自然世界的探索

关于宇宙不断膨胀的发现

中国古代有盘古开天的神话故事，古代西方国家有上帝创造世界的传说，这些都是人们关于宇宙诞生的想象。在科学界，科学家们把观测所及的宇宙称为“我们的宇宙”。科学家们通过观测发现了一个惊人的情况：我们的宇宙正在不断地膨胀。

美国天文学家斯莱弗早在1912～1917年期间用口径60厘米的望远镜在洛韦尔天文台观测天体时，出乎意料地发现，除了仙女座大星云和另一个星系正奔向我们之外，在他研究的15个星系中有13个星系都在离开我们，因为这13个星系的光谱中都发现了红移。这些星系退行的速度平均每秒达600多千米。

哈勃在几年后用2.5米口径的望远镜观测天体，证明了许多星云属于银河系以外的天体系统。在这之后，哈勃在1929年又发现了“哈勃定律”，这一定律的提出震惊了世界，并迅速为世人所熟知。

作为验证宇宙膨胀工作的开始阶段，“哈勃定律”所涉及的星系的数目、视向速度和距离都很有限，还必须做更多的观测工作来进一步核实“哈勃定律”。哈勃与他的同事哈马逊密切合作，开始了研究观测工作。哈勃和哈马逊于1931年联名发表了一篇文章，这篇文章扩充了观测资料，并进一步肯定了“哈勃定律”。

对于“哈勃定律”的含义以及星系都在退行的问题，人们一直都迷惑不解。星系愈远退行速度愈快这一奇怪现象也让科学家们难以理解。宇宙学家们回顾了历史，并对自爱因斯坦相对论问世以来的这段时期进行了认真分析，终于找到了问题的答案。

人们注意到，荷兰天文学家德西特早在1917年就证明了一项由爱因斯坦在1915年发表的广义相对论得出的推论，即宇宙的某种基本结构可能正在膨胀，其膨胀速率恒定。

在弗里德曼宇宙模型的基础上，比利时天体物理学家勒梅特对哈勃观测到的河外星系红移作了解释，认为红移是宇宙爆炸的结果，因而得出了宇宙膨胀的结论。勒梅特对宇宙膨胀进行了详细的研究，认为膨胀总是从一个特殊的端点开始的。于是，他进一步提出宇宙起源的设想，认为宇宙起源于一个“原初原子”。后来人们常常称其为“宇宙蛋”。由于这个宇宙蛋很不稳定，结果在一场大爆炸中，宇宙蛋碎裂成无数碎片，逐渐演变成为千千万万个星系；最初这场宇宙大爆炸在一百多亿年后，就留下了现在的星系退行现象。

那时，勒梅特的这种宇宙膨胀理论还没有经观测证实，科学家们都非常吃惊和怀疑，并对他的理论不屑一顾。后来，英国著名的天文学家爱丁顿提请科学家们注意勒梅特的宇宙膨胀理论，并为此专门写了一篇文章。直到这时，人们才开始关注勒梅特的理论。

1930年，根据勒梅特的“宇宙蛋”理论，爱丁顿开始对河外星系普遍退行进行解释。他认为星系的退行是由于宇宙的膨胀效应，而“哈勃定律”的发现恰好揭示了宇宙正在膨胀，为人们理解宇宙膨胀效应提供了理论基础。

宇宙膨胀现象的发现可以帮助我们弄清许多问题，比如“夜晚天空为什么是黑的”。我们的宇宙和它所具有的恒星星系等都是有限的，由于这些有限的天体距离地球十分遥远，它们发出的光线十分微弱，所以夜晚的天空是黑的。简单地说，夜黑是宇宙膨胀造成的结果。

数星星“数出”的银河系

在古希腊、古罗马的神话故事里解释了银河的起源：万神的主宰宙斯即大神朱比特像一个民间风流的帝王，他和一位凡间女子生了一个名为赫拉克勒斯的儿子。为了让儿子健康成长，朱比特把私生儿悄悄送到熟睡的妻子朱诺身旁，因为朱诺拥有无边的神力，据说吃了她的奶水，孩子的身体就会非常健壮。赫拉克勒斯刚刚吸吮了几口奶水，朱诺就被惊醒了，身体一时失去平衡，乳汁喷射而出，洒向太空，就形成了茫茫银河。

后来，人们知道了银河其实是无数颗星星组成的光带。那么银河系又是怎样被发现的呢？银河系是由天王星的发现者赫歇尔通过数星星数出的一个伟大发现。

英国天文学家威廉·赫歇尔是一位业余天文爱好者。他一生最大的愿望，就是弄明白“宇宙的结构”。为了能数清星星的数目，他热情而又认真地投入了观测。

赫歇尔观测了1086次，共数出117600颗恒星。在数星星的过程中，他发现愈是靠近银河的地方，恒星分布就愈密集，在银河平面方向上恒星数达到最大值，而恒星数目在银河垂直方向上最少。由此赫歇尔提出，银河系是“透镜”或“铁饼”状的庞大天体系统，由恒星连同银河一起构成。其直径与厚度比大约在5∶1左右。

赫歇尔设想，太阳大约位于银河中心的地方。地球人朝银河系的直径方向看去，可以看到一些流星以及许多较远、较暗的星星，当人们用肉眼看银河时，只能看到白茫茫的光带，像是天上的河流。如果地球人向银河系的平面垂直方向看，恒星就显得很稀薄，而人们的肉眼只能看到比较近的、很亮的恒星。

随着科技的发展，人们逐渐发现：银河系薄薄的中间凸起的银盘中分布了多数物质，它们主要是恒星，也有部分气体和尘埃。银盘的中心平面称为“银道面”，银盘中心凸起的部分称为银河系的“核球”，核球呈椭圆形，其中心很小的致密区叫“银核”。分布在银盘外面的是一个范围广大、近似球状的系统，叫做“银晕”。相对于银盘来说，银晕中的物质密度低得多，外面还有银晕，其物质密度更低、大致呈球形。

从银盘上面俯视的银河系颇似水中的旋涡，银河系核球就是旋涡的中心，它向外伸展出几条旋臂，它们是银盘内年轻恒星、气体和尘埃集中的地方，也是一些气体尘埃凝聚形成年轻恒星的地方。迄今为止，已经发现英仙臂、猎户臂、人马臂等存在于银河系中。太阳就在猎户臂的内侧。一般说来，旋臂内的物质密度比旋臂大约高出10倍。恒星约占旋臂内的一半质量，气体和尘埃占另一半。

除了自转外，太阳还携带着太阳系天体以每秒约250千米的速度围绕着银心公转，轨道半径约3万光年，公转一周约26亿年之久。银河系也存在自转，它的旋臂也是绕着银河系的中心旋转。通过观测，人们发现银河系整体朝着麒麟座方向运动着，速度达214千米/秒。

假如从银河系外很远的地方观察太阳，并将它与别的恒星相比较，会发现，太阳在千亿颗繁星中一点儿也不突出，只是一颗大小中等，亮度一般的恒星。从侧面观察银河系像是一个凸透镜状的，直径很大的圆盘。光线从它的一侧走到另一侧，大约需要8万～10万年。

人类对银河系的轮廓、结构、运行等方面的发现，是认识宇宙的又一次飞跃。

哥白尼和日心说

大事记

公元前3世纪 阿利斯塔克提出日心说

1506年 哥白尼开始撰写《天体运行论》

1514年 哥白尼发表他的手稿《要释》

1539年 哥白尼的学生赖蒂库斯发表《首次报告》，扼要介绍了哥白尼的《天体运行论》

1543年 《天体运行论》出版

1473年2月19日，哥白尼出生于波兰，1491～1494年在克拉科夫（波兰城市）大学求学期间，他把自己的名字改成了拉丁化名—尼古拉斯·哥白尼——当时用拉丁语做研究的欧洲学者的惯例。哥白尼早期在克拉科夫大学和意大利博洛尼亚学习天文学、拉丁语、数学、地理、哲学、希腊语和教会法典，最后一项的学习使他被任命为德国佛洛堡教堂的牧师，在他的余生一直保留了这一职业，但他并未真正做过牧师。16世纪早期，他被准予赴意大利帕多瓦大学学习医学，但天文学一直是他最大的兴趣所在。

那时期，欧洲大学所教授的天文学知识依然是基于古希腊哲学家亚里士多德和天文学家托勒密的观察和教条，以及英国数学家约翰纳斯·德萨克罗博斯科的著作，而后者的《宇宙天体》（出版于1240年）在作者去世400年后依然是天文学方面的权威教材。他们都认为地球是宇宙的中心，而太阳、月亮和其他行星全都围绕着它旋转。托勒密相信宇宙是完美的，因而所有天体必然是在圆形轨道上运行的。但事实上观测到的天体的运行轨道是椭圆形的，所以为了解释他的理论与实际观测值的偏差，他想出了“本轮”这个概念，即那些星体在围绕地球做大圆周运动的同时自身还在做着小圆周运动。尽管托勒密关于宇宙的理论存在着基础性的缺陷，但他还是基本完成了关于自己理论的数学证明。

然而哥白尼发现，如果接受地球围绕太阳运转的观点而不是其他什么方式的话，那么托勒密系统中固有的许多数学问题就将迎刃而解。更令人惊奇的是，教会并没有反对哥白尼研究天文学，相反，教皇里奥十世接受了他修订教历的建议，并最终导致了季节的重新划分。

1514年，哥白尼开始分发一些小的手抄本，在其中他阐述了关于日心说的一些基本观点，即宇宙的中心不是地球，而是靠近太阳的一个点；宇宙无法想象的大；那些观测到的恒星旋转和太阳季节性的运动是由地球绕地轴与绕太阳的运动所引起的；我们自己所在行星的运动干扰了我们对其他行星运动的观测。这本书被称为《要释》，里面并没有包含详细的数学论证，哥白尼甚至没有将自己的名字署上。他把细节全留在了被他称为“大部头”的著作中，而这本书直到多年以后才面世。

哥白尼大约从1506年开始撰写他的巨著《天体运行论》，并且直到1530年才得以完成。但由于教会一直宣扬地球是上帝创造的中心的观点，出于对教会的深深顾虑，他迟迟不敢将他的著作出版，而且只允许他的手稿在少数几个志同道合的科学家中间传阅。

最终，哥白尼的学生赖蒂库斯说服哥白尼出版了《天体运行论》。事实上，赖蒂库斯于1539年发表的《首次报告》已为哥白尼的《天体运行论》的出版铺了道路，在其中他阐述了哥白尼的一些观点。哥白尼完成了手稿，由赖蒂库斯拿到纽伦堡印刷，并在一个叫做安德里斯·奥西安德尔的人的监督下出版。但是奥西安德尔是教会的人，他对太阳中心说的公开出版感到不满，所以他替换了哥白尼原版的前言，肯定了地球是静止不动的，而哥白尼原著中关于地球绕太阳运转的说法只是纯粹为了计算方便而作的假设。哥白尼几乎是不可能接受这种添改的，但他或许从没有机会读到过它——他的书在他临终之前才得以出版。而赖蒂库斯，毫无疑问，对这一新观点的出版感到欣喜异常。

泰勒斯预言日全食

泰勒斯（Thales），古希腊哲学家、数学家和天文学家，生活在公元前7世纪和公元前6世纪之间。他出身于小亚细亚的米利都城的奴隶主贵族家庭，泰勒斯不为显赫的地位、富足的生活所诱惑，全身心地投入到哲学和科学的研究之中，终于成为一位科学泰斗。其在天文学、数学、哲学等领域都取得了骄人的成就，但最令后人称道的还是其对于公元前585年5月28日日全食的预言。

当时的情况是：吕底亚王国与西进的米底王国（占有今天伊朗的大部）发生矛盾，双方的部队在哈吕斯河流域进行了殊死的战斗，但战争一直持续了5年，仍未决出高下。双方谁也没有罢手的意思，但两国的人民却因此陷入了痛苦的深渊。考虑到人民的疾苦，贵族出身的科学家泰勒斯决定凭借自己的智慧拯救黎民于水火。泰勒斯经过缜密地观测与推算，认定公元前585年5月28日这天哈吕斯河一带会出现日全食的天象奇观。他到处散布流言，说日食是上天反对人间战乱的警示。但没有人会把这位文弱书生的话放在心上，只不过权且当做茶余饭后的谈资罢了，根本不相信会发生什么日食。战争依旧如火如荼地进行着，但始料不及的是：公元前585年5月28日这一天，正当两国的精锐部队酣战之时，天色骤然暗了下来，最后竟然与黑夜无二，交战的人马不胜惊惧，人们又想起市井上的流言，真以为神人嗔怒要降灾祸于人间，于是迅速撤出战斗，化干戈为玉帛，重新言归于好，并且以联姻的方式巩固了和平成果。从此，泰勒斯名声鹊起，受到人们的景仰和爱戴，被称为不朽的科学家。同时，人们也百思不得其解。泰勒斯是如何预测到这次日食的呢？

原来，泰勒斯研究过迦勒底人的沙罗周期，一个沙罗周期为6585.321124日或18年又11日，约为223个朔望月。既然日、月和地球的运行都是有规律的，那么日月食的发生也就存在一定的规律性。具体而言，日食一定发生在朔月，18年11日之后日、地、月又基本回到原来的位置上，这时极有可能再次发生日食，而对天文学熟悉的泰勒斯当然知道公元前603年5月18日有过日食。由此推算出公元前585年5月28日的日食便在情理之中了。

除了天文学，泰勒斯在数学和哲学方面也都取得了有令人振奋的成就，如在平面几何方面，我们所熟知的“直径平分圆周”、“三角形两等边对应等角”、“两条直线相交对顶角相等”、“两角及其夹边已知的三角形完全确定”等基本定理均由泰勒斯论证并进一步归纳整理，T应用到实践生活中。比如，他曾以一根标杆测出金字塔的高度。

在哲学上泰勒斯提出了唯物主义的世界观，“水是万物之源，万物终归于水”，从而否定神创世界观，开创了由世界自身出发去认识世界的本来面目的先河。这对于后世的唯物主义世界观体系的形成具有一定引导意义。

第谷与第谷超新星的发现

第谷（1546～1601年）是一位出身贵族的天文学家。儿时和年轻时的第谷与常人没有什么大的差别，他脾气暴躁、性格偏执、好斗，逢事爱问个为什么。这也可能是他成功的一个原因吧。

第谷的成名在于他的天文观测事业。尽管其伯父强烈要求他学文科，第谷还是偷偷地研读天文学著作，尤其是托勒密的《大综合论》和哥白尼的《天体运行论》他简直爱不释手。不仅读书，托勒密还付诸行动：观测天象。1563年8月，第谷观测到了木星和土星相合的景观，并进行了详细的记录。这是他第一次记录天象，以后便一发而不可收。

1572年12月11日，黄昏时分第谷正忙着手头的实验。疲劳的时候，他总是习惯性地凝视一下浩渺的天空。这时他一抬头刚好发现了仙后星座中闪烁着一颗新星。为什么这么说呢？因为从少年时代起第谷便熟悉天上的星星，他清楚地知道这些星的位置和轨迹。他熟悉它们，就像熟悉小伙伴们的脸庞一样。更何况今天的这颗新星是那么明亮，甚至都有些耀眼。他认定这是一颗新星，它以前从来没出现过。为了得到这颗星的准确数据，第谷使用了精心设计的六分仪却没能发现它有任何视差，如果是颗近地星就会有58′30″的视差，比如月球。他认为这是一颗从未出现过的恒星，于是给予了它相当的关注，并详细记录了该星的颜色和亮度的变化。这便是第谷超新星的发现过程。当时却有许多学者由于盲从《圣经》而把这颗星星称为魔鬼的幻影。

第谷在天文学界的另一突出贡献是对彗星的测定。那是在其发现超新星5年后的一个傍晚，第谷在纹岛的天文台发现了一颗彗星，并对其进行了详细的记录和精确的测量，直至75天后消失为止。第谷经过严密论证和推理得出结论：彗星发光是由阳光穿过彗头而致，彗星也是绕日公转的天体。第谷这次以不折不扣的事实驳斥了亚里士多德认为彗星是燃烧着的干性脂油的谬论。

