星空闪烁的夜空如此绚丽迷人，常常引得人们久久观望。然而，深邃的星空中到底是怎样一番景象？月食发生时，为什么地球在月球上的影子边缘总是弯曲的？人类几千年来对宏伟的天空之谜感到惊讶、孤独及强烈的渴望，从远古时代起人们就开始了探索宇宙的边界，一直到今天还没有结束。本书作者延续这一步伐，记述了人类探索宇宙边界的历程。

序言 无的放矢(1)

第一章 天体的景色(1)

第二章 太空的革命(29)

第三章 武装裸眼(60)

第四章 从轨道上看景色(93)

第五章 更高层的结构(131)

第六章 恒定与稳固的终结(158)

第七章 破译远古之光(180)

第八章 求欧米加(214)

第九章 消失的边界(238)

后记(245)

当亚历山大和亚里士多德相继在一年之内死去的时候，雅典仍然是智慧世界的无可争论的中心。但这个优势并没有持续下去。亚历山大的将军们将他的帝国分裂了，托勒密(Ptolemy)所分的部分是埃及和巴勒斯坦。他将在尼罗河人海口附近的亚历山大城建造他的首都。这个已经繁荣的城市开始在规模和气势上扩张，托勒密和他的继承者们，据说在其统治下对土地进行了残酷的剥削，积聚了多得过剩的财富，他们将其中一部分用于文学、艺术、数学和科学。在哪个托勒密(托勒密的继承者也被叫做托勒密)应该获得这些荣誉的问题上，学者们分为两派，但无论是哪一派，也许是两派，都认为皇家的资助扩充了图书馆和博物馆。这并不是我们今天称作“博物馆”一类的机构。正如这个词所暗示的，它指的是沉思的教堂，既意味着宗教的圣地，也意味着知识的中心。

与此同时，在地中海彼岸的那些历史悠久的著名学校——那些由柏拉图、亚里士多德、伊壁鸠鲁(Epicureus)和斯多葛学者(the Stoics)创建的学校——已经不再产生可以和它们当初曾产生过的思想相媲美的充满活力的新思想了，虽然它们仍是埃拉托色尼斯时代的年轻人所向往的求学之地。亚历山大城开始与它们竞争并最终取代了雅典成为智慧世界的焦点，那里的博物馆和图书馆也随之成为首要的研究机构。那个图书馆越来越大，根据一个古时的估计，里面有将近五十万卷书。埃拉托色尼斯是公元前3世纪时那个图书馆的管理者或者叫图书管理员，他的工资由皇家提供。

我们中的大多数都听说过人类历史上具有毁灭性的灾难之一就是对亚历山大城图书馆藏书的焚烧。这件事(现在被认为是杜撰的)说的是公元7世纪时图书馆内所有藏书都被焚烧了，以便为公众沐浴提供6个月的热能。如今正在进行着一项旨在为重建此图书馆而募捐的运动，但是此项努力似乎使人心生怜悯并且不具有实质性的意义，因为有一些东西是永远不可能失而复得的——那就是我们的祖先在古时用了许多世纪才积聚起来的知识，实在是来之不易。P4

放矢1951年

在我9岁那年的一天清早，父亲建议妈妈、弟弟、我跟他一起到祖父的农场上去测量风车的高度。弟弟和我一致认为那是个好主意。

可是我们怎么做呢?爬上风车，当然……至少父亲愿意这样。弟弟和我是不会被允许做这样危险的事情的。就算父亲爬上风车的顶部时，这还有一个如何测量它的高度的问题。我们没有那么长的卷尺。父亲会带着一个码尺在他爬上去的过程中每隔一码做一个标记吗?也许他会在风车顶上扔下一条长绳子，然后剪断它，这样我们只需要在绳子落下来的时候站在一旁，然后测量绳子的长度就可以了。父亲说弟弟和我可以帮助他，那么一定是这样的。

可弟弟说父亲根本不必爬上风车。我们可以将一个物体扔过风车顶部，而且刚好经过顶部。是的，我插嘴道，我们可以将一条有尺寸刻度的绳子系在物体上，然后轻轻地将绳子向回拉，使得它的一端刚好在风车顶部，然后看绳子在触地这端的长度标记就可以了!不，不，弟弟说——他虽然比我小两岁，但已经非常具备数学头脑了——我们要测量物体在空中飞行的抛物线。好想法，父亲说，但是，实际地讲，这比当初测量风车高度的问题还要困难。

