为了使读者能对天文学的历史、发展和现状有一个比较明晰而又扼要的了解，包括有关宇宙的认识和认识宇宙的方法，本书的叙述方式是，在介绍知识的同时，以一定的篇幅融入取得这些知识的相关过程和方法，其间穿插一些杰出科学家对人类怎样正确认识宇宙的个人贡献，但既不完全拘泥于按对各类天体由近及远逐一介绍的思路来展开，也不强求面面俱到或章节之间的表观平衡。

有机会翻阅本书的读者，能从书中的内容对天文学和天文学的研究对象宇宙的概貌有所认识。

天文学是以宇宙和宇宙中各类天体、天象为研究对象的一门自然科学，其发展史源远流长。如果说，对100万年前出现的直立人，或者10万年前的晚期智人是否已开始观看夜晚天空中的星星如今已无从考证，那么自有文字记载以来，人类对天象的关注至少已有四、五千年的历史。认识宇宙，最早也许源自人的好奇心，但更是因为人们生活和生存的需要，而发展到今天则已成为人类探索大自然奥秘并为己所用的不可或缺的重要组成部分。

天文学有一个不同于自然科学中许多学科的显著特点，那就是一旦出现了像日全食、彗木相撞那样的重大天象，或者人类实施诸如人造飞行器对彗星的深度撞击和登陆土卫六之类与天文学有关的高科技计划，则必然会引起广大公众和各路媒体的极大兴趣和关注。不少颇为时髦的天文术语，如类星体、黑洞、宇宙大爆炸、暗物质等，有的已广为流传，有的则更进入了普通大众的日常生活——昂贵的开支称为天文数字，贪婪者的心理被形象化地比喻为黑洞，等等不一而足。那么，为何天文学家能准确预报彗木相撞事件发生的时间和地点？宇宙起源于一次大爆炸的理由是什么，又为什么？天体的距离、质量这样的天文数字是怎样算出来的，可信吗？人类怎样在努力地寻找到外星人并试图与之建立联系，成功的希望有多大？这类问题的解答不仅涉及到对宇宙的认识，更需要知道如何取得这些认识的方法和过程。科学大师对丰富人类的知识宝库做出了伟大的贡献，甚至付出了毕生的精力，但这并不仅仅因为他们具有超常的智慧，而且还在于这些科学家有着不折不挠和实事求是的科学精神，对于任何一个有上进心的普通人来说，认清这一点无疑会大有裨益。

第1章 人类认识宇宙的三部曲

1.1 目心说的创立和早期求证／1

1.2 从观赏银河到认识银河系／20

1.3 在科学争论中确认河外星系／32

第2章 探索地球的近邻

2.1 行星发现简史／44

2.2 寻找“失踪”的行星／62

2.3 从深度恐惧到“深度撞击”／74

2.4 揭开行星环的奥秘／91

2.5 太阳系的起源／102

2.6 彗木相撞及其思考／113

2.7 飞出地球去／133

2.8 地球运动与历法变迁／152

第3章 认识银河系400年

3.1 银河系天体的多样化形态／170

3.2 洞察恒星奥秘的赫罗图／186

3.3 恒星如何走完它的一生／198

3.4 银河系的来龙去脉／218

3.5 不断开拓测天之路／230

3.6 探索外星知音／253

第4章 更上一重天

4.1 银河系外的景观／276

4.2 超大规模宇宙灾变／293

4.3 宇宙在大爆炸中诞生／309

4.4 佐证与异见／324

4.5 量度宇宙的身材／339

4.6 探索中深化对宇宙的认识／355

1.2 从观赏银河到认识银河系

揭示银河的真面目

晴朗夜晚的天空，特别是在夏季，只要没有城市灯光和明月月光的影响，便可以清晰地看到一条乳白色的不规则亮带横跨夜间星空，从地平线的一端起，经过头顶附近，一直延伸到地平线的另一端。这就是银河，在中国古代又称为银汉，而在西方则称作“牛奶之路(Milkyr Way)”。关于银河，无论是在中国还是在西方，都流传着许多美丽动人的神话故事。

