本书纸版由浙江人民出版社于2019年9月出版

    作者授权湛庐文化(Cheers Publishing)作中国大陆(地区)电子版

    发行(限简体中文)

    版权所有·侵权必究

    书名：如果，哥白尼错了

    著者：凯莱布·沙夫

    电子书定价：71.99元

    THE COPERNICUS COMPLEX: Our Cosmic Significance in a

    Universe of Planets and Probabilities by Caleb Scharf

    Copyright ? 2014 by Caleb Scharf

    Published by arrangement with Scientific American, an imprint

    of Farrar, Straus and Giroux, LLC, New York.

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    了望远镜，并观测到了木星的卫星和金星的相位，进而说服了自己，哥

    几十年后，意大利人伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)发明创造

    的科学史。

    表明地球自转并围绕着太阳公转——这次降级将重新书写人类这一物种

    已完成的宇宙日心说模型，将地球从宇宙的中心移到了次一级的位置，coelestium)，开启了“天球的革命”。在该书中，哥白尼提出了他

    Copernicus)出版了《天体运行论》(De revolutionibus orbium 一个多世纪以前，波兰科学家、博学家尼古拉·哥白尼(Nicolaus 这一年是1674年，正处于西方科学与思想发生深刻变化的时期。

    成一个宇宙，那么另一滴，再一滴，以及地球上所有的水滴呢？

    宇宙般宏大的巨人，观察着另一个不包含他的世界。如果这滴水能够自

    是令人震惊的一幕。此时，列文虎克不只是一个渺小的人，还是一个如

    注视着它们的列文虎克视而不见。这一切，列文虎克之前从未见过。这

    有细长尾巴的钟状生物，它们摆动着、回转着，忙碌地游来游去，对正

    在这一滴水的世界内，遍布着蜷曲的螺旋状物体、蠕动的斑点和带

    现自己一头栽进了一个全新的世界，一个充满异域风情的都市。

    游时舀回来的。当他调整仪器，放松眼睛重新聚焦时，列文虎克突然发

    小东西的另一头，是一滴湖水的样本，是他前几天在荷兰代尔夫特市郊

    注地用一个由一小片碱石灰玻璃制成的镜头看着什么。在这个亮晶晶的

    (Antony van Leeuwenhoek)1，此时正紧闭着一只眼，另一只眼专

    身为窗帘商人，同时也是位正在成长的科学家的安东尼·列文虎克 这一切都始于一滴水。

    从微观世界到浩渺宇宙

    序幕

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    现。组合型显微镜4使目光敏锐、思维敏捷的胡克能够绘制出所有这些

    这种利用一系列镜片放大事物的技术在大约16世纪晚期刚刚出

    ——显微镜下看到的世界的图集。

    大纹理图的聚宝盆——从昆虫到矿物、鸟羽及植物。它是从另一双眼睛

    畅销的科学著作，内容丰富而详细，是最令人难以置信的、包含万物放

    《显微制图》是羽翼未丰的英国皇家学会的第一本重要出版物，第一本

    Hooker)2所写的伟大著作——《显微制图》(Micrographia)3。

    1655年，列文虎克得到了一本英国科学家罗伯特·胡克(Robert 的发现——微观世界的。

    特征最终促使他留下了大量的观察与著作遗产，这些都是关于他最伟大

    心、有着广泛兴趣的人，有一次他描述自己“渴望知识”，而这一性格

    个从事亚麻织品与毛织品交易的成功商人。列文虎克也是一个充满好奇

    没有接受更多特别的教育。作为一个年轻人，他很快将自己打造成了一

    变化万千的世界。他的童年时代相当平凡。除了基础教育，列文虎克并

    安东尼·列文虎克于1632年出生于代尔夫特，来到了这个每天都

    二的。

    外的任何指引。无论以哪种标准评判，这一时刻都是人类历史上独一无

    使太阳系和宇宙的排列呈现出一种朴素的美，无须遵照物理学和数学之

    理》)，提出了万有引力定律和牛顿力学，而这些理论将在不知不觉中

    (Philosophia Naturalism Principia Mathematica，常简称为《原

    牛顿(Isaac Newton)出版了他的不朽巨作《自然哲学的数学原理》 文虎克凝视水滴的那一时期往后推十几年，伟大的英国科学家艾萨克·

    圆，使得当时关于宇宙的所有观念都变得站不住脚。而从我们知道的列

    地球本身的轨道而更进一步，表明轨道并非完美的圆形，而是偏心椭

    人约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)通过罗列出行星轨道、包括

    到罗马宗教裁判所的审查时，伽利略付出了高昂的代价。同时代的德国

    白尼的观点是正确的——彼时，伽利略的观点被视为异端邪说，当其受不可思议的东西，仿佛它们就在每个人的眼皮底下。但即使是胡克所拥

    有的最好的显微镜，也只能放大10～50倍。更深的底层可能会有什么

    呢？对列文虎克来说，这一谜团引发的好奇心让他无法抗拒，于是他开

    始自学必要的光学技术，来探索这个神秘的未知世界。

    直至今日，人们对于列文虎克究竟如何制造出他的显微镜5尚存疑

    惑。他本人对这一切讳莫如深，颇具戏剧性的是，他总在家里大门紧闭

    地忙碌着。但从他遗赠给英国皇家学会的仪器和拜访过他家的客人的说

    法来看，我们知道，他主要的成果是打磨得十分微小的、完美的玻璃珠

    ——可能通过将玻璃纤维拉长、融化并将尾端黏合在一起的方法制得。

    然后他将这些球形镜片以毫米级的焦距安装在带有螺旋状的悬臂的小黄

    铜板上，这使得样本能够正好处于镜片前。将这样一块平板置于眼前，列文虎克能够获得惊人的放大倍数，最好的情况甚至可以放大到500倍

    (见图0-1)。

    5

    1674年9月的一天，这位商人可以将这滴命中注定的水7放在为它量身

    制作了一个显微镜，并且每一次都是量身打造。因此，几年之后，作了超过200个6显微镜。事实上，他几乎为所有他想要研究的对象都

    列文虎克制作了不止一个或几个显微镜，在创新爆发的时代，他制

    它放置于眼前时，光学系统便形成了。

    注：样本可以放置在可调节金属探针的尖端，探针正处于固定玻璃镜片的平板的开口前方。将

    图0-1 列文虎克显微镜的模拟示意图

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    微镜的发现而发生翻天覆地的变化——即使有人揭露了一个并不包含人

    物!”似乎当时的人们并不认为，他们在宇宙中的地位10会因为基于显

    到大街上喊出这一新闻：“我们并不孤单!我们周边充满了小生

    思考过任何的宇宙意义。在我看来相当不可思议的是，当时竟没有人冲

    的发现感到很激动，但也没有太多现象表明列文虎克或者当时的任何人

    并没有什么证据能证明列文虎克考虑过这些问题。人们当然对这样

    在世界的力学也可能包括正在注视着它们的那双巨大的眼睛？

    的占领者会不会正在忙着证明它们是宇宙的中心，并试图推导出它们所

    过，这些游动、旋转的小生物也在回望着他呢？他是否好奇，那滴水里

    年的时间来探索和记录越来越多的标本和样本。但列文虎克是否曾经想

    对能够揭露之前所有人都看不到的世界满怀欣喜，而且他花费了随后几

    何感受。不难想象，他一定很惊奇——列文虎克的笔记和著作显示，他

    我常常会思考，当列文虎克看到这些蜂拥而至的“微生物”时会有

    过其他一切事物，正如它们在过去的30亿～40亿年内一样。

    经知道，细菌存在于地球上大多数的生物体内，其绝对数量和多样性超

    使人类第一次实现了对细菌这个单细胞物种的惊人一瞥。而如今我们已

    厌恶的“海洋”中欢快地游动着。这些各不相同而又充满活力的生物，发现了更多的东西：几十、几百、几千个更小的“微生物”在令人相当

    黏糊的唾液，以及人牙齿上的斑块。将这些样本放在镜头下，列文虎克

    这些“其他领域”包括极少受到关注的人类嘴巴9的角落和缝隙、到了其他领域。

    水中存活，那么它们就可以在任何地方存活，于是他将自己的观察扩大

    的窥视。列文虎克很快就意识到，如果这些微小的生命形式能够在一滴

    不为人所知的生物组织。它们太小，难以用肉眼看到，从而躲开了人类

    可能也是一段相当令人震惊的旅程。在这些水滴里8，他发现了当时尚

    列文虎克对光学的过人天赋将他带到了微观世界，而非外太空，这

    定制的显微镜观测台上。

    7

    现在是21世纪，我们正站在颠覆性事件终点的风口浪尖上，来探索生

    世界既不是微观世界，也不是宇宙，而只是这两者之间很狭窄的地带。

    的交叠变革揭示出人类只占据自然世界的一小部分；我们通常意义上的

    他任何时期都动摇得厉害。现代光学、天文学、生物学、化学和物理学

    的确，在过去的500年里，科学见证了人类的重要地位比历史上其

    样平凡无奇。

    所有存在的中心，人类并不“特殊”。事实上，我们和某些其他生物一

    他行星一样，围绕着这颗炙热的球体旋转。这一世界观断言，人类并非

    白尼定律了，它证明了太阳而非地球占据了宇宙中心，自转的地球和其

    的宇宙时间和无关紧要的碎片构成的虚幻之中。最关键的证据莫过于哥

    也许我们感觉到，这些问题打开了某种场景的大门，让我们置身于流逝

    的行为一再出现，尽管人类也一直想要知道自己是为何并如何存在的。

    程度，但大部分人认为，人类整体的重要性远超出其渺小。这种唯我论

    文化一定会发生变化，会改变人类对自然环境和共同居住者的尊重

    所有事物之上的偏好，丝毫不管摆在人类眼前的证据。

    是一种延续至今的行为，一种自动假设人类及其存在的意义凌驾于其他

    于人类奇特而又强大的心理，涉及人类最基本的进化史和生存本能。这

    观点不仅仅是时代的产物，它还反映了一种偏好，这种偏好深深地根植

    为世人所接受，很大程度上与人类的宇宙重要性并无关联。这一狭隘的

    17世纪，列文虎克发现的微生物的地下世界仅被当作有趣的事实

    21世纪，我们也才刚刚开始了解这一引人瞩目的共生。

    亿地群居在人的肠道内，与人的生理构造密不可分。即使到了现在—— 才意识到这些微观世界的“居民”如何成了人类基本组成的一部分，成

    时，人们才真正意识到细菌会引发疾病。在那之后的又一个世纪，人们

    们的生活之间的真实关系。直到又一个200年后，也就是19世纪中期11

    公平地说，这当中有部分原因是，当时人们尚未认识到微生物与他

    类自身的现实世界。

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    道而驰的一种可能。然而，正如我接下来将讨论的，哥白尼定律作为普

    能并不适用于你住在城里另一边的朋友，这是与我们所知的所有事都背

    的。这非常合理。如果这些归纳总结不是真的，适用于你的物理定律可

    为，任何取决于特殊起源或独特视角的科学理论从根本上说都是有问题

    随着时间的流逝，人类将非中心化观念扩展得更远。我们现在认

    流宇宙力学分析的核心思想。

    并不重要，而且这一观念的某些部分在科学上也令人反感：它挑战了主

    这是个恐怖的观念。这一观念在神学上毫无吸引力，因为它暗示了人类

    论更加直白浅显地解释了这一切。但对和哥白尼同时期的很多人来说，为它有效地解释了太阳、月球以及天空中行星的运动，并且比以往的理

    我们会分析哥白尼提出的非中心现实如何合乎逻辑又令人信服，因

    对头顶这片天空白天与黑夜的体验。

    析，以服务于科学与哲学。这种想法的根源是朴素的，它们不过是我们

    得到问题答案的关键是，要非常仔细地将最伟大的定律之一分解剖

    当下，达到更高的洞察力水平。

    些结论，并展示一个方法，表明它如何使我们对宇宙中生命的认识超越

    程中我们如何挑战了诸多成见与自负。我会论证目前已经可以得出的一

    案；探索、理解我们的宇宙意义是如何取得实际的进展的，以及在此过

    《如果，哥白尼错了》这本书主要讲述我们如何得到这些问题的答

    文虎克第一次看到微观世界时产生的令人眩晕的感觉一样。

    的真空中诞生的无数宇宙实体之一？这种想法绝对让人头晕目眩，与列

    更深层的问题相关：人类所在的宇宙本身，是否只是那些从最基本概念

    最令人惊奇的是，我们现在有理由相信，这些可能的结果与另一个

    人类不过是身处这个巨大裂缝的一个小小的孤独群体。

    的一个而已。或者人类在宇宙中是孤独的，在大张的时间与空间之缝，类终究就像代尔夫特湖中一滴水里的微生物一样，只占据了亿万世界中

    命是否存在于地球之外的其他星球的真正可能性。我们也许会发现，人遍科学问题的一个包罗万象的指南，可能已经走到它能发挥作用的尽头

    了。

    确实，当人类不再是宇宙中心并且现在已经知道宇宙无中心时，我

    们似乎在宇宙中占据了一个非常有趣的位置——在时间、空间及规模

    上。此前，关于这些有过大量讨论，有的最终假设地球是非常特殊

    的“罕见物”，特别是考虑到智慧生物技术上的发展。这个结论很极

    端，然而我并不相信它已被令人信服地证实。我会告诉你们原因。

    尽管如此，环境的特殊性(我们在微生物世界与宇宙之间的地带，在绕着一颗年龄适当的恒星旋转的岩石行星上)依然对人类在宇宙中意

    义的推论，以及我们搜索宇宙中其他生命的方式影响最大。人类自身宇

    宙“位置”的特殊性也提供了重要线索。为了能够在确定的宇宙状态下

    实现真正有效的科学进展，我们必须找到一种方式，一种能够看到自身

    之平凡的方式。我将展示一种方法来实现这一点。

    寻找人类的宇宙意义，解决哥白尼式平凡与我们认为的特殊之间的

    矛盾，这样的探索将带领我们从地球最久远的历史到达最大限度的未

    来，到达我们所在星系的行星系统；带领我们从天文学的伟大宇宙到达

    生物学的微观世界；也将带领我们到达宇宙起源科学研究的前沿——通

    过数学魔法与对自然的精妙观察进行的探索；还将引导我们坚定地审视

    自身所在的特殊的环境，以及人类在宇宙中的地位。

    9

    10

    我们确实是“我们”

    生命的乐高，我们生活在碳化学的宇宙中

    交替的自给循环

    微生物引擎，不断重复的调整

    05 生命的算法

    PART 2 生命是复杂的，也是稀有的

    我们只是一叶扁舟

    随机构建1000个虚构系统

    想象每一种未来

    04 伟大的错误

    探寻生命的信号

    欢迎来到地外行星联盟

    行星又小又暗淡

    03 比邻而居

    思索人类在宇宙中的位置

    银河系观察者视角

    太阳系如何诞生，真正的起源

    陨石，最古老的岩石

    恒星的形成

    太阳系，也只是微光中的尘埃

    02 十亿年的狂欢

    我们不是宇宙中的唯一

    宇宙不是永恒不变的

    天球的革命

    01 如果，哥白尼错了

    PART 1 独一无二的我们

    序幕 从微观世界到浩渺宇宙

    目 录智力，迄今为止最伟大的生存策略之一

    06 宇宙平原的捕猎者

    贝叶斯定律，寻找其他生命可能性的启示

    我们是孤独的，还是到处都是生命？

    飞出地球

    PART 3 地球与人类存在的第三种意义

    07 这里发生的事与众不同

    概率审查与随机性

    现实本身的性质问题

    08 我们是谁，我们的诞生与存在

    生命本身的基本性质

    宇宙混沌与生命的平衡

    不断变化的概念生命

    地球上的生命没有明显的特别之处

    直面哥白尼情结

    注释

    致谢

    11

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    13公元前3世纪，在爱琴海一处风景宜人的地方，沿着现今的土耳其

    西海岸，长满葡萄树的萨摩斯岛上，古希腊哲学家阿里斯塔克

    (Aristarchus)有了个伟大的想法1。他提出，地球是会自转并且绕着

    太阳旋转的，并将熊熊燃烧的太阳球放在了天空的中心位置。这至少是

    个大胆的想法——阿里斯塔克的“日心说”在当时是非常离谱的，而哥

    白尼重提这一概念时还在遥远的“未来”。

    阿里斯塔克的成果记录只是只言片语，大部分记录又集中在他用来

    论证太阳比地球大得多的精妙几何分析上。但显然，他从这一视角得出

    了太阳是已知宇宙的中心以及恒星离地球异常遥远的结论。这对当时人

    们的疑问来说是一个巨大的、质的飞跃。它也要求人们能够理解被称

    为“视差”(parallax)的现象。

    视差局限于大地与天体，这是个容易理解的概念。你可以这样做：

    闭上一只眼，举起一只手，五指张开，并从侧边去看，当你将头从一边

    移动到另一边时，随着你的着眼点或者视野角度发生变化，你会看到不

    同的手指一根接一根地出现又消失。

    14

    就在阿里斯塔克使这一观点变得众所周知前不久，伟大的哲学家亚

    于我们无法随地球位置的移动观测到它们的视差。

    果地球不是固定在所有存在的中心，那么那些恒星一定非常遥远，以至

    恒星似乎并没有任何视差；它们从不会互相移动。所以他推理得出，如

    阿里斯塔克的部分大胆论证包含了这样一个事实，即夜晚天空上的

    也越小。

    些物体离得越远，变化越不明显，而它们之间能够感知到的角度偏差

    远处物体出现位置的明显变化与彼此相关，取决于视线范围。这

    视差里士多德因缺乏视差观念而否定了恒星比行星更遥远的可能。亚里士多

    德的观点建立在理智与常识之上。它基于甚至更早一些的观念，即地球

    是存在的中心。亚里士多德看待这一切的方式非常简单：如果无法观测

    到这些恒星视差——它们相对于其他恒星位置没有变化，那它们一定是

    固定在天空的某一层，围绕着地球，静止不动。

    一切听起来都合乎逻辑，除了亚里士多德自己倡导的宇宙学(由他

    的导师柏拉图的思想总结得出)——这一宇宙学理论认为，宇宙由大约

    55个厚的水晶透明球体以同心圆形式嵌套在固定不动的地球外围构

    成，每个球体都带有行星和恒星。在这个地心说的宇宙中，地球是所有

    自然规律的中心，恒星和行星简单地遵循着永远围绕着地球的圆形路

    径，就像水晶球体一样在滑动旋转。

    你可能会问：为什么亚里士多德需要55个2球形水晶层来建立他的

    宇宙学？部分原因是，他不得不对宇宙力学系统和力的转移做出解释。

    一个球体会摩擦到另一个球体，推动它绕圈——这是一个伟大的运动和

    机械构想，保证了所有物质都在天空中按轨迹行走。这一结构意图解决

    另一个未来的宇宙论者所面临的最为关键的问题；与恒星不同，行星在

    天空中的运行更为复杂。

    这些复杂的移动是一大难题，阿里斯塔克以及后来的哥白尼试图通

    过置换地球来解决。

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    星轨道的速度在不同的时刻看上去都有快有慢，这些坏家伙的亮度也

