极简天文学

    [英]科林·斯图尔特 著

    柏江竹 译

    中信出版集团目录

    序言

    第1章 早期天文学

    第2章 太阳、地球与月球

    第3章 太阳系

    第4章 恒星

    第5章 星系

    第6章 宇宙

    结语

    图片来源序言

    我深爱群星，因此无惧黑夜。

    ——莎拉·威廉斯

    (《老天文学家寄语》，1868年)

    从记事起，我就被夜空深深地吸引着，这是我第一次热爱一

    种事物。小时候，大人们常常给我们讲一些童话故事，里面有小

    矮人、恶龙，还有女巫。但是在我的眼中，宇宙远远比这些童话

    故事更神奇。

    一代又一代的天文学家为我们拉开了宇宙的帷幕，揭示它最

    深处的秘密。他们的发现令人叹为观止，不计其数的行星围绕着

    无穷无尽的恒星翩翩起舞，引力随着时间长河的奔流不息而不停

    地扭曲着空间。我们可以跟随原子的足迹，踏上从恒星的心脏到

    你的皮肤和骨骼的旅途。我们还向太阳系中的每一颗行星都发送

    了探测器，并在月球上的尘埃上留下了我们人类的足迹。

    像宇宙这样巨大的尺度是令人望而生畏的，过去10年间，我

    一直在记录和谈论关于天文学的事情，却仍然觉得自己十分渺

    小。许多人都会打退堂鼓，因为他们认为学习天文学一定很困

    难，其实并不是这样的。这本书的目的就在于把广阔的空间拆解

    成易于理解的碎片，在这里你不会看到数学推导和专业术语，我

    只是想简单地向你讲述一下宇宙中那些最为迷人的景象。我把一些我们尚未了解的问题和已经提出的猜测也一并写进

    了书中，不过回答一个问题的同时往往会引发出一些其他问题。

    我们仍不明白宇宙主要是由什么构成的，也不清楚宇宙中是否还

    存在其他生命形式。天文学家们仍在试图弄清楚我们所在的宇宙

    是否唯一，也还在探索时间和空间到底是怎样开始的。这些都属

    于一些较为基本的问题。

    本书内容按照距离地球越来越远的顺序编排，从我们最早的

    天文发现开始，然后进入更广阔的太阳系，再前往更远的星系和

    宇宙边缘。我们的旅程将覆盖930亿光年的空间，横跨接近140亿

    年的时间。我精心地规划了一条线路，以便你能将整个宇宙掌握

    在手中，并且在这一路上发现你最感兴趣的东西。

    那么，接下来就请和我一同踏上探索宇宙的旅途吧，希望你

    也可以像我一样爱上这片夜空。第1章

    早期天文学记录时间的流逝

    很久以前，在我们的祖先看来，天空并不是行星、星系或者

    黑洞的住所，而是神的领地，它会给我们带来关于未来的预兆。

    一声霹雳可以用来表达上天的不满，一颗划过的彗星则是不祥的

    征兆。

    不过，那时天空最重要的作用还是作为一座天然的时钟。在

    钟表、电脑和智能手机还远远没有被发明出来之前，我们的祖先

    发现天空本身运行的规律就可以指明时间。他们把太阳从升起到

    落下，再到下一次升起的循环周期看作“一天”，又把连续7天称

    为“一周”，并且用7个看起来和别的星星不一样的天体分别为之

    命名。

    月亮的形状也在不断地发生着变化，在一段时间里先变大再

    变小，从一个小月牙变成耀眼的满月，然后再变回去。这样一次

    阴晴圆缺的变化大约需要30天，我们的祖先把这个周期叫作“一

    月”。随着时间的流逝，语言的不断变化让“月”这个单词最终丢失

    了一个字母(从moonth变为month)。同时，太阳的运动还遵循

    着一个更长的运行周期。每天早晨它会从东方升起，晚上从西边

    落下，每天正午它则会爬到这一天所在的最高处。不过，太阳每

    天正午时的高度并不总是一样的，持续观测几个月之后，你会发

    现太阳在天上画出了一个“8”字，这被我们称为“日行迹”。太阳画

    出一个完整的“8”字需要365天，古人把这个周期叫作“一年”。一年又可以分成4个季节，每个季节都有各自的气候特点。在春夏

    秋冬循环往复的同时，太阳则在天上沿着日行迹画着自己

    的“8”字。

    10 000年前，我们的祖先建造了与自然规律相符合的巨大时

    钟。2004年，一个考古团队在苏格兰发现了一个大约存在于上述

    时间段的古老的石器时代遗址。到了2013年，他们弄明白了这片

    遗址为何建成这样。当年的工匠沿着50米长的圆弧挖了12个坑，每一个都代表一段完整的月相变化的周期(大约一个月)，而这

    通常也就是一年的时间(偶尔当第一个满月出现在一月初时，一

    年中就会出现13个满月)。在那之后又过了5 000年，一些石匠在

    英国索尔兹伯里平原建造了一大圈巨石阵。站在巨石阵中，你会

    在正午太阳高度达到日行迹最高点的那一天(也就是夏至日)，看到太阳正好从某一块特殊的石头(踵石)上方升起。图1-1 在一年的时间里，太阳会在天上画出一个“8”字，天文学家称其

    为“日行迹”

    今天，我们已经处于数字时代，我们四处奔波、终日忙碌，过着现代人的生活，却几乎对天空中的规律毫不关心。但对于古

    代文明来说，这是测量时间的唯一办法。他们对于太阳和其他恒

    星运动的广泛研究构成了现在的我们组织生活的基础。

    探索地球的形状

    如果有人跟你说中世纪的聪明人都以为地球是平的，你可千

    万不要相信，2 000年前的人们就知道情况并非如此。在这一点上，我们应该感谢的是古希腊数学家埃拉托色尼

    (Eratosthenes)，他在没有出过埃及的情况下就发现了这一点

    ——地球是圆的。

    埃拉托色尼在埃及一个叫塞伊尼(今阿斯旺)的城市发现，在夏至这一天的正午，太阳会直射人们的头顶。于是，他做了一

    个堪称天才的实验，他在800千米外的亚历山大城，第二年夏至

    的同一时间对太阳进行观测。怎么观测呢？埃拉托色尼在地面上

    竖起了一根木桩，然后观察它的影子。结果他发现，这一次太阳

    光并不是从正上方直直地照射下来，而是偏离了一些角度，约为

    7°。造成这种差异的原因在于地球表面是弯曲的，也就是说，太

    阳光照射每一个城市的角度是不同的。

    不仅如此，埃拉托色尼还做了更进一步的工作。因为800千

    米的距离就能够使太阳光照射出现7°的偏差，那么把7°放大成完

    整的360°，便能估算出地球的周长为41 000千米(他在计算时使

    用的是一种叫作“斯塔德”的古希腊长度单位，所以实际上得到的

    长度约为250 000斯塔德)，这个长度与我们今天计算结果的误差

    范围为10%~15%。也就是说，古希腊人不仅已经知道地球是圆

    的，而且对地球有多大有了较深的了解。图1-2 埃拉托色尼通过观察埃及不同地区太阳光照射的角度，计算出了地

    球的大小

    埃拉托色尼

    埃拉托色尼是最早的博学家之一。在测量地球周长的同时，他也在地理、音乐、数学和诗歌等领域做出了重要贡献。他在当

    时就非常受人尊敬，曾受邀担任著名的亚历山大图书馆馆长。尽

    管这个图书馆最终被焚毁，但在鼎盛时期，它是全世界最大的古

    老知识宝库之一。

    埃拉托色尼通过查阅很多重要的地图和书籍，整理出了一幅

    世界地图集，并依据气候将其划分为若干区域。他首次在地图上

    画出了坐标网格和经线，并标出了400多个城市的坐标。正是因

    为这项工作，他被尊为“地理学之父”。埃拉托色尼的第二大成就应该是埃拉托色尼筛法——这是一

    种通过筛除一个素数所有的倍数，从而识别素数(素数只能被两

    个数整除——1和它本身)的方法。

    为了纪念埃拉托色尼所做出的重要贡献，人们用他的名字命

    名了月球上的一座环形山。

    其实，早在埃拉托色尼生活的时期之前，即使那时候的人们

    还对地球的大小不太清楚，但他们也知道地球的形状了。在发生

    月偏食的时候，地球的影子会投射在月球上(见第13页)，人们

    很容易就能发现这个影子的边缘是一段曲线。据推测，中国的

    《周书》[1]

    记载了发生在公元前12世纪的一次月食，而古希腊剧

    作家阿里斯托芬在作品《云》中确切地记录了一次发生于公元前

    421年的月食。如果这两个文明中有人明白月食的成因是地球挡

    住了照射在月球上的太阳光的话，那么他们就能意识到地球并不

    是平的。接下来，让我们更加深入地了解一下“食”，即天体掩食

    现象。

    日食

    天体掩食现象其实在天空中时有发生，通常都是某个天体被

    遮挡在视线之外。我们主要见到的有两种：日食和月食。日食就

    是月球挡住了照向地球的太阳光，而月食则是地球挡住了大部分

    本应照向月球的太阳光。图1-3 当月球挡住太阳的时候，我们就会看到日食

    几千年来，人类一直都在对日食进行观测，我们对日食心存

    好奇，更对日食充满担忧。据说在4 000年前的中国古代，有一位

    叫姒中康[2]

    的君王处死了宫中两名未能预测日食的天文学家。在

    我们完全了解日食的原理之前，人们往往把它看作不祥的征兆，认为这是神在表达对人类所犯下的罪过的不满。

    当月球把太阳严严实实地挡住的时候，我们就能看到最为壮

    观的日全食。虽然对于特定的某一个地方来说，发生日全食属于

    非常罕见的事情，但是放眼全球，每隔大约18个月就会发生一次

    日全食。而月球在空中掠过的速度很快，这导致这一奇观最长只

    能持续7分32秒。在一次日全食的过程中，最为壮丽的食的形状

    当属以一位19世纪的英国天文学家的名字命名的“贝利珠”。食既

    之前的最后一缕阳光和生光之后的第一缕阳光会穿过月球表面的

    环形山之后再到达地球，这就产生了令人惊叹的钻石戒指般的效

    果(见图1–4)。

    在全食阶段，天空会明显变暗，温度也会下降，原本还在放

    声歌唱的鸟儿们也被白天突然消失的太阳给弄糊涂了，变得安静图1-4 像钻石戒指一样的贝利珠

    下来。但是，日全食不仅仅是业余天文爱好者们赞叹大自然的奇

    妙的时刻，它还是天文学家们进一步了解宇宙的宝贵机会。我们

    将会看到，有一些对宇宙的里程碑式的突破性发现正是建立在日

    全食的观测基础上的(见第1章章末)。

    然而，并非所有的日食都是

    日全食，通常月球只能遮住太阳

    的一部分，就形成了日偏食，太

    阳看起来就像是被“吃”掉了一块

    一样。还有一种日食，它的成因

    是月球和地球之间的距离会有一

    些微小的变化，而当月球离我们

    很远的时候，它看起来就显得比

    较小，即便月球运行到原本应该

    发生日全食的位置也无法完全遮

    住太阳，我们根据拉丁语中的“环”这个单词给这种日食起名叫“日

    环食”[3]。

    值得庆幸的是，对于观测日食来说，我们现在所生活的时期

    很特殊。为什么这么说呢？因为在数百万年之前，月球离地球更

    近，于是就会更频繁地发生日全食，并且不会出现“贝利珠”的景

    象；而在未来，当月球离我们更远的时候，在我们看来它就会变

    得更小，从而有一天再也不能完全遮住太阳，也就是说，我们遥

    远的后代只能看得到日偏食和日环食。月食

    月球因为反射太阳光才能被我们看见，但是在月全食期间，太阳直射向月球的光都被地球给挡住了。也可以说，是月球走进

    了地球的影子——也就是本影。如果月球只从地球的一部分影子

    里面走过去，那么我们就会看到月偏食或者半影月食。

    虽然在全食阶段，太阳的所有直射光都被地球挡住了，但是

    有一些光还是能间接地照亮月球。这是因为地球大气层可以折射

    地球周围的少量太阳光，令它们弯曲。我们通常所见的白光其实

    是7种颜色的复合光，地球的大气层把红色光弯折向月球的方

    向，而剩下的光则被分散到太空中，这导致了在月全食期间的月

    亮看起来是古铜色、橙色或红色的。如果空气中有火山灰的话，则会加剧这种效应，使月球呈现出更深的血红色；而如果地球没

    有了大气层的话，月全食的时候月球看起来就像在天空中暂时消

    失了一样。

    与相对短暂又罕见的日食相比，月食持续的时间更长，而且

    发生得更频繁，因为对于比月球大很多的地球来说，想要挡住直

    射向月球的光线，可比月球挡住太阳那样的庞然大物要轻松得

    多。月全食可以持续长达100分钟，并且每一次月全食发生的时

    候，地球上大多数处于夜晚的人都能看见。图1-5 当月球躲到地球影子里的时候我们就会看到月食

    就像观测日食一样，几千年来，人们也一直观测着月食。早

    在公元前2094年，苏美尔人就开始在泥板书上对月食进行记载，并且还会在旁边附上对即将到来的厄运的预言——在古代，天体

    掩食现象往往都会跟迷信扯在一起，而最有名的一次月食发生在

    1504年，克里斯托弗·哥伦布(Christopher Columbus)刚刚发现

    新大陆不久之后。由于木船在航行中被蛀虫给啃坏了，所以这位

    意大利探险家和他的船员们被困在了牙买加修理船只。

    一开始，当地的原住民很迁就他们，但是随着停留的时间越

    来越长，哥伦布一行人变得越来越不受欢迎，甚至做出了一些类

    似于抢夺当地人的食物之类的事情，这彻底激怒了当地人。于

    是，在哥伦布一行停留的第6个月开始，当地的酋长就切断了他

    们的所有补给。正当哥伦布陷入绝望的时候，他突然想起自己的

    船上带了用于导航的星图以及天文事件年表。经过查阅，哥伦布

    发现在1504年2月29日会发生一次月食，于是哥伦布非常狡猾地

    告诉酋长，他和上帝一直保持着联系，而上帝对于船员们受到的

    待遇异常愤怒，于是决定用把月亮变成血红色的方式来降下天

    罚。于是，当这天晚上月食真的发生的时候，当地的这些原住民立马就又变得愿意合作了。

    对此，哥伦布的儿子这样写道：“他们怀着巨大的悲痛，嚎

    叫着从四面八方满载着食物向我们涌来，祈求着我们的船长代表

    他们向上帝求情。”这个故事告诉我们迷信有多么危险，而正确

    地了解宇宙如何运转又是何等的重要。

    星座

    在夜空中，我们除了月亮之外，能看到的就只有星星了。在

    晴朗的夜晚，你甚至能看到数以千计的星星。几千年来，世界各

    地的人类文明都在玩这种巨型的连线游戏，充满想象力地把这些

    星星“联结组合”，从而“发明”了所谓的星座。这种划分通常都很

    随心所欲，每个星座里面的星星除了在我们眼中看起来很接近之

    外，其实彼此间几乎没有什么关系。另外，很多星座其实跟它们

    的名字相去甚远，比如小犬座，说是一条小狗，其实只是两颗星

    星连成一条线，甚至连腿都没有，根本一点儿也不像狗。

    造成这种现象的原因是，人们将一些神话故事投射到了星星

    上，他们把整个星空当作一本巨大的故事书，用它来讲述故事中

    英勇的王子、遇险的少女、虚荣的国王，还有神奇的飞龙。在印

    刷术还没诞生的时候，人类习惯于将神话故事口口相传，而星星

    就是记录这些故事的载体。除此之外，星星还是人类代代相传重

    要信息的方式。古人注意到，星座的出现就像气候一样，会随着季节的变化

    而变化，著名的猎户座会在冬天霸占北半球的天空，直到天气转

    暖才逐渐销声匿迹。通过星空中的这种季节性线索，我们的祖先

    们掌握了播种和收获的时令。其实天文学知识也是一本代代相传

    的农业教科书，不过是通过讲述星星的故事来“上课”罢了，星座

    令记忆的过程变得更加简便。

    图1-6 阿尔布雷希特·丢勒于1515年绘制的北半球星座木刻版画

    现在，南半球和北半球加起来一共有88个星座得到了天文学家们的正式确认。北半球的星座名称有很大一部分都来自古希腊

    和古罗马的神话传说，比如著名的大英雄珀尔修斯和缪斯女神的

    坐骑飞马帕加索斯。而南半球的星座则大多是在大航海时代由第

    一批朝向那里航行的探险家发现的，因此它们的名字更多的是生

    活中能见到的东西，不像北半球星座那样充满幻想，比如显微

    镜、望远镜、航海设备、船、鱼，还有海鸟等。

    无论是澳大利亚原住民还是中国人，是阿拉斯加的因纽特人

    还是印加人，每一个文明都有自己的星座系统，但是欧洲工业革

    命的爆发导致古希腊和古罗马的星座系统最终成为全球通行的标

    准。这些星座在几个世纪间发生过多次变化，最终国际天文学联

    合会(IAU)于1922年把它们全部永久性地正式确定下来。

    现在的星座仍然只是人为划分的区域，而不是真的把相互间

    有关联的星星划分在一起。如果你出生在一颗并不围绕太阳，而

    是围绕着星空中的某一颗恒星公转的行星上的话，你看到的大部

    分星星可能还是在地球上看到的那些，只不过是从一个完全不同

    的方向上看罢了。既然这些星星的位置和地球上所看到的不一

    样，那么你的祖先一定会划分出与现在地球上所用的星座完全不

    同的星座。

    黄道和黄道十二宫

    其实在白天，星星们仍然都还待在天上，我们看不见它们只

    是因为太阳实在是太亮、太耀眼了，星星的亮度和它相比就像8万人体育场内大聚光灯下的一根蜡烛。不过，尽管白天看不见这

    些星星，我们也可以探讨太阳目前处于什么星座这样的问题。

    与背景中的恒星相比，太阳每天会在天空中移动大约不到1°

    的距离，一年下来，便会在天上转完一圈，也就是360°，而太阳

    在天空中所走过的路径就叫作黄道。我们的祖先也注意到了这一

    点，早在公元前的第一个千年里，巴比伦人就在黄道上划分出了

    12个星座，正好对应一年中的12个月。哪怕你对天文学知之甚

    少，但你对这些星座的名字也有可能耳熟能详：白羊座、金牛

    座、双子座、巨蟹座、狮子座、处女座[4]

