漫步到宇宙的尽头

我们的世界自诞生以来，年复一年地围绕着一个巨大的火球旋转，永无止境。

这并不是一个显而易见的事实——人类来自地球的经验正好相反——地球似乎是永恒而稳定的，太阳从东方升起，西方落下，分昼夜。太阳的位置也反映在古代神话中。它常常扮演着一个对世界很重要但对天堂无关紧要的角色。比如希腊神话中，太阳只是阿波罗手中的一个金球；在中国古代神话中，太阳只是众神马车上的轮子。在人类的日常经验中，太阳和月亮的大小似乎差不多。这也给人类理解太阳和地球的关系制造了障碍。人们很自然地认为太阳和月亮是地位相近的天体，因为从视觉上看，它们都离地球几乎很远。

为了研究天体的运动，古希腊天文学家提出了“天球”的概念。这是一个假想的球体，以观察者或地心为中心。夜晚的太阳、月亮和星星都可以标记在这个球体上。大多数恒星在天球上的相对位置似乎永远不变，因此被称为恒星。星空以一年为周期围绕地球旋转。对于北半球的中纬度观测者来说，每到夏夜，总会在天顶附近看到明亮的织女星和牛郎星隔着银河相对。冬天，整个天空中最亮的星星天狼星会如约出现在东南方向。古希腊天文学家把夜空中的星星分成不同的星座，供人们记忆。每年的同一个晚上，天空中的星座总是相同的(整个天空有88个不同的星座)。

与其他恒星不同，太阳在天球上的位置会移动。如果我们把地球变得透明，暂时去掉地球上的大气层，我们就可以随时看到整个天空中的星星。我们会发现，太阳在4月和白羊座的星星呆在一起，8月移动到狮子座，在隆冬从蛇夫座移动到人马座。每年太阳都会沿着这条线走过，穿过13星座1。太阳在天球上的这条路径称为黄道，相应的星座有时也称为黄道星座。

除了月球，天球上还有五个天体，它们的行为与恒星明显不同。它们是水星、金星、火星、木星和土星。这五个天体都很明亮，很容易用肉眼观察到。特别是金星，它是夜空中仅次于月亮的最亮天体，比夜空中最亮的星星天狼星亮20倍。人们称这五颗明亮的星星为“行星”，因为与静止的恒星不同，它们在天球上的运动是显而易见的。比如木星绕天球运行周期为12年。中国古代天文学家称之为岁星，并以此为基础制定了地质年代学。

如何理解这些天体的运动？古希腊的天文学家认为，宇宙其实是由一系列同心圆组成的，以地球为中心，太阳、月亮、水星、金星、火星、木星、土星，每个天体占据宇宙的一层，在同心圆上围绕地球旋转。其他恒星集体占据最外层的一个球体，这个球体围绕天球轴旋转。这种宇宙观反映了当时的哲学思想:宇宙应该是完美的，天体系统应该永远平稳运行。

然而，希腊人在他们“完美”的宇宙模型中发现了一个小问题，那就是行星的“逆行”。这是行星运动中令人费解的现象。夜空中，行星在天球上的轨迹大致是由西向东。但在某个时刻，人们会观察到行星运动的速度逐渐变慢，直到停滞不前，并向相反方向运动一小段时间。不久的将来，他们将再次“扭头”，踏上原来的赛道。在“完美”的宇宙模型中，行星的倒退似乎是无规律的，但希腊人别无选择，只能修补宇宙模型。到公元140年左右，这个模型变得极其复杂。出生于希腊的罗马天文学家克罗狄斯·托勒密是公认的古代天文理论大师。在他的天文学巨著《天文学大成》中，他展示了当时最先进的宇宙。在这本书里，地球已经稍微远离了宇宙的中心，所有行星的轨道都变成了偏心圆。此外，每颗行星都有自己的小轨道，称为“电流轮”。这个轮子在偏心圆轨道上运行，而行星在这个轮子上运行。