我问我们是不是可以向远离风车的方向走，测量在此过程中风车在我们的视野中变小的程度和我们离开它的距离之间的关系。这个想法更好，父亲说，但还有一个比这更好的方法。

他给了我们一个提示。他认为在晴天这是一个非常聪明的主意……所需的全部工具只有一个码尺、我们的眼睛和头脑、一枝铅笔和用于计算的纸。然而，虽然在这个纬度上，在中午精确地测量风车的高度是可以做到的，但是，在一天之中的另一个时间会更加容易。

弟弟和我都没能搞明白父亲的这个想法是什么意思，直到他说“风车不仅可以抽水，你知道。它还可以在地上留下影子，而码尺也是如此”，这时我和弟弟才明白了其中的窍门。我们可以将码尺垂直于地面放置，然后测量它的影子。接着我们测量风车的影子。如果三英尺长的木棍有这么长的影子，那么根据风车的影子的长度，我们就知道风车有多高了。但我和弟弟还不知道具体该如何比较。父亲告诉了我们具体的比较方法之后又指出实际上还存在着一个更简单的方法能够得到答案。那就是在一天之中找一个使得三英尺长的木棍的影子也是三英尺长的时刻。在那时风车的影子的长度也正好就是风车的高度。我们决定首先用我们新学到的数学来获得问题的答案，然后一直坐到得克萨斯的日落，通过察看码尺在地上留下的影子的长度来验证我们的答案。

这就是我们测量风车的方法，与此同时，在我们头顶上，那个巨大的家伙不停地发出水撞击的声音和金属吱吱作响的声音，得克萨斯中部地区的那些当时制造的风车，做着它们的工作：转动，抽水，调整角度以获得更大的风力，丝毫没有注意下面这些开动脑筋捕捉它们影子的普通人。

测量是数学的偏于实际的用途之一，但是我们拥有测量的能力并且想要测量，并不总是出于想知道有用的答案的需要。同那些我们无法亲身体会的数字打交道——无论是风车的顶部还是宇宙的起源和边界——一直是并且仍旧是人类最热衷的智力探险之一。在20世纪末，这种活动已经超出了我们实际需要的多达数十亿光年。

同将这些数字找出来的冒险经历相比，实际的测量通常显得干瘪无力：太阳距地球的平均距离是1．495亿公里。离我们最近的恒星到地球的距离是4．3光年(light year)。银河系的本星系群(Local Group)覆盖了以约300万光年为直径的圆形区域。我们所能观测到的宇宙边界离我们约有80到150亿光年。对于这些数字究竟有多大，我们只能摇头说不知道或者承认它们确实很大但仍旧认识不到它们的意义，记住它们一天或者直到期末考试……然后忘记它们。科学琐事而已。

但如果你认识到这些数字是多么的来之不易，为了发现它们曾经耗费了并且仍在耗费着人们多大的聪明才智，你就会认识到它们根本不是微不足道的。我们能否试想假如没人知道这些数字会是怎样?夜空中闪烁着极微小的亮光，它们离我们的距离是相等的吗?假设我们不知道。假设和我们同时代的人中没有一个知道太阳是不是绕着地球转，或者与此相反，甚至没人知道地球有多大。假设没有人猜想过天空中群星运行现象的背后存在着数学法则。在没有离开地球的情况下，人们怎么会——又是如何——发现这些数字和这些关系的呢?是什么让我们认为我们可以发现那里离我们有“多远”呢?在没有到达那里的情况下——在没有爬上风车的情况下。

在接下来的几页里，我们将回到过去，忘记我们已经知道的测量方法或如何获得它们这些事实，加入我们祖先的行列，同他们一起从群星闪烁的天空中探索出这些知识。我们的实验室可不是一个我们可以在其中精细地对实验进行控制的干净整洁的房间。天空中的事情只在对于它们来说合适的时间发生，不会提前，并且不会重演。我们已经学会如何获取我们可以获得的并且充分利用它们。

我们人类观察事物的角度非常受限制。除了这个地球，我们一直没有一个能够让我们借以进行测量的场所，没有可能的观测平台，直到最近。在20世纪我们已经登上了月球，在太空中回望我们的星球，向我们所在的太阳系的遥远区域发送探测器。但是比之宇宙的标准，比之我们已经学会和仍希望测量的距离的标准，这个距离又是多么微不足道啊。