30多年的时间里，第谷孜孜不倦地进行着他的天文观测事业，获得大量的第一手资料和手稿。期间他的敬业精神和出色业绩博得丹麦国王腓特烈二世的赏识。国王为他专门拨款修建了乌伦堡天文台，并配以最全、最新的观测仪器。这一切使得第谷如鱼得水，取得一系列观测成就，如编制第一份完整的天文星表，发现黄赤交角的变化和月球运动中的二均差，完成了对基督世界延用1000多年的儒略历的改历工作，颁行格里高里历法等。最重要的是第谷培养和造就了新一代的天文学家--开普勒。在老师的悉心教导下，开普勒创立了三大行星运动定律，为天文学作出了重大贡献。

第谷以惊人的毅力和一双锐眼把天文观测事业推向一个又一个的新高度，可以说在望远境发明之前的天文观测史上，他是巅峰，难怪被人们誉为“星学之王”。

埋没41年的星云说

由于牛顿和林耐在天体起源和物种起源问题上的认识和解释，上帝被认为是天体运动的“第一推动”和人类的创始人的观点在欧洲长时间占据了统治地位。1755年康德提出了太阳系起源的星云假说。这种新观点与牛顿和林耐的认识完全不同。

康德从自发的唯物主义观点出发，第一次提出天体是演化的，地球及整个太阳系都表现为某种在时间进程中逐渐形成的东西。这样，牛顿的“第一推动”T和林耐的“物种不变”被推翻了。康德解释说：“天体从最原始的星云状态形成时，靠的不是造物主的力量，而是自然界本身的力量所发生的作用。”他认为，排斥和吸引的相互斗争，是“自然界的永恒生命”，既是天体形成的原因，也是天体运动的原因；既是天体的起源，也是天体运动的起源。他还预言，宇宙间天体在不断生成，同时又在不断毁灭，千千万万的太阳在不断燃烧，又在不断熄灭。康德进而断言，地球以外的行星上，可能也居住着人类。

康德的进步学说却遭到当时科学界、哲学界形而上学思想的蔑视和抵制，甚至威胁，致使康德在出版自己的著作时，不得不采用匿名的方式。

直到1796年，法国数学家拉普拉斯出版了一本科学普及读物《宇宙体系论》。在这本书的附录中，拉普拉斯提出了太阳系起源的星云假说。他猜测，太阳可能起源于一团旋转的巨大星云，由于引力的作用，星云气体不断收缩，外围的星云因离心力的作用保持在外轨道上绕中心转动，并且自身继续在引力作用下收缩成行星，星云的核心便收缩成太阳。巧合的是，拉普拉斯没有听说过康德的星云说，更没有阅读过康德的著作，他的观点和康德的看法非常类似，不同的是，康德在41年前的论述更为详细和彻底。后人将这一假说称之为“康德-拉普拉斯星云说”。

拉普拉斯的星云说引起法国乃至全世界学术界的关注，特别在青年学者中形成热门话题。正是拉普拉斯星云说的普及，使得康德在41年前提出的星云说终于得以拨云见日。由于当时科学水平的限制，“康德-拉普拉斯星云说”也有不少缺点和错误。目前不少天文学家认为，星云说的基本思想是正确的，是康德和拉普拉斯首先把演化思想带进了天文学。而继星云说之后，又相继出现了“灾变说”、“俘获说”等理论，但这些理论有的被否定，有的因证据不足而未被广泛接受。

开普勒探究天体运行的规律

1571年开普勒生于威尔，威尔是德国南部的一个小镇。中学毕业后，开普勒进入了蒂宾根学院。在那里，他接受了一位名叫麦斯特林的教授的观点。麦斯特林是一个秘密的哥白尼主义者，他时常为开普勒详细讲述行星绕太阳运行方面的知识，使他渐渐成了“日心说”的拥护者。

从蒂宾根学院毕业后，开普勒移居奥地利的格拉茨城，在那里，他教授数学和天文学。他曾寄给第谷一本自己写的天文书，第谷看后非常重视，邀请他一起从事研究工作。1601年，第谷去世后，开普勒利用老师留下的大量观测资料，继续研究火星的运动。

匀速圆周运动是按照传统哲学定义的最为完美和理想的运动。开普勒根据这一点来计算火星在其轨道上的运动位置，经过多次反复计算，其结果总是与第谷的观测结果不一致，至少差八角分以上。开普勒深知第谷一丝不苟的态度，所以，老师的观测数据必定没有问题，误差在于自己的计算方式和过程，他决心找出误差产生的真正原因。

开普勒坚持不懈地潜心分析研究，终于觉察到火星并不是按圆形轨道运行的，这与哥白尼所持的观点相矛盾。他耐心、仔细地研究了火星在天球上年复一年的运动，终于发现了自己计算中的错误。原来，行星在太阳附近空间里运行的轨道是椭圆形而非圆形，事实上，圆形也只是椭圆形的一个特例。太阳实际上位于椭圆即行星运行轨道的一个焦点上，所以行星在绕太阳作椭圆形运动的轨迹中，存在着离太阳近时的远焦点和离太阳远时的近焦点。这一重要发现是由开普勒首先提出来的，这也是他研究火星的第一个重要发现。后来人们用“开普勒行星运动第一定律”这个名称来称呼开普勒的这个重要发现。

开普勒受到新发现的巨大鼓舞，开始编制火星运行表，但火星的运行总是和他设计的表格有偏差。经过大约一年的辛勤分析研究工作，他发现了自己计算方法上存在着不可忽略的错误。开普勒最初以为火星的运行是均匀的，因而造成了运算上的错误。而实际上火星运行是不均匀的。火星的速度随其离太阳距离的远近而发生变化，离太阳近时，运行的速度就快，而随着它在轨道上离太阳越来越远时，其运行速度便随之减慢。

行星沿椭圆轨道运行的速度受行星与太阳之间的距离远近的影响，并随之发生变化。行星和太阳的连线是行星的向径，它在相等的时间内扫过相等的面积。行星运动的速度通过这一规律得到了说明，这就是著名的“运动第二定律”。此后不久，根据这一发现，开普勒完成了行星运行表的编制工作，工作进行得顺利而迅速。

开普勒于1609年出版了他的《火星之论述》，紧接着，他又对行星公转周期与行星到太阳距离的关系进行了探索。结果发现，离太阳最近的水星，88天绕太阳一周；离太阳远一些的金星公转一周所用的时间则长一些；而离太阳更远的火星的一年比地球的一年还约长一倍。根据这些发现，开普勒在1619年出版了《宇宙和谐论》一书，并在书中发表了行星运动的第三定律。这一定律的发现和应用，完全改变了当时天文计算的方式和过程，并沿用至今。

绘制月球与火星地图

伽利略·伽利莱（1564～1642年）所制造的性能最佳的望远镜也只能够将月球的影像放大至肉眼视觉的6倍。尽管如此，他依然绘制了数张月球地表细节图，并且证实月面斑驳不平是由陨坑与山脉造成的。1645年，佛兰德制图师迈克尔·朗格尔努斯（1600～1675年）出版发行首张月球地表细节图，并首次使用著名天文学家、科学家的名字命名月球山脉及其他地表特征。例如，他用希腊著名天文学家尼西亚的喜帕恰斯（约公元前190年～公元前125年）的名字将月球表面最为显著的陨石坑命名为喜帕恰斯坑。与同一时代的其他科学家一样，他也认为月球表面暗的区域是广阔的海洋，因此将其命名为“海”。尽管如此，科学家们对于月球表面坑的起源仍存在争议：它们是由古代月球地表火山爆发形成的，还是由彗星撞击月球表面形成的？

1836年，英国天文学家弗朗西斯·贝利（1774～1844年）通过描绘并分析“贝利珠”现象得出结论：月球表面存在大型山脉。日食发生时，贝利注意到，尽管月球遮住了太阳，但是在月球边缘却存在一些明亮的小点，如同一串晶盈透亮的水珠，这就是“贝利珠”现象。贝利正确解释了这一现象的成因，即太阳光线穿过月球表面高山之间的峡谷时，产生了“贝利珠”。

1839年，法国绘画及摄影艺术先驱者路易斯·达盖尔（1787～1851年）使用银板照相法拍摄月球照片。随后，美籍英裔科学家约翰·德雷珀（1811～1882年）利用银板照相法正式拍摄了几组月球照片。随着科技的进步，更快更好的照相用感光乳液问世，使得拍摄月球更容易。不过在19世纪末之前，根据观测手工绘制月球地表细节图的工作一直没有停止过，这其中包括德国天文学家威廉·罗曼（1796～1840年）绘制的月球地图，以及于1878年出版的由德国天文学家约翰·施密特（1825～1884年）绘制的月球地图等。20世纪，科学家们才可以近距离拍摄月球。1945年，美国国家信号公司使用雷达反射绘制月球地图，而更细节化的照片则分别由20世纪50年代前苏联发射的“月球探测器号”以及20世纪60年代美国太空总署发射的“月神号”探测仪发回地球。

火星始终令人着迷，特别是这颗红色星球可能存在生命的说法更吸引着人们。1666年，意大利天文学家乔瓦尼·卡西尼（1625～1712年）首次指出：火星的南北两极存在冰盖。随后意大利制图师、天文学家吉亚克莫·马拉尔蒂（1665～1729年）于1704年证实了卡西尼的结论，并手绘了火星冰盖随着火星季节的不同而变化的一系列地图（卡西尼也曾根据自己8年的观测绘制了一张月球地图，并在此后一个多世纪内被奉为标准参照图）。火星表面的暗区域也第一次被认为是“海”以及干涸后的“海床”。

大事记

1610年 伽利略绘制月球地表图

1645年 朗格尔努斯出版发行首张月球地表细节图

1704年 马拉尔蒂手绘月球冰冠图

1877年 夏帕雷利火星地表图，显示火星“运河”

1878年 T施密特出版最后一版手绘月面图

1877年，科学家的注意力再次转向火星这颗巨大的红色星球。意大利天文学家乔瓦尼·夏帕雷利（1835～1910年）绘制了一张火星地表图，并用暗线着重标明了他称之为“沟壑”的区域，不过，翻译成英文后竟变成了“运河”。这使美国业余天文学家珀西瓦尔·洛威尔（1855～1916年）却由此认为这些“河床”是“火星人”开凿的灌溉系统，用于将冰盖融化后的水运送至火星赤道附近的区域。洛威尔于1905年在亚利桑那州天文台拍摄了首张火星照片。现代天文学家认为火星“运河”仅仅是历史的误会，从美国于1965年发射的“水手四号”以及1971年发射的“火星号”探测器得知：火星“运河”不过是光学幻像而已。而火星两极的冰盖则主要是由处于冰冻状态的二氧化碳组成。

月球秘密的发现历程

17世纪40年代中期，佛兰德制图师迈克尔·郎格尔努斯（1600～1675年）和波兰天文学家约翰内斯·海维留斯（1611～1687年）出版了第一张月球地图。1878年，德国天文学家约翰·施密特（1825～1884年）通过观察制作出最后一张手绘月球细节地图，后来这项工作都被摄像技术取代。1840年，英裔美国科学家约翰·德拉帕（1811～1882年）拍摄了一些最早的月球照片。不久，天文学家利用摄影技术制作了月球地图。

1959年，前苏联第一次成功尝试将一个人造物体送入太空。他们发射的“卢尼克1号”探测器掠过月球表面。同年2月发射的“卢尼克2号”探测器坠毁在月球表面，“卢尼克3号”成功地对月球背向地球的一侧进行了摄影。从发回的照片来看，月球背面与近地球一侧并没有多大的区别，只是表面陨坑更少。1964年，美国太空总署（NASA）发射了“漫游者7号”，1965年发射了“漫游者8号”和“漫游者9号”，共拍了约1.7万张照片，最后，探测器都坠毁在月球表面。1965年，前苏联的“探测器3号”也拍摄了月球背面照片。

大事记

1959年 前苏联“卢尼克1号、2号、3号”都飞掠月球并进入月球轨道，但坠毁于月球表面。

1964年 美国太空总署（NASA）发射的“漫游者7号、8号和9号”发回月球照片

1966年 前苏联“月球9号”软着陆于月面，“月球10号”进入月球轨道

1966～1967年 美国太空总署（NASA）发射的月球轨道卫星测绘了月球表面的地图

1966～1968年 美国太空总署（NASA）发射的“观测者号”软着陆

1968年 前苏联无人驾驶的“探测器5号”进入月球轨道并成功返回地球

1969年 “阿波罗10号”进入月球轨道，“阿波罗11号”和“阿波罗12号”着陆月球

1966年，前苏联“月球9号”“（卢尼克3号”之后的空间探测器改名为“月球号”）第一次实现了在月球软着陆。接着，“月球10号”成为第一艘进入绕月球轨道飞行的人造飞行器。美国太空总署（NASA）以7项观测者任务回应了前苏联的挑战，该任务中所有探测器均实现了在月球软着陆。除了发回照片外，“观测者1号”在1966年发回了有关月球土壤的物理数据，另四艘“观测者号”探测器也拍摄回大量的月球照片，使美国太空总署的月球相册增加了86471张新照片。每一艘“观测者号”都安装了可变电视摄像机，摄像机安装了可互换的滤光器，并由一对太阳能电板提供动力。这种摄像机既可以拍摄近距离特写图片，也可以拍摄远景图像。其他的仪器则负责分析月球的表面是否适合登月舱登陆以及最后的离开。分析的项目包括月球表面的承压强度以及热力学（吸热）、光学（光反射）的性质。3年后，1969年11月，“阿波罗12号”宇宙飞船着陆在被称做风暴洋的地方，离上次“观测者3号”的降落点仅相距183米。“阿波罗12号”的宇航员收回了“观测者号”遗留下的电视摄像机并带回地球做科学研究。

1966～1967年，美国太空总署（NASA）发射的5颗月球轨道飞行器测量并绘制了月球大部分地方的表面地图，为接下来的“阿波罗号”登陆地点的选择提供依据。它们还发现了月球质量密集区，该区域引力较大，会对掠过此地的卫星运行轨道产生干扰。

1968年，前苏联发射的“探测器5号”成为第一个进入环绕月球轨道并成功返回地球的空间探测器（后续的“探测器6、7、8号”也同样完成了任务）。前苏联和美国都在着手载人登陆月球的计划，在这次竞赛中，美国拔得头筹。同年，“阿波罗8号”搭载3名宇航员进入了月球轨道对相关设备进行了测试并成功返回地球。1969年，“阿波罗10号”也进入了月球轨道，接着“阿波罗11号”和“阿波罗12号”最终实现了人类登月梦想。这两次登陆以及后来的四次成功登陆为地球带回了丰富的月球岩石和土壤样品及科学数据。经过分析，科学家认为月球年龄是45亿年，与地球年龄很接近。于是科学家推测月球很可能是一颗卫星大小的小行星撞击原始地球时产生的残骸形成的。

几乎所有的月球表面的坑都是小行星和流星撞击月球表面形成的—月球没有大气层来减缓这些小行星和流星的速度。1994年，美国弹道防卫组织（SDIO的前身）与美国太空总署（NASA）联合任务计划发射的“克莱门特号”探测器测绘月球整个表面地图时，拍摄到一个月球背面的火山口。1998年，美国太空总署（NASA）的无人驾驶太空船“月球勘探者号”在月球两极发现了地下藏有大量的冰。

阿波罗计划

1961年，美国总统约翰·肯尼迪（1917～1963年）誓言在接下来10年内美国要将一名宇航员送上月球。1969年7月，两名美国宇航员登陆月球实现了总统的承诺。登陆月球是阿波罗计划的最顶点。

将“阿波罗11号”宇航员载到月球上的宇宙飞船主要由四部分构成：第一部分是巨型多级“土星V”火箭——将整座装置送入太空；然后是“哥伦比亚号”指挥舱，三名宇航员在飞往月球的旅程中将呆在里面；服务舱安装在指挥舱的下面，包括整个航程提供动力的主推进火箭；在服务舱的下面就是“鹰号”登月舱。宇宙飞船进入地球轨道后，后面“捆绑在一起”的三个舱与火箭脱离，然后飞向月球。进入月球轨道时，登月舱分离并搭载三名中的两名宇航员在月球表面的静海着陆。完成预定的任务后，两名宇航员飞进“鹰号”登月舱，登月舱则重返月球轨道与指挥舱对接。在离开地球8天后，指令舱返回地球，利用降落伞缓冲降落进太平洋。