直到16世纪，托勒密的理论统治天体运动理论超过1000年。这很奇怪。托勒密的理论纷繁复杂，并不是一个纯粹的地心说。它实际上违背了古希腊人所倡导的完美平衡的世界观——偏心轮的结构更像是出现在技工车间的巧妙把戏，而不应该出现在众神创造的天空中。但另一方面，托勒密体系确实很好地解释了行星的运动和逆行现象。16世纪，mikolaj kopernik提出了一个革命性的太阳中心理论。在哥白尼的宇宙模型中，太阳被置于宇宙的中心，所有的天体都围绕着太阳旋转。但哥白尼去世半个世纪后，日心说依然无法压倒托勒密的地心说。从预测的准确性来看，他们没有太大的不同。无论哪一套理论能准确预测行星的运动，大行星在某些时候似乎总是走得太快，有时又走得慢一点。

图1.1托勒密的地心模型，地球和行星轨道示意图。行星在一个叫电流轮的小圆上运行，小圆在一个叫偶数轮的大圆上运行。摆轮的中心用五角星表示，略偏离地球。

毕竟地心说的缺陷是一步步暴露出来的。17世纪初，望远镜在荷兰诞生。这个仪器用一根长金属管连接两个透镜。第一个透镜称为物镜，用于收集光线并将其会聚。这些光线被第二透镜校正以形成人眼可以直接观察到的实像。望远镜收集光线的能力与物镜的面积成正比。当物镜直径增加10倍时，望远镜收集光线的能力增加100倍。望远镜还能使观测者分辨更精细的图像，这与望远镜的直径成正比。人眼本身就是一个精致的光学系统，但人眼收集光线的面积很小，大致相当于瞳孔的大小。这种能力足以让人类分辨出自然界中的敌人和危害，甚至可以分辨出昏暗的蜡烛或油灯下羊皮纸上的细小字迹。但说到仰望星空，人眼的能力毕竟有限。早期的望远镜非常简单，但物镜的面积比人眼的瞳孔大几十倍。早期的望远镜极大地改善了人类的视力。

1609年，伽利略首次将望远镜技术应用于天文观测。他惊讶地发现，划过夜空的银河，原来是由无数颗星星组成的。当他把望远镜对准木星时，发现木星周围有四个小天体。显然，这些天体是围绕木星周期性旋转的卫星。其中，旋转最快的卫星可以在一个晚上找到其明显的位移。既然有天体可以绕着木星转，而不是以地球为中心，为什么太阳一定要绕着地球转？

哥白尼去世1573，18年后，约翰内斯·开普勒在德国小镇维尔德斯塔特出生。开普勒小时候很穷，由爷爷抚养。他的视力很差，可能是小时候得了天花造成的。在他的一生中，开普勒很少真正坐在望远镜前，但他仍然被认为是欧洲一流的天文学专家，因为开普勒在数学计算方面几乎没有对手。开普勒是哥白尼的信徒，不仅仅是因为科学原因，还有神学动机。在开普勒的想象中，上帝创造的世界一定具有完美的几何特征。几何I * * *中有五种不同的正多面体:正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体。每一个正多面体总有一个内接球(能放进去的最大球体)和一个外接球(刚好包裹多面体的球体)。如果嵌套五种正多面体，则空间可分为六层。开普勒认为这不是巧合。在他的假设中，如果把太阳放在宇宙的中心，那么水、金、土、火、木、土六大行星的轨道应该刚好可以装进由五个嵌套的正多面体分割的六层球壳(图1.2)。多完美啊！

1596年，在开普勒的第一部天文学著作《宇宙的奥秘》中，他热情地描述了自己完美的宇宙理论，并辅以初步的计算结果。然而，欧洲天文学家并不太买账。在哥白尼之后的半个多世纪里，天文观测的精确度提高了很多。开普勒还在用哥白尼时代的旧数据来验证他的理论，不太合适。数据的质量困扰了开普勒很多年。1600年，开普勒被当时最著名的天文学家第谷·布拉尼邀请去布拉格做他的助手。这是开普勒梦寐以求的机会。

在望远镜发明之前，第谷可能是最伟大的观测天文学家。他改造了六分仪和四分仪，大大提高了它们的角度分辨率。第谷可以用自己改装的仪器以65438±0角分的精度研究行星的运动。读者可以将手臂向前伸直，与眼睛齐平，竖起食指。此时食指能覆盖的角度约为1度。第谷的观测精度是这个角度的1/60。

