太阳系和不断发展的宇宙模型
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太阳系和不断发展的宇宙模型
离地球最近的恒星：太阳
自月球出发，下一站是太阳。从地球飞到太阳，要走过1.5亿千米。通过这样的距离，光需要8分钟。也就是说，我们与太阳的距离是8光分。我们所看到的太阳，实际上是它8分钟之前的样子。
从各种意义上讲，太阳都是我们的生命之源。除了地球本身之外，太阳是对生命最重要的天体。它影响着天气。它与人类文化息息相关。它用白昼和黑夜管辖着我们每天的日常活动。只有在没有太阳的时候，我们才开始意识到太阳有多么不可或缺。难怪，史前和古代时期，日食总是在人群和社会中激起很大的情绪。在现代，日食也仍然能使人激动。
那是1999年的夏天，我站在我们当地小学的校长面前，几乎是求着她让我带女儿一起去旅行。第二天，也就是8月11号的上午，一场日全食会使德国和法国的部分地区陷入黑暗。这件事媒体已经宣传了好多天了。特制的防护眼镜全部售罄，整个德国都在等待着这次重量级的掩食现象。对于女儿和我，这次机会百年难遇。我们周边的下一次与之相似的日食将在2081年才发生，到那时我已经不在了。
但是德国义务教育古板的规则可不在乎这样感性的细节。教育法允许学校因为太阳太毒辣放一天假，可没说能在太阳发生日食时停课。富有同情心的校长抓了抓耳朵，告诉我，根据学校的规定，她不能让孩子们离开学校，哪怕是为了百年一遇的宇宙事件，哪怕是天文学家的孩子也不行。“不过，”她意味深长地补充道，“如果家长因为职业原因要临时变更居住地，出勤的要求并不适用。那么你可以带着雅娜一起去。”我对她提供的信息表示感谢，并在一天之间给自己家搬了个地方。至少在纸面上看是这样的。
我满怀好奇与兴奋，和六岁的女儿一起跳上了汽车。有时候，成为科学家意味着，在探索宇宙奥秘的路上，不惜走到天涯海角也要满足好奇心。现在，我们的小小探险开始了。
在德国，本次日食的月球本影区只是一个狭窄的条带区域，在正午时分短暂地扫过西南部分地区。我打算去的就是这样的地区。因为，只有这样我们才能体验日全食最富魅力的一面：光天化日之下，不祥的阴影忽然将世界淹没在黑暗中。不论是谁，经历过这样的时刻，就永远都不会忘记阳光对我们的生活以及所有生命是多么重要。只是有一个问题，一个所有天文学家都很熟悉的问题：天气不好。德国全境多云。
我们从我的家乡弗雷兴（Frechen）[23]出发向西行驶，一路上边开边找合适的观测地点。我拼了命地猛开一气，追寻着四处零零星星透过云层的阳光。最后，我们开进了法国，在一个叫作梅斯（Metz）的小城外的田野停了下来。还有几分钟日食就要开始了。就在这一刻，天空豁然开朗，太阳的光辉普照大地。月亮的圆盘缓慢而又庄严地在太阳前面挪动，最后将太阳完全遮盖。看来，即使是对于一位小小科学家，生活中有时也必须要有点运气。我们正是在正确的时间来到了正确的地点。这段经历是独一无二的，也是美好的。在最真实的意义上，这是难得的共同经历黑暗中的光明的时刻。
日食背后是太阳系中的一件最不寻常的宇宙巧合。比地球小得多的月球，只是因为距离恰到好处，才能够遮挡太阳巨大的圆盘。如果它比现在更近一些，那么它所遮挡的就不仅仅是日面；而如果月球比现在离得更远，那么日食的时候依然能看到太阳明亮刺眼的边缘。正是因为月球不多不少地遮挡了太阳炽热的圆盘，我们才能看到一个非常特殊的现象：日冕。日冕由上百万摄氏度的高温气体组成。太阳耀斑有时像火山喷发岩浆一样将热等离子体射入日冕，使日冕时而搅动，时而被甩向高空。
在日食的一小段时间，我们可以看到，太阳不是一颗沉静的恒星，而是像女巫厨房里的魔法坩埚一样，咕嘟嘟地冒着泡翻动。但是，在太阳表面大大小小的爆发之间，还发生着一桩同样神奇的事情。有一些微小的幽灵般的粒子在那里诞生并射向太空。这些粒子来自原子的残骸。原子由中心的原子核和围绕原子核的一或多个电子壳层组成，而原子核又可以分解为质子和中子。其中，质子质量较重，带正电荷。中子是中性的，质量和质子差不多。而电子带负电荷，比质子轻得多。当太阳的高温击碎一些原子时，它们的残骸以无与伦比的高速在太阳系中飞行。
这些能量极高的高速粒子有一个略有些误导性的名字，叫作宇宙线（cosmic ray）。我个人认为，叫宇宙粒子实际上更准确些。它们在穿过地球大气层时制造了壮美的极光。在拉普兰或阿拉斯加的夜空上，极光熠熠生辉，跳着空灵的舞蹈。然而，在美学欣赏之外，人类也相当重视由更强烈的太阳风暴导致的粒子洪流。这类风暴可以破坏卫星中敏感的电子元件，改变地球的磁场，还能阻碍无线电波的传输。特别严重的时候，它们甚至会导致电网的电压过高，使整个城市的电力供应中断。幸运的是，这些风暴很少发生，而且由于现在定期的外太空天气报告，我们可以及时采取预防措施。
只有在日食的时候，我们才可以用裸眼看到宇宙粒子的故乡。那里的样貌给我留下了深刻的印象。从我自己的研究工作中，我知道，我和女儿在太阳边缘看到的粒子物理现象也发生在黑洞的边缘。当然，在后者的情形下这种现象要激烈得多。磁场和强烈的湍流相互作用，使得微小的带电粒子像乒乓球一样来来回回，并吸收更多的能量。这种机制所加速的电子在磁场内改变方向并放出辐射，使太阳在无线电波段非常明亮。非常靠近黑洞视界面的区域也因为同样的原因发亮。从太阳产生并穿过湍动的银河系磁场或者空间磁场的宇宙粒子能量很高，但从恒星的爆炸产生或者来自黑洞周围的宇宙粒子能达到的能量级是前者远远不及的。
与地球大气层发生碰撞的宇宙粒子是可以测量的。我参与了阿根廷皮埃尔·俄歇天文台（Pierre Auger Observatory）开展的一个大规模的实验项目。他们使用分布在几千平方千米范围内的探测器专门做这件事。
如果不理解太阳和宇宙粒子的物理学机制，那么理解黑洞也就无从谈起。在整个宇宙中，万物都被同样的作用束缚，遵循的也是同样的法则。一束无穷无尽的物理学丝带贯穿整个宇宙，把黑洞的辐射、太阳的爆发还有地球的极光连在一起。这些事想想就觉得不可思议。
而在1999年8月11号看日食的时候，这条丝带仿佛就在我的眼前。对女儿来说，这是童年里的一次有趣的郊游，有几分冒险，带着几分好奇。她可是用铝箔纸给她认识的每个人都做了日食眼镜，还邀请他们一起看太阳呢。邻居们会怎么想？