在最终登陆月球前，早期阿波罗计划的任务主要是测试各种发射步骤、火箭和舱体性能—起初在地球轨道，后来在月球轨道测试。1967年1月，第一次阿波罗计划的飞行因发射台起火以失败告终，三名宇航员在火灾中罹难。1968年，美国太空总署（NASA）进行了三次无人驾驶宇宙飞船的试验发射，然后在1968年10月，“阿波罗7号”搭载3名宇航员绕地球飞行了163圈，以测试指令舱的性能。2个月后，“阿波罗8号”搭载3名宇航员进入月球轨道并绕月球飞行了10圈。1969年3月，“阿波罗9号”在地球轨道测试了登月舱。同年5月，“阿波罗10号”宇航员在绕月球的低轨道测试了登月舱。

大事记

1967年1月 3名宇航员在地面发射台火灾中丧生

1968年10月 “阿波罗7号”进入地球轨道

1968年12月 “阿波罗8号”进入月球轨道

1969年3月 “阿波罗9号”在地球轨道测试登月舱

1969年5月 “阿波罗10号”在月球轨道测试登月舱

1969年7月 “阿波罗11号”着陆月球

最终迎来了“阿波罗11号”。“阿波罗11号”1969年7月发射，搭载成员由阿姆斯特朗（1930年～）、埃德温（巴兹）·奥尔德林（1930年～）和迈克尔·柯林斯（1930年～）三名宇航员组成，他们很顺利地抵达了月球。7月20号，阿姆斯特朗和奥尔德林两位宇航员在登月舱内登陆月球，并在月球上度过了2个小时，拍摄了大量月球表面的照片并收集了月球岩土样品。他们将美国的国旗插在了月球上，并留下了一块纪念他们具有历史意义的登陆月球的徽章。

在后来的阿波罗任务中则利用更多的先进设备完成更多更细致的研究，收集更多的月球样品并带回地球研究。1971年7月，“阿波罗15号”将一辆月球车送到月球表面。1972年，美国太空总署（NASA）最后一次将载人宇宙飞船“阿波罗17号”送到月球。

整个阿波罗计划耗资约250亿美元，并从月球带回各种岩石样品共计328千克，每盎司样品价值180万美元。

赫罗图的发明

到19世纪末，天文学家已经收集总结了成千上万颗恒星的丰富数据资料。天文观测一直在持续，恒星资料数据库不断被扩充，并且随着更先进的天文研究工具的应用，各种信息也更为细化翔实。

到了20世纪初，天文学家可以精确地测量出一个恒星的视星等。视星等用来表示恒星在天空中的亮度，也就是人类肉眼所看到的恒星亮度。视星等的大小决定于恒星真实的发光度（恒星发出光的强度）以及离地球的距离。如此远的距离很难测量，但天文学家仍着手对天文距离进行可靠的数学计算。丹麦天文学家埃希纳·赫茨普隆（1873～1957年）和美国天文学家亨利·罗素（1877～1967年）利用这些测量数据将恒星的亮度与其另一个特征——颜色联系起来。恒星的颜色取决于表面温度和恒星的电磁辐射的范围，即恒星的光谱。

美国天文学家爱德华·皮克林（1846～1919年）在担任哈佛天文台台长期间，观测并绘制了上万颗恒星的光谱。将恒星分类的工作落在了天文学家安妮·坎农（1863～1941年）的身上，依据恒星表面的温度和颜色，坎农将恒星分成7类，每一类用一个英文字母表示，分别为O，B，A，F，G，K，M。其中蓝色热恒星类用“O”表示，红色冷恒星类用“M”表示。太阳是一颗中等冷的恒星，即黄色“G”恒星。

当埃希纳·赫茨普隆还是一名正在接受培训的化学工程师的时候，发现亮的蓝白恒星似乎符合这样的规律：越亮意味着越热，但那些颜色更红、温度更低的恒星可以被分成高亮度和低亮度两组。因为这些恒星的温度是相同的，那么亮度的差异就和恒星的大小有关系。赫茨普隆的观点挑战了当时的主导观点：恒星的演化只是从O到M的系列光谱简单的变冷。赫茨普隆将更大的冷恒星叫做“巨星”，因为这类恒星数目要比更小的恒星少，他将这些恒星比喻成“小鱼群中的鲨鱼”。1905年和1907年，他在一本模糊摄影技术期刊上发表了自己的理论，但是没有得到大多数天文学家的认同。

同期，在不了解赫茨普隆的理论的情况下，在普林斯顿大学工作的亨利·罗素得出了与赫茨普隆相似的结论。1913年，罗素设计了一种恒星光度对应表面温度的图表。后来，罗素很严谨地将之归功于赫茨普隆早期的思想理论。赫罗图的命名就是为了纪念两位天文学家做出的杰出贡献。从赫罗图的发明到现在，科学家们一直利用它研究恒星是如何演化的。

关于恒星运动的发现

公元8世纪初，我国唐代杰出的高僧天文学家张邃，把自己测量的恒星位置与汉代星图相比较，才发现恒星不是恒定不动的。英国著名天文学家哈雷在1717年使用自己观测得到的南天星表，与1000多年前的托勒密星表进行了对比，终于证实，恒星的位置是有变化的。

那么为什么在感觉上恒星的位置没有发生变化呢？原来，恒星距离我们极远，它们的运动很难被人们所察觉。恒星的“自行”以每年多少角秒表示，角秒可以描述恒星每年在天球上移动的角度。观测表明，每一颗恒星都在做着方向各不相同的运动，有向西的、向东的、远离太阳的、接近太阳的。恒星的空间运动速度可分为两个分量：在人们视线方向称为视向速度，在这一方向，恒星表现为向前或向后运动；与视线方向垂直称为切向速度，在这一方向，恒星表现为向上或向下运动。由于切线速度表现为在天球上位移。根据物理学中的多普勒效应，天文学家们可以判定恒星视线方向的运动。

1848年，法国物理学家菲佐指出，光源后退时，光谱线应向红端移动，即红移；而光源移近时，则应向紫端移动，即紫移。这就是移动光源的光谱特性。

1868年，英国天文学家哈金斯首先测得天狼星正在远离我们，速度是46.5千米/秒。22年后，美国天文学家基勒测出大角星以6千米/秒的速度趋近我们。这说明，恒星的切向速度是由所观测的恒星“自行”求得。恒星的运动也得以确认。

彗星的真面目

随着人类对彗星的探索活动的不断深入，它的面目也开始日渐清晰起来。原来彗星是太阳系内质量很小的一种天体，它只有地球质量的几千亿分之一，彗星的外观呈云雾状，由彗核、彗发、彗尾3部分构成。彗核是其主要部分，由冰物质组成。彗核的冰物质在彗星接近太阳时升华成为气体，这层云雾状的气体即彗发。而彗尾则是由于太阳风推斥彗发中的气体和微尘，在背向太阳的一面形成的，彗尾有单条或多条，一般长约几千万千米，有时甚至可达9亿千米。当彗星远离太阳时，彗尾就变得就越来越短，甚至消失。

彗星的轨道一般都是拉得又扁又长的椭圆形，它不像行星轨道那样近似圆形。这种彗星被称为“周期彗星”，哈雷彗星就是其中之一。而非周期彗星的轨道是双曲线形或抛物线形。这种彗星来去匆匆，仅绕太阳转个弯，就不见了踪影。由于彗星运行轨道不稳定，当它运行经过大行星时，在大行星的引力作用下，彗星的运动速度和方向就会改变，致使彗星的轨道形状发生变化。

如今，人类已经可以通过各种先进的仪器观测彗星，像天文望远镜、高精度的探测仪、宇宙飞船和大型计算机等等。1986年，哈雷彗星经过地球时，许多国家联合起来，成立了一个国际观测协会，运用卫星探测器追踪彗星的踪迹，并通过电视摄像机录下了它的“身影”。

此外，天文学家还根据探测到的资料，进行了更深入研究，为哈雷彗星画了一幅图像：哈雷彗星的质量约340亿吨，彗核上附有一层尘埃和其他物质。它表面很热，冰核深藏不露，上面有环形山，两昼夜自转一周。由于太阳的作用，它每回归一次，就会被蒸发掉4米厚的一层“皮”，损失1亿吨物质。

1994年，天文学家观测到一颗命名为“苏梅克—利维9号”的彗星撞击木星。当人们得知这条消息后，引发了担忧：彗星是不是也会和我们的地球相撞？其实，这种担心是不必要的。在漫无边际的宇宙中，彗星与地球相遇的几率微乎其微；即使有一天相撞发生了，那也是彗星会招致“粉身碎骨”的厄运，因为彗星的体积虽大，但它的质量、密度却非常小，其密度只相当于空气密度的10亿亿分之一，比真空还要稀薄。所以，如此“单薄”的一个星体又怎能与地球一争高下呢？

关于彗星，我们人类已经了解了很多，但目前为止，还有一些问题没能找到答案，像彗星的起源问题就众说纷纭。相信有一天，我们人类是会找到这个答案的。

哈雷和哈雷彗星

哈雷，与一颗彗星重名，那是因为他——埃德蒙·哈雷最早测定、证实这颗彗星的存在。

埃德蒙·哈雷1656年出生在伦敦附近的哈格斯顿，17岁考入牛律大学王后学院学习数学，这为他日后在天文学方面做出杰出贡献打下了牢固的基础。在1676年他行将毕业之际，毅然离开伦敦，搭乘东印度公司的航船远赴南大西洋的圣赫勒纳岛，在那儿建起了人类史上第一个南半球天文台。一段时间以后他汇编了有340多颗南天恒星黄通坐标的南天星表。为此，他得到“南天第谷”的美誉。这张星表发表后，哈雷即被选为皇宫学会会员。1720年他出任格林尼治天文台台长。前后几十年，哈雷投入很大精力测定彗星轨道，做了大量记录。光在他的《彗星天文学论说》一书中就记录了24颗彗星的详细资料，其中包括“哈雷彗星”。

哈雷彗星之所以以哈雷的名字命名，固然是哈雷在帮助人们清楚认识这颗大彗星的过程中功不可没，但并不是哈雷首先发现了它，许多人在此存在误解。其实人们对于哈雷彗星初步零星的认识历史极其久远。

中国史书上关于哈雷彗星的记载就非常详尽，如《春秋》的鲁文公十四年就有“秋七月，有星索入于北斗”的记载。这在世界上堪称最早的关于哈雷彗星的确切记录。不十分确切的记录则更早，那是《淮南子·兵略训》中“武王伐纣，东面而迎岁至纪而水，至共头而坠，彗星出，而授殷人其柄。”其中所指“彗星”，据后世天文学家推算应为公元前1057年回归的哈雷彗星。大约从公元前240年起，彗星的历次出现，我国史书都有记述。只是近代西方在天文学等科学领域才悄悄地超过我国，哈雷系统地研究这一彗星就是一例。

埃德蒙·哈雷1695年开始专注于研究彗星，并测定了从1337年到1698年300多年间出现的彗星中24颗的轨道和其他有价值的数据。经过整理这些资料，他发现1530年、1607年、1682年连续出现的三颗彗星轨道极为接近，只是经过近日点的时刻彼此相差了一年之久，哈雷根据牛顿的万有引力定律将这个偏差解释为木星、土星的引力所致。想到此，哈雷断定：这三颗彗星是同一彗星的三次回归。但科学不能只凭想当然，他向前搜索关于彗星的记录，终于发现历史上1456年、1378年、1301年、1245年等年份都有关于这颗彗星的记载，哈雷更加肯定了自己的发现。他在《彗星天文学论说》一文中预言：大彗星将于1758年底或1759年初（因为木星可能影响其轨迹，带来不确定性）再次光临地球。果然，在1759年的3月14日大彗星拖着长长的尾巴再现于天空，可此时的哈雷早已作古。然而人们没有忘记他，是他第一次将大彗星正式定名为哈雷彗星。

流星雨的成因发现

流星其实是由诸多行星际空间的固体块和尘埃粒构成的，当它闯入地球大气层时，与大气摩擦，就会产生如箭的光芒，这就是“流星雨”。偶然出现的零星流星一般被天文学家们称为“偶发流星”。偶发流星完全随机出现，平时一个夜间，人们可以看到大约一二十颗偶发流星。一个1克重的流星体闯入地球大气燃烧发光，它的亮度可以与织女星媲美。

1827年，人们观测到一颗名为“比拉”的彗星，这是一颗偶发流星。6年零9个月后，这颗流星又准时沿地球轨道经过，而且每年都是如此。在1846年，当这颗彗星如期而至时，人们发现它已经变成一对孪生彗星。这是怎么回事呢？科学家们经过分析研究，得出这样的结论：这颗彗星曾经和太阳相距很近，起初它因太阳的引力被拉成两个部分。后来，这颗分裂的彗星又被巨大的引力瓦解为碎片。最后，这对孪生彗星神秘地消失了，不知是变成流星殒落了，还是飘向宇宙的其他地方。

那么，流星雨是怎么产生的呢？原来，在宇宙中有许多像“比拉”那样的彗星，随着岁月流逝，或许在某一个时刻，这颗彗星便逐渐瓦解了。但是，余下的不计其数的彗星尘粒构成了流星体，并且仍然在原来的轨道上运行。在浩瀚无边的太阳系中，有许许多多流星体物质和尘埃围绕着太阳公转，这就是流星群。当这些流星群受地球的引力作用，冲入大气层时，壮观夺目的流星雨现象便出现了。流星雨也有大有小，这是由每小时出现的流星的数量的多少决定的。“流星暴”就是指在一小时内有1000颗以上的流星坠落。

“流星雨”不仅景象壮丽，它们还有各种各样好听的名字，像仙女座流星雨、天琴座流星雨、狮子座流星雨……这是科学家在观测时，看到在流星雨的中心有一个辐射点，为了便于确认和记录，就以流星雨的辐射点所在的星座命名。

发现脉冲星

1967年底，剑桥大学的天文学家接收到了来自宇宙空间的微弱电波。当时这则消息被炒得沸沸扬扬，都说是外星球的智慧生命向地球发射的无线电波。但最终被证实是遥远的天体发出的射电波。

为了弄清这些电波的来龙去脉，剑桥大学的A·休伊什教授专门打造了一台新型望远镜。它占地12000平方米，由2048个镜面组成。这台庞大的机器从1967年7月开始工作，密切注视天区的各个角落，以随时捕获从任何方位发来的射电波，观测结果由休伊什的研究生J·贝尔负责记录。

一个多月的时间过去了，贝尔从未间断过，在记录、描绘这种射电波曲线时，贝尔有时会发现某些异常现象。其特征既不像一个稳定的射电源发出，又不像人为无线电干扰。她初步分析后认为这来自于宇宙空间。又过了一段时间，她发现，这些电波由一系列脉冲组成，而相邻脉冲的时间间隔竟然都是1.337秒。

贝尔兴冲冲地把这个结果告知导师休伊什，他也大为惊讶。师徒经过一番考虑，弄不清这到底是怎样一回事，只是感性地认为这是外星人发来的信号。他们的一个小小猜测，被外界媒体得知后，马上被炒得热火朝天。外星人这个词汇在当时绝对是人们街头巷议、各大报纸上出现频率最高的，这使得休伊什为自己的鲁莽有几分后悔。他一面组织专门研究小组，一面让贝尔继续观察、记录，并让她把结果打印在纸带上，以便于分析比较。没几天，贝尔又发现类似的信号从不同的天区传来，脉冲间隔为1.2秒。这时他们想到，怎么会在茫茫宇宙中有两批外星人同时向微不足道的地球发射信号呢？这种信号一定是某些天体自身产生的。根据当时发现的信息，休伊什分析认为：发出这种电波的天体应该是一种脉动着的恒星，它不断变形，时而膨胀时而收缩，每变幻一次就伴随着一次能量爆发。于是他形象地称之为脉冲星。