图1.2开普勒的宇宙原始模型。水、金、土、火、木、土这六大行星的轨道，应该刚好适合五个正多面体层层嵌套所定义的轨道。宇宙的奥秘(1596)

第谷一生致力于高精度测量行星的运动。当开普勒被邀请时，第谷是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家天文学家。他的工作是将一生中积累的行星观测结果汇编成一个以他的资助人鲁道夫二世命名的目录。这些数据正是开普勒需要的。他确信这些数据可以证明他的正多面体模型，于是他愉快地踏上了旅程。

第谷与开普勒的合作并不愉快。第谷有自己的宇宙模型，介于日心说和地心说之间。在这个模型中，所有的行星都绕着太阳转，太阳绕着地球转。第谷希望利用开普勒的数学天赋来研究自己的模型，但开普勒是坚定的哥白尼信徒。开普勒无法从第谷那里得到行星运动的全貌，因为第谷对他有戒心，只一点一点、慷慨地给他提供了一个尺度爪的数据。开普勒未能在研究上取得进展，而是花费大量精力为第谷撰写攻击其研究对手的文章。

这种合作非常短暂。半年后，第谷突发疾病去世。在弥留之际，第谷终于把所有的数据交给了开普勒。他对开普勒说:“不要让我的生活失望。”

在随后的几年里，开普勒终于能够致力于解决太阳系运行的问题。他很快发现他的正多面体模型有严重的问题。这个模型根本无法预测水星的运动。其他行星的运动勉强符合模型。第谷的数据有错吗？开普勒拒绝相信这个理由。与第谷共事后，他完全相信数据的准确性。开普勒不得不痛苦地承认，他的宇宙“完美”模型有问题。但他离真正的答案不远了。开普勒重新检查数据后，找到了解开谜团的钥匙——行星的轨道是一条椭圆曲线，而不是一个正圆，太阳在椭圆的一个焦点上。这是开普勒第一定律。而且他还找到了正确描述行星运动的规律:行星在椭圆轨道上运行，当它远离太阳时，速度会变慢；当它接近太阳时，它的速度会增加。如果我们把行星和太阳连成一条线，那么这条线在单位时间内扫过的面积总是一样的。这是开普勒第二定律。几年后，开普勒发现了开普勒第三定律:行星绕太阳运动周期的平方与其半长轴的立方成正比。开普勒的研究取得了巨大的成功。从此，只要确定了行星在任何时候的位置，根据开普勒定律，人们就可以完全准确地预测它的后续运动。

为什么行星会这样运动？从65438年到0687年，艾萨克·牛顿终于找到了开普勒定律所蕴含的奥秘——万有引力定律。牛顿认为，宇宙中任何两个物体之间都存在相互吸引的力，这种力的大小与其距离的平方成反比。开普勒行星运动定律是牛顿引力定律的直接推论。

音乐家的伟大发现

18年末，太阳系的运动秩序建立，但人类对太阳系本身的认识并不充分。人们至今不知道天上到底只有五颗行星，还是太阳系的边缘在哪里。

1781年3月，一位名叫威廉·赫歇尔的天文学家用自己的望远镜发现了一个奇怪的天体。当时，赫歇尔正在系统地研究夜空中的双星。他观察到的大多数目标是恒星，它们离地球非常远。即使在望远镜中，它们也是点状发光体，没有特定的形状。然而，赫歇尔发现的天体在200倍的放大倍数下表现为一个朦胧的斑点，当他戴上放大倍数更高的目镜时，斑点的尺寸变大了。赫歇尔猜测这个天体可能是一颗彗星。但与普通彗星不同的是，这个天体没有彗星常见的长长的扫帚尾。作为预防措施，赫歇尔仍然称这个天体为彗星，并将这一发现通知了皇家学会的天文学同事。这时，赫歇尔还没有意识到，这是他伟大的天文冒险的第一个奖项。