    、天秤座、天蝎座、人

    马座、摩羯座、水瓶座和双鱼座，这些就是所谓的“黄道十二

    宫”(zodiac[5])中的12个星座。

    古人总是会将星空和迷信联系在一起，他们常常认为天上发

    生的事情会影响自己手头的事情，这就是占星术的起源——认为

    天体运行的规律会对人们的生活产生影响，特别是当你出生的时

    候太阳位于什么星座，这对你的一生都会产生一定的影响。不过

    有了现代的天文学研究之后，我们知道这种说法是毫无根据的，天上的那些星星只是距离我们非常遥远的又大又热的气态球体而

    已。你出生那天的星星到底是什么样的，对你今后的生活或者性

    格能够产生的影响，可能就跟产房里花瓶摆放的位置，或者你爸

    爸将车停在医院停车场时车头是否朝北的影响差不多大。图1-7 一幅16世纪的黄道十二星座木刻图，它们共同描绘出了一年之中太

    阳在天空中的足迹

    不过，黄道和黄道十二宫在我们摒弃迷信、相信科学的道路

    上的确起到了举足轻重的作用。接下来我们将会学习到，观测黄

    道附近天体的运动对于我们抛弃那些陈旧的、毫无根据的想法，并颠覆我们对于自己在宇宙中的位置的理解起到了怎样至关重要

    的作用。

    四处游荡的星星

    在古人眼中，天上的星星分成三种。那些规矩地待在星座里

    面不会乱动的叫作恒星，也就是不动的星星。偶尔会有一颗流

    星，在天上划过一道绚丽的光彩。还有一种会四处游荡的星星，这种星星一共只有5颗[6]

    ，它们不像别的星星待在原地，而是在

    黄道附近，穿行过一个又一个黄道星座。希腊人给他们起了一个

    名字，叫作“会动的星星”，根据这个名字，现在我们把这种星星

    称为“行星”。

    在欧洲，人们用罗马诸神的名字来给这些不合群的星星命

    名：墨丘利、维纳斯、玛尔斯、朱庇特和萨图恩[7]。这些星星和

    太阳、月亮一样，在黄道星座中穿行，与那些安然不动的星星形

    成了鲜明对比，于是古人们用它们的名字来命名一周的7天(参

    阅表1–1)。从表格中我们可以发现，就算相隔甚远，但是人类

    各个文明的“一周”似乎都是7天，也就是说，几乎所有的文明都

    注意到了靠近黄道的这7颗与众不同的星星。毕竟，日、月、年

    这样的时间周期都是从天文观测中直接得到的，而“周”这个概念

    是人为定义的。

    其实，太阳系中还有两颗行星——天王星和海王星——也在

    黄道附近运行，但是由于它们离太阳实在太远，以至于太过暗淡

    [8]

    ，只有用望远镜才能看得到它们，所以古人并不知道它们的存

    在。不过，我们可以考虑一个很有趣的问题，如果人类进化出了

    更大更厉害的眼睛，就有可能用肉眼看见天王星和海王星，那么

    我们现在的一周很可能就是9天。

    表1-1 行星与一周时间的对应 英文名字来自北欧神话，所以与行星的名称并不对应。

    如果你连续几个月甚至几年都坚持对行星进行观测的话，你

    会发现它们的行为有些古怪。它们会先沿着黄道朝一个方向运

    行，然后停下来，调转方向，倒着再走一段，这就是所谓的“行

    星逆行”。这种不寻常的行为可能只有完全了解天体运行规律的

    人才能解释。

    托勒密与地心说

    很多古代文明，尤其是古希腊人，会把他们已掌握的所有与

    天空相关的知识拼凑起来，最终得到一个宇宙的模型。他们知道

    地球是一个球形的物体，而太阳和星星看起来每天都会绕着地球图1-8 从1687年的图中可以看出，早期天文学家认为地球就是宇宙的

    中心，太阳绕着地球运行

    旋转一圈。由于感受不到地球本身的移动，所以他们很自然地根

    据日常经验得出结论——我们生活在一个静止不动的地球上，太

    阳、月球、行星以及别的恒星都围绕着地球旋转。这种把地球当

    作宇宙中心的理论就是地心说。

    这种理论听上去很合理，它

    不仅符合人们对于天空的观察，也与宗教中有关创世主在宇宙的

    中心创造了地球的说法完美契

    合。当时，大多数人给出的模型

    就是在地球的周围环绕着一圈又

    一圈的轮子，而太阳、月球、行

    星以及恒星都位于这些轮上。由

    于月球在天空中移动得最快，所

    以它自然被安排在第一圈的轮子

    上，从月球往外则依次是水星、金星、太阳、火星、木星和土星，而在土星之外，就是那些星座

    中的恒星。

    但是，这个模型的主要问题是，它很难解释行星逆行的问

    题，为什么有的轮子会突然停下，然后朝别的方向转动呢？希腊

    数学家克罗狄斯·托勒密(Claudius Ptolemy)提出了一种解决方

    案，我们称为“托勒密模型”。他认为，行星在一个叫作本轮的小

    圆上面运行，而这个小圆又在一个叫作均轮的更大的轮子上运行

    (见图1–9)。当行星沿着本轮运行的方向与均轮的运行方向一

    致时，我们就能看到它沿着黄道朝着一个方向移动；而当行星沿着本轮运行的方向与均轮运行的方向相反时，在我们看来它便是

    调转了方向。这个模型很巧妙，也相当符合天体运行规律，因此

    在1 000多年的时间里都没有遭到质疑。

    图1-9 托勒密提出了本轮和均轮的概念以解释行星逆行

    克罗狄斯·托勒密(约100—170)作为一个在天文学领域影响力跨越1 000多年的人，托勒密

    的生平在史书中却少有记载，留下来的只有他取得的一些成果。

    他居住在亚历山大城，这里当时是罗马帝国的一部分，现在则属

    于埃及。

    在《行星假说》一书中，托勒密提出了“本轮说”，并尝试

    着计算过宇宙的大小。他认为地球到太阳的距离是地球直径的

    605倍(实际上约为12 000倍)，地球到恒星的距离是地球直径

    的10 000倍(实际上超过30亿倍)。他在另一本天文学著作《天

    文学大成》中列出了48个星座(并非现在的88个)，其中有很多

    我们今天仍在使用。

    托勒密还是一位狂热的占星家，不过也有资料显示他认为生

    活环境会对一个人的行为和性格产生影响。他在音乐、光学、地

    理学等领域也颇有建树。与埃拉托色尼一样，月球上也有一个以

    托勒密的名字命名的环形山。

    哥白尼与日心说

    到了16世纪，托勒密模型在西方文化中已经变得根深蒂固，甚至对它产生一点儿质疑都会招致生命危险。自古希腊时代以

    来，基督教的势力席卷欧洲，其核心教义之一便是上帝在7天之

    内创造了整个宇宙，那么自然而然地，地球就应该是上帝创世的

    中心。所有提出反对意见的人都会被视为异端，那么又何必要提

    出自己的意见去惹麻烦呢？但是，中东地区的伊斯兰学者们并不受这些教条的约束，因此他们早在1050年就在托勒密的地心说中

    找到了一些漏洞。

    其实在16世纪的欧洲，波兰有一位名叫尼古拉·哥白尼

    (Nicolaus Copernicus)的数学家就意识到，并不需要用本轮和均

    轮这么复杂的系统来解释行星逆行，我们只要把太阳放在中心，把地球当作一个围绕着它运行的行星之一就可以了。这就是日心

    说。

    图1-10 托勒密(左)和哥白尼(右)对行星逆行的不同解释

    火星之所以会有明显的逆行，只不过是因为我们的地球在绕

    着太阳公转的过程中不断“追赶”[9]

    着它罢了。当地球在火星身后

    朝向它运行的时候，我们可以看到火星也朝向某一个方向前进

    着，但是一旦地球开始超越火星并继续向前运行，火星在我们看

    来就像是在倒退。16世纪的头10年，哥白尼开始记录自己的研

    究，并且将研究成果偷偷地做了一些备份交给了信任的朋友。1532年，他已经确定自己是对的，但由于害怕遭受迫害，哥白尼

    拒绝公开发表自己的作品。据说哥白尼只在临终前看到了一本自

    己已完成的书，不过这个说法的真实性还有待探讨。如果这个故

    事是真的，那么哥白尼一定知道自己的研究成果最终会出版。哥

    白尼在1543年平静地与世长辞，他留给后人的这本书——《天体

    运行论》——可以说是人类历史上最重要的著作之一。

    《天体运行论》引发了一场神学危机。到16世纪末，意大利

    修士乔尔丹诺·布鲁诺(Giordano Bruno)成为支持日心说的领军

    人物，他不仅论证了地球绕太阳运行，而且还提出那些恒星只是

    距离我们很远的“太阳”而已，它们也都有自己的行星，甚至这些

    行星上有可能也存在生命。1600年，布鲁诺被宗教裁判所判为异

    端并烧死，一些历史学家认为布鲁诺在天文学方面提出的观点就

    是他众多“思想罪”之一。

    其实关于地心说和日心说的争论，双方都缺少强有力的证据

    来证明自己的观点。一位来自丹麦的天文学家在努力探寻真相的

    过程中，提出了一种将这两种模型混合在一起的模型。

    第谷·布拉赫

    丹麦天文学家第谷·布拉赫(Tycho Brahe)是一个很古怪的

    人。在他成年后的大部分时间里，他都戴着一个黄铜做的鼻子，因为他在20岁时曾为了一个数学上的问题跟别人决斗，被人用剑

    把鼻尖削了下来。一些历史学家甚至认为威廉·莎士比亚(William Shakespeare)是以第谷为原型创作了哈姆雷特这个人

    物，剧中罗森克兰茨和吉尔登斯特恩这两个人物也与第谷的表兄

    弟同名[10]。甚至有可能整部《哈姆雷特》都在影射日心说与地

    心说之争，因为剧中角色克罗狄斯与克罗狄斯·托勒密同名。

    我们所知道的是，第谷非常热爱天文学，并且也擅长于此，他对天空所做的测量比他之前的所有天文学家的测量都更精准。

    丹麦国王赠予了他一座小岛(汶岛，今属瑞典)，并资助他建造

    了一座巨大的天文台。第谷称之为“观天堡”，是神话中负责掌管

    天文学的缪斯女神乌拉尼亚居住的城堡的名字。

    观天堡中的社交活动可谓精彩，与在那里进行的天文观测一

    样著名。第谷雇用了一个名叫杰普的矮人小丑，杰普经常躲在桌

    子底下，然后再突然跳出来给客人们一个惊喜。第谷还在院子里

    养了一头温驯的麋鹿，但不幸的是，这头麋鹿有一天从一个敞口

    的啤酒桶内喝了很多啤酒，喝得酩酊大醉，从楼梯上摔死了。第

    谷本人的离世和这头鹿的遭遇相差无几。1601年，第谷在布拉格

    参加一个极尽奢华的宴会，尽管已经喝了很多酒，他却坚决不愿

    意离席去上一趟厕所。11天后，他最终死于尿毒症——血液中尿

    素含量超标，而他的膀胱都被撑破了。

    在54岁意外离世之前，第谷在观天堡中非常仔细地用六分仪

    和四分仪(二者都是用于测量天体之间夹角的机械装置)测量并

    记录下了恒星和行星的运行规律，他的许多测量结果都能精确到

    160度。这些工作使得他要在地心说和日心说二者之间取一个折

    中的模型，因为他无法相信像地球这么庞大的东西也能动得起

    来。于是，在他提出的第谷模型中，太阳和月球围绕地球运行，而其他行星围绕太阳运行。就像托勒密的本轮一样，第谷用这个

    模型来解释行星为什么会逆行，这至少从理论上讲是可行的。不

    过，当时人们仍然没有足够的证据来确定托勒密、哥白尼和第谷

    这三个人所提出的模型中，到底哪一个才是对的。后来，一位来

    自荷兰的眼镜制造商一个偶然的发现永远地改变了天文学研究。

    图1-11 第谷提出了一种融合了日心说和地心说的模型，地球仍然是宇宙的

    中心，但是有一些行星围绕着太阳运行望远镜的发明

    在此之前，所有的天文观测都是通过肉眼、六分仪还有四分

    仪来进行的。而在1608年，荷兰人汉斯·利伯希(Hans

    Lippershcy)发明了第一架望远镜，并且还为这种能使远处的东

    西看起来近在眼前的装置申请了专利。目前我们尚不清楚，利伯

    希是否真的是第一个制作出这种仪器的人，但在历史上我们往往

    都将其归功于他。其实在科学史上有很多重大的突破，比如阿基

    米德洗澡中发现浮力定律，以及艾萨克·牛顿(Issac Newton)被

    苹果砸到脑袋这一类故事，通常会为了体现这些人的洞察力而掺

    入一些虚构的成分，望远镜的发明也是如此。

    据说让利伯希灵光一闪的那一刻，是他看到两个孩子在他的

    工作室里摆弄着一盒旧镜片。当人透过两块镜片看向远处的风向

    标时，它突然看起来变大了很多，于是利伯希运用这种原理制作

    了一个能把物体放大三倍的装置。几年后，希腊科学家乔瓦尼·德

    米西亚尼(Giovanni Demisiani)用希腊语中的“远”和“看”这两个

    字合成出了一个词语，也就是我们现在所用的“望远镜”来称呼这

    种新装置[11]。

    但是，最后是一位意大利数学家令这项新发明发挥出了其真

    正的潜力，并且用它彻底击败了一个已经根深蒂固的观点。

    伽利略与他的望远镜观测1608年，意大利科学家伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)在帕

    多瓦大学里教授数学。某次在威尼斯旅游时，他偶然间看到了一

    种新发明的复制品。这个来自荷兰的新发明在当时如同野火一般

    在整个欧洲蔓延开来。伽利略对它的设计进行了改进，很快就制

    成了一架放大倍率为8倍的望远镜(相比之下，利伯希制作出来

    的第一台望远镜放大倍率是3倍)。不久之后，伽利略又制作了

    一架放大倍率超过30倍的望远镜。

    伽利略很快就发现托勒密是错的，我们并不是生活在一个以

    地球为中心的宇宙中。1609年1月7日，伽利略把望远镜对准了木

    星，结果发现木星的周围有3个小天体在绕着它转，不到一周后

    又发现了第4个。这就是木星的4颗最大的卫星，现在被我们称

    为“伽利略卫星”，很显然，它们既不围绕太阳运行，也不围绕地

    球运行。

    真正关键的事情发生在1610年9月，伽利略发现金星和月亮

    一样也有阴晴圆缺，有时候它看起来像是一轮满月，有时候又像

    是一弯新月。另外，金星的大小也在发生变化，看起来像是在靠

    近我们之后又走远。如果像托勒密说的那样，金星和太阳都绕着

    地球运行的话，那么金星就不可能会有相位，因为在托勒密模型

    中，金星不可能位于太阳和地球之间——但这又是金星发生相位

    变化的必要条件。只有在第谷和哥白尼的模型中才有可能发生这

    样的情况：当金星位于太阳和地球之间时，由于大部分的太阳光

    都落在地球望向金星的背面，这时候金星看上去就会很暗；而当

    金星距离地球最远的时候[12]

    ，金星朝向我们的这一面就会被完

    全照亮。尽管有很多证据表明托勒密提出的传统的地心说模型是不成

    立的，但是如果你公开支持日心说的话，还是会惹祸上身。在伽

    利略用自己的观测结果来表明对哥白尼的支持之后，他激怒了宗

    教势力。他们提倡的是第谷提出的模型，这既可以解释金星相位

    的问题，又符合宗教对于地球应该是宇宙中心的需求。1616年，一个宗教裁判所宣布日心说与《圣经》相悖。1633年，伽利略受

    审并被判为“异端”，之后被处以软禁。直到1642年77岁的伽利略

    去世之前，他一直都在写一些争议较少的科学领域的重要作品。

    最终，教会还是赦免了伽利略，不过那已经是1992年的事情了。

    伽利略还为一些月球表面的山脉绘制了图片，并根据阴影的

    长度来估算它们的高度。他对这个世界的认识达到了前人从未达

    到过的高度。伽利略还是第一个观测到土星环的人，他将其描述

    成从土星两侧伸出来的“耳朵”。他甚至还观测到了太阳表面的黑

    子，还发现银河并不是一团气体而是由密集的恒星组成的。

    约翰尼斯·开普勒与其行星运动定律

    德国数学家约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)早在伽利略

    进行观测之前，就是哥白尼模型第一批也是最激进的倡导者之

    一。在1600年成为第谷·布拉赫的助手之后，他就很想从行星围绕

    太阳运行的观测数据中归纳出一套数学模型，但由于第谷对自己

    的数据看得很紧，开普勒只被允许取用其中的一部分来进行研

    究。一年后，第谷离世，这使得开普勒通过继承轻松地得到了第

    谷的所有研究成果，这件事让一些历史学家认为第谷的死是一场阴谋。1901年，第谷的遗体被挖掘出来之后，人们在其中发现了

    水银残留的痕迹。第谷真的死于膀胱衰竭吗？还是说开普勒为了

    得到观测数据而毒杀了他？毕竟我们只能从开普勒的日记中看到

    第谷之死的记载。不过，在2010年第谷的遗体又一次被挖掘出

    来，根据这一次的测验结果来看，第谷体内的水银含量不足以致

    死。

    第谷死后的10年里，开普勒通过他的观测数据总结出了著名

    的行星运动三大定律。

    开普勒第一定律：每颗行星沿各自的椭圆轨道环绕太阳，而

    太阳则处在椭圆的一个焦点上。

    开普勒发现，行星围绕太阳运行的轨道并不如同古人或者哥

    白尼所想的那样是正圆，而是椭圆形的。椭圆有两个“焦点”——

    这在数学上是曲线中很重要的点，太阳就在其中一个焦点上。

    开普勒第二定律：太阳系中太阳和运动中的行星的连线在相

    等的时间内扫过相等的面积。

    由于行星在椭圆轨道上运行，所以有的时候它会离太阳近一

    些，有时又会远一些。开普勒注意到，太阳和行星之间的连线扫

    过一样大的面积所花费的时间是相同的(如图1–12所示)。简单

    来说，就是行星离太阳越近，其运行速度就越快。

    开普勒第三定律：绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行

    星，其各自椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常

    量。大家都有一个常识，那就是行星离太阳越远，那么它运行一

    周的时间就越长——水星绕太阳运行一周所需时间较短，是因为

    它的轨道长度最小；土星绕太阳运行一周所需时间长，是因为它

    的轨道长度较大。而开普勒的这一发现，其重要之处在于揭示了

    两者之间的数学关系。基于对第谷精确的观测数据的分析，开普

    勒注意到行星公转周期的平方和行星与太阳之间距离的立方有

    关。

    图1-12 开普勒认为，行星绕日公转的轨道是椭圆形，并且在靠近太阳时会

    加速

    不过，开普勒的行星运动定律还只是属于经验法则——基于

    直接观测归纳出结论，而不是根据理论一步一步推导证明得来

    的，也没有解释清楚为什么行星会绕着太阳运行。1666年，人类

    对于这个问题有了更深刻的理解，这一年一位英国数学家因为瘟疫爆发、学校关闭而不得不离开剑桥。[13]