根据这些射电波，天文学家们很快就测定了脉冲星的确切位置，然后又通过光学望远镜加以搜索。出人意料的是，在被认为是脉冲星的位置却明白无误地存在着一颗完全正常的恒星，根本就没什么脉动、膨胀和收缩。

其实这些所谓的脉冲星对人类来说也许并不陌生。比如关于金牛座旁边的所谓脉冲星，我国古代天文学家于1054年在此区域发现了“客星”，现在称之为超新星。超新星爆发后产生蟹状星云余迹。1968年，天文学家探测到了蟹状星云方向的脉冲星信号。千年前的“客星”与脉冲星是怎样一种关系，这片星云中是否就有一颗脉冲星？

尽管一些问题目前还没有搞清楚，但天文学家还是确认脉冲星与超新星爆发的联系：超新星爆发后，其残余部分就会发出脉冲信号。此后不久，人们又探测到了从船帆星座传来的脉冲星信号，并测出其周期为0.09秒。如此短暂的周期又引发了科学家们新的思考。进一步研究发现，在极短的周期中，脉冲信号结构仍很复杂，万分之几秒内就可能发生较大变化。根据脉冲强度的细微变化，科学家们可以推断出该天体的大小。结果测得脉冲星的直径不超过几百千米，甚至几百米。如此小的体积却能产生极其强烈、快速的辐射，且脉动周期又是那样稳定。那么按照天文学规律，它的密度必须相当之大，才能保证振荡周期短且稳定。然而即使是密度极大的白矮星也做不到这一点。

既然人们循着常规思路找不到答案，大胆的猜想就会破壳而出。德国人W·巴德和瑞士人F·兹威基提出：白矮星的亚原子粒子在一定条件下，可以全部变为中子，致密地结合在一起。这时的恒星密度极大，可以达到每立方厘米数十亿吨。美国的汤米·哥达德在此基础上提出，脉冲星是自转的中子星。他的这个解释不但解决了关于脉冲星体积小、质量大的问题，而且诠释了它高速自转的疑惑，被认为是较为合理的说法。

哥达德的这一理论澄清了脉冲星的构成问题，成为20世纪天体物理学的最伟大成就之一。

神秘的“太白”金星

金星是全天空最明亮的一颗星星。晚间在西方天空出现时，被叫做“长庚星”。早晨在东方天空出现时，被叫做“启明星”。它距太阳的平均距离为1.08亿千米，距时间太阳的角距离为47～48度，人们之所以能时常看到它，主要是因为其大部分时间同太阳的角距离较大。夜空中除了月亮以外，其他所有的星星在亮度上都比不上它。由于常有银白色的、像金刚石的闪光从金星发出，所以，它在中国素有“太白”的别称。

科学家们后来知道，金星非常明亮的原因与其周围有浓密的大气层有关，大气反射了照在它上面的75%左右的太阳光。金星离地球最近时，平均为4000多万千米。人们常将金星视为地球的孪生姊妹，因其大小、质量和密度与地球差不多。金星的公转周期约为225天。20世纪60年代初，通过用雷达反复测量，天文学家得知其自转周期为243天，竟然长于它的公转周期！另外，金星的自转方向是逆向的，确切地说，它的自转方向是自东向西的，在金星上太阳西升东落，这就更让人惊讶了！昼和夜（一天）的时间远远长于地球，在那里看到的太阳约是我们所见到太阳大小的1.5倍。

金星有厚厚的大气层，这一点天文学家很早就知道了。用望远镜观看，金星只是一个模糊不清的淡黄色圆面，在金星大气的笼罩下，根本无法看清其“庐山真面目”。人们现在所掌握的金星表面及其大气等知识，主要来自空间飞行探测。

自1961年以来，前苏联和美国先后向金星发射的探测器有30多个（虽然有几个发射失败），获得了大量的研究成果。1970年8月17日，前苏联的“金星7号”无人探测器成功地实现了在金星表面上着陆探测，曾测得金星温度高达480℃，表面为100个大气压。此后还有多个前苏联的探测器都在金星表面实现了成功的软着陆。美国于1989年5月发射了“麦哲伦号”探测器对金星进行空间探测，为期5年，取得了大量的研究成果。

人类根据对金星的探测结果得知，它那厚厚的大气层几乎全部由二氧化碳组成，因此，它具有巨大的温室效应。其高层大气中的二氧化碳达97%，而低层处可达到99%。从许多宇宙飞船发回的照片来看，金星的天空带有橙色，大气中有激烈的湍流存在，还有强烈的雷电现象，有人推算金星上的风速约达100米/秒。更让人惊讶不已的是，厚厚的浓云笼罩在金星表面上30千米～70千米左右的高空，云中有具有强腐蚀作用、浓度很大的硫酸雾滴。

总体上看，金星大气层好似一个巨大的温室或蒸笼。尽管金星大气将约3/4的入射太阳光反射掉了，但其余那部分阳光到达金星表面并进行加热。大气中的二氧化碳、水气和臭氧好似温室玻璃，阻止了红外辐射，结果金星蓄积了大量所接受到的太阳能，因而使那里的温度高达465℃～485℃。与水星不同的是，金星上面环形山很少，表面比较平坦，但也有高山、悬崖、陨石坑和火山口。金星上的凹地与月面上的“海”（平原）相似，“海”上有火山。金星有十分活跃的地质活动，其表面有众多的火山、巨大的环形山、许多地层断裂的痕迹以及涌流的熔岩。

金星表面最高的麦克斯韦山位于北半球，高达12千米，远远高于地球上的珠穆朗玛峰；在南半球赤道附近并与赤道平行的地方，是阿芙洛德高原。金星上有一处横跨赤道的大高原有近10000千米长，3200多千米宽。有些探测器成功地完成了在金星上的自动钻探、取样和分析任务，人们因此知道了金星表面最多的是玄武岩。

随着科学技术的发展和进步，人类有关金星的探索和研究将会取得更大的成就，金星也将不再神秘。

水星的真面目

平常，人们很难看到水星，这主要跟水星与太阳之间的角度有关。水星距太阳最远时达6900万千米，最近时约4500万千米。从地球上看去，它距太阳的角距离最大不超过28度，水星仿佛总在太阳两边摆动。因此，水星几乎经常在黄昏或黎明的太阳光辉里被“淹没”。只有在28度附近时才能见到它。

水星在中国古代被称为“辰星”。Mercury是水星的英文名字，水星绕太阳运行的速度的确很快，每秒约48千米，它只需要88天就能绕太阳公转一周。在很长一段时期里，天文学家一直认为它的自转周期也是88天，跟公转周期一样长。

尽管也有人怀疑过水星的自转周期，但由于仪器、技术等方面的原因，人们对水星精确的自转周期仍不知晓。随着天文学观测水平和仪器精密程度的提高，水星自转周期终于被测出来了。1965年，美国天文学家用阿雷西博天文台射电望远镜，向水星发射了雷达波进行探测。这是一架世界上最大的射电望远镜（口径305米），它测出了水星的精确的自转周期为58.646天。原来，水星绕太阳公转2圈的同时，绕其轴自转3周，因此，水星的自转周期刚好是公转周期的2/3。

此后，科学家对水星进行了更深入的探测和研究，但即使是当时地球上最好的望远镜也很难让人们看清水星表面的情况。于是，科学家们采用了行星探测器这种高精端的工具。美国于1973年11月3日发射了“水手10号”行星探测器，它是至今为止地球人的惟一“访问”过水星的宇宙飞船。这次发射的主要任务是探测水星，顺便考察一下金星。它的重量约528千克，从磁强计杆顶端到抛物面天线外缘的宽度达9.8米。宇宙飞船经过3个多月的飞行，于1974年2月5日飞越金星，离金星最近时有5000千米。飞船在对金星考察的同时，借助金星的引力“支援”，使其运动的速度和方向发生改变，进入了一条飞向水星的轨道，终于在3月29日到达水星上空。

航天科学家精心设计了这艘飞船的轨道。当它到达水星上空并进行观测之后，就成为一颗绕太阳运行的人造行星了，绕太阳公转的周期设计为水星公转周期的两倍，也就是176天。这样，当水星刚好绕过两周时，飞船就遇到水星一次。“水手10号”飞船先后3次遇见水星，并获得了一批高质量的照片，其摄影镜头能把水星表面一二百米大的地面结构细节分辨清楚。

科学家们通过分析飞船的反馈资料发现，水星表面上布满了无数大小不一的环形山和凹凸不平的盆地和坑穴等。一些坑穴显示出陨星曾多次撞击过同一地点，这与月球表面很像。水星表面与月面的不同之处是，直径在20千米～50千米的环形山不多，而月面上的直径超过了100千米的环形山很多。水星表面上到处都有一些被称为“舌状悬崖”的不深的扇形峭壁，其高度为1千米～2千米，长约数百千米。科学家们认为，它们实际上是早期水星的巨大内核变冷和收缩时，在其外壳中形成的巨大的褶皱。水星上有一条大峡谷，长达100多千米、宽约7千米，科学家将其命名为“阿雷西博峡谷”，以纪念美国阿雷西博射电天文台测出水星自转周期一事。

科学家们还发现水星阳面和背面的温差很大。水星由于没有大气而直接受到太阳辐射的侵袭，在太阳的烘烤下，其向阳面温度高达427℃，而背阳面温度却冷到-170℃。水星表面一丁点儿水都没有。水星质量小于地球，它的地心引力只及地球的3/8，所以其表面上的物体，只要速度达到4.2千米/秒就可以逃逸。

“水手10号”飞船探测到水星不仅有磁场，而且是一个强度约为地磁场1/100的全球性的磁场。水星磁场的发现说明，在其内部很可能有一个高温液态的金属核。科学家根据水星的质量和密度数值，推算其应有一个直径约为水星直径2/3的既重又大的铁镍内核。

随着世界航空航天技术的发展，科学家们对水星的探测力度将会继续加大，终有一天，水星的真实面目会呈现在地球人的面前。

土星与神奇的土星光环

大家知道，土星有一个美丽的光环。早在300多年前，意大利科学家伽利略首次用望远镜观测土星，他发现土星两边好像“长着”什么附着物。可是用那架简陋的小望远镜无法看清楚。伽利略所发现的东西其实就是土星的光环。环绕土星的稀薄的美丽光环，不仅使土星本身变得漂亮，也把整个太阳系装饰得更美观了。当一个人第一次用眼睛接近望远镜的时候，对他来说，除了月亮，土星光环也许就是最奇妙的景色了。人类对土星及其光环的探索，是一个漫长而又艰辛的过程。

随着世界航空航天技术的发展，人类对土星的了解逐步深入。

太空船“先驱者11号”、“旅行者1号”和“2号”自1979年以来先后探测了土星。飞船从太空深处向地球发回了大量有关土星本体、光环、卫星的彩色照片和多种信息。飞船拍摄的照片显示，土星本体呈淡黄色，彩色的带状云环绕着赤道部，云上有一些美丽的斑点及漩涡状动态结构，北极区呈浅蓝色。

另外，“先驱者11号”还探测出土星高层大气存在着主要由电离氢组成的电离层。土星上存在很强的跨度达6万千米的雷暴闪电（木星上也发现过这种情况）。在距土星128万千米处，飞船发现土星有磁场以及磁层结构。土星磁场强度比木星磁场强度弱得多，其强度只有木星磁场的1/20，但比地磁场要大上千倍。从整体上看，土星磁层像一头头部圆钝、尾部粗壮的“巨鲸”。位于磁层内的土星辐射带强度弱于地球，但其辐射带范围却是地球辐射带的10倍。空间探测还证实，土星所发出的能量是从太阳得到能量的2.5倍，这一点与木星一样，表明其也有内在能源。

天文学家经过研究发现，土星的光环不是地面看到的3个、5个或7个，而是成千上万个。从飞船发回的照片看上去，土星光环与一张密纹唱片很相似，可谓“环中有环”。让人更为眼花缭乱的是，光环呈现螺旋转动的波浪状，还有的环呈不对称的锯齿状、辐射状，有的光环甚至像辫子一样互相绞缠着。科学家对此现象十分惊异。土星光环在土星表面上空伸展13.7万千米远，其厚度仅有1.6～3.2千米。事实上，无数大小不等的物质颗粒组成了土星光环，所有的物质颗粒都是直径几米到几微米的石块、冰块或尘埃。构成土星光环的这些物质快速围绕土星运动，在太阳光的映照下，绚丽多姿，土星因此被装扮得异常漂亮。

众多科学家不仅对美丽的土星本身有极大的兴趣，而且也很重视土星的庞大家族。后来，太空船在以前的基础上又发现了13颗土星的卫星，由此使土星卫星的数目达到23颗。土星卫星体积大多很小，有的卫星直径仅二三十千米，直径超过100千米的卫星只有5颗。

土卫六是土星的卫星中最大的一颗，仅次于太阳系最大的卫星——木卫三（半径为2634千米）。土卫六的半径为2414千米，土卫六上存有浓密的大气层，氮（约占98%～99%）为其主要成分，其余是甲烷（即天然气）以及微量的丙烷、乙烷和其他碳氢化合物，厚度约2700千米。一些科学家认为，可能有原始生命在土卫六上存在过。由于它和太阳相距遥远，高层大气的温度在-100℃左右，低层大气温度约-180℃。

1997年10月15日格林尼治时间8点43分，美国的“大力神4B”运载着“卡西尼号”宇宙飞船，从肯尼迪宇航中心顺利升空，开始了为期7年的奔向土星的航行。根据计划，“卡西尼号”飞船抵达目标后，对土星和土星的卫星——土卫六进行探测是其主要任务。这次航行的目的是为了探寻土卫六是否有生命以及获取地球生命进化的线索。

这个项目由欧洲航天局、美国航空航天局和意大利航天局携手合作开发。由“大力神”火箭运载的“卡西尼号”宇宙飞船被送往土星轨道，2004年7月1日两层楼高的探险机器人在土卫六登陆。“卡西尼号”完成了有史以来的首次环绕土星轨道运行，从2004～2008年将绕行74圈。“卡西尼号”将45次扫过土星最大的卫星土卫六，它与火星的大小相近，比水星和冥王星都大。2005年11月6日，它在轨道上向土卫六分离释放出“惠更斯号”子探测器（由欧洲空间局制造）。它通过降落伞降落在泰坦卫星上，从而成为在另外一个星球的卫星表面着陆的第一个外空探测器。人类能够依据其反馈的资料更好地了解土星。

“旅行者1号”飞船在飞越土星时，对土卫一、土卫四和土卫五的探测取得了很大的成功。在卫星运动方向的半个球面上，发现有很多由撞击形成的环形山，而另外半个球面上却很少有这样的环形山。土卫一的直径约390千米，而其最大的环形山直径竟达128千米，在环形山的底部有一座高达9000米的山峰。

土卫三的直径超过1000千米，在其表面，也有许多几十亿年前因陨星撞击而留下的陨石坑，其中一个坑的直径达400千米，底深约16千米，在它的另一侧有一条长达800千米的既深又宽的大峡谷。土卫二直径约500千米，它有十分“光滑”的表面，即“星疤”很少，这实在是一个奇怪的现象。土星卫星可能由一半水冰一半岩石构成，其密度都在每立方厘米1.1～1.4克之间，且有厚厚的冰层覆盖在岩石核的周围。

目前，土星在很多方面仍存在着许多未彻底揭开的谜。科学家们正以严肃认真的态度，努力深入探索和研究这个谜。我们相信，随着现代科学技术的突飞猛进，这些谜总有一天会水落石出的。

从方程中解出来的海王星

在伽利略第一个用望远镜观测星空后近一个世纪当中，人类对太阳系的认识仅限于肉眼能看见的水星、金星、火星、木星、土星。随着科学不断的发展，人们又陆续发现了天王星和海王星。和其他几颗行星不同的是，这两颗行星的发现充满了偶然性，尤其是海王星，它并不是从观察得来的，而是从方程中解出来的。