如果在一年四季的不同日子里仔细地观察银河的位置和形态，就会发现银河在整个天空中构成一条封闭的环带，称为银道带。银道带的轮廓颇不规则，不同部分的亮度不等，有的地方会出现一些暗区，有的地方甚至一分为二。银道带的宽窄很不一致，最宽处可达30度，或者说大致相当于月球直径的60倍(从地球上看，月球直径的张角约为30分)，最窄的地方也有10度。

天文学上为了便于识别满天恒星，把全天划分为大小不等的88个天区，并赋予不同的名称，称为星座，如大熊座、仙后座等。银河所经过的天区共涉及到23个星座，可见它的范同相当大。另一方面，由于地球绕太阳的公转运动，不同月份所看到的银河，其形状、亮度和在天空中的位置会有很大的变化。就北半球的中纬度地区来说，以夏秋之交晴天夜空中的银河最为明亮。

“放眼望深渊，星斗布满天，繁星数不尽，天涯若无边”，俄同科学家罗蒙诺索夫用美丽的诗句对星空做了绝妙的描述。早在15世纪中叶，法国大主教尼古拉就已天才地猜测黑夜天空中所见到的点点繁星都是一个个十分遥远的太阳。1584年，布鲁诺在大力宣传哥白尼日心说的同时，进一步明确提出宇宙无限的概念，他认为恒星是遥远的“太阳”，太阳只是一颗普通的恒星。不过，在当时这些具有远见的猜测并没有任何实测科学依据，更没有引起学者们的普遍关注。在漫长的历史时期中，银河只是一种人们观赏的夜景，并引起许多诗人的遐想。

对银河本质的认识首先得归功于望远镜的发明。1608年，荷兰米德尔堡一位眼镜制造商利伯希(H.Lippershey)存一次偶然的机会中造出了世界上第一架望远镜，而这也许还得归功于两个调皮的孩子。据说，利伯希开了一家眼镜店，他为人和善，孩子们常到他店里玩弄眼镜片，甚至把镜片拿到店外面去。有一天，两个孩子在利伯希的商店门口摆弄几片透镜，他们通过前后两片透镜观看远处教堂顶上的风标，好像发现了什么而显得十分高兴。利伯希看到了孩子们的欣喜表情似乎不同寻常，于是就跑了过去。他也拿起这两片透镜米观看，结果发现远处的风标居然放大了好多。这使利伯希大为兴奋，他立即跑回店中，把这两片透镜装在一个筒子里，第一台望远镜就这样诞生了。同年，利伯希便很快为自己的望远镜申请到了专利。他制作了许多望远镜出售给个人和荷兰政府，并用于军事和航海事业。是年，英国军队入侵荷兰，英荷两国处于交战状态，利伯希的望远镜在战争中自然很快大显身手。最后荷兰人打败了入侵的英国军队，至于望远镜在战争中起了多大的作用就不得而知了。

1609年，伽利略率先把望远镜对准了银河。通过望远镜观测他发现银河实际上是由无数颗恒星所构成的，只是因为这些星星又多、义暗、又密，离开地球都非常远，人的肉眼无法一一加以分辨，因而在夜间天空中便形成了一条模糊的银白色光带，成为人们所看到的银河图景。伽利略的这一发现对认识银河的本质具有重要作用，神秘的银河开始显露出它的本来面貌。