    据说，当时这位年轻

    人坐在母亲的花园里，突然一个苹果砸到了他的头上。

    艾萨克·牛顿和万有引力定律

    这个苹果的故事看上去似乎还像那么一回事儿，不过那个苹

    果可没有砸到艾萨克·牛顿的头上，至少一部流传甚广的传记《艾

    萨克·牛顿爵士生平回忆录》(1752)里不是这个版本。这部传记

    的作者——威廉·斯蒂克利(William Stukeley)——某次晚餐后与

    牛顿一起在花园中喝茶，这位著名的科学家告诉他，自己是看到

    一个苹果掉在地上后想到的万有引力理论。

    牛顿的主要观点是，宇宙中的每一个物体都会受到别的物体

    对它产生的引力。苹果就是被地球吸引着所以才会掉落到地上，但是如果这个苹果的位置足够高，并且还有足够快的速度，那么

    它就会开始绕着地球运行而不是撞到地上。牛顿的巨大突破在

    于，月球绕地球运行的原因与苹果从树上落下的原因是相同的

    ——都是因为两个物体之间存在引力。

    牛顿将他关于万有引力的观点写入了《自然哲学的数学原

    理》(简称《原理》)，书中还有很多其他非常重要的见解，比

    如著名的三大运动定律。牛顿在书中指出，两个物体之间的引力

    大小与它们之间的距离的平方成反比。也就是说，如果你把两个

    物体之间的距离加倍的话，它们之间引力的大小就会下降到原来

    的14；如果物体间距离增加到之前的三倍，引力大小则会下降到原来的19。牛顿用自己的万有引力定律和运动定律成功地证明了

    开普勒的行星运动定律，而这也让他的理论显得很可靠。他有力

    地向世人表明：“我知道为什么行星会绕着太阳运行，并且我也

    能够证明这一点，因为我得出了和开普勒一样的结果。”

    以开普勒第二定律为例——行星和太阳的连线在相等的时间

    间隔内扫过相等的面积，即行星离太阳越近时运行速度越快，离

    太阳越远时运行速度越慢。牛顿对此给出的解释是这样的：两个

    物体靠得越近，它们相互之间的引力就越大，反之引力就越小。

    当一颗行星靠近太阳时，引力就会增强，于是它就加速了；而当

    这颗行星远离太阳的时候，引力就会减弱，于是它就减速了。

    但是，牛顿的这部巨著差点儿就没能印刷出来，因为当时的

    英国皇家学会在出版《鱼类史》一书时虚报了预算，导致经费不

    足。于是，牛顿的好友、天文学家埃德蒙·哈雷(Edmund

    Halley)决定个人出资出版这本书，这也确保了有史以来最重要

    的一本书得以大放异彩。

    艾萨克·牛顿与光学

    在研究引力的同时，牛顿对光和棱镜也产生了很大的兴趣。

    其实用这些玻璃块做实验也不是什么新鲜事了，人们早就知道白

    光可以产生很多种颜色，但是大家都以为是光穿过棱镜的时候被

    染上了颜色，而光本身应该是纯白色的。牛顿通过一个十分简单且巧妙的实验发现了真相。1666年，牛顿找了一个晴天，在窗户上戳了一个洞之后拉上窗帘，只放一

    缕阳光进入房间。然后，牛顿在这束光的路径上放了一块棱镜，看到这束光经过棱镜后成了一道彩虹。这个实验的巧妙之处体现

    在，牛顿在这道彩虹的后面又放上了第二块倒转过来的棱镜，结

    果第二块棱镜果然如他所料把彩色光重新组合成白光。这表明，彩色光根本不是被棱镜染上的颜色，白光本身就是由多种颜色的

    光混合而成的。用棱镜可以把白光分解成彩色光，也可以把彩色

    光再组合成白光。牛顿于1672年发表了这项研究成果。

    现在天文学中的许多领域都是以光的这种性质为基础的，我

    们将在后面的章节中看到天文学家们一次又一次地依靠它来解决

    问题。

    反射式望远镜

    牛顿在1668年设计了一种新型的望远镜。之前的望远镜是折

    射式的——它们使用透镜来弯曲或折射光线。而牛顿的反射式望

    远镜解决了折射式望远镜中所存在的最大的问题之一——色差。

    色差产生的原因在于透镜也会像棱镜一样把白光分解成彩色光，这样一来，不同颜色的光就无法聚焦在同一点上。

    在反射式望远镜中，光线从顶部进入，然后在底部的曲面镜

    上反射回镜筒内，再通过一个平面的副镜反射到目镜所在的一侧

    聚焦成像。

    我们现在所使用的最大的望远镜就是反射式望远镜，因为折射式望远镜的大小会受到限制。其受限制的原因在于，光线要通

    过两个透镜，这就意味着两头的透镜都需要支撑，如果做得太

    大，透镜就会因为太重而在重力作用下沉陷，使得聚焦能力下

    降。但是，反射式望远镜只是在底部有一面大大的镜子，所以只

    要把底部的承重做好就可以了。世界上最大的折射式望远镜直径

    也只有一米，而最大的反射式望远镜的直径已经有10多米了。

    罗默与光速

    17世纪末是我们认识光的革命性时期，除牛顿发现了有关颜

    色从何而来之外，还有一位来自丹麦的天文学家奥勒·罗默(Ole

    R?mer)对光的传播速度进行了研究。

    17世纪70年代，巴黎皇家天文台派出了几位天文学家前往第

    谷·布拉赫位于汶岛的观天堡天文台对伽利略卫星进行观测，他们

    观测的重点是这几颗卫星被木星遮挡后从视野中消失的那一刻。

    当时的罗默是法国天文学家让·皮卡尔(Jean Picard)的助手，后

    来凭借着在观天堡的工作经验，罗默在巴黎天文台找到了一份工

    作。

    对伽利略卫星的观测带来了一个棘手的难题：木星卫食[14]

    发生的时间总是和用牛顿力学计算得出的时间有所偏差。1676

    年，罗默在巴黎天文台台长乔凡尼·卡西尼(Giovanni Cassini)已做

    工作的基础上提出了一个对这个问题的解释。之前人们总是认为

    光速是无限的——光可以瞬间从A点传播到B点，但是木卫食发生的时间总是出现偏差——当地球和木星距离很近时，木卫食会

    提前发生；反之当地球和木星距离很远时，木卫食则会推迟发生

    ——这说明，光的传播也是需要时间的。罗默计算出，光走过太

    阳到地球这么长的一段距离大约需要11分钟，也就是说光速大约

    是220 000 000米每秒。

    现在，我们知道光速是299 792 458米每秒，所以罗默和卡西

    尼计算得到的结果其实相差不大。不过，最重要的倒不在于他们

    得出的数值是多少，而是他们最终证明了光速是有限的——光也

    需要时间才能到达目的地。由于光速实在是太快了，所以我们在

    日常生活中很难注意到这一点，只有放到天文学的尺度上，才能

    引起注意。我们在后面会多次提到这一点。

    在宇宙中，我们最常用的距离单位是光年，也就是光一年所

    走过的距离。光以299 792 458米每秒的速度行进一年，可以走

    9.46万亿千米。离我们最近的恒星大约在40万亿千米之外，也就

    是4.2光年。而对于一些距离比较近的天体我们可以用光时、光分

    甚至是光秒。比如冥王星距离地球5.3光时，太阳距离地球8.3光

    分，而月球距离地球只有1.3光秒。

    哈雷与彗星

    17世纪70年代，法国国王和英国国王出于利用星星帮助航海

    的目的设立了皇家天文台。在英国，格林威治天文台的台长会被

    授予“皇家天文学家”的称号。在1719年第一任皇家天文学家约翰·弗拉姆斯蒂德(John Flamsteed)逝世后，这一职位由其助手埃德

    蒙·哈雷接任——就是他个人出资帮助牛顿出版了《原理》一书。

    哈雷之所以愿意帮助牛顿出版这本书，是因为他亲眼看到了

    牛顿的能力。1684年，也就是《原理》出版的3年前，哈雷去拜

    访牛顿，他们俩对于引力以及引力和彗星——绕着太阳运行的不

    断翻滚着的冰晶碎片团(不过当时人们对其并不怎么了解)——

    之间的关系进行了讨论。1680年，一颗名为“柯尔克”的彗星壮丽

    地划破天际。牛顿根据弗拉姆斯蒂德的观测数据计算出，这颗彗

    星也遵守开普勒定律——它的运行轨道是椭圆形，并且在靠近太

    阳的过程中加速——所以它一定也像行星一样受到太阳引力的影

    响。

    1705年，哈雷在牛顿理论的基础上，发表了《彗星天文学论

    说》。由于已经能够确定彗星绕着太阳运行，因此他在书中指

    出，出现在1682年、1607年和1531年的三颗彗星实际上是同一颗

    彗星的三次回归，并预测了它在1758年会再次回归。然而，哈雷

    逝世于1742年，他并没有看到这颗彗星的这次回归。为了纪念

    他，我们现在把这颗彗星叫作哈雷彗星。

    天文学家和历史学家们带着这些关于彗星的新知识回顾历史

    后，发现了许多不同历史时期的世界各地的文明对于同一颗彗星

    的记载。比如，公元前5世纪的希腊和公元前3世纪的中国都观测

    到过哈雷彗星，甚至它还出现在了贝叶挂毯[15]

    上。哈雷彗星上

    一次造访地球是在1986年，预计将于2061年再次回归。布拉德利与光行差

    尽管伽利略、开普勒、牛顿和哈雷都做了一系列工作，但我

    们还是不能确定第谷模型和哥白尼模型到底哪一个是对的，因为

    还没有出现一个无可辩驳的证据能够表明地球实际上在围绕着太

    阳运行。

    巴黎的皮卡尔还有格林威治的弗拉姆斯蒂德，都有注意到北

    极星——就是那颗似乎无论何时都停留在同一个位置的星星——

    的位置实际上会在一年的时间里来回变动。哈雷的继任者是詹姆

    斯·布拉德利(James Bradley)[16]

    ，这位天文学家提出的观点彻

    底宣告了地心说模型的破产。图1-13 当你在雨中行进的时候，雨水看起来就像是倾斜着落下来

    我们可以把星光想象成洒落的雨滴，当你打着伞在雨中向前

    走的时候，你会觉得雨好像是从前方倾斜着落下的。但实际上，雨滴是从正上方落下的，你之所以感觉到这种现象是你处于运动

    之中。同样地，地球在轨道上运行时也相当于从“星光雨”中穿

    过，并且在轨道的两端运行的时候，穿过星光的方向也是相反

    的。正是这种效应——现在被称为“光行差”——导致夜空中星星

    的位置在一年之中来回变动。第谷模型中的地球是静止不动的，根本不会产生这样的现象，所以最终由布拉德利于1729年向我们

    证明，哥白尼提出的日心说模型才是正确的。尽管如此，一直到

    1758年，天主教会仍一直将宣传日心说的书籍列为禁书。

    金星凌日

    当天文学家确定了地球只是众多行星中的一颗之后，他们的

    工作重心开始转向计算地球和太阳之间相隔的距离。在18世纪，完成这项工作唯一的途径是观测一种叫作金星凌日的非常罕见的

    天象。这种天象有点儿像迷你版的日食，指金星从太阳的正前方

    经过的时候，我们在地球上会看到太阳表面有一个小黑点在缓慢

    移动着。

    如果从地球上两个不同的地方观测(两处相隔越远越好)就

    可以发现，由于观测的角度不同，金星凌日在这两个地方开始和

    结束的时间会有一些不同。哈雷认为我们可以利用这个时间差计算出地球和金星之间的距离，然后运用开普勒第三定律就能得到

    地球到太阳的距离。

    然而，由于金星距离我们比较远，所以看起来很小，如果没

    有望远镜的话就很难成功观测这种天象。金星凌日以两次凌日为

    一组，每组两次凌日之间的间隔是8年，而下一组金星凌日则需

    要再过一个多世纪才会到来。(免费书享分更多搜索@雅书.)

    约翰尼斯·开普勒通过自己提出的行星运动定律进行计算后，在人类历史上第一次预测了1631年的金星凌日。他预测的结果是

    对的，但是这次凌日发生时欧洲还处于夜晚，所以没有人对它进

    行观测。英国天文学家杰里迈亚·霍罗克斯(Jeremiah Horrocks)

    成功地预测了1639年的金星凌日，并且在他位于普雷斯顿附近的

    家中进行了观测。他是第一个观测到金星凌日的人。埃德蒙·哈雷

    在1691年提出了利用金星凌日的观测数据来计算日地距离的方

    法，但天文学家们只能等到1761年和1769年这两次金星凌日之时

    再进行观测。

    这次测量的重要性以及测量时机的稀缺性，使得18世纪的天

    文学家必须竭尽全力地把握这100多年中仅有两次的机会。欧洲

    的天文台在全世界范围派遣了多个天文小组观测1761年和1769年

    的两次金星凌日，为了防止受到天气的影响，他们设立了非常多

    的观测点，这样即使有的小组遇到了阴雨天，还会有别的小组得

    以成功观测。

    英国皇家学会还委托了英国皇家海军的詹姆斯·库克船长

    (Captain James Cook)驾驶奋进号前往大溪地观测1769年的金星凌日。不过除了观测之外，库克还随身携带了英国政府的密函，里面安排了他在观测结束之后的秘密任务——在太平洋上寻找传

    说中的尚未被发现的大陆[17]。库克于1770年4月29日在博塔尼湾

    (位于现在的悉尼)登陆，并将这里变成了欧洲人在澳大利亚大

    陆上的第一块殖民地。

    当时的天文学家由塔希提岛得到的观测数据推断出日地距离

    为93 726 900英里(150 838 824千米)，而我们今天知道这个数

    字应该是149 600 000千米，可见尽管条件有限，但是18世纪的天

    文学家还是计算出了相当接近的结果。

    计算世界的重量

    天文学家们还想知道行星到底都有多重，但在18世纪，人们

    连地球的质量都不知道，在彗星研究领域颇有建树的埃德蒙·哈雷

    甚至认为地球是空心的。而他的另一位继任者，皇家天文学家内

    维尔·马斯基林(Nevil Maskelyne)[18]

    在1774年证明了事实并非

    如此。

    自从牛顿发表《原理》后，我们就知道宇宙中的每一个物体

    都会受到引力的影响，并且两个物体之间靠得越近，则引力越

    强。牛顿本人曾尝试用引力来计算地球的重量，他设想在一座大

    山的旁边放上一个单摆，其尾部的摆锤会受到三种力的影响：来

    自大山的引力、来自地球的引力，以及拉住它的绳子上的张力，这个实验的结果应该是本应竖直垂下的摆锤将朝向大山的方向偏转一个很小的角度。在这里，大山还有地球对摆锤的引力的合力

    应该等于绳子上的拉力，所以只要测算出这座山的质量，再量出

    摆锤偏转的角度，就可以用牛顿方程计算出地球的质量。

    不过，后来牛顿认为测量摆锤的偏转角过于困难，几乎无法

    完成，于是从实事求是的角度出发否定了这个实验。但是，马斯

    基林接下了这项任务，他选择了位于苏格兰的希哈利恩山——这

    是一座锥形且相当对称的山。而计算圆锥体的体积是很容易的，因此我们只需要知道这座山的密度就能计算出它的质量。马斯基

    林在山的两侧都设立了观测点，在克服了恶劣天气带来的重重困

    难后，他最终以恒星为参考点测量出了摆锤的偏转角。随后，测

    量员查理斯·赫顿(Charles Hutton)开始计算这座山的体积，为

    了更便捷地计算，他把山分成若干部分，并以此发明了等高线。

    最终，马斯基林的实验团队计算出地球的平均密度为4.5克每

    立方厘米(现在我们所知的数值为5.5克每立方厘米)，而希哈利

    恩山的平均密度只有2.5克每立方厘米，所以地表下一定有比山要

    重得多的物质——也就是说地球不可能是空心的。在此之前，天

    文学家们只知道太阳、月球以及别的行星的密度和地球密度相比

    起来的倍数，而现在有了地球的密度，他们就能根据这个数值计

    算出太阳系中所有其他大天体的密度和质量了。可以说通过苏格

    兰的这一座山，我们就知道太阳周围这一圈天体质量的大致范围

    了。

    表1-2 太阳系天体的质量与密度赫歇尔与天王星

    1781年3月13日，威廉·赫歇尔(William Herschel)的发现在

    一夜之间把太阳系的已知范围扩大了一倍。他在位于英国巴斯镇

    的家中发现了一颗新行星，它距离太阳比土星到太阳要远上一倍。其他所有的行星都是古人早已观测到的，这是第一颗被“发

    现”的行星。后来经过对比才发现，许多天文学家——包括格林

    威治天文台的几任台长——都曾观测到它，但是由于它在黄道上

    移动得太慢，所以一直被误认作一颗恒星。赫歇尔第一次观测到

    这颗行星的时候还以为它是一颗彗星，但是随着观测次数增多，他逐渐发现了真相。

    然而，人们花了将近一个世纪最终才对这颗新行星的名字达

    成一致。作为它的发现者，赫歇尔自然是拥有命名权的，但是他

    选择了以英王乔治三世(后任命赫歇尔为自己的私人天文学家)

    的名字将其命名为“乔治”，这个名字显然在其他国家并不是很受

    欢迎。1782年，一些人提出用希腊神话中的天空之神乌拉诺斯的

    名字给它命名——“天王星”——似乎还不错，因为在神话故事

    中，乌拉诺斯是克洛诺斯[19]

    的父亲，而克洛诺斯又是宙斯[20]

