星空的琴弦:天文学史话

1，国家文津奖得主汪洁，继《时间的形状》后又一畅销力作，用通俗幽默的语言讲述一部与众不同的天文学史。从托勒密到哈勃，从大地的形状到宇宙的尺度，用讲故事的方式历数人类在天文上的重大发现

2，托勒密的地心说为什么能统治世界 1500 年？哥白尼、开普勒、伽利略如何改变了人类的宇宙观？宇宙到底是有限还是无限的？当今天文学很大的谜题是什么？星系与星系之间的空间真的是完全空旷的吗？宇宙将会怎样终结？从大地的形状到日月星辰的变化，从天文学问题到银河系的秘密，跟随作者，你将进入浩瀚的宇宙，体会科学带来的震撼

3，这是一部人类探索天文的历史，更是一部人类理性崛起的历史。跟随本书，你将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

从托勒密到哈勃，从大地的形状到宇宙的尺度，本书用讲故事的方式历数人类在天文上的重大发现。

今天，在微观上，我们已经可以探测到100亿亿分之一米大小的尺度；在宏观上，已经拍到了距离我们132亿光年的天体图像。人类已经对自己身处的这个宇宙有了一个基本的认识：地球只不过是太阳系中一颗普通的行星，而太阳系也不过是银河系中普通的一个恒星系，而银河系也不过是本星系群中的一个普通的涡旋星系，而本星系群又不过是宇宙中无数个星系群中的普通一员。我们这个宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸，它不但在膨胀，而且在加速膨胀。这些我们已知的天文知识的来源都有着不平凡的经历，一代又一代的天文学家们耗费了毕生的心血，把人类对这个世界和宇宙的认识提升到了一个又一个新的高度。

跟随作者，我们将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

宇宙不可理解之处在于它竟然是可解的，这大概就是人类思维上的至高享受了。当我们仰望星空，看到的既是浩茫的空间，也是深远的时间，天上的星星发出的光芒跨越了漫长的时空到达地球，我们看到的，其实是宇宙的历史。

这是一部人类探索天文的历史，更是一部人类理性崛起的历史。跟随本书，你将回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。

汪洁，科普作家，第八届文津奖获奖图书得主，著有《时间的形状》《外星人防御计划》等。全国各科技馆及大、中、小学人气嘉宾，知名电台节目《科学有故事》主播，在喜马拉雅、蜻蜓、网易云音乐、凤凰FM等电台订阅听众超过15万，全平台累计播放量超过1000万次。

前言科学精神比科学知识更重要／001

一大地的形状／007

二日月星辰的变化／014

三古代天文学之大成／022

四中国古代天文学思想／030

五哥白尼单挑托勒密／037

六天空立法者开普勒／047

七伽利略的证明／058

八牛顿的天体力学／067

九恒星不恒／075

十天文学第一问题／083

十一失踪的行星／088

十二初窥银河／093

十三银河系揭秘／102

十四宇宙的尺度／109

十五膨胀中的宇宙／114

十六大爆炸／119

十七星际有机分子／132

十八类星体／135

十九脉冲星／138

二十哈勃的宇宙／141

二十一暗物质／147

二十二暗能量／153

二十三宇宙有限还是无限／163

二十四最后的问题／167

二十五探索永无止尽／189

后记／199

一谈到宇宙诞生于一场大爆炸，多数人头脑中的景象是这样的：在无边无际的黑暗中，突然，一个光点像焰火一样炸出来，无比绚丽。大多数关于宇宙的纪录片都是这样拍的，但实际上，这个场景是错误的。这无法怪导演，换了我也只能这样拍，因为正确的图像是无法用影像准确描述出来的。真正的情况是：在创世的那一刻，没有黑暗，没有空间，甚至没有时间，没有就是没有。整个宇宙，也就是你脑子中想象出来的一切有形的东西，都包含在一个原子大小的尺度内，当一切都炸开之后，才产生了空间和时间。好吧，我承认我以上说的一切都令人相当费解，至少是难以想象，我再用下面一个类比的方法，帮助你理解宇宙诞生时的空间。