赫歇尔开创银河系天文学

1750年，英国天文学家赖特(T.Wright)指出，银河和天空中所有的恒星实际上构成一个巨大的扁平状恒星系统，也就是现在所说的银河系，其外形有点像运动员用的铁饼。“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，只是因为包括地球在内的太阳系处于这一系统的内部，从地球上无法直接看出银河系的真实形状，只是沿不同方向看去，银河系表现为恒星高度密集的银河，或者是离散分布的一颗颗恒星，而银道带正是银河系主体部分在天空中的投影。不过，尽管赖特对银河系总体结构的认识是正确的，但他并没有给出观测上的证据。首先通过实测来研究银河系结构的是著名英国天文学家威廉·赫歇尔。

l138年11月15日，赫歇尔生于德国汉诺威。早年，在父亲的影响下曾以音乐为生，16岁便在军乐团吹奏双簧管。赫歇尔的父亲可谓多才多艺，在晚间除对6个子女教授音乐外，还会指点他们认识星空，给少年赫歇尔以天文启蒙教育。1757年英法战争期间法军占领汉诺威后，赫歇尔只身渡海移居伦敦，并开始他的业余天文生涯，直至成为专业天文学家。他一生中制作了数以百计的望远镜，在天文学的诸多领域做出了杰出贡献。1782年赫歇尔被授予柯普莱奖章，并成为英国皇家学会会员。翌年，被英工乔治三世聘为宫廷天文学家。1821年，赫歇尔成为英国皇家天文学会的首任会长。

从1770年代起，赫歇尔在他妹妹卡洛林·赫歇尔(C.L.Herschel)的支持下，开始用恒星计数的方法来研究银河系的结构。所谓恒星计数，也就是用他的望远镜逐个计算在天空不同位置上所能看到的恒星的数口。赫歇尔在几十年内所作的1083次观测中，总共计数了117600颗恒星，就当时的条件来说，照相术还没有问世，这项工作的工作量非常之大，赫歇尔为之付出了极大的心血，他和他的妹妹经常是通宵达旦地数星星，从不放弃一个晴夜。由于全身心地投入天文事业，赫歇尔到50岁才结婚，54岁得子，而卡洛林则终生未嫁。

1785年，赫歇尔在大量观测的基础上，再加上若干理论假设，建立了天文学史上的第一个银河系模型。赫歇尔在建立他的银河系模型时所作的假设是：(1)所有恒星的实际发光本领是一样的，因此看上去越暗的恒星离开地球就越远；(2)恒星际空间完全是透明的，即不存在任何会影响至l}星光亮度的星际物质；(3)恒星的空间分布是均匀的，因此看到恒星越多的地方，恒星分布的延伸范围就越远；(4)用他的望远镜里以看到最远的恒星，也就是说可以看到银河系的边缘。现在知道，赫歇尔的4个假设实际上都不能成立：不同恒星的光度可以相差很大，因而暗的星并不一定就足远的星；银河系中存在各类星际物质，它们的分布很不均匀，并影响到恒星的亮度，而且在不同观测方向上这种影响的程度是不同的；恒星的空间分布很不均匀；赫歇尔的望远镜不可能观测到银河系的边缘，即使现代大望远镜也无法做到这一点。因此，从今天来看，赫歇尔的银河系模型显得相当粗糙，与实际情况有很大的差异。尽管如此，他的模型还是大体上勾画出了银河系中间厚、边缘薄，以及呈现有扁平、对称状的轮廓。

赫歇尔的观测是在北半球进行的，没有涉及到只有在南半球才能看到的那部分恒星。1830年代，老赫歇尔的儿子约翰·赫歇尔(J.F.Herschel)把父亲的恒星计数工作扩展到了南半球，他不辞辛苦地远赴南非好望角，在大约5年的时间内，作了2299次观测，共计数了70 000颗恒星，从而为银河系结构的研究奠定了更为坚实的观测基础。从赫歇尔父子的工作和成就，又一次可以看到科学家为探索科学真理而不懈努力的科学精神。

赫歇尔的工作具有重大的历史意义，它证实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在，从而把人类的视野从太阳系拓展到了比太阳系大得多的银河系。这是继哥白尼建立日心说之后，天文学发展史上的又一个重要里程碑，赫歇尔也因此而被誉为“恒星天文学之父”。