在和孩子一起看太阳时，我拜服于宇宙的力量之下。食甚时分的太阳穿过薄云射出的红色光芒尤为摄人心魄。那条翻腾的光环有种强大的、几乎是催眠性的作用。后来，在为预告黑洞射电图像的论文配图选择配色时，我的灵感就从它而来。
我有幸知道导致日食的天体物理原理，但石器时代的人不知道，并且害怕日食。到了现代，日食依然能够吓到一些人。古时候的一些人甚至坚信日食是来自神明的信息，因而陷入恐惧。早在四千年前，已经存在关于日食的文献记载。那时候，中国的宫廷天文学家就试图通过自己对天空的观察预测日食。但他们的预测常常并不正确。一条古代传说提到，有两个学者因为未能预测日食的确切时间并在日食真正发生的时候喝醉而被皇帝处死了[24]。当然，这个传说很有可能完全是假的。不管怎么样，今天的天文学家已经可以准确地预测日食，也可以保证安全无虞。其实，我们在研究未知的问题时依然会犯很多错误。不过，我们再也不用担心因此丧命了！
太阳只是一颗普通的恒星。它的特殊之处仅仅在于，它是我们所在的行星系统的中心天体。因此，它比其他所有恒星都要近得多，也亮得多。月球和行星靠反射太阳光发亮。如果没有太阳，我们甚至不能在天上看到它们的踪影。太阳系中百分之九十九的质量都属于太阳本身。这颗极为巨大的恒星的引力维持着整个太阳系。同时，我们关于恒星和引力的知识也有赖于对太阳系的探索。
太阳是一个硕大无朋又热得吓人的气体球，在它的内部燃烧着核反应。核反应的燃料是氢，也就是组成太阳的最主要的元素。氢是一种很轻的元素，它在太阳温度极高的核心区燃烧并聚变形成氦。太阳中心的温度高得难以想象，达2000万摄氏度。太阳表面的温度也很可观，有6000摄氏度。这种热能是地球上所有能量的来源，但如果没有引力制造太阳核心的高压，这些能量都会不复存在。万物生长靠太阳：植物的光合作用需要阳光，动物需要植物，因此也需要阳光。我们也都需要阳光。不论是食肉、食素还是全素，没有阳光就没有食物。
燃烧木柴的时候，我们是在消耗来自太阳的能量。石油、燃气和煤矿都是自地球形成以来的生物学过程留下的残余。也就是说，它们都是储存的太阳能量。然而，我们已经在很短的时间里破坏了几百万年积攒下的物质和能源储备，给气候制造了严重的负担。就算不是气候科学家，也很容易意识到，再这样下去是不会有好果子吃的。
没有太阳也不会有任何电能。且不说太阳能发电技术，水电站能够运行，也是因为太阳一刻不停地使水蒸发，从而能有雨水填充湖泊与河流。即使是风力涡轮机的运作也是因为太阳加热了大气层，并使不同区域的温度具有差异，因而产生了风。唯独潮汐发电站是从月球获取能量的。核电站的能量来自黑洞和中子星诞生时产生的元素。然而，是因为太阳引力的作用，这些元素当初才会到达我们身边。最终，大爆炸是宇宙中原初的能量源，也是太阳、月球、恒星和所有元素的能量的终极源泉。
太阳加快了我们成长为具有抽象思维能力的两足兽的速度。太阳发出的宇宙粒子打在地球表面，增加了生命体的细胞发生基因突变的概率。这些细胞之后继续演化，一步步进化为小型哺乳动物，最后演化为人。所有这一切都是因为有了太阳才得以发生的。在某种意义上，我们是宇宙造就的突变型。更高的突变率也带来了癌细胞，以及随之而来的死亡和衰败。人类的存在来之不易，是以深重的苦难为代价换来的。但是，要是没有这些潜藏着危险性的基因变化，我们现在应该还是单细胞生物。
和那些更为狂野的恒星相比，太阳的脾气相当温和，也显得相当平凡。太阳的体积不算大，质量不太高，也不是很活跃[25]。46亿岁的它正值壮年。相比于其总质量，太阳核心区域的核聚变反应速率算是低的。论及单位体积内产生的能量，它比人体内物质代谢还要低得多。人的身体是一台精心设计的机器，永远在全负荷运转。如果所有人类都挤在一起，我们也可以形成一颗小小的恒星[26]。
但是，太阳因为它巨大的尺寸而稳操胜券。地球人口需要增加大约1000万亿倍，才能产生和太阳一样多的能量。
太阳是真的在燃烧自我。通过将氢聚变为氦，它使物质转化为能量，其质量因而每秒减少40亿千克。考虑到太阳只用到它自身质量极小的部分，就放出了大量能量，它的能量产生效率是高得惊人的。没有任何人类建造的机器能用如此少的燃料就产生出如此多的能量。如果人体能像太阳一样高效又节能，那么每个人一生中只需要不到半克重的食物。在外太空，只有黑洞才能以比恒星更高的效率将质量转化为能量。
尽管如此，有一个悲伤的消息也不得不提：太阳的油箱终有一天会用空，也不会有加油的机会。太阳之火终有一日会熄灭，如果人类那时还存在的话，也将与地球上的生命一起灭亡。但是我们离那一天还有很久。按照目前的估计，太阳还有五六十亿年的寿命。这么长的时间，足够让我们再多买几块太阳能板了！
天上的神祇：行星轨道之谜
一旦离开太阳，将视线转向绕着太阳转的行星，讨论距离时用的单位会很快从光分变成光时。理解引力和建立现代的世界观都来自对行星的认识。人类建造的飞船已经能够抵达太阳系最远的行星，甚至还飞到了更远一些的地方。在太阳系以外的一切我们只能通过望远镜观测了解。
最靠近太阳的行星是水星，它和太阳的距离只有6000万千米。而最远的行星海王星的轨道远在45亿千米之外，这个距离相当于4光时。每过165个地球年，海王星才能绕太阳一周。几千年来，我们的祖先观察着行星，为它们规则又不规则的运动感到惊奇。恒星在苍穹上有其固定的位置，我们在其下活动，而行星似乎在群星间游荡。因此，行星得名“planet”，意即“游荡者”。
在地球的天空中，太阳、月亮和所有行星都在同一个带状区域移动，仿佛在一条无形的赛车道上行驶。我们给这条无形的带子起名为“黄道”，其英文名称“ecliptic”源于希腊语中表示“消失或不再出现；黑暗”的词语。这个词与食（eclipse）的词源是同一个。日食也发生在黄道上。
黄道之所以存在，是因为所有行星都在同一个平面内绕太阳运动。这样一来，它们就构成了一个看不见的具有天文学尺度的圆盘。地球的轨道本身也是这个圆盘的一部分。由于我们也身在其中，这张圆盘对我们来说只是天空中的一条狭长的带子，就像从侧面看到的老式黑胶唱片。离太阳的距离比地球近的行星，绕着太阳飞行的速度也比地球快。原因在于，离太阳越近，感受到的太阳引力就越强。因此，这些行星必须跑得更快，以使其离心力抵消太阳引力。离太阳比地球远的行星移动得比地球更慢，因为那里的引力更弱。如果它们的速度变快，就会冲出绕太阳的轨道。