说到海王星的发现，就不能不提天王星。天王星是英国天文学家威廉·赫歇尔发现的。在1781年3月13日一个晴朗而略带寒意的夜晚，当赫歇尔对着夜空进行巡天观测时，无意中发现双子座那儿有一颗很奇妙的星星，有点像恒星又有几分像彗星，后来被命名为天王星。因为它的发现，太阳系的范围一下子扩大了。

天王星被发现以后，立即成为天文学家们的重要观测对象，但在科学家的观测和计算中，发现天王星理论计算位置与实际观测位置总有误差，而且这个误差随着时间在不断增大。人们由此得出结论，在计算天王星的位置时，一定还有某种未知因素没有考虑进去。这个因素是什么呢？难道在天王星轨道外面还存在着一颗尚未露面的行星？

其实，根据牛顿的万有引力定律，到了19世纪初科学家已经能够准确地预测行星在任何时刻的位置。但许多天文学家并未在这一未知的问题上深入探索，天王星外是否有新的行星一直是个谜。

1845年，英国剑桥大学的一位25岁的大学生J.C.亚当斯，把自己的推算结果（行星的轨道、质量和当时的位置）寄给了英国格林尼治天文台台长艾里，请求他用天文台的大型望远镜来观测这颗行星。不料，这位台长根本没把这位年轻人的发现放在眼里，而把亚当斯的计算结果束之高阁，结果使亚当斯和海王星的发现擦肩而过。

而另一位叫U.勒威耶的法国天文学家就比亚当斯幸运多了。他在1846年8月31日把自己的计算结果交给柏林天文台年轻的天文学家伽勒时，立刻得到了重视。伽勒和他的助手根据勒威耶计算出来的新行星的位置，把望远镜指向了黄经326度宝瓶星座的一个天区，只用了30分钟就发现了一颗在星图上没有标出的行星——海王星。

海王星的发现使哥白尼学说和牛顿力学得到了最好的证明，也成为科学史上的一段佳话。

苏颂发明水运仪象台

苏颂（1020～1101年），字子容，泉州（今福建一带）人，后迁居润州丹阳（今江苏镇江一带），是我国宋代著名的药学家和天文学家。苏颂自幼聪颖过人，5岁就能背诵经书和诗文。10岁随父入京，学习勤奋刻苦。宋庆历二年（1042年），22岁的苏颂与王安石同榜中进士。苏颂开始被授予汉阳军（今湖北武汉市汉阳）判官职，没有去赴任，后来改补宿州（今安徽宿县）观察推官，之后又调江宁任知县。苏颂在任内为官清廉，合理征收赋税，积弊为之一清。

宋仁宗皇三年（1051年），苏颂出任南京留守推官等职。他办事谨慎周密，很受当时任南京留守的欧阳修赏识。

宋仁宗皇五年（1053年），苏颂调到京城开封，任职馆阁校勘和集贤校理，负责编定书籍。在这段大约9年多的时间里，苏颂不仅博览了各种藏书，而且还每天背诵二千言。他对诸子百家、阴阳五行、天文历法、山经本草和训诂文字，无所不通，成为一位学识渊博的学者。

宋神宗熙宁三年（1070年），苏颂主持礼部贡举。王安石要越级提拔秀州判官李定到朝中任太守中允，神宗让苏颂起草诏令，苏颂认为不合任官体制，断然拒绝，结果被罢免了知制诰的职务，外放婺州为官。元丰四年（1081年），苏颂受命搜集整理邦交资料，历时2年，写成《华戎鲁卫信录》250卷。

元丰八年（1085年），宋哲宗即位，十一月，诏命苏颂制作水运浑仪，费时6年制成。绍圣初年（1094～1096年），苏颂又与韩廉全撰写《新仪象法要》3卷。

苏颂一生政绩卓著，但是他的科学成就更为突出。他在药物学和天文学以及机械制造学方面取得了杰出的成就，被英国科技史家李约瑟称赞为“中国古代和中世纪最伟大的博物学家和科学家之一”。

在天文学和机械制造学方面，苏颂复制了水运浑仪，并创制了一座大型综合性的水运仪象台。仪象台以水力为动力，集天象观察、演示和报时三种功能于一身。活动屋顶、每昼夜自转一周的“浑象”和擒纵器分别成为现代天文台的圆顶、转仪钟和现代钟表的起源。苏颂又写了《新仪象台法要》3卷，以图文并茂的方式，详细地介绍了水运仪象台的设计及使用方法，并绘制了我国现存最早最完备的机械设计图。苏颂创制的水运仪象台和撰写的《新仪象台法要》，反映了我国古代天文仪器制作的最高水平。

苏颂创制的水运仪象台，是11世纪末我国杰出的天文仪器，也是当时世界上最先进的天文钟。

施瓦贝发现太阳黑子

1826年，德国天文爱好者亨利·施瓦贝在得知“有人发现了天王星，并且在水星轨道内还有一颗未发现的行星”这个消息后，决心找寻那颗未知的行星。为了便于观测，不损伤视力，他在望远镜上加了滤色玻璃。此后，他每天都观测太阳。但后来他发现太阳黑子小而圆，与他要找的行星在日面上的影子非常像。于是，施瓦贝决定开始记录在日面上出现的黑子数目，然后再对其进行分析研究，这样，就可以通过它间接地找到那颗未知的行星。

一天，施瓦贝正在观测日面时，突然发现有一些黑子活动非常频繁。在一段时间里，这些黑子不仅在日面上时隐时现，而且其大小也在不断变化。并且，这种现象有一定的周期规律性，平均约11年。

继施瓦贝之后，天文学家还观测到黑子也有大小：小黑子的线度约1000千米，而大黑子的线度可达20万千米！这些大一些的黑子经常成对出现。

太阳黑子为什么是“暗黑”的呢？这是因为它们的温度约4500℃左右，而它周围的光球则要高出一千多度，与之相比，黑子的亮度自然很低。

通常，人们把黑子很少的期间称为“太阳活动谷年”；习惯把黑子大量出现的期间，即某一个黑子周的极大年称为“太阳活动峰年”。现代国际天文学界规定第一个太阳黑子周为1755年开始的那个11年黑子周，往后依次类推排序。

行星探测器

20世纪60年代，前苏联和美国都向火星和金星发射了无人驾驶探测器，这也是登陆其他行星的第一次尝试。美国太空总署（NASA）在1962年发射了“水手2号”探测卫星飞过金星，首先取得成功。接着，1967年，前苏联“金星4号”空间探测器飞抵金星，在坠毁前向地球发回了一些关于金星大气层的数据。尽管发回的数据比较混乱，但是“金星4号”表明空间探测器摄影技术已经开始走向成熟。“金星7号”探测器于1970年安全着陆于金星，并且成为第一个从其他行星表面向地球传送数据的空间探测器。5年后，“金星9号”探测器进入环绕金星的轨道，然后向金星发射了一台登陆车，向地球发回了金星岩石质表面的照片。“金星15号”和“金星16号”绘制了金星表面的雷达探测地图。1985年，前苏联双子太空船“维加1号”和“维加2号”向金星投放了装在气球上的探测仪，探测仪缓缓穿过金星大气层降落到金星表面。

大事记

1962年 美国太空总署（NASA）发射的“水手2号”探测器抵达金星

1964年 美国太空总署（NASA）发射的“水手4号”拍摄了火星照片

1970年 前苏联发射的“金星7号”登陆金星表面

1971年 美国太空总署（NASA）发射的“水手9号”进入绕火星轨道

1972年 前苏联“金星8号”软着陆于金星

1973年 美国太空总署（NASA）发射的“先锋10号”掠过木星

1975年 前苏联发射的“金星9号”进入绕金星轨道

1976年 美国太空总署（NASA）发射的“海盗1号”和“海盗2号”软着陆于火星

1989年 美国太空总署（NASA）发射的“旅行者2”抵达海王星

就在前苏联关注金星的探测同时，美国太空总署（NASA）则更关注火星以及更外层的行星的探测。“水手4号”于1964年、“水手6号”和“水手7号”于1969年分别拍下了火星表面的照片。1971年，“水手9号”探测器环绕火星轨道运行，利用电视摄像机拍摄了关于火星表面景观的细节照片并拍摄了火星的两颗卫星—火卫一和火卫二。火星表面类似贫瘠的红石岩沙漠。1974年，前苏联的“火星5号”进入火星轨道运行了几天，并在电视摄像机损坏之前向地球发回了图像。美国太空总署（NASA）的“海盗任务”雄心勃勃，“海盗1号”和“海盗2号”在1976年飞抵火星。这两艘探测器均由绕火星运行的轨道飞行器和能够软着陆于火星表面并分析其土壤的登陆车组成。

1972年，美国太空总署（NASA）发射的“先锋10号”探测器是首个飞出太阳系的探测器，1973年，它掠过木星。1973年发射的“先锋11号”探测器在1979年实现了绕土星环的运行。两个探测器都发回了关于木星和土星奇观的照片。1977年，美国发射的“旅行者1号”和“旅行者2号”也把木星和土星作为探测对象，1979年，它们到达木星。“旅行者1号”在1980年到达土星；1年后，“旅行者2号”掠过土星并于1986年“访问”了天王星，接着在1989年飞抵海王星，发现了围绕海王星的一个环状系统和6颗卫星。

不久，美国太空总署在1989年利用“亚特兰蒂斯号”宇宙飞船发射了包括“麦哲伦号”在内的多个行星探测器。“麦哲伦号”探测器于1990年进入绕金星轨道，“伽利略号”则在1995年拍摄了关于木星的照片。来自“麦哲伦号”探测器的数据表明，金星表面遍布陨石坑和山脉火山喷发后的熔岩流平原。但“麦哲伦号”在1994年与美国太空总署失去了无线电联系。“伽利略号”是第一个绕木星运行的空间探测器，并探测了木星的多个卫星。1992年，美国发射的“火星观察者号”在即将抵达火星时没能进入轨道，并在1993年与地球失去了联系。但在1997年，“火星探路者号”成功登陆了火星，并放出一台小型的火星漫游车，拍摄了1.65万张照片，并向地球发回了火星的地质数据。

航天飞机

1972年1月，美国正式把包含研制航天飞机的空间运输系统列入计划。美国太空总署（NASA）想建造一种运载火箭，利用它既可以完成航天任务，并且还可以自己返回地球上的发射基地。火箭只能使用一次，代价昂贵，而具备上述特点的航天飞机却可以重复使用。科学家起初认为航天飞机一年可以执行50次任务，但实际上每年只能重复使用8次。

航天飞机主要由三部分组成：外形像飞机的轨道飞行器机身长37.2米，装有3台以液氧和液氢为燃料的主引擎。巨大的外挂燃料箱内装有补给燃料。两台长45米的固体燃料火箭推进器连接在外挂燃料箱两侧。航天飞机的前段是航天员座舱，分上、中、下三层。上层为主舱，可容纳7人；中层为中舱，也是供航天员工作和休息的地方，有卧室、洗浴室、厨房、健身房兼贮物室；下层为底舱，是设置冷气管道、风扇、水泵、油泵和存放废弃物等的地方。航天飞机的货舱长18米，最大有效载荷可达27.6吨，是放置人造地球卫星、探测器和大型实验设备的地方。与货舱相连的还有遥控机械臂，用于施放、回收人造地球卫星和探测器等航天器，还可以作为宇航员太空行走的“阶梯”。

航天飞机发射升空后，所有的五枚火箭（安装在轨道飞行器上的三枚火箭以及两枚固体燃料火箭推进器）全部点燃。两分钟后，外置的两枚火箭推进器脱离机身并借助降落伞落入大海，回收修复后还可以重复利用20次。当轨道飞行器进入地球轨道6分钟后，机组航天员将外挂的燃料箱抛离机身，燃料箱重新进入地球大气层后烧毁。在任务完成返航阶段，机组航天员将机动火箭点燃使航天飞机减速，然后航天飞机在海拔高度120千米处重新进入地球大气层，距离发射基地8000千米远—发射基地通常是肯尼迪航天中心。轨道飞行器减速阶段的初始速度为25马赫，然后经历滑翔减速，与大气摩擦产生的热量使机翼上的耐热片以及机身迅速达到红热状态。航天飞机经历整个降落减速过程后，在其着陆阶段，减速降落伞使航天飞机进一步减速，速度约为320千米/小时。

美国太空总署（NASA）已经建造了六架航天飞机。他们利用第一架航天飞机，即1977年的“企业号”，做大气层滑翔测试，但从来没发射入太空。1981年，“哥伦比亚号”成为第一架进入地球轨道飞行的航天飞机，接下来就是1983年的“挑战者号”、1984年的“发现号”和1985年的“亚特兰蒂斯号”航天飞机。1986年1月28日，美国“挑战者号”航天飞机在第10次发射升空后，因助推火箭发生事故而爆炸，舱内7名宇航员（包括一名女教师）全部遇难，这造成直接经济损失12亿美元，航天飞机停飞近3年，成为人类航天史上最严重的一次载人航天事故，使全世界对征服太空的艰巨性有了一个明确的认识。美国太空总署建造了“奋进号”取代了“挑战者号”航天飞机，并在1992年成功发射。2003年2月1日，载有7名宇航员的美国“哥伦比亚号”航天飞机返回地球时，在着陆前16分钟时发生了意外，航天飞机解体坠毁。事故调查委员会指出哥伦比亚号航天飞机升空80秒后，一块从外挂油箱脱落的泡沫损伤了左翼，并最终酿成大祸。经过缜密的修理之后，“发现号”航天飞机于2005年又发射升空。14天后，它返回地球基地，由于天气的原因没能降落到肯尼迪航天中心，而是降落在了爱德华空军基地。美国太空总署科学家在航天飞机着陆期间将调查防热片的问题。

人类在太空的住所——空间站

通俗地说空间站是航天员在太空的家。他们在那里居住、工作。而这个家则是一个绕地球飞行的航天器。在运行期间，航天飞船或航天飞机把航天员的替换物资和设备送过去。天文和地球的观察，太空医学和生物学的研究，发展新工艺、新技术及航天活动都能在空间站中举行。航天员主要工作场所在轨道舱，休息场所在生活舱。

空间站还有与其他飞船等航天器对接的对接舱，航天员在轨道上出入空间站的气闸舱，及装置生命保障系统、供电系统等的设备舱。这些都是空间站的重要组成部分。算起来空间站发射已有近30年的历史了，在这一航天活动领域中的遥遥领先者就是前苏联（现俄罗斯）。1971年4月19日，前苏联发射了世界上第一个（试验性）空间站“礼炮1号”，总长约12.5米，最大直径4米，总重约18.5吨。它由轨道舱、生活舱和对接舱组成，呈不规则圆柱形，它只有与“联盟号”航天飞船对接的接口。

“礼炮1号”工作了6个月，在进行了载人和不载人的综合性科学考察和对地球的观测后完成使命。

继其之后，前苏联又在“礼炮1号”（属于第一代空间站）的基础上先后发射了“礼炮2～7号”6个空间站。

美国也曾于1973年5月发射了一个与前苏联“礼炮6号”水平相当的空间站。即“天空实验室”，它也是美国发射的唯一成功的空间站。“天空实验室”总长36米，最大直径6.6米，重79吨，像一架巨大的直升机，由轨道舱、气闸舱、多用途对接舱和太阳望远镜等4大部分组成，其轨道舱是用“土星5号”火箭的第三级改制的。舱外有2块能发出3.7千瓦电力、供舱内仪器使用的翼状太阳能电池集光板。1973年5月25日、7月28日和11月16日，美国相继发射“阿波罗”载人飞船进入太空，与“天空实验室”对接成功。先后有3批共9名航天员在站内分别生活和工作了28天、59天和84天，还出舱活动达40多小时。