事实上，几年前，赫歇尔作为一名管风琴家和作曲家在英国广为人知。他出生在德国汉诺威的一个音乐世家，兄弟姐妹多达10人。艾萨克·赫歇尔神父是管弦乐队的演员。虽然我父亲不是一个富人，但他决定让他所有的孩子(至少是所有的男孩)接受良好的教育，不仅是音乐，还有科学和数学。据赫歇尔的妹妹卡罗琳·赫歇尔说，晚饭后，她的父亲和赫歇尔讨论了很长时间有关音乐表演的事宜，但有时，话题会突然转移到哲学和科学上。牛顿、莱昂哈德·欧拉和威廉·莱布尼茨的名字频繁出现。讨论的气氛会变得很热闹，尤其是威廉·赫歇尔。有时讨论如此激烈，以至于母亲不得不介入，以免打扰第二天早上要去上学的孩子们。

在家庭教育的影响下，赫歇尔成长为一名优秀的管风琴和双簧管演奏家，并在管弦乐队中获得了永久的位置。因为战争，在19岁的时候，赫歇尔离开了德国，去英国发展自己的音乐事业。1766年，他收到了巴斯八角教堂的邀请，成为该教堂的永久管风琴师。巴斯是英国著名的时尚休闲城市，许多慷慨的名人都愿意为音乐人提供赞助。帅气的外表和高超的技术让赫歇尔在圈内迅速崭露头角。作为一名音乐家，赫歇尔不仅成就了优越的生活，也在巴斯达到了事业的巅峰。

夏季是音乐家的繁忙季节，他们需要应付不同的演出，巴斯挤满了游客。但是到了冬天，这里就变得安静悠闲了。赫歇尔有足够的个人时间重拾对天文学的兴趣。35岁时，赫歇尔偶然买了詹姆斯·弗格森的学术专著《天文学》，重燃了他对神秘夜空的兴趣。晚饭后，他常常带着这本书回到自己的卧室，让他对星空和宇宙的遐想陪伴着他入眠。此时的赫歇尔已经不像年轻时那样仅仅满足于作为科学爱好者在沙龙上侃侃而谈。他想亲自观察书中描述的美妙夜空。这意味着他需要一架望远镜。

伽利略自己制造了用于天文观测的望远镜后，制造望远镜的技术有了很大的进步。在赫歇尔的时代，望远镜已经可以从光学器材商店买到，但是它们很贵。巴斯的光学器材店里正好有一个。但是望远镜孔径太小，达不到赫歇尔的预期。赫歇尔想看看别人没见过的星空。他想要的是他那个时代最好的望远镜。按照他的计划，这种望远镜的镜面至少要达到20英寸(约50厘米)。于是，自制望远镜成了他唯一的选择。

赫歇尔小时候有一些制作乐器的经验，但光学望远镜是完全不同的东西，需要极高的设计和加工精度。没有人知道为什么赫歇尔成为一个伟大的望远镜制造商。一开始，似乎所有的参考文献都只是罗伯特·史密斯的光学。但在一些最初的不成功尝试后，赫歇尔很快掌握了制作望远镜的技巧。磨镜子是一项非常单调的体力活，但赫歇尔的专注程度令人惊叹。他甚至可以连续工作16小时。他的姐姐卡罗琳不得不在他工作的时候用勺子喂他，以免在工作的时候晕倒。

赫歇尔先后制作了一系列不同尺寸的望远镜。最常用的镜子直径50厘米左右，焦距7米。虽然是个自学成才的新手，但赫歇尔的望远镜其实是整个时代最好的作品，远超他那些追彗星的同事们用的小型光学设备。事实上，没过多久，全欧洲的天文学家都梦想有一架赫歇尔制造的望远镜。

谁的望远镜最大，谁就能有最大的发现，这是天文研究的铁律。1781年，赫歇尔发现了这个奇怪的天体，这是他的第一个重大奖励。皇家学会的天文同事跟进了赫歇尔的观测，他们很快发现新天体的轨道是一个接近圆形的椭圆。这意味着新的天体不是彗星，因为彗星总是在非常平坦的轨道上运行。最后天文学界承认赫歇尔发现的天体其实是一颗行星，也就是我们今天所说的天王星。

事实上，回顾历史资料，人们发现天王星之前已经被不同的天文学家观测和记录过，但他们并没有意识到天王星是一颗大行星。这是因为天王星比其他行星暗得多，移动速度也慢得多。天王星的亮度约为6，但肉眼几乎看不到。它与太阳的距离是日地距离的18倍，每84年才绕太阳运行一周，因此科学家很难注意到它的运动。但在赫歇尔的大口径望远镜中，天王星的形状使其真实的身体为人所知。