    的

    父亲。不过直到1850年，“天王星”这一名字才受到广泛认可。这

    个名字显得有些特立独行，因为其他所有的行星(除了地球之

    外)都是用罗马神话中神的名字来命名的，而天王星是唯一一个

    以希腊神话中的神命名的行星。

    赫歇尔与红外线

    1800年，赫歇尔又做出了一个比发现新行星更加重要的新发

    现：他发现了一种新的光。

    和一个多世纪前的牛顿一样，赫歇尔也用棱镜做了很多实验。那时候，他在思考这样一个问题：光的颜色会不会与温度有

    什么联系呢？于是，他在用棱镜分解太阳光之后，将温度计放置

    在光谱中的不同位置，结果在红色的这一端测量到了最高的温

    度。接下来，赫歇尔又做了一项了不起的实验：他把温度计移动

    到红光之外看起来并没有光照射的地方，结果温度计显示这一区

    域的温度比光谱上的任何一个地方都要高。

    赫歇尔认为，在光谱上红色的这一端之外的地方，一定还有

    一些看不见的“热射线”。而他在随后的实验中发现，这种射线的

    性质与普通的光线完全相同。这种热射线就是我们现在所说的红

    外线，这是一种由有热量的物体发出的不可见光——所以，现代

    红外摄像机可以在战区、灾区以及警察追捕逃犯时用于采集热信

    号。

    赫歇尔首次发现了有一种光是我们用肉眼看不见的。这就像

    是有些声音的频率过于低或者过于高，以至于人耳听不见它们；

    光也是这样，一旦其频率太高或者太低超出了人眼的感知范围，那么我们就会看不见它们。现代的物理学家把光谱扩展成了全频

    率的电磁波谱，从低频率的无线电波和微波，到红外线和可见

    光，再到紫外线、X射线和伽马射线，尽在其中，天文学家们把

    这些都叫作光。

    早期的望远镜对于我们肉眼所能看到的光线(也就是可见

    光)的收集能力都很强，而现在天文学家所使用的望远镜可以观

    测从无线电波到伽马射线各种频率的光，因为如果我们局限于可

    见光的话，就会错过很多从太空中抵达地球的信息。2009年，欧洲航天局发射了有史以来最大的远红外线太空望

    远镜，为了纪念赫歇尔在这一领域的杰出贡献，欧洲航天局将这

    架望远镜命名为“赫歇尔”。

    海王星的发现

    如果说天王星的发现是一个意外收获的话，那么海王星的发

    现则可以称得上是一次深思熟虑的计划了。天文学家在天王星被

    发现之后的几十年里对它进行了仔细的观测，并从中发现了一些

    不对劲儿的地方：这颗行星的运行轨道总是和用开普勒以及牛顿

    提出的方程式计算出的轨道有一些偏差。

    不过，人们很快就意识到开普勒定律和牛顿定律并没有错，这种现象出现的原因在于，在比天王星更远的地方还有一颗行星

    在影响着它的运行轨道。当天王星接近这颗行星的时候会被它的

    引力向前拉，于是就会加速；反之，天王星在远离它的时候又会

    被向后拉，速度便会减慢。

    法国数学家于尔班·勒威耶(Uranus Le Verrier)利用开普勒

    和牛顿的公式计算出了这颗不老实的行星当时的位置。勒威耶把

    他的计算结果发送给了住在柏林的德国天文学家约翰·加勒

    (Johann Galle)，当加勒把望远镜指向勒威耶计算的位置之后，发现海王星正好就在那里(与勒威耶计算的坐标相差不到1°)。

    事后看来，其实海王星和天王星一样被观测到过多次，但是它缓

    慢的速度使得人们无法将其与恒星区分开。爱因斯坦与狭义相对论

    1905年，阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)发表狭义相

    对论，E=mc2出现在世人面前，这是科学史上最为著名的方程

    式，它告诉我们质量和能量之间是可以相互转化的。用一个物体

    的质量(m)乘上光速(c)的平方，便可以计算出这个物体所拥

    有的总能量(E)。

    爱因斯坦在1905年做了一大堆工作——他还发表了另外两篇

    里程碑式的论文，他在其中一篇里提到了光是由称为光子的粒子

    组成的，后来他在1921年凭此获得了诺贝尔物理学奖。爱因斯坦

    取得这样的成果绝非易事，因为当时的他仅仅是一个在瑞士伯尔

    尼工作的专利员，几乎是学术圈的门外汉。

    狭义相对论把奥勒·罗默对于光的研究又向前推进了一步，爱

    因斯坦认为光速不仅是有限的，同时也是宇宙的速度极限，没有

    什么能在宇宙中运动得比光还快，这可以从E=mc2中推导出来。

    物体移动得越快，其获得的能量也就越大。但是，这条公式告诉

    我们，能量增加的同时质量也会增加，也就是说质量会随着速度

    的增加而增加。当物体变得更重了之后，想要把速度再次加快就

    需要更多的能量来推动，而当物体的速度再次加快之后，它又会

    变得更重……这样下去的结果就是，这个高速运动中的物体最终

    会重到需要无限大的能量才能让它变得更快。而这时，它的速度

    就是光速。爱因斯坦与广义相对论

    提出狭义相对论之后，爱因斯坦似乎还不满足。于是，他在

    1915年又发表了广义相对论，并且用它彻底颠覆了我们对于引力

    的看法。

    牛顿认为引力是真空中大质量的物体之间产生的拉力，并以

    此解释为什么地球会绕着太阳转。而爱因斯坦则认为，之所以会

    这样是因为太阳改变了地球周围空间的形状，他把空间的三个维

    度和时间这一个维度合并到一起形成了一个四维结构，他称之

    为“时空”，并且认为大质量的物体会将其扭曲。

    我们可以用一张四角紧绷的床单来形象地理解时空的概念。

    在中间放上一个保龄球代表太阳，这样一来这张床单就会下沉形

    成一块凹陷——或者说是一口井。这时，再用一个网球来代表地

    球，让它在这口井的边缘滚动，它就会一直围绕着中间的保龄球

    转动(见图1–14)。图1-14 爱因斯坦提出，大质量物体会扭转一种叫作时空的四维结构，并且

    会使远处恒星发出的光发生弯折

    阿尔伯特·爱因斯坦(1879—1955)

    作为科学家，阿尔伯特·爱因斯坦的大名对普通人来说可谓

    如雷贯耳，直到现在世界各地的衣服、海报、马克杯上都还印着

    他的面孔。爱因斯坦提出的理论至今仍具有重要意义，在狭义相

    对论和广义相对论发表之后的100多年中，物理学家仍在不断地

    发现新证据来支撑它们。无论最终其理论是否正确，爱因斯坦白

    发苍苍、不修边幅的模样已经成为天才科学家的典型形象了。

    他的个人生活同样多姿多彩。1903年，他娶了他在物理系的同学米列娃·马里奇(Mileva Mari?)，但婚后不久他就开始和

    自己的表姐艾尔莎发生了婚外情。1919年，和米列娃离婚后，爱

    因斯坦迎娶了艾尔莎，这段婚姻一直持续到1936年艾尔莎离世。

    据说，艾尔莎的离世令爱因斯坦悲痛欲绝。

    作为一个出生在德国的犹太人，在希特勒掌权后爱因斯坦就

    离开了德国，他选择留在美国，并在1940年加入了美国国籍。

    1952年，爱因斯坦被提名为以色列总统，不过他拒绝了。1955

    年，爱因斯坦因大动脉瘤破裂逝世，但是在遗体解剖的过程中，他的大脑被医生擅自摘除，希望用于智力相关的进一步研究。

    天文学家们早就发现用牛顿力学很难解释一些水星轨道上的

    怪事[21]

    ，而用爱因斯坦提出的“时空弯曲”这一概念却能完美地

    解释这些事。不过，我们还需要利用日全食提供的独特环境来从

    另外一个问题中检验这个观点。

    爱因斯坦和牛顿都认同太阳的引力会使遥远的恒星发出的光

    线发生弯曲，但他们的分歧在于弯曲的程度。于是，英国天文学

    家阿瑟·爱丁顿(Arthur Eddington)于1919年前往远在非洲的一

    座小岛——普林西比岛——探寻真相。通常，我们在白天是看不

    见太阳周围的星星的，然而日全食期间月球会把太阳发出的强光

    尽数遮挡，于是爱丁顿利用这次机会拍摄了太阳附近的星星。

    果然，这些星星的位置有所偏移，而且恰好位于爱因斯坦所

    预测的位置上，它们发出的光的确受到了由太阳引起的时空弯曲

    的影响，沿着一条弯曲的路径前行，于是在我们的眼中它们偏离

    了原本所处的位置上。广义相对论经受住了各种各样的考验，迄今为止仍是我们已知的最接近真相的引力理论。

    [1] 此处指先秦史籍《逸周书》，原名《周书》。——译者注

    [2] 姒中康，夏朝的第四任君王。——译者注

    [3] 拉丁语annulus，英语中为annular，均为“环”的意思。——译者注

    [4] 天文学中的“室女座”，占星术中一般称之为“处女座”。——编者注

    [5] zodiac一词来源于希腊语，意为站成一圈的小动物。——译者注

    [6] 这5颗分别是水星、金星、火星、木星和土星。

    [7] 分别为代表水星的众神使者、代表金星的爱与美的女神、代表火星的战神、代表

    木星的众神之王、代表土星的农业之神。——译者注

    [8] 行星不能自己发光，只能反射太阳光。——译者注

    [9] 理解为“超车”可能更形象一些。——译者注

    [10] 这两个人物是《哈姆雷特》中的两位大臣，而在现实中都是丹麦贵族，应该是第

    谷的亲信而非兄弟。——译者注

    [11] 古希腊语中的τ?λε(tele，远)和σκοπε?ν(skopein，看)的合成词为

    τηλεσκ?πο?(teleskopos)，英文望远镜一词telescope亦由此演化而来。——译者注

    [12] 即太阳处于金星和地球之间时。——译者注

    [13] 1665至1666年，英国爆发瘟疫。——译者注

    [14] 木星卫食，即木星的卫星被木星遮挡的现象。——译者注

    [15] 贝叶挂毯，创作于11世纪，其上绣有黑斯廷斯战役的前后过程，现藏于法国贝叶

    博物馆。——译者注

    [16] 第三任皇家天文学家。——译者注

    [17] 即南极洲，但是这一次航行最终只发现了新西兰岛。——译者注

    [18] 第5任皇家天文学家。——译者注

    [19] 克洛诺斯，在罗马神话中的名字叫作萨图恩，也就是土星。——译者注

    [20] 宙斯，在罗马神话中的名字叫作朱庇特，也就是木星。——译者注

    [21] 指根据牛顿的万有引力定律计算出的水星近日点进动值与观测得到的数据之间有

    所差异。——译者注第2章

    太阳、地球与月球太阳

    太阳是由什么构成的？

    我们要怎么弄清楚一个离我们1.5亿千米之外的物体——特别

    是像太阳这样一个又炎热又明亮、只要靠近它就会被烧焦的物体

    ——是由什么构成的呢？像天文学中研究的大多数天体一样，我

    们利用太阳发出的光来寻找答案。

    在第1章中，我们见到了如何使用棱镜将白光分解成不同颜

    色的光谱。在19世纪初，德国物理学家约瑟夫·冯·夫琅禾费

    (Joseph von Fraunhofer)发现太阳的光谱是不连续的，上面有

    500多条黑暗特征谱线——现在被我们称为夫琅禾费衍射。19世

    纪50年代，德国科学家罗伯特·本生(Robert Bunsen)和古斯塔夫

    ·基希霍夫(Gustav Kirchhoff)对于它们存在的原因给出了解释。

    这些线条之所以没有颜色是因为太阳中的某些物质吸收了特定频

    率的光，于是这些频率所对应的颜色无法传递到地球上。

    实际上这些线条就像是化学条形码一样，其内容就是关于光

    源的组成物质的这一类重要信息，也可以理解成太阳的“指纹”。

    本生和基希霍夫在实验室中对不同的元素进行加热(本生为此发

    明了以他的名字命名的加热装置)，之后得到了每种元素的“吸

    收线”，将其与太阳光谱上的吸收线进行比对后发现，太阳主要是由氢构成的——氢是宇宙中最轻的元素。

    1868年，太阳又给天文学家出了一个难题。法国天文学家皮

    埃尔·让森(Pierre Janssen)在观测了这一年的日食之后，发现了

    一条与已知元素都不同的吸收线。同年，英国天文学家诺曼·洛克

    耶(Norman Lockyer)在观测太阳的时候也发现了它，并且与研

    究化学的同事爱德华·弗兰克兰(Edward Frankland)用希腊语中

    的“太阳”一词将这种新元素命名为“氦”。这是第一个在太空中发

    现的元素，后来科学家在地球上也发现了氦。得益于这种分析光

    谱中吸收线的方法(现在被称为光谱学)，现在我们知道了太阳

    的73%由氢组成，25%由氦组成，剩下的则是氧、碳、铁等元

    素。

    太阳的能源从哪来？

    太阳从1.5亿千米远处发射的光线都能晒伤我们的皮肤，19世

    纪末的物理学家非常迫切地想知道，驱使着像太阳这样一个巨大

    的“火炉”不断工作的能源是什么。

    地质学和生物学的发展——包括查尔斯·达尔文(Charles

    Darwin)提出的进化论中关于自然选择的研究——为研究早期的

    地球提供了一些线索。但是，太阳的形成要更早一些，于是要弄

    明白它的能量从何而来也就困难得多。一个维持太阳燃烧几百万

    年的能源还好说，但是连着燃烧几十亿年都没有熄灭就令人感到

    难以置信了。许多维多利亚时代的科学家都不太相信有这样的能源。热力

    学领域的泰斗开尔文勋爵(Lord Kelvin)认为引力是太阳的动力

    来源，当太阳上的物质在引力作用下向中心聚拢的时候，压强和

    温度就会上升，也就是说太阳可以将引力能转化为热能，而开尔

    文经过计算后发现，太阳的引力能只够维持3 000万年就会被耗

    尽。但是，既然太阳还在天上发光发热，就说明从它诞生至今肯

    定没超过3 000万年，因此开尔文在1862年公开质疑了达尔文计算

    出的地球的年龄有几十亿年的说法。

    其实达尔文是对的，开尔文出错了，爱因斯坦于1905年发表

    的那条著名的方程式E=mc2揭示了谜底。从公式中可以看出，能

    量(E)和质量(m)实际上是等效的，并且可以相互转化，用一

    个物体的质量乘以光速(c)的平方就是这个物体能释放出的所

    有能量。不过这也有一定的条件，释放能量的过程需要极高的温

    度和压强。

    1920年，英国天文学家阿瑟·爱丁顿首次提出了太阳产生能量

    的真正机制：核聚变。氢能够在极高的温度和压强下聚合在一起

    变成氦——科学家发现，在太阳中心存在这种反应，并且最为关

    键的是，产生的氦的质量比原来的氢要轻一些，这些少了的质量

    就是太阳能量的来源——它们会按照爱因斯坦的那道方程式转化

    成能量。在每一秒钟，太阳会将6.2亿吨氢聚变成6.16亿吨氦，剩

    下的这0.04亿吨则转化为能量散发出去。

    阿瑟·爱丁顿(1882—1944)

    爱丁顿是20世纪初天文学领域中最重要的人物之一。他出生于英格兰北部一个贵格会[1]家庭，“一战”时，爱丁顿作为一

    个和平主义者打算拒绝服兵役，正好因为他在天文学研究中非常

    重要，于是政府免除了他的兵役。

    “一战”打响后的1915年，爱因斯坦用德文发表了广义相对

    论，作为当时少数能理解这一理论的天文学家之一，爱丁顿把其

    中的主要信息翻译成英语，介绍给了更多的学者。爱丁顿还通过

    1919年的日食观测检验了广义相对论的真实性，使得爱因斯坦美

    名远扬。在这之后，爱丁顿又在研究恒星生命周期这一领域做出

    了重大贡献，比如计算出了“爱丁顿极限”——不同大小的恒星

    能达到的最大亮度。

    但是，爱丁顿也有犯错的时候。印度天体物理学家苏布拉马

    尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)在20世纪30

    年代根据广义相对论提出了黑洞的存在，爱丁顿却公开驳斥了这

    一观点。钱德拉塞卡的观点最终被证明是正确的，他本人也在

    1982年获得了诺贝尔物理学奖。

    尽管太阳对氢元素的需求如此之大，但它所拥有的原料还足

    够支持自己燃烧50亿年。我们将会在第4章中看到当太阳的燃料

    耗尽之后会发生什么。

    1939年，美籍德裔物理学家汉斯·贝特(Hans Bethe)研究发

    现了氢到底是如何变成氦的，并提出是由4个质子(即氢原子

    核)聚合到一起变成一个氦原子核，这就是质子–质子链(pp

    链)模型。尽管这一聚合过程每秒钟在太阳中心发生约9×1037

    次，但是某一个单独的聚合反应可能就需要数百万年时间才能完成。

    太阳中微子消失之谜

    我们没有办法钻到太阳中心去亲眼看见pp链反应，但是我们

    可以根据反应原理来计算它应该释放出多少能量，并且这个数值

    和观测到的数值相等。

    然而，有一个棘手的问题在天文学家的脑海中挥之不去，直

    到21世纪都还没有得到解决：到达地球的太阳中微子并不够多。

    中微子是一种很小的、质量几乎为零的亚原子粒子[2]

    ，同时也是

    贝特提出的pp链反应的副产品之一，它们从太阳出发，向整个太

    阳系扩散。与别的粒子比起来，中微子显得相当特别，因为它们

    会像幽魂一样直接穿过普通物体而不受任何阻碍。每一秒钟穿越

    你身体上一个平方厘米的太阳中微子的数量要比整个地球的人口

    还要多，但它们不会对你造成什么伤害。

    20世纪60年代以来，物理学家们设计了一些复杂的实验以检

    测通过地球的太阳中微子数量。很快，他们就注意到这些中微子

    的数量不足，仅为根据pp链反应原理计算得出的中微子数量的

    13。有人提出了对这个现象的一种解释，中微子在到达地球的过

    程中发生了变形，变成了另外两种类型的中微子。这也就是说早

    期的实验装置只能检测到一种中微子，而忽略了其他两种中微

    子，因此我们只能检测到计算结果中的13。

    1998至2006年在美国和日本进行的实验显示，中微子的形态的确有三种，而且单个中微子可以在这三种形态中转换(或者可

    以称为振荡)。如果把中微子振荡考虑进来，那么根据pp链反应

    原理计算出的中微子数量就是正确的。

    太阳光的长途跋涉

    如果把太阳切成两半，我们就可以看到它的分层结构。中间

    是太阳的核心区，约占太阳内部的14。外层物质施加的压力使得

    此处有极高的压强和温度，促使氢通过pp链反应聚合成氦。这里

    的温度高达1 500万摄氏度，压强大到足以将核心区的物质压缩到

    密度为铅密度的13倍。

    光从核心区出发后到达辐射层，这一层的范围一直延伸到太

    阳直径的70%处。温度从核心区往外开始逐渐下降，在辐射层顶

    部下降到150万摄氏度。由于粒子都紧密地聚集在靠近核心区的

    地方，所以物质的密度也在逐渐降低。平均来说，一个光子向外

    传播不到一厘米时就会撞上别的物质并被弹开。图2-1 我们可以把太阳分成从核心区到日冕的很多层

    如果只观察某一个光子向外传播的路径，那么至少需要10万

    ~100万年才能等到它从辐射层中弹球机般的环境中走出来。我们

    常说因为光从太阳传播到地球需要8分钟，所以我们看到的太阳

    光是8分钟前产生的，这指的是从太阳的边缘传播到地球的时

    间，但是太阳光产生于核心区而非边缘。当我们看到太阳光的时

    候，它已经诞生了至少10万年了。

    辐射层再往外就是对流层，光通过这一层要比之前快得多，通常只需要三个月的时间。光到达对流层之后就会被气体吸收，而这会加热气体并使之变轻，于是这些气体就会朝外上升到光球层。到达光球层后，它们又会冷却下来并且变重，然后又下沉回

    去，与此同时，在底层被加热的气体又会上升。这种对流循环把

    能量从辐射层传递到了光球层——我们所看到的可见光就是从这

    里出发的。位于对流层边缘的原子冷却后以光的形式释放能量，之后光就可以向外传播，从而照亮整个太阳系。

    下一次当太阳光洒在你的脸上时，你可以花点儿时间稍作思

    考，这一缕阳光从太阳核心区诞生，经历了长达百万年的艰难跋

    涉才最终令你沐浴在阳光之中。

    太阳的外层结构

    光球层并不是太阳结构的重点，再往外还有更薄的几层——

    色球层和日冕。色球层中有长达500千米的喷流，我们称之为“针

    状体”。太阳上无论何时都会有几十万个针状体同时存在着。

    从核心区一直到光球层，温度都在不断下降。[3]

