1.1　感受人类认识宇宙的一步步

人类认识宇宙，形状上的“天圆地方”也好、结构上的大象或者乌龟身负大地也罢，这些基本上都是神话（故事），称不上人类真正科学意义上的认识宇宙。我们这里要谈的人类认识宇宙，是“科学”地认识宇宙，需要从人类认识宇宙所建立的各种模型（理论）出发。

1.1.1　感知世界　探测世界　理论世界

人类认识宇宙，认识周围的世界，基本上是通过认识三种不同的、渐进互通的世界来完成的。这就是：感知世界、探测世界和理论世界。

1. 感知世界“控制”了我们

感知世界是我们作为生理学意义上的人，凭借我们的感觉器官所能直接感受到的世界。比如看到、听到、嗅到、尝到、触摸到……以及由它们带来的相关记忆（见图1.1）。我们的思维，大多数时间都沉浸在这个感知世界里。

现实中，我们好像是在这个感知世界里生活，然而实际上，我们每天都会多次触及它的边界，去连通那更深远、更广阔的世界。比如说，朋友打电话来，手机响了，你看到了屏幕提示，接通电话听到了朋友的声音，这些都属于感知世界的一部分。接好电话，如果你是一个爱提问的人，一个充满好奇心的人，你可能就会想：朋友在目力所不及、听力所不及的地方，声音是怎么通过手里的这个“金属塑料盒子”传送过来的呀？这一想，你就已经进入到探测世界了。

探测世界就是我们不能直接意识到它们的存在，但是可以通过间接方法（也就是利用工具）证实其确实存在的部分。比如传播手机信号的电磁波，它们看不见、摸不着、听不到，但是我们可以利用相应的设备去制造、传播和接收它们，确认它们的存在。其实正如我们一直生活在感知世界里一样，我们也一直生活在探测世界里。只不过我们并没有像在意感知世界那样（真实）地在意它。我们的思维都集中在感知世界啦！试想，你在接电话时，头脑所想肯定是朋友说的事情，最多再留意一下他的语气、声调等用来揣测他的情绪，肯定不会去关心朋友说话的声音是怎样传递到你的耳朵里来的之类的问题。

这种对探测世界的不在意，是科学思维和非科学思维之间最大的差别所在。我们之中的大多数人，尽管生活在探测世界之中，但一般还是趋向于将它产生的效果归入感知世界中，这就会产生很多奇怪的想法和错觉。我们盯着电脑屏幕，然后进行各种操作，就好像互联网真的就在我们面前。真的是吗？大多数人想想之后就会说，不是的，互联网是通过各种设备、硬件和软件构成的体系，但是，这些现象确实导致我们产生了“真实”存在的错觉。其实这种错觉是构成“体系”的那些“工具”为我们间接造成的。获知电磁信号的存在，我们依赖的是探测世界，它们让我们的感知世界产生了似乎真实的间接感知。同样的事情也会发生在我们头顶的天空，抬头看看那璀璨的夜空，那些星星似乎就是一颗颗镶嵌在天球上的宝石，它们看上去离我们一样远。不对，这是你的感知世界。借助于望远镜，借助于各种方法、理论我们知道，它们和我们之间的距离差距很大。所以，我们必须真正地进入探测世界，去认识和理解大自然以及宇宙的真实存在。

探测世界具有一种被称为“用户友好（user-friendliness）”的“隐藏”特性。所谓“用户友好”，指的是在不需要理解原理的情况下，利用看不见的非实际存在的物体的能力。“用户友好”为日常生活带来了很多便利。但是，我们要想弄清楚这个世界究竟是什么样子，要想探测我们眼睛看不见、耳朵听不到的世界，就需要跨越“用户友好”这层障碍，然后才能认识到“舒服层面”之外的精彩世界。

当然，放弃轻松感知事物所带来的舒适感，听起来可能会让人觉得不太舒服。但是，人类所具有的好奇心，总是能让我们对那些隐藏的事物，对那些我们无法直接看见的世界趋之若鹜。而且，人类思维最强大的力量之一就存在于探测世界中，比起手机、互联网等为我们带来的便利，也许我们更想知道在它们背后真正在发生着什么——无线电波在空气中是如何传播的？嘴和声带是如何发出声音的？声音是怎样承载着电磁波传播的？耳朵又是怎么能听得到声音的？等等。

想了解手机、互联网的功能和如何使用它们并不难，有使用说明书，有懂互联网操作的人为我们演示。可是，我们周围的世界，那些树木、云朵、台风和火山有说明书吗？对大部分人来说，只存在于头脑中的宇宙能有人模拟演示它的运行吗？那么，我们又怎么得知它们是如何“运转”的呢？知道了它们的运转方式后，我们又如何探知和预言它们今后的发展呢？这些，正是科学、科学家努力的方向。

2. 想象力是人类最可贵的存在

试图去了解、认识、利用并推测我们周围的世界，是人类的本能，是人类发展的必然。这种了解，一部分是由我们感知和探测到的事物组成的——仅仅是一部分而已，剩下的部分就是人类智力的集合，即理论。这个纯智力创造的（理论）世界，就是我们所说的三类世界中的最后一类。理论世界将感知世界和探测世界编织在一起，构成了一个清晰的图像。它能够为我们整体地、系统性地解释事物是如何运作的，以及为什么会发生；更重要的是它可以作为我们科学探索的新起点，去创建新思想和新的知识架构。

因此，科学的进程通过理论、探测和感知形成了一个循环。理论能指导探测和感知，感知会对探测结果提出质疑，探测结果可能对理论提出挑战。这个动态的过程是科学最重要的组成部分，同时也是一般大众最不了解、最容易忽视的部分。人们经常谈论理论，学生们学习的知识大部分也是以理论（定理、定律、原理等）形式出现，观测和探测有时候也会在讨论科学问题时被提及，但是，并没有被重视。真正的动力，也就是真正让科学成为科学的动力，是这三类世界的相互一致，也就是它们之间是如何连通，如何影响，怎样产生升华效应的。而这些正是普通大众所不知道的。由此产生了各种神秘，还有对科学和科学家的盲目崇拜，而忽略掉了科学探索的艰辛和努力的过程。这并不是因为科学家想要让自己的工作保持神秘，而是因为很多方面都是科学研究中最难解释的。或者说，在一般大众和科学家之间有着若干的“鸿沟”，或者是交流障碍。这些对科学家、对一般大众，甚至于对科学本身都造成了一定的损害。

学校、社会，教师、家长和科普工作者都在为越过这些“鸿沟”架设桥梁，在使用各种各样的语言和方式去为一般大众克服所谓交流的障碍。那么，我们为什么要花大气力在这些“鸿沟”上架桥呢？为什么我们（包括科学家）不能简单地舍弃可探测的世界和理论世界，而仅仅生活在一个我们看得见、尝得到、摸得着的真实的、可感知的世界呢？看看两个名人（图1.2）给我们的答案——

科学有很多令人着迷之处。我们只是对想要了解的真相进行了小小的投资，就有大量的猜想作为回报。

——马克·吐温

我是依靠想象力任意创作的艺术家。想象力比知识更重要。知识是有限的，而想象力则可以环绕世界。

——阿尔伯特·爱因斯坦

马克·吐温当然是一位富有敏锐洞察力的幽默大师，他能将“令人不舒服”的想法具体化为讽刺性的语言。他认为科学家应该跟着事实走，而不是杜撰奇异的理论和痴迷于疯狂的推测。爱因斯坦的观点好像与马克·吐温的观点相反。爱因斯坦认为，天马行空的想象力比与真相相关的知识更重要。但是，知识与想象力之间的鸿沟，本身就是一个错觉，它们之间更像是有一条逐级上升、直到天际的阶梯连接着，就看你有没有本领走上去。前面的两位，他们一位是作家，一位是科学家。似乎一位正徘徊在阶梯的低端，而另一位似乎已经在大众所不能及的云端。作家认为，真相是想象的基础；科学家则认为，想象会揭示真相。

我们姑且先“表面化”地理解马克·吐温的评价，这也代表了一大批没有真正经过科学教育、科学实验的社会人群。这些人由于生活和理解的局限，更愿意简单地去进入生活，去理解世界。为什么在科学研究中我们不能仅遵守事实呢？对于这一群人，他们可能会这样提问。

在科学研究中，我们会面对两类事实，一类直接来自于我们的感觉（感知世界），另一类则来自于实验仪器的测量结果（探测世界）。植物学家去数豆荚中豌豆的数目，这个数目就是感知世界的一部分。当微生物学家用显微镜去测量细菌的长度时，这就属于探测世界的一部分。我们抬头看天上的星星，有的亮、有的暗，这是感知世界；用望远镜加上光度仪去测量每颗星的发光强度（数值），这就属于探测世界。如果你只满足于感知世界，那么，对于豆荚里的豌豆就只能停留在去数它们的个数了，至于为什么它们有的大、有的小。有的饱满、有的干瘪，感知（感觉）世界是无法告诉你的。而通过细节的观测（利用显微镜）可以让你看到它们结构的差异（缺陷所在）。这就是探测世界为我们带来的好处。同样的，望远镜、光度仪也会告诉你天上的星星到底为什么有的亮、有的暗。

探测世界为我们带来的（新）东西，让我们激动不已。但是，也会让我们感到茫然和不安，我们怎么知道显微镜显示的究竟是什么东西？我们又怎能确定这些东西和我们的感知世界所感觉的东西是一回事呢？天上的星星我们怎样去判断它们的亮度？它们为什么能发光？望远镜看到的是什么？光度仪接收的又是什么？难道我们不需要一些解释仪器如何工作的理论吗？理论建立起来了，可以验证实验。但是我们还需要不断地改进、进步，不然，我们就会陷进“探测验证了理论的正确性，理论解释了探测的正确性”的循环（论证）怪圈。所以，在我们理顺了感知世界、探测世界、理论世界的联系之后，我们还不能满足，还是要不断地进行新的科学研究，提升我们认识世界的能力。