从地球的角度看，行星在固定不变的星空背景上画出了奇妙的路线。它们就像田径场上的短跑运动员，地球也是参赛者之一。外道的运动员必须跑更远的距离，而且速度也要慢得多。而水星和金星是内道的顶级短跑运动员。它们的速度特别快，而且总是在太阳附近。这就是为什么水星和金星只能在早上和晚上看到，被视为“晨星”和“昏星”。其中，金星是我们最常看到的。巨行星是在外道缓缓前行的周末慢跑人士，我们的地球每过一段时间都要超过它们一次。从我们的角度看，它们仿佛在向后移动，直到地球超过它们，到达太阳系田径场的另一端。到了这个时候，我们又仿佛在向它们移动。在那一端看，它们似乎突然改变了运动的方向。
人类花了几千年的时间才发现行星绕太阳转。几千年来，水星、金星、火星、木星和土星这五颗肉眼可见的行星的轨迹一直是个谜。毫无疑问，它们对不同的宗教以及世界观都产生了影响。
很久以前，人们并不懂得这些宇宙现象背后的原理，天文学的用途也大为不同。几乎所有宗教的信徒都崇敬星辰和其他天体。他们这样做是很自然的。恒星赐予了日常生活的秩序，维持着年的循环。太阳主宰着一天，其升起和落下的时间点还标志着一年的进程以及季节。月相的变化决定了一个月的长度。因为未知的原因，它和女性的生理周期大致相仿。太阳和月亮仿佛掌管了生育力，还有人类的幸运与不幸。那么，人们赞美这些神圣的力量也就不足为奇了。
天文学的起源
最早的关于天文探索的考古学证据可追溯到几万年前[27]。观天者在理解了白天、黑夜和一年中的时间的交替顺序后，就制作了日历。最初被用作时间标记的是月亮的周期，后来这种计时方法结合了太阳的轨迹变化。著名的内布拉（Nebra）星象盘是欧洲早期在这方面活动的见证。这枚三千七百多岁的青铜圆盘是所有具象表示天空的文物中历史最古老的[28]。
人类利用这些聪明的认识指导农业生产和海上航行。在那个时候，航海还是一件颇具危险性和不确定性的事业。现代人使用航海卫星导航，但卫星的坐标最终还是依赖于天文学观测。不过，观测的对象早已不是恒星了。遥远的黑洞是新的宇宙地标，我们利用从它们发出的无线电信号定位[29]。
在公元前3000年的美索不达米亚，在一座后来被称为巴比伦的城市里，受过教育的祭司们定期记录月亮和行星的位置。他们按照月亮制定日历，决定节庆的时期，也决定收获和收税的日子。一个行政月有30天，一年有360天，缺少的日子用闰日来填补。和使用十进制的我们不同，他们的数字系统是基于60这个数的。很可能是因为巴比伦人的缘故，我们把一天分为二十四小时，把一圈分为360度。
随着楔形文字的发展，任意观测时间得到的天文信息都可以拿来比较了。其后，在公元前1000年左右的时候，极其有组织的观测计划出现在世界上，数学的发展也取得了重大进步。在底格里斯河和幼发拉底河之间，整队整队的学者专门负责测量和计算天空中发生的事情，成千上万的楔形文字泥版上写满了天文数据。倏忽之间，天文记录已经不局限于单个人的狭隘回忆，而可以综合几代人的时间内发生的事件进行分析。这是仔细记录、存档和分析数据的工作方法的开始，虽然这些工作主要服务于宗教目的，但我们仍可以将其描述为科学。
对于美索不达米亚的居民，宇宙是有其秩序的，但也受制于诸神的意志。神的计划可以通过预兆来解读。譬如说，行星的外观就是这样的预兆[30]。观察天象的人自从具有了预测行星的轨道的能力，就运用这种知识解读未来。统治者们占算星象，以决定行事的最佳时机。
完全可以想象，行星运动的可预测性和新的算术法一定使人们深受震撼。这种新的知识甚至可能使人们认为，连命运本身也可以是预定的。从此时滥觞的巴比伦占星术影响了许多其他文明。“东方三博士”作为来自东方的占星术士的代表出现在《圣经》里，永久地载入史册[31]。几千年之后，人们才认识到，占星术的根基假设是错误的。天体的运行可以预测，并不意味着人类生活就可以预测，二者根本毫无干系。
在古代埃及，尼罗河的洪水从上游带来了肥沃的淤泥，因此决定了时间的节奏。诸天和大地在古埃及神话中都有其位置。赐予生命并保持万物的活力的神名为“拉”。太阳是拉神的化身，每天都在重生，并从东方的水面上升起。他穿过天空，在傍晚时分降落在西方，死亡，并在第二天早上重生。这是一个永恒的循环。
天堂和大地在地平线相接。一个活在那个时代的人，仰望天空、环视四周，一定会对自己生活在宇宙的正中央深信不疑。那时普遍的观念是地球是平的，这也与以人类为中心的世界观一致。埃及人相信，在宇宙中存在天上世界和地下世界。神灵无处不在，并确保整个世界的宏大结构始终稳定和平衡。大地之神盖布统治着地下；天空女神努特统治着上空，她是所有恒星的母亲。在大地和天空之间是舒神的领域，他是空气和光明之神。舒神支撑着天空，并确保没有任何东西从天上落到地下。
古巴比伦人想象，大地是一个漂浮在海洋上的圆盘，四周海水环绕。诸神住在高天之上，决定着星辰的走向。苍穹像钟罩一样覆盖着大地。这种世界模型影响了整个古代，与当时的科学水平相符。
古希腊人也相信有天上世界和地下世界。希腊人比任何前人都更热爱观察天体。他们沉浸于数学，尤其推崇几何学，并将巴比伦人对星空的观察与埃及人的几何学相结合。早在公元前6世纪，像毕达哥拉斯这样的希腊思想家就已经认识到地球必须是圆的。柏拉图（生于公元前428/427年）在他的著作中也提到了地球是球体。
古代自然科学所取得的许多成就中，有一项至今仍给我们留下深刻印象，那就是公元前200年左右，昔兰尼的埃拉托斯特尼（Eratosthenes of Cyrene）对地球周长的测量。他让人分别在两个相距甚远的埃及城市测量了正午时分影子的角度。在一个城市，太阳正好在天顶，因此没有投下阴影。但在第二个城市，太阳确实投下了阴影。在那座城市，地球的表面相对于太阳光似乎倾斜了7度。埃拉托斯特尼仔细测量了两座城市之间的距离，现在又知道了影子的角度，他就利用这些测量结果相对准确地计算出了地球的大小。这在当时是一个惊人的成就。在欧洲，关于地球是个球体的知识一直流传，而且还是大学里教授的内容，直到中世纪和近代早期也如此[32]。有人说，克里斯托弗·哥伦布同时代的学识渊博的人还相信地球是平的，其实此事纯属编造。在被蔑称为“黑暗的中世纪”的时期发生的事，还有很多也是同样的子虚乌有[33]。