    跟头。类似金星和水星的行星甚至更为颠覆：它们经常无处可寻，行

    位置；有时它们还会反转轨道，在继续行进之前上演几个月的天体翻

    不只是做着与恒星有关的运动，在夜晚，可以明显地看到它们移动了

    star)，而大部分拥有明亮的反射光线的行星确实在游走。行星似乎

    “行星”一词来自希腊语短语“游走的恒星”(wandering

    行星

    16

    了一个地心说“修正”3的说辞，解释了行星划过天空时那些烦人的新

    相反，接下来的几十年里，一群自然哲学家追随阿里斯塔克，想出

    里士多德的教诲。

    行宇宙。毫不奇怪，许多世界并不会好好地坐在那儿，聆听柏拉图和亚

    数个有人居住的世界，坐落于空间与时间的抽象形式里，这些构成了平

    些思想家认为，地球可能并不是独一无二的。事实远非如此，应该有无

    心的、统一的内部，而大小、形状、质量各不相同。原子的概念使得这

    念，可以被用来描述无数的架构。原子太小，无法被看到，它们有着实

    间。当时的原子与我们现在所知的原子不同，是物质组成单元的哲学概

    想家反而拥护一幅现实来自不可分割的碎片与虚空的画面——原子与空

    同，德谟克里特(Democritus)和伊壁鸠鲁(Epicurus)等古希腊思

    憎恶。与柏拉图和亚里士多德的倾向(主张神圣而唯一的地球创造)不

    人们反感日心说，另一方面大概源于对这一想法暗含的多元主义的

    可怜的阿里斯塔克因此而受到重罚。

    置移开就是可恶的：认为地球和人类不再是所有事物的核心实在荒唐，到让人无法察觉。抛开缺乏可看到的视差不算，把地球从高级的中心位

    它。如果地球在移动，恒星间应该会有非常明显的视差，当然不可能远

    这简直是一个引人入胜的、有事实基础的想法，但很多人都讨厌

    使得它们看起来时而明亮，时而暗淡。

    移动时而向前，时而向后，而我们与行星之间的距离也会产生变化，这

    着地球本身以圆形轨道运行而发生了偏移。自然地，我们相对于行星的

    这一结构中，产生如此奇怪行为的原因很简单，即我们自己的主视角随

    多奇怪的向后移动的行星——也就是后来人们所知的“逆行”运动。在

    口气，因为将地球放在绕太阳的圆形轨道上很容易就解释了为什么有很

    所以你可能认为，当阿里斯塔克提出日心说系统时，人们会长舒一

    总在变化。奇运动，并且保证了地球仍然是宇宙独一无二的中心。他们解决天体运

    动困境的方法可能最初起源于阿里斯塔克和亚里士多德产生分歧之后的

    一个世纪内，大约在公元前2世纪，由天文学家、几何学家阿波罗尼奥

    斯(Apollonius of Perga)提出。

    之后，这一解释归功于克罗狄斯·托勒密(Claudius

    Ptolemy)。他生活在阿里斯塔克之后约300年的时代。希腊罗马市民

    托勒密定居于罗马帝国统治下的埃及，他是个创作丰富的思想家，在很

    多问题上做出了意义非凡的贡献，包括天文学、地理学、星相学和光学

    等领域。最重要的是，他创作了一部天文学著作《天文学大成》

    (Almagest)4，其中关于宇宙的观点在接下来的1400年里仍然长盛

    不衰。

    在托勒密的系统里，地球坚定地固定于宇宙的中心，外面围绕着月

    球、水星、金星，然后是太阳，接下来是火星、木星、土星，以及固定

    恒星的大毯子——所有的圆形轨道。为了使这一排列符合我们在天空中

    看到的复杂运动，他增加了一系列非常巧妙地沿着特殊圆形轨道(均轮

    和本轮，见图1-1)运行的额外运动。讽刺的是，这些额外运动的中心

    位于与地球有一定偏差的中心上(但在几个世纪里，这一小问题都被满

    腔热情的地心学说家忽略了)。

    17

    星在天空中的轨迹看上去就时前时后，随着运动时远时近。

    注：以火星为例，火星沿着一个小圆即本轮运动，本轮依次沿着更大的均轮运动。结果呢？火

    图1-1 托勒密对地心说宇宙学中行星运动所做的几何解释(简版示意图)

    18

    议而得出的。

    有这些思想，都是由回顾众多早已离世的古希腊思想家的不同假设与提

    想要的是一个以数学为基石的宇宙，还是一个更抽象的哲学宇宙。而所

    在需要一个混合和匹配的宇宙时为方便起见而胡乱拼凑的。这取决于你

    过程中最有趣的部分之一。在这个阶段，零散的思想与世界观通常只是

    层是宇宙学发展过程中最有趣的部分之一，或者至少是太阳系模型发展

    时期，确实没有一个简单的、令人普遍接受的宇宙排列细节图。这种断

    不考虑地心说的重要性，在14世纪，哥白尼与托勒密之间的过渡

    构。

    科学体系、哲学以及宗教思想发出挑战——包括与之相关的权力行政机

    机械动力的关键部分。如果你试图挑战地心说宇宙学，你就是在向整个

    血管帮助保证了血液的流动，地心说的球体和那些本轮成了可见宇宙中

    域，这些思想又错综复杂地被归到一个统一的概念性框架里。就像动脉

    之后，随着托勒密的思想被纳入中世纪西方世界的宗教和哲学领

    和神学家们。

    真理为基础，并且契合这位伟大哲学家的思想。这一模型安抚了数学家

    太阳、月亮和行星以地球为圆心的运动轨迹和性质，以几何学的精确与

    还不至于让每个人都垂头丧气。这毕竟是一个令人信服的模型，解释了

    测量的结果多少有些不同5。行星会过早或过晚地到达指定的位置，但

    即使构想如此巧妙，系统仍然无法满足所有期待——总与天文学家

    出最适合已知世界真实情况的可能。

    迹，需要小心翼翼地计算每一个本轮和均轮的大小，并按顺序排列，给

    点，托勒密的系统需要非常精确地调校，以符合实际观测到的行星轨

    路径的主要特点——行星一会儿在前、一会儿在后相符。为了满足这一

    围绕着与地球分离开来的一个点运动。最终结果与我们看到的行星运动

    种圆被称为本轮，而本轮自身依次沿着大一些的圆即均轮运动，这些圆

    在这样一个巧妙的排列里，行星和太阳沿着小一些的正圆运动，这

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    比托勒密多年以前设计的那个模型更精确的模型。

    哥白尼特别注意这一点，经常打破常规，想要找到答案，渴望发现一个

    的相关部分。这一时期，其他的观测者也意识到了这些偏差，但勤奋的

    测越来越感兴趣——特别是对托勒密系统中月球与行星行为测量出偏差

    早期的学习助哥白尼前往意大利进一步求学，在那里，他对天文观

    难的工作，甚至在科学调查之余还创作诗歌，并参与政治事务。

    包括天文学的教育。哥白尼十分渴求知识，终其一生，他都没有逃避困

    古希腊，这是工作前必不可少的预设课程)，还有数学及自然科学——

    识广的家庭。他接受了良好的教育：包括深入细致的哲学基础教育(在

    这里就被割让给了波兰。哥白尼运气不错，出生于一个家境富裕且见多

    尼古拉·哥白尼出生于1473年2月19日，成长于普鲁士，不久后

    天球的革命

    已经成熟，所需要的只是一个合适的人。

    来看，中世纪的宇宙模型非常复杂且充满了矛盾。做出巨大改变的时机

    学领域接受、成为一体的需求。事实上，公平地说，以现代科学的眼光

    型方面都没有什么真正的进展——特别是考虑到要被西方世界的宗教哲

    所以，直至15世纪晚期，人们在构造地球、行星、恒星的运动模

    型或许并不完美，但人类对宇宙的观测水平尚不足以反驳这些观点。

    密只看得到地心说模型，并且将更加详尽的地心说结构展现给世人。模

    行星运动的数据本身精度也有限，知识的缺乏使亚里士多德和托勒

    念，只是单纯地假设其数值是0。

    度和距离。这一限制意味着他们可能对恒星的视差移动这类问题毫无概

    观测，他们严重受限于当时的条件，仅能用肉眼和简单的工具来测量角

    的测量精度。亚里士多德和阿里斯塔克并不是漫不经心地进行着天文的

    与宇宙论的历史同等重要的是，如此多的特性都依赖于当时可达到

    20

    命”。

    (确切地说是临终前)出版了巨作《天体运行论》，开启了“天球的革

    尼才拿出这些著作，并且更加仔细地研究了他的理论数学成果，最终 流行帮助他获得了不小的名望，但直到数十年后，即1543年(2)

    ，哥白

    哥白尼确信我们宝贵的地球自转并穿越宇宙。尽管《天体运动假说》的

    这些公理是人类思想巨大变革的起源。通过更多推理演绎的力量，象。”

    说：“地球单一地运动，因此，这足以解释宇宙中如此多的不寻常现

    在这个最新的想法出现后，哥白尼十分激动地在他的短论里补充

    ● 人们看到的行星向前和向后运动，是地球运动引起的。

    生的，而是地球运动引起的，地球同时进行着几种运动；

    ● 在天空中看到的太阳运动的一切现象，都不是它本身运动产

    ● 在天空中看到的任何运动，都是地球运动引起的；

    ● 地球到太阳的距离同天穹高度之比是微不足道的；

    ● 所有天体都绕太阳运转，宇宙的中心在太阳附近；(1)

    ● 地球只是引力中心和月球轨道的中心，并不是宇宙的中心；

    ● 不存在一个所有天体轨道或天体的共同的中心；

    用现代语言来解释这些的话，以下就是哥白尼关于宇宙的认知：

    远见的公理6。

    持者则对此不屑一顾。该短论的内容也许很少，但包含了七大重要而有

    内流行起来，引起了同时代人的兴趣与重视。毫无疑问，另一些主流支

    在他有生之年，这本短论从未正式出版过，一部分副本却在有限的范围

    础的草稿——40页的短论《天体运动假说》(Commentariolus)。

    16世纪早期，哥白尼起草了之后成为其完整太阳系日心说模型基

    21

    镜，仅仅用裸眼和精巧的测量设备来观测宇宙——发明了新版象限仪、Brahe)9在观察和记录宇宙方面实现了巨大的进步。他没有使用望远

    在同一时期，富有的丹麦贵族、天文学家第谷·布拉赫(Tycho 1600年，罗马宗教裁判所判定布鲁诺为宗教异端，并处以火刑。

    然观。但他对宗教事务及其煽动性的反对立场引起了当权者的注意，布鲁诺在古希腊原子学家研究成果的基础上，倡导一种有先见之明的自

    恒星、穿过广袤的宇宙一定有无数其他的有人居住的世界等想法。

    鲁诺不仅支持日心说，还支持宇宙实际上是无限的、太阳只不过是一颗

    会的修士诞生于哥白尼离世5年后的1548年。对科学与哲学的研究使布

    鲁诺(Giordano Bruno)7，为其观点付出了惨痛的代价。这位道明

    反对者，与大声疾呼的拥护者一样多。一些反对者，比如乔尔丹诺·布

    哥白尼发表《天体运行论》之后的几十年内，涌现出大量的托勒密宇宙

    宇宙不是永恒不变的

    么样的变革呢？

    道。然而，哥白尼已经种下了科学思想变革的种子，它最终会演变成什

    移动。这符合经典主义、奇妙的几何，但错得离谱——他自己并不知

    论是在大的球壳还是本轮上，都应该是完美的正圆，并且以恒定的速度

    在于哥白尼固守着一套亚里士多德时代的想法。他假设所有的运动，不

    这一潜在的物理排列更加完善，但对它的应用仍然是个噩梦，原因

    轨迹运动的真实行为。

    中一部分。他继续使用本轮这一概念，以更加匹配行星和太阳沿着周期

    果。事实上，哥白尼并没有废除托勒密地心说的全部设置，只废除了其

    上，仍然有某些确定的特性使得哥白尼的模型难以符合天文学观测结

    在知道的，除非正确地把地球、太阳、行星和恒星放在它们各自的位置

    虽然这一模型大大改变了宇宙的形状，但它仍不完美。正如我们现

    22

    特别是在与科学有关的事上。对光学的科学研究让他推导出基本的亮度

    开普勒的一生和他所做的研究是复杂的，他是个忙碌而高产的人，计，但存在严重的缺陷。)

