最有意思的天文学历史，带你回到历史的现场-米儿火

本期溶溶夜读的书籍是《星空的琴弦—天文学史话》。这本书的精髓是：作者以天文学发展的时间轴作为描述主线，为我们把天文学历史和发展的整个脉络进行了详尽的梳理。同时，作者还在他的描述中，着重还原展现了那些重大发现的前因后果、来龙去脉，以及重点人物的所思所想。

但这并不是一本正儿八经的科学正史。作者力图激发更多人对科学的兴趣，有时会加入一些情节化的表达方式，但是这不仅没有损害科学家们追求科学真相的思维方式和实证方法，反而能够让你对科学精神有了更形象的认知，在作者带领下身临其境那些激动人心的天文大发现的历史现场。

本书的作者叫做汪洁，是位科普作家，第八届文津奖获奖图书得主，著有《时间的形状：相对论史话》、《柔软的宇宙：相对论外传》、《外星人防御计划》等。他是全国各个科技馆及大、中、小学的人气嘉宾，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。

这本书的名字中，用了“琴弦”两个字，来源于作者一种十分浪漫的比喻。作者把星空比作一首交响乐，在广漠宇宙中闪烁着的星辰不断的按照我们已知或者未知的规律汇聚、离散，如同巨大的琴弦在演奏一部恢弘无比的乐章。当我们世世代代观察着、思考着我们身处的宇宙，也就是在聆听这首宇宙的交响乐。它时而高昂雄浑，时而轻柔悠远。自然的完美和不容辩驳，让我们所有的生物深深感到自身和人类文明的渺小。作者无意之中对音乐的感受触类旁通，暗暗显示出作者优秀的音乐素养和品味。

作为一名科普作者，汪洁也深知传播科学精神的重要使命。在所有天文学历史事件的描述中，他重来没有忘记说明其中的相关性和因果性的关系。而每个天文学发背后，都是有成千上万的科学家的努力来进行严密的实证。对于每位科学家的贡献和局限性，都做出了客观严谨的描述。那些大咖牛人并非毫无瑕疵，他们在科学面前的态度、贡献和地位，都是与他们真实的贡献相对应的。

现在，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。

但是我们人类的文明走到今天，能够清晰的了解这些基础的常识，却是多么的不容易。这些在你看来是天经地义的“常识”并不是那么的“平常”，是多少代人在经历了无数的坎坷和反复之后，才得出的对宇宙基本概貌的正确认识。

但是，人类就是这样一种物种，并不满足于日常的生存，总要在偶尔的时候，将目光投向自己周围的一切，好奇和探索的特质在身体里不断的萌发。我们每个人是这样探知世界的，我们的人类也是这样探知世界以及更加广袤的宇宙的。

《星空的琴弦—天文学史话》这本书为我们讲述了人类到今天为止对宇宙认知的全部过程，以及在这个漫长的、不是一番风顺的过程中，人们在意识上、科学理论上以及科学工具发展上的曲折过程。

用作者交响乐的形象比喻来看，整个天文学的发展历史可以分为四个大型的乐章：

第一乐章，奏鸣曲（快板）——日心说战胜了地心说。

第二乐章，变奏曲（慢板）——无尽深邃的宇宙空间。

第三乐章，小步舞曲（快板）——各种宇宙能量粉墨登场。

第四乐章，回旋曲（快板）——宇宙最终的命运假说。

现在大幕已起，让我们凝神静听这悠扬美妙的旋律吧。

第一乐章：奏鸣曲（快板）日心说战胜了地心说

如果我们把文明的起点定义为文字的诞生——公元前3200年苏美尔人创造出楔形文字，那么人类文明差不多还要经历2700年，才有了对宇宙环境的疑惑。在这之前混沌意识里，我们的祖先一直认为人类生活在一个平坦的大地上，“天圆地方”的假想很符合眼睛看到的景象。埃及和巴比伦的智者认为大地是一个半球形悬浮在空中，尽头是万丈深渊。