不过，确实，对于当时不管是统治者还是平民百姓，想说服他们相信地球不是宇宙的中心都是不可能的。自从人类具有思想以来，宇宙就是众神和行星的家园。古巴比伦人甚至将一周分为七天，对应人类肉眼能看到的七大天体：太阳、月亮，还有五颗离我们最近的行星。古罗马人用他们自己的神的名字重新命名了这些行星。今天所使用的水星（墨丘利）、金星（维纳斯）、火星（马耳斯）、木星（朱庇特）、土星（萨图恩）的名字都对应着罗马万神殿中的一员。在欧洲语言中，一周七天的称呼多多少少是由这些神的名字衍生出来的[34]。
在很长的一段历史里，人类的宇宙观都是由古希腊思想家塑造的。这在很大程度上缘自亚里士多德（生于公元前384年）几乎压倒性的权威。从古代一直到基督教时代，亚里士多德都被视为最重要的哲学家。他的影响力是如此之大，以至于任何与他相左的观点都显得非常荒谬。亚里士多德并不是天文学家，他的宇宙模型也相当简单。在他死后，古代晚期的重要天文学家如喜帕恰斯（生于公元前190年）和托勒密（生于公元前100年）扩展了他的模型。地球依然是宇宙的中心。所有的行星和恒星都在天球的不同层围绕着同一个中心旋转。托勒密在其13卷的作品《天文学大成》（Almagest）中总结了古代天文学的全部知识，并由此创造了托勒密体系的概念。确实，有个别研究者如萨摩斯的阿利斯塔克（Aristarchus of Samos，生于公元前310年）支持日心模型，认为是太阳而不是地球居于宇宙的中心，但地心模型最终占了上风。
新模型
或许在今天有些难以想象，这种宇宙观通行了一千五百多年。不论是古代中国还是古印度[35]，抑或是古代伊斯兰-阿拉伯世界，所有称得上是天文学家的人物都像欧洲的基督教世界一样对其颇为赞许。直到尼古拉·哥白尼和约翰内斯·开普勒提出他们颠覆性的理论之前，情况大抵如此。哥白尼和开普勒本身都是神学家。他们完全是由于数学水平太高，才没能被古代哲学家的权威引入歧途。
几年前我因公出差，去北京参加第28届国际天文学联合会（IAU）大会。来自世界各地的几千位天文学家齐聚一堂，讨论天文学的最新科研成果。他们也要表决一些决议，比如天体的命名等等。在这次大会期间，一位当地的科学史学家做了一场关于中国天文学史的讲座。中国的天文学家观察天空的历史已有数千年之久。不仅如此，他们从很早以前就可以获得大量的财政支持。长时间的观测数据日积月累，最终集合成了一座规模大得惊人的数据宝库。直到今天，这些数据依然能派上用场。直到公元11世纪和12世纪，中国的天文学都比西方的天文学先进得多。然而，根据这位科学史学家的说法，当时的中国并没有产生一位具有哥白尼或开普勒那样的数学能力的科学家。中国古代天文学家入数据宝山却空手而回。
“这是为什么呢？”一位听众问道。“这可能与他们的世界观有关。”主讲人猜测说。那时的西方思想家们乐意为天堂寻找科学上的解释，而在中国，人们的注意力则集中在超自然存在本身上。对于他们来说世界是一个复杂的有机体，天界充满神灵精怪。一切自然与超自然力量都过于紧密地交织在一起。这与同时在西方盛行的独一、遥远、全能的上帝和创造者的概念大相径庭[36]。对于那时的中国天文学家来说，追问是什么使群星运动是没有意义的。而在世界的另一边，在西方，虽然迷信和异教信仰以及占星术从未完全消失过，但古代的多神信仰已经在一神论的犹太-基督教世界观的打压下日渐消亡。
犹太教也具有强烈的理性论证的特点。对《妥拉》（Torah，犹太教的宗教经典）的解释是通过激烈的辩论、细致入微的推理和具有逻辑性的证据链进行的。值得一提的是，与其他宗教相比，天文学对世界的解释在犹太教传统中并没有发挥特别的作用。犹太民族居于巴比伦、希腊和罗马之间，其传统也确实是在当时东方世界的宇宙知识背景下发展起来的。但是在《创世记》讲述的创世故事中，太阳、月亮和群星没有任何特殊的地位，而只是单纯的“光”。这个宏大的故事出现在《旧约》的开头，它介绍了我们今天的世界是如何一步步出现的。叙述以天为单位：一开始是光，然后是水和旱地成形，最后植物、动物和人出现。在创世之初时并没有光。天上的光是在创世过程中的某个阶段出现的，其重要性也被无情地削弱了。光并不神圣，相反，它们只是给我们提供时间，把白天和黑夜分开的工具罢了。《创世记》描述了一个高度理性的世界，魔法在此无容身之处。在《圣经》的世界里，奇迹在很大程度上属于例外。
因此，根据犹太教-基督教的世界观，自然界没有任何超自然的东西。它没有自己的意志，而是由独一的上帝塑造而成。只有这位上帝是万物的创造者和起源，他昔在，今在，以后永在。在这个概念中，我们发现了现代自然科学的一个重要基础，即在自然界的背后，存在一套可靠的基本原理。只有在这种假设下，自然科学才有意义。
诚然，对于所谓宗教信仰和科学始终处于斗争之中的说法，任何人都绝不陌生。但这只是始于19世纪的世俗化时代广为流传的谬论[37]，今天的历史学家看待这个问题的观点要审慎得多[38]。在很长一段时间里，科学并不自成一科，而只是神学的一部分。中世纪的修道院是维护知识和传播知识的据点；大学是在教会的祝福下建立的。许多重要的科学家都接受过神学教育，而且非常虔诚，经常为教会服务。然而，教会声称自己对所有的科学问题都有最终解释权。这样一来，到了15世纪和16世纪时，越来越多的冲突不可避免。此时，文艺复兴和宗教改革早已站稳了脚跟，从根本上改变了人们对世界和人在世界中的角色的看法。甚至可以说，人的世界观此时已经发生了天翻地覆的变化。
1543年，一位来自波兰普鲁士[39]的教士尼古拉·哥白尼大胆地提出了一个新的宇宙模型。宇宙学革命即从此开始。当然，这个模型其实也不算新。在这个模型中，太阳回到了宇宙的中心，地球绕着自己的轴自转。同时，地球和所有其他行星一样围绕太阳运动。在数学上，这很有说服力和前瞻性，但令人恼火的是，在这种模型里，宇宙必须比以前假设的大得多，而且地球必须以很高的速度旋转。假如地球真的转得这么快，我们人难道完全一无所觉吗？