    赖于一系列三维多面体互相套切——这是一个很吸引人的几何图形设

    教的影响。(这也许有助于解释为何他第一次建立的日心说宇宙模型依

    是个虔诚的教徒，他认为所有决定了天体位置和运动的事物都是由于宗

    哥白尼的宇宙系统。有趣的是，开普勒不只是个有强迫症的数学家，还

    《宇宙的神秘》(Mysterium Cosmographicum)一书中坚决地拥护

    在1600年，也就是遇到布拉赫的4年前，开普勒在他的出版作品

    步来自他的助手，生于德国的约翰尼斯·开普勒。

    拉赫对天文观察小心翼翼的呵护最终促成了最为关键的下一步——这一

    点但仍为自己的科学信仰感到担忧的支持者一个便利的折中位置。但布

    他能轻易地说明这一事实。更好的是，这个系统给了那些拥护哥白尼观

    为他仍未检测到恒星的视差，而保持“懒洋洋的”地球固定不动意味着

    虽然这一学说是人为创造的，但布拉赫认为他的设定令人满意，因

    球旋转，而其他所有行星围绕着太阳旋转。

    的“第谷理论”——地日心说系统。在这一系统中，太阳和月球绕着地

    地试图兼并，或者至少是使托勒密和哥白尼的宇宙一致。他创造了自己

    好的测量天体位置和亮度的方法，并解释它们的排列顺序。布拉赫努力

    大的内爆。看到这类原始事件的体验，大大鼓励了西方天文学家制定更

    太阳系8000光年的自重过重的白矮星无法承受自己的重量，发生了强

    我们现在知道他观测到了一颗超新星，当时的情况显示：一颗距离

    变化，而且变化还很巨大。

    在那里出现过。布拉赫得出一个结论，即宇宙不是永恒不变的——它会

    11月的夜空中。这颗恒星表现出了可辨别的视差，但显然之前它从未

    1572年的某天晚上，26岁的布拉赫目睹了一颗新的恒星10出现在欧洲

    六分仪、浑天仪来测量角度、位置和坐标系，其精度令人不可思议。平方反比定律：光源强度与光源距离的平方成反比。在观测到1604年

    的又一次超新星爆发后，开普勒同布拉赫一样推理出因为缺乏可测量的

    视差，亚里士多德的“永恒不变的宇宙”可能并不是个正确的模型。但

    最重要的是，面对托勒密和哥白尼关于行星运动问题的解释时，开普勒

    发现自己处于一个独特的位置。

    生活奢侈的第谷·布拉赫在1601年年末因受到感染而饱受摧残，最终不幸去世。开普勒全盘继承了11这位伟大的天文学家最完整、精确

    的天体位置与速度制表。部分消息声称，开普勒在布拉赫的资产被移交

    前，帮助挽救了这些记录。已经与布拉赫一起工作过一段时日的开普勒

    明确地知道自己需要些什么。

    布拉赫史无前例的测量结果给予了开普勒一个机会，使他能够继续

    处理无休无止的令人烦恼的问题：找到适合行星运动的完美体系，包括

    所谓的余差。在特殊的夜晚，行星可能并不是十分确切地处于模型推算

    出的位置，这是个非常刺眼的问题。

    23

    后，开普勒打开了一个全新的世界，因为如果物体运动的速度有变化，的：物体并不是以永恒不变的速度在移动的可能性。在加入这一考虑

    一条固定的轨道运行的。他继续考虑在这之前所有的宇宙模型都缺失

    实上，开普勒证明了如果地球是所有一切的中心，火星不可能是围绕着

    就开普勒所知的6颗行星里，火星的余差现象表现得最为明显。事

    择曾受到布拉赫早期建议的影响。

    星的观察上。我认为这是西方科学史上最浓墨重彩的一笔，即使这一选

    当开普勒坐下来研究这些大量的数据时，他选择将注意力放在对火

    不同时期预测的与行星的实际位置的差距。

    余差

    24

    在《新天文学》出版后，伽利略13制造了望远镜，观测到木星最明

    小。因此，越远的行星运动得越慢，这是理所当然的。

    的术语之下，开普勒仍然推导出这样的影响会随着行星远离太阳而减

    (如今我们将其定义为力)。这一想法十分大胆。虽然完全笼罩在神秘

    开普勒也意识到，在太阳与行星之间可能存在着一种看不见的影响 相等的时间内，这条线扫过的面积相等。

    ● 若在行星和太阳之间连上一条线，那么随着行星的移动，在

    置之一；

    ● 每一颗行星都沿椭圆轨道绕太阳运动，太阳处于两个焦点位

    行星运动的著名定律的前两条：

    (Astronomia Nova，又名《新天文学》)一书，书中总结了他描述

    1609年，开普勒将他的想法汇集起来，出版了《论火星的运动》 是消除令人苦恼的火星余差所需要的。

    星或任何物体在其远地点运动较慢，而在近地点速度加快。这一变化正

    但对水星的观察完全是依靠它临近太阳。开普勒推断在椭圆轨道中，行

    为椭圆的轨道。在开普勒熟知的行星里，只有水星拥有较大的椭圆率。

    在于，与金星、地球、木星和土星相比，它拥有最小的圆形，或者说最

    我们现在已经知道了，在哥白尼模型中，火星拥有怪异余差的原因

    圆形、抛物线、双曲线，以及最经典的椭圆形。

    到，所有行星运动的轨迹都属于一类被称为二次曲线12的曲线，可以是

    绝了它，直到通过猜想再次得到这个完全相同的解。开普勒最终意识

    状也不行。接下来，他只用数学方法来计算这些运动，得出一个解但拒

    开普勒尝试了适合他的行星运动的不同形状：蛋卵形不行，其他形

    从开始研究到得到答案花费了开普勒8年的时间。

    那么它们可能会沿着不是正圆的轨道运动。这并不是个简单的工作——

    25

    太阳在地球内，火星、木星、土星在地球外。不论是从内部世界还是外

    认为这一点正意味着地球是行星仪(行星轨道)的中心，水星、金星、星一样，在一个伟大的轨道上运行。讽刺的是，开普勒甚至写下了，他

    反，这意味着地球不再是一摞行星中“最底下”的那个；地球与其他行

    利略和开普勒似乎并没有将日心说看作是地球的地位降低了。与之相

    令人苦恼的是，这样的偏移主要受限于教会和当权者。事实上，伽

    一样激烈的论战。

    性质关键性的披露(向内和向外的)并没有引起与地球是否在宇宙中心

    起，揭开了之前神秘的、错综复杂的深层现实的面纱，尽管这些对深层

    后列文虎克在一滴水里、在人类的唾液中观测到的大量的微观世界一

    藏的天体这一点与当时人们对宇宙的理解背道而驰。这些观测与几十年

    正如第谷·布拉赫观测到超新星时的震惊一样，注意到天空中有隐

    经开始揭露那些真正影响深远的性质。

    片。这些现象的观测并没有获得它们值得获得的足够关注，但这一切已

    星组成的。恒星如此之多、如此之小，以至于在肉眼看来是模糊的一

    去光滑、像云一般的广阔银河时，伽利略惊奇地发现，事实上它是由恒

    镜，他可以找到正常人类视力难以注意到的暗淡的恒星。抬头仰望看上

    大门已经打开了。伽利略的观测也制造出一些其他的惊喜。通过望远

    比过去那些原子学家和多元主义者构想的更加富足、更加多样的宇宙的

    我怀疑当时没有任何人质疑过，但通向一个比人们以往想象的，甚至是

    动和排列并不完全遵循开普勒定律(这很快就将成为牛顿的物理学)。

    处在围绕中央巨大恒星的单一平面内，可能存在一些特殊的行星，其运

    如果“行星轨道是椭圆的”是一个普遍规律，这些路径就不需要都

    还潜伏着其他至关重要的东西，即对人类在宇宙中的意义的探索。

    使得伽利略与当时的教义起了正面冲突。但在伽利略绘制的宇宙图之下

    的冲突达到了顶峰，越来越多的证据支持一个以太阳为中心的系统，这

    亮的卫星的周期运动和金星的相位。这两个观测结果使各方天体世界观

    26

    家和科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯(Pierre-Simon Laplace)来说，完美的机械作用。对接下来一个世纪的其他思想家，如伟大的法国数学

    这一优美的物理解释正是至高无上的神学的证据，保证了天体的轨迹是

    牛顿的个性很奇怪，他拥有坚定的宗教信仰，对他而言，行星运动

    着肉眼无法看见的巨大世界的存在。

    下一章中讨论。我们测量恒星围绕这一中心点运动的轨道，因为它标志

    提供了一种解释，可以用来找到地外行星和太阳系以外的行星，我将在

    后一点事实与现代天文学的观点相似，为其他恒星系中同样类型的偏移

    离，而这在很大程度上是由有着巨大体积的木星和土星的引力引起的。

    甚至肯定这一点离观测到的太阳表面很近——与它的核心有着较大的偏

    在围绕着变化的点——系统中所有物体的质量中心或者平衡点旋转。他

    析。牛顿特别提到，忽略太阳系以太阳为中心的性质，太阳本身确实是

    学。他也展示了对月球运动、彗星轨迹和两个以上的物体间引力的分

    律的数学证明，第一次向世人展示了控制行星的规则来自基本的物理

    比，但与距离的平方成反比。通过这一猜想，他推导出了开普勒经典定

    牛顿注意到，物体之间的吸引可以被描述成一种力，与质量成正

    了引力的宇宙定律。

    列出了运动的数学定律，包括惯性、动量、力和加速度的概念，还列出

    1687年出版的不朽巨作《自然哲学的数学原理》这本书中，牛顿不仅

    略非常相似，经历非常丰富。但我们探索旅程中最重要的一部分是：在

    ·牛顿出生了。牛顿的一生与哥白尼、布鲁诺、布拉赫、开普勒和伽利

    时间匆匆流过，到了1642年1月，伽利略过世了，不久后，艾萨克

    我们不是宇宙中的唯一

    自身对人类在如此重要的体制内的意义的确信再一次降低了这一影响。

    部世界来看，与日俱增的证据都表明，宇宙确实非常广阔。然而，我们

    27

    们来自哪里呢？我很快就会告诉你答案，保证让你惊奇不已。这个答案

    如果太阳和行星不是由神创造的，而是由自然规律形成的，那么它

    阳系成为一种现象，关于它的起源，现在需要一个恰当的科学解释。

    伽利略、牛顿、拉普拉斯等科学家在物理学方面取得了巨大的进步，太

    但直到20世纪70年代都没有得出任何令人满意的结论。由于开普勒、一些出乎意料的、不受重视的、可能引起争议的科学理论16争论不休，在这一时期，还发生了其他的事：从18世纪早期开始，人们就对

    化。

    所有人接受的观点，这使得关于人类在恒星中的地位的辩论逐渐白热

    上。在他看来，类似人类的生命几乎无处不在。这显然并不是一个能被

    和适合居住的地方存在于他看到的行星上，甚至是在木星和土星的卫星

    更斯相信有“大量的世界”，他通过望远镜观测行星，想象有大量的水

    Huygens)15在离世前写下了他对地球外存在生命的可能性的思考。惠

    顿，1695年，荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯(Christiaan

    关于人类自身重要性的科学观也在不同方向上得到了发展。紧随牛

    古希腊原子学家冥想出的无限宇宙都重回人们的视野。

    多的哲学家和科学家接受和认可。随着对宇宙的关注度日益提高，就连

    恒星不但离我们很远，而且可能散布在很广阔的空间里，这一想法被更

    多，对隐藏在时间和混沌之下的极端范围和不同现象的认知越来越多。

    渐让位于更简单的普遍定律。与此同时，我们对宇宙构成的认知越来越

    物理工具的应用持续不断地改进着。对自然这一神秘安排的哲学猜测逐

    对我们身边宇宙的观测随着接下来几百年时间的流逝，随着数学和

    14。

    动，我们就能了解过去和未来。或许宇宙中并无上帝指引，但有宿命论

    拉普拉斯同样认为，通过这些定律知道所有物体在任何时间的位置和运

    定或预设，只需内在的物理定律就能决定任何天体何时出现在何地。但

    这恰恰相反。在哥白尼的日心说宇宙中，无须上帝的指引，无须事先规

    28

    应用，更直接地说——催生了《宇宙学原理》(Cosmological

    几年工作，是一种哲学上的舒适，也使他的广义相对论在宇宙中得到了

    系，宇宙看起来都差不多一样。对爱因斯坦来说，在1915年之后的那

    个太阳系，或从我们的星系到另一个可能距离地球1000万光年远的星

    去都差不多。对此进行扩展就是，不论你站在哪里——从太阳系到另一

    哥白尼日心说的模型暗示着，不论你站在哪个行星上看，宇宙看上

    位相遇并抗衡。

    质糅合在一起。这些变革不可避免地会与现有认知中人类在宇宙中的地

    不见的、快速且充满能量的物质，以及现实本身的基础、错综复杂的性

    量子力学的发展。这使全新的观念产生，并与那些很大的、显微镜下看

    爱因斯坦的相对论，对宇宙真实大小的测量和对星系性质的探索，以及

    又发生了一系列的科学变革。这时的故事被重复了无数遍：阿尔伯特·

    在一个前所未有的、发明、发现层出不穷的时代，20世纪前30年

    宇宙”、其他的星系？

    糊不清的星云状物质，就像我们所知的仙女座，事实上是其他的“岛状

    银河里的恒星是否布满整个宇宙？有没有可能，那些奇怪的、小的、模

    但仍然有其他大问题存在：宇宙是否在空间甚至时间上是无限的？

    氦18。

    谱开始显露出来，包括太阳中一个原子种类的发现——我们现在称之为

    四号小行星17，它们就在火星轨道之外。地球外天体的基本构成通过光

    暗淡的天王星和海王星，到体积更小但数量更多的天体，比如谷神星和

    从而支持了这一事实。太阳系中还有新的行星被发现——从远距离的、文学家最终成功地测量到在周期运动的地球上几乎很难注意到的视差，一事实。恒星在当时已被认为是距离非常遥远的类似于太阳的星星。天

