著者：黄姤 编者：余生

「宇宙」——名字的由来

现在我们一谈论到「宇宙」这个词，相信很多人都会明白这个词当中所包含的意义，但是同样有很多人不知道「宇宙」这个词为什么会被确定用来描述广旷空间那种虚无缥缈的境界，我国的古人很早就已经把这个词的含意解释得清清楚楚了，这让很多天文学家都感到惊愕，因为古人所描述的「宇宙」不仅定义里说明了空间、还明确地说明了时间。

「宇」定义的是上、下、左、右四个方向，也就是四面八方所有的空间。

「宙」定义的是从遥远过去到现在，也就是过去与现在积累的所有时间。

因此从定义上来看「宇宙」这个词是包括了时间和空间，我国古代的先民不仅把时间、空间分开定义和独立思考，而且还能把时间、空间完美地溶合在一起形成「宇宙」，这就足以体现了他们的智慧是多么的伟大。

「四度空间」

当我用「四度空间」这个词用作小标题的时候可能有人会有疑问，因为科普类一般出现的词都是四维空间，当然他们都是正确的，因为当我用四维空间这个词来科普就很难把当中的意思用最简洁的语言表达出来，这里我就付上一个小小的调查——你们知道什么是四维空间吗？四维空间指的是哪四维？

一般我们看东西都会看到物体的长度、宽度、高度，这里我就用三度来表示，这就是所谓的「三度空间」，用科学的语言来表达就是「三维物体」，「三维物体」这个词就等同于三维空间，这里你要注意了，正如前面所说的四面八方所有的空间，就是现在我们看地球里一世物体的概念所存在的三维空间，过去与现在积累的所有时间就是另外一个度，我这里用时间度来表示，长度、宽度、高度、时间度合起来就是「四度空间」，这个词就等同于四维空间，这个词就是科学家用来解释「宇宙」含义的定义，这是仅次于我国古代的先民思想的宇宙观。

「宇宙」是变幻莫测的，你可以把「宇宙」看作是一个无限大的空间，也可以把它看作是一个无限小的空间，因为四维空间这个词的概念一旦采用维度的角度来解释空间的概念就很难令人信服了，因为宇宙可以无限膨胀，同时也可以无限收缩，从宏观的层面上来看「宇宙」可以膨胀得很大·「哈勃定律」就是案例，但是从微观的层面上来看「宇宙」可以坍缩得很小·「黑洞」就是案例，因此宇宙的空间既可以是无限延展的、同时也可以是无限坍缩的。

或许！宇宙、地球、你与我都是宏观与微观空间中虚无缥缈的存在。

「地心说」观点中的宇宙体系

古代的人和现在的我们一样站在地球上丝毫感觉不到地球的转动，但是古、现代的人却有着一个共同点，那就是太阳从东边升起、西边落下，于是古人就得出了一个看似非常有说法力的结论——地球是静止不动的，天上所有的星星都是围绕着地球旋转的。

亚里士多德是一位非常有名气的古希腊哲学家，同时他也是第一位提出「地心说理论」的人，在他的理论模式中，宇宙运行一切的机制都是由上帝经营和主宰的，理论还明确指出了宇宙是一个大小有限的球体，并且这个球体一共划分为两层，即天层与地层，而地球恰恰就位于球体的中心，也就是天层与地层之间，因此挂在天上的太阳、月亮、星星都是围绕着地球运行的，最好的观测证明就是太阳、月亮、星星总是向着地面的方向落下。

图解：亚里士多德认为宇宙一共划分为两层，即天层与地层，而地球恰恰就位于球体的中心

• 亚里士多德「地心说1.0版本」

这个版本是由亚里士多德提出的，它描述地球以外的情况是：从外向内依次排列着9个等距的天层，分别是：月球天、水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天、恒星天、原动力天，除此这9个天层以外的空间都是空无一物的，「地心说理论」除了原动力天、恒星天以外，其余7个天层都是处于静止的状态，在宇宙的中心位置地球是一直屹立在这里，并且一动也不动。

图解：亚里士多德「地心说1.0版本」

• 托勒密「地心说1.0进阶版」

托勒密继承了亚里士多德1.0版本「地心说理论」的思想，并且把前人累积的知识和自己长期观测得到的数据结合了起来，把亚里士多德的9层天模型扩展到11层，另外还把原动力天修改为晶莹天，原来排列在第9位的原动力天的外围又增添了1层最高天和1层净火天。

图解：托勒密「地心说1.0进阶版」

托勒密之所以会提出「地心说1.0进阶版」完全是因为他相信以下两点:

第一点：

每颗行星都在一个称为“本轮”的圆圈轨道上作自转运动，并且每一个“本轮”都拥有一个中心点，行星就是围绕着这个中心点公转的。

第二点：

每个“本轮”都在一个称为“均轮”的圆圈轨道上作公转运动，并且这个“均轮”也拥有一个中心点，“本轮”就是围绕着这个中心点公转的，地球则是围绕着这个中心点自转的。

根据上面解释的地心说模型中的“本轮”、“均轮”这两个都是托勒密通过他的观测结果假设出来的圆圈轨道，并且他还假设了“本轮”、“均轮”的圆周期以及行星在圆圈轨道上的运行速度，有了这两个假设，地心说模型和托勒密观测得到的数据就可以非常吻合了，这让托勒密和很多人支持他的人都相信「地心说」是正确的，但是他的这一套理论经不起时间的考验，因为随着科学的进步出现了各种精准度非常高的观测仪器，测量出来的行星运动速度和位置也非常准确，因此通过对比观测仪器测量到行星运动速度和位置与托勒密「地心说」模型的数据相比就可以得知二者的差别了。