    但是，从光

    球层向外的温度却突然开始上升，在色球层的顶部达到8 000摄氏

    度。在色球层和日冕之间还有很薄的一层色球–日冕过渡层，厚

    度为100千米，穿过这一片区域到达日冕底部之后温度会上升到

    50万摄氏度，而日冕的温度能达到数百万摄氏度。目前，我们还

    不清楚温度为什么会有这次突然上升，这是现在太阳研究领域的

    一个主要课题。

    由于仍有难题尚未解决，所以研究太阳的物理学家希望能够

    尽可能多地对日冕展开研究，而日冕的性质之所以难以捉摸，是因为底下几层太过明亮，总是会掩过它的光芒。以前，我们只能

    等到日全食，等到月球把太阳的其他部分挡住只露出日冕的时候

    才能对其进行观测，不过现在的很多用于观测太阳的空间望远镜

    都配有日冕仪——一种能遮挡太阳的圆盘，一般用于制造人造日

    食，方便天文学家在没有发生日食的时候也能对日冕进行研究。

    另外，这些望远镜不仅能观测可见光，它们还能对电磁波谱

    上的其他波段进行观测，包括紫外线(UV)和X射线。这些观测

    发现太阳表面有一些“冕洞”——存在于太阳两极地区的一些辐射

    较弱的黑暗地区。它们常常持续数月，高速太阳风即来源于此。

    磁场与较差自转

    太阳远远不是如我们所见在天上一动不动的，实际上太阳的

    活动剧烈到难以想象，强烈的磁场活动令太阳表面不断如沸水般

    翻滚。

    太阳就像是一块巨大的磁铁。你做过条形磁铁和铁屑的小实

    验吗？这些铁屑描绘出了南磁极和北磁极之间看不见的磁感线，太阳和地球也有与之类似的磁场和磁极。地球的磁场和条形磁铁

    的磁场很相似，因为地球是一个固态行星，太阳却不是固态的，它是一个由一种不断被搅动着的、叫作等离子体的超高温气体组

    成的球体，其赤道地区的自转速度比两极地区要快20%，这种现

    象被天文学家称为“较差自转”。较差自传的结果是赤道地区的磁

    场比两极地区的磁场的自转速度更快。这又导致了太阳的磁场线

    互相缠绕、扭曲，使得磁场变得非常杂乱。这就像在压缩弹簧和扭转橡皮筋一样，一直在磁场中储存着能量，而这些能量释放之

    后就会造成太阳表面可见的太阳活动迹象。

    太阳黑子

    太阳黑子是太阳上最为明显的特征之一。17世纪初，伽利略

    首次通过望远镜对它们进行了观测，不过对黑子最早的肉眼观测

    记录可以追溯到2 000多年以前。因为一些黑子的大小可以增长到

    太阳直径的10%——也就是说其直径可达16万千米，这是地球直

    径的12.5倍。太阳黑子通常能持续存在几天或者几周，最持久的

    可以持续几个月。

    多年以来，不断地有人对黑子的来源提出不同的解释，有人

    说是因为太阳大气层中的风暴，还有人说它是彗星的撞击留下的

    伤痕。现在我们知道，这些只是光球层中温度较低的区域，光球

    层的平均温度大约是5 500摄氏度，而太阳黑子的温度大多处于3

    000~4 000摄氏度。太阳黑子处的磁场非常强，阻止了热量从对流

    层向上传递的过程。这也是太阳黑子往往成对出现的原因——因

    为磁极有两个。

    自伽利略时代以来，天文学家们养成了详细记录太阳黑子数

    目的习惯。这些记录中呈现出一个很明显的趋势——太阳黑子的

    数量大约每11年达到顶峰，然后这11年间先是逐渐消失，再慢慢

    增多。而其他的太阳活动，比如我们在后面将看到的太阳耀斑、日珥以及日冕物质抛射(CME)等，也都遵循这一规律。原因是

    太阳的较差自转使得太阳磁场每11年就会扭转一次，如此循环。安妮·蒙德(1868—1947)

    安妮·蒙德(Annie Maunder)本姓拉塞尔(Russell)出生

    于北爱尔兰，毕业于剑桥大学后进入格林威治皇家天文台成为一

    名“人肉计算机”，她的工作是拍摄太阳以及对观测数据进行计

    算。在格林威治天文台工作期间，她遇到了同为天文学家的沃尔

    特·蒙德(Walter Maunder)，两人于1895年完婚。那个年代的

    观念是，女人都应该在婚后完全放弃自己的工作。

    然而，这对夫妻仍继续一起为研究太阳和太阳黑子而努力工

    作。他们研究了历史上记载的太阳黑子记录，并注意到太阳黑子

    数量少的时候往往对应着地球上的气温偏低的时期。后人将1645

    至1715年这段时期称为“蒙德极小期”，或更通俗地称之为“小

    冰期”。

    蒙德是一位伟大的天文学传播者，她是1916年废除“禁止妇

    女参与”法令后第一批当选英国皇家天文学会成员的女性之一。

    时至今日，英国皇家天文学会每年都会向杰出的太空传播者颁

    发“安妮·蒙德奖”。

    天文学家也发现了有关太阳黑子的其他规律。其中一个是以

    德国天文学家古斯塔夫·斯玻勒(Gustav Sp?rer)的名字命名的斯

    玻勒定律，在11年这个周期开始时，太阳黑子出现在远离赤道的

    区域，随着时间的推移，它们出现的位置越来越接近赤道。把一

    个周期里所有黑子的位置记录在图表上后，看起来就像一只蝴

    蝶，因此这被称为“蝴蝶图”。还有一个是以美国天文学家阿尔弗

    雷德·乔伊(Alfred Joy)的名字命名的乔伊定律，他认为一对太阳黑子通常不在同一纬度上，并且较大的那个更靠近赤道。

    耀斑、日珥与丝状体

    大多数人都知道不能直接直视太阳，因为它太过刺眼，很快

    就能使人失明。但是如果使用了专门的太阳望远镜，情况就不一

    样了，它的前端有一层减光膜，可以将太阳光的强度降至安全范

    围内，这样就可用于观测太阳了。

    这样的观测除了能看到太阳黑子之外，还会看到一些看起来

    好像正在吞噬着太阳的火焰，这就是日珥。当太阳的磁场线带着

    热流冲向太空中，在光球层上形成一个高耸的拱形火焰时，景象

    最为壮观——这股热流沿着磁场线从太阳中冲出，再沿着磁场线

    回到太阳中。日珥看起来可能面积很小，但实际上它们的高度往

    往有几十万千米。

    我们所看到的日珥的形状取决于观测的角度，如果一个日珥

    从太阳中正对着我们喷发出来，那么我们看到的就是它的正面，而之前所描述的“拱形火焰”则是它的侧面。天文学家把正面朝向

    我们的日珥称为“丝状体”，它们看起来就像是在太阳的表面游荡

    的蛇。由于日珥的温度比太阳炽热的表面要低很多，所以和太阳

    黑子一样，它们看起来也比太阳表面暗一些。

    人们常常错把日珥当作太阳耀斑，但其实二者并不相同。顾

    名思义，太阳耀斑指太阳局部地区突然增亮以及辐射的剧烈爆

    发，其中所蕴含的能量可谓高得惊人——每一个耀斑释放的能量相当于数十亿兆吨TNT(*****)炸药。与之相比，整个第

    二次世界大战期间使用的所有炸弹，包括投放至广岛和长崎的两

    颗原子弹在内，总共也只有300万吨TNT炸药。

    耀斑往往伴随着太阳上最为壮观的景象一同爆发，那就是日

    冕物质抛射。

    日冕物质抛射

    1989年3月，加拿大魁北克省的600多万人因停电而陷入了长

    达9个小时的黑暗。同时，与气象卫星的通信也中断了，北极光

    出现的位置南移了很多——甚至美国得克萨斯州和佛罗里达州都

    能看得见极光。这些现象都是由日冕物质抛射引起的。

    这种产生于太阳的猛烈爆发以每小时100多万千米的速度向

    太空中喷发出10亿吨的物质，使整个太阳系中都充满了带电粒

    子。这些物质击中地球的时候，就会引起一场地磁暴，扰动地球

    的磁场，而这就会产生额外的电流，以至于会破坏电网、干扰卫

    星通信、引发极光现象。太阳每隔3~5天就会爆发一次日冕物质

    抛射，不过幸运的是，其中大多数都没有击中地球。图2-2 2012年8月，太阳爆发出壮观且强烈的日冕物质抛射

    所有击中地球的日冕物质抛射中，最为壮观的一次是以英国

    天文学家理查德·卡林顿(Richard Carrington)命名的“卡林顿事

    件”，发生于1859年。幸好当时人类的电力基础设施还处于起步

    阶段，世界上最先进的通信系统还只是电报。很多电报员遭受电

    击，全球电报系统几乎瘫痪了。如果这种事情发生在今天，可能

    会造成高达数万亿美元的损失。地磁暴期间，飞机必须停飞。即

    便是现在，飞行员和机组人员也属于放射工作人员类别。在2003

    年一场小得多的太阳风暴中，所有乘坐从芝加哥飞往北京的航班

    的人均暴露于辐射中，其数值高达年辐射累积最大值的12%。

    可以理解，人们非常渴望能够预测这种事件——有一个像是

    陆地上的天气预报一样的太空天气预报。我们虽然不能阻止这些

    太空事件发生，但是我们可以试着减少它带来的破坏。目前，我

    们还只能在太阳风暴来临的几个小时前才能预测其是否危险，一

    些人认为太空天气预报还需要至少30~40年才能赶得上现在陆地

    上的天气预报。不过，现在相关研究人员已经采取措施，希望可以将预测的时间提前到太阳风暴来临前24个小时，接着再提前到

    几天。这项工作至关重要，因为卡林顿事件那种规模的日冕物质

    抛射大约每150年就会发生一次，我们即将面临一次极大的危

    险，下一场类似威力的日冕物质抛射只不过是时间问题。

    太阳风

    这次着陆已经严格排练过多次。按照排练中的情况，这台探

    测器的降落伞会在高空中打开，然后由准备好的直升机钩住降落

    伞，将这位勇敢的探险者安安稳稳地带回家。但是，意外还是发

    生了。2004年9月8日，美国国家航空航天局(NASA)发射的起

    源号探测器坠毁，现场画面显示一旁的直升机只能绝望地注视着

    这一切的发生。

    起源号探测器坠毁的原因是一枚传感器在安装时被装反了，导致降落伞未能按原计划打开。起源号探测器中几乎所有的珍贵

    样品都因被污染而无法使用，万幸的是，还有一些样品完好无

    损。这台探测器发射于2001年，算是一次大胆的尝试，研究人员

    希望可以用它收集一些太阳风粒子，并带回地球进行分析。这

    是“阿波罗计划”之后的首个样品回收计划，也是人类第一次尝试

    从月球轨道之外带回样品。

    早在1859年卡林顿事件发生时，理查德·卡林顿就提出太阳中

    有一种看不见的粒子在向外流动。现在我们知道，这些带电粒子

    (主要是质子和电子)以超过每小时数百万千米的速度从太阳出

    发向四面八方散去，而这里面最快的粒子一般来源于冕洞。这些粒子一路延伸到行星运行轨道之外，在那里它们会遇到从其他恒

    星吹来的风。

    当太阳风冲击地球磁场的时候，地球的两极地区会产生极

    光。但是，太阳风可一点儿也不温柔，它具有极其强大的毁灭能

    力。天文学家认为，以前的火星大气要比现在密实得多，且足以

    维持火星表面的液态水。然而，由于火星没有磁场[4]

    ，太阳风逐

    渐将火星的大气层侵蚀殆尽，令它裸露在太空之中。现在的火星

    只是一片干旱贫瘠的荒漠。

    地球

    形成和结构

    地球是由“废料”和“边角料”组成的。其实在46亿年前的时

    候，更重要的事情是太阳的形成，不过除了太阳自己要用到的原

    料之外，还有大量的气体和尘埃围绕着这颗“婴儿恒星”旋转。这

    些物质在引力的作用下慢慢地聚集到一起，形成了更大的物体，叫作“星子”——这是用来组成一颗行星的“积木”，每一个的直径

    约一千米。

    在45.6亿年前，也就是太阳形成之后的几亿年，这些星子撞

    到一起形成了地球的雏形。星子不断地聚集，加上放射性衰变释

    放的能量，使得这个新行星一直保持熔融状态。在引力的作用下，地球逐渐变成球形。

    图2-3 早期的地球完全处于熔融状态，使得像铁这样较重的物质沉入核心

    处

    由于地球处于熔融状态，最重的那些物质下沉至中心部位，而最轻的那些物质自然就浮到最外层，这一过程被称为“分化”。

    分化完成的地球在冷却后形成了一个密实的铁–镍核心，外面包

    有一层固态的壳(免费书享分更多搜索@雅书.)。

    现在，我们的地球仍然有一个铁–镍核心，我们可以把它分

    成两部分——内核和外核。内核是固态的，外核在外层物质的巨

    大作用力下则仍处于熔融状态。内核和外核交界处的温度可达6

    000摄氏度，这和太阳表面差不多热。内核和外核加起来的大小

    占到地球大小的55%[5]

    ，外面包围着一层由半融化状态的岩石

    (也就是岩浆)所组成的地幔。地幔的外面是地壳，也就是我们

    居住的地球表面。地壳最厚处只有60千米，还不到地球直径的0.5%，如果把地球缩小到一个苹果的大小，那么地壳差不多只有

    苹果皮那么厚。

    海洋和大气

    水资源丰富是我们的地球最为显著的特征，液态水覆盖了地

    球表面超过70%的面积，地球上的每一个生物，从最小的细菌到

    最大的蓝鲸，离开水都无法生存。但是在地球形成时那样地狱般

    的高温之下，任何液态水都无法存在，所以这些水很可能是形成

    之后被添加进来的，但是它们是从哪来的呢？

    水可能产生于地壳之下的地幔深处，液态氢和石英发生反应

    会生成液态水，然后这些水又藏进岩石中。2014年，人们在地表

    之下700千米处发现了一个比地球表面的海水总量还要多两倍的

    巨大水库。随着时间的推移，水蒸气可能会从地壳的裂缝中渗

    出，然后当行星冷却时，水蒸气会凝结成液态，变成雨水填满低

    洼的盆地。

    另外一种可能是，这些液态水来自外太空——是小行星和彗

    星撞击地球时带来的。但是这个说法有一些问题，对彗星的分析

    结果显示，其中包含的一些水的种类与我们在地球上的海洋中发

    现的不同。另外，如果水是被小行星带来的，那么地球大气中氙

    的含量应该比现在多得多，所以这种说法正确与否仍有待考证。

    关于地球大气的起源，我们已经了解得比较清楚了，不过它

    现在的成分与其产生时区别很大。在新生的地球上附着着的气体是由地球深处的火山活动中释放出来的，其主要成分是二氧化

    碳，除此之外还有一氧化碳、硫化氢和甲烷，但是没有氧气，氧

    元素被固定在各种化合物中，比如水(H2O)，以及岩石这样的

    硅化物，如二氧化硅(SiO2)。

    不过，在大约30亿年前一种叫作蓝藻的微生物开始在海洋中

    繁衍的时候，一切都变了。它们通过光合作用，将二氧化碳、水

    和阳光放在一起合成了氧气。大气中氧气的积累引发了地球历史

    上最大规模的物种灭绝之一，因为氧气对当时绝大多数生命形式

    都是有毒的，只有能适应大气成分的巨大变化的有机体才能存活

    下来，人类就是这些幸存者的后代。现在，氧气是大气中第二多

    的成分(约21%)，仅次于氮气(约78%)。

    大陆板块

    位于青藏高原和印度次大陆交界处的喜马拉雅山脉是地球上

    最为壮丽的自然景观之一，每年都有成千上万的人来到这里参观

    巍峨的珠穆朗玛峰，并且其中还有成百上千的人会试着攀登这座

    世界上最高的山峰。

    喜马拉雅山脉形成于5 000万年前，尽管这是一段很长的时间

    了，但对地球来说它还很年轻。喜马拉雅山脉位于印度境内的那

    一片大陆经历了一场极为艰难的迁移才最终到达了现在我们所见

    到的位置。它从一个叫作冈瓦纳的古老大陆上分离出来，然后朝

    向非洲大陆旁的马达加斯加岛进发，之后又接着前往亚洲。它以

    每年20厘米的速度奔向地球上最大的大陆，并“撞”出了世界上最高的山脉。

    这种大规模的板块漂移形成的原因在于，地壳实际上是由一

    系列漂浮在液态熔岩上的构造板块组成的。汹涌的暗流使得印度

    板块与冈瓦纳古陆分离开来，并向北前进。在与欧亚板块发生碰

    撞之后，印度板块从底部将其向上推，于是形成了喜马拉雅山

    脉。这一过程还远远没有结束，碰撞仅仅让印度板块前进的速度

    减缓下来，它仍在继续向北运动，这使得喜马拉雅山脉仍然每年

    都会“长高”2厘米。

    不过，大陆板块不只在地质学上有重大意义，许多科学家还

    认为它们在地球生命的发展中发挥了关键作用——毕竟，地球不

    仅是太阳系中唯一拥有生命的行星，也是太阳系中唯一拥有大陆

    板块的行星。板块的边界通常会产生一些火山，这令困在行星表

    面之下的气体得以逃逸到大气中——尤其是二氧化碳。而在冰

    期，过量的二氧化碳对于温度的升高能起到很大作用；此外，板

    块运动也会消耗多余的二氧化碳，防止地球过热。

    因此，在寻找宇宙中其他星球上的生命时，天文学家不仅热

    衷于寻找与地球温度相同的行星，还倾向于寻找那些有大陆板块

    的行星，因为它们可以将温度保持在有利于生物繁衍的范围内。

    阿尔弗雷德·魏格纳(1880—1930)