    在19世纪结束时，人类开始接受“真正的宇宙是十分浩瀚的”这

    需要快速简要地浏览一下宇宙的历史。

    巧妙地解决了我们关于起源和意义的更加现代的争论。在那之前，我们

    29

    一些基本物理常数值的奇特巧合。这是一些用来描述引力强度或亚原子

    进化，且充满了多样性，这一点已经越来越清晰了，很多人开始注意到

    微生物学和基因学，涌现出几代非常有影响力的科学家。但宇宙本身在

    20世纪中期，人们目睹了多个领域的爆炸性发展——从宇宙学到

    或可优待的。

    个普遍观念：贯穿整个时空，人类在宇宙中的地位绝对没有什么特别的

    我们现在知道，宇宙肯定不处于一个稳态，但哥白尼宇宙定律强化了一

    地点、在任何时间，宇宙对任何观察者来说在任何方向上都一样。虽然

    没有结束。为了使理论成立，邦迪坚持了一个更为有力的原理：在任何

    正如其名字所暗示的，恒稳态理论提出宇宙是永恒的，没有开始也

    语。

    了“哥白尼定律”(Copernican Cosmological Principle)这一短

    Bondi)20在他关于现在尚未证实的宇宙模型恒稳态理论中，首次采用

    50年代早期，出生于奥地利的著名物理学家赫尔曼·邦迪(Hermann 第一次有人将宇宙定律和哥白尼猜想正式联系在一起是在20世纪

    何方向上看到的天体的数量和排列都差不多是一致的。

    的银河带一样。但如果再一次跳出太阳系，来到宇宙的范围，那么在任

    界或太阳系就是这样的，甚至夜晚的星空并非均匀的，就像我们能看到

    过去，宇宙都是一样的。这有点难以理解。毕竟很难宣称我们体验的世

    它同样意味着宇宙是各同向性的，意味着从任何位置向任何方向看

    那样，找到一个适用于宇宙的普遍理论，这个观点会非常有帮助。

    可以在你所处的位置找到同样的山和水的融合。如果你试图像爱因斯坦

    地球的地形：一些地方是高山，一些地方是海洋，但平均来说，你总是

    系，但无论你在哪里，那些地方都含有同样数量的各种元素。这有点像

    物质组成的。虽然它可能包含很多小的不对称，比如一片片恒星和星

    用专业一点的术语来说，这个观点认为宇宙是均匀的，是由相同的

    Principle)19的出版。

    30

    会有多么不同。

    变一些特征——例如改变将事物联系在一起的基本力的相关强度，宇宙

    和人类的环境之间所有明显巧合的困惑。他深陷其中，讨论如果仅仅改

    年诞辰所举办的。在演说中，卡特表述的观点正是科学家们对宇宙性质

    不小的特殊会议上发布了他的演说，而这一会议是为了纪念哥白尼500

    金(Stephen Hawking)的鼓励，卡特选择在波兰克拉科夫一场规模

    事，包括物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)和年轻的斯蒂芬·霍

    卡特在黑洞物理学的现代发展中起到了很重要的作用，受到一群同

    (Brandon Carter)提出了一项著名的理论。

    下来到了1973年，出生于澳大利亚的物理学家布兰登·卡特

    了。这简直就是一大群苍蝇一头栽进了“哥白尼平凡论”的大缸里。接

    非常密集且充满能量的宇宙，这一点可比美食上的一只苍蝇要恶心多

    的宇宙大爆炸的一部分22。这追溯出一个非常不一样的宇宙，一个曾经

    诞生于宇宙早期的无处不在的光子被发现——事实上，光子是一场炙热

    最后，宇宙寿命有限这一观点的终极证据出现在1965年，当时，的。

    意味着人类出现的时间和地点，以及宇宙当前的物理特性是有些特殊

    间观测到这些巧合!这对哥白尼定律而言是一件非常讨厌的事，因为这

    看，在一些其他的宇宙时刻，客观条件可能不允许任何智慧生物第一时

    宙向后回溯或向前追溯很长的时间，显然不会是这样的情况。进一步来

    但是，这些不变的常数为什么会和宇宙现在的年龄相关？如果把宇

    克(Paul Dirac)21指出。

    时间单位大约为2×10-17秒)，这一事实第一次由物理学家保罗·狄拉

    1039，而这个数值和宇宙现在的以原子时间为单位的年龄接近(1原子

    述引力强度、电子和质子的质量和电荷的恒定数值，该比值大约是

    定组合能够产生令人惊奇的关系。举例来说，引力与电场力之比，即描

    粒子质量之类的事物的数值，尤其是宇宙寿命的估计值。这些数字的特对这些变化的考虑引出了一个引人注目的想法，卡特将其详细地阐

    述给他的听众。比如，这一修正版的自然可能并不会产生恒星，但由于

    我们来自由恒星制造的元素，并且我们在观察宇宙，这一事实可以告诉

    我们有关人类所在的宇宙的一些事。换句话说，人类的存在本身表明了

    一些宇宙的物理性质——我们可能比我们认为的更重要。卡特将这一检

    测宇宙的方法称为“人择原理”(anthropic principle)，因为“人

    择”表示一些和人类存在相关的事。这并不是卡特真正意指的，因为它

    可以是宇宙中的任何观测者，而不只是人类。但即使他之后又提出一个

    语意更为精确的术语，“人择”这个词还是沿用了下来。

    31

    哥白尼定律(这一观念已经成为我们普遍接受的观念)，我们应该看一

    先入之见，并检测我们与生俱来的观测偏见。而且，因为它直接挑战了

    然而，人择原理是一个重要的猜想，促使我们面对一些关于宇宙的

    宙必须创造出智慧生物来观测宇宙”——我会避开这种观念。

    乱的话题。这一定律的极端版本甚至被用来论证“一个能独立发展的宇

    哲学家而言，这是座不折不扣的金矿24，也是茶余饭后常令人困惑和混

    现在，关于人择原理已经有了大量的规则。对一些物理学家和很多

    略大量现象，这些现象显然需要适合人类和其他生命的生存。

    类在任何意义上都没有优待的情况。”重要的是我们不能，也不应该忽

    (并非总是潜意识的)趋势将其扩展成一个最有争议的教义，影响了人

    据着宇宙中一个有特殊优待的中心位置。不幸的是，总有一股强烈的 是：“哥白尼教会我们非常重要的一课——一定不要无故地认为人类占

    理解世界的这一方法隐含的意义，用卡特自己的话23来说就

    方式存在。

    人类存在于这个宇宙中，因此宇宙以一种与人类的存在相一致的

    人择原理

    32

    ● 早期宇宙规格极小的变异最终发展成了星系和其群组的构

    的膨胀)；

    ● 量子真空涨落的能量密度(可能是同样的暗能量加速了宇宙

    ● 宇宙中正常物质的总密度；

    ● 由氢到氦的核聚变导致的物质转化成能量的百分比；

    ● 引力强度与电磁力之比；

    适合生命出现的指标。这几条指标如下：

    26了这一想法，总结出6条范围较窄的、使宇宙能够成为现在这样并且

    (Martin Rees)25就是这样做的。而之后，在1999年，里斯重新验证

    1979年，科学家伯纳德·卡尔(Bernard Carr)和马丁·里斯

    能性的最佳方式来源于对与有形现象相关的量进行巧妙的数学组合。

    究竟哪些特性对于生命的存在是最重要的，目前尚不明显。减少可

    可以创造出如此复杂的碳基生命。

    是类似于人类的前提之下——但是似乎很难想象，仅含有氢和氦的宇宙

    功能会无法发展成人类所依赖的第二阶段。这一点，当然也建立在生命

    碳这种对生命组成非常重要的元素。所以，换句话说，很多重要的宇宙

    恒星和星系之类的天体不会存在，或者它们永远不会产生重元素，比如

    然而，这一轻微的调整有点复杂，因为我们真正想要表达的是，像

    小的改变，生命都有可能不会出现。

    宇宙中物质与能量的比例，我们就会发现，即使这些性质发生了极其微

    性质，包括那些恒定不变的性质，比如引力相对于其他力的强度，或者

    关于这些问题的疑惑。这些精调的观念如下：如果仔细观测宇宙的大量

    这一讨论包含一些对更细微的宇宙巧合的检查，这些巧合引起了科学家

    目前，人择原理倾向于突然出现在对所谓“精调”现象的讨论中，下这些细节。

    33

    整个科学哲学建立在一种非比寻常的鹦鹉的存在之上。我们最不希望的

    的任何生命或生命形式来进行这一讨论。这看上去有些狭隘，就像是将

    这些术语中，假设生命完全由人类代表，不需要宇宙当中其他任何地方

    整以适合生命”这一想法激励的。仍然用纯粹的人择术语来思考——在

    另一个关于平行宇宙的趣事是由“我们特别的宇宙确实是被正确调

    做——如果我们确实知道人类住在平行宇宙当中。

    就好像这个世界巧妙地解决了这一问题，而在很多方面，它确实会这么

    好“正确”组成星系、恒星、重元素和复杂碳化合物的宇宙中。听起来

    话，这意味着本质上并没有精调的问题。人类只是单纯地存在于一个恰

    了一些解决其他基本亚原子物理学和宇宙学问题的方法。如果正确的

    接证据，但确实有一些引人入胜的理论想法欣然适应了它，似乎也提供

    虽然我并不认为有谁可以声称，人类已经找到了存在平行宇宙的直

    者。确实，当布兰登·卡特总结出人择原理时，他已经考虑了这些。

    想法27对于探索物质世界更深层次的真相来说，是一个非常有力的竞争

    到，你所认为的是关于现实性质未被证实的假设。但“平行宇宙”这一

    物中分离出来。“有吸引力的”在此看起来有些好笑——我之前刚刚提

    个。这是一个非常现实的简单例子，被时间、空间或维度从无数其他事

    最有吸引力的答案之一是，我们的宇宙只是无数组不同宇宙中的一

    题：为什么宇宙是这样——恰好适合生命生存？

    宙，在这之前或之后都不再有其他宇宙，就产生了一个令人不安的问

    在于这一类型的宇宙中。”这当然正确。然而，如果这是仅有的一个宇

    可能会想：“但如果不是这样，我们就不会思考这些，而只是简单地存

    备所有适合生命产生的必要条件的概率相当低。当然，看到这些时，你

    这是一个相当大的数组，任一宇宙能够恰好存在(偶然存在)并具

    ● 我们宇宙的真实空间维度。

    成；

    34

    但即使我们确实问了这些问题，“调整”的观念在这一假想的现实世界

    题，这就像是突然决定要问“世界上为什么会产生一定数量的蜗牛”。

    调理论嵌入人择原理又会怎样呢？我们可能根本没有想过要问这些问

    不会如此特殊地仅存在于散布在宇宙中的特定星系中。将宇宙学中的精

    遍的。这经常发生，但生命既不会在每一个合适的世界里遍地都是，也

    让我们假设在这个平行现实中，找到类似于地球上的生命是比较普

    生命存在于宇宙中的可能性有多大或者有多不平常这样的问题。

    物。在这种情况下，重点在于我们的手边就有真正的答案，来解答人类

    甚至可能已经了解了是否任何生命都不仅仅是微生物或沉默寡言的生

    在这之间的几个世纪，我们可能已经知道，生命并不仅限于地球，如果真的发生了这样的事，今天的世界又会变成什么样。

    科幻小说对历史的重新演绎，但最重要的是，这也会让我们问问自己，存在很多生物系统的人。这是一个可爱的幻想，一个以马和水为动力的

    远镜。这使他成为第一个发现行星围绕着恒星旋转，并确定这个世界上

    在热情的接受和赞助环绕下，伽利略迅速动工，制造复杂精妙的望

    益。

    一时机，开创了伟大的技术变革，并看到了工程学和科学潜在的经济利

    17世纪教会和统治者的宠儿。在这条时间线上，开明的当权者抓住这

    性和技术的最高成就。伽利略没有被折磨摧残，取而代之的是，他成为

    想象这样一个时刻：伽利略对宇宙观测的解释被迅速接受，成为理

    幕开始——用一个好玩的问题来引出一个严肃的观点。

    在这本书之后的部分列出一些其他的想法，但先让我们从接下来的这一

    调的方面和人择原理是如何开始分散追寻我们的意义的注意力的。我会

    只要我们对宇宙的观念有一些非常简单的改变28，就能知晓某些精

    没有让我们更进一步考量人类当前的宇宙意义，或者其中缺乏的部分。

    尚不知道人类是否生活在平行宇宙的一部分当中，也因为以上的一切都

    就是被误导进入一条死胡同。所以这种想法值得推行得更远，因为我们

    35

    简单的一条。

    变得足够多样，能够开拓出形形色色的第二条生物化学策略，而不只是

    认，这处于一系列由宇宙基本定律决定的环境中。但地球上的生命已经

    关重要的元素，还有大量不同的能量源，生命找到了一种方式。不可否

    命精调自身29来适应周边的环境。面对不同的化学混合物和丰富的、至

    我们从地球上丰富的古生物学证据中知道，残酷的自然选择允许生

    产生。

    是脆弱的，必须存在于一切事物完美匹配的情况下，否则，生命就不会

    性与可能性。事实上，我认为在人择原理中有一个隐含的假设，即生命

    宙适合生命的问题不是一个全赢或全无的问题，它取决于一系列可生育

    是一个“粗调”问题，其中隐藏着真正的精调。在我假想的例子中，宇

    更进一步，精调可能不是一个孤注一掷的解决方法。相反，它可能

    以上哪种情景适用于我们的宇宙。

    不像我想象的那样，地球上有着另外不同的居民，我们目前确实不知道

    本身就是我们对周围环境观测的直接作用。第二点就重要得多了，因为

    这里需要说明两点。第一点是微不足道的，即我们最终提问的问题

    得生命不起源于物理规律的支撑。

    常强大的现象。我们甚至会问，是否有任何(几乎无法想象)环境，使

    中，我们可能会推断，生命本身与其说是宇宙的基础，不如说是一种非

    常数与生命需求的巧合只是个残酷的笑话。相比之下，在后一种情况

    在前一种情况中，我们几乎不会认为宇宙是非常适合生命的，物理

    稀有物种，到生命遍布每一个行星系统，并带有新的变异。

    于两个可能的极端之间：从生命是宇宙140亿年时间内全然意外存在的

    宇宙是一个偶尔制造些有用的东西的肥沃池塘。现在，我们发现答案位

    宇宙似乎适合制造有限的生命，几乎没有伟大的宇宙意义的东西；

    里也不会支撑太久。

    36

    还算过得去。

    样。事情可能会有一丁点的不同，而对我们知道的生命而言，条件也许

    程度的余地，因此精调也就不那么精确了32。很多精调的参数也是一

    现在知道，核反应的能量不需要如此精确地匹配以制造碳元素，有很大

    应过程。这是真的，但并非完全如此，因为在细节方面有个恶魔。我们

    一，也就是说，碳元素的存在及碳基生命本身意味着恒星内特殊的核反

    在很长一段时间里，碳共振被认为是人择原理最为有力的证据31之

    制造很多。

    进了原子反应的效率，因此否定了恒星无法制造碳元素的说法，它们能

    导致了被称为碳共振的现象，一种协调的能量状态。这一状态极大地促

    态的碳原子核能量完全相当——这正是3个氦原子组合的自然产物。这

    象。恒星内部3个氦原子组合的一个阶段释放的能量，几乎与一个激发

    霍伊尔发现，碳元素能够在宇宙中轻易地形成是因为一种特殊的现

    令人费解的困惑促使他去探索碳的产生过程。

    由碳元素构成的，那么宇宙必然有一种方式，能制造出足够的碳。这一

    变的大量理论表示，恒星是与碳无关的。但霍伊尔注意到，既然人类是

    Hoyle)30意识到碳元素有个问题。在那个时期，物理学家关于恒星聚

    单，20世纪50年代早期，英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Fred

    生聚变，释放出巨大的能量，并形成更重的元素。但实现的方法并不简

    在20世纪上半叶，科学家们意识到恒星内部的条件会使原子核发

    型恒星内部核聚变产生元素的方式很好地说明了这一问题。

    的比例)的巧合的研究一致。在大部分情况下有一点调整的余地——大

    这种看待事物的方法与物理常数和其他数值(如宇宙中质量和能量

    有区别，因为任何形式的生命都不简单。

    容易地出现。就目前而言，至少我认为智慧生物和“简单”生物之间没

    一点并不明显。所以，真正的宇宙论的精调应该更多地关于生命能够很

    生命起源和存活下来所需要的远不止一个原始的、可用的环境，这

    37

    意思。哥白尼只是试图简单地解释行星在太阳系中的运动是最少人为干

    造出这样一个论点的合理基础吗？它有一点过度解读了科学福音的字面

    一部分会和地球上的生命非常相似。但我们自己假设的平均值真的是制

    所以，根据这一逻辑，不但有大量的其他生命存在，而且其中很大

    物理位置的环境。

    是中心也并不特殊，地球的环境应该代表着宇宙历史上在此处任意一个

    面对这一切，哥白尼定律意味着，人类在宇宙中不是唯一的，既不

    宙一样，创造出意想不到的进步。但这也导致了一些令人困惑的局面。

    一样)，它也允许我们在理解我们之外的宇宙时，与理解我们所在的宇

    地引人入胜(正如它在面对我们所有的唯我论和以自我为中心的偏好时

    而又可怕的区域性。人类在并无特权的平凡性方面的明显证据出乎意料

    的想法非常清晰，精确地描述了我们的太阳系，并帮助我们打破了深层

    关键在于，人们已经对哥白尼发展出一种非常复杂的认同心理，他

    有点类似拿出一份调查问卷，并通过民意调查来预测选举结果。

    习如何接受宇宙的特性，预知丰富的生命，并因此预测人类的意义。这

    的唯一发生产生了关于宇宙的预测。与之相反，我提出一种方式，来学

    这不是简单的人择原理的新措辞。人择原理的核心论点指出，生命

    与组合方式。

    之间具体的相互影响力的“笼中雀”——这些特征有无数种可能的排列

    系。正因如此，生命代表着宇宙性质的自然石蕊测验，代表着检测特征

    最为复杂的存在，与宇宙中物理定律的很多关键特性有着错综复杂的联

    生命是一个高度复杂的现象的极好例子，是一种可以想象的、在太空中

    这并不是说关于生命有什么不可避免的“特殊的”事33，而是说明

    据这些基本环境预测生命的产生。

    中的参数，我们就会发现一种新的工具，来探测自然的基本性质，并根

    造生命的倾向性——有效性或者密度，这些衡量生命在任何给定的宇宙

    这一调整的余地的概念还会更深入一些。如果最终能够测量宇宙创

    38

    的或哲学上的，而是物质上的，用那些冷酷的、坚硬的事实和数字证

    我们需要知道，真正地知道，人类到底是否有意义——不是情感上

    位时，每一个人都会这样渴望。

    种令人懊恼而又反复出现的渴望。当试图思考人类在大规模创造上的地

    去与未来——特别是未来。但更多的是，它是一种根深蒂固的需求，一

    并让我们找出努力发现在内和在外的宇宙的意义。它同样关于人类的过

    《如果，哥白尼错了》这本书中的故事正是关于这场伟大的冒险，确地测量我们所发现的。

    路。我们需要找到一种方法，来看看围绕在这些极端周围的东西，并精

    质。我们需要在平凡的假设、精调的假设和人择原理的假设中找出一条

    看一看宇宙，要从多方面看一看我们之外，人类所处的宇宙中的大量物

    我们想要一些答案!所以为了找到事实，我们需要好好地、仔细地

    自身的意义是狭隘的或无足轻重的。

    点揭示出我们所期望的宇宙中生命的实际丰富性，也没有观点表明人类

    并不是特别肥沃，可能只适合以重元素为基础的生命形式。没有一种观

    生命的例子，而这就是人类。最好的情况下，一些精调研究表明，宇宙

    我们一种方法。这种可以选择的人择论点需要的只是宇宙中一个简单的

    该充满生命，正如地球一样；而最坏的一方面在于，它并没有真正告诉

    状况是这样：哥白尼的世界观，最好的一方面是，它揭示出宇宙应

    不一致。

    虚空的星系之间，处在宇宙历史上恰当的时间。这与“完全的”平凡并

    的一个特殊位置——围绕一颗恒星，在一个星系的外边缘，并不孤立于

    直接相关方面发现了相似的线索。事实上，我们如此明显地处于宇宙中

    理就是一个好的对比，很多天文学家和物理学家在人类所处环境的某些

    认识到哥白尼定律的局限性并不是一个特别有争议的建议。人择原

    解决数学问题的数学方法？

    预的、最多数学逻辑导致的。我们是不是过度解读了这个最初只是用来明。这是人类面临的最伟大的科学挑战。挑战的一部分是去理解并看到

    过去我们的世界错综复杂的模型，那个世界非常好地服务于我们，但需

    要一次又一次地修订、更新，有时还需要废弃。接下来的一步是，从今

    天我们熟悉的地球出发，到过去或未来不熟悉的地球。如果想要定位我

    们的位置，就需要开始向外、向上伸出手，触摸宇宙的时间和空间，同

    时向下深入到微观世界。我们会发现，有进取心的科学家列文虎克在

    300多年前从显微镜下看到的世界仅仅是一场幻想之旅的开始。

    39

    40

    41

    增加的绿色迅速变成混杂的低矮的灌木丛、棕红色岩石和泥土。再过几

    不久后，我从满是人工痕迹的景象中转变了方向，围绕着我的不断

    巨大，很难在物理时间内自然形成。

    远处，那巨大的、由岩石和混凝土构造而成的堤坝横跨山谷，规模如此

    上升了。一个十几年前刚刚完工的改善作物灌溉的巨型水坝赫然耸立在

    但随着我向内深入，事物迅速发生变化，不可否认，海拔从海平面

    500年，并销往世界各地。

    标。皮斯科是一种烈性的葡萄白兰地酒，已经在这片区域生产制造了约

    大型水塔点缀着碧绿的土地边缘，装饰着著名品牌的皮斯科酒的商

    量的、富庶肥沃的孕育之地。

    知道原因：阳光充足，巨大的山谷生机勃勃。这是一片温暖而又充满能

    向大陆内延伸很远的切口谷地，葡萄和热带水果是这里的主要作物。我

    农田和葡萄园不断地出现又消失。埃尔基谷是一片呈巨大的V字形的、在我驶向壮丽的埃尔基谷(Elqui Valley)3的路上，清新的绿色

    驶向我的终点。

    酒。我深深地呼吸着这冰冷的空气，然后开始沿着满是灰尘的路，一路

    的鼻子和肺来说，这是一杯直接来自这颗行星生物圈的冒着气泡的开胃

    蒸发凝结日日循环的开始，这是沿着海岸线上演了百万年的一幕。对我

    上，一些孤单的身影在沿着沙滩慢跑，清晨的阳光洒下一层光雾。这是

    充满海草和深海动物味道的空气，发出阵阵刺耳的叫声。外面的海滩

    在这里，我常被惊醒，饥饿的鸟俯冲着穿过潮湿的、带有咸味的、地方，海浪正翻滚着冲上拉塞雷纳2的海滩。

    证明，那就从太平洋开始你的一天吧，就在圣地亚哥向北近500千米的

    于南美洲阿塔卡马沙漠1的最南边。如果你想像我一样，要得到最好的

    好例子，来一场旅行吧，走进那个被智利人称为“大山”的地方，它位

    地球正在改变的地理区域可以说是令人叹为观止的。如果你想要个

    42

    和任何专业天文台一样，托洛洛山美洲际天文台运行有序。白天，据我和我同事多年时间的研究。

    遥远的恒星乡，跟踪它们在宇宙时间中缓慢的进化过程，这是一项将占

    的画面只代表了一个漫长项目的某个阶段，该项目旨在测量、绘制这些

    可以测试在南方的深夜中最稳定的手的协作能力和神经。我希望拍摄到

    数字照相机，它的最中心部件用定期注入的液氮5来降温——这项任务

    在这个小小的洞穴中，我可以控制穹顶的机械动作和望远镜敏感的

    远镜绑在一起，共处于一个温暖的、满是计算机和监视器的屋子中。

    这一目的，我将其中一台望远镜据为己有，观测了数晚；我将与这台望

    宙岛——一系列四散在可见宇宙中的难以归类的星系的快照。为了达到

    我来这里是为了完成一项比较普通的天文任务：校准几个遥远的宇

    接下来一周的家。

    (Cerro Tololo Inter-American Observatory，CTIO)4，这将是我

    尽的蓝色天空的地方。这些现代的尖塔属于托洛洛山美洲际天文台

    起。这是有着纯粹的白色和银色涂层的望远镜的穹顶，坐落于四周是无

    上。但最终，我看到了我的目的地，它在一片反射的太阳光中冉冉升

    进程逐渐慢下来，因为偶尔有石块散落，带尖角的碎石和泥土掉落在地

    道路开始随着海拔的升高而缓慢上升，大地变得更加干燥和空旷。

    壳，与内部的重力深井争夺着平衡。

    结晶材料漂浮在岩浆的海洋上，它一头撞进巨大岩石圈板块的坚固地

    这颗饱受折磨、逐渐冷却的行星值得大书特书。一块外表面曾经紧缩的

    耸入云，与此同时，大洋玄武岩潜入漂浮的南美板块大陆岩石的底下。

    的一部分，是真正意义上重要的地理物理特征，绵延6500多千米，高

    评判，它们都不是山。它们是由不可思议的地壳折叠产生的安第斯山脉

    这就是智利人说的那些山，然而，不论以我过去用过的哪种标准来

    片在时间和空间上被移除了的矿物区域。

    分钟，仿佛穿过一道看不见的边界，我进入了一个完全不同的地方，一

    43

    我很震惊并感到相当困惑，犹豫着走向那些和我一样站在这里、目

    河中的恒星。

    直至消失。像一把异常明亮的宝剑的剑锋，它是如此明亮，不可能是银

    到达头顶顶峰的地方，有一条倾泻的发光带，随着它的升起逐渐变窄，记忆中见过的天空都不一样。在地平线的边缘，太阳出现、向上升起并

    这一晚，太阳消失，头顶上无云的天棚开始暗淡下来，它与我以往

    上投下影子。太阳逐渐下落，跌出视野之外，黑暗侵袭了整个世界。

    地平线处，起伏的小山在天空与大地之间形成了波浪般的剪影，在沙漠

    儿，像是一只会思考的狐獴在视察自己的王国。在我们的前方，西边的

    另一些天文学家选取了沿着山脊的相似的位置，每一个人站在那

    下一道壮观的风景线——遥远的乡村风景和翱翔于天堂般的景致。

    削平的山顶石子路走上一圈。在山脊的边缘，大地陡峭地向下延伸，留

    在托洛洛山的顶端，很容易做到这些；你只需在外散散步，沿着被

    质量的两个重要因素。

    什么和当地天气会如何的第一手感觉——这是影响我希望收集的数据的

    我喜欢在长夜漫漫的工作前呼吸一些新鲜空气，我喜欢得到关于天空像

    来说，观看日落是很重要的一点。这可不是由于什么罗曼蒂克的原因。

    每一个天文学家都有自己使用望远镜的习惯和不成文的传统。对我

    开望远镜穹顶的弧形外罩，将一整天太阳照射产生的热气排放出去。

    特别，很快，我就到了我的地盘，打开设备，摸索着液态气体，接着打

    人类的求知欲和成就，它屹立在像是天空入口的地方。这个夜晚没什么

    远镜穹顶和设备提供了空间。这是一座宁静而又美丽的纪念碑，纪念着

    这里的山峰在20世纪60年代被炸药和重型机械推平，为6台大型望

    上坐上一晚之前需要找些吃的6。而每天晚餐过后，他们会前往山顶。

    刻，昼伏夜出的天文学家们摇摇晃晃地从山脚的宿舍冒出来——在地板

    那里的工程师和技术人员修整、清洁、测试望远镜及其附件。傍晚时睹了这一切的天文学家中的一位。我指出，或者说是嗫嚅地说出我的困

    惑，请求得到一个解释。而他回复我的只是一个简单的词。

    这道天空中的光是我应该认得出来的光，但它通常不会出现在最黑

    的夜空之外，而远离文明世界。现在，它也随着我脑海深处第一次遇见

    它时的那些泛黄的记忆一起逐渐消失了——黄道光(zodiacal light，见图2-1)，它是太阳系本身优雅的语料库的一部分，我身边一切事物

    起源的路标。

    图2-1 智利另一个天文山顶日落后看到的黄道光

    注：阿塔卡马沙漠地区边缘地带2500米高的拉西拉天文台(La Silla Observatory)。

    (European Southern Observatory，2009，Y. Beletsky)