现在，让我们做一个疯狂的假想：如果我们回到?138?亿年前，那时候的宇宙只有一个牢房那么大，20?平米左右，那么，当你身处这个宇宙中时，你会看到什么？你会看到，如果朝前面看，自己的背影就在几米开外的前方；朝后看，另一个自己就在几米开外的后方，与你做着同样的动作，再朝上朝下看，都能看到一样的自己。当你朝前面跑时，前方的自己也开始跑，只用了几步你又跑到了自己出发的位置，不管你朝任何一个方向跑，都会回到原点。这是一个无限循环的三维空间，你根本不可能“出去”，因为根本没有“外面”，整个宇宙就在你眼中，这就是“有限无界”的宇宙观。听上去有点儿恐怖，这样的牢房就是真正无法越狱的完美牢房。现在，请把这样一个有限无界的宇宙不断地在你的脑海中缩小再缩小，一直缩小到只有一个原子大小。注意，没有“外面”，也没有黑暗，空间和时间都禁锢在这个“宇宙”中。然后上帝说“要有光”，于是，这个宇宙开始急速膨胀，这就是“宇宙大爆炸”理论。

请注意，我刚才的那个牢房的比喻是针对宇宙刚刚诞生的时刻。那么，我们今天的宇宙在经历了?138?亿年的膨胀后，是否依然是一个巨大的恐怖牢房呢？如果我们朝一个方向一直飞一直飞，最后会不会回到原地呢？虽然还没有定论，但是越来越多的宇宙学家认为，我们今天的宇宙是一个无限大的宇宙，我们永远也无法飞回到原地，这个观点得到了理论和观测的有力支持。这个话题在后面还会详谈，这里先放一放。

自从这个宇宙微波背景辐射被探测到后，一大批科学家都兴奋地投入到这个领域中。相比考古学家来说，宇宙学家是无比幸福的，为什么这么说呢？因为考古学家在研究远古时代的地球时，面对的都是经过了成千上亿年时间洗礼的遗迹，他们只能通过残留下来的点点蛛丝马迹，艰难地还原当时的现场。可是宇宙学家，自从发现了微波背景辐射后，就相当于找到了宇宙诞生时刻的光子，这些光子跨越了?100?多亿年的漫漫时空，来到地球。当研究宇宙的微波背景光子时，也就是在端详宇宙大约?138?亿年前的模样。于是，全世界投入了大量的人力物力，建造出一个又一个精密无比的天文仪器。在随后的十几年里，对宇宙微波背景辐射的研究是整个宇宙学乃至天文学最热门的一个领域。但是随着测量数据越来越精确，许多大爆炸的支持者却变得越来越坐立不安，因为一个幽灵从这些测量数据中慢慢地浮现出来，这个幽灵是什么呢？

从宇宙背景辐射的探测数据中，他们发现整个空间中的辐射是完全均匀的，无论把天线指向哪里，辐射的温度都是?2.725K?左右。也就是说，宇宙“大火球”的温度极为惊人地均匀一致，用专业点的术语讲，就是宇宙在?10-5?量级上都表现出完美的各向同性。

你可能会奇怪了，这听上去应该是很正常啊，如果不均匀我才会觉得奇怪呢，怎么宇宙大火球温度均匀一致反而成了一个幽灵、一个谜题呢？

是这样的，按照广义相对论的计算，在宇宙诞生的那一刻，宇宙空间膨胀的速度是如此之快，以至于其中不同区域相互远离的速度超过了光速（别问我是怎么计算出来的，那个太难懂了，一大堆的微分方程组，我哪里看得懂。总之你跟我一样，知道结论就可以了）。等等，相对论不是说光速是速度极限吗？怎么你这里说超过了光速？这里其实有一个广泛的误解：相对论所说的光速极限是指的信息和能量的传递速度无法突破光速（可以参看拙作《时间的形状—相对论史话》），而空间的膨胀本质上是一种视运动，其速度是完全可以超过光速的。换句话说，星系与星系之间的相对退行速度是不受任何速度限制的，因为这种速度并没有信息和能量的传递，所以完全合法。

这样一来，问题就出来了。我们想象一下，宇宙在诞生的时候，“砰”的一声炸得四分五裂，但是由于空间的膨胀速度超过光速，也就是意味着每一个碎块与碎块之间的分离速度超过了光速，那么这些碎块与碎块之间绝对不可能发生任何能量交互，也不可能发生热量的传导，但是最终的结果，却是所有的碎块温度全部惊人地一致。这就好像夜空中炸开了一朵焰火，但是焰火每一颗火星的温度都极为精准地完全一致。这个情况与当时理论计算的结果产生了严重的矛盾，宇宙学家们将这个谜题称之为“视界问题”。

