前 言

如果說(shuō)我看得比別人更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诹司奕说募绨蛏�，伊薩克·牛頓在1676年致羅伯特·胡克的一封信中這樣寫(xiě)道。盡管牛頓在這里指的是他在光學(xué)上的發(fā)現(xiàn)，而不是他關(guān)于引力和運(yùn)動(dòng)定律的更重要的工作，但這句話仍然不失為一種適當(dāng)?shù)脑u(píng)論科學(xué)乃至整個(gè)文明是累積前進(jìn)的，它的每項(xiàng)進(jìn)展都建立在已有的成果之上。這就是本書(shū)的主題，從尼古拉·哥白尼提出地球繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的劃時(shí)代主張，到愛(ài)因斯坦關(guān)于質(zhì)量與能量使時(shí)空彎曲的同樣革命性的理論，本書(shū)用原始文獻(xiàn)來(lái)追溯我們關(guān)于天的圖景的演化歷程。這是一段動(dòng)人心魄的傳奇之旅，因?yàn)闊o(wú)論是哥白尼還是愛(ài)因斯坦，都使我們對(duì)自己在萬(wàn)事萬(wàn)物中的位置的理解發(fā)生了深刻的變化。我們置身于宇宙中心的那種特權(quán)地位已然逝去，永恒和確定性已如往事云煙，絕對(duì)的空間和時(shí)間也已經(jīng)為多層橡膠片（rubber sheets）所取代了。

難怪這兩種理論都遭到了強(qiáng)烈的反對(duì)：哥白尼的理論受到了教廷的干預(yù)，相對(duì)論受到了納粹的壓制。我們現(xiàn)在有這樣一種傾向，即把亞里士多德和托勒密關(guān)于太陽(yáng)繞地球這個(gè)中心旋轉(zhuǎn)的較早的世界圖景斥之為幼稚的想法。然而，我們不應(yīng)對(duì)此冷嘲熱諷，這種模型決非頭腦簡(jiǎn)單的產(chǎn)物。它不僅把亞里士多德關(guān)于地球是一個(gè)圓球而非扁平盤(pán)子的推論包含在內(nèi)，而且在實(shí)現(xiàn)其主要功能，即出于占星術(shù)的目的而預(yù)言天體在天空中的視位置方面也是相當(dāng)準(zhǔn)確的。事實(shí)上，在這方面，它足以同1543年哥白尼所提出的地球與行星都繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的異端主張相媲美。

伽利略之所以會(huì)認(rèn)為哥白尼的主張令人信服，并不是因?yàn)樗�與觀測(cè)到的行星位置更相符，而是因?yàn)樗�的�?jiǎn)潔和優(yōu)美，與之相對(duì)的則是托勒密模型中復(fù)雜的本輪。在《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》中，薩爾維阿蒂和沙格列陀這兩個(gè)角色都提出了有說(shuō)服力的論證來(lái)支持哥白尼，然而第三個(gè)角色辛普里邱卻依然有可能為亞里士多德和托勒密辯護(hù)，他堅(jiān)持認(rèn)為，實(shí)際上是地球處于靜止，太陽(yáng)繞地球旋轉(zhuǎn)。

直到開(kāi)普勒的工作，日心模型才變得更加精確起來(lái)，之后牛頓賦予了它運(yùn)動(dòng)定律，地心圖景這才最終徹底喪失了可信性。這是我們宇宙觀的巨大轉(zhuǎn)變：如果我們不在中心，我們的存在還能有什么重要性嗎？上帝或自然律為什么要在乎從太陽(yáng)算起的第三塊巖石上（這正是哥白尼留給我們的地方）發(fā)生了什么呢？現(xiàn)代的科學(xué)家在尋求一個(gè)人在其中沒(méi)有任何地位的宇宙的解釋方面勝過(guò)了哥白尼。盡管這種研究在尋找支配宇宙的客觀的、非人格的定律方面是成功的，但它并沒(méi)有（至少是目前）解釋宇宙為什么是這個(gè)樣子，而不是與定律相一致的許多可能宇宙中的另一個(gè)。