    44

    伟大的太阳7，这颗充满狂暴核能量的星球，本身直径约有139万

    进的话需要走8分钟。

    真空，到太阳之间是大约1500万千米的星际空白，这一距离以光速行

    广阔的地方。从你现在坐或站的位置到月球之间，是大约38万千米的

    不论是以天体标准还是人类术语来衡量，我们居住的都是一个十分

    太阳系，也只是微光中的尘埃千米。但太阳和太阳系最外缘的行星海王星之间，是令人难以置信的、平均距离约45亿千米的鸿沟。作为对比，行星的大小范围从巨大的气

    态木星的直径14.3万千米到密实的固态水星的直径4800千米不等。因

    此，人类的整个世界仅仅只是宇宙中的一个小黑点(见图2-2)，仅仅

    是在一个洞穴空间中围绕着微不足道的恒星蜡烛四处游走的碎屑。

    45

    留下长长的尾巴。

    方，就会点着水和其他化学物的不稳定混合物，从而发出耀眼的光芒，些彗星核很有可能被当作小行星，但如果它们飘移到距离太阳太近的地

    这个平盘的轨道上。那里也有大量富含冰的彗星核。如果仓促一瞥，这

    并不是所有这些小球体都会紧紧依附在行星盘上，很多会处于远离

    更小的固体物质组成的巨石或碎石块。

    动，从成千上万的直径几千米的石质小行星，到未知但数量巨大的、由

    系最远的范围。数以亿计的岩石碎片和其他的冷冻化合物围绕太阳运

    廓。很多其他更小的天体也占据了同样的区域，甚至更向外，直到太阳

    上，将它们的运动放在一起，能粗略地勾画出一个简单的大圆盘的轮

    这些密实的小行星体围绕太阳的轨道处于一个相似的平面——事实

    注：地球是靠下一些的左起第三个小点。(NASAJPLSpace Science Institute)

    图2-2 太阳系中太阳和主要行星的大致比例数以万计的这些更小的天体位于火星和木星之间的小行星带。这片

    区域是如此巨大，以地球的标准来看，这些天体稀疏地分布在这一带。

    在较大的星体之间有超过百万千米的间隔，人类的航天飞船可以飞过这

    片区域，而不发生一次碰撞。其他的块状固体更像是到处漫游的小虫

    子，以各种路线在太阳系的圆盘里飞进飞出。

    离太阳更远的是更多的小行星、稍小些的行星甚至矮行星(冥王星

    就属于矮行星，周边围绕着5颗卫星)。这些行星所占据的轨道位于木

    星、土星、天王星、海王星和更远的地方之间的区域——它们组成了被

    称为海王星外天体的大家族。它们存在于寒冷的、至今仍是一个谜团的

    柯伊伯带(Kuiper Belt)8，其本身与太阳之间的距离比日地距离大约

    远50倍。

    在这个地方，微弱的太阳光大约是人类在地球上感觉到的

    125009，养育我们的恒星变成了永恒黑夜中的一个亮点。在这个区域

    之外，是一片据推测被称为奥尔特云10的区域，远离太阳成百上千倍。

    我们认为这一区域是普通类型彗星的发源地。这些彗星位于如此远距离

    的轨道，可能几百年、几千年甚至几百万年才出现一次。为了产生我们

    看到的彗星，在这片尚未探索的奥尔特云边缘，必然有亿万的冰体偶尔

    向内推动，落向熟悉的行星。

    这是来自太阳系最深远的历史的松散碎屑，甚至很可能是来自其他

    经过的恒星介入的远距离中途站，它们在我们围绕银河系不断运行的轨

    道上相遇了。除这点外，大概距离太阳1光年远的地方，是真正的星际

    空间，是宇宙其他地方的起源(真实比例的太阳系见图2-3)。

    46

    47

    世界。事实上，并不是世界被照亮，而是太阳系的外框被照亮了，所有

    时左右出现在东方——就好像时间本身消失了，太阳又一次回来点亮了

    古代天文学家将这种光称为“假曙光”11，因为它会在日出前一小

    视网膜。

    子疾驰出太阳系，被尘埃颗粒分散，并被送入新的路径，最终进入我的

    站在智利的这座山顶上，我正在观测横跨天际的微光。太阳光的光

    闪烁着微光的尘埃。

    庞大的颗粒分散在其中，反射着光线，仿佛飘浮在房间中一束阳光下的

    米中的数量不会超过一颗。但太阳系是个非常大的空间，所以仍有数量

    这些颗粒中最大的只有0.1毫米，几乎不比微观物体大，每立方千

    这片云以膨胀的圆盘形式从木星轨道周边分散，直至水星轨道以内。

    的硅酸盐和富碳物质分散在广阔而缥缈的烟雾中，遮挡了其中的行星。

    微，它们充斥着太阳系的空隙，那是星际尘埃的组成部分。细小颗粒状

    这是一个巨大的点阵，大部分是空的。但是另外有一些东西非常轻

    年即29万亿千米远。

    带围绕，位于巨大的奥尔特云(图右下方)冰壳内。距离这片星云的边缘最近的恒星大约有3光

    星、天王星、海王星轨道和更倾斜的冥王星轨道。所有的这一切都由在外侧的圆环状的柯伊伯

    注：图上方，内部行星围绕着太阳的正确轨道，缩小之后(图中间部分)可以看到木星、土

    图2-3 真实比例的太阳系原理图

    48

    者使它们变小，小到能够被卷入太阳风并被吹回星际空白处。

    辐射会削弱或瓦解这些颗粒，或者将它们分解成气态的原子和离子，或

    果，导致了与盛行风相反的推力12。最终，不断增加的靠近太阳的剧烈

    热效果引起了太阳光和它们自身热量的微光的偏差，产生了微弱的效

    但最大的微粒被驱使沿着一条螺旋状轨道向内行进。太阳光子的加

    进入了太空深处。

    将它们驱逐向外——事实上使它们加速达到了逃逸太阳系的速度并就此

    小，以至于些微太阳光的压力、噼噼啪啪的光子和粒子辐射一起，就能

    创造了黄道光的尘埃十分短暂，令人惊奇。最小的微粒是如此之

    中进行着。黄道光正是这一情况的最大线索之一。

    始。一些最初负责构建改造行星体的同样的过程，仍然在我们的太阳系

    的，但我们最好从认识到即使今天大自然也没有完成它的构造工程开

    太阳、地球和其他行星的历史是非常漫长的，有时也是极其复杂

    着的生物询问它们在宇宙中的意义？

    行星的？它们如何组成了包含山川、大洋的世界，并且还让活的、呼吸

    列导致这一瞬间的事件究竟是如何发生的？太空尘埃的颗粒是如何变成

    重要的事(Big Important Thing)之间最深刻的联系。但是，这一系

    这对我来说是意义深远的一刻，不期然地提醒我在我短暂的存在与

    物质。

    到，当我注视着遥远的千兆颗尘埃微粒的光芒时，它们也是和我一样的

    了埃尔基谷的土壤，同样的组成物像砂石一样在我脚下移动。我意识

    着共享同种物质的清晰的谱系。这些完全相同的化合物和元素帮助滋养

    和岩石外壳的层状矿物。在我驱车从太平洋前往安第斯山脉的路上，有

    一个祖先。这种物质凝结积聚，融化解冻，最终演变成行星和卫星核心

    所有这些发光的尘埃和曾经制造地球本身的那些固体物质来源于同

    一片尘土飞扬的景象。这是一幅壮观的景象。

    的行星在它们的轨道圆盘上对齐，所有的其他天体共享同一空间，留下

    49

    石般大小的天体和笨重的、山一般的岩石偶然相撞。当这件事发生时，镜15捕获到了恰好发生在火星和木星轨道之间的这类事件。沉重的、巨

    我们怀疑另一部分尘埃是由小行星的碰撞造成的。而哈勃太空望远

    的尘埃进入星际空间，形成了反射黄道光的部分物质。

    化合物会爆发出喷射状和羽状气体，喷涌出古时困在其内的颗粒，固态

    直接的变化，处于固相与气相之间。因为这一点，彗星固体核中的冰冻

    在真空中，像冰冻的水这类物质在受热时不会变成液体，它会经历一种

    过太阳时，如果离得足够近而导致其受热到临界水平，就会形成彗星。

    富含冰冻的水和其他不稳定化合物，比如固态二氧化碳的小天体经

    对良性的彗星扩散14，另一个是小行星的剧烈碰撞。

    些什么呢？有两个主要的罪魁祸首导致了太阳系尘埃的产生：一个是相

    那么太阳系的尘埃来自哪里，关于人类更深远的历史又告诉了我们

    质。

    的方式，同时也引导人类寻找一种新的方式来描述我们所处的空间的性

    行进着，与人类对时间的感知大相径庭。这一事实影响了人类理解宇宙

    像第谷·布拉赫观测到的超新星，表明宇宙遵循另一个不同的时钟嘀嗒

    这是一个重要的标志，意味着太阳系不是恒定的。另一项证据，就

    说，这些尘埃不知何故、不知从何而来就重新布满了天空。

    灭。然而，现在它们还随处可见，在夜晚的星空中熠熠生辉。也就是

    在太久。在1000年到10万年的期间内，一般的微粒都会遗失或被毁

    去除尘埃的结果就是，用行星物理的标准来评判，星际尘埃不会存

    重建和太阳系的进化过程中起到了直接而又重要的作用。

    机来收集地球大气层高处的地外尘埃。这些被捕获的粒子在历史的科学

    纪70年代开始13，科学家就利用平流层的气球和NASA操控的U-2间谍

    的4万吨尘埃。我们知道这是真的，因为我们能抓住这些尘埃。从20世

    年的时间里，地球的引力和黏稠的大气层就能从太阳系中捕获令人惊讶

    还有另一种机械运动可以摆脱星际尘埃，即“行星的贪婪”。在一

    50

    中存在了约50亿年的地方。

    了。所以为了讲述地球起源的故事，我们需要关注这里——一个银河系

    在一朵飘在地球天空某处的特定的云里——这片云现在大部分都已消失

    太阳及其世界就像是一滴雨水，在特别的一天中的一个特别时刻，成的。

    亿。同样重要的是，我们银河系的特殊历史也是由暗物质和正常物质形

    越来越密实的物质。这是一个涉及物质凝结的过程，影响因素超过万

    但为了形成恒星，引力必须第一个发挥作用，将隔离的物质凝聚成

    元素并开始制造重元素。

    在的起始点是最早期的恒星，它们通过熔接氢和氦的核而形成氧、碳等

    之一16的偏差，残留的粒子变成了我们知道的所有可见物质。另一个潜

    些，在大爆炸的那一秒，宇宙中的物质与反物质的对称性发生了十亿分

    宇宙中，基本元素氢和氦的出现几乎不超过3分钟时。甚至比这更早一

    何时何地结束它呢？我尽可能地回溯到138亿年前，在一个快速冷却的

    正确顺序排列。但是人类在何时何地真正开始了太阳系的故事，又会在

    要绘制出一时的并且仍在不断变化的宇宙性质，就要将关键事件按

    恒星的形成

    的重要组成部分。

    品，是古老的过去和深刻的未来的部分线索，是我们努力理解宇宙状态

    发殆尽，直至灭亡。所有这些就像是飓风过境后留下的残骸和零碎物

    45亿多年来，古老的化石残留物仍然在相互碰撞、磨损，而彗星则蒸

    出来，并被随便扔出，只能抓住它们在太阳风中的机会。太阳系形成的

    系45亿多年辛勤工作的起因。行星起源的隐蔽元素和结晶矿物被挖掘

    从多重意义上来说，这意味着在黄道尘中，我们正在目睹毁灭太阳

    层层物质向外喷射，脱离自身的轨道，扩散到太空中。行星际尘埃是这个地方的线索。之前它是彗星和固态小行星的一部

    分，有些是星际尘埃——炙热的恒星等离子体，富含碳和硅。这是一种

    气体，冷却结晶，古老的恒星去除它就像是去除松散的皮肤，有时会在

    超新星爆炸时驱赶它。这些微小的颗粒像被风吹走的沙子17般四处扩

    散，充满星际空间，形成了星云——恒星孕育所。这些结构非常像我们

    今天研究的一个地方，一片意义非凡的气体与尘埃云，被称为三叶星云

    (Trifid Nebula，见图2-4)18。

    51

    大量的恒星已经隐藏在气体分子与尘埃大量聚集的三叶星云中。一

    样。

    为紧密地压缩在一起，新的恒星和行星正在形成，正如过去几十亿年一

    中，所有星云只代表着恒星之间5%的物质，但在这样的地方，气体最

    场缓慢的戏剧展开，与人类自身的起源遥相呼应。虽然在我们的星系

    花，围长25光年，距离地球超过5000光年。在其中，我们可以看见一

    从地球的有利位置看去，三叶星云的结构像是一朵有三片花瓣的

    Science Institute，NASA ESA)

    星际尘埃的边缘。(J. Hester，Arizona State University，and the Space Telescope 注：哈勃太空望远镜的细节图，放大了其中一个特殊区域。附近的恒星照亮了指状物和密集的

