前 言
如果说我看得比别人更远，那是因为我站在了巨人的肩膀上，伊萨克·牛顿在1676年致罗伯特·胡克的一封信中这样写道。尽管牛顿在这里指的是他在光学上的发现，而不是他关于引力和运动定律的更重要的工作，但这句话仍然不失为一种适当的评论科学乃至整个文明是累积前进的，它的每项进展都建立在已有的成果之上。这就是本书的主题，从尼古拉·哥白尼提出地球绕太阳转的划时代主张，到爱因斯坦关于质量与能量使时空弯曲的同样革命性的理论，本书用原始文献来追溯我们关于天的图景的演化历程。这是一段动人心魄的传奇之旅，因为无论是哥白尼还是爱因斯坦，都使我们对自己在万事万物中的位置的理解发生了深刻的变化。我们置身于宇宙中心的那种特权地位已然逝去，永恒和确定性已如往事云烟，绝对的空间和时间也已经为多层橡胶片（rubber sheets）所取代了。
难怪这两种理论都遭到了强烈的反对：哥白尼的理论受到了教廷的干预，相对论受到了纳粹的压制。我们现在有这样一种倾向，即把亚里士多德和托勒密关于太阳绕地球这个中心旋转的较早的世界图景斥之为幼稚的想法。然而，我们不应对此冷嘲热讽，这种模型决非头脑简单的产物。它不仅把亚里士多德关于地球是一个圆球而非扁平盘子的推论包含在内，而且在实现其主要功能，即出于占星术的目的而预言天体在天空中的视位置方面也是相当准确的。事实上，在这方面，它足以同1543年哥白尼所提出的地球与行星都绕太阳旋转的异端主张相媲美。
伽利略之所以会认为哥白尼的主张令人信服，并不是因为它与观测到的行星位置更相符，而是因为它的简洁和优美，与之相对的则是托勒密模型中复杂的本轮。在《关于两门新科学的对话》中，萨尔维阿蒂和沙格列陀这两个角色都提出了有说服力的论证来支持哥白尼，然而第三个角色辛普里邱却依然有可能为亚里士多德和托勒密辩护，他坚持认为，实际上是地球处于静止，太阳绕地球旋转。
直到开普勒的工作，日心模型才变得更加精确起来，之后牛顿赋予了它运动定律，地心图景这才最终彻底丧失了可信性。这是我们宇宙观的巨大转变：如果我们不在中心，我们的存在还能有什么重要性吗？上帝或自然律为什么要在乎从太阳算起的第三块岩石上（这正是哥白尼留给我们的地方）发生了什么呢？现代的科学家在寻求一个人在其中没有任何地位的宇宙的解释方面胜过了哥白尼。尽管这种研究在寻找支配宇宙的客观的、非人格的定律方面是成功的，但它并没有（至少是目前）解释宇宙为什么是这个样子，而不是与定律相一致的许多可能宇宙中的另一个。
有些科学家会说，这种失败只是暂时的，当我们找到终极的统一理论时，它将唯一地决定宇宙的状态、引力的强度、电子的质量和电荷等等。然而，宇宙的许多特征（比如我们是在第三块岩石上，而不是第二块或第四块这一事实）似乎是任意和偶然的，而不是由一个主要方程所规定的。许多人（包括我自己）都觉得，要从简单定律推出这样一个复杂而有结构的宇宙，需要借助于所谓的人择原理，它使我们重新回到了中心位置，而自哥白尼时代以来，我们已经谦恭到不再作此宣称了。人择原理基于这样一个自明的事实，那就是在我们已知的产生[智慧？]生命的先决条件当中，如果宇宙不包含恒星、行星以及稳定的化合物，我们就不会提出关于宇宙本性的问题。即使终极理论能够唯一地预测宇宙的状态和它所包含的东西，这一状态处在使生命得以可能的一个小子集中也只是一个惊人的巧合罢了。
然而，本书中的最后一位思想家阿尔伯特·爱因斯坦的著作却提出了一种新的可能性。爱因斯坦曾对量子理论的发展起过重要的作用，量子理论认为，一个系统并不像我们可能认为的那样只有单一的历史，而是每种可能的历史都有一些可能性。爱因斯坦还几乎单枪匹马地创立了广义相对论，在这种理论中，空间与时间是弯曲的，并且是动力学的。这意味着它们受量子理论的支配，宇宙本身具有每一种可能的形状和历史。这些历史中的大多数都将非常不适于生命的成长，但也有极少数会具备一切所需的条件。这极少数历史相比其他是否只有很小的可能性，这是无关紧要的，因为在无生命的宇宙中，将不会有人去观察它们。但至少存在着一种历史是生命可以成长的，我们自己就是证据，尽管可能不是智慧的证据。牛顿说他是站在巨人的肩膀上，但正如本书所清楚阐明的，我们对事物的理解并非只是基于前人的著作而稳步前行的。有时，正像面对哥白尼和爱因斯坦那样，我们不得不向着一个新的世界图景做出理智上的跨越。也许牛顿本应这样说，我把巨人的肩膀用作了跳板。
