在以哥白尼、開普勒、伽利略為首的天文學(xué)家的努力下，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)終于向著正確的方向邁進(jìn)了一大步。到了十七世紀(jì)中葉，大多數(shù)知識(shí)分子的頭腦中都已經(jīng)建立了這樣的一副宇宙圖像：太陽位于宇宙的中心，地球連同其他五顆行星，在橢圓形的軌道上圍繞著太陽轉(zhuǎn)，行星按照距離太陽由近到遠(yuǎn)依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星，在土星之外極為遙遠(yuǎn)的地方，還有一個(gè)恒星層，所有的恒星都位于這個(gè)恒星層中，恒星與太陽的相對(duì)位置固定不變。這樣的一幅宇宙圖像被廣大知識(shí)分子們所接受，支持這幅圖像的證據(jù)也越來越充分。然而，2000多年來，卻始終有一個(gè)基本得不能再基本的問題困擾著人們，這個(gè)問題在亞里士多德時(shí)代就不斷地被平民老百姓們（也包括很多學(xué)者）問及，那就是：如果地球是一個(gè)球體，為什么“下面”的人不掉下去呢？所有學(xué)者都說不清楚這個(gè)問題，各種各樣的解釋也是五花八門。亞里士多德曾經(jīng)一度把這個(gè)問題解釋得讓人們差不多信服了，他說：宇宙中的一切物體都有天然地趨向宇宙中心運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，這是宇宙的基本法則。地球是宇宙的中心，所以，拋起來的物體不論拋多高，最后總要落回地面，人們不論站在地球什么地方，雙腳總是趨向于地心運(yùn)動(dòng)，因而牢牢地“站”在地面上。也正因?yàn)檫@個(gè)原因，所以地球收縮為一個(gè)球體，使得所有地面上的物體到地心的距離最短。這個(gè)解釋又正好與托勒密提出的地球是宇宙中心的觀點(diǎn)互為印證，于是在亞里士多德之后，特別是托勒密之后，人們都幾乎想通了地球是圓的這個(gè)問題。但隨著哥白尼的日心說越來越被人們接受，這個(gè)老問題又被重新提了出來，人們的腦子又開始混亂了。地球是圓的這一點(diǎn)此時(shí)已經(jīng)無人懷疑，因?yàn)樘嗟淖C據(jù)早已經(jīng)把地球的形狀定成了鐵案，但問題是，如果亞里士多德是錯(cuò)的，地心不是宇宙的中心，那又該如何解釋人可以雙腳站在球體上的任何一個(gè)位置呢？

在英國(guó)的林肯郡伍爾索普村的一個(gè)莊園中，有一位23歲的青年人坐在蘋果樹下思索著這個(gè)古老的問題。那一年是公元1665年，這位青年的名字叫做艾薩克·牛頓（Isaac Newton，1643年～1727年），這個(gè)名字日后將響徹整個(gè)世界。毫無疑問，牛頓是一個(gè)超級(jí)牛人，但是牛頓這個(gè)人到底有多牛，你可能認(rèn)識(shí)得尚不夠深刻，我忍不住要說幾句題外話。據(jù)后世學(xué)者充分的考據(jù)，牛頓是這樣分配他一生的時(shí)間的：三分之一用來研究《圣經(jīng)》的年代學(xué)，三分之一用來研究煉金術(shù)，剩余的三分之一時(shí)間用來順便研究一下物理、數(shù)學(xué)、天文等自然科學(xué)。你說這叫我們這些凡人情何以堪啊！牛頓還是一個(gè)怪人，他心胸不廣，氣量偏小，不愛說話，喜歡記仇。他有一個(gè)冤家叫胡克，年齡比牛頓大八歲，算是前輩，也是當(dāng)時(shí)英國(guó)大師級(jí)的科學(xué)家，并且掌管著英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，但是這兩人互相看不順眼。牛頓有一句流傳很廣的名言：之所以我比別人看得遠(yuǎn)，是因?yàn)槲艺驹诰奕说募绨蛏?。后人往往引用牛頓的這句話來說明一個(gè)人應(yīng)當(dāng)謙虛如牛頓，但實(shí)際上牛頓講這句話是為了諷刺長(zhǎng)得矮小、駝背的胡克?！蹲匀徽軐W(xué)的數(shù)學(xué)原理》的第三卷寫得特別的數(shù)學(xué)化，明顯比前兩卷艱深難懂，牛頓解釋說是為了讓胡克看不懂，“那個(gè)老家伙數(shù)學(xué)不好，還對(duì)我的前兩卷指手畫腳，挑鼻子挑眼的?！迸ｎD還寫了一部專著《光論》，刻意等胡克去世后才發(fā)表，以免這個(gè)老頭又說三道四。瞧瞧，牛頓就是這么一個(gè)人，他用自己的一生詮釋了“人無完人”這個(gè)普遍規(guī)律。