人类好奇的天性和不断进取的精神，不允许我们只满足于知道事物、世界的表面现象。就像是一个喜欢“小道消息”“流言蜚语”，“爱管闲事”的“迷妹粉丝”一样，科学家是大自然的“粉丝”，他们经过了严格的训练、具有专业的能力和探索世界的方式，去探索未知并得出结论，用这些专业的东西来确保已知的资料得到证实，这就是科学，是一种专业的“爱管闲事”。也可以顺便就把科学家称为“爱管闲事的人”。科学家严谨地运用并检验理论，利用可靠的仪器设备来探测未知世界。有了科学仪器人类就可以有效地进入探测世界。通过合适的硬件和软件，我们不但深入到了双手无法触及的世界，踏进了双脚无法到达的领域，甚至能探测到思维之外的幻想世界。但是，作为一个可靠的连接，我们必须通晓这些仪器的工作原理，知道这些工具是如何进行工作的，更重要的是，清楚它们必须在什么情况下测量结果才是真实可信的。

显微镜和望远镜都是突破了人类先天不足的测量仪器（工具）。那么显微镜究竟是什么？生物学家为什么要用显微镜？望远镜是利用镜头组合来观测遥远物体的仪器，都是什么样的镜头组合在一起？天文学家都是怎样操作望远镜的？阅读一下显微镜和望远镜的说明书，咨询一下生物学家和天文学家，我们就明白：相比于某些哺乳类动物（比如老鹰），人类的眼睛实在是太“低能”了，小于肉眼分辨极限（眼睛的空间分辨能力）的物体，在没有仪器帮助的情况下，我们对它们根本就无从下手（研究），是无能为力的；同样，对于遥远的天体，我们只能通过接收它们发出的电磁辐射来了解、研究它们，眼睛的视野和收集光线的能力都远远不够。我们拿数据说话，我们眼睛的“进光孔”——瞳孔，撑到最大也就是0.8cm，而一台普通的24cm口径的望远镜就是人眼聚光能力的900倍。

接收不到（或不足够）天体发出的辐射，我们就没有任何能够用来研究它们的资料、证据、原始材料，这个很好理解；那么，我们为什么一定要看到那些细小的细胞和微生物呢？我们知道，所有生物都是由细胞构成的，了解细胞的结构和功能，我们就能对生物的组成方式、功能原理有基础性的认识，从而做到“知其然更知其所以然”。所以，显微镜帮助我们认识到了生物体的细节；望远镜为我们接收了更多、更广泛的电磁辐射，使得我们有机会全面可靠地进入探测世界。

电磁辐射从微观角度的解释来说，就是电子在绕原子核外轨道上不同能级之间的跃迁（见图1.3），低能级跃升到高能级需要吸收外界的能量，反之则会放出能量并以电磁辐射的形式输出。能级之间的差值越大，放出（吸收）的能量越多，辐射出的电磁辐射频率越高、波长越短，单个光子的能量越强。

描述和研究电磁辐射一般我们是利用电磁波谱（见图1.4）。振荡频率最高的是γ（伽马）射线，也就是说其单个光子所携带的能量最多。接下来是X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波。

人类只有看到可见光的能力，而大部分天体是可以在多个波段发出电磁辐射的。比如，著名的梅西耶天体“蟹状星云（M1）”，它的辐射几乎涵盖了整个电磁波谱范围。你可能会问，既然我们人类只能看见可见光，那除去可见光之外的电磁辐射，对我们研究天体有什么用呢？这样说吧，如果让你了解一个人，你只知道他的身高、体貌，你能懂得他的性格吗？他做事的习惯又如何？如果你要与他一起工作或者生活，那你是不是对他的了解越多、越全面越好呀！好啦，与天文学家一起工作和生活的，就是那些遥远的天体。就拿我们这本书来说吧，所涉猎的天体——黑洞、中子星、γ射线暴等，在可见光频段是看不到它们的，所以，要利用专门的仪器，要合理有效地让仪器带我们进入它们的探测世界。

明白了（人类）自身的局限性和探测仪器的益处之后，我们就会有了解探测世界（真实性）的需求，因为我们只能间接得知这些事实。在成为理论之前，我们可能想要尽量与事实保持一致。可是，有两个原因妨碍了我们的这个想法。一是，探测器中各种各样的瑕疵（如显微镜载物玻片上的杂质或者望远镜镜片的球差）会导致我们接收到的信息失真。用科学术语来说，探测器所探测到的既有信号又有噪声。为了准确测量，我们首先必须弄清楚产生噪声的原因，然后作相应的修正。这就需要有相应的理论来解释探测器是如何工作的。二是，即便用最好的仪器或探测器，我们也只能测量我们想要理解的那部分信息。仪器的局限性和自然规律之间，我们能弄清楚的非常有限。对于遥远的天体，这种限制尤其明显。例如，目前我们只能确定太阳系中其他行星的存在，但还无法确切地知道它们的表面，甚至内部究竟是什么状态，因为我们没有确实可靠的探测手段。

3. 感知世界　探测世界　理论世界“三位一体”

那么，对于我们无法直接测量的物体，如感知世界和探测世界中未知的部分，我们能做哪些工作呢？我们用理论来填补“漏洞”！为了将感知、探测、理论这三个世界组成一个整体，我们需要一些与完整体系有关的理论。这些理论要尽可能简洁、自洽，这就要求人们在创立理论时要尽量简单，同时还要与我们感知和探测的结果相一致。

简洁性主要是从方便人们理解的角度出发的。创造出富有想象力、看起来既完美又辉煌，还能抓住科学家的心的故事可能很容易（比如，追求完美的希腊人创立的地心说）。人们很难放弃这些简洁、完美的理论（与人们很难舍弃任何美丽的物体是同样的道理）。但是，一个科学的理论中必定含有一些被它的创立者和使用者舍弃的内容（地球是宇宙的中心），必定有些内容会受到质疑，如果质疑成功，这部分内容（地心说）就会被抛弃。如果过于依赖某个理论，人们就会背离科学真正的目的。建立理论解释事实，而且所建立的理论不但要能准确预测未来将发生的事情，还要让科学家建造能按照所期望的方式工作的仪器。也可以说，建立理论时简洁、自洽的要求，让人们的思想中避免了很多不必要的附属物而让理论更接近真实。

从实践的角度来说，科学的理论应该预言我们能测量的一些效果。当对这些效果的测量结果与理论预言一致时，会证实或者至少支持这些科学理论；技术的进步会带来更先进的仪器，更好的测量仪器会使测量结果更精确。因此，对理论的证实或者否定是一个持续不断的过程。如果实验结果和理论预言一致，我们就会对理论更有信心。如果实验结果和理论预言不一致——而且，我们能确信实验的设计和操作都是正确的——那么，就该去寻找一个更好的理论（开普勒对第谷观测数据的信任促使他认定火星的绕日轨道是一个椭圆，而不是一个几何上“完美的”圆，并由此确立了行星运动的三大定律）。所以，探测世界和理论世界之间的分界线是变化的。那些目前无法探测到的物体，比如宇宙中神秘的暗物质，在将来就可能变成可探测到。

无论多么努力，想要独自生活在这个事实的世界，都是徒劳的。因为，我们生活在一个三类世界中。感知世界、探测世界和理论世界都是建立在用我们的思维所认识到的基础之上的。每一门科学都由这三个步骤通向这个世界：从观察到探测，再到理论。每个步骤，往前是理解物质世界重要的组成部分，往后则是组成了我们对世界、对生活的理解部分。

天文学是一门很棘手的学科，也是一门从“三个世界”中的相互合作获益颇多的学科。在很多学科中，人们都能直接对实验对象进行操作，并观察实验对象的反应。我们可以在试管中进行化学反应、解剖青蛙或者测量重物下落所需的时间。但在天文学上，对研究对象进行类似的实验、操作几乎是不可能的，或者会受到极大的限制。天文学研究的对象绝大多数是我们只能进行被动观测的遥远天体。这是实际情况，尽管空间探测已经取得了巨大的成功。2017年，“旅行者1号”已经离开太阳风层，飞到了离太阳208亿千米的太阳系边缘（见图1.5），但这也只是到了我们太阳系家族的“家门口（见图1.6）”，到距离我们最近的恒星，还需要再飞3万～4万年！目前，只完成了这一路程的1/3000。哈勃空间望远镜可以在距离地表604千米的轨道上观测到目前已知的宇宙中最遥远的天体（超过100亿光年）。它的极好的观测效果得益于它运行在大气层之外。也就是说，到目前为止除了我们自己所在的太阳系天体，其他的我们都无法前往。只能依赖于观测。

天文学依靠理论世界去填补我们太少的观测数据所带来的不足。的确，很多天体只能通过间接的方法来研究，它们的存在可以用它们产生的效应来推测得知。这种间接性对于两类天体而言是最准确的：黑洞和暗物质。黑洞，是一类引力极强的天体，连光都无法从黑洞中逃逸出来。这也就是我们无法直接看到黑洞的原因（见图1.7）。暗物质不发光，但可以通过它产生的引力效应来推测它的存在。这种“真实存在但看不见”的性质让黑洞和暗物质充满了神秘感。