前苏联的第三代空间站——“和平号”空间站的主舱发射入轨完成于1986年2月20日。这个空间站不像其他空间站在地面上一次做完再发射，而是采用模块式结构，先发射基础模块（主舱），再根据需要分别发射单独模块（各种科学实验舱），使它们在轨道上与主舱交会、对接而组成仍继续扩展的空间站，这项工作的难度可想而知。自主舱发射成功后，前苏联又将5个科学舱模块相继发射成功，成功对接。它们分别是：（1）1987年4月发射，长5.8米，最大直径4.2米的“量子1号”天文物理舱。主要用于天体物理研究。舱内有重约11吨，配有观测辐射X射线和紫外线的天体物理学伦琴观测台。（2）1989年12月发射的“量子2号”服务舱，长13.7米，最大直径4.4米，重约20吨。这个舱的建立改善了“和平号”的活动空间，增大了电力供应，使全站有了更先进的观测和实验基地，增添了许多新装置和新仪器。（3）1990年6月发射，长12.5米，最大直径4.4米，重约20吨的“晶体号”工艺舱。舱内配有6个材料加工的熔炼炉、4个制新药的电池装置和2台照相机。它的主要用途是进行细胞杂交以及有关天体物理、地球物理等方面的技术实验，工业试生产半导体材料，培养各种蛋白质晶体。（4）1995年6月发射的“量子4号”光谱舱。因苏联解体，苏、美两国间的冷战状态结束，这个原来准备用于试验探测弹道导弹发射和检测外层空间的舱，后来只好改用于民间科学实验。（5）“量子5号”自然舱。1996年4月发射。舱内装有3台辐射计、3台光谱仪、2台扫描仪以及俄法联合研制的用于研究地球大气竖直构造的激光雷达和一部大型合成孔径雷达，还有美国搭载的600多千克的科研硬件。它是俄罗斯最先进和最复杂的地球观测航天器。该舱投入使用后，对于地球生活状况、保护地球环境和保证美俄联合飞行任务的成功等方面产生了极重要的意义。

自然舱陆续对接成功了，整个过程持续了10年之久，而“和平号”空间站的组装全部完成之日，正是当年宣告它的10年寿命到期之时。在“和平号”空间站工作的10年中，它的运行都很顺利。所以，在1989年底，“量子2号”服务舱发射成功之后，前苏联开始了“和平号”的商业经营。美国的蛋白质晶体生成实验装置是它的第一个商业性载荷，56天以后实验成功，美方对结果十分满意。从此，类似的商业经营连续不断，给前苏联带来了巨大利润。但是自设计寿命终结后，“和平号”已随着岁月的推移逐渐老化而不堪重负了，有1400多处大小故障被发现。其中有60多处至今未能排除，技术上的缺陷也日渐暴露出来。这座航天大厦摇摇欲坠，事故频频发生。那么，为什么不让这位老迈的大将光荣退伍呢？其实苏联早在20世纪90年代初就已经着手研制在“和平号”基础上改进的“和平2号”空间站，接替“和平号”，并准备让它在1997年左右上天。但是随着前苏联解体，俄罗斯出现经济危机，它已无力继续研制新的代替品，甚至连老化的“和平号”都渐成包袱，无力维持。

1984年美国宣布要在10年内建立起比“和平号”规模大得多的永久性航天站“自由号”空间站，以与前苏联抗衡。该空间站是一个国际性航天站，欧洲航天局、日本、加拿大都占有一个舱段，但巨大的耗资成了美国国会每年讨论航天拨款时的众矢之的。

1993年4月被讨论了9次、表决了9次的“自由号”的建设计划终于被美国总统克林顿在限制经费额度的前提下批准了。但是这个被压缩了规模的方案，其研制经费和运行管理费仍要超出白宫限定的标准，经费超支的威胁，使美国希望俄罗斯加盟。俄罗斯现成的硬件以及载人航天技术和对大型空间站的管理经验是可以弥补经济上的不足的。于是困难的双方一拍即合达成协议。

美俄之间1993年9月2日签署了一项具有历史意义的航天合作协议。在“自由号”和“和平号”空间站合作下，一个真正意义的国际空间站“阿尔法号”诞生了。合作者中除美俄之外，美国原“自由号”空间站的伙伴欧洲航天局、日本和加拿大等也加入进去。与“和平号”相比，“阿尔法号”国际空间站有什么不同呢？“阿尔法号”国际空间站的结构形式是把各个舱段都建在一根主桁架梁上，统一供电。全站总重达430吨，主桁架梁长为88米，太阳能电池板翼展宽为108米，轨道高度平均为397千米，总容积1200立方米。最终的空间站由美国1个、欧洲航天局1个、日本1个、俄罗斯2个、日美联合的1个共6个实验舱和1个居住舱、2个节点舱（供放置贮备物资及调节电力用）的服务系统、运输系统等组成。全站的建设分3个阶段进行。1994年至1997年是第一阶段。美俄两国将美国航天飞机与“和平号”空间站的7次对接飞行完成；每次都有一名美国航天员留在“和平号”上完成累计3年的工作。

第二阶段要达到有3人在轨工作的能力。从1998年6月开始至1999年6月完成，这是只有美俄两国参加完成的奠基工作阶段，美国的2个节点舱、俄罗斯的服务舱、美国的实验舱和俄罗斯的“联盟号”飞船与多功能货舱会分别发射入轨。站上将有初期科学研究所用的13个科研实验柜和10千瓦的电力。到本阶段结束时，空间站的核心部分将建成，达到有人照料的能力。

从1998年11月至2003年12月进行第三阶段的建设，达到6～7人在轨长期工作的能力。俄罗斯将把自己的“和平号”空间站上最后到位的光谱舱和自然舱移到国际空间站应用。美国的桁架结构、太阳能电池板、加拿大的移动服务系统、欧洲航天局的“哥伦布号”实验舱、日本的实验舱和俄罗斯的桁架结构及太阳能电池板将会先后在此阶段组装。最后，发射美国的居住舱，自此国际空间站的建设装配彻底完工。

预计国际空间站建成后将会运行10年，到2012年它的寿命自然终结。而在整个10年中，美国将投入174亿美元的研制费，还有其他的参与国家投入的100亿美元研制费、110亿美元航天飞机和运载火箭运送装配构件的运送费，国际空间站总耗资将达514亿美元，10年间的运行费用也高达130亿美元。这是一笔多么惊人的资金啊！从此这一跨世纪的伟大航天器将为人类在21世纪观察地球和进行科学研究提供了一个前所未有的场地，为人类长期探索太阳系打开了大门，人类的生活条件将会大为改善，也为未来的地外旅行开辟了一条新路。

人造地球卫星升空

嫦娥奔月，敦煌壁画中的“飞天”，天外来客，无不寄托了人类飞向太空的美好愿望。这一梦想从20世纪50年代起逐步变为现实。1957年10月4日，苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，太空时代由此开始。

人造地球卫星升空需要两个重要条件：第一，成熟、稳定、可靠的火箭技术；第二，人造卫星自身功能的完备。作为人造卫星升空的推动器—火箭，其实火箭早在第二次世界大战中就已出现，这可以说是先进科学技术军转民用的典型。纳粹德国1936年就秘密建起了火箭试验基地，并于1942年10月3日成功发射了由酒精和液态氧作为推进剂的V-2型火箭。它长达14米，重为13吨，飞行高度可达80千米，航速为7.5千米/秒，有效射程为300千米。这种火箭在二战中投入使用，纳粹曾用它袭击英伦三岛。

先进的火箭技术并没能挽救德意志第三帝国灭亡，倒是在战后肥了美国和前苏联。在盟军完成了对德国的占领后，美军俘获了包括核心火箭专家冯·布劳恩在内的100多位专家，前苏联则将德国火箭基地的设备和剩余专家一股脑儿运往苏联。这使得两国战后航天事业蓬勃发展起来。

二战刚刚结束，美苏两国出于各自政治和军事利益的考虑，争相以掠夺的德国火箭技术和专家为基础，极力发展射程更远、动载能力更强、性能更为优良的火箭。二者进展都很迅速，但最终还是前苏联走在前面，这与前苏联政府的高度重视是分不开的。

1947年，斯大林在听取了有关专家的建议后，就在前苏联党政军高级干部参加的联席会议上多次强调要让苏联的军事航空科技走在世界的前列。之后，前苏联政府加大了空间技术研究的投入，使得其空气动力学、波动力学水平很快提高，其他学科，如地球物理学、计算机科学也取得相当成就，并于50年代中期先后成立国家科学院天文研究所空间科技组和国家宇宙探测委员会，直接负责远程火箭和人造卫星事宜。

经过长期筹备，1951年前苏联宣布用于发射卫星的火箭和卫星系统的研制工作已完成。这一年的10月4日，前苏联在拜科努尔航天发射场成功发射了世界第一颗人造地球卫星“旅行者1号”。这颗卫星自重184磅，直径为22.8英寸，外部有4根折叠式天线，由一枚USSR-1型三级火箭送入预定空间轨道。每96.2分钟绕地球一周，其功能主要有测量温度和压力，发射无线电信号等。人类第一颗人造地球卫星仅在太空游弋92天，便坠入大气层烧毁，却开辟了一个新的时代。

前苏联人造地球卫星升空，极大地刺激了美国。1958年1月，美国的“探险者1号”也被送上太空。之后，它又将两颗人造卫星分别于该年的3月17日和第二年的2月17日送入轨道。其他国家，如法、日、中、英也纷纷发射自己研究的卫星。

中国的第一颗人造地球卫星“东方红1号”在1970年4月24日发射升空。此后，中国的航天事业一发而不可收，陆续发射了用于科学考察、气象观测、通讯广播等的许多卫星，并逐步掌握了卫星回收技术。进入80年代以后，我国接连向太空发射了4颗静止轨道通讯卫星，成为世界上少数几个航天工业先进国家之一。1999年11月20日，我国自行研究的第一艘无人宇宙飞船“神舟号”试飞成功；2001年1月10日，我国自行研究设计的“神舟1号”成功发射；2002年3月25日，“神舟3号”发射成功；“神舟5号”载人飞船于2003年10月15日在酒泉卫星发射中心发射升空。中国宇航员杨利伟搭乘该飞船在绕地104周，飞行21小时后安全返回地面，中华儿女终于圆了自己的飞天梦。中国成为世界上第三个掌握载人宇宙飞船技术的国家。

世界各主要国家争先恐后地把自己的人造卫星送入太空。那么，这些卫星的作用在哪里呢？首先是用于观测气象，卫星“登”高望远，可以随时观察到地球的每一个角落；第二，便是用于通信领域，比如卫星电话、电视转播。第三，也是后来发展起来的，即用于军事侦察，随着技术的进步，卫星的用途也越来越广泛，现在卫星水平几乎应用于国民经济各个领域。

总之，人造地球卫星的诞生，是人类向外空间迈出的第一步，有着划时代的意义。如果人们合理利用它，必将为人类带来深远的福利。

人造地球卫星的发明之路

双耳失聪的齐奥尔科夫斯基是俄国一名中学教员，他对火箭理论的研究和发展做出了巨大的贡献。巨大的火箭动力应当是液体火箭发动机，这一在航天技术上有突破性的观点就是由他首先提出来的。他设计了用液体火箭发动机做动力的飞行器草图，并设想用煤油和液氧做燃料来推进火箭飞行。

美国“火箭之父”戈达德设计了最早试验成功的火箭。他于1920年进行了煤油和液氧发动机的试验，1926年，第一枚发射成功的火箭其射程达55米。齐奥尔科夫斯基的学生格鲁申柯和赞杰尔，于1932年进行了一次火箭发动机试验。在实验中，他们使用煤油和硝酸等做推进剂，并于1933年发射了一枚探空火箭。

1942年10月，V-2火箭研制成功。V-2火箭的成功在现代火箭史上有划时代的意义。现在，火箭、导弹的射程、推力、精度已远远超过了以往研制的火箭、导弹，但它们都源于V-2火箭，并处处留有V-2火箭的痕迹与特征。

V-2火箭是现代火箭的鼻祖。美、苏在第二次世界大战后，从德国弄来V-2火箭的资料、图纸和技术人员，在V-2火箭基础上，两国科学家开始发展各自的运载火箭和航天器。在1957年8月26日，前苏联发射了两级液体洲际弹道导弹SS-6；同年10月4日，又利用当时世界上最大的运载火箭，即SS-6改装的运载火箭，发射了世界上第一颗人造地球卫星，这颗人造卫星被取名为“斯普特尼克”号。从而，开创了航天史的新纪元，为人类开辟了登天之路。

前苏联发射人造地球卫星成功的消息使美国朝野一时手足无措。其实，美国早在1946年就有人开始进行人造卫星可行性的研究，但美国总统直到1955年7月，才批准研制“先锋号”计划，并打算1957年7月1日发射卫星。于1957年12月6日第一次发射的“先锋号”卫星，由于技术上的原因，并未成功。前苏联两次人造卫星发射的成功刺激了美国政府，于是，美国加紧运载火箭的研制，重新把被搁置的弹道导弹改制的运载火箭。在匆忙而又艰辛的研制工作结束后，美国在1958年2月1日，用“丘比特”运载火箭把“探险者1号”卫星送上太空。这次发射主要由著名火箭专家布劳恩指挥、领导。

法国是继前苏联、美国之后，第三个独立自主发射人造卫星的国家。法国于1965年11月26日，在哈尔圭尔发射场，用自制的“钻石”A运载火箭，成功地发射了她的第一颗人造卫星，这颗人造卫星被命名为“试验卫星1号”（A-1）。

日本是第四个进入太空的国家。日本于1970年2月11日，成功地发射了第一颗人造卫星，取名为“大隅号”。始于20世纪60年代中期的日本航天计划几经周折才获成功。

中国于1970年4月24日，用自己研制的“长征1号”运载火箭，把“东方红1号”卫星送上太空。因此，中国成为世界上第五个能独立发射卫星的国家。中国在其西北部的酒泉卫星发射场发射了“东方红1号”卫星。这颗卫星直径约1米，近似球形，为多面体，重173千克，其重量超过了美国、前苏联、法国、日本的第一颗人造卫星的总重量。

前苏联和美国发射人造地球卫星的成功，引发了许多国家对航天活动的热衷和关注，他们一心想发射人造地球卫星，但其技术力量和财力薄弱，没有力量独立自主地研制运载火箭，只能依靠前苏联和美国的力量，或者借助于前苏联和美国的运载火箭来发射自己的人造卫星。

随着世界航空航天技术的发展，今天的卫星已形成一个种类繁多、用途广泛的大家族了。

航天器“软着陆”的发明

随着航空航天技术的发展，人类走出地球征服宇宙的欲望也越来越强。现在，人类的步伐已经跨出了地球，迈向了茫茫的太空。能否在别的星球上发现类似于地球上的生命存在呢？于是金星、火星等星球便进入了地球人的视野。地球人纷纷发射无人探测器登上这些星球，但如何让这些探测器“软着陆”却也曾使无数的科学家非常苦恼。

1997年7月4日，美国采用特别的防护技术——防碰撞气袋，使“火星探路者号”火星探测器在火星表面成功“软着陆”。探测器所携带的6轮火星车“火星漫游者号”在防碰撞气袋的保护下毫发无伤地登上了火星表面，充分发挥了它作为这次探测的主角的作用。这是人类的车辆首次在火星上行驶。

人类进军火星的第一步是使探测器掠过火星，在掠过火星期间用仪器对火星进行考察。

第二步是向火星轨道发射探测器，使探测器环绕火星作长期观察。

第三步是向火星表面发射探测器，使探测器放出着陆器在火星“软着陆”。

这次以“火星探路者号”为代表的火星探测第四阶段，主要目的是通过6轮火星车“火星漫游者”实现对火星较大范围的移动考察。这辆火星探测车是在地面工作人员的遥控之下工作的。

其实，早在掌握“软着陆”技术之前，人类还使用过“硬着陆”方法，也就是不对着陆器装备任何减速装置的撞毁式方法，利用着陆器坠毁“以身殉职”前的短暂时机进行探测。例如，人类航天史上第一个到达行星表面的探测器就是在金星“硬着陆”成功的，该探测器就是前苏联于1966年3月1日发射的“金星3号”探测器。

在这次探索火星的过程中，如果着陆失败，耗资2.63亿美元的“火星探路者号”就会毁于一旦。于是开创了航天器“软着陆”的先河，采用了防碰撞气袋防护着陆法。这种方法，说“软”却“硬”，似“硬”实“软”。

