The Story of the Heavens Robert S. Ball 2411 downloads.pdf

古腾堡计划电子书：《天空的故事》
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书名：《天空的故事》
作者：罗伯特·S·鲍尔
发布日期：2008年12月1日 [电子书编号#27378]
语言：英语
更多信息及格式：www.gutenberg.org/ebooks/27378
制作人员：K.诺德奎斯特、布伦达·刘易斯、斯蒂芬·霍普、格雷格·伯格奎斯特，以及http://www.pgdp.net上的在线分布式校对团队（该文件是由互联网档案馆/美国图书馆提供的图片制作而成的。）

*** 古腾堡计划电子书《天空的故事》开始 ***
转录者备注

天空的故事

图版一：
1872年的土星。

《天界的故事》

罗伯特·斯托威尔·鲍尔爵士，法学博士、理学博士，
《星际之地》一书的作者。

伦敦皇家学会会员，爱丁堡皇家学会荣誉会员，皇家天文学会会员，爱尔兰照明工程委员会的科学顾问，剑桥大学天文学与几何学教授，曾任爱尔兰皇家天文学家。

书中配有24幅彩色插图及大量图片。

新版，经过修订。

卡塞尔兰公司有限公司
伦敦、巴黎、纽约和墨尔本
1900年

保留所有权利。

原版前言

在撰写本书的过程中，我得到了许多人的慷慨帮助，特此表示感谢。

纳斯米斯先生允许我使用他与卡彭特先生共同出版的著名著作中所收录的一些精美的月球图谱。第VII、VIII、IX、X幅插图以及图28、29、30均源自这些图谱。

皮克林教授允许我复制特鲁维洛特先生在哈佛大学天文台绘制的一些图谱，第I、IV、XII、XV幅插图便是利用了这些图谱。

第二幅插图承蒙兰利教授的相助；第三幅和第十四幅插图则要感谢德·拉·鲁先生；第十七幅插图归功于T.E.凯先生；第十八幅插图则要感谢斯基亚帕雷利教授。图100来自已故的C.皮亚齐·史密斯教授，图7则取自钱伯斯先生的《描述天文学手册》；图78则由斯托尼博士提供，图72则由科普兰德博士和德雷尔博士提供。此外，我还从纽康姆教授的《大众天文学》以及杨教授的《太阳》一书中获得了宝贵的帮助。在修订本书时，我还得到了麦克斯韦尔·克洛斯牧师的鼎力协助。

我还要感谢科普兰德博士和斯蒂尔先生，感谢他们耐心地通读了全部校样；同时，我也偶尔得到过卡斯卡特先生的帮助。

罗伯特·S·鲍尔

都柏林郡邓辛克天文台
1886年5月12日

本版说明：
在本次修订中，我根据天文学领域的最新进展对原书内容进行了修改。感谢皇家天文学会允许我使用他们出版的图片集中的部分照片；同时也要感谢亨利·F·格里菲斯先生，他为我提供了精美的木星插图，第十一幅图便是基于这些插图绘制的。

罗伯特·S·鲍尔
剑桥，1900年5月1日

目录
页码

引言 1
章节

天文学
I. 9
天文台
II. 太阳 29
III. 月亮 70
IV. 太阳系 107
V. 引力定律 122
VI. 浪漫的行星 150
VII. 水星 155
VIII. 金星 167
IX. 地球 192
X. 火星 208
XI. 小行星 229
XII. 木星 245
XIII. 土星 268
XIV. 天王星 298
XV. 海王星 315
XVI. 彗星 336
XVII. 流星 372
XVIII. 星空 409
XIX. 远方的恒星 425
XX. 双星 434
XXI. 恒星的距离 441
XXII. 星团与星云 461
XXIII. 恒星的物理性质 477

地球轴的进动与章动 492
光的偏折 25. 503
天文学的意义 26. 513
潮汐 27. 531
附录 558

图版目录
图版一：土星——封面图
图版二：典型的太阳黑子 9
A页：太阳 44
太阳上的黑子与光斑
图版三：太阳 37
太阳的日珥或“火焰”
图版四：太阳 57
图版五：太阳日冕 62
月球表面示意图
图版六：月球 81
B页：月球的局部区域 88
月球上的陨石坑
图版七：特里斯内克陨石坑 93
图版八：普通的月球陨石坑 97
图版九：柏拉图陨石坑 102
图版十：第谷陨石坑 106
图版十一：木星 254
图版十二：科吉亚彗星 340
A型彗星，1892年，1
C型彗星 358
斯威夫特彗星
太阳以及三颗恒星的光谱
图版十三：47
猎户座附近的银河系
D型彗星 462
梅西耶2号星云
图版十四：466

仙女座大星云 468
昴宿星团中的星云 472
半人马座ω星旁的星云 474
用罗斯勋爵的望远镜观测到的星云 476
1882年的彗星 357
斯基亚帕雷利绘制的火星地图 221

插图目录
图号　页码
1. 折射望远镜的原理　11
邓辛克天文台的南赤道圆顶　2
都柏林郡的邓辛克天文台　12
邓辛克天文台圆顶的剖面图　13
耶基斯天文台的望远镜　15
芝加哥　4
赫歇尔反射望远镜的原理　16
芝加哥耶基斯天文台的南侧正面　17
罗斯勋爵的望远镜　18
子午圈　20
大熊座　27
地球与太阳的尺寸对比　30
1870年9月22日拍摄的太阳照片　33
太阳表面的照片　35
普通的太阳黑子　36
谢纳关于太阳黑子的观测结果　38
太阳表面出现黑子的区域　39
太阳的表面结构及一个小型黑子　43
棱镜　45
棱镜对光线的色散作用　46
日全食时可见的日珥　53
日全食时看到的日冕　62

1898年1月日食时的日冕景象 63
1874年的黄道光 69
地球与月球的相对大小 23
月球绕太阳运行的轨道 24
月相的变化 25
地球的阴影与半影 26
月球图解说明（图版VI）81
活跃中的月球火山：纳斯米斯的理论 28
月球火山的后续微弱活动 29
熔岩形成的平坦表面 30
四颗内行星的轨道 31
地球的运动 32
四颗巨型行星的轨道 33
从不同行星上看太阳的视大小 34
各行星的相对大小 35
月球运动的示意图 36
绘制椭圆 37
椭圆运动的速度变化 38
等时间内覆盖相等面积 39
水星凌日现象 153
水星的相位与视大小变化 41
呈新月形的水星 42
1889年5月29日的金星 170
通过望远镜观察金星的不同形态 44
1874年水星凌日时金星位于太阳上的位置 177
1874年与1882年水星凌日时金星在太阳上的轨迹 179

从两个地点观测金星凌日现象
47. 183
地球与火星的轨道 210
1877年火星的视运动 212
火星与地球的相对大小 216
火星的图示 217
火星上的高地与低地 217
火星的极冠 217
火星与木星之间的小行星带 234
木星与地球的相对尺寸 246
木星掩星现象 255
木星及其四颗卫星 258
木星卫星的消失现象 259
测量光速的方法 264
土星 270
土星与地球的相对大小 273
测量土星环旋转速度的方法 288
测量土星环旋转速度的另一种方法 289
泰坦星及其阴影的凌日现象 295
彗星的抛物线形轨道 339
恩克彗星的轨道 346
从太阳方向看去的彗星尾巴 363
布雷迪钦关于彗星尾巴的理论 366
1858年彗星的尾巴 367
1744年的彗星 368
1869年11月6日的火球轨迹 375
流星群的轨道 378

77. 流星的光辉点 381
78. 狮子座流星雨的历史 385
79. 查科陨石的构造 398
80. 大熊座与北极星 410
81. 大熊座与仙后座 411
82. 飞马座的大方形结构 413
83. 英仙座及其邻近恒星 415
84. 七姐妹星团 416
85. 猎户座、天狼星及邻近恒星 417
86. 卡斯特尔星与波吕克斯星 418
87. 大熊座与狮子座 419
88. 牧夫座与王冠座 420
89. 处女座及邻近星座 421
90. 天琴座 422
91. 天琴座α星、天鹅座及鹰座 423
92. 天狼星的轨道 426
93. 视差椭圆 444
94. 天鹅座61号星及其比较星 447
95. 天鹅座61号星的赤纬视差 450
96. 武仙座中的球状星团 463
97. 猎户座大星云的位置 466
98. 猎户座θ多星系统 467
99. N.G.C. 1499星云 471
显示恒星岁差运动的星图 100. 493
101. 恒星岁差运动的示意图 495

天空的故事。

《奇妙的天空故事》便是我们这本书的标题。我们确实有一个故事要讲述；如果能够将其完整地呈现出来，那必将充满无尽的趣味与绝美的意境。这个故事能引导人们去思考自然界中的种种奇妙现象以及人类智慧所创造的伟大成就。

让我们列举一些那些想要了解点缀在我们天空中的那些璀璨天体的人会自然产生的问题：太阳究竟是什么——它的温度、大小以及距离有多远？它的热量从何而来？月亮又是什么？它的表面状况如何？我们的卫星是如何运动的？它与地球之间有着怎样的关系？行星是否也像我们居住的地球那样是球形？它们的大小如何，距离又有多远？我们对木星的卫星和土星的环了解多少？天王星是如何被发现的？又是怎样的智慧成就让我们发现了海王星？至于我们太阳系中的其他天体，那些神秘的彗星又该如何解释？我们能否找出它们看似随机变化的运动规律？我们对它们的本质以及它们常常拥有的奇妙尾巴了解多少？那些经常冲入我们大气层并在绚烂的光芒中消逝的流星又是怎么回事？那些自古以来就被人们所认识的由明亮恒星构成的星座，以及通过望远镜所能观测到的众多较暗的恒星，它们又是什么呢？难道这些数不胜数的恒星真的是那些沉没在深不可测的宇宙深渊中的巨大太阳吗？对于各种类型的恒星——彩色恒星、变星、双星、多星、看似在移动的恒星以及看似静止的恒星——我们又能知道些什么呢？那些宏伟的星团又该如何解释？银河系又是什么呢？最后，通过望远镜所观测到的、位于遥远距离处的那些奇妙星云，我们又能了解到什么？这些都是我们在思考天空之谜时会产生的一些问题。

从某种程度上来说，天文学的历史与其他许多历史并无二致。它的早期历史已经完全遗失，无法再被找回。虽然人们早已开始研究恒星，并取得了一些重大的天文发现，

远早于我们现有最古老的历史记载所记载的时间。例如，对太阳视运动的观察，以及区分行星与恒星，都属于史前时代的发现。这些成就也并非都与显而易见的事物相关。对于那些从小就了解自然规律的现代人来说，古代天文学可能显得非常简单，但在科学尚未发展的初期，那些做出我们所提及的发现的学者们必定是睿智的哲学家。

在所有天文学现象中，最最初、最显而易见的就是太阳的升起与落下。可以推测，在人类智慧诞生的初期，这种每日重复出现的现象就会成为那些超越了日常生存中的种种忧虑而开始思考问题的人所关注的第一个问题。太阳在西方落下并消失，次日清晨又在东方升起，穿越天空后同样在西方消失；这样的景象每天都在重复。对我们而言，每天出现的太阳显然是同一个太阳；但对于那些认为地球是一片无边无际的平坦陆地，而居住区四周则是广袤的沙漠或无边的大海的人来说，这就难以理解了——那个在西方遥远的地方沉入大海的太阳，怎可能在第二天清晨在同样遥远的东方重新出现呢？古老的神话认为，当太阳在日落时沉入西方的海洋之后（伊比利亚人及其他古代民族甚至想象自己能听到太阳沉入水中时的水声），它会被伏尔甘抓起并放入一个金制酒杯中。这个装有神奇“货物”的奇特容器会沿着北方航线航行，以便在次日清晨太阳升起之前再次抵达东方。在古代的早期物理学家们看来，太阳是以某种方式在夜间被带到北方地区的，而黑暗则是因为高耸的山脉在航行过程中挡住了阳光。

随着时间的推移，人们认为更合理的解释是：在夜间，太阳实际上是在固体地球的下方移动。早期的天文学家还学会了识别恒星。他们发现，与太阳一样，许多恒星也会因为昼夜运动而升起和落下，而月亮显然也遵循着类似的规律。因此，哲学家们认为各种天体实际上都是从固体地球的下方经过的。

既然承认所有天体都会进行这样的运动，那么在理解宇宙结构方面就迈出了重要一步。很明显，地球不可能是无限延伸的平面；我们脚下的地球也必定有有限的深度。更进一步说，无论地球的形状如何，它终究都是独立于其他所有天体之外的存在，悬浮在太空中而没有可见的支撑物。当这一发现首次被提出时，想必会让人觉得极为惊人——很难想象我们站立的这块固体地球竟没有任何支撑！是什么阻止它坠落呢？它又如何能在没有实物支撑的情况下保持稳定，就像传说中穆罕默德的棺材那样？尽管接受这一理论很困难，但它的必然真实性最终还是得到了认可，于是天文学便由此诞生了。从远古时代起，季节的变化以及播种和收获的周期，就一直被认为与太阳位置的变化有关。夏季正午时，太阳高悬于天空；而冬季时则始终处于较低的位置。因此，太阳不仅在一天之内会有升起和落下的运动，还会每年在天空中进行一次上下移动。不过，太阳位置还有第三种变化，虽然不太明显，但只要通过仔细观察，并结合哲学性的思考，还是可以察觉到的。最早观测星星的人几乎不可能没注意到，夜间能看到的星座会随季节而变化。例如，猎户座这个明亮的星群，在冬夜时清晰可见，但在其他季节却不见了踪影。

夏季的夜空里，那些星座的位置会被完全不同的星群所取代。其他星座也是如此。因此，一年中的每个季节都可以通过夜间最显眼的恒星来标识。事实上，在古代，人们有时会根据傍晚时星座的位置来判断开始农事活动的时间。

通过思考这些现象，早期的天文学家能够解释太阳看似每年都会发生的运动。对于星座随季节变化的现象，除了假设太阳的位置在不断改变、从而在一年内完成一次完整的天体循环之外，没有其他合理的解释。这一太阳的运动可以通过日落后朝西观察星星来验证：随着季节的推移，每到夜晚都可以发现星座似乎越来越低地沉向西方，最终因为天空过于明亮而无法看见。这种现象可以用太阳似乎一直在从西方上升以与星星相迎来解释。当然，这种运动不应与所有天体都会经历的日常日出日落混淆。需要明白的是，除了受到共同运动的影响外，我们的太阳还有缓慢的、方向相反的独立运动；因此，虽然今天太阳和某颗星星可能同时落下，但由于到了明天太阳会稍微向东移动一点，那颗星星就必然会在几分钟前落下。[1]

早期天文学家通过细致的观测，确定了太阳在天空中的运行轨迹，他们发现太阳在星群和星座之间移动时始终沿着同一条路径行进。这条路径被称为黄道，而太阳经过的那些星座则构成了环绕天空的带状区域，即黄道带。在古代，黄道带被划分为十二个相等的部分或“星座”，这样就能方便地标记出太阳在漫长旅程中的不同阶段。一年的时长，也就是太阳完成一次天体循环所需的时间，似乎

这些现象最初是由那些姓名不为人知的天文学家所发现的。早期东方几何学家的精湛技艺还体现在他们能够确定黄道相对于天赤道的方位，以及成功测量出天空中这两条重要轨道之间的夹角上。

在远比历史更早的时期，人们就已经敏锐地察觉到了月球运动的一些重要特征。细心的观察者会发现：月球在天空中的位置并非固定不变。通过观察月球相对于周围恒星的位置，就可以知道它在一夜之间从西边移动到了东边。事实上，月球的运动很可能是比太阳的年度运动更早被发现的，因为这只需通过简单的观察即可得知，几乎不需要动用任何复杂的思维能力。在史前时代，人们就已经确定了月球的公转周期，并且能够正确解释月球相位的变化——这些相位变化是由于被太阳照亮的那一面朝向地球的角度不同所导致的。

不过，我们远远还没有列举完那些来自遥远古代的伟大发现。人们已经为月食这一奇特现象给出了合理的解释：在月食期间，原本明亮的月球表面会暂时陷入黑暗之中；而对于更为壮观的日食现象，人们也有了解释——在日食时，太阳本身会部分或完全被遮住。此外，早期天文学家还敏锐地发现了五颗游星或行星，他们追踪了水星、金星、火星、木星和土星的运动轨迹。他们怀着敬畏的心情观察着这些行星的各种运行姿态。正如太阳（以及在某种程度上月球）与人们的日常生活密切相关一样，在这些早期研究者的想象中，行星的运动也预示着人类的福祸。最终，人们发现行星看似随意的运行其实遵循着某种规律。

它们遵循着某些规律。几何学的发展与天文学的研究是同步进行的；当我们从昏暗的史前时代进入历史时期后，会发现关于天体现象的理论已经具备了一定的系统性。

托勒密继承了毕达哥拉斯、柏拉图和亚里士多德的观点，认为地球是球形的，并用与我们今天所使用的相同论据来证明这一点。他还弄清了这个巨大的球体在宇宙中的位置。他承认，天体的日常运动可以通过地球绕自身轴心的旋转来解释，但不幸的是，他给出了拒绝这一观点的理由。在他看来，地球是一个固定不动的物体，既不会绕轴旋转，也不会在空间中移动，而是始终静止在他所认为的宇宙中心。根据托勒密的理论，太阳和月亮围绕位于中心的地球作圆周运动。至于行星的运动，则更为复杂，因为需要解释行星有时会前进、有时会后退的现象。古代的几何学家们不相信天体除了作圆周运动之外还能有其他运动方式，因此他们设计出一种机制：每颗行星都绕着一个圆周运动，而该圆的圆心又围绕地球作另一个圆周运动。

尽管现在人们知道托勒密的学说实际上是基于对地球在宇宙体系中所处地位的过度高估，但不得不承认，这一理论确实能够相当准确地解释天体的视运动。这一理论被记载在《天文学大成》这部伟大的著作中，该书写于公元2世纪，在接下来的14个世纪里一直被视为所有天文学问题的权威依据。

这就是中世纪盛行的天文学体系，直到几乎与哥伦布发现新大陆同时的时期才被摒弃。天体的真实排列方式则是……

哥白尼在他毕生致力于完成的伟大著作中对太阳系进行了阐述。这些研究得出的第一个原理表明，天体的日常运动其实是地球绕自身轴心旋转所致。哥白尼指出了真实运动与表观运动之间的本质区别；他证明，太阳与星星每日升起和落下的现象，可以通过地球旋转这一假设来解释，其解释效果与托勒密的复杂假设相当。此外，他还指出，托勒密的假设要求星星具有几乎无限大的速度，因此整个宇宙围绕地球旋转这一设想显然是荒谬的。第二个为哥白尼带来不朽荣耀的原理，则确定了地球在宇宙中的真正位置。哥白尼将所有行星绕行的中心从地球转移到了太阳上；同时他也揭示了一个令人尴尬的事实：我们的地球只不过是一颗在金星与火星轨道之间运行的行星，与其他行星一样，都受制于太阳的支配。

这场伟大的变革彻底摒弃了天文学中那些因我们恰好居住在这颗行星上而产生的、关于地球特殊重要性的错误观念。在哥白尼的成就之后不久，望远镜便被发明出来，这一神奇的仪器为现代天文学的发展奠定了基础。我们将在本书的第一章中详细探讨这一重要主题。

图版二。
典型的太阳黑子。
（根据兰利绘制。）

第一章 天文台
早期的天文观测——第谷·布拉赫的天文台——“眼睛的瞳孔”——观测暗弱天体——望远镜——物镜——大型望远镜的优势——赤道式望远镜——天文台的功能——望远镜的威力——反射式望远镜——罗斯勋爵在帕森斯敦建造的巨大反射望远镜——如何使用这种强大的望远镜——精密仪器——子午圈——十字线——调整望远镜焦点的难度——进行观测时必须采取的预防措施——理想的仪器与实用的仪器——消除误差——格林尼治天文台——普通眼镜作为天文仪器——大熊座——数算星座中的恒星——如何成为一名天文观测员。

关于天文台的最初形态，我们几乎一无所知，就如同对天文学最早发现的了解一样有限。最早将仪器观测技术应用于天体，大概就是测量正午时分太阳投下的柱子阴影的长度。通过观察这一阴影长度的变化，早期的天文学家能够研究太阳的视运动。不过早在那个时代，人们就已经开始使用具有足够精确度的特殊天文仪器，这些仪器不仅提升了天文知识的水平，其设计也体现了设计者们的卓越智慧。

纽康姆教授这样写道：“其中的佼佼者是第谷·布拉赫，他出生于1546年，即哥白尼去世三年之后。1560年8月21日发生的一次日食让他开始关注天文学研究，那次日食在欧洲部分地区出现了全食现象。他对能够预测到如此现象感到惊讶，于是开始研究用于做出这种预测的观测与计算方法。1576年，丹麦国王建立了著名的乌拉尼堡天文台，第谷在那里花了二十年时间潜心研究。”

人们利用当时最先进的仪器来观测天体的位置。那是在望远镜发明之前，因此天文学家无法使用这种强大的工具。于是他们的观测结果就被后来几个世纪里更精确的观测结果所取代，而他们之所以重要，主要是因为他们的观测成果为开普勒发现了著名的行星运动定律提供了可能。

伽利略将望远镜指向天空，为天体研究带来了巨大的推动作用。这位非凡的人物在天文史上地位显赫，不仅因为他与这一伟大发明的关联，还因为他在外层空间天文学领域的成就。他于1564年出生于比萨，1609年，第一台用于天文观测的望远镜被制造出来。伽利略于1642年去世，同年牛顿也诞生了。正是伽利略为动力学这门科学奠定了坚实的基础，而天文学则是这一科学的最佳体现；同时，由于他宣扬哥白尼的理论，他也遭到了宗教裁判所的惩罚。

就瞳孔的精妙调节功能而言，人眼的结构为我们展示了望远镜原理的一个生动例证。要看到物体，光必须进入眼睛，而光线进入眼睛的通道就是瞳孔。在白天，当光线强烈时，虹膜会缩小瞳孔的大小，从而防止过多光线进入。而在夜间或光线不足的情况下，眼睛需要尽可能多地接收光线，此时瞳孔就会扩大，随着瞳孔变大，进入眼睛的光线也会增多。这样，视网膜上图像的亮度就能根据视觉需求得到有效控制。

恒星向我们发出微弱的光线，这些光线便形成了图像。不过，即便瞳孔完全张开，有时图像的亮度仍不足以引发视觉感知。这时望远镜就能派上用场：它能收集所有光线，形成一束光……

物体的原始尺寸实在太大，无法通过瞳孔进入。透镜的作用就是将那些光线聚焦成一股足够细小的光束，从而能够穿过那个小开口。这样一来，投射在视网膜上的图像亮度就会增强。其接收到的光量几乎相当于通过与望远镜大透镜大小相当的瞳孔来观察同一物体时所接收的光量。

在天文观测站中，我们使用两种完全不同的望远镜。较为常见的是折射望远镜，它利用光的折射作用来使光线聚集。折射望远镜的结构如图1所示。来自恒星的光线照射到望远镜末端的物镜上，经过物镜后发生折射，形成一束会聚的光线，所有光线最终在焦点处交汇。从焦点发出的光线再遇到目镜，目镜的作用则是让这些光线重新变为平行光。原本照射在物镜上的宽大的圆柱形光束因此被压缩成了一个小光束，这样它就能进入瞳孔了。不过需要指出的是，由于光的复合性质，物镜的构造要比这里所示的简单透镜复杂得多。在折射望远镜中，我们必须使用所谓的消色差组合镜片，即由一块燧石玻璃镜片和一块冕玻璃镜片组成，并且需要经过精心调整才能使其相互匹配。

图1——折射望远镜的原理。

图2——都柏林邓辛克天文台南赤道穹顶。

图3——邓辛克天文台圆顶的剖面图。
附图展示了为安置尺寸适中的天文仪器而设计的天文台的外观。第一张图（图2）显示的是邓辛克天文台上为赤道望远镜所建的圆顶，该望远镜的物镜是由已故的詹姆斯·索斯爵士赠予都柏林三一学院委员会的。建筑的主体部分是一堵圆柱形墙壁，其顶部则是一个半球形屋顶。在屋顶上有一个可打开的百叶窗，这样望远镜就能看到天空中的景象。圆顶可以旋转，从而使开口指向天体所在的位置。下一张图（图3）则是圆顶的剖面图，展示了用于驱动圆顶旋转的机械装置以及望远镜本身。观察者通过目镜进行观测，图中还显示了他正在转动手柄的场景——该手柄可用于缓慢移动望远镜，从而精确地调整望远镜对准所要观测的天体。两个透镜共同……

该仪器的物镜直径为12英寸，望远镜的质量主要取决于这些透镜的制造精度。目镜则相对简单，通常只由一两个小透镜组成；根据所需的放大倍率，可以选用不同的目镜。需要指出的是，在许多天文学观测中，并不需要过高的放大倍率——放大倍率存在一定的极限，超过这个限度后再提高放大倍率也无法带来更好的效果。物镜只能从恒星那里收集一定量的光线；如果放大倍率过高，这些有限的光线就会被分散在过大的区域内，从而导致观测结果不理想。大气的不稳定性也会进一步限制图像的放大程度，因为放大倍率每增加一点，大气扰动也会相应加剧。

以这种方式安装的望远镜被称为赤道式望远镜。这种支撑方式的优点在于，可以轻松地移动望远镜，使其能够跟随恒星在天空中的运动轨迹。望远镜的必要移动动作是由重物驱动的钟表机构来实现的，因此一旦望远镜被正确对准，恒星就会始终处于观察者的视野范围内，从而消除恒星因日运动而产生的视位移效应。在这一领域最新的改进则是采用电气装置，通过天文台的标准时钟来控制望远镜的运转。

图4——芝加哥耶基斯天文台的望远镜。
（摘自《天体物理学杂志》第6卷第1期。）
折射望远镜的威力——只要这一概念有确切意义的话——可通过其物镜的直径来衡量。事实上，各个文明国家之间曾为拥有最强大的折射望远镜而展开过激烈的竞争。在那些成功制造出来的著名望远镜中，就有1881年由都柏林的霍华德·格鲁布爵士在维也纳的宏伟天文台里安装的那台望远镜。从其物镜直径为2英尺3英寸这一事实，就可以大致了解它的规模。有许多巧妙的装置有助于减少使用如此大型望远镜时所带来的不便。其中，值得一提的是用于将望远镜上的刻度圈呈现给观察者看的装置。这些刻度圈实际上位于远离观察者所处位置的眼镜部分的仪器上。不过，借助小型辅助望远镜以及相应的反射镜，就可以轻松地从远处读取这些精细的标记和数值，因为这些辅助望远镜能够将光线从刻度圈引导到观察者的眼睛中。

马萨诸塞州波士顿剑桥港的阿尔文·克拉克公司也制造出了许多极为精良的折射望远镜。他们最著名的望远镜之一就是目前安装在加利福尼亚州汉密尔顿山上的大型利克折射望远镜。该望远镜的物镜直径为36英寸，焦距则为56英尺2英寸。最近，这家公司还为芝加哥大学的耶基斯天文台打造了一台口径为40英寸的折射望远镜。这台望远镜的长度为75英尺，安装在一个直径为90英尺的旋转圆顶下。为了让观察者无需使用过大的梯子就能看到眼镜部分，该房间的地面可以通过电动机上下调节，调节幅度可达22英尺。图4展示了这一结构，而图6则显示了耶基斯天文台的南侧外观。

图5——赫歇尔折射望远镜的原理。

图6——芝加哥耶基斯天文台的南侧正面。
（摘自《天体物理学杂志》第6卷第1期。）

图7——罗斯勋爵的望远镜。

在最近几年里，格林尼治皇家天文台的仪器设备中又增添了两台出色的望远镜，它们都是由H. 格鲁布爵士提供的。其中一台配备了28英寸的物镜，其支架原本是为G. 艾里爵士设计的较小口径望远镜而制造的。另一台则由亨利·汤普森爵士捐赠，其口径为26英寸，专为摄影用途而设计。

折射望远镜的尺寸存在上限，这一限制取决于物镜所使用的材料。玻璃制造商在试图制造出足够纯净、均匀且适合用于望远镜的大尺寸光学玻璃圆盘时面临着诸多困难。随着圆盘尺寸的增大，这些困难也会愈发严重，因此成本也会以更快的速度上升。值得一提的是，利克望远镜的物镜价格竟然超过了一万英镑。

不过，还有一种制造望远镜的替代方法，采用这种方法就不会出现我们刚才提到的那些难题。最简单的反射式望远镜的工作原理如图5所示，它就是所谓的赫歇尔式仪器。来自被观测恒星的光线照射在经过精心设计且高度抛光的镜子上。光线经反射后会汇聚到一个焦点上，然后从该焦点发散出来，最终照射到目镜上；在目镜的作用下，这些光线又会恢复成平行状态，从而便于被眼睛接收。艾萨克·牛顿爵士正是基于这一原理（只是在望远镜管的上端加了一面平面镜，将光线以直角反射到放置目镜的一侧）制造出了那台如今为皇家学会所珍藏的小型反射望远镜。半个世纪前，已故的罗斯伯爵也在帕森斯敦制造了一台著名的牛顿式望远镜，其结构如图7所示。这台望远镜的巨大口径至今仍无人能超越，实际上也从未有同类仪器能与其相媲美。那面镜子其实是一块厚厚的金属圆盘，由两份铜和一份锡混合而成。这种合金极其坚硬且易碎，因此很难对其进行必要的机械加工。不过，它却能够被打磨得极为光滑，并保持精确的形状。那面直径为6英尺、重量达3吨的罗斯镜子，安装在55英尺长的望远镜的下端。整个望远镜管被悬挂在两堵巨大的城堡式墙壁之间，这两堵墙为比尔城堡的草坪增添了壮观的景观。与我们所讨论的赤道式望远镜不同，这台望远镜无法指向天空的各个方向。它只能沿着子午线升高角度，以及在子午线两侧进行有限的横向移动。不过，只要在合适的时间进行观测，帕森斯敦所在纬度范围内所有可见的恒星或星云都可以通过这台大型望远镜被观测到。

在目标到达子午线之前，必须先调整望远镜至正确的仰角。所需的动力是通过链条从墙壁北端的绞盘传递到靠近望远镜上端的一个点的。

通过这一装置，望远镜可以被抬高或降低；而一套巧妙的平衡系统则确保了在各种高度下都能轻松地调整望远镜的位置。观测者则站在可观察目镜的观象台上；当时机成熟时，恒星就会进入视野范围——即图8所示的子午圈区域内。强大的机械装置驱动着这台大型望远镜，从而抵消昼夜间的运动影响，这样观测者就能持续注视目标，直到完成测量或绘图工作为止。

近年来，反射式望远镜通常采用覆盖有薄层银膜的玻璃镜面，这种镜面能够反射比金属镜面多得多的光线。在这一类大型反射望远镜中，值得一提的是口径分别为3英尺、5英尺的两台望远镜，Common博士利用它们完成了许多有价值的科研工作。

不过，我们不应认为在天文台的常规观测工作中，必须使用体积巨大的望远镜。那些庞大的反射望远镜……

折射望远镜主要用于观测那些极其微弱的天体。而对于那些并不特别难以观测的天体，使用尺寸较小的望远镜则更为合适。关于天体的基本信息，主要是通过功率适中的光学仪器所获得的观测数据来了解的，这类仪器经过特殊设计，能够实现精确的位置测量。实际上，在天文学的早期阶段，人们就是依靠那些无需借助望远镜就能指示天体方向的装置来测定其位置的。

在现代天文台里，或许最有价值的测量结果正是由那种被称为子午圈的精密仪器所提供的。在讲述天体相关知识时，不可能不提及这一对天文研究至关重要的工具，因此我们将简要介绍其较为简单的一种形式——以巴黎天文台中的一台大型仪器为例，如图8所示。

该望远镜的中心与一条与其长度垂直的轴相连。这条轴的两端都装有支点，这些支点可以在固定支架上旋转，从而使望远镜的移动完全限制在子午面内。在望远镜的目镜内部，有极为细小的垂直纤维。观测者观察月亮、恒星或行星进入视野的情况，并用时钟记录下天体经过每条线时的确切时间，精度可达秒级。连接在轴上的圆圈上有度数标记以及更小的刻度，随着望远镜的移动，这个圆圈会显示出仪器所指向的天体的高度。要读取银质圆圈上精细的刻度和数字，就需要使用显微镜。这些显微镜就显示在示意图中，它们都被固定在支撑仪器一端的墙壁上的孔洞中。在仪器的另一侧有一盏灯，灯光透过支点的穿孔轴，再通过镜子巧妙地折射，从而为焦点处的刻度线提供所需的照明。

观察者所看到的、延伸在望远镜视野中的那些纤维，需要稍作解释。为此，我们需要一种极其细腻、相当耐用且具有一定弹性的材料，同时重量也要尽可能轻。没有任何金属丝能够完全满足这些条件，而蜘蛛所纺出的美丽丝线则完美地符合了这些要求。这些纤细的丝线被巧妙地拉伸并固定在望远镜的视野范围内适当的位置上。有了如此精良的仪器，我们就能理解现代观测所达到的精确度了。当望远镜对准一颗恒星时，那颗恒星的影像就呈现为一个微小的光点；当这个光点与两条中央轴线相交时，就意味着望远镜已经正确对焦了。我们特意使用“对焦”这个词，是为了将望远镜对焦的过程与用步枪瞄准目标的过程相类比。假设目标并非普通的大靶心，而只是一个表盘——当然，在常规射击距离上，射手是无法看到这个表盘的。但借助子午圈望远镜，即便在一英里之外，也能看清那个表盘。子午圈望远镜确实具备如此高的精确度，它能够分别对准两颗恒星，而这两颗恒星在人眼中所张的角度，不会大于位于一英里外、在表盘圆周上的相邻两颗60分钟刻度点所张的角度。

如果不能结合某种装置来在望远镜正确对焦后确定并记录下恒星的位置，那么这种精确对准仪器的能力也就几乎毫无用处。确定恒星位置的一个依据来自天文钟，它能指示出该恒星经过中央垂直线的时刻；另一个依据则是带有刻度的圆环，它能显示出恒星与天顶或正上方点的角度距离。

我们那些宏伟的天文台里配备了精良的子午线观测仪器，这些仪器每晚都在被用来进行那些构成天文学基本原理的测量工作。这些仪器都是经过精心设计制造的；但负责观测的天文学家有责任从各种可能的角度来质疑其精确度。尽管这些观测管可能是机械工程师所能制造出的最坚固的结构，圆周上的刻度也可能是用最精密的刻度机刻制的，但严谨的天文学家并不会满足于单纯的机械精度。对于外行人来说，那个子午线圆圈似乎是件工艺精湛、精确度极高的作品，但对于实际使用它的天文学家而言，看法却截然不同。没有人能比他更深刻地理解制造出那个子午线圆圈的工匠的技艺，以及那些用于照明和读数的巧妙装置是如何让仪器达到如此完美的状态的。虽然天文学家能够认识到所使用的仪器之美，但他的脑海中始终存在着一种绝对完美的理想仪器形象，而实际的子午线圆圈只不过是对其的一种近似而已。

与理想中的仪器相比，最精良的子午线圆圈也只不过是一堆缺陷罢了。理想的观测管是完全刚性的，而实际的观测管则具有弹性；理想状态下圆周上的刻度是完全均匀的，而实际的刻度则并不均匀。理想的仪器是完美圆形、完美直线以及完美直角的几何体现，而实际的仪器只能显示出近似的圆形、近似直线以及近似直角。或许蜘蛛所编织的网整体上是最出色的——那张拉紧的网几乎可以被视为最接近完美直线的机械结构；但我们却无法以完全均匀的方式编织出那些美丽的丝线，而且当我们试图让视野中的两条丝线形成90度角时，也难以做到完全准确。

子午线观测者所面临的困难也并非仅仅来自仪器本身。他还必须克服自身的缺陷。

为适应那些出乎意料的特殊状况，人们常常需要采取特殊措施；大气层所带来的干扰极为严重；而仪器本身的误差则表明，甚至连坚实的地面也无法作为可靠的参照。我们得知，那些导致地面发生震动的地震，其实只是地球持续不断的小幅度运动中较为明显的例子而已，这些运动每晚都在破坏仪器精确的调整功能。

一旦意识到这些误差的存在，就意味着已经迈出了第一步。通过天文学家与数学家的合作，就可以测量出实际子午圈与理想状态下完美的仪器之间的差异。一旦掌握了这一数据，我们就能估算出这些误差对观测结果的影响，最终去除那些严重的误差，从而获得较为准确的观测结果。虽然这些结果并非完全精确，但已足够接近于那些在绝对稳固的地球上、使用几何精度极高的理想仪器、且不受大气层干扰的情况下所获得的数值。

除了上述仪器之外，天文学家还有其他方法来观测天体的运动。在过去的十五年里，摄影技术已在实际天文学中发挥了重要作用。这门精美的艺术能够以比最熟练的绘图师用铅笔绘制的图像更为精确的方式，呈现天上的各种天体。摄影技术还可用于制作所需观测区域的星图。通过定期拍摄同一区域的照片并加以比较，就可以判断该区域内的恒星是否发生了移动。借助精密的测量装置，还可以确定这种运动的幅度和方向。

如果要用折射望远镜拍摄天体照片，其物镜就必须为这一目的而特别设计。在感光板上形成图像的光线，并不完全等同于那些在人眼视网膜上形成图像的光线。而反射镜则能将所有光线——无论是具有化学活性的光线还是仅用于视觉的光线——汇聚到同一个焦点上。因此，同样的反射式仪器既可以用来观测天空，也可以用来在替代人眼的感光板上拍摄照片。

简单的肖像相机被广泛用于拍摄比长焦望远镜所能覆盖的更大范围的天空景象，从而获得出色的照片；不过，若需进行精确测量，那么用长焦望远镜拍摄的照片显然更为准确。

毋庸置疑，无论何种摄影设备，都必须依靠经过精细调校的机械装置来抵消地球自转所导致的恒星看似每天都在移动的现象。否则，照片的质量就会受到影响，就如同在拍照时被摄者若不保持静止，其肖像照片也会毁掉一样。

在英国的各种天文台中，格林尼治皇家天文台当然是最著名的。与世界上的其他同类机构相比，它最为突出之处在于几代人始终不懈地从事着天文研究工作。格林尼治天文台成立于1675年，旨在推动天文学与航海技术的发展，从一开始，其观测工作就以尽可能精确地确定恒星、太阳、月亮以及行星的位置为目标。近年来，该天文台的研究工作取得了巨大进展，现在那里正在积极开展这门科学中最前沿的研究领域。

格林尼治最大的赤道望远镜是一台口径为28英寸、长度为28英尺的折射望远镜，由霍华德·格鲁布爵士所建造。最近，我们国家的研究机构还添置了一台来自同一著名制造厂的杰出复合型望远镜：它由一台专为摄影而设计的、口径为26英寸的折射望远镜（由亨利·汤普森爵士捐赠）以及一台直径为30英寸的反射望远镜组成，后者则是康曼博士的杰作。该机构每年出版的大量研究成果，充分体现了皇家天文学家及其众多助手们如何充分利用这些先进的观测设备。

天球的南部区域在我国的观测条件极为有限，因此需要通过南半球的各个天文台来进行观测。其中最著名的当属好望角皇家天文台，那里拥有顶级水平的观测仪器。值得一提的是，那里还有一台由麦克林先生捐赠的巨大摄影望远镜。好望角天文台的台长吉尔博士所做的诸多研究，也为天文学的发展做出了重要贡献。

图9——大熊座。

不过，其实并没有必要使用如此精密的仪器才能了解望远镜所能带来的帮助。开始进行天文研究时，最合适的工具其实就在我们手边——那就是船长在船上使用的那种双筒望远镜；如果无法获得的话，普通的观剧用望远镜也能起到类似的作用。虽然它的威力显然不及望远镜，但却有一些优势。通过观剧用望远镜，我们可以一次性观测到大片天空区域，而一般来说，望远镜的视野要小得多。

假设观察者拥有这样一台观剧用望远镜，并准备开始他的天文研究，那么第一步就是先熟悉图9中所显示的那七颗星组成的星群。这个星群通常被称为“北斗七星”，但天文学家更倾向于将其视为大熊座的一部分。大熊座中有许多值得关注的特征，初学者应尽快学会辨认构成它的那七颗星。其中位于熊头处的α星和β星通常被称为“指极星”，因为它们能帮助人们找到天空中最重要的恒星——北极星。

将注意力集中在大熊座中那个呈矩形区域的星星上，α、β、γ、δ四颗星就是该矩形的四个角。在天气极好的夜晚，且没有月光的条件下，或许可以看见十几颗星星，视视力好坏而定，甚至可能更多。但当用观剧用望远镜观察同一区域时，就会看到惊人的景象：现在可以轻松地看到上百颗星星。

不过，观剧用望远镜仍然无法显示出该区域的所有星星。任何一台性能良好的望远镜都能揭示出那些因仪器精度不足而无法被看到的数百颗星星。望远镜的口径越大，能看到的星星就越多。

通过那些巨大的望远镜观测，其恒星数量恐怕得以千计。我们选择大熊座，是因为它比其他任何星座都更为人熟知。不过大熊座的恒星数量也并非特别多。至今仍无人能够准确统计出其中的恒星总数，不过人们已经提出了各种估算值。借助大型望远镜，我们至少能够观测到50,000,000颗恒星。那些使用直径不小于三英寸的优质折射望远镜的学生，可以在许多美好的夜晚里找到有趣的观测对象。如果他们能拥有韦伯所著的《普通望远镜可观测的天体》这本实用的参考书，那么他们的观测工作将会更加有趣。

第二章 太阳
太阳的巨大体积——其温度高于熔化铂金的温度——太阳是地球热量的来源吗？——太阳距离地球92,900,000英里——如何理解这一距离的巨大性——昼夜现象——发光体与不发光体——太阳与恒星之间的差异——太阳也是一颗恒星——太阳的表面具有颗粒状结构——太阳上的黑子——黑子形态的变化——日珥——太阳绕自身轴旋转——典型太阳黑子的样子——太阳黑子的周期性变化——太阳黑子与地球磁场的关联——光谱分析的原理——太阳中存在的物质——黑子的光谱——围绕太阳的日珥——日全食——日珥的大小与运动——日珥与太阳黑子的关系——通过光谱测量判断太阳上的运动——围绕太阳的日冕——太阳的构成。

在开始研究我们周围的天体时，我们自然会从那无与伦比的太阳开始。它那耀眼的光芒使其在所有其他天体中脱颖而出。

太阳的尺寸与其重要性是相称的。天文学家们已经成功测出了它的精确数值，但这些数值实在巨大，以至于很难让人想象。太阳的直径，也就是从一侧中心到另一侧中心的轴线长度，为866,000英里。然而，这样的描述仍无法让人充分了解太阳的庞大体积。如果要在太阳表面铺设铁路，且以每小时60英里的速度行驶，那么即便日夜不停，也需要五年时间才能走完这段路程。

将太阳与地球相比，太阳的巨大体积就更显惊人了。假如把太阳分割成一百万份，每一份的体积都会远远超过地球的体积。图10展示了一个大圆圈和一个很小的圆圈，分别标有S和E。

分别为。这些圆圈显示了这两个天体的相对大小。
不过，太阳的质量并不会以相同的比例超过地球的质量。如果把太阳放在一台大型天平的一端，而将30万个质量与地球相当的物体放在另一端，那么太阳仍会使天平倾斜。

太阳的温度远远高于我们在化学实验室或冶金厂中能够人工制造出的任何温度。我们可以让电流通过一根铂金丝，这根金属丝会先变红热，如图10所示——地球与太阳的相对大小。接着会变成白热状态，随后会发出几乎令人眼花缭乱的强光，直到最终熔化断裂。即便是在最先进的炉子中，也很难达到铂金丝熔化的温度，更不用说太阳的温度了。

然而，必须承认，日常经验中所观察到的现象与我们刚才所描述的太阳具有极高温度这一事实之间存在明显的矛盾。“如果太阳真的那么热，”有人说道，“那么我们越靠近它，感受到的温度就应该越高；但实际上并非如此。”

在高山之巅，我们虽然更接近太阳，但众所周知，那里的温度比山脚下的山谷要低得多。如果山峰像勃朗峰那么高，那么我们距离那个发光的球体肯定比在海平面上时近两三英里；然而，我们得到的并非更多的温暖，而是永恒的冰雪。一个简单的例子有助于理解这一现象：在阳光明媚的日子里，温室里的温度会比室外高很多。玻璃允许炽热的阳光进入，但却无法让这些阳光同样自由地散发出去，因此温度就会上升。从这个角度来看，地球可以被视为一个温室，只不过我们的地球被厚厚的空气层所包围，而非玻璃窗。在地球表面，我们就好比处于温室之中，能够享受到大气层的保护；而当我们登上极高的山峰时，就会逐渐脱离这种保护层，从而感受到寒冷。如果地球没有这层空气，那么整个大陆以及山顶上无疑都会被永恒的严寒所笼罩。

实际上，太阳与地球之间的距离约为92,900,000英里；但仅仅记住这个数字并不足以让我们真正了解其规模。要想数出100万，需要连续三天三夜不停地计数；而要算出地球与太阳之间的全部距离，则需重复这一过程近93次。

在每一个晴朗的夜晚，我们都能看到天空中分布着无数星星。有些星星很亮，有些则较暗，还有一些则组成各种有趣的图案。对于这些众多的亮点，我们现在有一个重要的问题：它们是像太阳那样靠自身发光的天体，还是像月亮那样只能反射其他光源的光芒？答案其实很简单——大多数星星都是靠自身发光的，它们也就是所谓的恒星。

假设太阳以及那些所谓的恒星都是能够自行发光的明亮天体，那么它们之间究竟有什么本质区别呢？

在太阳与星星之间，当然存在着巨大的差异——太阳的光辉无与伦比，而星星则只是微弱地闪烁着光芒。然而，这种差异并不一定意味着太阳本身的光辉就比星星更胜一筹。事实上，我们处于离太阳相对较近的位置，这样才能享受到它的温暖与光线；而与最近的星星相比，我们之间则存在着巨大的距离。如果太阳逐渐远离地球，它的光亮就会减弱，当它远离到与我们与星星之间的距离相当时，它的光辉就会完全消失。那时，太阳再也不会是我们所熟悉的那个辉煌的球体，也不会再是带来温暖的光源或驱散夜幕黑暗的明灯。我们的太阳将会缩小到一颗星星的大小，其亮度甚至还不如我们每晚都能看到的许多星星。

我们由此得出的结论实在令人震撼：那些每晚点缀在天空中的无数星星其实具有极其重要的意义。每一颗星星都是一颗强大的太阳，它们的光辉甚至可以与我们的太阳相媲美，在很多情况下甚至更为耀眼。这让我们对宇宙的广阔空间以及其中那些恒星的庄严与辉煌有了全新的认识。

这一图景还有另一个值得注意的方面：从现在开始，我们必须记住，太阳也只是一颗星星，而且并非特别重要的那一种。如果太阳、地球以及地球上的一切都消失了，那么在宇宙中产生的影响只不过是一颗小星星停止了闪烁而已。仅仅从一颗星星的角度来看，太阳在宇宙的宏大结构中其实微不足道。但我们对太阳的认知并非仅限于它作为一颗星星的身份。由于它与我们相对较近，它才具有远远超过其他所有星星的重要性。我们之前以为自己需要远离太阳才能了解它在宇宙中的真正地位；现在，让我们靠近它，给予它应得的重视，因为它对我们而言具有至高无上的重要性。

用肉眼观察时，太阳看起来像一个扁平的圆盘。然而，如果使用望远镜进行观测，并且务必在望远镜与眼睛之间放置一块深色玻璃，或采取类似措施保护眼睛免受伤害，就会发现太阳并非平面，而是一个真正的发光球体。

我们首先需要解答的问题是：构成这个发光球体的物质是固体吗？如果不是固体，那它又是液体还是气体呢？乍看之下，我们可能会认为太阳不可能是流体，因而会自然而然地认为它是由某种白热状态的固体构成的球体。但这种观点是不正确的；因为至少就太阳的表面部分而言，它显然不是固体。

图11展示的是通过中等口径望远镜所看到的太阳的整体景象，该图像来自一张照片。

该照片由卢瑟福先生于1870年9月22日在纽约拍摄。可以明显看出，太阳表面的纹理与亮度绝非均匀的，而更像是呈颗粒状或斑驳状。这种外观是由于发光云团悬浮在亮度稍低的气体层中所致。毋庸置疑，这些太阳云团与我们地球上常见的云朵有着本质上的不同——地球上的云朵是由微小的水滴构成的，而太阳表面的云团则是由在极高温度下存在的各种化学元素的微粒所组成。

梅东的詹森先生在过去的二十年里成功拍下了许多高质量的太阳表面照片，这些照片生动地展现了太阳表面的颗粒状特征。我们在图12中展示了其中一张照片。可以看到，那些发光点之间的区域呈灰色调，整体效果（正如杨教授所指出的）很像从稍远距离看到的粗糙绘图纸。我们常常会注意到这类照片上某些区域的清晰度不够理想，但这些并非最初可能认为的那种瑕疵。它们既不是由照相底片的偶然缺陷造成的，也不是由显影过程中的意外因素导致的，其根源显然在于太阳本身。要解释这一原因其实并不困难。正如我们日后将会提到的，太阳表面那些发光气体的运动速度必定极为快。即便在百分之一秒的时间里——这大约就是这张照片的曝光时间——太阳云团的运动速度也足以导致我们所观察到的模糊现象。

图12——太阳表面的照片。
（由詹森拍摄。）

在太阳表面，可以看到一些不规则分布的黑色小物体，它们被称为太阳黑子。这些黑子的大小和数量差异很大。太阳黑子最早是在17世纪初，也就是望远镜发明后不久被发现的。图13展示了太阳黑子的一般外观：中央的黑暗核心与周围较亮的边缘形成鲜明对比。图16则显示了一个从颗粒间的缝隙中逐渐形成的小黑子。

最早观察这些黑子的人注意到，它们似乎会以相同的方向在太阳表面移动。图14是谢纳神父所绘的一幅重要图表的复制品，该图表展示了他在1627年3月观测到的两个黑子的运动轨迹。图表标出了从3月2日到16日这几天里这两个黑子所处的位置。图13中的那些仅以轮廓标出的点，代表3月11日和13日的黑子位置；这两天天气多云，因此无法进行观测。人们发现，这些黑子总是朝着同一个方向移动——即从太阳的东侧边缘向西侧边缘移动。它们需要12到13天才能完成一次穿越太阳表面的旅程，之后又会消失大约相同的时间，直到再次出现在太阳的东侧边缘。这些早期的观察者很快就意识到了这一发现的重大意义。他们从这些简单的观测中推断出：太阳和地球一样，也会绕着自己的轴旋转，而且旋转方向相同。不过，这两种旋转之间存在一个重要区别：地球只需24小时就能完成一次自转，而太阳则需要约26天才能完成一次自转。

图三：太阳上的黑子与光斑。
（源自沃伦·德·拉鲁先生于1861年9月20日拍摄的照片。）
如果在良好的大气条件下，使用口径较大的望远镜观察太阳黑子，我们就能发现许多有趣的细节，这些细节有助于了解太阳的结构。黑子的半影通常由一些朝向黑子中心的细丝构成，而这些细丝在靠近黑子核心的部分往往更亮。在结构规则的黑子中，半影的轮廓与黑子核心的轮廓大致相同；不过，天文学家们常常会对那些形状极为不规则的巨大黑子感到非常感兴趣。在这种情况下，太阳表面那明亮的区域（即光球层）往往会延伸到黑子核心处，形成一片伸向内部甚至横跨黑暗内部的“半岛”。兰利教授在1873年12月23日至24日观测到的一个形状极其不规则的黑子，其图像就很好地展示了这一现象（见图二）。

太阳黑子的细节会不断变化，甚至每天、有时每小时都会出现新的变化。对于那些经常在太阳黑子附近出现的明亮条纹或斑块，也可以做出类似的描述。这些明亮的标记被称为“光斑”。在太阳边缘附近，这些光斑最为明显，因为那里的太阳表面光线强度不如靠近圆盘中心的地方那么强。边缘处光线强度降低的原因是，太阳周围有更厚的吸收性大气层，从边缘区域发出的光在向地球传播的过程中必须穿过这些大气层。

太阳圆盘上的任何标记都不是太阳上的永久性特征。当然，有些现象可能会持续数周之久。确实，偶尔会有同一个太阳黑子存在数月之久的情况；但在经历了不同长度的时间后，太阳某一处的这些标记可能会消失，而其他地方则会出现新的类似标记。从这些事实可以得出一个不可辩驳的结论：我们所能看到的太阳表面并非固体，甚至也不是液体，而是一种气态或蒸汽状态的物质。

太阳黑子常常会分裂成两个或更多的独立部分，有时这些分裂后的部分会以每小时至少一千英里的速度飞散。“虽然极为罕见，但偶尔”（此处引用杨教授的观点，我常常得益于他的研究），“会出现一种极其惊人且令人震惊的现象：突然出现一些亮度极高的斑块，它们会持续几分钟，移动速度可达每秒一百英里。”

其中有一起事件已经成了经典案例。它发生在1859年9月1日上午（格林尼治时间），两位著名且可靠的观测者——卡林顿先生和霍奇森先生——分别独立观测到了这一现象，他们关于这一事件的描述可见于《月刊》中。

1859年11月的《皇家天文学会通报》。
当时，卡林顿先生正在通过屏幕上显示的太阳圆面图像，像往常一样每天观测太阳黑子的位置、形状和大小——该图像即为图14。同时，谢纳也在从事那项为期八年的观测工作，这些观测成果为当今的太阳科学奠定了基础。而霍奇森先生则在数英里之外，利用太阳观测镜和遮光玻璃来描绘太阳黑子的结构细节。他们同时看到了两个发光体，其形状类似两颗新月，每个的长度约为八千英里，宽度约为两千英里，它们位于……

这些黑子彼此相距约一万二千英里。它们会突然出现在某个巨大太阳黑子的边缘，其亮度至少是光球层周围区域的五到六倍，然后以平行线的方式向东移动，逐渐变小、变暗，大约五分钟后便消失不见，而在此之前它们已经移动了近三万六千英里。

太阳黑子并非均匀地分布在太阳表面的各个区域。它们主要出现在太阳赤道两侧、纬度在10°至30°之间的两个区域中（见图15）。在赤道上，黑子较为罕见，不过奇怪的是，在其他地方黑子很少的时候，赤道上却会出现一些黑子。在高纬度地区则根本看不到黑子。与这种分布规律密切相关的一个显著事实是：不同纬度上的黑子所对应的太阳自转周期并不一致。卡林顿通过观测靠近太阳赤道的黑子，发现它完成一次自转需要25天2小时；在纬度20°处，自转周期约为25天18小时；在纬度30°处则至少为26天12小时；而在纬度45°处观测到的黑子数量相对较少，其完成一次自转则需要27天半的时间。

由于太阳——至少就其外部区域而言——是一团气体而非固体，因此认为黑子会像海洋中的船只那样拥有自己的运动方式其实并不奇怪。然而，从现有事实来看，太阳上的不同区域，相当于地球上的热带区和温带区，会以从赤道向两极逐渐减小的速度持续旋转。很可能太阳的内部并不像一个完全紧密相连的固体那样旋转。太阳的质量，或者至少是其大部分，根本不像固体，因此其各个部分在某种程度上可以独立运动。虽然我们无法直接观察到太阳内部是如何旋转的，但动力学定律仍然能够帮助我们理解这一现象。

可以推断，太阳的内部层旋转速度比外部层更快，这一事实有助于解释黑子运动的一些特征。但目前必须承认，在解释黑子的分布以及太阳的旋转规律方面还存在很大困难。

1826年，德国天文学家施瓦贝开始系统地记录太阳上可见黑子的数量。经过17年的观测，他发现黑子数量似乎每年都在波动，且其变化周期约为10年。后续的观测结果也证实了这一发现，人们还对各种古籍和手稿进行了深入研究，以获取更早时期的相关数据。这样一来，自17世纪初以来太阳黑子状况的较为完整的记录便得以形成，这也有助于天文学家更精确地确定黑子数量达到峰值的周期。

一个太阳黑子周期的进程大致如下：在两到三年时间里，太阳上的黑子既更大又更多；之后它们开始减少，大约在达到峰值后的六到七年后降至最低点；随后黑子数量又开始增加，大约四年半后又会再次达到峰值。这个周期的平均长度为11年5周，不过其长度以及峰值强度都会有一些变化。例如，1870年夏季出现了强烈的黑子活动高峰，之后在1879年出现了极低的黑子数量，1883年底又出现了一次较弱的峰值；接着在1889年8月左右又出现了一个普通的低值期，最后在1894年1月观测到了最后一次黑子活动高峰。很有可能还有另一个持续60到80年的周期影响着这11年的规律性。要解决这个问题，还需要进行长期系统的观测，因为1826年之前的观测数据过于有限，无法得出确切结论。

太阳黑子的周期性与其在太阳表面的分布之间似乎存在着某种奇妙的关联。当太阳黑子数量处于最低点时，它们通常会出现在太阳赤道南北约30°的纬度上；随后，它们逐渐向赤道附近扩散，到太阳黑子数量最多的时候，大多数黑子都出现在纬度不超过16°的区域。这一距离会持续减小，直到太阳黑子数量再次达到最低点。实际上，这些黑子还会在赤道附近停留数年，直到更高纬度地区出现新的太阳黑子出现迹象。

我们还需要注意一个非常特殊的现象，它表明太阳黑子现象与地球上的磁现象之间存在密切联系。众所周知，指南针的指针并不会恰好指向北方，而是会偏离子午线一定的角度，而且这个角度在不同地点是不同的，即使在同一地点也会发生变化。例如，在格林尼治，目前指南针的指针指向的是北偏西17°的方向，但这一数值会经历极其缓慢且渐进的变化，同时还会出现微小的日变化。大约50年前，巴伐利亚天文学家、苏格兰人出身的拉蒙特发现，这种日变化的幅度会以10又1/3年的周期有规律地增减，后来人们发现这个周期实际上是11又1/10年，这与太阳黑子的周期完全相同。通过对磁力观测记录的仔细研究，人们发现太阳黑子数量最多的时期几乎总是与指南针指针日变化幅度最大的时期相吻合，而太阳黑子数量最少的时期也是如此。太阳黑子的周期性与其磁针的日变化之间的这种紧密关系，并非我们所能掌握的证明太阳现象与地球磁场之间存在某种联系的唯一证据。太阳黑子数量最多的时期也是磁场活动最为活跃的时期，甚至有一些特殊情况下，太阳上的异常现象会与地球上的显著磁现象同时出现。

杨教授记录了这一现象的一个有趣案例：1872年8月3日，他在谢尔曼进行观测时，发现太阳表面出现了极其剧烈的活动。同一天，与他一同从事磁力观测的同事告诉他，由于磁铁出现了剧烈运动，他不得不中断自己的观测工作。后来，通过格林尼治和斯托尼赫斯特的摄影记录发现，美国观测到的那次磁力“风暴”在英格兰也同样存在。人们还注意到太阳黑子与北极光之间存在类似的关联，而这其实是北极光与磁力扰动之间已知关联的自然结果。另一方面，必须承认的是，确实有许多剧烈的磁力风暴发生时，并没有相应的太阳活动；[5]不过，即便那些对这两种现象之间的关联持怀疑态度的人，也很难否认太阳黑子数量的增减与指南针指针每日偏移幅度之间的显著一致性。

图16——太阳的纹理与一个小型黑子。
我们现在已经介绍了通过望远镜所能够观测到的主要太阳现象。不过，关于太阳的本质还有许多问题，即便是最强大的望远镜也无法解决它们，而光谱仪则为我们提供了研究这些问题的手段。

我们从太阳那里获得的是温暖与光亮。太阳这个被极度加热的天体以极其旺盛的强度向各个方向辐射光束。我们能感觉到这些光束是温暖的，也能看到它们呈明亮的白色，但要想更深入地了解它们，仅靠感觉或视觉是不够的。每道太阳光束都带有其起源的痕迹。在经过特殊处理之后，这些痕迹才会显现出来，此时太阳光束就能“讲述”它的故事，从而让我们了解到关于这颗巨大光源的许多构成信息。

我们认为太阳的光是无色的，就像我们说水是无味的那样，但实际上这两种描述都更多反映的是我们自身的感受而已。

并没有什么真正具有水或阳光特性的东西。我们之所以认为阳光是无色的，是因为它仿佛构成了所有其他颜色展现的背景。事实上，白色远非无色，它包含了以特定比例混合在一起的各类已知色彩。太阳光实际上是一种极其复杂的混合光；只要稍加留意，大自然本身就会告诉我们这一点。我们所熟悉的那些美丽色彩是从何而来的呢？看看花园里那些迷人的色调吧：玫瑰的红色其实并不在玫瑰本身之中。玫瑰所做的只是吸收照射在它身上的阳光，从中提取其中的红色成分，然后将这种红光反射到我们的眼中。如果阳光中不存在红色光线，那就不可能有被阳光照亮的红色玫瑰。

这一原理还有许多其他应用场景：女士们常常会说，一件在白天看起来很漂亮的裙子，在晚上却显得不那么好看。原因在于，这件裙子是为了在阳光下展现出特定的色彩，而这些色彩在煤气灯的光线下则不会以同样的程度呈现出来，因此裙子的色调也就有所不同。问题并不出在裙子上，而在于煤气灯；而当使用电灯时，它发出的光线更接近于太阳光，于是裙子的色彩就能以其应有的美丽姿态展现出来。

最能体现阳光本质的奇妙自然现象就是彩虹。在这里，阳光会在云层中的微小水滴处发生折射和反射，这些水滴将阳光传递给我们，同时把白色的阳光分解为七种基本色彩——红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝和紫色。

图版A：太阳。格林尼治皇家天文台，1892年7月8日。

云层中的彩虹是现代科学中一个重要领域的典型现象，我们现在就要阐述这一领域的原理。水滴会分解太阳光束；我们通过彩虹所指示的路径，将阳光分解为各种成分。而要以科学的精确度做到这一点，就需要使用那把能够解开自然之谜的神奇工具——分光镜。白色阳光的光束……

由无数色彩各异的光束紧密交织而成。红色、黄色、蓝色和绿色的各种色调都存在于阳光中。我们用来击打阳光光束并将其整理成有序状态的“魔法棒”，其实就是一种简单的仪器——玻璃棱镜。我们在旁边的图示（图17）中展示了这种仪器的最简形式。它是一块形状为楔形的纯净且均匀的玻璃。当来自太阳或其它光源的光线照射到棱镜上时，它会穿过透明的玻璃并从另一侧射出；不过，在经过玻璃的作用后，光线的路径会发生显著变化——光线会因为折射而偏离原来的路径，被迫沿着不同的路线行进。如果棱镜对所有光线的折射程度都相同，那么它就无法用于分析光线；幸运的是，棱镜对不同颜色的光线具有不同的折射效果：红光相比黄光折射程度较小，而黄光又相比蓝光折射程度较小。因此，当包含各种不同颜色光线的阳光通过棱镜时，这些光线就会以附图（图18）所示的方式分离出来。这就是棱镜具备分析功能的原理：它对不同颜色的光线折射程度不同，所以经过棱镜后的阳光不再是纯白色，而是变成了类似彩虹的彩色光带，从一端的深红色开始，经过所有中间色调，最终变为紫色。

图18——棱镜对光的分散作用。
棱镜能够将太阳光或任何其他光源发出的光分解成其组成成分。通过分析这些成分的性质，我们可以了解发出这些光的物质的构成。实际上，在某些简单情况下，仅凭光的颜色就能判断出其来源。例如，烟花表演中有时会出现绚丽的红色光芒，那是由于锶元素的作用；人们只需通过火焰的颜色就能识别出这种元素。此外，用酒精点燃普通食盐时也会产生特有的黄色光芒，而钠是食盐中的主要成分，因此我们同样可以通过其燃烧时的颜色来识别这种物质。还有一种物质——镁，它燃烧时会发出明亮的白色光芒，这是镁这一金属的典型特征。

图十三：太阳与恒星的光谱。
I. 太阳。
II. 天狼星。
III. 猎户座阿尔德巴兰星。
IV. 猎户座参宿四。
锶、钠和镁这三种元素，可以通过它们在发光时产生的颜色来识别。正是这一简单的观察方法，为后来被称为光谱分析的现代研究技术奠定了基础。现在，我们可以利用棱镜来观察太阳和恒星的颜色，从而了解构成它们的物质成分。我们不必仅使用一个棱镜，还可以让需要分析的光线依次穿过多个棱镜，以此增强不同颜色的色散效果。光线进入分光镜后，首先会通过一个狭缝，然后经过透镜使光线变得平行；这些平行的光线接着会穿过一个或多个棱镜，最后通过小型望远镜观察，或者被照相底片捕捉下来，从而形成图像。如果穿过狭缝的光束源自某种发亮的固体……

无论是从液态物质中，还是从高压气体中发出的光，其光谱都会包含图十三中所显示的所有颜色，而且这些颜色之间没有间断。这就是所谓的连续光谱。但是，如果我们观察低压气体发出的光——方法是将少量气体放入玻璃管中，再通过电流使其发光——就会发现它并不会发出各种颜色的光，而只会发出某些特定颜色的光，而且不同气体的这些颜色各不相同。因此，气体的光谱是由许多独立的发光线条构成的。

当我们通过棱镜观察阳光时，会发现光谱并非从一端到另一端完全连续，而是被众多暗线所覆盖，附图十三中仅展示了其中少数几条。这些暗线是太阳光谱中的固有特征，它们与棱镜分解出的各种颜色一样，都是反映太阳特性的重要标志，同时也蕴含着关于太阳的诸多有趣信息。这些暗线实际上记录了太阳的历史与本质。通过功率足够的仪器观察，可以发现太阳光谱中有成百上千条这样的暗线，它们的亮度各异，分布似乎也没有什么规律可循。在光谱的某些区域，暗线很少；而在其他区域，则密密麻麻，难以区分。有些暗线极为细微精致，任何看到这一奇妙景象的人都会为之惊叹。

要解释这个相当复杂的主题——光谱分析，最好的方法莫过于按照最初揭示“夫琅禾费”暗线重要意义的发现过程来逐步了解。让我们特别关注太阳光谱中标记为d的那条线。在分光镜中观察时，会发现它由两条线条组成，这两条线之间有着极小的间距，其中一条略粗于另一条。假设当我们的注意力集中在这些线条上时，普通酒精灯的火焰……

将用普通盐染色的灯置于仪器前方，让直射的阳光先穿过火焰，再进入分光镜。观察者会立刻看到被称为d线的两条谱线变得极为明亮且对比度更高，而光谱的其他部分则没有出现任何可见变化。多次实验表明，d线的这种增强现象是由于盐在灯中燃烧产生的钠蒸气所导致的，阳光在穿过这些钠蒸气时发生了变化。

钠与光谱中的d线之间存在如此奇妙的关联，不可能是偶然的。即便只涉及一条谱线，这种巧合也极不可能发生；而当发现钠会影响构成d线的那两条相邻谱线时，我们就会更加确信这两条谱线与钠之间必定存在某种深刻的联系。假如切断阳光，只让来自钠蒸气的光透过分光镜，那么我们就会发现光谱中不再出现彩虹般的各种颜色；钠发出的光会集中为两条明亮的黄色谱线，正好位于太阳光谱中那些较暗的d线所在的位置，而钠火焰似乎还增强了这些暗线的亮度。

在这里，我们必须设法消除看似矛盾的现象：为什么在没有其他光源的情况下，钠火焰虽然会产生两条明亮的谱线，却似乎反而增强了太阳光谱中那些暗线的亮度呢？对这一现象的解释让我们立刻明白了光谱分析的基本原理——太阳光谱中的所谓“暗线”，其实只是因为与其他明亮区域形成对比而显得暗而已。实际上，这些暗线中也包含着大量的光，只不过当眼睛被周围强烈的光线晃眼时，就无法察觉到这些光。当装有钠的酒精灯的火焰介入时，它会发出一定量的光，而这些光全都集中在那两条谱线上。由此看来，钠火焰的影响应该是通过降低那些暗线的亮度来体现的。

这些线条会因此而变得不那么显眼。事实上，有钠焰存在时，这些线条反而更加明显。这是因为钠焰具有一种特殊的性质：它能阻挡那些原本会照射到这些线条上的阳光；这样一来，虽然钠本身会为这些线条提供一些光线，但它也会截获大量本应照亮这些线条的光线，因此有了钠焰之后，这些线条就显得更暗了。

由此我们得出了一个重要的原理，这一原理有助于解释太阳光谱中的暗线现象。我们发现，当钠蒸气被加热时，它会发出一种特殊类型的光线，通过棱镜后，这些光线会集中成两条线。不过钠蒸气还具有这样一种性质：太阳光可以毫无阻碍地穿过它，除了那些与上述两条线特性相同的射线之外，其他光线都不会被吸收。换句话说，如果某种物质被加热后会产生对应于不同种类光线的明亮谱线，那么这种蒸气就会对那些特定种类的光线起到遮蔽作用，而对其他种类的光线则保持透明。

这一原理在光谱分析理论中极为重要，所以我们再举一个例子。以铁元素为例，它很好地体现了这一规律。在太阳光谱中，有数百条暗线被认为与铁的光谱相对应。如果用适当的装置，将铁电极产生的电火花光与太阳光谱同时放在分光镜中观察，就能清晰地看到这种对应关系。太阳光谱中的铁线与炽热铁蒸气光谱中的线条位置完全一致。不过，此处所描述的铁光谱是由明亮线条构成的，而太阳光谱中的相应线条则位于明亮的背景之上且呈暗色。如果我们假设在太阳发光层周围的大气中存在着由高温铁产生的蒸气，那么这一切就能得到完整解释——这种蒸气会吸收或阻挡与它自身发光时所发出的光线相同的那些射线，由此我们便能理解这一现象了。

一个重要的事实是，铁与钠一样，必定以某种形式成为太阳的组成部分。

简而言之，这就是现代科学的一项重大发现——它为太阳光谱中的暗线提供了解释。人们将大量地球上的物质的光谱与太阳光谱进行比较，从而确定地球上已知的许多元素其实也存在于太阳中。这些元素包括钙、铁、氢、钠、碳、镍、镁、钴、铝、铬、锶、锰、铜、锌、镉、银、锡、铅、钾。而那些在地球上极为重要的元素，似乎却不存在于太阳中。硫、磷、汞、金、氮等元素至今仍未显示出它们是太阳成分的迹象。

另外，太阳大气层中某种物质的谱线可能极其明亮，以至于叠加在其上的连续光谱光线无法将其“反转”为暗线。例如，我们知道钠蒸气的亮线可以变得非常明亮，以至于放在钠蒸气后面的白炽石灰灯的光谱也无法使这些线变暗。如果让钠线的亮度降低到与石灰灯光谱中相应区域的亮度相当，那么这些线自然就无法被分辨出来了。因此，关于究竟有哪些元素真正缺失于太阳的问题，就像许多关于这颗巨大恒星的其他问题一样，目前仍属于未解之谜。不久之后我们就会知道，实际上已经通过太阳光谱中的相应谱线发现了一种此前未知的元素。

现在让我们回到太阳黑子上来，看看分光镜能为我们揭示其本质的哪些信息。我们会将一台强大的分光镜安装在望远镜的目镜端，以便让尽可能多的光线集中在狭缝上；因此，狭缝必须恰好位于目标的焦点位置。

玻璃。然后将仪器对准某个点，使其影像落在狭缝上，此时位于中心的暗区——即本影——会以一条贯穿整个太阳光谱的暗色条纹显现出来。这条暗带的两侧则是半影区域，其亮度虽高于本影，但仍低于太阳其他区域的亮度。

由于光谱出现变暗现象，我们可以推断本影区域内存在相当强的光吸收作用。不过，这种吸收并非由烟雾或云层中所含的微小固体或液体颗粒所引起的。1883年杨首次发现：如果吸收是由悬浮颗粒造成的，那么光谱应该均匀变暗，但实际上并非如此。在对许多大型且稳定的黑子进行观察后，他发现光谱中的绿色中间部分布满了无数细小的暗线，这些线条大多相互相连，但偶尔也会被明亮的间隔隔开。每条线的中间部分（对应黑子中心）较粗，而两端则逐渐变细成细线；实际上，大多数这类线条都可以延伸到半影区域乃至太阳表面。因此，这种吸收现象似乎是由温度远低于黑子外部气体温度的气体所引起的。

在南肯辛顿天文台，诺曼·洛克耶爵士多年来一直对黑子光谱中的红色和黄色区域进行研究，从中发现了进一步支持这一结论的有趣现象。许多暗线在黑子中的粗细和亮度与普通太阳光谱中的并无差异，而另一些线条在黑子光谱中则明显变粗，比如铁、钙和钠的谱线。钠的谱线有时会同时变宽并出现双重反转现象——即在粗暗线之上还叠加着一条亮线。在光谱的紫色端，钙的h线和k线也常常表现出同样的特征。这些事实表明，黑子核心区域存在着大量钠和钙的蒸汽。相关观测结果……

南肯辛顿天文台还发现了斑点光谱的另一个有趣特性：在斑点频率最低时，铁元素及其他地球元素的谱线最为明显；而在频率最高时，这些谱线几乎消失不见，只有那些来源不明的谱线才会出现宽度增大的现象。

分光镜让我们能够研究太阳上的其他有趣特征，这些特征太过微弱，以至于在阳光强烈的情况下无法用普通望远镜观察到。不过，在极为罕见的日全食发生时，当太阳的光芒被遮蔽，我们就能轻松地看到它们了。关于日食发生的条件，我们将在下一章中详细探讨。目前只需知道：由于月球的运动，它有可能完全遮住太阳，从而在地球的某些地区形成所谓的日全食。日全食持续的短短几分钟对天文学家来说极具研究价值——此时大地陷入黑暗之中，而在这片黑暗中却能目睹一些罕见而美丽的景象。

在图19中，我们看到了一次日全食的示意图，图中标出了那些从月球暗面后面伸出的特殊天体——即日珥（a、b、c、d、e）。很容易证明，这些日珥并非属于月球，而是太阳的某种附属物。在图19所示的日全食开始时，它们首先出现在月球的东侧边缘；那些最先被看到的日珥会逐渐被不断移动的月球遮住，而其他日珥则从月球的西侧边缘露出来。直到日全食结束、阳光再次照射下来时，这些日珥才会立刻消失。

在天文学家们能够使用分光镜之后，第一次观测到的日全食发生在1868年。同年8月18日，印度出现了日全食现象。几位配备了分光镜的观测者正在寻找这些日珥，他们发现这些日珥的光谱由独立的亮线组成，由此证明了它们其实是发光的气体团。第二天，参与此次日食观测的著名天文学家詹森成功地在了阳光充足的情况下看到了这些线条，因为他现在已经知道该在何处寻找它们了。早在日食发生前的几个月，诺曼·洛克耶爵士就已经开始准备寻找这些日珥，因为他预计它们会呈现出易于观测的线状光谱。

只有太阳的普通光线才能被充分滤除。他提议使用高色散度的分光镜来实现这一目标——这种分光镜能够将连续的光谱大幅展宽，从而使其变得更暗。他认为，高色散度会对那些独立的亮线产生的影响仅仅是扩大它们之间的间距，而不会影响它们的亮度。他为这一目的订购了新的分光镜，但直到日食结束后几周才制造完成，而此时詹森的成就消息早已从印度传到了欧洲。当这一消息传来时，洛克耶爵士已经发现了太阳边缘那些看不见的日珥的光谱。因此，无需借助日食就能观测太阳日珥的方法，其功劳应由这两位天文学家共同享有。

当把分光镜对准太阳边缘、且狭缝为径向方向时，会有一些短而明亮的线条显现出来，这些线条正好位于太阳光谱中相应暗线的延长线上。经过仔细分析可以发现，构成日珥的气体也以相对较薄的大气层形式存在于这颗恒星周围。这一层大约有五千到六千英里厚，位于构成太阳可见表面的致密发光云层——即光球层——的正上方。由于该层光谱中会出现彩色线条，人们将其称为色球层。这类线条数量非常多，但属于氢元素的那类线条最为突出，因此可以说色球层主要由氢元素构成。不过需要指出的是，钙以及另一种元素也始终存在，而铁、锰和镁则常常也能被观测到。至于那种我们尚未提及名称的奇特元素，它有着令人惊叹的历史。

在1868年的日食期间，人们在日珥光谱的线条中发现了一条明亮的黄色线条，起初这并不奇怪。

人们原本以为那一定是黄色的钠线。但后来在阳光充足的条件下进行仔细观测并取得精确数据后，人们立刻发现这条线与双钠线中的任何一条都不相同。这条新线无疑与钠线非常接近，但位置略偏光谱的绿色区域。此外，人们在普通太阳光谱的暗线中也没有发现与之对应的线条，尽管偶尔也能检测到一些细微的暗线，尤其是在太阳黑子附近。诺曼·洛克耶爵士和爱德华·弗兰克兰爵士证明，这种现象并非由任何已知的地球元素所产生。因此人们推测，它是由某种迄今未知的物质造成的，于是给这种物质取名为氦，或称“太阳元素”。在日珥和色球层的光谱中，人们也逐渐发现了大约十几条不太明显的线条，这些线条似乎也是由这种神秘的氦所引起的。近年来，在各种恒星的光谱中也检测到了这些特殊的线条。

长期以来仅存在于天体中的这种气体，最终也在地球上被发现了。1895年4月，与雷利勋爵一起发现新元素氩的拉姆齐教授，在对挪威发现的某种稀有矿物——克勒维石加热后释放出的气体光谱中，检测到了著名的氦线。这样，这种最初在9300万英里外的太阳上被发现的元素，终于也被证实是一种地球上的元素。

当龙格宣布地球上的氦的光谱中在红色端有一条极其微弱且紧邻其旁的伴线时，起初有人对拉姆齐发现的这种新气体是否就是色球层中的氦产生了疑问，因为此前从未有人注意到色球层中的氦线是双线的。不过后来，几位拥有强大观测仪器的科学家发现，色球层中的那条著名光谱线确实存在一条极为微弱的伴线。由此，天体中的氦与我们地球上发现的氦确实是同一种物质这一事实得到了确认。

某些情况似乎表明，这种新气体可能是两种密度不同的气体的混合物，但至今这一说法尚未得到证实。

在发现无需等待日食就能观测到日珥光谱之后，W.哈金斯爵士在1869年2月13日的观测中成功运用了一种方法，使得人们能够在阳光充足的情况下直接观测到这些奇特的太阳现象本身，而不仅仅是它们的光谱。只需将分光镜调整好，让最亮的谱线——比如红色氢线——位于观测望远镜视野的中央，然后再将分光镜的狭缝调大。这样，显示出来的就会是日珥的红色图像，而非单纯的谱线。实际上，当狭缝被调大时，棱镜会生成一系列与日珥相关的独立图像，每种光线都会对应一个图像。

我们之前提到过分光镜依赖于玻璃棱镜的作用。需要补充的是，在最高级别的分光镜中，棱镜已被刻有刻线的光栅所取代，光线是通过这些光栅反射的。刻线的作用就是通过所谓的衍射效应，将光束分解成其各个组成部分。

图版四。

太阳日珥。
（由美国剑桥哈佛学院的特鲁维洛于1872年绘制。）

那些从太阳明亮表面喷射而出的巨大日珥，其规模实在令人惊叹；然而，如果我们给它们足够的时间来发展的话，它们就会像地球上的火焰一样闪烁不定。每隔几小时甚至更短时间所拍摄的同一日珥的图像，往往会显示出巨大的变化。已观测到的位移幅度有时可达数千英里，而这些气体团的实际移动速度常常超过每秒100英里。更为剧烈的现象则是：当来自色球层的巨大炽热气体团如同从巨大的熔炉中喷出般向上飞散时所发生的剧烈动荡。图四展示了特鲁维洛在美国剑桥哈佛大学天文台所观测到的若干日珥的景象。他成功地在这些图片中呈现出了这些天体所呈现的各种奇妙形态。日珥的尺寸可以通过附在图片上的比例尺来推断。图中最大的日珥高度达到了80,000英里；而一些可靠的观测者还记录到了更高高度的日珥。这些天体有时会发生的快速变化，在最下方那条线左侧的两幅草图中有很好的体现，这两幅图都是1872年4月27日拍摄的，拍摄间隔不超过20分钟。这团巨大的火焰长度是地球直径的十倍，但在这么短的时间内它的形态就已经完全改变了；火焰的上部实际上已经断裂，现在出现在上边那条线上两个图形之间的区域。同一张图片还展示了各种类似尖刺状的天体，不过这些是不同时间、太阳不同位置所拍摄的。这类尖刺状天体的高度通常不会超过20,000英里，但有时也会升至极其惊人的高度。

我们可以以其中一种特殊的天体为例，杨教授已经记录了它的相关历史。1880年10月7日，有一……

上午10点30分左右，人们在太阳的东南边缘观察到了这种突起现象。当时它的高度约为4万英里，因此并未引起特别关注。半小时后，惊人的变化发生了：在这段短暂的时间里，该突起变得极为明亮，其长度也增加了一倍。又过了一个小时，这团巨大的火焰继续向上攀升，最终达到了35万英里的惊人高度——这一距离超过了太阳直径的三分之一。到了这个临界点，这股强大的能量似乎终于耗尽了：火焰分裂成了碎片，到12点30分时，也就是从最初发现它开始仅两小时后，这一现象就完全消失了。

毫无疑问，这次爆发在强度以及所引发的巨大变化方面都是极为罕见的。其上升速度至少为每小时20万英里，换算过来就是每秒50多英里。这团巨大的火焰从太阳中喷出的速度，是步枪发射的最快子弹速度的100多倍。

日珥大致可以分为两类。第一类是比较稳定的，外观上有点像地球大气层中的云朵。第二类则属于爆发型日珥，它们实际上是从色球层中喷射出来的巨大发光物质流。这两类日珥不仅在外观上有所不同，其组成气体也有所差异：云状日珥主要由氢气构成，还含有氦气和钙元素，而爆发型日珥则含有多种金属元素。后者从未在太阳的两极附近出现，通常出现在太阳黑子附近，这一事实进一步证明了太阳黑子与太阳表面的剧烈活动之间存在关联。当一个太阳黑子发展到太阳边缘时，常常会发现它周围有日珥环绕。在某些情况下，甚至可以在太阳黑子附近检测到强烈的气体爆发，通过分光镜可以观察到这些现象。

太阳表面的背景，就如同在天空背景下观测日珥一样。为了拍摄日珥，我们当然需要用感光板来代替人的眼睛。然而，由于很难避免日珥发出的微弱光线被其他光线淹没，因此直到芝加哥的黑尔教授设计出分光日像仪之后，这类天体的摄影才取得成功。这种仪器除了有用于让光线照射到棱镜或光栅上的常规狭缝外，还在感光板正前方设有另一个狭缝，只有特定波长的光线才能通过这个狭缝，而其他波长的光线则会被阻挡。用于形成日珥图像的光线，是钙元素所发出的特殊“K线”光，它位于紫色光谱的末端。虽然人眼无法看到这部分光谱中的光线，但它在摄影方面比红、黄、绿光谱中的光线更为有效。前端狭缝会被调整，使得K线光线能够照射到第二个狭缝上；当前端狭缝通过机械装置缓慢扫过整个日珥时，第二个狭缝也会随之移动。如果用大小合适的屏幕遮住太阳圆盘，那么这些狭缝就可以扫过整个太阳，这样一次曝光就能得到太阳边缘的色球层结构以及日珥的图像。之后可以移开屏幕，让狭缝快速扫过太阳圆盘本身，这样就能显示出太阳表面许多区域存在的发光钙蒸气。由此，我们就得到了用这种特殊光线拍摄出的令人惊叹的太阳图像。通过这种方式，黑尔教授证实了扬教授早先的观察结果——即日珥的光谱中总是会出现两条明显的钙谱带。当然，日珥从太阳边缘向上喷射的速度，也可以通过常规观测直接测量出来。

借助千分尺即可实现精确测量。而光谱仪则能让我们估算出太阳表面上的扰动向地球传播或从地球传出的速度。我们可以通过观察那些代表快速移动物质的光谱线的特殊行为来测定这一速度。这为天文学的诸多领域带来了重要的研究方向与应用可能。

当然，现在人们已经普遍认识到，光的感觉是由波或波动引起的——这些波在穿过我们称之为“以太”的介质后，会照射到眼睛的视网膜上。不同的颜色对应着不同的波长，也就是说，就是相邻两个波峰之间的距离不同。白光是由无数种波长几乎涵盖所有可能值的波组合而成的。红光的波长使得每英寸内有33,000个波峰，而紫光的波长则仅为红光的一半多一点。光谱中某条线的位置完全取决于该光线所具有的波长。假设光源正直接朝观察者靠近，那么显然波峰之间的间距会比光源静止时更小，因此观察者每秒接收到的波动次数也会相应增加。这样一来，相邻两个以太波峰之间的距离就会略微减小。类似的现象还有火车经过时汽笛音调的变化——如果观察者身处另一辆以高速反向行驶的火车上，这种变化会更加明显。当然，对于声音来说，振动或波是在空气中传播的，而非在以太中。但无论是在哪种情况下，光源朝向或远离观察者运动所带来的效应都是极其相似的。不过，由于光的速度高达每秒186,000英里，因此光源也必须以极高的速度运动，才能使光谱线的位置产生哪怕是最微小的可察觉变化。

我们已经知道，在太阳上的某些强烈扰动中，极高的速度其实相当常见；因此，

当我们观察太阳黑子的光谱时，常常会发现某些谱线会向光谱的一端偏移，有时则向另一端偏移；而在其他情况下，这些谱线还会出现极其复杂的扭曲形态，这表明该区域存在着剧烈的活动。如果黑子位于太阳圆面的中心附近，那么必定有气体向上或向下运动，才会导致谱线出现这样的变化。这类观测所显示的速度有时高达每秒两三百英里。我们很难想象，究竟需要多大的内部压力才能将如此大量的气体以如此惊人的速度从光球层中抛射出去，又或是怎样的条件才能让如此巨大的气体团从上方坠落。在太阳边缘的日珥光谱中，我们也经常看到明亮的谱线发生弯曲或偏移。显然，这类现象是由色球层表面的运动造成的，这些运动使得物质朝我们移动或远离我们。

这种用于测量物体运动速度的巧妙方法还被应用于通过光谱学测定太阳自转周期的研究中。当太阳绕其轴旋转时，东侧边缘的某一点会朝向观察者移动，而西侧边缘的某一点则会远离观察者。在这两种情况下，速度都略高于每秒一英里。在太阳东侧边缘，光谱中的谱线会略微向紫色端偏移，而西侧边缘的谱线则同样向红色端偏移。通过一种巧妙的光学装置，可以将来自两侧边缘的光谱并排放置，这样就能使谱线的偏移量加倍，从而更便于测量。即便使用了这种装置，需要测量的数值依然极其微小。仪器的各个部件都必须进行极为精确的调整，相应的观测工作也极为复杂。许多天文学家都尝试过这项研究。其中最成功的成果当属那位瑞典天文学家的研究。

杜内尔将他的仪器对准太阳表面的多个位置，测得的数值与从太阳黑子运动中推导出的特殊旋转规律极为吻合。这一结果尤其有趣，因为它表明那些会导致光谱中出现暗线的吸收现象发生的大气层，也参与了同一纬度处光球层的运动。

图20——日全食时日冕（以及一颗彗星）的景象。

第五版。1878年7月29日的日全食。

照片中的日冕。
（哈克尼斯）

我们还有另一个引人注目的现象需要提及，它正是全食日食观测者所感兴趣的重点之一，而迄今为止，在白昼条件下还无法观察到这一现象。那就是当月亮完全遮住太阳上最后剩下的那点弧光时，会突然出现环绕在太阳周围的光环或光晕。图20展示了日冕的大致外观，而在图V中，则展示了哈克尼斯教授根据1878年7月29日全食日食期间在美国不同地点拍摄的大量照片所绘制的日冕图像。在图21中，承蒙莫恩德夫妇的慷慨许可，我们得以展示他们在1898年1月22日的日食期间在印度拍摄到的那张极为出色的日冕照片。

图21——1898年1月22日日食期间的日冕景象
（经莫恩德夫妇以及《知识》杂志社的许可转载。）

日冕中靠近太阳的部分非常明亮，不过其亮度仍不及那些突出物——正如杨教授所说，那些突出物就像痈疮一样从日冕中透出光芒。这一内部区域通常具有较为规则的轮廓，形成一个宽度约为太阳直径十分之一的白色环状结构。

日冕的外层通常形状极为不规则且范围十分广阔。这些区域常常被狭窄的“裂隙”或暗带所分割，这些裂隙或暗带从太阳边缘延伸至整个日冕区域。另一方面，有时也会出现一些狭窄的亮色流光，它们与太阳边缘呈不同角度，而且往往呈弯曲状。在1867年、1878年和1889年的日食中——这些日食都发生在太阳黑子数量最少的时期——日冕呈现出沿太阳赤道方向延伸的细长而微弱的流光，同时在两极附近则有较短但较为明显的亮光带。而在1870年、1882年和1893年的日食中，即太阳黑子数量最多的时期，日冕则呈现更为规则的圆形结构，主要分布在黑子区域之上。这又为黑子的周期性与其他所有太阳现象之间的密切关联提供了进一步的证据（即便原本就需要这样的证据）。

在日冕的光谱中，存在一条位于绿色区域的神秘谱线，目前尚不清楚其起源。这条谱线在太阳黑子数量最多的时期发生的日食中最容易观察到。在普通的太阳光谱中，它表现为一条非常细的暗线，即便氢元素及其他物质的谱线因受扰动元素的强烈作用而发生扭曲变形，这条谱线通常依然保持不变。它始终存在于色球层光谱的亮线之中。除此之外，日冕还显示出几条其他亮线，这些亮线无疑也属于同一种未知元素（“日冕素”）；同时还存在一条微弱的连续光谱，其中甚至能观测到太阳光谱中一些较为明显的暗线。这说明，除了由亮线所代表的发光气体之外，日冕还包含大量类似尘埃或雾气的物质，这些微小颗粒能够反射阳光，从而产生微弱的连续光谱。这类物质似乎构成了日冕长射线和流光的主要组成部分，因为在没有狭缝的光谱仪中观察或拍摄日冕时，只有亮线出现，而长射线和流光则无法被看到。如果这些长射线是由构成日冕内部的气体组成的，那么显然……

这些独立的图像中应该能够看到它们。至于那些不断喷射出这些极长流光的力究竟是什么，目前我们掌握的信息还很少。不过可以肯定的是，围绕太阳的广阔大气层——也就是内日冕——必定已经极度稀薄了。有记录显示，彗星多次穿过这种日冕大气层，却并未因为所受的阻力而出现速度上的明显下降。

通过观测，我们积累了大量关于太阳的事实，但当我们试图根据这些事实来推断这颗巨大天体的物理结构时，不得不承认其中存在的困难实在巨大。我们发现，最权威的学者们对于太阳的本质也存在着很大分歧。在此，我们将列出那些几乎不存在争议的主要结论。

在接下来的章节中，我们会了解到天文学家已经能够确定太阳系中各天体的相对密度；换句话说，他们找到了在相同体积下各天体所含物质量的关系。由此可知，太阳的平均密度约为地球的四分之一。如果将太阳的质量与同等体积的水球的质量进行比较，会发现太阳的质量仅略高于水球的一倍半左右。当然，太阳的实际质量其实极为庞大，至少是地球质量的33万倍。不过，太阳本身的物质相对较轻，因此如果保持相同的重量，其密度应与地球相当的话，那么太阳的体积应该是现在的四倍。考虑到太阳的这种轻质特性，以及我们所知道的那里极高的温度，似乎只能得出这样的结论：太阳必定处于气态。毫无疑问，太阳内部气体的存在条件与我们地球上所熟悉的完全不同。在太阳表面，重力强度超过20……

在太阳上的重力是地球上的七倍。在地球上能够举起27块相同重量的金属的人，如果被带到太阳上，就一次只能举起一块金属。因此，太阳表面下方的气体压力必定非常大，人们可能会认为这些气体会因此而液化。然而，安德鲁斯发现，只要气体的温度高于某个临界温度——不同气体的临界温度各不相同——那么无论施加多大的压力，气体都不会变成液体。太阳上的温度不可能低于那里存在的气体的临界温度；所以看来，即便有巨大的压力，也很难将这些气体变为液态。

当然，关于太阳内部的情况，我们几乎无法了解什么。我们所能观察到的是太阳的表层，也就是所谓的光球层。在光球层中，太空中的低温使得气体凝结成那些发光的云团，我们在图片和照片中看到的就是这些“米粒”或“柳叶”状的云团。约翰斯通·斯托尼博士（后来巴尔的摩的黑斯廷斯教授也提出了类似观点）认为，这些发光云团主要由碳组成，同时还含有硅和硼等元素，这些元素的沸点远远高于其他可能形成光球层云团的元素。碳的原子量较低，这使得该元素的分子具有极高的速度，从而能够上升到温度较低的较高区域，在那里蒸汽会冷却成云团。这些云团迅速冷却并随之大规模释放热量，其必然结果就是会产生一种可以称之为“烟雾”的物质，这种烟雾会逐渐沉降到云团之间的空隙中，使这些空隙显得更暗，直到再次到达云团下方温度较高的地方时又重新气化。这种“烟雾”很可能也是导致太阳边缘的亮度明显低于太阳盘面中央的原因。这似乎是由于……

来自太阳边缘附近的光线在到达地球之前必须穿过更厚的烟雾层，因此会被更多地吸收。研究表明，这种吸收现象不能归因于气体大气层，因为那样会在光谱中产生更多的暗吸收线，这样一来，来自太阳盘面中部附近的太阳光谱与来自边缘附近的太阳光谱之间就会存在显著差异。然而实际上并非如此。

关于太阳黑子的本质，塞基和洛克耶最初提出的观点——即它们是较冷的蒸汽向下涌入光球层（或其表面）所形成的——似乎最符合观测到的现象。我们之前已经提到，太阳黑子周围通常会有光束以及喷发状的日珥出现，但这些喷发究竟是由于蒸汽的坠落导致光球层物质在附近“喷出”而产生的，还是先有这些喷发，它们通过降低下方的压力形成“洼地”，使得上方的较冷蒸汽得以下降到其中，对于这些问题，目前仍存在诸多不同意见。

太阳还有一个极为特殊的附属结构，它的延伸距离远远超过日冕的范围，正是它导致了黄道光的产生。在春季，有时可以看到一道珍珠般的微光，出现在太阳落山后其所在位置附近的天空区域。同样的景象在秋季日出前也会出现。看起来，无论黄道光是由什么物质产生的，它都具有以太阳为中心的透镜状结构。这一结构的本质至今仍不确定，但它很可能由某种尘埃组成，因为它发出的光谱属于连续谱类型。图22展示了黄道光的景象。

太阳向各个方向慷慨地释放着光与热。地球所能捕获的仅仅是其中极微小的一部分，还不到总量的20亿分之一。我们的其他行星以及……

月亮也能截取一点点水，但它们所能利用的、那浩瀚洪流中的一小部分实在微不足道！飞燕从河中啜饮的一口水，远远无法耗尽河中的水；正如行星们也无法用尽太阳散发出的所有热量一样。

太阳的温暖光芒为农作物的生长与成熟提供了必要的能量。正是太阳的热量将海水蒸发成水蒸气，再让这些水蒸气以雨水的形式降落到大地，滋润土地，同时也填满河流，让船只能够顺流而下进入海洋。正是太阳照射在广阔大陆上的热量产生了风，推动着船只穿越茫茫大海；而在冬日的夜晚，当我们围坐在火堆旁，感受着那温暖的阳光时，其实只是在享受着数千年前就照射在地球上的阳光。那些古老的阳光所蕴含的热量孕育了煤炭时代茂盛的植被，而那些热量则以煤炭的形式沉睡了数百万年，直到现在我们才再次将其激活。正是储存在煤炭中的太阳能量驱动着我们的蒸汽机，也是储存在煤炭中的太阳光照亮了我们城市里的每一盏煤气灯。

对于生存与行动所需的力量，对于我们周围的一切丰饶之物，以及大自然所展现的美丽景象，我们都要归功于宇宙中无数天体中的一个——那就是太阳。

图22——1874年的黄道光。

第三章 月亮
月亮与潮汐——月亮在导航中的作用——月亮的变化
——月亮与诗人——月光的来源——地球与月球的尺寸——月球的重量——视直径的变化——其与地球距离的变动——地球对月亮的影响——月球的运行轨道——月相的形成原理——月食——日食的产生机制——全食时月亮的可见性——如何预测日食和月食——月亮在确定经度方面的作用——月亮与天气无关——月球的表面地形——纳斯米斯绘制的特里斯内克图——月球上的火山——典型的月球陨石坑——柏拉图的观点——月球山脉的阴影——微米计——月球上的高度——月球上曾经的地质活动——纳斯米斯对陨石坑形成机制的看法——月球上的重力——月球陨石坑大小不一——月球的其他特征——月球上是否存在生命？——缺乏水和空气——斯托尼博士的理论——月球表面崎岖地貌的形成原因——宇宙中遥远天体上存在生命的可能性。

如果月亮突然消失，整个王国的各个港口都会立刻传来警报声，让我们知道这一事实。从伦敦和利物浦也能听到同样的消息——潮汐的涨落几乎停止了。停泊在港内的船只无法出港，而外海的船只也无法进港，全球的海上贸易将会陷入极度混乱之中。

月亮是导致每日潮汐涨落的主要因素，这也是我们的卫星所承担的最重要的功能。沿海地区的渔船们会根据潮汐来安排每天的出行计划，他们能够顺利进出港口，很大程度上要归功于月亮。经验丰富的水手们认为，潮汐对航海有着极其重要的作用。关于月亮是如何引发潮汐的问题，我们将在后面的章节中探讨，在那一章中我们还将阐述潮汐在地球早期历史中所扮演的奇妙角色。

有谁没有怀着赞叹的心情，观赏过月亮每月所经历的那些美丽变化呢？日落后，我们首先看到的是西方天空中一道由微弱光芒构成的优美月牙。如果夜晚天气晴朗，就能在月牙内部看到月亮的其余部分，那些部分被地球反射的光线微微照亮。夜复一夜，月亮不断向东方移动，直到变成满月，此时它会在太阳落山时升起。从满月开始，月亮的亮度便逐渐减弱，直至变为下弦月。这时，月亮会出现在清晨的高空。随着时间的推移，月亮又会重新变成月牙形状。当月亮越来越靠近太阳时，月牙就会变得越来越细，最终被太阳的强光掩盖，然后又以新月的形态出现，再次经历同样的变化周期。

月亮的明亮完全来自太阳的光线，这些光线照射在月亮这种不发光的天体上。太阳向太空释放出大量光线，而月亮这个黑暗的天体只能截获其中的一小部分，再将其反射出来照亮地球。月亮发出的光如此之亮，以至于人们在夜间往往容易忘记：月亮本身并没有光，它的光只是来自太阳的反射光而已。不过，最明亮的满月表面亮度，或许也不比阳光明媚的晴天里的伦敦街道更亮多少。只需做一个简单的观察就能证明月亮的亮光其实就是阳光——某个早晨，在白天看看月亮，再将月亮与云朵进行比较。月亮和云朵的亮度大致相当，这样就能很容易理解：照亮云朵的太阳同样也照亮了月亮。人们还试图对太阳和满月的亮度进行比较估算：如果60万个月亮同时发光，它们的总亮度将与太阳相当。

那美丽的月牙形月亮为许多诗人提供了创作的主题。事实上，如果我们敢这么说的话，似乎有些诗人已经忘记了月亮并非每晚都能出现。以下是一段富有诗意的描述。

夜晚的出现几乎总与处于某种阶段的月亮有关。我们可以举一个典型的例子：有一位诗人在描述某件历史事件时，用优美的诗句表达了显然不正确的观点。所有会说我们语言的孩子都被告知，约翰·摩尔爵士的葬礼是在“微弱的月光之下”举行的。这句话看似细节详尽，仿佛真实可信；我们并不怀疑当时夜色确实朦胧，也不怀疑月光是否难以穿透雾气而显现出来。问题在于更根本的一点：究竟是谁首先提出过这样的疑问——在那个值得纪念的时刻是否有月亮出现？而一旦这个问题被提出，《航海年鉴》立刻给出了答案。根据该年鉴的记载，科伦纳战役当天（1809年1月16日）凌晨一点时月亮正处于新月阶段。而那首民谣则暗示葬礼是在战役发生后的那个晚上举行的。因此我们可以确定，当这位英雄被安葬时，月亮最多才刚出现一天。但那样的情况下，月亮实际上几乎是看不见的，根本不会发出任何可见的光芒，无论是否有雾气存在。事实上，如果如诗人所说葬礼是在“深夜”举行的，那么那时月亮肯定已经远低于地平线。[6]针对这类情况，纳斯米斯先生给那些希望将月亮融入场景中、但实际上并不确定月亮是否真的存在的作家或艺术家们提了一条建议：他们应该效仿《仲夏夜之梦》中的波顿，去查阅日历——“看日历！查一下年鉴，弄清楚当时是否有月光！”在众多天体——太阳、月亮、行星和恒星之中，我们的卫星有着独特的地位。

请注意，月球是我们最近的永久性“邻居”。虽然偶尔会有彗星以比月球更近的距离接近地球，但除此之外，其他天体都比月球远数百倍、数千倍，甚至数百万倍。

另外，月球也是天空中可见物体中体积最小的之一。用肉眼能够看到的数千颗恒星，其体积都远远大于我们的卫星。月球之所以看起来如此明亮且体积庞大，是因为它距离地球仅有24万英里，这一距离与地球到恒星之间的距离相比简直微不足道。

图23展示了地球及其卫星的相对大小。较小的球体代表月球，而较大的球体则代表地球。如果测量这两个球体的实际直径，会发现地球的直径为7,918英里，月球的直径为2,160英里，因此地球的直径几乎是月球的四倍。如果将地球切成50个大小相同的部分，那么把其中一个部分塑造成球体后，其大小就相当于月球。月球的表面积大约仅为地球表面积的十三分之一。

我们邻近的那一半球体，其面积约为地球总面积的二十七分之一。粗略估算的话，这一数值大约是欧洲大陆实际面积的两倍。不过，地球的平均密度要比月球高得多；要想让地球的重力与月球相当，需要八十多个像月球那样重的球体才行。

在月球所呈现的各种变化中，有一个显而易见的事实：无论月球是处于新月、满月阶段，还是上弦月、下弦月状态；无论它位于天空的高处还是接近地平线的地方；无论它是被太阳遮住，还是太阳被月球遮住，月球的视大小几乎始终不变。我们可以用数字来表示这一点：一个直径为一英尺的球体，如果距离观察者111英尺，那么在正常情况下就足以完全遮住月球的圆面；但有时为了完全遮住月亮，这个球体需要被移到仅103英尺的距离，而有时则需移到118英尺的距离。月球很少会到达其位置的极端位置，因此，为使球体能够完全遮住月亮，其距离眼睛的距离通常在105英尺到117英尺之间。月球视大小的这些变化幅度非常小，初次观察时很容易被忽略。显然，月球的视大小与其与地球的实际距离有关。举例来说，如果月球逐渐远离地球，它的大小看起来就会逐渐变小，甚至在到达离地球最近的其他天体之间的距离之前，它就已经变得微不足道了。相反，如果月球逐渐靠近地球，它的视大小就会逐渐增大，直到靠近地球时，它看上去就像一片横跨天空的巨大大陆。由于月球的视大小几乎保持不变，我们可以推断出它与地球的平均距离也几乎保持不变。这一平均距离为239,000英里。

在某些情况下，月球与地球之间的距离可能接近221,000英里，或者远离到几乎253,000英里；但通常情况下，其距离在平均值两侧的波动幅度不会超过13,000英里左右。

从月球不断变化的状态我们可以看出它处于持续运动之中。进一步来看，无论这些运动是什么，地球与月球目前的距离几乎保持不变。如果再考虑到月球绕地球运行的轨道大致呈平面状，那么我们就不得不得出结论：月球必定是在以地球为中心的近似圆形轨道上运行。事实上，可以证明，两颗天体之间距离恒定这一事实，本身就是月球绕地球旋转的必要条件。月球与地球之间的引力会试图使两者相互靠近，而要永久避免这种灾难性的结果，唯一的办法就是让月球像我们现在所看到的那样运动。虽然地球与月球之间的引力依然存在，但它不再具有将月球拉向地球的作用力了。此时，这种引力只能用来约束月球使其保持在圆形轨道上；一旦引力消失，月球就会沿直线飞离，再也无法返回。

图24——月球绕太阳的轨道。
通过观测恒星，可以很容易地证明月球确实绕地球旋转。当然，月球的升起与落下是由于地球的自转造成的，而这种看似昼夜交替的运动，月球与太阳及恒星都是共有的。

不过需要注意的是，月亮在群星中的位置是不断变化的。即便在同一个夜晚里，细心观察的人无需借助望远镜也能察觉到这种变化。月亮绕地球一周需要27.3天时间。

图25——月相。

在图24中，我们可以看到地球、太阳和月亮之间的相对位置。但需要注意的是，为了便于说明，我们不得不将月球的轨道画得比实际比例要大得多。朝向太阳的那一半月球会被强烈照亮，而我们看到的被照亮的区域大小不同，就意味着月亮的盈亏程度不同，图25中的数字依次展示了不同的“月相”。初学者有时会很难理解：夜空中满月的光究竟是如何来自太阳的？他们可能会问：“地球不是挡在中间了吗？它不会阻挡从地球另一侧指向太阳的所有物体的阳光吗？”通过研究图24就能明白这个疑问。月球运行的平面与地球绕太阳运行的平面并不一致。地球运动平面与月球运行平面的交线将月球的轨道分为两个半圆。我们可以想象月球的轨道略有倾斜，因此上半圆位于纸张平面的上方，而下半圆则位于下方。这样一来，当月亮处于图中所标记的“满月”位置时，它就会正好位于地球与太阳连线的正上方；这样阳光就可以穿过地球照射到月亮上，于是月亮就会呈现满月状态。