赫歇尔的发现让整个科学界沸腾了。这是人类有史以来第一次由个人独立发现新的行星。赫歇尔靠自己扩大了太阳系的版图。赫歇尔被授予皇家学会会员资格，并获得科普利奖章。作为无可争议的发现者，他被要求给这颗新行星命名。

赫歇尔把发现新行星的荣誉献给了英国国王乔治三世。国王热爱科学，赫歇尔希望新行星能帮助他获得皇家天文学家的职位。然而“乔治之星”这个名字最终没能在其他国家站稳脚跟。在法国，科学家们更喜欢称这颗新行星为“赫歇尔”。几经博弈，天文学家接受了这颗新行星的名字“天王星”。这个名字来源于希腊神话中天空之神的名字，天王星之神，中文翻译为天王星。占星学也很快接受了这颗新行星，并将其纳入自己的理论体系。占星家为天王星设计了一个独特的符号——一个圆形球体上赫歇尔名字的首字母H。

虽然“乔治之星”这个名字只在英国流行，但它并没有意外地让赫歇尔受到王室的欢迎。他被邀请到白金汉宫做英国国王的座上宾，还被邀请和王室一起看歌剧。他的望远镜也被从他的家乡运到格林威治天文台，这样国王自己就可以看到以他的名字命名的星星。皇家天文学会的同事看到赫歇尔的望远镜后，对他们原来的古董不再感兴趣，要求赫歇尔为他们制作新的望远镜。赫歇尔也愿意通过出售望远镜获利。大约60架望远镜已经卖给了皇家学会的同事和欧洲大陆的天文学家。作为一名天文学家和顶级望远镜的制造者，赫歇尔同时也是。赫歇尔一生中有一系列重大发现:他发现了一颗新的大行星——天王星；他(和他的姐姐、儿子)建立了历史上最大的完整的星云星团表，沿用至今；他做了一个完整的双星列表，证明了很大比例的双星不仅在视觉上，而且在物理上也是相互关联的。他发现了红外线的存在...在这本书的最后，我们还会看到赫歇尔的名字。现在，让我们继续探索太阳系的前沿。

太阳系的前沿

天王星的发现让天文学家推测太阳系外可能存在大行星。毕竟太阳的质量非常大，比所有大行星加起来的质量还要大上百倍，完全可以控制更多距离太阳几十倍于地球的天体。可以预测，天王星以外的行星可能看起来比天王星更暗，公转周期更长，但天文学家仍然可以通过仔细的巡天来寻找可疑的候选者。

然而令人惊讶的是，下一颗大行星存在的证据被一位数学家发现，线索就藏在天王星的运动数据中。在开普勒的太阳系模型中，行星都在它们的椭圆轨道上有规律地运行，互不干扰。另外，我们知道这只是对实际情况的简化。因为牛顿万有引力定律指出，任何两个天体之间都会存在引力。不同的行星有不同的公转周期，所以它们会周期性地相互靠近。当两个大行星相互靠近时，它们的引力会使彼此稍微偏离完美的椭圆轨道，这种现象称为“摄动”。

海王星的发现归功于法国天文学家于尔班·让·约瑟夫·勒维烈杰出的数学才能。天王星被发现后，一些数学家和天文学家意识到天王星的轨道似乎被另一颗大行星扰乱了。列维精确计算了这个可能天体的大小、轨道和位置。在他的一再要求下，柏林天文台在他预测的位置发现了这颗巨行星，列维按照其他行星命名的惯例，以海神海王星的名字为它命名为海王星。

水星、金星、地球和火星统称为类地行星。顾名思义，这样的行星和地球一样，有固体表面和铁核。木星、土星、海王星和天王星是比地球大得多的行星。过去，人们一般将这四颗行星称为木本行星，但现在我们知道，这些行星可以分为两类:“气态巨行星”如木星和土星，其主要成分是氢和氦；海王星和天王星是主要由冻结的水、氨和甲烷组成的“冰巨人”。