新模型过了很久之后才被广泛接受。与哥白尼同时代的学者，无论是为教会还是为世俗统治者服务，都有充分的理由怀疑它。当时有一位很有影响力的天文学家，丹麦的第谷·布拉赫（Tycho Brahe）并不相信有什么神秘的巨大力量使地球旋转，但他也知道，托勒密的宇宙模型不可能是正确的。作为一位优秀的观测者，布拉赫留下了至关重要的数据。德国数学家、神学家和天文学家约翰内斯·开普勒后来根据这些数据得出了著名的行星运动定律。开普勒发现，行星是以椭圆而非圆形的轨道围绕太阳运行的。而且，离太阳越近，行星的运行速度就越快。对于开普勒来说，在宇宙中找到上帝的美与和谐是重要的目标。因此，行星运动的数学方程的优雅也是在神学上令人满意的发现，因为它们符合造物主的可靠性和一致性。造物主像建筑大师一样，工作具有条理。
布拉赫为后世奠定基础的测量数据，可能是天文学在望远镜发明前取得的最后一件成就了。17世纪初，荷兰米德尔堡（Middelburg）的一位聪明的眼镜制造商[40]发明了望远镜。起初，望远镜只用在航海活动中，而帕多瓦的伽利略·伽利莱第一次将其指向了星空。当伽利略在1609年发现木星的头几颗卫星时，在意大利和整个欧洲都引发了激烈的辩论。对意大利人伽利略来说，这佐证了哥白尼模型的正确性。新发现的卫星是绕着木星转的。这清楚地表明，并非所有的天体都围绕地球运行。
这位年轻的科学家的胆子很快就大了起来。天主教会长期以来支持伽利略的研究，耶稣会内部起初也对伽利略的理论给出了正面的评价。但是，雄心勃勃的伽利略忽视了开普勒的工作，在其著作中坚持行星的圆形轨道。这样一来，伽利略的模型就与他那个时代可以找到的最好的观测数据有所出入了。伽利略虽然虔诚，但作风粗鲁，并且以言论质疑教皇的权威，从而败坏了教会首脑最初的好感。其后的一段时间，哥白尼的著作也位列禁书名单，不得不改动多处才能出版。在1632年，教会在罗马宗教裁判所前和他摊了牌。伽利略被判处终身软禁，但依然得到锡耶纳主教的财政支持。他的著作在意大利难以出版，于是在欧洲的其他地方刊行。
伽利略长于言辞，很会与人沟通，并且懂得如何在专家圈子之外扩展自己科学研究成果的知名度。但在自我宣传的同时，他缺乏对其他科学家的工作应有的肯定。现今流传着许多关于伽利略的逸闻故事，其中一些与史实相距甚远。实际上，这些故事中有许多是现代人将自身投射在伽利略和其所处时代的产物[41]。
在开普勒和伽利略之后过了整整两百年，反对这种新模型的科学论据才终于消亡。但是，反思早已开始。
从今天的视角回顾，约翰内斯·开普勒的成果在我看来才是更具有开创性的。开普勒其人是伽利略的反面：一位优秀的数学家，身材矮小，体弱多病，终身被自我怀疑所困扰，多次受到命运的打击。他的母亲被莱昂贝格的地方长官（德：Vogt）指控为女巫[42]；他没有什么女人缘，在妻子去世后，为寻找新伴侣的艰辛而呻吟。但是，开普勒三定律今天仍是天体力学的基础。通过他的定律，我们才能计算恒星的质量，证明暗物质的存在。当我需要在讲座中解释黑洞的时候，我首先提到的还是开普勒关于行星围绕太阳运动的定律。物质围绕黑洞运动的方式与行星绕太阳运动的方式几乎完全相同，只是速度快得多。
五十多年后，在开普勒的基础上，英国神学家、全能天才艾萨克·牛顿[43]不仅成功地创立了经典力学，而且还用他的万有引力定律解释了地球上的引力、月球的轨道和行星围绕太阳的运动。
在牛顿的模型中，引力是一种普遍的、长程的力。不管物体的构造或性质如何，只要具有质量，就会相互吸引。相距越远，力就越弱，但它永远不会完全消失。这种力对整个宇宙中的所有物体同样适用，不仅是行星以及地球上落向地面的苹果，也适用于一般的海洋潮汐或满月时的大潮。几乎整个太阳系都可以用牛顿的理论解释。但是，仅仅是“几乎”。
金星：爱之女神和宇宙的标尺
在探索天空的历史中，宇宙的尺寸以及地球与恒星间的距离是一个长期悬而未决的问题。如果地球围绕着太阳旋转，天上的恒星的位置岂不是应该移动吗？
如果在相隔极远的两个位置测量同一颗恒星，这颗恒星在天球上的视觉位置会发生变化。这种现象称为视差（parallax）。任何人都可以很容易地亲自验看这种效应。伸长手臂，竖起大拇指，先用一只眼睛看，然后用另一只眼睛。从两只眼睛略微不同的视角看拇指，会发现拇指仿佛在左右移动。拇指离身体越近，表面上看起来的运动就越大。如果用双眼分别看一个离我们较远的物体，我们就拥有了空间感，从而可以估计距离。
人眼在小尺度观察到的现象同样也适用于地球绕太阳的路径。如果我在夏天和冬天各测量一次恒星的位置，此时地球在太阳的最左边和最右边，那么我应该发现被测量的恒星向右或向左移动。移动的程度取决于恒星离我们的距离。但在当时，人们没有看到恒星类似的移动。因此，要么开普勒和哥白尼的模型是不正确的，要么就是恒星离我们很远，以至于位置变化极为微小，很难被发现。要知道宇宙的大小，需要知道恒星和地球之间的距离，而要想测量后者，首先要了解地球与太阳的确切距离。确定日地距离成了一件头号难题。测量这个数值需要全世界的天文学家相互协作，当然，这也就意味着全球范围内的竞争。
天文学家最终选定了金星作为追逐的对象。金星以罗马神话中爱与美的女神维纳斯命名，但现实中，我们这颗邻居非常炎热，并不十分诱人。笼罩着金星的温室气体非常稠密，其巨大的压力会把人压垮。金星表面的大气压力与地球水下900多米深处的一样大，而温度和电炉里一样高。
但是，金星给现代天文学帮过大忙。通过金星，天文学家测量了太阳和地球之间的距离（天文单位，缩写为AU），从而估算了太阳系的大小，甚至整个宇宙的范围。测量的关键在于，需要一次“金星凌日”，即金星正好在太阳的视圆面之前短暂经过的现象。它的原理和日食类似，只是金星的阴影要小得多。因此，只有受过训练的天文学家运用望远镜才能观测到它。
因为离地球很近，月球有时能够完全遮挡太阳的圆面。而金星却不可能做到这一点。在这颗行星经过金光闪闪的太阳的几小时里，人们能观察到的只有一个不起眼的小点。因此，在很长一段时间里，人类根本没有任何关于凌日现象的记录。