在新月时，月亮会位于地球与太阳连线的下方。随着地球与太阳相对位置的变化，每绕行一周会有两次太阳处于这两个平面交线上的情况。如果这种情况发生在满月时，地球就会正好位于月亮与太阳之间；此时月亮会被地球的阴影笼罩，太阳光被遮挡，我们就说发生了月食。有时月亮只部分进入地球的阴影中，这种月食就属于偏食月食。而当新月时太阳恰好位于两个平面的交线上时，月亮同样会处于地球与太阳之间，此时月亮的黑暗表面会阻挡来自地球的阳光，从而形成日食。通常情况下只有太阳的一部分会被遮挡，形成我们所熟知的偏食日食；但如果月亮正好从太阳正上方经过，那么就会发生两种极为特殊的日食现象。有时月亮会完全遮住太阳，从而形成壮观的日全食，这种现象能让我们了解到许多关于太阳的信息，我们在上一章已经提到过这一点。即便月亮从太阳正上方经过，偶尔也能在月亮的边缘看到一圈微弱的阳光，这就是所谓的日环食。

有趣的是，月亮有时能够完全遮住太阳，而有时却做不到。实际上，月亮的平均视直径几乎与太阳的平均视直径相等，但由于两者与地球距离的波动，它们实际的视直径会发生变化。在某些情况下，月亮的视直径会大于太阳，这时月亮从太阳正上方经过就会形成日全食；但有时太阳的视直径也会大于月亮，这种情况下从太阳正上方经过只能形成日环食。

图26——地球阴影的形态，其中显示了半影，即部分被遮蔽的区域。在半影范围内，月亮仍然可见；而在阴影区域内，则几乎无法看到月亮。

没有比各种日食、月食现象更有趣的天文现象了。历书会及时告知这些现象的发生时间，而那些较为显著的景象甚至无需望远镜就能观察到。在月食期间（见图26），值得关注的是：首先看到黑色阴影出现的那一刻，然后观察它如何逐渐覆盖月亮的明亮表面；如果发生全食，还要继续观察，直到只剩下细小的月牙形光亮，最后再见证当整个月亮都陷入阴影时那道月牙光的消失。不过，此时往往还会出现一种极为有趣且美丽的景象：尽管月亮被地球完全遮住，没有任何阳光直射到其表面，但我们仍能看到月亮，而且它还会发出铜色的光芒，亮度足以让我们辨认出表面的诸多特征。

即便在完全食的情况下，月亮依然能够被照亮，这是因为太阳光束刚好擦过地球的边缘。在这些光束穿过大气层时，由于折射作用而发生偏折，从而转向地球内部，进入阴影区域。这些光束穿过了极其厚的大气层，在数百英里的空气路径中，它们的颜色变成了红色或铜色。其实，大气的这种特性并不陌生——无论是日出还是日落时，太阳发出的光线都比正午时的光线更为偏红。因为在日出或日落时，光线需要穿透更多的大气层，所以大气层就会给这些光线增添红色色调。

那种独特的红色，往往显得十分美丽。如果观察太阳接近地平线时的光谱，会发现其中布满了许多暗线与暗带，这些暗带主要出现在蓝色和紫色区域。这是由于光线在大气中受到更强的吸收作用，从而导致在这种条件下太阳发出的光以红色为主。至于发生月食时，阳光需要经过的大气路径长度是日出或日落时的两倍多，因此月食时月亮会呈现出红色的光芒。

历书会详细记载每年发生的所有日食情况。这些预测是可靠的，因为天文学家们长期以来一直在仔细观测月亮，通过这些观测不仅了解了月亮目前的运动规律，还掌握了它未来数十年的运动趋势。实际的计算过程极为复杂，此处无法详述。不过，关于日食有一个非常简单的核心原理值得提及：今年发生的日食与去年或明年发生的日食之间并没有明显的关联。然而，如果我们从更长的时间跨度来观察这些现象，就会发现一个明确的规律——只要观测18年或19年内的所有日食，就能大致预测出未来多年内的所有日食情况。只需记住这样一个规律：一次日食之后6,585又1/3天，就会再次出现类似的日食。例如，1881年12月5日就发生了一次美丽的月食。从那个日期倒推6,585天，也就是18年11天，就会得到1863年11月24日，而那天也确实发生了类似的月食。同样，在1881年共有四次日食，将每次日食的日期加上6,585又1/3天，就可以得到1899年那四次日食的日期。正是在这个规律的指导下，古代天文学家即便对月球的运动了解得没有现在这么深入，也能预测出日食的重复出现。

在漫长的航行中，尤其是在危急情况下，月亮往往能为水手们提供极其宝贵的信息。要想驾驶船只从利物浦前往中国，船长必须不断确定船只的精确位置。如果无法做到这一点，他就永远无法在茫茫大海上找到正确的航向。通过观测太阳，船长可以得知自己的纬度以及当地时间，但要想在海图上找到准确位置并确定“我的船就在这里”，他还需要知道格林尼治时间。为确定格林尼治时间，船上会配备经过精密校准的计时器；为避免出现误差，通常还会准备两三个计时器以作备用。即使计时器存在1分钟的误差，也可能会使船只偏离正确航线15英里之远。

图版六。月球表面图。

图27——月球图表说明（插图VI）。

在航行过程中，有必要有办法来检测计时器的工作状况；如果每位船长都能随时参考某种可靠的格林尼治时间标准，那将极为方便。实际上，我们需要一种能够被全球范围内观测到的格林尼治时钟。这样的时钟确实存在，而且和普通时钟一样，它也有刻度盘以及在刻度盘上移动的指针。与船长用来校准计时器的那台巨大时钟相比，威斯敏斯特的大钟简直微不足道。这台惊人时钟的刻度盘其实就是天空的景象——时钟表盘上刻着的数字被闪烁的星星所取代，而在这刻度盘上移动的指针，则就是美丽的月亮本身。当船长想要测试自己的计时器时，他就会进行测量。

月球与邻近恒星之间的距离。例如，他可以得知月球距离轩辕十四有三度。在航海历书中，他能找到月球与轩辕十四呈三度角时的格林尼治时间。将这一时间与计时器的显示值进行比较，就能得出所需的修正值。

关于月球有一个广为流传的传说，但显然毫无根据。有人认为月球与天气之间存在某种关联，这一观点无疑曾被一些权威人士所接受，而且似乎也是许多优秀水手所信奉的观念。然而，通过对天气状况与月球相位之间的仔细对比，人们已经彻底否定了这种关联的存在。

在非洲和澳大利亚的地图上，我们常常能看到大片空白区域，这表明我们对这些大陆内陆地区的了解甚少。但在月球的地图上却不存在这样的空白区域。天文学家对月球表面的了解程度，甚至超过了地理学家对非洲内陆的了解程度。月球表面上所有面积相当于一个英国教区的区域都已被绘制在地图上，那些更为重要的地貌也都有了名称。

图六展示的是一张月球的整体地图。这张地图是根据用小型望远镜拍摄的图像绘制的，它呈现出了月球面向我们那一侧的完整景象。月球在图中的样子如同通过天文望远镜所看到的那样——由于望远镜会颠倒一切方向，因此南方位于顶部，北方位于底部（若要使物体保持正立，望远镜的目镜中需要再加一副透镜，但这会减少进入眼睛的光线量，因此在天文望远镜中则不会使用这种结构）。从这张地图上，我们可以看到月球的一些典型特征。在普通满月上十分显眼的那些暗色区域，在地图上也很容易辨认出来。在望远镜出现之前，天文学家们认为那些区域是海洋，至今“海”这个名称仍被沿用，尽管显然它们现在并不含水。

这张地图还显示了一些山脊或高地，通过对这些地形的测量，我们可以判断它们必定是巨大的山脉。不过，月球上最引人注目的特征，还是那些遍布表面的环状结构——它们被称为月坑。

为便于查找各个重要地点，我们制作了一张索引图（图27），上面标注了图中各地点的名称。所谓的“海洋”用大写字母表示，例如A代表危机海，H代表风暴洋。山脉则用小写字母标示，索引图中的a对应的就是所谓的高加索山脉，而亚平宁山脉则用c表示。众多的月坑则用数字来区分，例如索引图上标有20的地点，就是名为托勒密陨石坑的月坑。

A. 危机海
B. 育肥海
C. 宁静海
D. 平和海
E. 雨海
F. 彩虹湾
G. 蒸汽海
H. 风暴洋
I. 湿润海
J. 云海
K. 神酒海

a. 高加索山脉
b. 阿尔卑斯山脉
c. 亚平宁山脉
d. 卡尔帕提亚山脉
f. 科迪勒拉山脉与达朗贝尔山脉
g. 罗克山脉

h. 德费尔山脉。
i. 莱布尼茨山脉。

1. 波西多尼乌斯。
2. 林奈。
3. 亚里士多德。
4. 阿尔卑斯大山谷。
5. 阿里斯蒂勒斯。
6. 奥托吕科斯。
7. 阿基米德。
8. 柏拉图。
9. 埃拉托斯特尼。
10. 哥白尼。
11. 开普勒。
12. 阿里斯塔克斯。
13. 格里马尔迪。
14. 加桑迪。
15. 谢卡德。
16. 瓦尔根丁。
17. 克拉维乌斯。
18. 第谷。
19. 阿方索斯。
20. 托勒密。
21. 卡塔琳娜。
22. 西里尔。
23. 西奥菲卢斯。
24. 佩塔维乌斯。
25. 海吉努斯。
26. 特里斯内克。

每本地理图集中都会有一张展示地球东西两半球的地图。至于月球，我们只能提供其一个半球的地图，原因很简单——月球……

月球总是以同一面朝向我们，因此我们永远无法看到它的另一面。造成这一现象的原因是：月球自转一周所需的时间与它绕地球公转一周所需的时间恰好相同。不过，月球的自转是匀速进行的，而它在轨道上的运动速度并非完全均匀（详见第四章）。因此，我们有时能略微看到月球的东侧边缘，有时又能看到西侧边缘，就好像月球在轻轻向我们摇头一样。不过，通过这种摆动，我们只能观察到月球背面的极小一部分。

当阳光以能够形成鲜明明暗对比的方式照射到月球表面时，观测月球就会非常方便。而在满月时则无法进行满意的观测，因为此时不会产生明显的阴影。观测月球上某一特定区域的最佳时机，是当该区域位于明暗分界线的光照一侧时，因为这时该区域的特征会显得极为清晰。

图VII[7]展示了一幅月球景象的图示，图中所示的物体被天文学家称为“特里斯内克”。虽然这片区域仅占月球表面的极小一部分，但其实际面积却相当大，达数百平方英里。图中我们可以看到各种形态的月球山脉，而画面中央的那个物体，则是我们常见于月球表面的那些巨大的陨石坑之一。这个陨石坑的直径约为20英里，其中心有一座高耸的山峰，在图中所示的月球相位下，这座山峰的顶峰正好被初升的太阳照亮。

图VIII展示了一个典型的月球陨石坑景象。这无疑是一幅略带想象成分的素描。艺术家所采用的观测视角是地球上的天文学家根本无法实现的，但可以肯定的是，这幅图还是相当准确地再现了该景象。

月球表面的各种物体。不过，我们应当记住这幅图的比例尺——那个巨大的陨石坑直径肯定有数英里之宽，而位于其中的山峰高度则可能有数千英尺。即便使用最先进的望远镜，它所呈现的月球景象也仅相当于该月球距离我们250英里而非24万英里时的肉眼所见效果。因此，除非那些细节在250英里的距离上就能被看到，否则即便使用最精密的望远镜也无法观测到月球的任何细节。从这样的视角来看，英格兰也只能表现为一个彩色点，与整个国家的其他区域形成对比。

不过，让我们从这幅略带幻想色彩的示意图回到对望远镜实际所能展现景象的更实际的探讨上来。图九展示的是广为人知的普拉托大陨石坑。这个陨石坑的底部几乎是平坦的，而且也不存在其他陨石坑中常见的中央山峰。关于它的更多描述，我们会在月球天体列表中详细说明。

月球上的山峰会投下长而清晰的阴影，其边缘极为锐利，这是地球上的物体所无法比拟的。造成这种差异的原因是月球上没有空气。地球的大气层会散射部分光线，从而减弱地面阴影的黑色程度，并使阴影的轮廓变得柔和。而在月球上则不存在这样的现象，正因如此，我们才能利用这些锐利的阴影来测量月球上山峰的高度。

通常，根据建筑物阴影的长度，就可以很容易地算出其高度。最简单且最准确的方法是在正午时分测量从建筑物底部到阴影末端的距离。可以通过天文年鉴得知当天正午时太阳的高度，进而通过简单计算得出建筑物的高度。实际上，如果在伦敦纬度附近，在4月6日或9月6日进行观测，那就无需再进行计算了。

在所指定的那些日期里，正午时分的阴影长度等于该物体的高度。夏季时，正午的阴影长度会小于该物体的高度；而冬季则相反，阴影长度会超过该物体的高度。当然，在日出或日落时，阴影的长度会比正午时长得多，而我们在月球上观察到的也正是这类阴影。进行此类测量时，就需要用到赤道望远镜上不可或缺的辅助仪器——微米计。

“微米计”是一种用于测量极小距离的仪器。从某种意义上说，这个名称并不十分恰当。因为天文学家用来测量距离的对象通常并非微小之物，它们的尺寸往往极其巨大，远远超过月球、太阳，甚至是我们整个太阳系的范围。不过，这个名称也并非完全不合适，因为尽管这些物体体积庞大，但由于距离极为遥远，即使在望远镜中看去也显得十分微小。

进行此类精确测量时，我们需要一种具有极高精度的仪器。这时，我们又可以借助“蜘蛛线”结构来帮助测量，此前我们已经提到过它在其他测量中的作用。在螺旋式微米计中，有两条平行的蜘蛛线，还有一条线与它们成直角相交。通过螺丝可以移动其中一条或两条平行线，而这些螺丝的螺纹则是经过精心加工而成的。通过记录螺丝转动的圈数及部分圈数，就可以准确得知线条移动的距离。假设先让这两条线重合，然后再将它们分开，直到月球上山峰的阴影长度等于两条线之间的距离，这样就能知道相当于该阴影长度的螺丝转动圈数。而螺丝每转动一圈对应的月球上的距离，可以通过其他观测结果事先确定，从而算出阴影的实际长度。此外，还可以得知在测量时刻，太阳在该位置处对观测者来说的视高度，进而计算出山峰的实际高度。通过这些测量……

通过这种方法，就可以确定月球上其他天体的高度，比如那些环绕在圆形壁状结构周围的壁垒的高度。

月球作为一种适合用望远镜观测的天体，其美丽与奇特之处促使我们为学生详细介绍它所具有的那些显著特征。我们即将描述的大多数天体，都可以通过功率适中的望远镜清晰地观察到。不过需要记住的是，这些天体不可能同时都被看清楚。最容易观察到的区域是明暗分界线处。因此，学生在观测时应当选择那些恰好位于该分界线附近的天体进行观察。

1. 波西多尼乌斯——这个大型陨石坑的直径接近60英里。虽然其周围的壁相对较薄，但依然十分明显，因而非常容易辨认。与月球上的许多火山一样，这个陨石坑的底部低于周围平地的水平面，此处凹陷深度约为2,500英尺。

2. 林奈——这个小型陨石坑位于宁静海中。大约60年前，人们估计它的直径约为6.5英里，显然相当显眼。1866年，雅典的施密特宣布该陨石坑已经消失了。此后，只能看到一个极小的浅凹痕，整个陨石坑现已变得极为微小。这似乎是月球天体发生变化的最有据可查的例子。显然，陨石坑的壁已经坍塌并部分填满了坑底，但许多天文学家对此表示怀疑，因为18世纪末汉诺威的观测者施罗特并未在该位置看到任何明显的陨石坑，尽管必须承认他的观测并不完整。为了体现施密特在月球研究方面的惊人勤奋，可以提到：在六年时间里，他总共进行了近57,000次使用微米计来测量月球高度的观测。他绘制的月球山脉图则是基于2,731次观测数据制成的。

那些图纸和草图如果被重复计算的话，可能曾被用于绘制地图的两个不同部分。

3. 亚里士多德——这位伟大的哲学家的名字被用来命名一个直径为50英里的巨大陨石坑。虽然该陨石坑内部多山，但并没有明显的中央锥体结构。不过，其高达10,500英尺的陡峭壁面持续笼罩着坑底，使得坑底的景象无法清晰可见。

4. 阿尔卑斯大谷——这是一条极为笔直的山谷，宽度在3.5到6英里之间，贯穿了月球的阿尔卑斯山脉。据马德勒称，它的深度至少为11,500英尺，长度超过80英里。那些与山谷两侧平行的低矮山脊很可能是由山体滑坡形成的。

5. 亚里斯提卢斯——在条件良好的情况下，罗斯勋爵的巨型望远镜能够观察到这个巨大陨石坑的表面有从中心向外辐射的深沟。亚里斯提卢斯的宽度约为34英里，深度为10,000英尺。

6. 奥托吕科斯比前述的陨石坑要小一些，它与前者相伴出现。根据马德勒的观点，月球上的陨石坑往往成对出现，其中较小的那个通常位于南方。在靠近边缘的地方，这种对称结构较为明显，但实际上只是由于透视效应造成的。

7. 阿基米德——这片巨大的平原直径约为50英里，其平坦的坑内被亮度不等的条纹分割成七个从东到西延伸的独立区域。这里没有中央山峰或其他表明曾经有过活动的明显迹象，但其不规则的壁面会形成陡峭的塔状结构，外部则有着明显的阶地结构。

B图：月球上的某一片区域。（阿尔卑斯山、阿基米德山、亚平宁山脉。）由洛维与普瓦索先生绘制。

8. 柏拉图平原——我们之前已经提到过这片广阔的圆形平原，用最简单的望远镜就能看到它。其东侧的壁状地形平均高度约为3,800英尺；西侧则……

高度稍低，但有一座山峰的高度接近7,300英尺。被这道巨大的“壁垒”环绕着的平原面积相当广阔，呈不规则的圆形，直径约为60英里，面积为2,700平方英里。在平原上，第九幅图展示了西侧墙的阴影，还有三个小陨石坑的影像；通过持续观测，人们还发现了大量这样的陨石坑。从某个陨石坑向左延伸的那条狭窄而尖锐的线条，就是那些贯穿月球各处的奇特“裂缝”之一。在更靠左的地方还能看到另一条这样的裂缝。在普拉托地区上方有几座独立的山峰，其中最高的是皮科山，高度约为8,000英尺。从它那又长又尖的阴影来看，人们可能会认为它的坡度一定非常陡峭；但专门研究月球坡度倾斜度的施密特则认为，它的坡度并不像那些经常有人攀登的瑞士山脉那样陡峭。在普拉托平原上，人们已经仔细观察到了多达三十个微小的陨石坑，W.H.皮克林认为这些陨石坑之间存在差异。

9. 埃拉托斯特尼——这个直径超过37英里的巨大陨石坑位于亚平宁山脉的尽头。很有可能，埃拉托斯特尼曾经是那些强大的火山力量的喷发口，正是这些力量使得这些高山形成了几乎没有陨石坑的形态。

10. 哥白尼——在所有的月球陨石坑中，这是最宏伟且最为人熟知的之一。其西部区域布满了无数微小的陨石坑。该陨石坑中央有一座多峰的山，高度约为2,400英尺。有充分理由相信，其内部所见的阶梯状结构主要是由于大量的熔岩海反复地交替上升、部分凝固后又再次退缩所形成的。在满月时，可以看到哥白尼陨石坑周围有放射状的条纹。

11. 开普勒——尽管这个陨石坑的内部深度几乎达到10,000英尺，但其周围的墙壁却非常低矮，不过值得注意的是，这些墙壁表面覆盖着与前述陨石坑周围相同的闪亮物质，这些物质也形成了类似的光芒辐射带。

12. 阿里斯塔克斯是月球上最显眼的陨石坑之一，用低倍率的望远镜观察时其亮度尤为突出。它的亮度极高，以至于在新月之后常常能在月球的暗面看到它，由此便产生了关于月球上存在活跃火山的一些奇妙传说。在它的东南方还有另一个较小的陨石坑——希罗多德，而在希罗多德的北面则有一条狭窄而深邃的峡谷，宽度不超过2.5英里，这条峡谷呈现出明显的之字形走向，堪称月球上最大的“裂谷”之一。

13. 格里马尔迪因其所在区域内的最大亮度而值得关注。在极为特殊的情况下，人们甚至可以用肉眼看到它。由于它的面积约为14,000平方英里，这足以说明肉眼在观测月球时所能看到的范围是多么有限；不过需要指出的是，我们看到的格里马尔迪总是被严重压缩了形状。

14. 加森迪这个巨大的陨石坑因其复杂的“裂谷”结构而被频繁绘制在地图上。在其北端，它与一个规模较小但深度更大的陨石坑相连；当加森迪的整个底部都被照亮后，那个较小的陨石坑往往会被黑色阴影填满。

15. 谢卡德是月球上最大的有墙平原之一，宽度约为134英里。马德勒在其广阔区域内发现了23个较小的陨石坑。关于这个天体，查科尔纳克指出，由于月球表面的曲率，位于其底部中心的观察者会觉得自己身处一片无边无际的沙漠之中，因为周围的墙壁虽然某些地方高达近10,000英尺，但都完全位于他的地平线之下。

16. 瓦尔根丁陨石坑位于前述陨石坑附近。毫无疑问，这确实是一个巨大的陨石坑，几乎被凝固的岩浆填满，因为其内部几乎没有向内的凹陷。

17. 克拉维乌斯——这个巨大的陨石坑位于月球南纬60度附近，其面积至少为16,500平方英里。在其内部及边缘有许多山峰和次级陨石坑。通过望远镜观察克拉维乌斯表面的日出景象，真是美不胜收。

梅德勒峰的壮丽景象简直难以用言语形容。其中一座山峰的高度达到了24,000英尺，相当于某个陨石坑底部以上的高度。梅德勒甚至认为，在这片荒凉的区域里，有一些陨石坑深得连阳光都无法照射到最深处；而作为补偿，有些山峰的顶峰上，白天的时间几乎是夜晚的两倍。

18. 如果通过双筒望远镜或小型手持望远镜观察满月，就会发现有一个陨石坑格外显眼，因为它会发出明亮的光芒或光带。那就是雄伟的第谷陨石坑，其深度为17,000英尺，直径达50英里（见图X）。在它的坑底中央有一座高6,000英尺的山峰，坑内的斜坡上还有许多阶梯状结构；但最令人惊叹的还是那些神秘的明亮光带。当太阳升起时，这些光带就完全看不见了；实际上，此时整个陨石坑都极为暗淡，需要经验丰富的人才能在周围的群山中辨认出第谷陨石坑。不过，一旦太阳上升至地平线以上约30°的位置，这些光带就会重新显现出来，并且亮度逐渐增加，直到月亮变圆时，它们便成为月球表面最显眼的特征。这些光带的长度从几百英里到两千英里不等，有时甚至接近三千英里。它们可以延伸到广阔的平原上，也可以深入最深的陨石坑，或是覆盖在最高的山峰之上。在地球上，我们找不到任何东西可以与它们相媲美。由于这些光带只在满月时才能看到，因此它们的可见度显然取决于光线是否恰好沿着视线方向照射，而与光带出现的表面的倾斜度无关。因此，光带表面的每一小部分，无论从哪个角度观看，都必须具有对称的形状。只有球体才能满足这一条件，所以科普兰教授推测，构成光带表面的物质必定是由大量或多或少呈球形的微粒组成的。这些光带应该代表着月球表面上有坑洼的部分。

布满球形的小凹坑，或是散布着无数微小的透明球体。[8]

在月球圆盘的接近中心处，有一片平坦的环状区域，在任何光照条件下都清晰可见。其中比较著名的有两处——阿尔方索斯（19），其底部有两条明亮的痕迹以及几处暗色斑点，这些痕迹无法用表面不规则现象来解释；还有托勒密（20）。除了几个较小的封闭型陨石坑外，其底部还有许多低矮的山脊，在日出或日落时能够看到。

21、22、23号陨石坑——当月球年龄为五到六天时，这组三个陨石坑会处于非常适于观测的位置。它们分别被命名为卡塔琳娜、西里尔和西奥菲勒斯。卡塔琳娜是该组中最靠南的一个，深度超过16,000英尺，与西里尔之间由一条宽阔的谷地相连；而西里尔与西奥菲勒斯之间则没有这样的连接。实际上，西里尔周围那些高达勃朗峰般的巨大壁垒似乎是在火山力量开始形成西奥菲勒斯之前就已经形成的，西奥菲勒斯的壁垒大大侵占了它那更古老的邻居的空间。西奥菲勒斯是一个轮廓分明的圆形陨石坑，直径约为64英里，内部深度在14,000到18,000英尺之间，其底部有一组美丽的中央山脉，高度约为上述数值的三分之一。尽管西奥菲勒斯是我们能在月球上看到的最深的陨石坑，但它几乎没有受到二次喷发的影响；而卡塔琳娜的底部和壁面上则布满了各种大小的较小陨石坑，这些陨石坑彼此碰撞并部分摧毁了对方。每年春季，当月球处于上弦月之前时，可以在傍晚的合适时间清晰地观察到这一组具有代表性的“死火山”。

第七版。
特里内克。
（根据纳斯米斯的作品绘制。）

24. 彼塔维乌斯陨石坑之所以引人注目，不仅因为它的规模巨大，还因为它拥有双层防御墙这一罕见特征。在新月之后或满月之后不久，它看起来非常美丽；但当太阳高度超过地平线45°时，它就会完全消失。该陨石坑的坑底呈明显的凸起状，中央有一组小山丘，这些小山丘之间有深深的裂隙。

25. 赫伊吉努斯陨石坑是位于月球表面中心附近的一个小型陨石坑。月球上最长的裂谷之一就穿过这个陨石坑，且在穿过时会出现急剧的转向。

26. 特里斯内克陨石坑——这个精美的陨石坑早已被描述过，此处再次提及是为了让人们注意到图七中所展示的那些复杂的裂谷系统。从这些裂谷内部的阴影可以明显看出它们其实是凹陷地带。它们的边缘通常也明显隆起，似乎是月球表面的断裂带。

在那些偶尔出现在月球边缘的突出物中，以莱布尼茨命名的那些似乎是最高的。施密特测得其中最高的山峰比周围的山谷高出41,900英尺以上。如果将地球上的山峰高度与这些数值进行比较，就必须把海平面深度也加到陆地高度之上。按照这种方式计算，地球上最高的山峰仍然比月球上已知的任何山峰都要高。

现在，我们必须探讨关于月球表面这些奇特地貌起源的重要问题。首先必须承认，我们关于这一问题的证据都是间接的。要想用确凿的证据证明这些月球陨石坑是由火山活动形成的，似乎就必须在月球上亲眼目睹过火山爆发，并且看到这种爆发确实形成了那些著名的环状结构，无论其中是否有从中心升起的山峰。不过，说从未有过此类现象的记载未免有些绝对了。在某些情况下，细心的观测者确实报告过局部出现细微变化的情况。

月球。正如我们之前所说，有一个名为“林奈”的陨石坑，其规模对月球上的生物来说无疑相当可观，但从望远镜观测来看却显得微不足道。人们认为这个陨石坑发生了某种变化。还有一次，有人认为在著名的“海吉努斯”陨石坑附近出现了一个新的小陨石坑。仅列举这些例子就足以说明：目前并没有什么力量能够显著改变月球的表面状况。即便这些所谓的“变化”确实存在——不过这或许超出了许多天文学家的接受范围——与那些形成大量巨大陨石坑、覆盖了月球大片表面的壮观现象相比，它们仍然微不足道。

我们不得不得出这样的结论：我们的卫星在过去一定拥有比现在更为强烈的活动性。对于这种活动性在近期内为何停止，我们也可以给出一个合理的、或者至少是可信的解释。让我们来看看太阳系中的另外两个天体——地球和太阳，并将它们与月球进行比较。在这三个天体中，太阳的体积大得多，而月球的体积则远小于地球。我们还知道，尽管太阳的温度极高，但它仍在逐渐释放热量。地球的表面由固体岩石和黏土构成，或被广阔的海洋覆盖，因此几乎看不出高温的痕迹。不过，从普通的火山现象来看，地球内部很可能仍然保持着极高的温度。

当一个大型物体被加热时，它冷却所需的时间要比达到相同温度的小型物体长得多。一块大的铁铸件需要数天时间才能冷却，而一块小的铸件则几小时就能变冷。无论我们太阳系中的热源最初是什么——这不是我们现在要讨论的问题——显然可以确定的是，这些不同的天体最初都是被加热的，此后便一直在逐渐冷却。太阳的体积如此之大，以至于它至今还没有足够的时间来冷却；而地球的体积则处于中间水平。

月球表面虽然已经变冷，但内部仍蕴藏着大量热量；而作为所有天体中最小的月球，则已失去了绝大部分热量，其表面上的任何变化都不再可能是由内部能量所引发的。

因此，我们不得不将月球上那些陨石坑的成因追溯到月球历史中的某个远古时期。虽然我们无法知晓那个时期的具体时间，但可以合理推测，月球上的火山活动必定发生在极其久远的过去。在月球还有足够热量来引发那些剧烈地质活动、从而形成那些巨大的陨石坑的时候，地球的温度也一定比现在高得多。那时，地球可能热到连生命都无法在其表面生存。这一推测意味着月球上这些陨石坑的年龄远远超出了以世纪或千年来衡量的范围——这样的时间尺度根本不足以描述人类历史中所发生的那些事件。很有可能，从柏拉图或哥白尼所描述的那些巨大陨石坑形成至今，已经过去了数百万年。

现在，让我们试着解释月球上这些陨石坑的形成机制。关于这一问题的最有可能的解释似乎就是纳斯米斯先生提出的观点，不过必须承认，他的理论也存在不少难题。根据他的理论，我们可以解释月球陨石坑周围的壁垒是如何形成的，以及为何会在平原中心出现那些高大的山峰。图28展示的是月球上那些陨石坑活跃时的火山口想象图，此时火山正在以最大的威力喷发，内部力量将灰烬和岩石抛向远处，这些堆积物便构成了环绕陨石坑的壁垒。

第二张图（图29）则展示了该陨石坑在更晚时期的样子。此时，那巨大的爆炸力已经耗尽，……

或许曾有一段时间处于静止状态。随后，火山再次开始活动，但这次释放的能量仅为其最初能量的一小部分。从同一个喷口喷出的岩浆相对较弱，它们在喷口周围堆积，最终在中心形成了一座山丘。当火山活动平息下来，恢复平静之后，那些环绕着古老火山口的壁垒以及位于火山内部的山丘，便成为了早期火山活动存在的证据。在某些火山口中发现的平坦地面，很可能是由熔岩流出后凝固而成的。在许多情况下，火山还会再次爆发。

用这种方法来解释火山口的结构时，面临的一个主要难题就是某些火山口的巨大尺寸。月球上有一些直径达四十到五十英里的古老火山；实际上，还有一处结构完整的环形火山口，其中心有一座山丘，其直径至少有78英里（Petavius）。很难想象，位于中心的火山锥如何能将物质输送到距离Petavius火山口中心39英里远的地方。不过，如果考虑到月球上的重力远小于地球上的重力，这一难题就容易理解多了。

图八：正常的月球陨石坑。

图28：正在活动的火山。

图29——后续的微弱活动。
我们不是已经知道，我们的卫星比地球小得多吗？就算把80个月亮叠在一起，其重量也抵不上地球的重量。在地球上，一盎司就是一盎司，一磅就是一磅；但在月球上，6盎司的重量只相当于1盎司，6磅的重量则只相当于1磅。在地球上能够扛起一袋玉米的工人，用同样的力气在月球上就能扛起六袋玉米。在地球上能将球扔出100码远的板球运动员，用同样的力气在月球上就能将球扔出600码远。希亚瓦萨能在第一支箭落地之前连续射出十支箭；而在月球上，他甚至可以射空整个箭筒。在月球上，火山喷出的岩块能飞到39英里远，而它只需要具备在地球上让岩块飞出6到7英里远所需的爆炸力即可。只要适当调整角度，现代大炮也能轻松做到这一点。

图30——熔岩形成平坦地面。

还需记住，月球上存在着无数形态相似但大小各异的陨石坑；从直径仅为两三英里的微小陨石坑开始，逐步过渡到刚才提到的巨大的佩塔维乌斯陨石坑。对于较小的陨石坑而言，将其归因于火山活动显然毫无困难；而且由于从最小到最大的陨石坑之间存在着连续性，因此有理由认为最大的陨石坑也是以同样的方式形成的。

不过，也有一些月球地貌可能是由外部力量而非内部作用所形成的。G.K.吉尔伯特先生提出了诸多证据，支持“月球上的这些地貌是由天体撞击月球所造成的”这一观点。根据这一观点，雨海地区曾发生过一次巨大的碰撞，周围的月球景观便是那次碰撞的产物。吉尔伯特先生将那些沟壑解释为高速运动的陨石所造成的。

月球的景观极为奇特且崎岖不平。它们总是让我们联想到荒芜的沙漠，同时也会注意到这里没有我们地球上常见的草地或森林。在某些方面，月球的状况与地球并无太大差异。和地球一样，月球也有昼夜更替的现象，只不过月球的“白昼”相当于29个地球日，而“黑夜”也同样长达29个地球日。太阳的光芒能温暖地球，月球也是如此；不过，无论怎样……

在月球上漫长的白昼期间，其温度显然会非常高，而到了夜晚，寒冷程度则肯定会超过地球上最寒冷地区的温度。罗塞勋爵以及后来的兰利教授都对月球向地球辐射的热量进行了研究。尽管月球表面的每个地方都会持续两周时间处于阳光照射之下，但土壤的实际温度并不可能很高。月球没有像地球那样能够留住并积累热量的大气层作为“保温层”。

即便使用最大的望远镜，我们也无法直接判断月球上是否存在生命。也许月球的山上长着像加利福尼亚州那些巨大的树木一样高的植物，平原上也有大象行走，但我们的望远镜却无法观测到它们。我们能够在月球上看到的最小物体，其大小也相当于一座大型教堂，因此，如果真有与我们所熟悉的生物大小相当的生物存在，它们也不可能通过望远镜被观测到。

因此，我们不得不依靠间接证据来判断月球上是否可能存在生命。可以说，天文学家们认为我们所知的生命形式是不可能在那里存在的。在生命存在的必要条件中，水是首要条件之一。从生长在岩石上的地衣到森林中的巨树，所有植物都含有水，没有水就无法生存。对于动物来说，水同样不可或缺。如果没有水，所有的有机生命，包括人类自身的生命，都是无法想象的。

所以，除非月球上存在水，否则我们就必须得出结论：我们所知的生命是不可能在那里存在的。如果有人站在月球上用望远镜观察地球，他能否看到地球上的水呢？毫无疑问，他能看到。他会看到云朵，也会注意到云朵的不断变化，而仅凭云朵的存在，就几乎可以成为水存在的决定性证据。在月球上的天文学家……

月球上的观测者也会将我们的海洋视为有色表面，与陆地形成鲜明对比；他或许还会经常看到太阳的影像——就像一颗明亮的星星——反射在海洋的某些平滑区域上。事实上，由于地球表面超过一半被海洋覆盖，而剩余部分大多会被云层遮蔽，因此月球上的天文学家在观察地球时，几乎只能看到各种形态的水体。很可能会得出这样的结论：地球只适合两栖动物居住。

但当我们用望远镜观察月球时，并无法发现任何水的存在证据。仔细观察后会发现，所谓的“月球海洋”其实不过是沙漠，上面布满了小陨石坑和岩石。望远镜中既看不到海洋，也看不到湖泊或河流。而且，月球表面的美景也不会因云层而受到影响。每当月球出现在地平线上且没有地球上的云层遮挡时，我们就能清晰地看到其表面的特征。月球上没有云层，甚至连水存在时必然会出现的雾气或蒸汽也不存在，因此天文学家们认为，围绕地球的那颗卫星的表面是一片毫无生机、没有水的沙漠。

有机生命的另一个重要要素在月球上也同样不存在。地球表面有一层厚厚的空气层，从地表一直延伸到约200或300英里的高空。无需多言，空气对生命来说是多么重要，因此我们便开始思考月球是否也可能拥有大气层。让我们先明确我们要探讨的问题：假设有一位旅行者从地球出发前往月球，随着他不断前进，空气会逐渐变得越来越稀薄，最终当他距离地球表面几百英里时，地球上那层空气的痕迹也将完全消失。等到他完全穿过大气层后，他所走的路程还只是整个旅程的一小部分而已。

24万英里之后，要到达月球仍需穿越一片广阔的真空空间。如果月球也像地球那样被大气层所包围，那么当旅行者接近旅程终点、距离月球表面仅几百英里时，他就会再次遇到大气层的痕迹，而且这些大气的密度会逐渐增加，直到他抵达月球表面为止。这样，旅行者在旅程开始时会穿过一层空气，在旅程结束时又会穿过另一层空气，而大部分时间则是在比抽气机排出的真空环境还要空旷的太空中行进。

如果月球真的有类似地球那样的大气层，情况就会如此。但事实究竟如何呢？当旅行者接近月球时，他根本找不到任何类似地球上的空气可供呼吸。或许在月球表面附近存在些许气体物质，但其量远远少于地球上的大气层。就我们通常所理解的呼吸需求而言，可以说月球上根本没有空气，因此从地球上移居到月球上的生物肯定会像处于太空之中一样窒息而死。

不过，有人可能会问：我们是如何得知这一点的呢？空气不是透明的吗？那我们的望远镜又怎么可能判断出月球是否真的有这样的大气层呢？实际上，我们是通过间接但极其可靠的观测方法才了解到月球上不存在大气层的。虽然有多种论据可以说明这一点，但最有力的证据来自所谓的“掩星”现象。有时，月球会正好位于地球和某颗恒星之间，导致那颗恒星暂时消失，这就是“掩星”现象。我们可以观察到这一现象发生的时刻，通常会发现恒星是突然消失的。如果月球被厚厚的大气层所包围，那么随着月球的移动，这些气体层会逐渐使恒星变暗，而不会像现在这样突然消失。[9]

让我们思考一下，为何月球上没有大气层。现代研究指出，所谓的气体其实是由大量分子构成的，而这些分子都在以极快的速度运动着。每个分子只能沿某个方向移动很短的距离，就会与其他分子发生碰撞，从而导致各个分子的运动方向和速度不断发生变化。每种气体在特定温度下都有其特有的平均速度。当多种气体混合在一起时，比如我们大气层中的氧气和氮气，各种气体的分子仍会以各自的特征速度运动。根据我们对地球大气层边界的温度估算，那里的氧分子的平均速度约为每秒四分之一英里。氮分子的速度也大致相同，而氢分子的平均速度则约为每秒一英里，实际上这是所有气体中分子速度最高的。

图九：柏拉图
（根据纳斯米斯绘制）

抛向空中的石头很快就会落回地面。而垂直向上发射的子弹则会不断上升，直到最终停止运动，然后开始下落回到地面。假设我们拥有一把威力无穷的步枪以及强度无限的火药，那么随着装药量的增加，子弹上升的高度会越来越高，而且每次返回地面所需的时间也会更长。子弹的下落是由于地球的引力作用。在整个飞行过程中，重力始终作用于子弹上，逐渐降低其速度，最终使子弹无法继续向上运动并使其坠落。

子弹会返回。必须记住，高度越高，引力吸引的效率就越低。因此，当物体具有极高的初始速度、从而上升至极高的高度时，它返回的速度就会因两个原因而变慢：首先，它需要返回的距离大大增加；其次，引力将其拉回的效力也降低了。速度越大，引力将物体拉回的能力就越弱。我们可以设想，当速度高到一定程度时，随着物体不断上升而持续减弱的引力已无法完全抵消该速度，于是就会出现物体被抛出后永远无法返回的奇妙现象。

可以用数值形式来说明这一原理：向上发射的速度达到每秒六到七英里就足以让物体完全脱离地球的引力范围。这样的速度远远超出了我们火炮所能达到的极限，实际上至少是炮弹飞行速度的十几倍；即便我们能够实现这样的速度，空气阻力也会构成难以克服的障碍。不过，这些考虑并不会影响这样一个结论：对于每一颗行星而言，都存在一个与其大小和质量相关的特定速度，只有以这个速度发射弹丸，才能避免该行星的引力将弹丸拉回。

要确定任何天体的“临界速度”其实很简单。一般来说，天体越大，弹丸就需要越大的初始速度才能永远离开它被发射出的星球。正如我们已经提到的，在地球上，这个速度约为每秒七英里；在水星上为每秒三英里，在火星上为每秒三点五英里，在土星上为每秒二十二英里，在木星上则为每秒三十七英里；而要让弹丸从太阳表面飞出且不再返回，其速度则必须不低于每秒391英里。

假设地球大气中存在一定量的自由氢气，其分子的平均运动速度约为每秒一英里。在某些特殊情况下，这些分子的速率可能会超过每秒七英里。如果这种情况发生在大气层边缘，且该分子能够避开与其他分子的碰撞，那么它就会飞向太空，再也无法被地球捕获。经过无数个时代的不断重复，所有的氢气分子都会从地球逃逸出去，这也就解释了为何地球大气中不存在自由氢气的原因。[10]

除氢气之外的其他气体分子所能达到的速度远远不足以使其摆脱地球的引力束缚。因此，氧气、氮气、水蒸气以及二氧化碳仍会作为地球大气的永久成分存在。另一方面，太阳的质量极大，导致其表面的“临界速度”高达每秒391英里，就连氢气分子也难以达到这一速度。正因如此，氢气才成为太阳大气层中的重要组成部分。

将这一原理应用到月球上后，通过计算可知其临界速度仅为每秒1.5英里，这一数值显然在氧气、氮气及其他气体分子所能达到的最大速度范围内。因此，在像月球这样体积极小的天体表面，这些气体不可能长期存在并形成大气层。这似乎就是为什么月球上没有明显的气体存在的缘故。

月球上没有空气和水，这也解释了为何月球的表面如此崎岖不平。我们知道，在地球上，风、雨、霜雪等自然力量一直在不断地侵蚀山脉，使其变得平滑。而在月球上则不存在这样的作用力。是火山塑造了月球的表面形态，虽然它们早已停止活动，但它们留下的痕迹依然存在。

如今，这些建筑依然保持着与那些巨大火焰熄灭时几乎相同的崭新状态。

“那些云雾缭绕的塔楼、华丽的宫殿以及庄严的庙宇”，在地球上的存在时间其实很短。正是水和空气的持续作用，使得它们像“虚幻的梦境”一般消失不见。而在月球上，这些导致建筑破坏和衰败的因素都不存在；不过，从白昼到黑夜时温度的变化可能会引起建筑的膨胀与收缩，从而在一定程度上弥补缺乏更强分解作用力的缺陷。

很可能，月球上的建筑能够世代保持原样，不会发生变化。窗户无需玻璃，因为没有风和雨需要阻挡；房间里也无需壁炉，因为空气不足的话燃料就无法燃烧。居住在月球城市中的人将会发现，那里没有灰尘飞扬，没有气味，也没有声音。

人类是一种适应于极为有限环境中的生物。温度稍有变化，空气成分略有差异，食物的适宜性也有讲究，这些都会决定一个人是健康还是生病，是生存还是死亡。将目光投向月球之外，放眼整个宇宙，我们会发现无数个拥有各种不同温度和环境的星球。在如此众多的星球中，是否有一些星球上存在着生命呢？对于这个重要问题，科学还无法给出答案：我们无从知晓。不过，我们还是忍不住要做出猜测。在我们的地球上，到处都是生机勃勃的生命，它们存在于各种不同的环境中——既有热带地区的酷热之中，也有极地的严寒之中。在那些连一丝光线都无法穿透的洞穴里也有生命存在；在每平方英寸承受着数吨压力的海洋深处，同样也有生命存在。

无论外部环境如何，大自然总会为那些环境提供与之相适应的生命形式。

在宇宙的无数星球中，几乎不可能存在一个与地球完全相同的星球——既有空气也有水，大小和成分也与地球一致。除了地球之外，人类不太可能在其他任何星球上存活一小时，橡树也不太可能在其他星球上存活一个季节。人类能够生活在地球上，橡树也能在那里茁壮成长，是因为人类与橡树的生理结构特别适合地球的特殊环境。

如果我们能更近距离地观察一些天体，很可能会发现那里也存在着生命，只不过这些生命是适应了当地环境的特殊存在——形态怪异、难以理解；对我们而言，它们比哥伦布首次登陆新大陆时所看到的还要陌生。或许，它们甚至比但丁所描述的或多雷所绘制的还要奇特。智慧同样可能存在于那些星球上，就像在地球上一样。有的星球更大，有的则更小；有的有更浓厚的大气层，有的则没有。关于这个主题最深刻的哲理，体现在丁尼生的语言中：

“将这一真理铭记于心吧：
在无边无际的宇宙中，
有无限美好的事物，也有无限糟糕的事物。

“你以为这种充满希望与恐惧的存在，
在那一亿个星球上找不到比它更出色的了吗？”

图版十。
第谷及其周边地区。
（根据纳斯米斯绘制。）

第四章　太阳系
太阳与月亮的极端重要性——研究方向——距离顺序——邻近的天体——如何区分它们？——金星和木星因其亮度而引人注目——天狼星并非邻近天体——土星和水星——可通过望远镜观测到的行星——判断一个天体是否属于邻近天体的标准——“行星”一词的含义——天王星和海王星——彗星——行星由太阳照亮，而恒星则不然——地球实际上也是一颗行星——四颗内行星：水星、金星、地球和火星——地球的自转速度——外行星：木星、土星、天王星、海王星——行星从太阳那里接收的光和热——行星的相对大小——小行星——所有行星都朝同一方向旋转——太阳系——宇宙中的“岛屿群”。

在本书的前两章中，我们试图按照这些天体对人类的相对重要性来对其进行描述。面对宇宙中众多的天体，我们究竟应该首先关注哪一个呢？此处我们并不讨论太阳与其他散布在宇宙中的天体或天体群相比所具有的内在重要性。或许有许多天体在亮度、体积和质量方面都能与太阳相媲美。事实上，我们在本书后面将会证明这一点；到那时，我们就能确定太阳在无数天体中的真正地位了。不过，无论太阳的重要性如何，只要将其视为宇宙中众多天体之一，那么毫无疑问，它对地球的影响远远超过宇宙中所有其他天体之和。因此，我们首先研究的天体自然就是这个孕育了我们生命的强大存在。

至于接下来应该采取的步骤，也几乎无需犹豫。与其他天体相比，月亮的内在重要性同样不言而喻。

天体虽然可能体积很小，实际上，正如我们日后将会看到的，它们的大小几乎可以视为无穷小。但在地球的宇宙体系中，月亮曾经扮演过、而且至今仍然扮演着仅次于太阳的重要角色。月亮距离我们如此之近，以至于它那明亮的光芒都显得微不足道，相比之下，还有无数其他天体的体积和亮度都要远远超过它。在天文史上，月亮也占据着极为重要的地位——因为科学史上最伟大的发现之一，即万有引力定律，正是通过观测月亮而得出的。因此，在讲述天空的故事时，自然应该先介绍这个与太阳同样引人关注的天体。

不过，既然太阳和月亮已经有过简要描述（日后我们还会再次提及它们），那么在决定下一步该讲什么时自然会有些犹豫。当这两颗重要的天体被排除在外后，就再也没有其他具有如此重大意义和价值的天体能够为我们指明方向了；我们希望以最自然的方式来讲述天空的故事。如果我们试图按照天体的实际大小顺序来描述它们，那么以我们的知识水平来看，这项任务显然是不可能完成的。我们甚至无法猜测究竟哪一颗天体应该排在首位。即便那颗最巨大的天体就在我们的望远镜范围内（这本身就是一个极不可能的假设），我们也不知道该在天空的哪个位置去寻找它。而且，即使这真的可行——如果我们能够按照天体的大小和亮度来为所有可见天体排序——这样的做法依然不可行，因为对于大多数天体，我们几乎一无所知。

因此，我们不得不采用另一种方法，而最简单、最自然的办法就是尽可能按照不同天体之间的距离顺序来排列。我们已经提到过月亮是离地球最近的邻居；接下来，我们将探讨一些相对较近的其他天体；随后，随着故事的展开，我们会进一步讨论更多的天体。

再往远处看，直到本书接近尾声时，我们将会探讨那些望远镜迄今所发现的、位于宇宙中最遥远处的天体。

即便确定了这一原则，我们的研究依然存在不确定性。天空中有许多天体都在运动，因此它们与地球的相对距离也在不断变化；不过这并非我们需要纠结的问题。我们无需在所有细节上都严格遵循这一原则。只要先描述那些相对而言处于我们附近——尽管距离仍有差异——的巨大天体即可，之后再探讨那些与我们相距如此之远、以至于难以想象其真实面貌的天体。

那么，让我们扫视天空，寻找那些位于我们附近的星体吧。太阳已经落山，月亮尚未升起；万里无云的夜空里，繁星点点，宛如无数闪烁的宝石。有些星星聚集成形态清晰的星座，而另一些则散布在各处，亮度从最亮的到肉眼勉强能看到的最暗的都有。在这么众多的天体中，我们要如何分辨出那些离地球最近的呢？看向西方：在那些即将消失的阳光仍 lingering 的地方，我们常常能看到那颗美丽的晚星闪耀着光芒。这就是金星——一颗美丽的行星，也是地球的“孪生姐妹”。金星的亮度极高，其位置和亮度都会迅速变化，这些特征都表明它比其他类似恒星的天体更靠近地球。经过精确测量后，这一推测得到了充分证实，因此金星也应被列入那些属于我们邻近天体的列表之中。

另一颗极为显眼的行星——其亮度几乎可与金星媲美，而且在大小及周围卫星的数量方面也远远超过金星——自古以来就被赋予了“木星”这一庄严的名字。毫无疑问，木星距离我们比金星要远得多。实际上，它的距离至少是金星的两倍。

有时甚至可达十倍之多。不过，我们仍应将木星视为我们的近邻。与天空中无数闪烁的恒星相比，木星其实已经算是相当接近地球的了。诚然，这颗巨大行星与地球之间的距离以亿英里来计算，但即便如此，这个距离仍需再乘以数万甚至数十万倍，才能足以跨越地球与最近的恒星之间的巨大距离。

金星和木星因其异常明亮的光芒而吸引了我们的注意。然而，如果我们认为最亮的物体就是那些离地球最近的物体，那就会犯错误。那些不了解天文学的人很可能会把天狼星——也就是天文学家们通常所称的“犬星”——当作离地球最近的、光芒异常耀眼的恒星。但实际上这是错误的。日后我们会更详细地探讨这颗位于南天的亮星，到那时就会发现，天狼星实际上是一个体积和亮度都远超太阳的巨大恒星，但它位于极其遥远的太空深处，其微弱的光线到达地球时，给人的印象并非是一颗强大的太阳，而只是一颗明亮的恒星而已。

用来区分地球近邻的筛选标准稍后会加以解释；在此只需知道，我们的列表首先会因为土星这一独特天体的加入而得到扩充，尽管它的亮度远远低于天狼星以及其他几颗恒星。接着是火星，这颗行星有时会靠近地球到如此近的距离，以至于发出强烈的光芒，让人难以相信它实际上属于体积最小的天体之一。除了我们已提到的这些天体之外，古代天文学家还发现了第五颗行星——水星。由于水星通常被太阳周围的光芒所掩盖，因此很难被观测到。不过，水星偶尔也会远离太阳，从而在日出前或日落后被看到。这五颗行星——水星、金星……

火星、木星和土星——这些便是远古时代就已为人所知的行星。

不过，现在我们可以通过添加那些在现代被发现的、属于地球邻近天体的望远镜观测对象，来进一步扩展这个列表。此时我们就需要明确用来判断某个天体是否靠近地球的标准了。较亮的行星因其恒定的光亮而容易辨认，这与星星不断闪烁的特性形成鲜明对比。只要稍加留意我们所提到的这些天体，就能更清楚地看出行星与星星之间的差异。

例如，在天气晴朗、天空视野良好的夜晚观察木星，注意它相对于周围星座的位置——它是位于某颗星的右侧，还是另一颗星的左侧；是在这两颗星之间，还是正对着其中某颗星。接着我们在天图上标出木星的位置，或绘制出周围星星的示意图以显示行星的位置。一两个月后再次进行观测时，就需要将木星的位置与当初用来标记它的那些星星作比较。会发现，虽然星星的相对位置保持不变，但木星的位置却发生了变化。正因如此，这种天体才被称为行星，也就是“流浪者”，因为它会不断地在星空中的不同位置之间移动。通过类似的比较，我们可以证明其他我们提到过的天体——金星和水星、土星和火星——也都是“流浪者”，属于行星这一类天体。这样，我们就有了一个简单的标准，可以轻松区分地球的邻近天体与星星。所有靠近地球的天体都是行星，或者说“流浪者”，而“流浪者”这一特性本身就足以证明它们属于我们正在研究的那一类天体。

有了这个标准，我们就可以立即为我们的“邻近天体”列表增添新的成员。在望远镜所揭示的无数天体之中，

偶尔会发现有行星是流浪者。另外两颗巨大的行星——天王星和海王星，也必须被加入已提到的五颗行星之中，这样一来，总共就有七颗巨大的行星了。如果我们把那些看似只是微小的望远镜观测对象、但实际上与地球相比仍属于小天体的物体也算进去的话，其数量还会更多。这些数量超过四百的较小行星同样属于地球的“邻居”。

需要指出的是，还有一类与行星截然不同的天体也应被纳入我们的宇宙体系之中，那就是彗星。事实上，这些不规则运行的天体有时甚至会比任何行星更接近地球。这些神秘的访客日后必然会吸引我们大量的关注。目前，我们还是将注意力集中在那些无论大小都被称为行星的、结构较为坚实的天体上。

试想，如果有一层不透明的物质覆盖在太阳周围，使其所有光线都被遮住，那么地球自然会陷入一片黑暗之中。显然，月亮因为依靠太阳的光线而发光，也会因此完全看不见。但是，阳光的消失还会带来其他影响吗？它会不会影响到午夜时天空中那些无数明亮的点呢？实际上，太阳被遮住后，夜空确实会出现惊人的变化，稍加留意就能发现这一点。毫无疑问，恒星的亮度不会有任何变化——每颗恒星都是靠自身光线发光的，并不依赖太阳。因此，星座依旧会像往常一样闪烁，但行星们则会消失不见。午夜的天空将会看到一颗又一颗行星逐渐消失，而恒星则保持不变。或许很难理解，金星的亮度或木星的光泽究竟是如何仅由来自遥远太阳的光线所决定的。不过，有关这一点的证据是非常确凿的。

等到我们详细探讨各颗行星时，再向读者更全面地介绍它们吧。

假设在某个冬夜，我们仰望高悬在天际的木星，可能会有人认为：由于地球位于木星与太阳之间，因此太阳光不可能照射到这颗行星上。对于地球上的居民而言，在了解这些天体之间的相对大小以及它们之间的距离之前，这种观点或许并不奇怪。但对于木星上的居民来说，问题的情形则完全不同。如果有人问他们是否因为地球挡在太阳与他们之间而感到不便，他们的回答大概会是这样的：“毫无疑问，地球经过太阳前方这种情况是有可能发生的，而且确实有过，但那都是极为罕见的事件；而且这种经过根本不会带来任何不便，你们所认为那么重要的地球其实非常微小，当它经过太阳前方时，只不过是一个小小的点而已，它所遮挡的阳光量也是微不足道的。”

行星能够发光，这一事实立刻表明了它们与我们地球的相似性。因此，我们可以将太阳视为一个中心性的炽热球体，周围环绕着许多体积更小的天体；这些天体本身是黑暗的，它们的光和热都来自太阳。

这确实是天文学领域中具有重大意义的一步，它揭示了太阳系的本质。认识到地球是一个孤立于宇宙中的球体，本身就需要人类智慧的巨大付出；而当人们进一步意识到这个球体只是众多类似天体中的一个——其中有些确实较小，但也有一些相当大——并且这些天体都受太阳的支配时，这一系列发现便带来了人类知识领域的根本性变革。

由此可见，太阳处于一个庞大的“家族”之中。这个家族中的各个成员都依赖于太阳，它们的大小也与其从属地位相称。即便是在该家族中最大的行星——木星，其质量也还不到构成太阳主体的物质的千分之一。然而，仅木星的质量就已超过其他所有行星质量之和。

在图31中，我们用虚线画出了四个圆圈，这些圆圈很好地展示了各行星的运行轨道。最内侧的轨道是水星的轨道，水星沿着这条轨道绕太阳运转，大约88天后就能回到起点。

再往外一点的是金星的轨道，我们之前已经提到过它，也就是那颗著名的“黄昏之星”。金星完成一次公转需要225天。再远离太阳一些，就是另一颗行星的轨道了。这颗行星的大小与金星几乎相同，因此比水星大得多。它完成一次公转需要365天。这个时间对我们来说很熟悉，因为它就是一年的长度，而这颗行星就是我们生活的地球。其实，我们可以用一种直观的方式来了解地球每年要行驶的距离：圆的周长大约是直径的3又1/7倍。如果把地球到太阳中心的距离视为92,900,000英里，那么地球绕太阳运行的圆的直径就是185,800,000英里，进而，地球绕太阳运行的轨道的周长则为583,000,000英里。地球每年都必须行驶这么远的距离。要想算出为了在12个月内完成这段漫长的旅程，地球每秒需要移动多远，其实只需进行简单的计算即可。结果显示，地球每秒必须移动18英里，否则就无法在规定的时间内完成旅程。

图31——四颗内行星的轨道。
请稍作思考：每秒18英里的速度究竟意味着什么？我们真的能达到如此惊人的速度吗？让我们将其与日常生活中常见的快速移动方式作比较。看看那列高速列车，它冲过桥梁后瞬间就消失在视线之外！还有比这更快的速度吗？我们用数字来计算一下：这列列车的速度是每分钟1英里，将这个数值乘以18，就得到了每分钟18英里；但还要再乘以60，才能得到每秒18英里。而高速列车的速度甚至还不到地球速度的千分之一。我们再举另一个例子：我们站在射击场，观看子弹射向1,000英尺外的目标，结果会发现……

一两秒的时间就足以让子弹飞越那段距离。地球的运动速度几乎是步枪子弹速度的百倍。

图32——地球的运动。
从另一个角度来看，地球如此惊人的速度其实并不算过快。地球是一个巨大的球体，其体积大到即便以这样的速度移动，也需要近八分钟才能穿过自身的直径。如果一艘轮船需要八分钟才能行驶相当于其自身长度的距离，那么它的速度将不到每小时一英里。为说明这种思考方式，我们在此展示了地球的运动轨迹（见图32）。这些圆圈中心之间的距离约为直径的六倍；因此，如果将这些圆圈视为地球，那么地球从一个位置移动到另一个位置所需的时间约为四十八分钟。

在地球轨道之外，是第四颗行星——火星的轨道。火星绕太阳公转一周需要687天，即将近两年时间。当我们到达火星时，也就达到了太阳系内部的边界。

我们所提到的这四颗行星因为距离太阳较近而形成了一组。它们的体积都处于中等水平：金星和地球的大小差不多；水星和火星则更为小巧，就体积而言，它们介于地球和月球之间。而距离太阳最近的这四颗行星，在体积和重量上远远不及太阳系中的巨型行星——木星、土星、天王星和海王星。

图33——四颗巨型行星的轨道。
这些巨型行星与那些体积较小的行星一样，都受到太阳的引力作用。本页的图表（图33）展示了这些外层巨型行星的轨道部分。太阳依旧位于中心位置，但由于比例关系，内层行星距离太阳过近，因此只能表示出火星的轨道。在火星轨道之后有一段相当大的空隙，不过这段空间中仍存在行星活动；随后是木星和土星的轨道；再往外则是天王星，它几乎处于无法直接观测到的范围之外；最后，整个行星系统以海王星的轨道为边界——关于这颗行星，我们还有许多有趣的故事要讲述。
图34中的各种圆圈显示了从不同行星上看太阳的视大小。以对应地球的圆圈为例……

这些圆圈表示地球从太阳那里获得的能量与光量，而其他圆圈则显示相应行星所接收到的能量与光量。地球之外的下一颗行星是火星，它从太阳那里获得的能量与光量其实并不比地球少多少；但我们实在无法理解，像木星或土星这样距离遥远的行星，其气候怎么可能与那些位置更为有利的行星相媲美。

图34——从不同行星上看太阳的视大小对比。
图35展示的是围绕太阳运行的所有行星的图像——这些行星均以相同的比例呈现，以便显示它们之间的大小差异。

从体积来看，木星的体积是地球的1200多倍，因此至少需要1200个地球叠在一起才能形成与木星相当的球体。从质量来看，地球与木星之间的差异虽然仍然巨大，但没那么夸张了；不过这一内容将在后面的章节中详细探讨。

图35——行星大小的比较。
即便在對太阳系的初步探索中，我们也不应忽略那些虽不是因为体积巨大而引人注目，却因数量众多而值得关注的行星。在以火星轨道为内界、木星轨道为外界的广阔区域内，人们曾以为没有行星在此运行。但现代研究表明，这一区域并非没有行星，而是有数百颗行星存在。发现这些行星是当今许多勤奋的天文学家所承担的任务，而研究它们的运动规律则成了其他科学家的工作。通过研究这些微小的行星，我们也能学到不少东西。

这些天体，尤其是来自另一颗名为厄洛斯的小行星的天体，其距离地球比上述数值所指示的还要近。书中将专门用一章来介绍这些天体。

不过，我们目前并不打算深入探讨行星系统的统计数据。如果真有此意，那么本书末尾的表格便足以证明已有大量相关资料可供参考。天文学家们已经对每一颗行星进行了详细记录：他们测量了这些行星与太阳的距离、轨道的形状与位置、公转周期，而对于那些较大的行星，还测定了它们的大小和重量。这些数据对于许多研究来说都具有重要意义。然而，目前我们更关注的是这门科学的一些总体特征。

最后，让我们总结一下关于我们行星系统的一两个重要事实。我们已经知道，所有行星都在近乎圆形的轨道上围绕太阳运转。现在还需要补充一个非常重要的事实：每颗行星都沿着相同的方向运动。因此，虽然某颗行星可能会追上另一颗行星，但绝不会像铁路上的列车那样有两颗行星相互交错而过。日后我们会发现，我们这个行星系统的稳定运行，甚至它的持续存在，都依赖于这种显著的规律性，以及系统中的其他特征。

这就是我们的太阳系——一个由众多行星组成的庞大有序群体，在太阳的掌控下运转，且完全不受任何外部因素的干扰。没有任何恒星或星座能够对我们太阳系产生显著影响。我们就像一群孤岛，与最近的恒星之间存在着极其遥远的距离。也许其他恒星也是太阳，它们也可能拥有围绕其运转的行星系统；但对此我们一无所知。至于恒星，我们只能说它们在我们看来只是光点而已，而它们可能拥有的任何行星，即便其体积是木星的数倍，也永远无法被我们观测到。

我们无需为知识上的这种局限而懊恼，因为正如在太阳系中能找到满足我们日常生理需求的一切一样，在努力探索那些我们能够理解的宇宙奥秘时，我们也能充分运用自己所拥有的各种能力。

第五章　万有引力定律
引力——石头向地面坠落的现象——所有物体都以相同的速度下落，每秒16英尺——这一规律在极高处仍然成立吗？——在距离地球25万英里的地方物体如何坠落？——牛顿是如何从月球上得到答案的？——他的伟大发现——万有引力定律的阐述——该定律的实例说明——为何宇宙中的所有物体不会聚在一起？——运动的影响——引力如何产生圆形轨道——关于月球运动的总体描述——引力是一种强度极大的力吗？——两个重量为50磅的物体，以及两个直径为53码、相距一英里的铁球，它们之间的引力仅为1磅。——引力的特性——行星的轨道并非严格的圆形——开普勒的发现——椭圆的构建——开普勒第一定律——行星的运动是否均匀？——速度变化的规律——开普勒第二定律——距离与周期之间的关系——开普勒第三定律——开普勒定律与万有引力定律——直线运动——在没有外力干扰的情况下，物体会以恒定速度沿直线运动——这一规律在地球和行星上的应用——从开普勒定律推导出的万有引力定律——宇宙间的万有引力。

在进一步详细阐述各个行星的情况之前，我们需要暂时中断对天体的描述，以便详细解释一个至关重要的原理，即万有引力定律。正是这一定律使得我们能够解释月球绕地球运转以及行星绕太阳运转的现象。因此，在继续探讨各行星的详细情况之前，我们有责任先讨论这个主题。此外，万有引力定律还能帮助我们了解那些位于宇宙最遥远处的恒星的本质。它还让我们能够回溯过去，即便无法确定，也能较为合理地推测出我们太阳系早期的发展历程。太阳与月亮、行星与彗星、恒星与星云，所有这些天体都受制于这一定律，而现在我们将把注意力集中在这一定律上。

还有比“石头掉下来会落到地上”这一事实更常见的吗？起初，没人会觉得这有什么值得讨论的。人们看到铁块被磁铁吸引时常常会感到惊讶，但实际上，石头掉落到地面上也是某种力的作用结果，而这种力与磁力一样有趣。是地球在吸引石头，就如同磁铁吸引铁块一样。在这两种情况下，都存在吸引力；不过磁力仅作用于少数物质，其作用范围也相对有限，而重力则在整个宇宙中都具有重要的影响力。

让我们先通过一些非常简单的实验来了解重力。手里拿一小块铅，然后让它掉到垫子上。铅从手指落到垫子上需要一定的时间，但当高度相同时，这个时间始终是固定的。现在拿一块更大的铅，双手各持一块，保持相同的高度。如果同时将它们释放，它们会同时落到垫子上。人们可能会认为较重的物体会比轻的物体下落得更快，但实际实验结果表明并非如此。再用其他各种物质重复这个实验：普通的弹珠与铅块的下落时间是一样的；用软木块做实验也会得到同样的结果。起初，用羽毛与铅块作比较时似乎会失败，但这只是因为空气对羽毛的阻力大于对铅块的阻力。不过，如果把羽毛放在一枚硬币的顶部，再让硬币水平落下，那么在下降过程中硬币就能为羽毛挡开空气，这样羽毛就会以与硬币、弹珠或铅块相同的速度下落。

如果观察者在实验室外的走廊里进行这些实验，且垫子位于他手下方16英尺处，那么弹珠下落16英尺所需的时间将为1秒。软木块或铅块的下落时间也会相同；甚至羽毛只要能避开空气的阻碍，也能在1秒内下落16英尺。

不受空气干扰的影响。我们可以进行这样的实验：无论是在伦敦、其他城市、任何岛屿或大陆上，还是在海上的船只上、北极、南极或赤道上，无论物体大小或材质如何，它都会在1秒钟内下落约16英尺。

为避免产生误解，需要说明的是，物体在1秒钟内下落的距离在地球的不同位置确实会有轻微差异，但原因较为复杂，此处不必详述。目前我们可将16英尺视为在没有外界干扰的情况下，物体在地球表面任何位置1秒钟内下落的距离。现在，让我们把视野扩展到地球表面之外，探究这一“1秒钟下落16英尺”的规律在其他地方是否依然成立。例如，我们可以登上山顶进行实验。会发现，大理石在山顶下落16英尺所需的时间，会比在山脚处稍长一些。这种差异虽然很小，但仍然可以测量出来，这足以说明：在地球表面较高处，地球吸引大理石向地面坠落的力会有所减弱。无论我们升至多高的地方，无论是高山之顶，还是通过热气球达到的更高高度，物体的坠落趋势都不会消失，只不过高度越高，这种趋势就越弱。了解地球吸引物体向其靠近的力究竟能延伸多远，是一件非常有趣的事情。用热气球的话，我们最多只能上升到地球表面以上5到6英里的高度，但我们想知道，如果能够上升到500英里、5000英里甚至更远的太空区域，会发生什么。

试想，如果有一位旅行者拥有某种能力，能够不断向上飞行，飞过数英里、数千英里，最终到达距地面近25万英里的惊人高度。当他向下俯瞰下方那深不可测的地球表面时，便能看到一幅奇妙的鸟瞰图。

从如此高的高度望去，他无疑会看不清各个城镇和村庄的细节；在那种视野中，能看到的只有整片大陆和整片海洋——当然，前提是云层之间有缝隙让地球表面显露出来。

在如此惊人的高度上，他可以进行哲学家所能进行的最为有趣的实验之一。他可以测试在如此高的地方是否仍存在地球的引力，同时还可以测量这种引力的大小。实验时可以用软木塞、弹珠或任何其他大小的物体，将其握在手指间然后放开。在地面环境下，大家都知道会发生什么；但究竟在如此高的地方会发生什么，却需要艾萨克·牛顿来解答。牛顿认为，地球吸引物体的力量甚至能延伸到如此高的高度，因此弹珠会下落。这一理论现在我们可以加以验证了。我们准备开始实验。弹珠被释放后，我们首先发出的却是惊叹声——它并没有立刻落下，反而似乎悬在空中。我们几乎要断定自己已经超出了地球引力的范围，牛顿是错的，但就在这时，我们的注意力被吸引了：弹珠确实开始移动了，只不过速度极慢，起初我们必须仔细观察。不过它的速度逐渐加快，这无疑证明了地球引力的存在；最终，弹珠以越来越快的速度开始了它那长达25万英里的回归地球的旅程。

不过，肯定有人会说，这样的实验根本不可能实现，也不可能按照描述的方式来进行。牛顿想出了一个大胆的主意：利用距离地球近25万英里的月球来回答这个问题。此前，我们的卫星还从未被用于如此重要的目的。实际上，月球每时每刻都在向地球坠落。我们可以通过计算它每秒向地球偏移的距离，从而得出地球引力的大小。通过这些研究，牛顿得知，在距离地球表面24万英里的地方释放的物体，依然会受到地球的引力作用。

由于这种引力作用，物体将会开始向地球移动——不过其速度并非像在地球表面进行实验时物体下落的那种速度，而是要慢得多。从月球上掉落的物体，其运动速度极其缓慢，以至于要走过16英尺的距离需要1分钟，而非1秒。[11]

正是通过思考从月球上获得的这些信息，牛顿才做出了那项不朽的发现。地球的引力是一种能够贯穿整个空间的力。物体距离地球越远，引力就越弱；牛顿找到了确定引力强度随距离变化规律的方法。从月球上得到的信息非常重要：距离地球24万英里的物体，下落相同距离所需的时间是地球表面的两倍。首先，这表明地球吸引所有物体向地球方向的引力会随着距离的增加而减弱。其实这一点本可以预料到——正如我们离光源越远，光亮就会越暗一样，我们也可以合理地推测，引力也会随着距离的增加而减弱。值得注意的是，引力随距离增加而减弱的规律，与光亮随距离增加而减弱的规律是完全相同的。

用最简单的形式表述，自然法则认为引力的强度与距离的平方成反比。让我通过一两个简单的例子来解释这一较为抽象的原理。假设有一个物体被提升到距地球表面近4000英里的高度，也就是处于与地球半径相等的高度。换句话说，这样的物体距离地球中心的距离是位于地球表面的物体的两倍。根据万有引力定律，此时地球对该物体的引力强度将降至原来的四分之一。

只要物体位于地面上，它所受到的地球引力就只有四分之一。我们可以用不同的方式来想象这种引力的作用：让物体自由下落，那么在一秒钟内它只会下降4英尺，而这仅仅是地球表面时重力作用距离的四分之一。

我们还可以从另一种角度来思考这个问题，即假设用弹簧秤来测量地球的引力。如果在地球表面将4磅重的物体挂在这样的秤上，那么秤的指针当然会显示4磅的重量；但假如把这只秤连同上面的重物一起带到越来越高的地方，那么指针所示的数值就会逐渐减小。当秤到达4,000英里的高空时，它与地球中心的距离是原来的两倍，此时指针所示的数值将降至原来的四分之一，也就是1磅。如果我们再把这只秤带到更远的太空深处，指针的数值会继续下降。当秤到达8,000英里的高空时，它与地球中心的距离是原来的三倍，根据万有引力定律，此时的引力应降至原来的九分之一。因此，秤上显示的数值将是4磅的九分之一，也就是不到半磅。不过，我们仍要继续前进，直到这只秤和4磅重的物体到达月球绕地球运行的轨道为止。此时的距离约为地球半径的60倍，因此引力会按1/60的平方比例减小；此时弹簧所承受的力仅为4磅的1/3,600，几乎可以忽略不计。由此可见，原本在地球上重达一吨半的物体，如果被带到240,000英里的高空，其重量将不到1磅。即便在如此遥远的距离上，我们仍不能停止前进；继续往更远的地方去，秤上的数值会持续下降，但无论走到多远，引力依然存在。天文学似乎也在告诉我们这一点。

引力的作用范围可以延伸到宇宙中最广阔的空间之中，只不过其强度会随着距离的增加而相应减弱。

引力的原理其实有着比我们目前所了解的更为广泛的适用范围。我们刚才只谈到了地球的引力，以及这种力能够遍及整个空间这一事实。但实际上，万有引力定律并非如此有限。不仅地球会吸引其他所有天体，其他天体也会吸引地球；而且每一个天体都会互相吸引。因此，从更完整的意义上来说，万有引力定律表明：“宇宙中的每一个天体都会以与距离的平方成反比的力来吸引其他所有天体。”

我们绝不能低估这条定律的重要性。它为我们提供了理解行星复杂运动规律的线索。正是由于万有引力定律，我们才能做出各种惊人的发现——在望远镜发明之前，我们就已能预知某些天体的存在，甚至在真正看到它们之前就能知道它们的存在。

此时可能会出现一个质疑，这个质疑确实很有道理。如果地球吸引着月亮，那为什么月亮不会坠落到地球上呢？如果地球被太阳吸引，那它为什么不会坠入太阳之中呢？如果太阳又受到其他恒星的吸引，那这些恒星为何不会因相互间的引力而碰撞在一起呢？有人可能会合理地认为，既然天上的所有天体都在互相吸引，那么它们就应该因为这种引力而聚集在一起，从而把整个宇宙变成一个巨大的整体。但实际上，这类碰撞并不经常发生，其发生的概率极低。我们知道，尽管地球已经被太阳吸引了无数个世纪，但地球与太阳之间的距离依然和原来一样。这难道不是与万有引力定律相矛盾的吗？在天文学发展的早期，这样的质疑无疑会被视为难以克服的障碍；即便在今天，我们仍然偶尔会听到这样的质疑，因此我们更有责任解释清楚其中的原因。

幸运的是，太阳系得以从似乎正威胁着它的灾难中逃脱。

毫无疑问，如果月球和地球最初处于静止状态，它们就会因彼此间的引力而相互靠近。同样地，如果围绕太阳运行的行星系统最初也处于静止状态，它们也会冲向太阳，整个系统将会被摧毁。正是由于行星们在运动，月球也在运动，这些天体才能至今仍抵抗住引力的作用，从而避免彻底毁灭。

为了让学生清楚地理解中心引力如何与近乎圆形的轨道运动共存，我们通过一个例子来说明月球是如何在地球引力的引导和控制下沿着月轨运行的。

图36中的示意图展示的是地球上的一个区域，该区域有一座高山。[12] 如果在山顶的C点放置一门大炮，并以适度的火药量将炮弹沿CE方向发射出去，炮弹会沿着第一条曲线路径下落。如果再次发射，且使用更多火药，炮弹的轨迹就会变成第二条曲线，它仍然会落回地面。但下次我们尝试使用更多火药，甚至使用比以往任何武器都更强大的大炮。此时，炮弹的速度应该达到每秒数英里，不过我们可以调整其速度，使其始终保持在与地球相同的高度上沿CD路径移动——当然，像所有抛射物一样，它仍然会因为初始水平方向的运动而呈曲线轨迹行进。当到达D点时，炮弹仍会处于与地表相同的高度，且其速度不会减弱。因此它会继续沿这条路径前进，绕过圆形的另一个象限，而不会更接近地表。如此一来，炮弹就能环绕整个地球一周，最终再次回到C点。

沿着同一条路径重新开始。如果我们能够消除山峰以及山顶上的大炮，那么在重力的作用下，物体就会永远围绕地球旋转。图36——月球运动的示意图。

现在，请大胆发挥想象力吧。设想一种威力巨大的大炮，它能发射出直径至少为2,000英里的弹丸。以每秒3,000英尺的速度发射这种巨大的弹丸，这一速度是现代火炮所能达到的速度的两到三倍。让这种弹丸从距离地球表面近25万英里的地方水平发射出去。这样的弹丸将会沿着近乎圆形的轨道绕地球飞行，大约四周后就会回到出发点。它将会……

接着又会开始另一轮旋转，再过四周它又会回到起点，这样的循环将永远持续下去。

不要以为我们只是在幻想。虽然我们无法展示那门大炮，但我们可以指出一种巨大的抛射物——我们每个月都能看到它，那就是美丽的月亮本身。没人会声称月亮真的是由那门大炮发射出去的；但不得不承认，月亮的运动方式确实仿佛是如此。在后面的章节中，我们将探讨月亮的起源，以及它是如何以这种奇妙的方式绕行地球的。

正如月亮围绕地球运转一样，地球也围绕太阳运转。图示表明，圆形或近乎圆形的运动与万有引力定律的理念是相符合的。

我们通常认为引力是一种强度极大的力。难道引力不是控制着月亮绕地球运转的原因吗？就连庞大的地球本身，不也是依靠太阳强大的引力才得以保持在绕日轨道上的吗？毫无疑问，让地球保持在其轨道上、同时让月亮留在我们附近的力确实非常巨大，但那是因为在这些情况下引力与质量极大的天体相关联。没有人能否认，所有我们能够观察到的天体似乎都遵循万有引力定律相互吸引；但必须承认，除非其中一个或两个天体的体积极其巨大，否则这种引力的强度几乎微乎其微。

让我们试着来说明，那些质量相对较小的天体之间的引力究竟有多弱。例如，取两块重量均为约50磅的铁块，它们中心之间的距离为1英尺。这两块铁块之间确实存在引力，它们会被彼此吸引，但却不会移动。它们之间的引力虽然确实存在，但其强度极小，远远比不上磁力。大家都知道，磁铁可以以相当大的力量吸引铁块，但……

质量相同时，引力的强度会小得多。两个50磅重的物体之间的引力，还不到1磅重物所产生引力的千万分之一。与这些物体与其所在桌面之间的摩擦力相比，这种引力实在微不足道，因此根本不会产生任何反应。不过，如果我们设想这些物体被安装在完全没有摩擦的轮子上，并在极其完美的水平轨道上运动，那么毫无疑问，它们会逐渐相互靠近，最终真正接触在一起。

如果想将引力视为一种可测量的力，那就必须使用比50磅重的物体重得多的质量。想象一对球体，每个球体由417,000吨的铸铁构成，若为实心结构的话，其直径约为53码。假设这两个球体相距一英里，它们会通过引力相互吸引。即便有各种建筑物或障碍物存在，引力依然能像光穿过玻璃一样轻松穿透这些障碍物；没有任何屏障能够完全阻挡这种力的作用。因此，在任何情况下，这两个铁球都会相互吸引；尽管它们的体积巨大，但引力的强度仍然很小，不过还是可以检测到的。这两个球体之间的引力，不会超过1磅重物所产生的压力。一个孩子就能阻止其中一个球体受到另一个球体的引力作用而移动。假设周围没有其他阻碍，且摩擦力可以被完全消除，让球体能够顺着彼此间的引力作用移动，那么这两个球体就会开始相互靠近。但由于质量太大而引力太小，它们的运动速度会非常缓慢，需要用显微镜才能观察到它们开始运动的时刻。要使两球之间的距离减少1英尺，至少需要1个半小时；即便之后速度有所加快，也需要三到四天时间，这两个球体才会最终合为一体。

这里必须特别提及引力最显著的特征。引力的强度似乎仅取决于物体中所含物质的量，而与这些物体由何种物质构成毫无关系。我们之前将这两个球体描述为铸铁制成的，但即便它们是由铅或铜、木头或石头、空气或水构成的，只要质量保持不变，引力依然会相同。由此我们可以看出，引力与磁力之间存在本质上的差异：在磁力作用下，绝大多数物质几乎不会产生吸引力，只有铁才具有显著的吸力。

在描述太阳系时，我们将月球视为沿近乎圆形的轨道绕地球运转，而行星则沿同样近似圆形的轨道绕太阳运转。现在，我们有责任更详细地描述这些轨道的实际情况；我们不能简单地认为它们就是圆形，而必须准确判断它们与圆形有何不同。

如果行星真的沿着以太阳为中心的完美圆形轨道运转，那么显然，太阳到行星的距离始终等于该圆的半径，因而也应该是恒定的。毫无疑问，太阳到每颗行星的距离大致上是恒定的；但通过精确观测可以发现，实际上并非如此。距离的变化可能达到数百万英里，但即便在极端情况下，这种变化也仅是该距离总值的很小一部分——通常是非常小的一部分。不同行星的情况各不相同：地球的轨道上，地球到太阳的距离几乎不会偏离其平均值；金星则更接近于完美的圆形轨道；而火星的轨道，尤其是水星的轨道，其上行星到太阳的距离则存在相当大的波动。

人们常常注意到，科学领域的许多重大发现，都源于对那些略偏离近似成立的规律的细微差别的敏锐观察与解释。在天文学领域，就有这一原理的绝佳例证：行星的轨道近乎圆形，但并非完全如此。那么，为什么会这样呢？必定存在某种自然原因。这个原因已被找到，它也带来了人类在自然科学领域所取得的几项最伟大的发现。

首先，让我们来看看从“行星与太阳之间的距离并非恒定”这一事实中可以得出的推论。圆周运动是一种极其优美且简单的运动方式，我们往往不愿放弃它，除非有充分的理由要求我们必须这么做。难道我们就不能找到某种方法，在保持圆周运动的同时，又能让行星与太阳之间的距离出现波动吗？显然，如果以太阳为圆心的话，这是不可能的。但是，假如太阳并不位于圆心，而行星仍像以前一样围绕太阳旋转，那么两者之间的距离就必然会发生变化。太阳的位置越偏心，行星在其轨道上不同位置时与太阳的距离变化幅度就会越大。此外，人们还设想，通过在太阳周围设置一系列圆圈，就可以解释各种行星的轨道。金星轨道的圆心应与太阳的中心几乎重合，而其他所有行星的轨道圆心则应处于与太阳相距适当的距离上，这样才能合理解释两者之间距离的逐渐变化。

毫无疑问，月球和行星的运动在很大程度上可以通过这样的圆周轨道系统来解释；但天文学研究的精神并不满足于近似的结果。人们不断观测行星，并将观测结果与这些行星按照此处所述的系统运动时应所处的位置进行比较。

这些圆的圆心被不断移动，其半径也被精心调整；但这一切都毫无用处。人们仔细检查行星的观测数据，试图找出其中的误差，但却找不到足以解释这些差异的误差。因此，天文学家们不得不放弃原本被认为具有无与伦比对称性与美感的圆形轨道理论，而承认行星的轨道并非圆形。

那么，如果这些轨道不是圆形的，那它们究竟是什么形状呢？这就是开普勒试图解决的重大问题，而他也成功解决了它，并给出了有力的证明。关于行星轨道真实形状的这一重大发现，堪称天文学史上最值得瞩目的成就之一。事实上，很难找到其他任何科学领域的发现能带来如此深远的影响。

在此，我们有必要暂时涉足几何学领域，研究那种因开普勒的发现而变得极为重要的曲线性质。毫无疑问，这是一个复杂的主题，若要深入探讨，就需要进行许多复杂的计算，而这在本书中并不合适；不过，对这一主题进行简要介绍仍是必要的，我们也会尽力在现有范围内做到尽可能准确的描述。

能够精确描述行星绕太阳运转轨迹的曲线，属于数学家们所称的圆锥曲线这一著名曲线类别。而表示行星轨道的特定类型的圆锥曲线，被称为椭圆；有时也会不那么准确地称之为卵形。椭圆是一种很容易构造出来的曲线。最简单的构造方法就是那些绘图师常用的方法，我们将在这里简要介绍。

下一页（图37）展示了两根针穿过一张纸的情景。一根绳圈以图中所示的方式绕过这两根针，然后由铅笔尖将其拉紧。只要稍加注意，就可以引导铅笔使绳圈保持拉紧状态，此时铅笔尖就会沿着一条曲线绕着两根针移动，最终回到起始点。这样我们就得到了那种著名的几何图形——椭圆。

绘制多个椭圆并观察其形成条件时的变化会很有帮助。例如，如果两根针的位置保持不变，而绳圈的长度增加，使得铅笔离针更远，那么椭圆就会失去一些拉长形态，变得更接近圆形。相反，如果绳圈的长度减小，而两根针的位置仍不变，椭圆则会显得更加椭圆形，用数学术语来说，就是其离心率增加了。另外，研究当其中一根针的位置发生变化、而绳圈长度保持不变时椭圆形状的变化也很有趣。如果两根针靠得更近，椭圆的离心率就会降低，椭圆也会更接近圆形；如果两根针相距更远，椭圆的离心率则会上升。如果我们假设两根针靠得极近以至于重合，那么很明显圆就是椭圆的一种极端形式——此时铅笔在图形周围移动时，铅笔尖就会画出一个圆。

被针标记的点与这条曲线之间存在着非常特殊的关联。每个这样的点都被称为焦点，而一个椭圆只能有一对焦点。换句话说，要想得到大小、形状和位置都固定的椭圆，两根针的位置只能是唯一确定的。

椭圆与圆的主要区别在于它的形状多种多样。我们可以有大小不同的椭圆，就像有大小不同的圆一样，而且椭圆还可以是更……

如果椭圆没有圆那种完美的简洁性，那它至少拥有圆所没有的多样性与魅力。图37——绘制椭圆的方法。椭圆形曲线同样具有因完美优雅的轮廓以及与崇高理念的关联而带来的美感。

古代的几何学家们已经研究过椭圆：他们注意到椭圆的焦点，也了解其几何特性。因此，当开普勒开始对他所著名的行星运动研究时，他对椭圆已经相当熟悉。正如我们之前所说，他发现行星的运动无法用圆形轨道来解释。那么接下来应该尝试哪种轨道形状呢？椭圆正好可用，其性质也已为人所知，可以用来进行比较。而这次比较的结果确实令人难忘——开普勒发现，只要假设每颗行星的运行轨迹都是椭圆，就能解释行星的运动规律。这本身就是一个极为重要的发现。一方面，它让围绕太阳运行的那些巨大天体的运动规律变得清晰明了。

另一方面，那些曾激发古人几何智慧的优美曲线，被赋予了定义宇宙中行星运行轨道的崇高使命。

不过，我们目前仅部分阐述了开普勒的首个发现。我们已经知道，行星是以椭圆轨道绕太阳运转的，因此太阳位于椭圆的内部某一点——但究竟是哪一点呢？这个问题的答案确实很有趣。我们已指出，椭圆的焦点具有其他点所不具备的几何意义。开普勒则表明，太阳必定位于每颗行星所绕行的椭圆的一个焦点上。因此，我们可以用以下文字来表述行星运动的第一个定律：每颗行星都沿着以太阳为一个焦点的椭圆轨道绕太阳运转。

现在，我们能够清晰地了解所有行星的轨道情况，无论它们的数量有多少。首先，我们可以看到椭圆是一种平面曲线；也就是说，每颗行星在漫长的运行过程中都只能在一个平面内运动。因此，每颗行星都有属于自己的特定平面。的确，至少就那些大行星而言，这些平面几乎重合在一起；但它们仍然是不同的，而它们唯一的共同点就是都经过太阳。所有行星的椭圆轨道都有一个共同的焦点，而那个焦点就在太阳的中心。

为了更好地说明这一重要定律，我们可以以两三颗不同行星为例。先来看地球的情况，它的轨道虽然实际上是椭圆形，但几乎接近圆形。事实上，如果将其按比例精确地绘制在纸上，不经过仔细测量的话，很难察觉到椭圆轨道与圆形之间的差异。金星的椭圆轨道则更为接近圆形，其两个焦点也几乎与圆形的中心重合。而水星的情况则有所不同……

椭圆与圆的偏差非常大，而某些小行星的轨道离心率则更为惊人。值得注意的是，无论行星距离太阳有多远，它总是沿着某种形状的椭圆轨道运动。我们接下来将证明：是客观规律迫使每颗行星都沿椭圆轨道运动，其他任何形式的轨道都是不可能的。

一旦开始沿椭圆轨道运动，行星就会持续地前进；经过一段被称为周期的时间后，它会回到起始位置。随后，行星又会再次沿着相同的椭圆轨道运动，如此循环往复，不断在太阳周围划出相同的轨迹。现在，让我们试着追踪这颗行星的运动轨迹，观察它在完成一次公转所需时间内的运动情况。行星轨道的尺度极为巨大，因此行星必须以极快的速度运动才能在规定的时间内完成一次公转。正如我们已经看到的那样，地球为了在365又1/4天内绕太阳公转一周，必须以每秒18英里的速度移动。那么问题就来了：行星的运动速度是否恒定？例如，地球是否始终以每秒18英里的速度移动，还是说它的速度有时会更快，有时会更慢，但平均下来仍然保持每秒18英里？这是一个非常重要的问题，而我们可以用最清晰、最明确的方式给出答案。行星的速度并非恒定，其速度的变化可以通过旁边的图示（图38）来解释。

图38——椭圆运动速度的变化。

首先，让我们设想行星位于其轨道上离太阳最远的位置，即图中右侧的区域。此时，行星的速度处于最低值；当行星开始向太阳靠近时，其速度逐渐增加，直至达到平均值。过了这个点之后，行星会以更快的速度朝太阳飞去，其运动速度也会不断上升，最终在绕过太阳时达到最大值。经过太阳之后，行星与太阳的距离再次增大，运动速度开始下降，逐渐降低直至再次回到平均值，之后还会继续下降，直到行星到达离太阳最远的距离，此时其速度又回到了最初的数值。由此可见，行星离太阳越近，运动速度就越快。不过，我们可以为行星速度变化这一规律给出具体的数值表达。旁边的图（图39）展示了一个行星轨道，当然，太阳位于焦点S处。我们选取了两个……

椭圆上的A、B、C、D四段弧线，其两端分别与焦点相连。开普勒第二定律可以这样表述：“每颗行星绕太阳运动时，在任意一点上的速度都使得它与该点与太阳之间的连线在相等的时间内穿过相等的面积。”

图39——相等时间内穿过相等的面积。例如，如果阴影部分ABS和DCS的面积相等，那么行星穿过椭圆上的AB段和CD段所需的时间也相等；如果其中一个区域的面积大于另一个，则所需时间与这些区域面积成正比。

一旦承认这一定律，行星在接近太阳时速度增大的原因就显而易见了。因为在靠近太阳时，要覆盖一定的面积，显然需要比轨道上其他位置更长的弧长；而在远离太阳的一端，较短的弧长就能覆盖较大的面积，因此速度也就较低。

这两条定律完全决定了行星绕太阳运动的规律。第一条定律确定了行星运动的轨道，第二条定律则描述了行星在其运动轨迹上不同位置的速度变化情况。

路径。但开普勒在这些定律之外还提出了第三定律，该定律使我们能够比较围绕同一颗太阳运行的两颗不同行星的运动情况。在阐述这一定律之前，有必要先明确“行星的平均距离”究竟指的是什么。在椭圆轨道上，太阳与行星之间的距离是不断变化的；不过，我们可以为所有这些距离的平均值赋予一个明确的含义，这个平均值就是平均距离。计算平均距离的最简单方法是将这些距离中的最大值与最小值相加，然后取其一半。我们已经定义了行星的周期时间，即行星完成一次轨道运行所需的天数。开普勒的第三定律建立了各行星的平均距离与其周期时间之间的关联，这一关联可以用以下文字来表述：“行星的周期时间的平方与它们平均距离的立方成正比。”

开普勒知道不同的行星具有不同的周期时间；他还发现，行星的平均距离越大，其周期时间也越长，因此他决心找出两者之间的联系。人们很容易就发现，认为周期时间仅仅与平均距离成正比是不正确的。如果真是如此，那么当某颗行星与另一颗行星的距离是两倍时，前者的周期时间也应该是后者的两倍；然而观测结果表明，距离更远的行星的周期时间并非两倍，而是几乎是后者的三倍。通过反复的试验——这样的工作足以让那些对自己智慧缺乏信心、对所获取数据的准确性也不太确定的人失去耐心——开普勒最终发现了真正的规律，并以我们上面所说的形式将其表达出来。

为了说明这一规律的特性，我们可以以地球和金星作为比较对象。如果将地球到太阳的平均距离视为1，那么金星到太阳的平均距离则为0.7233。忽略小数点后第一位以外的数字，我们就可以表示出两者的周期时间……

地球的公转周期为365.3天，而金星的公转周期则为224.7天。开普勒所提出的定律是：365.3的平方与224.7的平方之比，等于1与0.7233的立方之比。读者可以通过实际计算来验证这一等式的正确性。不过需要记住的是，由于在表示这些周期时只保留了四位数字，因此在计算时也只需考虑这四位数字的有效性。

最有效的验证方法是将金星的公转周期视为未知量，然后根据已知的地球公转周期以及金星与地球的平均距离来推导出这个未知量。通过假设开普勒的定律，我们可以利用简单的比例关系求出公转周期的立方值，进而得到224.7天这一结果。实际上，在天文学计算中，行星的距离通常也是根据开普勒定律来确定的。行星的公转周期是一个可以非常精确测量的量；一旦知道了它，就可以确定平均距离的平方，进而得到平均距离本身。

这就是著名的三大行星运动定律，它们一直都与发现者们的名字联系在一起。这些定律是从大量观测数据中总结出来的，其内在的优美性、广泛的适用性，以及它们在太阳系各天体之间建立的关联关系，使得它们在天文学中占据了极为特殊的地位。

正如开普勒所确定的那样，这些行星定律其实只是观测结果而已。事实上，行星确实是以椭圆轨道运行的，但开普勒并未解释为何行星要选择这种轨道形态而非其他形态。他同样无法解释为何行星能在相等的时间内扫过相等的面积，或是为何第三定律始终成立。从开普勒手中诞生的这些定律，被视为三个独立的真理；虽然它们已经得到了充分证实，但……

没有任何论据能够说明为何正是这些运动规律而非其他规律才适合用来描述行星的运行。

万有引力定律的伟大胜利在于它消除了开普勒定律中的经验性特征。牛顿的这一重大发现将开普勒提出的三条独立定律整合成了一个完整的理论体系。他不仅证明了这些定律是正确的，还阐明了它们为何必然正确，以及为何没有其他定律可能正确。在《自然哲学的数学原理》这部不朽著作中，他通过严谨的论证表明，对那些著名的行星运动规律的解释应从引力作用入手。牛顿指出，太阳具有引力，而由于这种引力的存在，每颗行星都必然以太阳为一个焦点沿椭圆轨道绕太阳运转；行星轨道的半径在相等的时间内扫过的面积也必须相等；此外，在比较两颗行星的运动时，其周期的平方与它们到太阳的平均距离的立方成正比。

由于这并非一部数学专著，我们无法详细探讨牛顿所给出的那些证明——那些证明早已得到了所有认真研究过它们的人的认可。在此，我们只能对这一主题进行极为简略的概述，以此说明其中所使用的推理方式，而不涉及具体的技术细节。

首先，让我们设想一个在太空中自由悬浮的球体，且完全不受宇宙中其他任何天体的影响。假设这个球体因某种冲力而开始运动，从而在太空中快速前行。当这种冲力消失后，球体仍会继续向前运动。那么它将会沿着怎样的路径运动呢？由于我们惯于看到被抛向空中的石头会沿曲线轨迹运动，因此很自然地会认为被抛入真空中的物体也会沿曲线运动。不过稍加思考就会发现，实际情况其实大不相同。

在自由空间中，我们无法概念化“向上”或“向下”的方向；所有的路径都是一样的，物体没有理由向右或向左偏转。因此我们可以推测，在这种环境下，一旦物体开始运动且不受任何干扰，它就会沿直线移动。的确，这一观点无法通过直接实验来验证。由于我们身处地球表面，根本无法让物体脱离外部力的影响。空气的阻力、各种形式的摩擦力，以及地球本身的引力，都会干扰我们的实验。将石头扔到冰面上时，它所受的阻力很小，此时石头会沿着冰面做直线运动。同样地，如果把石头扔到真空中，它也会沿绝对笔直的路径运动。我们并非通过那些必然徒劳无功的实验来证明这一点，而是通过间接推理。对于那些仔细考虑过支持这一原理的论据的人来说，这一原理的真实性是毋庸置疑的。

既然承认物体会沿直线运动，那么接下来要探讨的问题就是物体运动的速率。正如大家所观察到的，石头在结冰的湖面上的光滑冰面上滑动时，会继续前进很长一段距离才会停止。虽然冰面与石头之间的摩擦力很小，但摩擦力依然存在；而由于摩擦力总是试图阻止物体的运动，所以石头最终还是会停下来。而在太空中的航行中，物体不会遇到任何摩擦力，其速度也不会减少，因此我们认为物体可以以恒定的速度永远前进。当然，这样的说法似乎与我们日常的经验相悖：当风停了时，帆船就无法前进；蒸汽停止后，火车的速度也会逐渐降低；旋转的陀螺也会慢慢停下。从这些例子来看，人们可能会认为，一旦作用力消失，物体也就不会再运动了。

逐渐减弱，最终消失。但仔细思考就会发现，运动状态的衰退都是由于阻力的作用所致。帆船会因水与船身的摩擦而减速；火车则受到车轮的摩擦以及其在空气中前进时所需克服的阻力的影响；而陀螺能够停止转动，主要也是因为大气阻力的存在——如果在真空环境中进行实验，移除空气后，陀螺仍能继续旋转很长时间。因此我们不得不承认：一旦物体在太空中自由运动且不受任何外力作用，它就会永远沿直线运动，并始终保持最初的速度，直至时间终结。这一原理被称为运动第一定律。

让我们将这一原理应用到行星运动这一重要问题上。以地球为例，我们来探讨运动第一定律所带来的后果。我们知道地球每秒以大约18英里的速度运动，而运动第一定律告诉我们，如果地球不受任何外力作用，它就会永远沿着一条直线在宇宙中运动，其速度也不会发生变化。但地球真的以这种方式运动吗？显然不是。我们已经知道地球是在绕太阳运转，开普勒的定律为这种运动提供了极其精确的描述。由此可得出一个结论：地球必然受到外力的作用。一定有某种强大的力量在持续影响着地球。无论这种力量是什么，它都在不断使地球偏离其原本应遵循的直线路径，迫使地球沿着椭圆轨道而非直线运动。

现在，需要解决的难题已经很明确了：必定有某种外力在持续影响着地球。那么这种力量究竟是什么？它来自何处？又受哪些规律的制约？这个问题并不仅限于地球。水星、金星、火星、木星和土星也都清楚地表明，由于它们并非沿直线运动，

行星必定会受到某种力的作用。那么，究竟是哪种力在引导着行星沿特定轨道运行呢？在牛顿出现之前，这个问题或许只能被当作无解之题。正是牛顿的卓越才智为这个问题提供了答案，从而彻底改变了整个现代科学。

要回答这个问题，就必须通过观察来获取相关数据。这里不存在仅靠数学推理就能解决的问题。数学无疑是一种非常有用的工具，甚至是不可或缺的工具，但我们不应赋予它超出其能力范围的效力。在这种情况下，数学所能做的只是解释通过观察所得到的结果而已。牛顿所依据的数据，就是对地球及其他行星运动现象的观测结果，而这些现象已通过开普勒定律得到了简洁的描述。因此，牛顿以开普勒定律作为自己研究的基石，而为了进一步阐释这些定律，他便运用了自己所创造的那些著名的数学方法。

那么，我们就可以这样来思考这个问题：既然行星受到某种外部力量的影响，而我们知道每颗行星的轨道都是椭圆形，并且每颗行星在相等的时间内会扫过相等的面积，那么我们就需要确定这种力量究竟是什么。在数学家看来，这种作用力就是“力”，而力必然具有方向。最简单的力概念就是通过绳子传递的拉力，此时绳子的方向也就是力的方向。我们可以设想，作用在每颗行星上的力是由一根看不见的绳子传递的。开普勒定律可以告诉我们这根绳子的方向以及通过它传递的力的强度。

对开普勒定律进行数学分析已经超出了本书的范围。因此，我们只需关注这些定律所带来的结果，而无需详述其中的推理过程。牛顿首先考虑的是那条表明行星在相等的时间内会扫过相等的面积的定律，

他以无可辩驳的逻辑证明了，这便确定了作用在行星上的力的方向。他还指出，用来控制行星运动的假想绳索必定始终指向太阳。换言之，作用在每颗行星上的力始终是从行星指向太阳的。

接下来还需要解释的是这种力的强度，以及当行星处于轨道上的不同位置时，该力强度如何变化。开普勒的第一定律为解答这个问题提供了可能。如果行星的轨道是椭圆形的，而力始终指向该椭圆的一个焦点——即太阳，那么根据数学分析，我们可以得出：这种力的强度必然与行星到太阳的距离的平方成反比。

只要承认存在一种将行星吸引向太阳的引力，且这种引力的强度与距离的平方成反比，那么根据开普勒定律，行星的运动就能得到极其精确的解释。我们还有理由怀疑这种引力的存在吗？我们已经看到地球是如何吸引下落的物体的；我们也知道地球的引力作用范围包括月球，这一引力正是月球绕地球旋转的原因。现在我们又了解到，行星绕太阳的运动也可以用这一引力定律来解释。但实际上，支持万有引力定律的证据远远比我们目前所展示的更为充分。日后我们还将进一步探讨这个问题。我们不仅会说明太阳是如何吸引行星的，还会阐明行星之间是如何相互吸引的；同时也会发现，行星间的这种相互吸引力带来了许多重要的发现，使得引力定律变得不容置疑。

一旦承认这一定律的存在，我们就可以证明：行星必定沿着以太阳为共同焦点的椭圆轨道绕太阳运转。我们还可以证明，行星在相等的时间内会扫过相等的面积。此外，我们还能证明，行星公转周期的平方必定与……成正比。

它们平均距离的立方值。更进一步，我们能够解释彗星那些神秘的运动规律。借助同一条伟大的定律，我们也可以解释卫星的运行规律，以及潮汐现象和太阳系中的其他各种现象。最后，我们将证明：当我们将视野从太阳系的范围扩展到散布在宇宙中的那些美丽的星系时，依然能在那里找到宇宙万有引力定律的体现。

第六章　浪漫的行星
主题概要——水星是离太阳最近的行星吗？——内层行星经过太阳表面的现象——是否有过金星经过太阳表面的记录？——日全食期间行星的可见性——沃森教授在1878年的研究。

在了解了太阳系的整体情况，以及上一章所介绍的万有引力定律之后，我们开始对行星及其卫星进行更详细的探讨。我们将从离太阳最近的行星开始，然后逐步向外探索，逐一研究每一颗行星，直到到达太阳系的边缘。其中有许多值得我们关注的内容。每颗行星本身都相当于一个球体，我们需要描述目前已知的关于它们的各种信息。许多行星都拥有卫星，这些卫星也具有诸多有趣的特点。我们必须仔细考虑它们的发现过程、大小、运动规律以及与母行星的距离。此外，行星的运动方式也值得我们深入思考。我们将展示行星之间是如何相互影响的，以及这些相互作用带来了哪些显著的结果。同时，我们还需要偶尔提及天体测量和天体重量测定这些重要问题。我们必须说明如何确定太阳系中各天体的大小、重量和距离。幸运的是，我们的大部分工作都将是在那些已经得到充分验证、结果通过反复观测得到确认的领域中进行。不过，在课程刚开始时，我们就不得不面对一些尚无定论的观测结果。有权威人士声称存在一颗比目前已知行星更靠近太阳的行星。这个问题至今仍未解决，但这颗行星的存在是……

目前还无法找到这样的行星。正因如此，我们将本章的主题命名为“浪漫之行星”。

人们长期以来一直认为水星是距离太阳最近的行星，但或许它并不真正具备这一称号。水星以平均约36,000,000英里的距离绕太阳运转。在它与太阳之间，可能还存在着一颗或更多其他行星——有的可能在1,000万英里处运转，有的则在1,500万英里处，以此类推。但是，这样的行星真的存在吗？甚至有没有行星在水星的轨道之内运行呢？有一些理由让人相信这样的行星确实存在。从水星的运动轨迹中可以察觉到某种影响，人们曾认为这种影响可能是由某颗位于水星内部的行星所造成的。[13]不过，要观测到这颗行星存在着极大的困难。它始终处于靠近太阳的位置，即便使用最先进的望远镜，也几乎不可能看到那个位置的恒星状点。此外，在日落后也无法观测到这颗行星，因为在最理想的条件下，它也会在太阳之后不久就落下；而在日出时同样会因为类似的原因而无法被看见。

因此，我们常用的行星观测方法完全无法发挥作用。如果我们想要弄清水星内部是否存在行星这一重要问题，就不得不采用一些特殊的方法。至少有两种观测途径有望帮助我们得到答案。

第一种观测机会出现在那颗未知行星恰好位于地球与太阳之间的时候。在图40中，太阳位于中心位置；内部的虚线圆圈表示那颗未知行星的轨道，尽管它的存在尚未得到充分证实，但人们已经给它起了个名字——伏尔甘。外部的圆圈则表示地球的轨道。由于伏尔甘的运转速度比地球快，因此它经常会超过地球，这样这三颗行星就会呈现出图中所示的位置关系。

图表。不过，这并不一定意味着水星就恰好位于地球与恒星之间。由于行星的轨道可能是倾斜的，因此从地球上看去，水星可能会出现在太阳的上方或下方，具体取决于具体情况。

如果水星真的存在，那么我们或许可以预期，有时这三颗天体会处于一条直线上，这样我们就有了用望远镜发现这颗行星的机会。在那种情况下，我们应该能够看到它作为一个暗点，缓慢地穿过太阳表面。另外两颗位于地球内侧的行星——水星和金星，偶尔也会被观测到经过太阳表面的现象；毫无疑问，如果水星存在的话，它经过太阳表面的次数一定会比水星更多，远远多于金星。另一方面，可以合理推测水星是个较小的天体，而且当它经过太阳表面时，其距离我们会比水星更远，因此我们无法期望这种景象能与前面提到的那两颗行星的经过现象相媲美。