也并不是因为黑洞和暗物质都是暗天体，我们才会采用间接的方法进行探测，许多对于我们并不神秘的天体，由于其特殊的存在，也使得我们只能采取间接的方式去进行研究。比如，那个照耀了我们几十亿年，我们已经明白它的核反应进程的太阳。如果，要研究它的内部结构，我们也只能依赖于我们接收到的太阳光。而这些太阳光，也只是来源于太阳表面的光球层，真正制造太阳光的热核反应发生在太阳的核心，而那里有我们无法承受的高温、高压。不仅仅是人类，就是我们制造的探测器，目前也无法到达那里。因此，我们对太阳是如何辐射能量的这样一个最基本的事实的理解，是依赖于我们无法直接看到（测量）的太阳内部区域，我们只能通过理论和观测去得到有关太阳的内部结构以及辐射机制的信息。

所以，就我们人类探索宇宙的进程而言，我们也是一步步地延续着感知世界—探测世界—理论世界这样一个逐次递进的循环。

1.1.2　地球　太阳　行星

宇宙，是我们所在的空间，“宇”字的本义是指“上下四方”。地球是我们的家园；而地球仅是太阳系的第三颗行星；而太阳系又仅仅定居于银河系巨大旋臂的一侧；而银河系，在宇宙所有星系中，也很不起眼……这一切，组成了我们的宇宙：宇宙——是所有天体共同的家园。

宇宙，又是我们所在的时间，“宙”的本意是指“古往今来”。“大爆炸”开创了宇宙；最初的三秒钟形成了最初的元素——氢和氦；太阳仅是恒星家族中的第三代；而我们的家——地球，仅仅形成于宇宙大爆炸之后的100多亿年！更加不起眼。

但是，自从有了人类，人类就在不断地探索。探索生命，探索自然，探索我们的世界，探索神秘的宇宙，从未停歇。

一、认识宇宙从我们的脚下开始

认识地球——我们的家，是从认识它的运动和形状入手的。地球的运动，在丛书的第一册《天与人的对话》中和读者谈论日、月、年的形成时已经涉及了，也就是地球的自转、地月系绕转和地球的公转。这里，我们将和读者一起认识地球的形状。地球的形状还需要认识吗？不是蓝色的圆球吗？不然，怎么会叫地“球”呢！其实，人类认识地球的过程，还真的不是一般人认为和想象的那么简单。

1. 平的？圆的？棋盘、圆盾还是金环圈？

在古代，人类活动的地域非常有限，眼界自然也就十分狭窄。每个地方的人都以为自己居住的地方就是世界的中心，当地的自然环境就是世界的面貌。最早的猜想大都出于每个人直观的感受，也就是我们前面所说的“感知世界”，这样地球的形状也就以种种稀奇古怪的故事和神话传说来表达了，萌芽态科学思维同宗教、神话和艺术幻想建立起一种曲折的联系。

“地平说”是对大地形状的最早猜测。古代中国很早就有“天圆地方”的说法（见图1.8）。

后来，人们感到地平说无法解释眼睛看到的一些自然现象，例如地平线下的地方，怎么会隐没不见呢？等等，于是进而把大地设想为不同程度的拱形：圆形的盾牌、倒扣的盘子、半圆的西瓜等。

考古发现的最早地图（见图1.9），是公元前2800多年古巴比伦人用泥土烧制的，残片上除了巴比伦的疆界，还刻着当时的宇宙模型。倒扣的扁盘形大地被水包围着，半圆的天穹覆盖在水上。

在古希腊人的想象中，大地是由“大洋之河”团团围住的圆地，“汹涌的河水在丰饶的地盾边缘上翻滚”“在海洋的边缘上，张起了圆形的天幕似的天穹”。在古希腊地图上，从地中海通向大西洋的直布罗陀海峡处，总画着希腊神话中的巨人安泰，左手举起的警示牌写着：“到此止步，勿再前进！”当时的人都很相信，船到大西洋就会随同海水一起跌进无底深渊。在公元前1世纪，有个叫做波斯顿尼亚的人，壮着胆特地把船开到西班牙附近的海域，想听听太阳降落入大西洋时是否有嘶嘶声，他想象，那应该就像一只烧红的铁球跌进水里时常有的那种响声。

古罗马时代盛行“地环说”，那是因为罗马帝国的疆土主要是环绕地中海而展开的（见图1.10）。地中海的本义，原是“大地中央的海洋”之意。古罗马人由此认为，大地的四周和中央都是水，陆地的形状就像罗马皇帝腰上系着的那根阔边金环带。

2. “您首先拥抱了我！”

公元前6世纪，古希腊的毕达哥拉斯学派最早提出西方的“地球说”猜测。他们常常结伴登上高山观察日出日没，在曙光和暮色之中，发现进出港的远方航船，船桅和船身不是同时出现或隐没。而且，古希腊人崇尚美学原则，许多学者认为既然地球是宇宙中心，那它的形状一定是宇宙中最完美的立体图形——圆球体。200多年后，大学者亚里士多德从逻辑上更为自洽地论证了“地球说”。他注意到月食时大地投射到月亮上的影子是圆的（见图1.11），由此推测大地是球体。

中国春秋战国时期也已出现“地球说”的萌芽思想。诡辩学派的代表人物惠施，就提出过“南方有穷而无穷”的命题。别人问他大地中央在哪里？回答是：“在北方燕山的北面，南方越南的南面。”显然已有球形大地的想法。而“南辕北辙”的典故，原本是讥笑“地球说”这一天才猜测的（见图1.12）。与其说它具有走错方向的贬义，也可能是某个“高人”在驾着马车绕地球一圈，尝试证明地球是圆的。

在古代就已精确测量出地球实际大小的人，是希腊时代亚历山大里亚城的埃拉托色尼。他推算出地球圆周长39600千米，同现代值仅差400千米，真让现代人惊叹不已！他的方法既简单又巧妙。他发现，在锡恩（今埃及阿斯旺）的夏至那天正午，太阳正临头顶，阳光直射井底。与此同时刻，在它的正北方920千米外的亚历山大港，立地的长棒与太阳照射方向成7.2°角（见图1.13）。他认为太阳很远，光线可以看成是平行的。经简单的几何运算，便得到地球半径和周长等数值。

地球说大大超出常人的想象力，因此长期以来难以流行。直至21世纪的今日，即使在科技最发达的美国，仍然有人不相信地球说（比如，著名的NBA球星，目前效力于篮网队的欧文），很多年前就成立的“地平说笃信者协会”，现在仍有会员100多人。在中世纪的欧洲，因为地球说同圣经教义相悖，更受到教会最激烈的反对和镇压。有个名叫甫拉克丹的神甫气愤地说：“难道真有这样的疯子吗？！他们竟会认为有头朝下脚向上走路的人，花草树木向下生长，而雨水冰雹却向上降落？”（见图1.14）因为主张地球说，13世纪的英国思想家培根先后被囚禁了15年；1327年意大利学者阿斯科里被罗马宗教裁判所活活烧死。例子不胜枚举。但真理是绝不会屈服于强权的。15世纪以来，由于欧洲市场经济发展的迫切需要，以中国发明的指南针西传为契机，开始了地理大发现的时代。“地球说”使航海探险家们相信，由欧洲往西航行可以缩短到达中国、日本和印度的航线，同时，他们的实践最终证实了“地球说”的真实性。

1492年8月初，意大利航海家哥伦布受西班牙国王之命，率船3艘，从巴罗斯港出发，西渡大西洋，为的是到印度去寻找香料和黄金，结果“种豆得瓜”，无意之中来到了美洲新大陆。但他至死还以为自己登陆的地方就是印度东海岸，因此把那里的土著居民称为“印第安人”。由此可见哥伦布对“地球说”观念的执着程度。1519年9月，葡萄牙航海家麦哲伦在西班牙国王资助下，率领5艘大船和265个海员，从西班牙桑路卡尔港出发向西寻找东方的香料群岛。船队历尽艰难险阻，麦哲伦本人也死在途中。1522年9月7日远征队回到西班牙塞维利亚港时，仅剩“维多利亚号”上18名疲惫不堪的海员了。麦哲伦船队首次环球航行成功，最终结束了几千年来关于大地形状的种种争议。西班牙国王奖给凯旋的远航勇士们一个精美的地球仪（见图1.15），上面镌刻着一行意味深长的题词：“您首先拥抱了我！”

3. 西瓜、香瓜还是橘子？

16世纪法兰西国王的御医、地理学家斐纳曾这样评价伟大的地理大发现：我们时代的航海家，给了我们一个新的地球。这是人类认识大地形状的第一次飞跃。但问题又来了：地球是个什么样的球体呢？

恰好，这一期间发生了奇怪的“摆钟事件”和“青鱼悬案”，闹得欧洲沸沸扬扬。

1672年，巴黎科学院派遣天文学家里希尔赴南美洲法属圭亚那首府卡宴（西经52.5°，北纬5°）进行天文观测。他在那里发现，随身携带的一架本很精确的摆钟比在巴黎时每昼夜慢2分28秒，于是调整了摆的长度。想不到回巴黎后，又快了2分28秒。他推测，这种奇怪现象很可能是由于地球并非是一个标准圆球体而产生的。但是那些不敢正视事实的“权威”们，反而攻击里希尔“违背科学”，甚至把他赶出了巴黎科学院。

一波未平一波又起。一艘满载5千吨青鱼的荷兰渔船，经半个多月的航行，从鹿特丹来到非洲赤道附近的一个城市。在货物过磅时，竟发现有19吨青鱼不翼而飞。这条船在航行中从未靠过岸，而且包装和件数都原封不动，显然不是失窃所为。“难道鱼儿游回了大海？”船长百思不得其解。原来，这也是地球开的玩笑。