这部书是一部编年史，它记录了在过去的两千五百年中，男人们和女人们是如何将测量的阶梯从我们的门阶处修至宇宙的已知边界的，它还记录了这个探险是如何改变我们关于宇宙形状、特性以及我们在其中位置的观念的。它不是一个涵盖了全部天文学的历史。无论在西方天文学还是在其他文化中，都存在着迷人的发现，我不得不提醒自己这与我们已有的关于距离、大小和形状的知识是没有直接关系的。遗憾的是我并没有将这些内容纳入本书，尽管如此，离开本书主题去讨论其他问题的诱惑几乎仍是不可抵抗的。  我们还应该将我们关注的焦点扩展到另一个方向，那就是研究这些发现发生的背景，因为这与社会、政治以及人类智慧的历史是密不可分的。我们的任务之一是要寻找为何一个特定的发现或测定会发生在它所发生的那个时间、那个地点的原因。它与它所发生的时间地点、社会、意识状态或智力环境、可用的技术、之前的一系列发现、一些偶然事件的发生之间有何关系……也许最有趣的是，它与加速此知识进展的特定人物之间有何关系?

我们想知道“多远”——这看似可笑的对我们不可触及的长度进行测量——一定始于人类有历史记载之前。一个众所周知的成功始于约两千两百年前的北非地区的尼罗河入海口，那是对地球周长的测量，远在人类的第一次环球航行之前。那个希腊的图书管理员埃拉托色尼斯(Eratosthenes)并不需要知道地球的周长。然而他却着手测量它并且凭借一种非常简单的方法完成了测量。我们现在称埃拉托色尼斯为地球测量科学“测地学”(geodesy)之父。这个词的发音中包含了“奥德赛”——长途探险——一词的发音。

我们从埃拉托色尼斯那里学到的正是我从我父亲那里所学到的……在本书中我们将会看到这一点被再三地证明：那些不能直接测量的——我们无法想象能够对其进行直接测量的——可以用间接的、创造性的方法加以测量。今天我们正试图测定我们距已观测到的宇宙边界的距离，这比我们用肉眼在夜空中所能看到的如针眼般大小的亮光还要遥远许多，我们还试图测量宇宙起源的时间。这些数字确实太大了，以致对我们小小的头脑没有什么意义。尽管如此，也正是我们的小小头脑将这些数字计算出来的，一次一个富有智慧的进步，每一个进步都建立在前一个的基础之上。这是一部记录了我们的科技令人惊奇的进步的历史，尤其是在20世纪，并且这还是一部记录了人类原创性的历史。过去是，现在还是。开拓性的创造能力是不会过时的。

在你看过本书之后你可能会叫道：“当然!为什么……我也能想到那个!风车有影子。当然!”在我们所发明的测量到我们不可触及地区距离的方法中，很多都是非常简单的，几乎所有人都能理解——只比测量我祖父的风车复杂一点。但是第一次想出这些方法是多么超乎想象的聪明啊!

吉蒂·弗格森

1999年1月

遥远而且很少，遥远而且很少……

这就是Jumblies生活的地方吗?

它们的脑袋是绿色的，它们的手是蓝色的，它们成群地进入大海。

——爱德华·李尔(Edward Lear)的The Jumblies

在1997年春天，对海尔一波普彗星最惊险的一次观察是在挪威海边的洛福坦岛(北极圈的北部)进行的。雾常常遮住这片遥远的锯齿状的陆地和海景。但那个春天当薄雾消失时，他们发现彗星位于一些恒星中，且在奇怪的翻腾的极光帷幔上——一切都在水中被折射。不时地，一条彩色的带子射向天空，以一个弧形越过彗星，然后消失在恒星中。

越过了彗星?在恒星中?那么那些在洛福坦岛观察的人们一定不知道那些恒星比彗星遥远多了。当我们伸出胳膊便可以用大拇指挡住彗星和它的尾巴……专家们告诉我们彗星的尾巴是5000万到6000万英里长的光，相比之下地球就太小了。相比之下，极光只是位于我们自己门前，并没有以弧形越过彗星。

在这些章节中我们已经理解了人类几千年来对宏伟的天空之谜感到的惊讶、孤独，以及用伽利略的话说，“强烈的渴望”。人们关于它的美丽写了很多的诗歌，崇拜它，寻找是否有造物主的证据，用望远镜仔细观察，冒险找到一条通往那里的路。同时他们也很成功地测量了宇宙。

一切就变得这么平淡了吗?故事就这么结束了吗?这个巨大的谜变成了数字和图像吗?

