作者精彩地讲述了祝融星的故事……从艾萨克·
牛顿开始，贯穿科学史，优雅地解释了科学思想进步
的本质和爱因斯坦所创造的革命性奇迹。
——《自然》
这是一个鼓舞人心的故事，它关乎人们对探索的
追求，以及在理解宇宙时所面临的挑战和所获得的喜
悦。
——沃尔特·艾萨克森

今年7月初发生的智利日全食，对天文学界而言是一场
盛宴。再往前回看2017年，横跨整个美国的超级日食更是
吸引了全球各地的天文观测者前去观赏。当然，要是细数
从古至今的著名日全食事件，1919年5月29日的那一次绝对
不容遗忘。故事还要从牛顿开始讲起。
在爱因斯坦之前，牛顿建立起了整个物理学的基础，
人们选择运用牛顿万有引力定律解释宇宙的奥秘。特别是
勒威耶运用牛顿定律在“笔尖上”发现了海王星，更证实
了这个伟大定律的正确性。水星轨道的异常问题困扰了天
文学家多年，勒威耶沿用发现海王星的办法，提出水星轨
道内还存在一颗未知的行星——祝融星，于是，人们开始
了漫长的猎星之旅。然而这一次，牛顿定律似乎“失效”
了。
直到1915年，爱因斯坦提出广义相对论，并首先将其
应用于解决水星近日点异常进动。他从计算中可以确认，
祝融星并不存在，这个困扰人们多年的问题至此才终于得
到解决。而1919年的那次日全食，是广义相对论第一次经
过实验得到验证。爱因斯坦曾经说过：“想象力比知识更
重要。”在他卓绝的想象力之下，现代物理学的大门就此
开启。
本书作者讲述了这段几近为众人所遗忘，却又承上启
下的历史。这其中既有对科学家生活和性情的趣味描述，
又有对科学工作所涉及的知识的通俗解读，使读者毫不费
力地理解引力、时空弯曲和相对论的缘起。此外，我们还
能从本书中看到科学工作是如何开展的，以及科学家如何
思考问题并解决问题。相对论（包括狭义相对论和广义相
对论）已诞生逾百年。科学家于2016年直接探测到引力波
，又于今年揭晓黑洞的首张照片，这些发现都确证了广义
相对论的预言。大胆质疑、打破传统、勇于想象，这永远
是科学不断前进的动力。古往今来，总是有先行者不囿于
窠臼，而科学就在这些勇士的脚下不断进步。
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后浪出版公司
2019年8月

译者导读
前言
第一部分 从牛顿到海王星（1682—1846年）
第1章 “牢不可破的世界秩序”
第2章 “快乐的思想”
第3章 “这颗星没在星图上”
插 曲 “太不可思议了”
第二部分 从海王星到祝融星（1846—1878年）
第4章 38秒
第5章 扰动质量
第6章 “搜索将圆满结束”
第7章 “躲藏了这么久”
插 曲 “解决问题的特殊方法”
第三部分 从祝融星到爱因斯坦（1905—1915年）
第8章 “最快乐的思想”
第9章 “帮帮我吧，我快要疯了”
第10章 “欣喜若狂”
后记：“渴望看到……先定的和谐”
致谢
注释
参考文献
插图来源
出版后记