有些科學(xué)家會(huì)說(shuō)，這種失敗只是暫時(shí)的，當(dāng)我們找到終極的統(tǒng)一理論時(shí)，它將唯一地決定宇宙的狀態(tài)、引力的強(qiáng)度、電子的質(zhì)量和電荷等等。然而，宇宙的許多特征（比如我們是在第三塊巖石上，而不是第二塊或第四塊這一事實(shí)）似乎是任意和偶然的，而不是由一個(gè)主要方程所規(guī)定的。許多人（包括我自己）都覺(jué)得，要從簡(jiǎn)單定律推出這樣一個(gè)復(fù)雜而有結(jié)構(gòu)的宇宙，需要借助于所謂的人擇原理，它使我們重新回到了中心位置，而自哥白尼時(shí)代以來(lái)，我們已經(jīng)謙恭到不再作此宣稱了。人擇原理基于這樣一個(gè)自明的事實(shí)，那就是在我們已知的產(chǎn)生[智慧？]生命的先決條件當(dāng)中，如果宇宙不包含恒星、行星以及穩(wěn)定的化合物，我們就不會(huì)提出關(guān)于宇宙本性的問(wèn)題。即使終極理論能夠唯一地預(yù)測(cè)宇宙的狀態(tài)和它所包含的東西，這一狀態(tài)處在使生命得以可能的一個(gè)小子集中也只是一個(gè)驚人的巧合罷了。

然而，本書(shū)中的最后一位思想家阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的著作卻提出了一種新的可能性。愛(ài)因斯坦曾對(duì)量子理論的發(fā)展起過(guò)重要的作用，量子理論認(rèn)為，一個(gè)系統(tǒng)并不像我們可能認(rèn)為的那樣只有單一的歷史，而是每種可能的歷史都有一些可能性。愛(ài)因斯坦還幾乎單槍匹馬地創(chuàng)立了廣義相對(duì)論，在這種理論中，空間與時(shí)間是彎曲的，并且是動(dòng)力學(xué)的。這意味著它們受量子理論的支配，宇宙本身具有每一種可能的形狀和歷史。這些歷史中的大多數(shù)都將非常不適于生命的成長(zhǎng)，但也有極少數(shù)會(huì)具備一切所需的條件。這極少數(shù)歷史相比其他是否只有很小的可能性，這是無(wú)關(guān)緊要的，因?yàn)樵跓o(wú)生命的宇宙中，將不會(huì)有人去觀察它們。但至少存在著一種歷史是生命可以成長(zhǎng)的，我們自己就是證據(jù)，盡管可能不是智慧的證據(jù)。牛頓說(shuō)他是站在巨人的肩膀上，但正如本書(shū)所清楚闡明的，我們對(duì)事物的理解并非只是基于前人的著作而穩(wěn)步前行的。有時(shí)，正像面對(duì)哥白尼和愛(ài)因斯坦那樣，我們不得不向著一個(gè)新的世界圖景做出理智上的跨越。也許牛頓本應(yīng)這樣說(shuō)，我把巨人的肩膀用作了跳板。

《站在巨人的肩上》序

吳國(guó)盛

牛頓在1676年寫(xiě)給胡克的一份封信中說(shuō)：如果說(shuō)我看得比別人更遠(yuǎn)，那是因?yàn)槲艺驹诰奕藗兊募缟稀��?xiě)這封信的時(shí)候，胡克正就牛頓的光學(xué)理論的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行計(jì)較，牛頓的這封信帶有和解的意圖。但和解并沒(méi)有獲得成功，因此，后人更加相信這句名言里實(shí)際上包含著同樣濃烈的雙重情緒既是謙遜之詞，也是自得之語(yǔ)。正因?yàn)榇�，出自牛頓的這句名言也就不是凡人敢輕易引以自況自許的了。

但是我們這本書(shū)的編者、當(dāng)代著名理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金就敢，而且做得相當(dāng)直白。十多年前，他在他那本著名的《時(shí)間簡(jiǎn)史》（1988）的結(jié)尾部分，就出人意料地補(bǔ)加了愛(ài)因斯坦、伽利略和牛頓三人的小傳，強(qiáng)烈地暗示自己就是他們的正宗傳人。如今，他把哥白尼、伽利略、開(kāi)普勒、牛頓和愛(ài)因斯坦五位的著作選集冠以站在巨人們的肩上之名，再次表達(dá)了那種既謙遜又自得的感覺(jué)。

書(shū)中收錄的哥白尼的《天球運(yùn)行論》、伽利略的《兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)話》、開(kāi)普勒的《世界的和諧》（第五卷）、牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》和愛(ài)因斯坦的《相對(duì)論原理》等五部著作，可以看成是近代數(shù)理科學(xué)的五大經(jīng)典。毫不夸張地說(shuō)，是它們重新擺置了天地萬(wàn)物的位置，構(gòu)畫(huà)了近代世界圖景的基本輪廓。毫不夸張地說(shuō)，五大經(jīng)典所代表的數(shù)理科學(xué)傳統(tǒng)，對(duì)近代世界而言有開(kāi)天辟地之功。有幸進(jìn)入這個(gè)傳統(tǒng)，特別是，有幸成為這個(gè)傳統(tǒng)的發(fā)揚(yáng)光大者，有一種難以抑制的自豪感是完全可以理解的。我想，霍金編這部文集時(shí)是有這種自豪和使命感的。

