最为澄澈的那些夜晚，我们可以看到银河的光带，在南半球还能目睹大、小麦哲伦星云发出的两抹微光。

公元前 3 世纪，希腊天文学家阿利斯塔克提出了另一种观点：太阳或许才是万物的中心，是太阳的光辉照亮了月亮。

托勒密 是公元2世纪的一位学者，生活在罗马人统治下的埃及亚历山大城，备受世人推崇。错误的「地心说」模型在被克罗狄斯·托勒密采纳后盛行于世。托勒密在《天文学大成》一书中宣称，地球必定居于万物的中心。

在 16 世纪和 17 世纪，天文学迎来了一场伟大的革命。1543 年，波兰天文学家尼古拉· 哥白尼 出版了《天体运行论》，提出地球除了绕轴自转，还必定与其他行星一起围绕太阳运行。

1609 年，意大利天文学家 伽利略 ·伽利雷首次将望远镜对准了天空。

19 世纪，由于 1839 年 路易·达盖尔 发明了 摄影术 ，天文学迎来了第二次革命。

20 世纪有两项技术进步尤其值得注意，这两项进步都诞生于美国新泽西州的贝尔电话实验室公司，这家研发公司一般被世人称为 「贝尔实验室」。

第一项重大技术进步是：卡尔·央斯基在 1932 年发现，来自太空中天体的 无线电波是可以观测到的 ，这就为我们了解宇宙打开了一扇全新的窗。

此后，20 世纪 60 年代，这扇窗又进一步扩大，将其他类型的不可见光也纳入了观测范围。

第二项重大技术进步则发生在 1969 年，威拉德·博伊尔与乔治·史密斯共同发明了 电荷耦合器件，简称 CCD 。该器件利用电路将光转换为电子信号，从而产生了数码相机中我们熟悉的数码图像。它们比摄影胶片更敏感，天文学家可以借此拍摄到太空中更暗淡、更遥远的物体。

我们在太空中的位置

太阳系模型

地球每天自转一圈，每年绕太阳公转一圈。

地球的直径约为 1.27 万千米，这一尺寸的最早计算值是在 2000 多年前的古埃及由学者埃拉托色尼得出的。

月球背面在地球上是始终看不见的。月球绕地球一圈需要历时一个月，其间它只自转一周，因此始终将同一面朝向我们。

月球绕地球公转时会引发潮汐。

月球其实是被阳光照亮的，但太阳在同一时间只能照亮月球的某一面，且未必始终是其朝向地球的这一面。

倘若没有月球，地球上就不会有潮汐，白昼的时间会大为缩短，规律的季节更替很可能会被严重打乱。

水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星

我们用肉眼可以轻松看到其中的五颗，分别是水星、金星、火星、木星和土星。

通常还可以通过光芒闪烁与否来区分行星和恒星。

行星闪烁的次数一般要比恒星少得多。受空气温度变化的影响，来自恒星的光在射入眼睛的过程中发生了折射，于是我们便觉得这颗星体正在不停地略微移动。

1677 年，埃德蒙·哈雷前往大西洋的圣赫勒拿岛，为只有在南半球才能看到的恒星绘制星图，并在那里观察到了水星凌日的过程。

受此启发，他意识到 金星凌日 为世人提供了推算太阳系范围大小的关键。他的测算方法运用了 视差。

计算时利用的就不再是两只眼睛，而是地球上分别位于南、北半球的两个位置，两者相距越远越好。

当金星凌日的现象出现时，你可以先从北半球的位置来观察金星（这就相当于先闭上一只眼睛），并记下它在太阳这个背景中所处的位置；再从南半球来观察金星（相当于再闭上另一只眼睛），并记下它所处的位置。

天文单位：其定义是从地球到太阳的距离。

太阳的引力导致水星的自转减缓，就像地球导致月球的自转减缓那样。现在水星的自转速度极为缓慢，以至于水星上的居民会有整整一年（水星公转一周）的时间全是白昼，紧接着整整一年的时间又全是夜晚，每两年才有一次转回到面朝太阳的方向。

金星：它的大小和质量与地球相似，也有自身的大气层，不过其与地球大气层相比具有毒性，任何生物要在那里生存都非常困难。它虽然也像其他行星一样逆时针绕太阳运转，但假如按照北极朝上的方式来看的话，它就是 顺时针绕轴自转的。（太阳从西边升起、在东边落下）