在公元前500年古希腊的某一天，有人忽然意识到大地不是平的。

在数学家毕达哥拉斯看来，大自然的和谐之美是由各种完美几何图形和数字组成的。世界是造物主的杰作，半球形在几何立体形状中并不完美，由此推断大地应该是个球形。

100多年后的亚里士多德终于找到了相应的证据：第一，海面上帆船的影像出现顺序；第二，晚上长途跋涉时星辰的运行；第三，月食时地球影子的形状。他再次宣称“大地是球形”的观点，在知识分子圈中引起了巨大反响。他是首位通过实证方式而不是思辨的方式去论证大地形状的人。

但是当时的人们一直无法接受这个观点，原因是大家实在想不通，如果地球真是圆的，那为什么我们不会走着走着就头朝下脚朝上 “掉下去”呢？

这个问题两千多年来一直折磨着许多科学家，上下观念的常识与观测到的“大地是球形”的证据产生了严重的矛盾，甚至引来了教会的残酷镇压。但是人类理性的火苗却越烧越旺，带领我们走出了认知的黑夜。

除了对大地的关注，人们一直对头顶的星空有着不能抑制的强烈兴趣。公元2世纪中叶，托勒密在总结许多科学家观测、计算的结果后，完成了耗费他一生心血的鸿篇巨制《天文学大成》。整个宇宙被描述为一个以地球为中心、日月星辰以特定轮盘轨道绕地球旋转的模样。考虑到观测中星辰亮度变化和四季天数不均匀的情况，地球并是完全的中心而有略微的偏心，星辰运行的轮盘轨道运用了几十个圆形本轮模拟才能得出。按照书中的理论，人们已经能够以较小的误差预报日食和月食以及五大行星的运动位置。这是人类天文学的第一部系统著作，也是集古代天文学大成之作。此书一出， 1500年的时间里没有人敢于挑战。

公元15世纪～16世纪上半叶，在反复多次的琢磨、观测和计算之后，哥白尼终于用更加简洁的天体模型重新解释了宇宙结构：地球不是宇宙的中心，只是月球的中心；太阳位于宇宙中心附近，行星和地球都在绕着太阳转动；恒星很遥远且离我们非常远；地球每天自转不息。

大地转动起来的想法冲击了许多人的认知。之后的开普勒通过艰辛求索，将行星运行轨道修正为椭圆，并提出了计算宇宙大小的方法，被大家誉为天空的立法者。另一位旷世奇才伽利略通过自己组装的望远镜，打开了人类用工具探索宇宙的序幕。他观测到的金星盈亏变化给哥白尼的日心说提供了佐证，他提出的力学惯性原理解释了人们为何体会不到地球在转动。

到了公元17世纪中叶，人类历史上500年一遇的天才级人物——牛顿出现了。他经过长时间的思考终于发现了天体之间普遍存在的万有引力，彻底解决了“地球自转怎么没把人甩出去”的疑问，提出了牛顿力学三定律，创立了 “天体力学”。

至此人类经历了近2000年的时间，完成了第一次对宇宙认识的巨大飞跃。我们的视野从脚下的大地，一直扩张到了巨大的太阳系以及相应的天体系统。罗马教廷在1616年对日心说发布了禁令，之后宣判伽利略有罪。这期间对于科学的镇压可谓疯狂无比。等到1980年伽利略才被翻案，1992年日心说禁令才被解除。可是历史的车轮无法倒退，人类的认知就这样不停地被一次次的刷新，永不止步。

第二乐章：变奏曲（慢板）无尽深邃的宇宙空间

日心说并没有成为人类对宇宙的终极看法。人们对于日月和行星以外的那些恒星产生了疑问。对比从古至今的星象图可以发现：恒星的数量和位置都发生了变化。天文学家们又纷纷投入了对恒星的研究。这期间观测宇宙的精密观测仪器被不断的发明出来，例如望远镜上安装了螺旋测微器（千分尺）、游丝测微器、量日仪等等。