但是，正当法国人把里希尔视为“科学垃圾”清除之际，有两个人却在“垃圾”中发现了黄金的闪光，那就是英国的牛顿和荷兰著名天文学家惠更斯。他们不谋而合地指出，这一发现证实了他们原先的猜测：地球在自转惯性离心力作用下，应该是两极稍扁、赤道略鼓的椭球体。尤其是牛顿，深知进一步搞清地球形状和大小的重要性。由于牛顿早期采用的地球半径测定值比实际值小了3%，结果引力计算值比实测值大1/6，这成了牛顿万有引力假说搁浅了整整20年后发表的重要原因。1668—1670年，法国天文学家皮卡尔创新大地测量方法，采用带测微器的望远镜和象限仪在巴黎附近精确测定了地球子午线上1°弧长。他还指出，地球并非标准球体。牛顿利用皮卡尔于1671年求得的地球半径数据完成了引力理论的月—地检验，才下决心公开发表万有引力理论。

牛顿指出，如果地球不是旋转体，单纯的吸引力会使它成为正球形，但是地球是个旋转体，每一质点都同时处于向心力和离心力的合力作用下。南极和北极的向心力最大；反之，赤道处离心力最大。这样，两极处就受到压缩而赤道处得以扩张，于是地球形状就成了扁球体。同时，他在望远镜观测中发现木星和土星都是扁球状（见图1.16），他认为地球也不会例外。

牛顿扁球说在法国掀起了轩然大波。巴黎科学院有批人原本坚决反对牛顿引力理论，现在又激烈攻击他主张的扁球说。1683—1716年间，巴黎天文台台长卡西尼父子在法国南部佩皮尼昂和北部敦刻尔克作了两次很粗糙的地球子午线测量，就断言“地球顺着旋转轴伸长”。他说：“地球形状并不像橘子，倒很像香瓜。（见图1.17）”

这场“英国橘子”和“法国香瓜”的激烈论战从17世纪开始，差不多延续了半个多世纪。为裁决争端，法国国王路易十五授权巴黎科学院派出两支远征队，分赴赤道和北极地区，以便在相距甚远的两个地点测量和比较地球子午线上1°的弧长。

1735年，由布棘格和拉康达明率领的一队远涉重洋，到达南美的秘鲁和厄瓜多尔的安第斯山地区（南纬1°31′）。第二年，由著名数学家莫泊丢和克莱罗率队赴芬兰与瑞典北部的拉普兰平原（北纬66°20′），2年后测得当地子午线1°之长为57422“督亚士”（Toise，法国古尺；约合111918米）。往南的远征队由于碰上当地内战等种种阻挠，历尽10年艰辛，最后测得当地子午线1°之长为56748“督亚士”（约合110604米）。比较两地观测数据后表明，牛顿的推测是正确的。莫泊丢本来怀疑牛顿的见解，现在也完全信服了。于是“橘子派”大获全胜。大哲学家伏尔泰当时评论说，这两个远征队用最雄辩的事实，终于把（地球）两极和（两个）卡西尼都一起压下去了。

4. 梨子和橘子到底哪个更“甜”

牛顿从地球内部物质均匀分布的假设来简化处理地球形状，得到的是理想化的标准模型。真实的地球形状是怎样的呢？

1743年，“橘子派”的克莱罗发表经典著作《地球外形的理论》，他假设：地球内部物质因分层而不均匀，其密度由地表向中心逐渐增大。虽然他计算得到的地球在海平面的形状同牛顿扁球模型基本相同，仅差200多英尺（约60.95米），却开创了地球形状认识史的数学研究新阶段。1828年，德国大数学家高斯在总结哥廷根和阿里顿两个天文台的纬度差测定时，又开始怀疑扁球体不能表示地球真实形状。但是（由于观测技术的原因）这在当时仍是难以解答的科学问题。

20世纪以前对地球形状和大小的研究，主要是绘制地图和航海的迫切需要推动的，对牛顿扁球体标准模型的误差尚能容忍。但是，大致从20世纪开始，更精确测定地球形状，对于诸多领域如地球内部物质结构研究、引力场研究，特别是对空间技术和军事上远程导弹轨道的研究越来越重要，亟待进一步完善和发展。

20世纪初，开始了大规模海洋重力测定的研究。而在此以前，地球形状学研究主要采用传统的天文—大地测量、陆地重力加速度测量和月球—地球动力学测量。1901年，德国的赫尔默特首创海上重力测定。荷兰的梅内斯1923—1934年间率领远征队乘潜艇在各大洋游弋，测定了近千个点的重力值，奠定了现代海洋重力学基础。

1957年人造地球卫星上天以后，认识地球的手段发生了全新变化。借助遥感卫星和全球卫星定位系统，开创了精确观测地球的新时代。勘测发现世界大洋表面确非球面形状，隆起和凹陷的落差近200米，几乎是尼亚加拉大瀑布的4倍。目前探明至少存在3块较大隆起的区域：澳大利亚东北的太平洋水面，隆起区高76米；北大西洋的南伊斯兰附近隆起68米；非洲大陆东南洋面高出48米。有趣的是，相对应的洋面凹陷区域也有3块，它们是：印度半岛以南洋面，凹陷深达112米；加勒比海地区陷进约64米；加利福尼亚以西洋面下降56米（见图1.18）。而且，这些地区的面积直径都在3000～5000千米。

1975年9月，第18届国际大地测量学和地球物理学联合会通过决议，向国际社会郑重推荐大地测量常数元素值。其中有：地球赤道半径（6378140±5）米；极半径（6356755±5）米；扁平率的倒数（298275±1.5）×10^-3。

从人造地球卫星资料中发现，地球赤道横截面也不是正圆，而是卵圆形，它的长半径和短半径相差427米，在西经15°处最宽。科学界据此认定：地球是经线圈和赤道圈都为椭圆面的三轴椭球体。

20世纪80年代以来，又发现“椭球说”并不尽然。分析人造地球卫星轨道数据后发现，南北半球实际上是不对称的，相对而言，北半球尖且小，南半球底部凹而大。与标准椭球体表面形状相比，南极大陆水准面比基准面凹进24～30米；而北极大地又高出基准面14～19米。其他部位也有这种差异。从赤道到南纬60°之间是隆出，而从赤道到北纬45°之间是凹进。也就是说，整个地球形状像一只正放的大鸭梨。

5. 地球是只变化的梨子，大小形状都在变

“梨子模型”的建立没有终结人类的认识，这不仅因为模型只是对原型的近似，更由于地球本身是永恒变化的。现在观测到的总趋势是：南半球膨胀，北半球收缩。近年来，上海天文台等单位发现，北半球的纬度圈每年缩小不到1厘米，南半球纬度圈每年扩大1厘米多。1厘米长短的变化很小，但天长地久的累积，也就不可小觑了。

以信息高速公路网和国家数据基础设施为依托，1998年2月在美国出现了“数字地球”（见图1.19）的概念。1999年11月29日至12月2日，来自25个国家和地区的400多名中外科学家在北京召开了首次数字地球国际会议。数字地球是对真实地球及其相关现象统一性的数字化表示，其核心思想：一是用数字化手段重现海量地球数据的、多分辨率的、三维的和动态的地球；二是最大限度地利用地球信息资源。

目前，人类已积累了有关地球表面的大量原始数据和相应资料，包括难以计数的各类数字化地理基础图、专题图和地籍图等，已有足够的条件和能力构建“数字地球”。在不远的将来，任何人都可以坐在电脑前轻轻点击鼠标（或不再用鼠标），通过一定程序身临其境似地看到（或“触摸”）地球上任何一个地方的三维图像，查阅详细的数据。

三维测绘数据将用于军事和民用。在非军事领域，可以用来观测地震断层，对潜在的熔岩流、山崩和水灾进行模拟，规划桥梁、大坝和管道的建设，改进航线规划、导航以及移动电话通信塔的布局等，甚至还可以帮助那些徒步背包的旅行者。

但是，数字地球的构建并不意味着人类将一劳永逸地终结对地球的认识，而是要不断跟踪和记录地球变化的动态。目前科学家们认为，引起地球形状变化的主要因素有很多。第一，每年沉降于地表的宇宙尘埃在1万～10万吨。英国天体物理学家埃吉德估计，地球半径从地质时期开始以每年0.5毫米的速率递增，而地表的水面积正在减少。第二，已知地球自转速度有3种变化：长期减慢、不规则变化和周期变化。地球自转速度每10万年大约减慢2秒，长期减慢使扁率趋于变小。第三，地球内部熔融态物质的不断运移，是其形貌改观的内在动因。现代板块构造学说认为，地球内部地幔物质对流会导致岩石圈大规模水平移动，产生大陆漂移和海洋扩展。第四，太阳和月球的引潮力作用不仅造成江湖河海涨落的潮汐，还会引起“固体潮”，使地表出现几十厘米的上下波动。第五，人类修理地球、改造自然的种种实践活动，也给地球形状变化打上了“人化”的印记。美国著名科普作家阿西莫夫说：从宇宙空间观看地球时，它不像个梨，也不像个鸡蛋，而像一个很圆的球。最好还是把它说成是一个不规则的球体。

我们脚下的地球，它的实际形状不规则的原因、变化趋势和影响因素，仍然是有待人类深入探索的自然之谜。

二、人类一切的源泉——太阳

太阳就是日（见图1.20），古代有个叫后羿的人能把它射下来。

它其实是个由氢和氦组成的星球；它是很热的，表面6000多摄氏度吧，内核温度更高；它每隔11年就会爆发太阳黑子，还有日珥之类的，它会吹太阳风，还会不定期地爆发耀斑；另外，它还能活50亿年左右。

