碳（质量12）和氧（质量16），而这二者是生命的重要构成。实际发生的过程利用了氦原子，从而优先产生出数量巨大、足以创造生命的碳和氧原子。幸运的是，许多比太阳更大的星体，更加快速地将其氢原子消耗殆尽，并在耗尽的最后时刻将它们的宇宙尘埃撒向太空。太阳及太阳系于一个世代后形成，被这些更大质量的元素所充实。非常偶然地，这就是为什么适宜居住的环境恰恰诞生于一个古老宇宙中，其间关键元素的构造花费了相当的时间。

乍看之下上帝的错误后来被证明是创始者最高天赋的一个胜利。当然，我们的宇宙运行的方式以及更大质量的元素花费了极长的时间才得以诞生这一事实，关键取决于稳定的质量5的缺失。没有质量逐步上升的原子核梯级，而是按照质量4的梯级上升，而且要求有一个辅助过程来补充数量较小的中间性元素，例如氮和钠。因此，各种更大质量的元素的产生就是一件复杂的事情。例如，当两个氦原子核熔合形成元素铍（质量8），该元素就很容易快速分解；这样的话，继续上升至碳（质量12）的基础就是不充分的。

弗莱德·霍伊尔（Fred Hoyle）是研究这些过程的领军人物。基于生命确实存在这一事实，他预言，碳原子核必定有某种特殊之点，使之能够超出相对不稳定的质量8的铍，并且以此来解释碳的大量存在。他对加州理工学院的物理学家威利·福勒宣称，在碳原子核中必定存在着所谓的共振能级。而福勒这位实验主义者，惊异于这位看上去不切实际的访问学者居然告诉自己在哪里能够找到共振能级。尽管如此，他还是去寻找了。霍伊尔的预言得到了证实，它还为福勒带来了诺贝尔物理学奖，后者的实验结果证明了，碳原子核的某种特殊状态的确存在。我听闻弗莱德·霍伊尔曾经说过，没有什么比这项发现更能够动摇他的无神论了。他后来写道：

难道你不会对自己说：“某种具有超级计算能力的智慧必定已经设计了碳原子的特性，否则我穿越自然的各种盲目力量、发现这种原子的几率岂不是极其微小？”当然你会这么说……对于这些事实的一种常识性理解暗示说，一种超级智慧同物理学，还有化学和生物学开了个玩笑，说到底，自然中没有什么盲目力量是值得我们去讨论的。[3]

特殊的能量状态并非只存在于碳原子中，氧原子亦然。氧的原子质量是16，也就是比碳高出四个单位，或者说，多出一个氦原子核。这种情况下，氧的共振能级就倾向于阻碍氦-4原子核与碳-12原子核的熔合。如果没有这一安排，大部分碳原子的质量就会直接上升

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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