英国天文学家哈雷为此做出了巨大的贡献。他是第一位发现恒星位置变化的人，还设计了精确测量日地距离的计算方式。由于准确预测了同一颗彗星三次回归地球的时间，这颗彗星被用他的名字命名，尽管第三次回归是在他去世之后的事。1769年，各国天文学家共同观测得出的日地距离是1.33亿千米。这个距离从此被作为测算恒星与地球之间距离的基础条件和默认单位。太阳系的大小终于可以被测量了。

之后的130多年间，借助牛顿的万有引力规则和科学家们不断的观测，更遥远的天王星和海王星被发现了。太阳系的疆界一下扩大了两倍多。而测算出的其他恒星位置要比太阳系的边界距离还要远很多倍。此时人们已经认识到，太阳系的尺度与遥远的恒星比起来根本不值一提。科学家们采用了比日地距离更大的单位——“光年”来描述天体的距离。

发现天王星的英国天文学家赫歇尔和他的儿子，通过给天空划分区域的方式一共观测了几万颗恒星，经过统计计算确认了银河系的圆盘形状，初步建立了银河系的正确概念。父子俩的观测工具已经是7.8米高的像大炮一样的望远镜。

1906年，荷兰天文学家卡普坦向全世界的天文学家发出倡议，按照统一的天文学分区重新观测一次恒星，并详细记录恒星的亮度、视差、位置等参数。尽管历经第一次世界大战的硝烟，卡普坦还是得到了许多天文学家的响应，在1922年用统计方法计算出了银河系的形状和大小。这就是历史上赫赫有名的“卡普坦宇宙”。

与此同时，借助安装在美国洛杉矶威尔逊山上的全世界最大最清晰的胡克望远镜，美国天文学家沙普利发现了由几万颗恒星聚集而成的球状星团。由于它们的分布很不均匀，据此推算，银河系的中心也不是太阳系。“人类中心说”又一次被挑战，日心说也被推翻。我们并不在宇宙的中心。

而另一位举世闻名的天文学家哈勃也在这里细致观测了各种星系。这时大型天文望远镜依靠精确的天球坐标，把天空拍成照片供科学家研究。哈勃通过大量的星云照片，推测出最远的星系距地球有上亿光年之遥。宇宙的尺度再一次超出了人们的想象。

哈勃还在观测中发现，星系一直存在着的“红移现象”，即星系离我们远去的时候，它发出的光波在光谱上朝着红色端点移动。这说明星系在不停的远离我们，宇宙正处于膨胀之中。宇宙膨胀观点使得很多科学家开始思考宇宙的起源问题。而在这以前，人们一直笃信是上帝创造了世界。

20世纪30年代，射电望远镜的发明，给天文学带来了意想不到的新发现。射电望远镜通过收集电磁波进而转换成图像和声音的方式来工作，所以很多肉眼不可见但能够发出电磁波的物质被找到，例如宇宙微波背景辐射。这是“宇宙大爆炸”理论的关键证据。通过后期“暴胀理论”的补充，借助发射入太空的宇宙微波背景辐射探测器，天文学家和物理学家们联手取得了更精准的宇宙微波背景辐射图像，建立了“标准宇宙模型”，从而计算出了宇宙的年龄——大约是138亿年。

至此，人类得到了自己身处宇宙的一个全景图，从时间和空间两个维度对其进行了描述。

第三乐章：小步舞曲（快板）各种宇宙能量粉墨登场

探索了恒星，那么恒星之间又有些什么呢？

由于有了射电望远镜，存在于恒星之间的那些肉眼不可见但发射电磁波的物质也被发现。分析它们的无线电波，就能知道它们的化学构成。20世纪60年代，射电望远镜已经采用了很多新型的技术，接收电磁波的面积差不多有三个足球场那么大。通过探测星云光谱和分析地球上的陨石雨，科学家们又有很多重大的发现：

第一，星云中含有大量的乙醇、氨基酸和地球上不存在的星际有机分子，地球外含有构成生命的必需物质；

第二，天际之间存在着高速退离地球的类星体，距离非常遥远，体积不算大，辐射总功率却非常大。目前主流观点认为它的中心就是黑洞。在黑洞强大引力作用下，物质掉入其中伴随着巨大的能量辐射产生物质喷流。我们能够观测到它，是因为恰好与它构成合适的角度。