1. 神话太阳

中国传统神话中的太阳神有六位，他们分别是：羲和、炎帝神农氏、日主、东皇太一、东君、太阳星君。除此之外，太阳还有众多的别称：白驹、金虎、赤乌、阳乌、金乌、金轮、赤日、素日、火轮等。

原始人类关注最多的两大主题就是生与死。生是一种永恒的渴望；而关注死，是希望再生。因此古代先民们对具有长生不死以及死而复生能力的万物非常崇拜。太阳每天清晨从东方升起（重生），给自然以光明和温暖，傍晚从西边落下（死亡），给自然以黑暗与死寂，具有死而复生的能力，给万物以生机；同时先民的农耕生产，特别是稻作生产对阳光的需求和依赖，希望太阳多给人们一些光和热，让人们有吃有穿、身体健康。先民们就自然而然地对“生生之谓易”的太阳产生了敬畏的心理，而萌发了崇拜太阳的思想。古人崇拜太阳，必然要仔细观察太阳，研究太阳的运动。而阴阳二字就是对太阳运动（生与死）的形象白描。白天，太阳升起（生），光芒四射属阳字表述的意蕴，自然界呈现一派生机与活力。黑夜，太阳落山（死），光芒被遮属阴字表述的意蕴，自然界呈现一派死寂与萧条。于是自然而然地就形成了自然界万事万物就是在太阳的生与死即阳与阴的变化中而变化着的，自然而然地太阳就上升到宇宙主宰之神的地位。

和中国一样，几乎世界上的各个民族都将太阳尊崇为神。闻名于世的埃及吉萨金字塔，每当春分这一天，它们的一个底边刚好指向太阳升起的地方。太阳享受的尊敬不仅来自古埃及人，太阳神阿波罗的大名直到今天还被用到宇宙飞行器的命名上。

希腊神话里赫利乌斯，是驾着太阳车的太阳神，他是太阳的化身和拟人化。他每天驾驶着四匹火马拉的太阳车划过天空（见图1.21），给世界带来光明。阿波罗是光明之神。

两河流域的苏美尔，是世界上文明最早起源的地方，他们的太阳神是乌图。拉（Ra）是埃及神话中的太阳神，古埃及最著名的太阳神，中王国和新王国时代握有绝对的权威。

多少世纪过去了，很少有自然现象能像遮挡了太阳的日食那样引起人们既恐惧又崇敬的心理。古时，中国人每逢日食便燃放爆竹、敲打铜锣，恐吓驱赶吞吃太阳的妖精。在马克·吐温的笔下，日食却救了一个叫康涅狄格的美国佬。那个人知道要发生日全食，于是趁太阳消失之机，从阿瑟王的骑士手中逃了出来，逃脱了被烧死在火刑柱上的厄运。

2. 感知太阳

太阳像一个炽热的大火球，光耀炫目。它每时每刻都在辐射出巨大的能量，给我们的地球带来光和热。而且太阳已经这样辉煌地闪耀了几十亿年！

很早以前，人们就在思索：太阳所发出的巨大能量是怎么来的呢？显然，不可能是一般的燃烧。因为即使太阳完全是由氧和质量最好的煤组成的，那也只能维持燃烧2500年。而太阳的年龄要长得多，是以数十亿年来计算的。

19世纪，有些科学家还认为太阳会发光，是陨星落在太阳上所产生的热量、化学反应、放射性元素的蜕变等引起的，但所有这些都不能解释太阳长期以来所发出的巨大能量。

1938年，人们发现了原子核反应，终于解开了太阳能源之谜。太阳所发出的惊人的能量，实际上是来自原子核的内部。原来太阳含有极为丰富的氢元素，在太阳中心的高温（1550万度）、高压条件下，这些氢原子核互相作用，结合形成氦原子核，同时释放出大量的光和热。因此，在太阳上所发生的并不是一般人所想象的燃烧过程。太阳内部进行着的氢转变为氦的热核反应，是太阳巨大能量的源泉。这种热核反应所消耗的氢，在太阳上极为丰富。太阳上贮藏的氢至少还可以供给太阳继续像现在这样辉煌地闪耀50亿年，持续发射出它那巨量的光和热来！

感知太阳，是一个实际而艰辛的过程。太阳的光、热和运动是我们能直接观测到的太阳最明显的三个方面。关于运动，我们在谈论年、月、日时，已经把对太阳运动的感知付诸我们的日常生活中。伟大的开普勒和牛顿，也将太阳的运动理论归纳为开普勒行星三定律和万有引力定律。我们进一步需要了解的就是：太阳来自哪里？又将去往何处？为什么热核反应能支持太阳这么多年的发光、发热？

现在我们知道，太阳有诞生、成长和死亡等过程。而且，通过对这些过程的学习和研究，让我们认识到了太阳的巨大！它距离我们150000000千米；它的质量约为1990000000000000000000000000000千克；表面温度5800度；核心温度约为15500000度，输出功率约为40000000000000000000000000千瓦。好吧，你现在体验到什么叫做“天文数字”了吧！处理它们我们一般是使用科学式计数，或者是使用特殊单位。比如，地球到太阳的距离可以表示为1.5×10⁸千米，这样就表达了15后面的7个“0”；太阳的质量就是1.99×10³⁰千克；输出功率为4×10²⁸瓦特。天文学中，也把日地距离称为一个天文单位AU（Astronomical Unit），1AU=1.5×10⁸千米。比它更大的单位还有光年（l. y. , light year），再大还有秒差距，它是“视差法”测量天体距离时使用的单位，1秒差距=3.26光年。

得到了AU的数值，我们就可以通过测量太阳的角直径得到太阳的大小；同样的道理，我们可以通过测量太阳光照射到地球上1平方米的面积上的功率来得到太阳的总输出功率。再通过计算，我们就可以得到太阳的表面温度。至于太阳的质量，我们可以依据牛顿的万有引力公式计算得到。

我们还需知道太阳的物质组成。探测太阳的物质构成是通过对太阳的光谱进行光谱分析而完成的。结果是：太阳最主要的成分是氢和氦，其中氢约占太阳质量的74%，氦约占25%弱，其他的元素占了最后的1%强。

太阳能量产生的过程包含了一系列的核反应过程。总的效果是4个氢原子聚变合成为一个氦原子，多出来的一点点质量以能量的形式（发光、发热）辐射出去。这样的反应只能是发生在太阳的核心区，因为只有那里才具备完成核聚变所需要的几百万度的高温。

你可能会问，这样的过程，天文学家是怎么知道的呢？答案是来源于观测和太阳的理论模型。太阳模型是关于太阳结构的详细理论。在太阳模型中，将太阳看作是一系列由核心到表面分布的同心薄球层组成的，每个薄球层都有相应的温度、密度和压力。为了使得理论模型和实际的观测结果相吻合，太阳模型需要满足一系列的限制条件，也就是达到一系列的平衡条件。最主要的有4个方面：

（1）流体静力学平衡：每层物质所受向外的压力必须和向内的引力平衡。

（2）能量输运：就每层物质而言，其自身产生的能量加上进入该层的能量必须等于从这层物质发出的能量。换句话说，从太阳每个薄球层发出的能量必须等于进入该层物质的能量加上该层物质自身产生的能量，也就是说，能量不能“停留”。

（3）核聚变反应：太阳核心进行的核聚变反应必须以和实验室测量到的相同的速度进行，因为他们必须是相同的反应。

（4）太阳模型必须给出正确的太阳质量、光度（发光强度）和表面温度值。因为这些都是已知的确定值。

在确立太阳的能量来源于核聚变之前，科学家们也做过很多的实验。最著名的就是“开尔文-亥姆霍兹机制”测定实验。假定有一个质量和太阳相同的、弥漫分布的气体云（在宇宙中很多），坍缩到和太阳一样大，并且密度均匀，那么，这个过程中，每千克物质释放的总能量大约是天然气释放热量的1000倍。这个过程中释放的总能量足够太阳发光1000万年。这个时标显然比太阳燃烧传统燃料的时标要长得多。然而，地质学和进化学都告诉我们，这，还远远不够！点燃核聚变“火花”的是英国的天文学家艾丁顿，他在20世纪20年代首次提出，太阳的能量来自于核聚变反应。人们还应该能记得，也是他成功测量到了太阳周围的光线发生弯曲，从而证明了爱因斯坦的广义相对论。1938年美国物理学家贝特彻底解释了核聚变的发生过程，成为了核物理领域的先驱，也获得了1967年的诺贝尔物理学奖。

3. 真实太阳

太阳是位于太阳系中心的恒星，它几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。其直径大约是1392000千米，相当于地球直径的109倍；质量大约是1.99×10³⁰千克（是地球质量的330 000倍），约占太阳系总质量的99.865%。从化学组成来看，太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，包括氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量少于2%。

太阳的恒星光谱分类为G型主序星（G2V）。（G2V）表示太阳的光谱分类类型，标示中的G2表示其表面温度大约是5778K；V则表示太阳像其他大多数的恒星一样，是一颗主序星，它的能量来自于氢聚变成氦的核聚变反应。太阳本身的色彩是白色的，但因为其在可见光的频谱中黄绿色的部分最为强烈，从地球表面观看时，大气层的散射使天空成为蓝色，所以透过大气后的太阳呈现黄色，因而被非正式地称为“黄矮星”（黄是我们看上去的太阳颜色，矮星是说在恒星序列里太阳属于中等偏小的）。太阳的核心每秒钟燃烧6亿2000万吨的氢（见图1.22）。