    图2-4 三叶星云

    52

    去不像，但这是个相当快速的过程，从散乱的星云变成真正的类似行星

    160～800千米大小，这取决于它们在哪儿度过它们的时间。也许看上

    行星”天体。这些原始的天体可以在1万～100万年的时间内增长到

    引力、乱流和物质的随机推挤形成了增长，并产生了我们所知道的“微

    很多在至少1000年的时间里增加了几百米。这是一个加速的过程，由

    随着这些小的团块穿过浓缩的物质盘，它们汇聚起更多的物质，有

    并不是摧毁它们，相反，这些螺旋状的下降会帮助它们走得更远。

    毛茸茸的、黏稠的20东西旋转着穿过剩余的气体，并被拉向原恒星，但

    粒、冻水和硅沙。一些组成物不稳定地聚集在一起，又长了几米。这些

    一些气体星云盘冷却并凝聚，足够制造出更多的尘埃、碳分子颗

    给，伸展成一个大圆盘状，比地球轨道半径大100甚至1000倍。

    身质量的压缩下，这团越来越热的气体开始由螺旋的轨道物质围绕供

    始形成恒星，一个不断增长的旋转的球体，我们称之为原恒星。在其自

    更多的这种外部压力促成的，包括附近爆炸的太阳冲击波。中心核处开

    向中心压缩。不断加速的物质如雨般纷纷落在这些地方。有时，这是由

    在这些结构中，引力非常迅速地发挥作用，将物质聚集在一起，并

    太阳的恒星，并伴生着行星一起。

    于将无用的部分气体蒸发掉，露出紧密的卵状斑块19，在其中形成类似

    造出大块直径若干光年的星云。随着时间的推移，这种强烈的辐射有助

    越过爆发点，在这里，引力手握大权，开始建造更多的恒星系统——创

    终在自身重力的压缩下坍塌。对人类感官而言十分脆弱的气体将被推动

    这种洪水过境般的光和粒子的冲击力可以触发星云物质的凝结，最

    发。

    的气体形成锋利的指状和脊状物，它们周边更为细小的物质也随之挥

    际战线烧灼着冰冷的气体，将它们冲散、推挤成奇怪的样子。更为密集

    射倾泻而出，穿过三叶星云，像是在侵袭纸张的火焰。强烈的紫外光星

    些天体比太阳还要大几十倍，因此它们更加炙热，更加明亮。它们的辐

    53

    控制流物质。这排出了将近10%的内部物质，最关键的是，使得原恒星

    大的物质跌落其中，自转加快，这颗小天体从它的两极喷射出大量的磁

    在这一切发生时，中心的恒星正在经历它自己的强烈阵痛。种子般

    壤和养分前，只有很短的时间生长、开花并留下种子和茎。

    个近似停止的时刻之前，时间是有限的。就像野花在太阳晒干它们的土

    环境辐射，包括中心的新恒星将一切东西清洁干净，并将事情推进到一

    到侵蚀的形状万千的被烧灼的云。一旦恒星和行星形成的过程开始，在

    盘同时被蒸发、膨化，回到星际空间，我们看到了在三叶星云中不断受

    时钟继续向前。随着这一切的发生，由于环境辐射的不断刺激，圆

    物，比如醇类、糖，甚至氨基酸——生命的组成部分。

    中循环再生，成为奇妙的化学物质22，从单一分子到越来越复杂的化合

    中，在尘埃颗粒的微小表面上。这些化合物混合在一起，在混乱的圆盘

    的化学反应。这些反应发生在气体、冰冻的固体和相对温暖良性的环境

    现在，围绕着一颗正在形成的恒星的密实循环物质中，发生了更多

    现，它们全都是由原始原子和离子的基本化学反应形成的。

    碳、二氧化碳和超过180种的不同化合物已经在星际的黑暗之处被发

    它自身所处的环境之前，它就已经做了各种化学实验。水分子、一氧化

    子以一种令人困惑的方式组合在一起。事实上，远在这种星云物质发现

    令人惊讶的是，这个大圆盘的环境同样有利于化学研究。原子和分

    像木星和土星一样的世界。

    巨大的冰球利用它们有力的引力场捕获周边的星云气体，变成巨大的、分，组成了越来越大的天体。大量的行星天体可以在这些区域形成——

    为“雪线”21的地方。在那里，温度很低，冻水变成价值巨大的重要部

    圆盘中形成了一层气体。但远在这大量扩散的物质之外的，是被定义

    更多的不稳定的固体。冻水无法在这些温暖的区域保存，然而水分子在

    靠近正在形成的越来越热、越来越紧密的中心原恒星的地方，缺乏

    的天体不过是一眨眼的工夫。

    54

    但还有其他的陨石与我们所熟悉的陆地岩石无法相比，它们是真正

    深处的矿物形态，而不是原始虚空中的东西。

    后粉碎分散到各处。这一物质经过重组、熔化和冷却，更类似于地球更

    和镍矿的巨石曾处于小行星大小的天体中、未成熟的行星内部深处，之

    这些地球外的物质有多种形式。许多是更大的天体的碎片：富含铁

    本土的——而是陨石。

    我们能够拿在手上的最古老的岩石，并不是我们的大陆或者地球上

    陨石，最古老的岩石

    态融合在一起。

    在这样的地方，也提供了一些线索，帮助我们将我们的星球和现在的状

    一个关键事件。它给我们留下了一些最重要的线索，暗示人类的起源是

    在太阳系这一情况中，在所有这些早期组合的某一点，发生了另外

    小时24而已。

    年的时间。与最终的恒星寿命相比，这仅相当于整个人类生命中的7个

    到1亿年的时间。更短暂的是，从云核到原恒星的阶段花费了仅仅10万

    浓缩的星云气体到一个崭新的充满力量的恒星形成，整个过程花费了不

    一个巨大的溅射引擎23，准备好了喷射全部的蒸汽。不可思议的是，从

    光喷射出来，使圆盘充满压缩气体、尘埃和会成为行星的物质。它就像

    这是原恒星表面一处狂暴的位置。紫外光放射出来，炙热气体的火

    够大，发生氢-氢聚变的全爆炸。

    的内部温度，使它保持在100万℃，压制了聚变的过程，直到它变得足

    核聚变开始的临界点。首先结合的元素是氘和氢。这帮助稳定了原恒星

    这颗小恒星的深处随着其挤压得更小而变得越来越热，接近持续的

    控制并减缓了它狂乱的自转，另外还阻止了它更加向内的凝聚压缩。

    55

    要信息。

    能被40多亿年后的我们收集。这些小东西包含了很多久远的过去的重

    1000℃。这些同样被熔化，四处飞溅并冷却凝固成小矿石的灰烬，只

    条件下，在更靠近原太阳的地方形成的，在那里，它们能被加热到超过

    铝包块即CAIs的称号。其独特的性质告诉我们，它们必然是在更热的

    矿物混合构成。这些结构含有丰富的钙元素和铝元素，让它们获得了钙

    还有另一种组成物——泛白的微粒，几乎只有几毫米大小，由几种

    固体。

    物质将这些碎片和大量富含碳的微粒与尘埃聚集到一起，黏合成更大的

    内加热又迅速冷却而形成。之后，围绕在婴儿期太阳边的飘移和碰撞的

    的岩石冷却凝固的残留物，它们曾在太空中仅几分钟或者几小时的时间

    但这个黑色基质中是其他的结构：小矿石球陨石球粒。这些是熔化

    闻到烟熏的芳香味，可能是因为部分化学物质蒸发到了空气中。

    物化学的基础。当这些新鲜的陨石碎片被收集时，目击者报告称，他们

    油性的焦油状物质，带有复杂的分子，甚至包括几种氨基酸——产生生

    有与它们相同的东西。在这些岩石中，有如此多的碳和烃，它们是相当

    这两颗陨石被称为碳质球粒陨石，它们是幽灵般的物体。地球上没

    下90多千克重的远古物质。

    二颗在9月，一颗火球进入地球，穿过澳大利亚东部的默奇森小镇，留

    入大气层，在500多平方千米的区域内留下总共几吨重的地外物质。第

    球。第一颗在那年的2月，落到了墨西哥北部的阿连德。它以超音速进

    陨石。这两块陨石似乎单纯只是因为宇宙巧合，均在1969年撞上了地

    出名的两个例子是阿连德(Allende)陨石和默奇森(Murchison)25

    类似这样的远古遗骸，可以在全球范围内的某些地方被收集到。最

    环境中形成组合物起，它们就没再被碰触和改变过。

    始、最基本的物质块。基本上自从约45.7亿年前，在正被压缩的原恒星

    远古的、没有经过任何熟知的地球物理处理的。它们是人类所知的最原

    56

    射性铝元素会提供足够的能量，以熔化任何巨大的岩石集。随着铝元素

    保持事物炙热的是什么呢？好吧，一种超新星在恰当时刻产生的放

    撞引起的熔化有效得多。

    岩石物质一遍又一遍地被熔化且保持着熔化的状态，远比一次简单的碰

    太阳系，从地球内部到曾是另一颗行星内部一部分的铁镍陨石，密实的

    撞、挤压到一起时，这一剧烈的过程产生的能量会将它们加热。但穿过

    也提供了其他一些事情的自然解释。我们知道，当婴儿期行星和岩石相

    的。所以，这一陨石中的微小线索指出了一个动荡的前太阳环境，同样

    有其他的方式能产生这种放射性污染，但超新星的方式可能是最有效

    几光年远的地方。是的，随着我们的系统席卷银河系的各种物质，也许

    放射性铝-26推挤到了地球的环境中。这一切可能就发生在离人类只有

    置在一起前，一颗巨大的恒星发生了爆炸28，并且距离足够近，以致将

    大概在45.6亿年前，就在CAIs将它们自己和我们的原行星系统放

    下面的场景。

    铝-26在恒星演化成超新星时会大量产生。将其两两结合，我们得出了

    量，蜕变成镁-26。这种衰减的半周期大概是71万年，我们也知道，通过一种被称为铝-26的放射性铝同位素“衰减”——放射出多余的能

    核物理学告诉我们，自然产生这样一种镁元素最合理的方式就是，来了，46亿年前，发生了什么导致了这一切呢？

    中，含有26个质子的镁同位素的比例比地球上的要大得多。那么问题

    数其他几种稳定的镁元素，其原子核中有25或26个质子。而在CAIs

    位素27。地球上80%的镁元素原子核中都有24个质子和中子。但也有少

    科学家也发现，CAIs中含有一种出人意料的高含量的特殊的镁同

    45.67亿年前之间。

    的混合，并确定一个相对精确的形成时间——距今45.71亿年前至

    球本身还要历史悠久26。地质学家可以检测其元素含量，特别是铅和铀

    关于这些CAIs的第一个令人惊奇的事实就是，可以确定它们比地

    57

    了太阳系放射性的历史呢？随着数十亿年流逝，类似三叶星云的这一切

    但是我们漫天的星辰，已经灰飞烟灭的同胞们遭遇了什么，并创造

    环境设定。这与过去有着出乎意料的联系。

    基本的地球物理学是由大量放射性原料制定的，其邻近行星有着相同的

    却得最慢。因此，人类似乎站在一把真正冒烟的枪上——一颗行星的最

    天体开始冷却，并从外向内开始重新结晶——有着大行星大小的天体冷

    熔化。最终，在经过大约300万年后，放射性同位素的热度逐渐降低，这些元素一起保证了任何直径大于30千米的岩石天体都会从内部

    射进形成原行星盘早期环境的物质中。

    太阳质量的0.01%。听上去可能不多，却是地球质量的35倍，它们喷

    几乎拥有百万年历史的放射性核(与良性元素一起)总质量大约占当今

    通过超新星冲击波强行注入我们正在形成的系统，这些新合成的，也是由同样的超新星爆炸触发的，并生成了这些炙热的核素。

    之分离成密实的小核心物质之前的一个短暂的时期内形成——这一事件

    铝同位素、铁和钙、镁等，都是当地生产的手工制品。它们在星云团使

    合将星际空间隔离出来，成为太阳系形式。但是其他的，例如不稳定的

    很多这些同位素都与太阳系更加广泛的进化有关——稳定的元素混

    核素，表明有大量过程曾经使太阳系是一个放射性更强的场所。

    为镍-60。事实上，陨石的材料中还发现了将近20种已经消失的放射性

    近的一颗超新星的另一种产物，在它的半衰期即大约260万年时会衰变

    现在也有陨石证明，在早期的太阳系里还有放射性铁-60。这是附

    多5倍。几乎可以肯定的是有其他部分的帮助——核混合的其他部分。

    可以认为，它对保持物体熔化做出的贡献在太阳系的早期比如今至少要

    这种热度是相当凶猛的。由于放射性铝的生命周期相对简短，我们

    会达到几千摄氏度——足以熔化所有已知的矿物。

    核衰变，它们放射出能量。如果将这些能量吸收进足够大的东西，温度

    58

    在原太阳(proto-Sun)周边环绕着的气体和尘埃大圆盘中，只需

    太阳系如何诞生，真正的起源

    这将带领我们到这一故事的剩下部分，即形成太阳系时发生了什么。

    和其他星云发生的事件让我们相信，不管怎样，我们是被诞生出来的。

    所以，仍然不能确定我们的太阳系是从哪里起源的，放射性同位素

    这个位置。

    梅西尔67让太阳以一种没那么戏剧性的、更有道理的方式来到了如今

    如果这些在几十亿年的时光中比我们认为的要改变更多，那么很有可能

    然而，这一结论依赖于对银河系大悬臂行星恒星天体结构的猜想。

    会将我们尚未成熟的行星系统撕成几块。

    座椅，将太阳扔到今天所在的位置。在这一弹射过程中，引力潮很可能

    西尔67内有至少2颗或3颗大质量恒星极其罕见地对齐，提供引力弹射

    这一诞生地被抛出而不得不行进的路径——看上去并不太像。它要求梅

    算机对梅西尔67内的恒星运动仿真模拟31了一条预估路径，一条太阳从

    残骸，它包括超过100个近似太阳的恒星。但有一点需要注意：现代计

    一个候选者是梅西尔6730，距离我们2700光年，具有恒星和恒星

    超远距离和具体运动的测量精度，以及通过筛选的天体的绝对数量。

    战。仅仅是指出哪些恒星可能与太阳拥有同样的起源，就都受限于恒星

    星群——身处其中的恒星接近太阳的基本组成和年龄。这是个艰巨的挑

    天文学家已经在寻找这一恒星伊甸园29，在我们的银河系中寻找恒

    最初的家园也可能仍然存在，成为一个将我们遗留在此的大恒星集群。

    飘移远去，并在永存的星系引力潮作用下被拖拽到不同的方向。但人类

    年里，这些恒星的姐妹们会简单地分散开来，沿着围绕星系的大型轨道

    新星的所有直接证据都已消失。当然，可能在接下来的几百万、几十亿

    发生了什么呢？最早与我们紧密结合的恒星孕育之地及其规模巨大的超要几百万年的聚集、碰撞就能形成很多大型天体。在寒冷的地区，最终

    成为小行星带的轨道区域之外的地方，冻水是稳定的，这种额外的固体

    材料能和岩石组合起来，形成巨大的冰行星核。这些大球体比地球大

    10～50倍，它们的强引力吸引周围的气体形成巨大的大气层。

    正如我前面提过的，木星就是这样一个天体，掩盖在令人惊讶的物

    质之下——大部分是远古的氢和氦，质量是地球的300多倍(见图2-

    5)。这一物质的绝对质量使得行星内部处于巨大的压力之下。即使是

    氢气也变成了我们不熟悉的形态，像一块液态金属32盘。不论有没有放

    射性同位素的热度，一个早期的气态大行星都会因这样压缩的形式制造

    的热能而发出光芒。即使是45亿年之后的今天，木星仍然放射出这样

    原始的热量——而它的内核温度接近2.8万℃。

    59

    的时间里经历一番危险的旅程。它们各自并没有增长很多，但偶然地，每一个都只有地球质量的百分之几，每一个都将在接下来几千万年

    石天体，它们是由微行星的碰撞融合形成的存活下来的冠军。

    的轨道区域)，有着几十个被称为行星体(planetary embryos)的岩

    更靠近茁壮的太阳系内部(最终会成为从水星穿过金星到小行星带

    注：木星质量是地球质量的317倍多，属于一个完全不同的行星等级。

    图2-5 地球和木星比例图

    60

    光滑的平原，而南半球大部分是更厚的地壳和岩石高地。

    态的一个可能的原因——令人震惊的南北差异，北边是薄薄的行星壳和

    石中。但它也经历了与行星体的大量碰撞。这是造成火星奇特的地理形

    分组成也与地球不同，更多比例的挥发性元素以它们的方式进入火星岩

    火星要比地球小得多，大约是现在地球质量的110。火星的大部

    一圈的时间还要长。

    清楚它自东向西的自转，以及为什么完成一圈自转的时间比绕太阳公转

    明，金星是由两个巨大的行星体迎头相撞形成的——这一过程可以解释

    地球不同，这样的地层不会由于卫星碰撞而脱落。一些理论研究也表

    另一些行星却不一样。金星似乎保留了早期的岩石材料的外层。与

    样重要。

    层一些的位置，但在地球表面、大洋和大气层的化学机制运动设定中同

    的化学混合物组成了地球的外表层，它们经常会被回收到熔化的内部上

    地表勉强冷却到能够容纳这一易挥发的化合物的温度。接着，很多丰富

    击中，大量珍贵的、我们称之为水的物质沉淀到年轻的地球表面，此时

    地球也在稍晚的时候经历了一些小行星的撞击。在这一爆炸性的冲

    行星发生了剧烈的碰撞，导致月球的形成。

    及偶尔与其他天体的大型碰撞。地球本身似乎在45.3亿年前与一个胚胎

    更多的事。行星经历了一定数量的轨道迁移(之后我们会详细介绍)以

    虽然还有一些细节尚不知晓，但我们知道，接下来几千万年发生了

    的其他地方。

    的轨道。一些向内飞，找到进入近日世界的方法；另一些则扩散到系统

    它们的碰撞更具破坏性而非建设性。受到引力的干扰，它们可以飞往新

    当困难。木星和土星的引力扫过这片区域，使这些更小的天体加速，使

    在最后的火星轨道之外，有很多行星体，但这片地带要制造行星相

    间的流逝，有一些行星体开始占据控制权，形成近日行星。

    它们在强烈撞击之下黏合在一起，重新熔化，重新形成矿物质。随着时

    61

    态系统中占了上风，并开始繁殖。它们的代谢工具产生了大量的氧气，的现象——生命产生的。大约25亿年前，如单细胞蓝藻类的生物在生

    之后发生了变化，并且这一变化是由这颗行星上一个相当意想不到

    素氧。

    方。关键是，在地球形成之初的15亿年里，大气层里几乎没有活性元