早在17世纪，约翰内斯·开普勒就已经预言，两颗位于地球和太阳之间的行星，金星和水星，会发生凌日现象。然而，他没能活到见证自己的预言成真的那一天。离开普勒最近的一次金星凌日在1631年，在那之前他已经去世了。
金星的阴影在太阳表面掠过的路径依赖于地球观测者所在的位置，以及观测时与太阳的距离。如果观测者在地球上向南方移动，金星的影子会向上移动，因为观看金星的角度变了。基于这个事实产生了一个巧妙的想法。只要在地球上的不同地点测量金星通过太阳表面的不同时间，就可以利用开普勒定律计算出地球和太阳之间的距离。这个方法只有一个缺陷：金星凌日是相当罕见的天象。这主要是由于金星和地球的轨道相互之间略有倾斜。即使在从地球上看到金星与太阳处于同一方向时，它也可以在太阳圆盘的上方或下方通过。金星凌日在243年中只出现4次，而且是成对出现的。离我们最近的一组发生在2012年和2004年，在这之前是1882年和1874年。
即便是万事俱备，科学家们也有可能让金星从眼皮底下溜走。为了从各个角度追踪金星的影迹，不同国籍的天文学家奔赴世界各地。在那个时代，这样的冒险旅行绝非儿戏。他们在某种意义上可以称得上是现代黑洞探险的先驱。然而，有些人还没出家门就几乎失败了。比如说，英国的杰里迈亚·霍罗克斯（Jeremiah Horrocks）几乎错过了1639年12月4日的金星凌日。起初，他在望远镜旁边等待，并把望远镜指向了太阳。但是由于为时尚早，霍罗克斯离开了观测岗位，估计是去参加教堂的礼拜了。当他回到家时，几乎已经太晚了。凌日早已开始，金星已经在太阳圆盘的前面了。霍罗克斯最终只能估计一个大概的凌日总时长。
下一组金星凌日是在1761和1769年。为此，科学家们纷纷踏上赴异邦探险的道路，争取届时好好观测一番。但事情并不是那么简单。最戏剧性的失败当属纪尧姆·勒让蒂（Guillaume Le Gentil）。勒让蒂打算在印度观测金星凌日，于是启航前往印度东南部的本地治里（Pondicherry）。但是，当他的船到达目的地时，英国人刚刚通过一场军事行动占领了该城。身为法国人的勒让蒂无法进入，只好在船上进行了测量，但显然，摇晃的木质驳船不是进行准确的天文测量的好地方。最终，他没有得到任何可用的数据。勒让蒂决定在原地等待八年后的下一次凌日现象。但是，就在这一重要时刻来临之际，乌云密布。天文学探索有时也要靠关键时刻天公作美，不是每个人都那么幸运。这个法国人在国外多年，终于能乘船回家了。这个时候，他却生了病，差点死于痢疾。回到法国后，他还发现，家人早已宣告他的死亡，并分割了他的财产。甚至连他在法兰西科学院的席位也被分给了别人。
不管怎么说，科学界最终还是算出了一个还不错的日地距离。当时确定的天文单位的数值与今天确定的天文单位值149597870700米仅有约1.5%的偏差。
直到1839年，恒星的距离才第一次被德国天文学家弗里德里希·贝塞尔（Friedrich Bessel）测量到。他利用视差法和天文单位的值，确定了地球与天鹅座61（61 Cygni）的确切距离。贝塞尔在六个月的时间间隔内测量了这颗星的位置，发现它在天空中发生了约为0.3角秒的微小位移。这相当于50米外看到的一根头发丝的宽度。利用简单的三角学计算和天文单位的长度，他计算出了这颗星的距离。天鹅座61离我们有100万亿千米远，相当于11.4光年。贝塞尔惊奇地发现，他所测量的星光已经走过了十多年才到达地球。在这次测量后，最初对日心世界观的科学质疑才终于全部得到了圆满的答复。
因为天文学中几乎所有的距离都是直接或间接利用视差测量的，天文学家为这种方法测量的距离设计了一个新的长度单位“秒差距”（parsec）。这个词来自英文中“视差”（parallax）和“秒”（second）两个单词，代表的是一颗恒星显示出1角秒视差对应的距离。1秒差距大约是3.26光年。因此，秒差距并不是《星球大战》电影里所说的时间的度量[44]，而是一个长度单位。
离太阳系最近的恒星是4.2光年之外的半人马座比邻星。这个距离也就是1.3秒差距。因此，在离太阳1秒差距以内的范围里，没有任何其他的恒星。今天，欧洲的空间探测器“盖亚”可以测量银河系中近20亿颗恒星的视差，其中最远的距离可达几千光年。利用全球射电望远镜网络，我们甚至可以测量银河系另一端的一些恒星或气体云的视差[45]。而它们与我们的距离甚至超过60000光年。
今天，卫星已经能够巡弋在太阳系里而丝毫不出差错，天文学家也能够测量出宇宙的范围。但这一切仍然要归功于17世纪、18世纪和19世纪的早期天文探险。这些早年的天文学家在探索太阳系时，仅仅用到了初代望远镜和一些大胆的想法。但他们没有一个人是单打独斗的。天空属于所有人，有时也需要让整个世界一起来研究天空。天文学的基本性质中始终包括全球合作和竞争。远到《圣经》时代第一批东方占星家，再到研究太阳系和观测金星凌日的探险队，后来是探测引力波以及拍摄黑洞射电图像的团队，天文学家们一次又一次地为着同一个目标携手出发，互相帮助也相互较量，探索和测量同一片天空。
[23]弗雷兴是德国北莱茵-威斯特法伦州的一个市镇，在科隆附近。——译者注
[24]故事来自论文：P. K. Wang and G. L. Siscoe, “Ancient Chinese Observations of Physical Phenomena Attending Solar Eclipses,” Solar Physics 66 (1980): 187–93, https://doi.org/10.1007/BF00150528; 以及 https://eclipse.gsfc.nasa.gov/SEhistory/SEhistory.html#-2136。
[25]参见论文：Yuta Notsu, et al., “Do Kepler Superflare Stars Really Include Slowly Rotating Sun-like Stars?: Results Using APO 3.5 m Telescope Spectroscopic Observations and Gaia·DR2 Data,” The Astrophysical Journal 876 (2019): 58, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ApJ…876…58N。