霍金編得起勁，讀者有什么理由也跟著讀呢？有一種回答是，因?yàn)樗�是霍金編的。不是說(shuō)，讀《時(shí)間簡(jiǎn)史》，懂與不懂都是收獲嗎？不是說(shuō)，《時(shí)間簡(jiǎn)史》是如今買得最多讀得最少的一本書(shū)嗎？作為一種讀書(shū)時(shí)尚，讀霍金的書(shū)不需要理由。

我想講的理由是針對(duì)這五大經(jīng)典的。今天許多有見(jiàn)識(shí)的人一再呼吁讀者閱讀經(jīng)典，但他們所謂經(jīng)典更多指的是人文經(jīng)典，而對(duì)科學(xué)經(jīng)典，意見(jiàn)不盡一致。原因是，如果你的目的只是想學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、弄懂科學(xué)原理，那是用不著讀這些經(jīng)典的。直接讀教科書(shū)或者科普讀物，可以更好地滿足你的目的。但是如果你愿意把這些著作看成是西方文化不可分割的有機(jī)組成部分，試圖通過(guò)閱讀而進(jìn)入這些科學(xué)偉人的心靈之中、體會(huì)這些偉大的科學(xué)創(chuàng)造的歷史情境和過(guò)程，那么讀經(jīng)典就會(huì)顯露出它的意義來(lái)。我們因?yàn)殂逶≡诮?jīng)典的光輝之中，對(duì)這光輝本身也可能渾然不覺(jué)。讀經(jīng)典可以幫助我們反省自身的處境。

舉例說(shuō)來(lái)，今天，我們會(huì)把地球圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)當(dāng)成理所當(dāng)然的事實(shí)，因?yàn)槲覀冎車�的每一個(gè)人、看到的每一本教材、接觸的每一種傳媒都這樣講，所以也就很難理解為什么人類在上千年的時(shí)間里竟然認(rèn)識(shí)不到如此簡(jiǎn)單的一個(gè)事實(shí)，也很難體會(huì)到日心說(shuō)取代地心說(shuō)這一過(guò)程的艱難和復(fù)雜。現(xiàn)代人很少會(huì)去費(fèi)力研讀這些科學(xué)經(jīng)典，因?yàn)樗鼈兊膬?nèi)容已經(jīng)在教科書(shū)中被縮減成了用現(xiàn)代語(yǔ)言和符號(hào)表示的幾條結(jié)論，我們以為，只要掌握了這些簡(jiǎn)單的結(jié)論，就完全理解了這些科學(xué)偉人的全部思想。然而，只要我們看看哥白尼在序言中表現(xiàn)出的那種猶疑不定，或者開(kāi)普勒著作中所討論的那些頗具神秘性的音樂(lè)的和諧，就會(huì)感覺(jué)到，這些原著所包含的許多豐富的思想實(shí)際上已經(jīng)被我們舍棄了。科學(xué)中的那些最重大的發(fā)展往往伴隨著隱含在它們背后的世界觀的改變，閱讀這些原始文獻(xiàn)可以在相當(dāng)程度上幫助我們理解科學(xué)和人類思想的變遷，認(rèn)識(shí)到我們從科學(xué)的發(fā)展中究竟得到了什么，失去了什么，得到和失去這些東西又是通過(guò)什么樣的過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，從而對(duì)我們現(xiàn)有的科學(xué)有更加清楚的認(rèn)識(shí)。

這部大書(shū)的翻譯出版，不僅是愿意閱讀經(jīng)典的讀書(shū)界的福音，也是我國(guó)科學(xué)史界的一件喜事。這是因?yàn)椋�這五大經(jīng)典有兩部是第一次譯成中文，而其它三部都在過(guò)去譯本的基礎(chǔ)上再次做了重譯或者訂正。