第三，剑桥大学严谨的科学家休伊什和他的女实习生贝尔小姐，共同发现了脉冲星，这种具有强磁场的中子星在自转时不断的向地球发射强规律的脉冲电波。

第三乐章提到的宇宙微波背景辐射以及本章提到的星际有机分子、类星体、脉冲星都是在20世纪60年代通过射电望远镜被发现的，被称为“二十世纪射电天文学四大发现”。之后的人类采用了更为先进的观测方法——把望远镜送上太空。

1978年，美国宇航局联合欧洲太空局开始一起建造太空望远镜，并以传奇美国天文学家哈勃的名字命名。由于美国挑战者号航天飞机的失事，哈勃望远镜直到1990年4月才乘坐美国奋进号航天飞机被送入地球上空600米的轨道。但是哈勃存在先天质量问题，拍照模糊，是个“近视眼”。好在三年后美国宇航局为它增加了矫正镜片，人类有史以来最强大的观测设备终于带来了新的观测发现。哈勃望远镜在1995年12月一次持续观测中拍回的照片，展示了3000多个星系。

根据宇宙学原理，宇宙是完全均匀的，研究一个星系的演化并不需要这个星系所有阶段的照片，而是在同一个时间拍摄到足够多的星系，这些星系处于不同的阶段，正是某个星系演化的所有阶段的集合。只要样本量足够多，就能分析出一个典型星系的演化过程。

因为哈勃望远镜的上天，人类对宇宙的研究提升了一个层次。之前，人类是通过“恒星”这个层级来认识宇宙的，而在此之后，人类换成了 “星系”这个新的层级来研究宇宙。

接下来的两大发现“暗物质”和“暗能量”，被称为天文学界的两大谜题，至今仍未得到完全的解答。

主流学界认为“暗物质”是一种大质量的微观粒子，它们不能被观测到，但是却同样在牛顿的万有引力原则里起着引力作用。天文学家运用“牛顿力学”和“星系亮度”两种计算方式，得出的星系质量和运行速度差别十分巨大，大量的“暗物质”的存在能够解释这种巨大的差别。

“暗能量”则是和牛顿万有引力相反的一种能量。既然天体因为质量的存在相互吸引，那么是不是也有一种力量将它们推开？20世纪90年代，经过顶级科学家团队近10年的测算，“在万有引力作用下，宇宙在减速膨胀”这个常规推测认知被彻底刷新，宇宙膨胀先是减速进行，然后在70亿年时反而开始加速。它的发现印证了天才物理学家爱因斯坦的超级智慧。虽然爱因斯坦不是天文学家，但是他对宇宙能量守恒的信念支持他做出了伟大的判断，在广义相对论的方程式中增加了 “宇宙学常数”。由于所处时代的局限，他增加的常数原本是对抗宇宙膨胀的，现在却被发现正是对抗万有引力的“暗能量”，是加速宇宙膨胀的神秘力量。

有了“暗物质”和“暗能量”的存在，科学家们进一步推测：所有宇宙中的物质所产生的力量是平衡的，也就是宇宙空间的平均密度能够确保宇宙空间在广义相对论的计算中保持不被弯曲。宇宙就一直在这种力量的作用下膨胀下去，成为无限大。而人类的可知范围仅仅还在一个“可观宇宙”的范围里，也许会不断的增长。