太阳一度被天文学家认为是一颗微小平凡的恒星，但因为银河系内大部分的恒星都是红矮星，所以，现在认为太阳比85%的恒星都要明亮。太阳的绝对星等是+4.83，但是由于其非常靠近地球，因此从地球上来看，它是天空中最亮的天体，视星等达到-26.74。太阳高温的日冕持续向太空中“吹送”能量，产生的太阳风可延伸到100天文单位远的太阳层顶。这个太阳风形成的“气泡”称为太阳圈，是太阳系中最大的连续结构（见图1.6）。

太阳目前正在穿越银河系内部边缘猎户臂的本地泡区中的本星际云。在距离地球17光年的距离内有50个最邻近的恒星系（最接近的一个是一颗红矮星，被称为半人马座的比邻星，距太阳大约4.2光年），太阳的质量在这些恒星中排在第四。太阳在距离银河中心24 000～26 000光年的距离上绕着银河系中心（那里是一个巨大的黑洞）公转，从银河北极鸟瞰，太阳沿顺时针轨道运行，2亿2500万～2亿5000万年绕行一周。由于银河系在宇宙微波背景辐射（CMB）中以550千米／秒的速度朝向长蛇座的方向运动，这两个速度合成之后，太阳相对于CMB的速度是370千米／秒，朝向巨爵座或狮子座的方向运动。

地球围绕太阳公转的轨道是椭圆形的，每年1月离太阳最近（称为近日点），7月最远（称为远日点），平均距离是1亿4960万千米。以平均距离算，光从太阳到地球大约需要经过8分19秒。

太阳表面又叫光球层，那里的温度较低，只有5500度。太阳释放出的能量会造成太阳上的风暴，能量的一部分被高速粒子带到太空之中。当风暴吹向地球的时候，地球磁场由于受到它们的干扰而变成泪球的形状。来自太阳表面的能量还以可见光、紫外线和X射线的形式向地球辐射，它们的力量足以穿透地球的大气层，其功率竟高达100万千瓦！也就是说，地球上每平方米都受到1.35千瓦来自太阳的辐射（见图1.23），天文学中这个数字叫做太阳常数。

有了太阳能，植物赖以生长的光合作用才能进行；也正是这种太阳能储存在已经变成矿物燃料的古生物中，为我们提供了煤和石油。阳光给地球送来了热量，促使大气循环、海水蒸发，形成云和雨。在大气层中，太阳能撞击2个氧原子，使它们变成由3个氧原子组成的臭氧分子。臭氧层挡住了来自太阳的大部分紫外线，那一小部分透过臭氧层的紫外线，虽能使爱健美的人晒得黝黑，但若照射的时间过长，却会诱发皮肤癌。阳光是地球最可靠的热源，35亿年以来，它使地球温度的变化范围很小，这对维持生命的存在是十分必要的，因为来自太阳的能量无论变多了还是变少了，都会对我们居住的行星产生深刻的影响。

太阳的活动，如热核反应等，直接影响着地球的气候。而依靠太阳生存的古老地球，在50亿年以后将会随着太阳上大部分物质被耗尽和被稀释到极限而消失。根据太阳的颜色和发出的光，人们可以估计出太阳的温度。目前已知的太阳内部温度高达1550万度，其内核密度为每立方厘米150克，几乎是铂密度的8倍。

太阳辐射是呈周期性的。在某一个周期开始的时候，太阳相对“平静”，这时太阳磁场明显地出现偶极性，这种偶极性与地球磁场极性相似，但磁强度比地磁强得多。太阳黑子活动（与太阳磁场相关联）有周期性增多的现象，周期长度为11年。

黑子比它周围的温度低2000度，所以，在明亮的太阳上看起来就像一个污点或一块黑斑。有时候，黑子或它的旁边也会出现极明亮的斑点，就像草原野火一样，很快就笼罩了几十万平方千米的面积。这就是不常见的太阳耀斑，它的温度高达2000万度，所以显得格外耀眼。耀斑是发生在黑子区域的大爆炸，它把光和热以及几十亿吨物质射入太空。

黑子和耀斑是太阳表现不安分的信号，预示太阳活动高峰即将来临。耀斑发生会使得大量的X射线和紫外线以光速光临地球大气层；然后是高能质子开始到达；最后是低能质子和电子也辐射到地球。对地球来说，耀斑效应是具有破坏性的。短波无线电信号会被干扰，卫星通信无法正常进行。耀斑在大气层产生强有力的瞬变磁场，在广播线和电力传输线中诱发瞬间电流。

北极光，就是太阳耀斑的一个杰作。耀斑喷射的高能电子来到大气层后，在地球磁场的作用下偏离了原来的方向。因为磁力线对南北两极的保护作用很小，所以电子聚向这两个地区的上空。和人类设计的霓虹灯原理类似，电子撞击氧原子，使它们发出红光和绿光。

除了黑子和耀斑，太阳上白热化的气体还能形成巨大的环，射向几万千米的空中。这就是日珥，也就是太阳戴的“耳环”。日珥现象有时可以持续几个月才消失（见图1.24）。在日全食的时候，还可以观察到日冕。由几十亿吨白热体组成的日冕偶尔也能脱离太阳的控制，以每小时320万千米的速度飞向太空。

在太阳活动高峰期，地球大气层受到大量来自太阳的粒子的冲击。它们以100万安培的电流强度强行突破大气层，产生的强磁场给地球居民带来了麻烦和灾难。

当太阳上的氢消耗得所剩无几之时，它将膨胀成一个巨大无比的红色“气球”（红巨星）。胀出的部分将会吞没水星或许还有金星，即使地球还不至于被火葬，强烈的热辐射也足以使地球上的海洋沸腾蒸干，地球上将不复有生命存在。不过，这场宇宙大劫难在50亿年内并不会发生，这就给了我们足够的时间揭开离我们最近的恒星的奥秘，寻找拯救地球的诺亚方舟了。

三、追寻“流浪者”的脚步

在一次天文学讲座中，一个小姑娘举手站起来向我提问：“老师，金星上都是金子吗？水星靠太阳那么近，水星上真的有很多水吗？”实际上，这涉及金木水火土五大行星的命名，这一工作是写《史记》的司马迁做的，基本原理是按照星相学中的“五行（金木水火土）”配“五（大行）星”而来的；而大行星在希腊人眼里被视为“流浪者”，它们的命名都是来自希腊神话。

1. 五大行星的发现

在人类认识宇宙的历程中，数个世纪以来对那些行星——恒星背景上的漫步者——的发现和研究是很精彩的故事，也是人类认识宇宙的起点。

在太阳系已被确定的八大行星中，有五个是可以用肉眼看见的。由于它们的“流浪”，所以，古人们很早就注意和研究了它们。但是，关于水金火木土的“发现权”问题，似乎很少有人提及，也没有什么定论，因为人类早年的天文学典籍早已遗失殆尽。最早的天文学的起源顺序为：古埃及、古印度、中国、古巴比伦。中国还有现存文献，其他三国的早已毁于战乱。

据壁画记载，早在公元前27世纪，古埃及人就已经掌握了精密的观星技术，但他们是否发现了上述的五大行星，则无从考证。

古印度的天文学在观测方面，并不十分发达，没有发现五大行星的记载，他们主要是历法方面的成就。

中国的史书上说，公元前24世纪尧时代的天文官员曦和发现了“荧”（火星），这是中国人在太阳系中发现的第二颗行星（第一颗是脚下的地球）。之后的不久，历朝历代的天文官员们便相继发现了（按发现的先后顺序排列）木星、金星、土星、水星。

古巴比伦的天文学始于公元前19世纪，发展极为迅速。他们很快就发现了五颗“游星”，即中国的金木水火土五大行星。至于他们对五大行星的称呼，从古巴比伦人发明的“星期”中可略见一斑。据说，公元前7至6世纪，巴比伦人便有了星期制。他们把一个月分为4周，每周有7天，即一个星期。古巴比伦人建造七星坛祭祀星神。七星坛分7层，每层有一个星神，从上到下依此为日、月、火、水、木、金、土7个神。7神每周各主管一天，因此每天祭祀一个神，每天都以一个神来命名：太阳神沙马什主管星期日，称日曜日；月神辛主管星期一，称月曜日；火星神涅尔伽主管星期二，称火曜日；水星神纳布主管星期三，称水曜日；木星神马尔都克主管星期四，称木曜日；金星神伊什塔尔主管星期五，称金曜日；土星神尼努尔达主管星期六，称土曜日。感觉类似于我们国家的“五行”或“七曜”。

2. 金木水火土“五行”配“五星”

古代的天空最明显的就是“七曜”，其中的太阳、月亮我们前面已经做了说明，另外的“五曜”就是五大行星了，但是金木水火土的名称，是人们把它们与“五行”相配的结果。

水星古名“辰星”，“五曜”中的“水曜”。从地球上观测“水星”时，它一般都出现在太阳的两侧，距太阳的距离总保持在三十度内。这里的“度”，为中国古代的长度单位，三十度左右为一“辰”，《新唐书·志第二十一·天文一》中就曾有“十二辰”的说法，所以由运动距离来定“水星”名为“辰星”。

金星古名“太白”，“五曜”中的“金曜”。又名启明，长庚。出自《诗经·小雅·谷风之什·大东》“东有启明，西有长庚。”启明：先太阳而出地平线时的金星。长庚：后太阳而沉入地平线时的金星。

火星古名“荧惑”，“五曜”中的“火曜”。火星名荧惑，自“荧惑逆行”《后汉书·志第十二·天文中》记载：永康元年正月庚寅，荧惑逆行入太微东门，留太微中百一日出端门，荧惑入太微为贼臣。