    证据表明，液态水几乎总是存在于行星表面或靠近行星表面的某个地

    和化学物质发生了演化，变了很多。最远古的矿石——锆石晶体提供的

    地球也不是它一开始的样子。其表面环境经过亿万年的进化，温度

    星从一个原本潮湿温暖的地方变成了现在这样干涸的环境。

    经所在的水分子。一颗行星就会这样逐渐干枯，也许就是这种机制使火

    射。这是件好事，因为每失去一个氢原子，就意味着失去一个氢原子曾

    地球磁场限制了这一损失，保护我们的上层大气远离凶猛的恒星辐

    或粒子辐射而分解，氢原子就会上升，并脱离地球的掌控。

    拥有的由氢或氦组成的大气。今天，如果大气层中的水分子由于紫外光

    的粒子往往是最轻的组成部分，因为这一原因，地球早已失去了它曾经

    快。最外层的可以达到逃逸速度，从而逃离到太空去34。这些逃离出去

    持续不断地运动，温度越高，这些组成大气层的粒子平均运动速度就越

    正如地球的大气层像一层薄薄的毯子包裹着我们。但气体的原子或分子

    这些行星的大气都是易变和易泄漏的物质。引力能将大气层锁定，但火星的矿物和化学状态与地球上大部分位置都不同。

    的环境的行星，有清晰的证据表明，曾有液态水在其表面流过并累积，129℃到21℃不等。但是，火星是最有希望成为另一颗有适合生命产生

    空气几乎只有地球大气压的0.6%，温度随季节和位置不同，从零下

    而火星代之以二氧化碳为主的稀薄干燥的大气层。在火星表面，稀薄的

    富含二氧化碳的大气层，高表面压力，并导致超过400℃的酷热温度；

    的、类似地球的气候33。但这些时日都早已消逝，金星代之以厚重的、有趣的是，火星和金星可能在40亿年前的早期也拥有更加温和

    62

    它们能够穿过去，并以接近光速的速度逃向宇宙。另一种聚变能量的组

    和其他任何东西发生反应，甚至连致密的太阳对它们而言都是透明的，续的潮水般的亚原子粒子，被称为中微子。这些鬼魅的小东西几乎不会

    着了它的中心核。来自熔炉的能量以两种主要形式迸发出来。一种是持

    当我们第一次碰到它时，这个孤独的怪物刚刚用氢核聚变的烈火点

    通的恒星天体有着不寻常的兴趣，其中之一就是太阳。

    世纪或者几千年内，而是在几十亿年的时间里发生了演化。我们也对普

    2000亿颗恒星、大量气体、尘埃和暗物质的集合，而它并不是在几个

    者。用这样一个无所不能的方式，我们能够看到这个复杂的、有超过

    什么”这一问题的答案，让我们想象一下，我们是银河系的外部观察

    白尼平凡论和它的反对观点，并且开始构想“我们的宇宙存在的意义是

    更大的优势是，这是我们需要的关键部分之一。为了梳理复杂的哥

    银河系观察者视角

    的人生观，给予了一个相当不同的观点。

    作用。确实，对于人类存在于此，这一更大的画面相比于我们通常狭隘

    们对行星特性的改变微不足道，非常像是长期暴露的化石所经历的风化

    着世界。但对宇宙而言，这些全都是如此可怜的小细节，一般来说，它

    任何时间，都有无数的生命——诞生死亡，进食腐烂，持续不断地改造

    深入探访这扑朔迷离的行星机制网络，其影响因素就在于生命。在

    调整热量的损失。

    不容易的平衡状态发展——在表面上保持液态水，作为大气的一部分来

    深层的化学和地球物理的循环，倾向于推动我们的气候朝一个被认为是

    度。但似乎偶然暴跌到一定水平，几乎把行星包裹在冰里35。也有一些

    其他的特征也变了。过去地球的温度比今天的温度平均要高几摄氏

    增加的浓度在接下来几十亿年的时间里改变了这颗行星。

    63

    力动力学，它们的轨道也由扩张做出了调整——遵循的规律早在50亿

    可能会损失其本身质量的一半。这一损失深刻地改变了它周边行星的重

    星释放出大量物质，将气体和快速凝结的尘埃吹到星际太空中。它最终

    轨道，像一颗若隐若现的红色等离子球。与此同时，这颗曾经的原始恒

    长得如此之大，吞噬了最邻近的世界，几乎到了这颗之前湿润的行星的

    变得越来越膨胀、越来越紊乱。它的外层区域断断续续地膨胀，最终成

    在遥远的未来，经过一段大约持续10亿年的时期后，我们的恒星

    艰难而痛苦地成为死恒星的转变。

    居最小的问题。因为当太阳消耗掉它内核中的最后一滴氢后，便开始了

    惬意地维持液态水海洋。但在100亿年时，这是这个世界和它当时的邻

    亿年的时间里，不断增强的亮度将其表面气候推到了一个极端，不能再

    对这颗围绕着太阳的湿润的行星来说，这有着深远的影响：在60

    塌)。

    也逐渐增加(想象篝火燃烧不断增强热量和亮度，随后火堆缓慢地崩

    集了更重的元素。最终内部变得越来越紧密和炽热，氢元素消耗的速率

    星核中融合在一起，形成了氦核，因此改变了恒星的基本组成，使它富

    变得越来越明亮——至少一段时期内是这样。氢原子核的单个质子在恒

    与宇宙中很多其他现象不同，像太阳这样的恒星会随着它们的成长

    出其年龄的痕迹和最终走向死亡的不可避免的过程。

    后，它的亮度大约是它年轻时期的2倍。带着些微的遗憾，我们可以认

    强了30%，加强了第三颗行星上生命物种的种类扩张。在大约100亿年

    追踪这颗小恒星，它慢慢地变了。在它最初的40亿年里，它的亮度增

    循环的大气层中，甚至是这第三颗行星上的液态水中。但随着我们继续

    气体。在那些更靠近太阳的世界中，它控制了表面环境，将能量释放到

    这一丰富的辐射加热了围绕着太阳的行星、小行星、彗星、尘埃和

    进入太空，成为一束含有可见光、紫外光和红外光的光线。

    成部分是大量的质子，漫射着穿过约64万千米的太阳等离子体，最终

    64

    又无可奈何地绕着逐渐暗下来的白矮星旋转着，这是它母亲最终剩下

    的轨道远离系统中心2倍的距离。寒冷而又贫瘠，这个世界没完没了而

    灭。由于太阳已经丢失了它最初质量的40%，地球现在的轨道比它当初

    在太阳系排名第三的世界在恒星死亡的剧烈挣扎中九死一生，避免了毁

    凝视着这一点，我们可以看到部分行星逃过一劫36。事实上，曾经

    是以一颗巨大的黑色碳氧宝石的身份结束一生。

    们自己排进晶格——一个规律的矩阵中。它结晶了。太阳遥远的未来就

    灰烬，需要万亿年的时间冷却。这种情况下，构成白矮星的原子会将它

    我们将这一奇异的天体称为白矮星。它没有能源，只是一团炽热的

    的双重波粒行为抵抗重力的压缩。

    由亚微观量子性质产生的陌生而又基本的力支持其本身的重量——物质

    云。最终只留下太阳的内核，基本上暴露在外。它是由碳和氧组成的，的外层，将它们吹向星际太空，创造出一片直径几十光年的美丽的星

    在短期内，恒星引擎暂停，它的耀斑能量开始膨胀并推开最后残余

    步，所以不再有新的能源——食品柜里没有留下任何吃的了。

    耗的东西。它质量不够，无法将中心温度升高到足以发生碳核聚变的地

    时间后，只有不到60条轨道围绕着银河系，它已经耗尽了所有它能消

    这对太阳这颗孤单的恒星来说是关键的时刻。经过大概120亿年的

    氦元素也耗尽。

    这颗不断压缩的恒星核和它的能量流导致恒星的外部扩散得更远，直到

    效，但它使氦元素变成了两种新的元素——碳和氧。接下来的1亿年，亿℃的高温，比氢聚变需要的温度高10倍。接下来的反应也不太有

    最终，这个不断收缩的核变得足够热，点燃了氦聚变。这一过程需要1

    的、正在聚变的氢在其外围，有点像即将燃尽的摇曳火光的外层边缘。

    一旦中心的氢开始耗尽，恒星核就开始收缩，温度升高。它只留下薄薄

    推动太阳这些戏剧性的外部变化的，是一些内部重组和相关过程。

    年前出现，后来被一位名叫艾萨克·牛顿的人推导了出来。的。

    这一段，恒星100亿年的旅程结束了。但我们没有时间长吁短叹，因为已经有像它一样的新事物等着我们去挑选。当我们看着自己最喜欢

    的恒星闪耀在头顶时，一个有100亿年历史的太阳已经在银河系里诞生

    了。

    思索人类在宇宙中的位置

    太阳系的诞生是一阵物理和化学反应，大部分发生在几乎不超过几

    千万年的时间里。之后，几十亿年过去，单一的恒星走完了它的一生，成了一块相对良性的化石的状态。但从人类的角度看，这是永恒的，但

    其实它充满了复杂的反应。

    在人类出现之前，生命存在了几十亿年，在最短的一瞬间，我们从

    天体物理、地球物理和分子进化的网络中站了出来。在那一瞬间，我试

    图站在智利的山顶上，沉思我在宇宙中的位置。在我面前，这些起伏、褶皱和景致正是地球熔化的地球物理学的直接结果——它们更深层的起

    源是在早已丢失的无法想象的远古恒星诞生地中，巨大的恒星制造的放

    射性元素。

    这是一条错综复杂的、通向并超越这一短暂时刻的小路。即使隐藏

    在其下的规律是简单的，穿过宇宙直抵你我的路径也布满荆棘。这很重

    要，因为学习我们在宇宙中是否有意义的潜在方式之一就是，问问有多

    少条路能够产生像人类这样的生命，或者就此而言，所有的生命。为了

    绘制这幅图，我们的下一步就是看看其他行星的故事——这个星系中围

    绕着其他太阳的其他世界，或者在星系之外的那些。它们将要给我们讲

    的故事十分令人惊奇。

    65

    66

    67

    惊。我们最近发现，人类自身正处于这样的情况下——并不是好奇天使

    感的创造力，直到自然将之再次带回我们的生命中，并使我们大吃一

    的繁华世界，都是人类想象力的源泉。然而有时候，我们会失去最有灵

    从C.S.刘易斯(C. S. Lewis)寓言中的纳尼亚(Narnia)2到星球大战

    那些在我们之下、之上以及远在我们一般存在之外的会是什么——

    人类叹为观止。

    的说书人，早已想象出很多其他的世界。这些世界如此奇异，令平凡的

    这是一个非常有趣的幻想，也使下面的观点相当清晰：人类当中有创意

    地球大40倍，每一个外星生物的家园都比他最疯狂的想象还要疯狂。

    的了解。这位天使告诉他，地球之外还有至少40个世界，每一个都比

    在这段旅程当中，布鲁奇亚也遇到了一位天使，并对现状有了快速

    层层深渊的地狱。

    了一个满是离奇怪异事物的地方，从树上长出来的累累头颅和鸟群，到

    人的冒险故事，他为了寻找永生的药草踏上征途。这一任务带领他到达

    我最喜欢的故事之一是一个叫布鲁奇亚(Bulukiya)的年轻苏丹

    编写的，至今仍然是非常好的趣味读本。

    夜》1。这些机智的故事，是在1100多年前根据一代代故事和传说收集

    有个很好的例子来自久远的过去，那就是童话故事《一千零一

    与文化中浮现。

    如我们所见，它隐藏在不同的哲学思想中心，一次又一次地在人类艺术

    有关其他世界(不只是“我们这里”)的想法不只扎根于科学。正

    角落，可能会使寻找生命这件事变得不可能。

    话，我们的世界观就会大大改变。一些世界四散在遥远的、难以到达的

    当然是有理由的。很明显，如果没有其他的行星，特别是其他的地球的

    一样吸引我们的注意力——我们期待已久的宇宙绿洲可能就在那里。这

    在探寻理解人类在宇宙中的位置的路上，很少有什么能像地外行星

    68

    如果从几光年之外的地方观测太阳系，类似木星和地球的行星将会

    只是因为它离地球很近，而且太阳光在我们这个地方仍然很强烈。

    它表面的太阳光的10%——大约和一大块煤炭一样。它看上去很明亮，们认为月球很明亮，但这基本上只是错觉。月球实际上只反射了照射到

    颗行星会更温暖，但比木星小得多，就等同于一个惨淡的哑炮。虽然我

    射出的最大电磁能也只是太阳放射出的数十亿分之一。像地球这样的一

    放射出微弱的红外光。但即使全算在一起，这颗太阳系中最亮的行星放

    巨大的行星比如木星，会反射太阳光，也会从它深深的温暖的内部

    经验非常误导人。

    星一类行星的亮点。这些我们知道的行星似乎并不害羞。但这种本土的

    当然，我们当中大部分人都见过满月的强光，甚至注意过金星和木

    些系统中，耀眼的恒星光淹没了微弱的行星光。

    光的特性，即使是一个结构完美的望远镜，其成像也会变得模糊。在这

    距离看过去时，恒星和它的行星们挨得相当近——这是一个问题，因为

    因非常简单：行星又小又暗淡，而恒星巨大又明亮。而且以横跨星际的

    找到围绕其他恒星的行星3是非常困难的。没法来描述这一切。原

    行星又小又暗淡

    西——或许甚至是特别的。

    它提供了部分最好的证据，表明关于地球的环境，确实有些不一般的东

    会显著支持哥白尼的观点(我们是普通的，不是中心的)；另一方面，一难题的关键部分。而它的影响力并不简单，因为一方面，这些发现将

    的，这一事实将揭示我们探索旅程中最伟大的一条线索，人类的意义这

    力的性质——使我们从平凡的思想中得到提升。正如接下来我向你展示

    令人惊奇的并不只是其他世界的存在，还有它们拥有挑战人类想象

    或者追求长生不老，而是惊讶于在太阳系之外的行星。

    69

    速度还要慢。

    仔细转换成一个1000亿亿亿吨的物体的估算速度，这可能比人走路的

    在恒星的原子里来回跳动。这些标志物需要被精确地测量、监测，并被

    学家必须提取出这些脆弱的、特定光谱特征的电子作为标尺，这些电子

    须被分成数千个其组成部分的频率，就像是玻璃棱镜形成的彩虹。天文

    这一探索并不适合那些胆小鬼。由强大的望远镜捕捉到的恒星光必

    更稳定的集体运动，给我们看到的恒星光增加了混乱和复杂的信号。

    体上下翻涌。这些小范围的运动，可以轻而易举地超过行星引力引发的

    假使这还不够，恒星的表面也是个非常动荡的地方，炙热明亮的气

    测，以找到它。

    移动可能会横跨木星轨道的10年时间。你仍然需要非常耐心并坚持观

    性。木星可能是个更好的目标。它可以使太阳移动大概36米，但这一

    有几厘米多一点，而这一运动只会在一年的周期里显示出它明显的周期

    这仍然是相当复杂的测量。像地球这样的行星引起的太阳的运动只

    向我们远离或靠近，频率、颜色或者光线发生变化，而指出其所在。

    到它；或者运气稍微好一点，通过使用多普勒效应4找到它：随着恒星

    发生变化。由于恒星在天空中很小幅度的前后移动，你可能能够直接找

    换句话说，如果存在行星，恒星会摇摆，而这样的摇摆会随着时间

    支点肯定也会移动。

    置本身通常不是稳定不变的，因为随着行星围绕轨道运行到不同地方，心，相反，系统中如果有行星，它们的引力会使中心发生偏移。这个位

    系统的质量中心或者平衡点旋转。没有行星存在，中心就是恒星的中

    我之前提到过的一个方法，需要回溯到牛顿。牛顿指出恒星围绕着

    耀眼的恒星系统的斗篷，试图感知行星的存在。

    的光学小花招——技术就在此时浮现出来。但也有其他的方式能够透过

    的几粒黑色灰尘。为了看到这些世界，我们需要巨型望远镜和一些机智

    从视野中消失，被模糊的太阳光淹没——像是在明亮的照相机闪光旁边

    70

    路。它也是哥白尼定律的附属品，短期地误导了我们。如果人类不是中

    某种程度上，这是值得尊敬的科学保守主义，使其他观念走投无

    道是特别的——它们都是我们自己目前环境的近似复制。

    不是研究员们明确寻找的世界。没有一个天文学家想象的假想行星和轨

    像是《天方夜谭》里的那些故事，有着更加惊人的夸张的猜想，但那并

    行星在熟悉的结构中。虽然同时代的科幻作家们眼界更为开阔，创造了

    相当愚蠢的事。他们本质上想象的是人类所在太阳系的替代品，熟悉的

    有趣的是，大部分科学家认为，如果他们找到了什么，那才真的是

    事。

    使它们存在——似乎有可能，也仍然被喋喋不休的怀疑所包围的一些

    为他们在探测围绕其他恒星的小黑点世界时的确有所发现。那就是，即

    技巧取得的进展达到了一定高度，一些大胆的、坚持不懈的7科学家认

    都充满了失败的和未经证实的声明。然而，20世纪后半叶，这些天文

    所有这些方法的困难和试图找到围绕其他恒星的行星的长久历史，它们的轨道和质量。

    恒星的行星，闪光的特性会被改变，揭示出那些世界的一些事情，例如

    天的光芒。单个恒星就能制造这样的引力镜片6，但如果增加几颗围绕

    光一般，并在恒星的旋转运动改变了事物直线排列的状态之前，发出几

    星系统时，就好像在太空中竖起了一块镜片。光线被简单地放大，如闪

    相对论性质的结果。当来自遥远恒星的光线恰好经过一个挡在中间的恒

    用扭曲自身身边的空间和时间，使经过的光线路径发生了弯曲——宇宙

    更少见且更难解释的是恒星和行星的一种特征，它们由于引力场作

    关于这些黑点的存在，甚至是它们大小的线索了。

    注意到这一点，在下一周期再次注意到这一点，再一次，你就会有一些

    看到行星遮蔽了母星5，挡住了那一小部分投射向我们的1%的恒星光。

    人技巧和意外发现。有时行星系统是定向的，所以在地球上，我们能够

    还有其他找到行星的方式，通常都非常困难，因为它们都依赖于个

    71

    随着时间的推移，科学家们意识到，波得定律充其量只是自然现象

    规律在发挥作用，行星形成和排列的方式可能是宇宙性的。

    式算出的位置并不精确，但非常接近。这个模式确实暗示了有更深层的

    平均距离，单位是天文单位，1天文单位约等于地球到太阳的距离。公

    的公式给每个数加上了4，接着除以10，就得到了每一个行星到太阳的

    48，96，192——3以后的每一个数字都是前一个数的2倍。这一神奇

    序列，一连串的数字。特别的是，这组序列是0，3，6，12，24，列。这条定律预测了行星到太阳的距离，并且仅使用了一个简单的代数