[26]来自推文：Mark McCaughrean, @markmccaughrean, January 5, 2020, https://twitter.com/markmccaughrean/status/1213827446514036736。
[27]对许多石器时代的文物［拉斯科洞穴、多尔多涅的鹰骨上的雕刻、巨石阵、那奥斯（Knowth）的月球图］的认识仍然是模糊的和有争议的。见论文：Karenleigh A. Overmann, "The Role of Materiality in Numerical Cognition," Quaternary International 405 (2016): 42-51, https://doi.org/10.1016/j.quaint.2015.05.026；P. J. Stooke, "Neolithic Lunar Maps at Knowth and Baltinglass, Ireland," Journal for the History of Astronomy 25, no. 1 (1994): 39·55, https://doi.org/10.1177/002182869402500103。有种观点认为，只有在可核实的书面资料出现时，人类才开始研究天空。然而，这种假设与人类强烈的好奇心是相悖的。
[28]参见文章：Jörg Römer, “Als den Menschen das Mondfieber packte,” Der Spiegel, July 16, 2019, https://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/mond·in·der·achaeologie·zeitmesser·der·steinzeit·a·1274766.html。
[29]国际天球参考系（ICRS）是一个将甚长基线干涉测量法（VLBI）对类星体的观测结果汇总而成的坐标系统。地球在该系统中的空间方位是根据国际地球自转服务（IERS）给出的地球方位参数确定的。例如，该参考系可以用来转换地球在国际地球参考系（ITRS）中的坐标和卫星坐标：https://www.iers.org/IERS/EN/Science/ICRS/ICRS.html。
[30]参见约翰·斯蒂尔的《中东天文简史》。John Steele, A Brief Introduction to Astronomy in the Middle East (London: Saqi, 2008). 研究古代中东的学者们已经找到了一些关于“替身”国王的证据。在美索不达米亚，当发生日食或月食的时候，恶兆所对应的国王会选择一位傀儡替代他充当国王。这名傀儡通常是囚犯或者智力有问题的人。在这段时间里，真正的国王作为普通的农民生活。只有在过了一百天之后，祭司们才会放他回去。
[31]《圣经·马太福音》2:1—13。他们也被称为“三王”，但《圣经》文本中没有任何地方明确说他们是国王，或者他们是三个人。通过故事内容和历史背景推测，《圣经》中的这几位人物很可能是受过占星学训练的专家。更多的细节参看我本人的WordPress博文（Heino Falcke, “The Star of Bethlehem: A Mystery (Almost) Resolved?” October 28, 2014, https://hfalcke.wordpress.com/2014/10/28/the-star-of-bethlehem-a-mystery-almost-resolved）以及其中引用的文献，特别是George H. van Kooten and Peter Barthel, eds., The Star of Bethlehem and the Magi: Interdisciplinary Perspectives from Experts on the Ancient Near East, the Greco·Roman World, and Modern Astronomy (The Hague: Brill Academic Publishers, 2015)。
[32]Bede, De Natura Rerum; Johannes de Sacro Bosco (b. 1230 AD), Tractatus de Sphaera, 参见：http://www.bl.uk/manuscripts/Viewer.aspx?ref=harley_ms_3647_f024r。
[33]参见John Freely, Before Galileo: The Birth of Modern Science in Medieval Europe (New York: Overlook Press, 2014)。
[34]参见文章：Sebastian Follmer, “Woher haben die Wochentage ihre Namen,” Online Focus, September 11, 2018, https://praxistipps.focus.de/woher-haben-die-wochentage-ihre-namen-alle-details_96962。
[35]印度天文学家阿耶波多（Aryabhata，生于公元476年）持有地心说的观点，但认为地球是在旋转的。参见：Kim Plofker, Mathematics in India(Princeton: Princeton University Press, 2009)。关于印度天文学，可参考文章：N. Podbregar, “Jantar Mantar: Bauten für den Himmel,” scinexx.de, September 15, 2017, https://www.scinexx.de/dossier/jantar-mantar-bauten-fuer-den-himmel。