第四乐章；回旋曲（快板）宇宙最终的命运假说

人类的好奇没有终止。

我们现在知道；宇宙是无限大的，并且一直在膨胀着。那么宇宙的最终命运会是怎样的？

由于发现了“暗能量”，宇宙被认为是加速膨胀的，“热寂说”和“大撕裂说”成为了宇宙终极命运的两种可能。

“热寂说”的理论基础是宇宙的“熵”值只能越来越大。“熵”是系统的混乱程度，某种意义上可以理解为系统的均衡程度，足够混乱而达到彻底的均衡。如果宇宙的“熵”值越来越大，那么最终的结果一定是达到热平衡，处处的温度均匀一致，这就被称为“热寂”。那么宇宙中所有具有能量的物质，例如恒星、行星都回朝着平衡的方向，将自己的能量不断退化、分解、衰变。那时的宇宙将只剩下光子和轻子。你可以理解为就是无法再变得更混乱均匀的物质。这被推算会经历大约10的1000次方到1500次方的年度那么长。

“大撕裂说”的假象认为，在“暗能量”的持续作用下，宇宙中的物质不断的远离，最终造成宇宙的彻底撕裂，每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速，永远也不可能在发生相互作用，一切可能性就都丧失了。比起“热寂说”，这种说法似乎更加令人绝望。但是在人类没有彻底弄清楚“暗物质”和“暗能量”之前，这些都只是假说而已。

总结

《星空的琴弦—天文学史话》这本书以深入浅出的科学故事，把我们带回到了那一个个重大天文发现的历史现场，让我们跟随人类对天文学认知不断升级进步的过程，了解了天文学的发展脉络。

作者采用与交响乐乐章对应的模式，展现了整个天文学的发展历史进程：

第一乐章，作者讲述了人类从认知脚下大地的形状，到确立了地心说，再到日心说战胜了地心说的过程。

第二乐章，太阳系的宇宙观被不断收集到的观测证据推翻，众多的恒星让我们拥有了银河系的新视野。

第三乐章，各种宇宙新能量的发现，又把人类的视野扩大到了星系与星系之间的不可见部分。

第四乐章，对宇宙的终极命运的关注被提出来，虽然只有假说，但人类的好奇心会继续促使探索的脚步向前。

在这历经几千年的星空探索历史里，除了探索范围不断扩大这条发展主线之外，还有两条与之相对应的发展辅助线也同样印证了人类的伟大跨越：

首先，对于天体距离的测量方式进行了三次大飞跃。最原始的“三角视差法”是运用几何计算与天文观测相配合的方法，其中推算和观测都有一定的误差；“造父变星法”是依靠有亮度规律变化的脉冲星来测量星距的方式进行，这是人类的目光已经可以触及到太阳系以外的世界；然后再升级到“超新星测量法”，就是依靠双星系统中恒星爆炸时产生的更加明亮的效应，测量更遥远的星系。随着测量方法的升级，人类可研究的距离由天空肉眼可见的星辰扩大到几百亿光年。

第二，观测天体的工具，由最初的肉眼先变成了光学望远镜，越来越大且精密的光学望远镜不断的被制造出来；之后射电望远镜的出现大大提升了观测的效率，被观测天体扩展到了肉眼不可见的范围；太空望远镜的出现将人类的视野极大地拓展到了更广袤深邃的宇宙。人类就是这样不停的扩大着探索的边界，每次发现都重新刷新了我们原先的看上去十分确定的认知，从原本“宇宙中心”的位置，一次次发现和证明自己的渺小。

心得体会

起初我在阅读本书的时候，对其中的天文学术语和数学公式的确感到有些困扰。凭着一般的理工科底子，对于那些烧脑的部分，我的确花了些时间来反复琢磨。但是我仍然对于作者带领我们进入的时空感到十分震撼。原来那些我们已经熟知和未曾完全领悟的天文奇观，都是科学家们凭着满腔的好奇和热爱，以及对科学的严谨实证，推动着人类的认知不断深入。科学精神的确比科学知识更重要。

同时，我也对中华大地上独特的天文理念产生了额外的兴趣。古代天文学中鲜有中国人的贡献，我们文化中将星象理解为上天与天子之间的一种神秘沟通方式，从而在很大程度上屏蔽了类似于现代天文学家们对所处宇宙环境的观测和研究。这是一种特别的中华文明所造成的结果吗？然而中国古代的历法和天文观测记录却在全世界同时代里最为厉害，是历史传承的误读还是隐藏在那些被埋葬的真相之中？