第1章“牢不可破的世界秩序”
1684年8月，剑桥
埃德蒙·哈雷（EdmondHalley）刚刚经历了一个悲伤而又焦躁的春天。3月，他的父亲失踪了。在斯图亚特王朝统治的最后几年中，政局混乱，这算不上多么稀奇的事。哈雷的父亲在五个星期之后被发现，当时已经死亡，也没有留下任何遗言。在接下来的几个月里，年轻的哈雷不得不处理麻烦的后事：教区牧师欠他父亲12英镑；作为房地产交易费用的一部分，每年要付给一位女士3英镑；还要收租、安抚托管人。这些痛苦的差事几乎耗费了哈雷整个夏天。最后，他还必须跑到剑桥镇，当面处理一些在伦敦理不清的细节。
这趟旅行起初没有什么快乐可言，但交代清楚那些法律事务之后，意想不到的好运找上了他。早在1月，哈雷遭遇这些变故之前，他巧妙地对天体进行了分析，计算表明，驱使行星围绕太阳运行的作用力满足这样一种性质：力的大小与它们到太阳的距离的平方成反比。但紧接着问题就来了，这个被称为平方反比定律的数学表达，可以解释我们观测到的所有行星的运动轨道吗？
这看起来只是个技术问题，但欧洲最聪明的头脑意识到，它将带来一场变革。平方反比定律的确成了科学革命的高潮，在那场漫长的斗争中，数学取代拉丁语成为科学的语言。1684年1月14日，哈雷和两位老友在一次皇家学会会议之后聊了起来。这两位分别是博学的罗伯特·胡克（RobertHooke）和皇家学会前任主席克里斯托弗·雷恩（ChristopherWren）爵士。当他们把话题转到天文学的时候，胡克宣称他已经得出了指导宇宙万物运动的平方反比定律。雷恩不相信他，因此用一本在今天价值300美元的书作为赌注：哈雷和胡克之中，如果谁能在两个月之内给出这一定律的严格证明，谁就能得到这本书。哈雷很快就承认无法做到，而胡克尽管虚张声势，却也没能在雷恩的截止日期之前提供书面的证明。
事情就卡在了这里，直到哈雷与亲属一起料理完父亲的后事。当时，哈雷就在伦敦东边的剑桥——为什么不顺路去剑桥大学呢？在那里至少可以享受一下午讨论自然哲学的乐趣，缓解之前的悲伤与烦躁。哈雷走人圣三一学院，大门的左侧是学院广场，右侧的楼梯把哈雷领到一个房间。在这里面的，正是卢卡斯数学教授——艾萨克·牛顿。
对牛顿的大部分同时代人来说，1684年的夏天是一个谜。伦敦的自然哲学家们往往视牛顿为智慧非凡的圣人，但哈雷是牛顿为数不多的熟识的人，更是他寥寥无几的朋友之一。关于牛顿工作的公开记录非常稀有。他的名望基于少数几个杰出的研究结果，这些成果大部分都体现在17世纪70年代初他写给皇家学会秘书的信件中。牛顿暴躁、骄傲，动辄就生气，还记仇。早年问，他与胡克的纠纷让他不愿意再冒险进行烦人的公开辩论；往后的10年问，他的大部分研究成果都没有公开。因此，正如为他立传的传记作家理查德·韦斯特福尔（RichardWestfall）所言，如果牛顿死于1684年的春天，那他为人们所记住的将是他非凡的天赋和古怪的性格，仅此而已。但那些到三一学院巨庭（GreatCourt）东北角房间访问的人却会发现，这里有一颗热情的、整个欧洲都无人能与之匹敌的头脑。（P3－5）

当前唯一一部讲述这颗人类想象中的行星的作品。
从天王星到祝融星，从牛顿到爱因斯坦，从万有引力定律到相对论，从细微之处洞察科学如何进步。
步入爱因斯坦的世界，跟随爱因斯坦的视角，从头开始理解相对论，打开对宇宙的新认知。
记述了历史上两次著名的日全食事件，回到历史现场，使读者切身感受人类在科学道路上永不畏惧、永不停息的精神。