这个谜题不但困扰着当时无数的物理学家和宇宙学家，也困扰着在美国斯坦福直线加速器中心工作的理论物理学家阿兰·古思（Alan Guth，1947?年-）。不过这个古思是个牛人，他在?1979?年首次提出了一个理论，后来又经过另外几个科学家的关键改进，成功地解决了困扰学界多年的视界问题，并且被物理学界广泛接受，这就是大名鼎鼎的“暴胀理论”。暴胀理论也是严格地依据广义相对论计算得出的。大家知道广义相对论是非常难解的一组偏微分方程组，弗里德曼他们搞出的大爆炸宇宙模型也可以称为弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克解，是广义相对论方程的一个精确解。古思他们就在原来的这个解的基础上，利用广义相对论的某些特性，如排斥性引力、量子场等（我又是看书又是看维基百科，但自己看得也是一知半解），经过更加精密的计算，修正了原有的大爆炸理论，搞出了一个暴胀理论。这个理论其实非常复杂，也涉及到众多概念和计算，但是我还是可以试着用一种概括的方式跟大家概述一下：

视界问题之所以会折磨原有的标准大爆炸模型，是因为空间的不同区域分离得太快，不足以建立起热平衡。暴胀理论则减慢了在宇宙最最初期时刻的膨胀速度，使宇宙大火球有足够的时间建立相同的温度。在完成了这个热平衡后，宇宙经历了一次短暂的爆发性的膨胀，而且越来越快，以对早期的缓慢膨胀做出补偿，这就是暴胀这个词的由来。这个理论的核心内容是说，宇宙空间在迅速远离之前就已经建立了共同的温度。

那么这个暴胀的速度是多快呢？古思他们的计算表明，在?10-35秒到?10-33?秒之间，也就是十亿亿亿亿分之一秒的时间内，宇宙的尺度突然增大了?1026?倍，也就是一百亿亿亿倍。这是个什么概念？我简单做了一个计算，相当于一粒尘埃瞬间膨胀成?10?个银河系这么大。这里插一句题外话，我在写这段的时候，查阅暴胀理论的相关资料，我头很大。因为，在《万物简史》这本书中，说的是宇宙在暴胀期间膨胀了?1040?倍，而百度百科的暴胀理论词条中则更夸张，是?1078?倍。一开始，我也搞不清楚到底谁对谁错，于是我自己动手做了下计算，普朗克尺度大约是?10-35?米的量级，所谓普朗克尺度就是理论上的最小尺度，就像绝对零度那样，不可能再有比这更小的尺度了。而目前普遍认为的可观宇宙的大小是直径?930?亿光年，相当于?1026?米的量级，也就是说即便是从最小暴胀到最大，也就是?1061倍。百度百科的数据显然荒谬得很，而《万物简史》的那个数据也看着不像，因为我粗略计算一下，1040?相当于一粒尘埃膨胀到现在整个可观宇宙的大小。最后我采信的数据是维基百科的数据，也就是1026?倍，我根据这个数据计算，差不多就是一粒灰尘膨胀到?10?个银河系的尺度。这种规模的膨胀是我们这些凡夫俗子穷尽一切想象力也无法真正理解的。

科学精神比科学知识更重要

在本书中，你会读到天文学发展史上的重要人物和故事。但我的重点并不在历史本身，如果你误把这本书当成了一本正儿八经的科学正史书，那么你很可能会失望。我并不想写一本传统意义上的科学史书，而会用我这颗想象力丰富的大脑杜撰一些故事性的情节，让很多历史上的名人说一些我想让他们说的话。我也完全有可能为了把一处知识的来龙去脉、前因后果讲清楚，而不惜把发生在多个不同的历史人物身上的事集中到一个人身上。因此，我在这里要再三地给你打上预防针，本书采用了很多虚构的小说化手法，书中描写的事件情节、人物对白都不能保证真实性和准确性。但我努力想做到的是：通过这些小说化的情节表达的知识都是准确无误的。