何谓防碰撞气袋防护着陆法呢？科学家们给“火星探路者号”着陆器穿上了一件由可充气气袋组成的蓬松外衣。当着陆器飞行至距火星表面160千米的高度时，由于制动火箭和减速降落伞的作用，着陆器的速度已减至每秒20多米，然后不再减速，就像是“硬T”着陆一样直接冲向火星表面，着陆器的质量达570千克，以这样的速度撞在火星表面上，所产生的冲击力是巨大的，着陆器一定会因受到巨大冲击力而摔得七零八落。但在距撞上火星表面还剩8秒钟的时候，装在着陆器外表面上的几十个气袋（每块面板上6个）同时充起气来，瞬间充气形成了一个直经达6米多的球体，砰的一声震动，落到火星表面上，立即又被弹起将尽20米高，弹跳了3次，又滚动了1分30秒才稳定下来。着陆器及其内部所携带的仪器却都安然无恙。

气袋中的气在着陆后几小时内被放掉，着陆器的面板打开，造价2500万美元的火星车“火星漫游者号”驶下着陆器的坡道，在地面工作人员的遥控下，开始了火星上的科学考察工作。

这次利用防碰撞气袋“软着陆”成功的经验，为以后航天器的“软着陆”开辟了一条更加安全、简便、省钱的道路。科学探索的道路是无止尽的，人类在这条道上一定会越走越宽广，世界航空航天技术也一定会越来越发达。

让航天器克服“热障”的历程

航天飞船从太空返回地球时，其飞行速度很高，能以约为7.9千米/秒的第一宇宙速度冲入大气层。这时，飞船的巨大动能在空气阻力作用下，将转变成热能，并产生很高的温度。大约在离地面40～50千米时，贴近飞船表面的一层空气温度很高，能达到约1万℃的温度，使飞船很容易被烧毁。这种需要克服的高温障碍叫“热障”。

返回式飞船等航天器如何才能克服“热障”并安全返回地球呢？人们曾经发现这样一个现象，即凡是落到地球上的陨石，其外形都与地球近似。经过分析研究，人们弄明白了它们没有被高温熔化的原因，就在于它们的球形表面形状。而与陨石不同的是，大多数流星则会被高温熔化掉。这是因为，超声速气体流过各种形状物体时，在球形物体前面产生的激波比在其他形状物体前面的更为强烈。陨石在强大的激波阻力下减速，在减速过程中，其表面附近的空气因高温而电离，形成高温等离子体，这一过程会消耗掉大量热能，从而减少传递给陨石的热量，使它们不会被热量引起的大火焚烧掉。

经过研究，科学家为返回式航天飞船设计了一套用玻璃钢之类的在高温下易熔化蒸发的高分子化合物材料制成的防热罩。当航天飞船返回大气层时，防热罩在高温下边燃烧边带走大量的热能，同时，它在燃烧后会有大量碳残存下来，这些碳又在航天飞船表面形成多孔的碳化层。这种碳化层有非常好的防热功能，人们形象地称其为航天器的“防火衣”。这层防热罩可以保护返回式飞船等航天器闯过大气层，最终安全抵达地面。

现在，“热障”问题早已不再困惑人们了，人们正在努力地去探索新的克服“热障”的办法。我们有理由相信人类定能征服宇宙。

《夏小正》与历法的创立

《夏小正》是我国现存最早的物候学专著，也是现存最早的历书。

隋代以前，《夏小正》只是西汉戴德汇编的《大戴礼记》中的一篇，而且还加了注（经传在一起）。《礼记·礼运》中记载说：“孔子曰‘我欲观夏道，是故之杞，而不足征也，吾得《夏时》焉’。”郑玄注云：“得夏四时之书也，其书存者有小正。”后人根据内容判断，孔子所说《夏时》就是《夏小正》，也就是夏代的历法。以后在《隋书·经籍志》中首次被单独著录。

关于《夏小正》成书的确切年代，学界还有争议，但可以肯定不是夏人所写。《夏小正》包含着夏代已经积累起来的天象和物候等方面的科学知识。

《夏小正》由“经”和“传”两部分组成，全文有463字，逐月记载物候变化，其内容涉及天象、气象、植物和动物变化、农事等方面。天象的内容为每个月的昏旦星象变化。气象包括各个时节的风、降雨、气温等；植物的内容涉及到常见的草本和木本植物；动物的内容涉及到昆虫、鱼类、鸟类和哺乳类动物；农事活动包括各个季节从事的各种农业生产活动，特别是农业生产方面，如谷物、纤维植物、园艺作物的种植等。畜牧、蚕桑、采集、渔猎均首次见于记载。

《夏小正》文句简奥不下甲骨文，大多数都是二字、三字或四字为一完整句子。其指时标志以动植物变化为主，星象则是肉眼容易看到的亮星，四季和节气的概念还没有出现。而且，《夏小正》所记载的生产事项无一字提到“百工之事”，这反映当时社会分工还不发达。所有这些都体现了《夏小正》历法的原始和时代的古老。

《夏小正》中的历法就是我们现在仍在使用的农历（阴历）。阴历就是在夏历的基础上发展而来的。孔子告诉颜回，国家政治要干得好，就必须“行夏之时”，这里的“夏之时”就是阴历；中国人几千年来一直过的阴历年也是“夏之时”；过正月拜年也是夏朝的遗风。

众所周知，人类根据太阳、月亮及地球运转的周期，制定年、月、日等顺应大自然时序及四季寒暑的法则，称之为历法。所谓阴历，就是以月亮的运动规律为依据而设制的历法。阴历一个月29日或30日。每19年须置7闰月。每月以合朔之日为首，每年以接近立春之朔日为首。

下面谈谈有关《夏小正》阴历与天文历法创立的关系。我们知道，历法是我国古代天文学的主要部分，它的历史非常久远。《周髀算经》记载：“伏羲作历度。”历度即是历法。史载，伏羲创上元太初历，即八卦八月太阳历。紧接着神农继承伏羲上元太初历，创连山大火历。然后黄帝使羲和、常羲占日月，作归藏太阴历。颛顼承伏羲作十月颛顼历。最后夏禹承颛顼作《夏小正》十月太阳历。我们知道夏禹之前的人物都是远古传说中的氏族首领，他们只是劳动人民的代表。我国远古时期的人类，有了农业就开始关注天文时令，他们开始逐渐积累星象和季节变化的经验。到了夏朝，中国进入奴隶社会。社会经济快速发展，国家重视兴修水利，发展农业。农业与物候时令关系愈加密切，加上人们早期积累的相关知识的不断丰富和综合，《夏小正》就很自然地诞生了。作为我国现存最早的历法书，《夏小正》不仅在夏时使用，而且留存于典籍之中。因此，《夏小正》算得上是有稽可查的最早的历法。它开创了我国农事历（或物候历）的体例，对后来的月令和农家历起了启示性作用，对后世影响非常之大。

诸子的宇宙观、自然观

上天是运动着的吗？

大地是静止的吗？

日月为什么不断地轮回？

是谁在推动着宇宙的运行？

是谁在维系着宇宙的秩序？

是谁在无意间推动了宇宙的运转？

宇宙的运转是不能自己停下来的吗？

是否有一种机关在推动宇宙，使它无法停止？

在2000多年前，春秋战国时期的庄子面对着无穷无尽、玄奥深邃的宇宙，经过哲理性思考后，发出深刻的追问。它历经千载，仍然以其深远的气魄，扣击着每个宇宙探秘者的心扉。

那是一个思想繁荣的年代，那是一个学术自由的年代，那是一个人才辈出的年代。春秋战国，是我国历史上少有的几个繁荣期。随着分封制度的土崩瓦解，庶族地位有所上升。私学的兴起，造就了一大批士人。思想的开放，学术的自由，就形成了“百家争鸣”的盛况。这一时期也顺理成章地成为了我国科学技术体系奠基的年代。

春秋战国时期的诸子百家，虽然在治国方略、哲学思想以及社会伦理等方面主张各不相同，但是在利用科学论证自家学说的正确合理性上却是一致的。他们不拘形式，不一而足，阐述了他们对于自然界——从宇宙、天地、万物乃至人本身的思考，都是科学合理的，颇具前瞻性和深刻性，加深了人们对周围世界的了解，促进了自然科学的发展。

诸子百家在这场论争中批判和摒弃（或是避而不谈）了早期的天命观和有神论，更加关注于自然界的客观存在及其发展变化的内在规律性问题，保证了科学的健康发展。在先秦诸子里面，荀况对天命观批判最具代表性。在《荀子·天论》中，他提出了自然界没有意志且按一定规律运动的思想，肯定了“天行有常，不为尧存，不为桀亡”，即自然法则是不以人们的意志为转移的客观规律。从这些观念出发，荀况进一步提出了“制天命而用之”的人定胜天思想。这种坚决反对鬼神迷信、坚持朴素唯物主义的思想，有力推动了科学的长足发展。

当时，诸子百家就以下几个重要的自然科学方面的问题展开了讨论：

一、宇宙的无限性。尸佼（约前4世纪）曾给宇宙下了一个定义：“四方上下曰宇，往古来今曰宙。”即“宇”就是指东西南北上下各个方向延伸的空间；“宙”就是指过去、现在和将来的时间。关于宇宙空间无限性的问题，《庄子·天下》篇记载惠施说：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一。”惠施认为，宇宙之大是没有边际的，就是无限大，谓之“大一”；宇宙之小，向内也是没有边缘的，就是无限小，谓之“小一”。而且他还指出万物都是由“小一”组成，之间差异只是量不同而已，即“万物毕同毕异”。另外需要一提的是墨家提出物体分割到不能再分的时候，叫“端”，与古希腊德谟克利特提出的原子说有些相像。

二、宇宙的本原与演化。老子在《道德经》中认为宇宙万物的本原是无，从无中生有，然后才生出天下万物。他指出，这种“先天地生”的东西叫“道”，是一种绝对精神的东西。道生天地，天地分别生阳、阴，阴阳交合生万物。庄周继承并发展了老子的观点，指出“太初有无，无有无名，一之所起，有一而未形，物得以生，谓之德。”他也认为本原是无，只是在演化过程从无到气出现间，加进无形和无气两种形态。当然，也有不同的看法。《管子·内业》中就记载着另外一种主张，认为精神和物质世界的本原是精气，把道作为生成万物的原质。荀况则认为气是万物之本。综上可知，春秋战国时期，宇宙本原的论争，主要是老庄学派认为万物生于无和著作《管子》的齐国学者主张万物生于有的论争；两者都有一定的道理和影响。

三、天与地的关系。春秋晚期，邓析认为天地不存在截然的尊卑差异。惠施进一步认为天是可以“与地卑”的。春秋战国时期，人们对天圆地方产生了怀疑，其中慎到明确提出了天浑圆说。

诸子百家关于自然观、宇宙观的看法、主张虽各有异同，但是在争鸣中，他们相互取长补短，将科学问题逐渐引向深入。其哲理性思辨和推测为后来的科学进步提供了思想养分。

墨子的科学研究

墨子，姓墨名翟，春秋战国时期鲁国（今山东西南部）人。墨子是一位杰出的思想家、哲学家、社会活动家，同时也是一位杰出的科学家和发明家。

墨子可能出生于一个以木工为谋生手段的手工业家庭里，从小耳濡目染，加之聪明巧思，他很快就成为一名技艺高超的木工匠师和机械制造家。墨子非常好学，一方面不断汲取前人各方面的知识，另一方面通过亲身实践不断创新。这样，他很快就成长为一代学术大师。

墨子一生的活动主要是两个方面：一是广收弟子，宣扬自己的学说；一是不遗余力地反对兼并战争。由于墨子的教学方法灵活独特，深受弟子欢迎，从者很多，使墨家成为当时与儒家并称的显学。墨子的政治主张是舍己利人，建立一个平等、安定、人人安居乐业的“尚同”社会。史载墨子与公输般斗法来止楚攻宋一事足见他为实践自己理想所做的努力。

《墨经》是先秦诸子百家著作里最具科学价值的一部。它原来是《墨子》一书中的4篇，即《经上》、《经下》、《经说上》、《经说下》。

在清以前，人们都认为《墨经》是墨子所著。后来孙诒让、胡适等提出“别墨”或“后期墨家”之作的言论。其怀疑精神可嘉，但是考证分析实难成立。因此，综论各方，一般认为《经上》、《经下》二篇应是墨子自著，《经说上》、《经说下》二篇亦可能是墨子自著，即便不是，亦为墨子弟子记录师说而成。《墨经》的内容，集中反映了墨子的科学成就。

墨子的科学技术和贡献是多方面的，涉及到数学领域里的几何学和算学，物理学领域的声学、力学和几何光学以及机械制造等。

首先，在数学领域方面。墨子给出了一系列算学和几何学概念的命题和定义，计有10余条之多，都载于《墨经》之中。他具体给出了“倍”、“平”、“同长”、“中”、“直线”、“正方形”等定义，其中关于“圆”的定义：“圆，一中同长也”，“圆。规写交也”。也就是说：与中心同长的线构成圆，如用圆规绕中心一周即画成圆。这与欧氏几何中圆的定义完全相同。几何学里的点、线、面、体被墨子称作“端”、“尺”、“区”、“体”。其中“端”是不占有空间的，是物体不可再分的最小单位。墨子所给的定义都是具体而准确的。虽然墨子的数学理论尚未形成一个完整的体系，但是数学概念定义的严密性和抽象性，集中反映了墨子的理性思维深度，开拓了理论数学的发展之路。仔细比较墨子的概念与欧氏几何，我们不难发现，其命题和定义基本一致，且比欧几里德要早100多年。

其次，在物理学领域。墨子在声学、力学和几何光学方面都有重要贡献。在声学方面，墨子对声音共振现象展开研究，发现井或罂具备放大声音的作用，并加以利用，将之作为监听敌人动向、预防攻城的工具。在力学方面，墨子给出了一些重要的定理和概念。例如他给出了力的定义：“力，形之所以奋也。”（力是使物体运动的原因），尽管是错误的，但在当时的条件下还是先进的。他也说明了反作用力和阻力的存在。墨子还对杠杆原理作了精辟表述，比阿基米德要早200年。在光学方面，墨子的成就最为杰出。他是世界上第一位对几何光学进行系统研究的科学家，他研究的广度和深度也是同时代的其他科学家所不及的。其记述集中于《墨经下》和《墨经说下》，各有8条，内容涉及到了几何光学的各个方面。通过对小孔成像的实验，对平面镜、凹面镜、凸面镜成像的研究，他得出的几何光学的一系列基本原理，都堪称经典。

在春秋战国时期，就科学技术成就来说，以墨子和墨家成就为最；就其广度和深度来说，与同时代的古希腊任何一个学派和任何一位科学家相比，墨家和墨子都有过之而无不及。可以这样说，在对于自然界的理性认识方面，墨子登上了当时科学的最高峰。

虞喜、何承天发现岁差

东晋时期，虞喜发现岁差现象，并提出赤道岁差概念，这是我国天文学史上一件极其重要的事情。

大家知道，地球是一个非匀质的圆球，赤道周围有多余物质的环，由于日、月、行星的引力影响，造成了地球的自转轴绕黄道缓慢移动，相应的春分点也沿黄道以每年50″24的速度向西移动，约60～70年西移1°。春分点的移动分量，就被称为“岁差”。

限于当时的科技条件，虞喜并不知道个中的道理。他只是从古代冬至点位置的实测数据中，发现冬至点逐年西移。他分析得出，冬至一周岁要比太阳一周天差一小段，虞喜将它命名为“岁差”。虞喜提出“岁差”概念之后，又由《尚书·尧典》中记录的“日短星昴，以正仲冬”，知道尧帝的时候测得昴星在冬至日黄昏正好位于南中天。而此时昴星在冬至日黄昏处于南中天之西若干度，用这个度数除以尧帝距今的年代，就得到每50年退1°的结论。

南朝宋天文学家何承天肯定和拥护岁差说，他结合自己的观测数据，运用与虞喜类似的思路，得出了赤道岁差每100年差1°的新观测值。何承天测得的值略优于虞喜的观测值，相对比较准确。

岁差的发现和肯定，反映了我国的天文历法在三国两晋南北朝时期的不断进步和发展。在这一时期，一系列的天文历法上的成就和突破，都来源于古代天文工作者长年累月不懈的观测和记录。