    仔细地看看世界地图，你会发现它就像一块巨大的拼图，南

    美洲的东北角正好能嵌入非洲西南部的凹陷中，德国的物理学家

    阿尔弗雷德·魏格纳(Alfred Wegener)在1911年注意到了这一点。他认为这不是一个巧合，并依此提出了“大陆漂移说”，其

    中提到南美洲大陆和非洲大陆原本应该贴合在一起。但在当时几

    乎没有人相信这一说法，其他科学家认为如此巨大的一块土地根

    本不可能发生移动，而且魏格纳自己也无法解释移动的原因。

    直到20世纪五六十年代——此时魏格纳早已在一次前往格陵

    兰岛的考察中去世——人们才找到支撑这一学说的证据。科学家

    发现随着火山不断活动，会有新的大洋地壳形成，于是海底就会

    随之不断扩张[6]。很快，人们在魏格纳提出的大陆漂移说，以

    及进一步发展得出的海底扩张说的基础上，提出了板块构造说。

    潮汐

    在缅因湾的东北部，这段北美洲与大西洋波涛起伏的海岸线

    上，有一个独特的湾口，叫作芬迪湾，每天都会有超过1 000亿吨

    的水涌入这里再流出，这比地球上所有淡水河流量的总和还要

    多。

    造成如此巨量的水来回往复、奔流不息的原因是什么呢？是

    引力，尤其是来自月球的引力(太阳也提供了一部分)，这引发

    了每天巨大的潮起潮落。其实地球上的岩石也会被引力牵动，但

    是水是液体，可以更自由地流动。芬迪湾是世界上规模最大的潮

    水之一，那里的潮差可达3.5~16米，也就是说涨潮时潮水高度能

    超过一栋4层高的房子。

    让我们来简单地认识一下潮汐的原理。当你所处的这一片地区朝向月球的时候，引力会将你附近的水拉向月球，于是当你所

    在地处于高潮的时候，在月球与你的连线相垂直的那些地区就经

    历着低潮。另外，月球对你另一侧的引力没有这么大，因为那里

    离得更远，但是这里也会经历一次高潮，其原因是地球旋转时的

    离心力——也就是汽车急转弯时把你甩向一边的那种力。这就是

    地球上的大多数地区每天会经历两次涨潮和两次退潮的原因——

    地球的自转使得我们周期性地在24个小时内穿过这4片区域。

    图2-4 月球的引力使得地球上离它最近的地方发生涨潮

    我们可以思考一下现实中见到的情况。当你在海岸边看到潮

    水退去，你可能会觉得海水奔向远方，但事实并非如此。无论是

    因为引力的影响还是离心力的影响，水总是保持原样的，反而是

    你在不断地移动——你跟着地球的自转一起从潮涨潮落中穿行而

    过，不是海水在远离你，而是你在远离它。季节

    季节的变化是我们地球上最美丽的特征之一。春天，鲜花朝

    着天空绽放笑容；秋天，叶子又从空中萧萧落下。很多人都误以

    为全年气温的变化源于地球和太阳之间距离的变化——离得近的

    时候是夏天，离得远了就是冬天。

    实际上，季节变化是地轴的倾斜造成的。我们的地球并不是

    直立的，而是与竖直方向有23.4°的夹角。这意味着在6月份，北

    半球会朝向太阳，住在这里的人们就会经历更温暖的天气和更长

    的白昼，而北极圈里的人则会经历极昼——这里一整天都被阳光

    照射，没有黑夜。与此同时，南半球背对着太阳，因此很难获取

    来自太阳的光线和热量——于是冬天就来了。与北极的极昼相

    似，南极在此时进入了极夜。

    6个月后，地球运行到太阳的另一边，情况倒转过来。赤道

    以南的人们吃起了烧烤，而赤道以北的人们则穿上了毛衣。北极

    被阴影覆盖，同时南极被逐渐照亮。

    一年中白昼最长和最短的那两天(分别在6月和12月)被称

    作“二至日”。这两天之间，在地球绕着太阳运行到某一点时，两

    个半球都没有斜向太阳，这就是我们所说的“昼夜平分点”。地球

    运行到这里时(分别在3月和9月)，全球各地昼夜等长。图2-5 地轴的倾斜使得我们有时会朝向太阳，有时则不会，而这导致了季

    节的变化

    我们应当庆幸，地球倾斜的角度还是相当小的，如果倾斜得

    多，那么季节的变化将会更为剧烈，更难应对。月亮确保了地球

    倾斜角度的稳定，也使得季节的变化可以被预测。然而，火星就

    没有像月球这么大的卫星能够使其自转轴维持稳定，它会在其他

    行星的引力作用下发生剧烈的摇摆，这导致火星的严冬和盛夏的

    长度处于不断的变化中。

    磁场

    雌性海龟总是会踏上令人惊奇的旅程。它们在海滩上出生

    后，匆匆忙忙地奔向大海，为了寻找丰富的觅食地而迁徙2 000多千米。但是一旦成年后，它们就会再回到孵化时的那片海滩。它

    们怎么能记得住自己来自何方呢？答案似乎与地球的磁场有关。

    随着地球的自转，地心深处的液态铁在外核中晃动，地球磁

    场即产生于此。磁场线从地球的一端钻出来，并绕到另一端又钻

    进去。不过，涉及极点这个问题，问题就会变得很复杂。地球有

    三个北极和三个南极。

    首先是地理北极，这是地球物理意义上的顶点，位于假想的

    地轴上。这个点几乎不会发生变动，一年中只会在很小的范围内

    移动几米。其次便是北磁极，即罗盘所指的方向。如果罗盘中的

    指针可以在垂直方向上自由移动的话，那么在这一点它就会直接

    指向地面。由于地球外核的不断变化，北磁极的变化也相当大，不久之前它还位于加拿大，但现在正在穿越北极，前往西伯利

    亚。现在地理北极和北磁极之间大约偏离了10°。

    最后是地磁北极，如果将一个条形磁铁放置在地球中心位

    置，那么它的北磁极就指向这里[7]。当然，地球的磁场可比条形

    磁铁要复杂得多了。这三个极点在南半球都有各自相应的南极。

    如果没有磁场，那么地球上的生命将很难像现在这样兴旺繁

    荣。它是一个巨大的力场，能将来自太阳和太空中的有害辐射折

    射出去。它还能保护我们免受太阳风的影响，如果没有它，太阳

    风会破坏臭氧层，我们便会更易被来自太阳的紫外线伤害。

    极光北极光常常出现在北极附近，看起来就像是巨大的绿幕，在

    天空中的各个方向闪闪发光。同样地，在南极附近我们可以看见

    南极光。极光除了绚烂多彩之外，还会发出诸如嘶嘶声、爆裂

    声、噼啪声等各种各样的声音。

    极光这种现象提醒了我们，地球并不是与世隔绝地独自存在

    于太空中的，而是和太阳有着极其密切的关系。太阳风经常会从

    地球上拂过——太阳风是从太阳中喷出的一股带电粒子。太阳风

    和地球磁场之间的相互作用导致带电粒子沿着地球的磁场线向两

    极加速，随后它们撞击我们头顶的大气层，为空气中的原子提供

    额外的能量，当这些能量以光的形式释放出来的时候，我们就能

    看到极光。

    这种效果一般只会存在于每个磁极周围有限的区域内，我们

    称为“极光卵”。然而，一场地磁风暴——比如由日冕物质抛射所

    引起的风暴——会压制地球磁场，并将极光卵扩大。在1859年的

    卡林顿事件中，加勒比海的水手报告说他们看到了奇异的灯光，因为他们从来没有到过极区附近，所以不知道这就是极光；落基

    山脉上的极光明亮至极，甚至于那里的矿工在夜里醒来时还以为

    已经到白天了；甚至一些居住在撒哈拉以南的非洲的人也看到了

    极光。

    极光最常见的颜色是绿色，这种颜色是由氧原子发出的，而

    它在低海拔地区的含量最为丰富，并且最容易被看见。极光中的

    一些红色条纹则是在大气层中更高处的较为平静地环境下氧原子

    发出的光，蓝色的极光则来自氮气分子。地球并不是太阳系中唯一一个有极光的行星，天文学家们已

    经在火星、木星和土星上都发现了极光的存在。

    陨石和流星

    几百万年前火星遭受了一次撞击，这使其表面的一部分被撞

    碎，并落入了太空中。在某种原因的驱使下，这块碎片穿过了

    2.25亿千米的距离到达地球，闯进了大气层，最终变成一块陨石

    坠入南极苔原。在地球上所收集到的所有陨石中，这些来自火星

    的“闯入者”非常罕见，占比不足总数0.5%。来自月球的陨石要更

    常见些。不过，绝大多数的陨石均来自小行星——它们是太阳系

    形成时遗留下来的一些岩石块和金属块，这正是它们对我们的吸

    引力所在，作为太阳系中比地球形成更早的一员，它们能提供一

    些有关太阳系如何形成的非常有价值的线索。

    我们对于太空中的一块碎片如何称呼取决于它位于何处。还

    在太空中的石头叫作“流星体”，当它穿过大气层之后，就变成

    了“流星”。而只有保留着完整形态且落到地面之后，它才能被称

    作“陨石”。

    如果有很多流星同时出现，就会出现叫作“流星雨”的耀眼景

    象——这是一堆流星的突然爆发。在围绕太阳运行的过程中，地

    球经常会通过彗星从太阳系中经过时留下的太空尘埃，而这些微

    小的尘埃——通常还没有一粒沙子那么大——与大气层发生剧烈

    摩擦后，发出炽热的光芒，这时我们就会看到流星划破天空。8月份的英仙座流星雨是最为壮观的流星雨之一。如果你能

    够前往一个远离城市灯光干扰的黑暗地区，那么几乎每分钟你都

    能看到一颗流星划破夜空。英仙座这场一年一度的流星雨也在不

    断地提醒我们，太阳系远不是只有行星而已。

    人造卫星和国际空间站

    1957年10月4日是人类历史上具有里程碑意义的一天，苏联

    发射的斯普特尼克一号成为第一个绕着地球运行的人造物体。三

    个月后，它再次进入大气层，最终燃烧殆尽。从那以后，人造卫

    星彻底改变了我们的生活方式。气象卫星追踪气候，间谍卫星监

    视敌人，电视卫星为我们带来最新的精彩节目，全球定位系统

    (GPS)使我们再也不会迷路。

    现在，地球周围共有超过1 000颗人造卫星正在运行，但并不

    是每一颗在轨的卫星都有用。大约有超过21 000个直径大于10厘

    米的物体正围绕着我们的地球狂奔，而直径在1~10厘米的物体已

    经多达50万个了。其中大多都是太空垃圾——来自人造卫星和一

    些太空任务的碎片，它们在太空中飘荡着，并且数量还在不断增

    长。

    太空垃圾给地球最大的人造卫星——国际空间站(ISS)带

    来了很大的困扰。ISS大约有一个足球场那么大，它是来自全球

    各地的6名宇航员的住所。ISS在距离地球表面约400千米的轨道

    上运行，但是为了躲避大块的太空垃圾，它已经改变了好几次运

    行轨道。它的外壳，尤其是太阳能充电板一直都在承受着小块碎片的撞击。

    自2000年以来，ISS中就一直有宇航员居住，通常每6个月会

    换一拨人。由于每92分钟ISS就会环绕地球轨道运行一次，所以

    宇航员们一天能看到16次日出和日落。他们也能看得见地球上的

    一些壮观景色，包括我们绵延的城市、强烈的雷暴，还有正在跳

    舞的极光。

    ISS不仅是一座象征着国际合作的灯塔，还能让我们认识到

    长时间在太空中停留对人体会有什么样的影响。总有一天，我们

    会用上这些经验，把人类送上火星。

    月球

    形成

    地球和月球这个组合其实是很古怪的，将它们与太阳系中其

    他所有的行星和卫星的大小关系放到一起对比你就能发现，地球

    和月球这组行星与卫星的“个头”相差太小了。月球的直径大约是

    地球直径的28%，而地月之外相差最小的组合是海王星和海卫

    一，海卫一的直径仅为海王星直径的5%。我们的地球作为整个太

    阳系中倒数第四大的行星，却拥有月球这颗太阳系第五大的卫

    星。

    这也就是说，月球不可能是诞生之后被地球的引力捕获的，因为它对于地球来说实在是太大了。查尔斯·达尔文的儿子乔治认

    为月球是从地球上分离出来的，而分离出去之后留下的空隙形成

    了今天的太平洋。

    现在的主流观点认为地球在诞生初期被一颗火星大小的行星

    撞击后形成了月球，天文学家们将这颗现已不知所踪的行星称

    作“忒伊亚”，并将月球来源于这次撞击的观点命名为“大碰撞假

    说”。他们认为月球大约形成于地球诞生后5 000万年至1亿年，这

    次撞击产生的碎片盘旋着升入环绕地球运行的轨道上，并最终在

    引力作用下聚集到一起，形成了月球。如果把地球自诞生至今的

    这段时间缩小成一天，那么月球大约形成于这天的第10分钟。

    这一假说也能够解释为什么月核非同寻常地小，以及为什么

    月球的密度比地球更小。发生撞击之后，来自忒伊亚的较重的物

    质留在了地球附近，而较轻的物质则被抛向外围，形成了月球。

    在太阳系的所有行星中，地球的密度是最高的，由此看来，地球

    在形成后吸收了一部分来自忒伊亚的物质的推断也是合乎情理

    的。另外，这次巨大的撞击也能解释为什么月球在过去的一段时

    间内似乎处于熔融状态——碎片在聚集的过程中发生了剧烈的碰

    撞，导致岩石熔化。

    阿波罗计划带回的一些月球上的岩石，也印证了这一假说。

    计算机进行大量模拟计算后得到的结果表明，月球主要是由来自

    忒伊亚的物质构成的，因此地球和月球的岩石之间存在一些差

    异。2014年，科学家宣布他们在阿波罗带回的样本中发现，月球

    岩石中的氧元素与地球岩石中的有所不同。陨石坑、月海和月相

    展开月球表面的地图，你会发现到处都是充满了诗情画意的

    地名：梦湖、虹湾、幸福湖等。实际上，月球表面是一个真正的

    不毛之地。月球几乎没有大气层，其稀薄的大气放在一起甚至比

    不上5头大象的重量。

    月球的表面被一种被称为“月海”的黑色斑块所覆盖，从地球

    上看有点儿像一张脸，因此就有了著名的“月亮脸谱”。但是，这

    些海里可从来都没有过水，正相反，它们是在月球诞生时熔岩冷

    却固化后形成的巨大的桶。月海上有着成千上万的陨石坑，这些

    陨石坑很深，呈碗状，是几十亿年来月球表面遭受撞击后留下的

    痕迹。

    我们可以看到天空中月球的模样总是发生周期性的变化，原

    因在于月球本身不会发光，而是像一面巨大的镜子一样向我们反

    射太阳光。我们看到的月球的模样取决于它在绕地球公转轨道上

    的位置。当月球位于地球和太阳之间时，大部分光都照射在它朝

    向太阳的那一侧，月球便无法反射光到地球上被我们看到，这时

    我们看到的就是新月。随着月球绕着地球运行，与太阳之间的夹

    角越来越大之后，我们能看到它被照亮的部分也越来越多，新月

    大约两周之后，月球运行到太阳的对面，此时它朝向我们的这一

    面被完全照亮，我们就会看到满月。而当月球继续运行回之前的

    位置时，我们又会看到它被照亮的部分越来越少。

    潮汐锁定有很多人认为月球是不会自转的，因为我们总是只能看到月

    球的正面而看不见背面。但事实上它是会自转的，只是它的自转

    周期恰好与绕地球公转的周期相同，都是27.3天。

    我们可以做一个小实验来模拟月球的运行。找一个东西放在

    地上，把它当作地球，面向它站立，然后绕着它移动，并且一直

    面对着它。当你走完一圈之后你会发现，自己不仅绕着地球转了

    一圈，同时也在原地转了一圈。如果你还没弄明白的话不妨再多

    试几次，不过下回就别盯着中间的“地球”看了，请看向面前的墙

    壁，你会发现在移动的过程中你会依次面对房间里的四面墙，就

    像是在原地打转一样。

    月球之所以会这样运行，是因为它被地球潮汐锁定的缘故。

    月球在形成之初的自转速度要比公转速度快很多，但是地球的引

    力使得月球在地月连线的方向上略微伸展，于是月球在某一个方

    向上就会比另一个方向上略长一些——类似于地球上的涨潮。接

    下来，地球的引力就会拽着月球上凸起的这一块，使月球自转速

    度逐渐减缓，直到与公转周期相同。

    月球相位变化的时间要比它绕地球公转一周花费的27.3天

    长，每两个满月之间的间隔是29.5天。这是因为只有在太阳、地

    球、月球排列在一条直线上时，我们才能看到满月，当月球围绕

    着地球公转的同时，地球也在围绕着太阳公转，在月球完成一次

    公转的这一个月里，地球也绕着太阳前进了一段距离，所以月球

    需要多一些时间才能重新与太阳和地球排成一条直线。

    潮汐锁定在宇宙中随处可见，木星和土星的许多卫星都被锁定了。而在其他行星系中，同样也有很多行星被它们的恒星潮汐

    锁定，而天文学家们对于这种行星——一面被烈日炙烤，另一面

    却暗无天日——上是否可能会有生命存在进行了激烈的争论。

    对地球生命的重要性

    有关月球的故事实在是太多了，从几千年前开始就有很多，以至于我们有时候很难分辨出哪些是科学，哪些是老婆婆讲的童

    话故事。从一些有关狼人和疯子(这些角色在故事中都与月光有

    关)的报道中，我们就可以看到人们是多么相信月球会直接影响

    人类的行为。接生婆们坚定地认为满月之夜产房中的人会更多，然而并没有可信的证据能够证明这一说法。

    大多数有关月球的传说都被人们用引力来解释，他们认为满

    月时月球的引力更强，会对人体内的水产生影响，但实际上我们

    看到满月的时候月球并不一定离地球很近。不过，这些故事的确

    多多少少地影响到了地球上的生命，科学家认为，如果没有月球

    这位离我们这么近的邻居，我们人类甚至不会存在并赞叹乃至探

    索它。

    我们之前已经提到过月球如何帮助地球维持稳定的季节变

    化，它有可能在生命诞生的过程中也发挥了重要作用。那时的月

    球离地球的距离仅为现在的115，如此近的距离导致来自月球的

    引力在地球上引发了可怕的潮汐，使得海水侵入内陆地区数百千

    米，潮汐频率也比现在高出很多。一些研究者认为，生命就起源

    于这些地区，海水在陆地上的翻腾使得生命诞生所需的组成物质充分地混合在一起。

    月球也在减缓地球的自转速度。10亿年前，地球上的一天只

    有18个小时，而现在则是24个小时，因为在月球的引力作用下，地球在自转的过程中会和海水发生摩擦，于是用于自转的能量就

    会被逐渐消耗，并转移到海洋中。这种能量的转移有助于热量从

    赤道传输到两极地区，使得整个地球上的温差大大减小。可以

    说，在地球上的生命诞生之后，月球也在一直帮助维持一个有利

    于其继续进化和不断发展的环境。

    另外，地球自转变慢导致的另一个后果是月球会逐渐地远离

    地球，也就是说潮汐会变得越来越平静——所以现在的环境更稳

    定了。我们可以利用阿波罗号的宇航员在月球上留下的实验装置

    来测量月球远离地球的速度。

    阿波罗计划

    “着陆灯亮起，引擎熄火。”这句普普通通的话开启了人类历

    史上的新纪元。38岁的尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)在说

    出这句话之前刚刚惊险万分地手动驾驶着鹰号登月舱着陆在月球

    表面的一块巨石上，此时他们剩下的燃料连一分钟都撑不过去

    了。地面指挥中心的工作人员松了一大口气：“收到。你们那儿

    的紧急状况把我们吓得脸都青了，现在我们终于又能呼吸了。”