问题在于，通过望远镜观测是否曾经发现过任何可被视为水星经过太阳表面的现象。关于这一点，我们无法给出确定的答案。确实有观测者多次声称看到有某个亮点在太阳表面移动，他们根据该亮点的形状和外观推测那是一颗位于水星轨道以内的行星。但对这些观测所处条件的仔细分析，并没有增加人们对这一推测的信心。这类发现通常是由那些不太熟悉望远镜观测方法的人做出的。一个值得注意的事实是，尽管在过去的一个世纪里，有许多专门研究这一领域的天文学家对太阳进行了极其细致的观测，但至今还没有任何经验丰富的天文学家宣布通过望远镜发现了水星经过太阳表面的现象。上一次有关行星经过太阳表面的报告出自1876年，那是由一位德国业余天文学家做出的，但他所说的……

原本被认为是一颗行星的天体，后来被证实其实只是一个小太阳黑子——它是在格林尼治的日常观测工作中被拍到的，马德里也观测到了它。经过全面分析后，我们倾向于认为，目前并没有任何可靠的望远镜证据能够证明有某颗位于水星轨道以内的行星从中心恒星表面经过。

图40——“浪漫行星”的凌日现象。
不过，还有另一种方法或许能够帮助我们发现太阳附近的新行星。不过这种方法很少有机会使用，只有当太阳发生完全日食时才有可能实现。

当月亮直接位于地球与太阳之间时，白天的明亮景象会暂时被夜晚的黑暗所取代。如果……

当天空无云时，星星就会显现出来，甚至可以在被遮住的太阳周围看到它们。即便某颗行星距离恒星非常近，只要它的亮度与水星相当，那么在那种情况下也应当能够被观测到。要进行这样的观测，就必须做好充分的准备。尤其需要避免的风险，就是将这颗行星误认为是普通的恒星，因为它很可能看起来与恒星很相似。著名的美国天文学家沃森教授在1878年那次重大的日全食期间，特意为这项研究做好了准备。当日食发生时，太阳的光芒消失了，星星便显现出来。在那些星星中，沃森教授看到一个物体，他认以为那就是人们一直在寻找的、位于水星轨道内的行星。需要补充的是，这位热心的观测者还看到了另一个物体，起初他以为那是巨蟹座中的泽塔星。但后来他发现该物体的位置与已知泽塔星的位置并不符合预期，于是得出结论：那不可能是泽塔星，而一定是另一颗未知的行星。不过，考虑到观测条件的限制，他所认为的这两颗“行星”的相对位置，其实与巨蟹座的Theta星和泽塔星的相对位置相当吻合。因此现在几乎可以肯定，沃森看到的只是这两颗恒星而已。但他仍然坚称自己确实观察到了巨蟹座的Theta星以及那两颗“行星”，只不过没有记录下它的位置。不过，在同一位置附近还有一颗名为20巨蟹星的恒星，沃森很可能将其误认为是Theta星。需要指出的是，自1878年以来，在历次日食期间尽管人们进行了专门的搜寻，却始终没有观测到火神星的存在。因此，天文学家们普遍认为，至今仍未在水星轨道内发现任何行星。

第七章 水星
古代的天文发现——水星是如何被首次发现的——为何难以观测到——
水星早在远古时代就已为人所知——进行此类发现所需的技能——如何区分水星与恒星——东方与西方对水星的认知——关于水星的预言——如何观测水星——通过望远镜看到的水星景象——观测水星景象的难度——水星的轨道——这颗行星的运动速度——水星上是否存在生命？——水星上的温度变化——水星凌日现象——加森迪的观测成果——水星的自转——水星的重量。

天文发现的历程可谓漫长而辉煌。现代的天文发现层出不穷，其惊人的速度常常令我们惊叹不已，以至于我们有时会认为天文发现完全是现代才有的现象。但这种想法是大错特错的。在充分认可现代成就的同时，我们也应当尊重古代天文学家们的辛勤努力。

当我们谈到古代天文学家时，需要明确其含义。如今，天文学发展极为迅速，每个世纪都会有令人瞩目的进步；每一代人、每一十年、每一年，都会为那些认真观测天空的天文学家带来新的收获。然而，若想了解水星这一重要天体的发现过程，我们就必须将目光投向遥远的过去。与水星的发现相比，牛顿的诸多发现都堪称现代的成就；即便哥白尼的宇宙体系理论，与水星的发现相比也属于较近期的成果。

那么，这一伟大的发现究竟是谁做出的呢？让我们通过研究天文记录来寻找答案。在生命即将结束之际，哥白尼曾表达过深深的遗憾，因为他……

他从未有机会观测到水星。他一直渴望能看到这颗行星——它的运行规律恰恰能够很好地印证他所创立的天体运动理论，而这正是他永垂不朽的功绩；可惜他始终未能如愿以偿。水星并不像其他一些行星那样容易观测到，很可能维斯瓦河口那片巨大的沼泽地散发的蒸汽遮蔽了哥白尼居住的弗劳恩堡的地平线，因此他观测水星的机会甚至比其他地方还要少。

在哥白尼的时代，水星的存在早已为人所知，所以它的发现时间应该更早。在中世纪为数不多的天文学文献中，偶尔会有关于水星存在的记载。我们可以追溯到远古时代乃至我们这个时代初期的水星观测记录。更早的记录也并非没有，其中有一份可追溯至公元前265年的观测记录，至今已有2000多年的历史。不过，这份记录并非表明水星是在那时被发现的。再早些时候，尼尼微的首席天文学家在向亚述国王亚述巴尼拔提交的报告中也提到了水星。由此看来，水星的发现绝非最近才有的事。有可能这颗行星是在两个或更多地方独立被发现的，但关于这些发现的记录却完全缺失；我们既不知道发现者是谁，也不知道他们属于哪个民族，更不清楚他们生活的时代。

尽管这一发现的历史极为悠久，而且是在人们尚未形成关于宇宙真实结构的正确认识之前就已被知晓的，更不用说在望远镜发明之前了，但我们绝不能认为发现水星是一件简单明了的事情。只要试着想象一下当时人们究竟是如何发现水星的，就能明白这一点。

一些早已熟悉天空的原始天文学家，已经学会辨认各种恒星与星座。经验让他们意识到这些天体的位置是恒定的：他们发现天狼星总是在一年中的相同季节出现，也注意到它与猎户座及其他邻近星座的位置关系。同样地，其他每一颗明亮的恒星对他们来说也都是熟悉的对象，总是出现在天空的特定区域。他们观察到恒星升起与落下的规律——虽然每颗恒星似乎都在移动，但它们之间的相对位置却不会改变。毫无疑问，这位古代天文学家也了解金星；他知道那颗晚星，也知道那颗晨星；他或许会推断出金星是一种在太阳两侧来回运动的天体。

我们不难想象，在东部沙漠清澈的夜空中，人们是如何发现水星的。太阳已经落下，短暂的暮光也即将消失，就在地平线附近、仍有夕阳余晖照耀的地方，出现了一颗明亮的星星。这位原始天文学家知道，那个位置上本不应有明亮的恒星。如果那不是恒星，那又会是什么呢？为了弄清楚这个问题，他在接下来的夜晚继续观察天空，结果又在地平线稍高的地方看到了那颗比前一天更亮的星星。每一个夜晚，这颗星的光芒都会越来越强，最终变成一颗极为显眼的星星。也许它会升得越来越高，也许它的亮度会不断增加，甚至达到金星那样的亮度。那些最初观测到这颗星的人确实做出了这样的推测，但这些推测并未成为现实。在经历了几夜的异常明亮之后，这颗神秘天体的光芒逐渐减弱。它又在日落时靠近地平线，最终在太阳落山后很快便消失不见。它真的永远消失了么？可能要过许多年才能再次有机会在日落后观测到它；而那时，人们又会看到它经历同样的变化过程。

或许，那是在截然不同的环境下。天体距地平线的最高高度以及其亮度都会发生显著变化。

原始天文学家必须经过长期而细致的观测，才能确定这些不同现象其实都源于同一个天体。在东方沙漠中，人们对日出现象的熟悉程度几乎与日落现象相当；在天气晴朗时，当太阳光开始从地平线上升起时，有时会看到一个明亮的星状点。每一天，这个天体都会在日出之前越升越高，而且它的亮度也会随着距离的增加而增强；随后它又会逐渐靠近太阳，数月之后再次消失不见。这些就是原始天文学家所观察到的现象。日落后会出现一个天体，日出前则会出现另一个天体。对我们来说，从这些观察结果中推断出这两个天体其实是同一个似乎是显而易见的。这一推断确实正确，但绝非显而易见——正是通过长期而耐心的观测，人们才发现了这样一个规律：其中一个天体在另一个消失之前是绝对不会被看到的。因此人们推断，无论是日出还是日落时的那些现象，都是由同一个在天体围绕太阳来回运动所导致的。

我们可以很容易想象，要确认这两个天体实际上是同一个，就必须经过仔细的验证才能接受这一结论。在这种情况下，该如何进行验证呢？毫无疑问，最完整、最有说服力的科学真理证明方式，就是预测能够得到实现。在人们对水星进行了多年观测之后，发现其出现规律具有某种周期性。一旦这种周期性被完全确定，预测就成为可能了——人们可以准确预测出水星在日落后会出现的时间，以及在日出前会出现的时间！而当这些预测确实被一一验证为正确——即只要按照预测的时间去观测，就能看到这颗行星——那么就再也无法拒绝接受这一假设了。

这些预测都是基于某种假设的。该假设认为，各种不同的形态其实都源自同一个天体的振荡，因此，水星的发现与木星或金星的发现一样具有坚实的理论基础。

在不列颠群岛所在的纬度地区，通常在一年中的某个时候可以观测到水星。虽然无法制定出明确的规则来确定最佳观测时间，但只要耐心等待，那些决心要看到这颗行星的人通常能够成功。首先需要查阅天文历表，了解水星的位置，然后选择水星处于晨星或昏星状态的时刻进行观测。春季尤其适合观测，因为此时水星在地平线上的高度通常比其他季节更高；在日落后的四分之三小时左右，即黄昏时分，便可以观测到这颗美丽而娇弱的行星。

对于那些拥有赤道望远镜的天文学家来说，这样的指导并非必需。若想通过望远镜观测水星，只需查阅航海历表，确定行星的位置。如果它正好位于地平线之上，就可以立即将望远镜对准该位置，即便在白天也常常能够看到它。不过，通过望远镜观测水星的效果并不理想——尽管它的大小远超过月亮，但由于距离太远，看起来仍然很小。不过，观测水星时有一个特点会立刻吸引人的注意：水星通常并非圆形，而是呈新月形，就像一颗微型月亮。水星的相位变化也与月亮的相位变化遵循相同的原理。水星和地球一样，是由本身不会发光的物质构成的球体。行星的某一半球必然朝向太阳，因此这一面会被太阳光照亮。当我们观测水星时，看不到未被照亮的那一面，而看到的新月形轮廓则是由于我们看到的视角被压缩所致。

被照亮的部分。水星是个极其微小的天体，因此在肉眼观测时，无法分辨出其发光体的形状。实际上，即便是金星那样体积较大的行星，也需要借助望远镜才能观察到它的特征形态。至于水星，虽然它呈新月形，并且会随着与地球和太阳相对位置的变化而呈现不同的相位，但我们仍然很难看清它的表面细节——它实在太小太亮了，无法轻易辨认出表面的特征。当然，人们已经尝试过观测水星表面那些极为微弱、模糊不清的痕迹，并有相关记录，但这类说法必须持极为谨慎的态度对待。

图41——水星的运动，显示了其相位及视大小的变化。

关于水星，我们已经确定的事实主要是与其绕太阳运行轨道相关的数值数据。水星完成一次公转所需的时间约为88天，它与太阳的平均距离约为36,000,000英里，其运动平均速度则超过每秒29英里。我们之前已经提到过水星轨道最显著的特点：与其他所有大型行星的轨道相比，水星的轨道半径要大得多。

偏离了圆形形态。在大多数情况下，行星的轨道椭圆度极小，因此即使按比例精确绘制出轨道图，除非进行仔细测量，否则也看不出其与圆形有何不同。而水星的情况则有所不同——最普通的观察者也能清楚地看出其轨道的椭圆形特征。水星到太阳的距离在相当大的范围内波动：最小值约为30,000,000英里，最大值约为43,000,000英里。根据开普勒第二定律，行星的速度也会随之发生变化：在靠近太阳的轨道上，行星运动速度很快；而在远离太阳的轨道上，运动速度则较慢。行星的最大速度约为每秒35英里，最小速度则为每秒23英里。

要想准确理解水星的运动，我们就不能将速度与其运动所依赖的天体实际尺寸分开来看。毫无疑问，每秒29英里的速度相比我们日常生活中所接触到的速度来说已经极为惊人了。这颗行星的速度至少是步枪子弹速度的百倍之多。不过，当我们比较这些天体的大小时……

考虑到它们的速度，水星的速度似乎远远低于子弹的速度。一支步枪子弹每秒可以穿过数千倍于其自身直径的距离。然而，尽管水星的运动速度更快，但由于它的体积巨大，它需要两分钟的时间才能移动相当于其直径的距离。从整个行星的角度来看，它的运动速度其实只是与其体积相称的、缓慢而稳重的行进速度而已。

由于我们几乎无法了解水星的真实表面状况，因此根本不可能判断该行星表面是否存在生命。不过，我们可以合理地推断：水星上不可能存在与我们地球上所知的生命形式相似的生命。太阳的热量和光线照射在水星上的强度，是我们在这里所经历的强度的数倍之多。即便当水星处于离太阳最远的距离时，太阳辐射的强度仍然比地球所承受的最大热量高出四倍以上。而当水星在其轨道上移动到距离太阳最近的位置时，它将面临极其强烈的热辐射——此时太阳的热量强度至少是我们所承受的最大辐射强度的九倍。

这种剧烈的气候变化发生的频率，远远快于地球上的季节更替。在水星上，仲夏与仲冬之间的时间间隔仅为44天，而一整年也只有88天。如此快速的太阳热量变化必然会对水星的宜居性产生深远影响。莱杰先生在他那本有趣的著作中指出：如果水星上真有居民的话，那么“近日点”和“远日点”这些通常被认为含义复杂难懂的概念，在水星表面上应该是人人皆知的。这两个词的意思分别是“靠近太阳”和“远离太阳”；但我们不会将这些表述与任何明显的现象联系起来，因为地球与太阳之间的距离变化其实微乎其微。但在水星上，情况则完全不同。

在六周的时间里，太阳的视直径会增加到原来的两倍多，同时发出的光和热也会增加两倍以上。像近日点与远日点这样的变化，显然与整个行星系统的运行机制有着密切的联系。

然而，仅仅根据太阳与地球的距离来推断气候状况是过于草率的。气候还受其他因素的影响。地球周围的大气层对温度有着重要影响；如果水星真如人们所推测的那样拥有大气层，那么其气候状况也可能因此而发生相应的变化。不过，似乎很难想象有什么大气层能够有效保护水星上的生物免受太阳辐射的剧烈波动影响。我们只能说，水星上是否存在生命这一问题仍属于尚未解决、或许永远无法解决的谜团之中。

1629年，开普勒宣布了即将发生的天文现象。他长期研究行星的运动规律，并通过分析过去的数据试图预测未来。他宣称，1631年时，金星和水星都将经过太阳表面，他分别给出了水星在11月7日、金星在12月6日经过太阳的具体日期。这在当时无疑是一个极为惊人的预言。由于我们现在已经习惯于查阅历书来了解一年中即将发生的所有天文现象，很容易忘记在早期这是根本不可能做到的。天文学是经过长期发展才变得如此完善，从而让我们能够准确预测那些较为复杂的天文现象。开普勒在这些现象发生前几年就做出了准确预测，这一成就在当时确实被视为非凡的壮举。

著名的伽桑狄决定用实际观测来验证开普勒的预言。如今，我们可以将行星过日的时间精确到几分钟之内，但在当时，人们还无法做到这一点。

要达到精确度实属不可行。伽桑狄认为，有必要在开普勒所预测的时间之前两整天就开始观测水星凌日现象，为此他还设计出了一个巧妙的观测方案。阳光通过百叶窗上的小孔进入昏暗的房间，再通过透镜在白色屏幕上形成太阳的影像。这确实是一种极为出色的研究太阳表面方法；即便在今天，我们使用最先进的望远镜进行观测时，依然有方法是基于相同原理来观察太阳的。

伽桑狄从11月5日开始进行观测，一有机会就仔细研究太阳的影像。然而，直到开普勒所预测的时间过后五小时，水星凌日才真正开始。伽桑狄已竭尽所能做好各项准备，但与现代天文台的设备相比，这些准备仍显不够完善。他急于记录下行星出现的时间，为此他在下层的房间里安排了一名助手，负责在伽桑狄指定的时刻测定太阳的高度。向助手传递信号的装置则相当原始——当关键时刻到来时，伽桑狄只需在地板上踩踏即可。尽管出现了长时间的延迟，让助手忍无可忍，但他们还是获得了一些宝贵的观测数据，从而首次观测到了行星凌日现象。

水星凌日并非罕见现象（19世纪期间共发生了13次），其重要性主要在于，通过对这类现象的精准观测，我们可以更准确地计算出水星的运动规律。人们常常希望利用水星凌日的机会来了解水星本身的物理特性，但这些期望至今仍未实现。

对水星的光谱观测数据极为有限。这些观测结果似乎表明，水蒸气很可能是水星大气中的成分，就如同在我们地球上的情况一样。

几年前，一位著名的意大利天文学家——斯基亚帕雷利教授宣布了一项关于水星自转的惊人发现。他发现，水星绕自身轴心旋转的周期与它绕太阳公转的周期相同。由于这两个周期相等，因此水星始终以同一面朝向太阳。如果地球也以类似方式旋转，那么面向太阳的半球将永远处于白昼状态，而另一半球则将陷入永恒的黑暗之中。根据这一发现，水星绕太阳公转的方式与月亮绕地球公转的方式相似。由于水星轨道呈高度椭圆形，其绕太阳运行的速度变化很大，而其绕自身轴心的旋转速度则保持恒定，因此在一个水星年之内，会有超过一半的表面积（约五分之八）能够接收到太阳的光线。

斯基亚帕雷利的这一重要发现最近得到了美国亚利桑那州的另一位天文学家洛厄尔先生的证实。他在极其有利的观测条件下，使用口径为24英寸的折射望远镜对水星进行了观测。他在水星表面发现了某些狭窄的暗线，这些暗线的移动速度极慢，这表明水星绕自身轴心旋转的周期与它绕太阳公转的周期完全一致。这位观测者还指出，水星的旋转轴垂直于其轨道平面。洛厄尔先生没有发现任何云层或遮蔽物，也没有任何大气存在的迹象；水星的表面是无色的，简直就是一幅“黑白地图”。

可以说，斯基亚帕雷利的发现很有可能是真实的。作为没有卫星的行星之一，水星仅受太阳的影响，而潮汐现象则完全由太阳所引发。

水星也受到这些潮汐力的影响。此外，由于水星距离太阳很近，其上的太阳潮汐力尤为强烈。由于潮汐力的作用使得水星始终以同一面朝向太阳，因此我们有理由相信，潮汐力确实产生了我们所预期的效果。

至此，我们便要告别这颗有趣而美丽的行星了——它激发了我们的求知欲，却又让我们难以更深入地了解它。不过，在结束之前还有一个小知识点需要提及。虽然很难，但并非不可能通过天平来测量水星的质量，并将其与我们太阳系中的其他行星的质量进行比较。这是一项复杂的任务，但它能引领我们走上一些最有趣的天文发现之路。根据冯·阿斯滕的最新测定，水星的质量约为地球质量的二十四分之一，不过这一数值的精确度仍不如其他较大行星的质量测定结果。

第八章 金星
这颗行星的独特之处——其出现的不可预测性——昏星——在白天的可见性——仅由太阳照亮——金星的相位——为何用肉眼无法看到新月形——金星视直径的变化——金星的自转——金星与地球的相似之处——金星凌日现象——为何如此引人关注——太阳系的规模——地球与金星的轨道不在同一平面上——成对出现的凌日现象——金星凌日时的样子——1874年和1882年的凌日现象——1631年和1639年的早期凌日现象——霍罗克斯与克拉布特里的观测成果——哈雷的预言——金星的运行轨迹在不同地点有何差异——视差现象的说明——前往奥塔希特的航行——恩克的观测结果——太阳距离的估算值——在邓辛克对最近一次金星凌日的观测——金星是否存在大气层的问题——其他关于太阳距离的测定方法——关于金星的统计数据。

或许，从描述金星开始来介绍行星系统并非不合适。金星在大小上并无特别之处，因为还有其他体积大数百倍的行星。金星的轨道无疑比水星的大，但仍然远小于外行星的轨道。金星甚至没有那些为太阳系中的巨型行星增添庄严与魅力的卫星群。然而，金星在所有行星中依然是无与伦比的。我们这里所说的并非只有通过望远镜才能看到的天体，而是指在望远镜发明之前就已经能够被观测到的金星。

有谁不会为这颗美丽的天体而欣喜呢？它并非随时都能被看到——有数月的时间里，这颗昏星会隐藏在人们的视线之外。而它出现的随机性与不确定性反而更凸显了它的美丽。不过，对于那些经常查阅天文历表的人来说，金星的运行其实并非毫无规律可循。这颗美丽行星的运行轨迹是有规律的。

描述得极为详尽，与人们通常所认为的爱的女神的形象实在不相称。但对于那些不特别关注星辰的人来说，它出现的意外性恰恰是其最大的魅力所在。数月来，金星一直未被人们注意到，也没有人想起过它。那是一个极其美好的夜晚，太阳刚刚落山。像所有热爱大自然的人一样，这位自然爱好者也转过身去欣赏日落。在西方那金色的光辉中，有一颗美丽的宝石在闪烁——那就是晚星，也就是金星。几周后，又出现了一次美丽的日落，此时金星已不再位于西方天际的低处，而是升到了地平线之上，即使在夜幕降临之后依然闪耀着明亮的光芒。再过一段时间，金星便达到了最耀眼的状态。所有的天体——甚至是天狼星和木星——在金星那无与伦比的光辉面前都显得黯然失色，因为它无疑是苍穹之中无可匹敌的女王。

经过数周的辉煌之后，金星在日落时的高度逐渐降低，其亮度也慢慢减弱。最终它消失不见，被绝大多数人遗忘；但实际上，这位变幻莫测的女神只是从天空的一边移动到了另一边而已。在太阳升起之前，东方会出现晨星。它的亮度逐渐增强，最终可与晚星的美貌相媲美。随后，金星又会再次靠近太阳，从而在数月间无法被观测到，直到一年七个月后，同样的循环才会重新开始。

当金星最为明亮时，即使在白天用肉眼也能轻易看到它。这一惊人的景象清楚地表明，与其他行星及恒星相比，金星确实拥有无与伦比的卓越光芒。事实上，在这个时候，金星的亮度是北方天空中任何恒星的40到60倍。

那美丽的晚星往往非常显眼，以至于一开始人们可能会觉得它并非自身发光的物体。然而，毫无疑问，金星其实只是一个黑暗的球体，这一点与我们地球颇为相似。金星的亮度并非如此之高……

这一亮度远远超过阳光明媚时的地球亮度。金星的光辉完全来自太阳光的反射，其原理与月亮的情况类似。

用肉眼无法分辨出金星特有的新月形轮廓，因为肉眼只能看到一个过于微小、无法形成清晰形状的亮点。这可以从生理学角度来解释：眼睛中的光学结构会在视网膜上形成金星的影像，而该影像的尺寸必然非常小。即便金星处于离地球最近的距离时，它的直径所对应的角大小也不过是一弧分左右。因此，在视网膜上形成的金星影像直径约为千分之六英寸。尽管视网膜的分辨率很高，但仍然不足以让人识别如此微小的影像的形状。作为视觉来源的神经结构，其精度也远远不够，无法捕捉到如此细微的图像细节。正因如此，用肉眼看到的金星仅仅是一个亮点而已。普通视力无法判断它的形状，更无法领略其新月形的真正美妙之处。

如果金星的直径是现在的几倍，比如和木星或其他大型行星一样大，那么用肉眼就能轻易看出它的新月形轮廓了。有趣的是，我们可以想象一下：如果金星的大小只有木星那么大，天文学的发展将会如何。如果每个人都能不用望远镜就看到金星的新月形，那么“金星是一颗围绕太阳运行的暗色天体”这一事实就会成为显而易见的真理。金星与地球之间的相似性也会立刻被人们察觉；而那些需要哥白尼在近代才发现的理论，或许早就随着古代东方国家的其他发现一起流传下来了。

图43. 金星，1889年5月29日。
迄今为止所获得的关于金星的最为完美的图像，当属E.E.巴纳德教授在1889年5月29日使用12英寸口径的赤道望远镜在利克天文台拍摄的那一幅（见图43）。巴纳德教授认为，对于此次观测而言，12英寸望远镜的效果优于36英寸望远镜。图中所示的那些痕迹显然确实存在于金星表面上。1897年，巴纳德教授写道：“我永远也忘不了拍摄这张图像时的那些条件，因为此后我再也没能获得如此理想的观测金星的条件。”

在图44中，我们展示了金星在不同相位下的三种形态。当看到金星呈新月形时，它距离地球非常近，因此看起来似乎属于一个比金星接近满月时所构成的圆更大的圆的一部分。这张图以真实的相对比例展示了金星球体的不同形态。要清晰地辨认出这些特征实在是非常困难。

在明亮照亮的金星表面，有时可以看到一些斑点或其他特征，偶尔，其角部的形状也会不规则，这似乎表明金星的表面并非光滑的。有些观测者报告称在金星的极地看到了白色斑点，这些斑点在某种程度上与火星上那些更为明显的类似特征相似。

由于很难观察到金星表面的任何标记，我们几乎还无法给出关于这颗行星自转周期这一重要问题的确切答案。在过去两百年里，许多观测者根据极其有限的数据推断，金星的自转周期约为23小时。1877年，米兰的斯基亚帕雷利开始关注这颗行星，他注意到在月牙形区域的南端附近有一个暗色区域以及两个亮斑。这位极为细致的天文学家对这些标记进行了为期三个月的观测，发现它们的位置没有任何变化，即便连续数小时进行观测也是如此。这一事实似乎明确表明，金星的不可能以23小时或更短的周期自转。一周又一周过去，那些斑点依然没有变化，最终斯基亚帕雷利确信，只有将金星的自转周期设定为……才能解释他的观测结果。

金星的自转周期在6到9个月之间。他由此推断出这一周期为225天——也就是说，这就是金星绕太阳公转一周所需的时间；换言之，金星始终以同一面朝向太阳。

这一惊人的结果在尼斯的观测中得到了验证；但也有不少观测者对此提出质疑，他们认为自己的观测结果只能说明金星的自转周期与地球的自转周期相近。不过，洛厄尔先生的信件为斯基亚帕雷利的结论提供了有力支持。他利用自己24英寸口径的折射望远镜拍摄了许多金星的图像，发现金星的自转周期与其公转周期相同，且其自转轴垂直于轨道平面。洛厄尔先生所看到的那些条纹状痕迹在天气条件良好的时候总是清晰可见。

我们已经知道，月球会以这样的方式自转，使其始终以同一面朝向地球。现在我们又了解到，金星和水星也都以同样的方式自转，从而始终以同一面朝向太阳。所有这些现象在高等天文学研究中都具有极其重要的意义。它们并非偶然现象，而是由潮汐作用所导致的，具体机制将在后面的章节中解释。

事实上，地球和金星的体积几乎相等，两者之间的差异几乎难以察觉，不过地球的直径比金星大几英里。有迹象表明金星周围存在大气层，而光谱分析的结果也显示那里有水蒸气存在。

如果金星的大气层中含有氧气，那么那里就有可能存在生命，而且这种生命的形态很可能与地球上的某些生物类似。毫无疑问，金星上的太阳辐射强度远远超过我们所熟悉的地球上的太阳辐射强度。

但这并非无法克服的困难。在地球上，我们可以看到极热地区和极寒地区的生物。事实上，越接近赤道，生物就越繁盛；因此，如果金星表面存在水，且其大气中包含氧气，那么我们或许可以预期在那颗行星上会发现茂盛的热带生物，这些生物在某些方面或许与地球上的生物相似。

在描述水星以及假设中的火星时，我们不得不提及行星经过太阳表面时所呈现的现象。这类现象总是令天文学家感兴趣，尤其是金星的情况。近年来，我们有幸目睹了两次这样的罕见现象。可以说，1874年和1882年的金星凌日所受到的关注程度是前所未有的。

金星凌日并不算是一种特别壮观或美丽的景象，远不如大型彗星或流星雨那样令人惊叹。那么，为何它仍被认为具有如此重要的科学价值呢？因为这一现象有助于我们解决人类历史上最棘手的难题之一。通过金星凌日，我们可以确定太阳系的规模结构。这确实是一个极为重要的问题。让我们稍作探讨。在我们的太阳系中心，是太阳——一个比地球大上一百万倍的巨大球体。围绕太阳运转的是各种行星，而地球只是其中之一。此外还有数百颗小行星，其中有一些与地球大小相当，也有些远远超过地球的大小。除了行星之外，太阳系中还有其他天体。许多行星都有卫星系统，可能有成百上千颗彗星。所有这些天体都在特定的轨道上绕太阳运行，共同构成了太阳系。

了解这个星系的比例相对容易，我们可以测量行星与太阳之间的相对距离，甚至还能知道行星本身的相对大小。然而，当我们要确定该星系的实际大小及其形状时，就会遇到一些特殊的困难。而金星凌日现象正好为我们提供了一种解决这一问题的方法。

例如，看看一张普通的欧洲地图。我们能够清晰地看到各个国家的位置，也能知道河流的走向；我们可以判断法国的面积大于英格兰，俄罗斯的面积又大于法国。但无论这张地图制作得多么精确，要想完全了解这些国家的规模，还必须有别的信息——那就是地图的比例尺。地图上会有一条带有标记的参考线，它的作用就是指示地图的比例尺，即地图上的1英寸对应实际地面上的多少英里。如果没有比例尺，这张地图在很多方面都将毫无用处。假设我们想通过它来选择从伦敦到维也纳的路线，虽然可以立刻知道行进方向以及需要经过的城镇和国家，但如果不查看角落里的比例尺，就无从得知这段路程到底有多长。

太阳系的地图也可以很容易地绘制出来。我们可以在上面标出一些行星及其卫星的轨道，还可以画上许多彗星。我们也可以为行星和它们的轨道设定恰当的比例。但要让这张地图真正有用，还需要更多信息——那就是比例尺，它能告诉我们地图上的1英寸对应天体上的多少百万英里。正是在这里我们遇到了困难。不过，虽然方法有很多，但都相当复杂且费力。其中最著名的方法（尽管远非最佳）就是利用金星凌日现象来确定的。由此可见，这一罕见天文事件的重要性——它正是确定我们所在星系实际比例尺的最佳方法之一。请充分认识到这个问题的重要性：一旦掌握了比例尺……

一旦这些数值被确定下来，一切就都清楚了。我们知道太阳的大小，也知道它与地球的距离；我们知道木星的质量以及其卫星的运行轨道距离；我们知道彗星的尺寸以及它们在运行过程中远离地球的距离；我们还知道流星的速度。由此我们也能明白一个重要的事实：地球只不过是太阳系中较为微不足道的成员之一罢了。

由于金星的轨道位于地球轨道之内，且它的运动速度比地球快，因此地球经常会经过金星附近。而在某些关键时刻，地球、金星和太阳会恰好处于同一直线上。这时我们就能在太阳表面看到金星，这就是所谓的金星凌日现象。显然，如果这三个天体真的处于一条直线上，那么地球上的观察者看向金星时，就会看到它在明亮的太阳背景衬托下显得格外清晰。

考虑到地球每19个月就会被金星追上一次，人们可能会认为金星凌日应该也会以相同的频率出现。但实际上并非如此——金星凌日是一种极为罕见的现象，往往需要100年甚至更长时间才会发生一次。这种现象之所以罕见，是因为金星的轨道平面与地球轨道平面存在倾斜角度：在轨道的一半时间内，金星位于地球轨道平面的上方，另一半时间内则位于下方。因此，当金星追上地球时，从地球到金星的连线通常会穿过太阳的上方或下方。不过，如果金星在轨道平面与地球轨道平面相交的点上或附近追上地球，那么这三个天体就会处于同一直线上，从而出现金星凌日现象。如此一来，金星凌日为何如此罕见也就不再是个谜了。地球每年12月都会经过其中一个临界点，6月则会经过另一个临界点。只有当金星与地球的合相发生在6月6日或12月7日这一天或附近时，才会出现金星凌日现象，其他情况下则不会。

与这一现象的重复出现相关的最显著的规律，就是众所周知的八年周期。金星凌日现象可以被分为若干对，每对中的两次凌日之间相隔八年时间。例如，金星凌日分别发生在1761年和1769年；此后直到1874年和1882年才再次出现金星凌日。之后又是一段漫长的间隔期，因为下一次金星凌日要等到2004年，而2012年还会有一次金星凌日。

这种成对出现的规律其实有一个非常简单的解释：金星的公转周期与地球的公转周期之间存在某种特殊的关联。金星绕太阳公转13圈所需的时间，几乎与地球绕太阳公转8圈所需的时间相同。因此，如果1874年时金星和地球处于与太阳同一直线的位置，那么8年后地球会再次处于同一位置，金星也是如此，因为它刚好完成了13圈公转。既然第一次有金星凌日发生，那么第二次也必然会有金星凌日发生。

不过，并非每隔八年行星就会精确地回到相同的位置，从而形成规律性的八年周期。实际上，金星公转13圈与地球公转8圈只是近似相等而已。每次行星再次处于同一直线位置时，它们的具体位置都会略有不同。所以当1890年两颗行星再次重合时，它们的连线点距离临界点相当远，以至于从地球到金星的直线并未穿过太阳，因此尽管金星非常接近太阳，却并没有发生凌日现象。

图45展示的是1874年的金星凌日景象。这张照片是由詹森先生在凌日发生时拍摄的。在凌日发生的那些关键时刻，他将望远镜对准了太阳，于是望远镜中的感光板上便留下了太阳的影像。较亮的圆圈代表太阳的圆盘。

在圆盘中，我们可以看到金星的圆形、清晰的影像，这展现了金星在凌日过程中的外观特征。图45——1874年金星凌日时的景象——中值得注意的其他特征是一些太阳黑子，它们的亮度较低；此外还有在望远镜视野范围内的玻璃板上标出的线条网络，这些线条有助于进行测量。

旁边的示意图（图46）展示了金星在1874年和1882年两次凌日时穿越太阳的轨迹。我们这一代人有幸目睹了图中所示的这两次凌日现象。白色圆圈代表太阳的圆盘；金星逐渐侵入这个白色表面，起初看起来就像是从太阳边缘被咬掉了一块。随后，黑色斑点逐渐遮住太阳，大约半小时后，整个黑色圆盘便完全显现出来。慢慢地……

金星缓缓移动着，随后，来自全球各个能够观测到这一现象的地方的数百台望远镜也纷纷将目光投向它。几个小时后，金星终于从另一侧出现。

回顾一下有历史记载的那些金星凌日现象会很有帮助。这样的现象其实并不多。自人类出现在地球上以来，虽然已经发生了数百次这样的现象，但直到1631年左右，人们才开始关注这一现象。不过，那一年确实发生了金星凌日，但却没有人注意到。正如我们在上一章中所提到的，伽桑狄成功观测到了水星凌日，这让他希望自己也能有幸观测到开普勒所预言的金星凌日。他在12月4日、5日和6日观察了太阳，7日又再次观察，但却没有看到金星的踪迹。我们现在知道原因了：金星凌日发生在6日和7日之间的夜晚，因此欧洲的观测者自然无法看到它。

开普勒并没有意识到1639年还会有一次金星凌日。这一发现是由另一位天文学家做出的，可以说，正是从那时起，关于金星凌日的历史才真正开始。那是人类第一次真正目睹这一现象，而且当时也只有少数人看到了它。据已知，只有两个人目睹了这一现象。

一位名叫霍罗克斯的年轻而热心的英国天文学家，曾经对金星的运动进行过一些计算。他发现金星凌日会在1639年再次出现，于是准备去验证这一事实。那天是星期天，早晨太阳明亮地升起。作为神职人员，霍罗克斯的职责与他作为天文学家的愿望发生了冲突。他告诉我们，九点钟时他因为有非常重要的事情要处理而被叫走了——显然指的是他的公务；不过这些事务很快就处理完了，十点刚过，他又继续观测，却发现太阳表面没有任何异常现象。

太阳上有一个暗点，但那绝不是行星。中午时分，他的观测工作被中断了——他去了教堂，但一点钟左右就回来了。这些并非他进行观测时遇到的唯一障碍。一天中的某些时段，太阳也被云层遮盖着。不过，在下午三点一刻左右，他的文书工作结束了，云层散去，他便再次开始观测。令他极为欣喜的是，他在太阳上看到了一个圆形的暗点，立刻判断那便是金星。不过，这样的观测时间并不长，因为当时正值深冬，太阳很快就会落山。他只有半小时的时间，但由于他事先做了极其周密的准备，这短暂的時間已足以让他获得一些有价值的测量数据。

霍罗克斯此前就已经将这一即将发生的天文现象告知了他的朋友威廉·克拉布特里。因此克拉布特里也一直在密切关注，最终成功观测到了这次凌日现象。关于克拉布特里这次著名观测的生动画面，可见于镇议会大厅里的精美壁画之中。

曼彻斯特。不过，霍罗克斯并未将这一消息告知其他人；正如他所说：“请原谅我未将这一即将发生的现象告诉其他朋友，因为他们中的大多数人并不关心这类琐事，宁愿去养鹰或猎犬——更糟糕的是，他们根本不感兴趣。虽然英格兰也有一些天文爱好者，而且我与其中一些人相识，但由于我自己对此知之甚少，因此也无法将这一好消息传达给他们。”

直到很久以后，人们才真正意识到金星凌日的重要性。近一个世纪过去了，伟大的天文学家哈雷（1656–1742）才开始关注这一现象。下一次金星凌日将在1761年发生，而在那之前45年，哈雷就阐述了他通过金星凌日来测定太阳距离的著名方法。[15]当时他已经60岁了，不可能指望自己能活到亲眼目睹这一现象的时刻；但他仍用高尚的语言呼吁学者们关注这一问题，并这样对伦敦皇家学会说道：“我现在希望向这个必将长久存在的杰出学会提出这个建议，以便我能提前为那些或许有幸亲眼观测到这些现象的年轻天文学家们说明一种能够准确测定太阳巨大距离的方法……因此，我再次恳请那些在我去世后仍有机会观测到这些现象的天文爱好者们牢记我的告诫，全力以赴地进行观测。我衷心祝愿他们取得一切可能的成功——首先，希望他们不会因为阴云密布而错失这一难得的景象；其次，一旦他们能更精确地确定行星轨道的大小，那必将为他们带来不朽的声誉与荣耀。”哈雷确实活到了高龄，但在金星凌日发生前19年便去世了。

那些想要了解金星凌日如何帮助我们测定太阳距离的天文学研究者，必须准备好面对一个相当复杂的几何问题。我们无法就此主题提供过于详细的解释。

要给出完整的解释是必要的。我们所能做的，只是对这一方法进行简要说明，让读者明白：金星凌日现象确实包含了解决该问题所需的所有要素。

首先，我们必须清楚地解释一下天文学家所称的“视差”概念；因为正是通过视差才能确定太阳的距离，实际上，任何其他天体的距离也是通过视差来测量的。让我们用一个简单的例子来说明。站在窗户附近，从那里可以观察到建筑物、树木、云朵或任何远处的物体。在玻璃上方的中间位置竖放一条细纸条。闭上右眼，用左眼观察这条纸条相对于背景中物体的位置。然后保持同一姿势，闭上左眼，再用右眼观察纸条的位置。你会发现，纸条在背景中的位置发生了变化。当我坐在书房里望向窗外时，用右眼可以看到纸条位于几百码外某棵树的一根枝条前方；而用左眼看时，纸条已不在那根枝条前方，而是移动到了靠近树轮廓的位置。这种纸条相对于远处背景的表观位移，就是所谓的视差。

如果再靠近窗户重复观察，会发现纸条的表观位移会增大；远离窗户则位移会减小。如果走到房间的另一侧，位移虽然仍然存在，但会小得多。由此可见，无论用右眼还是左眼观察，纸条的表观位置变化程度都会随着距离的变化而变化；不过这种变化与距离的变化方向相反——距离越大，表观位移越小。因此，我们可以为每个特定的距离对应一个特定的位移值。由此不难推断：如果我们能够测量出位移的大小，那么也就能够计算出观察者到窗户的距离了。

正是这一原理被大规模应用，才使我们能够测量天体的距离。以金星为例：将这张纸视为金星运行的轨道，而金星凌日时所对应的太阳则作为背景。我们不再使用观察者的双眼，而是在地球上的不同地点建立两个天文台——从一个天文台观测金星，再从另一个天文台观测它，通过测量两者之间的位移量，进而计算出金星的距离。因此，一切都取决于我们用来测量从这两个不同地点观测到的金星位移的方法。实现这一目标有多种方式，其中最简单的方法就是哈雷最初提出的那一种。

在相邻的图示（图47）中，从a点所在的天文台看，金星似乎沿着两条轨道中的上轨运行；而从b点所在的天文台看，则是沿着下轨运行。我们需要测量这两条轨道之间的距离。这可以通过几种方法来实现。假设a点的观察者记录下了金星穿过太阳圆面所需的时间，同时在b点也进行类似的观测。由于从b点看到的轨道更长，因此b点记录的时间必然会比a点的时间更长。通过比较来自不同半球的观测数据，就可以计算出轨道的长度。一旦知道了轨道长度，就能确定金星在太阳圆面上的位置，从而得出金星凌日时的位移量。如此便可以测量出金星的距离，进而了解太阳系的规模。

哈雷那些著名的研究中所涉及的两次金星凌日分别发生在1761年和1769年。尽管那些负责观测的人付出了巨大努力，但第一次观测的结果并不理想。1769年的那次凌日尤其重要，因为它不仅有助于确定太阳的距离，还促成了库克船长的首次著名航行。库克船长正是为了观测金星凌日而被派往奥塔希特岛，在那里，6月3日，在那宜人的气候条件下，他目睹了这一奇观。

这些数据由不同的观测者进行仔细的观测与测量。与此同时，欧洲及其他地区也有了相应的观测结果。通过整合所有这些观测数据，人们得以大致了解太阳的距离。不过，对这些观测结果的全面分析直到后来才得以进行。直到1824年，著名的恩克才计算出了太阳的距离，并给出了95,000,000英里这一精确数值。多年来，这一数值一直被广泛采用；许多现役人士还记得在学生时代所学到的——太阳距离地球95,000,000英里。最终，人们开始对这一结果的准确性产生怀疑。这些疑虑来自不同地方，其重要程度也各不相同；但它们都指向同一个方向，即太阳的实际距离并不像恩克所算出的那么大。需要记住的是，其实有几种方法可以用来测定太阳的距离。

日后，我们有责任提及一些其他方法。经研究可知，恩克在1761年和1769年使用远不如现代仪器精良的设备进行观测后所得出的数值偏大，因此现在太阳的距离大概为92,000,000英里。

我愿意记录下我们亲眼目睹上一次金星凌日时的经历——1882年12月6日下午，我们有幸在邓辛克天文台观测到了这一天文现象。

那个重要日子的早晨，天气状况实在糟糕至极，根本不适合进行这样的天文观测。地面上已经积了几英寸厚的雪，而且整个上午都在持续下雪。从那座天文台里观测到这一现象似乎几乎是不可能的；但在这种情况下，应当牢记那次著名日食观测任务中给观测者们提出的建议：无论天气如何，他们都必须像在阳光明媚的日子里那样做好一切准备工作。毫无疑问，许多观测者都因遵循这一建议而受益，而我们也照此行事，最终取得了相当不错的成果。

当时，该天文台有两台赤道仪，其中一台是较旧但性能尚可的仪器，口径约为6英寸；另一台则是之前提到过的那台口径为12英寸的大型南向赤道仪。11点钟时，天气比以往更加恶劣，但我们立刻开始做各项准备。我让兰博先生负责操作那台小型赤道仪，而我则负责操作那台大型南向赤道仪。当天文台的圆顶被打开时，雪仍在下着；但按照我们事先制定的计划，望远镜并非直接对准太阳，而是指向我们知道太阳所在的位置，同时启动了机械装置，使望远镜始终指向那颗看不见的太阳。预计的凌日时间尚未到来。

南赤道仪上所使用的目镜也需要简单说明一下。显然，要想让眼睛能够直接观察太阳，就必须大幅减弱太阳的强光。太阳光照射在以一定角度倾斜的透明玻璃上，太阳的大部分热量以及部分光线会穿过玻璃而散失掉。不过，仍有一部分光线会被玻璃反射出来并进入目镜。这些光线的强度已经大大降低，但通过一种巧妙的装置，其强度还可以进一步降低。用于反射光线的玻璃是在所谓的偏振角度下工作的，而在目镜与眼睛之间还有一块电气石板。观测者可以转动这块电气石板：在某个位置时，它几乎不会对偏振光产生任何影响；而在与之成直角的位置时，则几乎能完全阻挡偏振光。通过调整电气石板的位置，观测者可以将图像的亮度调整到合适的程度，从而在适当的照明条件下进行太阳观测。

不过这次，这样的装置似乎毫无用处。电气石板已经准备就绪，但直到一点钟之前都看不到太阳的踪迹。一点多之后，我们发现天色开始变亮；看向风雪袭来的北方，我们欣喜地看到云层正在散去。最终，南方的天空也渐渐放晴，就在关键时刻临近之际，我们终于能看到太阳出现的方位。然而预定的时刻到了，太阳依然没有从云层中显现出来，尽管越来越有迹象表明它很快就会出现。因此，这次外部接触未能实现。我们试图安慰自己，认为这毕竟不是非常重要的环节，希望内部接触能够成功。

终于，那些艰难穿透云层的阳光出现了，我在寻星镜中看到了太阳那圆形而明亮的圆盘，便急切地望向那个方向。

人们的注意力都集中在那里。距离预定的首次接触时刻已经过去了几分钟，令我高兴的是，我看到了太阳边缘的那个小缺口，这说明凌日已经开始，此时行星已经进入了太阳的三分之一处。不过，最关键的时刻尚未到来。“首次内部接触”指的是行星完全进入太阳内部的那一刻。这次首次接触的时间比之前提到的外部接触要晚21分钟。然而，云层再次打破了我们看到内部接触的希望。当我持续注视着行星逐渐靠近太阳的美丽景象时，我发现在我与太阳之间还有其他物体——那些雪花又开始纷纷飘落了。必须承认，这一景象实在美极了。以太阳为背景的雪暴所产生的望远镜效应是我从未见过的。它让我想起了在烟花表演时从空中火箭上掉落的金色雨滴；我真希望不必看到这一幕，因为随之而来的是太阳和金星再次从视野中消失。云层越聚越多，雪暴依旧猛烈地肆虐，我们几乎不敢再抱有任何希望。1小时57分钟过去了，首次内部接触结束了，金星已经完全进入了太阳内部。我们只能看到短暂的景象，还无法进行任何有用的测量或其他观测。尽管如此，能够看到金星凌日的哪怕一小部分，也是值得终生铭记的景象，即便只有这么一点点的成功，也让我们欣喜若狂。

不过，更好的事情还在后面。我的助手过来报告说，他也成功看到了与我所看到的相同相位的金星。我们俩都回到了各自的观测位置，两点半左右，云层开始散去，能够看到太阳的希望也增加了。此时已经不再适合进行接触观测了。此时金星已经深入太阳内部，于是我们准备使用安装在目镜上的微米计来进行观测。最终，云层彻底散去了。

这一次，金星完全进入了太阳内部，从金星边缘到太阳边缘的距离约为金星直径的两倍。我们测量了金星内边缘与太阳最靠近的边缘之间的距离。这些观测尽可能频繁地被重复进行，但必须指出的是，这样的观测极其困难。此时太阳已经处于很低的位置，太阳与金星的边缘并不稳定，无法用于精确测量。太阳的边缘不断波动，而金星虽然有时呈圆形，但往往会被严重扭曲，从而导致测量结果极不准确。

我们总共获得了16组测量数据；但由于太阳越来越低，云层又开始干扰观测，我们不得不将继续观测的任务交给那些生活在更适宜条件下的数千名天文学家去完成。不过，在这一现象消失之前，我还是抽出了几分钟时间，利用寻星镜的大视野来观察这次日食的景象。此时太阳已经开始呈现出日落的红色色调，在其表面深处，可以看到金星那清晰、圆润的黑色圆盘。看到这幅景象，就不难理解霍罗克斯在1639年首次目睹这一奇观时所感受到的极大喜悦了。当我们看着这幅美丽的画面时，就会想到这一现象本身的趣味性、它的稀有性、预言的实现，以及金星凌日帮助我们解决的那些重要问题——直到公元2004年6月花朵再次绽放之前，这样的景象都不会再出现。

金星凌日还为我们提供了研究金星物理性质的机会，这里可以简要介绍目前已获得的研究成果。首先，金星凌日有助于解答金星是否拥有卫星的问题。如果金星周围有某个小型天体与其近距离相伴，那么在通常情况下，金星自身的亮度很可能会掩盖来自那个微小伴星的那微弱光线。

因此，这颗卫星将始终无法被发现。所以，在金星凌日时仔细观察其周围区域就显得非常重要了。如果真存在卫星的话——而人们一直怀疑金星上可能存在一颗或更多这样的天体——那么在太阳的强光背景下也应当能够探测到它们。在最近的几次凌日观测中，人们特别关注了这一点，但并未发现金星的卫星。由此可见，金星上存在体积较大的伴星的可能性极低。

至于对金星周围大气层的观测，则取得了更为成功的成果。如果金星没有大气层，那么在开始进入太阳视界之前它就会完全看不见，而一旦离开太阳视界后也会再次变得完全不可见。然而，凌日期间的观测结果与这种假设并不一致。在最近的几次凌日观测中，人们再次重点关注了这一问题，所得结果极为显著，从而最有力地证明了金星周围存在大气层。当金星逐渐远离太阳时，可以看到其伸向黑暗中的圆形边缘被一道弧形光带所环绕。科佩兰德博士在极为有利的观测条件下记录下了这次凌日现象，他甚至能够持续追踪金星，直到它完全离开太阳视界；此时，虽然金星本身已经看不见，但它被那道光环清晰地标示出来。除非假设金星也像地球一样被大气层所包围，否则就无法解释这一发光现象。

有人可能会问：为何要投入如此多的时间和精力去研究像金星凌日这样与实际生活关系不大的天文现象呢？太阳距离我们95,000,000英里，还是93,000,000英里，又或是其他距离，这究竟有什么意义呢？我们必须承认，这类研究对于实际应用来说几乎没有任何作用。当然，也有一些人会认为，为了精确地编制航海历书，我们确实需要……

准确了解太阳的距离至关重要。我们庞大的商业活动依赖于娴熟的导航技术，而实现这一目标的关键因素之一，就是《航海历书》的可靠性。因此，《航海历书》的日益完善必然与导航技术的进步息息相关。正如权威人士所说，在暴风雨之夜驶向港口或面临其他紧急情况时，哪怕一码的航程差异都可能决定成败；由此可见，金星凌日对《航海历书》产生的微小影响，或许就能确保一艘船只的安全。

不过，为观测金星凌日所投入的时间、精力与资金，其实有着完全不同的理由来支撑。我们认为这是一种宝贵的信息来源——它能够告诉我们太阳的距离，而这正是所有宇宙尺度测量工作的基础。它还能满足人类对宇宙真实规模的探索欲望，让我们看到地球在这个宏伟的太阳系中所扮演的虽处于从属地位却依然重要的角色；同时，它也让我们了解到宇宙究竟是何等宏大的存在。

鉴于本书篇幅有限，我们无法再继续深入探讨金星凌日的相关内容了。一旦开始研究观测的细节，就会立刻面临诸多复杂的技术问题。不幸的是，要以所需的精度进行观测存在着极大的困难。由于一种被称为“黑滴现象”的特殊光学错觉，金星似乎会紧贴着太阳边缘数秒之久；再加上金星大气层的影响，使得实际观测到的接触时间变得不确定。这些因素使得仅通过金星凌日观测来精确测定太阳距离变得十分困难，难以达到现代科学所要求的标准。因此，最终确定太阳距离的方法很可能会是另一种方式。具体原因将在后文解释。

在第十一章中已经有了相关论述，因此我们在考虑将金星凌日作为天体测量方法时，也就没那么犹豫了。

现在我们必须结束对这颗美丽行星的描述了；但在结束之前，让我们再补充一些关于该行星的大小、尺寸以及其轨道的统计数据——在某些情况下也可以重复这些数据。

金星的直径约为7,660英里，其形状几乎接近球形，不过我们可以肯定的是，它的极径肯定略小于赤道径。这一数值仅比地球的赤道径短约258英里。金星的质量约为地球质量的四分之三；如果用更常见的方式来比较的话，即将其质量与太阳的质量相比，那么这个数值相当于1除以425,000。需要注意的是，与预期相比，金星的质量其实并没有那么大。金星的密度约为地球密度的0.850倍。相同大小的水球所受的重力是金星表面的4.81倍。金星表面的重力略小于地球表面的重力——在这里，物体每秒下落16英尺，而在金星表面则大约会少下落3英尺。金星的自转周期很可能与其绕太阳公转的周期相等。

金星的轨道非常特殊，因为它几乎呈圆形。金星与太阳之间的最大距离与最小距离的差异不超过1%。金星到太阳的平均距离约为67,000,000英里，其在轨道上的运动平均速度约为每秒22英里，整个公转周期为224.70天。

第九章 地球。

地球是一个巨大的球体——如何测量地球的大小——基线——通过极点的高度来确定纬度——经度的度数——地球并非完美的球体——摆钟实验——地球的自转速度是快还是慢？——自转轴与形状轴的重合——地球内部是否存在热量——地球曾经处于柔软状态——离心力的影响——与太阳和木星的比较——赤道的凸起——地球的重量——地球的重量与相同体积的水球的比较——将地球与铅球作比较——摆钟——利用摆钟测量重力强度——等时性原理——通过摆钟测定地球的形状。

从简单的天文现象就可以看出，地球必定是圆形的。太阳是圆的，月亮也是圆的，望远镜也显示行星都是圆形的。当然，彗星不是圆形的，但彗星显然也不属于固体天体。我们可以看穿这种脆弱的天体，而且它的重量太轻，我们的测量方法无法检测出来。既然所有我们能看到的固体天体都是圆形的，那么地球很可能是球形吧？不过，我们拥有的直接证据远比单纯的推测更为可靠。

要真正看到海面的弯曲，最好的方法就是观察远海中的船只。当船只距离很远且仍在远离时，它的船身会逐渐消失，而桅杆则仍可见。在天气良好的夏日，我们常常能看到轮船的烟囱顶部露出海面，而船身则位于下方。为了更清楚地看到这一景象，眼睛应尽可能靠近海面。如果海面是完全平坦的，那么就不会有任何东西遮挡船只的船身，只要烟囱还可见，船只就会一直被看到。但如果海面真的是弯曲的，那么凸出的部分就会挡住对船身的视线，而烟囱依然可见。

由此我们可以知道海面在各个地方都是弯曲的，因此很自然地可以认为地球是球体。不过，经过更精确的测量后我们会发现，地球并非完美的球体，它在两极处都有些扁平。这一点可以通过……来简单说明。

印度橡胶球可以沿着两个相对的侧面被压缩，从而使中间部分凸出。地球同样在两极处较为扁平，而在赤道处则呈凸起状。不过，地球与真正的球形形态的偏差并不大，除非进行非常精确的测量，否则很难察觉到这种差异。

确定地球的大小需要极为精细的操作。人们为此付出了大量的技能与劳动，因此现在我们已经能够以很高的精度知道地球的尺寸，尽管可能还无法达到我们期望的极致精确度。对地球进行精确测量的科学意义实在不容低估——地球的半径本身就是许多其他天文数值的表达单位。例如，在通过观测来确定月球距离时，经过分析后我们会得知月球距离相当于地球赤道半径的59倍。如果想将月球距离换算成英里，就必须知道地球半径对应的英里数。

在选好地球表面平坦的区域后，会测量一段几英里长的线段，这段线段被称为基线。由于后续的所有测量都依赖于基线，因此必须以极高的精度来测定它。要精确地测量四五英里长的线段，且误差不超过几英寸，就需要采取极其细致的预防措施。这里就不详述所需的操作步骤了——这确实是一项极其繁重的工作，已有许多厚重的著作专门探讨相关结果。但一旦在地球表面的不同地点获得了几条基线，就可以不再使用测量杆，而是通过测量各站点之间的角度并基于这些数据进行三角函数计算，从而继续完成对地球的测量工作。从几英里长的基线出发，可以逐步计算出更长的距离，最终甚至可以达到100英里。

可以测量出更长的距离。因此，也就能够确定那些沿南北方向延伸的漫长线条的长度。

到目前为止，所做的工作还只是陆地测量师的工作而已。这样测得的距离会被交给天文学家，由他们据此推断出地球的尺寸。天文学家将观测站设在那条长线的北端，然后通过观测来确定自己的纬度。实现这一目标有多种方法，相关内容会在实用天文学的著作中有详细阐述。在此，我们仅简要说明这类观测所依据的原理。

每个人都应该熟悉北极星——尽管它并非最亮的星星，但很可能是整个天空中最重要的星星。在这些纬度上，北极星通常处于相当高的位置，而且我们总能看到它，始终位于北方天空的同一个地方。但是，如果我们前往南半球，随着越来越接近赤道，会发现北极星夜复一夜地越来越靠近地平线。在赤道上时，北极星正好位于地平线上；而一旦越过赤道进入南半球，这颗有用的恒星就会消失不见。这一点本身就足以说明，地球不可能是那些缺乏经验的观点所认为的平面。

另一方面，从英格兰前往挪威的旅行者会发现，每晚北极星在天空中的位置都比他习惯看到的要高。如果他继续向北行进，同一颗星星会逐渐升高，最终在接近地球极点时，北极星会高悬在他的头顶之上。由此我们可以看出，纬度越高，北极星的一般高度也越高。不过，在用“天极”来代替那个闪烁的点之前，我们还无法使用精确的语言来描述这一现象。天极位于北极星附近，而北极星和其他所有恒星一样，每天都会围绕天极旋转一周。北极星所描绘出的圆圈……

不过，这一数值实在太小了，除非我们给予特别关注，否则根本无法察觉到它的存在。真正的地轴并非一个可见的点，但却可以被精确地确定下来，这让我们能够极其精确地判断地轴与纬度之间的关系。具体来说，地轴高出地平线的角度就等于该地的纬度。

驻扎在长线一端的天文学家会测量地轴高出地平线的角度。这是一项相当精细的工作。首先，由于地轴本身不可见，他必须通过间接方式来确定其位置。他会测量北极星高度最高的时刻，再在12小时后、即北极星高度最低时重复这一测量；将两次测量的结果取平均值，并经过各种修正后，就能得到地轴的真实高度。可以说，通过这样的操作就可以确定这条线一端的纬度。随后，天文学家会带着所有的仪器前往线的另一端，再次进行同样的测量，此时会发现地轴的高度因纬度的不同而有所变化。两次测量结果的差异便能让他准确得知两处地点之间的纬度差，以度数及小数形式表示。这一数值可以与通过三角测量确定的两个地点之间的实际距离进行比较。通过简单的计算，就可以得出每度纬度对应的英里数及小数部分——或者更常见的说法，就是子午线每度的长度。

这项工作需要在地球的不同地区重复进行——北半球和南半球、高纬度和低纬度地区都要进行。如果整个地球的海平面是一个完美的球体，那么就会产生一个重要结论：子午线每度的长度在任何地方都应该是相同的，无论是在秘鲁还是瑞典，还是在印度或英格兰。但实际上各处的子午线长度并不相同，由此我们可以推断出地球并非真正的球体。通过这些测量得到的子午线长度数据，我们可以了解地球形状的实际情况。

地球并非完美的球体。在两极附近，1度的角度所对应的距离要大于赤道附近。这表明地球在两极处是扁平的，而在赤道处则较为隆起，这一特征也为我们计算地轴和赤道轴的实际长度提供了依据。通过这些计算，我们得知地球的赤道直径为7,927英里，而极地直径则短27英里。

地球的极轴可以定义为地球绕其旋转的轴线。该轴线与地球表面的交点即为北极和南极。地球绕此轴线完成一次完整旋转所需的时间被称为恒星日。恒星日比普通的一天稍短，仅为23小时56分钟4秒。地球的旋转方式就好比有一根刚性的轴穿过地球的中心；或者用一个通俗的比喻来说，就像用一根针穿过毛线球，让毛线球围绕这根针旋转一样。

值得注意的是，地球旋转的轴线位置与通过实际测量得到的地球最短直径的位置完全一致。如果地球的形状与它的旋转现象之间没有某种物理上的关联，那这种巧合就根本无法解释。那么，二者之间究竟存在怎样的关联呢？如果我们深入探究这个问题，就会发现地球的形状正是其旋转的结果。

目前，地球在不同地区偶尔会发生火山喷发现象。这类喷发现象、伴随发生的地震、越往地球内部温度越高的事实、温泉的存在，以及冰岛等地出现的间歇泉，都证明了地球内部存在热量。至于这种热量是如某些人所说在地球内部普遍存在，还是仅存在于那些有明显热效应的地方，目前还不需要去探讨。

对我们目前的目的而言，只需承认地球内部存在一定程度的热量即可。无论这种内部热量的多少，其来源显然与我们所熟知的表面热量不同。我们所能获得的能量来自太阳，而内部热量不可能是来自太阳的——因为其强度实在过大，而且如果认为它来自太阳的话，还会遇到其他无法克服的难题。那么，这种热量究竟从何而来呢？这是一个目前我们很难回答的问题，其实也并非回答它对我们的论证有太大意义。既然已经承认地球内部存在热量，我们所需要做的就是运用一两条已知的热学定律来解释这些现象。首先，我们需要了解热量会向其源头扩散并逐渐远离的一般原理。蕴藏在地球内部的热量会通过上方的岩石传递，慢慢到达地表。的确，构成地球表面的岩石和物质并不是良好的热导体，大多数情况下它们的导热效率极低；但不管如何，它们终究还是具有某种程度的导热性，热量只能通过它们慢慢渗向地表。

不能以“我们感觉不到这种热量”作为反对这一结论的理由。几英尺厚的砖墙就能限制高炉散发的热量，使得很少有热量能够透过砖墙散发出去；不过还是有一些热量会漏出，而且根本不存在、也不可能制造出能够完全阻挡所有热量的砖墙。既然几英尺厚的砖墙都能几乎阻挡炉子的热量，那么数十英里厚的岩石难道就不能阻挡地球深处的热量吗？即便那些热量比有史以来最强大的炉子产生的热量还要高出七倍，热量依然会缓慢地、或许甚至难以察觉地散发出来。除非我们对自然的认知全是错误的，否则再厚的岩石也无法阻止热量随时间逐渐泄漏到地表。当这些热量到达地球表面后，根据另一条热学定律，它们会逐渐辐射散失，最终消失在地球上。

要全面探讨可能对我们所述观点提出的反对意见，未免过于复杂。人们常认为，地球内部的热量是由化学反应或机械作用产生的，因此这些热量可以以与散失速度相同甚至更快的速度不断得到补充。然而，这更多只是形式上的差异而非本质上的不同。如果热量确实是以上述方式产生的（毫无疑问，地球内部的部分热量确实可能源自此类机制），那么必然会有相应的化学能或机械能被消耗掉，从而导致能量耗尽。每有一单位热量散失，要么意味着地球会失去一单位热量，要么——从本质上讲——意味着化学能或机械能中用于产生热量的那部分能量也会减少。最终的结果都是一样的：地球的实际热量或潜在热量必定在不断减少。当然，需要指出的是，地球所经历的热量损失中有很大一部分是显而易见的，并非由缓慢的传导过程造成的。每次火山爆发都会释放出大量热量，这些热量会迅速从地球上消失；而在许多地方存在的温泉则持续不断地释放着同样的热量，经过多年积累，其总量会变得极为巨大。

如此一来，地球一直在失去热量，却从未有新的热量来源来弥补这些损失。其后果显而易见：地球内部必定会越来越冷。无疑，这是一个极其缓慢的过程；一个人的生命、一个国家的历史，甚至整个人类的历史，都还远远不足以观察到地球热量储备的显著变化。但这一规律却是不可避免的，尽管热量下降的速度很慢，但它却是持续不断的，经过漫长的岁月后，必然会带来重大而深远的影响。

我们目前的目的并非预测这一过程必将引发的种种变化，而是希望回顾过去，看看能够合理推断出什么结论。那些我们在日常生活中所熟悉的时间跨度，甚至……

就我们目前的目的而言，普通的历史记录几乎毫无用处。由于地球每天都在失去内部热量，因此昨天的地球所拥有的热量必然比今天多，去年的热量又比今年多，20年前的热量则比10年前多。在较短的时间尺度上，这种变化并不明显；但当我们把时间跨度从数百年扩展到数千年，再从数千年扩展到数十万年，最后从数十万年扩展到数百万年时，这种变化不仅变得明显，其规模甚至令人震惊。

必定存在过这样一个时期：地球所蕴含的热量远远超过现在。在那个时期，地球表面必定因为这些热量而变得极为炽热。我们无法确定那个时期究竟是在数千年前还是数百万年前，但可以肯定的是，在那之前地球的温度还要更高，最终温度会升高到足以使物质呈现红色状态；再往前追溯，地球的温度还会更高，以至于表面变得白热化；再进一步追溯，我们甚至会发现，如今已经变成固体的地球表面在当时其实是处于熔融状态的。目前我们无需再继续往更久远的过去追溯，更没有必要去试图确定那种热量的来源。需要指出的是，这并非我们论证中所必需的。我们现在就能发现热量存在，而且也知道热量正在每天减少。基于这些事实，我们得出的结论似乎是不可避免的——也就是说，地球在遥远的过去曾是一个整体处于熔融状态的球体。

花朵花瓣上的露珠近乎球形，但由于重力的作用，它被压在花瓣上，形状因此略有变形，并非完美的球体。而落下的雨滴则是完美的球形；悬浮在与其不相溶的液体中的油滴也同样呈球形。从这些较小的物体出发，让我们试着想象一个巨大的熔融物质构成的球体吧。假设这个球体的大小与地球相当，且其内部的物质足够柔软，能够服从球体各部分之间相互作用的引力。毫无疑问，这些引力作用会使得球体表面的任何不规则之处都被抚平。

就像海洋在不受风的影响时表面是平滑的那样，如果我们的熔融地球也处于没有外部干扰的状态，那么它也应该呈现球形。因此，我们可以推测，处于这种状态的熔融地球会变成球体。

但现在假设，这个我们此前认为处于静止状态的巨大球体开始绕着通过其中心的轴旋转。我们不必假定这条轴就是某种实物，也不需要去考虑旋转速度是如何产生的。不过，我们可以很容易地看出旋转所带来的后果：球体会发生变形，离心力会使熔融物质在赤道处隆起，而在两极处变平。旋转速度越快，隆起程度就越大。不同的旋转速度对应着不同的隆起程度。因此，地球的隆起程度取决于它每天自转一次这一事实。现在再假设，地球在继续旋转的同时开始从液态转变为固态。在固化过程中，地球表面的形状无疑会非常不规则——如此庞大的物质在转变过程中必然会产生各种动荡与变化——但尽管如此，我们仍然可以肯定，总体而言，地球表面的形状仍会与它因旋转而形成的形状一致。这样，我们就能解释地球赤道为何会隆起，也能用这一现象来支持“地球曾经处于柔软或熔融状态”这一观点。

我们还可以通过将地球的形状与其他一些天体的形状进行比较来进一步支持这一论点。例如，太阳几乎就是一个完美的球体。我们所做的任何测量都表明，太阳的极径并不比赤道径短。而这正是我们所预期的结果。毫无疑问，太阳也在绕着自己的轴旋转，既然正是旋转导致了隆起现象，那为什么它不会像地球一样因为旋转而发生变形呢？

太阳的两个直径之间很可能确实存在差异，但这种差异太小，我们无法测量出来。这不禁让人联想到太阳旋转速度较慢这一事实——太阳完成一次自转需要25天，如此缓慢的旋转速度使得相应的凸起部分几乎无法被察觉。

另一方面，当我们观察那些旋转速度极快的行星时，就会得到完全不同的结果。以木星为例吧：通过望远镜观察，就能发现木星并非球形。其形状的差异极为明显，因此无需精确测量就能知道木星的极径小于赤道径。木星偏离真正球形程度的确远远大于地球。这自然又与木星更快的旋转速度有关。我们稍后会专门用一章来探讨这颗奇妙的行星。不过现在可以先预测一下：尽管木星的大小是地球的1000多倍，但其自转周期仍不到10小时。如此快速的旋转使得木星在赤道处出现显著的隆起。

在完成了对地球的观测及其尺寸测量之后，天文学家接下来要做的就是确定地球的质量。而这确实是一个极其考验科学能力的难题。关于地球的内部，我们知之甚少——甚至可以说一无所知。虽然我们会挖掘很深的矿井，这些矿井能让我们深入地壳半英里，甚至一英里，但这终究只是探索地球内部的微不足道的尝试而已。与到地球中心的距离相比，一英里的深度算得了什么？它仅相当于总距离的约四千分之一。我们对地球的了解仅限于地表下极其浅的层次，对于我们脚下几英里深处的地球状况，我们根本无从知晓。因此，

由于我们对地球内部的构成几乎一无所知，试图测定整个地球的重量似乎是一项毫无希望的任务。然而，这个问题终究被解决了，其结果也是已知的——虽然精度不如其他天文学研究那样高，但已经达到了相当不错的近似值。

用我们常用的单位来表示地球的重量其实并无必要。用数十亿吨来表示也难以让人形成清晰的概念。更为自然的做法是将地球的质量与体积相同的水球的质量进行比较。我们可以预期，地球的重量会大于体积相等的水球。构成地球表面的岩石，就其密度而言，要高于覆盖在那些岩石之上的海洋。地球中金属的含量丰富，再加上深处巨大的压力使得地球的密度逐渐增加——所有这些因素都表明，地球的重量肯定远远超过体积相同的水球。

牛顿认为，地球的重量是体积相同的水球的5到6倍。不难看出，这一推测是合理的。地球表面的岩石和物质的密度通常约为水的2到3倍，而地球内部的密度则必然更高。有充分理由相信，在地球的极深处存在着大量的铁。如果地球是由铁构成的，那么它的重量将是体积相同水球的7倍左右。因此，地球的重量很可能在3倍以上、7倍以下；牛顿将密度定在5到6倍之间，这个数值在当时看来是合理的，后来也被证明大致正确。目前已有多种方法可以精确地解决这一重要问题。在这里，我们只介绍其中一种方法，因为它能以非常直观的方式体现万有引力定律。

在关于引力的章节中已经提到，两个中等大小的质量之间的引力强度极其微弱。

地球重量的测定之所以困难，正是由于这个原因。这一过程的实际应用会受到诸多细节的制约，目前我们无需考虑这些细节。该过程的原理其实相当简单。为便于描述，让我们设想一个直径约为两英尺的大球体；由于希望这个球体尽可能重，我们就假设它是由铅制成的。当一个小球体靠近这个大球体时，就会受到引力的作用。虽然这种引力的大小极小，但通过精密的测量方法，仍然可以检测出如此微小的力。引力的强度取决于两个球体的质量、它们之间的距离以及引力本身的强度。我们同样可以轻易测出地球对那个小球的引力，实际上，这也就是通常所说的小球的重量。这样，我们就可以将铅球体所施加的引力与地球所施加的引力进行比较。

如果地球的中心和铅球体的中心与被吸引物体的距离相同，那么它们所施加的引力强度就可以通过简单的比例关系直接得出两者质量的比值。然而实际情况并非如此简单：铅球体与被吸引球体之间的距离只有几英寸，而地球引力的作用点则位于地球中心，距离有近4000英里之远。因此必须考虑到这一差异，将铅球体所施加的引力换算成它处于4000英里距离时所施加的引力值。幸运的是，根据“引力强度与距离的平方成反比”这一规律，我们可以通过简单的计算来实现这一点。这样，我们就可以通过计算和实验相结合的方式，比较铅球体与地球所施加的引力强度。众所周知，引力与质量成正比，因此我们已经测出了地球和铅球体的相对质量，结果发现地球的质量大约只有同等大小的铅球体的一半。因此我们可以这样表述：

地球的质量大约是与其体积相等的水球质量的5.5倍。

在关于引力的章节中，我们提到过这样一个事实：在地球表面附近自由下落的物体，第一秒内会下落16英尺。这一距离在地球的不同位置会有轻微差异。如果地球是一个完美的球体，那么各处的引力强度都会相同，物体在各处的下落距离也会一致。但由于地球并非完美的球体，因此物体在第一秒内下落的距离在不同地点会有所不同。在两极，地球的半径比赤道处短，因此两极的引力强度大于赤道。如果我们能获得物体在两极和赤道处每秒下落距离的精确数据，就能确定地球的形状。

然而，要准确测量物体每秒的下落距离其实相当困难。因此，我们不得不采用其他方法来测定地球在赤道及其表面其他可到达区域的引力强度。这些方法都是以摆为基础的，而摆或许是最简单的、也无疑是最有用的物理实验仪器之一。理想的摆是由一个重物通过一根细而柔软的线悬挂在固定点上构成的。如果我们把摆从垂直位置偏移一点后再释放它，这个重物就会来回摆动。

摆完成一次来回摆动所需的时间很短。值得注意的是，这一时间几乎不随摆所经过的圆弧长度而变化。为了验证这一规律，我们可以将另一个长度相同的摆悬挂在第一个摆旁边。如果把两个摆都偏移一点后再释放，它们会同时摆动并同时回到原位——这其实是意料之中的。但即便将其中一个摆大幅偏移，而另一个只稍作偏移，这两个摆依然会同步摆动——这可能就出乎意料了。再试一次，让两个摆的摆动弧度差距更大一些吧。

尽管存在振动，但我们仍然看到两个重物在摆动时所经历的时间是相同的。

我们还可以用另一种方式来设计实验。让摆锤上的重物大小不同，不过两者都是铁制的。这样它们的振动周期会有差异吗？我们再试一次：周期仍然与之前相同；无论让它们摆动多大的弧度，周期都不变。不过有人可能会说，这是因为两个重物是由同一种材料制成的。那我们换用铅制重物来试试，结果还是一样的。即使是木球，其振动周期也与铁球相同，而且无论振动时所经过的弧度是多少，这一现象都成立。

然而，如果我们改变支撑重物的绳子的长度，那么周期就不会保持不变了。这一点很容易说明。取一个短摆，其绳子的长度仅为长摆的四分之一；将这两个摆放在一起，比较它们的振动周期，就会发现前者的周期只有后者的二分之一。我们可以总结出一般规律：摆的振动时间与其长度的平方根成正比。如果将悬挂绳子的长度增加四倍，那么摆的振动时间也会变为原来的两倍；如果将摆的长度增加九倍，那么它的振动周期则会变为原来的三倍。

正是地球的引力使得摆能够摆动。引力越大，摆的摆动速度就越快。这很容易解释：如果地球对重物的拉力很大，那么振动时间就会很短；而如果地球引力的强度减弱，它就无法如此迅速地拉下重物，因此振动周期就会变长。

摆的振动时间可以被非常精确地测定。让它摆动10,000次，然后测量这些摆动所消耗的时间。虽然摆的摆动弧长可能并非完全恒定，但这并不会显著影响其摆动时间。假设在测定10,000次摆动的总时间时出现了1秒的误差，那么单次摆动的时间误差仅为秒的万分之一，这样就能相当精确地测出实验所在地点的重力强度。

将摆带到赤道上去，让它摆动10,000次，并仔细测量这些摆动所需的时间。再将同一个摆带到地球的其他地方，重复这个实验。这样我们就可以比较两个地方的引力大小了。当然，还有许多需要注意的细节，但此处无需赘述。也没有必要详细说明如何保持摆的运动状态，或是温度变化对其长度的影响。我们只需了解如何精确测量摆的摆动时间，以及如何根据这一测量值计算出重力强度即可。

因此，摆使我们能够以极高的精度对地球表面进行重力测量。不过，我们不能认为只有重力才会影响摆的摆动。我们已经知道地球会绕地轴旋转，也将赤道地区的地球隆起现象归因于这种旋转作用。但由于旋转产生的离心力会降低物体的表观重量，而且这种效应在赤道地区最为明显，越靠近两极则越弱。仅由于这个原因，赤道上的摆所受的引力就比其他地方小，因此摆的摆动时间也会比其他地方更长。所以，表观上的重力变化有一部分是由离心力造成的，但同时还存在真正的重力变化。

在关于天文学的著作中，我们没有必要进一步详细探讨地球这一主题。地球的表面、地形轮廓、海洋、山脉以及河流，这些都是物理地理学家的研究范畴；而地球上的岩石及其成分、火山和地震，则属于地质学家和物理学家的研究领域。

第十章 火星
我们在天空中距离最近的邻居——通过望远镜可以观察火星表面——火星独特的轨道——火星与恒星的相似之处——冲日的含义——火星轨道的偏心率——火星的不同冲日现象——这颗行星的视运动——地球运动的影响——火星距离的测量——对太阳距离的理论研究——火星的图像——火星上是否有雪？——火星的自转——火星上的重力——火星有卫星吗？——阿萨夫·霍尔教授的重大发现——火卫一与火卫二的运行规律——《格列佛游记》

由于我们与太阳系中的某一颗行星有着特殊的关联，因此有必要以不同于其他行星的方式来研究它。我们之前讨论水星和金星时，是将它们视为需要通过望远镜观测才能了解的遥远天体，而相关计算则基于天文观测数据。至于地球，我们对它的了解方式则有所不同。不过，为了保持论述的完整性，我们仍需要在讨论金星之后再讨论地球，从而确定地球在太阳系中的真正位置。现在，在从太阳出发的探索过程中，我们已经谈到了地球，接下来就要谈到火星了；在这里，我们虽会以稍作修改的方式，但仍然会采用之前用于研究金星和水星的方法。

从某种角度来看，金星和火星尤其值得我们关注。它们是我们两侧距离最近的行星邻居。因此，我们自然期望能比了解那些更遥远的行星获得更多关于它们的信息。然而对于金星而言，这一期望很难实现，因为正如我们之前所指出的，其稠密的大气层阻碍了我们通过望远镜对其进行有效的观测。而当我们把注意力转向另一颗行星邻居——火星时，就能够了解到很多关于它的信息。

从外观上看，火星确实很像一颗一等星。它通常以红色色调为特征，但天文初学者不能仅凭颜色来识别火星——因为还有几颗星星的颜色与火星极为相似。金牛座中最亮的恒星毕宿五常常被误认为是火星；它也与猎户座中的亮星参宿四颇为相似。如果学习者事先已经了解过主要的星座以及那些比较明亮的恒星，就不可能出现这样的误认了。届时，他们将会对追踪行星的位置以及观察它们持续不断的运动产生极大的兴趣。

通过天文历表，总能确定每颗行星的位置。有时，行星会因距离太阳过近而无法被观测到：它会随太阳一同升起、一同落下，因此夜间不会出现在地平线以上。对于像火星这样的行星来说，最佳观测时机就是所谓的“冲”的时刻——此时地球正好位于行星与太阳之间，火星与地球之间的距离也就达到了最小值。在火星冲的时候观测它还有另一个优势。

此时，火星位于地球的一侧，而太阳则处于地球的另一侧。因此，当火星高悬于天空中时，太阳正好位于地球的正下方；换言之，此时火星的地平线高度达到最大值。图48展示了地球与火星的轨道，以及1877年最理想的冲日时刻。不过，并非所有的冲日现象都具有同样的有利条件。图48清晰地显示了这一点——该图按比例精确地绘制了火星与地球的轨道。可以看出，虽然地球的轨道近乎圆形，但火星的轨道却具有相当大的偏心率；事实上，除了水星的轨道之外，火星的轨道是我们太阳系中所有大型行星轨道中偏心率最大的。

从望远观测的角度来看，火星的冲日时刻会因不同情况而有所差异。最理想的冲日时刻是那些接近8月26日发生的；而另一极端的情形则出现在2月22日左右。在后一种情况下，火星与地球之间的距离几乎是前者的两倍。上一次适合进行高精度观测的冲日发生在1877年，那时的火星极为明亮，因此受到了众多人的关注，这也是理所当然的。理想的冲日时刻之间间隔并不固定；上一次是在1892年，下一次则会在1909年出现。

火星的视运动其实相当复杂。可以想象，那些最早试图解读这些运动规律的天文学家们所面临的困难。火星是一颗极其明亮且显眼的行星，它吸引了天文学家的注意。他们仔细观察，发现火星位于自己熟悉的星座之中。几天后，他们再次观测这颗行星，但它还在原来的位置吗？显然不是。于是他们比之前更加仔细地记录行星的位置，观察它相对于其他恒星的位置。再过几天后，他们再次进行观测——此时已经没有任何疑问了：火星的确改变了它的位置。它真可谓是一个“流浪者”。

夜复一夜，那些早期的天文学家持续不断地进行观测，记录着火星的位置变化。他们发现，火星现在的移动速度甚至比最初还要快。它是否会完成一次完整的绕日轨道运行呢？天文学家决定继续观测，以验证这一推测是否正确。他们夜以继日地观测，最终开始认为火星的移动速度并没有最初那么快。又过了几夜，他们确定了这一点：火星的移动速度确实变慢了。再过几天后，他们开始猜测火星的运动会停止；不久之后，火星的确停止了运动，看起来好像静止不动了。但它会永远保持静止状态吗？它的漫长旅程已经结束了吗？

许多个夜晚都是如此，但最终，这位天文学家推测，这颗行星必定开始逆向运动了。又过了几个夜晚，这一事实便得到了确凿的证实，于是人们便发现了火星既有顺行运动又有逆行运动的惊人现象。

在绕天球运行的过程中，火星似乎始终以稳定的速度从西向东移动。实际上，当月亮和太阳移动时，火星也会随之逆向运动。只有在它运行路径中相对较短的一段时间内，才会出现那些让早期观测者感到困惑的复杂运动现象。附图（图49）展示了1877年火星冲日时其实际运行轨迹。该图仅显示了具有异常特征的那段路径；轨道的其余部分虽然速度并不恒定，但运动方向却保持不变。

火星表面运动的复杂性，乍看之下似乎使得人们无法用任何简单、基础的解释来说明其运动规律。如果火星的运动完全是椭圆形的，那么它又如何能够呈现出如此复杂的运动轨迹呢？答案在于：我们所在的地球本身也在运动。即便火星处于静止状态，由于地球在运动，火星仍会显得在移动。因此，火星的表观运动实际上是与地球的真实运动相结合的结果。这一情况并不会让几何学家感到困惑——他们能够将行星的真实运动与其表观运动区分开来，从而完整地解释火星所展现出的复杂运动规律。如果我们能将观测点从不断移动的地球转移到一个固定不动的参照点上，就会发现火星的轨道实际上是椭圆形的，它按照开普勒通过观测该行星所发现的定律绕太阳运行。

火星绕太阳一周需要687天，其与太阳的平均距离为1亿4150万英里。在最为有利的条件下，当火星与地球处于冲的位置时，它与地球的距离最多约为3亿5500万英里。以地球上的测量标准来看，这个距离显然非常巨大；但实际上，它并不比金星最接近地球时的距离大多少，也远远小于地球到太阳的距离。

我们已经解释了如何通过开普勒定律了解太阳系的形态，以及如何在直接测量出太阳系中某个组成部分的距离后，进而知道整个太阳系及其各组成部分的绝对大小。火星的近距离经过为测量其距离提供了绝佳的机会，从而以另一种方式解决了与金星凌日时相同的难题。这样一来，我们便再次能够了解太阳的距离以及各行星的距离，还能掌握关于太阳系的许多其他数值信息。

1877年火星冲日之际，人们成功地将这一精炼的方法应用于天体测量问题的解决中。虽说这并非首次有人提出该方法，甚至也非首次尝试将其付诸实践，但1877年的观测工作因其高超的技术水平以及对各项必要预防措施的严谨处理，为天文学发展做出了重要贡献。当时担任好望角皇家天文学家的大卫·吉尔博士，为观测1877年火星的视差而前往阿森松岛。那次火星与地球的距离极为接近，为应用该方法提供了绝佳机会。吉尔博士成功获得了一系列宝贵的测量数据，并据此得出了太阳距离的数值，其精确度甚至超过了通过金星凌日所获得的数值。

还有另一种方法可以利用火星来测定太阳的距离。这种方法相当复杂，但由于其与数学天文学中最深奥的研究内容密切相关，因而颇具趣味。牛顿的动力学理论已为这种方法奠定了基础，而后勒维耶则将其完善到了极致。该方法以万有引力定律为基础，与关于行星扰动的诸多重大发现紧密相关，而这些发现正是现代天文学领域中最引人注目的成果之一。

有两个看似彼此独立的量之间其实存在着某种关联——它们分别是地球的质量和太阳的距离。太阳的距离与某个特定数值成正比（这个数值可以通过已知地球表面的引力强度、地球的大小以及一年的长度来计算），而太阳质量的立方根与地球质量立方根则也成相同的比例关系。这一结果的准确性毋庸置疑，其含义也很明显：如果我们能够以太阳为参照来测量地球的质量，那么就能立即推算出太阳的距离。那么，我们要如何将如此庞大的地球放在天平上呢？这就是问题所在。

勒维耶告诉我们如何解决这个问题，而他则是借助火星的力量来做到这一点的。如果火星在绕太阳运行时仅受太阳引力的影响，那么根据已知的行星运动定律，它将永远沿着相同的椭圆轨道运行。一个世纪后，甚至多个世纪后，该椭圆的形状、大小和位置都不会发生变化。不过，对我们目前的研究而言，地球会对火星的轨道产生扰动。尽管地球的质量远小于太阳，但它仍然具有足够的引力来对火星产生影响。因此，火星所沿行的椭圆轨道并非固定不变，其形状和位置会逐渐发生变化，这样一来，火星的位置就在一定程度上取决于地球的质量。通过观测可以确定火星的实际位置；而如果没有地球的话，火星应该处于的位置则可以通过计算得出。两者之间的差异正是由地球的引力造成的，一旦测出这一差异，就能确定地球的质量。这种位移量会随着时间的推移而增加，但由于增长速度很慢，因此需要依靠古代的观测数据才能获得精确的测量结果。幸运的是，两个多世纪前发生的一起特殊事件让我们能够非常精确地确定当时火星的位置。1672年10月1日，三位独立的观测者目睹了火星遮掩宝瓶座中的一颗恒星的现象。由于那颗恒星的位置已知得非常准确，所以我们能够确定当天火星在天空中的确切位置。结合现代的子午线观测数据，我们可以得知，在两个世纪的时间里，地球的引力使火星的位移增加了大约5角分（294秒）。有人认为这一数值的误差不会超过1秒，因此可以推断出地球的质量约为其真实值的三分之一。如果没有……

如果还存在其他误差的话，那么计算出的太阳距离将会是实际值的九百分之一左右。

图50——火星与地球的相对大小。

尽管这种方法本身具有很高的美学价值，而且其应用背景也相当理想，但我们认为，与其他一些方法相比，它目前还难以被视为可靠的测量手段。由于地球的扰动作用，火星的位置会不断发生变化，最终这种变化幅度将足够大，从而让我们能够得到非常精确的地球质量数值，到那时，这种方法就能为我们提供极为精确的太阳距离数据。不过，尽管这种方法很有趣且富有美感，但我们仍应将其视为对万有引力定律的有力印证，而非一种用于精确测量太阳距离的手段。

图51——1894年7月30日的火星图像。

图54——1894年7月1日的火星南极冠。

当火星接近地球时，我们就有机会用望远镜仔细观察其表面。不过，我们无法期望以与观察地球表面相同的精细度来观测火星上的细节。

月球上的那些景象。即便在最为有利的条件下，火星与月球的距离仍超过一百倍；因此，若要使火星表面的特征像月球上的那样清晰可见，这些特征的尺寸至少也得是一百倍之大。火星的体积远小于地球——其直径为4,200英里，还不到地球直径的一半。图50展示了这两颗行星的大小对比。此处我们展示了由弗拉格斯塔夫洛厄尔天文台的威廉·H·皮克林教授所绘制的两幅关于火星的精美图像[16]。图51是1894年7月30日拍摄的，而图52则是1894年8月16日拍摄的。

1894年7月1日，威廉·H·皮克林教授在洛厄尔天文台观测到的火星南极冠情况如图54所示[17]。可以看到，极地区域有一个明显的黑色斑点。图53则展示了1894年8月24日由同一位艺术家按照精确的比例绘制的、位于火星“昼夜交界线”上的若干异常明显的凸起与凹陷结构。

在观测火星时可以发现，它并不像月球那样始终以同一面朝向观察者。火星

火星绕轴旋转的方式与地球完全相同。令人惊讶的是，火星完成一次自转所需的时间仅比地球的多大约半小时而已。其确切的自转周期为24小时37分钟22又3/4秒。因此，火星的形态会随着时间的推移而不断变化：西侧逐渐从视野中消失，东侧则逐渐显露出来。12小时后，火星的形态就会完全改变。这些变化，再加上透视效应带来的影响，使得人们往往难以将火星表面的物体与地图上的对应物联系起来。必须承认，这类地图在精确度上还远远不及月球的地图；不过毫无疑问，火星的主要特征已经得到了明确的确认，一些天文学家甚至为所有显著的物体都起了名字。

火星表面的标记可分为两类：一类呈铁灰色，略带绿色；另一类则多为深黄色或橙色，偶尔也会接近白色。前者通常被认为代表海洋区域，而后者则代表大陆。

这颗红色星球上的各种地貌。我们拥有大量关于火星的绘图，最早的那些可追溯到17世纪中叶。尽管这些早期的草图相当粗糙，对于研究地形特征并无太大价值，但通过与现代绘图进行比较，它们仍有助于我们确定火星自转周期。

早期的观测者就已经注意到，火星的两极各有一个白色斑点。不过，对这类奇特极地冰盖进行系统研究的，还是威廉·赫歇尔。这位杰出的天文学家因此有了一个非常有趣的发现：他发现火星上的这些极地冰盖的面积和清晰度会随着其所处半球的季节变化而改变。在火星的冬至之后三到六个月，这些冰盖的面积达到最大值；而在夏至之后三到六个月，则又会缩小到最小。这一现象与我们地球两极周围的冰雪状况极为相似，因此直到最近，人们几乎都认为火星的白色极地斑点也是由类似物质构成的。

由于火星绕太阳公转的周期远远长于地球的一年——为687天而非365天——因此火星上的季节自然也比地球上的季节长得多。在火星的北半球，夏季时长至少为381天，冬季则为306天。在两个半球中，漫长的冬季会让白色极地冰盖的面积不断扩大，直径可达45°至50°；而漫长的夏季则会使冰盖面积缩小，直径仅剩4°或5°左右。值得注意的是，其中位于南极的那个白色区域似乎并不与南极点同心，而是偏移了一部分，以至于火星的南极点在每年有一段时间似乎完全没有冰雪覆盖。

尽管19世纪期间已有许多关于火星的宝贵观测结果，但真正有价值的观测数据还是出现在火星处于极为有利的冲日位置之后。

1877年，对火星表面的研究取得了巨大进展，这堪称现代天文学中最引人注目的成就之一。在那些为1877年的火星绘制了精美图表的观测者中，值得一提的是格林先生，他绘制的精美图片被皇家天文学会发表；还有米兰的斯基亚帕雷利教授，他的发现几乎彻底改变了我们对这颗行星的认识。尽管斯基亚帕雷利所使用的折射望远镜口径仅为8英寸，但得益于意大利清澈的天空环境，他得以在火星表面的明亮区域发现大量细长的线条。他将这些线条称为“运河”，因为它们从所谓的“海洋”出发，贯穿那些所谓的“大陆”，长度有时可达数千英里。

这些“运河”似乎构成了一个网络，将各个“海洋”相互连接起来。在斯基亚帕雷利之前，道斯等人所绘制的部分图表中就已经出现了其中一些较为明显的“运河”。不过，正是这位杰出的意大利天文学家发现，这类细长线条的数量极为庞大，已成为火星的一个显著特征。图51和图52展示了其中的一些特征，这些图像是根据威廉·H·皮克林教授在1894年于洛厄尔天文台所绘制的图表复制的。

当斯基亚帕雷利首次宣布发现这些众多的“运河”时，天文学家们已经感到十分惊讶；而1882年他宣布大多数“运河”实际上都是双重的这一消息，则更令他们震惊不已。在1881年12月至1882年2月期间，共有30处“运河”出现双重现象。其中19例是先前存在的“运河”附近又出现了平行的线条；其余的案例则不太确定，或者两条线条并非完全平行。斯基亚帕雷利根据1881年至1882年的观测结果绘制的火星地图见图版XVIII，该地图清晰地展现了火星表面的这些特征。

这些奇怪的双重运河与我们在其他任何星球上所见的地质特征都截然不同。

第十八版：斯基亚帕雷利在1881–82年绘制的火星地图。

斯基亚帕雷利及其他几位观测者后的进一步观测表明，这种运河重复出现的现象具有周期性，通常发生在火星经过春分或秋分之时。两条平行线中的一条往往会尽可能精确地位于原有运河的轨迹上；不过有时这两条线会位于原有运河的两侧，且处于完全新的区域。这两条线之间的距离从最大值约360英里，到我们的大型望远镜所能分辨的最小值——略低于30英里不等。这些奇特运河的宽度则可从几乎无法观测到的程度，增加到超过60英里。

运河的重复出现或许是火星给我们带来的最难解决的难题。即便我们承认这些运河本身就是极地融雪流经赤道大陆的通道或水道，也很难解释为何会出现重复的运河。在那些原有运河……的情况中，这一问题更为突出。

那些运河似乎消失了，取而代之的是两条全新的运河，每条的宽度都与英吉利海峡相当，分别位于旧运河的两侧。有一种显而易见的解释认为，这种重复现象其实只是视觉错觉，不过这一解释至今尚未得到确凿的证明。或许我们只能暂时搁置对这个问题的探讨，希望随着人们对这颗行星的进一步关注，这个谜团终能得到解答。

总体而言，这颗行星表面的特征是永久性的。因此，当我们比较一两百年前绘制的地图与最近绘制的地图时，可以发现两者中的特征是一致的。不过，这种永久性并不像月球那样绝对。除了我们已经讨论过的那些运河之外，火星表面的许多其他区域也会不时改变其轮廓。尤其是那些被我们称为“海洋”的暗色区域，其轮廓有时会发生非常明显的细微变化。在行星的某些区域还经常出现颜色变化，虽然其中一些变化可能源于地球大气层对行星外观的影响，但并非所有变化都能如此解释。有些现象显然是由火星表面实际发生的变动所导致的。

作为这类变化的例子，我们可以提到斯基亚帕雷利将其命名为“大西尔蒂斯”的那个著名区域的西北部。该区域在不同时间被记录为灰色、绿色、蓝色、棕色，甚至是紫色。在北半球秋分前后，当该区域处于可见圆盘的中央时，其东部会比西部更显绿色。随着季节的推移，这种特有的绿色会逐渐减弱，最终只有在西尔蒂斯地区的边缘才能看到绿色痕迹。火星的大气通常非常透明，这让我们能够毫无障碍地观察行星的表面。

云层。不过，这样的云层并非始终都不存在。我们观测火星表面的视线偶尔会被遮挡，由此可以确定，火星大气中的云层或雾气一定是造成这一现象的原因。

如果我们想要了解火星表面的物理结构，那么首先就需要考虑的是火星大气的性质。在这种情况下，光谱观测并不能为我们提供太多帮助。当然，我们知道火星本身没有光，它只是通过反射太阳光而发光。面向太阳的半球是明亮的，而背向太阳的半球则是黑暗的。因此，火星的光谱应该与月球的类似，都是太阳光谱的精确但较暗的副本——除非太阳光线在两次穿过火星大气层时发生了吸收作用，从而产生了额外的暗线。一些早期的观测者认为他们确实观察到了这类由水蒸气引起的暗线。然而，利克天文台的坎贝尔先生以及阿勒格尼天文台的基勒教授否定了这种说法；他们拥有无与伦比的观测条件，却未能发现火星光谱与月球光谱之间存在任何差异。如果火星拥有相当厚的大气层，其吸收效应应该是显而易见的，尤其是在行星的边缘区域；但坎贝尔先生的观测结果并未显示出边缘区域的吸收强度有所增加。因此，看来火星不可能拥有厚实的大气层，这一结论还得到了其他多种证据的证实。

我们能够如此清晰地看到火星表面，这表明其大气层必然比地球的大气层要稀薄得多。毫无疑问，如果火星上有配备良好望远镜的观测者，他们将无法分辨出地球表面的许多特征。这不仅是因为光线在两次穿过地球大气层时会发生强烈的吸收，也是因为同一大气层导致的强烈光散射所致。

此外，毋庸置疑，地球表面始终存在的大量云层会完全遮挡住地球上的许多区域，使得火星上的观测者无法看到这些地方。不过，虽然如前所述，我们偶尔也会发现火星的某些区域变得模糊不清，但必须承认火星上的云层其实非常稀薄。如果我们假设极地冰盖是由冰雪构成的，那么当它们融化时就会形成云层，从而在一定程度上遮住极地地区，让我们无法观察到它们；然而至今为止并未出现过这样的现象。

我们已经看到，关于火星上是否存在水的问题存在着极大的疑问。毫无疑问，我们常常将那些暗色区域称为“海洋”，而将明亮区域视为“大陆”。长期以来，天文学家们也认为这种说法是正确的。但几年前，利克天文台的谢伯勒先生得出了完全相反的结论。他认为那些暗色区域其实是大陆，而明亮区域则是水或其他液体的海洋。他指出了那些暗色区域不规则的阴影分布，这种分布并不像是光线从球形水面反射出来的结果，尤其是由于亮部与暗部之间的对比在圆盘中央最为明显。

另外还需要注意的是，那些暗色区域中常常有更暗的条纹穿行，这些条纹几乎可以呈直线延伸数百英里，而明亮区域中的所谓“运河”似乎往往就是这些线条的延续。因此，谢伯勒先生认为这些“运河”可能是横跨陆地和海洋的山脉链！已故的菲利普斯教授以及H.D.泰勒先生指出，如果火星的热带地区存在湖泊或海洋，我们应该能够经常看到太阳光从这些水体表面反射出来，从而形成一个明亮的、类似星星的点，这种现象是不可能被忽视的。即便是受到轻微扰动的水体也会以这种方式显现出来，然而至今仍未有过任何相关记录。

至于火星上是否存在生命的问题，这里还可以补充几点。如果我们能够确定火星上确实存在水，那么……

基本条件将会得到满足；尽管火星的大气在成分和密度上与地球的大气极为相似，但生命仍然有可能存在。即便我们假设人类能够找到适合身体所需的营养物质以及适合呼吸的空气，他们能否真正存活下来仍是个疑问。由于火星的体积较小，质量也远低于地球，因此其表面的重力强度也会与地球上的不同。我们之前已经提到过月球上的重力很小，同样的情况在火星上也同样适用——在地球上重两磅的物体，在火星表面的重量会不到一磅。在地球上需要多大的力才能举起56磅重的物体，那么在火星上则只需相同的力就能举起两倍重的物体。

地球有一颗卫星，木星有四颗显眼的卫星。火星则是一颗位于地球与木星轨道之间的行星，它与地球和木星属于同一类天体，都受同一颗太阳的支配，三者共同构成同一个行星系统。既然地球有一颗卫星而木星有四颗，那火星为什么不能有卫星呢？毫无疑问，火星的体积很小，甚至比地球还小，更远远小于木星。我们无法期望火星拥有大型卫星，但它为何就不能像它的两个邻居那样拥有卫星呢？天文学家们就是这么推理的，但直到近代才有人发现火星的卫星。几个世纪以来，人们一直致力于对火星进行观测，但一次又一次的失败使得人们几乎认为这种类推推理已经不再成立。没有卫星的火星似乎成了“金星之外所有大型行星都有卫星相伴”这一规律的例外。重新开始这项屡试屡败的研究似乎毫无希望，不过幸运的是，当代人还是见证了一次新的尝试，那次尝试使用了最先进的设备……

精湛的技艺使得这次尝试取得了应有的成功，其成果便是发现了火星的两颗卫星，这一发现堪称令人难忘。这一成就是由华盛顿天文台的杰出天文学家阿萨夫·霍尔教授所取得的。霍尔先生拥有着一台体积巨大且制造精良的望远镜，也就是著名的“华盛顿折射望远镜”。这台望远镜是由阿尔文·克拉克父子公司制造的，该公司曾制造出许多大型望远镜；其卓越的性能远远超过其他用于同类研究的望远镜。该望远镜的物镜直径达26英寸，其出色的成像质量与其庞大的尺寸同样令人惊叹。不过，即便有霍尔先生的高超技艺以及他那强大的望远镜，平时也难以发现火星的卫星。因此，人们抓住了1877年火星与地球距离异常接近的绝佳时机来进行观测。如果火星上有一颗体积仅为月球百分之一的卫星的话，那么它早就应该被发现了。因此，霍尔先生知道，如果真有卫星的话，那也必定是极其微小的天体，于是他做好了进行艰苦细致搜索的准备。一切条件都非常有利：不仅火星与地球的距离达到了极致，华盛顿的这台望远镜也是当时最强大的折射望远镜；而且华盛顿的地理位置使得从天文台可以以较高的角度观测到火星。1877年，当英国科学协会在普利茅斯召开会议时，一封电报横跨大西洋传了过来——霍尔先生的努力终于获得了辉煌的成果。他原本期望能发现一颗卫星，而哪怕只发现一颗也会让整个科学界为之震惊；但幸运之神眷顾了霍尔先生。他首先发现了一颗卫星，随后又发现了第二颗；与此同时，他还发现了太阳系中一个独一无二的现象。

火卫二作为火星的外侧卫星，绕火星运行的周期为30小时17分钟54秒；而内侧的火卫一则吸引了全世界天文学家的极大关注。火星自转一周所需的时间与地球的24小时几乎相同。火卫一绕火星运行的周期为7小时39分钟14秒——实际上，在火星完成一次自转的同时，火卫一已经绕火星旋转了三圈。这种情况在太阳系中是独一无二的；据我们所知，甚至在整个宇宙中也是绝无仅有的。对于地球而言，月亮每绕地球一圈，地球就要自转27圈。木星和土星的情况也有类似之处；而在以太阳及行星构成的巨大系统中，即使是最快速运动的行星，其自转次数也远远多于太阳的自转次数。目前还不存在其他卫星绕其主星旋转的速度超过该主星自转速度的例子。不过，火卫一的这种异常运动现象已经得到了解释。在后面的章节中，我们还将再次谈到这一话题，因为它与现代天文学中的一个重要领域密切相关。

这些卫星的体积极其微小，我们无法直接测量它们的直径，但从对它们亮度的观测来看，可以推断出它们的直径不会超过20到30英里，甚至可能更小。由于它们运行速度极快，对于火星上的观察者来说，它们必定会展现出一些特殊的特征：火卫一大约在5个半小时后从西方升起，穿过天空，然后从东方落下；而火卫二则从东方升起，并能在地平线上停留两天多时间。

由于这些卫星的轨道位于其主星赤道正上方，且一个距离火星表面不到4,000英里，另一个则约为14,500英里，因此从火星的两极永远无法看到它们；事实上，要想看到火卫一，观察者的纬度必须低于68又3/4度。如果纬度高于这个数值，火卫一就会被火星本体遮挡住。

火星就如同我们这些生活在不列颠群岛上的人无法看到在赤道上方几百英里处绕地球运转的物体一样。在离开这个有趣的卫星话题之前，我们不妨提两点与文学相关的内容。霍尔先生曾向他的古典文学专家们咨询过应如何为这两颗卫星命名。他们参考了荷马的作品，《伊利亚特》中的某段文字便为它们提供了“狄摩斯”和“福玻斯”这两个名字。这两位人物是玛尔斯的随从，我的朋友泰瑞尔教授对相关经文的解读如下：——“玛尔斯开口说道，将‘恐惧’与‘惊慌’叫来为他的战马套上缰绳，随后他便穿上了闪闪发光的盔甲。”对于火星的卫星来说，有一个有趣的现象——那些读过《格列佛游记》的人应该都很熟悉。根据格列佛的描述，拉普达岛上的天文学家们拥有敏锐的视力以及精良的望远镜。他们发现了火星的两颗卫星，其中一颗每10小时绕火星一周，另一颗则需21.5小时。因此，作者不仅正确地猜出了卫星的数量，还相当准确地给出了它们的公转周期！我们不知道是什么让他能做出这样的猜测。几年前，任何一位阅读过关于拉普达岛描述的天文学家都会认为这纯属荒谬。火星确实可能有两颗卫星，但声称其中一颗每10小时就绕火星一周，显然是不可信的。然而，现实比虚构还要离奇。现在，我们必须结束对这颗美丽而有趣的行星的介绍了。虽然还有许多值得探讨的特点，但太阳系中还有太多其他天体需要我们关注，它们在体积和重要性上都远远超过火星，所以我们不得不就此打住。不过，下一步我们并不会……

带我们前往那些巨型行星吧。在火星之外，我们发现了许多天体——虽然体积很小，但却极具研究价值；在下一章中，我们将有大量内容可以探讨这些天体。

第十一章 小行星
我们太阳系中的小型天体——波德定律——行星系中的空缺区域——相关研究——皮亚齐的发现——那个小天体算是行星吗？——这颗行星为何消失不见？——高斯用数学方法进行搜索——这颗行星被重新找到——后续的发现——目前已知的小行星数量——需要搜索的区域——用于寻找小行星的星图绘制方法——小行星是如何被发现的——小行星的物理性质——小行星上的引力强度——柏林的计算成果——小行星如何帮助我们测定太阳的距离——观测的精确度——如何对小行星的数量进行估算——维多利亚号与萨福号——最完美的探测方法。