木星古名“岁星”，“五曜”中的“木曜”。因“岁”行一“次”而得名。我国古代天文观测认为“木星”的运行周期是十二年，如果将黄道带分成十二个部分，每个部分称为“次”，那么“木星”每年经过一个“次”，即上面所谓的“岁行一‘次’”。我国汉代以后发展形成的“干支纪年法”，其实就源于之前的“岁星纪年法”。

土星古名“镇星”，“五曜”中的“土曜”。古人测其约二十八年绕天一周。平均每年行经“二十八宿”之一，好像轮流驻扎于“二十八宿”，即称“岁镇一宿”，所以称“土星”为“镇星”。在占星学中，土星代表老年人。

司马迁《史记·天官书》中记载：“天有五星，地有五行。”所以将“五行”分别与这五颗星相配，即为沿用至今的水、金、火、木、土的名字。因为这五大行星在天空中均横向划过，类似于纬线，所以古合称“五纬”。“五纬”“五星”也就称作“五曜”。

“五行”是华夏文明的物质和哲学基础。关于五行概念的产生，有几种说法。

（1）五方说，一般认为，五行的概念衍生于殷商时期的“五方”观念。殷人将商朝的领域称为“中商”，并以此为基点分辨东西南北四方，从而建立起“五方”观念。

（2）五材说和六府三事说，春秋时期出现了“五材说”和“六府三事说”。古人在日常的生产和生活实践中认识到木、火、土、金、水五种自然物质的功用，如《左传·襄公二十七年》说：“天生五材，民并用之，废一不可。”五材是人们日常生活和生产中必不可少的水、火、金、木、土五种基本物质，如《尚书·周书·洪范》疏说：“水火者，百姓之所饮食也；金木者，百姓之所兴作也；土者，万物之所滋生，是为人用。”“六府三事说”先见于《尚书》，后见于《左传》。其具体内容与“五材说”大致一样，也指水、火、金、木、土五种物质，但另加了“谷”。如《尚书·虞书·大禹谟》说：“水、火、金、木、土、谷，惟修；正德、利用、厚生，惟和。”《左传·文公七年》说：“水、火、金、木、土、谷，谓之六府；正德、利用、厚生，谓之三事。”以上两说中的水、火、金、木、土，皆指实体的物质本身，并非为哲学的抽象概念。

（3）五星说，古代先民在生产和生活实践中，不仅认识到方位风雨对农牧业的影响，而且进一步认识到时间、季节、天体的运行变化对农耕稼穑的作用。在观察四时气候的变化和天体运动的规律的基础上，将天气的运行分为五个时节，即所谓“天之五行”。如《左传·昭公元年》说：“分为四时，序为五节。”《管子·五行》说：“作立五行，以正天时，以正人位，人与天调。”《白虎通·五行篇》说：“言行者，欲言为天行气之义也。”又说：“四时为时，五行为节。”古人在观察天体变化的过程中，逐渐发现了水、金、火、木、土五星，因其运动，故曰行星。此五星乃八大行星中用肉眼可观察到的，依次又称为辰星、太白星、荧惑星、岁星和镇星。五星在宇宙中的运行有一定规律，并与四时气候的变化有着密切的联系，故称之为五行。《史记·历书》说：“黄帝考定星历，建立五行。”《汉书·天文志》说：“五星不失行，则年谷丰昌。”由此可见，五行是古人观星定律的产物，反映了四时气候变化的规律，是四时气候特点和生化特点的抽象，已不再是具体的五大行星。

（4）五种元素说，随着观察的不断深入，古人逐渐认识到木、火、土、金、水这五种基本物质，不但为人们生活和生产所必需，而且是构成宇宙万物的基本元素。此五种基本元素自身的运动变化，形成了缤纷多彩的物质世界，如《国语·郑语》说：“以土与金、木、水、火杂，以成百物。”此“元素说”是由五种“自然物质”的概念抽象而来，已是具有哲学意味的概念了。《尚书》始明确提出“五行”一词。如该书《夏书·甘誓》说：“有扈氏威侮五行。”该书《周书·洪范》说：“鲧堙洪水，汩陈其五行。”此五行虽可能仍指水、火、木、金、土五种基本物质或元素，但其内涵中已具有“行”，即运动、变化和联系的涵义，比“五材说”等有了很大发展，可以说这标志着五行概念的基本内涵已大致确立。

就天文观测来说，五行的运行，是以二十八宿舍为区划，由于它们的轨道距日（黄）道不远，古人用以纪日。五星一般按木火土金水的顺序，相继出现于北极附近天空，每星各行72天，五星合周天360度。根据五星出没的天象而绘制的河图，也是五行的来源。因在每年的十一月冬至前，水星见于北方，正当冬气交令，万物蛰伏，地面上唯有冰雪和水，水行（星）的概念就是这样形成的。七月夏至后，火星见于南方，正当夏气交令，地面上一片炎热，火行（星）的概念就是这样形成的。三月春分，木星见于东方，正当春气当令，草木萌芽生长，所谓“春到人间草木知”，木行（星）的概念就是这样形成的。九月秋分，金星见于西方，古代以多代表兵器，以示秋天杀伐之气当令，万物老成凋谢，金行（星）由此而成。五月土星见于中天，表示长夏湿土之气当令，木火金水皆以此为中点，木火金水引起的四时气候变化，皆从地面上观测出来的，土行（星）的概念就是这样形成的。

3. “游星”与希腊的神仙们

相对我国关于“五星”“五行”的说法，西方国家的“五星”就有点“调皮”了，不过感觉上更接地气、更有人性。

水星，古希腊“信使”赫尔墨斯，相当于罗马的墨丘利，天生古怪精灵，行动快速。水星靠太阳较近，运动就相对快些（水星的公转速度是八大行星中最快的）。正因如此，太阳压倒性的光芒使它难以被人发现。这些物理特性都符合它快脚信使的角色。

金星，是除太阳和月亮外天上最耀眼的光辉，最亮时（负4.4等）比“全天第一恒星”（指夜空）天狼星（负1.46等）还要亮14倍。“维纳斯”是罗马人对它的美称。代指希腊爱与美的化身，女神阿芙洛狄忒。

火星，中国古称“荧惑”。“荧惑”=“疑惑”？因为它是一颗“变（化）星”，时顺时逆、时暗时亮（正1.5至负2.9等），位置也不固定。战神是火星的守护星，希腊神话中的阿瑞斯，罗马人叫“马斯”。他是暴力、残忍、死亡之祸的化身。“一个狂暴的神，天性浮躁邪恶”。火星主杀戮？可能是因为颜色吧（火红的光芒刺目）。在中国古代，火星主内乱，外敌是天狼星。

木星是“行星之王”，这颗巨行星亦比天狼星亮。我国古代木星被用来定岁纪年，称“岁星”。象征幸运的木星，在古罗马被视为至尊的朱庇特（希腊宙斯）。

土星有着光彩夺目的光环，可算是太阳系中最美丽的行星了。克洛诺斯阉割了“天父”乌拉诺斯接掌王位后，被预言将受到报应：自己的儿子会推翻他建立新朝，如他做的一般。克洛诺斯在希腊语中是“时间”的意思，也就是时间之神，由于他同时掌管着农耕，所以又被称为农神。

4. “敲开”宇宙大门的威廉·赫歇耳

其实，对没有望远镜的人来说，行星也只是刚好经过天空的光点。直到17世纪，随着望远镜的普及，天文学家才发现行星是球体。20世纪才有太空探测器对这些行星进行近距离的详细观测，并安排探测器登上它们。

1609年的冬天，得知荷兰人发明了望远镜的伽利略，就自制了一台很不错的望远镜（人类第一台折射式望远镜），并立即将望远镜指向了太空。他不仅发现了行星都是球体，还看到了月球上的“环形山”；明亮的金星有和月亮一样的阴晴圆缺；另一颗行星，巨大的木星，有自己的卫星，伽利略发现了其中最大的四颗：木卫三、木卫四、木卫一和木卫二（见图1.25）。1610年它们被分别用宙斯（木星神）情人的名字命名：艾奥（木卫一）、欧罗巴（木卫二）、加尼未（木卫三）和卡利斯托（木卫四）。之后，木星的卫星相继被发现，可能是为了维护天帝的尊严吧，它们都改为用宙斯女儿的名字命名。

用太阳取代地球作为行星环绕的中心可以很容易地解释金星的盈亏以及它在天空中的运动特征。木星卫星的发现强有力地支持了哥白尼的宇宙模型：虽然伽利略的二十倍望远镜看到的木卫只是光点，但是从没有人观察到天体环绕地球以外的星体飞行。这个真实、简单的观测证实了地球不是宇宙中心，所有天体都围绕地球旋转是宗教的、形而上学的错误观点。彻底地证实了日心说的太阳系理论。

一旦哥白尼模型被广泛接受，天空中的行星排列便可以合理地被称为太阳系，地球也可以回到六大行星的正确位置上去。看上去是那么美、那么合情合理，没有人会想到有更多的行星出现，就连1781年发现第七大行星的英国天文学家威廉·赫歇耳也从未想过。当赫歇耳看到那颗星在恒星背景下移动时，由于脑海中根本就没有（新）行星的意识存在，所以，他宣布发现了一颗彗星。毕竟彗星是可以动的，也是可发现的。最终很多天文学家把它称之为“赫歇耳行星”。这样的称呼名副其实！因为，毕竟是“赫歇耳行星”的发现打破了地心说也好、日心说也罢所描述的太阳系（甚至认为是整个宇宙）的界限。直到轰动世界的“笔尖底下发现的行星——海王星”被发现，人们才接受了这颗星的命名——天王星。