《站在巨人的肩上》序
吴国盛
牛顿在1676年写给胡克的一份封信中说：如果说我看得比别人更远，那是因为我站在巨人们的肩上。写这封信的时候，胡克正就牛顿的光学理论的优先权进行计较，牛顿的这封信带有和解的意图。但和解并没有获得成功，因此，后人更加相信这句名言里实际上包含着同样浓烈的双重情绪既是谦逊之词，也是自得之语。正因为此，出自牛顿的这句名言也就不是凡人敢轻易引以自况自许的了。
但是我们这本书的编者、当代著名理论物理学家斯蒂芬·霍金就敢，而且做得相当直白。十多年前，他在他那本著名的《时间简史》（1988）的结尾部分，就出人意料地补加了爱因斯坦、伽利略和牛顿三人的小传，强烈地暗示自己就是他们的正宗传人。如今，他把哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿和爱因斯坦五位的著作选集冠以站在巨人们的肩上之名，再次表达了那种既谦逊又自得的感觉。
书中收录的哥白尼的《天球运行论》、伽利略的《两门新科学的对话》、开普勒的《世界的和谐》（第五卷）、牛顿的《自然哲学的数学原理》和爱因斯坦的《相对论原理》等五部著作，可以看成是近代数理科学的五大经典。毫不夸张地说，是它们重新摆置了天地万物的位置，构画了近代世界图景的基本轮廓。毫不夸张地说，五大经典所代表的数理科学传统，对近代世界而言有开天辟地之功。有幸进入这个传统，特别是，有幸成为这个传统的发扬光大者，有一种难以抑制的自豪感是完全可以理解的。我想，霍金编这部文集时是有这种自豪和使命感的。
霍金编得起劲，读者有什么理由也跟着读呢？有一种回答是，因为它是霍金编的。不是说，读《时间简史》，懂与不懂都是收获吗？不是说，《时间简史》是如今买得最多读得最少的一本书吗？作为一种读书时尚，读霍金的书不需要理由。
我想讲的理由是针对这五大经典的。今天许多有见识的人一再呼吁读者阅读经典，但他们所谓经典更多指的是人文经典，而对科学经典，意见不尽一致。原因是，如果你的目的只是想学习科学知识、弄懂科学原理，那是用不着读这些经典的。直接读教科书或者科普读物，可以更好地满足你的目的。但是如果你愿意把这些著作看成是西方文化不可分割的有机组成部分，试图通过阅读而进入这些科学伟人的心灵之中、体会这些伟大的科学创造的历史情境和过程，那么读经典就会显露出它的意义来。我们因为沐浴在经典的光辉之中，对这光辉本身也可能浑然不觉。读经典可以帮助我们反省自身的处境。
举例说来，今天，我们会把地球围绕太阳旋转当成理所当然的事实，因为我们周围的每一个人、看到的每一本教材、接触的每一种传媒都这样讲，所以也就很难理解为什么人类在上千年的时间里竟然认识不到如此简单的一个事实，也很难体会到日心说取代地心说这一过程的艰难和复杂。现代人很少会去费力研读这些科学经典，因为它们的内容已经在教科书中被缩减成了用现代语言和符号表示的几条结论，我们以为，只要掌握了这些简单的结论，就完全理解了这些科学伟人的全部思想。然而，只要我们看看哥白尼在序言中表现出的那种犹疑不定，或者开普勒著作中所讨论的那些颇具神秘性的音乐的和谐，就会感觉到，这些原著所包含的许多丰富的思想实际上已经被我们舍弃了。科学中的那些最重大的发展往往伴随着隐含在它们背后的世界观的改变，阅读这些原始文献可以在相当程度上帮助我们理解科学和人类思想的变迁，认识到我们从科学的发展中究竟得到了什么，失去了什么，得到和失去这些东西又是通过什么样的过程实现的，从而对我们现有的科学有更加清楚的认识。
这部大书的翻译出版，不仅是愿意阅读经典的读书界的福音，也是我国科学史界的一件喜事。这是因为，这五大经典有两部是第一次译成中文，而其它三部都在过去译本的基础上再次做了重译或者订正。