我最喜欢的对于科学过程的比喻是从赫尔曼·邦迪(Herman Bondi)那里得知的：我们的科学知识是一个岛——一个我们所知的岛——位于广阔的未知的海洋中间。从人类在地球上开始生活起，人们就一直在扩展那个岛，并以一个很快的速度扩展。那正是人们所做的。人们扩展那个岛，就像松鼠采集坚果一样。因此我们所知的岛变得越来越大，向各个方向延伸。有时一块悬崖破裂了又回到海里，或者我们在一次飓风中损失了一些面积，或者潮汐冲走了一块海角……有人警告艾门多夫先生陆地的很大一部分在任何时候都可能发生移动。但岛仍然毫不动摇地扩展着，而我们现在知道的它的大小让我们大吃了一惊!除非未知的海洋是无限的，否则它一定会收缩。

也许是这样的。但我们注意到一些奇怪的事情发生了。每一次我们增加我们的知识岛，海岸线——我们面对未知的线——就会变得更长。我们会遇到更多不知道的东西。

在本书中我们见证了这个比喻所描述的2000多年的过程。随着故事的进展，我们看到了它在萌芽时期的特征。在前面几章中，尽管跨越了很长的时间，但只有少数几个人在水边。我们可以慢慢地看他们的传记。后面几章讨论的时间范围很短，但涉及的人增加了。个人的传记更短了，数量也更多了。第七章和第八章几乎列出了所有那些构建海角的人的名字，他们凝视着地平线，用小艇和非常昂贵的装置出航。

当然，人数的增加其部分原因是因为世界人口的增加和大学教育的普及。这一进展也可以用我们知道得越多，我们就能更好地了解那些重要的知识和发现这一事实来解释。

但是人数和项目数量的增加也可以证明我们知识岛的海岸线在增长。每天在海岸线上有更多的空间需要人们填充。我们比我们的祖先有更多的问题要思索，有更多的领域需要研究，需要寻找更多的证据，弄懂差时，测量的不确定性将影响测量的结果，对于这一点，我们很清楚……在安全地固定好脚手架之前就爬上了大型的望远镜……在技术成熟之前很早就开始测量恒星的视差……在不知道造父变星的距离时就把它们作为测量宇宙的线索……在我们对于欧米加方程的理解还模糊不清的时候就提出了欧米加方程。每个时期我们都希望当时难以完成的任务到后来会变得简单。但我们并不知道结果怎样，而且我们也不愿意等下去。

我们等待的故事并没有那么混乱。也许它更类似于我们想像中的宇宙测量的历史。许多理由使人们认为在哥白尼之后我们已经“知道”了太阳系的排列。在卡西尼之后我们“已经知道了”对行星的测量并“知道”了地球轨道的基线长度。20世纪50年代我们最终“发现”了宇宙的体积。我们所知晓的东西似乎在不断地增多。

但事实并不是那样的。我们不停地摸索，猜想，怀疑，犯错误，将梯子的两级靠得太近，感到它在我们的脚下变弯。在本书中，我们并不是在我们所知的知识岛的海岸线上结束我们的故事，而是在离海岸很远的地方建造的码头，在看不见陆地的小船上。但那并不是新鲜事。我们在本书的每一章、每一个历史时期确实能看到这些。

我们努力去理解的自然反过来告诉了我们自己的位置。有时是一个很严重的惩罚，但并不都是坏消息。可以肯定的是，人类并不是宇宙的中心，用宇宙标准来衡量，人类并不大，但也不小。从最小到最大画一条线，从对我们有利的观点来看，这条线两个方向的末端都超出了我们的理解能力。我们现在只能说，我们处在线的中点附近，感觉离两端的距离差不多相等。

还有另外一种方式来测量我们人类。如果我们从最简单到最复杂画一条线，那么我们并不在中点的位置。我们在其中的一端。我们是我们在宇宙中发现的最复杂的事物。人类的大脑仍然大部分不为人知。人类的处境是深不可测的。

“是谁拉长了测量的绳子?”上帝在《圣经》中嘲笑约伯。我们是否应该冒险举手说，“我想……那么……实际上……是我们?”也许应该。也许不应该。因为我们的知识岛——这个宝贵的、来之不易的、无价的，也许很小的人类的知识岛——和大海比起来到底有多大还是一个谜。