我们相当确定，金星最初应当也是以「正常」方式自转的，但不知究竟是什么原因导致它自转的方向反过来了。

火星的直径约为地球的一半，质量仅约为地球的十分之一 ，同一物体在火星表面的重力约为在地球表面重力的三分之一。

火星之所以呈现出众所周知的淡红色外观，是由于其表面的氧化铁，类似于金属上的锈迹。

小行星带：在火星的外侧，有众多体积较小的岩石，即小行星带。在小行星带里的最大岩石是太阳系的一颗矮行星——谷神星，这颗球状星体本身的直径约有 950 千米。

木星：它与岩质内行星不同，是一个巨大的 气态球体 ，表面无法立足。由于木星不具备坚实的表面，因此航天器是无法在木星上着陆的。

木星的直径约为地球的 11 倍，质量约是地球的 300 倍，而且自转的速度比地球更快，每 10 小时就会自转一周。

在海王星之外便是柯伊伯带——太阳系内的第二个主要小行星带，还有冥王星及另外几颗矮行星。

冥王星在某些重要的方面确有不同，尤其是它的体积太小了。 天文学家给出了一个正式的定义：行星应该是围绕太阳运行的圆形天体，体积要足够庞大，除其本身的卫星以外，没有其他体积相近的物体在同一轨道上运行。太阳系内的八大行星全都符合上述要求，但冥王星不符合。

尽管冥王星被从行星行列中除名，但太阳系可能仍有第九行星。

银河系

两千多年前，希腊天文学家希帕克斯引入了恒星亮度等级划分，我们至今仍在使用这种方式来描述恒星的亮度。希腊天文学家们便将 最大、最亮的恒星称为「一等」星。

人类在黑夜中用 肉眼能看到的最暗恒星为六等星。

1856 年，英国天文学家诺曼·普森正式定义了星等的亮度比。他设定一等星比六等星亮 100 倍，然后提出了一种亮度比单位，即一等星每比某天体亮 2.5 倍，该天体的星等就比一等星高一级；

离我们最近的恒星是 比邻星 ，它隶属于由三颗恒星组成的半人马座 α 星，与我们仅有约 4 光年的距离。

运用视差法，哈勃空间望远镜可以测量长达 1 万光年的距离。

造父变星 的恒星，这类恒星的亮度不断脉动，随着某种规律变化，忽明忽暗。勒维特利用麦哲伦星云中的恒星找出了造父变星的脉动模式，这一规律被称为「勒维特定律」。

知道了造父变星的脉动周期与亮度之间的关系，就能推断出假设恰好站在该星旁边，它的亮度有多大。由此一来，造父变星便成了天文学中所谓的标准烛光。

本星系群 星系团 超星系团

距离最近的河外星系是大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。这两个星系位于银河系下方十分遥远的位置，因此只有身在南半球的人才有幸目睹。

16 世纪，麦哲伦从西班牙出发，企图找到一条通往香料群岛（亦称东印度群岛）的新航线。在这次史诗般的航行中，欧洲人首次目睹了这两个星系，于是将其命名为「大、小麦哲伦星云」。

仙女星系是我们单凭肉眼在太空中能看到的最遥远的天体之一。

宇宙的尺度

可观测宇宙的界限并非取决于我们的望远镜有多精良，而是取决于宇宙的年龄有多大。

天文学家已经计算出，无论是哪一个方向，宇宙的范围都远至约 500 亿光年之外。这个范围远超过 140 亿光年（这是光在现今所知的宇宙生命周期内所能走过的距离）

假设要像写信一样，写下我们在宇宙中的完整地址，那就应该这样来写：可观测宇宙，拉尼亚凯亚或室女座超星系团，本星系群，银河系，太阳系邻近空间，太阳系，地球。

我们来自恒星

光与望远镜

红光在我们能看到的光中是波长最长的，其波峰之间的间隔极小。

光的波长越短，速度减缓的幅度就越大。所以，蓝光穿过玻璃的速度比红光要慢，这就导致蓝光进入玻璃时比红光弯曲得更厉害。

由于重力会使玻璃镜片变形，因此折射望远镜的直径不可能比 1 米大太多。更大的专业级望远镜采用的是反射望远镜。这类望远镜不使用透镜，而是用曲面镜来汇聚光，再将其反射到目镜或相机上一个较小的焦点。

天文学中，红外线具有尤为重要的作用，因为它可以穿过阻挡可见光的物质，如宇宙气体云和尘埃云。比红外线更长。微波 或许是光波中我们最能切实感知到的部分。波长大于1毫米的光波统称为无线电波（包括微波）。