有一則幾乎人人都知道的故事是說一個(gè)蘋果砸到了牛頓的頭上，于是他就像禪師一樣頓悟了萬有引力定律。這個(gè)故事挺浪漫，也挺適合當(dāng)故事講給孩子們聽，但它的真實(shí)性是沒有依據(jù)的，聽聽也就算了，真實(shí)的思考過程哪有這么簡(jiǎn)單呢？蘋果一掉，頓悟了，聽起來像是禪宗的公案一樣。事實(shí)上牛頓思考這個(gè)問題用了很長(zhǎng)的時(shí)間，他從思考拋物體的運(yùn)動(dòng)作為切入點(diǎn)，是這樣做思維實(shí)驗(yàn)的：假設(shè)自己站在一座高塔頂上，朝前方扔一塊石頭出去，那么石頭會(huì)以一個(gè)拋物線的軌跡掉落到地上，石頭能扔得多遠(yuǎn)取決于石頭被扔出時(shí)的初速度。牛頓在紙上畫下這樣一幅圖：

圖8-1

為什么會(huì)是這樣的一種運(yùn)動(dòng)軌跡呢？牛頓找到了原因：石塊同時(shí)具備兩種運(yùn)動(dòng)，一種運(yùn)動(dòng)是水平方向的有一定初速度的勻速直線運(yùn)動(dòng)，另一種運(yùn)動(dòng)則是垂直下落的加速運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在把這兩種運(yùn)動(dòng)合成在一起，就形成了一根拋物線的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖8-2

想到這個(gè)程度，并不算很厲害，伽利略也想到過這一層，但牛頓厲害的地方在于他的思考沒有停下來，他繼續(xù)想，如果水平初速度一直不斷地增大下去，會(huì)發(fā)生什么呢？因?yàn)榈厍蚴菆A的，當(dāng)石塊扔得“遠(yuǎn)”到一定程度，超過了地球的一半周長(zhǎng)，那么它豈不是趨向于繞著地球轉(zhuǎn)一圈而回到原地嗎？

圖8-3

牛頓在他的草稿紙上反復(fù)畫著草圖，列出計(jì)算公式，假設(shè)著各種初始數(shù)據(jù)，不停地演算著。最終，牛頓的計(jì)算結(jié)果表明：如果石塊的水平初速度超過一個(gè)臨界值，那么，這個(gè)石塊將會(huì)一直繞著地球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，停不下來，也不會(huì)再掉回地球上了。要維持這樣的一種運(yùn)動(dòng)，石塊必須始終受到來自地球的一個(gè)很穩(wěn)定的、均勻不變的，而且可以隔空作用的力，這個(gè)力指向地球的球心，牛頓把這個(gè)力稱為“引力”。這就好比你甩動(dòng)一個(gè)鏈子球，讓球在你的頭頂上方做著勻速圓周運(yùn)動(dòng)，你必須用手拉緊鏈子，施加一個(gè)牽引的力，那么，繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的石塊也就像是被地球伸出的一根無形的線牽引著。他還進(jìn)一步用高超的數(shù)學(xué)技巧推算出，這個(gè)引力的大小與石塊到地心的距離的平方成反比。

能想到這個(gè)份上，已經(jīng)是相當(dāng)天才的表現(xiàn)了，但為啥還說牛頓是五百年一出的大師級(jí)人物呢？就在于他的思考還沒有停下來，他還在繼續(xù)往下想。之前的那個(gè)石塊是牛頓思維的創(chuàng)造之物，并不真實(shí)存在，而且牛頓也沒有這個(gè)能力“扔出”這樣一塊超級(jí)石頭。但有一天晚上，牛頓赫然發(fā)現(xiàn)，地球的周圍不是正好就存在著這樣一塊“石頭”嗎？它就是頭頂上的那一輪明月。想到此處，23歲的牛頓猛拍腦袋，興奮得要跳起來了。月亮就是一個(gè)被地球的引力牽著的“石塊”，它繞著地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這又恰好解釋了為什么月亮不會(huì)掉到地球上來，前輩開普勒所說的那個(gè)拉住月亮參與繞日公轉(zhuǎn)的力量不就是地球?qū)υ铝廉a(chǎn)生的引力嗎？一時(shí)間，猶如醍醐灌頂一般，牛頓的眼前豁然開朗，一大堆困擾已久的問題全都迎刃而解。人為什么不會(huì)“掉出”地球？很簡(jiǎn)單，地球的引力指向地心，每個(gè)人都被這個(gè)引力牢牢“抓”在地表上，雙腳指向地心。對(duì)，就是這么個(gè)道理。

但是，牛頓的思考如果到這里就結(jié)束的話，那么，我依然不會(huì)承認(rèn)他是五百年一出的天才，他這顆非凡的大腦還在繼續(xù)往下思索。月亮繞著地球轉(zhuǎn)是由于地球?qū)υ铝恋奈?，那么同樣的道理，地球和所有行星繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)，說明太陽對(duì)所有行星也都有吸引力，木星有四顆衛(wèi)星，說明木星對(duì)衛(wèi)星也有吸引力。