在关于太阳与月亮、地球与金星、水星与火星的章节中，我们探讨了那些体积巨大的天体的特征与运动规律。在这些天体中，规模最小的当属月亮，不过它的直径也有2,000英里。当谈到小行星时，我们必须做好面对那些与我们太阳系中那些巨大天体相比尺寸极小的物体的准备。毫无疑问，这些小行星的直径有的只有几英里，而有的则达数英里之长。如果它们离地球较近的话，就会成为非常显眼甚至极为壮观的物体；但由于它们距离太过遥远，即便使用最强大的望远镜也难以观察到它们的明显特征，用肉眼则几乎根本看不见它们。

在（第234页）所示的各行星轨道图中，可以看到火星轨道与木星轨道之间存在着广阔的空隙。人们常常推测，这片区域里应该存在另一颗行星。而当一项能够相当精确地揭示我们太阳系中各大行星相对距离的规律被发现后，这一推测就更加强烈了。以数字序列0、3、6、12、24、48、96为例，除了第二个数字外，其余每个数字都是前一个数字的两倍。

其前的那个数字。如果现在给每个数加上4，就会得到序列4、7、10、16、28、52、100。除了第五个数字（28）之外，这些数字都与各行星到太阳的距离大致成正比。实际上，各行星到太阳的距离分别为：水星3.9；金星7.2；地球10；火星15.2；木星52.9；土星95.4。虽然我们无法从物理上解释为何这一规律——通常被称为波德定律——会成立，但由于它在所有已知行星身上都极为精确，这让我们不禁思考：是否还有一颗行星在距离为28的位置上绕太阳运行。

18世纪末，人们对此有着强烈的信念，于是几位热心的天文学家决定共同努力去寻找这颗未知的行星。显然，这颗行星不可能是体积巨大的，否则早就被发现了。如果它确实存在，那就需要某种方法来将其与沿其轨道分布的众多恒星区分开来。

对这颗小行星的搜寻很快便取得了成功，这一发现使得19世纪的第一个夜晚在天文史上留下了难忘的印记。正是在巴勒莫清澈的夜空中，皮亚齐完成了人类首次发现小行星的壮举。这位勤奋且才华横溢的天文学家设计出了一套巧妙的观测系统，能够轻松地将行星从繁多的恒星中分辨出来。每到某个夜晚，他会根据具体情况选择大约50颗恒星进行观测。他利用子午圈确定这些恒星的位置。第二天晚上，或者尽可能快地，他会用同样的仪器以同样的方式重新观测这50颗恒星，之后还会重复这个过程两晚或更多。通过对比多次观测的结果，他就能得到每颗恒星在不同夜晚的大致位置，从而完成整个观测系列。他坚持不懈地继续进行着这些观测工作。

他进行了无数次观测，最终获得了巨大的成功，这一成就充分补偿了他所有的辛勤努力。

1801年1月1日，皮亚齐第159次开始观测新的星体。那天晚上，他通过望远镜观察到了50颗恒星，并仔细记录下了它们的位置。其中前12颗无疑属于恒星，而第13颗也似乎同样是一颗恒星，位于金牛座，亮度为8等。从望远镜观测到的特征来看，这颗恒星与之前或之后的其他恒星并无区别。按照惯例，皮亚齐在接下来的夜晚再次观测了这50颗恒星，1月3日又观测了一次，4日则再次观测。随后，他像往常一样将每颗恒星的观测位置汇总起来。很快他就发现，列表中的第13颗天体与其他所有天体截然不同，也与他此前观测过的任何恒星都不一样。这颗神秘天体的四个观测位置各不相同，也就是说，它在移动，因此是一颗行星。

经过几天的观测，人们便发现这颗后来被命名为谷神星的小天体是如何围绕太阳运转的，以及它是如何在火星轨道与木星轨道之间的空旷区域中运行的。这一发现引发了极大的兴趣，也对天文学的发展产生了深远影响。我们太阳系中那些庞大的行星们，现在不得不让出一部分“阳光带来的益处”给这颗更为微小的天体。

在皮亚齐获得更多观测数据之后，观测这片天区的季节已经过去，这颗新发现的行星自然也就不再可见了。毫无疑问，几个月后，同一片天空又会出现在地平线上，星星也会像以前一样可以被看到。不过，这颗行星仍在继续移动，等到下一个观测季节到来时，它将会移至更遥远的区域，再次与其它恒星混为一谈。

它与那些星星极为相似。那么，在这颗行星看不见的期间，要如何追踪它的位置？又如何在它再次可以被观测到时识别出它呢？

这一难题引起了天文学家的注意，他们试图找到某种方法来确定这颗行星的位置，以免皮亚齐的发现被遗忘。一位名叫高斯的年轻德国数学家，通过成功解决这个问题开启了他的辉煌事业。正如我们所知，行星围绕太阳做椭圆运动，而太阳位于该椭圆的焦点上。可以证明，只要知道行星的三个位置，就能完全确定它运行的椭圆轨道。皮亚齐每次都会测量行星当时的位置，这些数据掌握在高斯手中，他需要解决的问题可以这样表述：已知行星在三个夜晚的位置，无需进一步观测，就能预测出几个月后某个特定时刻行星的位置。基于开普勒定律的数学计算能够解决这个问题，而高斯也确实做到了。他证明了，尽管天文学家的望远镜无法在行星看不见的时期探测到它，但数学家却可以用精确的方法追踪它的轨迹。因此，当季节变化使得再次能够进行观测时，人们便重新开始寻找。他们将望远镜对准高斯计算出的位置，果然在那里发现了小行星谷神星。自它被重新发现以来，这颗行星就一直处于数学计算的掌控之下，每年每晚它的位置都能以近乎与观测月球或太阳系中的大型行星相同的精度被确定下来。

随着一颗小行星的被发现，类似的成功接踵而至，短短七年间，木卫二、木卫三和灶神星也被纳入了太阳系。所有这些天体的轨道都位于火星与木星轨道之间，多年来似乎一直如此。

人们原以为我们的行星系统已经完整了。40年后，人们又开始进行系统的研究。一颗又一颗行星被添加到列表中；随着时间的推移，发现的行星数量不断增加，到1897年时总数已达到约430颗。它们在太阳系中的分布情况大致如图55所示。由于天文望远镜的改进，以及一些天文学家对这项有趣研究的投入，人们开发出了一种专门的观测方法，专门用于寻找这些小天体。

众所周知，所有大型行星在天空中的运行轨道几乎都与太阳在恒星间的运行轨迹重合，而这条轨迹被称为黄道。因此，人们自然会认为小型行星也会沿着同一条轨道运行，从而依次经过黄道上的各个星座。当然，也有一些小型行星的轨道与太阳的轨道有较大偏差，但绝大多数行星的轨道还是接近太阳的轨道的。这一事实大大简化了新行星的搜寻工作——只需在天空中的某个特定区域进行搜索即可，没必要将搜寻范围扩大到其他区域。

接下来的步骤是绘制出该区域内所有恒星的星图。这是一项极其艰巨的任务：通过大型望远镜能够看到的恒星数量极为庞大，在如此有限的区域内就可能包含数万，甚至数十万颗恒星。事实上，目前已知的许多小型行星都是极其微小的天体，只有借助非常强大的望远镜才能观测到它们，而且为了发现它们，还需要使用那些标出了最暗淡恒星的星图。许多天文学家共同参与了这些星图的制作工作，其中值得一提的是维也纳的帕利萨，他利用自己制作的星图发现了83颗小型行星；还有纽约克林顿市的已故彼得斯教授，他也用类似的方法发现了49颗此类天体。

图55——火星与木星之间的小行星带。

那些试图寻找新行星的天文学家会将望远镜对准午夜时太阳运行轨迹上处于子午线上的那个区域；因为只有在那里，才有找到目标的可能，毕竟在这个区域，该天体距离地球比在其轨道上的其他任何位置都要近。他们会仔细地将星图与天空中的星星进行比对，通常情况下，天空中的星星与星图上的星星是对应的；但有时也会出现天空中的某个点在星图上找不到的情况。这时他们立刻会注意到这一点，然后仔细追踪那个天体，如果它确实在移动的话……

那是一颗行星。不过他仍无法确定自己确实有了新发现；毫无疑问他确实发现了一颗行星，但它很可能只是那些早已为人所知的行星之一。为弄清这一点，他必须进行进一步的、有时极为繁琐的调查工作：他需要查阅《柏林年鉴》以及其他关于这类行星的星表，看看其中是否有哪颗行星可能在那个夜晚处于该位置上。如果他能确定此前没有其他已发现的天体可能出现在那里，那么他就有资格向其他天文学家宣布发现了太阳系的新成员。显然，所有较为重要的小行星早就已被发现了。最近被列入清单的那些，通常都是极其微小的天体，小型望远镜根本无法观测到它们。

自1891年以来，我们刚才描述的那种寻找小行星的方法几乎被弃用了，取而代之的是一种更为有效的手段。人们发现，可以利用摄影技术来绘制天体图谱。将感光板置于望远镜中，对准天空中的某一区域，曝光时间要足够长，以便那些极其暗淡的恒星也能在感光板上留下影像。必须确保控制相机移动的时钟能够极其精确地跟随地球的自转，这样恒星在感光板上才会呈现为清晰的点状。如果在冲洗感光板时发现某颗恒星留下了轨迹，那就说明在这段曝光时间内（通常为数小时），这颗恒星必定有自身的运动；换言之，它就是一颗行星。为了更加确信，人们通常会在稍后再次拍摄同一区域。如果第一张感光板上的轨迹位置现在是空的，而第二张感光板上则出现了一条与第一条轨迹相连的新轨迹，那么就再没有任何疑问了——我们确实发现了一颗行星，而且并非因为感光板上的杂质或一些恰好靠得过近的微小恒星而产生了误判。海德堡的沃尔夫以及尼斯的夏洛瓦也用这种方法发现了大量新的小行星，同时还找回了许多因观测不足而丢失的行星。

1898年8月13日，柏林乌拉尼亚天文台的G.维特先生通过摄影法发现了一颗新的小行星。起初，这颗小行星被认为只是此前已发现的432颗小行星中的又一颗，并无特殊重要性。按照惯例，它被赋予了一个基于字母顺序的临时编号，即“DQ”。不过现在，这颗小行星已经有了正式的名字。维特先生将其命名为“爱神星”。这一名称已被天文学家们所接受，从此以后，这颗小行星就以这个名字为人所知。

让“爱神星”的发现成为近代天文学史上最引人注目的事件之一的原因在于：每当这颗小行星最接近地球时，它的距离会比火星还要近，甚至比金星还要近，也比其他已知任何小行星的距离都要近。因此，我们可以说“爱神星”是整个宇宙中距离我们最近的行星邻居。在某些情况下，它与地球之间的距离甚至不会超过太阳与地球平均距离的七分之一。

至于小行星的物理构成以及其表面的特征，我们完全一无所知。从目前的情况来看，这些小行星或许就像地球的缩小版，拥有各种大陆和海洋。如果在这些直径仅为几英里的天体上存在生命，那这种生命必定与我们所熟悉的任何生命形式都截然不同。除了可能缺乏水以及很难存在适合呼吸的大气层之外，重力本身也会阻止那些适应地球环境的生物在小型行星上生存。

让我们试着来说明这一点：假设有一颗直径为8英里的小行星，换算成整数的话，就是地球直径的千分之一。再假设这颗小行星的成分与地球上的物质相同……

很容易证明，该行星表面的重力仅为地球重力的千分之一。因此，如果把物体从地球移到那颗行星上，它的重量也会变为原来的千分之一。普通的秤是无法检测出这种变化的，因为普通秤中，待称量的物体放在一个盘子里，而配重则放在另一个盘子里。用这种方式测量时，物体的重量在任何地方都应该是相同的；因为既然物体的所受重力发生了变化，那么配重所受的重力也会按相同比例发生变化。不过，用弹簧秤来测量的话，这种差异就会立刻显现出来，提升物体所需的力也会变为原来的千分之一。在地球上需要1000磅的力才能举起的物体，在那颗行星上只需同样的力就能举起；由此产生的效果实在令人惊叹。

在关于月球的描述中（第103页），我们提到过可以计算出让抛射物以多快的速度发射，才能使其永远不再落回它被发射出的星球上。我们运用这一原理来解释为什么月球似乎已经完全失去了它曾经可能拥有的大气层。

为了便于说明，如果我们假设所有行星的密度都相同，那么表示每颗行星的临界速度的规律就很容易得出。实际上，这一速度与相应行星的直径成正比。因此，对于一颗直径仅为地球直径千分之一、大约8英里的小行星来说，其临界速度就是6英里/秒的千分之一，也就是大约30英尺/秒。这个速度相对于普通标准来说相当低。小孩子轻松就能将球抛到15或16英尺的高处，但要达到这样的高度，球必须以30英尺/秒的速度被抛出。如果一个孩子站在直径为8英里的行星上，将球垂直向上抛出，那么球将会飞到极高的高度。如果初始速度低于30英尺/秒，球最终会停止运动，开始下落。

速度逐渐加快，最终以与初始发射时相同的速度重新回到地表。如果初始速度达到或超过每秒30英尺，那么球体就会一直向上飞去，再也无法返回。在以后的章节中，还需要再次探讨这个话题。

通过强大的望远镜，一些小行星会呈现为具有相当尺寸的圆盘状，甚至可以用微米来测量它们的大小。利克天文台的巴纳德教授就是通过这种方式，测出了最初发现的四颗小行星的直径：——

485号小行星谷神星：若干英里。
304号小行星智神星：若干英里。
118号小行星朱诺星：若干英里。
243号小行星灶神星：若干英里。

不过，朱诺星的直径数值相当不确定，而且绝大多数小行星的实际大小都远小于这里给出的数值。通过特定的计算方法，我们可以估算出所有小行星的总质量，因为观测结果可以告诉我们它们对火星运动的整体影响程度。勒维耶据此推断，这些小行星的总质量大约相当于地球质量的四分之一。哈泽尔以更精确的方法进行了研究，得出的结论是这些小行星的总质量相当于地球质量的六分之一。毫无疑问，目前所知的所有小行星的总质量，还远远低于这些计算得出的数值。因此我们可以推断，必定存在着数量极多的小行星。

那些尚未被天文台发现的行星。这些未知行星的体积必定极其微小。

这类天体的轨道与大型行星的轨道有着显著的不同。其中一些天体的轨道倾角为30°，而大型行星的轨道倾角则不超过几度。此外，一些小行星的轨道也是极度拉长的椭圆形，而大型行星的轨道则几乎呈圆形。这些小天体绕太阳公转的周期在3年到近9年之间。

由于不断有新的小行星被发现，那些致力于研究这一领域的天文学家们取得了巨大成果。他们的辛勤工作使得“柏林年鉴”中的计算机能够处理大量数据。在这方面，“柏林年鉴”所发挥的作用是其他国家的同类出版物或我国《航海历书》所无法比拟的。一群技术娴熟的计算机专家负责为“柏林年鉴”提供关于小行星运动的详细信息。一旦获得足够的观测数据，天文学家就能预测出这些小行星未来的运行轨迹，所有已知小行星的相关信息都会收录在该年鉴的年度版本中。

随着新发现的数量迅速增加，为做出此类预测所需的工作量也变得极为庞大。必须承认，许多小行星非常暗淡，且并无其他值得研究的特性，因此有些天文学家认为，目前用于计算这些天体轨道的大量精力或许可以用于更有意义的工作上。为此，只需将那些不太重要的小行星放任自流，让它们继续按照自己的轨道运行即可。

通过望远镜，或是借助数学计算机生成的精确数据表，都可以实现这一目的。控制着我们太阳系中各天体的太阳，同样也会以同样的细心来引导那些构成小行星的微小天体。在某些时候，其中一些小行星会靠近地球到足以引起那些致力于测定太阳系尺寸的天文学家的注意的程度。这类观测具有很高的精度，而且还可以根据需要重复进行多次。因此，这些小天体在未来具有重要的天文价值，因为它们似乎比金星或火星更能准确地指示地球到太阳的距离。而那些最小的行星则无法用于此目的——它们只能通过强大的望远镜才能被观测到，且无法以所需的精度进行测量。显然，用于观测的行星必须尽可能接近地球。在有利的情况下，有些小行星会靠近地球，其距离约为地球到太阳距离的四分之三。种种条件限制了可用于此目的的天体数量，大约只有十几颗，而每年通常只有一两颗处于合适的观测位置。

对于测定太阳距离而言，利用小行星作为参照物的这种方法无疑具有诸多优势。在望远镜中，太阳本身只是一个微小的类星点，而测量则是从它到附近恒星的距离来进行的。在此，或许有必要简单说明一下这里所提到的观测方式的本质。当我们谈到从行星到恒星的距离时，我们并不是指那种最常规的理解方式——即直接测量行星与恒星之间的直线距离。即便能够做到这一点，也只能通过一系列长时间的观测才能获得结果，而这类观测方法将在后面讨论恒星距离时再作解释。此处所说的测量方式则更为简单，其目的仅仅是确定……

天体的视距是以角度来表示的。这种角度测量与线性测量有着本质上的不同，两种方法得出的结果有时会显得自相矛盾。

以构成昴宿星团和北斗七星的恒星群为例。北斗七星是一个较大的恒星群，而昴宿星团则较小。但为何我们认为“较大”和“较小”这两个词适用于此处呢？因为北斗七星中的每对恒星与观测者眼睛之间形成的角度都很大，而昴宿星团中的每对恒星所形成的角度则很小，正是这些角度才是天文学测量的直接对象。当我们谈论两颗恒星之间的距离时，指的其实就是从观测者眼睛到这两颗恒星所构成的角度。这正是我们的仪器能够测量的内容，而且需要注意的是，这种测量并不涉及任何线性尺寸的考量。实际上，如果我们要讨论实际的尺寸的话，很有可能昴宿星团其实比北斗七星更大，而北斗七星之所以看起来更“大”，只是因为它距离我们更近而已。当两颗恒星或两个类恒星点足够接近，以至于可以被望远镜同时纳入视野时，就能得到最精确的角度测量值。有一些特殊的仪器可以帮助天文学家获得极高的测量精度，而这种精度是用来测量那些特征不那么明显或距离较远的物体时无法达到的。因此，对于那些较小的类恒星行星来说，其与恒星之间的距离也能被非常精确地测定出来。

不过，还有另一个或许更为重要的理由支持通过这种方法来确定太阳系的规模。使用小行星进行测量的真正优势，并不在于单次观测的精确度，而在于该方法允许对同一目标进行大量重复观测，从而提高结果的准确性。当然，当我们谈论观测的精确度时，并不能认为它完全不会存在误差。误差始终存在，尽管可能很小，但如果……

需要测量的量极其微小，哪怕是微不足道的误差，也可能占到整体数值的相当大比例。降低这种误差的方法之一，就是对大量观测数据取平均值。这正是小行星测量法具有价值的真正原因。我们无需等待金星凌日之类的罕见天象出现——每年都会有至少一颗小行星足够接近地球，使得这一方法得以应用。每颗小行星所处的环境各不相同，而且对其进行的观测方式也多种多样，这些因素都有助于消除误差。

由于行星在夜空中运行时，周围到处都是数以亿计的微小恒星，显然，这颗本身就类似恒星的行星，其附近总会有一些恒星存在。由于已知行星的运动规律，我们可以预测出每次观测时它的位置。因此，可以提前与地球上不同地区的观测者商量好每晚的具体观测任务。

在吉尔博士的建议下，人们试图以与其重要性相称的规模来应用这一方法。1888年和1889年，伊里斯星、维多利亚星和萨福星恰好非常接近地球，于是人们安排在南北半球同时进行观测。在观测开始前的数月，就已经制定了完整的计划。参与这项工作的每位观测者都能提前得知每晚需要观测的恒星。无论从好望角还是从英国来看，这些恒星的位置都完全不变。它们的距离极为遥远，以至于地球上的位置变化几乎不会对它们造成任何影响。但对于小行星来说情况则不同——它的距离仅为恒星的百万分之一，因此从好望角或欧洲观测时，行星的位置会发生变化，而且这种变化是可以被测量出来的。

我们所要确定的数值，是通过比较北半球与南半球所进行的观测结果来获得的。这两个地区的观测必须在尽可能接近同一时间进行，同时也要考虑到行星在观测间隔期间可能发生的运动。尽管我们已采取一切措施来消除各项观测中的误差，但事实依然是：我们需要将北半球的观测数据与数千英里之外、使用不同仪器的其他观测者所获得的数据进行比较。不过在这方面，我们所面临的困难并不比观测金星凌日时更大。

然而，这一难题也是可以解决的，这样一来，小行星测量法就能展现出其无可争议的优越性。如果我们能安排一位天文学家在北半球天气良好的夜晚完成一系列观测后，立即带着所有仪器前往南半球的观测站，并在那里重复这些观测，那么这个难题就能被克服。这种转移其实无需任何神奇的手段，无疑是我们目前所知的最完美的测量太阳距离的方法。吉尔博士已经成功地将这种方法应用于对朱诺星的观测，还有其他一些小行星也具备更为有利的观测条件。

例如，考虑这样一颗小行星——它有时会靠近地球到70,000,000英里以内。当它接近冲日时刻时，就需要在赤道附近的合适地点安排一名经验丰富的观测者。他需要使用的仪器，就是那种堪称机械与光学技术的杰作的日晷仪。[20]它可用于测量那些距离过远而无法用普通微米计测量的物体之间的角距离。观测应在傍晚进行，此时行星已经升得足够高，能够被清晰地看到。之后，观测者和观测站则需要被转移到地球的另一侧。这要如何实现呢？或者更确切地说，我们该如何阻止这种转移的发生呢？地球不是正在绕着自己的轴旋转吗？如此一来，短短几小时内……

位于赤道上的观测站究竟要如何移动数千英里才能完成观测呢？随着清晨的临近，需要再次进行观测。结果发现，这颗行星相对于恒星的位置发生了相当大的变化。这部分是由于行星自身的运动所致，但更大程度上则是由于地球自转所引起的视差效应，其数值可能达到20秒左右。在单个夜晚使用日晷进行观测时，其平均误差不应超过1/5秒；因此，在冲日期间，我们有望在大约25个夜晚内完成观测。通过4组这样的观测数据，就可以得出太阳距离的精确值，其误差不会超过总距离的千分之一。这一过程的主要难点在于从傍晚到清晨的这段时间内行星位置的变化。不过，只要持续不断地测量行星相对于其所经过的恒星的位置，就可以避免这一问题。

在1897年由开普敦天文台在吉尔博士的领导下完成的这项重要研究中，通过对Iris、Victoria和Sappho三颗恒星的观测，最终得出了相关数据。根据这些数据，当地球处于平均距离时，其赤道半径在太阳中心所张的角度为8´´·802。如果我们使用最精确的地球赤道半径数值，那么可以得出太阳中心到地球中心的平均距离为92,870,000英里。这很可能是迄今为止对太阳系尺度最精确的测定结果。

第十二章 木星
木星的巨大体积——其直径与地球的比较——
这颗行星的尺寸及其轨道——它的自转——其重量与体积与地球的比较——木星的相对轻质性及其成因——
木星很可能仍然处于高温状态——木星上的环带——其表面的斑点——不同斑点的自转周期各不相同——木星上的风暴——木星并非发光体——木星的卫星们——它们的发现——通过望远镜观察到的景象——它们的轨道——日食与掩星现象——经过中的卫星——光速的发现——如何通过实验测量这一速度？——通过木星卫星的日食来确定太阳的距离——木星的卫星们为哥白尼理论提供了证据。

在探索构成太阳系的这些美丽天体时，我们一直从太阳开始，逐步向外探索。按照这种方法，我们现在来到了美丽的木星——它沿着一条位于我们刚刚讨论过的小行星轨道之外的轨道运行。这些微小的天体与巨大的木星相比，差距实在巨大。如果我们采用另一种研究方式，比如按照天体的大小顺序来探讨它们，那么小行星将会是最后被研究的对象，而木星则会是首当其冲的研究对象。木星无疑拥有无可争议的领先地位。接下来大小仅次于木星的是美丽而有趣的土星，但它的体积仍远远不及木星。要到达天王星和海王星，还需要再进一步降低规模；而要到达包括地球在内的那组较小的行星，则需要再降一级。木星远远高于其他行星，即便把太阳系中所有的其他天体都合并在一起，其总质量也依然无法与木星相媲美。

旁边的图片（图56）展示了木星与地球的相对尺寸，它能让人们更直观地感受到木星的巨大体积——这一印象是仅通过图56或单纯的数值数据难以获得的。为了能够准确估算木星的体积，我们需要给出相关的数值数据。不过，由于有必要在读者面前先介绍这些数值，因此我们将在本章开头予以说明。

木星沿着以太阳为焦点的椭圆轨道绕太阳运行，平均距离为483,000,000英里。因此，木星轨道的直径大约是地球轨道直径的5.2倍。木星轨道的形状与圆形有较大差异：它离太阳的最远距离为5.45个单位，最近距离约为4.95个单位，而地球离太阳的距离则被设定为1个单位。即使在观测木星最理想的时刻，它的距离仍约为地球到太阳距离的4倍。这个巨大的天体也印证了这样一条规律：行星距离太阳越远，其公转速度就越慢。地球每秒可移动18英里，而木星仅为8英里。基于这两个原因，外层行星完成一次公转所需的时间必然长于地球的公转周期。不仅如此，外层

这颗行星完成一次公转所需的时间比地球长，但速度却更慢；因此，木星需要4,332.6天才能绕太阳一周，这一时间大约相当于十二年减去五十天左右。

木星的平均直径约为87,000英里。我们之所以说“平均直径”，是因为木星的赤道直径与极地直径之间存在显著差异。其实地球也是如此，其极地直径也小于赤道直径；不过木星上这两种直径的差异要比地球大得多。木星的赤道直径为89,600英里，而极地直径则不超过84,400英里。从这些数据可以看出，木星的椭圆度相当明显，无需复杂的测量手段就能察觉到。木星围绕其最短的直径旋转时，考虑到其巨大的体积，其旋转速度可谓极为快，每次旋转大约需要9小时55分钟。

我们自然可以将木星的旋转周期与地球24小时的缓慢旋转速度进行比较。如果我们再考虑位于地球赤道和木星赤道上的物体实际的运动速度，这种差异就会更加明显。由于木星的直径几乎是地球的十一倍，因此木星赤道上的物体运动速度应该是地球上的二十七倍左右。毫无疑问，正是如此高的旋转速度导致了木星异常的椭圆形态——快速的旋转产生了巨大的离心力，使得构成木星的柔软物质向外膨胀。

就目前所知，木星并非固体行星。这是一个非常重要的特点；因此有必要对这一问题进行较为详细的探讨，因为这颗巨行星与我们之前研究过的其他行星之间存在巨大差异。根据已有的数据，我们可以很容易地计算出木星的体积。结果表明，木星的体积大约是地球的1,300倍。

其大小与地球相当；换句话说，需要1,300个与地球大小相同的球体叠在一起，才能形成一个与木星大小相当的球体。

如果构成木星的物质性质与地球上的物质类似，那么我们可以推测，这颗行星的重量会超过地球的重量，且超出的程度大致与其体积的比例相当。现在，我们就要对这一假设进行验证了。此时人们可能会立刻提出一个问题：我们该如何测定木星的重量呢？就连测量我们脚下的地球的重量都并非易事，那么又如何去测量一颗比地球大得多、而且距离我们数亿英里远的巨大行星的重量呢？这确实是一个艰巨的任务。然而，人类的智慧足以完成这项天文学上的壮举。虽然他们实际上无法制造出用来称量如此巨大行星的秤，但他们能够利用某些自然现象来获取所需的数据。

这类研究是基于万有引力定律的。木星的质量会吸引太阳系中的其他物体，而这种引力的作用在靠近木星的物体上表现得尤为明显。在这种引力的作用下，这些物体会产生特定的运动。我们可以通过望远镜观察这些运动的特征，确定其强度，进而根据这些测量结果计算出引发这些运动的物体的质量。这是我们研究行星质量的唯一方法；尽管在实际应用中存在诸多困难——不仅因为需要进行精确的观测，还因为这些观测数据需要经过极其复杂和深入的计算——但至少对于木星而言，其结果是确定的。

对于我们太阳系中最大的这颗行星来说，由于它拥有众多卫星，这一任务反而变得简单了许多。这些小卫星在木星的引力作用下绕行，它们的运动……

不得有其他干扰，以免影响其被用于我们目前的用途。正是通过观测木星的卫星，我们才能测量出它的引力强度，进而计算出这颗巨大行星的质量。

对于那些不熟悉力学原理的人来说，可能很难理解这种方法的精确度究竟有多高。然而毫无疑问，正是这些卫星让我们能够得知木星的质量，而且其误差幅度远小于总质量的百分之一。如果还需要其他证据的话，那也有大量的证据可供参考。有时会有小行星靠近木星的轨道，受到木星引力的作用而偏离原有轨道，我们可以测量出这种偏移量，再通过计算得出木星的质量——不过在此处就无需详细阐述这一计算过程了。通过这种方法得出的木星质量，与通过其他方式利用卫星数据所得出的质量是一致的。

我们还没有完全利用天文学在解决这个问题上的各种手段。我们还可以放弃行星系统，转而借助彗星的力量——彗星在穿越行星轨道时，常常会遭受巨大的引力扰动。目前只需指出：有那么一两次，一些大胆的彗星距离木星足够近，因而受到了强烈的引力影响，它们轨道的变化便显示出了作用于它们的引力大小。木星的卫星、小行星以及彗星，都在告诉我们这颗巨大行星的质量；由于所有这些方法得出的结果都基本一致（至少在极小的误差范围内），我们完全可以确定，我们太阳系中最大的行星的质量已经被准确测出了。

现在，必须公布这些测量结果。显然，这些结果显示出木星的质量远远不及太阳——实际上，需要将大约1,047颗木星的质量加在一起，才能形成与太阳质量相当的天体。

太阳。这些数据还表明，需要316个与地球重量相当的球体才能抵消木星的重量。

这无疑证明了木星是一个体积极为庞大的天体；但真正值得注意的并非木星的重量是地球的316倍，而在于它的重量其实并没有比地球大太多。我们不是已经说过木星的大小是地球的1,300倍吗？那为什么它的重量只有地球的316倍呢？这显然表明木星与地球在构成上存在某种根本性的差异。我们该如何解释这种差异呢？可以有两种解释。首先，人们可能会认为木星是由地球上部分或全部未知的物质构成的。不过，还有另一种更为符合哲学逻辑且与现有证据更为一致的假设。的确，我们对木星上的基本物质知之甚少，甚至一无所知，但现代天文学的重大发现让我们对宇宙中其他天体中的基本物质有了一些了解，而且这些物质在很大程度上与地球上的基本物质是相同的。如果木星是由类似地球上的物质构成的，那么就只有一种方法能够解释其大小与质量之间的差异。或许，最好的解释方式就是回顾地球自身的远古历史，因为似乎很有可能，木星目前的状况早在无数年前就已经在地球的状况中有所预示。

在前一章中，我们曾提到地球似乎是从一种曾经极其炽热的状态逐渐冷却下来的。我们越往回追溯，地球的温度似乎就越高；如果将时间再往前推，就会发现地球曾经有过如此高的温度，以至于表面不可能存在生命。再早一些的时候，地球上的温度高到水都无法停留在其表面；因此，很有可能在某个极其遥远的时期，现在位于地球深处的所有海洋，以及可能还包括现在已固化的地壳的大部分，都处于某种状态之中。

蒸汽。这样的变化并不会改变地球的质量，因为无论温度如何，物质的重量都是不变的，但它会显著改变地球的尺寸。如果这些海洋都变成蒸汽，那么充满厚重云层的大气层其体积将会是现在的数百倍。从遥远的行星上观察，这片布满云层的大气层就能显示出地球的可见大小，而地球的平均密度则似乎会远低于现在的数值。

从这些考虑可以看出，如果我们假设木星如今正处于如同地球在远古时代那样的高温状态，那么木星与地球在尺寸和重量上的差异就会完全消失。所有情况都支持这一观点。我们曾将月球的较小体积作为其热量已足够散失、火山因而停止活动的理由；同样地，地球相对于木星来说体积较小，这也解释了为何木星仍保留着大部分原始热量，而较小的地球则已经散发了大部分热量。当我们把其他行星也纳入比较时，这一论点会得到进一步的印证和加强。一般来说，像地球和火星这样的较小天体具有较高的密度，这表明它们的温度较低；而像木星和土星这样的巨型行星则密度较低，这说明它们仍保留着大量原始热量。我们用“原始热量”这个词，可能是因为找不到更准确的表达方式；不过它至少表明我们并非指太阳的热量——实际上，那些距离太阳较远的巨大行星所接收的太阳热量要远远少于靠近太阳的行星。至于这种原始热量究竟来自何处，目前还只是猜测而已。

要彻底证明关于木星的这些观点，就需要通过望远镜对其表面进行详细观测；幸运的是，木星的体积非常大，即便在……

木星与地球之间的距离以百万英里计，其数值远远超过一年中的天数，但我们仍然能够在它的表面辨认出一些显著的特征。

图十一展示了木星的四种不同视角的图像。这些图像源自格里菲斯先生在1897年绘制的关于这颗巨大行星的精美画作。第一张图片显示的是1897年2月17日格林尼治时间10点20分时，通过强大的折射望远镜所看到的木星外观。从这张图中我们可以立刻看出，木星的轮廓明显呈椭圆形。木星表面通常会呈现出一系列明显的带状结构，这些带状结构彼此之间以及与木星的赤道几乎平行。

如果对木星进行数小时的观测，就会发现这些带状结构会发生变化。这部分是由于木星绕自身轴心旋转所致——在不到五小时的时间里，原本可见的半球就会被完全遮住，取而代之的是原本位于另一侧的半球。不过，除了这种由旋转带来的变化之外，木星表面的带状结构及其他特征也会不断变化。有时会出现新的条纹或标记，而旧的则会消失；事实上，仔细观察木星就会发现一个惊人的事实：根本不存在任何永久性的特征。在这里，我们立刻就能感受到木星与火星之间的差异：在较小的火星上，其主要的地形轮廓几乎保持不变，因此可以绘制出细节相当准确的表面地图；而要为木星绘制地图则是不可能的——今晚我们所绘制的木星图像，与几周后同一半球的图像将会有所不同。

不过，需要指出的是，木星表面偶尔会出现一些似乎比那些带状结构更为持久的特征。其中最著名的就是所谓的“大红斑”，自1878年以来，它就一直是木星南半球上极为显眼的特征。这一现象吸引了众多观测者的极大兴趣，它的长度约为3万英里，宽度约为7千英里。

巴纳德教授指出，木星表面的那些斑点越古老，颜色就越偏红。

由此我们不得不得出这样的结论：当我们观察木星的表面时，实际上并不是在看一个固体天体。如果我们所看到的只是充满浓密云层的 Atmosphere，那么该行星表面特征的不稳定性也就可以理解了。尤其是那些带状区域更支持这一观点；它们让我们立刻联想到地球的赤道地带，而那些距离地球足够远、能够清晰观测到其外观的观测者，很可能会在木星表面发现类似地球上的那种近乎完美的云带。从某种意义上说，地球的外观应该介于木星和火星之间。在火星上，行星表面的永久性特征仅被浮在表面的云层略微遮掩而已。而地球则始终部分被云层覆盖，而且往往覆盖范围相当大，而木星则似乎一直都被云层完全笼罩着。

通过另一类观测，我们还得知另一个重要事实：至少从表面上看，木星并非固体天体。通过观测某些具有足够清晰度与稳定性的标记，我们可以确定木星绕自身轴心旋转的周期。假设其中一个标记位于木星圆盘的中央，我们先精确测量它的位置并记录下时间。随着时间的推移，这个标记会移动到圆盘边缘，然后绕过行星的另一侧，再回到可见的圆盘上。当它再次回到最初的位置时，我们再次记录时间，这段间隔时间就是该标记的旋转周期。

如果木星是固体，且这些特征是刻在其表面的，那么显然，任何一个标记所测得的旋转周期都应该与其他标记的周期完全一致；但实际上并非如此。事实上，更准确的说法是，每个标记都有其自身的旋转周期。这些差异也……

时间非常短。研究发现，那个位于南纬约25度的红色斑点完成一次旋转所需的时间，比赤道附近某些特殊白色标记所需的時間长5分钟左右。人们已经观测这个红色斑点大约20年了，在这段时间里，它的旋转速度似乎越来越慢，从以下旋转周期的数据就可以看出这一点：——
1879年：9小时55分33.9秒；
1886年：9小时55分40.6秒；
1891年：9小时55分41.7秒。
自1891年起，这种减速趋势似乎消失了，同时该斑点也在逐渐消失。总体而言，可以说赤道区域的旋转周期约为9小时50分20秒，而温带地区的旋转周期则为9小时55分40秒。不过偶尔也会出现例外情况。在北纬22度处有一些小黑斑，它们分别于1880年和1891年出现，其旋转周期为9小时48分到9小时49分半。因此，可以肯定的是，就我们所能观察到的范围而言，木星并非一个固体天体。至少在其表面，它是由云层和气态物质构成的，从行星表面不断变化的情况来看，这些云层和气态物质似乎一直处于极其剧烈的风暴之中。

图版十一。
2月2日、2月4日。
2月12日、2月28日。
木星。
1897年。

图57——木星掩星（1）。

图58——木星掩星（2）。

图59——木星掩星（3）。

图60——木星的掩星现象（4）。
人们已经获得了许多关于木星的照片，其中在利克天文台拍摄的照片尤为有趣且具有参考价值。图57至图60展示了在特殊情况下用相机拍到的木星图像，这些照片是由威廉·H·皮克林教授于1892年8月12日在秘鲁的阿雷基帕拍摄的。
[21] 那个带有条纹的小天体就是木星；而那个正在移动的大圆盘（只能看到其中的一小部分）则是卫星。所展示的现象被称为行星的“掩星”现象。在图59中，木星位于卫星的后方；而在图60中，仍有半边木星被卫星的暗边遮挡着。

众所周知，导致地球周围大气层发生剧烈动荡的暴风雨，其根源终究在于太阳的热量。正是来自这颗巨大恒星的光线照射在广袤的大陆上，才引发了这些现象。

使与之接触的空气变热。这些被加热的空气会变得较轻，从而上升；而取而代之的空气则必须沿着表面流入。由此产生的气流便形成了微风或风。在特殊情况下，则会出现旋风和飓风等现象，而这些都是太阳热量所引发的。无需多言，那些常常伴随风暴而来的降雨，也是由太阳光束从广阔的海洋中蒸发出水分所形成的，而这些水分正是滋润大地的关键。

木星上的风暴似乎比地球上的要强烈得多。然而，木星上接收到的太阳热量其实只相当于地球所接收热量的极小一部分——甚至还不到二十五分之一。很难相信，这颗巨大行星上如此猛烈的风暴，其动力竟然完全或主要来自微弱的太阳热量。因此，我们不得不寻找其他导致此类扰动的源头。一旦承认木星仍保留着大量原始内部热量，这个源头就会变得显而易见。正如太阳本身也会因其强烈的内部能量而产生猛烈的风暴一样，木星上也存在类似的现象，只不过程度稍轻而已。另外还可以注意到，太阳表面的黑子通常分布在与其赤道平行的、大致规则的区域内，这一分布方式与木星上的带状区域颇为相似。

既然承认木星仍保留着一些内部热量，那么问题就在于到底有多少热量。显然，与太阳的热量相比，木星自身的热量是微不足道的。木星之所以能在午夜的天空中显得如此明亮，是因为它反射了照亮地球、月亮及其他行星的同一束阳光。实际上，木星发光是由于反射了太阳光，而非其自身具有任何内在光源。对于每一个使用过望远镜的人来说，都有一个很好的证据可以证明这一点：木星的小卫星有时会挡在它与太阳之间，从而在木星表面投下阴影。相对于木星周围明亮的表面而言，这个阴影是黑色的，或者至少看起来是黑色的。

因此，很明显，木星的明亮光芒得益于太阳的光照。那些卫星也为这一事实提供了另一个有趣的证明：其中有一颗卫星有时会进入木星的阴影中，于是那颗小卫星就消失了。这是因为木星挡住了原本让卫星能够被看见的阳光。而木星本身也无法为那颗卫星提供任何光亮来替代被它截获的阳光。[22]

不过，已有足够的证据让我们能够判断：木星上是否可能存在着与地球上的生物相似的生物。显然，这是不可能的。内部的热量以及剧烈的风暴似乎都使得这颗巨大行星上不存在有机生命的可能性，即便没有其他证据也能得出同样的结论。不过，或许有人可以合理地认为，从长远来看，木星有可能成为有机生命的栖息地。总有一天，木星的内部热量会逐渐减弱，云层也会慢慢凝聚成海洋，届时陆地就会出现，木星也就变得适合居住了。

在了解了木星本身的情况之后，我们现在来看看围绕在木星周围的五颗卫星所构成的美丽而有趣的卫星系统。事实上，我们之前已经多次提到过这些小天体，但并未过多展开，以免影响对它们更系统的探讨。

四颗主要卫星的发现可被视为天文学史上的一个重要里程碑。它们处于一个特殊的位置——介于肉眼可见的天体与需要用望远镜才能观测到的天体之间。虽然经常有人声称可以用肉眼看到这些卫星，但无需深入争论这个问题，只需记住这样一个事实：尽管木星几个世纪以来一直为人所熟知，但在最清澈的天空下，最敏锐的视力也从未能够……

在伽利略用新发明的望远镜观测它们之前，人们并未发现这些卫星。那台望远镜无疑性能十分低下，但即便如此，它也足以让那些处于视觉极限附近的物体显现在视野中。

图61——用低倍望远镜观测到的木星及其四颗卫星。
图61展示的是用中等倍率望远镜所观察到的木星及其卫星系统的景象。我们可以看到那个巨大的行星球体，而在其中心附近，有四颗较小的天体呈几乎一条直线分布着——三颗在行星的一侧，另一颗在另一侧。这些小天体看起来像星星，但可以通过它们围绕行星不断运动的特点与星星区分开来；在行星绕天体运行的整个过程中，它们始终伴随着行星一起运动。对于天文爱好者来说，没有什么比用望远镜观察这个美丽系统中的天体运动更令人愉悦的了。

图62——木星卫星的消失现象。
在图62中，我们展示了卫星所呈现的几种不同现象。那条长长的黑色阴影，是由木星挡在太阳光线路径上而产生的。由于太阳距离极为遥远，这条阴影会以一个极度细长的锥形延伸到远超最外层卫星轨道之外的地方。第二颗卫星就处于这片阴影之中，因此会被掩食。卫星的掩食现象不应归因于木星位于卫星与地球之间；这种现象被称为掩星，第三颗卫星正处于这种状态。第二颗和第三颗卫星同样看不见，但两者无法被看见的原因截然不同。在掩食现象中，卫星在陷入黑暗的那一刻，可能仍距离行星边缘有一段可见的距离，因此仍能在掩食发生前被观测到；而在掩星现象中，卫星在经过行星背后时已经非常接近行星明亮的边缘，因此无法像掩食那样清晰地观察到其光线的消失。

当卫星在行星表面上方运行时，还会出现另一种有趣的现象。在这种情况下，卫星本身往往不太容易被看到，但它投下的美丽阴影会在那颗明亮的行星上形成一个清晰的黑色斑点。实际上，即使卫星并非真正位于地球所看到的、处于行星正前方的位置，当它经过行星与太阳之间时，也常常会投下可见的阴影。

木星的四颗主要卫星绕其主星运行的周期分别为：第一颗为1天18小时27分34秒；第二颗为3天13小时13分42秒；第三颗为7天3小时42分33秒；第四颗则为16天16小时32分11秒。由此可见，木星卫星的运行周期明显比……短得多。

木星的卫星们。即便那些距离这颗巨大行星最远的卫星，其每绕行一周所需的时间也不到普通月亮的三分之二。其中距离木星最近的卫星，其绕行周期不到两天，因此会不断经历快速而剧烈的变化，而且每次绕行时都会发生日食现象。从木星中心到这四颗卫星中最靠近木星的那颗的轨道距离为25万英里，而最远离木星的那一颗的轨道半径则略高于100万英里。从木星向外数的第二颗卫星大小几乎与我们的月亮相当；另外三颗卫星则更大，其中第三颗是所有卫星中最大的（直径约为3,560英里）。由于从地球上看这些卫星非常小，因此很难观察到它们表面的任何特征，但现有的少量观测结果似乎表明，这些卫星和我们的月亮一样，总是以同一面朝向它们的母星。巴纳德教授利用强大的利克折射望远镜，在第一颗卫星上观察到了白色的赤道带，而其两极则极为黑暗。道格拉斯先生则利用洛厄尔先生的大型折射望远镜，发现了第三颗卫星上的一些条纹状痕迹。

1892年，E.E.巴纳德教授取得了一项非常有趣的天文发现。他利用36英寸的利克折射望远镜，在距离木星112,400英里的地方发现了一颗极其微小的第五颗木星卫星，该卫星的绕行周期为11小时57分22.6秒。只有用最强大的望远镜才能观测到它。

人们早已开始观测木星卫星的日食现象，并记录下了它们发生的时刻。最终人们发现，这些卫星的日食现象也如同其他所有天文现象一样，存在着一定的规律性。一旦掌握了日食重复出现的规律，就可以预测未来日食发生的时间。人们据此做出了预测，结果发现这些预测基本准确。随后，人们进一步改进了计算方法，试图以更高的精度来预测日食时间。不过，要精确到日食发生的确切时刻……

实际上，预期并不总能实现。有时日食会提前五到十分钟发生，有时则会推迟五到十分钟。这类偏差确实需要引起重视。事实上，正是通过对这些偏差的恰当分析，人们才得以做出诸多发现，而我们眼前所看到的就是一个极为有趣的例子。

人们最终发现，日食发生的规律性其实遵循着一定的规则：当地球靠近木星时，日食通常会在预测时间之前发生；而当地球处于远离木星的轨道位置时，日食则会在预测时间之后发生。这一规律被确认后，丹麦天文学家罗默在1675年便迅速做出了重大发现。当卫星进入阴影区域时，它的光线会逐渐减弱直至消失。正是来自这颗被遮蔽卫星的最后一缕光线决定了日食的发生时间，但这缕光线必须从卫星传送到地球，并进入我们的望远镜，我们才能察觉到日食的发生。过去人们认为光是瞬间传播的，因此认为日食发生的时刻就是通过望远镜观察到日食的那一刻。但现在人们意识到这种看法是错误的——光传播是需要时间的。当地球相对靠近木星时，光线的传播距离较短，关于日食的信息就能很快传来，因此日食出现的時間会比计算结果更早；而当地球远离木星时，光线的传播距离较长，所需时间也会超过平均值，从而导致日食出现的时间比预测的更晚。这一简单的解释解决了卫星日食预测中的难题。不过，这一发现的意义更为深远——它让我们了解到光具有可测量的速度，根据最新研究，这一速度约为每秒186,300英里。

为确定太阳距离而进行的最为著名的尝试之一，便是将光速测量实验与天文观测相结合的方法。这是一种相当精妙且有趣的研究方法，尽管它并不能完全满足所有必要条件……

要使其达到完全令人满意的标准，就不得不在此提及它。尽管光速极高，但人们还是通过实际实验测出了它的速度。这是有史以来最为精细的实验研究之一。如果测量步枪子弹的速度都很困难，那对于速度快近一百万倍的光线来说，又该如何测量呢？我们该如何设计出足够精密的仪器，来测定那种在1秒内就能绕地球赤道七圈的光速呢？普通的测量工具在这里根本无用，我们必须发明一种性质完全不同的仪器。

在试图测定运动物体的速度时，我们首先会标定一段距离，然后测量物体穿过这段距离所需的时间。我们是通过火车从一处里程标到达另一处里程标所用的时间来测定其速度的。而测量步枪子弹的速度，则是借助基于相同原理的巧妙装置来实现的。速度越快，实验中物体所经过的距离就应尽可能大。因此在测量光速时，我们会选择尽可能长的距离作为测量对象。不过，这条线的两端必须能够互相看见。一两英里外的一座山丘就可以作为远端观测点，而需要仔细测量山丘上该点与观察者之间的距离。

现在问题已经很明确了：需要将一束光从观察者那里发送到远端观测点，然后测量这束光在传播过程中所花费的时间。我们可以假设观察者通过某种装置设置了一个灯笼，从中发出一束细小的光线。假设这束光一直传播到远端观测点，然后照射到一面反射镜上。根据反射镜的倾斜角度，光线会立即被反射到新的方向。通过适当调整，可以让光线垂直照射到反射镜上，这样光线自然就会沿原路返回。

光线传播的方向。在实验过程中，镜子应始终保持在这个位置上。这样一来，从灯笼发出的光线在到达远处的反射器后再返回时，就会回到灯笼处。现在，假设在灯笼前方安装一个小快门。当我们打开快门时，光线会射向远处的反射器，然后再通过快门开口返回。但是，如果在光线有时间返回之前就试图关闭快门，那还有哪只手能做到这一点呢？即便远处反射器距离灯笼有10英里远，光线需要10英里才能到达反射器，再返回10英里，但整个过程仍只需大约九千分之一秒的时间——这个时间如此之短，即便延长一千倍，人类的手速也几乎无法在这么短的时间内关闭快门。不过，我们仍然可以制造出足够灵敏的快门来实现这一目的。

从本页的图示（图63）中就可以清楚地看出这种巧妙方法的原理，该图取自纽科姆所著的《大众天文学》。图中展示了灯笼、观察者以及一个带有突出齿状结构的大轮子。每当轮子的某个齿经过时，它就会遮住从灯笼发出的光束，同时也会遮住观察者的眼睛——因为观察者的视线当然是在看向远处的反射器。在图中所示的位置，来自灯笼的光线能够到达反射器并返回，从而被眼睛看到；但如果轮子开始旋转，那么光线在离开灯笼后可能来不及返回，就会被下一个齿挡住。如果让轮子转得更快，下一个齿可能会先经过观察者的眼睛，此时光线又会重新显现出来。我们可以测量轮子旋转的速度，从而确定某个齿经过观察者眼睛所需的时间；这样，我们就能知道光线完成往返旅程所需的时间，进而计算出光速。

由此看来，我们可以通过观测木星的卫星或通过实验来测定光速。如果采用后者，那么我们就能推导出一些重要的天文结论。实际上，我们可以利用这种方法来解决那个经常被提及的难题——即地球到太阳的距离——不过其精确度仍不及其他一些方法。

太阳系的尺度极为庞大，因此一束阳光需要相当长的时间才能穿越地球与太阳之间的巨大距离。大约需要8分钟的时间，所以我们所看到的太阳，其实是8分钟前那个位置上的太阳的样子。事实上，即便太阳突然被遮住，它在真正消失后仍会继续发光8分钟。我们可以通过木星卫星的日食现象来确定这一时间间隔。

只要卫星仍在发光，它就会向木星与地球之间的广阔空间中发射出一束光。当日食开始时，这颗小卫星不再发光，但其发出的光束仍会继续前行；在所有这些光线进入我们的望远镜之前，我们仍然会看到卫星像以前一样发光。如果我们能够算出日食实际发生的时刻，同时又能观测到日食被看到的时刻，那么两者之间的差值就是光在传播过程中所花费的时间。这一时间可以被较为精确地测定；而既然我们已经知道光速，就可以据此算出木星与地球之间的距离，进而推断出太阳系的规模。不过必须指出的是，在这一过程的两个环节上都存在一定的不确定性。日食并非瞬间发生的现象——卫星的体积较大，因此需要相当长的时间才能穿过形成阴影的边界，所以对日食的观测无法达到足够高的精度，从而无法作为进行精确测量的依据。[23] 而要确定卫星附近观测者所看到的日食的确切发生时刻，则面临更大的困难。为此，我们需要一种比目前所能获得的更为完善的关于木星卫星运动的理论。通过这种方法来测定太阳距离，其精度根本无法达到千分之一的水平，因此我们可以放弃这种方法，因为其他现有的方法似乎能够实现更高的精度。

对于数学家来说，木星的四颗主要卫星具有特殊的意义，因为它们为万有引力定律的普遍性提供了极为典型的例证。当然，这些卫星的运动主要受那颗巨大行星的引力控制，但它们之间也会相互吸引，由此会产生一些有趣的效应。

第一颗卫星每天绕木星中心旋转的平均角度为203°·4890，第二颗为101°·3748，第三颗则为50°·3177。这些数值之间存在一定的规律性，遵循以下规律：

第一颗卫星的平均运动速度加上第三颗卫星平均运动速度的两倍，恰好等于第二颗卫星平均运动速度的三倍。

还有另一条具有类似性质的规律，其表达方式如下：平均经度是指固定直线与通往卫星平均位置半径之间的夹角。如果将第一颗卫星的平均经度加上第三颗卫星平均经度的两倍，再减去第二颗卫星平均经度的三倍，其差值始终为180°。

这些原理最初是通过观测发现的。不过拉普拉斯指出，如果卫星们真的以这种方式运转，那么根据万有引力定律，它们之间的相互扰动将会使它们永远保持这种相对位置。

最后需要指出的是，木星卫星的发现为哥白尼理论提供了有力的支持。哥白尼试图让世人相信，太阳是一个巨大的球体，而地球及其他行星则是围绕这个巨大球体旋转的小天体。这一理论与以往人们所信奉的理论以及我们感官所能感知到的现象截然相反，只有通过严谨的推理才能确立。木星卫星的发现可谓恰逢其时——它为我们提供了一个极其清晰的实例，虽然规模要小得多，但与哥白尼所提出的体系完全一致。那些观察过木星卫星绕其主星旋转、注意到卫星掩星现象以及各种相关有趣现象的天文学家们，可以清楚地看到，这颗巨大的行星正在控制着这些小天体，迫使它们围绕自己旋转，从而展现出了整个太阳系的缩影。

“就像太阳上的黑子一样，伽利略宣布这一发现时，那些坚信自然界的一切都可以在亚里士多德的著作中找到解释的哲学家们对此表示怀疑。有一位著名的天文学家克拉维乌斯说，要想看到这些卫星，就必须拥有能够将它们呈现出来的望远镜；不过他后来改变了看法。”

另一位更为谨慎的哲学家则拒绝用望远镜观察，生怕看到那些天体而信以为真。不久之后他就去世了。尖刻的伽利略说道：“我希望，他在前往天堂的途中看到了那些天体。”[24]

第十三章　土星
土星在太阳系中的位置——土星是天空中最有趣的三个天体之一——与木星的比较——用肉眼观察土星——关于这颗行星的统计数据——土星的密度——密度小于水——伽利略的研究——他在土星上发现了什么——一个神秘的天体——半个世纪后惠更斯所做出的发现——如何证明环的存在——环每十五年会消失一次——行星的自转——著名的密码——其解释——土星的图像——那条暗线——赫歇尔的研究——环上的分界真的意味着分离吗？——解决这一问题的可能性——环处于关键位置——环上还有其他分界吗？——暗色的环——土星环的物理性质——它们可能是固体吗？——甚至是细长的环吗？——还是流体？——环的真实本质——众多的小卫星——土星环与小行星群的相似之处——土星带来的种种问题——围绕土星运行的卫星群——新发现的卫星——土星的轨道并非我们太阳系的边界。

在平均距离为886,000,000英里的遥远太空中，土星以29.5年的周期绕太阳旋转。在古人所知的范围内，这个巨大的轨道构成了行星系统的边界。

虽然土星的大小不及木星，但它的体积和质量远远超过地球，实际上也大于除木星之外的所有行星。不过，就尺寸而言，土星确实要逊色于木星；但人们普遍认为，即便加上木星周围的众多卫星，也无法与土星那令人惊叹的环系统相媲美。在笔者看来，土星始终是北半球观测者所能看到的最有趣的三個天体之一。另外两个天体将在后续章节中介绍，它们分别是猎户座的大星云和武仙座的星团。

就土星的整体结构而言，我们并未发现任何使其具有特殊魅力的特征。它的体积小于木星，而由于木星距离我们更近，因此土星的视直径比木星小两倍之多。此外，由于土星距离太阳较远，其自身的亮度也低于木星。当然，土星表面确实存在一些条纹和图案，但它们远没有木星上那些变化多端的环那么引人注目或具有特色。从望远镜中观察到的土星景象，其趣味性也远远不及火星。当火星处于有利观测位置时，我们可以看到极为精细的细节，而昏暗且遥远的土星则无法展现出这样的特征。即便仅从整体结构来看，土星也远不及金星那么有趣。金星的辉煌光芒与土星相比简直不可相提并论，而金星那美丽的月牙形轮廓，也远远比通过望远镜看到的土星景象更令人愉悦。尽管如此，这些事实并不能否定土星作为天空中最美丽、最有趣的天体之一这一事实。这种魅力并非来自土星的整体结构，而是来自于环绕着它的那套惊人的环系——从各个角度来看，这套环系都极为奇妙，据我们所知，在整个宇宙中也找不到类似的景象。

图64. 土星。（1894年7月2日，36英寸赤道望远镜拍摄。）（E.E.巴纳德教授摄。）
用肉眼观察时，土星通常看起来像一颗一等星。仅凭它的光亮，很难将其与许多更亮的恒星区分开来。然而古人早已知晓土星的存在，并知道它是一颗行星。它与水星、金星、火星和木星这四颗其他大行星一起，被归类为那些不固定在天空中的行星。由于土星距离地球极为遥远，其运动速度远远慢于古人所知的其他行星。这颗遥远的行星需要29年半的时间才能完成一次绕日公转；虽然这一速度相比金星那瞬息万变的位置而言很慢，但仍然足以引起细心观察者的注意。在一年内，土星会移动大约12度，这一距离足够大，以至于普通观察者也能察觉到它的移动。即便是在一个月内，有时甚至一周内，土星也会在天空中移动一段距离，只要稍加留意，就能根据周围恒星的位置判断出它的移动轨迹。那些拥有精确天文仪器的人，则能在几小时内就观测到土星的运动。

太阳到土星的平均距离约为8.86亿英里。与其它行星一样，土星的轨道实际上也是一个以太阳为焦点的椭圆。不过，土星轨道的椭圆形状与完美的圆形有明显差异。土星沿着这条轨道运动的平均速度为每秒5.96英里。

土星的直径约为71,000英里，其赤道直径约为75,000英里，极地直径则为67,000英里——这些数值的比例大约为10比9。由此可见，土星显然已经严重偏离了真正的球形。其赤道处的隆起现象无疑是由于行星高速自转所导致的。土星的自转速度是地球的两倍多，不过还不及木星快。土星完成一次自转需要大约10小时14分钟。斯坦利·威廉姆斯经过仔细观测后发现，位于北纬27度左右的某些斑点，其自转周期在10小时14分钟到15分钟之间；而赤道上的斑点则仅需10小时12分钟到13分钟即可完成一次自转。不过，有趣的是，处于相同纬度但位于行星不同位置的斑点，其自转速度会相差1分钟甚至更多；而且不同斑点群所测得的自转周期似乎每年都会发生变化。

这些事实表明，土星及其表面的斑点并非构成一个固定的系统。土星的密度极低，这完全不符合“其表面由与地球地壳类似的固体物质构成”这一假设。围绕土星运行的卫星们虽然不如那著名的光环那么引人注目，但它们让我们能够将土星的质量与太阳进行比较，从而推断出土星相对于地球的实际质量。结果相当惊人：地球的密度似乎是土星的八倍。事实上，土星的密度甚至低于水的密度，因此，一个体积与土星相当的巨大水球，其重量实际上会更大。如果我们能想象出一个巨大的海洋，把土星放入其中……

如果铸造出与土星大小和重量相当的物体，那么这个巨大的球体就不会像地球或其他行星那样沉下去，而是会浮在水面上，有四分之一的体积露出水面。

由此我们可以推断，望远镜所看到的土星表面并非实心，而只是包围着内部高温区域的巨大云层。很难不认为，由于土星的质量极大，它和木星一样仍然保持着高温状态。不过，这里需要提到一个可能与这一观点有些矛盾的情况：我们发现木星和土星的密度都远低于地球。比较这两颗行星的话，土星的密度似乎更低。实际上，每立方英里的木星质量几乎是每立方英里土星的两倍。这似乎表明土星才是两者中温度更高的那颗。然而，由于木星体积更大，按常理来说它应该比另一颗行星更热。我们并不试图解释这一矛盾；事实上，由于我们对这些行星的构成尚不了解，讨论这个问题也是毫无意义的。

即便考虑到土星相对于地球而言较为轻便，但其体积实在巨大，因此它的质量仍是地球的95倍以上。附图展示了土星与地球的相对大小（图65）。

由于肉眼无法看到土星周围的那些奇妙景象，人们对这颗行星的兴趣可以说是从开始用望远镜观测它时才产生的。关于这一历史进程有必要简单提及，因为人们是逐步才弄清了这个复杂天体的真实性质的。当伽利略完成了他的小型折射望远镜之后，尽管它的放大倍数只有30倍，但已经大大提升了肉眼观测的能力。他用这台望远镜对天空进行了令人难忘的观测，他看到了太阳上的黑子以及月球上的山脉，还观察到了金星的新月形轮廓。

还有木星的卫星们。在这些惊人的发现激励下，他自然而然地想要研究其他行星，于是将望远镜对准了土星。这一次，伽利略再次有了新的发现——如图65所示，即为土星与地球的相对大小。他看到土星和其他行星一样具有可见的形态，但它与其他通过望远镜观测到的天体有所不同：在它看来，土星似乎由三个始终相互接触且保持固定相对位置的物体组成。这三个物体呈一条直线排列——中间的那个最大，另外两个则位于它的东西两侧。此前他在天空中从未见过如此令人震惊、却又完全无法解释的现象。

为了弄清楚这个神秘的天体，伽利略在1610年继续进行观测。令他惊讶的是，那两个较小的天体逐渐变小，到了接下来的两年里，它们完全消失了，土星则呈现出类似木星那样的圆形轮廓。这又给伽利略带来了新的忧虑。当时他不得不与那些坚持古老天文体系的人作斗争，这些人嘲笑他的发现，拒绝接受他的理论。他曾宣布自己观测到土星是由多个部分构成的，现在他又必须解释这些部分的逐渐消失现象。

这两个“辅助天体”最终会彻底消失，他自然担心对手会趁机宣称他的所有观测结果都是虚幻的。[25] “面对如此奇怪的变化，该作何解释呢？”他问道，“这两颗较小的恒星是像太阳黑子那样被吞噬了吗？还是说它们突然消失了？又或者土星吞噬了自己的‘孩子’？又或者是这些现象其实只是幻觉或骗局，那些望远镜一直都在欺骗我，以及所有看过这些景象的人。现在，或许正是时候让那些通过更深入的思考发现新观测结果谬误、并证明其根本不可能存在的人们重新燃起希望了。面对如此令人惊讶、出乎意料且新颖的情况，我实在不知该说些什么。时间太短，事件发生得太过突然，我的理解力也有限，再加上害怕犯错，这一切都让我极为困惑。”

但伽利略并没有弄错。当他开始观测时，那些天体确实存在，它们的亮度确实在下降，最终也确实消失了；不过这种消失只是暂时的——它们又会重新出现。人们不断对它们进行观测，最终逐渐弄清了它们的真实性质。随着望远镜性能的提升，人们发现伽利略所描述的位于土星两侧的那些球形天体其实并非真正的球体——它们其实是两个发光的月牙形结构，每个月牙的凹面都朝向中央的球体。人们还发现，这些天体会经历一系列周期性的变化。在变化初期，行星呈现出完美的圆形轮廓。随后，从行星两侧伸出了两条向外的“臂状物”；接着这些“臂状物”逐渐变成两个月牙形结构，看起来就像球体的把手，大约七到八年后达到最大宽度；之后它们又开始收缩，又过了差不多相同的时间后再次消失。

直到1655年，也就是伽利略首次发现这些天体近半个世纪之后，惠更斯才终于弄清了它们的真正本质。

他观察到了环在地球表面投下的阴影，并以极为哲学化的方式解释了这一现象。他注意到地球、太阳和月亮都在各自的轴上旋转，因此认为该系统中的一切天体都会绕着自己的轴旋转，这是一条普遍规律。的确，当时还没有观测结果能够证明土星也在旋转；不过，如果某颗行星没有这种旋转运动的话，那未免太过不可思议了。从整个系统的种种相似性来看，可以推断出这些天体的旋转速度应该相当快。人们已经知道，土星的一颗卫星的公转周期为16天，略多于我们一个月时间的一半。惠更斯认为——这其实是一个非常合理的假设——土星很可能会以很快的速度绕其轴旋转。另外还需要注意的是，如果这些奇特的附属物是通过实体连接方式与土星相连的，那么它们必然会随土星一起旋转；而即便它们并非真正与土星相连，为了保持土星与其他天体之间的相似性，它们也依然必须处于旋转状态。我们在木星附近可以看到围绕它旋转的卫星，而在地球上则能看到月球绕地球旋转，整个行星系统也在绕太阳旋转。惠更斯在得出结论时考虑了所有这些因素：无论那些奇特的附属物是真正与土星相连，还是独立于土星之外，它们都必定处于旋转状态。

有了这样的推理，要推测土星系统的真实结构就变得容易多了。我们已经看到，那些附属物每隔15年就会逐渐消失，然后又慢慢重新出现，起初是以从土星向外延伸的直线形臂状结构出现。这一变化过程十分缓慢，数周乃至数月的时间里，它们的外观几乎没有任何变化。但在这整个过程中，土星以及它周围的那些神秘物体都在持续旋转。无论那些物体究竟是什么，尽管它们不断旋转，但在人眼中看起来却没有任何变化。

满足此处所隐含条件的物体，其形状必定是什么样的呢？显然，不能简单地将那些投影视为从行星上延伸出来的两根辐条——因为每旋转一次，这些投影就会从可见变为不可见，这样一来，物体的外观就会不断变化，而不会像理论上要求的那样，以缓慢而渐进的方式变化，完成一个完整周期需要15年时间。实际上，还有其他一些因素也排除了这种可能性，因为这些物体的长度始终与行星的直径保持一致。稍加思考就会发现，只有一种假设能够解释所有现象。如果存在一个薄而对称的环，在土星的赤道平面内绕着它自身旋转，那么就能解释为什么该物体能从一夜到另一夜都持续可见了。这也就解决了大部分难题。至于其余的问题，只需假设这个环足够薄，当它实际上以边缘朝向地球的方向旋转时就会变得不可见；而随着被照亮的那侧逐渐转向地球，附着在行星上的那些结构也会逐渐增多。该物体周期性呈现出的把手状外观则表明，这个环不可能与行星本体相连。

最终，惠更斯找到了破解这一困扰天文学家五十年的重大谜团的线索。他意识到，这个环是一个极其有趣的天体，当时独一无二，事实上至今依然如此。不过，他认为自己还没有完全确凿地证明这一点，而他觉得通过进一步的研究可以做到这一点。但他又不愿因为过度拖延公布结果而让这一发现失传，生怕有其他天文学家抢先一步。那么，如果他的发现确实正确，他该如何确保自己的优先权，同时又能有足够的时间来完善这一理论呢？于是他采用了当时常见的做法，先以密码形式公布这一发现。1656年3月5日，他发表了一篇论文，其中提出了如下观点：

aaaaaaa ccccc d eeeee g h
iiiiii llll mm nnnnnnnnn
ooooo pp q rr s ttttt uuuuu

或许，那些后来致力于研究这种首字母缩写密码的人中，有人曾思考过这个著名的密码系统，甚至试图破译它。不过，即便有人尝试过，也没有人能够成功破解它。这样一来，惠更斯就有更多时间来进一步研究这个问题。他用各种方法验证自己的理论，结果发现该理论在所有细节上都成立。因此他认为没有必要再向世人隐瞒这一重大发现，于是于1659年——也就是他提出这个密码系统大约三年后——公布了其含义。通过将字母重新排列，他得出了这样的结论：“Annulo cingitur, tenui, plano, nusquam cohærente, ad eclipticam inclinato”，翻译过来就是：“这颗行星被一个纤细的扁平环所环绕，该环与行星表面完全分离，且倾斜于椭圆轨道。”

惠更斯并不满足于仅仅证明这一假设能够解释所有已观察到的现象。他还对这一假设进行了更为严格、更为精细的检验，而这种检验正是用于验证任何天文理论的。他试图利用这一假设做出预测，如果预测成真，那么他的理论就能得到确证。根据他的计算，这颗行星的环将在1671年的7月或8月左右呈现圆形。这一预测确实得到了验证，因为在那一年5月，人们确实看到那圈环消失了。当然，凭借现代基于长期精确观测的计算方法，我们现在能够更准确地预测土星环的出现或消失时间；但考虑到惠更斯做出预测时地球对土星的观测还处于初期阶段，我们完全可以认为他的预测已经足够令人信服，足以证明关于土星及其环的理论是正确的。

既然土星的环已被确认为天体结构中的真实存在，历代天文学家便不断努力去探索它更多令人惊叹的特征。封面图（图1）展示的是1872年7月28日至10月20日期间在美国哈佛大学天文台观测到的土星景象。这幅图由技艺精湛的天文学家兼艺术家L. Trouvelot所绘，生动而精准地呈现了这一独特天体的面貌。

图64则是1894年7月2日由E.E. Barnard教授在利克天文台拍摄的同一天体图像。

在惠更斯之后的又一次重大发现表明，土星周围的环上存在一条暗色的同心线，将环分为两部分——外侧部分比内侧更窄。这条线最早是由J.D.卡西尼在1675年土星从太阳光中显现出来时发现的。1715年，马拉尔迪的研究进一步证明了这条黑线并非仅仅是环上的一个黑色斑点，而实际上是一种分隔。多年后，威廉·赫歇尔爵士也进行了研究，他以一贯的严谨态度对土星进行了细致入微的观测。夜复一夜，他使用精密的仪器对土星进行长时间观测，极大地丰富了我们对这颗行星及其轨道系统的认识。

赫歇尔特别关注那条分隔环的线条。他发现这条线的颜色与行星本体与环之间的区域颜色并无差异。他在环的北侧对它进行了十年的观测，期间这条线的宽度、颜色以及轮廓的清晰度都保持不变。后来他还有幸观测到了环的南侧，那里同样存在一条黑线，其外观和位置都与北侧的暗线完全一致。至此，土星被两条环环绕的事实已毋庸置疑。

这些环的厚度相同，且一个环的外缘与另一个环的内缘极为接近。同时需要指出的是，目前望远镜尚未提供能够确凿证明这些环之间存在分界的证据。赫歇尔所观察到的现象与这样一种观点相符：那条黑线其实只是环的一部分，它贯穿整个环的厚度，其材质的反射光能力远低于环的其他部分。至于是否真的能够透过那条黑线看到东西，仍然存在疑问。显然，只有一种可行的方法可以实现这一点，但这种情况极为罕见，目前似乎还尚未出现这样的机会。假设土星在绕天球运动时，其轨道恰好穿过地球与某颗恒星之间。从望远镜中看，恒星只不过是一个比土星的球体及环还要小的光点而已。如果环挡在了恒星前方，而环上的黑线又覆盖了恒星，那么只要那条黑线真的是一个开口，我们就应该能看到恒星的光线从那个狭窄的缝隙中透出来。

到目前为止，我们认为还没有机会将关于环具有双重结构这一问题提交给这种关键的检验。希望随着现在有如此多足以用于研究这一问题的望远镜，不久之后就能有观测结果来解答这个问题。当然，体积极小的恒星并不适合用来进行观测。虽然恒星体积小会让观测更加精细准确，但我们必须记住，它会被土星两侧明亮的环所衬托，因此除非那颗恒星的亮度足够高，否则很难满足观测要求。不过，最近有观测表明，土星的球体在某种程度上是可以透过那条黑线被看到的；这实际上就证明了那条黑线至少是部分透明的。

外环也被一条比前述那条线更为暗淡的线条一分为二。要使这条线清晰可见，就需要使用性能良好的望远镜、晴朗的夜晚，以及行星处于有利的位置。在距离行星最远的环的边缘处，最容易观察到这条线。笔者曾使用邓辛克天文台的12英寸折射望远镜观测过这颗行星，发现这条外环上的线与那条著名的线条宽度相当；不过它的亮度无疑更低，外观也更为暗淡。它显然不像是环上的实际开口，而且常常长时间都看不见。看起来更像是该处的环较薄、密度较低，但并非完全没有物质。

预计，当环再次处于这样的位置——即其平面若存在的话会穿过地球与太阳之间时——我们将会获得更多关于这一现象的信息。不过这样的机会极为罕见，即便出现了，行星的观测条件也可能不佳。下一次真正合适的观测机会要等到1907年。届时，阳光会照亮环的一侧，而另一侧则朝向地球。在这种情况下，就需要使用强大的望远镜才能进行观测；不过我们有理由期待，有关环结构的问题以及其他诸多疑问都能得到进一步的解答。

偶尔也有记录显示环还存在其他内外分割线。无论如何，可以肯定的是，这些分割线并非永久性的特征。不过，由于许多经验丰富的观测者都多次提及过它们的存在，因此无法怀疑它们确实曾被观测到过。

在惠更斯首次提出土星的真实结构理论大约200年后，又有一项非常重要的发现出现。直到1850年，人们一直认为，由那条著名的黑色线条分隔开来的两条环就构成了围绕土星的整个环系。

在刚才提到的那一年，来自马萨诸塞州剑桥市的著名天文学家邦德教授宣布他发现了土星周围的第三道环，这一发现震惊了整个天文学界。与此类情况通常发生的那样，另一位天文学家——名叫道斯的英国天文学家也独立地发现了同一物体。这条第三道环位于两道已为人所知的环的内部，延伸距离约为到行星本体距离的一半。与其他两道环相比，它的结构显然截然不同，因为其他两道环的密度要高得多。事实上，我们稍后会证明，那些环并非固体，甚至也不是液态物质；不过即便如此，与第三道环相比，它们仍然具有较高的密度。它们能够反射出土星清晰的阴影，同时也能在土星表面投下深色的阴影；而第三道环的密度则低得多。它没有其他环那么明亮，反而呈现出暗淡、半透明的外观，因此人们常用“丝绒环”来形容它，这个称呼实在再恰当不过了。正是由于这条丝绒环的亮度较低，早期的土星观测者才常常忽略它的存在。

人们常常注意到，当某项天文发现是通过高性能望远镜做出的之后，用性能较低的仪器也同样可以观测到同一个天体。毫无疑问，只要观测者知道该寻找什么，往往就能看到那些原本不会引起他注意的东西。土星的丝绒环就是这一原理的典型例证——对于那些习惯使用高性能望远镜的人来说，这条环已经变得很常见了；不过，人们仍不确定现在能够如此轻松且清晰地观测到这条环，是否完全可以用这一假设来解释。实际上，很有可能是出于某种原因，这条丝绒环的可见度逐渐提高了。所谓丝绒环亮度增强的现象，正是目前用来证明土星的环很可能正在经历逐渐变化的人所提出的论据之一；不过哈德利的观测结果却表明……

他在1720年观测到了那条暗色环，此前卡姆帕尼和皮卡尔也曾观测到过它——那是一条横跨行星的微弱带状结构。1889年11月1日，巴纳德教授在观测木卫四的日食时，将这条暗色环的半透明特性展现得淋漓尽致：在这条暗色环的阴影中，卫星仍能隐约可见，而在那些更为人熟知的环的阴影中则完全看不见。

前面提到的特鲁维洛的绘图很好地展示了土星环的各种特征。在图中我们可以看到内环、外环以及两者之间的分界线。在外环上可以看到其分界线的微弱痕迹，而在内环内部则可以看到那条奇特且半透明的暗色环。行星投下的黑色阴影落在环上，这证明了无论是环还是行星本身，都是依靠照射在其表面的阳光才能发光的。这个阴影存在一些异常现象，但其奇特的不规则形状或许在某种程度上只是视觉错觉而已。

毫无疑问，任何试图描绘土星环的尝试都只能呈现这一奇妙系统的一些显著特征。由于我们距离太远，所有尺寸不是极大的物体都看不见。我们目前只能看到轮廓，因此渴望能够填补这些细节。例如，我们希望能看到环的实际纹理，了解它们是由何种物质构成的；我们也希望弄清楚那条与我们所知的天体截然不同的奇特暗色环。尽管处于如此不利的观测条件下，无疑仍然有许多东西可以探索；只要有一代又一代拥有先进仪器的天文学家持续努力，就仍有很大的研究空间。我们需要尽可能全面地获取土星的精确图像，还需要进行极其精确的反复测量。这些测量数据将告诉我们环的大小和形状，还能精准地确定那些暗线以及环的边界位置。这样的测量工作需要持续数代、数世纪之久，唯有如此才能有所收获。

地面天文学家能否判断这个复杂的系统是否真的具有稳定性，还是说它正在发生变化呢？

我们早已习惯于认为万有引力定律适用于我们宇宙中的每一个角落，并用引力来解释那些无法用其他方式解释的现象。我们有充分的理由相信，在这令人惊叹的土星系统中，万有引力定律起着至关重要的作用。土星周围有卫星在运转，还有环状结构；这些卫星与其他卫星一样，都遵循开普勒定律运动。因此，任何关于土星环本质的理论都必须以“该环受到位于其内部的巨大行星的引力作用”这一条件为前提。

乍看之下，要将环状结构的现象与行星的引力联系起来似乎并不困难。我们可以假设环状结构围绕行星对称地静止着。在中心位置，行星对环的各个方向的引力大小相等，因此环没有向某个方向移动的趋势，从而能够保持静止状态。但这种设想是行不通的。即便由几乎无限坚硬的材料构成的环，在这种情况下或许能暂时保持静止，但它不可能永远保持静止状态，就如同用针尖垂直支撑的针一样——这两种情况中的平衡都是不稳定的。一旦出现最微小的干扰，平衡就会被打破，环就会不可避免地坠向行星。而这样的干扰因素始终存在，因此不稳定的平衡状态无法作为对这些现象的解释。

即便解决了这个难题，还有另一个问题：如果环是由我们所熟知的任何材料构成的话，那这个问题将根本无法解决。让我们仔细思考一下这个问题，因为它会自然引出目前最被广泛接受的关于土星环的解释。

想象你站在土星上，靠近其赤道处；在你的头顶上方是那圈环状结构，它一直延伸到东西两方的地平线处。位于地平线之上的那半圈环状结构就如同一个巨大的拱门，其跨度约为十万英里。这个拱门中的每一块物质都受到土星引力的牵引，而如果这个拱门能够持续存在，那它必定遵循着与我们所熟悉的桥梁拱门相同的力学规律。

这类拱门的稳定性取决于构成它们的石块抵抗压力的能力。拱门中的每块石块都会承受巨大的压力，但石头是一种能够抵抗这种压力的材料，因此拱门才能保持稳定。拱门的跨度越大，每块石块所承受的压力也就越大。最终，当跨度达到石块所能安全承受的极限时，这样的拱门就无法再存在了。将这些原理应用到土星的环状结构上，我们可以发现：要支撑如此巨大的跨度，所需的压力实在大到我们目前已知的任何材料都无法承受。即便用最坚固的钢铁来建造这个环状结构，巨大的压力也会使金属像液体一样被挤压，从而导致整个结构崩溃并坠落到行星表面。根本不存在能够承受如此巨大应力的材料。因此，根据万有引力定律，我们必须寻找某种方法来减轻这种应力。

其实有一种方法，而且这一方法可以从我们宇宙中各种类似现象中找到线索。我们之前把那圈环状结构视为静止的，现在假设它以土星为中心，在其所在平面内旋转。这样一来，就会产生一种与土星引力相抗衡的力，这就是所谓的离心力。如果假设那圈环状结构在旋转，那么在各个点上，离心力都会与引力方向相反，从而……

环所承受的巨大应力可以得以减轻，从而克服一个难题。因此，我们可以为每个环赋予一定的旋转速度，以此部分缓解其原本需要承受的应力。但我们不能认为这一难题已被完全解决。假如外环以适当的速度旋转，以抵消其外缘处的重力，那么环内部的离心力就会减小，而重力则会增大；这样一来，外环的内部就会产生巨大的应力。再假设环以适当的速度旋转，以抵消其内缘处的重力，那么环外部的离心力将会远远超过重力，从而导致环向外侧破裂。为避免这种趋势，我们可以假设每个环的外部比内部旋转得更慢。这自然要求环的各部分能够相对移动，因此我们便想到：或许这些环实际上是由处于流体状态的物质构成的。乍看之下，这个设想似乎很合理；这样一来，每个环的各个部分都会以适当的速度运动，环上就会出现多个具有不同速度的同心圆周流。数学家可以进一步研究这个问题，探讨在这种情况下流体的行为表现。通过数学符号，他们能够深入研究那些无法用普通语言描述的复杂现象。数学家发现，在这种假想的流体中会产生波动，而这些波动会导致环的破裂，因此必须放弃流体理论。不过，我们还可以再做一两个假设。假如环确实由数量极其庞大的同心环组成，而且每个环都以恰好能产生足以抵消引力的离心力的速度旋转，那又会怎样呢？毫无疑问，这能够解决许多难题；也有观测结果表明环上存在多条暗线，这与这一假设相符。

环状结构。对此，同样需要借助动力学原理来解释其运动规律。这样的固体环系统与动力学定律是不相容的。

因此，我们不得不再做最后一次尝试，进一步将环状结构细分。完全放弃“环状结构是一种连续体”这一假设或许会让人感到惊讶，但别无选择。无论从哪个角度来看，我们都似乎只能得出这样的结论：环状结构实际上是由无数极其微小的天体组成的；每一个小天体都围绕行星自行运转，实际上也就是一颗卫星。这些天体数量极多且彼此间距极近，以至于在我们看来它们仿佛是连续的；而且它们的体积可能非常小——也许甚至不比地球表面普通云层中的水滴更大，而那些水滴在近距离观察时也看似是连续的。

直到几年前，尽管从数学角度来看，关于土星环构成的这一理论毫无漏洞，但却从未得到过观测上的证实。唯一声称自己确实看到过土星环旋转的天文学家是W.赫歇尔，他在1789年观察了环上一些发光点的运动，当时土星环的平面恰好经过地球。根据这些观测，赫歇尔推断出土星环的旋转周期为10小时32分钟。但此后的所有观测者，即便使用了比赫歇尔更先进的仪器，也始终无法证实土星环的旋转现象。如果土星环是由大量小天体构成的，那么根据开普勒第三定律，我们就可以计算出这些微小卫星绕行星一周所需的时间。显然，位于环外缘的卫星所需时间约为13小时46分钟，位于环中部的卫星则不超过10小时28分钟，而位于环内缘的卫星则只需7小时28分钟即可完成一次旋转。即便是我们最强大的望远镜，即便由最熟练的天文学家在最为理想的观测条件下使用，也无法观测到这一极为微妙的现象。事实上，这本来应该是一种……

火星的内卫星会反复出现一种奇特的行为：它绕其主星运行的周期，比火星自身自转的周期还要短。

图66——基勒教授测量土星环旋转速度的方法。
不过，望远镜无法观测到的现象，光谱仪却以极为有效且有趣的方式展现了出来。在关于太阳的那一章中，我们已经解释过：当光源沿视线方向向观察者移动或远离观察者时，会导致其光谱出现微小的偏移。

光谱线的位置。通过测量这些线条的位移，可以确定光源的运动方向和速度大小。我们通过实例说明了这种方法是如何被用于测量太阳表面旋转速度的。1895年，阿勒格尼天文台的台长基勒教授[26]便用这种方法成功测出了土星环的旋转速度。他将分光镜的狭缝置于椭圆形状的球体上，该椭圆是由透视效应形成的，如图66中从e到w延伸的平行线所示。此时，他的照相底片上会显示出三个紧密相邻的光谱：位于中间的是土星球体的光谱，其上下则分别是环的两个“把手”结构所产生的较窄光谱，它们之间有暗色间隔。在图67中，我们展示了在假设土星及其环处于静止状态或旋转状态时，任意一条光谱线的变化情况。在顶部(1)处，我们可以看到如果没有旋转运动的话，每条光谱线会呈现什么样子；此时由环、行星以及环共同产生的三条光谱线将呈一条直线排列。当然，这种光谱实际上只是太阳光谱的非常微弱的副本，其中仍能看到主要的弗劳恩霍夫暗线，因此读者需要自行想象出与图中所示平行的那些暗线。不过土星及其环并非静止不动，它们正在旋转——东侧部分(e处)朝我们移动，而西侧部分(w处)则远离我们[27]。因此，在e处，光谱线会向光谱的紫色端偏移，而在w处则向红色端偏移。而且，由于实际线速度随距离土星中心越远而越大（假设环和行星一起旋转），光谱线就会像图67中的(2)那样发生偏转，但三条线依然会保持直线排列。如果环由卡西尼分裂所分隔的两个独立环组成，且这两个环以不同的速度旋转，那么光谱线的分布就会如图67中的(3)所示，由于内环的旋转速度更快，其产生的光谱线会比外环的更明显地发生偏移。

图67——基勒教授测量土星环旋转速度的方法。

最后，让我们来考虑由无数粒子构成的环系的情况。这些粒子根据开普勒第三定律绕行星运动。这些粒子的实际速度为：——
在环的外缘，速度为10.69环英里/秒；
在环的中间位置，速度为11.68环英里/秒；
在环的内缘，速度为13.01环英里/秒。
而在行星表面，其旋转速度则为6.38环英里/秒。

光谱线的位移应当与这些速度相一致，显然，这些谱线应该像第四幅图中所显示的那样排列。当基勒教授来检查那些拍摄下来的光谱时，他发现这三份光谱中的谱线确实以这种方式发生偏移，这表明环的外缘绕行星运行的线速度比内缘小，而这正是符合开普勒第三定律的情况——因为如果光源（或者更确切地说，反射阳光的物体）是能够根据开普勒第三定律自由运动的独立粒子的话，就会如此；而如果环是刚性的话，情况则不会如此，因为此时外缘的线速度会最大，因为它需要穿过更长的距离。至此，土星环由陨石构成的事实终于得到了证明。基勒教授的这一重大发现后来在阿勒格尼天文台、利克天文台、巴黎天文台以及普尔科瓦天文台的多次观测中都得到了验证；通过观测得到的谱线位移所对应的实际速度与计算出的速度非常吻合（在观测误差范围内），从而进一步证明了克拉克·麦克斯韦的数学推论，使其不再有被质疑的可能。

土星的光谱极为微弱，以至于只能看到太阳光谱中强度最高的那些谱线。不过，土星的大气层似乎会对光谱中的蓝色和紫色部分产生相当大的吸收作用，这种吸收在赤道带附近尤为强烈；而红色区域出现的强光带则表明了大气层的密度很高。在环的光谱中则看不到这种带状结构，因此环周围不可能存在大气层。

由于土星环本身极为独特，我们无法在其他地方找到类似的结构作为例证。不过，太阳系中确实存在一些类似的现象。例如，围绕太阳本身的就是一个规模极大的类似结构。我们这里指的是那些都位于太阳系某一特定区域内的众多小行星。假设这些小行星的数量大幅增加，而且那些轨道与其它轨道夹角很大的行星的轨道也变得较为平坦……

否则的话，情况就会有所不同，太阳周围将会出现环状结构，从而形成一种与目前所认为的土星结构颇为相似的景象。我们很想进一步探讨这个美丽的系统，想象一下对于土星上的居民来说，这些环会呈现出怎样的景象；同时也会思考，是否应该像看待月球或木星的卫星那样，将它们视为我们太阳系中永恒存在的天体。从各个角度来看，这个问题都极具趣味性，也为各种类型的天文学家提供了丰富的研究课题。如果他拥有一台性能良好的望远镜，那他就有许多任务需要完成——包括观测、绘图和测量。而那些并不亲自使用望远镜进行观测，而是根据他人的观测结果进行计算的天文学家，也能从土星这个美丽的系统中获得大量研究素材。他们需要预测环的不同相位，告诉天文学家何时最容易观察到各个特征，以及何时最能准确测定各要素的情况。此外，他们还必须预测土星卫星的运动时间，以及比木星系统更为复杂的各种现象。最后，如果这位天文学家属于那种运用人类智慧中最深刻的理论来研究天文学中的动力学问题的顶尖学者，那么在土星系统中，他也会遇到一些极其复杂的难题，尽管这些难题或许还无法完全超出人类分析能力的极限。他在土星的环中发现了一种与其他任何事物都截然不同的现象，因此不得不开发新的数学工具来应对这一问题。他在该系统中发现了如此多非凡的特征以及极为精妙的平衡机制，以至于他不得不承认：如果自己从未亲眼见过土星的环，根本不会想到这样的系统是可能存在的。目前，数学家们对这一奇妙系统的研究还处于起步阶段。这类研究不仅极其抽象，需要最卓越的智慧才能驾驭，而且相关的研究资料也尚未积累齐全。在关于这一主题的讨论中……

在研究任何天体时，观察都必须先于计算。迄今为止所获得的观测数据虽然能够展现土星系统的美丽，但仍然远远不足以作为构建那套关于土星的伟大数学理论的基础。

不过，对土星感兴趣的人远不止那些专门研究天文学的人。凡是稍有对自然之爱的有教养的人，都会对土星感到兴趣。那些喜爱美景的人，通过望远镜观察土星时必定会产生强烈的情感共鸣；而如果他们事先通过阅读和思考了解到自己所观测对象的巨大规模，那么他们就会承认，整个自然界中再也没有比这更令人惊叹的景象了。

我们花了如此长的时间来研究土星环的奇妙之处，因此只能简略地介绍围绕土星运转的那些卫星。我们之前已经多次提到过这些卫星，现在只需再补充一些细节而已。

1655年3月25日，惠更斯首次发现了土星的第一颗卫星，正是由于他的敏锐洞察力，我们才得以了解土星环的真实形态。在那一天的傍晚，惠更斯用自己亲手制作的望远镜观察土星时，发现行星附近有一个类似星星的小物体。第二天晚上他再次进行观测，发现那个“星星”确实伴随着行星一起在天空中移动。这就表明那个小物体其实是土星的卫星，进一步的观测则显示它绕土星运转的周期为15天22小时41分钟。这就是一系列关于土星卫星的发现的开端。随后，人们陆续发现了更多的卫星，目前已知至少有九颗卫星陪伴着这颗巨大的行星在其轨道上运行。不过，后续的发现并非由惠更斯完成，因为他基于一些在现代人听来颇为奇怪的理由，停止了继续寻找更多卫星的工作。

这些观点与他那个时代的观念十分契合。显然，基于某种对称性原理，惠更斯认为，卫星或次级行星的数量应当与主行星的数量相等，这样才能符合事物的规律。包括地球在内的主行星共有六颗；而惠更斯的发现使得卫星的总数也变成了六颗——地球有一颗卫星，木星有四颗，土星有一颗，这样这个行星系统就完整了。

然而，自然界并不存在惠更斯所认为的那种数学规律。如果他没那么受这类偏见的影响，或许就能预见到卡西尼的贡献：后者通过发现土星的其他卫星，证明了行星与卫星数量相等的观点是荒谬的。随着更多卫星的被发现，卫星的数量一度超过了行星的数量；但最近，随着大量小行星被发现，行星的数量又迅速赶上并超过了其卫星的数量。

1671年，也就是土星第一颗卫星被发现后的大约16年后，卡西尼又发现了第二颗卫星。这是较老的卫星中距离土星最远的一颗，它绕土星一周需要79天。次年他又发现了一颗卫星；12年后，即1684年，又发现了两颗，至此这颗行星的卫星总数达到了五颗。

此时，土星系统的复杂性在所有天体系统中无出其右。土星有五颗卫星，而木星只有四颗；而且土星上有一颗名为泰坦的卫星，其大小甚至超过了木星的任何一颗卫星。[28] 卡西尼的一些发现是通过体积极为庞大的望远镜取得的。这类望远镜的物镜距离观察者的眼睛有一百英尺甚至更远。用如此笨重的仪器来继续进行天文观测似乎几乎是不可能的。不过，最终，天文仪器制造技术开始迎来重大变革。在赫歇尔的手中，人们终于找到了制造更先进望远镜的方法。

尺寸适中的望远镜，不仅威力更强，而且精度也更高。图68——F. Terby所绘的泰坦星及其阴影，1892年4月12日，鲁汶。这类长度为40英尺的巨大望远镜正是由赫歇尔刚刚制造完成的，1789年8月28日，他便用它来观测土星。此前还从未有人能够如此细致地观察这颗奇妙的行星。赫歇尔熟悉前人的研究成果，他曾经用性能较差的望远镜观察过土星及其五颗卫星；这一次，他又在环平面附近看到了那五颗卫星以及一个类似恒星的物体，于是他推测那应该是一颗第六颗卫星。验证这一推测的方法其实很简单：当时土星正在天空中快速移动，如果那个新发现的物体真的是一颗卫星，那么它必然会随土星一同移动。赫歇尔焦急地观察着，希望看到这一现象是否真的出现。没过多久就得到了答案：两个半小时后，土星已经移动到了相当远的距离，而那五颗已知的卫星以及那颗第六颗物体依然跟随在土星身边。如果那是一个恒星的话，它应该会被甩在后面，但事实并非如此，因此它也是一颗卫星。这样，经过漫长的一个世纪之后，人们再次通过望远镜发现了土星的卫星。赫歇尔一如既往地以极大的热情持续观测这个物体，结果发现它比以往所知的任何一颗卫星都更靠近土星。根据一般规律，距离越近的……

赫歇尔发现，这些卫星的公转周期越短，其中有一颗小卫星的公转周期约为1天8小时53分钟。凭借同一台性能卓越的望远镜以及高超的观测技巧，赫歇尔很快又有了更有趣的发现——他还在那台40英尺长的反射望远镜中观测到了一个极其微小的天体，证明它也是一颗卫星，而且它距离行星非常近，因此公转周期仅为22小时37分钟。这是一个极为微弱的天体，只有借助最先进的望远镜，在它没有被环完全遮挡的短暂时刻才能被观测到。

又过了很长时间，几乎50年间，人们都认为土星系统仅由那些环和七颗卫星组成。接下来的这一发现具有非凡的历史意义：1848年9月19日，马萨诸塞州剑桥大学的邦德教授与利物浦的拉塞尔先生同时发现了这一天体——他们此前几个夜晚都观测到了那个小点，现在确认它确实是一颗卫星。不过，这颗卫星距离行星相当远，每公转一周需要21天7小时28分钟，它是从行星算起的第七颗卫星。

1898年8月16日、17日和18日，W.H.皮克林教授通过摄影技术又发现了一颗极其微弱的外层卫星。这颗卫星距离行星比那些较大且存在时间更久的卫星还要远。目前还无法完全确定它的运动规律，但很可能它完成一次公转需要至少490天。

通过对这些卫星的观测，人们发现：3,500个重量与土星相当的球体加在一起，其总质量才相当于太阳的质量。

柯克伍德教授发现了一条规律，这条规律描述了土星四颗内层卫星的运动规律。该规律的存在方式表明，它很可能是由这些卫星之间的相互引力所导致的。我们之前已经介绍过类似的规律。

与木星的三颗卫星相关。而涉及土星的问题则更为复杂，因为它涉及到至少四颗卫星。这类问题在处理时需要运用比数学家们在研究太阳系中其他常见现象时所使用的更为复杂的扰动理论。为表述这一规律，必须参考这些卫星的每日运动情况，具体数据如下：

| 卫星 | 每日运动角度 |
|------|--------------|
| I | 382°·2 |
| II | 262°·74 |
| III | 190°·7 |
| IV | 131°·4 |

该规律指出：如果将第一颗卫星的每日运动角度的五倍加上第三颗卫星的该角度，再加上第四颗卫星的该角度的四倍，其结果将等于第二颗卫星每日运动角度的十倍。具体计算如下：

5倍I = 1911°·0
III = 190°·7
II = 262°·74
4倍IV = 10 × 525°·6 = 5256°
总和 = 2627°·4，这一数值与2627°·3几乎相等。

验证这一规律其实非常简单，但要解释其背后的物理原因则至今仍未实现。

在古代，土星是已知距离最远的行星。它的轨道位于其他古代行星之外，直到1781年天王星被发现之前，土星的轨道一直被视为最远的行星轨道。

太阳系的边界。这颗拥有环系的行星确实配得上占据如此重要的位置。但我们现在知道，土星那庞大的轨道并不及太阳系的边界；这一惊人的发现进一步带来了更为重大的成果——人们发现了两颗位于土星轨道之外、在遥远距离上运行的巨大行星。这些行星没有土星那么美丽，实际上也算不上是理想的望远镜观测对象。然而，这些外层行星却引发了人们极为特殊的兴趣。每一次对它们的发现都是天文学史上的重大事件，有人认为，其中较远的海王星的发现堪称自牛顿时代以来天文学领域的最伟大成就，这一观点或许也有其道理。

第十四章 天王星
天王星与其他大型行星的对比——威廉·赫歇尔——他的出生与家庭背景——赫歇尔来到英格兰——他对学问的热爱——他开始从事天文学研究——望远镜的制造——镜面的制作——从音乐教授到天文学家——系统化的研究——1781年3月13日——天王星的发现——观测的精确性——那个天体是彗星吗？——这一发现的意义——赫歇尔的名声——乔治三世与那位巴斯音乐家——温莎宫里的国王天文学家——天王星——相关数值数据——天王星的四颗卫星——它们的轨道形态——早期对天王星的观测——弗拉姆斯蒂德的观测记录——莱莫尼耶也观测到了天王星——这些观测数据的价值——椭圆轨道——由此引发的重大问题。

在笔者看来，关于天王星及其被发现的过程的历史，堪称整个科学史上最有趣、最引人入胜的篇章之一。在这里，我们处于研究太阳系的全新视角之下。其他所有大型行星自古以来就为人所知，尽管人们对它们的认知可能存在错误。它们都是十分显眼的天体，其运动轨迹必然会吸引那些以观测星星为职业的人们的注意。而如今我们面对的是一颗古代人完全不知道其存在的大型行星；因此，在探讨这个主题时，我们首先需要描述这颗天体是如何被发现的，然后再探究有关它的物理性质的一些信息。

在前面的章节中，我们已经多次提到威廉·赫歇尔在各个天文学领域的杰出贡献；但我们一直有意推迟对他这位非凡人物的更详细介绍，直到现在才加以阐述。无论如何，天王星发现的早期历程，其实就是赫歇尔早期科研活动的故事。

威廉·赫歇尔的职业生涯。试图将二者分开既是不可能的，也是不合适的。

这位杰出的天文学家威廉·赫歇尔于1738年出生于汉诺威。他的父亲是个才华出众的人，以较为谦逊的方式从事音乐教授的工作。他们家有十个孩子，威廉是第四个孩子；值得注意的是，所有有记载的家庭成员都继承了父亲的音乐天赋，都成为了出色的音乐家。关于这个有趣的家族、威廉与众不同的天资、他们之间关于音乐与哲学的深入讨论，以及后来有着辉煌事业的妹妹卡罗琳，都有许多生动的描述。威廉很快便掌握了老师所能传授的所有知识，14岁时就已经能够熟练演奏双簧管和小提琴。他曾在汉诺威的宫廷乐队工作，同时也是汉诺威卫队乐队的成员。然而，动荡的时代很快就打破了赫歇尔家庭的平静：法国人入侵了汉诺威，汉诺威卫队在哈斯滕贝克战役中溃败，年轻的威廉·赫歇尔也经历了战争的残酷经历。由于健康状况不佳，他决定改变自己的职业。不过，他的这种选择方式实在难以被认可——坦白说，他就是逃兵，成功逃到了英格兰。据可靠记载，20多年后，当赫歇尔第一次见到乔治三世国王时，国王亲自为他颁发了正式的赦免令。

19岁时，这位年轻的音乐家开始在英格兰寻求发展。起初他遇到了许多困难，但凭借勤奋与才华，他克服了一切障碍。26岁时，他已经在英格兰安顿下来，并在事业上取得了成功。1766年，赫歇尔在音乐界已经拥有了相当高的地位，他成为了八角形礼拜堂的管风琴师。

巴斯，他的时间全都用来给众多的学生授课，以及为音乐会和清唱剧做准备。尽管工作极为繁忙，赫歇尔依然保持着少年时代那种对知识无尽的渴望。他能从音乐工作中抽出的每一刻，都会用来学习。为了更深入地掌握音乐理论中那些复杂的概念，他不得不学习数学；从数学进而学习光学是顺理成章的事；一旦开始研究光学，他自然就会接触到望远镜，进而进入天文学领域。

他的起步条件极为简陋。正是通过一台小型且性能不佳的望远镜，这位伟大的天文学家第一次看到了宇宙中的奇观。毫无疑问，在此之前他也曾多次在晴朗的夜晚仰望天空，欣赏那些点缀在夜空中的无数星星；但现在，当他能够稍微提升自己的观测能力时，他所看到的景象让他着迷不已。他以前能看到的星星现在变得更加清晰了，而且还有许多以前看不见的星星也显现了出来。对于任何对自然之美怀有热情的人来说，这无疑都是令人惊叹的景象。对赫歇尔而言，这一景象立刻改变了他的人生轨迹。他作为音乐教授所取得的成就、他的清唱剧作品以及他的学生们都很快被抛到了脑后，他余生便致力于探索这门最崇高的科学。

赫歇尔无法满足于最初那台性能不佳的望远镜。在他整个职业生涯中，他都决心以自己所能达到的最佳方式亲自观察一切。他立即决定购置一台更好的望远镜，并写信给伦敦的一位著名光学师希望购买。然而，那位光学师要求的价钱超出了赫歇尔的承受能力。他的决心立刻动摇了。

他必须拥有一台好的望远镜。由于买不起，于是他决定自己制造一台。对赫歇尔而言，也对科学界而言，正是种种环境促使他下定这个决心，这实在是一件幸运的事。然而，乍看之下，这项任务似乎毫无希望——一个日夜忙碌的音乐教师，未经任何专业训练，却要试图完成一项需要极高机械与光学技能的工作，实在不太可能成功。但热情与天赋是无法被任何困难所阻挡的。当巴斯这座城市正处于鼎盛时期时，赫歇尔会从那里匆匆赶回家，甚至不耽搁脱掉领口的褶边，就立刻投入研磨镜片、抛光镜面的工作中。没有哪位古代炼金术士能像赫歇尔那样全身心地投入到将铅变成黄金的计划中；他对制造望远镜的决心同样坚定。他把家里改成了实验室，客厅则变成了木工车间，而最好的卧室里则摆满了车床。他不仅想要一台好的望远镜，而且还要一台极其出色的望远镜。随着成功的到来，他最终制造出了当时世界上最为精良的望远镜。虽然我们主要关注的是赫歇尔作为天文学家的成就，但也要指出的是，作为望远镜制造商，他也获得了极高的声誉以及可观的商业成功。当他的杰出发现传遍世界，人们得知他所使用的望远镜都是他自己制造的之后，人们开始纷纷订购他制作的望远镜。据说他共制造了八十多台大型望远镜，还有许多小型望远镜。其中一些望远镜被外国的王子和权贵们购走。[29]我们从未听说过这些显赫人物中有谁后来成为了著名的天文学家，但无论如何，他们显然为赫歇尔的技艺支付了丰厚的报酬，因此通过销售大型望远镜，他获得了在那个时代堪称巨额的财富。

在赫歇尔的一生中，除了作为一名勤奋的音乐家而享有盛誉之外，他并不为公众所熟知——他的音乐造诣不仅在巴斯，而且在整个英格兰西部都广为人知。制造望远镜只是他业余时间从事的活动，那些了解并钦佩他音乐才能的人几乎都不知道这一事实。1774年，赫歇尔首次通过自己亲手制作的望远镜观测天空。与后来他制造的那些望远镜相比，这台望远镜规模较小，但他立刻体会到了自己能够亲自设计望远镜的优势。夜复一夜，他根据经验不断对望远镜进行改进：有时他会扩大镜子的尺寸，有时则重新设计望远镜的支架结构，或是试图修复目镜中的缺陷。凭借不懈的努力，他始终追求最高的品质，每一次进步都让他能够更深入地探索宇宙。他的热情吸引了一些同样热爱科学的朋友。他最初结识威廉·沃森爵士的方式很具代表性——后来沃森爵士成了他最亲密的朋友。当时赫歇尔正在观察月球上的山脉，随着时间的推移，他不得不把望远镜拿到屋前的街道上继续观测。威廉·沃森爵士恰好经过，被这位天文学家在深夜的公共街道上使用那台外形奇特的大型望远镜的景象所吸引。由于对天文学感兴趣，威廉·沃森停下了脚步。当赫歇尔从望远镜前移开视线时，他请求可以看看月亮。赫歇尔立刻同意了。在这座繁华的城市里，可能很少有人对这类事物感兴趣；因此他很快就被威廉·沃森爵士吸引住了，而后者也立刻产生了同样的好感，于是他们的友谊便开始了，这对赫歇尔后来的事业产生了重要影响。最终，1781年到来了，这一年见证了他的一项伟大成就。赫歇尔充分利用了七年来的天文观测经验，成功制造出了一台极为精良的望远镜。

尽管其尺寸远远不及他后来制造的那些望远镜，但它的光学性能已经相当出色了。借助这台反射望远镜，赫歇尔开始了系统性的观测工作。他制定了一个计划，打算逐一检查所有亮度超过一定阈值的恒星。我们并不清楚赫歇尔开始这项工作时心中所想的目标是什么，但无论如何，他都不可能预料到这项工作会取得如此惊人的成功。在观测过程中，望远镜会对准某颗恒星并对其进行观测，之后再转向另一颗恒星继续观测。在这种情况下，每颗恒星都只是表现为一个光点；这个光点的亮度取决于恒星本身的亮度，同时也会显示出恒星的颜色，但却无法呈现出可辨认的大小或形状。事实上，望远镜的精度越高，恒星在望远镜中的图像就越小。