微波炉：让微波填满一个封闭空间，在空间的墙壁上来回反射；微波会让食物中的水分子旋转，并与附近的其他分子发生碰撞，从而使食物升温。

紫外线，它的波长恰好超出了人眼所能看到的范围，但大黄蜂及其他各种昆虫和鸟类却都看得见。波长较短的光每秒出现的波峰数量也较多，于是 蕴藏的能量也就更高 。

X 射线 ，它的波长比紫外线更短，蕴含的能量也更大。X 射线照射到的地方，胶片变成了黑色；而在 X 射线被骨头阻挡住的地方，胶片则仍呈白色。

波长比 X 射线更短的是 伽马射线 ，它是所有形式的光中能量最强的一种，其波长大约相当于一个原子的大小。

核聚变

恒星是巨型的气态球体，主要由氢和氦组成。引力将气体向内吸，而源于炽热气体的压力又将气体向外推。

每颗恒星的内核都有点像核电站，它把成对的氢原子挤压到一起，使其变成较大的氦原子，在此过程中释放出巨大的能量。这就是核聚变。

要实现核聚变，恒星的质量至少需达到太阳的十分之一，温度也要达到数百万摄氏度。

恒星的分类

直到 20 世纪 20 年代，我们才知晓恒星是由什么构成的；到 20 世纪 30 年代，我们才明白聚变是让恒星发光的源头。

塞西莉亚·佩恩-加波施金在 恒星光谱

闪耀的一生

  • 黄色恒星（目前太阳，这一阶段大约会持续 100 亿年）
  • 红巨星（氢原子耗尽，温度的升高，它会变得比现在明亮许多，橙红色调）
    • 太阳可能会变得特别庞大，于是水星和金星的轨道会被吞噬，地球可能也会被吞噬
  • 白矮星（内核进一步坍缩，氦原子开始聚变，形成碳和氧）
    • 白矮星的质量只可能达到太阳质量的 1.4 倍（钱德拉塞卡极限）
    • 后面逐渐冷却，直到不再发光
  • 超新星爆发

自然界把铁变成了一个临界点，因为铁和所有比铁更重的原子只有在分解时才会释放能量，在聚合时则不会。

中子星 黑洞 引力波

中子星的密度高得不可思议，取自中子星的一茶匙物质可以轻松砸穿地球、落入地核。

至少两倍于太阳质量的物体挤压到直径仅有几千米的区域内时，就形成了黑洞。黑洞的引力极为强大，会导致周围的时空发生扭曲。

将一个大质量的物体从空间中快速或加速推过会短暂影响空间变形的程度，并引发一种名为 「引力波」 的涟漪。

引力波是波，却并非光波，其实是空间本身的伸缩。

恒星的起源

我们相当确定，大约 50 亿年前，太阳诞生在银河系内的一个恒星摇篮中。太阳的摇篮应该是一团巨大的云，主要由氢气和氦气组成。

见不可见

气体、尘埃与星系类别

在整个银河系中还散布着微小的宇宙尘埃颗粒。地球上的灰尘颗粒直径可达 0.1 毫米，小的也有 0.001 毫米左右；大多数的宇宙尘埃都要比这些 更小 ，有时其直径仅相当于几十个原子的宽度，大小更接近于烟雾中的微粒。

这些尘埃颗粒是由包含碳和硅等各种元素的混合物构成的。

在银河系的正中央，还潜藏着一个巨型天体，它甚至比气体和尘埃还要难以探测。这是一个巨大的黑洞，比太阳要重几百万倍。

可以看到一颗颗恒星正围绕着银河系中心一个看不见的物体飞行。所以确定那里有黑洞。

许多星系的中心都有巨大的黑洞存在。

暗物质

兹威基研究了各星系在后发座星系团内是如何移动的，发现它们的移动速度似乎比预计速度要快得多。

兹威基提出了一个设想：在后发座中必定存在着某种看不见的物质。在 1933 年发表于瑞士期刊上的一篇文章中，他给它起了个名字——「暗物质」。

直至今日，暗物质仍然是个谜团：这种物质完全不发光，我们根本看不见。

我们仅仅对于暗物质的一个组成部分有所了解，那就是 中微子（我们已知最微小的粒子，单个粒子的质量可能还不到电子的百万分之一，或氢原子的十亿分之一）。

1930 年，沃尔夫冈·泡利当时正在研究一种特殊的放射性衰变，在这一过程中，原子核内的中子会变成质子，反之亦然。这个过程又称 β 衰变，还会产生一个电子和一个中微子。泡利只发现了电子，并计算出原子核中缺失了一些能量，于是便构想出了中微子的概念，以此来解释这样的反应。

引力透镜

物体会沿着大质量天体造成的凹陷的轮廓运动。这是爱因斯坦最伟大的发现之一。

大质量天体充当透镜，使光发生弯曲，而背景光源往往是整个星系。如果那个明亮的星系恰好位于充当透镜的天体后方，我们就会看到它发出的光扩散成一个以透镜为中心的光环。这样的光环被称为「爱因斯坦环」。