哥白尼的《天球运行论》（拉丁文De revolutionibus orbium colestium或On the Revolutions of Heavenly Spheres）在我国一直被普遍译为《天体运行论》，但这个译名是不确切的。问题出在对orbium一词的理解上。对哥白尼来说，这个词并不是指我们今天很容易接受的天体，而是古代天文学家假想的带动天体运行的那个透明的天球。今天我们不承认有天球的存在，便想当然地把这个词译成了天体。其实恰当的译法应该是《论天球的旋转》或《天球运行论》。我曾专门撰文澄清过这一点，但似乎未引起学界应有的重视。1973年，科学出版社曾经出版过李启斌先生翻译的节译本（主要是前言和第一卷），1992年由武汉出版社以及2001年由陕西人民出版社相继两次出版过叶式辉先生的全译本，他们把书名均译成《天体运行论》。这次我的学生张卜天受命重译时，接受了我的意见，把书名改为《天球运行论》。需要说明的是，叶译本依据的是1978年由罗森（Edward Rosen）翻译和注释的英译本，而霍金这里所选的是瓦里斯（Charles
Glen Wallis）于1939年推出的第一个英译本，两个英译本在行文和编排上存在许多不同。应该说，1978年的罗森英译本是更有价值的，因为其中包含了译者的许多注释，但1939年的瓦里斯英译本也有其历史价值。考虑到现存叶译本的一些差错，考虑到张卜天在翻译时同时参照了罗森译本，并且改正了瓦里斯译本的不少错误，这个新译本就不是没有意义的。
伽利略的《两门新科学的谈话》（Dialogues Concerning Two New Sciences）是他的最后一部著作。两门新科学指的是材料力学和动力学。在其中所包含的四篇对话中，后两篇讨论的是匀加速运动和抛体的抛物线轨道；前两篇是对物质的构成、数学的本性、实验和推理在科学中的地位、空气的重量、光速等等的讨论。较之伽利略的另一部重要著作《关于两大世界体系的对话》（1974年由上海人民出版社出版），这部著作的重要性甚至有过之而无不及。我国著名的物理学史家、科学著作翻译家戈革先生在这里将之首次译出，弥补了长期以来的一个缺憾。
开普勒的著作选的是《世界的和谐》（Harmonies of the World）的最后一卷即第五卷，英译者也是瓦里斯。之所以只选了第五卷，主要是因为第五卷处理的是天文学，而且也是全书的高潮和总结。在第五卷中，开普勒提出了著名的关于行星周期和距离的第三定律。《世界的和谐》的前两卷讨论的是几何对称和比例，第三卷讨论的是音乐中的和谐，第四卷讨论的是占星学。在我国，开普勒一直鲜有人研究，原因之一就是一手材料难以找到，而且晦涩难解。张卜天这里首次译出开普勒的著作，将大大有益于学界对开普勒的研究。
牛顿的《自然哲学的数学原理》（The Mathematical Principles of Natural
Philosophy或Principia）此前已由中央党校哲学部的王克迪教授根据Andrew
Motte的译本译出全本，并于1992年由武汉出版社以及2001年由陕西人民出版社相继两次出版。霍金选的仍然是这个版本，所以这里只是改正了此前中译本的一些错误。
爱因斯坦部分是从H.
A. Lorentz, A. Einstein, H. Minkowski和H.
Weyl编的《相对论原理》（Das Relativitatsprinzip）中选取的爱因斯坦的七篇文章。除哈密顿原理和广义相对论一篇外，其余各篇以前都曾在我国著名物理学史家许良英、范岱年编译的《爱因斯坦文集》第二卷（商务印书馆1977年）中出版过，这次收入时只由译者做了个别订正。
煌煌五大科学巨著由享誉世界的科学名人霍金编辑、由我国科学史界的老中青三代学者联袂译出，的确是一件可喜可贺的事情。感谢湖南科学技术出版社独具慧眼，为中国读者奉上这件稀世珍品，为科学传播再立新功。是为序。
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