    着陆几个小时之后，阿姆斯特朗迈开脚步走下梯子，成为第

    一个踏上除了地球以外第二个星球的人。1969年7月20日，这一天至今仍是激励我们不断前行的灯塔。在接下来的三年里，NASA又成功完成了5次探月任务，并将10名宇航员送上月球，其

    中只有阿波罗13号在飞行途中燃料舱发生爆炸令飞船损毁而不得

    不放弃了任务。

    图2-6 阿波罗11号登月任务期间，巴兹·奥尔德林站在月球上。我们可以

    从面罩的倒影中看到这张照片的拍摄者尼尔·阿姆斯特朗

    这些任务并不仅仅是为了在冷战的高峰期令美国胜过苏联一

    筹，它们有着极其珍贵的科学价值。这6次登月任务共带回了382

    千克月岩，这些岩石含有我们研究月球的形成的重要线索。宇航

    员们在月球表面留下了一排镜子，这样我们就能从地球上发射激

    光来测量月球远离地球的速度(目前是每年3.8厘米)。他们还在

    月球上的尘埃中埋下了地震仪以研究月球的震动。

    后来，宇航员们变得大胆起来，他们开着月球车四处行驶，探索着月球这片贫瘠的土地。阿兰·谢泼德(Alan Shepard)甚至偷偷地把一根6号铁高尔夫球杆的杆头带上了月球，并且在月球

    上打了一杆。戴夫·斯科特(Dave Stott)将一个锤子和一根羽毛

    同时抛下，证明了不同质量的物体在没有空气阻力的情况下，会

    以相同的速度下落。

    当阿波罗17号于1972年12月14日离开月球时，指挥官吉恩·塞

    尔南(Gene Cernan)——他是最后一个离开月球的人——对于重

    返月球还抱有希望。但是由于成本太过高昂，从那至今人类再也

    没有执行过登月任务。但是，月球对我们的吸引力令人无法抗

    拒，这是宇宙赠予我们用于延长人类在太空中停留时间的最佳场

    所，世界各地的航天机构已在计划重返月球。总有一天，我们会

    在月球上的尘土上再次留下足迹。

    后期重轰炸

    种种证据表明，内太阳系在39亿年前经历过猛烈轰炸。在太

    阳系形成初期的混乱状态结束之后很久，岩质行星遭受的撞击突

    然急剧增长。尽管这些撞击对地球造成的伤痕长久以来早已因侵

    蚀而逐渐消失，但是在没有大气的月球上，这些伤疤依然存在。

    这一系列凶猛的撞击发生在太阳系诞生6亿年之后，天文学

    家称之为“后期重轰炸期”。这一事件发生的主要原因很可能与木

    星有关，关于太阳系形成时的计算机模拟表明，巨行星不太可能

    在形成时就位于它们现在所处的位置。因此木星应该有过向太阳

    系内部移动的过程，而这会使其周围的小星星如鸟兽般四散纷

    飞，其中有很多就撞向了月球和岩质行星。但是，并非所有人都对此深信不疑。后期重轰炸期的主要证

    据来源于阿波罗任务带回的月岩，来自月球表面多个地点的岩石

    印证了大约发生在同一时间的撞击，但是也有一些天文学家认

    为，只需要几次规模较大的撞击就可能将碎片弹射到月球的各个

    角落，而这会让原本数量较少的撞击看起来像是发生了很多次一

    样。

    另一个无法解释的问题是地球上生命的出现。撞击事件会令

    早期的地球变成炽热的炼狱，残酷的环境使得生命根本无立足之

    地，只有在后期重轰炸期结束之后，生命才有可能诞生。但是最

    近有证据表明，早在41亿年前地球上就出现了海洋，甚至还可能

    出现了生命。

    所以，生命要么是在此次轰炸中幸存了下来，或者是在被消

    灭后又重新出现了，要么是后期重轰炸期并没有如我们所想那样

    发生。无论是哪一种情况，这段时期都是当前研究太阳系动荡历

    史的焦点。

    [1] 贵格会，基督教新教宗派之一，17世纪中叶创立于英国，亦称“公谊会”或“教友

    派”，“贵格”为音译名。——编者注

    [2] 亚原子粒子，指比原子还小的粒子。——译者注

    [3] 光球层的温度最低可达4 000摄氏度。——译者注

    [4] 火星仅在形成初期有过磁场，但是后来大约在40亿年前消失了。——译者注

    [5] 这里指半径。——译者注

    [6] 即海底扩张学说。——译者注

    [7] 或者说把地球想象成一个巨大的条形磁铁，那么其北磁极就是所说的地磁北极。

    ——译者注第3章

    太阳系水星

    这是一个光秃秃的岩石星球。其实，乍一看你有可能会把水

    星错认为月球。这颗最靠近太阳的行星在白天遭受太阳的炙烤

    时，温度可达400摄氏度以上。但是，水星没有能保留住热量的

    大气层，因此在夜间温度又会骤降至约零下200摄氏度。作为太

    阳系中最小的行星，水星绕太阳公转一周仅需88天，而一个水星

    日则有将近59天这么长。

    只有两艘宇宙飞船造访过水星。第一个是20世纪70年代中期

    飞过的水手10号探测器，还有一个是2011年抵达的信使号水星探

    测器。在2015年4月科学家控制信使号撞向水星之前，它绕着水

    星运行了4 000多圈。在所有的人造天体和自然形成的天体中，信

    使号很可能是唯一一个绕着水星公转过的物体。由于离太阳实在

    太近，引力的影响过于显著，水星的周围不可能形成卫星，也不

    可能从别的地方捕获卫星。太阳强大的引力拉扯着水星在每公转

    两周的同时会自转三周。

    这些访问水星的任务为我们提供了从地球上难以观察到的一

    些细节，因为水星实在是太小了——甚至比木星和土星的一些卫

    星还要小。水星上最为显著的特征是卡洛里盆地，由水手10号飞

    过时发现。这是一个古老的撞击坑，也是太阳系中最大的陨石坑

    之一，直径超过1 500千米。盆地中的地势如波浪般起伏，沟壑纵

    横，有人说这次撞击就像是敲响了一口大钟，冲击波传向水星的各个角落，凹槽状的地形就是冲击波从撞击地点出发后相位差

    180°的地方。

    和金星一样，水星有时也会挡在太阳的前面，不过水星凌日

    可比金星凌日发生得频繁得多，一个世纪中大约会出现13~14次

    水星凌日。2014年6月3日，好奇号火星车曾在火星上观测到水星

    如同幽灵一般从太阳中穿行而过，而这次水星凌日在地球上是看

    不到的。这也是人类第一次在另一颗行星上观测水星或金星凌

    日。

    金星

    无可辩驳，金星实在是一个可怕的地方。它被厚厚的一层含

    硫酸的二氧化碳包裹起来，其浓密的大气吸收了大量来自太阳的

    热量，金星表面的大气压是地球上的93倍。如果有谁傻到想到金

    星上去探险的话，那么他就会被金星上恐怖的高温、高压所烤

    焦、压垮和碾碎。

    尽管金星并不是离太阳最近的行星，但是浓密的大气使其成

    为太阳系中最热的行星，由于温室效应太过强大，金星上的温度

    要比水星高出近40摄氏度。然而，如此极端的条件并没有阻止苏

    联人探索金星的步伐，从1975年发射金星9号探测器开始，苏联

    接连发射了好几颗探测器着陆到金星。而金星9号探测器也是第

    一个从另一颗行星表面拍摄并传回照片的宇宙飞船，它在金星表

    面炼狱般的环境中勉强坚持了53分钟。金星是离地球最近的一颗行星，人们常常称它为地球的孪生

    姐妹，但是二者唯一的相似处是它们的大小——金星的直径是地

    球的95%。金星有一个很奇怪的特点，金星上的一天比一年还要

    长。但在我们生活的地球上一天比一年要短得多，因此这一点在

    我们看来完全不合常理。金星的自转极为缓慢，需要243天才能

    自转一周，但是绕太阳公转一周只需要225天。金星还是唯一一

    个顺时针自转的行星[1]

    ，但是它在刚诞生的时候很可能不是这样

    自转的，也许金星曾被一个巨大的天体撞击过，撞击改变了金星

    的自转方向，而且也使得金星的自转速度变得更慢。

    近年来，麦哲伦号以及金星快车号都曾造访金星。麦哲伦号

    使用雷达成像系统绘制了一幅金星表面的地图，让我们能够看到

    云层之下的金星是什么模样。金星上最高的两座山十分引人注目

    ——斯卡迪山和马特山，前者是麦克斯韦山脉的一部分，它是以

    苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk

    Maxwell)的名字命名的，也是金星上唯一一个不以女人或是女

    神命名的地名。

    火星

    在所有的行星中，最引人注目的就是火星。纵观人类历史，人们一直在为探测火星努力，担心过是否会有来自火星的外星人

    入侵地球，还发射了很多汽车大小的探测器去探索火星。火星是

    人类除了地球之外最了解的行星，我们所拥有的火星表面地图甚

    至比地球海底地图还要详细。火星独特的橙褐色使其得到了一个“红星”的绰号，而火星的

    颜色之所以如此独特是因为其表面的岩石中含有大量氧化铁(也

    就是铁锈)。在夜空中，即使只用肉眼观察，你也能发现火星呈

    现出明显的红色。如今的火星是一片干燥、寒冷的荒漠，不过曾

    经的火星或许不是这样的。一些火星探测任务发现的线索表明，过去的火星似乎和现在大不相同，可能火星曾有13的表面都被海

    水所覆盖。

    火星的气候变化为何如此剧烈仍是一个令人费解的问题，目

    前占主流的说法是，在诞生之后，随着时间的推移，由于火星本

    身和地球比较起来个头较小，无法给核心区提供足够的压强，于

    是其核心逐渐凝固，而这又导致了火星的磁场逐渐消失，于是火

    星就受到太阳风的不断侵蚀。久而久之，它的大气层几乎被彻底

    破坏，现在只剩下了一层薄薄的二氧化碳，这使得火星表面的大

    气压非常低，还不到地球表面的1%。在这样的环境中，水分子无

    法以液态存在，而是从冰直接升华为水蒸气。

    火星的南北两个半球呈现出截然不同的模样——赤道以北一

    片平坦，赤道以南则山峦叠起，唯一相似的地方是南北两极都被

    冰雪覆盖。在火星的南半球有一座山叫作奥林匹斯山，它是整个

    太阳系中最高的火山，也是第二高峰，它比珠穆朗玛峰的高度要

    高出两倍多，但是攀登起来却容易得多，因为其侧面的坡度仅仅

    只有5°。如果你站在山脚下的话，甚至都看不到山顶，因为这座

    山不仅很高，还很大，山顶会消失在地平线上。

    火星上还有一个巨大的裂谷，由数道错综复杂的沟槽组成，它沿着火星的赤道划下了一道接近14周长的鸿沟，这就是水手峡谷。它是一个叫作“塔西斯高地”的火山高原的一部分。

    火星有两颗卫星，火卫一“福波斯”和火卫二“迪莫斯”，它们

    的名字来源于随战神在战场上厮杀的两个儿子，分别代表“恐

    惧”和“惊慌”。它们都很小，直径分别只有22.2千米和12.6千米。

    机器人探测

    我们已经派出了一大批探测器环绕火星，它们着陆并继续在

    火星表面探索。这些探测器看着沙尘暴席卷整个火星，在另一个

    世界里看着日出日落，甚至还能从另一片天空中看到我们的地

    球。它们象征着人类非凡的探索精神。

    从1965年到达火星的水手4号到最近的好奇号，这些探测器

    的主要任务是弄清楚火星上的条件是否利于生命存在。20世纪70

    年代，海盗号首次成功着陆火星表面，并且对火星土壤进行了检

    测，以寻找生命存在的迹象。最初的结果表明有生命存在，不过

    现在火星上并没有生命存在已成为共识。前期的探测器都被限制

    在着陆地点附近区域内无法移动，而在后来的任务中，人们将带

    轮子的机器人送上火星表面进行探索。

    勇气号和机遇号取得了惊人的成功。它们于2004年着陆，设

    计寿命仅为90天。勇气号却在火星上撑过了6年，跑出了近8千

    米，最终陷入了软土中。机遇号则更为强大，在本书写作的过程

    中，它仍然在火星上辛勤工作，驶出的距离已经超过了一次马拉

    松的长度。2012年，好奇号也加入了前辈们的火星探测之旅。好奇号比

    两位前辈的体积更大，携带的实验器材也更多，大小比得上一辆

    小汽车，所以无法像之前的探测器那样被包裹在一个充满气的气

    囊中，弹跳着着陆火星。好奇号借助一台未来感十足的空中起重

    机降落到地面上，其着陆全程的视频非常值得一看，起重机悬停

    在空中的白色吊臂实在是一个极富想象力和工程水平高超的惊人

    壮举。

    登上火星

    人类很可能在21世纪就能登上火星，不过这可比登上月球要

    困难得多。月球离地球380 000千米，只需要3天就能到达，但是

    前往火星却是一个长达2.25亿千米，需要7个月才能到达的漫长

    过程。

    如果人长时间待在太空中会受到辐射的伤害，高能粒子穿透

    皮肤后会将能量释放到细胞中，对DNA(脱氧核糖核酸)造成破

    坏，从而导致癌症、辐射病、白内障等疾病，高剂量的辐射甚至

    会致人死亡。所以宇航员需要采取一些保护手段，而且这些保护

    措施需要相当轻便，以免妨碍执行任务。另外，人类在路途中需

    要摄入的食物、水和氧气的总重量会很大，把这么重的载荷运输

    到火星是相当昂贵的。着陆也很危险，火星的大气层如此稀薄，在着陆的过程中没有足够的气体用于机器减速。

    还有一个返程的问题也需要考虑，机器人发射到火星上之后

    无须返航，但是人类登上火星之后还是需要回来的。想做到这一

    点，宇航员必须随身携带足够燃料，或者能利用火星上的资源制出燃料。

    小行星带

    一些来自世界各地的科学家乘着专门制作的实验舱在39 000

    英尺[2]

    的高空巡航，所有人的目光以及实验器材都对准着那个冲

    破了大气层之后以12千米每秒的速度下坠的物体。同时，地面上

    的4支巡逻队在贫瘠的澳大利亚大陆上一片大小为20千米×200千

    米的范围中散布开来，等待着它的落地。最终，他们追踪到了它

    的位置，并将其小心地包装起来带走以备进一步的分析。

    科学家此次捕获的猎物虽然来自太空，但并不是在那里诞生

    的。这是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)发射的隼鸟号小

    行星探测器，它刚刚完成对25143号小行星“糸川”长达7年的探测

    任务，这也是人类第一次从小行星上取回可供研究的样本。

    天文学家之所以花费这么大的精力采集小行星的样品，是因

    为只有通过它们才能对行星形成之前的太阳系进行研究。它们就

    像是太阳系早期的化石一样，是没有最终形成行星的“积木”。

    这些四处翻滚的岩石和金属块遍布整个太阳系，但是其中

    90%都聚集在火星和木星的轨道之间，形成了一个小行星带。小

    行星带中的主要成分都是一颗“失败”的行星的一部分——由于邻

    近的木星产生的引力过于强大，导致这颗行星无法形成。

    小行星带的总质量现在只有地球质量的4%，其中的四颗天体的质量——谷神星、智神星、灶神星和健神星——就占到了12，剩下的其他小行星就一个比一个小，一直小到我们在路上见到的