P20-25

伽利略曾经有这么一段名言：“科学的真理不应该在古代圣人蒙着灰尘的书本中去寻找，真正的哲理是写在那本经常在我们面前展开着的最伟大的书里，这本书就是宇宙，就是自然本身，人们必须去读它。”

天文学是以宇宙和宇宙中各类天体、天象为研究对象的一门自然科学，其发展史源远流长。如果说，对100万年前出现的直立人，或者10万年前的晚期智人是否已开始观看夜晚天空中的星星如今已无从考证，那么自有文字记载以来，人类对天象的关注至少已有四、五千年的历史。认识宇宙，最早也许源自人的好奇心，但更是因为人们生活和生存的需要，而发展到今天则已成为人类探索大自然奥秘并为己所用的不可或缺的重要组成部分。

人类认识宇宙的进程主要包含了两方面的内容，这就是了解宇宙中各类物质形态的内在性质，从而获得相关的科学知识，以及探索取得这些认识的科学方法。掌握科学方法是获取科学知识的前提，这已无数次为科学发展的过程所证实，其中自然也包括天文学。古人由于缺乏科学知识，更少有科学方法，因无知而对“天”产生畏惧、崇敬的心理，于是迷信邪说和伪科学便应运而生，甚至今日仍有相当多的笃信者，而且其中不乏高学历的年轻人。从这一点来看，要使全人类正确认知宇宙可谓任重而道远。

天文学有一个不同于自然科学中许多学科的显著特点，那就是一旦出现了像日全食、彗木相撞那样的重大天象，或者人类实施诸如人造飞行器对彗星的深度撞击和登陆土卫六之类与天文学有关的高科技计划，则必然会引起广大公众和各路媒体的极大兴趣和关注。不少颇为时髦的天文术语，如类星体、黑洞、宇宙大爆炸、暗物质等，有的已广为流传，有的则更进入了普通大众的日常生活——昂贵的开支称为天文数字，贪婪者的心理被形象化地比喻为黑洞，等等不一而足。那么，为何天文学家能准确预报彗木相撞事件发生的时间和地点？宇宙起源于一次大爆炸的理由是什么，又为什么？天体的距离、质量这样的天文数字是怎样算出来的，可信吗？人类怎样在努力地寻找到外星人并试图与之建立联系，成功的希望有多大？这类问题的解答不仅涉及到对宇宙的认识，更需要知道如何取得这些认识的方法和过程。科学大师对丰富人类的知识宝库做出了伟大的贡献，甚至付出了毕生的精力，但这并不仅仅因为他们具有超常的智慧，而且还在于这些科学家有着不折不挠和实事求是的科学精神，对于任何一个有上进心的普通人来说，认清这一点无疑会大有裨益。

为了使读者能对天文学的历史、发展和现状有一个比较明晰而又扼要的了解，包括有关宇宙的认识和认识宇宙的方法，本书的叙述方式是，在介绍知识的同时，以一定的篇幅融入取得这些知识的相关过程和方法，其间穿插一些杰出科学家对人类怎样正确认识宇宙的个人贡献，但既不完全拘泥于按对各类天体由近及远逐一介绍的思路来展开，也不强求面面俱到或章节之间的表观平衡。天文学的内容博大精深，相比之下笔者的认知水平则甚为有限，挂一漏万和错谬之处当在所难免。谨希望有机会翻阅本书的读者，能从书中的内容对天文学和天文学的研究对象宇宙的概貌有所认识，如果有所提高那就更好了。不过，读者也将会看到，天文学所涉及的方方面面听起来颇为引人入胜——这正是它经常成为科幻电影或科幻小说的题材，并为人们津津乐道的原因，但如果没有投身科学的精神，做起来可并不怎么轻松有趣，甚至还相当枯燥。

再一次引用伽利略的教诲，不要只限于从书本汲取学问，要把自己的视野和思考扩大到周围的整个世界。

赵君亮

2008年2月