既然是這樣，那么是不是意味著，質(zhì)量大的天體對(duì)質(zhì)量小的天體會(huì)產(chǎn)生吸引力呢？牛頓搖搖頭，天體隔著這么遠(yuǎn)，它們?cè)趺磿?huì)知道誰大誰小，而且如果是兩個(gè)質(zhì)量相同的天體難道就沒有吸引力了嗎？不、不、引力一定是不分質(zhì)量大小的，他們普遍存在于兩個(gè)天體之間，準(zhǔn)確地說，應(yīng)當(dāng)是存在于任意兩個(gè)物體之間。

24歲的牛頓終于發(fā)現(xiàn)了這個(gè)宇宙中最最基本的規(guī)律：萬有引力。只要是有質(zhì)量的兩個(gè)物體，它們之間就有引力存在。引力的大小與兩物體的質(zhì)量成正比，與物體之間的距離平方成反比，如果用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)的話，就是這樣：，其中G是萬有引力常數(shù)，它的精確值在100多年后的1798年由英國(guó)科學(xué)家卡文迪許測(cè)得，為6.67×10-11牛頓·米2／千克2。

萬有引力公式是本書出現(xiàn)的第一個(gè)也是最后一個(gè)公式，它是一把讓人類開啟宇宙奧秘的鑰匙，在天文學(xué)上有著不可估量的作用，因此必須把這個(gè)公式寫出來讓讀者們熟悉一下。

萬有引力的正確性不斷被各種實(shí)驗(yàn)證實(shí)，并且，從萬有引力公式出發(fā)，可以用純數(shù)學(xué)的方式推導(dǎo)出許多人類已知的宇宙規(guī)律。例如，牛頓以萬有引力公式為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了行星的公轉(zhuǎn)軌道是一個(gè)橢圓，引力中心（也就是太陽）位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；同樣，開普勒三定律也可以用純數(shù)學(xué)的方式推導(dǎo)出來。萬有引力還能解釋地球上歲差和潮汐的成因，因?yàn)樵虑驅(qū)Φ厍虻臓恳?，?dǎo)致地軸的擺動(dòng)和海水的隆起。

圖8-4　地軸的擺動(dòng)導(dǎo)致歲差

圖8-5　本圖忽略了太陽的影響因素，僅考慮月球?qū)Φ厍虻囊绷?/span>

牛頓在45歲那年，完成了人類自然科學(xué)史上的開天辟地之作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，簡(jiǎn)稱為《原理》。在書中，除了萬有引力定律，牛頓還提出了著名的牛頓力學(xué)三定律。有了這四個(gè)宇宙間的基本定律，一門嶄新的學(xué)科創(chuàng)立出來，這就是“天體力學(xué)”。天體力學(xué)是一門研究宇宙中天體的過去與未來的學(xué)科，有了這門學(xué)科，我們頭頂?shù)男强胀蝗蛔兊貌荒敲瓷衩?，幾乎一切可觀測(cè)到的天文現(xiàn)象，都能夠被天文學(xué)家用數(shù)學(xué)的方式準(zhǔn)確無誤地計(jì)算出來。人類不但學(xué)會(huì)了預(yù)知天象，還搞清楚了為什么會(huì)這樣——開普勒發(fā)現(xiàn)了橢圓，而天體力學(xué)告訴了人們?yōu)槭裁词菣E圓。當(dāng)然，牛頓只是天體力學(xué)的理論奠基人，這門學(xué)科真正的大發(fā)展靠的不是牛頓，有一大堆天文學(xué)巨匠，他們?yōu)檫@門學(xué)科的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，比如拉格朗日、拉普拉斯、高斯等等。其中，法國(guó)人拉普拉斯的光芒尤為耀眼，他寫出了五卷十六冊(cè)的巨著《天體力學(xué)》，也是他第一個(gè)明確提出了“天體力學(xué)”這個(gè)概念，這部巨著總結(jié)了當(dāng)時(shí)人類對(duì)天體運(yùn)動(dòng)研究的全部成果。

這是人類認(rèn)識(shí)宇宙的一次巨大飛躍，請(qǐng)帶著這個(gè)認(rèn)識(shí)觀念上的巨大飛躍，和我一起把目光重新再聚焦到我們頭頂?shù)男强?。五大行星連同地球被太陽巨大的引力牽引著轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成了一個(gè)巨大的系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中，太陽無疑是主宰者。于是，我們可以把所有受到太陽引力而圍繞它旋轉(zhuǎn)的一切天體所包括的空間范圍，稱為太陽系。那些相對(duì)于太陽位置不動(dòng)的恒星所在的地方，就是太陽的引力控制不到的地方，因?yàn)楹阈请x我們實(shí)在是太遙遠(yuǎn)了。

恒星到底離我們有多遠(yuǎn)？恒星層是否真的恒定不變？天文學(xué)家對(duì)恒星的好奇一點(diǎn)兒都不亞于對(duì)行星的好奇。隨著對(duì)恒星研究的深入，人們很快發(fā)現(xiàn)，恒星帶給我們的震撼遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于我們發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)的震撼。現(xiàn)在，請(qǐng)跟著我，把目光投向太陽系以外的恒星世界，更精彩的大戲就要上演了。