空间的本质

它是否无限大？是否始终存在？这些问题会把我们引向尽可能遥远的时间和空间，带领我们回到最开始，即宇宙诞生之初。

直到 20 世纪 20 年代，人们才开始意识到，银河系并非整个宇宙的全部。

宇宙在膨胀

如果与相距更近的星系相比，较远星系光谱中的谱线确实移向了波长较长的方向，那我们就发现了空间膨胀的证据。

勒梅特是首位提出大爆炸这个观点的科学家。他认为，既然我们生活在一个不断膨胀的宇宙中，那么大爆炸（空间膨胀的开端）就是显而易见的推论。

「大爆炸」这个词当时还没有出现，要到 20 世纪 40 年代才由剑桥大学的天文学家弗雷德·霍伊尔提出。他是大爆炸理论的反对者，本意是嘲弄这种设想。

稳恒态理论与宇宙微波背景辐射

假设大爆炸确实曾经发生过，那么应该还有在最早期形成的光残留下来，现在应当还能看到其中的一部分。

随着空间的膨胀，光的波长会变长，时至今日，这种光的波长一般会达到几毫米，正好处于微波辐射的范围内。

这种余光后来被称为「宇宙微波背景辐射」，最初缩写为 CMBR，后来又称 CMB 辐射或 CMB 光。

由于发现了这种远古余光，因此几乎所有人都将稳恒态理论束之高阁，但仍然有少数人反对。

考虑到宇宙大爆炸这个概念，我们不禁要提出一些显而易见的问题，问一问将时间逆转到零点时究竟发生了什么：空间真的被无限压缩了吗？宇宙大爆炸之前发生过什么？空间为什么会开始膨胀呢？这些都是关于宇宙的最基本问题，目前还没有找到答案。

暴涨理论

空间中物质的存在趋向于令空间的膨胀减缓，而非使其加快。所以要想解释空间为什么会开始膨胀，我们还需要某些新的设想。

现今最流行的观点是所谓的宇宙暴胀理论是美国物理学家阿兰·古斯在 1980 年提出的。

根据宇宙暴胀模型，我们会发现空间中弥漫着一些更为奇怪的东西，古斯称之为「暴胀场」。古斯所谓的「场」指的是一种弥散在空间中的能量。

目前我们还不知道这种暴胀理论是否正确。它虽然与已经观测到的种种现象相符。

决定宇宙几何形状的是什么呢？这取决于宇宙中物质的量。空间的平均质量越大，它变形得就越厉害。

1998 年 8月，由美国领导的毫米波各向异性实验成像阵列实验气球从位于得克萨斯州帕勒斯坦的哥伦比亚科学气球基地出发，飞行了 8 个小时。
同年 12 月，由美国和意大利共同领导的毫米波河外星系和地球物理学气球巡天计划实验气球从南极的麦克默多站升空，飞行了 10 天。
这两个团队都发现并测量了这些光斑，发现它们的大小正好符合在光沿直线传播的宇宙中的预期大小。

他们衡量了宇宙的质量，发现平均而言，宇宙空间似乎并未弯曲。

空间看似是平直的，我们由此得知它 有可能 是无边无际的，朝着四面八方无限延伸。(不一定，也可能是个环或者类似莫比乌斯带的结构)

我们知道它在膨胀，开始的时间大概是在 140 亿年前。我们只是还不知道为什么会这样。

暴胀理论之所以变得如此流行，原因之一就在于：一旦与量子力学相结合，这一理论就可以提供一个简洁的解释，说明原本平滑的空间中为什么会产生明显不同的特征。

结语

在接下来的几年里，我们会接收到更多的引力波信号，这些信号来自整个太空中黑洞和中子星的碰撞，会为我们提供一种观察和理解宇宙的新方式。

希望再过不久，就能得知不可见的暗物质粒子到底为何物。在接下来的若干年间，预计我们终于可以见到宇宙中形成时间最早的那些星系。

对一颗适宜生命存在的行星进行详尽的观察可能需要数十年时间，梳理银河系形成的完整历程也是如此。要理解宇宙为什么会膨胀得越来越快、最初是如何开始膨胀的，可能是个漫长的过程。

展望未来时，我们将工具和知识传授给自己的学生，为 50 年或 100 年之后可能会发生的事情拟订计划，并期望那些追随我们脚步的人能取得成功。

虽然具有远见卓识，却未能实现自己梦寐以求的发现，这样的天文学家和物理学家在历史上比比皆是：

  • 哈雷始终未能目睹金星凌日；
  • 海耳一直没机会看到他那台宏伟的望远镜完工；
  • 兹威基从未见过引力透镜。

但这些都不算是失败。这些科学家激励着年青一代沿着他们的道路继续前进，并为其提供所需的工具，帮助后来者取得属于自己的新发现。