[36]参见论文：Joseph Needham, with the research assistance of Wang Ling, Science and Civilisation in China: Vol. 2, History of Scientific Thought (Cambridge: Cambridge University Press, 1956), cited in “The Chinese Cosmos: Basic Concepts,” Asia for Educators, http://afe.easia.columbia.edu/cosmos/bgov/cosmos.htm。
[37]例如：Peter Harrison, The Territories of Science and Religion (Chicago:University of Chicago Press, 2015)。原书作者所写摘要见：https://theologie-
naturwissenschaften.de/en/dialogue-between-theology-and-science/editorials/conflict-myth。
[38]另一个在影视作品中也经常出现的类似谣传，就是希帕蒂亚（Hypatia）被基督教暴徒杀害、亚历山大图书馆被烧毁的故事。希帕蒂亚是一位勇敢睿智的女性，其重要性也毋庸多言。但希帕蒂亚事件并不能支持“科学与基督教之争”的论点。这起谋杀案更多是政治性的，而图书馆在她死时其实已经不存在了。除此以外，相关的事实证据也很少。参见：Charlotte Booth, Hypatia: Mathematician, Philosopher, Myth (Stroud, UK: Fonthill, 2016) 以及 Maria Dzielska, “Hypatia wird zum Opfer des Christentums stilisiert,” Der Spiegel, April 25, 2010, https://www.spiegel.de/wissenshaft/mensch/interview-zum-film-agora-hypatia-wird-zum-opfer-des-christentums-stilisiert-a-690078.html；还有：Cynthia Haven, “The Library of Alexandria—Destroyed by an Angry Mob with Torches? Not Very Likely,” The Book Haven (blog), March 2016, https://bookhaven.stanford.edu/2016/03/the-library-of-alexandria-destroyed-by-an-angry-mob-with-torches-not-very-likely。
[39]今天“普鲁士”一词常被误用为德国的同义词，因而需要稍微解释一下：普鲁士本非德意志民族。哥白尼出生在西普鲁士的托伦，此地当时属于波兰。——译者注
[40]一般公认是来自米德尔堡的汉斯·利伯希（Hans Lipperhey）发明了望远镜，但也有其他人声称自己才是望远镜的发明者。
[41]参见：Mario Livio, Galileo and the Science Deniers (New York, Simon & Schuster, 2020)。而相反的观点可见该书的这篇评论：Thony Christie, “How to Create Your Own Galileo,” The Renaissance Mathmeticus (blog), May 27, 2020, https://thonyc.wordpress.com/2020/05/27/how-to-create-your-own-galileo。克里斯蒂（Christie）指出我们现在所知的伽利略的形象被大大诗化了，并毫不吝啬地对利维奥（Livio）的著作大加抨击。
[42]参见：Ulinka Rublack, Der Astronom und die Hexe: Johannes Kepler und seine Zeit (Stuttgart: Klett-Cotta, 2019)。
[43]牛顿是一位神学教授，作为《圣经》学者的成绩在其同侪中也堪称杰出。不过，他也秘密探索炼金术和异端思想。见：Robert Iliffe, “Newton’s Religious Life and Work,” The Newton Project, http://www.newtonproject.ox.ac.uk/view/contexts/CNTX00001。
[44]在《星球大战IV》中，汉·索罗自豪地宣称他仅用12个秒差距就完成了科舍尔航线。这听起来像是在说时间，不过一些粉丝表示他的原意就是说距离。参见：https://jedipedia.fandom.com/wiki/parsec。不管怎么说，不管何时听到这句话，天文学家们总会觉得坐立难安。
[45]参见论文：Alberto Sanna, Mark J. Reid, Thomas M. Dame, Karl M. Menten, and Andreas Brunthaler, “Mapping Spiral Structure on the Far Side of the Milky Way,” Science 358 (2017): 227–30, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017Sci…358..227S。