1915年11月18日，柏林
一个从西郊来的男人正在赶路，他的目的地是城中心
。这个男人的头发通常总有一些蓬乱（这头蓬乱的头发未
来将和他本人一样出名），但今天却因为一场公开讲座而
被收拾得相当服帖。他走上菩提树下大街，这条大街穿过
勃兰登堡门，向东一直延伸到施普雷河。他径直走进菩提
树下大街8号，这里通往普鲁士科学院。
这是一战打响后的第二年，秋天的一个星期四。科学
院的成员们赶来聆听一场学术讲座。这个系列讲座一共有
四场，这一天进行的是第三场。这个系列讲座的主讲人是
他们的一位新同事，这位尚年轻的男子走到房间前方，掏
出他的笔记——仅仅是几页稿纸，就开始了演讲。
这位年轻人便是阿尔伯特·爱因斯坦，当天的演讲以
及随后一周进行的又一次演讲，成就了这位20世纪最伟大
的天才。我们现在把他的这些思想称为广义相对论：这是
关于引力的理论，也是宇宙学的基础。宇宙学是把宇宙作
为一个整体，研究它的诞生和演化的学科。爱因斯坦的结
果标志着孤独思考者的胜利：他战胜了同行的偏见与怀疑
，也超越了历史上最著名的科学家，艾萨克·牛顿爵士。
虽然爱因斯坦的理论横扫一切，但在18日那天的演讲
中，他只重点讲了一个小东西：水星。这是当时已知的最
小行星。具体说来，他讲的是水星轨道原因不明的微小异
常——科学家观测到水星的轨道不太稳定。但是直到爱因
斯坦的演讲之前，关于水星轨道的异常现象，科学家一直
没有合理的解释。
到1915年为止，水星这种不安分的行为已经被发现了
六十余年了。在这期间，天文学家在探索水星古怪行为的
道路上越走越远。一切工作都建立在牛顿引力理论的经典
框架内（这是科学革命最伟大的胜利），对此最早、看上
去也最明显的解释是，在太阳的烈焰附近隐藏着一颗全新
的行星，它产生了足够大的引力，使水星偏离了“正确”
的轨道。
行星由于受到干扰而偏离轨道是个完全合理的假设。
事实上，的确存在这样的先例，最初看起来不合逻辑，但
最终被证明是正确的。随着水星轨道问题变得众所周知，
业余爱好者和职业天文学家都热衷于在太阳的光芒中探寻
和辨认这颗“潜伏”着的行星。在二十多年的时间里，它
被反复发现了十多回。人们计算了它的轨道，根据古老记
录中无法解释的天象还原了它的历史，甚至还赋予了它名
字：祝融星（Vulcan）
然而，唯一的问题是：
这颗行星，从来都不存在。
本书讲述了祝融星的故事：它的身世、诞生，它在热
切的追捕者眼中古怪而又难以捉摸的经历，它被打入炼狱
的日子，以及最终在1915年11月18日命定爱因斯坦之手。
初见之下，这似乎有些许讽刺，似乎这是一个关于19
世纪天文学家的愚蠢和维多利亚时代的绅士们执着地追逐
一个谬误的故事。但祝融星的故事绝不只是一场荒唐可笑
的事件，它有着更深刻的内涵。它触及了科学发展的真正
核心，与我们在学校里学到的全然不同。
理解物质世界是一项艰巨的事业，它带来一个关键问
题：如果某些观测现象不能用人类现有的知识体系加以解
释，我们该何去何从？标准答案是：我们需要修正科学理
论以解释那些新的事实。毕竟，科学才是精确认识事物的
唯一利器。所有的科学结论，即便是那些最受人们欢迎的
，最终都将接受事实的检验。在人们对科学方法的常见描
述中，任何有悖于实证结果的理论都是站不住脚的，人们
需要建立新的理论来解释这些实证结果。
但是人们难以改变已经根深蒂固的理论观念，牛顿理
论便是典型的例子。数十年里，传统的引力理论如此强大
，以至于观测者们冒着视网膜被烧穿的危险、前仆后继地
在太阳附近寻找祝融星。并且，仅仅是水星轨道异常这样
与流行科学图景相反的事实，还不足以撼动牛顿理论的大
厦。纵观人们对祝融星的探索历史便能发现，如果不是在
极度紧迫或者存在另一种“替补”理论的情况下，没有人
会心甘情愿地放弃强大、优美，或者仅仅只是熟悉且实用
的理论概念。
在一战爆发后，第二年11月的第三个星期四，爱因斯
坦终结了祝融星的历史。为了提出这个全新的引力图景，
爱因斯坦花费了近十年光阴。在新图景中，物质和能量告
诉空间和时间如何弯曲，而空间和时间告诉物质和能量如
何运动。在那个星期四下午，爱因斯坦向同事展示了他的
证明：考虑相对论效应后，水星貌似“偏离”，实则遵循
它的自然轨道。这个结果在经过一系列的数学推理后浮现
出来，是客观事物服从于数学的完美结果。
在此背景下，祝融星成为广义相对论的第一个测试对
象，它的命运决定了爱因斯坦的理论是否真正洞察了我们
这个宇宙的某些运行方式。但要做到这一点，也就是通过
古怪的广义相对论来预测祝融星的命运，需要大胆而又精
细的推理：爱因斯坦奋斗了八年多才了结了这颗幽灵之星
。这一部分故事充分展现了一个思考者需要具备多强的能
力，才可以在前人的智慧之上独自做出伟大的发现。
通常，爱因斯坦是一个相当冷静的人，但在这一件事
上，他极为激动。他告诉朋友，当完成水星轨道计算、看
到正确的数字出现在一长串单纯的推理之后，发现自己的
方程轻而易举地就解决了水星的运动问题时，他整个人仿
佛被击中了。他感到心跳加速：“好像有什么东西从身体
里迸发出来。”
祝融星早已成为过去，几乎完全被今人遗忘。从今天
看来，那可能只是科学界的花边新闻，是我们的先辈犯过
的又一个错误，而我们现在对它有了更深的理解。但对于
如何面对科学中的失败这一问题，在科学革命甫一开始便
很棘手，至今依然如此。我们或许，也的确比古人知道得
更多，但并不能因此就免于落入思维的窠臼和想象的瓶颈
，也不能避免前人的错误。人类具有发现和自我欺骗的双
重能力，祝融星的故事就是这样的一个例子。它提供了一
个机会，告诉我们认识真实的自然界有多么不容易，改变
固有的观念是多么困难。
摒弃经验，拥抱新知。当我们这样做的时候，这便是
一个越发有趣的传奇。

水星是距离太阳最近的行星，在几个世纪的观测中，人们发现水星轨道存在轻微的扰动。这与牛顿理论所预言的行星行为有些许偏差。为了解释这种现象，根据牛顿万有引力定律，法国天文学家勒威耶进行了计算，于1859年提出假设：水星轨道内尚有一颗未被人们发现的行星。他还以罗马神话中火神的名字（Vulcan）为之命名（对应中文译名即“祝融星”）。此后，人们开始疯狂地寻找这颗行星，但除了一位乡间业余天文学家声称目击了它之外，没人能再次证实它的存在。1915年，爱因斯坦的广义相对论体系构建完成，首先解决的问题就是解释水星轨道的扰动现象。自此证实：祝融星并不存在。