    卵石那么大，甚至还有尘埃般大小的。较大的那些小行星一直是

    人们密切关注的对象。NASA发射的黎明号探测器于2011年造访

    灶神星，并在一年后再次启程前往谷神星，2015年到达。黎明号

    探测器是历史上第一个环绕过两个不同的太阳系天体运行的宇宙

    飞船。

    小行星带中直径超过1千米的小行星大约有200万颗，你可能

    觉得穿越小行星带是一场惊心动魄的危险旅途，就像电影《星球

    大战》里面的那样，你需要在迎面而来的碎石中躲来闪去。但其

    实并不会像这么局促，关于小行星带的一些插图和动画总是把里

    面的碎石画得很大以便我们能清楚地看到它们，事实上，每两颗

    小行星之间的平均距离接近100万千米。

    对地球的威胁

    如果有一天小行星撞向地球，那将是一场巨大的灾难。在6

    600万年前，一颗直径10千米——足足有一个小城市那么大——

    的小行星撞向了墨西哥海岸，释放出地狱般的能量，我们至今还

    能看到当时撞击留下的陨石坑。海啸席卷全球，天空中下起了火

    雨，森林被夷为平地，随之而来的就是混乱的物种大灭绝。大量

    的碎石和灰尘被抛入大气层中，使得地球进入了核冬天。由于缺

    乏阳光，植物开始大范围死亡，接下来死亡降临到植食性动物身

    上，再之后则是肉食性的灭绝。短短100年里，包括恐龙在内的70%的陆地生物都灭绝了，而海洋生物的灭绝比例则高达90%。

    值得庆幸的是，这种级别的物种大灭绝非常罕见。科学家认

    为，直径5千米以上的小行星大约每2 000万年才会撞击地球一

    次，并且我们和恐龙相比有一个巨大的优势，我们是有望远镜

    的。现在，自动化的望远镜正在扫描天空中所有直径超过1千米

    的物体，并预测它们未来100年内的运行轨道。好消息是，目前

    我们并不用为这样的撞击事件感到担忧。

    但是，有时我们也会遭受一些小规模的撞击。2013年，在俄

    罗斯车里雅宾斯克州上空，一颗火球从天而降。这是一颗直径20

    米的小行星，它就像轰炸机扔下的炸弹一样，对这里进行了一次

    大规模袭击。万幸的是，此次撞击事件中并没有造成人员死亡，有一些人受伤，因为冲击波震碎了窗户，碎玻璃飞了起来。

    将来总有那么一天，地球会再次面临一颗大型小行星的威

    胁，而到那时，我们就可以采取某些措施来避免灾难发生。不

    过，像好莱坞电影里面那样采用核武器，其实是一种很糟糕的选

    择，因为这只能击碎较大的小行星，但是造成的碎片还是会冲向

    地球。最好的解决方案之一是令小行星保持为一个整体，然后发

    射一个空间探测器，利用空间探测器产生的引力把这颗小行星逐

    渐引开。

    表3-1 太阳系行星概况一览“天”指地球上的一天。——编者注

    67P彗星、罗塞塔号探测器与菲莱着陆器

    这是航天史上最大胆的探索之一。由欧洲航天局发射的罗塞

    塔号探测器历经十年跋涉，走过了长达64亿千米的路，终于追上

    了67P丘留莫夫–格拉西缅科彗星(简称67P彗星)，当时它正位

    于火星和木星的轨道之间。

    与小行星一样，彗星也居住在行星的空隙之间，但是和由岩石和金属构成的小行星不同的是，彗星主要是由冰构成的。它们

    绕日公转的椭圆形轨道非常扁，离太阳最远处比海王星还要远，而最近处几乎是和太阳脸贴脸。由于彗星经过地球时，我们可以

    看到非常壮观的景象，所以几千年来，人类一直对彗星充满好

    奇。而彗星在靠近太阳的过程中会被加热，并被强烈的太阳风吹

    拂，这使得它们会拖着两条长达数亿千米的彗尾。

    图3-1 2014年，欧洲航天局历史性地发射了菲莱号着陆器登陆67P彗星

    欧洲航天局曾发射过一艘宇宙飞船拍摄彗星，但是之前还从

    未试过发射登陆的探测器。考虑到67P彗星在公转轨道上以55 000

    千米每小时的速度运行，令探测器着陆可不是一般的成就。2014

    年11月12日这天，当罗塞塔号释放出洗衣机大小的菲莱号着陆器

    准备在这颗彗星上着陆时，科学家们都屏住呼吸瞪大了眼睛，静

    待奇迹的发生。

    着陆过程并不是很顺利，因菲莱号上的鱼叉式着陆装置未能发挥作用。菲莱号在彗星的表面反复弹起了几次，之后掉入了黑

    暗裂缝中。由于在黑暗中太阳能电池板无法供电，因此仅仅两天

    它的电量就耗尽了。经过6个多月的强制冬眠之后，菲莱号在

    2015年6月再次醒来，并对罗塞塔号发出呼叫，因为在经过太阳

    的过程中，彗星上的冰融化了一些，将菲莱号从阴影中解放出

    来。

    科学家们仍在对此次探测任务得到的大量数据进行分析，目

    前已得出的结果是，彗星上的水似乎与地球上的水不同，其中氘

    的含量较高，而这与地球上的水来自像67P这样的彗星这一说法

    相矛盾。

    木星

    只需要一台小小的望远镜，我们就能领略到这位行星之王的

    英姿——它独特的橙色，以及层层叠叠的云。而用口径稍大一点

    儿的望远镜，你就能看到木星表面著名的大红斑了。不过需要注

    意的是，由于木星的自转非常快——不到10个小时就能自转一周

    ——所以当我们看到木星表面的大红斑时，它可能已经转到背面

    去了。如此快的自转速度也使得木星的赤道地区明显要比两极地

    区更“胖”一些。

    作为所有环绕着太阳运行的行星中最大的一颗，木星比其他

    所有的行星加起来都还要大，它的肚子里能装得下1 321个地球。

    木星到太阳的平均距离是7.78亿千米，完成一周公转需要近12年。

    木星的构成成分与太阳大致相同——75%的氢和24%的氦。

    不过，在木星的表面之下发生着什么，我们仍然不太清楚。有人

    提出木星有一个致密的核心，但是我们不知道这个核心会有多

    大。天文学家还认为在木星的核心区和外部大气之间存在一层液

    态氢。

    大气中云带的运动方向常常与自转方向相反。暗一些的区域

    称为“区”，亮一些的区域称为“带”。在那里探测到的闪电比地球

    上的要强1 000倍，而位于木星南半球云带中的大红斑则是一个已

    经存在了很长时间的巨大反气旋。之前它有4个地球那么大，不

    过最近的观测结果显示它正在逐渐变小。我们尚未完全弄明白其

    缩小的原因，不过已经观测到一些被称为涡流的小型气旋进入其

    中，它们可能正在改变大红斑的内部结构。

    关于木星，有一个小知识可以说是鲜为人知，它其实是有光

    环的，事实上，太阳系外侧的4颗巨行星都有光环。与土星那个

    由冰组成的光环不同，木星的光环是由尘埃组成的。木星光环是

    1979年旅行者1号探测器掠过时被发现的。

    作为太阳系中最大的行星，木星产生的引力也是最强的。有

    关它在太阳系形成的过程中起到了什么样的作用仍有许多争论，我们知道的是，木星与后期重轰炸期的那一系列发生在内太阳系

    的猛烈撞击脱不了干系。不过，目前我们还不清楚木星到底是我

    们的朋友还是我们的敌人——它是会为我们清扫即将撞击地球的

    物体，还是会把它们集结到一起来威胁我们的安全呢？当然，两者都有可能。

    木星的卫星

    正如你所想，最大的行星也拥有最多的卫星——目前已发现

    了69个。这些卫星中大多数都很小——这部分卫星原本是小行星

    或卫星，由于离木星太近而被它强大的引力捕获。木星的卫星中

    有很多都值得进一步研究，特别是伽利略在1610年发现的4颗被

    称为伽利略卫星的卫星：艾奥、欧罗巴、加尼美得和卡里斯托。

    加尼美得是太阳系中最大的卫星，其直径超过5 000千米，甚

    至比水星还要大，然而，它并没有直接绕着太阳公转，所以它不

    是行星。它的邻居卡里斯托则保留了一个非常古老的表面，40亿

    年来几乎没有什么改变，上面有着比太阳系中其他任何天体都要

    多的撞击痕迹(免费书享分更多搜索@雅书.)。

    不过，艾奥和欧罗巴可以说是木星最有趣的两颗卫星了。艾

    奥绕木星公转一周仅仅要1.5天，并且它与木星相隔的距离非常

    近，这引发了非常强大的潮汐，于是这颗卫星不断地在进行放大

    缩小的循环。这种持续的变化被称为“潮汐加热”，它导致这颗卫

    星上的岩石被熔化，并为其表面的400多座活火山不断提供能

    量，使得艾奥成了太阳系中火山活动最活跃的地方，硫黄如火箭

    般被喷射到数百千米高的天空中。毫无疑问，它的含水量是太阳

    系所有天体中最低的。

    朱诺号木星探测器最近，由NASA发射的朱诺号探测器传回了清晰度空前的木星

    照片。它于2016年到达木星，成为第二个围绕这个太阳系中最大

    行星运行的人造天体。第一个是伽利略号，它于2003年完成了自

    己的使命。探测器将大量壮观的照片如潮水般传送回地球，照相

    技术的发展体现得淋漓尽致。

    朱诺号在俯冲的过程中近距离地拍摄了木星大红斑的照片，以帮助天文学家探明其缩小的原因。探测器对于木星引力的精确

    测量将有助于探究木星核心，而分析木星的大气成分有助于了解

    木星和太阳系的形成。

    朱诺号此行还携带了三个铝合金制的乐高人偶，它们分别代

    表了罗马神话中的众神之王朱庇特、神后朱诺，以及第一位用望

    远镜观测木星的天文学家伽利略。

    距离更远一些的欧罗巴则没有艾奥这样的问题，不过它表面

    的冰会被加热，并融化成水。欧罗巴表面的液态水极其多，甚至

    可能会比地球上所有的海洋、湖泊、河流中的水加起来还要多。

    这令它成为寻找太阳系中其他生命的首选地。

    土星

    土星是我们祖先古代就知道的行星中的最后一个，它离太阳

    的距离接近15亿千米。事实上，尽管距离我们这么远都能直接用

    肉眼进行观测，可见土星能够用于反射太阳光的体积之大。作为太阳系第二大行星，土星的“肚子”里能装得下750个地球。

    不过作为一个体积这么大的行星，土星的质量却轻得令人难

    以置信，因为它的密度仅为0.7克每立方厘米，是所有行星中最低

    的，比水的密度还要小。也就是说，如果有一个足够大的浴缸，那么土星可以在里面漂起来。不过，如果真这么做的话，土星会

    把这一缸水都给冻住——土星的平均温度为零下178摄氏度。

    这颗行星独有的黄色来自其大气层中的氨晶体。土星大气中

    偶尔会有风暴呼啸而过，而且每30年土星运行至离太阳最近的那

    一点时，风暴都会变得更加频繁。

    旅行者号探测器在经过土星时发现，土星北极的上空有一个

    六角形的云，其每个边的边长都大于地球直径。卡西尼号探测器

    也观察到了这一现象，并且在2013至2017年间，它的颜色从蓝色

    变成了金色。

    与木星一样，天文学家也不清楚土星的云层之下是什么情

    况。他们认为氨晶体的下方存在水云，再往下则是一层金属氢

    [3]

    ，最后则是一个密度很大的岩石内核，质量大约是地球的9~22

    倍。甚至有些科学家认为，土星的大气层中每年会产生1 000吨钻

    石，其形成过程是甲烷气体在闪电作用下转化为碳粉，然后在高

    压下变成钻石，并落入核心。

    土星环土星的神秘光环是太阳系中最著名的一道美景，然而尽管已

    经做了很多研究，我们仍然不知道这个光环从何而来。

    从远处看过去，土星的光环是浑然一体的，不过它们其实是

    由无数块一栋房子那么大的冰块组成的。如果把光环上的这些冰

    收集到一起，我们就能得到一个和土卫一差不多大的东西。因

    此，它很可能来自一颗被土星引力撕碎或者在碰撞中被击碎的卫

    星。

    卡西尼号得到的最新数据表明，与整个太阳系的年龄相比，土星环十分年轻，大约形成于1亿年前。很多年后，它们可能就

    会在太阳风的吹拂下逐渐变得暗淡。生活在能看到土星环的年代

    是我们的幸运，因为土星在一生中的绝大部分时间里似乎都没有

    光环。

    只需要使用业余望远镜，你就能注意到土星的光环上有空

    隙，其中最大的一条被称为“卡西尼环缝”，而米玛斯(土卫一)

    正是在这条缝中运行——来自卫星的引力会维持着这条缝一直存

    在。土星还有一些卫星在光环内的轨道上运行——它们被称

    为“牧羊犬卫星”。我们采用大写字母给土星环编号，不过编号依

    据并不是其到土星距离的远近来编号，而是我们发现环的顺序。

    土星环还有许多未解之谜，自从20世纪80年代早期旅行者号

    飞过土星之后，天文学家就注意到土星环上有一些黑色斑点，它

    们就像自行车车轮上的辐条一样展开。近期卡西尼号也拍到了这

    种现象，但是我们仍然不知道这些黑斑是什么。卡西尼号探测器

    卡西尼号探测器打破了我们对于带环行星的理解。它发射于

    1997年，并在2004年到达土星。它在2006年9月15日拍摄了天文

    学史上最为壮观的照片之一。在照片中，土星遮挡住了太阳，在

    逆光的情况下，太阳光照亮了土星那令人瞠目结舌的光环系统

    (见图3–2)。这还不是全部，仔细看的话你会发现有一个很小

    的点。你可能会以为这是一颗土星的卫星，但实际上它是超过10

    亿千米远的地球。

    图3-2 NASA发射的卡西尼号探测器逆光拍摄了太阳光照亮土星环的惊艳场

    景

    2017年，由于燃料不足，卡西尼号在任务接近尾声时进行了

    20多次大胆的俯冲。它以10万千米时的速度冲到了离光环最近

    的地方。卡西尼号在光环中穿梭的过程中，又拍摄了一张地球的

    照片。

    最后，天文学家于2017年9月决定让卡西尼号坠入土星，而

    此时距离卡西尼号离开地球进入太空已经20年了。这一自毁的举动是为了防止它污染土星环或土星的卫星。

    土星卫星

    像木星一样，土星也有60多个天然卫星，其中的大多数卫星

    都很小，不过，其中最大的一颗名为泰坦(土卫六)的卫星比水

    星还大，同时也是太阳系中仅次于木星的卫星加尼美得的第二大

    卫星。

    米玛斯的绰号是“死星”，因为它和《星球大战》中的那个卫

    星大小的空间站长得很像。这个看起来有些诡异的组合实际上纯

    属巧合——在拍摄到米玛斯第一张照片之前三年，死星就已经在

    大荧幕上出现过了。

    在土星的所有卫星中，属亥伯龙长得最奇怪，它就像是宇宙

    中的一块巨大的浮石[4]

    ，表面上坑坑洼洼，形状也不规则。这是

    人们发现的第一个非球形的卫星，它可能是很久以前的一次撞击

    事件中产生的碎片。

    目前，最为引人注目的土星卫星则是恩克拉多斯。在这颗卫

    星上，液态水正从其表面的冰缝中喷涌而出。2017年，天文学家

    宣布他们在这里发现了一些复杂的化合物——这是构成生命的基

    石，而这些化合物再加上水，就已经组成生命诞生的要素了。不

    过，后来科学家又发现了有毒物质——甲醇，这的确给研究者带

    来了一些打击，不过不可否认的是恩克拉多斯和欧罗巴一样，很

    可能适宜生命居住。接下来，我们认识一下土星的卫星泰坦。它不仅很大，而且

    还拥有一层浓密的大气——它也是太阳系中唯一一颗拥有大气层

    的卫星。天文学家们让惠更斯号探测器穿透云层登陆泰坦。2005

    年1月14日，惠更斯号降落在位于“世外桃源”地区的一片干涸的

    河床上。这是目前为止唯一一个在外太阳系着陆的探测器。

    泰坦的表面对我们而言，看起来是非常熟悉的模样——海岸

    线、群岛、礁石、半岛等，这些都是古代海浪冲刷侵蚀而成的。

    只是有一点儿不同，这里离太阳实在是太远了，天寒地冻，几乎

    不可能有液态水存在，这里海洋中的“水”实际上是液态甲烷。

    天王星

    我们总是觉得住在地球的两极地区可能会是一件很糟糕的

    事，因为总是会有极昼或者极夜。不过，天王星上的两极地区的

    情况可远比地球上更加极端。

    这颗行星是躺在自己的运行轨道上的，它的自转轴差不多和

    绕太阳公转的轨道在同一个平面上。它公转一周需要84年，也就

    是说在天王星的两极地区会先经历长达42年的白昼，接着再是42

    年的黑夜。而且，那里可没有“天亮”一说。天王星离太阳的距离

    比地球远20倍，接收到的太阳光强度只有我们的1400。天王星的

    直径是地球的4倍。

    目前，对于天王星为何如此古怪地躺着运行还没有一个明确的解释，不过就像解释太阳系中的其他奇特景象时使用的理由一

    样，很多人都认为这也是一次大规模的撞击引起的。天王星的光

    环随天王星一起倾斜了过来，所以我们在观测天王星的时候会发

    现它的光环跨过了整个行星，而土星的光环则看起来是分布在两

    侧的。

    天王星和海王星也被称为“冰巨星”，它们的化学成分使其有

    别于木星和土星这样的气态巨行星——在离太阳这么远的地方，无论是水还是氨和甲烷，统统都变成了冰。

    迄今为止我们发现的天王星卫星有27颗，它们的名字都取自

    莎士比亚或者亚历山大·蒲柏的作品中的人物，比如罗密欧、朱丽

    叶、奥菲莉亚(出自《哈姆雷特》)、帕克和奥伯龙(出自《仲

    夏夜之梦》)。

    天王星的卫星中，最大的一颗是泰坦尼亚(出自《仲夏夜之

    梦》)，不过其直径还不到月球的一半，约为800千米。米兰达

    (出自《暴风雨》)是最独特的一个，其表面有许多巨大的伤

    疤，有人认为，这是因为它曾被撞得支离破碎，之后再也难以聚

    合成原来的样子。

    旅行者2号是唯一一个造访过天王星的探测器。在1986年飞

    过这颗行星时，它观察到天王星的蓝绿色大气中几乎没有什么动

    静，这与它那个活跃的邻居[5]

    形成了鲜明的对比。有人提出要专

    门发射一个探测器去探索一下这颗被忽视的行星，以破解那些关

    于它的秘密。海王星

    1989年的夏天，旅行者2号驶离海王星朝向更远的外太空进

    发时，科学家们将摄像头最后一次对准海王星，看了它和它最大

    的卫星崔顿最后一眼。在照片中，它们俩在太阳光的照射下就像

    两弯新月。

    与天王星不同，海王星的海蓝色表面非常活跃。旅行者2号

    在它的南半球发现了一个跟地球差不多大的“大黑斑”，在它的附

    近还有一个更明亮且处于高速移动中的风暴，我们称之为“滑行

    车”。但是，1994年哈勃空间望远镜对海王星进行观测时，这个

    大黑斑已经消失了，取而代之的是北半球出现的一场新的风暴。

    海王星的风暴中有着全太阳系最强的风，风速高达580米每秒。

    海王星的质量处于地球和木星之间，比前者重17倍，是后者

    的119。它到太阳的距离比地球远30倍，公转一周需要花费165

    年，温度低至零下218摄氏度。

    至今已发现14颗属于海王星的卫星，其中最新的一颗发现于

    2013年。在已知的这些卫星中，最令人感兴趣也最令人困惑的就

    是崔顿。它的地质活跃度很高——与木卫一艾奥和土卫二恩克拉

    多斯一样，并且它绕海王星公转的方向与海王星绕太阳公转的方

    向相反。它也是太阳系中唯一一个有着逆行轨道的大型卫星。

    这一现象使我们很难搞清楚它从何而来。正常情况下，逆行

    的卫星都是一些小天体，比如被引力捕获的小行星和彗星，它们在靠近行星时就是沿着逆行的方向，被捕获后自然就沿着逆行轨

    道运行。但是对于一个直径2 700千米的天体来说，这么做可就没

    那么容易了。很多天文学家都认为，崔顿曾是一颗矮行星，被海

    王星的引力从更远的地方吸引而来。但是为什么它没有和海王星

    相撞而是进入公转轨道变成了一颗卫星，天文学家目前还不清楚

    其中的原因。

    矮行星崔顿的西半球的表面看上去很奇怪，就像哈密瓜的瓜

    皮一样，因此天文学家将其称为“哈密瓜地形”。它的南极有一层

    冻结的氮和甲烷，其上覆盖着从间歇性冰火山中喷发出来的火山

    灰。

    冥王星

    冥王星是比海王星离我们还要远的冰封的雪球，它有一段窘

    迫的经历。当美国天文学家克莱德·汤博(Clyde Tombaugh)于

    1930年发现它之后，人们立马将其认作太阳系的第9颗行星，然

    而还不到一个世纪，它就被降级了。

    这个问题出现于21世纪初。首先是天文学家发现了阋神星，这是一个比冥王星大一些的天体，并且它也围绕着太阳运行，因

    此天文学家面临着如何给阋神星分类的问题。既然冥王星都已经

    是行星了，那么阋神星也应该是行星——它也直接围绕太阳运

    行，而且比冥王星还大点儿。但是，行星和太阳系中其他同样围

    绕太阳运行的小天体之间的区别在哪里呢？冥王星地位受到威胁的原因还不止于此。首先，它的轨道与

    海王星有交叉。冥王星绕日公转一周所花费的时间长达248年，但是其中有20年它比海王星离太阳更近，例如1979至1999年。另

    外，它还被海王星的引力所影响，与其形成了被天文学家称为轨

    道共振的现象，每当冥王星完成两次公转，海王星都会完成三次

    公转，因此二者总会保持距离，并不会相撞。

    冥王星与其最大的卫星卡戎之间的关系也相当反常。与其他

    正常的行星——卫星系统不同的是，严格说来，卡戎并没有绕着

    冥王星公转，是它们一起绕着两者之间的某一点运行。

    所以到了做些什么的时候了。2006年夏，国际天文学联合会

    在一次会议中做出决定，将冥王星(以及阋神星)重新分为一

    类，称为矮行星。冥王星之所以被降级是因为它“未能清除轨道

    附近的其他物体”——它在自己围绕太阳公转的轨道上并不是最

     ......