不过在我的观念中，科普的首要目的在于普及科学精神。科学精神是一种思维模式、思考方式，也是一种对待万事万物的理性态度，它包含不可分割的四个方面—探索、怀疑、实证和理性。比如说，某人告诉你一个结论：吸烟会导致女性的乳房下垂。并且给你看了他统计的几千份样本数据，这些数据确实表明吸烟女性的乳房情况要明显坏于不吸烟的女性，你是不是会对他的结论立即感到信服了呢？如果是的话，说明你的科学精神还不够，因为，具备科学精神的人会认为他的这个研究方法只证明了相关性，并不能证明因果性。吸烟和女性乳房的情况确实呈现一定的相关规律，但并不能就此肯定吸烟是导致乳房下垂的原因。很可能真实的原因是吸烟的女性往往是作息习惯不够规律的一群人，或许这才导致了她们乳房下垂的情况，并且可能不是唯一的原因。如果要证明吸烟同乳房下垂具有因果性，则必须经过一系列的科学实证，也就是通过实验的方式来验证。首先实验的整个设计必须要在逻辑上严密，并且实验过程必须符合严格的控制条件，可重复、可独立验证，以及符合概率统计规律。同样的道理，我们经常会说啤酒肚，似乎喝啤酒会导致肚子变大，这也是一个用相关性概念偷换因果性概念的典型例子。实证只是科学精神的一个方面，除此之外还有探索、怀疑和理性等几个不可或缺的方面。总之，三言两语确实很难把科学精神说透，而科学精神的建立也绝不是看了几本科普书，掌握了一些科学定律以后就能轻易获得。

本书的写作思路是这样的：通过讲述天文学史上的小故事，展示科学家们追寻科学真相的思维方式和他们的求证方法，让科学精神慢慢地注入到你的头脑中，因为他们的做法是科学精神的最好注解。我始终坚持的一点就是：比科学知识更重要的是科学精神。实际上，没有人能够通晓人类所有的科学知识，也没有人能够永远准确无误地说出各种科学上涉及的数字，但是，科学精神却是人人都有可能掌握的。有了科学的精神，我们才能更加理性地认识世界。不轻信，不盲从，提高去伪存真的能力，给自己一双更加明亮的眼睛。

为什么我要确立这样的一种写作目的？那是因为当我对科学史了解得越多，我的心中就越是充满遗憾。无论是西方人还是中国人自己写的科学史书，都鲜有提到中国人的名字。已经发生的都成了历史，不可能再有什么改变，但是我们今天的努力却可以改变未来。中华民族的子孙是否能对未来的科学发展做出大的贡献，科学精神的普及是一个关键。

人类文明走到今天，任何一个小学生都知道，地球是圆的；地球的自转产生了白天和黑夜；太阳是太阳系的中心；我们的地球和其他行星一样绕着太阳公转。这些常识看上去是多么天经地义，到处都是支撑这些常识的证据。可真实情况是，如果我们把文明的起点定义为文字的发明，也就是公元前?3200?年苏美尔人创造出楔形文字的时代，那么人类文明差不多要经历?2700?多年，也就是到了公元前?500?年左右的古希腊时代，才有人开始认识到大地其实不是平的；又要经过?2000多年，也就是到了公元?15?世纪的大航海时代，这个观点才被人们普遍接受（遗憾的是，中国人是最晚接受“地球”概念的民族之一，普通中国人一直要到清末才开始知道自己脚下的大地其实是个大圆球）；而哥白尼提出地球不是宇宙中心的观点也是文明诞生?4600?多年之后的事情。这些你看来是天经地义的“常识”并不是那么的“平常”，这些知其实识来之不易。

在经历了无数的坎坷和反复之后，人类才终于能够对宇宙的基本概貌有一个正确的认识。可能读到这里，会有读者非常不屑地说：“你是在代表人类自恋吧？历史无数次地告诉我们，所有那些曾经自以为‘正确’的知识最后总是会被推翻的，你凭啥大言不惭地说我们对宇宙的概貌已经有了一个正确认识？”坦诚地讲，他们能说出这番话，至少表明他们是具备了一定知识的人，但恰恰是这些不完整的知识又造成了他们对科学精神的重大误解。我们常常会说，牛顿否定了亚里士多德，而爱因斯坦又否定了牛顿，但是如果你简单地认为从亚里士多德到牛顿的错误与牛顿到爱因斯坦的错误是一样的话，那么你犯的错误就比牛顿和亚里士多德加起来所犯的错误还要多。实际上，现在的中学物理仍然在学习着被爱因斯坦“否定”了的牛顿力学，而且即便是到了几万年以后，这种情况也不会改变，因为牛顿力学足以解决我们在日常生活中遇到的所有运动和力学问题。用牛顿的公式计算出来的水星运行轨道相比用爱因斯坦的公式计算出来的，每年只会偏差不到?1?角秒，这里的“角秒”是一个天文学上的角度单位，等于1/3600?度，也就是在手表的两个整点之间再划分?120?个等份，每一个等份就是?1?角秒。