在三国时期，曹魏立国之初，韩翊便献上黄初历。黄初历采用的朔望月长度为29.53059日，误差为0～4秒，差不多达到了历史上的最高水平。

东晋时期，与东晋对峙的北方16国中后秦和北凉政权也有新历法颁行。姜岌于公元384年制成三纪甲子元历，在后秦颁用。赵厞于公元412年制成元始历，在北凉使用。其中姜岌所提出的月食冲法，成为冬至点位置测定的经典方法，为历代名家广泛采用。赵厞则打破了已采用约800年的19年7闰的旧闰法，提出了600年间置入221个闰月的新闰法，开辟了提高回归年长度值准确度探索的新方向。

到了南北朝时期，天文历法取得长足的发展。在南方，公元443年何承天制成元嘉历，公元463年祖冲之制成大明历。北方历法前期并无起色，直到北齐张子信等出现，才后来居上。

其中元嘉历所取五星会合周期值的平均误差为69分钟，比前代历法有明显提高；大明历所取五星会合周期的平均误差为43分钟，较元嘉历又有较大进步。大明历是这一时期成就最大的一部历法。大明历首次把岁差引入历法之中，是一个重大的成就。另外祖冲之还发明了由晷影观测计算冬至时刻的新方法，成为冬至时刻的经典算法。

北方以北齐张子信在历法上的贡献最为突出。他在一个海岛之上，坚持30余年认真观测和研究，终于在公元570年取得三项重大的天文发现，即：太阳、五星运动的不均匀性和月亮视差对日食的影响。

在太阳运动不均匀性上，张子信指出：“日行在春分后则迟，秋分后则速。”即太阳在春分到秋分间每日运动的速度小于1°，而在秋分到春分间每日运动速度大于1°。对于五星运动的不均匀性，他指出：五星晨见东方的时间超前或滞后，其多少与二十四节气有密切而稳定的关联。张子信观察发现：当合朔发生在黄白交点附近的食限以内的时候，如果月亮位于黄道之北，则必定发生日食现象；如果月亮位于黄道以南，就可能没有日食现象的发生。

综上可知，天文历法在三国两晋南北朝时期，取得了一系列的成就，这些科技的进步为后来天文历法的进一步发展铺平了道路。

浑仪、浑象、《大衍历》

浑仪是我国古代的一种天文观测仪器，用来测定天体位置的坐标。在古代，“浑”字含有圆球的意思。因为古人认为天是圆的，形状像蛋壳，所以把观测天体位置的仪器就叫做“浑仪”。

为了观测日月星辰的变化，制订天文历法，我国大约在战国时代就制造出了浑仪。作为一种天文学家测定天体方位必需的仪器，浑仪自汉代以来历朝都有制造和改进。

最初，浑仪的结构非常简单，由三个圆环和一根金属轴组成：最外面的那个圆环固定在正南北方向上，叫做“子午环”；中间固定着的圆环平行于地球赤道面，叫做“赤道环”；最里面的圆环可以绕金属轴旋转，叫做“赤经环”；在赤经环面上安装一根望筒，可以绕着赤经环中心转动。观测时用望筒对准某一天体，然后，根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该天体的位置。

后来，人们为了便于观测太阳、行星和月球等天体，不断改进浑仪的结构和性能。方法是在浑仪内再添置几个圆环，也就是“环内再套环”，通过改进，使浑仪成为用途更多、更为精确的天文观测仪器。

在对浑仪进行重大技术改进的过程中，东汉科学家张衡和唐朝天文学家李淳风贡献巨大。改进后的浑仪由三重圆环构成：最外面一重圆环叫做六合仪，包括地平圈、子午圈和赤道圈三个圈，表示东西、南北、上下六个方向；中间的一重叫做三辰仪，包括黄道环、白道环和赤道环三个相交的圆环，分别表示日、月、星辰的位置；最里面的一重叫做四游仪，由四游环和窥管组成。三辰仪可以绕着极轴在六合仪里旋转，四游仪又可以在三辰仪里旋转。改进后的浑仪已经很完善，是当时世界上最先进的天文仪器之一。但是浑仪也有个缺陷，就是它的环圈重复，相互交错，遮掩了大片天区，缩小了观测范围。后来，元代杰出的天文学家郭守敬创造了简仪，即将浑仪拆分为赤道装置和地平装置两个独立的装置，弥补了这一不足。

浑象，又称天体仪，是我国古代一种用于演示天象的仪器。用它可以直观形象地了解日月星辰的相互位置和运动规律。

最早的浑象是西汉耿寿昌制造的，而有明确记载的浑象当属东汉张衡制造的水运浑象。张衡还在水运浑象上安装了一套传动装置，利用相当稳定的漏刻的水推动铜球均匀地绕金属轴转动。

浑象的主要组成部分是一个空心大铜球。球面上刻有纵横交错的网格，用于度量天体的位置；球面上凸出的小圆点代表天上的亮星，严格地按照亮星之间的相互位置标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动，转动一周代表一个昼夜。球面与金属轴相交于两点，即南天极和北天极。两个极点的指尖，固定在一个南北正立着的大圆环上。大圆环垂直地嵌入水平大圈的两个缺口内，下面四根雕有龙头的立柱支撑着水平大圈，托着整个天体仪。

浑仪和浑象这两种天文仪器的制造和改进，标志着天文历法的不断进步。天文仪器是历法改进的技术条件。为了制订《大衍历》，实测到精确数据，一行和梁令瓒在经过历代改进的浑仪和浑象的基础上，进行了更进一步的创新，合制出了黄道游仪和水运浑天仪等大型天文观测仪。

公元721年，唐玄宗下令改历。一行耗费了6年，编订成《大衍历》初稿。经大臣张说与历官陈玄景整理，于公元728年颁行。依据天文台的实测校验，在10次测验中，《大衍历》有七八次准确，《麟德历》有三四次准确，而《九执历》只有一两次准确。《大衍历》比唐代已有的其他历法都更为精确。

《大衍历》最突出的贡献是比较正确地掌握了太阳在黄道上视运行速度变化的规律。按不等的时间间隔安排二十四节气，创造了不等间距的二次内插法。《大衍历》把我国历法归纳成七部分：第一，计算节气和朔望的平均时间（步中朔术）；第二，计算七十二候（步发敛术）；第三，日食和月食的计算（步交会术）；第四，计算太阳的运行（步日躔术）；第五，计算月亮的运行（步月离术）；第六，计算五大行星的运行（步五星术）；第七，计算时刻（步轨漏术）。

一行测量子午线

唐代高僧一行（公元683～727年），俗名张遂，魏州昌乐（今河南南乐）人，是唐代著名的佛学家和数学家，也是我国古代最杰出的天文学家之一。

一行的曾祖父张公谨是唐太宗李世民的开国功臣，他的父亲张檀曾做过县令，但是张氏家族在武则天时期已经衰微。一行出生在唐高宗永淳二年。

一行自幼聪颖过人，读书过目不忘；稍长，博读经史书籍，对于历象和阴阳五行尤其感兴趣。那时的京城长安玄都观藏书丰富，观中的主持道长尹崇，是远近闻名的玄学大师。一行前往拜谒，尹崇对于他的虚心求学极为嘉许，耐心的给予指导。

有一次尹崇借给一行一部汉代扬雄所作的玄学名著《太玄经》。可是没过几天，一行就把这部书还给了尹崇。尹崇很不高兴，严肃地对他说：“这本书道理深奥，我虽已读了几遍，论时间也有几年了，可还是没有完全弄通弄懂，年轻人，你还是拿回去再仔细读读吧！”一行十分郑重地回答说：“这本书我的确已经读完了。”然后，取出自己读此书的心得体会《大衍玄图》和《义诀》等交给尹崇，尹崇看后赞叹不已，称赞他是博学多识的“神童”。从此一行就以学识渊博闻名于长安。

武则天执政时，梁王武三思图谋不轨，四处网罗人才。一行为逃避武三思的拉拢，跑到蒿山，拜高僧普寂为师，剃度出家，改名敬贤，法号一行。普寂为了造就他，让他四处游学。从此，他走遍了大江南北的名山古寺，到处访求名师，一边研究佛学经义，一边学习天文历法、阴阳五行以及地理和数学等。唐代郑处诲的《明皇杂录》中记载了一则故事，说一行不辞千里，访师求学，受到在天台山国清寺驻锡的一位精通数学的无名高僧的指导。为他以后编制《大衍历》打下了良好的数学基础。

唐玄宗李隆基即位后，多次征召一行，他均以身体欠佳为由婉辞。公元717年，唐玄宗特地派他族叔张洽去接，他才回到长安。一行一到京城就被召见，唐玄宗问他特长，他说只是记忆力好些。唐玄宗当即让太监取宫人名册。一行看过一遍，就将宫里所有人的姓名、年龄、职务依次背出，唐玄宗大为叹服，恭称“圣人”，并让他做了自己的顾问。在长安期间，一行住在华严寺，有机会和许多精通天文和历法的印度僧侣交往，获得了许多印度天文学方面的知识。他与印度高僧一起研讨密宗佛法，翻译了很多佛教经典。

为了观测天象，一行在机械制造家梁令瓒的援助之下，创制出了黄道游仪和水运浑象等天文仪器。通过实际的观测，一行重新测定了150多颗恒星的位置，发现与古代典籍所载的位置有若干改变，现代天文学称之为“恒星本动”。

公元724～725年，一行主持了规模宏大的天文大地测量，测得了子午线1。的长，这是世界上首次实测子午线。

从公元725年起，一行历经两年时间编制成了《大衍历》（初稿）20卷，纠正了过去历法中把全年平均分为二十四节气的错误，是我国历法的一次重大改革。

开元十五年（公元727年）十一月二十五日，一行陪同唐玄宗前往新丰（今陕西临潼东北新丰镇）时病倒，当晚即与世长辞，时年44岁。玄宗敕令将他的遗体运回长安安葬，并为他建筑了一座纪念塔。

实测子午线时，一行基本上按照隋朝刘焯的设计方案，派太史监南宫说在黄河南北选定四个地点（今河南的滑县、开封、扶沟、上蔡）进行实地测量，推翻了过去一直沿用的“日影千里差一寸”的谬论。一行根据测量的结果，经过精确计算，得出了“大率五百二十六里二百七十步而北极差一度半，三百五十一里八十步，而差一度”的结果。就是说，子午线每1。为131.11公里（近代测得子午线1。长110.94公里）。这实际上是世界上第一次实测子午线长度的活动，英国著名的科学家李约瑟一再称：“这是科学史上划时代的创举。”

中国古代的天文观测工具——浑天仪

早在远古的时候，人类就对于包容和孕育生命的天空和大地充满了敬畏和好奇，并以丰富的想象力推测着它们的形状、成因。直到东汉时期，科学家张衡发明了一种观测天文的仪器——浑天仪，人类才第一次比较形象直观地了解天空与大地。从此，天和地的样子在人们的眼中变得真实清晰起来。

公元78年，张衡出生于南阳西鄂（今河南省南阳县石桥镇）的一个名门望族，祖父张堪曾任蜀都太守。张衡自幼聪明伶俐，乖巧好学。17岁时，张衡离家到西汉的故都长安附近游历，考察历史古迹和民风民俗，后来又去了都城洛阳寻师访友并参观了太学。5年后，张衡重返家乡，担任南阳太守鲍德的主簿。鲍德调任之后，而立之年的张衡开始在家中潜心钻研哲学、天文、数学。经过3年的刻苦研读，张衡在天文、历算、阴阳等学科上取得了很大的成绩。

在张衡生活的那个时代，关于天和地的天文现象有2种不同的说法。一种说法认为：天圆地方，天覆盖着地。天上阴阳两气互相转换就形成日出、日落。但这种说法难以自圆其说之处是：天如果是圆的，那它又怎么能将四四方方的地覆盖严实呢？

后来，支持盖天说的人们为了能自圆其说，将过去的论调做了修改，说天是圆的，地也是圆的，天和地就像是2个倒扣在一起的盆子。此外，这种新盖天说还认为天和地都是中间高四周低，它们之间的高度永远都是一样的。可这么一说，这种观点还存在着许多解释不清的地方。

另一种说法则认为：天是呈圆球状的，地在天的中央，四周充满了水，地就浮在其间；天则包在地的最外面，就像蛋壳和蛋黄那样。天无时无刻不在运动，既没有起点，也没有终点，混混沌沌无法分清，所以称作“浑天”。在当时看来，浑天说似乎比盖天说的观点更令人信服，虽然也有诸如“大地若浮在水上，那么太阳、月亮、星星的起落为什么没有从水中穿过”这样的存疑，但总的说来这种观点比前面的观点先进了许多，所以这种说法成为中国汉代以后古代天文学的主要指导理论。

在浑天说的研究、传播过程中，张衡起了举足轻重的作用。

公元111年，张衡被汉安帝任命为郎中和尚书侍郎。4年之后，又被任命为太史令。在此期间，张衡致力于研究天体运行规律，并根据浑天说的理论以及太阳、星星的运动规律，发明了观察天文的仪器——浑天仪。“浑”在古代有圆球的意思，所以浑天仪的外观就是圆球形的，其间由许多同心圆环组成。这个仪器是铜质的，直径为1.3米，中心部位有轴贯穿。球上分别刻着二十八宿、中外星官以及二十四节气、南北极、黄赤道、恒星圈、视显圈等。铜球可以旋转，其旋转速度是通过漏壶滴水所产生的动力来控制的。铜球的运转情况同天象相一致，因此，人们想要观察天象不再是件难事，只要观看浑天仪就可以将茫茫天地了然心中了。

继浑天仪之后，张衡又研制出了地动仪和候风仪。后人在其漏水转浑天仪的基础上，又设计出了天象表演仪和天文钟。由此可知，浑天仪在天文学研究中的地位是非常重要的。

张衡和地动仪

张衡是中国东汉时期人，博学多才，文采极好。他曾花了10年的工夫，写成了《二京赋》，描写了当时长安城和洛阳城的繁华景象，极尽夸张之能事，T得到了很多人的击节赞赏。

除此之外，张衡在数学、地理、绘画、机械制造、气象学等方面，都有非凡的成就。他是中国古代宇宙结构理论“浑天说”的代表。正确解释了月食成因。并用“近天则迟，远天则速”理论解释五星运动的快慢现象，这是五星运动快慢与太阳距离远近关系的早期论述。还统计出中国中原地区能观测到的2500颗行星，测出日、月视直径约为0°49′。公元132年，他创制了世界第一台测地震仪器——候风地动仪。还制造出指南车和记里鼓车等。著有数学名著《算罔论》。其所作的地形图一直流传到唐代。他发明制造的浑天仪（公元117年），是世界上第一台用水力推动的大型观察星象的天文仪器。

张衡最著名的成就在于地震学方面。东汉时期，中国地震比较频繁。在朝廷主持天象观测工作的张衡为了掌握全国各地的地震动态，坚持不懈地进行研究。在公元132年，他发明了世界上第一架测定地震方向的地动仪。地动仪用铜制成，形状像酒樽，中间竖着一根粗大的柱子，柱子的周围有八根横杆连接外面。仪器上有个凸形的盖子，周围镶有八条龙，龙头分别对着八个方向。龙嘴里各含一个铜球，下面蹲着八只张着嘴的蟾蜍。如果某个方向发生地震，柱子就会倒向那个方向的横杆，接着龙嘴就会吐出铜球，落到蟾蜍嘴里。这样人们就可以预测地震。

公元138年的一天，张衡和朋友们正在家里聚会，地动仪西边的一个铜球突然掉了下来。于是，张衡说一定是西方发生了地震。但当时洛阳城里毫无地震的预兆，连他们喝酒的杯子都没晃一下。大家纷纷怀疑地动仪是否准确。张衡对自己的发明却信心十足，他对人们说：“咱们还是让事实说话吧。”不久，T驿站的人果然来报告，说是千里之外的陇西——地震仪所指示的方向发生了地震。在事实面前，那些怀疑地动仪并不能预测地震的人终于哑口无言了。张衡的地动仪不仅很精确，而且比欧洲的地震仪要早1700多年。