哥白尼的《天球運(yùn)行論》（拉丁文De revolutionibus orbium colestium或On the Revolutions of Heavenly Spheres）在我國(guó)一直被普遍譯為《天體運(yùn)行論》，但這個(gè)譯名是不確切的。問(wèn)題出在對(duì)orbium一詞的理解上。對(duì)哥白尼來(lái)說(shuō)，這個(gè)詞并不是指我們今天很容易接受的天體，而是古代天文學(xué)家假想的帶動(dòng)天體運(yùn)行的那個(gè)透明的天球。今天我們不承認(rèn)有天球的存在，便想當(dāng)然地把這個(gè)詞譯成了天體。其實(shí)恰當(dāng)?shù)淖g法應(yīng)該是《論天球的旋轉(zhuǎn)》或《天球運(yùn)行論》。我曾專門(mén)撰文澄清過(guò)這一點(diǎn)，但似乎未引起學(xué)界應(yīng)有的重視。1973年，科學(xué)出版社曾經(jīng)出版過(guò)李啟斌先生翻譯的節(jié)譯本（主要是前言和第一卷），1992年由武漢出版社以及2001年由陜西人民出版社相繼兩次出版過(guò)葉式輝先生的全譯本，他們把書(shū)名均譯成《天體運(yùn)行論》。這次我的學(xué)生張卜天受命重譯時(shí)，接受了我的意見(jiàn)，把書(shū)名改為《天球運(yùn)行論》。需要說(shuō)明的是，葉譯本依據(jù)的是1978年由羅森（Edward Rosen）翻譯和注釋的英譯本，而霍金這里所選的是瓦里斯（Charles Glen Wallis）于1939年推出的第一個(gè)英譯本，兩個(gè)英譯本在行文和編排上存在許多不同。應(yīng)該說(shuō)，1978年的羅森英譯本是更有價(jià)值的，因?yàn)槠渲邪�含了譯者的許多注釋，但1939年的瓦里斯英譯本也有其歷史價(jià)值�？紤]到現(xiàn)存葉譯本的一些差錯(cuò)，考慮到張卜天在翻譯時(shí)同時(shí)參照了羅森譯本，并且改正了瓦里斯譯本的不少錯(cuò)誤，這個(gè)新譯本就不是沒(méi)有意義的。

伽利略的《兩門(mén)新科學(xué)的談話》（Dialogues Concerning Two New Sciences）是他的最后一部著作。兩門(mén)新科學(xué)指的是材料力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。在其中所包含的四篇對(duì)話中，后兩篇討論的是勻加速運(yùn)動(dòng)和拋體的拋物線軌道；前兩篇是對(duì)物質(zhì)的構(gòu)成、數(shù)學(xué)的本性、實(shí)驗(yàn)和推理在科學(xué)中的地位、空氣的重量、光速等等的討論。較之伽利略的另一部重要著作《關(guān)于兩大世界體系的對(duì)話》（1974年由上海人民出版社出版），這部著作的重要性甚至有過(guò)之而無(wú)不及。我國(guó)著名的物理學(xué)史家、科學(xué)著作翻譯家戈革先生在這里將之首次譯出，彌補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)缺憾。

開(kāi)普勒的著作選的是《世界的和諧》（Harmonies of the World）的最后一卷即第五卷，英譯者也是瓦里斯。之所以只選了第五卷，主要是因?yàn)榈谖寰硖幚淼氖翘煳膶W(xué)，而且也是全書(shū)的高潮和總結(jié)。在第五卷中，開(kāi)普勒提出了著名的關(guān)于行星周期和距離的第三定律。《世界的和諧》的前兩卷討論的是幾何對(duì)稱和比例，第三卷討論的是音樂(lè)中的和諧，第四卷討論的是占星學(xué)。在我國(guó)，開(kāi)普勒一直鮮有人研究，原因之一就是一手材料難以找到，而且晦澀難解。張卜天這里首次譯出開(kāi)普勒的著作，將大大有益于學(xué)界對(duì)開(kāi)普勒的研究。

牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（The Mathematical Principles of Natural Philosophy或Principia）此前已由中央黨校哲學(xué)部的王克迪教授根據(jù)Andrew Motte的譯本譯出全本，并于1992年由武漢出版社以及2001年由陜西人民出版社相繼兩次出版�；艚疬x的仍然是這個(gè)版本，所以這里只是改正了此前中譯本的一些錯(cuò)誤。

愛(ài)因斯坦部分是從H. A. Lorentz, A. Einstein, H. Minkowski和H. Weyl編的《相對(duì)論原理》（Das Relativitatsprinzip）中選取的愛(ài)因斯坦的七篇文章。除哈密頓原理和廣義相對(duì)論一篇外，其余各篇以前都曾在我國(guó)著名物理學(xué)史家許良英、范岱年編譯的《愛(ài)因斯坦文集》第二卷（商務(wù)印書(shū)館1977年）中出版過(guò)，這次收入時(shí)只由譯者做了個(gè)別訂正。

煌煌五大科學(xué)巨著由享譽(yù)世界的科學(xué)名人霍金編輯、由我國(guó)科學(xué)史界的老中青三代學(xué)者聯(lián)袂譯出，的確是一件可喜可賀的事情。感謝湖南科學(xué)技術(shù)出版社獨(dú)具慧眼，為中國(guó)讀者奉上這件稀世珍品，為科學(xué)傳播再立新功。是為序。