海王星之外还有大行星吗？我们还没找到。1930年，美国科学家克莱德·威廉·汤博发现了冥王星。这是一个太阳系外的小天体，大约是太阳到地球距离的40倍，质量只有月球的1/6。在随后的70年里，冥王星被定义为太阳的第九大行星。但是人们从一开始就发现冥王星与其他八大行星不同。其他八颗行星的轨道非常接近一个圆，而冥王星的轨道椭圆率较大，甚至与海王星的轨道相交。有时候，冥王星会比海王星更靠近太阳。更重要的是，冥王星的质量太低，无法主宰自己的轨道。自从冥王星被发现以来，关于它地位的争论就从未停止过。自20世纪90年代以来，天文学家一直在冥王星之外发现小天体。2005年，人们发现厄里斯(金星，136199厄里斯)比冥王星重。这成为压倒冥王星地位的最后一根稻草。在2006年的天文学年会上，天文学家通过投票的方式发布了行星的新定义，要求绕太阳运行的天体必须质量足够大，能够清除轨道上的其他天体，才能被称为行星。另一方面，冥王星只比它的月亮大一点点，所以它被剥离出行星的队伍。天文学家为小行星带中最大的天体冥王星、火星和谷神星等天体开辟了一个新的“矮行星”生态位分类。这种投票在当时引起了公众的强烈反对，但随着时间的推演，人们逐渐接受了这种新的更合理的分类方法。

冥王星和火星附近的轨道上仍然存在大量的小天体。这些天体共同形成了一个圆盘状的区域，这个区域被称为“柯伊伯带”。虽然冥王星和火星等天体主要由岩石和金属组成，但柯伊伯带的小天体大多由冻结的水、氨和甲烷组成，与彗星类似。这些小天体大多在柯伊伯带中年复一年地围绕太阳旋转，但也有少数小天体偶尔会游荡到太阳系的中心区域。当这些小天体靠近太阳时，太阳的光和热会使冰升华，在小天体后面形成一条长长的尾巴。这时，小天体就变成了彗星。彗星在人类历史上一直是厄运的代名词。在中国，彗星的出现被认为伴随着战争。即使在20世纪初，人们仍然会因为哈雷彗星的尾巴扫过地球而感到恐慌。彗星和小行星一样，在各类科幻电影中扮演着人类杀手的角色。在电影《Coherence》中，彗星甚至扮演了连接平行世界的角色。然而，彗星主体分离出来的碎片才是地球上美丽流星雨的源头。当地球运行经过彗星轨道时，这些碎片落入地球，在与大气摩擦的过程中形成流星雨。

柯伊伯带的位置距离太阳中心40-50天，日地距离3，但这不是太阳系的边界。整个太阳系实际上被包裹在一种叫做“奥尔特云”的结构中。奥尔特云由大量微小天体组成，主要由水冰4、甲烷等物质组成。奥尔特云的外边界大约是日地距离的654.38+百万倍，也是太阳引力影响范围的边缘。最近的恒星比邻星距离太阳的距离是奥尔特云外缘的两倍。

地球与太阳的距离是1.5亿公里，光从太阳到地球需要8分钟。为了更好地在脑海中形成影像，我们可以将太阳系的物理尺度缩小6543.8+0亿倍。在这个缩小版的太阳系中，人大约是一个原子大小，地球只有1.3厘米，比葡萄略小。地球的卫星月亮挂在30厘米外，大小和葡萄籽一样。在我们的微型太阳系中，太阳是一个直径为1.5米的火球，距离地球150米，走一圈只需要一分钟。按照离太阳的距离，地球是太阳的第三颗行星。从地球走到太阳，会经过和地球差不多大的金星和比月球略大的水星。从太阳到木星(大概柚子大小)，需要坐公交站(大概800米远)。如果不下车再坐一站，就到了土星(苹果大小左右)。天王星和海王星的大小和柠檬差不多，分别距离太阳4站和6站。海王星外是由小天体组成的柯伊伯带，奥尔特云外缘距离太阳约2光年。在我们的微型太阳系中，到达奥尔特云边界需要20000公里，坐飞机差不多要20个小时。离太阳最近的比邻星需要飞行40个小时(4万公里远)。

图1.3太阳系行星位置示意图