我们不知道赫歇尔在这段时间里观测了多少颗恒星，但可以肯定的是，在1781年3月13日那个值得铭记的夜晚，他仍在双子座中的众多恒星中继续着他的观测工作。无疑，一颗又一颗恒星被纳入视野，然后又从视野中消失。最终，有一个天体出现在视野中，它与其他恒星截然不同——它并非单纯的光点，而是一个虽微小却依然清晰可辨的圆盘状结构。我们说这个圆盘是清晰可辨的，但必须指出，这只有在赫歇尔那台性能极佳的望远镜下才能实现。其他天文学家之前也曾观测过这个天体。在这位来自巴斯的音乐家用自制的望远镜观察它之前，其实已经有人至少十九次测量过它的位置，但之前的观测者都是使用放大倍数较低的仪器进行观测的。即便在发现之后，那些拥有先进仪器且训练有素的天文学家在赫歇尔的指导下再次进行观测时，也纷纷证实了这位伟大天文学家卓越的观察能力——他几乎一眼就能将这个天体与普通恒星区分开来。

如果它不是恒星，那又会是什么呢？要回答这个问题的第一步，就是对这颗天体进行长时间的观测。赫歇尔正是这样做的。他夜复一夜地观察它，很快便发现了这颗天体与普通恒星之间的另一个根本性差异：恒星当然是固定不动的，而这颗天体却并非如此；夜复一夜，它在星空中的位置都在变化。至此，再也没有任何疑问了——这颗天体属于太阳系的一部分，而且人们已经有了一个惊人的发现。不过，过了好几个月后，赫歇尔才意识到自己这一发现的真正价值。他并没有意识到自己其实发现了一颗在土星之外运行的巨大行星；他以为那只是一颗彗星而已。的确，这颗天体看起来与那些带有尾巴的巨大彗星很不一样。不过，它与某些类型的望远镜观测到的彗星也并非截然不同，因此不能排除它是彗星的可能性；最初的报道也是基于这种观点。要确定这颗天体的真实性质，还需要时间。必须沿着它的轨道对其进行了相当长距离的追踪，并在不同时间点测量它的位置，数学学家才能计算出它运行的轨道。一旦开始对这一现象进行研究，许多天文学家都参与了必要的观测工作。这些数据被交给了数学学家，最终得出的结论是：这颗天体并非彗星，而是像所有行星一样，以近乎圆形的轨道绕太阳运行，其轨道位于土星轨道之外数百万英里处，而土星长期以来一直被视为太阳系的边界。

这一伟大发现的意义实在难以估量。自古以来，人们就已经知道五颗行星的存在；在适当的季节里，它们用肉眼就能清晰地看到。但现在人们发现，在这些行星的最外层之外，还有一颗更为壮观的行星在运行——它的体积比水星或火星还要大，甚至比金星和地球还要大得多，只有木星的体积比它更大而已。

土星。这颗极为出色的新行星位于如此遥远的太空之中，以至于尽管它拥有惊人的尺寸，看上去却只像一颗微小的恒星，只有极少数时候才能用肉眼观察到。它完成一次公转需要84年的时间，而其公转轨道的直径则达到了36亿英里。

虽然天文学的历史记载着一系列伟大的发现——哥白尼与开普勒的贡献、伽利略通过望远镜所取得的成就、牛顿提出的卓越理论、对光行差现象的精妙研究，以及许多其他令人难忘的智力成就——但这位八角形教堂里的音乐家所取得的成就却与其他任何成就都截然不同。此前从未有过关于地球所属的行星系统中被发现新天体的记录。那些已知的行星无疑也是有人发现的，但关于这些发现的记载几乎与关于太阳或月亮的发现记载一样少；它们都属于史前时期的发现。而这次则是首次有记录显示有人发现了像地球一样围绕太阳运转的行星，而且这样的行星很可能也适合生物居住。如此独特的成就立刻吸引了整个科学界的注意。这位原本不为人所知的巴斯音乐家，很快就被视为最杰出的天文学家之一。各方都对这位神秘的学者表现出了极大的兴趣。当时还不为英国人所熟知的赫歇尔的名字出现在了各种杂志上，甚至还有一份记录，列出了人们在拼写他名字时犯下的错误数量。各个科学协会也纷纷赶来，为这一值得纪念的成就表示祝贺。

汉诺威音乐家的这一发现传到了乔治三世的耳中，于是他召见了赫歇尔，希望亲自从发现者口中了解他的成就究竟如何。赫歇尔带去了自己的望远镜，同时还准备了一份太阳系图谱，用以详细解释这一发现的意义。国王对此极为感兴趣。

人们对赫歇尔的叙述很感兴趣，对赫歇尔本人也同样感兴趣。那台望远镜被架设在温莎，而在这位天文学家的引导下，国王得以观测到土星以及其他著名的天体。据说，第二天，宫廷中的女士们请求赫歇尔让她们也看看那些令国王如此欣喜的奇观。于是，望远镜被安置在王后居所的一扇窗户旁，但到了傍晚，天空却被云层覆盖，根本看不到星星。这对赫歇尔来说，就像其他所有天文学家一样，是再熟悉不过的糟糕经历。不过，并非所有天文学家都能像赫歇尔那样从容地应对这种状况。他向那些女士们解释了望远镜的构造，说明了镜子的制作过程以及他是如何对镜子进行打磨的；看到云层密布、无法观测到真正的土星后，他提议既然无法展示真实的土星，那就用一个人造模型来代替。得到许可后，赫歇尔将望远镜的方向从天空转向远处花园的墙壁。透过望远镜，人们可以看到土星及其环系，其逼真程度之高，据赫歇尔所说，就连经验丰富的天文学家也可能被误导。实际上，当天赫歇尔就预见到傍晚天空可能会被云层遮住，因此他提前准备了一个形状与土星相同的纸板模型，将其放在远处花园的墙边，并从背后用灯照明。

这次温莎之行对赫歇尔乃至整个科学界都产生了深远的影响。他给国王留下了极为深刻的印象，以至于国王决定授予他“温莎皇家天文学家”的头衔。国王还将提供资金用于建造大型望远镜，并为赫歇尔每月发放200英镑的薪水——当然，这个数字是基于对天文学家生活所需费用较为保守的估算。赫歇尔只把这些事情告诉了他那位始终慷慨相助的朋友W.沃森爵士，后者惊叹道：“从未见过君主以如此低廉的代价获得荣誉。”

对于其他询问者，赫歇尔只是说国王已经为他安排好了出路。接受这一职位无疑意味着这位伟大的天文学家迈出了重要的一步——他立刻放弃了原本可以带来丰厚收入的音乐事业。不过他的决定很快就做出了。他知道，自己为天文学所付出的努力仅仅是一个漫长而艰巨的奋斗过程的开始而已。其实，他早就觉得，遵循自己的天赋所指引的道路是自己的责任。他已不再年轻，已步入中年，而对于一个知道自己还有毕生事业要完成的人来说，时间显得尤为宝贵。他立刻摆脱了所有干扰因素：放弃了自己的学生和音乐会，以及在巴斯的所有关系网；欣然接受了国王的提议，经过一番调整后便在温莎附近的斯劳定居下来。

的确，有观点认为，与天王星的发现相关的最重要因素，就是赫歇尔那无与伦比的观测能力。无论如何，天王星迟早都会被发现的。即便没有赫歇尔，我们很可能也会很早就发现它。对科学而言，真正重要的是让赫歇尔的才华能够得到充分发挥，让他不必陷入普通职业中的种种琐事之中。天王星的发现实现了这一点，从而让赫歇尔今后能全身心投入天文学研究。[30]

天王星距离我们如此遥远，以至于即便是最先进的现代望远镜也无法将其清晰地呈现出来。我们可以像赫歇尔那样看到它有一个可测量的圆面，通过对该圆面的测量，我们可以推断出这颗行星的直径约为31,700英里。这一数值大约是地球直径的4倍，因此天王星的体积也应该是地球的64倍左右。此外，我们还发现，与其他巨行星一样，天王星似乎也是由比地球上物质轻得多的成分构成的；所以，尽管天王星的体积是地球的64倍，但其质量却只有地球的15倍而已。

质量很大。如果依据我们在太阳系其他地方所观察到的现象来类推的话，我们几乎可以肯定天王星必定是绕着某条轴旋转的。但对于一个表面如此小且如此暗淡的天体来说，要证明其正在旋转几乎是不可能的。因此，它的自转周期也无从知晓。光谱分析显示，天王星被一层极为复杂的大气层所包围，其中似乎含有某些与我们地球上的气体不同的物质。

不过，对于那些拥有大型且精度极高的望远镜的天文学家而言，天王星还有一个非常有趣的特点：它有一组卫星，其中一些卫星极其暗淡，必须通过极其仔细的观测才能被发现。这些卫星的发现正是赫歇尔后来的成就之一。然而令人惊讶的是，即便他如此敏锐且细心，还是在对这些极为微小的天体进行观测时犯了错误。他原本认为是一些卫星的天体，实际上很可能只是距离极远的恒星，只不过恰好位于视野范围内而已。后来人们确定，天王星共有四颗已知的卫星，人们对它们的运动规律进行了长期而有趣的望远镜观测。这四颗卫星分别被命名为阿里尔、翁布里埃尔、泰坦妮亚和奥伯龙。按照它们与天王星的距离由近及远排列，距离最近的阿里尔完成一次公转需要2天12小时，而距离最远的奥伯龙则需要13天11小时。

开普勒定律指出，卫星绕其主星运行的轨道，以及主星绕太阳运行的轨道，都应该是椭圆形。不过，这条定律并没有对轨道的离心率做出严格限制——椭圆可能接近圆形，也可能完全是圆形，或者完全不是圆形。一般来说，行星的轨道都是接近圆形的，但实际上并不存在完全呈圆形的行星轨道。据我们目前所知，最接近圆形轨道的，就是天王星卫星绕其主星运行的轨道了。但我们还不敢断言这些轨道就是真正的圆形轨道。

这些轨道实际上是圆形的。我们只能说，现有的望远镜无法检测到任何偏离圆形轨道的现象。另一个有趣的现象是，天王星的卫星轨道都位于同一个平面上。而太阳系中行星的轨道并非如此，其他卫星系统也是如此。不过，天王星系统最奇特的地方在于那个平面的位置——这一现象几乎可以与土星的环相提并论，堪称我们太阳系中的重大异常现象。此前我们已经注意到，地球绕太阳运行的平面与其他大型行星的运行平面几乎重合；小行星的轨道在很大程度上也是如此，当然也有一些小行星的轨道平面与地球的运动平面存在相当大的倾斜角度。月球的运行平面也与这个行星平面系统相近。土星和木星的卫星轨道也是如此，就连最近发现的火星卫星也不例外。就大型行星而言，如果将整个太阳系的轨道完全压平到一个平面上，所需的调整其实并不多。不过，这一规则也有一些显著的例外：天王星的卫星运行在一个与其他所有轨道平面都相差甚远的平面上，实际上，这些卫星的轨道平面几乎与天王星自身的轨道呈直角。我们目前还无法给出对此现象的合理解释。不过显然，在天王星系统的形成过程中，一定存在着某种极为特殊且局部的作用力。

1781年天王星被发现后不久，人们就已经积累了足够的观测数据，从而能够确定它的轨道。一旦知道了轨道形状，只需通过数学计算就能知道这颗行星在过去或未来的位置。这确实是个有趣的现象。

于是人们开始探讨：在赫歇尔发现天王星之前，是否有可能存在过关于它的观测记录。天王星看起来就像一颗6等星。当时并没有多少天文学家拥有赫歇尔所使用的那种精密望远镜，而赫歇尔那种敏锐的观察能力更是极为罕见。因此，如果真有之前的观测记录的话，它们很可能只是将天王星描述为一颗用普通望远镜就能看到的、亮度较高的恒星而已，不会引起人们特别重视——因为在成千上万颗外观相似的恒星中，它并不算特别突出。早期的许多天文学家都致力于编制恒星目录这项既繁琐又有意义的工作。在编制恒星目录时，他们会将望远镜对准天空，观察恒星的位置，精确测量其位置，并估算其亮度，从而逐步编纂出一份目录，让每颗恒星都有准确的记录，以便日后能够识别出来。从天文学诞生至今，已有成百上千颗恒星被记录下来。有人提出，既然天王星看起来像恒星，而且亮度足够高，足以吸引那些拥有普通望远镜的天文学家的注意，那么它很有可能早已被观测到，因而被记录在某些较早的恒星目录中。这确实是一个值得重视的想法，而且与我们下一章将要讨论的那项重大发现有着密切的关系。但是，要如何对这些目录进行检索呢？天王星一直在移动，这样的调查似乎充满了不确定性。让我们来看一个典型的例子吧。格林尼治的国家天文台成立于1675年，第一位皇家天文学家就是著名的弗拉姆斯蒂德，他在1676年开始对天体进行观测，这一系列观测工作一直持续到今天，为科学带来了巨大的贡献。

起初，那些观测仪器相当原始，但经过数年的努力，弗拉姆斯蒂德终于获得了足以用于编制星表的高质量仪器，他以极大的热情投入到了这项工作中。正是在弗拉姆斯蒂德的这部重要著作《天体史》中，记录了人类对天王星的首次观测结果。人们首先发现，与其它大行星一样，天王星的轨道也以极小的角度倾斜于黄道面。因此，天王星始终只可能出现在黄道带上，人们也可以计算出它在每年中的具体位置。1690年时，人们发现天王星位于黄道上的某个位置，而恰好在同一天，弗拉姆斯蒂德也在那里进行观测。于是人们开始查阅弗拉姆斯蒂德的观测记录，看看那些所谓的恒星中是否有可能是天王星。在《天体史》中，确实有一个天体处于与当天天王星所在位置完全相同的位置。那会是天王星吗？很快就有了一种验证方法：用望远镜对准弗拉姆斯蒂德所看到的那颗六等星所在的位置。如果那真的是一颗恒星，那么它应该仍然可见。经过检测，根本没有这样的恒星存在，因此可以确定那颗星就是天王星。随后还有更多证据支持这一结论——布拉德利和托比亚斯·迈尔也曾观测到过天王星，而且弗拉姆斯蒂德不仅在1712年和1715年各观测了一次天王星，还四次测量了它的位置。然而，弗拉姆斯蒂德却从未意识到自己其实已经发现了天王星。他显然以为这些观测结果都是针对不同的恒星。更令人惊讶的是莱莫尼耶，他实际上已经观测了天王星12次，甚至在1769年1月的连续四天内都对其进行了观测。如果莱莫尼耶能仔细检查自己的观测记录，如果能像他本应做的那样，察觉到昨天观测到的恒星今天已消失，而今天看到的恒星明天又会移开，那么毫无疑问，天王星早就被发现了，威廉·赫歇尔也就不会先于他人发现它了。莱莫尼耶会好好利用这些观测数据吗？

他能否像赫歇尔那样享有盛名呢？这似乎是一个永远无法解答的问题。不过，那些认为赫歇尔值得被如此评价的人，很可能会认同：莱莫尼耶没有将自己的观测结果与赫歇尔的进行比较，这对科学来说实属幸运。[31]

这些早期对天王星的偶然观测，并不能仅仅被视为具有历史意义或趣味性的事件。事实上，它们对科学本身具有极其重要的意义，稍加说明便可明白这一点。需要记住的是，天王星绕太阳公转一周需要84年之久。自它被发现以来，它已经完成了一整圈的公转，而到1900年时，它已经完成了超过三分之二的公转周期。为了能够仔细研究其轨道特性，就需要尽可能多地获取数据，并且这些数据的获取时间间隔也应尽可能长。而通过确认那些早期的天王星观测记录，就在很大程度上实现了这一目标。通过对轨道的粗略了解，我们就可以足够精确地确定天王星的位置，从而在星表中识别出它。而当借助这些早期观测结果来寻找实际观测数据时，它们就能精确地告诉我们天王星的位置；因此，我们目前所掌握的关于天王星的信息，已经远远超出了仅限于一圈公转的范围。

通过对这些行星的观测，我们可以确定它运行的椭圆轨道。我们可以根据发现之后的观测数据来计算这个椭圆，也可以根据发现之前的早期观测数据来计算。如果开普勒定律确实成立的话，那么当前这一次公转所形成的椭圆必然与之前任何一次公转所形成的椭圆没有任何差异。我们可以通过比较从古代观测数据得出的椭圆与从现代观测数据得出的椭圆，以一种有趣的方式验证这一点。这两个椭圆非常相似，几乎完全一致；但最重要的是要注意，即便已经考虑了所有因素，它们也并非完全相同。

根据下一章所阐述的原理，这显然属于已知的扰动源。因此，开普勒定律在天王星的情况下并非绝对成立。这确实是一个需要我们格外认真仔细对待的问题。在研究行星运动时，我们不是反复强调过开普勒定律的普遍性吗？那么，我们又该如何将这一定律与已被证实存在于天王星运动中的不规则现象相调和呢？

让我们更深入地探讨这个问题。我们知道，开普勒定律是万有引力定律的推论。我们知道，由于太阳的引力作用，行星会沿着椭圆轨道绕太阳运行；而且如果让太阳和行星继续相互吸引，且没有其他力介入的话，这个椭圆轨道就不会有任何变化。我们还可以计算出已知行星对轨道形状和位置的影响。但一旦把所有这些扰动因素都考虑进去，就会发现观测到的轨道与计算出的轨道并不一致。结论很明确：天王星的运行并非仅仅受太阳以及天王星内部行星的引力作用；除了这些已知的力之外，必定还有其他力量在影响着天王星。下一章将专门探讨这一主题。

第十五章 海王星
海王星的发现——一项数学上的成就——太阳的引力——所有天体都会相互吸引——木星与土星——行星间的扰动——三体问题——大自然简化了这个问题——近似解——成功的因素——针对地球的类似问题——拉格朗日的发现——偏心率——所有行星必须同方向旋转的必要性——拉格朗日的发现缺乏那些更近期成就所具有的戏剧性——天王星的运动异常——那颗未知行星必定在天王星轨道之外运行——解决这个问题所需的数据——勒维耶与亚当斯都对这一问题进行了研究——亚当斯指出了该行星的位置——寻找方法——勒维耶也解决了这个问题——通过望远镜发现了这颗行星——彼此之间的竞争——早期对海王星的观测——用望远镜研究海王星的困难——轨道的数值细节——是否存在其他外行星？——水星与海王星的对比。

本章要讲述的是一项极为非凡的发现，以至于在整个科学史上都难以找到与之相似的案例。我们此处并不涉及实用天文学中的技术细节。海王星最初是通过深入的数学研究而被发现的，而非通过精密的望远镜观测。鉴于这一事件在科学史上的重要性，我们必须详尽地描述它；因此，在开始叙述之前，有必要先简要介绍天文学中一个复杂却又有趣的分支，而这一分支至今还很少被提及。

太阳系中起主导作用的力是太阳的引力。系统中的每一颗行星都会受到这种引力的作用，因而被迫沿着椭圆轨道绕太阳旋转。一个天体作为引力源的效力与其质量成正比，由于太阳的质量是木星质量的千倍以上，而木星的质量又超过了其他所有行星质量之和，因此太阳的引力自然是决定行星运动轨迹的最主要因素。

我们宇宙体系中的各种运动都受到引力的作用。不过，万有引力定律并不仅仅指出太阳会吸引每颗行星；实际上，引力是一种更为普遍的原理——它认为宇宙中的每一个天体都会吸引其他所有天体。根据这一定律，每颗行星不仅会受到太阳的吸引，还会受到无数其他天体的吸引，因此行星的运动实际上是所有这些引力的共同作用结果。至于恒星对我们太阳系的影响，则完全可以忽略不计。毫无疑问，恒星都是巨大的天体，其体积往往甚至超过太阳，但万有引力定律告诉我们，引力的强度会随着距离的平方而减小。大多数恒星与太阳的距离相当于百万倍之远，因此它们产生的引力极其微弱，在研究这个问题时完全可以忽略。我们只需考虑那些由体系内一个天体对另一个天体所施加的引力即可。例如，以我们太阳系中最大的两颗行星——木星和土星为例。这两颗行星的运转主要是受太阳引力的作用，但它们彼此之间也会互相吸引，这就使得每颗行星都会稍微偏离它原本应有的轨道。用天文学的语言来说，就是木星的轨道会因土星的引力而发生扰动；反之，土星的轨道也会因木星的引力而受到影响。

多年来，行星运动的这些不规则现象一直困扰着天文学家们，让他们难以解决。不过，渐渐地，一个又一个难题都被解决了。虽然仍有一些细微的不规则现象尚未得到完全解释，但所有较为显著且重要的现象都已经得到了很好的理解。这是天文学家在从事天文学研究时所面临的最困难的问题之一。他们需要计算出一颗行星会对另一颗行星产生怎样的影响。这类计算充满了极大的难度，只有凭借最精湛的数学技能才能克服。让我们来明确一下这个问题究竟是什么。

当两个物体因相互引力而运动时，它们都会沿着可以精确确定的曲线运行。实际上，每条轨道都是一条椭圆，而且这两个物体作为一个整体来看，其重心处必有一个共同的焦点。在太阳与行星的情况下，由于太阳的质量远远大于行星的质量，两者的重心几乎位于太阳的中心；此时，太阳的运行轨迹相对于行星的轨迹来说要小得多。所有这些情况都可以通过相对简单的计算来得到非常精确的结果。但现在，让我们在这个系统中加入第三个物体——它既吸引其他两个物体，同时也受到它们的吸引。由于这种相互吸引力，第三个物体会发生位移，进而改变它对其他物体的影响；而其他物体又会反过来作用于它，这样的作用与反作用使得系统变得极为复杂。这就是著名的“三体问题”，自牛顿时代以来，几乎所有伟大的数学家都对其感兴趣。从数学角度来讲，如果不考虑任何可能简化问题的因素，这个问题是无法解决的。数学家们至今仍无法处理在太空中自由运动的三个物体之间的相互引力问题。如果物体的数量超过三个，就像太阳系中的情况那样，这个问题就更难解决了。

不过，大自然在这方面对我们还算仁慈。的确，它提出了一个无法精确解决的问题；但在太阳系中，它又赋予了这个问题一些特殊的特性，从而大大降低了解决问题的难度。我们仍然无法给出数学家所要求的严格解；我们无法像算术中的求和那样完全解决这个问题；但我们能够做到近乎同样有用的程度——我们可以近似地解决这个问题，大致了解一个行星对另一个行星的影响，通过进一步的努力，我们可以将不确定性的范围降到尽可能低的水平。这样，我们就得到了一个足以满足科学各种需求的实用解决方案。这确实对我们很有帮助。

几乎不可能以绝对精确的数学方式确定行星的位置。如果我们能够以如此高的精度来确定行星的真实位置，以至于任何望远镜都无法察觉其中的差异，那么所有的实际目标就都实现了。我们之所以能够克服那些无法逾越的困难，是因为太阳系中的三体问题具有特殊性。首先，太阳的质量极大，因此许多本应被考虑的因素就可以被忽略；而如果其他行星与太阳的质量相当的话，这些因素就会变得非常重要。我们能够取得成功的另一个原因在于，各行星轨道之间的倾角很小；此外，轨道近乎圆形这一特点也极大地简化了计算工作。不过，位于宇宙其他地方的数学家们则没有这么幸运。在许多恒星系统中，存在着必须面对三体问题甚至更多体体问题的情况，而且它们并不具备我们太阳系所具有的那些有利条件。比如在猎户座θ星这样的恒星系统中，就有三到四个大小相近的天体，它们之间必然会产生极其复杂的运动规律。即便地球上的数学家有勇气去解决这类问题，短期内也不可能做到；因为这类研究必须以精确的观测数据作为基础，而目前对于这些遥远恒星系统的观测数据还远远不够。

如果行星能按照开普勒定律围绕太阳做不受干扰的公转，那么该行星的气候状况就能保持稳定。例如，如果地球完全遵循开普勒定律运行，那么它每年都会在相同的时间回到与去年相同的位置。只要太阳保持不变，地球接收到的热量也会始终不变，这样一来，当前的气候状况就可以永远维持下去。但由于人们已经认识到行星间存在相互扰动的现象，因此关于这种扰动可能带来的影响，就出现了极为重要的问题。我们现在知道，地球的轨道并非完全固定不变的。

那条轨道受到金星和火星的干扰；实际上，我们太阳系中的每一颗行星都会对它造成干扰。的确，一年甚至一个世纪的时间里，轨道的变化幅度并不大；今年地球运行的椭圆轨迹与一百年前地球运行轨迹的差异其实并不显著。但问题在于：这种微小的差异是否会在不断增大，最终发展到足以改变我们的气候，甚至让生命无法存在的地步。事实上，如果不经过仔细的计算，似乎就很容易认为我们的太阳系将会面临这样的命运。地球在木星轨道之内运行，因此始终受到木星的引力作用。当地球追上这颗巨大的行星并位于木星与太阳之间时，这两颗天体就会靠得非常近，地球就会受到木星的向外拉力。人们可能会认为，这种扰动会逐渐将地球从太阳身边拉开，从而使地球的轨道越来越宽。然而，仅凭这种表面的推理是无法解决这个动力学问题的。必须将这个问题提交给数学分析来处理，只有这样才能充分考虑所有相关因素。这样的研究绝非易事，它曾让拉格朗日和拉普拉斯这些杰出数学家倾注了大量心血，他们在行星扰动理论方面的发现堪称天文学领域最伟大的成就之一。

在此，我们无法试图描述这些伟大数学家所使用的推理过程。那些推理只能用数学公式来表达，而没有多年的数学学习背景的话，是很难理解的。幸运的是，拉格朗日和拉普拉斯得出的结论已经得到了其他数学家的广泛验证，而且可以用简单的语言来解释。

让我们以太阳以及围绕它运行的两颗行星为例。这两颗行星会互相干扰，但这种干扰的强度与太阳对每颗行星的引力作用相比要小得多。拉格朗日证明，尽管由于另一颗行星的引力作用，每颗行星的轨道椭圆在某些方面会逐渐发生变化，但有一个特性是任何干扰都无法永久改变的：即椭圆的长轴长度，进而也是行星与太阳之间的平均距离——该距离等于长轴长度的一半——必须保持不变。这确实是一个既重要又出人意料的发现。它彻底消除了人们对干扰可能影响系统稳定性的担忧。它表明，即便有火星、金星、木星和土星的引力作用，地球仍会永远以相同的平均距离绕太阳运转，因此，至少就这一因素而言，季节更替和一年中的时间长度也将永远不变。

不过，拉格朗日还进一步进行了研究。他发现平均距离虽然不会改变，但地球轨道椭圆的偏心率是否也会受到干扰的影响，这一点仍有待验证。这与前面提到的问题同样重要。即便地球与太阳的平均距离保持不变，其近日点和远日点之间的距离仍可能相差很大：地球在轨道的某一部分可能会非常接近太阳，而在另一部分则可能远离到很远的距离。对于地球及其居民而言，这一点与平均距离的问题同样重要；因为如果一年中有一半时间热量过多，那么另一半时间热量过少所带来的影响就无法得到有效弥补。拉格朗日也对这个问题进行了分析，他再次克服了数学上的难题，从而证明了我们所在的天体系统的稳定性。的确，这次他无法断言每颗行星轨道的偏心率会保持不变，事实也并非如此。但他所肯定且已充分证明的是……

每个轨道的偏心率始终会保持较小值。我们发现，地球轨道的形状会逐渐膨胀或收缩；椭圆的长轴长度是恒定的，但有时它会更接近圆形，有时则会更呈椭圆形。这些变化都发生在一定的范围内，因此尽管它们可能会与可测量的气候变化相对应，但太阳系的整体稳定性并不会受到威胁——因为如果偏心率能够无限增大，情况就会不同了。拉格朗日再次运用微积分知识来研究扰动对行星运动轨道倾角的影响。这一研究的结果与关于偏心率的研究结果类似。如果我们假设各行星之间的相互倾角都很小，那么数学原理就告诉我们，这些倾角必然会一直保持较小值。由此我们可以得出结论：行星间的扰动无法影响太阳系的稳定性。

如果我们考虑到事情本可能走向何方，或许就能更充分地理解这些重要研究的意义了。假设存在一个在各方面都与我们的太阳系相似的系统，只有一点不同：该系统也有一颗太阳，也有行星和卫星；所有天体的质量都与我们太阳系中的相同，距离和周期也一致，而且所有轨道平面也都处于相同的位置。然而，这样的假想系统却可能蕴含着导致其崩溃的因素，而我们的太阳系则没有这些问题。在这个假想系统中还有一点尚未明确：在我们太阳系中，所有行星都是沿着同一方向绕太阳运转的。假设在那个假想系统中有一颗行星的运行方向被逆转了，那么仅这一小小的变化就会使该系统面临被行星扰动摧毁的风险。由此可见，行星绕太阳运转的方向必须保持高度一致性。如果这些方向不一致，我们的太阳系就必然会……

那些天体很可能早已消亡，我们也就没必要在这里讨论各种扰动或其他相关问题了。

尽管那位法国著名数学家取得了卓越的成就，做出了这些惊人的发现，但直到本世纪，数学分析在引力定律中的应用才真正取得决定性的胜利。拉格朗日的工作虽然也很重要，但却缺乏勒维耶和亚当斯那些发现所带来的震撼力——他们发现了海王星，这一发现使得太阳系的规模进一步扩大。

我们之前已经提到过，在试图将早期对天王星的观测结果与发现后的观测结果相协调时所遇到的困难。我们已经证明，这颗行星的运行轨道发生了变化，因此除了太阳的引力之外，天王星必定还受到其他力的作用。

那么，这些扰动力的本质究竟是什么呢？根据我们已知的关于任意两颗行星之间相互影响的规律，很自然地会想到：天王星轨道上的异常现象是否可以由其他行星的引力来解释。天王星位于土星外侧，而土星的质量远远大于天王星。难道不是土星把天王星拉向一侧，从而导致了轨道的变化吗？这是一个需要数学家来解答的问题。他可以通过计算来判断土星是否具备使天王星发生位移的能力，而结果无疑表明土星确实能够产生这样的作用。同样，质量巨大的木星也会对天王星产生影响，数学家也可以计算出这种影响的大小。当把所有已知行星的引力影响都考虑进去后，人们原本期望这些计算能够完全解释天王星轨道上的异常现象。然而事实并非如此。在仔细考虑了所有已知的扰动源之后，仍然发现天王星还受到某种未知力量的影响；因此人们得出结论：天王星必定还受到某种未知因素的作用。

那颗未知的天体究竟是什么？它又位于何处呢？在探讨这个问题时，类比成了人们的重要依据。我们知道，除了另一颗行星的引力作用之外，没有其他原因能够导致行星运动出现异常。难道天王星真的是被某颗当时还完全不为人知的行星所吸引了吗？许多天文学家提出了这一假设，并且还确定了那颗未知天体必须满足的一些条件。首先，它的轨道必须位于天王星轨道之外——因为只有这样，那颗天体才能拥有足够大的质量，从而产生观测到的那些异常现象。如果它距离天王星较近的话，那它就会成为显而易见的物体，早就被发现了。还有其他推理也表明：如果天王星的异常运动确实是由某颗行星的引力造成的，那么那颗天体必然是在赫歇尔所发现的行星之外运行的。行星系统的普遍规律也可以用来支持这样的假设：那颗未知行星的轨道虽然必然是椭圆形的，但与圆形的差异并不大；而且它的运行平面也几乎与地球的轨道平面重合。

为了发现这颗新行星，我们只能依靠对天王星在其轨道上不同位置处偏移量的测量数据。我们必须为那颗未知天体的轨道以及它的质量设定合适的数值，这样才能解释各种异常现象。例如，我们可以先假设那颗天体与天王星之间的距离为某个值，然后尝试为该距离下的行星确定一个轨道和相应的质量，使得这些数值能够解释观测到的异常现象。最初的假设可能过大，于是我们再尝试使用更小的距离值。这样一来，我们就能更精确地描述观测结果。经过第三次尝试后，得到的结果会更为准确，最终就能确定那颗未知行星的距离了。同样地，那颗天体的质量也可以通过类似的方法来确定。我们先假设一个数值，然后计算由此产生的异常现象；如果计算结果比观测值要大，那就说明假设的质量过大，于是我们就调整这个数值，再用较小的数值重新计算，如此反复，直到最终得到正确的结果。

我们确定了与实际测量结果相符合的行星质量。未知轨道的其他参数——即轨道的离心率以及轴心位置——也需以类似方式来确定。最终人们发现，如果那颗未知行星具有特定的质量，并且其轨道处于特定位置，那么天王星的扰动现象就能得到完全解释；同时也很明显，任何截然不同的轨道或大幅改变的质量都无法解释所观察到的现象。

这些惊人的计算工作是由两位天文学家独立完成的——一位在英格兰，另一位在法国。他们各自着手解决这一难题，而且都取得了成功。英格兰和法国的科学界人士就各自支持的人士是否应获得这一重大发现的荣誉问题展开了争论；但在这些值得纪念的研究成果问世后的四十年间，这个问题已逐渐有了定论。英格兰和法国以外的科学界公正地认为，这一科学上的伟大成就应由剑桥大学已故的杰出教授J.C.亚当斯与巴黎天文台已故台长U.J.J.勒维耶共同分享。

1843年，亚当斯在剑桥大学获得学位并荣获“高级优等生”称号后，便开始研究天王星的扰动现象。他仅凭这些扰动现象作为线索，开始了对那颗未知行星的搜寻。这项研究既漫长又艰难，需要大量的数值计算以及高超的数学能力；但亚当斯逐渐克服了种种困难。随着研究的深入，他明白了天王星的扰动现象完全可以由一颗外部行星的存在来解释。最终，他不仅确定了这颗外行星的轨道，甚至还能够指出应在天界的哪个区域寻找它。在研究取得如此进展之后，亚当斯于1845年10月前往格林尼治，向皇家天文学家乔治·艾里爵士展示了那些表明研究结果的计算数据。

他以惊人的精确度确定了那颗尚未被发现的行星的位置。由此看来，在其他人解决这个问题之前的七个月里，亚当斯先生就已经克服了种种困难，找到了这颗行星的位置——其位置与目前所知的实际位置仅相差一度多一点而已。要完成这一发现，让亚当斯教授以及英国科学界能够独享这一成就的荣耀，只需在所指的天空区域进行仔细的望远镜观测罢了。

有人可能会问：为何不立即开展这样的观测呢？毫无疑问，如果40年前各天文台就拥有如今所拥有的那些详尽的星图的话，这种观测早就开始了。由于当时没有相应的星图（而那颗未知行星所在的天区也还没有任何星图出版），因此寻找这颗行星的工作变得极为繁琐。有人建议可以通过观察这颗行星的可见圆盘来发现它；但必须记住，即便距离我们更近的天王星，其圆盘也极其微小，以至于人们多次观测它时都没有注意到它，尽管赫歇尔还是成功观测到了它。这样一来，寻找海王星就只剩下一种方法：为所指的天空区域绘制星图，然后夜复一夜地将这张星图与天上的恒星进行比对。在决定开始如此艰巨的工作之前，皇家天文学家认为应该先对亚当斯先生的研究成果进行一次关键的初步检验。亚当斯先生已经证明，他的理论能够准确解释天王星经度方面的变化现象。皇家天文学家便询问亚当斯先生是否也能同样清楚地解释天王星距离上的那些显著变化。毫无疑问，他的理论本也可以对这些变化给出令人满意的解释；但不幸的是，亚当斯先生似乎并未认为这个问题足够重要，因而没有及时回复皇家天文学家，结果从亚当斯先生首次将研究结果告知皇家天文学家，到真正开始观测，竟然过去了九个月之久。

人们开始系统地通过望远镜来寻找这颗行星。直到那时，亚当斯的研究成果还从未被发表过。除了皇家天文学家以及剑桥大学的查利斯教授之外，几乎没人知道他的工作成果；后来，寻找这颗行星的任务便交给了查利斯教授。

与此同时，法国伟大的数学家和天文学家勒维耶在阿拉戈的指导下，专注于研究天王星所受到的扰动问题。他通过详尽的分析，考察了所有可能的扰动源。他对其他行星的引力影响也进行了极为精确的计算，但结果只是进一步证实了之前的结论——这些行星的引力不足以解释天王星所受的扰动。在完全不知晓亚当斯所作工作的情况下，勒维耶开始借助数学方法来寻找这颗未知行星。1845年11月以及1846年6月1日，这位法国天文学家陆续公布了部分研究结果。这时，皇家天文学家发现，自己的计算结果与亚当斯的几乎完全一致，两位天文学家所确定的未知行星位置相差不过一度！这确实是一个惊人的结果：有一颗人类肉眼无法看见的行星，却能通过数学分析以极高的精度被定位出来，以至于两位各自不知对方研究成果的天文学家，最终都将这颗行星的位置定在了几乎相同的天区。这样一来，这颗新行星的存在几乎可以确定为事实，于是实际从事天文观测的工作人员便立即着手进行搜索。1846年6月，皇家天文学家向格林尼治天文台的参观者们宣布，勒维耶与亚当斯的计算结果高度吻合，并呼吁立即对指定的区域进行彻底搜索。负责操作剑桥大学那台大型诺森伯兰赤道望远镜的查利斯教授接受了这项任务，他于1846年7月29日开始着手进行搜索工作。

查利斯教授所采用的搜索方案极为复杂。他首先采用了亚当斯先生给出的该行星的理论位置，然后为这种极其复杂的计算所带来的不确定性留出了很大的余量，从而确定了黄道附近的一个区域——预计未知行星就位于该区域内。接着，他决定观测这个区域内的所有恒星，并测量它们之间的相对位置。完成这项工作后还需再次重复。他的计划甚至还包括对这一选定区域内的恒星进行第三轮完整的观测。毫无疑问，只要这颗行星的亮度足够高，处于查利斯教授所设定的恒星亮度范围内，那么通过比较这三组测量数据，就一定能发现它。通过比较这三组数据，就可以根据行星相对于恒星的运动来识别出它。这个方案设计得极为周全，因此必然能够带来预期的发现——事实上，后来确实有记录显示查利斯教授确实多次观测到了这颗行星，而对其位置的进一步比较也无疑有助于发现这颗新行星。

勒维耶也在同一方向上持续开展着同样复杂的研究。他对这颗行星的存在充满信心，甚至不仅预测了它的位置，还预测了它的实际外观。他认为这颗行星的体积应该足够大（当然仍然只能通过望远镜观测），因此会有一个圆盘状的结构，从而可以与其周围的恒星区分开来。这些明确的预测进一步增强了人们对于太阳系即将迎来另一项重大发现的信念。1846年9月10日，约翰·赫歇尔爵士在英国天文学会发表演讲时说道：“过去一年里，我们发现了新的行星阿斯特拉亚——不仅如此，它还让我们看到了另一颗行星出现的希望。我们就像哥伦布从西班牙海岸看到美洲那样看到了它。它的运动轨迹在我们精心设计的分析体系中清晰可见，其确定性几乎可与直接观测相媲美。”

发现的时间正在迅速临近。1846年9月18日，勒维耶给柏林天文台的加勒博士写信，说明了根据他的计算所得出的那颗行星的位置，并请求他用望远镜去寻找它。这一请求与亚当斯向查利斯教授提出的请求类似。无论是在柏林还是剑桥，人们都打算在相同的天区进行望远镜观测。不过，柏林的天文学家们很幸运，因为他们拥有了一种对研究极为有用的工具，而查利斯教授当时并没有这种工具。我们之前已经提到过，通过使用精心制作的星图，可以大大简化对行星的搜寻工作。实际上，只需将星图与天空进行对比即可。几年前，柏林科学院就已经开始制作一系列星图，这些星图上精确地标出了每一颗恒星的位置，甚至包括那些亮度仅为十等的恒星。这项工作极具实用性，但其创造者们很难预料到他们多年辛勤劳动会带来如此重大的发现。为了方便起见，他们决定分批发布这些星图，因此随着星图的逐步完成，它们也会一张一张地被印刷出来。就在勒维耶的研究成果传到柏林之前，那片天区的星图已经被制作并打印出来了。

9月23日，勒维耶的信终于送到了柏林的加勒博士手中。那晚的天气十分晴朗，我们可以想象加勒博士是怀着多么迫切的心情用望远镜观察天空的。他按照勒维耶的指示调整了望远镜的指向。视野中显现出无数颗恒星，就像天空的任何一处一样。其中有一颗星其实就是那颗行星。人们展开新的星图，逐颗对比天空中的恒星与星图上的标记。随着对恒星的识别工作不断进行，越来越多的恒星被发现与星图上的位置一致，自然就被排除了。最后，一颗八等亮的恒星被拿来进行比对。仔细查看星图后，却发现那里并没有这样的恒星。那么，那颗恒星肯定不在星图所标注的位置上。

这张星图绘制时的实际位置。因此，那个天体应该是一颗行星——一颗流浪的行星。不过，在处理这类问题时必须格外谨慎，因为有许多可能性需要排除。例如，完全有可能那其实是一颗恒星，只是由于某种意外，才逃过了绘制星图的天文学家的注意。也有可能是那种亮度会周期性变化的变星，而在星图绘制时它的亮度太低而无法被观测到。又或者它可能是运行在火星与木星之间的小行星。即便这些解释都不成立，仍需证明该天体确实以勒维耶理论所预测的特定速度和方向移动。仅仅一天时间就足以消除所有疑虑。第二天晚上，人们再次观测了那个天体，发现它确实发生了移动，而且其运动轨迹与勒维耶的预测完全一致。更令人惊喜的是，根据柏林的测微仪测得的行星直径，也与勒维耶的预测值几乎完全吻合。

这一卓越的成就很快便传遍了全世界。勒维耶的名字立刻登上了顶峰，其声望几乎超过了任何时代、任何国家的天文学家。这一发现的经过极为精彩：我们可以想象，这位伟大的天文学家数月来一直沉浸在深深的思考之中；他的目光并非聚焦在星星上，而是停留在自己的计算结果上。他手中没有望远镜，唯一使用的工具就是人类的智慧。凭借着不懈的努力以及精湛的数学技巧，他不断处理着各种数据。他尝试一种又一种解决方案，每次尝试都能让他避开某些错误，同时获得一些有用的线索来指导后续的工作。最终，他开始在这些原本混乱的结果中看到规律性。渐渐地，迷雾散去，他几乎能够像亲眼所见一般，清晰地看到那颗在遥远宇宙深处闪烁的行星。他从书桌前站起身，寻求一位实际从事天文观测的专家的帮助——果然，那颗行星就在那里。

就在那个指定的位置上。《科学年鉴》中从未记载过如此惊人的景象。这无疑是万有引力定律最有力的证明。牛顿理论早已确立了其不可动摇的地位；而海王星的发现，则进一步凸显了这一理论的正确性。

起初，似乎法国人将独享这一伟大成就的荣誉；毕竟，正是法国孕育了拉格朗日与拉普拉斯，也正是他们通过不懈的努力发展出了伟大的牛顿理论，因此他们理应获得这一殊荣。在柏林的加勒博士用望远镜发现这颗行星之前，人们并未公开过查利斯为寻找这颗行星所做的努力，甚至连亚当斯基于这些观测结果所进行的理论研究也无人知晓。然而，当热情的法国人为勒维耶的发现而欢呼雀跃时，《雅典娜姆报》在1846年10月3日刊登了约翰·赫歇尔爵士的一封信，他在信中介绍了亚当斯的研究成果，并主张他也应分享这一发现的荣耀。后续的调查表明，他的主张是合理的，如今所有权威机构都承认这一点。不过可以想象，那些嫉妒同胞声名的法国学者起初并不愿意承认这样的主张。他们被要求将这份无与伦比的荣誉在一位杰出的本国人与一位几乎无人知晓的年轻外国人之间分配——后者甚至尚未发表过任何研究成果，而且在勒维耶完成全部工作之前也从未提出过任何主张。因此，代表亚当斯提出的要求在法国遭到了拒绝，由此引发了激烈的争论。英国天文学家们逐条证明了他们同胞的主张。的确，亚当斯没有向外界公布他的研究成果，但他已将它们交给了该国的官方天文学家。查利斯教授也熟知这些研究成果。

剑桥大学天文学教授。当时，亚当斯的研究成果也发表了，人们发现其严谨性与成功程度与勒维耶的成果不相上下。同时人们还发现，查利斯教授所采用的搜索方法不仅最终必然会取得成功，实际上在某种程度上已经取得了成功。当通过望远镜发现了这颗行星之后，查利斯自然而然地想看看自己是否也观测到了它。10月1日，他才得知加勒博士的成功消息，而在此之前，他已为这项研究观测了不下3,150颗恒星。在这些恒星中，他很快发现8月12日观测到的那个天体在7月30日时已不在原来的位置上。那确实就是那颗行星；如果查利斯有时间对比自己的观测数据，那么这颗行星的发现就早已确定无疑了。事实上，只要他能立即分享自己的观测结果，那么毫无疑问，这一发现的荣誉就会归于亚当斯——无论是在理论计算方面，还是在通过光学手段验证行星存在这一方面，他都将是第一个完成这项工作的人。另外还可以提到的是，查利斯差点就以另一种方式发现了海王星。勒维耶在论文中指出，可以通过观测该行星的圆盘来发现它。查利斯也尝试过了，在柏林传来关于这一发现的消息之前，他就已经对勒维耶所指的区域进行了观测。约有300颗恒星进入了他的视野范围，他在其中挑选了一颗因为其具有圆盘状结构；后来证明，那确实就是那颗行星。

如果勒维耶和亚当斯从未开展过这些研究，那么可以肯定的是，遥远的海王星终究会被发现；不过，那种发现方式很可能是所有真正的科学爱好者都会所谴责的。我们经常听到有关新小行星被发现的消息，但没人认为这类发现能像海王星的发现那样具有重要意义。当时的危险在于，海王星可能会像天王星那样，仅仅通过简单的巡天工作就被偶然发现，或者就像现在所发现的那些大量小行星一样。

事实上，海王星至少有过一次差点就被以极其简单的方式发现的经历。当有足够的观测数据可以用来计算出这颗行星的运行轨迹后，人们便能够追溯它在群星中的运动路径，进而在早期天文学家的记录中寻找是否有将海王星误标为恒星的记载。已经发现了好几例这样的情况，但我这里只介绍其中一例，因为它特别有趣。人们发现，1795年5月10日时海王星所在的位置，恰好与拉朗德所著《天体史》中记载的某颗“恒星”的位置相同。通过实际观测天空，人们确认拉朗德所指的位置上并没有恒星，因此这里确实是对海王星的观测这一事实就再无疑问了。在查阅拉朗德的原始手稿时，一个非常有趣的现象被发现了：他在5月8日和5月10日都观测到了同一颗恒星（他认为是恒星）；每天他都会确定它的位置，而且这两次观测的结果都有详细记录。但当他准备编制目录时，发现两次观测到的位置不同，于是他放弃了之前的结果，只保留了后来的那次观测记录。

如果拉朗德对自己的观测结果有足够的信心，那么一项不朽的发现本就在他手中；如果他能勇敢地宣称：“5月10日我观测的是正确的，5月8日也是正确的；我两次都没有犯错，而我在8日看到的那个天体肯定在8日和10日之间移动过了”，那么他必定能找到海王星。但倘若他真的那样做了，对科学来说将是多么巨大的损失啊！那样的话，海王星的发现就只不过是某个勤奋工作者的偶然收获，而不会成为人类理性领域中最辉煌的成就之一了。

除了这段关于海王星发现的简短介绍之外，关于这颗遥远的行星，我们几乎无甚可说的。既然在天王星上我们看不到那些让火星、金星、木星或土星成为如此引人注目的望远镜观测目标的特征，那么在距离天王星还要远一倍的海王星上，我们又怎能期望发现什么呢？借助性能良好的望远镜以及适当的放大倍率，我们确实能够看到海王星有一个圆盘状结构，但无法识别出该圆盘上的任何特征。因此，我们无法确定海王星自转的周期，不过从整个行星系统的相似性来看，我们可以肯定它确实在自转。而在测量海王星的直径方面则取得了更多成果——其直径约为35,000英里，是地球直径的四倍多。看来，与木星和土星一样，海王星也必定被厚厚的云层构成的大气层所包围，因为它的平均密度仅约为地球的五分之一。这颗巨大的行星以平均28亿英里的距离绕太阳运转，这一距离大约是地球到太阳距离的三十倍。尽管它的运行速度超过每秒三英里，但由于距离实在太远，海王星完成一次公转需要近165年的时间。自从大约50年前被发现以来，海王星已经行进了其轨道路径的大约三分之一；而从1795年拉朗德首次偶然观测到它以来，它才刚刚走完其巨大轨道路径的五分之三。

与地球一样，海王星也有一颗卫星；这颗微小的卫星是在人们得知海王星存在后不久，由拉塞尔先生用他那台两英尺长的反射望远镜发现的。海王星的卫星运动近乎圆形，其轨道与黄道面的夹角约为35°。特别值得注意的是，与天王星的卫星一样，它的运动方向也与行星的整体运动方向相反。这颗卫星绕海王星一周所需的时间略少于六天。通过观测这颗卫星的运动，我们可以确定海王星的质量，由此可知，海王星的重量约为太阳重量的1/19,000。

在海王星之外尚未发现任何行星，目前也没有任何充分的证据表明存在这样的天体。在关于小行星的章节中，我已探讨了这些天体是如何被发现的——正是通过仔细而细致地将天空与精确的星图进行比对，才得以发现这些天体。同样的方法也可以用来寻找海王星以外的行星；事实上，如果真有这样的行星存在，我们想不出比目前许多天文台正在使用的那种方法更好的探测方式了。那些寻找小行星的人付出了巨大努力，最终发现了数百颗这样的天体。不过值得注意的是，所有这些行星都仅存在于太阳系的一个区域内。有人推测，随着时间的推移，海王星的轨道可能会出现扰动，而这些扰动或许能帮助我们发现更遥远的行星，即便那颗行星距离如此之远、亮度如此之低，以至于无法通过望远镜观测到。然而目前，这样的探索还难以纳入实际天文学的研究范畴。虽然人们无疑已经对海王星的运行规律进行了详细研究，但只有在其轨道的大部分范围内观察到扰动之后，才能据此推断出存在另一颗更遥远的未知行星。

由此可见，行星系统的一侧以水星为界，另一侧则以海王星为界。水星的发现可以追溯到史前时代。那些在没有仪器辅助、也没有精确理论知识支撑的情况下仍能完成这一壮举的早期天文学家，其敏锐的洞察力实在令人钦佩。另一方面，太阳系边界这一发现的特殊性在于，它完全是基于深厚的理论知识才得以确定的。

虽然我们在这里结束了关于行星及其卫星的论述，但在完整阐述太阳系的相关内容之前，还有两章需要补充。还有一类既非行星也非卫星的天体，它们同样受太阳的引力支配并围绕太阳旋转。

它们遵循万有引力定律运动。这些天体就是彗星，以及规模稍小的伴星——流星。在研究这些天体时，我们会发现许多有趣的现象，这些内容将在后续章节中详细探讨。

第十六章 彗星。

彗星在本质及其运动方式上都与行星有所不同——科吉亚彗星、周期性回归、万有引力定律、抛物线轨道与椭圆轨道、先于观测的理论预测、大多数彗星的轨道实际上为抛物线形、哈雷的不懈努力、1682年的那颗彗星、哈雷令人难忘的预言、外界干扰所导致的轨道偏移、哈雷彗星的多次回归、恩克彗星、各种干扰因素的影响、恩克彗星的轨道、水星与木星的引力作用、如何确定彗星的身份、如何测量水星的质量、通过恩克彗星确定地球到太阳的距离、产生干扰的介质、一些特别的彗星、彗星的光谱、彗星经过地球与恒星之间的情形、能否测量彗星的质量？从干扰理论可以得出彗星质量很小的结论、彗星的尾巴及其变化、关于彗星性质的种种观点、彗星中存在的碳元素、周期性彗星的起源。

在之前讨论太阳与月亮、行星及其卫星的章节中，我们发现所有这些天体几乎都具有球形结构，而且很多无疑是固体物质构成的。这些天体的密度即便在某些情况下远低于地球的密度，也仍比纯气体物质的密度高出数百倍。不过现在我们要探讨的是一类性质截然不同的天体。它们不再是那些具有相当大质量的球形天体，彗星的形状极为不规则；至少在很大程度上，它们是由极其稀薄的物质构成的，其质量小到我们现有的任何方法都无法对其进行测量。彗星不仅在构成上不同于行星或太阳系中的其他较致密的天体，其运动方式也与行星按固定周期规律性回归的方式大相径庭。彗星有时会以出人意料的方式出现；它们的体积会迅速膨胀，以至于在迷信的时代里会引发极大的恐惧；随后它们又会消失，很多情况下再也不会回来。毫无疑问，现代科学已经揭开了曾经笼罩在彗星研究领域的诸多谜团。如今，彗星的运动方式已在很大程度上得到解释，我们对它们性质的认知也有所增加，尽管……

我们必须承认，我们所知道的关于彗星的信息仅占其未知部分的一小部分而已。

首先，让我大致描述一下在强大折射望远镜的辅助下所揭示的彗星结构。图十二展示了哈佛大学天文台为1874年那颗以发现者科吉亚命名的巨大彗星所绘制的两幅有趣示意图。

图中可以看到彗星的头部，其中最亮的部分就是所谓的核，彗星的物质在核处的密度似乎比其他地方要高得多。在核的周围，有一些由发光物质构成的层次，即彗发或彗头，其直径从2万英里到100万英里不等，彗尾则从这些区域延伸出去。这一景象可以被视为这类天体的典型代表，但实际上不同彗星的结构差异极为多样。有些彗星没有核，有些则没有彗尾。对于那些备受关注的巨大彗星来说，彗尾无疑是一个显著的特征；但对于那些每年都会出现的一些小型彗星而言，通常是没有彗尾的。彗星不仅外观千变万化，就连同一颗彗星的外观也会发生很大变化——有时它的体积会急剧增大，有时则会缩小；有时会有长长的彗尾，有时则根本没有彗尾。要测量彗星的大小几乎是不可能的；即便在观测彗星的短短几个小时内，其尺寸数据也可能不再准确。事实上，仅凭对彗星外观的描述是无法识别它的。然而，确定彗星的身份往往具有极其重要的意义。因此，我们必须找到一种不依赖彗星外观的特征来确认其身份的方法。

如今人们已经知道，其中有几颗彗星会周期性回归。在消失数年后，它们会再次出现，然后再次回到太空中完成另一轮轨道运行。

于是就出现了这样一个问题：当彗星真的回归时，我们该如何识别它呢？它的大小、亮度等特征，以及是否有尾巴、尾巴的粗细，都属于短暂的变化，对于识别彗星并无帮助。不过幸运的是，开普勒所发现的椭圆运动定律为精确确定彗星的身份提供了方法。

牛顿在发现万有引力定律，并成功证明行星绕太阳运行的椭圆轨道正是该定律的必然结果之后，自然而然地想用同样的原理来解释彗星的运动。这一次，他再次取得了惊人的成功——他通过完全解释那颗从1680年12月到1681年3月间可见的彗星的运动规律，证明了自己的理论。

图69——彗星的抛物线轨迹。

在几何学中，有一种极为优美的曲线，被称为抛物线。其形状如附图所示：它是一条向某个称为焦点的点弯曲并围绕该点延伸的曲线。此处无需赘述这种曲线的几何性质，相关内容可参阅数学著作。这里只需指出抛物线与椭圆之间的联系即可。在前一章中，我们已经解释了椭圆的构造方法，并说明了椭圆具有两个焦点。假设我们画出一系列椭圆，每一個椭圆的焦点间距都比前一个更大。继续这个过程，直到焦点间距远远大于每个焦点到椭圆曲线的距离时，那么这个长椭圆的两端实际上就会呈现出与抛物线相同的形态。因此，图69中所显示的抛物线可以被视为一个椭圆的一端，而另一个端则位于无限远的距离处。1681年，萨克森州的牧师多尔费尔证明了当时观测到的那颗大彗星是沿抛物线轨迹运动的，而太阳恰好位于该抛物线的焦点上。牛顿则指出，万有引力定律允许物体沿着这种极端形式的椭圆轨道运动，也允许其沿着比例较为普通的椭圆轨道运动。沿着以太阳为焦点的抛物线轨道运行的物体，会逐渐向太阳靠近，绕着这颗巨大的恒星旋转，之后又开始远离。抛物线运动与椭圆运动之间存在本质区别：在椭圆运动中，物体在远离到一定距离后会再次转向并重新向太阳靠近；实际上，它会像行星那样周期性地在轨道上运行。但对于真正的抛物线轨道而言，物体永远无法返回——要想返回，它必须先到达那个无限遥远的焦点，而由于该焦点极其遥远，只有经过无限长的时间才能抵达。

抛物线轨道运动的特征可以这样描述：物体从某个位置开始，逐渐向焦点靠拢。

在某一侧是无限遥远的距离，而绕过焦点之后，又逐渐远离到另一侧的无限遥远距离，再也不会返回。当牛顿意识到这种抛物线运动可以由万有引力定律产生时，他立刻想到（独立于多尔费尔的发现，而他并不知晓多尔费尔的发现），可以利用这一原理来解释彗星的运动。他知道彗星必定会受到太阳的吸引；他也观察到彗星的通常轨迹是突然出现，绕太阳运行后再离开，从此不再返回。这真的属于抛物线运动吗？幸运的是，他手头已有用于验证这一重要假设的资料——他可以利用1680年那颗彗星的已知运动轨迹，以及天文学家们所记录的其它几颗类似天体的观测数据。凭借他一贯的敏锐才智，牛顿设计出一种方法，能够根据已知事实确定彗星的运行轨迹。他发现彗星的轨迹确实是抛物线，而且彗星的速度遵循这样的规律：从太阳到彗星的直线在相等的时间内扫过的面积相等。这再次证明了万有引力定律的正确性。实际上，在这种情况下，该理论甚至先于计算结果的出现。开普勒通过观测确定了行星的轨道为椭圆，而牛顿则阐明了这一事实其实是万有引力定律的必然结果。但对于彗星而言，由于其轨道极为不规则，直到牛顿的理论指出它们的轨道为抛物线之后，人们才得以将其转化为几何形态，随后牛顿又借助观测结果来验证自己理论的预测。

图版十二。

科吉亚彗星。
（观测于1874年6月10日及7月9日。）

绝大多数彗星的轨道与抛物线几乎无法区分，而轨道为这种形态的天体只能被观测到一次。虽然万有引力理论承认抛物线可能是彗星的轨道形态，但并未断言彗星的轨道必定是这种类型。我们指出，抛物线其实只是椭圆的一种极端形式；只要太阳位于椭圆的焦点上，且彗星遵循在相等时间内扫过相等面积的规律，那么彗星沿着任何椭圆形态的轨道运动依然符合万有引力定律。如果一个天体沿椭圆轨道运动，它就会再次回到太阳附近，因此我们就能定期看到同一颗彗星的出现。

这为天文学家们提供了一个有趣的研究方向。不久之后，人们就发现了一颗周期性的彗星，它生动地证明了上述预测的正确性。著名天文学家哈雷的名字或许最为人熟知，正是因为他通过计算发现了这颗具有周期性的大彗星。当哈雷从牛顿理论中了解到彗星可能沿椭圆轨道运动后，他开始了极其艰苦的研究工作：他从各种彗星观测记录中收集了所有可靠的资料，从而能够相当精确地确定大约24颗大型彗星的轨道特征。其中就包括1682年那颗由哈雷亲自观测到的彗星，他根据牛顿的理论计算出了它的轨道。接着，哈雷试图判断这颗1682年的彗星是否曾在更早的时期造访过我们的太阳系。为此，他查阅了自己精心整理的彗星记录表，发现这颗彗星在外观和轨道上都与1607年以及1531年观测到的彗星极为相似。这三颗彗星会是同一颗吗？其实只需假设，有一颗彗星……

彗星并非在抛物线轨道上运行，实际上是在一个极为拉长的椭圆轨道上运动，且每完成一次公转需要大约75到76年。他对这一假设进行了各种可能的验证；他发现，在三次观测中得到的轨道数据几乎完全一致，这种巧合不可能是偶然的。因此，他决定将这一理论提交给天文学界所能想到的最严格的检验。他大胆地做出了一个预测，让后人有机会来验证它。如果正如之前的观测结果所示，彗星的公转周期为75或76年，那么哈雷估计，只要没有受到干扰，它应该会在1757年或1758年再次出现。不过他也指出了某些可能对彗星回归时间产生重大影响的干扰因素。彗星在运行过程中会经过木星轨道附近，从而受到那颗巨大行星的强烈扰动。哈雷因此推断，彗星的回归时间可能会推迟到1758年底或1759年初。

这一预测在天文学史上具有里程碑意义，因为这是人类首次尝试预测那些似乎没有固定运行规律、且通常被视为不祥之兆的神秘天体的出现。哈雷深知自己这一发现的重要性。他知道，在彗星完成一次公转之前，他自己早已离世；他用近乎感伤的语言写道：“因此，如果彗星真的如我们预测的那样在1758年左右回归，公正的后人定不会否认这是由一位英国人首先发现的。”

随着这一重大事件预期日期的临近，它引发了天文学家们极大的兴趣。著名的数学家克莱罗试图利用更先进的方法，重新计算行星引力对彗星的影响。他对这些扰动现象的分析表明，土星会使彗星延迟100天回归，而木星则会让其延迟518天。

这一预测为哈雷彗星的运行轨迹提供了更高的精确度，最终得出结论：这颗彗星将在1759年4月中旬到达近日点，即其轨道上距离太阳最近的点。这位睿智的天文学家（我们必须记住，他生活在天王星和海王星被发现之前很久）还指出，当这颗彗星远离太阳时，它可能会受到我们尚未知晓的某种影响，或者甚至会被某些距离太远而无法被观测到的行星所干扰。因此，他在预测中说明，由于存在这些未知因素，他的计算结果可能会有一个月左右的误差。克莱罗于1758年11月14日向科学院提交了这份重要的报告。天文学家们立刻开始密切关注，试图确定这颗上次出现是在76年前的彗星是否即将回归。他们夜以继日地观测天空。1758年的圣诞节当天，人们首次发现了这颗彗星；而在3月12日午夜左右，它又达到了距离太阳最近的点——这一时间比克莱罗预测的时间早了一个月，但仍在他所设定的误差范围内。

这一预测的实现进一步证明了万有引力理论的正确性。从那以后，哈雷彗星在1835年再次出现，其情况与前述描述颇为相似。后续的历史研究还成功地将哈雷彗星与历史上许多著名的彗星出现记录联系起来。甚至有证据表明，在基督教时代开始前11年出现的那个壮观的天体，其实就是哈雷彗星在之前的某次回归。其中最著名的几次出现当属1066年那次，那次彗星的出现引起了全世界的关注；贝叶挂毯上就有那次彗星的图像，堪称一件独特的艺术品。预计哈雷彗星下一次出现的时间约为1910年。

目前已知有数颗彗星沿着椭圆轨道运行，因此可以被称为周期彗星。这类彗星大多需要通过望远镜才能观测到，这与美丽的哈雷彗星形成了鲜明对比。其他大多数周期彗星的轨道周期则远远短于哈雷彗星的周期。

哈雷。在这些天体中，最著名的当属恩克彗星，它值得我们仔细研究。

我们所讨论的这颗天体有着极为引人注目的运行轨迹，为引力定律的验证提供了许多实例。这里所讨论的并非那种简单的行星轨道运动。行星主要受太阳引力的支配，同时也会受到其他行星的微弱引力影响。数学家们早已习惯通过精确计算来预测这些天体的运动轨迹。他们知道如何根据太阳的引力大致确定行星的位置，也能判断出由于其他行星的干扰而导致的位置变化。当被扰动的天体沿着彗星的偏心轨道运动时，其产生扰动的能力会大大增强。通常情况下，这类天体的轨道会与行星的轨道非常接近，因此即使两者不会真正相撞，彗星也可能会掠过行星本身。在这种情况下，扰动效应会急剧增加，正因如此，当我们想要用某个典型的例子来说明行星扰动理论时，就会选择彗星作为研究对象。

既然决定选择彗星，接下来的问题就是：选哪一颗彗星呢？在这方面其实没有太多选择的余地。那些出现得毫无规律可循的美丽彗星可以立即被排除——它们似乎只是初次造访，之后便消失不见，人类很可能再也无法见到它们。这类彗星沿抛物线轨道运行，绕太阳一周后便返回原来的太空区域。只有在持续观察彗星多次回归太阳的过程后，我们才能全面了解扰动对其的影响。因此，我们的选择范围只能局限于那些被称为周期彗星的彗星；在所有周期彗星中，我们会挑选出最适合用于研究的那一颗。那就是通常所说的恩克彗星，虽然恩克并非它的发现者，但正是他的计算才让我们能够了解这颗彗星的特性。

这颗彗星之所以闻名，正是得益于这些研究。最近的相关研究使得它更适合作为我们的研究对象。

1818年，勤奋的天文学家庞斯在马赛发现了一颗彗星。我们不必以为它会带来壮观的景象——它只是一个通过望远镜才能观测到的小天体，与散布在天空中的那些暗淡星云并无二致。不过，由于彗星会相对于恒星移动，而星云则数世纪都不会改变位置，因此可以轻易将彗星与星云区分开来。这颗彗星的位置由它的发现者以及其他天文学家共同确定。恩克通过观测发现，这颗彗星每三几年零几个月就会返回太阳附近一次。这一发现令人震惊：当时还没有其他周期如此短的彗星被发现，因此这颗新出现的彗星引发了人们极大的兴趣。人们立刻开始思考：既然这颗彗星如此频繁地回归，那么在它之前的回归过程中是否也曾被观测到过呢？关于彗星出现的记录数以百计，那么在这么多记录中，我们要如何找出那些与庞斯所发现的彗星相同的呢？

图70——恩克彗星的轨道。
我们完全可以放弃通过该天体的图像来识别它的希望，但幸运的是，有一项彗星的特征是我们能够把握住的，而且这一特征不会因彗体结构的任何变化而改变或被掩盖。彗体在太空中运动的轨迹与其结构变化无关，该轨迹的形状和位置完全取决于太阳系中那些与恩克彗星理论相关的其他天体。在图70中，我们展示了三颗行星的轨道。这些行星的比例经过精心选择：最内侧的轨道代表水星的轨道，中间的是地球的轨道，最外侧的则是木星的轨道。除了这三颗行星之外，图中还有一条更为椭圆形的轨道，它代表了恩克彗星的轨道，这条轨道是投影在地球运动平面上的。

太阳位于椭圆的焦点上。在太阳引力的作用下，彗星不得不沿着这条轨道运行，完成一次完整公转需要略多于三年的时间。在近日点时，彗星会靠近太阳，其位置甚至位于水星轨道之内；而在远日点时，则接近木星的轨道。这条椭圆轨道主要由太阳的引力所决定。无论这颗彗星的质量是1盎司、1吨、1000吨还是100万吨，无论它的直径是几英里还是数千英里，它的轨道都是一样的。正是通过这条椭圆的形状、实际大小以及它所处的位置，我们才能识别出这颗彗星。它曾在1786年、1795年和1805年被观测到，但那几次并没有人注意到它的轨道偏离了抛物线轨迹。

恩克彗星通常非常暗淡，即便使用世界上最强大的望远镜也难以看到它的踪迹。在完成一次周期性回归后，它会退回到轨道的最外端，然后再次转向并靠近太阳。似乎在太阳光线的照射下，它获得了能量，开始在温暖的影响下膨胀。在轨道的这一段，彗星与地球的距离逐渐减小，它的亮度也日益增强，最终，由于自身亮度的增加以及与地球距离的缩短，它便进入了我们望远镜的观测范围。我们通常可以预知这一时刻的到来，也能确定需要将望远镜指向天空的哪个位置，以便在彗星下次到达近日点时能够观测到它。彗星无法逃脱数学家的掌控——他们能够判断出彗星出现的时间和地点，但却没人能预料它的具体状态会如何。

如果将太阳系中的其他天体全部移除，那么恩克彗星的轨道就一定会以完全规律的方式沿着同一条椭圆轨道运行。对于我们目前的研究而言，重要的并非其轨道的规律性，而是太阳系中其他天体的存在所带来的轨道不规则性。例如，让我们来追踪彗星经过近日点时的运动轨迹吧。

这颗彗星的轨道与水星的地轨相近。通常情况下，当彗星经过时，水星会处于其轨道上的较远位置，因此水星对彗星的影响相对较小。不过，有时水星与彗星也会靠得非常近。1848年11月22日就发生了一次极为有趣的近距离相遇事件：那天，彗星与水星之间的距离仅为地球到太阳距离的约三十分之一，也就是大约3,000,000英里。还有几次，恩克彗星与水星之间的距离也小于10,000,000英里——与我们太阳系的尺度相比，这个距离其实微不足道。如此近距离的相遇会给彗星的运动带来严重影响。虽然水星体积很小，但其质量仍然足够大。它始终会对彗星产生引力作用，而当彗星在其轨道上靠近水星时，这种引力的作用力会大幅增强。这种引力作用会迫使彗星偏离原有的轨道，并改变其速度。随着彗星逐渐远离，水星带来的干扰作用也会迅速减弱，最终变得可以忽略不计。但是，水星所造成的轨道扰动效应却无法从彗星的轨道上消失。受扰动的轨道与仅受太阳引力作用时彗星所呈现的椭圆轨道有所不同。我们可以计算出在太阳引力作用下的彗星运动轨迹，只要知道水星的质量，我们也能计算出水星带来的扰动效应。

尽管水星是行星中最小的之一，但对天文学家来说却可能是最难研究的行星。它距离太阳如此之近，以至于与其他大型行星相比，人们很少能看到它。它的轨道极为偏心，还会受到其他天体引力的干扰，而这种干扰机制至今仍未被完全理解。在试图测定水星的质量时，也遇到了特殊的困难。我们可以测量地球的质量，也可以测量太阳、月亮以及木星等其他行星的质量，但水星则带来了独特的测量难题。勒维耶……

然而，他成功找到了测量其质量的方法。他证明了地球会受到这颗行星的引力作用，还说明了如何通过观测太阳来确定这种引力的大小。通过对这些观测数据的分析，他大致算出了水星的质量。勒维耶得出的结果是，水星的质量约为地球质量的十四分之一。换句话说，如果把地球放在天平上，再在另一侧放14个与水星质量相等的球体，天平将会保持平衡。不过，这一结果必须谨慎对待，因为它依赖于对一些不够精确的测量数据的细致解读，因此只能被视为临时性的数值，一旦有更准确的数值出现，就需要被舍弃。

恩克彗星接近水星的现象，以及冯·阿斯滕和巴克兰德所做的详细研究——这些研究中对该彗星的观测数据进行了分析——为这一课题提供了很多线索。但由于这颗彗星运动方式上的特殊性，这项研究的难度极大。巴克兰德最新的研究结果表明，太阳的质量是水星的9,700,000倍，他认为这一数值相当可靠。这一结果与勒维耶的数值之间存在较大差异（根据勒维耶的数值，地球的质量约为水星的30倍）；而另一方面，哈尔特尔根据温内克周期彗星的运动情况得出的水星质量数值与勒维耶的数值相差不大。不过，水星仍是唯一质量值存在较大不确定性的行星，但这并不意味着我们应该怀疑这种精密测量方法的准确性。再看看木星的轨道吧，恩克彗星在远离太阳时就会非常接近木星。有时，木星与彗星会处于极近的距离，此时巨大的木星会严重干扰彗星的轨道。彗星的运行轨迹上清晰地留下了木星和水星所造成的扰动痕迹。要在两种行星的干扰作用中区分开来似乎是一项毫无希望的任务，因为两者都对彗星的轨道产生了影响。

虽然我们无法完全掌控太阳的运行，但数学分析方法足以解决相关问题。这些方法能够告诉我们水星对彗星运动的影响程度，以及木星的影响程度；通过研究恩克彗星的轨道变化，我们就能得知木星和水星的质量。这为我们提供了一种检验称重设备精确度的手段。正如前一章所述，我们还可以通过木星的卫星来测量其质量——由于这些卫星不断绕木星旋转，我们可以通过它们运动的快慢来计算木星的质量。研究表明，如果把太阳放在天平的一端，那么需要在另一端放置1,047个与木星质量相当的物体才能使天平平衡。这一数值几乎不存在任何不确定性，因此通过恩克彗星的理论来验证这一结果具有非常重要的意义。冯·阿斯滕已经进行了这样的比较。根据恩克彗星的数据，太阳的质量是木星的1,050倍；而实际测得的结果与之几乎相同，这也证明了恩克彗星所提供数据的准确性。不过，计算恩克彗星的运动扰动极为复杂，因此阿斯滕得出的结果参考价值并不高。通过研究温内克周期彗星的运动，哈尔特尔发现太阳的质量是木星的1,047.17倍，这一结果与根据木星对其卫星及其他行星的引力作用所得出的最佳数据完全一致。

迄今为止，我们讨论的都是恩克彗星那些有助于解答某些已知问题的运动规律。现在我们要探讨一个著名的难题，而在这个问题上，恩克彗星是我们唯一的依据。每隔1,210天，这颗彗星就会完成一次完整的轨道运行，再次回到太阳附近。不过，它的运动轨迹有些不规则。我们已经解释过水星和木星是如何对彗星运动产生影响的。此外，地球以及其他行星的引力也会带来额外的扰动；不过只要把这些因素都考虑进去，那么只要万有引力定律普遍成立，我们就可以预期彗星的运动会符合数学计算的结果。然而，恩克彗星并未能证明这一点。

这种不规律性不容忽视，因为大约二十次轨道运行后这一现象依然存在。人们曾认为，这些差异可能是由于某些行星的扰动未被考虑或未能完全解释所致。然而，冯·阿斯滕与巴克兰德的精妙分析已经否定了这一解释。他们详细研究了截至1891年的观测数据，只是为了确认恩克彗星周期缩短这一现象的真实性。

很久以前，恩克就提出了对这些不规律性的解释。让我们简要介绍一下这一著名的假说。当我们说一个天体在引力作用下沿椭圆轨道绕太阳运动时，总是假设该天体可以在太空中自由移动，不存在摩擦、空气或其他干扰因素。但假如这一假设是错误的——假如太空中确实存在某种介质，它能像空气阻碍子弹飞行那样阻碍彗星的移动——那么这种介质会产生什么影响呢？这就是恩克提出的想法。即便太空的大部分区域是完全空无一物的，以至于这颗纤细得近乎“无形”的彗星不会感受到任何阻力，但在太阳附近，仍可能存在某种极为稀薄的介质，足以影响如此轻小的天体。可以证明，我们所设想的这种阻力介质会缩小彗星的轨道半径，从而缩短其周期。不过，这一假说如今已被摒弃。奇怪的是，没有其他彗星显示出受到这种假定阻力介质影响的迹象。但巴克兰德的努力已经毫无疑问地证明了彗星运动加速的现象。

恩克彗星并非一颗恒定不变的彗星，无法用“太阳周围存在某种阻力介质”这一假设来解释其运动规律，无论我们如何设想这种介质在距离太阳不同位置时的密度状况。巴克兰德发现，从1819年到1858年期间，该彗星的加速度基本保持恒定；而在1858年至1862年间，加速度开始下降，并一直持续减小，直到1868年至1871年间的某个时刻，此后又重新趋于稳定。他认为，这种加速度只能是由彗星周期性遇到一群流星所导致的；如果我们能够观测到彗星在其轨道上大部分路径上的运动情况，就能确定它与这些流星相遇的位置。

我们选择了哈雷彗星和恩克彗星作为周期彗星的典型例子，实际上它们也是这类彗星中最著名的代表。另一颗非常著名的周期彗星是比拉彗星，关于它我们将在下一章中详细讨论。至于数量更多的非周期彗星，也有许多实例可以列举。这里我们就提及一些在本世纪出现的彗星。首先是1843年的那颗壮观的彗星，它在当年2月突然出现，亮度极高，甚至在白昼时分也能看到。它的运行轨迹无法被确定为抛物线，不过毫无疑问它可能是一颗形状极为拉长的椭圆。在有限的观测时间内，往往很难确定这类问题，因为我们只能观测到彗星轨道上极短的一段弧线，而且即便如此，那个点也并不十分清晰，无法像观测恒星或行星那样进行精确测量。不过，1843年的这颗彗星之所以特别引人注目，是因为它的移动速度极快，而且还曾非常接近太阳。它在绕太阳运行时所承受的热量，肯定远远超过我们最强大的熔炉所能产生的热量。如果构成它的物质是玛瑙或红玉髓，或是那些最难熔化的物质的话……

在地球上，这些物质早已被强烈的太阳光线熔化并蒸发掉了。

1858年的那颗大彗星堪称现代天文学史上最壮观的景象之一。它最早是由多纳蒂在同年6月2日发现的，后来这颗彗星便以他的名字来命名。起初它只是一个小小的模糊光点，之后在大约三个月的时间里持续在天空中移动，却丝毫没有显示出它日后会达到的辉煌程度。到了8月底，这颗彗星才勉强能用肉眼看到，而且它的尾巴也非常短小；但随着9月它逐渐靠近太阳，它立刻变得光彩夺目。一条极为壮观的尾巴迅速形成，到了10月中旬，即其亮度达到最高时，这条尾巴的长度已经达到了40度弧度。由于它出现在夜晚足够黑暗的季节里，因此其美丽与引人注目的特性更显突出。

1881年5月22日，新南威尔士州温莎市的泰布特先生发现了一颗彗星，这颗彗星很快便成为了这一代人见过的最有趣的天体之一。大约在6月22日，从这些纬度地区看，它在中午时分就能在北方天空中被看到。它逐渐上升得越来越高，最终绕过了天球极点。这颗彗星的核体亮度堪比一等星，而它的尾巴长度约为20度。9月2日，它不再能用肉眼看到，但通过望远镜仍可观测到，直至次年2月。这是第一颗被成功拍摄下来的彗星。需要指出的是，彗星的光辐射强度其实非常低。据估计，就摄影而言，月光的强度是彗星的30万倍。

另一颗同样受到广泛关注的此类天体，是1882年9月初在南半球被发现的那一颗。它的亮度急剧上升，以至于在同月的17日，康蒙先生甚至在白天就能看到它。

好望角的天文学家们很幸运，能够观测到这颗彗星逐渐靠近太阳边缘的过程，最终它便从视野中消失了。我们知道，这颗彗星必定经过了地球与太阳之间，而从好望角的观测结果来看，当它正好位于太阳圆盘上时是完全看不见的，这一现象非常有趣。次日，在白昼时分，人们仍然可以在离太阳不远的处看到它，同时杜内赫特和巴勒莫也进行了宝贵的光谱观测。当时，这颗彗星正快速穿过其轨道上最接近太阳的那段区域；大约一周后，它在日出前的清晨出现在东方地平线附近，拖着一条细长的尾巴。（见图版XVII。）它的核逐渐变长，最终分裂成四块，呈直线排列，而彗星的头部则被一种微弱的、类似云雾的结构所包围，指向太阳的方向。还有几团较小的、独立的云状物质也能被看见，它们与彗星一同移动，但速度不同。到了2月，这颗彗星已无法用肉眼观测到，最后一次通过望远镜观测到它是在1883年6月1日，地点在南美洲。

这颗彗星的轨道与1668年的彗星、1843年的大彗星以及1880年在南半球出现的那颗大彗星的轨道有着惊人的相似之处。实际上，这四颗彗星几乎沿着相同的轨道运行，都在距离太阳光球面数十万英里的范围内绕太阳运转。根据亚里士多德的记载，公元前372年出现的那颗彗星也可能遵循同样的轨道。不过，我们无法认为这些都是同一颗彗星的多次出现，因为对1882年那颗彗星的观测表明，它的公转周期约为772年。1843年和1880年的彗星有可能是同一颗，但那两年的观测时间都太短，不足以判断其轨道是抛物线形还是椭圆形。而由于1882年的彗星显然是一颗独立的天体，因此更有可能的是，这里存在着一组来自同一空间区域的彗星，它们都在朝着太阳靠近。

同样的轨道。我们还知道其他几例不同彗星轨道之间存在类似情况的实例。

在近几年观测到的其他有趣彗星中，值得一提的是1892年11月6日由霍姆斯先生在伦敦发现的那一颗。当时它位于仙女座中那个明亮的星云附近，和那颗星云一样，只能用肉眼勉强看到。这颗彗星逐渐变暗、变得更为模糊，但在次年1月16日时，它又突然出现，中心有一个类似8等星的亮点，周围还有一个小彗发。随后它再次膨胀，但亮度持续降低，最后一次被观测到是在4月6日。[32] 经测定，它的轨道是椭圆形的，且几乎接近圆形，其周期约为七年。另一颗1892年发现的彗星则比较特别，它是利克天文台的巴纳德教授通过在天鹰座某区域的照片中发现的；他立刻就能通过彗星的运动轨迹将其与星云区分开来。

自1864年以来，所有出现的彗星的光谱都经过了分光镜分析。由于这些天体的表面亮度较低，因此必须将分光镜的狭缝开得较大，而且所使用的分散度也不能太高，这就使得精确测量变得困难。彗星的光谱主要由三条明亮的谱带构成，这些谱带向紫色方向逐渐变暗，而在红色方向则边界清晰。这种现象是由于存在大量细小的谱线，而这些谱线的强度及间距都会向紫色方向递减。这三条谱带表明彗星中含有碳氢化合物。

考虑到碳在地球上的重要性，我们就会更加意识到它在彗星构成中所起的关键作用。碳是所有植物生命的主要组成部分，而且在动物体内也普遍存在。有趣的是，这种在地球上极为重要的元素，现在也被证实存在于这些流浪的天体之中。碳氢化合物

不过，谱带并非总是彗星光谱中唯一可见的特征。在1882年春季观测到的一颗彗星上，科普兰教授发现有一条新的亮黄色谱线出现，其位置与钠的D线恰好重合；后来他和其他观测者都发现这条谱线实际上是由两条谱线构成的。事实上，这颗彗星中的钠元素含量极高，只需将光谱仪的狭缝开得足够大，就能在钠光下清晰地看到彗星的头部和尾部，就如同可以用氢光观察到太阳的日珥一样。当彗星最接近太阳时，钠谱线的亮度达到最大，而碳氢化合物谱带则要么看不见，要么极其微弱。在1882年9月那颗大型彗星上，也观察到了钠谱线强度与距离太阳的距离之间的这种关联。

1882年9月18日，科普兰和洛塞在白昼时分观测了那颗大型彗星的光谱。除了钠谱线之外，他们还发现了许多其他亮谱线，这些谱线似乎源自铁蒸气；同时，在本生灯的温度条件下能够观测到的锰谱线也出现了。这一极为惊人的观测结果是在彗星经过近日点后不到一天内获得的，它充分体现了彗星在非常接近太阳时内部所表现出的惊人活跃性。

图版十七。

1882年的彗星，
11月4日凌晨4点从斯特里瑟姆观测到的景象，
由T.E.凯绘制。

除了明亮的线条外，彗星通常还会展现出微弱的连续光谱，其中偶尔可以辨认出暗色的弗劳恩霍夫线。当然，这说明连续光谱在很大程度上是由反射的阳光产生的，但毫无疑问，其中也有一部分光是彗星自身产生的。1884年出现的第一颗彗星就属于这种情况——当时这颗彗星突然发出强光，同时其连续光谱的亮度也显著上升。三种碳氢化合物谱带的相对亮度发生变化，表明彗星的温度大幅上升，在此期间彗星会发出白光。

由于彗星距离地球比恒星近得多，因此有时它会处于地球与某颗恒星之间。月球运动中也有类似现象：恒星常常会被遮掩，天文学家对这类现象早已十分熟悉；但当彗星经过恒星前方时，情况则大不相同。实际上，透过彗星依然可以清晰地看到那颗恒星，就像彗星完全不在那里一样。这一现象早已被人们注意到。最著名的此类观测记录之一，是由已故的约翰·赫歇尔爵士对比拉彗星所做的观测，比拉彗星属于周期彗星，我们将在下一章中谈到它。这位伟大的天文学家曾目睹过这颗彗星经过一个星团——那个星团由极其微小的恒星组成，只有像约翰·赫歇尔爵士所使用的那种强力望远镜才能观测到它们。哪怕是最微弱的雾气或最轻微的云层，都足以遮住所有这些恒星。因此，天文学家们怀着极大的兴趣注视着比拉彗星的移动过程。渐渐地，这颗彗星开始逼近那组恒星，如果它真的有实体结构的话，那些闪烁的恒星点早就被完全遮住了。但实际情况究竟如何呢？就连那个星团中最微小的恒星也依然清晰可见。

借助那台强大的望远镜，人们能够看到那些光点，而星团中的每一个天体都清晰地闪烁着光芒，即便身处比拉彗星的巨大物质层之中。这是一次非常重要的观测结果。我们必须记住，隔在星团与望远镜之间的并非一层薄薄的屏障，而是一层厚度达数千英里的彗星物质。由此可见，彗星的极度纤薄与我们所熟悉的云层形成了鲜明对比——厚度仅为几百英尺的云层不仅能够遮住恒星，甚至还能遮住太阳本身。夏日天空中最轻微的雾气，其遮挡恒星的能力也远远超过这里存在的数十万英里厚的彗星物质。

多纳蒂的大彗星经过时，有许多恒星依然可以通过它的尾巴被清晰地看到。其中有一颗非常明亮的恒星——著名的大角星。幸运的是，这颗彗星恰好经过了大角星所在的位置；尽管地球与这颗恒星之间存在着几乎最密集的彗星物质层，但大角星依然以同样的亮度闪烁着光芒。不过，最近的观测表明，在某些情况下，当彗星较密集的部分经过恒星上方时，这些恒星的光亮会发生变化。的确，很难想象如果一颗真正巨大的彗星的核心经过某颗恒星上方，那颗恒星还怎么可能被看见；不过似乎至今还没有机会来验证这一假设。

由于彗星含有透明的气态物质，我们或许会认为当彗星靠近恒星时，恒星的位置会发生偏移。空气的折射能力相当强。当我们观看日落时，会看到太阳似乎是从地平线下方沉下去的；但实际上，在太阳的圆面开始下降之前，它就已经沉到了地平线之下。空气的折射作用使得光线发生弯曲，从而让我们能够看到被障碍物直接遮挡的太阳。而彗星物质的折射能力则……

这些彗星都经过了仔细的测试。有人观察到有彗星靠近两颗恒星；其中一颗恒星可以通过彗星来观测，而另一颗则可以直接被看到。如果该天体中含有大量气体，那么这两颗恒星的相对位置就会发生变化。这个问题已经多次通过实际测量来验证。有时会发现两颗恒星的位置并没有明显变化，因此在这种情况下，该彗星就没有可察觉的密度。不过，1881年对那颗大型彗星的精确测量表明，其核心附近存在一定的折射能力，不过与地球大气层的折射作用相比，这种折射能力其实微不足道。

图版C。
1892年的A型彗星，1号。斯威夫特彗星。
由E.E.巴纳德于1892年4月7日拍摄。

从这些考虑来看，我们很自然就会意识到：与彗星的整体体积相比，它的质量实在微不足道。当我们试图真正测量彗星的质量时，总会失败。我们能够测量出巨大的木星和土星的质量，甚至还能测量出庞大的太阳的质量；万有引力定律为我们提供了极为精确的测量工具，这些工具在所有这些情况下都发挥了作用，但将同样的方法应用于彗星时，很快就会发现它们是行不通的。天文学家所知道的任何测量设备都不足以精确测定彗星的质量。在任何情况下，我们所能做的只是通过比较来测定某个天体的质量。以地球或其他大型行星这样的巨大质量标准来衡量的话，彗星的质量似乎几乎可以忽略不计。当然，当我们说彗星的质量微不足道时，指的是相对于我们太阳系中的其他天体而言。如今应该没人会怀疑，大型彗星的质量确实以吨计；不过，这些吨数究竟是数十吨、数百吨、数千吨还是数百万吨，与地球这样的天体相比，其总量仍然微不足道。

当回想起上一章中关于行星扰动这一重要主题的论述时，彗星质量的微小这一特点就更加显而易见了。在那一章中，我们探讨了太阳系的稳定性，并指出这种稳定性取决于行星运动必须遵循的某些规律。行星几乎都沿圆形轨道运动，它们的轨道大多位于同一平面内，且运动方向也一致。如果这些条件中的任何一个得不到满足，太阳系的稳定性就会受到威胁。在那个讨论中，我们并未提及彗星。然而彗星也是太阳系的一部分，而且它们的数量远远超过行星。彗星并不遵守行星们严格遵循的那些规则：它们的轨道从来都不是圆形的，通常呈抛物线形，因此与圆形轨道有着极大的差异。此外，彗星轨道的平面也不固定，它们以各种不同的角度倾斜着。

彗星的运动方向似乎完全取决于偶然因素。彗星违背了行星运动所遵循的所有规则，但我们的太阳系依然存在——它已经存在了无数个时代，而且似乎还将持续下去。彗星受到行星的吸引，反之，彗星也会对行星产生吸引力，从而在一定程度上扰乱行星的轨道；但这种扰乱的程度究竟有多大呢？如果彗星的轨道也遵循与行星运动相同的规律，那么我们的论点就会不成立。虽然行星可能会因彗星的引力而受到严重干扰，但随着时间的推移，这些干扰会相互抵消，太阳系的稳定性就不会受到影响。然而，当考虑到实际的彗星轨道时情况就完全不同了。如果彗星真的能够对行星造成显著影响，那么这些干扰就不会相互抵消，最终太阳系将会因为不断积累的异常现象而崩溃。但实际上，尽管有彗星的存在，太阳系依然能够维持稳定，因此我们不得不得出结论：彗星的质量与那些大型行星相比实在微不足道。

这些思考以非常直观的方式展现了万有引力定律以及它们与我们太阳系稳定性的关系。如果把彗星也算进去的话，可以说太阳系包含着成千上万的天体，它们的轨道大小、形状和位置各不相同，唯一相同的是太阳都位于所有轨道的共同焦点上。与行星相比，这些天体中的大多数质量都极小，而且它们的轨道分布也很随意，因此即便会受到其他天体的干扰，也不可能造成任何显著的破坏。不过，也有少数大型行星能够引发巨大的扰动；如果它们的轨道没有得到恰当调整，最终必然会导致混乱。由于这些行星的轨道都趋于圆形、平面几乎重合且运动方向一致，因此它们之间才能保持长期的稳定状态，彼此之间不会再造成永久性的混乱。

彗星的质量过小，因此无法做到这一点。这样一来，大型行星的稳定性就得到了保障；但需要注意的是，彗星的稳定性并无保证。它们那偏心且不规则的轨道可能会发生极大的变化；事实上，天文学史上就有许多关于彗星轨道如何变化的例子。

巨大的彗星会在各种不同的情况下出现在天空中。天空中没有任何一处、没有任何星座或区域是这些神秘天体不会偶尔光顾的。一年中的任何季节、白天或夜间的任何时刻，都可能看到彗星出现在地平线之上。同样，彗星的大小和外观也各不相同：有的只是用强力望远镜才能勉强看到的微弱光点，而有的则是巨大而明亮的天体，其尾巴可以延伸到从地平线到天顶那么远的距离。此外，彗星尾巴的方向似乎也有多种可能：它可能直立在天上，仿佛彗星即将坠入地平线之下；也可能从彗星头部向下延伸，好像彗星是从下方被抛射上去的；还可能向右或向左倾斜。在如此多样的现象之中，我们能否找到某种共同的特征呢？我们会发现，彗星尾巴其实遵循着一条非常规律的法则——这条法则极为准确且令人满意，只要我们知道彗星在天空中的位置，就能立刻判断出它的尾巴会指向哪个方向。

夏天时，有一颗美丽的彗星出现在北方天空。此时接近午夜，我们可以看到它那微微发光的尾巴，它直立着，指向天顶；也许会有些弯曲，但总体而言，它的方向仍然是从地平线指向天顶。这里我们并不是指某一颗特定的彗星。无论大小，所有出现在北方的彗星，在午夜时其尾巴都会几乎垂直地向上延伸。这一事实已经通过多次观测得到验证，充分体现了彗星尾巴方向的规律性。试想一下其中的道理吧。

现在是夏季；北方的暮光能够显示太阳的位置，而彗星的尾巴则始终指向与暮光及太阳相反的方向。再举另一个例子：现在是傍晚，太阳已经落山，星星开始发光，此时可以看到一颗长尾彗星。无论这颗彗星处于高处还是低处，位于北方还是南方、东方还是西方，它的尾巴始终指向西方——也就是那些尚未消失的阳光所在之处。同样，在清晨观察彗星时，如果将视线从最初出现曙光的地方移向彗星的头部，那么沿着远离太阳的那个方向，就能找到彗星的尾巴。这一规律具有更普遍的适用性：无论在哪个季节、夜晚的哪个时刻，彗星的尾巴都始终指向太阳的方向。

三百多年前，彗星运动中的这一现象就引起了那些研究天体运动的人们的注意。这是一个通过简单观察就能发现的事实，它为众多彗星现象提供了一定的规律性，因此应当成为我们研究彗星尾巴结构的基础。

在附图71中，我们展示了彗星抛物线形轨道的一部分，并标出了彗星在其轨道上不同位置时尾巴的位置。或许，断言彗星在整个漫长的运行过程中其尾巴始终指向太阳有些过于绝对了。首先，我们必须记住，我们只能在其接近或远离太阳的那段短暂旅程中看到彗星。此外，当彗星真正绕过太阳时，其亮度会被太阳的光芒所掩盖，以至于彗星常常看不见，就像星星在白昼里看不见一样。实际上，在某些情况下，彗星的物质甚至会朝着太阳的方向喷射出去。

图71——从太阳方向看去的彗星尾巴。
如果草率地考虑这个问题，人们可能会认为，由于彗星以极高的速度移动，其尾巴只是跟随彗星一起向后延伸，就像火箭喷射出的火花会散布在它行进的路线上一样。但这种类比是完全错误的；彗星并非在大气层中运动，而是在太空之中，那里不存在能够将彗星尾巴拉成与运动方向一致的介质。另一个非常显著的特点是：当彗星接近太阳时，它的尾巴会逐渐变长。当彗星还处于很远的距离时，通常看不到明显的尾巴，但随着它逐渐靠近太阳，尾巴就会慢慢出现，在某些情况下甚至会变得极为庞大。不能认为这种增长仅仅是距离缩短所导致的视觉效应——事实上，尾巴的增长速度远远快于用这种方式所能解释的。因此，我们不得不将尾巴的形成与彗星接近太阳这一现象联系起来，而这无疑是一个在我们太阳系中的其他天体中找不到类似现象的谜题。

毫无疑问，整个彗星确实受到太阳的引力作用。彗星以椭圆或抛物线轨迹运动这一事实，恰恰证明了这两个天体之间存在着相互作用的力。

万有引力定律。虽然这一规律适用于整个彗星，但可以肯定的是，彗星的尾巴也会受到太阳的排斥力作用。至于这种现象是如何产生的，目前还无法给出确切的解释，不过现有事实似乎支持以下这样的解释。

我们已经知道，光谱分析已经确证了彗星中存在碳氢化合物及其他气体。但这并不意味着彗星仅仅是漂浮在太空中的气体团块。尽管如我们所见，彗星中的物质总量极小，但它很可能是由许多密度较高的微小颗粒组成的；实际上，在下一章讨论彗星与流星之间的奇妙关系时，我们将有理由相信确实如此。因此，我们可以把彗星视作一群被气体包围的微小固体颗粒。

当我们观测到一颗大型彗星接近太阳时，首先会看到它的核变得更为明亮、轮廓也更加清晰；随后，会有发光物质从核中向太阳方向喷射出来，通常呈扇形或喷流状，有时还会像钟摆一样来回摆动。例如，1835年10月，贝塞尔观察到哈雷彗星的喷流在8小时内就摆动了36°的角度。在其他情况下，围绕彗星核会依次出现同心圆状的亮弧，这些亮弧离核越远就越暗。显然，这些扇形物质或亮弧是由彗星核所排斥的；同时它们也受到太阳的排斥力作用，而这种排斥力迫使发光物质克服重力的吸引，从而绕着彗星核朝远离太阳的方向移动。这样，彗尾便形成了。（见图版XII。）关于彗尾形成机制的数学理论，是基于“构成彗尾的物质同时受到彗星核和太阳的排斥”这一假设发展起来的。这项研究最初是由伟大的天文学家贝塞尔在1835年关于哈雷彗星出现的报告中提出的，此后罗什以及俄罗斯天文学家布雷迪钦对此进行了进一步的研究。

虽然我们或许无法将这一理论视为绝对正确的，但可以肯定的是，它很好地解释了彗星尾巴形成过程中所观察到的主要现象。

布雷迪钦教授以一种富有哲学思辨性的方式开展研究，这种研究方式也为科学领域带来了许多重大发现。他仔细整理了各种彗星尾巴的测量数据与图像。通过这一初步研究，他已经得到了一些具有重要价值的成果；即便后续的研究结果需要修正，这些成果的价值依然不会受到影响。在研究各种彗星尾巴时，他发现它们的轮廓曲线属于三种特定类型之一。第一种是形状最直的尾巴，几乎直接指向远离太阳的方向；第二种则是从远离太阳的方向开始，然后向彗星运动方向的相反方向弯曲；第三种则更为弯曲，朝向彗星的运行轨迹。可以证明，彗星的尾巴几乎总是属于这三种类型之一；而当彗星出现两条尾巴时，它们也会分别属于这三种类型中的两种。

附图（图72）展示了一颗假想中的彗星，其尾巴属于这三种不同类型。彗星的运动方向由穿过彗星核的直线上的箭头所示。布雷迪钦认为，三种类型中最为笔直的尾巴（即第一类）很可能是由氢元素造成的；第二类尾巴则是由彗星体内的某些碳氢化合物所致；而第三类较小的尾巴则可能是由铁或其他原子量较高的元素造成的。当然，这张图并不代表任何真实的彗星。

图72——布雷迪钦的彗星尾理论。
图73——1858年彗星的尾巴。

这一理论的一个有趣例证，就是前面已经提到过的1858年那颗著名的彗星——其示意图见图73。我们可以看到，除了作为该彗星特征性标志的巨大尾巴之外，还有两条较暗的光带。这两条光带实际上构成了I型彗尾的边缘结构。如果我们观察彗星的中央区域，就会发现那里的光线强度不足以被看见；而在边缘处，彗星物质的密度足够大，因此才出现了图中所示的景象。看来，多纳蒂彗星拥有一条由氢构成的尾巴，另一条则由某些碳化合物构成。这些碳化合物的种类似乎相当多样，因此第二类彗尾的轮廓往往比氢构成的彗尾更为模糊不清。也有记录显示，同一颗彗星同时拥有数条彗尾，其中最著名的当属1744年出现的那颗彗星。布雷迪钦教授对这颗奇妙天体的形成机制进行了深入研究，并以极高的概率解释了为何会出现多种形态的彗尾。旁边的图（图74）是由柏林天文台的基尔希小姐在3月7日早晨绘制的该彗星的草图。图中共有11条光带，其中从左数起的前10条代表了5条彗尾的明亮边缘，而最短的第6条彗尾则位于最右侧。洛桑的谢索和圣彼得堡的德利尔也绘制过这一罕见现象的草图。在经过近日点之前，这颗彗星只有一条彗尾，不过那条彗尾极为壮观。

图74——1744年的彗星。

可以将其中一些问题通过计算来验证，结果表明，产生第一类彗星那种直形尾部的斥力，只需约为引力大小的十二倍即可。第二类彗星的尾部则可能由与引力相当的斥力所形成，而第三类彗星的尾部则只需要约为引力四分之一的斥力即可。[33]自然界中已知的主要斥力源自电，因此人们自然而然地推测，彗星尾部的现象是由太阳和彗星自身的电学特性所导致的。现在就断言彗星尾部的电学特性已被完全证实还为时过早；目前只能说，既然这一理论似乎能够解释观测到的事实，那么引入某种纯粹假设性的斥力则是不必要的。必须记住，还有其他依据表明太阳是电现象的起源地。

随着彗星逐渐远离太阳，斥力也会逐渐减弱，因此我们会发现彗星的尾部……

彗星的尾巴会逐渐消失。如果这是一颗周期性的彗星，那么在它下次接近近日点时，也会出现同样的变化过程：新的尾巴会形成，但当彗星再次回到宇宙深处时，这条新尾巴也会逐渐消失。如果我们用地球上的水蒸气作为类比来辅助思考的话，那么可以认为，随着彗星远离太阳，它的尾巴会凝结成无数微小的颗粒。在这些微小颗粒上，万有引力将重新发挥其作用，而不再被排斥力的影响所干扰。不过，彗星的质量实在太小了，仅靠引力是无法将这些颗粒重新聚集起来的。因此，每当彗星经过近日点时都会形成一条尾巴，这就意味着它每次都要消耗一定量的物质来形成尾巴。假设彗星最初拥有足够多的、适合用来形成尾巴的物质，那么每次经过近日点时都会形成一条尾巴，同时也会消耗相应数量的这些物质。显然，这种状况不可能无限持续下去。对于绝大多数彗星来说，它们到达近日点的频率极低，所以这种消耗带来的后果并不明显；但对于那些周期较短、频繁返回近日点的周期性彗星而言，其后果正是人们所预料的：用于形成尾巴的物质会逐渐耗尽，最终这颗彗星就会变成没有尾巴的彗星。我们甚至可以想象，彗星可能会以这种方式完全消失，而在下一章中，我们将看到比拉彗星似乎就遭遇了这样的命运。

不过，当彗星在太阳系中运行时，它有可能非常接近某颗较大的行星，此时行星的引力会严重干扰彗星的运动。如果这种干扰使得彗星的速度加快，它的轨道就会从抛物线变为双曲线，彗星将会绕着太阳旋转后永远离开，再也不会回来。但如果行星的位置使得彗星的速度减慢，那么抛物线形的轨道就会变成椭圆形，这样彗星就会变成一颗周期性彗星。我们能够……

几乎可以肯定，有些周期彗星就是以这种方式被“捕获”的，从而成为我们太阳系的永久成员。因为那些周期较短的彗星（3到8年之间），在其轨道运行过程中总会接近木星的轨道。因此，这些彗星在过去的某个时刻必定曾经靠近过这颗巨行星。同样地，那些周期更长的彗星则会接近土星、天王星或海王星的轨道，而海王星很可能是导致哈雷彗星具有周期性变化的原因。事实上，我们确实不止一次目睹过彗星轨道受到剧烈扰动的情况。其中最有趣的例子就是莱克塞尔彗星。1770年，法国天文学家梅西耶发现了一颗彗星，莱克塞尔随后计算出了它的轨道，结果发现这是一条周期为5年多一点的椭圆轨道。然而，这颗彗星此前从未被观测到过，之后也再也没有出现。后来，伯克哈特和勒维耶经过艰苦的研究才发现，这颗彗星在1767年之前其实沿着完全不同的轨道运行。但在1767年初，它恰好非常接近木星，木星强大的引力使其进入了一条新的轨道，其周期为5年半。它分别在1770年8月13日以及1776年经过近日点，不过在1776年时，它所处的位置并不适合从地球上观测到它。1779年夏天，这颗彗星再次出现在木星附近，结果又脱离了它的椭圆轨道，从此我们就再也没见过它了——或者更准确地说，我们无法确定莱克塞尔彗星就是从那以后被观测到的任何一颗彗星。对于其他几颗周期彗星，我们也能以类似的方式确定它们开始沿当前椭圆轨道运行的时间。

以上就是关于这些有趣却又令人费解的天体所已知的主要事实的简要概述。我们只能满足于陈述已知的真相，而不应冒险去猜测那些我们无法了解的事情。显然，这些彗星遵循着万有引力的规律，为我们提供了……

这充分证明了它们的真实性。我们已经看到，现代科学是如何消除那些在古代人们对于彗星出现的迷信观念的。我们不再将彗星视为灾难即将到来的征兆；相反，我们可以将其视作一种有趣而美丽的访客，它前来是为了取悦我们、教导我们，而非威胁或破坏我们。

第十七章　流星

我们太阳系中的小天体——它们的数量——如何观测它们——流星现象——热理论——巨大的流星——十一月的流星雨——它们的历史——流星群的运行轨迹——流星群沿其轨迹扩散的机制——地球对流星的吸收作用——发现流星与彗星之间的关联——关于十一月流星雨的有趣研究——连续几年出现的两次流星雨——从未有人从那些大规模的流星雨中找到过任何碎片——陨石——克拉德尼的研究——早期关于陨石坠落的记录——恩西斯海姆的陨石——陨石的收集——罗顿铁陨石——铁质陨石与石质陨石的出现频率——陨石的碎片状特征——切尔马克的假说——重力对从火山喷发出的物体的影响——它们可能来自月球吗？——小行星作为陨石来源的可能性——陨石可能的地球起源——奥维法克铁陨石。

在之前的章节中，我们探讨了构成所谓太阳系主要组成部分的巨大天体。我们研究了直径达数千英里的巨大行星，也追踪了那些尺寸往往以百万英里计的彗星的运行轨迹。实际上，在前一章中，我们还研究过那些规模更小的天体，也就是我们所说的小行星。不过现在，我们有责任进一步深入研究，这次要探索的则是规模更小的天体。即便与小行星相比，那些以有趣甚至惊人的方式呈现给我们的微小天体，仍然可以被视为巨大的物体。

这些小天体虽然体积极小，但因其数量极为庞大而弥补了这一缺陷。事实上，根本无法用数字来描述它们在宇宙中究竟有多少。它们的尺寸很可能差异很大，有些甚至重达数磅之多。

这些天体的重量或许有数吨之重，而另一些则小到不超过鹅卵石，甚至比沙粒还要小。尽管它们看起来微不足道，但太阳依然会对其施加控制力。无论是一颗如阳光中的微粒般微小的天体，还是一颗像木星那样巨大的行星，都必须遵循开普勒定律绕太阳运行。

谁不知道那种我们称之为“流星”的美丽现象呢？在更为壮观的情况下，它也被称作陨星或火球。现在，我们就把注意力集中在这类天体上。

有一个小天体正在绕太阳运转。正如巨大的行星沿着椭圆轨道运行一样，即使是较小的天体也会以太阳为焦点，在椭圆轨道上不断旋转。目前，有无数这样的流星以这种方式运动着。由于它们实在太小、距离太远，我们的望远镜无法观测到它们，只有在特殊情况下才能看到它们。

当流星出现时，它的速度极其快，往往一秒钟就能飞行二十多英里。这样的速度在地球表面几乎是不可能实现的——空气的阻力会阻碍它的前进。而在太空的虚空中，则没有空气来阻挡它的飞行。它可能已经围绕太阳旋转了数千年，甚至是数百万年，却从未受到任何干扰；但最终那个时刻终究会到来，流星便会在一道绚丽的闪光中消逝。