因此“否定”这个词在科学定理上是与我们日常生活中的口语有很大不同的，科学定理只会被不断地“修正”，极少极少会被“完全推翻”，而历史上曾经被完全“推翻”的科学理论几乎只会发生在几百年以前，就连哥白尼的日心说也不能说是完全推翻了托勒密的地心说。人类文明进入到近现代以后，就再也没有被完全“推翻”掉的科学理论了，以我所掌握的科学知识，我是一个也没想出来。正如美国著名的科普作家阿西莫夫指出的：在科学中，错误与错误之间是有相对性的，不是所有的“错误”都能划上等号。

最早的时候，人类认为地球是一个平面，这个认识其实并不可笑，因为地球的曲率只有?0.000126，以古人唯一的交通工具—双腿，和唯一测量工具—双目来考察，平面地球是在他们的观测精度下面得出的科学结论。后来古希腊的科学家发现地球是一个球体，那是因为人类的活动范围大大增加了，这个活动范围已经大到让古希腊的科学家们观测到了一个现象，那就是在同一个时刻不同地点的太阳照射倾角是不同的，正是这个观测精度的提升，使得人类终于又朝着真相迈进了一步。到了?18?世纪，人类的活动范围已经扩大到了全球，大航海世纪对测量的精度要求大大增加，于是人类对地球进行了更加精确的测定，结果表明地球不是一个正球体，而是一个扁球体，但赤道直径和两极直径仅仅相差?44?千米，换言之，地球的扁率仅仅是0.34?%。等到了?20?世纪，我们的卫星上天以后，人类的测量精度已经可以达到头发丝那么细的级别，我们又发现地球其实并不是一个上下完全对称的扁球体，北半球比南半球稍微鼓起来一点，但这一点点仅仅是几米的差别，相对于地球的大小来说，也就是百万分之一的差别。你可以看到，人类对地球的认识是与人类所能观测到的精度直接相关的。在我们具备的观测精度下面，科学理论总是与之匹配，所有科学理论的修正都是在观测精度有了大幅度的提升后才具备了实用意义。因此，我不得不遗憾地提醒那些活在正确和错误绝对化的精神世界中的朋友们，虽然按照你们的理解，一切现在自认为正确的知识都是错的，但是我们的地球绝不会到了下一个世纪就变成六面体，再到下一个世纪又变成面包圈，我们对地球形状的认识差不多已经到头了。

今天，在微观上，我们已经可以探测到?100?亿亿分之一米大小的尺度；而在宏观上，已经拍到了距离我们?132?亿光年的天体图像。我们已经对身处的这个宇宙有了一个基本的认识：地球只不过是太阳系中一颗普通的行星，太阳系不过是银河系中普通的一个恒星系，银河系也不过是本星系群中的一个普通的涡旋星系，而本星系群又不过是宇宙中无数个星系群中的普通一员。我们这个宇宙诞生于?138?亿年前的一次大爆炸，我们的宇宙不但在膨胀，而且在加速膨胀。时代进步到了什么时候，这些我们已知的天文知识不论都不会发生根本性的变化，这一切知识的来源都有着不平凡的经历，一代又一代天文学家们耗费了毕生心血，把人类对这个世界和宇宙的认识提升到了一个又一个新的高度。

现在，我将带你重新回到过去，在那一个个激动人心的天文大发现的历史现场，你将和科学家们一起感受当时的兴奋，也体会他们探索的艰辛。新知识从来不会从天上掉下来，只会属于人类中那些好奇心最强的一群，是他们的好奇心和执着的探索精神，让我们这些生活在太阳系中一个毫不起眼的蓝色行星上的两足动物，窥探到了宇宙的奥秘。

这就跟我出发吧！