图解：左/日心说 右/地心说 天体运行模型对比图

托勒密的地心说宇宙体系虽然不能够被世人所接纳，但是他的的确确是用数学的语言勾画出了宇宙结构体系运行的场景，同时也完善地解释了前人以及他自己观测到的行星运动的数据，他的研究成果在当时也得到了航海方面的实用，并且一用就是上千年，在这1000年的时间段里人们已把「地心说」当作是他们的信仰了。

「日心说」观点中的宇宙体系

当前人都相信了「地心说」，想要改变他们的思想是难的，因为当时没有足够的证据证明「日心说」可以取缔「地心说」，生活在地球上的他们完全感觉不到地球在公转运动，他们唯一能够作为参考的只有太阳和夜晚的月亮以及包围着地球的其他星体的出现和消失，凭借这种规律来判断他们自己所在的位置来思考宇宙，第一个思考全新宇宙观的人是16世纪的哥白尼。哥白尼通过思想实验发现托勒密「地心说」的“均轮”、“本轮”模型根本不能解答一些天体因为运行而出现的问题，于是哥白尼应用自己通过思想实验勾画出来的宇宙模型取代托勒密的测量结果，他的目的就是为了解决取天体因为运行而出现的问题。

在接下来的20多年里，哥白尼废寝忘餐不分昼夜地测量行星的位置，测量结果显示这20年里行星的位置与托勒密的天体运行模式是非常接近的，也就是说在短时间内测量出的行星的位置是与托勒密的天体运行模式相符合的，两者并没有差异。但是哥白尼始终相信自己的天体运行模式是有别于托勒密的天体运行模式的，于是哥白尼作出了一个更大胆的思想实验——如果站在地球以外的天体上观看行星的运行模式是不是与站在地球上观看行星的运行模式一样呢？

哥白尼从上面的假设出发，并且放弃了20年的观测数据，重新对天体运行轨道进行假定的运行模式，哥白尼仅仅只用了1年的时间就发现了行星在不同的距离和不同的时间段，它们的位置都会与托勒密的天体运行模式位置出现差异，因此哥白尼断定地球并不是宇宙的中心，其它行星并不是以地球为中心而绕行，有了这个为突破口，于是哥白尼把月球、水星、金星、太阳、火星、木星、土星都当作是宇宙的中心，通过对比它们的周年变化，最终只有太阳的周年变化不会有差异，这就说明了太阳就是宇宙的中心的，地球也不例外它也是围绕着太阳作周期运行的，哥白尼的研究成果「日心说」就此诞生，托勒密的「地心说」从此退出天文学的舞台。

图解：太阳系真实运行体系

伽利略·让天体近在眼前

来自于意大利的伽利略·伽利莱有着近代实验科学先驱者称号的他同时也是哲学家、物理学家和天文学家，聪明的伽利略把荷兰的玩具改良成了望远镜，并把它应用在天文观测上，当他把望远镜对向天空的那一刻就注定会有了不起的发现——

• 月球：这个灰色的球体表面是凹凸不平的。
• 木星：这个色彩斑斓的球体旁边有4个卫星围绕着它旋转，还会出现盈亏现象。
• 太阳：这个黄色的球体作为行星运行的中心点也会有自转现象，然而它并不是整个球体都是黄色的，有一小区域是黑色的。
• 金星：这个橙色球体也会出现盈亏现象。
• 银河：由无数颗闪闪发光的恒星组成。

图源网络

开普勒·行星运行定律

太空中为会有水星、金星、地球、火星、木星、土星这6颗行星？这6颗行星为什么又总会出现在固定的位置上？这6颗行星之间相隔的距离为什么总是相等的？当人们把这三个疑问结合在一起的时候就很容易让人联想到太空中的天体是不是遵守着一种固定的规律呢？

现在的我们已经知道当时的人们猜想是正确的，而证实这个猜想的人正是德国的天体物理学家、数学家开普勒，开普勒把力学的概念应用在天文学计算当中，在制作的方面他也很出色他自己制造了一个望远镜，虽然开普勒的视力并不好，但是他还是观测到了一些非常重要的数据，他把这些观测数据与力学结合在一起最终总结出了三条应用至今的经典定律——「行星运动三大定律」又称为「开普勒三大定律」。这三大定律为「日心说」提供了最有力的证据，因此世人把开普勒誉为“天空的立法者”。

• 行星运动第一定律：

所有行星围绕太阳运动的轨道都是椭圆形的，这些椭圆形轨道大小是不等的，而太阳就位于这些椭圆轨道中的一个焦点上。

• 行星运动第二定律：

行星在椭圆轨道中运行的距离与太阳和行星之间的距离在运行时间相等的情况下，行星运行的距离所划分出来的面积是相等的。

• 行星运动第三定律：

以太阳为中心行星运行的公转周期平方与行星轨道的半长轴三次方的比值是相等的。

余生总结

随着行星运动的三条定律被证实，开普勒的这三条定律不仅成为了经典天文学的基石并且为牛顿的万有引力定律作了很好的铺垫，同时也把哥白尼的「日心说」天体运行模式中所指出的圆形轨道和天体匀速运动这两点作出了更正，行星运动第一、第二定律中明确指出了「日心说」中的错误，因为行星围绕太阳公转的速度不是匀速的，距离太阳近的时候行星运行的速度是较快的，距离太阳远的时候行星运行的速度是较慢的，因此开普勒三大定律使得「日心说」更接近于宇宙运行的体系，将太阳系变成了一个统一的物理体系，也展现了自然界真正的客观属性，更彻底地终结了统治人类1000年的托勒密「地心说」。

图解：太阳系八大行星运行体系