在它的漫游过程中，这个天体会接近地球，在距离地球表面几百英里的地方开始与地球周围的大气层发生接触。对于以如此惊人速度运动的流星来说，进入大气层通常意味着毁灭。尽管大气的上层非常稀薄，但它们仍然会立刻减缓流星的速度，就像子弹射入水中时速度会被阻挡一样。当流星穿过大气层时，摩擦力会……

空气使它的表面变热；渐渐地，它变得通红，接着变成白热状态，最终在强烈的光芒中化为蒸汽。而我们在地球上，距离它一两百英里远的地方，便会惊呼：“哦，看，有流星出现了！”

这其实是一个用来说明热力学理论的例子。仅仅依靠摩擦力就能产生如此强烈的热量，似乎令人难以置信，但我们必须记住两个事实：第一，陨石的速度可能是步枪子弹速度的百倍；第二，摩擦产生热量的效率与速度的平方成正比。因此，当陨石穿过空气时，由于与空气的摩擦，它产生的热量可能是步枪子弹所产生的热量的上万倍。即便认为步枪子弹因摩擦而升温10度也并非夸张的估计；但既然如此，我们就必须承认，陨石在飞行过程中会产生巨大的热量，哪怕只是其中的一小部分，也足以将物体烧成蒸汽。

首先，让我们来看看这些天体是如何被我们观测到的。为便于说明，我们可以以1869年11月6日出现的那颗引人注目的火球为例。人们在英格兰的许多不同地方都看到了它；通过整合和比较这些观测数据，我们能够准确得知该天体的高度以及它的飞行速度。

显然，这颗陨石最初是在萨默塞特郡弗罗姆上空90英里处被发现的，而后则在康沃尔郡圣艾夫斯附近的海面上方27英里处消失。该天体的飞行路径以及人们观测它的地点都标在地图上（图75）。它整个可见的飞行距离约为170英里，用时5秒，因此其平均速度为每秒34英里。这颗火球最显著的特点就是那条长长的、持续存在的发光云带，长度约50英里，宽度约4英里，而且一直存在于人们的视野中。

整整五十分钟。这个例子展示了流星现象的主要特征，而且是以极为宏大的规模来呈现的。不过需要指出的是，那种持续发光的痕迹并非所有流星都具备的特征，实际上也并非非常常见。

那些偶尔在望远镜视野中闪现的小物体表明，还有无数肉眼无法看见的、体积过小且亮度过低的“望远镜级”流星存在。这些物体都会以我们所描述的方式消散；事实上，只有在那一瞬间以及消散过程中才能被观测到。

正是由于这些导弹的消散，我们才得以知晓它们的存在。尽管这些导弹的体积可能很小，但它们的速度却快得惊人；如果让它们毫无阻碍地坠落到地球表面，地球将变得无法居住。因此，在大气层所具有的诸多优点之中，我们绝不能忘记它还是一道有效的屏障，能够保护我们免受那些速度甚至超过任何火炮发射的弹丸的袭击。事实上，正是这些弹丸的巨大动能导致了它们的彻底毁灭——它们急于击中我们，以至于在摩擦作用下便化为无害的蒸汽。

除了我们刚才描述的那种巨大的流星之外，与流星相关的最引人注目的现象就是所谓的“流星雨”。上个世纪，这类现象引起了人们极大的兴趣，也为那些致力于研究它们的人带来了丰硕的成果，促成了现代天文学领域许多有趣的发现。

流星雨出现的频率并不高。那些特别关注流星的人或许能够察觉到流星雨的存在，而其他人则只能看到零星几颗流星；但总体而言，可以说当代人几乎没见过超过两三次这样的现象。我自己就曾目睹过两次大规模的流星雨，其中一次发生在1866年11月，那壮观的景象至今仍深印在我的记忆中。

要了解11月流星雨的历史，就必须回溯近一千年的时光。公元902年10月12日，有一位摩尔人国王去世了。关于这一事件，一位古老的编年史家记载道：“那个夜晚，有无数颗星星如同长矛一般出现，四处飞散，就像雨点一样；那一年因此被称为‘流星之年’。”

如今已没人认为上天是为了纪念那位国王的去世而展现出如此景象的。不过，这段记载仍然具有相当重要的价值。

这一记载非常重要，因为它表明902年曾发生过一次大规模的流星雨。天文学家们极为感兴趣地注意到，这是该周期性流星雨首次被记录下来；而此类流星雨下一次出现则是在1799年、1833年和1866年。通过进一步的文献研究，人们发现了许多关于天空中出现惊人现象的记载，这些现象与11月出现的流星雨相吻合。从902年的第一次出现到现在，这类流星雨已经出现了29次；很有可能在地球的某些地方人们都观测到了它们。有时，那些没有意愿也没有能力将这种令他们恐惧的现象记录下来的原始人也可能目睹了这些流星雨；不过，也有时候是文明社会的人士观察到了它们。虽然人们并不了解它们的本质，但还是留下了相关记录；至少在某些情况下，这些记录经受住了时间的考验，如今被汇集起来，用以说明这一奇特的现象。目前我们共有12次此类流星雨的历史记载，这些记载主要是由H.A.牛顿教授辛勤收集而成的，他的努力为人类对流星的了解做出了巨大贡献。

让我们想象一群在太空中游荡的小物体。可以想象海洋中成群结队的鲱鱼，它们遍布数平方英里的海域，数量多达无数；或者想象奥杜邦所描述的美国境内的那些庞大的野鸽群。而流星群的规模或许比鲱鱼或鸽子还要大得多。不过，这些流星之间并没有靠得很近，平均距离可能有几英里之远。因此，整个流星群的规模实在巨大，其范围可达数十万英里之广。

与鲱鱼群不同，流星无法自行选择行进路线，因为它们不得不沿着太阳指定的路径前进。每颗流星都独立地沿着自己的椭圆轨道运行，完成数万亿英里的旅程。

每隔三十三年一次。在大多数时间里，我们都无法观测到这些流星的飞行轨迹。此刻，有无数这样的天体正在它们的轨道上运行。直到地球将它们捕获之前，我们是看不到它们的。每隔三十三年，地球就会像渔夫捕捞鲱鱼一样成功地捕获这些流星，其方式也颇为相似：渔夫用网将鱼困住，让它们走向灭亡；而地球则拥有大气层，让流星在其中消亡。据说无需担心鲱鱼会耗尽，因为渔夫捕获的那些鱼与海洋中大量的鲱鱼相比根本不算什么。对于流星来说也是如此——它们的数量极为庞大，即便地球每三十三年吞下数百万颗，仍有大量流星留待将来再次出现。图76将解释地球是如何捕获这些流星的。在图中我们可以看到地球绕太阳运行的轨道，以及流星的椭圆轨迹，不过需要指出的是，这种表示方式并不十分合适。

必须按照精确的比例来绘制该图，这样流星的运行轨迹才会比图中所示的要大得多。地球每年都会完成一次公转，而在11月13日至16日之间会穿过流星运动的轨道。通常情况下，当地球经过这一区域时，那些大量的流星并不处于该位置。不过，在这条轨道上仍有一些零星的流星存在，地球通常会在这一天捕获其中的一些。这些流星以流星雨的形式闯入我们的大气层，从而形成了我们通常所说的11月流星雨。

偶尔，当地球正在穿过这条轨道时，会遇到大部分的流星。此时，地球就会在周围空气的包裹下冲入这些流星群中。无数流星涌入这个“陷阱”，再也无法逃脱。几小时后，以每秒18英里的速度前进的地球便穿过了这条轨道，带着那些被捕获的流星来到了另一侧。有一些侥幸逃脱的流星，会因为轨道发生微小变化而留下这场“战斗”的痕迹，但其余的流星则继续它们的旅程；虽然可能有数百万颗流星被捕获，但很可能仍有数亿颗保留了下来。

1866年11月13日至14日的夜晚，就发生了令全世界震惊的景象。当时我们正好处于那片流星群的中央。那晚天气良好，没有月亮。这些流星不仅数量极其庞大，而且光彩夺目。我永远也忘不了那个夜晚。在那个值得纪念的夜晚，我正像往常一样，使用罗斯勋爵的大型反射望远镜观测星云。当然，我知道有流星雨即将出现的预测，但我所听到的任何消息都未能让我为即将展现在眼前的壮观景象做好准备。大约在晚上10点左右，身边的一名助手突然发出一声惊呼，这让我从望远镜前抬起头，刚好看到一颗明亮的流星划过天空。紧接着又有一颗流星出现，之后更是有两三颗流星同时出现，这表明关于将会出现大规模流星雨的预测很可能是正确的。

已经确认。当时，罗斯伯爵（当时名为奥克斯曼敦勋爵）与我一起使用望远镜观测。稍作休息后，我们决定停止对星云的观测，转而登上大型望远镜的顶端（见第18页图7），从那里可以清晰地看到半个天空的景象。在接下来的两三个小时里，我们目睹了令人终生难忘的景象：流星的数量逐渐增多，有时甚至能同时看到好几颗。它们有的从我们头顶飞过，有的向右，有的向左，但全都来自东方。随着夜色渐深，狮子座从地平线上升起，这时这场流星雨的独特特征便显现出来——所有流星的轨迹都源自狮子座。（见第368页图74。）有时会有流星看似直接朝我们飞来，但其轨迹会被极度缩短，几乎看不出长度，看上去就像一颗普通的恒星突然变得明亮，然后又迅速消失。偶尔，流星划过之后，其留下的光迹还会持续数分钟，但这次流星雨中的绝大多数光迹都是短暂存在的。很难说究竟出现了多少万颗流星，而每一颗的亮度都足以在普通夜晚引发人们的惊叹。

旁边的图表（图77）展示了这些流星是如何从一个点向外扩散的。并非所有流星都是在同一时刻被观测到的。观测流星雨的人会有一张标明流星出现区域的星空图，他只需专注观察其中某一颗流星，并仔细记录它相对于周围恒星的运行轨迹，然后在地图上画出该流星的运动方向。重复对其他几颗流星的观测后，就会发现它们的轨迹几乎都指向图中的同一个点或区域。当然，也有一些流星的轨迹不符合这一规律，但大多数流星都遵循这一规律。乍一看，似乎所有的流星都是……

这些流星确实是从某个点出发的；但稍加思考就会发现，这其实是一种实际运动与表观运动不同的情况。如果真有这样一个让这些流星发散的点，那么从地球的不同位置观察时，该点相对于恒星的位置就应该有所不同；但实际上并非如此。无论从哪个位置观测这场流星雨，那个被称为“辐射点”的位置始终位于天空的同一处。

图77——流星的辐射点。
因此，我们不得不接受透视理论所提供的简单解释。熟悉这门科学原理的人都知道，当需要将物体中的多条平行线绘制在图纸上时，必须让它们都穿过同一个点。

在图像所在的平面上，存在一个点。当我们观察流星时，看到的是它们轨迹在天空表面的投影。由于这些轨迹都经过同一个点，我们可以推断出属于同一流星群的流星其实是沿平行线运动的。

现在我们能够确定流星的实际运动方向了，因为从观测者眼睛到辐射点的连线必然与这一方向平行。当然，这并不意味着在整个宇宙空间中，同一流星群的流星都是沿平行线运动的；我们只是说，在我们能够观察到它们的那段短时间内，每颗流星的运动轨迹大致呈直线，而且所有这些直线都是平行的。

1883年，狮子座流星群（这就是该流星群的名称）到达了距离太阳最远的点，随后开始返回地球。每年地球都会穿过这些流星的轨道，但却无法遇到它们，也不会出现任何显著的流星雨。此后每年，这些流星都会逐渐接近那个临界点，到了1899年，整个流星群终于进入了地球的轨道范围。人们原本预计那一年会迎来一场壮观的流星雨，但实际情况却远非如此。由于这个流星群的长度极其庞大，它需要超过一年的时间才能穿过其轨道上位于地球轨道交叉处的那个临界区域。由此可见，这些流星是无法逃脱地球的。也许当流星群开始靠近地球时，地球已经离开了那个区域，而再过一年地球才会再次经过那里。那些幸运地处于流星群前端的流星能够逃脱地球的“捕捉”，但那些位于后方的流星则没有这么幸运，地球将会再次吞噬大量流星。有时，会在连续两年内观测到来自同一流星群的流星。如果地球在某一年穿过了流星群的前端，那么由于流星群的长度实在太过惊人，地球需要绕行6亿英里的轨道，之后才会再次经过那个临界点。

已经过去。历史上有记录显示，曾有过连续两个11月都出现极为壮观的狮子座流星雨的情景。

由于地球每33年就会吞噬大量狮子座流星，因此其总数必然在减少。毫无疑问，这一状况将会影响未来时期这些流星雨的亮度，它们不可能永远像过去那样明亮。另外，值得注意的是，这些流星的运行轨迹也在逐渐发生变化。每颗流星都沿着自己的椭圆轨道绕太阳运行，彼此之间互不干扰。因此，每颗流星都有各自的公转周期，该周期取决于它所运行的椭圆轨道的长度。如果两颗流星的椭圆轨道长度完全相同，那么它们绕太阳运行的时间也会相同，否则则不会如此。而这些椭圆轨道的长度高达数亿英里，显然不可能全部完全相等。正因如此，才会出现流星雨特征逐渐变化的状况。假设有两颗流星A和B，A绕太阳一周需要33年，而B则需要34年。如果两者同时出发，那么当A完成第一圈时，B会落后一年；下次B又会落后两年，以此类推。这种情况与一群参加长跑比赛的男孩很相似——他们必须绕赛道多圈才能完成比赛距离。起初他们都会聚在一起，或许在前一两圈还能保持相对接近的距离；但渐渐地，速度快的选手会领先，速度慢的则会落后，于是队伍的形状就会变长。随着比赛的进行，队伍会逐渐散布在整个赛道上，甚至最前面的选手也可能会超过最后面的选手。这似乎就是未来时期11月流星雨的命运：这些流星最终会散布在整个赛道上，再也不会每隔33年就出现一次如此壮观的景象了。

1866年11月的狮子座流星雨引发了数学天文学领域一项非常有趣且重要的发现，这一发现是由亚当斯教授做出的。我们已经知道，狮子座流星必定是沿着某种轨道运行的……

这些流星沿着椭圆轨道运动，每33年返回一次，但望远镜无法追踪它们在空中的轨迹。通过观测，我们只能知道它们出现的日期、它们发出的天体位置，以及每33年一次的回归周期。将这些信息综合起来，就可以确定流星运动的椭圆轨道——不过并非能精确确定，因为现有数据还不足以做到这一点，只能说明椭圆轨道必定是五种可能轨道之一。这五种可能的轨道分别是：第一种就是我们现在所知道的、流星需要33年才能完成一次公转的巨大椭圆轨道；第二种是近乎圆形的轨道，其大小仅略大于地球的轨道，流星在这种轨道上运行所需时间略多于一年；还有另一种类似的轨道，运行时间则略少于一年；另外还有两种位于地球轨道内的小型椭圆轨道。美国纽黑文的牛顿教授明确指出，如果流星沿着这些轨道中的任何一条运动，就能解释观测到的现象，而其他假设则无法解释这些现象。接下来要做的就是确定哪一种轨道才是真正的轨道。牛顿教授本人提出了解决这个问题的方法。他提出的检验方法相当复杂，因为涉及到扰动理论中的诸多复杂计算。幸运的是，亚当斯教授承担了这项研究工作，通过他的努力，狮子座流星雨的轨道终于被完全确定下来。

在研究古代关于狮子座流星雨出现的记录后，人们发现其出现日期会逐渐发生变化，牛顿教授将这一变化幅度定为70年一天的比例。由此可知，流星轨道与地球轨道的交点并不是固定的，每次流星回归时，交点都会在地球运动方向上向前移动大约半度。这意味着流星的轨道也在不断变化，它们在一次公转中所走的路径会与下一次略有不同。不过，由于这些变化都是朝同一方向进行的，因此它们可以逐渐达到某种稳定状态。

考虑到其尺寸，以及几个世纪以来这些流星轨道所发生的变化程度，可以通过图78中所示的两个椭圆来估算。图78展示了狮子座流星雨的轨迹变化情况：实线代表公元126年的轨道，虚线则代表现在的轨道。

这种明显的轨道变化正是天文学家们所说的“扰动”作用的结果。可以肯定的是，这些天体的椭圆运动是由太阳引起的；如果只有太阳的作用，那么它们的轨道就不会有任何变化。由此可见，这种椭圆的逐渐变化实际上是由于行星的引力作用所致。研究表明，如果流星沿着较大的轨道运动，那么其轨道的偏移必定是木星、土星、天王星和地球等行星的引力作用所导致的；而如果流星沿着较小的轨道运动，那么起作用的行星则必须是那些距离足够近且质量足够的行星。

对此采取合理分析的对象便是地球、金星和木星。由此我们可以看出，如何通过计算来回答这个问题。虽然很困难，但确实可以计算出在五种不同的轨道假设下，各行星的引力所能产生的影响。亚当斯正是这样做的。他发现，如果流星沿着较大的轨道运动，那么木星的引力就能解释所观察到的变化中的三分之二，而剩下的三分之一则是由土星的影响造成的，此外还有来自天王星的一点点额外作用力。通过这样的计算，他证明了较大轨道是一种可能的轨道类型。亚当斯教授还计算了如果流星在四个较小的椭圆轨道上运行时，其路径上会出现的多大的位移。这项研究极其艰巨，但其成果却足以弥补所有的努力。计算结果表明，若流星在较小的椭圆轨道上运行，其位移甚至无法达到所观察值的一半，因此这四种轨道都必须被排除。这样一来，就完全可以证明流星确实是在较大的轨道上运行的。

流星在每次公转时的运动都遵循开普勒定律。当流星处于离太阳最远的轨道位置时，其速度最低，仅为每秒一英里多一点；随着它逐渐靠近太阳，速度会逐渐增加，直到流星穿过地球轨道时，其速度已达到每秒26英里。地球则几乎以相反的方向以每秒18英里的速度移动，因此，如果流星恰好撞击到地球的大气层，它将以接近每秒44英里的巨大速度撞击地球。如果未能发生碰撞，流星则会继续前行，但其速度会逐渐降低，当它完成一次公转周期后，总共需要33年又四分之一年时间。

构成狮子座流星群的无数流星实际上形成了一个巨大的流束，其宽度与长度相比极为微小。如果我们用长度为7英尺的椭圆来表示轨道，那么这个流星流束就可以用一根极细的缝纫丝线来表示。

其长度约为1.5到2英尺，沿着轨道缓慢移动。[34] 这股流星流的规模可以通过以下事实来估算：它的宽度至少为10万英里。至于其长度，则可以这样判断：尽管它的速度约为每秒26英里，但仍然需要大约两年的时间才能穿过其轨道与地球轨道的交点。在1866年11月13日与14日之间的那个夜晚，地球冲入了这股流星流中，直到五小时后才从另一侧出来。当时，地球正前方的是欧洲、亚洲和非洲等大陆，因此，大规模的流星雨出现在旧大陆上。当12个月后地球再次回到同一位置时，那股流星流还没有完全过去，地球于是再次被卷入其中。这一次，处于前方的是美洲大陆，因此1867年的流星雨就出现在那里。即便在次年，那股流星流也仍未完全消失，此后，每当地球每年经过这条“流星高速公路”时，都会有一些零星的流星出现。

该图还旨在展示一项基于勒维耶的权威观点而提出的惊人推测，该推测试图解释这些流星是如何进入太阳系的。这些流星的轨道并不与木星、土星或火星的轨道相交，但却与天王星的轨道相交。有时候，恰好会在天王星经过这一位置时，这些流星也同时到达那里。勒维耶证明，这样的事件曾在公元126年发生过，但此后再未出现。由此，我们似乎找到了一个关于这些流星如何于那一年进入我们太阳系的奇妙解释。人们曾满怀希望地期待1899年能再次出现大规模的流星雨，但这一期望并未实现，实际上只观测到了少数普通类型的流星。

假设8月出现的流星的轨道为抛物线，斯基亚帕雷利便计算出了该轨道的尺寸及其在空间中的位置。

在算出这些数据后，他发现该轨道与1862年夏季出现的一颗明亮彗星的轨道在所有方面都完全一致。这绝不可能是巧合——那颗彗星的运动平面与那些流星的运动平面完全相同，它们轨道轴的方向也是如此；而且两者的运动方向一致，太阳到轨道的最短距离也完全相同。这充分证明了彗星与流星群之间必定存在着某种深刻的物理联系。不久之后，勒维耶又计算出了11月出现的流星群的轨道，结果发现它与1866年1月经过近日点的某颗彗星的轨道完全相同，而那颗彗星的公转周期为33年2个月。

在狮子座流星雨中，我们偶尔会看到亮度超过金星、甚至相当于月亮一半视直径的火球，它们会以闪电般的闪光爆发，并留下持续1分钟到1小时甚至更久的痕迹。但绝大多数流星的亮度仅相当于二等、三等或四等恒星。由于流星发出的光亮取决于其质量与速度，我们可以大致推断出这些流星的实际重量，显然，大多数流星的重量还不到四分之一盎司；事实上，很可能有很多流星的重量甚至不及一粒谷物。不过我们已经知道，彗星很可能只不过是由大量微小颗粒组成的、被密度极低的气体包围的集合体，而且这些彗星的物质也会逐渐在太空中散失。接下来，我们将讲述一个关于彗星如何解体以及其碎片最终去向的奇妙故事。

1872年11月27日晚，出现了一场规模巨大的流星雨。这一次，流星们是从仙女座的一个辐射点向外扩散的。从观赏效果来看，这场流星雨无疑比不上1866年的那场壮观景象，但很难说哪一场流星雨在科学上更具重要性。

地球在穿过比拉彗星的轨道时恰好遇到安德罗墨达星群（这就是该流星雨的名称），这无疑是一个惊人的巧合。我们观测了这些流星进入大气层时的来源方向，同时也确定了比拉彗星经过地球轨道时的运动方向，结果发现彗星的运动方向与流星的运动方向完全一致。这一事实本身就强烈地表明，彗星与这些流星之间存在关联；但这还不是全部。早在18世纪就有关于这一流星群的观测记录，我们发现其出现时间从12月6日或7日逐渐提前到11月底，这一变化与地球轨道与比拉彗星轨道交点的逆行运动完全吻合。这颗彗星在1772年以及1805年至1806年间被观测到，之后人们才发现了它每七年周期性回归的规律。1826年由比拉首次发现了它，1832年又再次被观测到。1846年，天文界震惊地发现原本只有一颗彗星，现在却变成了两颗；1852年它再次回归时，人们又看到了这两颗碎片。1859年由于位置关系不佳，无法观测到比拉彗星。在1865年至1866年它本应回归的时候，也没有任何它的踪迹，此后也再未被观测到。因此，1872年秋季似乎就是比拉彗星回归的时刻，而安德罗墨达星群的盛大爆发也正好发生在比拉彗星预计回归的时间附近。由此可以得出结论：这些流星即便不是彗星本身的组成部分，也与彗星有着极为密切的联系。这次流星雨还因克林克费斯教授发给马德拉斯的波格森先生的电报而令人难忘。电报内容如下：“比拉彗星于27日撞击地球。请在半人马座θ星附近进行搜索。”波格森确实进行了搜索，并且找到了一颗彗星，但由于天气恶劣，他只能在这两个夜晚进行观测。由于确定行星或彗星轨道需要三次观测数据，因此无法计算出波格森所观测到的那颗彗星的轨道，但几乎可以肯定，它不可能是比拉彗星的两个组成部分中的任何一颗。

那是一颗彗星。不过，它很可能是沿着与比拉彗星及那些流星相同的轨道运行的彗星。

1885年，比拉彗星再次展现出它的流星雨现象，此时距离1872年以来该流星群完成两次完整公转已经过去了足够的时间。1885年11月27日的流星雨极为壮观；牛顿教授估计，在流星雨最强烈的时候，每小时有75,000颗流星出现。1892年，这颗彗星本应再次到达近日点，但那一年11月27日并没有出现任何流星，而11月23日则从同一个辐射点出现了大量流星。布雷迪钦发现，流星轨道与地球轨道之间的交点会因这四天的时间差而发生变化，其原因在于木星对这颗流星群运动的扰动作用。

值得注意的是，这些大规模的流星雨似乎从未有过任何一颗流星坠落到地球表面。在数以万计的狮子座流星、英仙座流星或仙女座流星中，至今还没有一颗被捕获并得到确认。[35]据我们所知，那些从天空坠落到地球上的物体——也就是我们所说的陨石——似乎并非来自这些大规模的流星雨。实际上，它们的起源可能与那些周期性出现的流星完全不同。

有趣的是，关于陨石源自天体的观点其实是近代才出现的。在古代，无疑存在着关于有神奇的石头从天上坠落到地面的传闻，但这些说法似乎并未受到太多重视。一个世纪前，尽管有大量相关证据，人们仍认为这些传闻纯属虚构。目击者声称自己亲眼看到过那些石头坠落。这些物体本身也与周围的其它物体截然不同，甚至还有有人因此丧命的记录。

毫无疑问，那些观测记录大多是由那些无知且不识字的人所做出的。记录中的真实内容与虚构的内容混在了一起。

此外，谨慎的人们不愿相信那些关于此类物体确实从天而降的陈述。即便在今天，要获得关于这类事件的准确证词也往往极为困难。例如，有一名印度教徒在丛林中目睹了陨石坠落的情景。那块石头确实在那里，其属于陨石的事实也毋庸置疑，而且还有人对事件的具体经过进行了询问；但由于当时巨大的声响以及他所面临的危险，他吓得几乎无法正常思考，因此几乎说不出什么有用的信息。不过他确信，那颗陨石在坠落到地面之前，已在丛林中追逐了他两个小时！

1794年，克拉德尼发表了关于旅行家帕拉斯在西伯利亚发现的巨大铁块的描述。这是人们第一次意识到，这种物体以及类似物体必定来自太空。然而，即便有克拉德尼的声誉以及他所提出的论据，也未能让所有人信服。不久之后，有人在伦敦展示了一块重达56磅的石头，有几名目击者声称他们看到这块石头于1795年坠落在约克郡的沃尔德小屋。这块石头后来被收入我国的国家收藏品中，现在可以在南肯辛顿的自然历史博物馆里看到。此后，越来越多的证据从其他地方传来：来自意大利和贝拿勒斯的石头被发现与约克郡的那块石头成分相同。那些怀疑这些物体来自太空的人开始改变看法。霍华德就贝拿勒斯陨石撰写了一篇详细的报告，发表在1802年的《哲学汇刊》上。而似乎是为了进一步证明这一点，次年诺曼底的莱格尔地区又出现了大规模的陨石雨。法国科学院派物理学家比奥特前往该地，对这次罕见的陨石雨的种种情况进行了详细调查。他的调查消除了所有疑点，于是这些陨石便从地质学的范畴被归入天文学的范畴。值得注意的是，人们认识到陨石来自太空的时间，恰好与第一颗小行星的被发现时间相同。在每一例中，我们对太阳系的认识都因此得到了扩展。

那些数量众多的微小物体，尽管体积微不足道，却蕴含着丰富的信息。

既然已经承认了石块从天而降的可能性，我们就可以查阅古代的记载，并给予它们应得的认可——几个世纪以来这些记载一直被忽视。在所有可被视为具有较高历史准确性的石块坠落事件中，最古老的当属李维所描述的那一起：大约在公元前654年，有石块坠落在罗马附近的阿尔班山上。在较近的例子中，有一起得到了非常确凿的证实：它发生在1492年的阿尔萨斯地区的恩西斯海姆。马克西米利安皇帝下令详细记录这一事件的经过，并将记录与那块石头一起保存在教堂里。这块石头在教堂里悬挂了三个世纪，直到法国大革命时才被移到科尔马，随后它被拆成了几块，其中一块现在收藏在我们的国家博物馆中。幸运的是，这块有趣的物品已被重新放回恩西斯海姆的教堂中，至今仍是吸引游客的景点。相关记载如下：“公元1492年，11月7日，圣马丁节前的星期三，发生了一件奇异的奇迹：11点至中午之间，出现了巨大的雷声以及持续的嘈杂声响，这些声音在很远的地方都能听到。有一块重达260磅的石头从空中坠落到恩西斯海姆所在的地区，其他地方的嘈杂声比这里还要大。有个男孩看到石头落在了莱茵河与伊尔河附近、吉斯冈地区上方的耕地里，那里种着小麦，石头并没有造成任何破坏，只是在那里留下了一个坑。之后人们把石头从那里搬走，它又被拆成了好几块，但地方官禁止这样做。于是他们决定将石头放在教堂里，作为奇迹展示给人们观看。许多人都前来参观这块石头，关于它的讨论也很多。学者们表示不知道这到底是什么，因为如此大的石头从空中坠落显然违背了自然规律，但它确实是一块……”

那是上帝的奇迹，因为在此之前，从未有过类似的事情被记载或见到过。当人们发现那块石头时，它已经沉入地下，深度相当于一个人身高的二分之一。大家都认为这是上帝的旨意，才让这块石头被找到。它的响声在卢塞恩、维林根以及许多其他地方都能听到，声音之大以至于人们以为房屋都倒塌了。同年圣凯瑟琳节后的那个星期一，马克西米利安国王正在那里，他下令将那块掉落的石头带回城堡。在与贵族们长时间讨论之后，他命令恩西斯海姆的民众将这块石头挂在教堂里，不许任何人取走任何部分。不过，国王自己还是拿走了两块石头，一块留作己用，另一块则送给了奥地利的西吉斯蒙德公爵。关于这块石头的议论非常多，它至今仍悬挂在教堂的唱诗班区域，有许多人前来参观它。

既然承认陨石具有天体起源，那么我们自然应该给予其极大的关注。它们是我们了解地球以外天体成分的唯一直接途径。我们可以将陨石拿在手中，对其进行分析，从而知道它是由哪些元素构成的。我们不会试图详细阐述陨石的结构，因为这更多是化学家和矿物学家的研究范畴，而非天文学家的工作。我们只需了解其中一些较为明显的特征即可，这些特征将为探讨这些天体的可能起源提供初步依据。

在南肯辛顿的自然历史博物馆里，我们可以看到一批极为珍贵的陨石收藏。这些陨石来自世界各地，大小不一——有的仅比针头稍大，而有的则重达数百磅。此外，还有那些著名陨石的模型，因为它们的原物分散在各个博物馆中。

许多陨石的外观并无什么特别之处。如果它们掉在海滩上，人们只会像对待其他石头一样对其视而不见。然而，只要我们能够获得它们，它们就能为我们讲述许多故事！它们从天而降，人们目睹了这一景象，但在那之前它们的轨迹是怎样的？100年前、1000年前它们又在何处？它们穿越了哪些太空区域？为何以前从未坠落，而现在却坠下来了？当我们思考这些极其有趣的物体时，这些疑问便会浮现在脑海中。有些陨石由非常特殊的物质构成；例如，最近发现的罗顿铁陨石就是如此。这种陨石与普通的石质陨石有很大不同，即使是偶然经过的人也很难忽视它。它的巨大重量会吸引人们的注意，而如果用锉刀刮擦或打磨它，就会发现它实际上几乎是由纯铁构成的。我们知道这块铁陨石坠落到地球的具体情况：1876年4月20日下午3点40分左右，在雷金山以北八到十英里处的什罗普郡的几个村庄之间，出现了奇怪的轰鸣声，随后还发生了剧烈的爆炸。大约一小时后，一名农民发现他的一块草地被扰动了，他探查了陨石留下的坑洞，发现它仍然温热，位于地表下约18英寸处。在不远处工作的几个人也听到了陨石坠落时发出的声音。这块非凡的陨石重7又3/4磅，呈不规则的角状，不过由于在空气中飞行时发生了熔合作用，其边缘似乎都已变得圆润。除了最初撞击地面的地方外，它的表面覆盖着一层厚厚的黑色氧化铁膜。这块陨石坠落在克利夫兰公爵的领地上，后来公爵将其送到了之前提到的国家科研机构，作为罗顿铁陨石，它吸引了所有对这类奇妙物体感兴趣的人的关注。

这种菱铁矿之所以特别有趣，就在于它具有明显的金属特性。这类陨石的坠落频率远低于石质陨石——实际上，已知的陨铁坠落案例寥寥无几，而石质陨石的坠落案例则数以十计、甚至数百计。由此可推断，陨铁的出现频率远远低于石质陨石。不过，参观博物馆的人很可能不会产生这样的印象。在博物馆庞大的藏品中，陨铁无疑是最引人注目的物品。其原因并不复杂：那些巨大的铁块毫无疑问属于陨石，这一点无人怀疑。然而，它们中的绝大多数从未被观察到坠落过，只是以一些能够明确表明其陨石起源的方式被发现的。例如，如果有人在西伯利亚或中美洲的平原上发现一块金属铁块，那该如何解释这一现象呢？没有人把铁块带到那里，而且方圆数百英里内也没有铁矿。人类也从未制造过这样的物体，而且这些铁块中还含有镍元素，而这正是已知陨石所具有的特征，通常被视为其来自太空的明确证据。另外，由于铁会在大气中因腐蚀而消失，所以那些巨大的铁块不可能一直存在于原地那么久，它们必定是在某个特定的时间被放置到那里的。这类物体的来源只有一种可能：它们是从天上坠落的。在同一片平原上，也有成百上千的石质陨石坠落，但它们会随着时间的推移逐渐碎裂，无论如何也不像陨铁那样能吸引人们的注意。因此，尽管石质陨石似乎更频繁地坠落，但除非人们能在它们坠落的瞬间亲眼目睹，否则它们很容易被忽视，而陨铁则不然。正因如此，英国博物馆中最引人注目的藏品便是那些陨铁。

我们曾提到，罗顿陨铁在坠落时伴有噪音，而且有记录显示，当这颗陨石落在恩西斯海姆时发生了巨大的爆炸。这正是该现象的一个特征。几乎所有被观测到的陨石坠落过程似乎都是以爆炸为开端的。不过，我们并不认为这是绝对不变的规律；事实上，也有许多陨石在爆炸后并未留下任何可被收集的固体碎片。布苏拉陨石就很好地体现了这一现象的剧烈程度。这颗陨石于1861年坠落在印度，当时发生了巨大的爆炸声，人们从三、四英里外收集到了多块石质碎片，将这些碎片拼合起来后，便能够还原出该陨石的原始形态。虽然还有几块碎片缺失（无疑是因为它们在不为人注意的情况下掉入了难以找回的地方），但我们所拥有的碎片数量已经足够让我们大致了解该陨石在爆炸前的不规则形状。这是一颗普通的石质陨石，与我们刚刚讨论过的罗顿陨铁截然不同。此外还有其他类型的陨石。所谓的布雷滕巴赫铁陨石，就是介于铁陨石与石质陨石之间的一类陨石的典型代表。它由结构粗糙的铁质团块构成，其中的空腔则填充着各种矿物物质。博物馆中展出了这类陨石的切片，可以直观地看到其结构。

首先来看看这些陨石最明显的特征。我们这里不讨论它们的化学成分，而是关注它们的外观。这类陨石在形状上最显著的特征是什么？显然，那就是它们都是碎片——显然是从某个更大的物体上断裂下来的。仅从它们的外形就能看出这一点，而通过研究它们的内部结构，这一特点就更明显了。通常情况下，陨石本身也是由多个碎片组成的。

较小的碎片。这种结构可以通过在查科山脉发现的、重量约为30磅的陨石切片来说明（见图79）。此处展示的切片显示了该物体的复合结构，它属于石质陨石类。从形状上看，它显然是一块具有尖锐边缘和角的碎片。毫无疑问，当它最初进入大气层时，其体积要大得多。现在在外部看到的那些尖锐边缘很可能是由于随后发生的爆炸所造成的；但这无法解释其内部的结构。在内部，我们可以看到各种形状和材质的不规则碎片聚集在一起形成了一个整体。如果要在地球上寻找类似的天体，那就得看看某些火山岩——在这些火山岩中，也有许多不规则的碎片，它们被嵌入其中的基质粘合在一起。这块陨石所提供的证据足以证明这类天体的起源：它们必定是从某个规模相当大、甚至极为巨大的天体上破碎飞散而来的。在这块陨石中，有许多细小的铁颗粒与矿物质混合在一起。实际上，许多陨石中的铁具有与炸药爆炸产生的铁类似的特征。例如，在巴西发现的一块大型陨铁，其实是在坠落到地球之前就已经碎成了碎片，而这些碎片后来又被不规则的矿物质脉络重新粘合在一起。至于另一种类型的陨石，我们可以以1864年5月14日坠落在法国的奥尔盖伊碳质陨石为例。它在坠落时产生了一道极其耀眼的流星，其大小可与满月相媲美。这颗火球的实际直径恐怕有数百码之长。在方圆15英里的范围内，人们发现了近一百块该陨石的碎片。这一陨石特别有趣，因为它属于一类罕见的陨石，其中不含金属铁。它含有许多与其他陨石相同的矿物质，只不过在这些碎片中，这些矿物质与碳以及白色或淡黄色的可结晶物质结合在一起。

这种物质可溶于醚，且性质与某些烃类相似。如果未曾看到它坠落到地面，很可能会被认为是一种来自动植物的产物！

我们已经说明了：当一个物体以极高的速度运动并撞击空气时，会变得通红甚至白热化，甚至可能被烧成蒸汽。那么，为什么陨石能够逃脱这种剧烈的燃烧，仍然以极高的速度坠落到地面呢？虽然速度依然很大，但已经远远低于足以将其烧成蒸汽的速度。例如，如果罗顿铁陨石以每秒20英里的速度撞击地球，那么它无疑会被热量分解，不过这些颗粒最终会重新聚集起来，以微小的铁珠形式缓慢坠落至地面。那陨石又是如何避免这种命运的呢？需要记住的是，地球本身也在以大约每秒18英里的速度运动，而陨石撞击空气时的相对速度，才是决定摩擦作用强度的关键因素。如果陨石直接与地球相撞，碰撞速度将会极其巨大；但也有可能，尽管两个物体的实际速度都非常大，但它们的相对速度却相对较小。无论如何，这都是陨石能够到达地球表面的一个可行解释。

在本章的前面部分，我们已经指出，那些著名的流星雨与彗星有着密切的联系。实际上，每一场流星雨都是沿着彗星运行的轨道出现的，而那些构成流星的粒子很可能是由彗星本身释放出来的。因此，流星雨与彗星之间存在着紧密的联系，不过陨石是否与彗星有关则尚存疑问。正如前文所述，从未有过陨石在大型流星雨中出现过的记录；在狮子座流星雨或英仙座流星雨中，也没有任何陨石坠落的迹象；据我们所知，天琴座流星雨、宝瓶座流星雨以及所有天文学家都熟悉的其它流星雨中，也从未有陨石坠落过。没有理由将陨石与这些流星雨联系起来，因此，是否应将陨石与彗星联系起来也值得怀疑。

关于陨石的起源，很难给出十分确定的结论。每一种关于陨石起源的理论都存在一些问题，因此看来，我们唯一能做的就是选择那种看似最不可能错误的理论。在我看来，奥地利矿物学家切尔马克提出的理论符合这一标准。他对维也纳收藏的众多陨石进行了研究，得出的结论是“陨石源自某个天体上的火山”。让我们继续探讨这个问题：假设至少有一些陨石确实是从火山中喷发出来的，那么这些火山究竟位于宇宙中的哪个或哪些天体上呢？这实际上是一个需要天文学家和数学家来解答的问题。一旦矿物学家确认了这些天体确实是火山，那么问题就变成了计算与概率平衡的问题。

探究的第一步是明确了解该问题的动力学条件。设想有一座火山位于某颗行星上，这座火山正处于喷发状态，在一次剧烈的喷发中，它会将一块物质抛向高空：这块物质会上升，然后停止，最终再次坠落。地球上的火山喷发就是如此。

火山。科托帕希火山能够将巨大的石块抛射到极高的高度，但这些石块最终还是会落回地面。地球的引力逐渐抵消了爆炸产生的速度，使得石块重新坠落。不过，假设火山喷发更为剧烈，石块被抛射到比表面更高的高度呢？例如，如果石块被抛到与行星半径相当的高度，那么重力就会减弱到地表时的四分之一，这样一来，行星就更难以将石块拉回来了。随着高度的增加，石块需要被拉回的距离也会增加，同时重力的作用效果也会减弱，因此让石块返回的难度会成倍增加。我们之前已经多次提到过这个问题，并且指出，每个行星都有一个特定的临界速度，这个速度取决于该行星的质量和半径。如果抛射物的速度等于或大于这个临界速度，那么它就再也不会返回地面了。我们都记得儒勒·凡尔纳所描述的登月之旅，他在书中提到了一种名为“哥伦比亚大炮”的虚构武器，这种大炮能够以每秒六七英里的速度发射弹丸。这正是地球的临界速度。如果我们能消除空气阻力，那么这种威力强大的大炮就能将物体抛射到如此高的高度，以至于它永远不会再落下。

切尔马克关于陨石源自火山的观点存在一个巨大问题，那就是需要极高的初始速度。所谓“哥伦比亚大炮”不过是神话而已，目前地球上没有任何自然或人造的力量能够产生如此惊人的速度。克拉卡托亚火山爆发时，其声响甚至能传到数千英里之外，但在它最猛烈的喷发过程中，也没有任何弹丸能以每秒六英里的速度被抛射出来。因此，我们不得不思考：还有其他天体有可能成为陨石的来源吗？除了月球之外，我们在其他任何天体上都无法看到火山；其他天体都太过遥远，无法进行如此细致的观察。那么，月球上的火山真的有可能抛射出那些落到地球上的陨石吗？

这一观点曾得到权威人士的认可。月球的质量约为地球质量的1/80。认为发射速度与行星质量成正比的说法是不正确的。正确的规律是：发射速度与质量的平方根成正比，与半径的平方根成反比。因此，从月球上发射导弹所需的速度仅约为从地球上发射导弹所需速度的1/6。如果月球表面存在规模达一英里的火山，那么这些火山很可能是陨石的来源。我们已经看到，月球表面到处都有剧烈火山活动的痕迹。因此，从月球上发射的导弹无疑会坠落到地球上，而且有些陨石确实可能来自这里。不过，关于月球上的火山存在一个重大问题：如果某个物体被从月球上发射出去，根据开普勒定律，它会在地球引力的作用下以地球为焦点绕地球运行。如果我们忽略其他天体带来的干扰以及月球本身的干扰，就会发现，一旦陨石错过了地球，就再也无法落到地球上。为了使月球上的陨石能够坠落到地球，它必须在第一次绕行时就能到达距离地球中心小于地球半径的位置。陨石从月球飞往地球只需几天时间，既然现在仍有陨石不断坠落，那就意味着它们必定一直在从月球上被抛射出来。然而，月球上的火山目前已经不再活跃；观测者们长期研究过月球表面，却没有发现任何火山活动的可靠迹象。无论月球过去曾经有过怎样的能力，如今它都已不可能继续向地球发射陨石了。只有那种在远古时期、当月球上的火山还处于活跃状态时被抛射出来的陨石，才有可能因为在太阳系中其他天体的影响而改变轨道，最终进入地球大气层并坠落到地面。但无论如何，月球都不可能主动向我们发送陨石。

因此，我们有必要在别的地方寻找符合问题要求的火山。现在，让我们把注意力转向行星，研究那些位于行星上的火山究竟在何种情况下能够喷出陨石，而这些陨石最终会坠落到地球上。我们无法清晰地观测到这些行星，因而无法确定它们是否存在过火山；不过，大型天体几乎普遍存在热量，这一事实似乎足以让我们相信，行星上很可能存在某种形式的火山活动。我们可以立即排除木星或土星这类巨型行星——它们的表面特征与火山地貌截然不同；而且由于质量巨大，如果陨石真的能逃脱其引力作用，那必定是以极高的速度被抛射出去的。根据之前的规则，木星上的火山强度必须是地球上火山的五到六倍才行。为避免这一难题，我们自然会转向太阳系中的较小行星；比如，从无数小行星中挑选出一颗，来看看它有多大可能喷出能够坠落地球的陨石。有些小行星的直径只有几英里而已。太阳系中有一些天体如此之小，以至于只需适中的速度就能将陨石完全抛离它们。实际上，在讨论小行星时我们已经阐述过这一点。有人认为，位于某颗小行星上的火山或许拥有足够的能量，让陨石在太空中长途飞行，最终因偶然因素而与地球相撞。承认可能存在这样的火山，并且它们确实有足够的力量将物体从行星表面抛射出去，这并不困难；但我们必须记住，这些陨石最终是要坠落到地球上的，因此涉及到的动力学问题值得我们仔细研究。为了更清晰地思考这个问题，我们就以谷神星作为研究对象吧。如果要让陨石坠落到地球上，它就必须穿过宽度约为8,000英里的狭窄轨道带，而这正是地球运行的路径；仅凭这样的条件，是不足以让陨石通过的。

陨石必须穿过黄道面上的那个狭窄区域，无论是从环的内部还是外部穿过。同时，地球也必须在同一时刻处于该位置，这样陨石才会坠落。因此，首要条件就是陨石的轨迹必须经过这个狭窄的区域。这需要从谷神星轨道上的某一点进行投影来实现。但从动力学角度可以证明，虽然足以将陨石从谷神星上抛射出来的火山能量可能并不强大，但若要让陨石穿过地球的轨道，那么根据动力学要求，谷神星上至少需要拥有三英里级强度的火山。因此，提出用小行星作为陨石来源的想法并没有带来太多帮助，因为我们发现，即便是中等强度的火山活动也不足以实现这一目标。此外，对于谷神星来说还有一个问题：与问题的其他相关参数相比，黄道面上的那个狭窄区域实在过于狭小。谷神星距离我们非常遥远，要在其上精确地控制火山活动，使得陨石恰好穿过那个区域、既不落在内部也不落在外部、既不在上方也不在下方，几乎是不可能的。每次尝试中，成功的概率极低。我们试图利用概率论来进行计算，结果发现，这种情况发生的概率约为1比50,000；也就是说，从谷神星轨道上的某一点发射出的50,000颗陨石中，只有一颗有可能满足最初的条件，进而坠落到地球上。显然，谷神星（其他小行星也是如此）作为陨石来源存在两个缺陷：首先，尽管这颗行星的质量很小，但仍需要极其强大的火山；其次，我们必须假设，每有一颗陨石到达地球，就至少有50,000颗陨石被从谷神星上抛射出来。由此可见，如果这些陨石确实来自太阳系中的某颗行星，无论其大小如何，那颗行星的火山必然因为某种原因而具有极高的爆发强度。这就促使我们去探究，究竟哪颗行星在其他方面具有最大的可能性成为陨石的来源。

我们当然承认，目前地球上的火山完全缺乏所需的能量；但地球上的火山在近代一直都如此弱小吗？有充分理由相信，在地质年代的早期，地球上的火山活动能量要比现在大得多。我们确实认识到认为陨石真正来自地球这一观点存在诸多困难；但它们总得有个起源，因此指出最有可能的来源是合理的。假设在火山活动极为活跃的远古时期，曾有过强大的爆发力，将物体以足够的速度抛射出去：这些物体会上升，脱离地球的引力作用，随后被太阳的引力捕获，从而永远围绕太阳旋转。毫无疑问，空气阻力会构成巨大障碍，但如果陨石坠落点位于海平面以上很高的位置，这种阻力就会大大减小；而如果还有大量气体或蒸汽随固体物质一同被抛射出来，空气阻力的影响还会进一步降低。其中一些物体可能会沿着双曲线轨道运行，从此一去不返；而另一些则会被迫进入椭圆轨道。这些物体将围绕太阳旋转数百万年，但在每次公转时——这才是关键所在——它们都会经过最初被抛射出的那个点。换句话说，所有从地球抛射出来的物体，在每次公转时都会穿过地球的轨道。这一事实极大地支持了地球而非谷神星作为陨石来源的观点：在5万颗从谷神星抛射出的陨石中，可能只有一颗会穿过地球的轨道，而所有从地球抛射出的陨石则必然会如此。

如果这一观点成立，那么就一定有大量陨石以椭圆轨道在太空中围绕太阳运行。这些轨道有一个共同特点：它们都会与地球的轨道相交。有时，当陨石经过该点时，地球恰好也处于该位置。

在这种情况下，这些小天体漫长的旅程便告结束，它们会重新坠回那个它们在很久以前离开的地球之上。

有必要强调一下关于陨石的月球起源说与地球起源说之间的差异——我们认为月球起源说不太可能成立，而地球起源说则似乎更有可能。正如我们所见，按照月球起源说，月球上的某些火山必须至今仍然处于活跃状态。而在地球起源说中，只需假设地球上的火山曾经拥有足够的爆发力即可。没人认为地球上的火山现在仍在喷出那些将来会形成陨石的碎片；不过，在这种平静的时期，地球有可能正在慢慢收回它在早期历史中喷出的那些碎片。因此，如果我们像切尔马克那样认为许多陨石源自某个巨大的天体上的火山活动，那么我们就会同意那些认为那个天体很可能是地球的人的观点。

有一些情况似乎可以支持“许多陨石源自古老的地球”这一观点，这相当有趣。这类陨石最典型的成分就是铁镍合金，而且几乎所有这类陨石都含有这种合金。有时，比如罗顿铁陨石，整个陨石几乎完全由这种合金构成；有时则这种合金以颗粒的形式分布在整个陨石体内。当诺登舍尔德在格陵兰岛发现一块含有镍的天然铁块时，人们立刻认为它是一颗来自外太空的陨石。它被命名为奥维法克陨石，其中一些较大的铁块也被送到了我们的博物馆里。例如，国家博物馆就收藏有一件非常有趣的奥维法克陨石样本。经过仔细观察可以发现，这块所谓的陨石实际上位于从地球内部喷出的玄武岩层之中。那些相信奥维法克铁块来自陨石的人不得不承认：在玄武岩喷发之后、其还处于柔软状态时，这块质量巨大、体积庞大的铁陨石恰好落在了这片柔软的玄武岩层中。不过，越来越多的人认为，这块巨大的铁块根本不是来自外太空的陨石，而是直接从地球内部产生的。

这些铁元素与玄武岩一同存在于地球内部。大英博物馆中那些精美的标本展示了铁元素是如何逐渐融入玄武岩中的，这充分表明铁的来源很可能就在地球内部，而非外部。如果进一步的研究能够证实这一点——目前看来这种可能性很大——那么在证明陨石的地球起源方面就将迈出极为重要的一步。如果奥维法克铁矿确实与玄武岩有关联，那就意味着这种铁镍合金确实是一种来自地球内部的物质，它形成于地球深处，并与火山活动密切相关。如此一来，解释那些无疑属于陨石的铁元素就不再困难了。当那些巨大的火山处于活跃状态时，它们会喷出大量这种铁合金，这些合金在太阳系中循环了数百万年之后，最终又回到了地球上。似乎为了印证这一观点，安德鲁斯教授在巨人之路的玄武岩中发现了天然铁颗粒；而已故的劳埃德教授通过磁学研究也证明了那里存在大量与玄武岩相关的铁元素。

除了那些较为坚固的陨石之外，毫无疑问，普通流星的碎片也会以星尘的形式缓缓降落到地球上。北极地区的雪中常常能发现含有铁颗粒的尘埃痕迹。类似颗粒也在大教堂的塔楼上以及许多其他只能由空气中的尘埃沉积而成的地方被发现。几乎可以肯定，阳光中的某些微粒，以及那些让管家们视为灰尘的诸多颗粒，确实源自宇宙空间。在著名的“挑战者号”深海探险中，虽然从大西洋深处打捞上来的并非“金块、巨型锚或成堆的珍珠”，但在这些泥浆中却发现了大量磁性颗粒，有充分理由相信这些颗粒是从天空坠落并沉入海洋深处的。在显微镜下观察非洲沙漠中的沙子，也能发现其中含有微小的铁颗粒，这些颗粒显然经历过高温作用。

地球不断吸收这些宇宙尘埃，但却再也不会失去任何物质。其后果是不可避免的：地球的质量必定在增加。虽然这种变化可能很小，但对于那些研究过达尔文关于“蚯蚓”的论著，或是了解现代进化论的人来说，很显然，只要存在持续作用于同一方向的微小力量，就能产生惊人的结果。很有可能，我们星球上的大量固体物质其实源自那些持续降落在地球表面的陨星物质。

第十八章　星瀚苍穹

星座——大熊座与指路星群——北极星——仙后座——仙女座、飞马座和英仙座——昴宿星团：御夫座、五车二、毕宿五——金牛座、猎户座、天狼星；双子座中的卡斯托尔星与波吕克斯星——狮子座——牧夫座、冕座和赫拉克勒斯座——室女座与角宿一——织女星与天琴座——天鹅座。

学习天文学的人应当了解天空中主要的星座。这是一项很有价值的知识，也完全应该成为每个孩子教育内容的一部分。我们将从对北半球可见的主要星座的简要介绍开始探讨恒星系统，并附上一些星图，帮助初学者识别星空中的主要特征。

在之前的章节中，我们已经让读者注意到那个被天文学家称为大熊座的著名星群。它是北天最显眼的星群，在高纬度地区永远不会落下。4月的晚上11点，对于英国的观测者来说，大熊座正好位于头顶；9月同一时间，它则位于北方低空；7月同一时间则在西方；而到了圣诞节时则出现在东方。自古以来，这个星群就一直备受关注。两千年前编制的一份星表中就包含了大熊座中的星星，这份星表流传至今。通过这份星表中所记录的星星位置，我们可以还原出古代大熊座的模样。经过研究后发现，这七颗主要星星在这么长的时间里并没有发生太大变化，因此大熊座的形状至今仍与古代基本相同。初学者首先需要熟悉这七颗星星，这样他们在这门天文学领域的学习才能更加顺利。事实上，大熊座确实是一颗极为出色的星座，它的唯一竞争对手是猎户座——猎户座拥有更明亮的星星，不过它在天空中的范围没有大熊座那么大。

图80——大熊座与北极星。

图81——大熊座与仙后座。
首先，我们可以看到大熊座是如何帮助人们找到北极星的——北极星可是北天中最重要的恒星。通过大熊座的β星和α星的方向，就可以很容易地定位北极星，这两颗星也因此被称为“指针星”。图80中的示意图就展示了这一原理：从β星到α星画出的线段稍作延伸并略带弯曲，就能指向北极星。由于北极星是周围唯一明亮的恒星，因此几乎不可能认错它。一旦找到了它，以后再观察时就能轻松识别出来，而且会发现它在天空中的位置始终不变。其他恒星要么升起，要么落下；或者像大熊座那样低垂在北方，但并不会真正落下，而北极星则没有明显的变化。无论是在夏季还是冬季，无论是在夜晚还是白天，北极星始终位于同一个位置——至少在普通观测条件下是这样。当然，如果我们使用天文台的精密仪器，就会发现北极星其实也在缓慢移动，它每24小时绕着天球的真实极点转一小圈。

它与北极星并非重合，尽管两者距离很近。目前两者之间的距离略大于1度，而且这一距离正在逐渐减小，到公元2095年时，这一距离将低于半度。

北极星本身属于另一个由少数恒星组成的星群，即小熊座。在这个星群中，亮度仅次于北极星的两颗恒星有时被称为“守护星”。大熊座、小熊座以及北极星共同构成了北天中的一个星群，而南天则没有类似的星群与之对应。在南极点，没有明显的恒星可以用来指示其大致位置——这对南半球的天文学家和航海者来说是个不利条件。

现在，我们可以在已知的两个星群之外再添加第三个星群。在北极星与大熊座相对的方向上，且距离大致相同的地方，有一组由五颗明亮恒星构成的、形状类似W的星群。这些恒星就是仙后座的显著组成部分，而仙后座总共包含大约60颗肉眼可见的恒星。当大熊座位于北方低空时，仙后座则高悬在头顶；而当大熊座高悬在头顶时，仙后座则位于北方低空。这些主要恒星的排列十分醒目，一旦被识别出来，后续的辨认就会变得非常容易——尤其是考虑到北极星位于仙后座与大熊座之间这一事实（见图81）。这些重要的星群可以作为识别其他星群的指引。接下来，我们将介绍如何区分从不列颠群岛或类似高纬度地区所能看到的其他各种星群。

下一个需要识别的星群，就是由飞马座的大方形构成的那个引人注目的星群。与大熊座或仙后座不同，飞马座的大方形并非“环极星群”——它每天都会升起和落下。在春季和夏季很难方便地观测到它，但在秋季和冬季，构成该星群四个角的恒星则可以被看到。

飞马座的大方形很容易被识别出来。在那个有限的区域内有一些小星星，以普通视力的肉眼大约可以数出30颗左右。而在欧洲南部，由于天空极为清澈明亮，可见的星星数量似乎要多得多。一位在雅典的敏锐观察者曾在同一区域数出了102颗星星。

要找到飞马座的大方形，可以从北极星出发，沿着仙后座的最末端画一条线。如果将这条线再延长一段距离，就能引导视线指向图82所示的飞马座大方形的中心。

连接飞马座中的β星和α星的直线若再向南延伸45度，就会指向南鱼座嘴部那颗重要的恒星——北落师门。在这条线的右侧，大约在中间位置，是相对模糊的水瓶座，那里可以看到一个以星星为中心的小等边三角形。

飞马座的大方形并不能很好地体现星座边界应如何划分的准则。没有比这方形中的四颗星星更自然地组合在一起的群组了，它们理应被归入同一个星座。其中三颗星星——分别标记为α、β、γ——确实属于飞马座；但位于第四个顶点的那颗星星也标记为α，实际上属于另一个名为仙女座的星座。

它确实是仙女座中最亮的恒星。仙女座中其余较亮的恒星被标记为β和γ，只要将飞马座的形状以曲线形式连接起来，就能轻易识别出它们。这样我们就有了由七颗恒星组成的独特星群——这些恒星既容易识别，也容易记住，尽管它们分别属于三个不同的星座：飞马座的α、β、γ；仙女座的α、β、γ；以及英仙座的α。这三颗恒星共同构成了从方形结构一侧延伸出来的“把手”状结构，不仅外观引人注目，还有助于进一步识别天体。仙女座的β星与两颗较小的恒星一起，构成了那位不幸女英雄的腰带。

英仙座的α星位于该星座中的另外两颗恒星（γ星和δ星）之间。如果我们用一条曲线连接这三颗恒星并将其延长，就会找到北天空中的一颗璀璨明珠——御夫座中的美丽恒星五车二（见图83）。在五车二附近还有三颗小恒星，它们构成一个等腰三角形——这就是所谓的“小羊星”。除大角星之外，五车二和织女星是北天空中最亮的兩颗恒星；虽然织女星可能更亮一些，但也有人持相反观点。对于亮度相近的恒星，不同人的判断往往会有差异。由于五车二与织女星在天空中的距离很远，再加上两者颜色略有不同（织女星明显比五车二更白），因此要准确比较它们的亮度十分困难。恒星颜色的差异常常会成为比较其相对亮度的障碍；所以当需要通过仪器进行实际测量时，就必须将这两颗恒星分别与某些色调介于两者之间的恒星进行比较。

图83——英仙座及其附近的恒星。
在五车二所在的极点另一侧，虽然距离稍远一些，但那里有四颗小恒星组成一个四边形。它们构成了龙头的形状，而龙的其余部分则环绕着极点延伸。
如果我们沿着英仙座中的γ、α和δ这三颗恒星所构成的曲线继续延伸，并像图83所示那样将这条曲线优雅地弯曲成相反的方向，那么就会遇到英仙座中的另外两颗重要恒星，即ε和ζ。英仙座区域是天空中恒星最为密集的区域之一，这里有着极为壮观的银河景象，望远镜的视野中到处都是恒星。

即使使用小型望远镜或双筒望远镜观察这个星群，也一定能给观测者带来极大的愉悦感，让他们深刻体会到宇宙的广阔。在后面的段落中，我们将简要列举英仙座中一些值得注意的望远镜观测目标。沿着同一张图中的ε线和ζ线继续延伸，就能找到那个著名的小星团——昴宿星团。

图84——昴宿星团。

昴宿星团是一个极为著名且易于辨认的星团，因此似乎无需再提供任何具体的观测指引。不过需要指出的是，在这些纬度地区，夏季时午夜之前是看不到它的。假设在晚上11点左右进行观测：1月1日时，昴宿星团会高悬在西南方的天空中；3月1日同一时间，它则会在西方逐渐落下；5月1日时则无法看到它；7月1日同样如此；9月1日时，它会出现在东方的低空处；11月1日时，则会高悬在东南方的天空中。此后每年的1月1日，昴宿星团都会处于与上一年相同的位置，如此循环往复。或许没有必要再进一步说明……

无需多言，这些变化并非由星座的移动所导致；当然，它们是由于太阳在恒星间的年度视运动所引起的。

图85——猎户座、天狼星及附近的恒星。

图84中展示了昴宿星团，图中显示的是由十颗恒星组成的星群，对于视力极好的人来说，用肉眼就能看到这十颗星。最低倍率的望远镜也能观测到它们。

这些恒星的数量将会增加到三十到四十颗左右（伽利略用他的第一台望远镜就观测到了四十多颗），而使用功率更高的望远镜的话，这一数字还会进一步上升；实际上，借助高功率望远镜已经观测到了至少625颗这样的恒星。不过，由于这些恒星分布得过于分散，除非使用视野范围较大且功率较低的望远镜，否则很难将它们视为一个可被有效观测的星群。通过双筒望远镜观察的话，它们会呈现出非常美丽的景象。

图86——卡斯托尔与波吕克斯。
如果我们从北极星画一条线到五车二，并将其延长至足够远的距离，如图85所示，就会到达我们冬季天空中的那个巨大的星座——壮丽的猎户座。猎户座中恒星的亮度、那条醒目的腰带以及其中那些可通过望远镜观测到的天体，都使得这个星座格外引人注目，或许甚至可以称得上是所有星座中的佼佼者。猎户座中最亮的恒星被称为α猎户座，或者贝特盖乌兹，这里也采用后者的名称来指代它。它位于构成腰带的δ、ε、ζ三颗恒星的上方。贝特盖乌兹是一等星，而位于腰带另一侧的里格尔也是同一等级的恒星。因此，猎户座拥有两个一等星的独特优势，而图85中显示的其他五颗恒星则属于二等星。

猎户座附近还有一些重要的恒星。如果我们沿着腰带的线条向右上方延伸，就会找到另一颗一等星——毕宿五。它的颜色与贝特盖乌兹极为相似，都是红色调。毕宿五是该星座中最亮的恒星。

金牛座。这个星座中包含了之前提到的昴宿星团，还有另一组较为分散的恒星群——海山星团，它们位于毕宿五附近。

图87——大熊座与狮子座。从猎户座腰带线向下延伸至左侧的线条，会引导人们的视线指向天上的璀璨明星——天狼星，它是全天最明亮的恒星。事实上，人们不得不为天狼星单独设立一个特殊的亮度等级；其他所有一等星，如织女星、五车二、参宿四和毕宿五，其亮度都远远不及天狼星。天狼星与其他几颗亮度较低的恒星一起构成了大犬座。

对于初学者来说，记住这个呈不规则菱形的大星群结构是有帮助的，它的四个角正是那些一等星。

毕宿五、参宿四、天狼星和参宿七（图85）。猎户座的腰带对称地位于该星群的中心，整个图案极为醒目，一旦看到便很难忘记。

从飞马座方块区域到毕宿五的中点位置，是白羊座中最亮的恒星——一颗2等亮星；它与另外两颗恒星共同构成一条曲线，而这条曲线的另一端则是同一星座中的γ星，那是人类最早发现的双星。

我们还可以借助大熊座来标出双子座中的恒星（图86）。如果将连接大熊座主体中δ星和β星的直线向与尾巴相反的方向延伸，就会找到双子座中两颗非常著名的2等亮星——北河三和北河二。这条线再继续延伸一点，就会经过1等亮星南河三，而南河三正是小犬座中唯一显眼的恒星。

图88——牧夫座与王冠座。

图89——室女座及邻近的星座。
大熊座中标记为α、β的星点也可用来指示狮子座的位置。如果我们沿着与确定北极星方向相反的路线连接这两颗星，就能找到狮子座的主体部分。这一星座可以通过一颗一等星——轩辕十四来识别。它属于一组构成类似镰刀形状的恒星群；其中有三颗恒星为二等星。这把“镰刀”值得我们特别关注，因为它包含了周期性出现的狮子座流星雨的辐射点。轩辕十四位于太阳在星空中的运行路径上，每年8月21日太阳都会经过这一点。

在双子座与狮子座之间，可以找到一个不那么显眼的星座——巨蟹座。该星座中最引人注目的天体是一片模糊的星区，被称为“马槽”或“蜂巢”，使用最小的望远镜就能将这片星区分解为各自的恒星。

图90——天琴座。
大熊座的尾巴如果沿着其原有的曲线继续延伸，就会指向一颗一等亮星，即大角星，它是牧夫座的主要恒星（见图88）。同一星座中还有几颗被标记为β、γ、δ和ε的恒星，也在图中显示出来。在这些纬度范围内能够看到的恒星中，大角星的亮度仅次于天狼星。在南半球有两颗恒星，在这些纬度范围内无法看到，它们分别是半人马座α星和海山二，它们的亮度几乎与织女星和五车二相当，但略逊于大角星。

在牧夫座附近，有一个引人注目的半圆形星群，被称为“北冕座”。根据图中的标记即可轻松找到它；或者也可以通过大熊座中由β、δ、ε和ζ所标示的曲线来定位它。

图91——织女星、天鹅座与鹰座。
室女座最著名的特征就是其一等星——角宿一，即α处女座。可以通过大熊座来找到它：只要将大熊座中α星与γ星相连的线稍微弯曲后延长，就能找到角宿一。这里还可以看到另一个对研究恒星非常有帮助的大型星群结构——那是一个完美的等边三角形，大角星和角宿一构成了这个三角形的两个顶点，第三个顶点则是由狮子座尾部附近的亮星心宿二来标示的（见图89）。

在夏季的夜晚，当北冕座位于头顶时，从北极星出发、经过该星群较暗的边缘并几乎延伸至南地平线的这条线，会与一颗明亮的红色恒星相交，这颗恒星就是天蝎座的心脏——心宿二。它也是最早被通过望远镜在白昼观测到的恒星之一。

在天琴座中，有一颗一等星——织女星，它位于一个由北极星和大角星构成的直角三角形的顶点处（见图90）。织女星那耀眼的白色光芒会立刻吸引人们的注意，而围绕在它周围的那些恒星则共同构成了结构极为清晰的星座。

在织女星附近还有另一个重要的星座，即天鹅座。其中最亮的恒星处于另一个直角三角形的顶点位置，以织女星到北极星的连线作为该三角形的底边，如图91所示。天鹅座中有五颗主要的恒星，它们共同构成了形态十分独特的星座。

我们在这里要描述的最后一个星座是天鹰座，它也包含一颗一等星——河鼓二。通过从织女星出发、经过天鹅座β星的一条直线，就可以很容易地找到这个星座，这条直线会经过构成天鹰座特征性结构的那一组三颗恒星附近。

在这些星座的示意图中，我们还标出了其他一些值得注意的望远镜观测目标的位置，至于这些目标的详细描述，则需留到后面的章节中再谈。

第十九章　遥远的恒星
天狼星与太阳的比较——恒星可以被称重，但难以被精确测量——天狼星的伴星——天狼星及其伴星的质量测定——暗星——变星与临时星——庞大的恒星数量

由于天狼星极为明亮，从天文学发展的早期开始，人们就对其进行了极为细致的观测。一代又一代的天文学家投入大量时间和精力来确定天空中最亮恒星的确切位置。因此，关于天狼星在众星中的位置的观测数据积累得非常多，人们发现，与其他许多恒星一样，天狼星也存在天文学家所称的“自行现象”。将现在天狼星相对于其他恒星的位置与一百年前相比，会发现其位置有2分（127秒）的差异。这一数值非常小，肉眼根本无法察觉。如果我们能够看到一百年前天空的景象，仍然会看到这颗恒星位于猎户座左侧的那个位置。即便经过仔细观察，也几乎无法察觉到天狼星在两个世纪、甚至三个或四个世纪内的移动。不过，子午圈的高精度使得这些微小的数值变得清晰可见，从而展现出它们真正的意义。在天文学家看来，天狼星并非以那种几个世纪都看不出变化的缓慢速度移动，而是以与其规模相称的速度沿着自己的轨道前进。

虽然天狼星的运动速度约为每分钟1,000英里，但实际上这一速度有时会略高，有时又会略低。对天文学家而言，这一事实蕴含着重要信息。如果天狼星是一颗孤立的恒星，只有些体积较小的行星围绕它运转，那么它的运动就不可能出现异常。如果它当初是以某种特定的速度开始运动的……

其速度为每分钟1,000英里，因此它必须保持这一速度不变。无论经过多少个世纪，也无论旅程有多么漫长，都无法改变这一速度。天狼星的运行轨迹方向是固定不变的，它将以恒定的速度行进。

1844年，当贝塞尔发现天狼星的运动存在不规则现象时，这一事实引起了他的极大兴趣。图92——天狼星的轨道（伯纳姆教授）。贝塞尔认为，这些异常现象必定有某种合理的成因，因此几乎无需怀疑其成因是什么。当物体的运动受到干扰时，必然有某种力在起作用，而在这类情况下我们所能识别的唯一力量就是引力。不过引力只能从一个物体作用于另一个物体；因此，若要解释天狼星的运动异常，我们就不得不假设在天狼星附近存在着某个巨大且质量庞大的天体。后来，彼得斯也再次探讨了这个问题。

奥弗斯等人通过研究天狼星的运动规律，发现了那颗扰动天体的运行轨迹特征。他们证明，该天体必定以大约50年的周期绕天狼星运转；虽然无法确定它与天狼星之间的距离，但至少能指出它的大致方位。图92展示了耶基斯天文台的伯纳姆先生所绘制的天狼星轨道。

由于能够发现天狼星的伴星并对其运动进行测量，我们才得以确定这颗著名恒星的质量。让我们试着来说明这个问题。毫无疑问，我们所使用的数值估算结果需要谨慎对待。天狼星的伴星极难观测，1896年之前人们仅能追踪到它90°的轨道弧度。因此，目前我们还无法极其精确地确定该伴星完成一次公转所需的周期。不过，我们可以将这个周期定为52年。同时我们也知道天狼星与其伴星之间的距离，这一距离大约是地球到太阳距离的21倍。首先，我们可以将伴星绕天狼星公转的周期与天王星绕太阳公转的周期进行比较。以地球到太阳的距离为1为单位的话，天王星轨道的半径约为19，且它完成一次公转需要84年。在太阳系中并没有距离为21倍的行星；但根据开普勒第三定律，如果存在这样的行星，其公转周期应为99年左右。现在我们有了比较天狼星质量与太阳质量所需的必要数据：一个在某一距离上绕天狼星运转的天体，完成一次公转需要52年；而在相同距离上绕太阳运转的天体，则需要99年才能完成一次公转。天体运动得越快，离心力就越大，而中心天体的引力也就必须越强。根据动力学原理，引力与公转周期的平方成反比。因此，引力……

天狼星的引力与太阳的引力之比，应当等于99的平方与52的平方之比。由于两者的距离被假设为相等，因此引力与质量成正比。由此我们可以得出结论：天狼星及其伴星的总质量与太阳及其行星的总质量之比为3.5比1。我们之前已经知道天狼星比太阳亮得多；现在又得知它的质量也远大于太阳。

在结束对天狼星的讨论之前，还有另一个非常值得注意的问题需要探讨。天狼星与其伴星之间的亮度差异极为显著——天狼星是一颗远远超过其他一等星的恒星，而它的伴星则极其暗淡。即便将这颗伴星从天狼星附近移开，它也只会是一颗八等或九等的微弱恒星，远远低于肉眼可见的范围。用数字来表示的话，天狼星的亮度是它伴星的5000倍，但质量却只有后者的两倍左右！这种差异实在惊人；如果我们再将天狼星的伴星与我们的太阳作比较，这一差异就会更加明显。天狼星的伴星质量略高于太阳，但由于其体积稍小，太阳作为光源的能力要强得多——100颗天狼星的伴星加起来也无法产生与太阳相当的光亮！这一结果具有非常重要的意义。它告诉我们，除了那些因亮度而引人注目的巨大天体之外，还存在一些质量巨大但却几乎不发光的天体——其中有些甚至完全不发光。这让我们对宇宙的宏大规模有了更深刻的认识。同时，这也让我们相信：我们所看到的宇宙只是整体中极小的一部分，还有更大范围的区域隐藏在夜色的黑暗之中。在广阔的宇宙空间中，只有少数恒星或气体团因为温度足够高而能够发光，从而被我们看到。

地球；不过，通过对这些发光点的观测，我们几乎无法了解宇宙中其余的内容。

在所有变星中，最著名的当属阿尔戈尔星，它在英仙座中的位置如图83所示。这颗星的位置非常适合观测——在我们所处的纬度上，每晚都能看到它，而且无需借助望远镜就能观察到它那些有趣的光度变化。任何想要了解天文学重要规律的人，都应该能够认出这颗星，并且还应该观察过它光度变化的阶段。阿尔戈尔星通常属于二等星；但在两到三天之间，或者更准确地说，在2天20小时48分钟55秒的时间里，它的亮度会经历一次极为显著的变化周期。这一周期始于星体亮度的逐渐下降，四个半小时后，其亮度会从二等星降至四等星。在亮度最低的阶段，阿尔戈尔星会保持这种状态约20分钟，之后又开始亮度上升，三个半小时后便恢复到二等星的亮度，然后又会持续约2天12小时，之后这个周期又会重新开始。看来，阿尔戈尔星完成一次完整光度变化所需的时间本身也在发生缓慢但确定的变动。在接下来的章节中，我们将了解到：究竟是如何证明阿尔戈尔星的光度变化是由于有一颗暗伴星偶尔遮住了部分光线所导致的。这样一来，所有的现象都可以得到解释，甚至还能确定阿尔戈尔星及其暗伴星的质量和大小。

不过，还有其他类型的变星，它们的光度波动很难用暗体偶尔遮掩来解释。尤其是那些通常比较暗淡，但偶尔会短暂地亮度升高，之后又再次回到原来状态的变星。这类变星的光度变化周期通常在6个月到2年之间。这类变星中最著名的例子是在三百多年前被发现的，它位于赤道稍南方的鲸鱼座中。

鲸鱼座中的这颗变星，是已知最早的变星案例——当然，那些所谓的“临时星”除外，我们稍后会谈到它们。这颗变星被命名为“米拉”，意为“奇妙之星”。米拉的亮度变化周期约为11个月，在此期间的大部分时间里，它的亮度为9等，因此肉眼无法看到。当到了特定的时刻，它的亮度会突然上升，很快便成为2等或3等的明亮天体。这种状态会持续8到10天，之后其亮度则以较慢的速度下降，直到再次恢复到最初的微弱状态，这一过程大约需要300天。

对于普通观测者来说，比普通变星更令人惊叹的，是那些偶尔会突然出现在天空中的“临时星”。最著名的这类天体，就是1572年11月初出现的那一颗——它刚出现时的亮度与金星最亮时的亮度相当，视力敏锐的人甚至在白天也能看到它。据历史记载，从未有过其他临时星的亮度能与之相比。这颗星与第谷·布拉赫的名字紧密相连，因为尽管他并非这颗星的发现者，但他对它进行了最精确的观测，并证明它的距离与普通恒星相当。第谷详细记录了这颗“奇妙之星”逐渐变暗的过程，直到1574年3月底它从视野中消失；当时还没有望远镜，否则本可以继续观测它。在亮度下降的过程中，这颗星的颜色也在不断变化：起初是白色，逐渐变成黄色，到了1573年春天则变成了类似毕宿五的红色。1573年5月左右，有记载称它“变得像铅一样，或者有点像土星”，并且在可见期间一直保持这种状态。如果在现代有这样一颗壮观的恒星出现，我们的现代光谱仪和其他仪器将会为我们提供多少宝贵的信息啊！

不过，在我们这个时代，却再也没有人能够看到像第谷·布拉赫所看到的那样壮观的临时星了。

在当代，我们有幸目睹了数次此类短暂的恒星爆发现象。如果当时能更仔细地观测这些天体，那么我们或许能够拥有更多关于古代这类临时恒星的记录。至少，从那些现代的同类恒星几乎被我们遗漏的事实来看，确实如此——尽管如今每个晴朗的夜晚都有大量望远镜对准天空进行观测。

1866年，一颗二等亮的恒星突然出现在北冕座中。它最早是在5月12日被发现的，几天后便开始逐渐变暗。几年前，阿格伦德已经发布了北天区的星图，当人们准确测出这颗新恒星的位置后，发现它其实与星图上标示的一颗9.5等、看起来并不显眼的恒星是同一颗。至今，这颗恒星仍位于原来的位置，其亮度也和1866年那次短暂爆发之前相同。这是第一颗经过光谱分析的新恒星，我们将在第二十三章中简要介绍其光谱的特征。

下一颗这样的临时亮星是天鹅座新星，它是由尤利乌斯·施密特于1876年11月24日在雅典首次发现的，当时它的亮度在3等到4等之间。他声称，在四天前他观测同一星座时，这颗恒星还不可能如此显眼。由于某种疏忽，这一发现的消息没有得到及时传播，因此其他地方在大约十天内都没有人观测到它，而那时它的亮度已经大大降低。它的亮度下降得非常缓慢；到了1877年10月，它的亮度仅为10等，之后继续变暗，最终达到了15等——也就是说，它变成了一颗极其微弱的望远镜可见恒星，至今仍位于原来的位置。由于这颗恒星的亮度从未达到1等或2等，如果不是因为施密特在那个晚上恰好观测了天鹅座，它很可能就完全不会被人们注意到。

自从天文学家开始使用照相机进行观测之后，我们就不太可能错过新恒星的出现了。这一事实在1892年得到了印证，当时在御夫座中出现了一颗极为显眼的临时恒星。1月24日，爱丁堡的天文学家安德森博士在御夫座中发现了一颗5等亮的黄色恒星；一周后，当他将星图与实际天体进行比对，确认那确实是一颗新恒星后，便公开了这一发现。对于这颗恒星而言，我们能够相当精确地确定它首次出现的时刻。在哈佛大学天文台（位于马萨诸塞州剑桥市）定期进行的天空摄影观测中，1891年10月21日至12月1日期间，以及1892年12月10日至1月20日期间，共有13个夜晚对该新恒星出现的天区进行了拍摄。在第一批照片中并未发现这颗新恒星的踪迹，而在第二批照片中的第一张照片上，它已经作为一颗5等恒星被记录下来。幸运的是，海德堡的著名天体摄影师马克斯·沃尔夫教授在12月8日也拍摄了同一天区，而他的照片上并没有出现这颗恒星，这说明在那天晚上它的亮度还不至于达到9等。因此，御夫座新星必定是在12月8日至10日之间突然出现的。根据哈佛大学的照片，这颗恒星的亮度在12月20日左右达到最高值，当时其亮度为4.5等。此后，它的亮度下降得非常不规律；从2月初开始，它的亮度在4等和6等之间波动，但到了1892年3月初之后，亮度迅速下降，到4月底时，用大型利克折射望远镜观测，它已变得极其微弱，亮度仅为16等。次年8月，当这台强大的望远镜再次对准这颗新星时，它的亮度已经上升到了接近10等，之后又逐渐变得极为微弱，至今依然如此。

在遍布天穹的无数恒星中，临时恒星和变星仅占其中极小的一部分。

太阳不过是恒星之一，而恒星亦不逊于太阳——这是天文学的基本原理。唯有当我们试图估算那无数繁多的恒星时，才能真正体会到这一真理的宏伟与壮丽。然而，对此类问题的计算注定是徒劳的。因此，让我们借助诗人的力量来描绘这些数不胜数的存在，以阿林厄姆先生的诗句作为本章的结尾：

“试将每一粒沙子都数一数，无论海浪何时触及陆地；将大海中的每一滴水都数一数；将每棵树上的叶子都数一数；再将地球上所有的生物都数一数——那些会奔跑、飞翔、游泳或爬行的生物。沙子、水滴、树叶以及生物的数量加起来，构成了一个庞大的数字。而对于其中的每一个个体，就让它成为一颗燃烧着的太阳，在无边无际的天空中共旋转，带着它那众多的行星，超越一切视觉与思维的极限。因为我们所看到的一切，都被无限所环绕，其实不过是一座孤岛罢了。”

第二十章 双星
有趣的恒星天体——光学上的双星——赫歇尔对双星的伟大发现——双星沿椭圆轨道运动——为何这一点如此重要？——万有引力定律——特殊类型的双星——卡斯托尔与米扎尔——彩色双星——天鹅座β星。

在望远镜可观测的恒星天体中，最有趣的当属各类双星了。这类天体的数量高达数千颗；实际上，在专门研究这一领域的天文学目录中，记载的双星数量更是数以千计。当然，其中许多双星体积较小，不太引人注目，但也有一些是天空中极为显眼的恒星，比如我们已经描述过的天狼星。在这段简短的介绍中，我们将挑选几颗较为特别的双星进行详细讨论和说明。我们会重点介绍那些用小型望远镜就能轻易观测到的双星，并且在上一章的星座图上已经标出了如何确定这些天体在天空中的位置。

1678年，卡西尼证明：那些用肉眼看上去只是单个光点的恒星，实际上是由两颗或更多恒星组成的，它们彼此距离非常近，必须借助望远镜才能将它们分开。[36]随着新的发现不断出现，这类天体的数量逐渐增加。直到1781年（也就是赫歇尔发现天王星的同一年），天文学家博德公布了一份包含80颗双星的清单。在这些有趣的天体吸引着赫歇尔的注意，他在自己的研究中对这些双星进行了深入研究。已知双星的数量迅速增加，赫歇尔的发现数量更是高达数百颗，同时他还开始系统地测量这些双星的距离。

那些恒星之间的距离，以及连接它们两点的直线的方向。正是这些测量结果，最终促成了赫歇尔所有发现中最重要、最具启发性的一项成果。随着时间的推移，赫歇尔再次进行观测后发现，在某些情况下，这些恒星的相对位置发生了变化。由此他意识到：在许多双星系统中，这两颗恒星彼此之间存在特定的关系，它们会围绕共同的质心旋转。这一发现的重要性不言而喻。我们必须记住，恒星其实也是恒星，其亮度或许与我们太阳相当；因此这里便出现了令人惊叹的景象——成对存在的恒星正在相互绕转。能够观察到这种运动其实并不奇怪，因为宇宙中的几乎所有天体都在运动之中。真正有趣且具有启发意义的是这种运动的特殊性质。

人们原本以为，构成双星的两颗恒星如此接近只是偶然现象。人们认为，在浩瀚的星空之中，常常会有这样一种情况：从地球上看，有一颗恒星紧挨着另一颗恒星，以至于用望远镜观察时，它们就呈现出双星的样子。毫无疑问，许多所谓的双星都是以这种方式形成的。但赫歇尔的发现表明，这种解释并不总是适用；在很多情况下，这两颗恒星确实彼此靠近，并且围绕它们的共同质心旋转。

经过多年对双星距离和位置的测量之后，数学家们开始用他们的方法来处理这些数据。不过，双星观测有一个特点：它们无法达到确定轨道所需的精度。如果构成双星系统的两颗恒星之间的距离为4秒角，那么我们需要研究的轨道范围，就相当于在1英里外看一枚硬币的表观大小。即便使用性能良好的望远镜，要在1英里的距离上分辨出硬币的形状也极为困难。如果硬币稍有倾斜，它看起来就不会是圆形，而是椭圆形了。

通过测量这个椭圆，就可以确定硬币的倾斜程度。不过这需要高超的技巧：从绝对数值来看，误差可能并不大，但相对于所研究对象的总体尺寸而言，这些误差其实相当显著。因此，在这类观测中，观测误差要比数学家在分析观测者工作成果时通常遇到的误差更为突出。

赫歇尔的发现并非由他本人加以解释；萨瓦里以及其他数学家运用数学方法对其对双星系统的观测结果进行了分析。通过他们的深入研究，测量误差被揭示出来，观测数据中的较大误差也被消除。这样，数学家们就可以运用他们熟悉的分析方法来处理经过修正后的数据，从而较为精确地推断出双星轨道的实际形状以及该轨道所在平面的位置。这一成果相当了不起——已经证明，每颗恒星的运行轨迹都是椭圆，而这两颗恒星的质心恰好位于该椭圆的焦点上。这一结论在许多双星系统中都得到了验证，人们认为所有双星系统都是如此。但为何这一点如此重要呢？椭圆运动不是非常常见吗？地球不也是围绕太阳做椭圆运动吗？行星们不也是沿椭圆轨道运行的吗？

正因椭圆运动在太阳系行星中极为普遍，它在双星系统中的发现才显得如此重要。那么，太阳系中的椭圆运动究竟是由什么产生的呢？难道不是因为牛顿发现的万有引力定律吗？该定律指出，任何质量都会以与距离的平方成反比的力吸引其他质量。事实证明，这种万有引力存在于整个太阳系中，它能够极其精确地解释太阳系内各天体的运动规律。不过，由太阳、行星及其卫星、彗星以及众多较小天体构成的太阳系，只不过是宇宙中的一小片“岛屿”罢了。

那是一颗极其微小的宇宙“岛屿”，在上面，万有引力定律发挥着至高无上的作用。在赫歇尔做出这一发现之前，我们根本无法确定这一定律是否只是为我们的太阳系而特设的局部规律而已。这一发现为我们提供了其他任何途径都无法获得的知识。来自双星系统的信号穿越了浩瀚的太空，告诉我们万有引力定律并非仅存在于太阳系内，它同样适用于我们所在这个“岛屿”所处的遥远宇宙空间。这让我们有理由相信，整个可见宇宙的各个方向都遵循着万有引力定律。

最著名的双星系统之一就是双子座中的北河二——它是双子座中两颗主星中较亮的那颗。北河二在天空中的位置见第418页的图86。用肉眼观察时，北河二看起来像是一颗单独的恒星；但通过性能较好的望远镜就能发现，它实际上是由两颗独立的恒星构成的，其中一颗的亮度为3等，另一颗则稍暗一些。这两颗恒星在天空中的角距离，甚至小于在半英里外观察一根1英寸长的线段所对应的角度。北河二属于那些被观测到其组成部分存在公转运动的双星系统之一，不过这种运动极为缓慢，需要数个世纪的时间才能完成一次完整的公转周期。

在北斗七星中也可以很容易地找到一颗美丽的双星（见第410页的图80）。它被称为北河三，是构成北斗七星尾巴的三颗星中的中间那颗。在北河三附近还有一颗较小的恒星，名为辅星，用肉眼就能轻易看到。不过，当我们把北河三视为双星时，并不意味着辅星就是它的组成部分之一。通过望远镜的放大功能，可以看到辅星实际上位于离北河三相当远的地方，而北河三本身则分裂成了两颗彼此靠近的恒星。这两颗恒星的亮度分别为2等和4等，由于它们之间的视距几乎是北河二的三倍，因此……

即便使用小型望远镜也能轻松观测到它。对于初学者而言，这确实是天空中最适合作为观测对象的双星。不过，我们无法断言米扎尔确实是一对双星，因为目前还没有观测到任何表明其存在自转运动的证据。同样，我们也无法确定阿尔科尔是否也属于同一组双星，还是仅仅是一颗恰好位于视线方向上的恒星而已。最近的光谱观测显示，米扎尔中较大的那颗恒星本身也是双星，由一对距离极近的恒星组成，以至于即便是最强大的望远镜也无法将它们分开观测。

另一类令人惊叹的双星则是那些颜色与普通恒星有显著差异的双星。在普通恒星中，绝大多数都没有非常独特的颜色；不过有些恒星会带有不同程度的红色色调，有些则呈现明显的红色，还有些则是深红色。呈蓝色或绿色调的恒星则极为罕见，而当出现这类恒星时，它几乎总是作为双星系统中的一员存在。双星系统中的另一颗恒星有时也会具有相同的颜色，但更多情况下则是黄色或红色。

在这些美丽的双星中，有一颗位于天鹅座内，被称为β天鹅座（见图91），它非常适合用性能一般的望远镜进行观测。这颗美丽的双星由两颗恒星组成：较大的一颗亮度约为3等，呈金黄色或黄玉色；较小的一颗亮度为6等，呈浅蓝色。这两种颜色几乎是互补色，但显然这种色彩效果并非单纯的对比作用所致。通过依次将这两颗恒星遮挡在视野中的遮光板后面，就可以证明它们确实都带有我们所描述的那种色调。光谱观测也以非常明确的方式证实了这一点——蓝色恒星的红光被特殊吸收了，而另一颗恒星发出的红光则是由于其他原因产生的。

那些蓝色光束。通过将目镜调至模糊状态，往往可以更清晰地看到这类天体中的色彩对比。这样产生的圆盘图像比仅显示两个恒星点的望远镜图像更能展现色彩对比度。

这些就是一些双星和多星天体的例子。它们的数量正在逐年增加；事实上，有一位观测者——曾是利克天文台工作人员、现为耶基斯天文台观测员的伯纳姆先生——通过自己的研究，在已知的此类天体列表中又新增了1,000多对双星。

当我们想到：尽管这些恒星在望远镜中看起来很小，但实际上它们却是体积巨大、光芒绚丽的恒星，很多情况下其亮度甚至可与我们的太阳相媲美，甚至更胜一筹。至于这些恒星周围是否有行星存在，我们无从知晓；因为从行星反射过来的光远远不足以穿透将我们与这些恒星分隔开来的浩瀚空间。如果这些天体周围真有行星，那么这些行星将不是只被一颗恒星照亮，而是可能被两颗甚至更多恒星照亮。那将会产生多么奇妙的光影效果啊！有时两颗恒星会同时出现在地平线上，有时只有一颗，而有时则两颗都不见。尤其是当这些恒星本身具有彩色时，情况会更加奇特。今天可能是红色恒星照亮天空，明天则是蓝色恒星，或许过两天红色恒星和蓝色恒星会同时出现在天空中。这样的设想带来了多么无穷多样的景象啊！不过，从动力学角度来看，存在着严重的疑问：这样的行星所处环境是否有可能孕育出与我们所熟悉的生命形式相似的生命？在两颗恒星的共同作用下，行星如何运动，这是数学学家们面临的最棘手的难题之一，以目前的分析水平，确实无法准确解决其中的所有问题。看来，行星轨道会受到干扰的可能性并非毫无根据。

那该多好啊——它将经历远远超过像地球这样在单一太阳的支配下运行的行星所经历的光照与温度变化。

第二十一章　恒星的距离
测量宇宙距离的方法——贝塞尔的探索——年视差的意义——视差椭圆的细微特征——天鹅座61号恒星的案例——所使用的不同比较恒星——恒星的自行——斯特鲁维的研究——这些结果能否相互调和？——邓辛克天文台的观测——得出的结论——此类观测的精确度分析——天鹅座61号恒星的自行——恒星天空的永恒性——天鹅座中的新星及其历史——没有可观测的视差——强烈的光爆发——太阳系在宇宙中的运动——赫歇尔的发现——朝向天琴座的探索——各种可能性。

我们早已大致掌握了太阳系的尺寸。我们所知道的包括行星和彗星与太阳之间的距离以及它们的运动规律。对于太阳系中众多天体的直径和质量，我们也有了相当多的了解。事实上，关于那些在太阳保护下聚集在一起的天体，我们已经知晓许多细节。本章要探讨的问题则涉及比测量太阳系更为宏大的范围。我们试图将测量线延伸到那个将围绕太阳运行的天体群与散布在宇宙各处的其他恒星分隔开来的巨大空间之中。几个世纪以来，恒星距离这一重大问题一直吸引着那些研究天体的人们的注意。在此甚至无法概述所有针对这一主题所进行的各种研究。在有限的讨论范围内，我们首先需要了解为解决这一问题而做出的种种尝试，然后再探讨那些将这一问题引入精确天文学领域的努力。

在赫歇尔的科研工作结束后的许多年里，仍然没有人能够成功解决恒星绝对距离的问题。新一代的天文学家们借助先进的仪器，持续不懈地研究这一课题，但很长一段时间里看来都毫无希望。恒星的距离实在太过遥远，直到机械技术的极大进步以及极为复杂的数学计算方法被运用起来，才终于能够攻克这一难题。最终，这个问题开始出现转机——有一些恒星露出了它们距离的秘密。我们终于能够对“恒星到底有多远？”这个问题给出一些答案了，不过必须承认，目前的答案仍不够准确且存在不确定性。即便如此，这些已获得的少量知识也极具价值与意义。与此类情况通常发生的那样，大约在同一时间，有两位或三位天文学家独立地发现了某些恒星的距离。在这一值得纪念的天文学篇章中，贝塞尔的名字尤为突出。1840年，贝塞尔证明了名为天鹅座61号的恒星的距离是一个可以测量的数值。他的论证逻辑严密得无可辩驳，因此所有人都不得不认同他的观点。几乎与贝塞尔的成果同时，斯特鲁夫也测出了织女星的距离，亨德森则确定了半人马座α星的距离。这些发现引发了天文学界的极大兴趣，英国皇家天文学会还授予贝塞尔金奖。在颁奖仪式上，约翰·赫歇尔爵士负责致祝词，那篇祝词是对这三位天文学家辛勤工作的最有力颂扬。我们忍不住要引用约翰爵士在祝词中的几句话：“英国皇家天文学会的各位先生们，我为自己以及大家能够亲眼见证那道长久以来阻碍我们探索宇宙的巨大障碍被克服而感到高兴——那道让我们苦苦挣扎却始终无法逾越的障碍，几乎是在同一时间，在三个不同的地方被跨越了。这是实用天文学史上最伟大、最辉煌的胜利。也许我不该说得如此激动；或许我应该对这种可能性保持些许保留态度……”

这不过是一种错觉罢了，未来的研究很可能会像以往多次那样，无法证实这一令人振奋的成果。但我承认，在如此激动人心的时刻，自己实在无法保持这种谨慎的态度。我们还是接受当下这些积极的迹象吧，相信随着障碍开始被打破，它很快就会被彻底消除。

在继续之前，有必要简要说明一下如何测量恒星的距离。这个问题与我们已经在前面讨论过的太阳距离问题有着本质上的不同。确定恒星视差所需的观测数据，是基于地球绕太阳旋转这一众所周知的事实。为了简化问题，我们可以假设地球沿着一条圆形轨道运行，该轨道的中心位于太阳中心，轨道半径为92,900,000英里。由于身处地球之上，我们从不断变化的视角来观测恒星。夏季时，地球与冬季时的位置相比相距185,800,000英里，因此，恒星在天空背景上的视位置也会随之发生变化。我们并不是说恒星的实际位置真的发生了位移，这些变化只是表面上的现象；由于没有意识到正是地球自身的运动导致了这些位移，所以我们便将这些变化归因于恒星本身。

图93中的椭圆上标出了某些月份——即1月、4月、7月和10月。这个椭圆可以被视为地球绕太阳运行的缩略图。1月时，地球位于椭圆上标记的点处；4月时，它已经走了整个行程的四分之一；如此循环往复，一年后便会回到原来的位置。从1月时地球所在的位置望去，我们会看到恒星A出现在标记为1的天空点上。三个月后，观测者通过望远镜看到的是恒星出现在标记为2的位置上。因此，随着地球在一年内的公转，观测者也在不断移动，而恒星则似乎在天空背景上沿着椭圆轨迹移动。用天文学家的专业术语来说，这就是所谓的“视差椭圆”，而测量这个椭圆的长轴……

我们通过椭圆来测定恒星与太阳之间的距离。该椭圆的长轴的一半，或者换句话说，从恒星处看地球轨道半径所张的角，被称为恒星的“年视差”。

图中还有一颗恒星b，它距离地球以及整个太阳系都比之前讨论的那颗恒星更远。这颗恒星同样沿着椭圆轨迹运动。不过我们可以明显看出，恒星b对应的视差椭圆要比恒星a的椭圆小得多。椭圆大小的不同源于恒星与地球之间的距离差异——恒星越靠近地球，其对应的椭圆就越大；因此天空中距离我们最近的恒星会形成最大的椭圆，而距离最远的恒星则形成最小的椭圆。由此可见，恒星的距离与椭圆的大小成反比。如果我们测量出椭圆长轴的角值，再通过简单的数学运算，就可以将恒星的距离表示为地球轨道半径的若干倍。假设地球轨道半径为92,900,000英里，那么就可以通过简单计算得出该恒星的距离。这一过程的难点在于这些椭圆实在太小，以至于我们的微米级测量仪器往往无法检测到它们。

我们该如何恰当地描述即便是最邻近的恒星，其视差椭圆也极其微小的特点呢？用天文学家的专业术语来说，这种椭圆的最长直径所对应的角度永远不会超过1.5秒角。用更通俗的说法，即便将最大的视差椭圆的长轴长度放大一千倍，其数值仍不及满月直径。为了更直观地说明这一点，我们可以想象把一枚硬币放在两英里外——如果从边缘看，它呈现为直线形；稍加倾斜则变为椭圆形；但即便在那样远的距离下，它的大小依然会超过天空中任何恒星的视差椭圆的最大尺寸。再设想以观察者为球心、半径为两英里的球体，如果在这颗球体上、每颗恒星前方都放置一枚硬币，那么所有的视差椭圆都会被完全遮住。

天鹅座中的61天鹅座恒星，无论在大小还是亮度方面都并不出众。它几乎需要借助望远镜才能被看到，而且还有数千颗恒星看起来比它更大、更亮。不过，它却是双星这一特殊星体类别中非常有趣的例子。双星由两颗大小相近且彼此靠近的恒星组成，显然它们是通过相互引力而结合在一起的。由于这颗恒星具有较大的自行速度，天文学家们也特别关注它——由于这种自行作用，这两颗恒星每年会一起在天空中移动5秒角。如此大的自行速度极为罕见，但我们并不认为它是独一无二的，因为确实存在一些自行速度更快的恒星；不过，61天鹅座独特的双星结构再加上其较大的自行速度，使得它无论如何都是北半球中极为特殊的恒星。

当贝塞尔决定开展那项将使他名垂千古的重大研究时，他打算花费一两年甚至三年的时间，持续观测同一颗恒星，以便精确测量其视差椭圆。那他该如何选择观测对象呢？

究竟需要投入多少精力呢？选择一颗距离足够近的恒星至关重要，这样才能通过测量其视差来回报他的努力。然而，他只能依靠推测与类比作为指导。他想到，天鹅座61号恒星的独特特征可以为他提供必要的依据，于是决定对这颗恒星进行观测。他花了三年多的时间从事这项工作，最终成功测出了它与地球之间的距离。

自约翰·赫歇尔爵士发表那篇论文以来，天文学家们一直持续不断地关注着天鹅座61号恒星。事实上，可以说每一代天文学家都会重新研究这颗恒星的距离，以此来验证或质疑贝塞尔最初的发现。此处所示的图表（图94）旨在展示天鹅座61号恒星的近期历史。

当贝塞尔开始进行观测时，构成这对双星的两颗恒星位于图表上1838年所标记的位置。15年后，奥托·斯特鲁维开始进行研究时，这两颗恒星已经移动到了1853年所标记的位置。最近，在邓辛克天文台对同一天体进行观测时，这两颗恒星又进一步移动到了1878年所标记的位置。如此看来，40年间，这对双星在天空中的移动弧度超过了3分钟。实际上，它们的运动轨迹并非简单的直线运动——由于相互间的引力作用，这两颗恒星之间存在一定的相对速度。不过，无需考虑这一因素，因为一年时间内由此产生的位移实在微小，不会对视差椭圆的产生造成任何影响。

不过，天鹅座61号恒星的情况属于特例。它是我们天空中距离最近的恒星之一。虽然我们无法精确地确定它的距离，误差可能在数十亿英里左右，但我们仍然能够意识到它确实存在。

200亿这一数值占整体比例实在过大。我们即将证明斯特鲁夫的观点是正确的，但这并不一定意味着贝塞尔是错的。图94——天鹅座61星及其比较星。这种表面上的矛盾其实很容易解释。如果斯特鲁夫使用与贝塞尔相同的比较星，那么这种矛盾就很难解释了；但斯特鲁夫所使用的比较星与贝塞尔的那些不同，这很可能是造成差异的原因。需要记住的是，这一方法的本质在于将遥远恒星形成的较小椭圆与较近恒星形成的较大椭圆进行比较。如果两颗恒星的距离相同，那么这种方法就完全无法应用了——在这种情况下，无论这两颗恒星距离地球多近，都无法检测到视差。为了使该方法能够完全奏效，比较星的距离至少应为主恒星的八倍。考虑到这一点，就完全有可能让贝塞尔的测量结果与斯特鲁夫的测量结果相吻合。我们只需假设贝塞尔所使用的比较星距离天鹅座61星大约三倍，而斯特鲁夫所使用的比较星则至少是其八倍或十倍远。此外，由于贝塞尔所使用的比较星比斯特鲁夫的更亮，因此可以推测后者才是这三颗恒星中距离最远的那一颗。

这里体现了这种视差测定方法的一个特点：即便所有观测数据及视差计算在数学上都是正确的，我们仍无法严格地将最终结果视为某颗恒星的视差值，而只能将其视为该恒星的视差与参照恒星视差之间的差值。因此，我们只能断言，所求得的视差值不会小于已确定的数值。从这个角度来看，斯特鲁夫与贝塞尔之间的分歧就消失了。贝塞尔认为天鹅座61号的距离不可能超过600亿英里；斯特鲁夫并未反对这一观点——事实上他还予以了肯定，因为他指出该恒星的距离不可能超过400亿英里。

自斯特鲁夫进行那些观测以来，已经过去了近半个世纪。这些观测结果确实遭到了质疑，但总体而言还是得到了其他研究的证实。在对该主题进行的深入分析中，奥威尔斯指出斯特鲁夫的测定结果具有很高的可信度。然而，尽管有这样的权威结论，人们对天鹅座61号的研究仍不断重复进行。当布伦诺夫担任爱尔兰皇家天文学家时，他开始对天鹅座61号的视差进行一系列观测，而这些工作后来由他的继任者我继续并完成。布伦诺夫选择了一颗与先前观测者所使用的恒星都不同的第四颗参照恒星（如图所示）。他所采用的观测方法与斯特鲁夫的方法有很大不同，尽管两者都使用了丝杠微米计。布伦诺夫试图通过测量天鹅座61号与参照恒星之间的赤纬差异来确定视差椭圆。经过一年的观测，可以发现赤纬差异会周期性变化，而通过这些变化就可以计算出视差椭圆。在第一批观测中，我测量的是天鹅座61号中那颗恒星与参照恒星之间的赤纬差异；在第二批观测中，则测量了天鹅座61号的另一颗恒星与同一参照恒星之间的赤纬差异。这样，通过两年的观测，我们就得到了两种完全独立的视差测定结果。其中第一种结果……

距离为400亿英里，而第二种计算结果则几乎与之相同。毫无疑问，这些研究结果支持了斯特鲁夫对贝塞尔结果的修正，因此我们可以这样总结目前我们对这一问题的了解：天鹅座61星的距离更接近斯特鲁夫所测得的400亿英里，而非贝塞尔所测得的600亿英里。[39]

为了让读者能够自行判断这类研究中现有证据的质量，此处展示了图95。该图正是出于这一目的而制作的，旨在展示我在邓辛克进行的第二组赤纬差观测数据。每个点代表一晚的观测结果，点的大小表示天鹅座61星与参照星之间的实际赤纬差，而水平线上的距离——用数学术语来说即横坐标——则表示观测日期。这些观测数据大致呈规律性地分布在某条曲线附近，这条曲线代表了如果观测完全完美的话，数据应该所处的位置。点与曲线之间的距离可视为观测过程中产生的误差。

或许有人会认为，在许多情况下这些误差已经大到令人无法接受的程度。但我们需要明确指出，展示这张图表的目的恰恰就是为了呈现这些误差；我们必须同时展现研究的不足之处以及其优势。不过，这些观测误差实际上并没有一开始看上去那么严重。要理解这一点，只需将图表上的刻度与常见的标准进行比较即可。从曲线顶端到水平线的距离仅相当于0.4秒角，这大约相当于在10英里外看到的硬币的视直径！现在我们就可以准确评估这些误差的实际大小了。可以看出，没有任何一个点与曲线的距离超过曲线高度的一半，由此可见……

在整系列观测数据中，最大的误差仅为两到三十分之一秒。这相当于我们将望远镜对准了1便士硬币的上边缘，而非下边缘——距离约为15到20英里。图95：天鹅座61星的赤纬视差。这算不上什么严重的错误。即便一支步枪队的瞄准误差是一百倍于此，他们依然可以轻松赢得比斯利比赛中的所有奖项。

我们之所以详细介绍天鹅座61星的历史，是因为它是被研究得最为透彻的恒星。我们并不认为天鹅座61星是所有恒星中最靠近地球的；事实上，断言天空中数以百万计的恒星中有哪一颗是最靠近地球的，未免过于草率。我们确实知道有一颗恒星看起来比天鹅座61星更近，它位于南方的某个星座中，其名称为半人马座α星。在这方面的研究中，这颗恒星具有非常重要的意义。它的视差最初是由亨德森在好望角测定的；后续的研究也证实了他的观测结果，而吉尔博士的深入研究则表明，这颗恒星的视差约为四分之三秒，因此它与地球的距离仅为天鹅座61星的三分之二。

61天鹅座最初引起我们注意的原因是它具有每年5秒的巨大自行速度。我们还测得其年度视差约为0.5秒。将这两个数据结合起来，就能得出一个相当有趣的结果：61天鹅座每年必须行进的距离至少是地球轨道半径的10倍。换算成普通数值，这意味着这颗恒星每年要移动9.2亿英里，每天则要移动200万到300万英里——而要实现这样的速度，它必须保持每秒30英里的惊人速度。似乎没有别的解释了。我们所描述的这些事实已经得到了充分证实，它们与“61天鹅座的运行速度低于每秒30英里”这一假设相矛盾；它的速度或许可以更高，但不可能更低。

在过去的150年里，我们一直知道61天鹅座是以相同的方向和速度运动的。在望远镜出现之前，我们没有任何观测数据作为依据，因此无法完全确定这颗恒星更早时期的运动情况。不过，合理推测是，61天鹅座从远古时代起就以与现在相近的速度在运动。如果不存在任何干扰因素的话，那就无需对此产生疑问。但实际上必然存在某种干扰因素，问题只是这种干扰是否足以严重改变我们的假设。强大的干扰因素可能会大幅改变恒星的速度，使其偏离直线轨迹，甚至迫使它沿着封闭轨道运动。不过，我们认为没必要考虑如此大的干扰因素，而且毫无疑问，61天鹅座目前是以几乎笔直的路径、近乎恒定的速度运动的。