海王星的发现是科学史上最激动人心的事件之一。1846年9月23日晚，德国天文学家伽勒在柏林天文台发现了它，但是这个发现是根据法国数学家勒威耶的计算做出的，因此从某种意义上说，勒威耶才是海王星的真正发现者。这个发现公布之后，英国天文学界声称英国数学家亚当斯早在1845年9月就已计算出了海王星的位置，比勒威耶还早，只不过没有引起天文学家的重视而已。这个说法引起了一番国际纠纷，最终还是达成了共识，把亚当斯也作为海王星的共同发现者。

海王星的“故事”是这样的：天王星被发现之后，1821年，巴黎天文台台长布瓦尔把天文学家历年对天王星的观测记录编辑成天王星星表，并根据万有引力定律推算天王星的运行轨道，惊讶地发现天王星的实际位置偏离了推算出的轨道。是万有引力定律有误，还是有一颗未知的大行星在干扰天王星的运行呢？

1832年，时任剑桥大学天文学教授的艾里向英国科学促进会做了一个报告，介绍这个困扰天文学家的大难题。没有任何根据怀疑万有引力定律的正确性，那么更可能的情形就是存在一颗有待发现的大行星。要找到这颗大行星，需要解决“逆摄动”问题。如果知道一颗大行星的位置，根据万有引力定律可以计算出它对临近大行星的运行的干扰，也就是天文学上所谓的“摄动”。但是如果反过来，要从某颗大行星受到的“摄动”推算出未知大行星的位置，则要困难得多，当时大多数科学家认为是不可能做到的。

1841年6月，在剑桥大学读本科的亚当斯在剑桥书店里读到了艾里的报告，他通过剑桥天文学教授查里斯向已荣任格林尼治天文台台长的艾里索要格林尼治天文台的天王星观测数据。1845年9月，亚当斯获得了计算结果，推算出未知行星的轨道，交给查里斯，希望剑桥天文台能据此寻找新行星。但查里斯并不相信亚当斯的计算，不过他还是写信向艾里推荐亚当斯。亚当斯在1845年10月21日两次拜访艾里，都没能见上面，留下了一张便条。保存至今的这张便条列出他的计算结果：新行星与太阳的平均距离为28个天文单位（比实际距离远了1/4）；它在1845年10月1日的位置为黄经323度34分——只比海王星的实际位置差了大约2度。

海王星被发现、命名之后，人们一直在努力发现第九大行星，直到发现一度的第九大行星冥王星，只是一颗矮行星，是典型的“柯依伯小行星带”天体。以后，随着观测手段的提高，特别是人类探测器的近距离“造访”，使得这个群体更加丰富多彩，但它们不是大行星。是一些矮行星、小行星和彗星等。比较知名的有：冥王星、冥卫一、凯伦（冥王星卫星）、许德拉（冥王星卫星）、尼克斯（冥王星卫星）、阋神星、塞德娜、欧克斯、伊克西翁、鸟神星、雨神星、妊神星、创神星等。

1.1.3　同一个“宇宙”

1. 地心说和日心说说的是同一个“宇宙”

One world，One dream！这句2008年北京奥运会的口号，表达了人类是一个命运共同体的愿望。也唤出了人类追求宇宙奥秘的梦想。试想，这句话用来解释流传了上千年的托勒密的地心说和“推翻了”地心说“统治”的哥白尼的日心说之间的共同点，还真觉得用词很是贴切！就两者的“全貌”来看（见图1.26），只是地球和太阳的位置做了个调换，尤其是那层最高天——恒星天，依然在那里表示着人类追求（宇宙）的极端（限）。

是的，那层“恒星天”，它太遥远了。数千年来，人们一直认为星星是“固定不动的——fixed star”，从《圣经》到公元150年左右出版的托勒密所著的《天文学大成》，这些非常有影响力的著作都提到了这一点。《圣经》里说：“上帝就把它们摆列在天上”（创世纪1:17）。而具有希腊“科学圣贤”地位的托勒密更是非常坚定地声称星星是不动的。

按照人们的感官世界来说，如果这些天体能够各自移动，那么它们到地球的距离就必定会改变。这将使得这些星星的大小、亮度以及相对间距逐年变化。但是我们却观察不到这样的变化，为什么？因为耐心，因为你等待得不够久！哈雷是第一个指出星星在移动的人。1718年，他比较了“现代”星星的位置和公元前2世纪希腊天文学家喜帕恰斯绘制的星象图。他很快发现牧夫座最亮的大角星已经不在以前的位置上了，哈雷相信喜帕恰斯的星象图是准确的，确实是星星在移动！这样的发现，的确是得益于哈雷的勤奋和天文台长的职位，勤奋让他产生了这样的“奇思妙想”；职位让他能够拥有看到那些时间已经很久很久的资料。如果没有望远镜的帮助，一个人一生的时间也不足以观察到肉眼能够分辨的（恒星）位移！

2. 从太阳系到银河系

恒星会动，那就是说“地心说”和“日心说”共同的“恒星天”是“天外有天”！不然，那些恒星在哪里运动？

18世纪后期，还是赫歇耳用自制的反射望远镜进行了系统的恒星计数观测，他计数下117600颗恒星。在太阳附近的天空进行巡天观测，对不同方向的恒星进行计数，计算不同方向恒星的数密度。1785年他得到了第一幅银河系的整体图，以此得出了一个恒星系统呈扁盘状的结论（见图1.27）。其子约翰·赫歇耳在19世纪将恒星计数的工作扩展到南天。20世纪初，天文学家开始把这个系统称为银河系。

实际上，类似的工作天文学的许多前辈们也做过，只是由于“恒星天”太“牢固”，所以人们没能把视野拓展得更远。1610年伽利略用望远镜观测天空时，就注意到后来被称为银河系的地方是由无数个恒星组成的（见图1.28）。

1918年，美国的天文学家沙普利提出了太阳不在银河系中心的观测分析结果（见图1.29）。他认为：太阳附近“球状星团”（Globular cluster）的分布，如果太阳是中心，观测结果应该为图1.29（a），各方向数量一致；实际的观测结果为图1.29（b），在人马座方向分布更密集。到1920年在观测发现了银河系自转以后，沙普利的银河系模型得到了天文学家的公认。从宇宙论角度看，银河系结构的确定不仅是从尺度上扩大了人类认识的时空结构，同时是继哥白尼之后又一次否定了人类（及他所居住的星球）在宇宙中具有任何特殊地位。

1922年荷兰天文学家Kapteyn首次利用照相底片进行了太阳附近不同方向恒星的计数（见图1.30），用统计视差的方法计算了恒星的距离，估计出银河系直径为50000光年，厚度为10000光年。

3. 从银河系到河外星系

虽然康德在他的《宇宙发展史概论》中以太阳系为中心来论述宇宙的结构和演化，但他在1755年的《自然通史和天体论》一书中却明确提出“广大无边的宇宙”之中有“数量无限的世界和星系”的观念。宇宙中无数的恒星系统可形象地比喻成汪洋大海中的岛屿，后来人们把它称为宇宙岛。

天文学中关于宇宙岛是否真的存在的议论，始终是围绕着对星云的观测而展开的。直到哈勃和仙女座大星云的出现。

1918年，威尔逊山天文台建成了口径2.54m的胡克望远镜。1922年，威尔逊山天文台的邓肯在编号为M31的星系中发现了一些变星。1923年，哈勃用这台胡克望远镜通过照相观测，将M31的外围部分分解为单个的恒星，并认出其中的一颗是造父变星，接着在M31中又找到几颗造父变星。此外，在M33和NGC6822中也发现了一些这类变星。这类被称为“造父变星”的变星，具有很稳定的“光变周期（光度与时间的变化周期）”，可以让天文学家准确地测出它们的距离。翌年，他又在仙女座大星云中确认出更多的造父变星，并在三角座星云（M33）和人马座星云（NGC6822）中发现了另一些造父变星。接着，他利用勒维特、沙普利等人所确定的周光关系定出了这三个星云的造父（变星）视差，计算出仙女座星云（M31）距离地球约九十万光年，而本银河系的直径只有约十万光年，因此证明了仙女座星云是河外星系，其他两个星云也远在银河系之外。

4. 多普勒效应和哈勃原理

光谱分析是天文观测的最重要手段之一。观测谱线的展宽和红移（或蓝移）可分析天体表面介质和天体自身的运动（见图1.31（a）），如果天体朝向我们而来，那它的光谱线就会整体向蓝（色）端移动，也就是说它的整体波长都会变短；如果天体是远离我们而去，那它的光谱线就会整体向红（色）端移动，也就是说它的整体波长都会变长。双星系统的观测确定就利用了谱线的红移性质。对星系谱线红移的观测给宇宙论带来了难以预想的特殊意义。

哈勃发现：河外星系的光谱线绝大多数都具有红移，特别令人吃惊的是河外星系的红移与它的距离成正比（图1.31（b））由此他给出了著名的哈勃定律：v=H₀×r，其中v代表星系的退行速度，r代表星系到我们的距离，H₀表示“哈勃常数”，越大星系的退行速度越快。H₀由于红移和距离的关系并不依赖于天体的内在性质，因此天体的红移提供了一个确定天体的新手段。

哈勃的这一发现对宇宙论的发展具有划时代的深远意义。经1930年爱丁顿的解释，哈勃的发现成为宇宙正在膨胀的观测证据。我们的星系的“邻居”们，那些河外星系，都在远离我们而去（见图1.32）。说明，宇宙在膨胀。这也是“大爆炸”宇宙学最有力的观测证据。“宇宙正在膨胀”或许比当年布鲁诺宣布“地球正在转动”更令人震惊，这也把人类的视野推向了无穷！