由于61天鹅座距离太阳有400亿英里，且其速度为每秒30英里，因此很容易计算出这颗恒星所需的时间。

要完成一次相当于其到太阳距离的旅程，所需时间约为40,000年。在过去的400,000年里，无论61 Cygni朝哪个方向移动，它所行进的距离都会是当前其与太阳距离的十倍。因此，400,000年前这颗恒星与地球的距离，必定是现在的十倍左右。尽管这一时期远远超出了任何历史记录所能涵盖的范围，但或许仍可与人类种族的存在时间相提并论；而与漫长的地质时间相比，这样的时间段则显得微不足道。地质学家早已不再认可仅数千年的时间尺度，他们现在认为地质现象的形成需要数百万甚至数千万年。如果地球确实如地质学家所声称的那样已经存在了数百万年，那么天文学家就有理由去推测在类似的时间跨度内天空中究竟发生了什么现象。借助我们对恒星距离的了解，再结合每秒30英里的假设速度，我们便可以尝试回望遥远的过去，从而了解我们的宇宙究竟经历了多大的变化。

一百万年后，61 Cygni所行进的距离将会是当前其与太阳距离的25倍。无论它朝哪个方向移动——无论是朝向地球还是远离地球，向右还是向左——一百万年前它的距离必定是现在的25倍左右。即便处于目前的距离上，61 Cygni也只是一颗很小的恒星；如果它的距离是现在的十倍，也只能用高性能望远镜才能观测到；而如果距离达到25倍，那么即便使用最强大的望远镜，也几乎只能看到一个光点而已。

关于61 Cygni的这些结论，可以在不同程度上应用于其他恒星。由此我们可以推断，天空中众多的恒星似乎都在以缓慢的速度移动。不过，这种看似缓慢的运动实际上可能非常快。当我们站在海边，注视着远处地平线上的轮船时，几乎察觉不到它在移动。当然，如果过几分钟再观察，就能发现它的移动了。

它的位置似乎在变化，但蒸汽船的移动速度却很慢。然而，如果我们靠近那艘蒸汽船，就会发现它其实正以每小时数英里的速度前进。正是距离造成了这种错觉。恒星也是如此：因为它们距离我们极为遥远，所以看起来移动得很慢，但如果我们靠近它们，就会发现在大多数情况下，它们的移动速度比任何一艘在海洋上航行的蒸汽船都要快上千倍。

由此可见，恒星天体的永恒性以及星座相对位置的固定性其实只是暂时的现象而已。当我们考虑到地质学研究所揭示的那些漫长的时间跨度时，星座的“永恒性”便不复存在了！在那些漫长的岁月里，恒星和星座会逐渐从我们的视野中消失，取而代之的则是同样不会长久存在的其他恒星与星座。

很多时候，视差测量工作会以失败告终。所有的观测工作都已完成，数据也已被分析，但却无法得到任何有意义的视差数值。因为这些恒星的距离实在太过遥远，即便我们的基线长度接近两亿英里，也仍然远远不足以与恒星的实际距离形成可观的比值。不过，即便如此，我们仍常常能从这些失败中获取一些信息。

让我用自己在邓辛克站的经历来说明这一点。我们之前已经提到，1876年11月24日，一位著名的天文学家——来自雅典的施密特博士——在天鹅座中发现了一颗新的三等亮星。11月20日时，这颗新星还看不见。它究竟是在21日、22日还是23日开始发光的，没人能够确定；但在24日它被发现了。即便在那时，它的亮度似乎也在下降；因此可以推测，它在11月20日至24日之间的某个时刻达到了最亮状态。显然，它的爆发是相当突然的，而能解释这一现象的最简单原因，莫过于一次巨大的碰撞。它的亮度下降的速度远远慢于上升的速度，过了两个多星期后，这颗恒星才再次变得暗淡无光——而它从暗淡变为明亮则只用了两三天时间而已。

为迎接秋季的到来。然而，即便有两三周的时间，也远远不足以扑灭如此猛烈的火焰。对于这场灾难的突然爆发，给出解释相对容易；但要理解它为何能在几周内就被控制住，则并非那么简单。在我们的一家铸造厂里，让一块大型铁制品冷却下来所需的时间，几乎与让天鹅座新星中的巨大火焰熄灭所需的时间相当！

基于这一点，人们认为天鹅座新星或许并非真正的巨大火灾，这种推测似乎并非毫无道理。但如果是这样的话，那颗恒星必定距离地球相当近，因为它才会呈现出如此耀眼的景象并吸引如此多的关注。因此，它似乎是进行视差研究的合适对象；于是几年前人们在邓辛克天文台进行了系列观测。当时我正忙于其他工作，无暇过多投入这项最终可能证明只是虚幻现象的研究中。我只是进行了足够多的微米级测量，以判断是否存在较大的视差。正如前文所述，由于地球的年度运动，每颗恒星都会沿着一个微小的视差椭圆轨迹移动，通过测量这个椭圆，就可以确定该恒星的视差——进而确定其距离。在通常情况下，要研究一颗恒星的视差，就需要在至少一整年的时间里，多次测量它在椭圆上的位置。而我们采用的方法则要省力得多。虽然这种方法可能无法精确检测出微小的视差，但足以判断天鹅座新星是否具有较大的视差。在某个可以轻易计算出的日期，这颗恒星位于视差椭圆的一端，六个月后则位于另一端。通过选择一年中合适的时机进行观测，我们就能在恒星因视差而位置变化最大的时候测量它。我就是通过这类观测来试图探测天鹅座新星的视差的。如果存在视差的话，那么在这两个季节里，用微米计就能精确测量出它与邻近恒星之间的距离。

差异极大；但无法检测到这些距离之间存在确切的差别。因此，这些观测结果未能证明存在视差椭圆——换言之，天鹅座新星的距离实在太过遥远，以至于无法通过此类观测来测定。

可以肯定的是，如果天鹅座新星是距离我们最近的恒星之一，那么这些观测就不会以失败告终。所以我们有理由认为，天鹅座新星距离太阳系至少有20,000,000,000,000英里之远；而那种认为其亮度较低的推测显然也站不住脚。在亮度最高的时期，天鹅座新星的亮度即便有所下降，也不可能远远低于太阳本身的亮度。如果太阳被移到与天鹅座新星相同的距离上，它的亮度似乎也会降落到与那颗变星相当的水平。如此巨大的天体为何会如此迅速地失去亮度，这仍然是一个难以解释的谜团。我们不是说过，这颗恒星的亮度爆发发生在1876年11月20日至24日之间吗？更准确的说法应该是，关于这次爆发的消息是在那个时间传达到我们的太阳系的。而真正的爆发其实至少在三年前就已经发生了。事实上，当这颗恒星还在天文学界引起轩然大波时，它早已又恢复了微不足道的亮度。

关于本章的主题，我们还必须考虑威廉·赫歇尔爵士提出过的一个重大问题。他发现恒星具有自行运动的现象；同时他也知道太阳同样是一颗恒星，属于无数星辰中的一员。因此他提出了这样一个惊人的问题：太阳是否也像其他恒星一样处于运动状态？想想这个问题的复杂性吧。太阳周围有行星及其卫星、彗星以及众多较小的天体。问题在于，整个庞大的系统——包括太阳、行星以及所有这些天体——究竟是在围绕静止在中心的太阳旋转，还是整个系统都在宇宙空间中整体移动。

赫歇尔是第一个解决这一重大问题的人；他发现我们的太阳以及围绕它的众多天体都在宇宙中运动。他不仅发现了这一点，还确定了这个天体系统运动的方向以及其运动速度的大致数值。研究表明，太阳及其所在的星系目前正在朝着天琴座附近的某个点快速移动。其运动速度之快，甚至超过了有史以来发射过的最快速的子弹；太阳带着地球及其他所有行星一起向前飞驰。我们地球上的生物也在参与这种运动——每隔半小时，我们就会比在没有这种运动的情况下更接近天琴座约一万里英里。由于我们正以如此惊人的速度向天琴座前进，人们可能会认为我们很快就能到达那里；但实际上，那片区域内的恒星距离似乎与其他地方的恒星距离并无二致，因此可以肯定，太阳及其所在的星系必须以目前的速度持续行驶上百万年，才能跨越从当前位置到天琴座边缘的巨大距离。不过必须承认，我们对太阳系实际运动速度的估算存在极大的不确定性，但这丝毫不影响这样一个事实：我们确实正在朝着赫歇尔最初确定的那个方向前进（详见第XXIII章）。

接下来需要解释的是赫歇尔所采用的推理方法，正是通过这种方法他才得以做出这一伟大发现。听起来可能有些奇怪：人们并不是通过直接观察太阳来发现它的运动的；因为无论使用世界上什么样的望远镜来观测太阳本身，都无法察觉到它的运动，原因很简单——进行观测的地球本身也在运动之中。船舱里的乘客通常是通过海面的起伏来判断船只是否在移动的；但如果海面完全平静，尽管船舱里的桌椅也在以与船只相同的速度移动，我们却看不到它们的移动，因为我们也在随船一起移动。如果我们……

我们既无法离开船舱，也无法透过窗户向外看，因此根本无法知道船只是在移动还是静止；同样，我们也无从知晓船只的行进方向或移动速度。

太阳以及围绕它的行星和卫星，可以被视为那艘船。行星们围绕太阳旋转，就如同船上的乘客在船舱内活动一样。但正如乘客们通过观察船上的物体无法判断船只的行进方向一样，我们仅通过观察太阳或其他行星或太阳系中的天体，也无法判断整个太阳系是否在运动。

在完全平静的海面上实现匀速运动的条件，在我们所熟悉的海洋中并不常见，而太阳及其所在系统的运动则不会受到任何干扰，因此其运动始终保持着绝对的均匀性。我们感觉不到这种运动；而且由于所有行星都在与我们一同运动，我们也无法从它们那里获得关于整个系统共同运动状态的信息。

不过，当乘客们走到甲板上，俯瞰周围的海洋时，就能立刻察觉到船只的移动。假设他们的航行即将结束，远处的陆地已经出现在视野中，随着傍晚的临近，他们还能看到船只即将进入的港口。通常情况下，这样的港口入口很窄，两侧各有一座灯塔作为指引。当港口还在地平线远处时，这两盏灯看起来很近；而当夜幕降临、周围一片漆黑时，就只剩下这两盏灯还清晰可见。在船只距离目的地还有几英里时，这两盏灯看起来仍然很近，但随着距离的缩短，它们似乎逐渐分开；船只不断靠近，两盏灯的距离也越来越大，最终，当船只进入港口时，那两盏灯不再像一开始那样位于正前方，其中一盏灯会被船只从旁边经过。

右手边有这样一个现象，左手边也有类似的情况。因此，若要了解太阳系的运动状况，我们就必须像那位乘客一样，观察那些与我们的太阳系无关的天体，并通过它们的视运动来推断我们自身的运动情况。但是，天空中真的存在与我们的太阳系无关的天体吗？如果所有的恒星都像地球一样，仅仅是太阳的附属物，那么我们就永远无法判断自己是在静止还是处于运动状态：我们的太阳系可能处于完全静止的状态，也可能正以难以想象的速度前进，因为我们根本无法得到相反的证明。然而，恒星并不属于太阳系的范畴；它们本身就是恒星，不会像地球那样受太阳的支配。因此，恒星就可以作为外部参照物，帮助我们判断太阳系是否正在太空中移动。

以恒星为指引，如果我们的太阳系确实处于运动状态，那我们会看到什么现象呢？请记住，当船只靠近港口时，灯光会逐渐向左右两侧散开。天文学家也有类似的“灯光”可以用来观测这个巨大的“飞船”——即太阳系的运行轨迹，这些“灯光”就能指示出太阳系的行进方向。如果太阳系确实在运动，我们应该会发现恒星会逐渐从我们运动方向上的那个天点向外扩散。而这正是我们所观察到的现象：星座中的恒星正在逐渐远离天琴座附近的那个中心点，由此我们可以推断，太阳系的运动方向正是朝向天琴座的。

在探讨这个问题时，有一个很大的难题：我们不是已经观察到恒星本身也在运动吗？显然，包括太阳在内的每一颗恒星都有其自身的运动轨迹。我们所看到的恒星运动，有一部分是真实的，也有一部分是视觉上的错觉；其中一部分源于每颗恒星自身的实际运动，另一部分则源于我们同样参与的太阳运动，而这种运动会导致恒星出现视觉上的运动。那么，如何区分这两者呢？我们的望远镜和观测手段永远无法做到这一点。

赫歇尔为了完成这项分析，采用了某些几何方法。当时他手头的资料相当有限，但这些资料已足够他用，于是他便大胆地宣布了自己关于太阳系运动的发现。

如此惊人的声明自然需要经过最严谨的验证，而最精密的天文观测手段正是用于这种验证的。天文学家在试图理解自然现象时，会运用一种既强大又精妙的方法。巴特勒主教曾说过，概率是指导生活的准则。恒星的自行必须被分解为两部分：真实部分与视在部分。当研究多颗恒星时，我们可以设想出无数种将每颗恒星的运动进行此类分解的方式，而每种方式都存在一定的概率优势。数学家的任务就是确定这种概率的大小。因此，情况如下：在所有可能的解释中，必定有一种是正确的。我们虽无法确定哪一种才是正确的，但可以选择那些概率最高的解释，从而遵循巴特勒的准则。数学家会将这一方法称为“最小二乘法”。自一百年前赫歇尔做出这一发现以来，许多天文学家通过观测数百颗恒星来研究同一问题。数学家们已经运用了概率论中所有可能的精炼方法，但结果只是进一步证实了那个看似源自赫歇尔天才闪光的伟大理论的正确性。

第二十二章　星团与星云
有趣的恒星天体——星星并非均匀分布——星团——其种类——英仙座中的星团——武仙座中的球状星团——银河系——由无数微小恒星构成的星团——麦哲伦云——有别于普通云团的星云——已知星云的数量——猎户座——大星云的位置——猎户座θ星这一奇妙的恒星——罗斯勋爵用望远镜拍摄的大星云图像——关于这一奇妙天体的照片——仙女座中的大星云——天琴座中的环状星云——其与涡旋环的相似之处——行星状星云——几处值得注意的星云的图像——星云的本质——星云的光谱——它们的分布情况；银河系。

我们早已提到，土星是天空中最令人惊叹的望远镜观测对象之一。抛开太阳和月亮显而易见的魅力不谈，在这些纬度地区，或许还有另外两个天体在望远镜观测下的壮观程度与趣味性上可与土星相媲美。其中一个就是武仙座中的星团，另一个则是猎户座中的大星云。我们将这两个天体视为本章要讨论的两大类天体的典型代表，即星团与星云。

遍布天空的数以百万计的恒星并非均匀分布。有些区域相对空旷，而另一些区域则布满了大量恒星。有时我们会看到像昴宿星团这样的小星群，有时则会看到像银河系那样布满恒星的广阔区域。这类天体被称为星团。星团中存在着各种各样的形态：有时恒星因其亮度而引人注目，有时则因其数量庞大而令人惊叹，还有时则因其独特的排列方式而显得特别。有时，星团中会有一些色彩绚丽的恒星；有时，那些发光的恒星彼此距离如此之近，以至于它们的光线几乎无法区分开来。

它无法被分辨开来；有时候，那些恒星实在太过微小或距离太过遥远，以至于该星团几乎与星云难以区分。

在那些因恒星数量众多且亮度极高而格外引人注目的星团中，我们可以提到英仙座剑柄处的那个星团。该天体的位置标在415页的图83上。用肉眼观察时，只能看到一个模糊的点；而在望远镜中则可以看到由两个相距不远的星团构成的结构。每个星团中都有无数恒星，它们密密麻麻地聚集在一起，填满了望远镜的视野。如果我们考虑到这些恒星每一颗都堪称一颗明亮的太阳，其亮度或许甚至可与我们的太阳相媲美，就能体会到这个天体的辉煌之处了。当然，在南十字座附近的某些区域——北纬地区是无法观测到的——银河系的某些部分看起来比英仙座的那个星团还要壮观。

最引人注目的星团类型则出现在武仙座中。在那里，我们能看到一群看似呈球形分布的微小恒星。图96展示了罗塞勋爵使用大型望远镜所观测到的这一天体，图中可以看到三条辐射状的条纹，而这些条纹中的恒星数量似乎比其他地方要少。据估计，这个星团包含1,000到2,000颗恒星，所有恒星都集中在天空中极小的范围内。用小型望远镜观察时，这个天体看起来就像一颗星云。武仙座中该星团的位置已在之前的图表中标出（420页的图88）。我们之前已经将这个壮观的恒星群视为天空中最值得关注的三个天体之一。

D版图。
梅西耶II附近的银河系。
由E.E.巴纳德于1892年6月29日拍摄。

银河系形成了一条环状结构，这条环以或多或少的规则性环绕着整个天空；通过望远镜观察，可以看到它是由无数颗微小的恒星构成的。在某些地方，恒星的数量比其他地方多得多。所有这些恒星都远远位于太阳之外，因此显然，我们的太阳以及围绕它的整个行星系统实际上都处于银河系内部。继续深入思考这个话题似乎很有吸引力。

有观点认为，整个银河系或许仅仅是一个星团而已，其规模与我们所看到的其他一些星团相当。从宇宙中的遥远位置望去，银河系似乎也只是众多星团中的一个，而我们的太阳则只是其中无法区分的一个普通恒星罢了。

在南半球，有两个巨大的天体，用肉眼就能清晰地看到，它们看起来就像银河系的一部分。不过，我们这个纬度的观测者是无法看到它们的，它们被称为麦哲伦云，也就是那两片云状天体。通过强大的望远镜观察，可以发现它们的结构极为复杂。对这类奇特天体进行过专门研究的约翰·赫歇尔爵士这样描述它们：“这两个天体都由大量处于不同清晰度阶段的星云组成——从18英寸口径的反射望远镜无法分辨的模糊光点，到像银河系中的恒星那样完全分离的恒星。”

这些星团被充分隔离且高度凝聚，因而可被归类为不规则星团；在某些情况下，它们甚至相当密集。不过除此之外，还有大量的星云，以及处于各种凝聚状态的球状星团。毫无疑问，那些大致呈圆形或椭圆形的星云，并非是由大量性质各异的物体随机分布在同一条视线方向上而形成的，而是实际上代表了两种结构截然不同的天体系统，它们在这里聚集在彼此附近，而在银河系中则通常不会如此近距离地共存——否则仅凭肉眼观察的话，我们很可能会将它们与麦哲伦云联系在一起。

当我们用高性能望远镜观测天空时，偶尔会遇到一些被称为星云的奇特天体。它们是出现在黑色夜空背景上的微弱光斑或光点，几乎全部无法用肉眼看到。这类天体绝不能与通常意义上的云混淆——后者仅存在于大气层中，而星云则位于宇宙的深处。云体依靠反射太阳光而发光，而星云则具有自身发光能力，无需借助外部光线。云体会随时发生变化，而星云甚至多年都不会改变。云体的体积远小于地球，而我们所知最小的星云其大小也远远超过太阳。云体距离地球只有几英里，而星云则遥远得难以想象。

赫歇尔和他的妹妹在斯劳安顿下来后，便开始系统地观测北方天空。进行此类观测时，天空必须没有云层，因为哪怕是月光的照射也会掩盖那些较暗但更为有趣的天体。这项工作只能在漫长而宁静的冬夜进行，那时星星闪耀着明亮的光芒，银河的淡淡轨迹横跨天际。此时，望远镜会被对准……

天空中的太阳与星星每天都会经历一次正常的升起与落下，这一过程使得星星在视野中缓缓移动，形成一幅壮丽的景象。星星会慢慢进入视野，缓慢地移动，然后再慢慢离开视野，接着又有其他星星取而代之。因此，观测者只需静静地通过望远镜观察，就能看到一片又一片的星空从眼前掠过，并能够仔细研究其中的星体。即便不移动望远镜，也能观察到一片狭长的天区；而通过微微上下移动望远镜，就可以适当扩大这片观测区域的宽度。到了另一个夜晚，只需将望远镜调整到不同的位置，就可以观测另一片天空；如此一来，随着时间的推移，整个天空都能被仔细地审视。

赫歇尔站在望远镜前，注视着那些美丽的天体。在他身旁，他的妹妹卡罗琳坐在书桌前，手持笔，随时记录下哥哥所说的观测结果。她面前有一台计时器，可以用来记录时间；还有一件仪器可以显示望远镜的高度，这样她就能将天体的确切位置与哥哥所描述的细节一起记录下来。这就是这对兄妹为毕生事业而制定的出色计划。赫歇尔日后所做出的发现数量并非数十或数百个，而是数千个。这些发现的记录都收录在《皇家学会哲学汇刊》中，堪称该期刊中最宝贵的财富。威廉爵士的独子约翰·赫歇尔继承了父亲的遗志，继续对北方天空进行观测，并将范围扩展到南半球。他为此前往好望角，在那里停留了数年，完成了这项伟大的工作。

图97——猎户座，标出了大星云的位置。
由于其他天文学家的不懈努力，目前我们已知道大约八千个星云的存在，而随着望远镜技术的不断进步，这一数字还在持续增加。这些星云彼此之间存在差异，就如同在海滩上随机挑选的八千颗鹅卵石那样——在形状、大小、颜色和材质等方面各不相同——但它们又具有某种共同的特征。要详细描述这类天体显然超出了本章的范围；我们仅选取其中一些较为特殊的星云，当然也会包括那些能代表不同类别星云的星云。

第十四幅图：猎户座大星云。

我们之前已经提到，猎户座中的大星云是天空中最引人注目的天体之一。无论从它的大小、亮度，还是人们对其进行的细致研究，以及为了解其特性而付出的努力所取得的成果来看，它都堪称非凡。若要找到这个天体，可参考图97，该图展示了猎户座中的主要恒星，其中字母A标示的是构成猎户座“剑柄”结构的三颗恒星中的中间那颗。在“剑柄”的上方，则是构成冬季夜空中极为显眼的“腰带”状结构的三颗恒星。用肉眼仔细观察恒星a时，会发现它呈现出一种略带模糊的外观。1618年，西萨特用望远镜观测这颗恒星，发现其周围有一层奇特的发光雾气，后来证明那就是大星云。自他之后，人们便持续对这一天体进行研究。

许多天文学家都对它进行了深入研究，因此已有大量关于这个大星云的观测记录，甚至还有专门论述它的书籍问世。使用普通的望远镜就能在一定程度上看到这个天体，但望远镜的功率越高，所能揭示的细节就越多。

首先，我们用θ Orionis来表示的这个天体——也被称为猎户座梯形星团——本身就是整个天空中最引人注目的多星系统。它实际上由六颗恒星组成，如图98所示。这些恒星彼此距离极为接近，没有望远镜的话就无法分辨出它们各自的光线。其中四颗恒星用普通仪器就能轻易观察到，而那两颗较小的恒星则需要功率较强的望远镜才能看见。不过，这些恒星其实都是恒星，其亮度或许与我们太阳相当。

令人惊叹的是，这组无与伦比的六颗恒星竟然被著名的星云所环绕；单是这星云或这组多星系统本身就已经极具研究价值，而现在我们看到的则是两者的结合体。由此不难得出结论：这组多星系统确实位于那片星云之中，而并非仅仅存在于其他地方。

处于同一视野范围内。如果认为将这两个特殊的天体置于同一个视野中纯属偶然，那显然是与事实相悖的。如果那颗多星系统确实位于星云之中，那么这一现象就证明了：在某些情况下，星云的距离与恒星的距离具有相同的量级。遗憾的是，这几乎就是我们目前对地球到各星云距离的了解的全部内容了。

猎户座大星云环绕着那颗多星系统，并向周围的太空延伸出很远的距离。图97中标记为a的恒星周围的虚线圆圈，大致代表了用性能尚可的望远镜所观测到的星云范围。该星云呈淡蓝色，无法在图纸上准确呈现出来。其亮度在不同区域存在很大差异：总体而言，中心部分最为明亮，而随着靠近星云边缘，亮度逐渐减弱。实际上，我们很难说星云有明确的边界，因为随着望远镜分辨率的提高，总能看到更微弱的新结构。在多星系统周围的星云中似乎存在一片空白区域，但这只是恒星强烈光芒造成的视觉错觉；通过对星云的光谱分析可以发现，恒星之间的星云物质是连续的。

此处展示的猎户座大星云的图像（第XIV幅）是以简化形式呈现的，它源自使用罗斯伯爵在帕森斯敦所拥有的大型反射望远镜所绘制的详细图谱。[40]通过望远镜观测，可以看到星云表面分布着两百颗甚至更多的恒星。没有必要像对待那颗多星系统那样认为这些恒星都浸没在星云物质中；它们可能位于星云前方，或者不太可能地，位于星云后方，从而被投射到天空的同一位置上。

图版十五：仙女座31号星云的照片。
曝光时间为4小时，图像经过3倍放大处理。
由艾萨克·罗伯茨先生于1882年12月29日拍摄。

其他天文学家也绘制了大量关于这一独特天体的图像。其中，马萨诸塞州剑桥市的邦德教授所绘的图像尤为出色，其细节表现之精准，任何研究该天体的人都会予以认可。近年来，人们还尝试对这片巨大的星云进行摄影拍摄。已故的德雷珀教授就有幸拍到了一些极为精美的照片。在英格兰，康芒先生是第一个为该星云拍摄出极佳照片的人；罗伯茨博士以及W.E.威尔逊先生也拍到了该天体的精彩照片，这些照片显示了该星云延伸到了此前未知的区域。

仙女座中的这片巨大星云用肉眼勉强可以看见，它被展示在图版XV中，该图版是根据艾萨克·罗伯茨博士所拍摄的惊人照片经许可复制而来的。在这片星云中，有两条明显的暗色通道，而其表面散布着的那些微弱恒星也值得注意。要找到这个天体，只需找到仙后座和飞马座的大方形结构，然后就能在413页所示的位置轻易看到它。1885年，有一颗7等星突然出现在星云最明亮的部分附近，几个月后便又消失了。

天琴座中的那片星云是天空中最显眼的环状星云，但并不能认为它是这类星云中的唯一存在。实际上，这类天体大约有十几个。很难准确理解这类天体的本质。不过，每当看到环状星云时，人们总会联想到那种被称为涡旋环的美丽结构。谁没有注意到火车烟囱里偶尔会冒出的优美环形蒸汽柱？这些蒸汽柱会升向高空，直到那些普通蒸汽完全消失之后才会消散。这种涡旋环可以通过一个立方体盒子来人工制造：盒子的其中一个开口面用帆布覆盖，另一侧则有一个圆形孔洞。通过阀门……

在画布上，从孔中会形成一个涡环；如果盒子内充满烟雾，那么这个涡环在其运动路径上的数英尺范围内都是可见的。当然，断言环状星云与涡环之间存在真正的相似性未免过于夸张了；但无论如何，我们目前还不知道还有其他什么物体可以与它们相提并论。

天空中存在着许多体积虽小但却极为明亮的天体，它们被称为行星状星云。这类天体可以被描述为发光的蓝色气体球体，其大小往往小到通过望远镜观察时很容易被误认为是恒星。其中最引人注目的一个位于天龙座，位于北极星与天龙座γ星之间。一些最近发现的行星状星云体积极小，只有通过分光镜才能将它们与小恒星区分开来。还需要注意的是，由于这些天体的蓝色特性，在折射望远镜中它们会略偏离恒星的焦点位置。这一现象在反射望远镜中则不会出现，因为反射望远镜能将所有光线汇聚到同一个焦点上。

此外，还有许多其他形式的星云：有长长的星云射线，有罗塞勋爵所使用的巨大反射望远镜所观测到的奇妙螺旋结构，还有双星云。不过，对于这些不同的星云形态，我们这里只需简单提及即可。要为这类星云绘制图像存在很大困难——大多数星云都非常暗淡，即便使用强大的望远镜，也只有在极度专注的情况下才能看到它们。因此，若想绘制出清晰的图像，就不得不强化那些较暗的部分。尽管如此，我们还是呈现了第十六幅图，该图展示了通过罗塞勋爵的巨大望远镜所观测到的几处较为显著的星云。

图99——N.G.C. 1,499星云。
（由利克天文台的E.E.巴纳德于1895年9月21日拍摄。）

星云的真正本质是一个极为有趣的问题，这也一直萦绕在最早开始研究星云的威廉·赫歇尔的心头多年。起初，他认为所有的星云都不过是恒星的密集聚集体——对于一个大幅提升了望远镜光学性能、并且习惯于看到那些用小型望远镜观察时呈现为模糊状的天体，在使用大口径望远镜仔细观察后会变成恒星的人来说，这是一个很自然的结论。然而在1864年，当威廉·哈金斯爵士首次用装有分光镜的望远镜观测某颗行星状星云时，人们便发现至少有一些星云实际上是炽热的雾气云，而非恒星团。

在下一章中，我们将探讨恒星的光谱，但在此可以提前说明：这些光谱是连续的，通常会显示出从红色到紫色的整个光谱范围，与太阳的光谱类似，不过在暗线与亮线的分布上存在许多重要差异。当然，恒星团也会产生类似的光谱，因为这是由该星团中各恒星的光谱叠加而成的。许多星云也呈现出这样的光谱，例如仙女座大星云。但这并不意味着这些天体就只是由普通恒星构成的星团，因为连续光谱不仅可以由液态或固态物质、高压气体产生，而在某些条件下，低压但高温的气体也能产生连续光谱。因此，对于星云而言，连续光谱并不一定意味着它就是由与我们太阳大小和结构相似的天体构成的星团。但如果某星云呈现出亮线光谱，那我们就可以确定该天体中存在低压气体。而这正是威廉·哈金斯爵士在许多星云中所发现的状况。当他决定开始研究星云的光谱时，他选择观测那些被称为行星状星云的天体——它们呈圆形或略带椭圆形的盘状，通常没有中心凝聚物，看起来就像轮廓不清晰的行星。它们的光线颜色往往带有蓝色调。

绿色这一颜色实在罕见，因为单颗恒星中几乎不会出现这种颜色。该恒星的光谱与任何已知恒星的光谱都截然不同，仅由三到四条明亮的谱线组成。其中最明亮的谱线位于蓝绿色区域，起初人们以为它与氮元素的谱线相同，但后续更精确的测量表明，这条谱线以及第二条谱线既不符合太阳光谱中的任何暗线，也无法在实验室中通过实验产生，因此我们无法将它们归因于任何已知的元素。第三条和第四条谱线则被确认为与太阳光谱中被称为F线和g线的两条氢谱线相同。

E图：昴宿星团中的星云。
图片由艾萨克·罗伯茨博士拍摄。

与许多其他情况一样，光谱分析在这里也发挥了望远镜无法实现的作用。在哈金斯之后，沃格尔、科普兰、坎贝尔、基勒等人通过视觉观察和摄影手段对星云的光谱进行了研究，还发现了大量极为微弱的星云。

除了那些中等尺寸的仪器所能观测到的四条谱线之外，还检测到了其他谱线。值得注意的是，通常非常明亮的氢元素的红C线，在星云的光谱中要么不存在，要么极其微弱。不过弗兰克兰和洛克耶的实验表明，在特定的温度和压力条件下，氢元素的复杂光谱会简化为一条绿色谱线——F线。因此，气态星云的光谱相对简单也就不足为奇了，因为其中气体的密度较低，且这些天体本身亮度很低，这都会使得光谱中的谱线数量减少。一些气态星云还显示出微弱的连续光谱，其最亮处不在黄色区域（如太阳光谱中的情况），而是在绿色附近。这些连续光谱很可能是由许多极为微弱的发光谱线组合而成的。

目前，已知具有气态光谱的星云大约有八十多个。除了行星状星云之外，还有许多体积较大、分布更为广泛的星云也属于这一类别，天琴座的环状星云以及猎户座的大星云也是如此。不用说，能将这样一个重要的天体归类为气态星云，实在是一件令人兴奋的事。在那个“氦”还仅仅是一个名称、一种假想存在的物质的时代，科普兰就在这个星云中发现了出色的氦D3谱线；而如今我们已知道氦是一种在宇宙中广泛存在的元素。此后，这种氦谱线也在其他几个星云中被发现。由于能够轻易识别出这种特有的气态光谱，人们便想到用分光镜扫描天空，以寻找新的行星状星云。皮克林和科普兰确实通过这种方式发现了一些新的天体，最近皮克林还通过分析天空各区域的谱图发现了更多这样的天体。通过望远镜观察时，这些新发现的天体看起来就像普通的恒星，如果没有分光镜的话，根本无法察觉到它们的真实性质。

在晴朗的夜晚仰望星空时，星星似乎以极其不规则的方式分布在天空中。这里有一些明亮的恒星聚集成特定的星群，比如猎户座或大熊座；而其他大片区域则几乎没有任何亮星，只有少数微不足道的恒星存在。如果我们使用双筒望远镜或其他小型望远镜来观察天空，情况似乎依然如此——有时会遇到恒星密集的区域，有时则遇到相对空旷的区域。但当我们接近银河系所在区域时，会发现望远镜视野中的恒星数量急剧增加；而一旦到达银河系本身，肉眼几乎无法分辨那些紧密排列在一起的光点，它们在肉眼看来就像一条宽阔但形状极不规则的暗带，即便使用强大的望远镜，在某些地方也难以将它们分辨成单独的恒星。我们该如何解释这种奇特的恒星分布状况呢？为什么在距离银河系最远的区域看到的恒星如此之少，而在银河系或其附近却有如此众多的恒星呢？最早尝试回答这些问题的是伦敦的仪器制造师托马斯·赖特，他在1750年出版的一本书中提出了自己的见解。他认为，我们所在的恒星系统中的恒星是分布在一个厚度极薄的巨大层状结构中的，与这个结构的长度和宽度相比，其厚度可以忽略不计。如果我们有一个由玻璃制成的大磨盘，里面均匀地嵌入了大量沙粒或类似的微小颗粒，且我们将眼睛置于该磨盘的中心附近，那么很容易理解：在靠近磨盘轴心的位置，我们看到的颗粒会很少，而看向磨盘边缘的任何一点时，就能看到大量的颗粒。这就是赖特对银河系结构的设想，他还认为太阳位于这个恒星层的中心附近。

图版F。

ω半人马座。
摘自哈佛大学天文台出版物中的插图。

如果银河系本身并不存在——我们只能依据这样一个事实：恒星数量似乎会朝着天空中某个圆圈（近乎大圆）迅速增加——那么盘状理论或许会有些道理。然而，通过对银河系的望远镜观测，尤其是巴纳德教授所拍摄的那些展现其复杂结构的惊人照片，已经彻底否定了这一旧理论。现在我们可以合理地认为，银河系确实是一股环绕天空的巨大恒星流，而不仅仅是表面上的如此。稍后我们将提及一些支持这一观点的事实。只需稍加观察就能发现，银河系并非单一的光带；在天鹰座附近，它分裂成两条分支，两者之间有相当大的间距，而且直到延伸到南半球很远的地方才会再次汇合。为了解释这一现象，盘状理论不得不假设恒星层在接近中心的位置被一分为二。但即便承认这一点，又该如何解释银河系中众多的暗洞呢？其中最大、最引人注目的就是位于南半球的所谓“煤袋”结构。显然，我们必须假设存在许多贯穿盘状结构的通道，而且这些通道都指向太阳系所在的位置。而从银河系延伸出来的那些小臂状结构，则要么是侧面看到的平面，要么是切线方向观察到的曲面凸起。这些假设的合理性极低。不过，有证据表明，相对明亮的恒星也集中在与那些极其微弱的恒星相同的区域。已故的普罗克特先生将阿格尔兰德编写的北半球恒星图集中的全部324,198颗恒星绘制在同一张图表上，虽然这些恒星的亮度都在十等星以上，因此比那些个体几乎无法被分辨的无数恒星要明亮得多。

在银河系区域内，根据均匀分布的假设，这些恒星应该位于离我们相对较近的位置。通过这些恒星的分布情况，我们可以清楚地看到银河系的完整轮廓。这足以推翻“银河系只不过是投影在天球上的盘状结构”这一观点。无需再查看巴纳德教授拍摄的照片——那些明亮区域与暗淡区域交替出现，且毫无规律可言——就能明白：银河系更有可能是一团聚集在一起的恒星群，即一个规模极其庞大的星流或星环，而我们的太阳系恰好位于其中。不过必须承认，现在就试图确定这个星流的实际形状或各部分的相对距离还为时过早。

图版十六：
用罗斯勋爵的巨型望远镜观测到的星云。

第二十三章　恒星的物理性质
恒星光谱仪——恒星光谱的分类——I型：吸收线极少；II型：与太阳类似；III型：有明显的暗带。
这些类型在天空中的分布情况——视线方向上的运动——通过光谱仪发现的轨道运动：新的双星类型——临时恒星的光谱——这类天体的本质。

在前几章中，我们多次提到光谱仪所带来的重要发现，而这些发现堪称现代科学史上的重要篇章。借助光谱仪，我们在理解太阳的物理结构方面取得了巨大进展。在本章中，我们将阐述光谱仪为我们揭示的关于恒星物理结构的知识。

这里开启了天文学的一个全新领域。望远镜的不断改进使得人们能够观测到越来越暗弱的天体，但即便拥有世界上最先进的望远镜，也无法确定恒星中是否存在铁及其他元素。普通的恒星是一个极其炽热的球体，其温度甚至高于贝塞麦转炉或西门子熔炉；如果恒星中含有铁，那么铁不仅会处于白热状态并熔化，还会变成蒸汽。然而，铁的蒸汽在望远镜中是无法被观测到的。那么要如何识别它呢？又该如何判断它是否与其他金属或物质的蒸汽混合在一起呢？实际上，在恒星发光的大气中分辨出铁的存在是一项极为复杂的分析工作。不过，光谱仪能够完成这项任务，并且能提供极具说服力的证据来证明这一结论。

大约在1816年，伟大的德国光学学家夫琅禾费发现，月球和行星的光谱实际上不过是太阳光谱的微弱复制品。他通过放置棱镜……

通过小型经纬仪（一种用于大地测量的仪器）的物镜前方，他能够确定金星和火星的光谱与太阳相同，而天狼星的光谱则截然不同。这一重要发现促使他设法获得更先进的仪器以继续研究，最终他成功区分出了各种恒星光谱的主要特征。弗劳恩霍费尔在研究中使用的那种将棱镜置于望远镜物镜外部的仪器结构，由于难以获得尺寸较大的棱镜（显然，若要充分利用望远镜的效能，棱镜的尺寸应与物镜相当），直到最近几年才被广泛使用。不过，对于那些角直径极小的天体，如恒星而言，这确实是观测其光谱最简单的光谱仪结构。来自恒星的平行光线经过棱镜分解为光谱，再通过望远镜进行观察。但由于望远镜中恒星的图像只是一个发光点，其光谱也只会呈现为一条线，因此无法像在太阳光谱中那样看到那些横向延伸的线条。为此，人们在望远镜的目镜前放置了一个圆柱透镜，该透镜能将点转化为线，将线转化为带状，从而使恒星那狭窄的光谱扩展成一条发光带，从而让我们能够分辨出其中的各种细节。在其他类型的光谱仪中，则需要在物镜的焦点处设置狭缝，整体结构与我们之前在关于太阳的光谱那一章中所描述的类似，只不过多了一个圆柱透镜而已。

直到1859年基尔霍夫确立了光谱分析的原理之后，对恒星光谱的研究才取得实质性进展。当太阳光谱中的暗线被正确解读后，人们立刻意识到，科学已经为人类探索打开了通往一片全新领域的大门，而在此之前几乎没人知道这样的领域存在。我们已经见识到了这一领域的惊人之处……

对太阳的研究为该领域的研究者们带来了诸多成就，我们也已经看到，将新方法应用于彗星和星云的观测时，能够获得极为有价值的结果。现在，我们将介绍由威廉·哈金斯爵士发起、并由他以及塞基、沃格尔、皮克林、洛克耶、杜内尔、谢纳等人继续发展起来的研究，这些研究为我们揭示了恒星的构成情况。与天文学的其他现代分支一样，摄影技术在这里也发挥了极其重要的作用——不仅因为恒星的光谱在紫光区域的范围远远超出了人眼所能观察的范围，还因为可以通过照片非常精确地测量出光谱中各线条的位置。

首位将看似杂乱无章的恒星光谱整理成有序分类的人是塞基，他发现这些光谱可以按照四种类型进行归类。然而，在过去的30年里，人们发现了各种类型中的许多新变化，因此有必要对塞基的分类进行进一步细分。目前，大多数研究者都采用沃格尔的分类法，为方便起见，本章也将采用这一分类法。

I型——这类恒星的光谱中，那些在太阳的紫光光谱中极为丰富且明显的金属线却非常微弱，甚至完全看不见，而蓝色和白色部分则极为明亮。沃格尔将这一类型进一步分为三组。在第一组（I.a）中，存在氢线，而且这些氢线非常宽且亮度很高；天狼星、织女星和轩辕十四都属于这一组。这些氢线如此宽阔，很可能意味着这些恒星周围存在着体积巨大的氢气层。人们普遍认为，这类恒星是所有恒星中最热的，而多年前诺曼·洛克耶爵士通过实验室实验发现，这类恒星的光谱中存在某种镁线，而这种镁线在普通镁的光谱中并不存在，这说明在该极高温度下存在镁元素，这一发现也为这一观点提供了支持。在恒星的光谱中……

在I.b类中，氢线与少数金属线的宽度相当，而刚才提到的镁线则是所有线中最强的。里格尔以及猎户座中的其他几颗亮星都属于这一类。值得注意的是，这些恒星中至少有一些含有氦元素；因此（正如基勒教授所说），里格尔的谱线几乎可以被视为星云谱线的反转版——即谱线为暗色而非亮色，只不过两种主要的星云谱线在恒星中并未出现反转现象。这一事实无疑将对我们理解恒星从星云中逐渐形成过程具有极其重要的意义；而像里格尔这样的恒星，其温度肯定也非常高。I型中的第三子类（I.c）则并非如此，这类恒星的谱线以明亮的氢线以及明亮的D3氦线为特征。在具有这种特殊谱线的恒星中，有天琴座中的一颗非常有趣的变星，以及被称为仙后座γ的恒星，这两颗恒星都受到了深入的研究，它们的谱线具有许多独特之处，使得要解释这类恒星的物理结构变得极为困难。

再来看II型恒星，其谱线中金属线的强度较高。谱线的折射率较高的那部分比前一类别更为暗淡，有时在红端还能观察到吸收带。在II型的第一子类（II.a）中，存在大量由金属元素产生的、强度高且轮廓清晰的谱线，氢线也能清晰地看到，不过并不特别显眼。属于这一类的恒星有很多，比如五车二、毕宿五、大角星、北河二等等。实际上，这些恒星的谱线与我们太阳的谱线几乎完全相同，波茨坦天文台的谢纳博士就通过对五车二光谱照片上的数百条谱线进行测量，发现这些谱线与太阳光谱中的相应谱线极为相似。我们几乎没有理由怀疑，这些恒星的物理结构与太阳非常相似。而II型的第二子类（II.b）则并非如此，这类恒星的谱线极为复杂，每条谱线都由连续谱构成。

其光谱上布满了众多暗线，而在这些暗线之上还有另一组明亮的谱线。目前已知有七十多颗恒星具有这种特殊的光谱，其中最亮的一颗是位于南天星座阿尔戈斯中的三等星。在这些恒星中，氢和氦仍以明亮谱线的形式呈现，而其余明亮谱线的起源则尚不确定。关于这类恒星的物理结构，很难得出确切结论，但很有可能它们不仅被温度较低的气体层所包围从而形成暗线，而且在外层还拥有由氢及其他气体构成的巨大包层。在其中的至少一颗恒星上，利克天文台的坎贝尔教授观察到F线表现为在连续光谱两侧延伸出相当长距离的线条；使用狭缝仪观察时，则可见其为直径约六秒角的大圆盘状结构；另外两条主要的氢谱线也呈现出类似特征。从这些观测结果来看，似乎可以推断出这些恒星周围存在广阔的气体包层。

III型恒星的数量相对较少，其光谱除了有暗线外还有许多暗带，而那些折射率较高的区域则非常微弱，正因如此这类恒星的颜色多为红色。这一类别又可进一步分为两个亚型。在第一种亚型（III.a）中，主要的吸收线与太阳光谱中的相应线条相似，但强度存在很大差异——这些恒星上的许多谱线强度远高于太阳上的对应线条，同时还会出现许多新的谱线。不过，这些差异相比光谱中红色、黄色和绿色区域里那些特殊的吸收带来说并不重要；这些吸收带位于金属谱线之上，且在靠近紫色端的部分边界清晰，向红色端逐渐变淡。这类吸收带属于某种化学组合的产物，这表明在这些遥远恒星的大气中，温度低到足以让稳定的化学组合形成。这类恒星中最著名的是参宿四，即猎户座α星。

位于猎户座肩部的一等红星；但需要特别指出的是，许多长周期变星的光谱都属于III.a型。1887年，诺曼·洛克耶爵士预测，在这些变星亮度达到最大值时，很可能会发现氢元素产生的明亮谱线，因为此时较小的星团会穿过较大的星团。不久之后，皮克林教授宣布在哈佛大学天文台拍摄的Mira Ceti变星在亮度最高时的光谱照片中确实存在多条明亮的氢谱线，这一预测得到了证实。此后，皮克林教授报告称，在41颗已知的此类变星的光谱中也都发现了明亮谱线，还有20多颗恒星因为其光谱具有这种特征而被确认为变星——也就是说，这些恒星的光谱中出现明亮谱线就表明它们是变星，而进一步的光度测量也验证了这一事实。

第二类（III.b）则仅包含相对暗弱的恒星，其亮度都不超过五等，而且都是红星。这类恒星光谱中的明显谱带边界十分清晰，红色部分颜色较深，而向紫色方向则逐渐变淡，这与III.a型恒星的光谱情况完全相反。这些谱带似乎是由这些恒星大气中的碳氢化合物蒸汽所引起的吸收作用造成的；不过也有部分谱线表明存在金属蒸汽，其中钠无疑属于此类。毫无疑问，这类恒星代表着太阳生命的最后阶段：此时太阳已经大幅冷却，由于周围大气对其剩余光线的不断吸收，它距离彻底熄灭已不远了。

用于通过光谱测定恒星沿视线方向运动速度的方法，与我们在本章关于太阳的内容中所描述的方法相同。只需将恒星光谱中某条谱线的位置与人工合成光谱中相应元素的明亮谱线位置进行比较，即可得出结果。

可以检测到恒星光谱线的位移：要么向紫色方向移动（表明该恒星正在朝我们靠近），要么向红色方向移动（表明它正在远离我们）。最早进行此类研究的人是威廉·哈金斯爵士，他在1867年将天狼星光谱中的F线与装在真空管中的氢元素的光谱线进行比较，再将这两种光谱并排显示出来。他开创的这项研究后来由格林尼治天文台继续开展；不过，这些直接观测所得的结果并不令人满意，因为不同观测者所得到的数值之间存在显著差异，即便是同一观测者在不同夜晚的观测结果也有差别。考虑到光速远远超过任何天体运动的速度，因此天体运动所导致的波长变化只会非常微小，难以察觉，更难以测量，这也就不足为奇了。自从波茨坦的沃格尔博士开始使用摄影技术来进行这类研究之后，才得到了更为一致且可靠的结果，尽管即便如此仍需格外小心以避免系统误差。为了让大家了解所能获得的结果，我们在下表中列出了1896年和1897年由剑桥天文台25英寸纽厄尔折射望远镜上配备的布鲁斯分光仪所观测到的若干恒星的每秒速度值，同时还加入了沃格尔和谢纳在波茨坦所测得的数值。这些结果以公里为单位表示（1公里=0.62英里）。正号表示该恒星正在远离我们，负号则表示它正在朝我们靠近。

纽沃尔、沃格尔、谢纳。
毕宿五：+49.2 + 47.6 + 49.4
参宿四：+10.6 + 15.6 + 18.8
南河三：-4.2 - 7.2 - 10.5
北河二：-0.7 + 1.9 + 0.4
狮子座γ星：-39.9 - 36.5 - 40.5
大角星：-6.4 - 7.0 - 8.3

这些数值已经考虑了地球绕太阳运行的影响，但尚未考虑太阳在宇宙中的运动，因为后者的数值实际上是无法确定的，或者至少非常不确定；因此，上述数值实际上代表的是各恒星相对于太阳的每秒速度。需要补充的是，通过大量恒星的光谱观测，最终可以确定太阳的运动方向和速度。用这种方法得到的太阳速度，很可能比那种将恒星的自行与对不同类型恒星平均距离的推测相结合的旧方法更为精确。肯普夫博士已经尝试过这种方法，他根据波茨坦的光谱观测结果，得出太阳的速度为每秒18.6公里，即11.5英里，这一结果很可能与真实值相差不大。

不过，恒星的光谱也能为我们提供有关这些极其遥远的天体系统中的轨道运动的信息。如果有一颗恒星在穿过太阳的平面内绕另一颗恒星旋转，那么它在轨道的一侧会直接朝我们移动，而在另一侧则直接远离我们；而在经过中心恒星前方或后方时，它与我们的距离不会发生变化。因此，如果我们通过光谱观测发现某颗恒星以一定的周期交替朝向地球移动和远离地球，那么毫无疑问，这颗恒星正在围绕某个看不见的天体（或者更确切地说，是围绕两者之间的质心）以光谱线位移所指示的周期进行旋转。在第十九章中，我们提到了英仙座中的变星阿尔戈尔，它属于一类以特定规律变化的变星。

在这段时间内，它们的亮度保持不变；但会在极短的时间内变得明显暗淡一些。最简单的解释就是存在某种“日食”现象——换句话说，就是有某个黑暗天体周期性地从恒星前方经过，从而遮挡住部分光线，使我们无法看到恒星的全部光芒。这一假设早在多年前就已得到普遍认可。不过，直到波茨坦的沃格尔教授通过光谱观测发现：在每次亮度最低的时刻之前，阿尔戈尔恒星都在远离太阳，而在亮度最低之后则又朝我们靠近，才得以证明这确实是解释阿尔戈尔恒星周期性变化的原因。假设其轨道为圆形，可算出阿尔戈尔恒星的速度为每秒26英里。结合周期长度（2天22小时48分钟55秒）以及光被遮挡的时间，就可以很容易地计算出轨道的大小以及这两颗天体的实际尺寸。甚至还可以进一步，根据轨道速度来计算这两颗天体的质量——当然，这是基于它们密度相同的假设，而这一假设本身就相当不确定。以下是沃格尔所测得的阿尔戈尔恒星系统的近似参数：——
阿尔戈尔恒星的直径：1,054,000英里
伴星直径：825,000英里
两颗天体中心之间的距离：3,220,000英里
阿尔戈尔恒星的轨道速度：每秒26英里
伴星的轨道速度：每秒55英里
阿尔戈尔恒星的质量相当于太阳质量的4/9
伴星的质量相当于太阳质量的2/9

在过去的世纪里，阿尔戈尔星的周期一直在逐渐缩短（缩短了六到七秒），但是否如钱德勒先生所提出的那样，这是由于这两颗星围绕一个更遥远的第三天体运转所导致的，还有待进一步验证。

我们之前已经提到，要想出现日食现象以及光强的变化，视线必须几乎处于轨道平面内。同时，这两颗星之间的亮度差异也必须相当大。目前已知的15颗阿尔戈尔型变星都满足这些条件；但根据概率论，应该还有许多类似阿尔戈尔星的双星系统并不满足这些条件，在这种情况下，这些恒星的亮度就不会发生变化。当然，我们知道有许多发光恒星围绕另一颗恒星运转的例子，但也一定存在这样的情况：其中一颗较大的伴星以如此近的距离绕另一颗恒星运转，以至于我们的望远镜无法将这对双星分开。实际上，这一现象已经通过分光镜被观测到。如果我们用分光镜观察一对距离极近的双星，那么这两颗星的光谱就会重叠在一起，我们也就无法察觉到其实存在两种不同的光谱。但在两颗星围绕它们的共同质心旋转的过程中，总会有一些时刻，其中一颗星朝我们移动，而另一颗则远离我们，这样一来，前者的光谱线就会向光谱的紫色端发生微小的相对位移，而后者的光谱线则会向红色端发生微小的位移。因此，那些在两种光谱中都存在的谱线会周期性地产生双重现象。1889年，皮克林教授通过对大熊座尾部那对著名双星中较大的那颗恒星——米扎尔星的光谱照片进行观测，首次发现了这种现象。他发现某些谱线每隔52天就会出现一次双重现象。每条谱线的两个成分之间的最大分离距离，对应着其中一颗恒星相对于另一颗恒星的相对速度，约为每秒100英里，不过后续的观测结果却有所不同。

这种情况可能非常复杂，要么是因为恒星轨道极为偏心，要么是由于存在第三颗天体所致。哈佛大学拍摄的图像还显示，御夫座β星的光谱线会周期性出现双重现象，其周期短至仅3天23小时37分钟。1891年，沃格尔通过观测室女座第一亮星角宿一的光谱图像，发现这颗恒星会交替远离和靠近太阳系，周期为4天。此后又发现了其他一些“光谱双星”，其中莫·贝洛波尔斯基发现的北河二的一个组成部分的周期为3天，而哈佛大学的光谱图则揭示了天蝎座中一颗恒星的周期仅为34小时。

最近，剑桥大学的H.F.纽厄尔先生以及利克天文台的坎贝尔先生证明，御夫座α星，即五车二，实际上由一颗类似太阳的恒星和一颗类似南河三的恒星组成，二者以104天的周期相互绕转。

乍一听，两颗太阳在彼此周围旋转的想法确实令人震惊——它们之间的距离相对于各自的直径来说实在很小。例如在阿尔戈尔系统中，有两颗天体，一颗大小与我们的太阳相当，另一颗稍大一些，它们在不到3天的时间内围绕共同的重心旋转，而两颗天体表面之间的距离仅为较大那颗天体直径的两倍。同样，在角宿一系统中，也有两颗巨大的恒星在仅4天的时间内相互绕转，其距离相当于土星与其第六颗卫星之间的距离。虽然目前我们的太阳系中还没有类似的现象，但从数学上可以证明，这类系统完全有可能保持稳定状态，即便不能永远如此，至少也能持续数百万年。在最后一章中我们将看到，地球和月球很可能曾经也构成过这样一个由两颗天体在极近的距离内快速相互绕转的特殊系统。

在被称为天琴座β星的恒星中，也可能存在着更为复杂的系统。这是一颗极具研究价值的变星，其周期为12天。

时间为数天二十二小时，在此期间，该恒星的亮度从4.5等上升至略高于3.5等，随后下降到接近4等，再上升至3.5等，最后又回到4.5等。1891年，皮克林教授发现这颗恒星光谱中的亮线位置会不时发生变化——有时出现在相应暗线的这一侧，有时则出现在另一侧。显然，这些亮线的波长在变化，发光体在交替地远离地球和靠近地球；在恒星光度变化的半周期内是前者情况，另一半周期则是后者情况。贝洛波尔斯基等人进一步研究了这颗恒星的光谱，发现这些亮线实际上是双重的，但其中一个成分会不时消失或变得极为狭窄。基于这些亮线实际上是单一的（所谓的双重性只是由暗线叠加造成的）这一假设，贝洛波尔斯基通过测量氢线(F)两侧到由管中气体发光产生的假想氢线的距离，确定了这些亮线的位移量。他认为这些亮线的交替靠近与远离现象是由天体绕轨道运行引起的，并计算出发出这些亮线天体的轨道速度为每小时41英里。1897年，他成功观测到了镁元素对应的暗线的位移，发现发出该暗线的天体也在绕轨道运动；不过，在恒星光度出现主极小值之后，氢线F的速度为正，而暗线的速度则为负。因此，在主极小值期间，被遮掩的是发出暗线的那颗恒星；而在次极小值期间，则是发出亮线的另一颗恒星被遮掩。不过，要最终弄清这颗奇妙变星的本质，还需要更多的观测数据；对于其他几颗变星，比如天鹰座的η星和仙王座的δ星，也存在着速度变化与光度波动之间不协调的现象，同样需要更多观测才能解决其谜团。

β Lyræ复杂的光谱与临时恒星的光谱之间存在一些惊人的相似之处。第一颗能够通过光谱学方法进行研究的“新星”，是1866年出现在北冕座的那颗，由W. Huggins爵士对其进行了研究。它的光谱为连续谱，带有暗吸收线，同时也有氢的亮线；其光谱实际上与II.b型恒星的光谱极为相似。1876年的施密特星也是如此，它除了有氢线外，还有氦线（D3）以及主星云线；但在1877年秋季，当这颗星的亮度降至10等时，Copeland博士惊讶地发现只有主星云线是可见的，几乎所有星光都集中在这条线上，连续谱则几乎无法察觉。事实上，这颗星似乎已经变成了行星状星云，但后来它的光谱失去了这种独特的单色特征——星云线消失了，只剩下微弱的连续谱，1866年的那颗星在亮度降至10等时也是这种情况。1885年在仙女座星云中出现的“新星”，只能观察到连续谱，其光谱与星云本身的光谱非常相似。

1892年2月，当御夫座的新星被宣布被发现时，天文学家们已经更有能力通过光谱学方法对其进行观测了，因为现在可以通过摄影技术来研究人眼无法看到的紫外线部分的光谱。它的可见光谱与1876年的天鹅座新星非常相似，但在利克天文台和波茨坦对所有观测到的亮线的波长进行测量后，人们发现它们与太阳色球层的亮线光谱有着极大的相似性。氢线非常明显，铁线数量也很多，钙和镁的线也存在。不过，照片带来的最令人惊讶的发现是：在许多情况下，这些亮线的紫光一侧还伴有宽大的暗带，而且无论是亮线还是暗线都具有复合性质。许多暗带……

这些线条的中间都有一条细长的亮线，而许多亮线则具有两到三个亮度最高点。对视线方向上运动情况的测量结果具有特别重要的意义：它们表明，那些位于暗线之中的细长亮线的来源正以每秒400英里的惊人速度向太阳移动；如果这些亮线确实是暗线的“反转”现象，那么产生吸收光谱的源头也必定具有大致相同的速度。另一方面，如果亮线中的两到三个亮度最高点确实代表两个或三个独立的发光体，那么测量结果表明，其中的主要天体相对于太阳几乎是静止的，而其他天体则以每秒300到600英里的惊人速度远离我们。更令人费解的是，1892年8月当这颗恒星重新出现时，它已变为十等星，其光谱却完全不同，只有属于行星状星云的若干亮线！有可能这些亮线从一开始就存在于光谱中，但由于视线方向上的运动变化导致它们的波长发生了改变，因此秋季观测到的星云谱线与春季在稍不同位置观测到的谱线其实是一样的。后续对这些星云谱线的观测似乎表明，这颗新星正以每秒约150英里的速度向太阳系移动，而且这一速度还在逐渐减小。

尽管我们不得不承认自己无法确定为什么一颗临时恒星会如此突然地爆发，但我们有充分的理由相信，这些奇特的天体终将逐步为我们揭示恒星的构成奥秘。在星空中，我们能看到各种各样的光谱：带有亮线的星云光谱、具有类似特征的恒星光谱、带有宽吸收带的光谱、像我们的太阳那样布满众多暗线的光谱，以及仅有少数吸收线的光谱——所有这些都表明宇宙中存在着处于不同演化阶段的众多天体。在探讨热量的天文意义时，我们还会进一步讨论这个问题；不过目前我们已经到了这样一个阶段：人类……

人类的智力很难跟上我们所拥有的各种工具性资源的发展速度；当我们试图将已获得的知识系统化时，想象力也会陷入困惑之中。从巴尔的摩的罗兰德教授最近的经历就可以看出，在解释所观察到的现象时必须格外谨慎——他发现，发光气体的压力增大不仅会导致光谱线变宽，还会使这些光谱线发生位移。泽曼博士的发现也进一步增加了我们解读这些复杂现象的难度：处于强磁场中的光源所产生的光谱线不仅会变宽，还会出现分裂现象。

第二十四章 地轴的进动与章动
极点并非固定点——它对恒星视位置的影响——用图示说明这一现象——作用于地球的扰动力——太阳对地球的引力——赤道处的突起物——太阳与月亮的引力作用导致地轴进动——进动作用的强度与距离的立方成反比——太阳与月亮的相对作用力——地轴极点如何绕黄道极点旋转——纬度的变化

天球极点的位置可以通过位于其附近的亮星——北极星来准确标识。整个天球似乎以一个恒星日的时间绕着这个极点旋转；迄今为止，我们一直将极点视为天球中的固定点。在考察较短的时间段时，这种说法是正确的。毫无疑问，目前极点确实靠近北极星；在上代人生活时也是如此，下一代人生活时依然如此。然而，在这段时间里，极点一直在天球中缓慢移动，终有一日它会远离现在的北极星很远。这种运动是持续不断的，我们可以利用天文台里的仪器轻松检测并测量它。天文学家们也明白，在进行各种计算时必须特别考虑极点的这种运动。这种运动会使得恒星的位置出现看似的变化，这种现象被称为“进动”。

图100。

附图（图100）清晰地展示了极点的运动情况，对此我要感谢已故人士的慷慨提供。

C.皮亚齐·史密斯教授。该圆圈显示了地轴在群星间移动的轨迹。

位于天龙座中的圆圈中心，就是黄道的极点。地轴完成一次完整循环需要大约25,867年的时间。这张图展示了从公元前4000年到公元2000年期间地轴的位置。通过观察这张地图，我们可以清楚地看到地轴与北极星之间的距离其实是非常偶然的。目前，两者之间的距离正在逐渐减小，但之后距离又会增大；当地轴完成一半的旋转周期后，它将与北极星相距相当于圆圈半径两倍的距离。那时，地轴将会靠近明亮的织女星或天琴座α星，这样一来，大约12,000年后的人类就可以像现在利用北极星那样利用织女星来满足各种需求！回顾过去，我们可以发现，在公元前2,000到3,000年左右，天龙座α星的位置十分适合充当北极星，而大熊座的β星和δ星则起到指示作用。无需多言，自从精确的天文学诞生以来，人们只观测到了地轴在这巨大圆圈中所经过的一小部分路径而已。不过，我们没有理由怀疑地轴会继续沿着相同的路径移动。当我们进一步解释这一有趣的现象时，这一点将会更加清晰。

天空的北极点，就是地球自转轴线北端所指向的天球上的那个点。因此，这条轴线必然会不断改变其位置。就地球的自转而言，其运动方式可以通过每个男孩都熟悉的常见玩具来说明。当一个转盘被转动起来时，它当然会以极高的速度绕着自己的轴线旋转；但除了这种旋转之外，它的轴线通常还会做另一种运动——即不会保持固定的方向，而是沿着一条圆锥形路径围绕垂直线旋转。旁边的图（图101）展示了这个转盘的情况。显然，转盘正在以极快的速度绕着自己的轴线旋转，而它的轴线本身也在不断转动。

以极其缓慢的动作绕垂直线旋转。如果我们能想象一个巨大的陀螺，它每天绕自身轴线旋转一次，且该轴线与垂直方向呈23.5度角倾斜，同时轴线的旋转运动极为缓慢，以至于完成一次完整旋转需要约26,000年，那么它的运动方式就会与地球的实际运动相似。实际上，这种陀螺的模型与进动现象极为相似。在每种情况下，绕轴线的旋转速度都远快于轴线本身的公转速度；而且这种缓慢的运动都是由于外部干扰所导致的。看到陀螺的示意图（图101）后，我们可能会问：为什么它不会掉下来？根据重力的作用，陀螺似乎不可能保持图中所示的位置。然而众所周知，只要陀螺在旋转，这种情况就是可能的。如果陀螺不旋转，它当然会掉下来。由此可见，陀螺的快速旋转改变了重力的作用效果，使得重力没有产生其看似必然的结果，反而导致了旋转轴线的缓慢锥形运动。这无疑是一个相当复杂的动力学问题，但通过实验很容易验证这一现象确实存在。如果将陀螺设计成旋转中心与其重心重合，那么重力就不会对陀螺产生影响，也就不会出现锥形运动。

如果地球没有受到任何外部干扰，那么它绕其轴线旋转的方向就应该永远保持不变；但由于轴线方向并非恒定不变，因此必须寻找某种能够产生观测到现象的干扰力。我们始终发现，天文学中的各种动力学现象都可以用万有引力定律来解释。因此，自然会想知道引力在多大程度上能够解释进动现象；为了简化问题，让我们考虑一个遥远的引力源对地球旋转可能产生的影响。

要回答这个问题，首先需要明确我们所说的“地球”究竟指什么；由于在大多数天文学研究中，我们将地球视为一个球形天体，因此我们将从这一假设出发。显然，地球的内部整体上比外部更重。因此，可以合理地认为，随着深度的增加，密度也会随之增加。同时，也没有足够的依据表明，在距离中心相同的位置上，地球的某一部分会比其他部分更重。所以在这类计算中，人们通常假设地球是由多个同心的球形壳层构成的，每个壳层的密度都是均匀的，而且从内层到外层的密度逐渐减小。

假设这样一个球体受到某个外部物体的引力作用，那么让我们来研究一下该外部物体可能产生的影响。例如，假设太阳对这样的球体施加引力，会产生怎样的运动呢？最显而易见的后果就是我们之前已经多次讨论过的、由开普勒定律所描述的：这种引力会迫使地球沿着以太阳为焦点的椭圆轨道绕太阳旋转。不过，目前我们并不关心这种运动。我们需要探究的是，太阳的引力能在多大程度上改变地球绕自身轴心的旋转。可以证明，太阳的引力根本无法扰乱地球的这种旋转状态。这一结论可以通过数学计算得到正式证明。不过，很明显，对称球体上任何远处点所产生的引力都必定通过该球体的中心；而太阳只不过是由无数个具有引力的点构成的巨大集合体，因此它只能产生相应的多股引力；这些引力都会通过地球的中心，所以所有这些引力共同作用所产生的合力也必然指向地球的中心。这样的力，无论还有其他何种影响力，都无法影响地球的旋转。如果地球是绕着某条轴线旋转的，那么这条轴线的方向就会始终保持不变；因此，当地球绕太阳旋转时，它仍会继续绕着一条始终与自身平行的轴线旋转。其他天体对地球的引力也不会比太阳的引力更有效。如果地球真如我们所假设的那样是一个对称球体，那么太阳和月亮的引力，乃至所有行星的引力，都永远不可能让地球的旋转轴线偏离其初始方向哪怕一秒钟。

这样一来，我们对“进动”成因的探索范围就大大缩小了。如果地球是一个完美的球体，那么进动现象就无法得到解释。因此，我们不得不寻找其他的解释。

地球并非完美的球体，这一特性导致了进动现象。我们已经证明事实确实如此：地球的赤道轴比极轴长，因此在赤道周围存在一个凸出的区域。外部天体的引力能够作用于这个凸起区域，从而迫使地球的自转轴改变方向。

在宇宙中，只有两种天体会对地球自转轴的进动产生显著影响，它们就是太阳和月亮。太阳与月亮在引发进动作用方面的贡献程度，并非乍看之下所能预料的那样。这一点值得仔细探讨，因为它体现了引力理论中极为重要的一个原理。

万有引力定律指出，一个天体所能产生的引力强度与其质量成正比，而与它到被吸引物体的距离的平方成反比。因此，我们可以比较太阳和月亮对地球的引力大小。太阳的质量大约是月亮的26,000,000倍；另一方面，月亮与地球的平均距离约为太阳与地球距离的1/386。通过简单计算就可以得出，太阳对地球的引力强度大约是月亮引力的175倍。正因如此，地球才会受到太阳极其强大的引力作用，围绕太阳沿椭圆轨道运动，而月亮则作为地球的附属物随之运动。

不过，当涉及到能够引发进动的那种特定引力效应时，用于计算引力强度的法则形式就有所不同了。在这种情况下，衡量引力强度的方法是将天体的质量除以该距离的立方。这一原理的完整证明需要借助数学公式，无法在这几页文字中阐述；不过，我们还是可以……

可以提出一个理由，帮助读者在一定程度上理解这一原理，不过这并不意味着能够证明该原理的准确性。显然，扰动体越接近地球，赤道处的凸起部分所提供的“杠杆作用”（如果可以用这个说法的话）就越大。因此，仅凭这一点，作用力的效率就会与距离成反比增加。而作用力本身的强度则与距离的平方成反比增加，所以，由于这两个原因，当距离减小时，该天体产生进动的能力也会随之增加。例如，假设扰动体与被扰动体的距离变为原来的一半，那么根据杠杆原理，其杠杆作用会翻倍；同时根据万有引力定律，作用力的强度则会变为原来的四倍。由此可见，在后一种情况下产生的效应一定是前一种情况的八倍。这实际上等价于说，一个天体产生进动的能力与距离的立方成反比。

正是这一因素使得月球具备了作为进动产生源的重要性，而仅凭其引力作用是无法做到这一点的。尽管太阳的质量是月球的26,000,000倍，但将这一数值除以两颗天体间距离的立方值（386）后，会发现月球的效应强度是太阳的两倍多。换句话说，进动运动的三分之一是由太阳引起的，三分之二则由月球引起。

为了研究太阳和月球同时作用所产生的共同进动效应，先分别考虑这两颗天体各自产生的效应会更为方便；由于太阳的情况更为简单，我们先从它开始分析。当地球沿着年度轨道绕太阳运行时，地球的自转轴指向天空中距离黄道极点23.5°的一个点。进动现象……

太阳的作用是使地球的极点不断旋转，同时始终保持与黄道极点相同的角距离；这样一来，就出现了图中所示的那种运动方式。由于黄道的位置在目前看来可以视为固定在空间中，因此黄道极点也就成了天球上的一个固定点；于是地球极点的运动轨迹必然是在天球上的一条小圆弧，其位置相对于周围的恒星来说是固定的。这种运动与转筒的运动极为相似——正是地球的引力作用迫使转筒做圆锥形运动。由于转筒的快速旋转，引力的作用方式发生了变化，根据重要的动力学原理，转筒的轴会沿着圆锥轨迹旋转，而不会像转筒不旋转时那样直接向下坠落。同样地，太阳的引力对地球赤道处的突起物的作用本应使地球轴的极点向黄道极点移动，但地球的快速旋转使得这种作用转变为进动这种圆锥形运动。

月球的状况则要复杂得多。月球围绕地球运行，其轨道位于某个平面上，而该平面自然也有一个天球上的极点。因此，月球的进动效应会导致地球轴的极点围绕天球上那个位于月球轨道极点处的点作圆周运动。该点距离黄道极点约5度。这样一来，地球的极点就受到两种不同运动的共同影响——一种是以黄道极点为圆心旋转，另一种则是以相距5度的另一个点为圆心旋转，那个点就是月球轨道的极点。看起来，地球的极点应该因为这两种独立的运动而产生某种复合运动。事实确实如此，但有一个需要特别仔细注意的点，它乍看之下似乎有些矛盾。我们已经知道，月球作为进动因素的作用力比太阳更强，因此人们可能会认为地球极点的复合运动会遵循某种特定的规律。

月球的轨道平面更接近于绕其轨道平面的极点旋转，而非绕黄道极点旋转；但实际上并非如此。如图所示，这种进动现象实际上表现为绕黄道极点的旋转。这正是那些令人惊叹的天文发现的起源——它们通过揭示自然界中最微妙的现象而让我们感到愉悦。

月球运行的轨道平面并非处于固定位置。此处我们并不特别探讨月球轨道平面发生变化的原因，但必须说明这种运动的特性。该轨道平面与黄道的倾角约为5°，这一倾角基本保持不变（仅在极小的范围内有所变化）；不过，两个平面之间的交线位置却在不断变化，而且变化速度极快，大约每18又2/3年就会完成一次循环。由于月球轨道平面的这种运动，其极点的位置也必然随之改变。因此，我们可以看出，月球的轨道极点实际上是在绕黄道极点旋转，始终保持着5°的固定距离，并在18又2/3年内完成一次旋转。由此可见，太阳与月亮对地球产生的进动效应之间存在巨大差异：太阳使得地球的极点围绕一个固定中心做圆周运动，而月亮则使得地球的极点围绕一个本身也在不断运动的中心做圆周运动。幸运的是，实际情况使得这个问题的复杂性大大降低。月球轨道平面的运动周期仅为18又2/3年，相较于整个进动过程约26,000年的周期而言，这已经算是非常快的速度了。因此，当地球轴线完成一次完整的旋转时，月球轨道平面的极点就已经旋转了大约1,400次。由于该极点实际所形成的锥体半径仅为5°，我们可以先取其平均位置作为近似值；但这一平均值……

当然，该位置就是它所描述的圆的中心——也就是黄道的极点。由此可见，月球的进动效应与太阳的进动效应共同作用，使得地球围绕黄道极点旋转。地球自转轴运动的那些显著现象，可以用极点沿圆形轨道做匀速旋转来解释；但如果我们仔细观察地球自转轴的轨迹，就会发现虽然总体上它呈圆形，但实际上却会描绘出一条曲折的线条，有时在圆的内侧，有时在圆的外侧。这种微妙的运动源于月球轨道极点位置的不断变化。这些波动的周期为18又2/3年，这与月球节点的公转周期完全一致。极点偏离圆形的距离仅为约9.2秒角——这一数值还不到球体半径的二十万分之一。这种现象被称为“章动”，是由布拉德利通过精妙的望远镜观测在1747年发现的。无论从理论意义还是观测精度来看，这一成就都堪称天文天才的杰作，贝塞尔也将布拉德利誉为“无与伦比之人”。进动和章动现象取决于地球本身的运动，而非地球内部自转轴的运动。因此，地球上任何一点到北极或南极的距离都不会受到这两种现象的影响。一个地方的纬度是指该地到地球赤道的距离，在26,000年的漫长进动周期中，这一数值保持不变。但近年来人们发现，纬度也会出现微小的周期性变化，幅度约为几十分之一秒角。这一现象最早是在1880年左右由柏林的库斯特纳博士指出的；而波士顿的钱德勒博士通过对多年来各天文台所积累的所有观测数据进行的深入分析，进一步证实了这一点。

地球上的每一点纬度都会发生双重振荡，一次振荡的周期为427天，另一次则约为1年，每次振荡的平均振幅为0.14弧度。换句话说，位于地球自转轴正延长线上的北极地区，并非完全固定不动；这条假想轴的末端会以复杂的方式移动，但始终会保持在距其平均位置几码的范围内。这一惊人的发现不仅为那些需要精确纬度数据的诸多天文研究带来了新的进展，理论分析也表明，这种变化的周期与“地球是绝对刚性物体”这一假设相矛盾。尽管这一假设在其他方面也被证明是站不住脚的，但钱德勒博士的这一发现仍对这一观点的验证具有极其重要的意义。

第二十五章 光的行差
恒星的实动与视动——如何区分二者——
行差会因恒星的位置不同而产生不同的效应——黄道极点——根据恒星的位置，行差会使它们看起来沿圆形、椭圆形或直线运动——所有椭圆的长轴长度都相等——这种运动该如何解释？——如何将其与年度视差区分开来？——地球运动轨迹的顶点——如何用光速来解释这一现象？——如何通过光的行差来测量太阳系的规模？

在本章中，我们将介绍一项具有深刻意义的发现，它以有力的方式阐释了天文学中的一些基本原理。对此的讨论自然可分为两部分：第一部分需描述该现象的本质，然后阐述光学特性所提供的极为精妙的解释。关于行差的望远镜观测及其解释，均归功于伟大的布拉德利。

在天文学中经常出现的“恒星”一词，其实应理解为有特定条件的恒星。就粗略的观测而言，恒星确实固定在各自的轨道上，星座的轮廓数世纪以来都不会改变；与行星不断运动的情况相比，将恒星称为“固定”的说法并无不妥。然而，在本书中我们已经多次指出，当考虑微小的量值时，“恒星”这一表述并不准确。借助现代仪器的精确测量手段，许多这样的微小量值已经可以被察觉，因此在天文学研究中必须始终将它们纳入考量。恒星的运动可大致分为两类：实动和视动。恒星的自行以及双星系统的公转，都属于这些天体的实动。

这些运动是每颗恒星所特有的，因此，即使两颗恒星在天空中的位置很接近，它们实际的运动方式也可能存在巨大差异。的确，有时某个区域内的恒星会呈现出相同的运动规律。这种现象表明，某个星群中的多颗恒星具有相同的实际运动方式。不过，除了这种例外情况外，恒星的实际运动似乎并不遵循任何规律，那些快速移动的恒星则随机分布在天空的各个角落。

恒星的视运动则具有不同的特性，因为每颗恒星的运动都由其在天空中所处的位置决定。正是通过这种方式，我们才能区分恒星的实际运动与视运动，并了解这两种运动的特征。

在本章中，我们仅探讨恒星的视运动，而这类运动共有三种，分别由岁差、章动和视差引起。每种视运动都遵循其自身的规律，因此我们可以分析整体的视运动，进而确定岁差、章动和视差各自对视运动的贡献程度。这样一来，我们就能将视差的影响单独分离出来，就好像它是导致恒星视位移的唯一因素一样。通过数学计算与天文观测相结合的方法，我们就可以清晰地研究视差的作用，就如同恒星没有受到其他运动的影响一样。

如果我们只关注视差现象，那么就能描述视差对天空中不同区域恒星的具体影响，从而确定视差作用所遵循的规律。一旦掌握了这些规律，我们就能用光速来解释这些规律。

在天空的某个特定区域内，视差的作用表现得极为简单，而在其他地方则不会出现这种情况。这个区域位于……

在天龙座中，即黄道极点处。在这个极点或其附近区域，每颗恒星都会因为视差效应而在天空中画出一个圆圈。这个圆圈的尺寸极其微小；大约需要2000个这样的圆圈才能拼出与月亮面积相当的区域。用天文学中的术语来说，这个小圆的直径约为40.9角秒。虽然这个数值在肉眼看来很小，但在目前的望远镜观测技术下，它其实具有相当大的意义。它不仅大到可以被观测到，而且还可以以极高的精度被测量出来，精确度甚至可以达到总长度的百分之一。此外，还发现每颗恒星绘制其小圆圈的时间都完全相同，而这个时间恰好是一年，也就是地球绕太阳公转的时间。研究发现，这一区域内的所有恒星，无论大小、单星还是双星、白色还是彩色恒星，它们所对应的圆圈大小都是一样的，且绘制这些圆圈的时间也相同。仅凭这一点就可以看出，这种现象的原因不可能在于恒星本身。这种不同亮度、不同距离的恒星所表现出的一致性，需要一个更简单的解释。

进一步研究不同区域的恒星，为这一现象带来了新的见解。当我们远离黄道极点时，仍然会发现每颗恒星都呈现出与之前所讨论的恒星相同的年度运动规律。不过，有一点有所不同：恒星的视运动轨迹不再是圆形，而是椭圆形。不过很快人们就发现，这种椭圆的形状和位置遵循着这样一个简单规律：恒星离黄道极点越远，椭圆的偏心率就越大。那些与极点距离相同的恒星，其椭圆的偏心率是相等的；而椭圆的轴线中，较短的那一条始终指向极点，较长的那条则自然垂直于极点。不过，无论偏心率有多大，长轴的长度始终保持不变，它始终约为40.9角秒——也就是极点处视差圆的直径。当我们继续远离极点时……

在黄道的两极，我们发现每颗恒星所描绘的轨迹都越来越偏心，最终，当观察位于黄道上的恒星时，其轨迹所形成的椭圆已经变得极为扁平，几乎变成了一条直线。所有位于黄道上的恒星都会沿着黄道来回摆动，振幅为40.9角秒。半年时间即可完成一次往返，另一半时间则让恒星回到原来的位置。而对于位于黄道南侧的恒星，同样的变化过程则以相反的顺序发生：原本呈直线的轨迹逐渐变宽，不过长轴长度仍保持不变，最终，靠近黄道南极的恒星所描绘的轨迹也会变成圆形，其大小与靠近黄道北极的恒星所描绘的轨迹相同。

所有这些椭圆的长轴长度都相等这一事实，进一步提示我们可以对模型进行简化。假设无论是在黄道两极还是其他位置的恒星，都沿着完全圆形的轨道运动，而且所有这些圆的半径都相同，同时也都与黄道平面平行。不难看出，这样的简单假设就能解释我们所观察到的现象。当然，位于黄道两极的恒星所描绘的圆形轨迹会直接朝向我们，因此我们可以清楚地看到它们是在做圆周运动。而那些远离黄道两极的恒星所描绘的圆形轨迹则只能以侧面的方式被观测到，因此它们看上去的轨迹就是椭圆形的，这与我们的实际观测结果一致。我们甚至可以计算出这种假设所要求的椭圆率，结果发现它与实际观测到的椭圆率相符。最后，当我们观察那些真正沿黄道运动的恒星时，它们所描绘的圆形轨迹同样只能以侧面的方式被观测到，因此这些恒星看上去就只是在做直线运动而已。由此可见，所有观测到的现象都与这样一种假设完全吻合：天空中数以百万计的恒星每年都会各自行进一段圆形轨道；而且无论恒星距离我们远近如何，这个圆形轨道的视直径始终不变，且始终位于与黄道平面平行的平面上。

我们现在已把观测到的事实整理成一种便于分析这种规律性运动成因的形式。为何每颗恒星似乎都在沿着一个小圆周运动？为何这个圆周会与黄道面平行？为何其运动周期恰好为十二个月？这就让我们想到了地球绕太阳的运动——这种运动发生在黄道面上，且一年即可完成一次。这些巧合如此明显，以至于我们几乎不得不将恒星的这种表观运动与地球绕太阳的年度运动联系起来。如果两者之间没有关联的话，那么所有恒星的运动轨道都平行于黄道面，且每颗恒星绕其轨道运行一周的时间都与地球绕太阳运行一周的时间相同，这种情况的出现概率就极低了。由于这两个条件都得到了满足，因此这种关联的存在概率几乎为无限大。

于是，一个重要的问题出现了：为何地球绕太阳的运动会与这种普遍存在的恒星运动以如此显著的方式相关联？这里有一个显而易见但可以排除的点。在之前的章节中，我们已经讨论过恒星的年度视差问题，并说明了由于年度视差的作用，每颗恒星实际上都在沿着椭圆轨迹运动。进一步可以证明，这些椭圆实际上就是与黄道面平行的圆；因此我们可能会轻易地认为年度视差就是布拉德利所发现的这种现象的成因。然而，有一个事实可以推翻这一观点：由于年度视差而产生的恒星运动轨迹的半径取决于该恒星的距离，因此不同恒星对应的轨迹半径也各不相同，这正好反映了它们之间距离的差异。而光行差现象则明确表明，无论恒星的距离如何，其运动轨迹的尺寸都是相同的，因此年度视差无法为这一现象提供合理的解释。此外还应当注意的是，由年度视差引起的恒星运动幅度远远小于由光行差引起的运动幅度。目前还没有任何已知的恒星其运动轨迹是圆形的。

由于年度视差而产生的路径，其直径仅为由光行差所形成的圆的二十分之一；实际上，在绝大多数情况下，恒星的视差值是极其微小的，几乎可以忽略不计。

然而，视差路径与光行差路径之间还存在一个更为严重且无法克服的差异。为简化问题，我们假设有一颗位于黄道极附近的恒星，无论从视差现象还是光行差现象来看，它都似乎每年都在一个圆周上旋转。随着地球的转动，这颗恒星也似乎在旋转；因此，地球轨道上的每一个位置都对应着恒星在其圆周上的某个特定位置。如果这种运动是由年度视差引起的，那么对于地球的任意位置，恒星的位置就很容易确定。但实际上，布拉德利所观测到的恒星位置从来不是视差理论所预测的那样，而是位于其小圆周上距离该位置四分之一段的距离处。

有一个简单的规则可以用来确定由光行差产生的恒星位置：从椭圆的中心画出一条与地球在某一时刻运动方向平行的半径，这条半径的末端就是恒星所在的位置。经过对所有季节以及所有恒星的验证，这一规律始终成立，它也为我们提供了解释这一现象的正确方法。

我们也可以用另一种方式来阐述光行差的影响，这样就能更清楚地看出这一现象与地球绕日运动之间的关联。当地球沿着轨道每年绕太阳运行时，它在任何时刻的运动方向都可以看作是指向黄道上的某一点。这一天又一天，甚至一小时又一小时，这一点会逐渐沿黄道移动，最终在一年内完成一圈。不过，在每一时刻，地球的运动方向始终指向天球上的某一点。实际上，这一点就是：如果此时太阳的引力消失，地球将会持续朝其移动的方向前进的点。事实证明，这一点与……有着密切的联系。

这种现象就是视差。实际上，视差就相当于将每颗恒星从其平均位置向所谓的“地球轨道顶点”移动——有时也会用其他名称来称呼这个点。通过观察还可以发现，视差的程度取决于该恒星与顶点的距离。如果某颗恒星恰好位于黄道面上，而地球轨道顶点也与该恒星重合，那么它就不会因为视差而偏离其平均位置。所有距离顶点10°的恒星，其偏移量都相同，且偏移方向都是朝向顶点。距离顶点20°的恒星，其偏移程度会更大，但方向依然仍是朝向顶点；而所有处于相同距离处的恒星，其偏移量也是一样的。从顶点开始，再往外延伸到距离其为90°的恒星处，此时偏移量将达到最大值。这些恒星都会偏离其平均位置约20秒角，但无论如何，都遵循着这样一个规律：恒星偏离其平均位置的方向始终是朝向地球轨道顶点的。这样，我们就给出了关于视差现象的两种不同描述。在第一种描述中，我们把恒星的运动视为沿着微小的圆形路径移动；而在另一种描述中，则认为视差只是恒星根据特定规律从其平均位置发生偏移而已。这两种描述并不矛盾，实际上在几何意义上它们是等价的；不过第二种描述更为精确，因为它能够明确指出在任何特定时刻，某颗恒星因视差而产生的偏移方向和程度。

现在，问题已经变得非常明确：究竟是什么使得每颗恒星似乎都在向地球运动的方向靠拢呢？要找到答案，就需要仔细研究我们在望远镜中观测恒星时的具体情况。

来自恒星的光线会照射到望远镜的物镜上；这些光线原本是平行的，经过物镜后会汇聚到仪器目镜附近的焦点上。首先假设望远镜处于静止状态，那么如果将望远镜直接对准某颗恒星，这些光线就会在视野的中心点汇聚在一起。

在望远镜中，有一对交叉的导线，它们的交点决定了望远镜的轴线。然而，如果在光线通过物镜之后再移动望远镜，情况就会发生变化：光束在望远镜管内的传播路径仍会像之前一样保持直线，最终也会聚焦在同一个点上。但由于望远镜已经移动，那对交叉导线自然也会随之移动，它们不再位于原来的位置，因此星星的影像也就不会再与它们的交点重合。

望远镜的移动源于它与地球的连接：由于地球以每秒18英里的速度运动，望远镜必然会以相同的速度发生位移。起初人们可能会认为，在光线从物镜传到目镜的极短时间内，望远镜的位置变化微乎其微，难以察觉。例如，假设星星位于黄道极附近，那么由于地球的运动，望远镜将会沿着与其长度垂直的方向移动。如果望远镜的管长约为20英尺，那么可以很容易地计算出，在光线穿过望远镜管的时间里，地球的运动会使望远镜移动大约四十分之一英寸的距离。[42]这一距离完全可以通过目镜的放大功能准确测量，因此星星位置的这种偏移是显而易见的。由此可见，如果我们希望星星显示在仪器的中心位置，就不能将望远镜直接对准星星——就像地球静止时那样——而必须将望远镜指向比星星真实位置稍靠前的地方；而由于我们是通过望远镜的指向来确定星星的视位置，因此地球的运动实际上会改变星星的视位置。

星星位置变化的每一个现象都可以用这种方式得到完整解释。例如，每颗星星似乎都会沿着一条小的圆形路径移动。为简化问题，我们仅以位于黄道极的星星为例。假设望远镜确实对准了该星星……

正如我们所展示的，当恒星处于某一位置时，其影像会距离交叉线四十分之一英寸。这一距离保持不变，但每晚恒星相对于交叉线的方向都会发生变化，如此一来，在一年之内它就会绕行一周并回到原来的位置。我们不必继续计算其他恒星的相关数据；只需说明，地球的运动速度已足以解释这些现象，从而证明了光行差理论的正确性。

接下来需要提及一个极为重要且有趣的问题。我们已经知道，可以通过天文观测来测量光行差的数值。光行差的大小取决于光速以及地球运动的速度。我们可以利用第十二章中已经介绍过的方法，通过独立的测量来确定光速。这样一来，我们就能计算出地球应有的运动速度，因为只有当地球的运动速度与测得的光速相结合时，才能得到实际的光行差数值。一旦确定了地球的速度以及一年的长度，就可以很容易地算出地球轨道的周长，进而得出地球的半径——也就是地球到太阳的距离。

这确实是一个惊人的结果，它充分体现了各种科学现象之间紧密的联系。我们在实验室里进行实验，测定光速；观测恒星，测量光行差；再将这些结果结合起来，从而推算出地球到太阳的距离！虽然这种测定太阳距离的方法非常巧妙，且具有相当的精确度，但它仍不能被视为一种毫无瑕疵的推算方法。理想的测量方法应当基于纯粹的测量操作，而不应涉及复杂的物理原理。不过，我们仍然必须将布拉德利发现光行差这一成就视为极其出色且令人赞叹的成果，因为它

它不仅极大地提升了实际天文学中的计算精度，还将几种极具研究价值的物理现象联系在了一起。

第二十六章 热量的天文学意义
热量与天文学——热量的分布——地球中的热量——其他天体中的热量——温度的多样性——冷却定律——太阳的热量——其温度能否被测量？——与太阳体积相关的辐射——太阳会耗尽其能量吗？——目前并未出现显著变化——关于太阳热量变化的地质学证据尚不可靠——太阳的冷却过程——太阳不可能仅仅是一个正在冷却的炽热固体——燃烧现象无法解释这一现象——部分热量来自陨星物质，但这不足以维持太阳的热量——受热的气体球体的收缩现象——一个看似矛盾的现象——能量守恒定律——星云理论——支持该理论的证据——星云理论的恒星学依据——赫歇尔对恒星聚集现象的看法——在我们目前的观测范围内，星云并未显示出任何变化。

在一本天文学著作中，有一部分内容使用本章标题来命名，这或许会让一些读者觉得有些不寻常，甚至认为不合适。有人可能会说，热量问题不过是实验物理学的研究范畴而已，它怎能与关于天体及其运动的论述相联系呢？不过，这类反对意见如今已无需再考虑了。最近关于热量的研究不仅表明热量对天文学有着重要影响，而且实际上还是塑造宇宙现有形态的关键因素之一。如今，任何一部天文学著作若不阐述热量定律与由此产生的天文现象之间的密切关系，都是不完整的。

在探讨行星运动、开普勒定律，或是月球的运动、恒星的自行、双星系统的旋转时，我们都是基于这样一个假设：我们所研究的物体都是刚性粒子，而……

这些粒子是热态还是冷态，似乎并无特别重要的意义。毫无疑问，无论行星是热态还是冷态，也无论太阳的温度如何，我们这个系统中的那些常规周期性现象——比如遵循开普勒定律运行的行星运动——都将会持续存在数以亿计的岁月。不过必须承认，热力学定律在这些规律的表述中引入了一些变化。热的作用可能不会立即显现出来，但它们确实存在，并且一直在起作用；随着时间的推移，它们足以在宇宙中引发最巨大的变化。

让我们简要回顾一下使得热具有如此强大力量的各种因素。首先看看地球：目前看来，至少在其表面，地球似乎是一个没有内部热量的天体；但仔细观察就会打破这种看法。地球上存在着火山、间歇泉和温泉等现象，这表明地球内部的热量强度远远超过地表上的热量。这类现象遍布地球的不同区域。虽然它们的成因仍有很多未解之谜，但没人能否认它们的存在意味着地球内部存在着大量的热能。显然，地球深处到处都有热量存在。如果我们把温度计放入深矿井中，会发现其显示的温度高于地表温度；越往深处，温度就越高。如果这种温度上升趋势一直持续到我们无法到达的地球深处，那么可以推断，在地表下二十或三十英里处，温度应该与红热的铁块相当。

在其他天体上，我们也发现了大量证据，表明它们曾经或现在存在着热量。正如我们已经提到的，月球就是一个非常典型的例子，它显然曾经经历过极高的温度。其表面的那些异常巨大的火山无疑证明了这一点。同样，这些火山已经沉寂了很长时间，因此无论月球的内部状况如何，其表面现在已经冷却下来。再把视野扩大到其他大型行星上……

木星和土星表明，它们的温度仍然远高于地球的温度；而当我们观察太阳时，会看到它处于极度炽热的状态，其发光强度是我们最强大的熔炉也无法企及的。各种恒星也与太阳一样，是通过热量发光的；至于星云中的那些天体，除非我们认为它们也拥有热量，否则我们很难理解它们的存在。

从对宇宙中各种天体的简要观察中，我们可以得出一个显而易见的结论：虽然我们对宇宙中某个特定天体的实际温度可能存有疑问，但不同天体之间的温度差异却是毋庸置疑的——有些天体比其他天体更热。恒星和太阳或许是最热的，不过，宇宙中那些寒冷且黑暗、对我们来说不可见的天体数量可能远远超过它们，而这些天体只是以间接的方式显示出自己的存在。

冷却定律告诉我们，所有天体都会释放热量，而且当天体的温度相对于周围环境升高时，它释放的热量也会增加。这一定律似乎具有普遍性——在地球上它成立，那么在太空中的其他天体也应同样遵循这一定律。因此，我们可以看到，每一颗行星和每一颗恒星都在不断地向各个方向释放着源源不断的热量。这种热量的辐射会产生极其重要的后果。让我们以太阳为例来研究这些后果吧。

我们的这颗巨大光源不断地向各个方向释放着大量的热辐射。其中仅有极微小的一部分被地球截获，而这部分热量直接或间接地成为了地球上所有生命以及几乎所有运动的源泉。要想像太阳那样持续释放热量，它的温度必然极高。有一些事实可以帮助我们估算出它的实际温度。

很难用具体的数字来描述太阳的实际温度。其温度之高远远超过人类所能制造出的最高温度，因此试图用数字来表示这一数值必然会存在很大的不确定性。不过，如果将人类能制造出的最高温度定为约4,000华氏度，那么将太阳的有效温度定为约14,000华氏度应该是相当准确的。这是威尔逊和格雷先生们最近的研究结果，这一结果似乎具有很高的可信度。

太阳释放出的大量热量与其极高的温度密切相关。我们可以用多种方式来表示热量的大小，但必须记住，这类测量仍然存在很大的不确定性。以传统的通过冰融化量来测量热量的方法为例：据计算，如果有一层厚度为43.5英尺的冰层包围着整个太阳，那么在1分钟内它就会被太阳的热量完全融化。约翰·赫歇尔爵士也给出了一个更为形象的说明：如果有一个直径为45英里的圆柱形冰川以光速不断向太阳移动，那么这个冰川的末端会随着它的前进而迅速融化。太阳表面每平方英尺所释放的热量，相当于16吨煤每天燃烧所产生的热量。实际上，如果将这些热量转化为功，足以让一台数百马力的发动机持续运转一整年。太阳上几英亩面积所释放的热量，就足以驱动世界上所有的蒸汽机。考虑到太阳表面每平方英尺所辐射的热量之巨大，再加上太阳本身的巨大体积，我们实在难以想象太阳实际释放的热量究竟有多大。

面对太阳如此惊人的热量释放，我们不禁会提出一个对地球及其居民而言极为重要的问题。我们时时刻刻都依赖于太阳的慷慨供给；而

因此，我们有必要了解自己拥有何种保障，才能确保太阳继续给予我们恩惠。每当看到太阳每小时释放出的巨大热量时，我们不禁会思考：这颗巨大的光源是否正在耗尽其能量？如果真是如此，那未来的前景又会如何呢？对于这个问题，我们可以给出部分答案。整个话题确实极具趣味性，也体现了现代科学思维的精神。

要探讨这个问题，首先需要依据那些能够获得的事实。我们想知道太阳是否出现了任何衰败的迹象。现在的白天是否还像去年、十年前、一百年前那样温暖明亮？从有记录以来，我们并未发现任何变化。如果在过去两千年里太阳的热量发生了明显变化，那么我们应该能看到动植物分布上的相应变化，但实际上并没有这样的变化出现。没有理由认为古希腊或古罗马的气候与我们今天所知的希腊和罗马的气候有显著差异——葡萄树和橄榄树依然生长在两千年前它们生长的地方。

不过，我们也不应过分强调这一论点；因为太阳热量微小变化所带来的影响，可能已被栽培植物中那些具有适应能力的生物所抵消了。我们所能确定的只是，在历史时期里太阳的热量并没有发生显著变化。但当我们回溯到更早的年代时，就会发现大量证据表明地球的气候曾经发生过巨大变化。关于这一点，地质记录几乎不可能被误解。不过奇怪的是，这些变化似乎并不可能是由太阳辐射逐渐减弱所导致的。毫无疑问，在非常古老的时期，地球的气候肯定比现在要温暖得多。比如石炭纪时期，北极地区的温度几乎接近热带水平。然而，这很难被视为太阳当时能量更强的证据；因为我们会立刻想到冰河时期，那时……

温带地区被厚厚的冰层覆盖，就像现在的北格陵兰岛一样。如果我们认为太阳当时的温度比现在更高，这样才能解释那些形成煤的植被；那么为了说明冰河时期的存在，我们就必须认为太阳当时的温度比现在更低。将这类现象归因于太阳辐射强度的波动是毫无道理的。冰河时期的事实表明，我们无法用地质学来支持“太阳正在逐渐冷却”这一观点。气候的地质变化可能是由地球本身的变化或其轨道的变化所引起的；但无论其原因是什么，它们都难以为我们提供关于太阳过去历史的有效信息。

太阳的热量已经持续了无数个时代，但我们却不能认为太阳本身具有产生热量的能力。我们必须将我们在地球上通过实验所发现的规律应用到太阳这个巨大的质量上。我们必须追问：究竟有什么力量能够提供如此大量的热量？让我们简要回顾一下各种不同的假设。

把两个烧红的铁球并排放在一起，一个大的，一个小的。它们来自同一处火源，初始温度相同，都在冷却，但小球的冷却速度更快。它很快就会变暗，而大球则仍然发亮，还会继续发光数分钟。球体越大，冷却所需的时间就越长；因此有人认为，像太阳这样巨大的球体一旦被加热，会逐渐冷却，但由于冷却时间极其漫长，它仍能数千上万年来为行星系统提供光和热。不过这一假设经不起数学上的检验。如果太阳的热量仅来源于其高温，那么我们可以计算出，辐射作用会使太阳每年降温几度。如此一来，两千年后太阳的温度就会下降很多。而我们确信，实际上并没有出现这样的降温现象。太阳辐射的来源不可能仅仅在于炽热物质的自然冷却。

太阳中的火焰能否通过燃烧来维持，就像我们炉子里的燃烧过程那样？这里似乎存在着巨大的热源；但数学计算也否定了这一假设。我们知道，即便太阳是由固体煤构成的，而且这些煤在纯氧中燃烧，所产生的热量也仅够维持6000年。如果建造大金字塔时所看到的太阳从表面到核心都是固体煤的话，那么为了维持目前的能量消耗速度，它早就应该被大量烧尽了。因此，我们不得不寻找其他热源来解释太阳的热量来源，因为无论是炽热产生的热量还是燃烧产生的热量都不足以满足需求。

很可能——事实上，我们可以肯定地认为——太阳的热量来自某个外部来源。我们需要仔细研究这个来源，不过我觉得它只不过是一个作用微不足道的辅助因素罢了。根据这种观点，太阳的热量会因有大量陨星物质坠落到太阳表面而得到补充。毫无疑问，确实有这样的陨星坠落到太阳上；如果真是如此，太阳必然会因此获得一些热量。在地球上，我们有非常有趣的例子可以说明陨星物质如何产生热量。流星中蕴含着丰富的哲学意义。这些无数的天体中，有些会冲入我们的大气层然后消失；无疑，还有些会冲向太阳，结局也是一样的。我们也承认，当流星进入太阳的大气层时，必然会伴随光亮和热量的产生。地球从流星穿过大气层时产生的热量其实微乎其微。然而，人们认为太阳从同一原因获得的能量则可能相当可观——甚至有人认为太阳可以借此重新获得能量。

在这里，我们同样需要运用严谨的重量与测量原理来评估这一假设的合理性。首先，我们要计算出足以维持太阳运转的陨星物质的实际重量。

太阳目前的辐射强度极为强大。所需的质量大到无法用传统的重量单位来表示，我们必须使用极其庞大的数值来描述它。幸运的是，月球的重量恰好是一个合适的度量单位。试想，如果把直径达2000英里的巨大月球粉碎成无数碎片，然后让这些碎片坠向太阳，那么毫无疑问，这样的陨石雨所带来的热量将远远超过太阳一年所需的能量。再以地球为例，假如将其粉碎成尘埃并让这些尘埃以巨大的规模坠向太阳，那么每一块尘埃都会立刻释放出大量热量，所有这些热量加起来足以让太阳以目前的辐射强度持续发光近100年。如果用同样的方式处理木星，其产生的陨石雨的规模将会随着木星质量与地球质量的差距而进一步增大。如果木星坠入太阳，所产生的热量足以烧毁整个太阳系；而所有行星共同产生的热量，如果能够得到合理利用，则足以让太阳以目前的辐射强度持续发光45,000年。

必须记住，虽然月球可以提供一年的热量，木星可以提供30,000年的热量，但实际问题并非太阳系是否能够为太阳提供足够的热量，而是它是否真的能做到这一点。难道每年都有与月球质量相当的陨石坠入太阳吗？这才是真正的问题，而我认为答案必是否定的。可以证明，太阳在一年内能够捕获的陨石数量仅占总量的极小一部分。因此，如果每年都有相当于月球质量的陨石坠入太阳，那就意味着有难以想象的巨大数量的陨石在太阳系中四处漂浮。这样的陨石数量之多，以至于地球会不断遭到它们的撞击，温度也会升高到无法居住的程度。此外，还有其他原因也排除了太阳系附近存在如此大量陨石的可能性。

太阳。这类物质会对水星的运动产生显著影响。毫无疑问，水星的运动中存在一些尚未得到完全解释的异常现象，但这些异常现象的幅度远远小于那些由足够数量的陨星物质所导致的异常程度。因此，天文学家认为，虽然陨星或许能为太阳的能量消耗提供一定帮助，但大部分能量仍需来自其他来源。

现代科学的一项成就便是解决了这个问题——它解释了为何在如此强烈的辐射作用下，太阳依然能够保持其温度。这个问题在阐述上确实存在难度，但由于其重要性极高，我们不得不尝试去解答它。

让我们想象宇宙中有一个巨大的热气体球体。这一假设并非毫无根据，因为实际上确实存在类似结构的球体，它们就是所谓的行星状星云。这个球体会释放热量，而且我们假定它释放的热量比从其他天体那里接收到的热量还要多。这样一来，这个球体就会失去热量，但认为它的温度一定会下降则是不正确的。事实上，情况恰恰相反，这一现象乍看之下似乎很矛盾，但实际上却是热学与气体定律的必然结果。

让我们把注意力集中在位于球体表面的那部分气体上。显然，这部分气体会受到球体其他部分的引力作用，从而向球心方向移动。如果要保持平衡，这种趋势就必须被下方气体的压力所抵消；因此，重力越大，压力也就越大。当这个气体球体通过辐射失去热量、温度随之下降时，由于气体压力会随温度降低而减小，所以气体表层下方的压力也会下降，而重力则保持不变。其结果便是……

引力必然会战胜压力，因此气体球体将会收缩。不过，我们还可以从另一种角度来理解这个问题。我们知道热量等同于能量，所以当气体球体释放热量时，它就必须消耗能量。这部分能量来自气体的温度；而另一部分——在某些方面更为重要——则来自于气体粒子之间的间距。如果让这些粒子靠得更近，那么由间距产生的能量就会减少，而释放出来的能量就可以以热量的形式存在。但这种粒子间的聚集必然会导致气体球体收缩。

接下来是这个现象带来的惊人结果，它在天文学中有着非常重要的应用价值。随着气体球体的收缩，其粒子间间距产生的能量会转化为热量；这些热量有一部分会被辐射出去，但其速度却赶不上收缩所产生的热量。因此，尽管气体球体确实在失去热量并收缩，其温度实际上却在上升。[43] 一个简单的例子就能证明这一看似矛盾的结果。假设由于收缩，气球的直径变为原来的一半；我们以质量中任意一点处的1立方英寸气体为例。收缩后，该立方体的每条边长度都会变为半英寸，因此体积也会变为原来的1/8。根据气体定律，如果温度保持不变，压力与体积成反比，所以此时立方体内的压力将会增加8倍。然而，在当前情况下，每个粒子之间的距离都变为原来的一半，因此粒子间的引力也会增加4倍；同时面积也变为原来的1/4，这样一来，缩小后的立方体内的压力将会增加16倍。但我们已经知道，在温度不变的情况下压力只会增加8倍，所以温度不可能保持不变，而必须随着收缩而上升。

于是我们得到了一个颇为惊人的结果：在太空中，一个会释放热量因而逐渐缩小的气态球体，其温度实际上却在不断上升。不过，有人可能会说，这种情况不可能永远持续下去。难道我们要认为这个气态物质会一直收缩下去，温度也会越来越高，同时释放出的热量也会越来越多吗？这种状况的极限究竟在哪里呢？随着物体不断收缩，其密度必然会增加，直到它变成液体或固体，或者至少不再遵循我们所假设的纯气态物质的规律。一旦这些规律不再适用，上述推理也就不再成立；此时热量的流失确实会导致温度的下降，最终该物体的温度会降至与周围空间相同的水平。

我们并不认为这一推理可以完全适用于太阳目前的状况。目前太阳的密度极高，以至于气体定律已无法严格适用。不过，有充分的理由相信，太阳曾经比现在更处于气态；或许在某个时期，它的状态足够气态化，使得这一推理能够完全适用。目前看来，太阳正处于从气态向固态转变的中间阶段。因此，我们无法断言太阳的温度确实会随着收缩而上升。这可能是真的，也可能不是；我们没有办法确定这一点。不过，我们可以肯定的是，太阳仍然具有足够的气态特性，因此仍会在一定程度上出现因收缩而导致的温度上升。不过，由于部分固态物质会释放热量，从而导致温度下降，这种温度上升可能会被部分或完全抵消。显然，如果一种原因造成的温度下降与另一种原因造成的温度上升几乎相互抵消，那么太阳的冷却过程就会极其缓慢。毫无疑问，这正是我们没有发现太阳的辐射强度有明显变化的历史证据的原因所在。

这个问题极具研究价值，或许值得从不同的角度来探讨。太阳内部蕴藏着一定的能量，其中一部分会以辐射热的形式不断流失。留在太阳内的能量也会发生性质上的变化——部分能量转化为热能，这些热能要么全部、要么部分用于弥补因辐射而造成的能量损失。不过，太阳的总能量必然是在减少的；因此，似乎太阳总会在某个时候耗尽其能量，从而不再成为光和热的来源。的确，太阳收缩的速度非常缓慢，我们实际上无法精确测量其体积的减小程度。这一变化极其微小，以至于自精确天文学诞生以来，太阳的收缩幅度还远远不足以通过望远镜观测到。不过，如果我们假设因收缩而损失的能量恰好能够满足太阳每日的辐射需求，那么就可以计算出太阳体积的收缩程度。考虑到太阳目前的尺寸，这种变化其实非常微小。目前太阳的直径约为86万英里，如果每年其直径减少约300英尺，所产生的能量就足以解释所有的辐射现象。这种逐渐收缩的过程一直在持续着。

当我们回溯历史时，这些思考就显得尤为重要了。如果现在太阳确实在收缩，那么在过去，它的直径肯定比现在要大。根据现有的数据推算，一百年前太阳的直径比现在大约大6英里；一千年前则大57英里；一万年前则大570英里。当人类首次出现在地球上时，太阳的直径很可能比现在大数百甚至数千英里。

不过，我们不应过分夸大这一现象的重要性。太阳的直径实在巨大，即便缩小1万英里，也仅相当于其直径的百分之一多一点而已。如果太阳突然……

即使太阳的半径缩小到1万英里，这种变化在普通观察下也是难以察觉的；不过，如此微小的变化依然无法逃过精密的天文测量。这并不意味着地球在远古时期的气候就一定与今天有很大不同，因为气候状况还取决于阳光之外的其他因素。

我们无需在任何特定的时代就停止回溯。我们可以继续往更早的时期前进，穿越地质学家所认为的岩层沉积所需的漫长岁月，甚至再往前追溯到生命刚刚在地球上出现的最初阶段。但我们仍然没有理由认为太阳热量逐渐减弱的规律会失效；因此，根据我们目前的知识，似乎可以推断：随着回溯的时间越久远，太阳的体积就会越大。我们无法假设这种膨胀的速度始终不变——其实也没有必要这样假设；只要能够发现，随着时间不断回溯，太阳的体积确实在不断增大，那就足够了。如果宇宙中的现状已经持续了足够长的时间，那么似乎曾经有过太阳体积是现在两倍的时候，甚至可能是现在的十倍。至于那是在多久以前，没人能给出确切答案。但我们不能停留在太阳体积仅为现在十倍的阶段，因为在更早的时期，同样的规律依然适用。我们会看到太阳不断膨胀，其密度则相应降低，最终取而代之的将是一个占据巨大空间范围的巨大星云，而非我们所熟悉的太阳。

事实上，这就是拉普拉斯在著名的“星云说”中所提出的关于我们太阳系起源的理论。不过，这终究只是一种推测而已——既无法通过观测来证实，也无法通过计算来证明。它只是一种或然性较高的猜想，但如果我们目前所理解的熱学定律允许在这里应用极端的情形，且宇宙的现状也确实如此的话，那么这种猜想或许在某种程度上是必然正确的。

在目前尚不为人知的任何外部因素干扰下，它持续存在了足够长的时间。这一星云理论并不仅适用于我们太阳的历史；同样的推理也可以应用于各个行星——我们所回溯的时间越久，整个系统的温度就越高。人们认为，如果能够回溯到更早的时期，就会发现地球的温度已经高到无法支持生命存在；再往更早追溯，地球以及所有行星都会变得通红；而再往更久远的过去，行星们的温度将会与现在的太阳相当。在更早期的阶段，整个太阳系被认为是一团巨大的发光气体，而现在的太阳、行星及其卫星则是从这团气体中逐渐演化而来的。我们无法确定事情的发展确实如这里所描述的那样，但有足够的理由认为这一理论大致反映了实际发生的情况。

太阳系中的许多特征都与星云理论所提出的起源假说相吻合。在前面的章节中，我们已经提到过所有行星都是以相同的方向绕太阳旋转的。此外，各行星自转的方向以及卫星绕其主星运行的方向也都遵循相同的规律，不过天王星和海王星系统存在两个细微的例外。如此显著的巧合自然需要某种物理上的解释，而星云理论正好可以提供这样的解释。假设在无数个世纪之前，有一团巨大的星云正在缓慢旋转并收缩。在收缩过程中，星云中的部分凝聚物质会被留下来。这些物质会继续围绕中心质量旋转，而且每一部分都会以相同的方向自转。随着收缩的进行，根据动力学原理，它们的旋转速度会逐渐加快；最终这些物质就会凝聚成行星，而中心质量则逐渐收缩形成太阳。通过类似的过程，但在更小的规模上，也就形成了卫星系统。

它们是由原始星云演化而来的。这些卫星也会以相同的方向旋转，这样一来，太阳系的诸多特征便可以得到解释。

通过对恒星天体的研究，太阳系起源于星云的观点得到了有力的支持。我们之前已经讨论过太阳与恒星之间的相似性。既然我们的太阳经历了星云理论所描述的那些变化，那么我们是否可以预期其他恒星也会出现类似的现象呢？如果真是如此，那么就有理由认为某些恒星的演化程度可能还不及太阳，因此我们或许能够观察到处于早期发展阶段的恒星。让我们看看望远镜能在多大程度上验证这些预期。

大型望远镜的视野中通常会看到许多散布在黑色夜空背景上的恒星；不过，背景的黑暗并非完全均匀——经验丰富的观测者能够察觉到天空中某些区域存在微弱的光亮。这种光亮有时会遍布整个视野范围，甚至会覆盖多个视野区域。数年过去后，这种情况依然没有变化。这显然不是幻觉，因此可以得出结论：那是一大团发出微弱光亮的气体或蒸汽。这就是最简单的星云类型，其特点是极其暗淡，似乎由极为稀薄的物质构成。另一方面，我们偶尔也会看到一种美丽而惊人的现象：一颗明亮的恒星被发光的气体层所包围。在这两种极端类型——一边是暗淡模糊的星云，另一边是被星云环绕的明亮恒星——之间，还存在一系列不同类型的星云。这样，我们就看到了一连串的过渡形态，从最暗淡的星云逐渐过渡到恒星。

在赫歇尔看来，星云似乎就是巨大的发光蒸汽团。这些蒸汽会逐渐冷却，最终凝结成……

恒星，或者是一群恒星。当各种形态的星云被分类时，似乎真的能够观察到这一过程中的不同阶段。在那些巨大而暗淡的星云中，凝聚过程才刚刚开始；在较小且较亮的星云中，凝聚过程已经取得了更大进展；而在另一些星云中，由凝聚作用产生的恒星已经变得可见。

但有人可能会问：赫歇尔是如何知道这一点的？他的依据是什么？我们可以通过一个例子来回答这个问题。走进森林，看看那棵历经数个世纪风雨依然屹立的古老橡树——我们难道会怀疑它曾经也是一株幼小的植物，并且一步步成长直至成熟吗？然而，从来没有人能够追踪一棵橡树所经历的所有成长阶段，因为人类的寿命实在太过短暂。我们之所以相信橡树确实经历了所有这些阶段，是因为我们见过从幼苗到成熟树木的各种大小的橡树。在大量树木中看到了这种成长规律之后，我们就确信每棵树都会经历所有这些阶段。

赫歇尔也是通过类似的推理得出了我们所描述的关于恒星起源的观点。天文学家的寿命实在不够长，甚至整个人类的寿命也可能不够长，无法亲眼目睹星云如何逐渐凝聚成固体天体。但是，通过观察一颗又一颗星云，天文学家认为自己能够发现连接星云初始状态与最终状态的各个阶段。因此，他相信每一颗星云都会在漫长的岁月里经历这些阶段。于是，赫歇尔便提出了这样的观点：所有的恒星——无论是一颗、许多还是全部——都起源于曾经的发光星云。

这样的推测或许能激发人们的想象力，但它必须与真正的天文学事实严格区分开来。也许未来的某代人能够获得我们目前还无法获取的证据，因为我们对星云的了解还太有限。

要检测到任何显著的变化，所需的时间实在不够：至于对星云的研究，可以说其历史可追溯至1771年梅西耶编制的星表之时。

自赫歇尔之后，无疑已有许多关于星云的精细绘图与观测结果出现；但时间间隔仍然太短，而且早期的观测数据也过于不完善，因此无法足够准确地研究星云的任何变化。如果人类能够延续数个世纪，并且我们目前的观测数据能被保存下来以供比较，那么赫歇尔的理论或许就能得到令人满意的验证。

自拉普拉斯怀着些许疑虑提出关于太阳系形成方式的假说以来，已经过去了一百年。总体而言，这一“星云假说”经受住了科学发展的考验，尽管根据最新的发现，有必要对其进行一些微调。拉普拉斯（以及赫歇尔）似乎认为原始星云是由温度极高的“炽热雾气”或发光气体构成的。但实际上并非如此，因为我们已经知道，巨大质量体的逐渐收缩会释放能量并转化为热量，而光谱学证据也表明气体星云中的温度处于适中水平，这些星云应被视为构成太阳和行星的原始混沌状态的代表。另一个被重新审视的问题是各种行星的形成方式。过去人们认为，原始质量体的旋转逐渐导致不同尺寸的环状结构从中心部分分离出来，这些环状结构中的物质最终聚集成单个行星。土星的环就被视为这一过程的证明，因为这里的环未能进一步凝聚成一个或多个卫星。不过，虽然星云质量体在收缩过程中留下环状物质并非不可能（事实上，火星与木星之间的小行星可能就是由此形成的），但更有可能的情况是……

较大的行星是由旋转中的星云赤道上的物质聚集而成的。

原始星云究竟是如何逐渐演变成太阳系的，其具体过程似乎还无法被揭示。

第二十七章 潮汐[44]
数学天文学——拉格朗日的理论：其正确性究竟如何——太阳系并非由刚性物体构成——开普勒定律在观测上成立，但当天体并非刚性时则不再绝对正确——观测误差——潮汐——潮汐是如何被观测到的——潮汐与月球之间关联的发现——太阳潮与月潮——潮汐所产生的作用力——潮汐从何获得这种作用力？——潮汐正在使一天的长度增加——一天长度缩短的极限——地球-月球系统的早期历史——不稳定的平衡状态——月份与天数之比——该系统的未来走向——月份与天数趋于相等——未来的临界时刻——月球恒定朝向的成因——月球的另一面——火星的卫星们——它们独特的运动规律——潮汐是否对整个太阳系的形成产生了影响？——动量矩——潮汐对木星轨道几乎没有影响——结论。

从某种意义上说，拉格朗日关于行星系统稳定性的重大发现确实是正确的。至今还没有人敢质疑拉格朗日的数学理论。按照他假设的行星系统模型，该系统的稳定性将永远保持不变。不过，拉格朗日有一个假设，而他的整个理论都是建立在这个假设之上的：那就是行星是刚性物体。

毫无疑问，地球看起来就像一个刚性物体。就我们所能观察到的部分而言，还有什么比构成地球的岩石和金属更坚固、更不可变形的呢？在广袤的宇宙空间中，地球只不过是一个微小的粒子；因此，认为这个粒子是刚性物体是一种合乎逻辑的假设。如果地球真的是完全刚性的——如果地球上的每一个粒子都与其他粒子保持固定的距离——如果在任何力的作用下，无论在何种情况下，地球都不会发生哪怕最微小的形态变化——如果真是如此的话……

对于太阳以及其他所有行星来说都是如此——那么拉格朗日关于我们的太阳系将永恒存在的预测也必然会实现。

但事实究竟如何呢？地球真的是刚性的吗？从实验中我们知道，从数学意义上而言并不存在刚性物体。岩石并非刚性；钢铁也不是刚性；就连钻石也并非完全刚性。即便在地球表面，它也远非刚性，而其内部则可能仍处于某种流体状态。因此，地球不能被称为完全刚性的物体；我们太阳系中的其他大型天体更不可能被视为刚性物体。木星和土星或许甚至算不上是固体。拉格朗日所设想的太阳系是由一个刚性的太阳以及若干个微小的刚性行星构成的；而实际的太阳系则是一个根本不具备刚性的太阳，以及仅部分具备刚性的行星。

于是就出现了这样一个问题：上个世纪那些伟大数学家们的发现，是否不仅适用于他们所设想的理想太阳系，也适用于我们实际所处的这个太阳系。毫无疑问，这些发现大致上是正确的：它们实际上已经非常接近绝对真理，目前的观测结果也尚未显示出任何与这些发现相悖的情况。

但在当前的科学水平下，我们已无法忽视在处理那些从数学意义上而言并非刚性的物体时所出现的重要问题。例如，让我们以我们所提到的最简单的定律——开普勒定律为例，该定律指出行星会永远沿着以太阳为一个焦点的椭圆轨道运行。这一规律确实得到了实际观测的验证；事实上，在提出任何理论解释之前，它就已经通过观测被确认了。不过，如果我们更精确地表述的话，就会发现牛顿真正证明的是：如果两个刚性粒子之间存在着一种随两粒子间距离的平方反比变化的引力定律，那么这两个粒子将会分别沿着以共同重心为焦点的椭圆轨道运动。

地球在某种程度上是刚性的，因此人们很自然地认为，地球与太阳之间的相对运动也会遵循开普勒所描述的简单椭圆轨道定律。事实上，它们的运动确实严格符合这一定律；即便考虑到其他可能造成扰动的因素，通过最精确的观测也难以发现由于地球并非完全刚性而导致的任何运动偏差。

然而，在数学研究中存在着一些微妙之处，至少在当前情况下，这些微妙之处超出了我们现有仪器所能实现的最为精确的观测范围。数学原理告诉我们，虽然开普勒定律对于那些绝对且完全刚性的天体来说是成立的，但如果太阳或行星哪怕只有一点点不够刚性，那么开普勒定律就不再适用了。这里似乎存在矛盾：观测结果表明开普勒定律在行星系统中成立，而理论则指出由于该系统中的天体并非完全刚性，这些定律不可能成立。该如何消除这种矛盾呢？或者，真的存在矛盾吗？其实并不存在。当我们说开普勒定律已通过观测得到验证时，我们必须仔细思考所能获得的证明方式。我们利用天文台里的仪器来观测行星的位置，这些位置是通过时钟以及仪器上的刻度圈来测量的。毫无疑问，这些观测结果非常精确，但它们并不具备数学意义上的绝对精确性。例如，我们可以以极高的精度确定行星的位置，其误差肯定不会超过一弧秒——而一弧秒其实是一个极小的数值。在大约40英里外放置一根尺子，它所张成的角度也仅为一弧秒，因此能够将行星的位置测量得如此精确，并确信结果中没有超出此范围的误差，这无疑是一项了不起的成就。

当我们把观测结果与基于开普勒定律的正确性所进行的计算结果进行比较，进而判断观测结果与计算结果是否一致时，总会或多或少地考虑到观测过程中不可避免的误差。如果计算结果与观测结果极为接近，两者之间的差异小到可以归因于观测中固有的误差，那么我们就会对这种一致性感到满意；因为实际上，再更精确的一致性是无法实现的，甚至也是无法想象的。由于缺乏精确性而带来的影响，可以通过计算来估算；正如预期的那样，这种影响极其微小——小到甚至可以被包含在观测结果可能出现的那些微小误差范围内。因此，我们无法通过实际测量来区分那些由缺乏精确性所导致的效应，它们已经混杂在各种观测误差之中，难以分辨。

我们开展研究所依据的论据，其实源于一种极为常见的现象。凡是去过海边的人，都没人不会熟悉那种我们称之为潮汐的海水涨落现象。每24小时，海水会两次涌向海滩，形成高潮；每天还会两次退去，形成低潮。这些潮汐并不仅限于海岸线附近，它们还会沿着河流向上游延伸数英里，定期淹没大型河口。在沿海国家，潮汐具有极其重要的实际意义；同时，它们还具备一些不太明显的重要性，而这正是我们如今想要探究的内容。

海洋的这种日常周期性变化早已不再是谜团。早在古代，人们就意识到潮汐与月亮之间存在某种关联。普林尼和亚里士多德等古代作家都提到过高潮出现的时间与月相之间的关系。我认为，有时我们并没有给予古代天文学家应有的认可，他们的敏锐洞察力本应得到更高的评价。我们都读过、也都学过，月亮与潮汐是相互关联的；但究竟有多少人真正理解其中的原理呢？

我们当中有谁能够声称自己确实通过亲自观察发现了那种关联呢？第一个认真研究这一问题、并让自己及他人相信其真实性的学者，必定是一位伟大的哲学家。我们不知道他的名字，也不知道他的国籍，更不知他生活的时代；但考虑到他当时并没有引力理论作为指导，我们对他的发现的钦佩之情就更应加深了。如今的哲学家即便从未见过大海，仍能根据万有引力定律推断出潮汐的存在；而那些不了解宇宙中所有天体之间那种无形联系的古代天文学家，却通过观察发现了月亮与潮汐之间的规律，这无疑是一项了不起的——事实上也是典型的——归纳性发现。

我们可以推测，这一发现很可能是由经验丰富的航海家们首先观察到的。在进港或出港时，潮汐状况对水手来说至关重要。即便在公海航行时，他们有时也必须根据潮汐产生的洋流来调整航向；或者在通过测深来确定航向时，也必须牢记水深会随潮汐而变化。因此，与潮汐有关的一切都会成为他们日常观察的对象。他们的日常工作、职业的成功以及生命的安全往往都取决于潮汐状况；所以他们会努力从观察中掌握一切对未来有用的信息。对于沿岸航行的水手而言，最重要的问题就是高潮的时间。而这个时间每天都在变化：明天会比今天晚一个小时甚至更久，而且也没有什么简单的规则可以用来判断。因此，水手们自然会欢迎任何能帮助他们处理这类重要问题的规则。我们可以推测这种规则最初是如何被发现的。比如，假设有一位在加莱的水手正在驶向港口。那是一个美好的夜晚——满月照亮了他的航程，他顺利地进入了港口；第二天早上，他发现潮水在11点到12点之间达到最高位。[45]他经常重复这样的航行，但有时早上会发现潮水较低，给航行带来不便。最终，

然而，他突然意识到，在有月光的夜晚，11点左右就会出现高潮。这种情况只发生过一两次，他原以为这只是偶然的巧合。但后来这种现象一再出现，最终他发现它总是如此。他将这一规律告诉了其他水手，他们也进行了验证。结果发现，每当满月时，高潮总是在同一时间、同一地点出现。这样，月亮与潮汐之间的关联就被确立了下来。聪明的水手们自然会将月亮的其它相位与涨潮时间进行比较。例如，他们发现上弦月时，涨潮也总是在一天中的同一时间发生；最终，他们总结出了一条实用规律：根据月亮的状况，就能立刻知道所在港口的涨潮时间。细心观察的人还会发现月亮与潮汐之间还有更多关联——有些高潮的涨幅比其他高潮更大，有些低潮的降幅则比其他低潮更小。这一点具有非常重要的实际意义。当需要穿越危险的浅滩时，如果知道可以在涨潮时顺利通过，水手们就会感到更加安心；而如果必须面对那些力量极大的潮流，他们自然会选择在退潮时航行，因为此时潮流的强度会比平时小。他们逐渐熟悉了涨潮和退潮的规律，也明白涨潮发生在满月或新月之时，或者至少是在满月或新月后的固定天数之内。毫无疑问，正是通过这样的推理，远古时代的人们才认识到了月亮与潮汐之间的关联。

不过，直到牛顿提出万有引力定律之后，人们才得以从物理角度解释潮汐现象。人们这才明白，月亮是如何吸引整个地球以及地球上的每一个微粒的。同时也明白了，构成地球海洋的液体颗粒为何能够遵循这种引力作用，而固体部分却无法做到这一点。当月亮位于头顶正上方时，它会把水往下方聚集，从而形成高潮。地球另一侧的水也会受到影响。

以一种最初可能无法预料的方式。月球对地球固体部分的引力，比其对距离更远的地球表面水层的引力要大。因此，地球会被拉离水层，结果是在远离月球的那一侧以及朝向月球的那一侧都会出现涨潮现象，而退潮则发生在两者之间的区域。

太阳也会引发地球上的潮汐现象；但由于太阳距离地球极为遥远，它对海洋与地球内部固体的引力差异并不明显，因此太阳引起的潮汐强度低于月球引起的潮汐。当月球潮与太阳潮同时作用时，就会形成高潮；而当二者方向相反时，则会出现低潮。

不过，在将这一普遍规律应用于具体情况时，还有许多因素需要考虑。由于各地的地理条件不同，沿海不同地区的潮汐幅度差异极大。在像地中海这样的封闭海域，潮汐幅度相对较小，不同地方的潮差仅为1英尺到几英尺之间。在海洋中部，潮汐的涨落幅度也不大，例如圣赫勒拿岛的潮差约为3英尺。而在靠近大陆的地区，海岸线会显著影响潮汐状况。在伦敦，潮差可达18或19英尺；但在不列颠群岛中，最显著的潮汐出现在布里斯托尔海峡，那里在春潮期间，切普斯托或卡迪夫的潮差可达到37或38英尺，而在低潮时期则为28或29英尺。这些潮汐的幅度在世界上其他地方都是无法比拟的。最大的潮汐出现在芬迪湾，那里在春潮期间的潮差甚至可达50英尺以上。

潮汐的涨落必然会引发水流的形成。这类水流其实早已为人所知，在我们的一些大河中，它们发挥着极其重要的作用。与其他类型的水流一样，这些水流也可以被用来完成各种有用的工作。

例如，我们可以将上涨的潮水储存在水库中，当潮水退去时，再让这些水推动水轮运转，之后再让水流回大海。实际上，这确实是一种能源来源；但只有在极为特殊的情况下，利用潮水来发电才是经济可行的。我们可以通过计算来确定需要多大的水库面积，才能储存足够的水来驱动具有特定马力值的水轮。据计算，要产生100马力的动力，所需的水库面积约为40英亩。这样一来，问题就简化为成本比较：建造和维护这样的水库，其成本会高于还是低于建造和维护同等功率的蒸汽机？在大多数情况下，后者显然更为便宜；无论如何，现实中并没有人使用潮汐发动机，因此潮水的能量目前都被浪费掉了。不过，当那些如今被大量消耗的燃料逐渐耗尽时，这种情况的经济性或许会发生巨大变化。

不过，潮水仍在以各种方式发挥作用。河流入海口处的潮水有时会冲刷河岸，并将其中的物质带到其他地方。这就意味着有工作在完成，也有能量被消耗，就如同由工程师指挥工人来完成同样的任务一样。我们知道，任何工作都需要以某种形式的能量作为支撑；那么，究竟是谁提供了驱动潮水运动的能量呢？乍看之下，这个问题的答案似乎很明显——我们不是说潮水是由月亮引起的吗？那么，能量自然也应该来自月亮吧？虽然这看起来合乎逻辑，但实际上并非如此。这在动力学中其实是很常见的现象：表面上看似正确的结论，实际上却与真相大相径庭。举个例子或许能更清楚地说明这一点：当步枪发射时，是枪手的手指扣动了扳机；但难道我们就能说，推动子弹飞出的能量是由枪手提供的吗？

当然不是；这种能量显然来自火药，而枪手们所做的只是提供一种方式，让储存在火药中的能量得以释放出来。在某种程度上，我们可以将此与潮汐现象作比较：月亮引发的潮汐实际上是从某种能量储备中获取能量，并将其用于完成潮汐所能做的那些功。说来奇怪，这种能量储备并不在月亮上，而是在地球本身。事实上，月亮能够通过吸收地球上的部分能量而获得能量，这一现象实在令人惊叹。这并非一个显而易见的结果，它依赖于复杂的动力学定理。

我们必须清楚地了解这种为潮汐提供能量的巨大能量储备的本质，以及为何月亮能够不断从其中汲取能量。让我们看看地球究竟是如何拥有这种能量储备的。我们知道地球每天绕着自己的轴旋转一次，正是这种旋转产生了能量。我们可以把地球的旋转与蒸汽机中的飞轮旋转作比较：飞轮的旋转实际上就是一个能量储存库，每次活塞运动时，引擎都会向其中注入能量；磨坊里的各种机器则只是利用储存在飞轮中的能量而已。地球可以被视为一个巨大的飞轮，虽然它与引擎分离了，但仍然与磨坊里的机器相连。由于其庞大的体积和极高的转速，这个巨大的飞轮拥有极其丰富的能量储备，而这些能量必须在飞轮停止旋转之前被消耗掉。正因如此，尽管潮汐是由月亮引起的，但它们所需的能量其实只是从地球旋转所产生的巨大能量储备中获取的一部分而已。

不过，地球与引擎中的飞轮之间存在一个非常根本的区别：当能量从飞轮中被提取出来并被磨坊里的各种机器消耗后，会有新的能量不断补充进来，这些新能量来自蒸汽机的运作，因此飞轮的转速才能保持不变。

地球就像一个没有发动机的飞轮。当潮汐消耗掉其中的能量并用于做功时，这些能量便不会得到补充。其结果显而易见：地球旋转所蕴含的能量必然在减少。这就引出了一个极为重要的结论。如果将发动机与飞轮断开，那么众所周知，这个巨大的飞轮虽然还能旋转几圈，但很快就会停止转动。对于地球来说，情况也应类似；不过由于地球所储存的能量极其庞大，远远超过其所需消耗的能量，因此地球才能持续运转下去。即便有潮汐这样的力量不断消耗地球的旋转能量，也需要漫长的岁月才能使其完全耗尽。尽管如此，能量确实在减少，而能量减少意味着地球的旋转速度必然也在缓慢下降。至此，我们就可以用最简单的语言来表述潮汐所带来的后果了：既然旋转速度在下降，那么一天的长度就必然在增加。由此我们便可得出以下最重要的结论：潮汐正在使一天的长度逐渐变长。

今天比昨天长——明天会比今天更长。这种差异极其微小，即便经过漫长的岁月，也几乎无法通过观测来确定其存在。我们无法准确说出距离一天长度比现在短一秒还要久多少个世纪，因为“世纪”并非我们用来描述潮汐变化的时间单位。百万年前，一天的长度与现在的差距很可能非常大。让我们回望遥远的过去，看看潮汐能告诉我们什么。如果目前的状况一直持续下去，那么越往久远的历史追溯，一天的长度就会越短。现在一天是24小时，曾经是20小时，曾经是10小时，甚至曾经只有6小时。我们还能再往前追溯多远呢？一旦时间缩短到6小时，我们就开始接近一个极限，而这个极限终将限制我们的回溯范围。一天越短，地球在赤道处的膨胀程度就越高；而地球在赤道处的膨胀程度越高……

地球自转产生的离心力会给地球上的物质带来巨大的压力。如果地球旋转速度过快，它就无法保持完整，而会分裂成碎片——就像转速过高的磨石会剧烈破裂一样。因此，在遥远的过去存在着某种限制因素，阻止了这种情况的发生。存在一个临界速度，即地球在不面临破裂风险的情况下所能承受的最大旋转速度，但这个速度的具体数值并不容易确定。它取决于地球物质的性质、温度、压力等因素，还有许多我们尚不清楚的细节。不过，人们已经对这一临界速度进行了估算，数学计算表明，地球在不分裂的情况下所能拥有的最短自转周期约为三到四小时。根据潮汐演化理论，我们可以得出这样的结论：在某个极其遥远的年代，地球的自转周期大约为三到四小时。

由此可知，正是由于月球的引力作用，地球上的白昼时间才从最初的时长逐渐延长到24小时。遵循自然界最深刻的规律之一，地球对月球产生了反作用力，而这种反作用力便以一种可见的形式表现出来——那就是逐渐将月球推离地球。可以说，这是地球的一种“报复”行为。月球远离地球所带来的后果相当显著：目前月球绕地球运行的轨道半径为24万英里，而由于潮汐作用，这一半径还在不断增大。基于这一事实，让我们回顾一下月球的过去历史。既然从现在往未来看，月球的距离在不断增加，那么从过去往现在看，其距离则在不断减小。显然，昨天月球的距离比今天更近；在几年、几百年或几千年时间里，这种差异可能微不足道，但到了数百万年后，月球的距离肯定要比现在近得多。

最终我们发现，月球与地球之间的距离并非24万英里，而是逐渐缩小到4万英里、2万英里，乃至1万英里。我们不得不停下探索——实际上也无法停下——直到发现月球真的已经靠近地球表面为止。如果现有的自然规律一直持续作用，且没有外部干扰的话，那么毫无疑问，月球与地球曾经曾极为接近。事实上，我们可以计算出月球绕地球旋转的周期：月球离地球越近，其旋转速度就越快；而在它刚好处于地球附近的那段关键时期，它完成一次旋转大约只需要三到四小时。

这一发现引发了天文学史上最大胆的推测之一。我们不得不将其阐述出来，但必须记住这仅仅是一种推测，应当以谨慎的态度对待。这一推测旨在回答这样一个问题：究竟是什么让月球处于如此靠近地球表面的位置？我们只能说，有非常充分的理由相信，在地球还处于柔软可塑状态的早期阶段，月球是从地球上分裂出来的。

在宇宙历史的初期，地球与月球彼此非常接近。当时地球的自转周期只有几小时，而非24小时。月球绕原始地球旋转一周的时间，恰好与原始地球自转一周的时间相同，因此两者始终相对而立。这种状态可以用数学家的话来形容为“不稳定的动态平衡”状态。它不可能持续下去。这就好比一根针悬在针尖上——它必然会向一侧或另一侧倒下。同样地，月球也无法保持这种状态。只有两种可能：要么月球重新坠回地球并被吸收进地球的质量中，要么它开始向外移动。那么月球会选择哪条路径呢？或许我们根本无法确切知道究竟是什么因素决定了月球选择其中一条路径而非另一条。

还有另一种说法，但关于月球实际所走的轨道，却是毋庸置疑的。月球的存在本身就表明它并没有回到地球，而是开始向外移动。随着月球逐渐远离地球，根据开普勒定律，它完成一次公转所需的时间也会变长。因此，从最初的几小时，公转周期逐渐延长，最终达到了现在的656小时。当然，随着月球的远离，地球的自转速度也发生了变化。一旦月球开始远离，地球就不再需要始终以同一面朝向月球。当月球远离到一定距离后，地球完成一次自转所需的时间就会短于月球完成一次公转所需的时间。不过，月球仍在不断远离，其公转周期也随之相应延长，直到三天、四天或更长的时间才相当于一个月亮公转一周的时间。尽管一个月的天数在增加，但我们不应认为地球的自转速度在加快；事实上恰恰相反。地球的自转速度正在变慢，月亮的公转速度也在变慢，只不过月亮的减速程度比地球更大。虽然地球的自转周期已经从最初的数值大幅增加，但月亮的公转周期增加得更多，以至于其长度是地球自转周期的数倍。随着时间的推移，月球会越来越远，它的轨道也会不断扩大，公转周期也会持续延长，最终会达到一个非常显著的阶段——从某种意义上说，这是月球运行历程中的一个顶点。在这一阶段，用地球的自转周期来衡量时，月亮的公转周期会达到最大值。那时，一个月似乎为29天。当然，这并不是说那个时代的“月”和“日”就与我们现在用时钟测量的时间相同，那时的它们都比现在短。我们想表达的是，在那个时代，地球自转29圈的同时，月亮才完成一次公转。

那个时代已经过去。目前，我们无法用常规的度量单位来确定那个时代的确切时间。不过，与所有历史记录相比，这一事件的古老程度无疑是极其惊人的；至于它属于数十万年、数百万年还是数千万年之前发生的事件，还只能靠推测。

当那个特殊的时代过去之后，地球-月球系统中的各种现象开始朝着那个与初始阶段有相似之处的最终阶段发展。月球仍然在不断扩大的轨道上绕行，其轨道直径以极缓慢的速度增加。因此，一个月的时间也在变长；而地球的自转速度仍在持续减慢，所以一天的长度也在不断增加。不过，现在月长与日长的比例开始发生变化。起初这个比例是从1逐渐上升的，到刚才提到的那个时代时达到了大约29左右的最大值。现在这个比例又开始下降，最终地球在月球完成一次公转时只会自转28次，而非29次。这一比例的下降会持续下去，直到一个月的天数变为27天。在这里，我们又遇到了一个需要特别说明的时代。到目前为止，我们所讨论的都是远古时期的事件；现在我们终于来到了地球-月球系统的当前状态。在这个时代，一天就是我们所熟知的那一天，一个月则是月球公转的一个周期。目前，一个月大约相当于27天，这一关系在过去数千年里一直基本保持不变。在未来数千年里它仍会大致保持这种状态，但不会永远如此。它只不过是这场巨大变革中的一个阶段罢了；在我们短暂的视角看来，它可能看起来具有永恒性，就如同在电火花照射下蚊子的翅膀看似静止不动一样；但当我们用足够广阔的时间观念来审视这段历史时，就会明白现在的状况其实只是暂时的。

地球-月球系统的状态不会比其历史上的任何其他阶段更为稳定。
然而，我们的叙述现在必须采用不同的形式。我们一直在谈论过去，也已经来到了现在——那我们能否对未来说点什么呢？在这里，潮汐现象又为我们提供了帮助。如果我们正确理解了动力学原理（现在还有谁会怀疑这些原理呢？），那么我们就能够预测地球-月球系统未来的变化。只要没有我们目前还不知道的某种外部因素来干扰，我们至少可以大致预测出月球今后的运行轨迹。我们可以看到，月球仍会继续沿着它的轨道运动。它的公转周期会以极慢的速度增长，但终究会持续增加；无论如何，在我们历史的最后阶段到来之前，这一趋势是不会逆转的。我们现在不必再详细探讨中间的各个阶段，而是试着描绘出该系统最终会趋向的状态。在遥远的未来——数百万年之后——这个最终阶段将会到来。我们已经提到过，月球与地球之间的周期比例会持续下降。月球的公转周期会越来越长，而一天的长度则会比月球公转周期的增长速度快得多。从27天的一个月开始，我们会逐渐过渡到26天、25天……直到10天，最终变为1天。

让我们明确一下“1天一个月”到底意味着什么。也就是说，月球绕地球公转所需的时间，将等于地球自转一周所需的时间。当然，这样的“一天”的长度会远远超过我们现在的1天。在这些研究中，唯一的不确定性在于试图给出精确的数值。正如动力学定律所表明的那样，地球-月球系统最终必然会达到一天与一个月长度相等的状态；但当我们试图确定那一天的具体长度时，就会引入不确定因素。无论给出怎样的数值……

关于其长度的估算，必须明白，这些数值都是极为谨慎地给出的。虽然可能存在一定误差，但应该不会很大。那个特殊时刻的时长似乎相当于57个地球日。换句话说，在极其遥远的未来某个关键时刻，地球完成一次自转需要大约1,400小时，而月球完成一次公转也需要同样的时间。

由此可见，从某些方面来看，地月系统的初始状态与最终状态有着相似之处：在两种状态下，一“天”的时长都等于一个月的时长。在初始状态下，这一天和一个月的时长只是我们地球日的一小部分；而在最终状态下，它们则分别是地球日的较大倍数。不过，初始状态与最终状态之间存在着巨大的差异。我们已经提到，初始状态是一种不稳定的状态——它无法持续下去；而第二种状态则是动态稳定的。一旦达到这种状态，它就会永久保持下去，只要地球和月球能够免受所有外部干扰的话。

当一个月的时长等于一天时，地月系统的运动会呈现出一个特殊特征。稍加思考就能明白：在这种情况下，地球必须始终将同一面朝向月球。如果一天等于一个月，那么地球和月球就必须像被无形的纽带束缚在一起一样共同旋转；而当这种状态开始时，地球哪一半球体朝向月球，那么只要一天和一个月的时长仍然相等，这一半球体就会一直保持朝向月球的姿态。

此时，很难不让人想起自古以来就观察到的月球运动的那个特征——也就是月球始终将同一面朝向地球。

天文学家有责任为这一奇妙现象提供物理解释。月球围绕地球旋转一周所需的时间是固定的……

秒数。如果月球总是以同一面朝向地球，那么可以推断出它在相同的秒数内会绕自身轴旋转一周。显然，除非有某种物理原因来解释这一现象，否则这纯属巧合，其概率极低。我们无需费力去寻找原因：正是月球的潮汐作用导致了这一现象。事实上，月球的表面十分崎岖，这表明它过去曾有过剧烈的火山活动。那些火山如今已不再活跃——月球内部的能量似乎已经耗尽；但曾经有一段时间，月球是一团炽热且半熔融的状态。那时，月球的物质温度极高，处于柔软可塑的状态，而地球的引力便在这样柔软的物质上引发了巨大的潮汐现象。虽然我们没有关于这些潮汐的历史记录（它们出现的时间远早于望远镜的发明，甚至可能早于人类的出现），但我们可以通过它们所造成的影响得知它们确实存在过，而今天我们所看到的月球始终以同一面朝向地球，便是这种影响的体现。构成地球潮汐的海洋起伏与月球曾经引发的潮汐相比有着天壤之别。月球的潮汐强度远远超过地球的潮汐。之所以如此，是因为地球的质量大于月球，因此地球能够对月球产生更强的潮汐力，而月球则无法在地球上产生如此强烈的潮汐。

月球能够始终以同一面朝向地球，前提是它的自转周期必须与它绕地球公转的周期完全相同。潮汐则是一种持续发挥作用的调节力量，确保这一条件得以维持。如果月球的自转速度慢于应有的速度，那么那些强大的潮汐力就会不断加速月球的旋转，直到它达到所需的转速；只有到那时，潮汐力才会停止对月球的干扰。反之，如果月球的自转速度快于其公转速度，潮汐力同样会再次变得极为强烈。

他们将一直试图减缓月球的自转速度，直到将月球的自转周期调整为与公转周期相同为止。

月球能否摆脱潮汐的束缚呢？这很难回答，但似乎并非完全不可能——在未来的某个时刻，月球有可能从潮汐的控制中解放出来。事实上，即便在现在，潮汐对月球的控制也已经不像过去那么严格了。我们在月球上看不到海洋，火山也没有熔岩活动的痕迹。月球上很可能不存在潮汐，但也存在某种形式的“潮汐”。也许月球内部仍然足够热，保持着一定的流动性；如果是这样的话，潮汐力仍会继续控制着月球。不过，如果现在还没有发生的话，未来总会有那么一天，月球的核心会变得极其寒冷——冷到与太空温度相当。如果月球的物质具有数学家所说的“绝对刚性”，那么毫无疑问潮汐现象就不会再存在，月球也将从潮汐控制中解脱出来。虽然很难预测月球在多大程度上能符合绝对刚体的特性，但可以设想，在未来的某个时刻，潮汐控制将会彻底消失。那时，月球的自转周期与公转周期之间就不再有必然的联系。这样一来，遥远未来的天文学研究或许会迎来一线希望。我们知道月球的公转周期正在逐渐变长，而只要潮汐力仍在起作用，月球的自转周期也必然会随之变长。我们现在已经推测出了那种没有潮汐控制的状态——届时，就没有任何力量能阻止月球继续以目前的速度自转，而其公转周期则持续变长。如此一来，那些以往的所有天文学家都无法看到的月球背面，或许在遥远的未来能够被他们的后继者看到。

月球在地球上引发的潮汐现象，实际上起到了减缓地球自转速度的作用。这些潮汐力不断试图让地球的自转周期与月球的公转周期保持一致。由于月球每27天绕地球公转一周，目前地球的

速度过快，因此目前的潮汐力试图减缓地球的自转。月球的自转早已受到潮汐力的控制，那是因为月球体积相对较小，而地球的潮汐力则极为强大。但现在的情形恰恰相反：地球的体积和质量都大于月球，月球引发的潮汐力十分微弱，地球尚未完全受潮汐力控制。不过，这些潮汐力持续不断，从未停止过对地球自转的抑制作用，它们正逐渐使一天与一个月的长度趋于相等，尽管这一过程极其缓慢。

关于潮汐的理论让我们可以预见一种遥远的未来状态：那时月球绕地球运行的周期与一天的长度相同，这样两者就会始终以同一面朝向彼此，前提是潮汐力仍能继续影响月球的自转。就地球与月球的相互作用而言，这种状态具有永久性的特征。然而，如果我们把视野延伸到更遥远的未来，就会发现存在某种外部因素，会阻止地球与月球之间的这种平衡状态永远持续下去。月球在地球上引发的潮汐力远远大于太阳所引发的潮汐力，因此在之前的推理中我们几乎忽略了太阳带来的潮汐效应。显然，这只是一种处理该问题的近似方法。太阳潮汐的影响其实相当显著，而且随着地球与月球逐渐接近最终的临界阶段，太阳潮汐相对于月球潮汐的重要性也会逐渐上升。太阳潮汐会持续给地球的自转施加额外的阻力。因此，一旦一天与一个月的长度相等之后，地球自转的速度还会进一步减慢。由此可见，在遥远的未来，月球绕地球运行的周期将会短于地球自转的周期。

火星卫星的发现为这些观点提供了极具启发性的佐证。火星属于较小的行星之一……

我们太阳系中的行星。它的质量仅为地球质量的八分之一。像火星这样的小行星，其旋转能量远远低于地球这样的较大行星，因此它的发展速度会快得多；我们可以预期，火星及其卫星所经历的演化阶段会比地球及其卫星更为先进。

1877年，当火星卫星的发现震惊世界时，最令人惊叹的莫过于其中一颗内层卫星的公转周期。正如我们在第十章中所提到的，火卫一绕火星公转的周期为7小时39分钟，而火星本身的自转周期则为24小时37分钟。这样一来，就出现了在太阳系中独一无二的现象：这颗卫星的公转速度实际上是火星自转速度的三倍。毫无疑问，太阳潮汐作用确实以这种方式减缓了火星的自转速度。

在我看来，上述内容堪称整个天文学史上最有趣、最具启发性的内容之一。首先，我们通过望远镜发现了火星的那些微小卫星；接着，我们确定了其中一颗卫星的异常运动规律；随后，我们找到了解释这一现象的合理物理机制，并指出这是潮汐作用导致演化的一个典型例子。最后，我们意识到，火星及其卫星的系统实际上预示了亿万年后地球-月球系统将会面临的命运。

自然会有人想知道，潮汐作用在塑造行星轨道方面起到了多大的作用。这里的状况与地球-月球系统中的情况有很大不同。让我们先明确地阐述这个问题：太阳系由位于中心的太阳以及围绕太阳运转的行星们组成。这些行星会绕着自己的轴旋转，同时还会围绕某些其他天体运转。

所有的行星都有各自的卫星系统。为简化问题，我们可以假设所有行星及其卫星都在同一平面上运行，而行星则围绕垂直于该平面的轴旋转。在研究潮汐演化理论时，我们必须以一个重要的动力学原理作为指导，那就是“角动量守恒定律”。这里不打算证明这一重要原理；只需知道它可以从运动定律中严格推导出来，因此其确定性仅次于普通几何学或代数中的基本真理。以巨行星木星为例：它在1秒钟内会绕太阳转动一定的角度。如果将木星的质量与该角度相乘，再将所得结果乘以木星到太阳距离的平方，就能得到一个确定的数值。数学家将这个数值称为木星的“轨道角动量”。同样地，如果将土星的质量与其1秒钟内的转动角度相乘，再将该结果乘以土星到太阳距离的平方，就可以得到土星的轨道角动量。通过类似的方法，我们可以计算出其他每颗行星因绕太阳旋转而产生的角动量。此外，我们还需要确定行星围绕自身轴线旋转时的角动量。木星在1秒钟内会旋转一定的角度；我们将该角度乘以木星的质量，再乘以与木星内部结构相关的某条线段的平方，所得结果就是木星的“自转角动量”。其他行星的自转角动量也是通过类似方法计算得出的。每颗卫星在1秒钟内也会绕其主星转动一定的角度；我们可以通过将卫星的质量与该角度相乘，再将所得结果乘以卫星到其主星距离的平方，从而得到该卫星的角动量。最后，我们还要计算太阳因自转而产生的角动量。具体来说，就是将太阳1秒钟内的转动角度乘以太阳的总质量，然后再将所得结果乘以与太阳内部结构相关的某条极长线段的平方。

如果我们能够成功解释“动量矩”的含义，那么这条重要定律的表述就会相对简单。首先，我们需要认识到：任何行星的动量矩都可能发生变化。如果行星与太阳之间的距离发生变化，或者行星自转的速度发生变化，那么它的动量矩也会随之改变；同样，太阳的动量矩以及卫星们的动量矩也可能会发生变化。最初，有一定的总动量矩被赋予了我们的太阳系，而整个太阳系无法浪费或失去这一总量中的哪怕一丁点动量矩。无论系统中各天体之间如何相互作用，无论它们会经历怎样的扰动——无论是会产生什么样的潮汐现象，还是会发生相互碰撞——都必须遵守动量矩守恒这一重要定律。如果太阳系中的某些天体正在失去动量矩，那么系统中的其他天体就必须获得相应的动量矩，这样才能保持总动量矩不变。这一原理在解释潮汐现象时具有极其重要的意义。潮汐作用不断改变着系统中动量矩的分布状况；但只要没有外部因素的影响，无论潮汐如何变化，系统的总动量矩都不会改变。

在此，我们必须指出太阳系所拥有的能量与动量矩之间的差异。太阳系内各天体之间的相互作用会产生热量，从而导致能量被消耗掉，其中相当一部分能量会因此散失；但这些相互作用却无法使动量矩消失。

假设太阳系的总动量矩为100，那么目前它的分布情况如下：——

木星的轨道动量：60
土星的轨道动量：24
天王星的轨道动量：6
海王星的轨道动量：8
太阳的旋转动量：2
——
100

其他天体对这一数值的贡献极其微小。几颗内行星的轨道动量加起来也仅占总量的千分之一左右。所有行星及其卫星的旋转动量则更小，不超过总量的六万分之一。因此，在研究潮汐对行星轨道的总体影响时，可以忽略这些微不足道的因素。不过，我们还是有必要进一步缩小研究范围，集中探讨一个典型的例子。以太阳和木星为例，假设太阳系中的其他天体都不存在，那么我们就来研究太阳对木星产生的潮汐作用，以及木星对太阳产生的潮汐作用。

人们可能会轻易地认为，就像月球由地球诞生一样，行星也是由太阳诞生的，而后通过潮汐作用逐渐远离太阳，才形成了现在的状态。不过，通过刚才给出的数据，我们可以判断出，木星或其他任何行星都不可能曾经比现在更靠近太阳。对于木星和太阳而言，其动量由三部分组成。其中最大的一部分来自木星的轨道运动，其次是太阳本身的作用。

第三个原因是木星绕自身轴心的旋转。我们可以将这些数值近似为：—

木星的轨道动量：600,000
木星的旋转动量：20,000
太阳的旋转动量：12

太阳会在木星上引发潮汐力，这些潮汐力会减缓木星的旋转速度，使得木星旋转得越来越慢，因此木星的动量也在不断减少，其目前的数值12也必然在下降。就连强大的太阳本身也可能受到潮汐力的影响——木星在太阳上也会引发潮汐力，这些潮汐力会减缓太阳的运动，从而导致太阳的动量减少。基于以上两个原因，600,000这个数值必然在上升；换句话说，木星的轨道运动速度正在加快，或者说木星正在远离太阳。从这个意义上讲，太阳-木星系统与地球-月球系统类似——正如地球上的潮汐力正在使月球逐渐远离地球一样，木星和太阳之间的潮汐力也在逐渐将这两颗天体分开。不过，这两种情况之间存在本质区别：可以证明，太阳在木星上引发的潮汐力比木星在太阳上引发的潮汐力更为强大。因此，目前可以忽略太阳带来的影响；实际上，木星轨道动量的增加是由木星自身的旋转所积累的能量所驱动的。不过，12与600,000相比实在微不足道。即便木星及其卫星的所有旋转动量都被消耗掉了……

在轨道运动方面，后者几乎不会出现显著差异。在古代，我们或许可以认为木星因为温度更高而比现在更大，其旋转动量也更大。但很难相信木星的旋转动量曾达到现在的100倍。即便有1,200单位的旋转动量转移到轨道运动中，那也只会导致木星与太阳之间的距离发生极其微小的变化。因此，我们可以确定潮汐作用并未显著改变木星或其他大型行星的轨道尺寸。

不过，随着时间的推移，潮汐作用会逐渐减缓木星的自转速度。届时会发现，太阳自转产生的动量会逐渐被用来扩大行星的轨道，但由于这一能量仅占太阳系总能量的约2%，因此无法产生任何显著影响。

达尔文教授提出的潮汐演化理论已经让我们对太阳系中卫星系统的历史有了很多了解；正如西博士所指出的，这一理论无疑也能解释双星系统那些高度偏心的轨道。在地球-月球系统中，两个天体的质量差异极大，地球的质量约为月球的80倍。但在大多数双星系统中，两个天体的质量差异并不大。可以证明，这些系统的轨道最初是略微偏心的，而潮汐摩擦不仅能够使轨道变宽，还能使其变得更椭圆。在近心点（两颗天体距离最近时），作用力远远大于远心点（两颗天体距离最远时）。因此在近心点，这种扰动力会使远心点距离大幅增加，而在远心点则只会使近心点距离略有增加。如此一来，随着椭圆轨道逐渐扩大，其偏心率也会越来越高，直到木星的自转完全停止为止。

通过将轴向动量转化为轨道动量，其数值可以得到充分降低。现在，我们必须为这一章画上句号了，尽管还有许多其他主题可以探讨。潮汐演化理论确实极具研究价值。早期的数学家们致力于研究由刚性物体构成的系统的动力学规律；而当代数学家则基于“天体并非刚性”的更现实的假设，推动了天体力学的发展——换句话说，他们认为天体会受到潮汐作用的影响。虽然数学上的难度大大增加，但这样的研究方式更符合自然规律，而且已经带来了现代天文学领域中一些极为重要的发现。关于宇宙的讲述到此为止。我们最初介绍了用于天文学研究的机械与光学工具，最后则简要描述了一种能够揭示在人类出现之前就已存在的各种天体现象的研究方法。我们先讨论了那些相对靠近我们的天体，然后逐步深入到那些似乎位于可见宇宙边缘的遥远星云和星团。然而，与浩瀚无垠的宇宙空间相比，即便使用最先进的望远镜，我们所能看到的也实在微不足道！无论我们的观测仪器能探索多深的深度，那之后依然存在着无限广阔的空间。想象一下，在太空中有一个巨大的球体，它的体积大到足以容纳太阳及其行星系统、所有的恒星和星云，甚至是我们有限想象力所能设想的所有物体。那么，这个巨大球体的体积与整个无限空间的体积相比，究竟是多小呢？这个比例远远小于一滴露水中的水量与整个大西洋水量的比例。

附录：天文学数据

太阳
太阳与地球的平均距离为92,900,000英里；其直径为866,000英里；与水相比，其平均密度为1.4；其椭圆度可忽略不计；太阳绕自身轴旋转的周期在25到26天之间。

月亮
月亮与地球的平均距离为239,000英里。月亮的直径为2,160英里；与水相比，其平均密度为3.5。月亮绕地球一周的时间为27.322天。

行星
| 行星 | 距离太阳的百万英里数 | 自转周期（天） | 直径（英里） | 与水相比的密度 |
|------|---------------------|----------------|------------|----------------|
| 水星 | 36.0 | 28.6 | 87.969 | 3.030 |
| 金星 | 67.2 | 23.56 | 7,700 | 4.85（？） |
| 地球 | 92.9 | 24.37 | 7,918 | 5.58 |
| 火星 | 141 | 22.7 | 4,230 | 4.01 |
| 木星 | 483 | 4332.6 | 86,500 | 9.55 |
| 土星 | 886 | 10759 | 71,000 | 10.14 |
| 天王星 | 1,782 | 30,687 | 31,900 | 1.22（未知） |
| 海王星 | 2,792 | 60,127 | 34,800 | 1.11（未知） |

火星的卫星。

距火星中心的平均距离。公转周期：小时、分钟、秒。
火卫一：5,800英里，7小时39分14秒
火卫二：14,500英里，30小时17分54秒

木星的卫星。

距木星中心的平均距离。公转周期：天、小时、分钟、秒。
巴纳德内卫星：112,500英里，0小时11分57秒22
木星第一卫星：261,000英里，1小时18分27秒34
木星第二卫星：415,000英里，3小时13分13秒42
木星第三卫星：664,000英里，7小时3分42秒33
木星第四卫星：1,167,000英里，16小时16分32秒11

土星的卫星。

距土星中心的平均距离。公转周期：天、小时、分钟、秒。
土卫一：115,000英里，0小时22分37秒6
土卫二：148,000英里，1小时8分53秒7
土卫三：183,000英里，1小时21分18秒26
土卫四：235,000英里，2小时17分41秒9
土卫五：329,000英里，4小时12分25秒12
土卫六：760,000英里，15小时22分41秒27
土卫七：921,000英里，21小时6分38秒31
土卫八：2,215,000英里，79小时7分56秒40

天王星的卫星们。

距天王星中心的平均距离。公转周期：天、小时、分钟、秒。
艾里尔：119,000英里，2天12小时29分21秒
翁布里埃尔：166,000英里，4天3小时27分37秒
泰坦尼亚：272,000英里，8天16小时56分30秒
奥伯龙：364,000英里，13天11小时7分6秒

海王星的卫星们。

距海王星中心的平均距离。公转周期：天、小时、分钟、秒。
海卫一：220,000英里，5天21小时2分44秒

索引。

A
光的偏折，503–512；
恒星的视运动，504、507；
布拉德利的发现，503；
成因，507–511；
恒星的运行轨迹，505–507；
与光速的关系，511；
对天龙座恒星的影响，505；
通过望远镜进行的观测，510

消色差透镜组合，11

J.C.亚当斯教授与海王星的发现，324–327、330–332；
与狮子座流星雨的轨道形状相关的研究，386

查科陨石，398；
奥尔格伊尔陨石，399

乔治·艾里爵士，325

阿尔班山陨石群，393

阿尔科尔星，438

毕宿五，209、418、419；
其光谱特征，480；
其速度数值，484

阿尔戈尔星，485、487

《天文学大成》，7
阿尔方索斯，92
月球上的阿尔卑斯大谷，88
牛郎星，424
太阳中的铝元素，50
古人的天文学，2–7
安德鲁斯教授与巨人之路的玄武岩地貌，407
仙女座，414；其中的星云，469、489
仙女座流星雨与比拉彗星，390
心宿二，423
月球上的亚平宁山脉，83
远日点，163
宝瓶座，215、413
天鹰座，424
阿拉戈，326

阿基米德，88

大角星，358、480；其速度值，484

阿尔格兰德的恒星目录，431、476

阿尔戈斯，481

天琴座α星，309、559

阿里斯塔克斯，90

阿里斯蒂勒斯，88

亚里士多德：以他命名的月球陨石坑，88；对其著作的轻信态度，267；月球与潮汐的关系，535

小行星，229–244

阿斯特瑞亚，328

尼尼微的天文学家们，156

天文量，558

古代天文学，2–7；伽利略在其中的成就，10；天文学的最初现象，2

《雅典娜姆》杂志与约翰·赫歇尔爵士的信件

亚当斯在海王星发现中的贡献，330

地球大气层的高度，100

月球与地球之间的引力，75；
行星之间的引力，148；
太阳与行星之间的引力，144、148；
木星的引力，248、249；
引力导致的进动现象，498

御夫座，414、489

北极光，42

奥托吕科斯，88

奥威尔斯与恒星间的距离，449；
天狼星运动的不规则性，427

地轴，极轴，196、497；
地球的进动与章动现象，492–502

B

巴克兰德与恩克彗星，349、351

E.E.巴纳德教授与土星，271、278、282；

土卫六，294；
1892年的彗星，355；
银河系，475

蜂巢星团，422

M.贝洛波尔斯基与双星系统，487、488

瓦拉纳西陨石，392

贝塞尔与布拉德利，501；
天鹅座61星的距离，446、448、449；
恒星的距离，442；
天狼星的不规则运动，426；
获得英国皇家天文学会金奖，442

参宿四，209、418、419、482；
其速度数值，484

比拉彗星与约翰·赫歇尔，357；
仙女座星系，390

分光双星，487

双筒望远镜，27

比奥与“鹰”陨石，392

波德定律，230；

双星列表，435条

邦德教授与土星的卫星，296；
与猎户座中的星云，469；
与土星的第三环，280

牧夫座，422

布拉德利与天体章动现象，501；
与光行差现象，503；
他对天王星的观测，312

布雷迪钦教授与彗星的尾巴，365、366、367页

布雷滕巴赫铁，397

布里斯托尔海峡的潮汐，538

布伦诺夫博士对天鹅座61号恒星视差的观测，449

约翰·摩尔爵士的葬礼，72

伯纳姆先生与天狼星的轨道，427；
他对已知双星数量的补充，439

巴特勒主教与概率论，460

布苏拉陨石，397

C

太阳中的镉，50

加莱的潮汐，536

太阳中的钙，50

坎贝尔先生与阿耳戈斯，481；与火星的关系，223

火星上的运河，220

巨蟹座20，154

巨蟹座ζ星，154

巨蟹座θ星，154

大犬座，419

南河三，422

开普观测站，27

五车二，414、480、487

石炭纪，518

卡迪夫的潮汐，538

卡西尼·J.D.与双星，434；与土星的卫星，294

土星的环，278

仙后座，412

北河二，420、487；
双星系统，437；
其公转周期，437

恒星目录，310、311；
梅西耶目录，529

卡塔琳娜座，92

半人马座α星，422；
吉尔博士对其的观测，451；
亨德森对其距离的测量，442、451

谷神星，231、232、238；
与陨石的关系，404、405

查科陨石，398

沙科尔纳克以及月球上的希卡德环形山，90

“挑战者”号航天飞机的航行与大西洋中的磁性粒子，408

查利斯教授，326；
他对海王星的搜寻，327、328、331、332

钱德勒先生与阿尔戈尔星，485

查尔斯之车，28
切普斯托的潮汐，538
1744年彗星的发现者——谢索，367
耶基斯天文台中的望远镜，16
克拉德尼与西伯利亚的陨石，392
太阳中的铬元素，50
色球层，54
通过月亮来测试计时器，80
克莱罗与行星对彗星的影响，342、343
克拉维乌斯，91；以及木星的卫星，267
天文钟，23
星团，461–464
太阳中的钴元素，50
1874年的科吉亚彗星，337
光的颜色及其来源的判断，46

七种基本颜色，45
“哥伦比亚号”大炮，401
哥伦布，7
彗星，112、149、250、336；
与分光镜的关系，355；
行星对彗星的引力作用，342、360；
比拉彗星，357；
比拉彗星与仙女座彗星，390；
克莱罗的观测研究，342、343；
科吉亚彗星，337；
康芒彗星（1882年），354；
彗星与流星雨之间的关系，388；
彗星的构成，336；
彗星中含有钠和铁，356；
多纳蒂彗星（1858年），353、358、366；
彗星的偏心率，360；
恩克彗星，344–352；
彗星中是否存在碳元素，356、367；
引力与彗星的关系，343、348；
哈雷对彗星的观测研究，341–344；
彗星的头部或核，337；
莱克塞尔彗星，370；
彗星的质量，359；
彗星的运动规律，336；
牛顿对彗星的解释，338；
非周期性彗星，353–356；
1531年的彗星，341；
1607年的彗星，341；
1681年的彗星，338、339。

1682年的有341颗；
1744年（Chéseaux所记录的）有367颗；
1818年的有345颗；
1843年的有352颗；
1866年的有388颗；
1874年的有337颗；
1892年的有355颗；
其起源为369；
其轨道为抛物线形，相关内容见338–340页及360页；
会周期性返回，相关内容见338–341页；
其形状为336；
其大小为337；
无尾的类型有370种；
有尾的类型有337种和361种；
Bredichin的相关研究见365页；
Chéseaux的相关研究见367页；
其构成成分见365页和369页；
其凝结过程见369页；
与电的关系见368页；
其逐渐增长的趋势见363页；
其运动方向规律见362页；
会受到太阳的排斥作用，相关内容见364页；
其排斥力相关内容见364页和368页；
不同类型的彗星见365页；
Tebbutt在1881年对彗星的研究结果见353页；
彗星的纤细程度见357页。

Common博士，反射镜的制造者，见21页；
他与1882年的彗星有关，见354页；
他还研究了猎户座中的星云，见469页。

Cook船长与金星凌日现象，见184页。

科普兰德博士与施密特星，489；
月球上的第谷陨石坑，92；
星云的光谱，473；
金星凌日现象，189。

哥白尼与水星，156；
木星卫星的发现为他的理论提供了证据，267；
他的天文学理论，7；
以他名字命名的月球陨石坑，89。

太阳中的铜元素，50。

天蝎座环，423。

北冕层，423、488。
日食期间的太阳日冕，62–64、151。

科罗尼亚，64。

科托帕希火山与陨石，401。

巨蟹座星云，422。

克拉布特里与金星凌日现象，180。

土星的环状结构，281。
月球上的陨石坑，83–85、87–98。

临界速度，103、104、237。

皇冠座，423

惠更斯的密码学研究，277

天鹅座β星，439

天鹅座61星：其年度视差为450；贝塞尔对其距离的测量结果为442、446、447；布伦诺夫对它的观测结果为449；它与太阳的距离为452；该恒星带来的干扰效应为452；它是一颗双星，446；A.霍尔教授对其距离的测量结果为449；普里查德教授针对它进行的摄影研究结果为449；它的自行速度为446；斯特鲁维对它的观测结果为448、449；它的速度为452

天鹅座，424

西里尔，92

赛萨特星与猎户座腰带，467

D

太阳光谱中的D线，48

G.H.达尔文教授与潮汐演化理论，531

道斯，教授，以及土星的第三环，281
一天的长度与月亮，542；潮汐现象，541
狄摩斯，226，558
德涅伯拉，423
衍射现象，56
狄俄涅，559
颜色的色散现象，47
天文学上的距离，558，559
多尔费尔与彗星，339
犬星（见天狼星）
小犬座，420
多纳蒂彗星，353，358；其彗尾，366
双星，434–440
D Q，236
天龙座中的星云，470

龙座，415

德雷珀教授与猎户座中的星云，469

邓辛克天文台，12、184、447、449

动力学稳定性，547；牛顿的理论，214

动力学与地月系统，546

动力学的奠基人——伽利略，10

鹰座，424

地球：关于它的古老观念，3；
地球的年度运动与恒星的视运动，507、512；
木星对地球的引力，319；
恩克彗星对地球的引力，350；
狮子座流星雨对地球的引力，386；
土星对地球的引力，319；
月球对地球的引力，75、497；
太阳对地球的引力，496；
地球的自转，558；
地球上的石炭纪，518；
地球的气候变化，518；
地球的构成，496

大气层与陨石的相互作用，377–379页；
大气层的密度，558；
大气层的直径，558；
大气层到火星的距离，213；
大气层到月球的距离，73、558；
大气层到太阳的距离，31、114、184、240、265、351、512、558；
由于旋转而产生的能量，540；
曾经是一个熔融状态的天体，200、201；
地质记录与大气层的关系，517；
大气层上的冰河时期，518；
重力与大气层的关系，204、206、207、497；
大气层内部的热量，94、197、198、251、514；
如何测量大气层的参数，193–196页；
由于陨石的坠落，大气层的质量会增加，408；
大气层中的海洋曾经是蒸汽状态，251；
曾经与月球非常接近，542；
大气层的轨道，114；
大气层轨道的椭圆形状，139；
金星和火星会干扰大气层的运行轨迹，319；
大气层的周期时间，558；
大气层轨道的平面，309；
大气层的极轴，196、492–502；
大气层相对于太阳和月球的方位，76、77；
大气层极轴的进动和章动，492–502；
大气层的半径，193、512；
大气层的旋转，75、196、200、494、496。

形状：192、195、197、201、207；
大小：与木星相比为119，与其他行星相比也为119；
与太阳、月球的尺寸及重量相比：分别为30和74、75；
速度：115、139、146、512，周期时间为143；
火山活动：197，陨石的起源：405；
重量：202、248，与土星相比为271、272。

地震对天文仪器的干扰：24

行星轨道的偏心率：136、211

木星卫星的日食现象：261、262、265–267

月球的椭圆轨道：77–80；太阳的椭圆轨道：53

关于日食的古代解释：6；日食重复出现的计算：79、80

黄道：5、233；黄道的极点：493、500、505

电灯：44

椭圆：136

离心率，137；
焦点，137；
开普勒关于它的发现，136、138、142–144、505；
行星轨道的形态，136；
视差现象，444；
轨道形态的多样性，139

土卫二，559

恩克以及太阳与地球之间的距离，147、184；
他的彗星，344–352

恩克彗星，344–352；
它接近木星的情况，349；
它与水星的关系，349；
它与太阳的关系，346；
其周期时间的缩短，351；
它与水星之间的距离，347；
受到地球的干扰，350；也受到水星的干扰，348；
其轨道的不规则性，347、351；
它的轨道，346；
它的周期性回归，351；
冯·阿斯滕关于它的计算，349–350

产生潮汐的能量，539

恩西斯海姆陨石，393

赤道直径：196,497；望远镜数量：14台

埃拉托斯特尼：89

爱神星：236

火山喷发：197

昏星：109, 169

眼睛的结构：10

F

太阳的色斑：37

1869年的火球现象：375

火球：374

“恒星”：503

弗拉姆斯蒂德，首位皇家天文学家：311；其著作《天体史》：311

行星椭圆的焦点：137–139

北河三：413

夫琅禾费：478

夫琅禾费线，48

芬迪湾的潮汐现象，538

G

伽利略的成就，10；
他与木星的卫星们，267；
他与土星的环，273、274；
他与昴宿星团，418

加勒博士与海王星，328–330

加桑迪与水星凌日现象，164；
他与金星凌日现象，178；
以他名字命名的月球陨石坑，90

高斯与小行星谷神星，232

双子座，303、420

双子座流星雨，400

地质学家与时间的流逝，453

东方几何学家，5

古人对几何学的研究，6

乔治三世与W·赫歇尔爵士，299、306

巨人之路，407

D.吉尔博士，27岁；
朱诺星，243；
小行星，242；
半人马座α星的视差，451；
火星的视差，214。

冰河时期，518。

万有引力定律，122–149；
与双星的关系，437；
与恒星进动的关系，497；
与地球自轴的关系，495、497、499；
与彗星抛物线轨道的关系，340；
与彗星周期性回归的关系，343；
与地球重量的关系，203、204；
通过实验验证该定律，123、124、127、129–132；
通过月球观测有助于发现该定律，108、125；
该定律对卫星的影响，149；
该定律对恒星的影响，149；
该定律对潮汐的影响，149；
勒维耶对该定律的证明，330；
牛顿的发现，125、126、147；
该定律在月球上的应用，96；
该定律在各种天体中的普遍性，128、373。

大熊座，27、28、241；
其星体构型，410；
其中的双星系统，438；
大熊座各星体的位置，409、411。

格林先生与火星，220
格林尼治天文台，26、311
格里菲斯先生与木星，252
格里马尔迪，90
霍华德·格鲁布爵士，14
“守卫们”，412
《格列佛游记》与火星的卫星，228
H
哈德利对土星的观测，282
阿萨夫·霍尔教授与火星的卫星，225
哈雷与彗星的周期性，341–343；以及金星凌日现象，180
热量与天文学的关系，513；地球内部的温度，197–199、514；太阳的温度，515–526
日晷，243

氦，55
亨德森，以及半人马座α星的距离，442、451
武仙座中的星团，269、462
希罗多德（月球上的陨石坑），90
卡罗琳·赫歇尔，299、465
约翰·赫歇尔爵士：向英国协会发表的演讲，328；在为贝塞尔颁发金质奖章时的演讲，443；与比拉彗星的关系，357；与星云的研究，464；就亚当斯在发现海王星过程中的贡献写给《Athenœum》杂志的信，330
W.赫歇尔爵士：双星研究，435、436；与土星的关系，279；与土星的卫星们之间的关系，295；与凯瑟琳女皇的关系，301；关于太阳系向天琴座移动的现象，457；他发现的天王星卫星，308、309；他发现天王星的过程，305、308；他的早年生活，299；与W.沃森爵士的友谊，302；他自己制造望远镜，301

“国王的天文学家”，307页；
他制造望远镜的方法，302页；
他的音乐天赋，299页；
巴斯八角形教堂的管风琴师，300页；
乔治三世赦免他的逃兵罪，299页；
他对天文学的热爱，300、301页；
他放弃音乐职业，307页；
他的恒星聚合理论，529页；
他对星云的研究，464–465页、529页

赫歇尔式望远镜，19页

《天体史》，311页

霍迪，414页

霍姆斯彗星（1892年），355页

霍罗克斯与金星凌日现象，179页

霍华德先生与贝拿勒斯陨石，392页

W.哈金斯爵士，479页、483页；
他与星云的研究，472页

惠更斯与土星的环，275–278页；
他发现了土星的第一颗卫星，293页

毕宿五星团，419页

天狼星和织女星中的氢元素，479页；
太阳中的氢元素，50页

海吉努斯，93

海伯利安，559

伊阿珀托斯，559

伊比利亚人，3

宗教裁判所与伽利略，10

艾里斯，242

北极地区的铁尘，408；
太阳中的铁，50；
陨石中的铁，396；
铁的光谱，50

詹森，M.，34，53；
与金星凌日现象，177

朱诺，233，238

木星：古代对它的研究，6；
与狮子座流星雨的关系，386；
木星的引力，248；
木星的轴旋转，558；
木星上的环带，252

其亮度为257；
其组成成分为250；
表面被云层覆盖，见253、254页；
其密度为558；
其直径为247、558；
其与地球的距离为110、111；
其与太阳的距离为246、558；
该天体是否适合居住，见257页；
它从太阳那里接收到的热量为256；
其内部的热量为252、256、515；
该天体没有固定的地形特征，见253页；
它并非固体，见248、253、254页；
其动量矩为554、555；
该天体会发生掩星现象，见255页；
其轨道为114、115、246；
土星的引力会干扰其运行轨迹，见316页；
其公转周期为558；
它属于行星，也可称为“流浪天体”，见111页；
1878年时该天体上出现了红斑，见253页；
它的公转速度为246；
它的自转速度为201、202；
它的卫星有247、249、257–261、265、559；
这些卫星与引力之间的关系见266页；
这些卫星与哥白尼理论的关系见267页；
这些卫星投下的阴影见257页；
它的形状为201、202、247、252；
与地球相比，它的大小为19、246、248；
与其他行星相比，它的大小为114；
与太阳相比，它的大小为114。

风暴，256；
潮汐，555；
其重量，248、250；
与恩克彗星的关系，350

K

基勒教授与土星的环，288

肯普夫博士与太阳的速度，484

开普勒与彗星，360；
与行星运动定律的关系，10；
与流星的关系，386；
与火星轨道的关系，209；
对其定律的解释，147、148、533；
他对行星轨道形状的发现，136、138；
他的第一条行星运动定律，138；
以他名字命名的月球陨石坑，90；
对金星和水星凌日的预测，163、178；
第二条定律，141；
第三条定律，142

儿童，414

基尔霍夫与光谱分析，478

柯克伍德教授与土星卫星的运动，296

克林克费斯，教授，390

拉格朗日与行星扰动理论，320–322；他关于行星刚性的假设，531

“鹰”陨石，392

拉朗德与海王星，332、333

月球上的地貌，98

J.霍默·莱恩先生，522

拉普拉斯与星云理论，526；他与木星的卫星们，266；他与行星扰动理论，320

拉塞尔先生与土星的第八颗卫星，296；他发现了海王星的卫星，334

万有引力定律（见“引力”）

行星运动定律（见“行星运动”）

太阳中的铅，50

莱杰先生与水星，163页
以莱布尼茨命名的月球山脉，93页
莱莫尼耶与天王星，312页
狮子座与流星，380、420页
狮子座流星雨：行星对其的影响，386页；
其流束的宽度，387页；
其形状的变化，383页；
其数量的减少，385页；
其数量之庞大，382页；
相关历史记载，383页；
其流束的长度，387页；
勒维耶与狮子座流星雨进入太阳系的原因，388页；
相关的流星群，382页；
其周期性出现规律，382页；
其与彗星的关系，以及夏帕雷利教授的观点，388页
狮子座γ星的速度值，484页
赤道突起产生的杠杆效应，498页
勒维耶与火星，214页；
他与海王星的发现，324–332页；
他与狮子座流星雨进入太阳系的过程，388页；
他与水星的重量之间的关系，349页

莱克塞尔彗星，370
视差现象，84
利克天文台，16
光的偏折现象，503–512；
光速，261、262、265、505、512
林奈，87、94
狮子座，420、421
小熊座，412
小狗座，420
李维与陨石，393
洛伊德，校长，407
诺曼·洛克耶爵士与参宿四，482；
与太阳光的关系，52
伦敦的潮汐，538
F. 特比与土卫六，295
洛厄尔先生与水星，165
月球潮汐，548、549
天琴座——太阳系向其移动的趋势，459

里拉座，424；
该星座中的星云，469

天琴座流星雨，400

M

迈德勒与月球上的陨石坑，88、90、91

麦哲伦云，463

镁：其产生的火焰颜色，46；在太阳中的存在，50

磁性与太阳黑子之间的关联，42

太阳中的锰元素，50

马拉尔迪与土星的环，279

危机海，83；
丰饶海，83；
湿气海，83；
雨水海，83、98；
甘露海，83；
云海，83；
宁静海，83；
平静海，83；
蒸汽海，83

火星：对它的古代研究，6；

通过望远镜观测到的外观，218；
其大气层，222；
自转情况，558；
表面的运河，220；
密度，558；
直径，558；
与地球的距离，213；
与太阳的距离，213、558；
其上的引力作用，225；
勒维耶的发现，214；
该行星上存在生命的可能性极低，224；
表面的标记，218；
运动规律，211–213；
冲的位置，209–211；
轨道，116、209、210、213；
其轨道与开普勒定律的关系，209；
1877年的视差现象及D.吉尔博士的研究，214；
公转周期，558；
属于行星还是“流浪天体”，111；
表面的“极地冰盖”，218、219；
与地球的接近程度，110；
升起与落下的时间，209；
自转情况，218；
卫星，225–228、558；
与其他行星相比的大小，116、216；
潮汐现象，551；
表面的水与冰，219、224

马克西米利安皇帝，393

托比亚斯·迈尔与天王星，312

地球的测量，193–196页
地中海的潮汐，537页
水星：对其的古代研究，6页；其被发现的年代，155–157页；水星的大气层，166页；水星对彗星的引力作用，347页；水星的气候，163页；水星与地球的相对距离，111页；水星的成分，160页；水星的月牙形结构，160页；水星的密度，558页；水星的直径，558页；水星到太阳的距离，151页、558页；水星是否适合居住，163页；水星的运动，160页、161页；水星的椭圆轨道形态，139页、161页；水星的轨道，114页；水星的自转周期，161页；水星周期性出现的时间，158页；水星的周期时间，558页；影响水星运动的因素，350页；水星是否属于行星或“流浪天体”，111页；水星的自转，165页；斯基亚帕雷利教授关于水星旋转的研究，165页；水星与其他行星的大小比较，116页；水星的表面状况，162页；水星凌日现象，152页；伽桑迪对水星凌日的观测，164页

开普勒对行星运行的预测，163；
行星的速度，162；
行星的重量，166、349

子午圈，22、24

梅西耶星表，529

流星（参见“流星星”）

陨石，391；
阿尔班山，393；
古代关于陨石的记载，392、393；
瓦拉纳西，392；
布苏拉，397；
查科，398；
陨石的特征，397；
克拉德尼关于在西伯利亚发现陨石的记载，392；
陨石的成分，397–399；
恩西斯海姆（1492年），393；
印度教关于陨石的记载，391；
莱格尔，392；
陨石与彗星无关，400；
陨石与流星雨无关，400；
奥尔格伊，399；
陨石的起源，400–408；
奥维法克，407；
罗顿，395–396；
沃尔德小屋，392

微米计，86

银河系，462–3，474–6
米玛斯，559
小行星，229–244
鲸鱼座Mira星，430，482
北河三，438，486
动量矩，552–554
一日之月，547
月球：表面无空气，85，99；表面无热量，95；引发潮汐的成因，70，535–537；关于月球的古老发现，5；月球的视直径，73；月球对地球的引力，75；月球与太阳的亮度比较，71；月球在一个月内的变化，71，74；月球表面的地形图，81；月球上的陨石坑，83，84，87–98，514；月球的密度，558；月球的直径，558；月球与地球的距离，73，75，568；月食现象，6，77–80；万有引力定律的示意图，96，131，133；月球上的地貌，98；月球上无法存在生命，99

测量山峰等的高度，85、86页；
微米，86页；其运动，75页；
其上的山脉，83、85、88、89、91、93页；
其相位，71、76页；
其轨道平面，310、500、501页；
诗人与艺术家与它的关系，72页；
两极，500页；
喷射陨石的可能性，402页；
可能从地球上断裂分离，543页；
史前时期的潮汐现象，548、549页；
会导致进动现象，497–499页；
与地球的距离，73、75页；
正在远离地球，545页；
相对于地球和太阳的方位，76、77页；
绕地球旋转的运动，75、76、558页；
其表面的“海洋”，82、83页；
其阴影，85页；
与地球相比的大小，74页；
用于测试计时器的工具，80页；
受地球潮汐影响的程度，549页；
没有水，100页；
其天气不受相位变化的影响，82页；
其重量，74页。

行星运动的规律，138、141、142、147、148页

月球的山脉，83、85、93页

N

纳斯米斯先生与月球陨石坑的形成，95

自然历史博物馆与陨石，394

航海年鉴，189

小潮，538

星云：仙女座中的星云，469；天琴座中的环状星云，469；猎户座中的星云，269、461、466–469；星云的颜色，468；星云的亮度，468；星云的本质，467；天龙座中的行星状星云，470；最简单的星云类型，528；不同等级的星云，528

星云总论，464–472；星云的形成过程，528；星云的距离，464；双星云，470；赫歇尔在星云研究方面的贡献，464–465、528、529；星云的数量，466；行星状星云，470；自发光星云，464；比太阳还要大的最小星云，464；螺旋星云，470

星云理论，526
海王星，112；
亚当斯的相关研究，324–326、332；
查利斯对海王星的观测，326–328；
海王星的密度，558；
海王星的直径，333、558；
海王星的环状结构，332；
海王星的发现（1846年），315；
海王星与太阳的距离，334、558；
拉朗德对海王星的观测，332、333；
勒维耶的计算结果，324–332；
海王星的动量矩，554；
海王星的轨道，117；
海王星的公转周期，558；
海王星的公转速度，334；
海王星的自转情况尚不确定，333；
由拉塞尔先生发现的海王星卫星，559；
海王星与其他行星的大小比较，119；
海王星的气态大气层，333；
海王星的重量，333

H.F.纽厄尔先生与卡佩拉，487；
以及恒星的速度数值，483

纽康姆教授，9、264、267、522

牛顿教授与流星雨现象，377、384

艾萨克·牛顿爵士：发现了万有引力定律，验证了开普勒的定律，144；

动力学理论，214；
他教学方法的示例，144–147；
万有引力定律与动力学理论的关系，125、126、537；
彗星的抛物线轨迹与动力学理论的关系，338–340；
反射望远镜，19；
地球的质量与动力学理论的关系，203

太阳中的镍，50

尼尼微的天文学家们，156

诺登舍尔德与奥维法克陨石，407

天鹅座新星，431；
其亮度，454；
其亮度下降的情况，455；
其距离，456；
其视差，455

11月的流星雨，376、377、379

章动现象与布拉德利的研究，501

O

奥伯龙，309、559

物镜，11、12、14、16、19

天文台，9–28

好望角天文台，27；

邓辛克，12，184；
格林尼治，26，314；
利克，16；
巴黎，22；
乌拉尼堡，10；
维也纳，14；
华盛顿，226；
耶基斯，16

掩星现象，102，215

风暴之海，83

观测用望远镜，27，28

火星冲日现象，209

轨道动量矩，552

行星的轨道，114，115，117；
轨道尺寸，139–143；
椭圆形轨道，138–140；
小行星，232，234，239；
并非完美的圆形轨道，135；
天王星的卫星轨道，310；
太阳为所有轨道的共同焦点，139

奥尔盖尔陨石，399

猎户座，4，418

猎户座腰带，418，467；
其亮度，418；

星云：269、461、466–469
猎户座α星，418、482
猎户座θ星，一颗多星系统，318、467
奥维法克陨石，407

P
帕利萨星与小行星，234
木卫二，233、238
彗星的抛物线轨迹，338–340
视差椭圆，444
视差现象，181、182、214、443；恒星的视差，507
巴黎望远镜，22、23
飞马座大方形星群，413、414
地球自转与“佩格顶”现象，494
用于测定地球引力大小的摆钟，205
太阳黑子的半影，51

近日点，163

行星的周期，139–143，558

太阳黑子的周期性，41

英仙座流星雨，400

英仙座，415，416，429；剑柄星团，462

行星的扰动，317–324，346

扰动理论，296

佩塔维乌斯，93

彼得斯教授与小行星图表，234；以及天狼星的运行异常现象，427

月相，71，76

火卫一，226，551，558

摄影与实用天文学，25；以及天鹅座61号恒星的距离，449；罗伯茨博士与仙女座星云，469；康芒先生与猎户座星云，469；W.哈金斯爵士与星云光谱，

473
光球层，37，54

恒星的物理本质，477

皮亚齐——第一颗已知小行星的发现者，203

皮克林教授，218，220，255，265；与参宿四的关系，482；与行星状星云的关系，474；与土星卫星的关系，296；与分光双星的关系，486，487

皮科，89

行星运动，开普勒定律，138，141，142，147，148

行星状星云，470

行星间的扰动，317–324

关于行星的古老观念，2，6；行星的大致数量，112；行星之间会相互吸引，148，317；行星会被彗星吸引，360；波德定律，230；行星的大小比较，118，119；行星与地球的距离，109–111；行星与太阳的距离，558；如何区分行星与恒星，111

运动的不规则性，317–324；
拉格朗日关于其刚性的理论，531；
来自太阳的光线，113；
小行星，229–244；
四颗巨行星的轨道，117；
四颗内行星的轨道，114；
轨道的焦点位于太阳中心，139；
轨道并非完美的圆形，135；
轨道呈椭圆形，136–138；
根据星云理论对其起源的解释，526；
周期性，139–143，558；
它们之间的相对距离，229；
旋转时方向的均匀性，120，322；
速度，139–142，144，146，237

柏拉图（月球上的陨石坑），89

昴宿星团，241，416；
夏季时无法观测到，416

普林尼与潮汐及月亮的关系，535

犁状星云，28

波格森先生，390

大熊座中的指针星，28，411

极轴，196

火星的极冠，218、219

北极星与地球两极的距离，494；
其高度，195；
其运动情况，492；
位于天龙座α星附近，494；
位于织女星或天琴座α星附近，494

北极星，194；
属于小熊座，412；
其与天球两极的距离，412、492、494；
其位置，411；
其缓慢的运动，412

北河二，420、480；
其速度数值，484

庞斯彗星以及1818年的那颗彗星，345

波西多尼乌斯，87

太阳中的钾元素，50

马槽星团，422

地球自转轴的进动与章动，492–502

普罗克特以及阿格尔兰德星图中的恒星，476

棱镜，45；
其分析能力，46

普里查德教授，其在恒星摄影方面的研究，449

南河三，420；
其速度数值，484

太阳上的日珥，53–59

托勒密，其天文学理论，6；
以他名字命名的月球陨石坑，92

Q

四旬客星，400

R

地球的半径，193，512

彩虹，45

公羊座，420

反射镜，19，21，25

棱镜的折射作用，45

折射望远镜，11，14，16

轩辕十四，421，479
由潮水形成的水库，538
视网膜与望远镜，10，11
瑞亚，559
参宿七，418，420，480
行星的刚性，532，533
艾萨克·罗伯茨博士与仙女座星云，469；与猎户座星云，469
罗默与光速，261
浪漫星，151–154
罗斯望远镜，19，20，468，470
转动动量矩，553
罗兰德教授与光谱线，491
罗顿菱铁矿，395
皇家天文学会与贝塞尔，442

萨福，242

木星的卫星，249、250、257–261、266、559；
哥白尼理论的证实，267

火星的卫星，209、225–228、551、558

海王星的卫星，334、559

土星的卫星，559；
邦德的发现，296；
卡西尼的发现，294；
距离，559；
赫歇尔的发现，295；
惠更斯的发现，293；
柯克伍德的推论，296；
拉塞尔的推论，296；
运动规律，296；
根据星云理论推测的起源，526

天王星的卫星，308、309、310、559

土星：古代对它的研究，6；
对天王星的引力作用，322；
自转情况，558；
美丽之处，209；
与地球的相对距离，110；
密度，558；
直径，271、558

与太阳的距离：268、271、558；
轨道为椭圆形：271；
引力起主导作用：283；
内部热量：272、515；
与狮子座流星雨的关系：386；
密度较低：272；
动量矩：554；
运动状态：271；
轨道：117、118；
其轨道因木星的引力而发生偏移：316；
周期时间：558；
公转周期：269；
美观程度：291；
在太阳系中的位置：269；
环状结构：269；
邦兹对环的发现：280；
卡西尼对环的发现：278；
环的结构特性：286；
道斯对环的发现：281；
伽利略对环的发现：273、274；
哈德利对环的观测：282；
赫歇尔对环的研究：279；
惠更斯对环的发现：275–278；
基勒对环旋转速度的测量：288；
马拉尔迪对环的研究：279；
环的旋转速度：285、288；
环的光谱特征：291；
特鲁弗洛对环的绘图：278；
卫星数量：293、294、295、296、559；
与其他行星相比的大小：119、269、272。

其光谱，291；
外观与火星和金星不同，269；
其速度，271；
与地球相比的重量，272

萨瓦里与双星，436

谢伯勒先生与火星，224

谢纳与恒星的速度数值，483；
对太阳黑子的观测，36

斯基亚帕雷利教授与火星，220；
流星雨与彗星之间的关联，388；
水星的旋转，165

席卡德，90

施密特与天鹅座新星，454、489；
林奈陨石坑，87；
莱布尼茨山脉，93

施罗特与波西多尼乌斯陨石坑，87

施瓦贝与太阳黑子，40

月球上的海洋，82

塞基与恒星光谱，479

流星群，377；
尺寸，377

流星（参见“流星”）

镰刀状天体，421

W.赫歇尔爵士的恒星聚集理论，529

菱铁矿，罗顿，395

虹彩海湾，83

天狼星的位置变化，425；
其伴星，427、428；
其异常明亮的光芒，110；
其运动轨迹的不规则性，426；
其体积大于太阳，110；
最明亮的恒星，419；
其周期性出现现象，157；
其自行运动，425；
其光谱，479；
其运行速度，426；
其质量，427

C.P.史密斯教授，493

钠元素产生的火焰颜色，49；
在太阳中的存在，50

太阳日冕、日珥等（参见“太阳”相关内容）

太阳系，107–121；
哥白尼对太阳系的阐述，7；
引力对太阳系的影响，149；
通过观测金星凌日获得的关于太阳系的信息，174；
宇宙中的“岛屿”，121；
小行星，229–244；
动量矩，554；
太阳系向天琴座方向的运动，457；
根据星云理论推测的太阳系起源，526；
土星与天王星在太阳系中的位置，297, 305

詹姆斯·索思爵士，12

恒星的光谱，479

分光日像仪，58

分光镜，43–56；
利用分光镜检测太阳中的铁元素，50

分光双星，487

光谱分析，47；
暗线，49, 50；
气态星云，474；
D线，48, 49

罗斯望远镜，20

角宿一，423, 487

用于调节千分尺的螺旋丝，86；
用于调整望远镜焦点的装置，22

太阳上的黑子，36–43；
与磁力的关系，42；
黑子的周期，41；
持续时间，41；
最活跃期，42；
黑子的运动，36；
公转周期，40；
谢纳的观测结果，36；
黑子出现的区域，39

星团，461–464；
武仙座中的星团，462；
英仙座中的星团，462

恒星的视运动：由岁差、章动和光行差引起的运动，504；
恒星的大致数量，28；
恒星间的引力极弱，316；
恒星目录，310、311、409、431；
恒星图谱，325、328；
恒星的圆周运动，505–507

恒星的距离，441；
贝塞尔的研究成果，442–449；
亨德森的研究成果，442；
测量恒星距离的方法，443–445；
斯特鲁维的研究成果，442、448、449；
视差椭圆，444–449

双星，434颗；
博德列表中的恒星，435颗；
伯纳姆补充的恒星，439颗；
卡西尼发现的恒星，434颗；
赫歇尔发现的恒星，435颗、436颗；
恒星的测量数据，435颗、436颗；
恒星的公转周期，436颗；
萨瓦里关于恒星的研究，436颗；
恒星轨道的形状，436颗；
恒星颜色的变化，438颗。

恒星的椭圆运动，506颗；
引力与恒星的关系，149颗；
如何区分恒星与行星，111颗；
恒星的物理本质，477颗；
恒星拥有行星系统的概率，121颗；
恒星的真正运动与表观运动，504颗；
恒星其实就是太阳，32颗、121颗。

流星雨，行星的引力作用，386颗；
流星雨与彗星的关系，388–390颗；
恒星的数量极其庞大，372颗；
流星雨的规模，377颗；
流星雨的特征，373颗；
恒星轨道的长度，387颗；
恒星的轨道，378颗；
恒星轨道的渐变情况，386颗；
恒星的公转周期，384颗；
恒星的周期性回归，378颗、379颗；
1866年的11月流星雨，377颗、379–380颗。

1866年11月的流星雨，以及亚当斯教授，384、386页；
1866年11月的流星雨，来自狮子座的辐射轨迹，380页；
1872年11月的流星雨，389页；
各种流星雨，376页；
流星雨与牛顿教授，377页；
流星轨迹，377页；
因与地球大气层摩擦而转化为蒸汽，374、376页；
流星的速度，373、386页。

恒星的光谱，479页；
古人关于恒星的认知，3页；
恒星的温度，515页；
临时性的恒星，430、488页；
恒星的速度数值，484页；
变星，429页。

G.J.斯托尼博士，387页。

锶元素产生的火焰，46页；
太阳中的锶元素，50页。

奥托·斯特鲁夫与织女星的距离测定，442、447页；
他与天鹅座61号恒星的距离测定，448、449页。

太阳与光速，265页；
从行星上看太阳的视大小，117、118页；
作为恒星的太阳，32页；
太阳的自转，558页。

与地球相比，其大小为29；
与季节的变化关系，见4；
日食时的日冕现象，见62–64页；
密度为65、558；
直径为558；
与火星的距离为213；
与土星的距离为271；
与地球的距离为31、114、184、240、558；
日食现象，见6、53页；
轨道的椭圆度，见558页；
表面的光斑，见37页；
行星轨道的焦点，见138页；
逐渐散失热量，见95页；
表面的颗粒，见34页；
热量及其来源，见515–526页；
释放到木星上的热量，见256页；
小行星与它的关系，见240页；
向天琴座方向移动的趋势，见457页；
关于其热量的星云理论，见526页；
已被拍摄到的照片，见34页；
地球自转轴的进动，见497页；
表面的突起物，见53–59页；
与月球的关系，见71页；
升起与落下的时间，见2页；
自转速度，见40、201页；
大小为29；
光谱特征，见48页；
表面的黑子，见36–43页；
黑子与磁场的关联，见42页；
表面的风暴与动荡，见42、43页；
表面由气体构成，见34页；
表面呈斑驳状，见34页。

早期天文学家对它的研究，3–7；
其温度，30、31、516；
其表面质地，34；
潮汐对其的影响，530；
其运行速度，484；
与木星相比的重量，250、350；
黄道光与其的关系，67；
其表面的不同区域，39

太阳光的奥秘，44

天鹅座，424、439、445

英仙座的剑柄星，462

大西尔蒂斯区，222

T

金牛座，231、419

泰布特彗星，353

望远镜的发明，10；
赤道式望远镜（邓辛克型），12–14、185；
格林尼治望远镜，26；
赫歇尔式望远镜，19；
利克天文台望远镜，16、19；
巴黎望远镜，22、23；
反射式望远镜，19、21；

折射，11、14；
罗斯，19、20、468、470；
其观测记录，23；
眼睛的结构体现了折射原理，10；
维也纳，14–16；
华盛顿，226；
耶基斯，16

临时恒星，430、488

忒提斯，559

西奥菲勒斯，92

潮汐：源自地球的实际能量，539；
受万有引力定律影响，149、535；
受月球影响，70、535–537；
芬迪湾的潮汐情况，538；
卡迪夫的潮汐情况，538；
切普斯托的潮汐情况，538；
伦敦的潮汐情况，538；
圣赫勒拿岛的潮汐情况，538；
受太阳影响而产生，537；
潮流的形成，538；
布里斯托尔海峡的潮汐情况，538；
地中海的潮汐情况，537；
大洋中的潮汐情况，538；
木星与潮汐的关系，552；
昼夜长度与潮汐的关系，541；
月潮，548、549。

动量矩，552；
小潮，537；
地球的自转与月球的公转，549；
火星的卫星，551；
太阳，550；
弹簧，537；
其变化规律，538；
水力资源的浪费，538；
所做的功，539

太阳中的锡，50

泰坦星，294、295、559

泰坦妮亚，309、559

水星凌日，152、163、164

金星凌日，152；
库克船长的观测，184；
科普兰的观测结果，189；
克拉布特里的观测结果，180；
加森迪的观测结果，178；
哈雷的方法，180、181；
霍罗克斯的观测结果，179、180；
其重要性，173；
开普勒的预测，163；
在邓辛克进行的观测，184–188

火神星凌日，152–153

特里斯内克，84、93

L. 特鲁弗洛与土星的环，278页
切尔马克与陨石的起源，400、401页
第谷（月球上的陨石坑），91页
第谷·布拉赫与乌拉尼堡天文台，9、10、430页

U
太阳黑子的本影，51页
翁布里埃尔，309、559页
不稳定的动力学平衡状态，543页
乌拉尼堡天文台，10页
天王星，112页；
土星对它的引力，322页；
布拉德利对它的观测，312页；
它的组成成分，308页；
它的密度，558页；
它的直径，308、558页；
它的轨道直径，305页；
它的结构形态，308页；
赫歇尔对它的发现，305、308页；
它与太阳的距离，558页；
它的轨道形状为椭圆，313页

最初被误认为是彗星，304；
弗拉姆斯蒂德的观测记录，311、312；
曾被视为一颗恒星，311、312；
为寻找其轨道之外的行星而进行的探索，323–324；
其不规则的运动轨迹，314、323；
莱莫尼埃的观测记录，312；
与狮子座流星雨的关系，386；
迈耶的观测记录，312；
其动量矩，554；
其轨道，117、310；
其周期时间，558；
其公转周期，312；
其自转情况，308；
其卫星，559；
赫歇尔发现的卫星，308；
这些卫星的运动近乎圆形，309；
这些卫星有周期性运动，309；
这些卫星的轨道平面，309、310；
其与地球的大小比较，308；
与其他行星的大小比较，119；
除了太阳之外还受到其他天体的引力作用，314

大熊座（见大熊星）

V

变星，429

织女星，414、423、424、479；
斯特鲁维对其距离的测量，442

光速，261、262、265；
与光速相关的定律，511；
行星的速度，140–143、146、237；
恒星的速度及其数值，483–4

金星，古代对它的研究，6；
金星的各相位，171；
金星的大气层，189；
金星的亮度，168；
金星的密度，558；
金星的直径，191、558；
金星与太阳的距离，191、558；
金星是否适合居住，173；
金星的运动，168；
金星作为地球的邻星，109；
金星的轨道，114、135；
金星的轨道形态，139、191；
金星的公转周期，558；
金星是行星还是“流浪天体”，111；
金星的自转，191；
金星的形状，169；
金星与其他行星相比的大小，116、169；
金星的表面，171；
金星凌日现象，152、176–190；
金星凌日现象的重要性，173；
开普勒对金星凌日的预测，163；
金星的速度与公转周期，142、143、191；
古人对金星的看法，157

灶神星，233、238

维多利亚，242

维也纳望远镜，14–16

室女座，423

沃格尔与阿尔戈尔，485；
与角宿一，486、487；
以及恒星的光谱，479、483

陨石的火山起源，400；
地球上的火山爆发，197

冯·阿斯滕彗星与恩克彗星，349、350；
与太阳的距离，351；
与水星的重量，166

涡旋环，469

伏尔甘，152、153；
与太阳的关系，3

W

瓦尔根丁，90

沃森教授与水星，154

威廉·沃森爵士与赫歇尔的友谊，302

波长，60
不受月球影响的天气现象，82
W.E.威尔逊先生与猎户座中的星云，469
G.维特先生与爱神星，236
沃尔德小屋陨石，392
托马斯·莱特与银河系，474

“星辰之年”，377
芝加哥耶基斯天文台，16
杨教授关于太阳耀斑的惊人观测记录，42；关于太阳黑子的研究，38；关于磁暴的观测结果，39

泽曼博士与光谱线，491
太阳中的锌元素，50
黄道带，5

黄道光，67
小行星带，234

由伦敦E.C.地区的Cassell & Company, Limited印刷。

脚注：
[1] 不过需要指出的是，我们永远看不到星星“落下”，因为由于大气层的作用，星星在到达地平线之前就已经不再可见了。
[2] 《大众天文学》，第66页。
[3] 天文学家用“边缘”一词来指代天体视圆面的边界或周长。
[4] 《太阳》，第119页。
[5] 有人认为，1859年卡林顿和霍奇森所目睹的那次太阳爆发之后紧接着就出现了异常强烈的磁暴，但基尤天文台和格林尼治天文台的记录显示，那天的磁扰动其实相当轻微。
[6] 有批评者指出，诗人本人似乎也对这一点存有疑问，因为他还在那些不确定的月光描述之外加上了“微弱发光的灯笼”这一意象。不过也有一些更为乐观的观点认为：“总有一天，这首诗所提供的证据将会比任何天文计算结果都更有说服力。”
[7] 这幅插图是经许可从纳斯米思和卡彭特所著的书中复制的，该书中的这幅图为第十一幅插图；第八幅和第九幅插图中的月球景象也是同样来源。这些照片是由纳斯米思根据自己绘制的月球轮廓模型拍摄而成的。在过去的二十年间，摄影技术已经完全取代了传统的手绘方式，用于描绘月球表面的景象。巴黎天文台和利克天文台已经发布了大量精美的月球景观照片。
[8] 在1892年于加的夫召开的英国科学协会会议上，科普兰教授展示了一个月球模型，通过安装在模型表面的透明玻璃小球，完美地展示了满月附近出现的那些条纹现象。

[9] 如果月球拥有能够有效折射恒星光线的大气层，那么月食的持续时间，也就是月球遮住恒星的时间长度，将会略短于计算出的时间。不过，目前的观测结果并未能明确证明这一点。

[10] 我对这一领域的了解要归功于F.R.S.会员G.约翰斯通·斯托尼博士。关于这一精妙且富有启发性的理论究竟是谁提出的，目前还存在一些争议。

[11] 下落物体所经过的距离与作用力与时间平方的乘积成正比。由于作用力与地球距离的平方成反比，因此该距离会随时间的平方而变化，同时也会与距离的平方成反比变化。也就是说，如果距离增加60倍，那么为了保持下落距离不变，时间也必须增加60倍。

[12] 参见纽科姆所著的《大众天文学》，第78页。

[13] 纽科姆最近对水星运动的研究结果表明，假设在水星轨道与太阳之间存在一颗行星或一环由极小行星构成的结构，是无法解释水星运动中理论与观测结果之间的差异的。哈泽也得出了相同结论，并指出造成这种差异的因素可能是太阳日冕中的物质。

[14] 《太阳：它的行星及其卫星》。伦敦：1882年，第147页。

[15] 詹姆斯·格雷戈里在1667年撰写的一本光学著作中，就已经提出了利用金星凌日来实现这一目的的想法。

[16] 参见《天文学与天体物理学》第128期。

[17] 参见《天文学与天体物理学》第128期。

[18] 这就是在图版XVIII上、位于经度290°、赤道以北（即赤道下方）的曲线标记。与所有天文图一样，这里北方在底部，南方在顶部。参见上文第82页（第三章）。

[19] 目前担任利克天文台台长。

[20] 日晷仪是一种望远镜，其物镜沿直径方向被切成两半。这两半中的某一半或两半都可以通过螺丝横向移动。每一半都能形成物体的完整图像。通过观察需要转动多少圈螺丝才能使物镜一半形成的恒星图像与另一半形成的行星图像重合，就可以得出相应的测量结果。

[21] 参见《天文学与天体物理学》第109期。

[22] 需要补充的是，有些观测者认为，在特殊情况下，木星的某些部位会显示出轻微的固有光亮。

[23] 不过，来自马萨诸塞州剑桥市的皮克林教授通过光度计成功测量了处于日食状态下的卫星的光强变化情况，从而实现了重大改进。此类观测的结果有望具备更高的精确度。

[24] 《纽科姆的通俗天文学》，第336页。

[25] 参见格兰特所著的《物理天文学史》，第255页。

[26] 目前担任利克天文台台长。

[27] 这里我们忽略了土星的轨道运动——这种运动会使整个行星系统向地球靠近或远离，但由于这种运动对行星本体及其环系都是共有的，因此不会影响这三个光谱的相对位置。

[28] 根据巴纳德教授最近的测量结果，泰坦的直径为2,700英里。这是由惠更斯发现的卫星，也是距离行星第六近的卫星。

[29] 摘自C.皮亚齐·史密斯的《俄罗斯的三个城市》第二卷第164页：“1796年，英国的乔治三世决定将威廉·赫歇尔爵士制造的10英尺长的反射望远镜作为礼物送给俄罗斯的叶卡捷琳娜女皇。女皇立刻想要测试这台望远镜的性能，于是从科学院调来了鲁莫夫斯基，让他赶往当时宫廷所在的察里津宫。望远镜被拆开后，女皇连续八个夜晚都在认真观测月球、行星和恒星，同时还试图了解自己领地内的天文学发展状况。随后，鲁莫夫斯基向女皇阐述了将天文台迁走的设想，说明了这样做的必要性与好处。这位‘北方的塞米拉米斯’、‘北极星’欣然同意了这一计划；然而几周后她就去世了，未能实现这一设想。”

[30] 参见霍尔登教授所著的《威廉·赫歇尔：其生平与成就》。

[31] 阿拉戈称“莱莫尼埃的记录简直是一团糟”。布瓦尔则向阿拉戈展示了一项关于天王星的观测数据，那些数据是写在曾经用来装发粉的纸袋上的。

[32] 1884年出现的第一颗彗星也突然变亮了，而此前构成其核心的明显圆盘则变成了一个微小的光点。

[33] 12、1和1/4这三个数值与氢、碳氢化合物气体以及铁蒸气的原子量几乎成反比关系，正因如此，布雷迪钦才提出了各种类型尾迹的上述组成。目前尚缺乏氢存在的光谱证据。

[34] 这幅图以及流星轨迹图，均源自G.J.斯托尼博士于1879年在皇家学会所做的关于“11月流星雨的故事”的精彩演讲。

[35] 1885年11月27日，在仙女座流星雨期间，有一块陨铁坠落在墨西哥的马萨皮尔，不过尚不清楚它是否属于那次流星雨的一部分。不过值得注意的是，据说在11月底还有其他几次陨石坠落的记录。

[36] 1664年，胡克发现白羊座γ星实际上是双星。

[37] 如果我们能够不受大气层的影响来观测恒星，那么蓝色恒星可能会更常见。大气层的吸收作用尤其会影响绿色和蓝色光。兰利教授给出了充分的理由，让我们相信：如果没有大气的干扰，太阳本身也会是蓝色的。

[38] 恒星的赤纬是指从该恒星到赤道且与赤道垂直的弧线长度。

[39] 然而，华盛顿的阿萨夫·霍尔教授再次对天鹅座61号的距离进行了研究，其得出的结果远远低于此前的推测；另一方面，普里查德教授通过摄影技术得到的数据则支持了斯特鲁维以及邓辛克研究所的测量结果。

[40] 这幅图多亏了德拉鲁公司的慷慨提供。

[41] 请参阅第十九章，内容涉及天狼星及其卫星的质量。

[42] 由于地球以每秒18英里的速度移动望远镜，而光速则接近每秒18万英里，因此望远镜的移动速度仅为光速的万分之一左右。当光在20英尺长的望远镜管中传播时，望远镜本身仅会移动20英尺的万分之一——即四十分之一英寸。

[43] 可参见纽科姆所著的《大众天文学》第508页，该书中将这一规律的发现归功于华盛顿的J.霍默·莱恩先生。而收缩理论则是由赫尔姆霍兹提出的。

[44] 本章中所阐述的潮汐演化理论，主要基于F.R.S.成员G.H.达尔文教授的研究成果。

[45] 不同地点的数值会有所不同：加莱时间为11点49分；利物浦为11点23分；斯旺西湾则为5点56分，以此类推。
[46] 在确定了用于测量这些量度的质量、角度和距离的单位之后，任何质量、角度或距离都可以用特定的数字来表示。例如，如果以地球的质量作为质量单位，以地球每秒运动的角度作为角度单位，以地球到太阳的距离作为距离单位，那么木星的相应数值则分别为316、0.0843和5.2。因此，木星的轨道动量即为316 × 0.0843 × (5.2)²。

*** 古腾堡电子书项目《天空的故事》结束 ***

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第2节 古腾堡计划的任务说明

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