    律)8。该定律于18世纪提出，当时的天文学家们困惑于太阳系的排

    验法则，被称为提丢斯-波得定律(Titius-Bode law，简称波得定

    人们很难想象盒子之外的事。甚至还有一条在数值上有吸引力的经

    想法的典范。

    冰的世界形成得更远一些。这一排列在过去和现在都是世界如何形成的

    列，更小的、富含岩石的行星形成得离太阳更近，更大的、富含气体和

    和尘埃形成，这有非常有力的物理原因支持。太阳系有着非常特殊的排

    行星为何能由一大盘围绕着不断压缩和聚集的创造恒星的核物质的气体

    了20世纪后半叶，在这一机制上有了基本共识。正如我所描述过的，空中的气体和尘埃形成的想法，已经在几个世纪里发生了改变。但是到

    太阳系也是行星形成理论的唯一模板。科学家们关于行星由星际太

    隐藏在每个人的思想背后，是我们的终极目标。

    行星仍然超出这些早期试验的灵敏度，然而毫无疑问，这些更小的世界

    动中制造出非常缓慢但可以被检测出的舞蹈。找到其他类似地球大小的

    星。这些会是巨大的世界，有着大型的、缓慢的轨道，在它们的母星运

    这意味着在20世纪晚期，我们实际上在寻找类似木星和土星的行

    星系统和地球类似。

    一个普通的行星系统，绕着一颗普通的恒星运动，我们会期待其他的行

    心的或特别的，那么可以相信其他生命应该同我们类似。如果地球只是

    72

    在这个大碗的外围，三座塔与横跨中心的粗重的钢索连在一起。在中心

    离这个银光闪闪的表面之上150多米的地方，有一个同样巨大的框架。

    ——就好像一块金属密封箱被小心地放置于此，隔绝了潮湿的大地。距

    物，取而代之的，是超过38 000个紧密贴合的筛状铝板覆盖在大地上

    这里，在一个直径约300米的“大碗”之内，没有树木和林下植

    ——除了一个地方。

    的土地。通常这是些草木茂盛的地方，在苍山之间满是湿润的肥沃土壤

    在某些地方，几千年的湿气已经侵蚀了岩石，形成了巨大的天坑和凹陷

    古丛林。很多蓬勃生长的植物和动物生活在多孔的可溶性的石灰岩上，从波多黎各加勒比岛屿北海岸向内16千米，是一片茂密狭长的远

    欢迎来到地外行星联盟

    能是最后的不遵从主流思想的事物了。

    形式下，很明显，我们试图使自己搞不清什么是可能的。结果，行星可

    驳的证据，证明了太阳系外的世界就是如此诞生的：在事物如此不同的

    因此，我们可以说这是一种宇宙正义的行为，这就是第一条无可辩

    的”环境只不过是一个例子，诞生于无数配置和途径下。

    将这种平均性视为新的福音。很难允许这样的可能发生：这些“普通

    踽独行。在正确地将地球从万物中心的位置移开之后，大部分天文学家

    定律被接受而遭受了巨大打击，以至于什么都不能做，只能低垂着头踽

    现在回头看这一点，我有一点震惊。好像人类这个物种因为哥白尼

    统都该和地球类似。

    明显，但这样一个定律的出现显然让科学家们普遍感觉，所有的行星系

    方并不是必然的。这样的想法有着强大的吸引力，尽管当时的推理还不

    最糟糕的是，这个模式只是纯粹的巧合。它适用于太阳系，但在其他地

    的趋势盲目地跟随数学形式而已。这些函数被称为幂定律或指数曲线。

    73

    量：磁场和带电的质子、电子从表面凸出并流转。如此，带有这样性质

    为单位发生自转。通常中子星也非常炙热，大约有100万℃，充满能

    的坍缩而形成的，有多种方式可以使它们产生自转，部分中子星以毫秒

    中子星也会以相当快的速度自转。由于它们是由不可控的恒星内部

    1609千米秒的速度狠狠地撞上去。

    在它表面附近，重力加速度如此之大，仅仅约1米的下落就会使你以

    合在一起。一颗中子星的质量是太阳质量的2倍，直径却只有19千米。

    压缩在一起——没有原子或分子，实际上只是一个巨大的核球由引力黏

    和人类在地球上见过的任何物质都不同，中子星的物质非常紧密地

    劫，将恒星的外边缘喷射到太空中，留下这颗十分吓人的球体。

    身重力作用下，中心发生坍缩。这是一场制造了巨大的超新星爆炸的浩

    核心的核反应不再继续之后留下的。当其内部能量消耗殆尽时，在其自

    电子一起构成的。这是由比太阳要大一些的恒星在明亮地燃烧、直到其

    这个天体是一颗中子星，是由叫作中子的核粒子和少数质子、一些

    恒星内部残留物——这颗恒星早已在8亿年前死亡。

    敏的监测器上。经过长途星际旅程，信号减弱，辐射来源于凶猛自转的

    这些电磁场反射到阿雷西博天文台的铝板上，汇聚到悬在空中的灵

    2000年。

    微弱的电磁辐射——距离我们大约19 312万亿千米，以光速行进需要

    1990年2月，这个巨大的望远镜正在监听太阳系中来自遥远地方的

    在或它的任务丝毫不会被掩饰。

    台(Arecibo Observatory)9，当它静静地待在树丛之中时，它的存

    的天堂一角，或者用来发现是什么如此宁静。它的名字是阿雷西博天文

    这是超现代技术的庞然大物，是一件了不起的事物，用来寻找遥远

    嵌组合形成，这是外星无线电波监听站的重要部分。

    点，复杂的网状电缆和钢梁维持着膨胀型结构，由错综复杂的三角盘镶

    74

    星到太阳的平均距离还近。第三颗很小，几乎只有地球质量的2%，相

    倍，分别在离脉冲星547万千米和692万千米的轨道上运行，甚至比水

    三颗行星大小的天体(见图3-1)11。其中的两颗大概是地球质量的4

    今天，随着对这一系统的更多观测，我们知道围绕该脉冲星至少有

    外行星系统——在我们的星系中第一个已知的其他世界。

    了相当有力的证据，在这颗遥远的脉冲星传来的数据中找到了第一个地

    志上公布了他们的发现。他们做到了很多人曾经试图做的事。他们发现

    Wolszczan)和戴尔·弗雷(Dale Frail)10在《自然》(Nature)杂

    1992年1月，天文学家亚历山大·沃尔兹森(Aleksander 的，而是几个，并且它们都不大——只有行星大小。

    非中心的重力平衡点。然而这个平衡点并不是只由一个附近的天体引起

    颗脉冲星，迫使它在其自身的小型轨道上运动，这一轨道围绕着系统的

    再重复着相同的图形。唯一讲得通的可能就是，有什么东西在牵扯着这

    据的研究，天文学家们发现，这一奇怪的信号变化在几个月的时间里一

    在接下来的两年里，天文台重复监测到了这个天体。随着对这些数

    计时的神秘小变化。大自然的时钟之一看上去有点古怪。

    含着中子星每秒自转167次的计数。另外，当时人们无法解释辐射脉冲

    所以当1990年无线电信号到达阿雷西博时，人们惊奇地发现它包

    保持相当精准的计时，相当于地球上的原子钟。

    它的自转速度趋于稳定。事实上，快速自转的脉冲星的无线电信标可以

    的飞轮，可以用亿万年的时光来消耗这些能量，直至速度降低。最终，这样一个密度巨大的天体引起了强烈的惯性。所以，它像一个巨大

    转，这一辐射会在几分之一秒内扫过几万光年。

    水般的能源带着向外冲的质子，以螺旋状穿过星系。随着中子星的自

    脉冲星向太空发射出电磁辐射，像一座永不熄灭的灯塔。强烈的潮

    的中子星创造出宇宙所有现象中最超现实的一种——脉冲星。当于月球的质量。这颗身材矮小的行星占据着比另外两颗行星更靠里的

    轨道。

    图3-1 一位艺术家对围绕脉冲星PSR B1257 +12旋转的行星的印象(NASAJPL-Caltech

    R.Hurt【SSC】)

    75

    没有什么能为我们准备这些。我们第一次目睹了其他的行星天体，沐浴于正常太阳光下的世界。

    固，汇聚到一起，打造了这些回收再利用的球体，嘲笑着这些永远不会

    这些残骸曾经是那个时代尘埃破坏又重组的碎屑，在引力的束缚下凝

    于它周围的世界。我们看到的这些奇怪的行星是令人毛骨悚然的残骸，去，它在巨大的超新星爆炸中就是这样做的，抹杀了任何曾经可能存在

    酷的光线加热行星表面。那颗曾是它祖先的恒星在10亿年前就已死

    在轨道上翩翩起舞。自转的脉冲星放射出恶劣的破坏性的辐射，并用冷

    残留物之一，一个令人生畏的“母亲”，而它们紧紧拥抱着这位母亲，这里的行星没有正常的恒星。取而代之，它们所拥有的只是有毒的

    了我们以为自己知道的任何理智的推测。

    说法。这个系统如此奇怪，和我们的系统如此彻底地不同，它立刻混淆

    像这样的事实和数据几乎无法描绘出有用的景象，所以让我换一种

    76

    自这些行星的初次发现后，惊喜持续不断。我们发现多种地外行星

    测量的天文学家的一次胜利，但它仍然疑点重重。

    内“迁移”穿过原行星盘的。所以，虽然这一发现是坚持进行这些艰难

    里梅因(Scott Tremaine)13，他们在15年前学习了行星是如何向

    比如天文物理学家彼得·戈德赖希(Peter Goldreich)和斯科特·特

    只有少数科学家曾经考虑过行星可能在意想不到的地方结束一生，成，在那里，轨道动力学和更低的温度组合会孕育这样一颗行星。

    星离它的母星这么近。这样一个大的世界只可能在系统更远的外围形

    实，行星形成的理论得出的结论使我们有理由相信，不可能有巨大的行

    或自然哲学家花费很多时间来考虑像这样的一个系统存在的可能性。确

    可以说在近2 000年的关于这一物质有记录的思想中，没有科学家

    质量的150多倍，但它却没有变成满是热岩的小矮子。

    全距离4500万千米)还要近。不只如此，这颗行星的质量几乎是地球

    实上，它离自己的恒星只有800万千米，比水星到太阳最近的距离(安

    这颗新发现的行星完整走完一圈，所需的时间只要4个地球日。事

    这种恒星的运动能够通过光线的移动频率而被发现。但有蹊跷。

    的小型轨道上运动。这与牛顿在400年前描述的恒星和行星运动一致。

    星的引力影响发现的，这一影响迫使恒星在围绕这些天体之间的平衡点

    类似那颗脉冲星的世界，这颗新的行星是通过它对自己所环绕的母

    捕获行星——我们从未怀疑过这一点，但以前从未证实过。

    史上另一个重要的时刻：最终我们证实了，其他的恒星也能像太阳一样

    似太阳的恒星12旋转的行星，在距离我们50光年远的星系中。这是科学

    3年后的1995年，天文学家宣布发现了第一颗稳步环绕正常的、类

    惊喜的期待。

    太阳系外存在着像行星一样的天体。这个地方恰恰削弱了我们对下一个

    揭露了来自天体物理学地下世界的一个系统。当然，它也有力地证明了

    77

    冷冰冰的，面向着寒冷的太空。

    定”了，因此白天的那一面总是白天，而黑夜的那一面永远是黑暗的、地牵扯住它们，它们不再有正常的白天黑夜。它们被永远地“锁

    次完整的公转，面对太阳的那一面被加热到超过1000℃。潮汐力紧紧

    部分这类行星离太阳太近，在几乎不到24个地球时14里就完成了一

    面对着它们的太阳的灼热怒火，表演着拙劣的舞步。

    可能因为离其他世界的重力影响稍微近了一点，就被丢到了这些地方，系统时曾围绕着它们的大盘物质，挤出了一条路，来到了前方。或者，其中一部分迁移到了我们发现它们时的位置，推拉反抗那些在形成行星

    它们不应该在它们所在的位置，但我们无法否认它们的存在。可能

    现在，它们已经有了一个非正式的名字：热木星(hot Jupiters)。

    着。这都是那些首次被发现的、围绕着正常恒星旋转的地外行星代表。

    在壁炉的角落里，巨大的行星在离它们的母星相当近的轨道上运行

    部，看看其中精巧的家具和奢华住客的华丽外表。

    这些信号揭露了行星的大小、温度甚至组成。让我们进来看看这个俱乐

    试、区分这些推测，利用望远镜的观测结果和巧妙的技术来梳理信号，接下来的很多研究都建立在已知的推论基础上，我们已经开始测

    而它则影响了我们狭隘的宇宙观。

    独家俱乐部，因为几乎在任何你能看到的地方，你都会找到它的成员，那么，让我欢迎你来到这个非凡的世界联盟。这不是任何意义上的

    据研究。

    究竟什么是比较行星学的介绍——种类的分类分级和它们如此分类的依

    中的意义的核心问题带来了崭新的光芒。这令人眼花缭乱的就是我们对

    无法想象它们有多么不一样。它们使宇宙充满了可能性，为地球在宇宙

    想过这些世界会有点不同，和我们的世界不完全一样，但我们不曾、也

    明显不符合我们对行星系统的认知，这令人十分惊讶。我们可能曾经猜

    78

    这种不幸的轨道方向使人摸不着头脑。就我们所知，形成恒星和行

    不可避免地被侵蚀，直至它们面临悲惨的命运，螺旋着走向死亡。

    相反17，是逆行的运动。这使它们处于相当危险的境况，它们的轨道将

    中就有1个是相反的。这些叛徒的公转轨道与它们自身的母星自转方向

    道(顺时针方向，如果你喜欢这样说的话)，但差不多每5个热木星当

    诸自己身上。虽然太阳系中的所有行星都有着和太阳自转方向相同的轨

    一部分这样的世界因为一些更加荒谬的原因，将自取灭亡的命运加

    者被潮汐力撕碎，变成“短命”的环状残骸围绕着恒星。

    旋式地向内运动。经过一段时间之后，它们或者俯冲跌进恒星表面，或

    了。引力潮会逐步侵蚀这些行星的轨道，使它们在几千万年的时间里螺

    的炉火边的椅子上，考虑着其中一些注定灭亡。它们停留的时间够久

    恐怕你会认为这些行星是一群沾沾自喜的巨人，坐在靠近熊熊燃烧

    亮。

    昆虫一样团团转，恒星大气只能散发出零星的、能够持续一段时间的光

    且影响程度比另一种方式大得多。由于大部分热木星像一只坚持不懈的

    放射物发生交互。不再受到外围环境的保护，恒星会被其行星影响，而

    本身大气内的潮汐和波浪，强大的磁场可能直接与来自恒星本身的那些

    这些热木星也没有让它们的恒星“好过”。它们的引力会引起恒星

    是在阴间度日的噩梦。

    硅和铁这些重原子的炙热集群；不是夏日中想象的毛茸茸的动物，更像

    被找到，影响了这些行星的外层和结构。云不是由水或氨形成的，而是

    法从我们的太阳系中辨识出它们。一氧化碳、氧化钒和钛氧化物在这里

    这些世界的高温生成了各式各样的化学和大气结构16，我们几乎无

    川或大陆，它只是不停地自己追着自己。

    大的喷射流，来自碰撞的冲击波制造的大气。在气体之下的表面没有山

    热驱使着大气流向黑夜的那面，以超音速围绕着整周行星——形成了巨

    这种奇怪的状态使这些行星的气候变得有些恐怖15。白天那面的炙

    79

    非常明亮，非常汇聚，人眼才会看到它反射的微光——就像是不完美的

    的辐射比最黑的煤或者炭还多。漆黑的行星18。除非照射到它们的光线

    大气表面，这样的表面有时会吸收所有落在它表面的光。有的世界吸收

    在这样的条件下存在的类似气态钛和钒氧化物的物质可以促成一层

    生的情况。

    大小适当的、碳比硅多的世界也可能存在，这是一种似乎可信却同样陌

    在它们的核内形成巨大的钻石层，而它们也暗示着这样的可能：其他的

    可能也充满了碳，达到了一个令我们陌生的程度。这些巨大的行星可能

    部分热木星的大气富含碳，提供了一条线索，表明它们更深的内部

    飘在空中的铁云冷凝落下重金属雨。

    度足够高时，甚至铁原子也能扮演水一样的角色，形成铁循环，高高地

    不出来，我们可能会在木星或土星上找到这些。在最极端的例子里，温

    里，占主要部分的组合物与温凉的、一缕缕的结晶氨和甲烷相比几乎认

    最显著的是它们的外表，它们大气层的上层。在这些激烈的环境

    的历史，经历了一系列化学和结构变化。

    些这种行星平均密度比水还小。其他的由于近似恒星能量源和它们形成

    得格外肿胀，直径膨胀到超出预期，导致它们的密度变得非常低。有一

    这些不同的生命体验留给热木星一系列相当有趣的特性。一部分变

    道，将它们拖近，出现在我们发现这些行星的地方。

    圈落在了一面或另一面的上面。最终引力潮汐力迫使恒星影响它们的轨

    正确的系统平面，在这里，它们会突然翻转变成逆行，就像一个自转的

    非圆形的、椭圆的轨道，与其他的行星挤在了一起。这些轨道最终指向

    形成的位置距离母星很远，是正确的“顺行”运动，被重力作用扔进了

    联盟当中有如此多的成员，我们只是不知道而已。但可能这些行星

    成。所以这些逆行的地外行星天体是从哪儿来的？

    都会加速毁灭，如果行星试图抵抗原行星盘，这样的行星就不可能形

    星的第一阶段使它们的自转和轨道运行方向是一样的。任何其他的情况

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    原生气体和冰层的行星；可能一次迁移使它们来到它们现在的轨道，在

    可能这些世界曾经更像太阳系中的海王星——一颗覆盖了厚厚一层

    废气20。

    颗粒，依次被恒星风吹散，成为一大缕污染物，就像是宇宙熔炉排出的

    恒的地狱。甚至金属化合物，比如铝氧化物都能沸腾，重新结晶成尘埃

    没有巨行星大气层的保护，这些行星的外层会变成岩浆的海洋，永

    的岩石类型的熔点的温度。

    质量只比地球大几倍，而且密度相近，表面被加热到远超过所有可想到

    成的行星也巡游在距离它们的母星几千万千米之内的地方。部分行星的

    不只是巨行星不稳定地盘旋着靠近恒星，有些更小的岩石和金属组

    自己推入恒星的熊熊烈火中，难逃此劫。

    也成为那一阵营的一员，悄悄靠近壁炉边的大扶手椅，但最终它们会将

    引力碰碰车的结果，渐渐地越来越遵从像是热木星的轨道。随后，它们

    万年的时间过去后，它们放弃了这些可笑的轨道——就像和其他行星玩

    每一次它们靠近母星时，引力潮就会削弱一点它们的推动力。几百

    升了将近700℃。

    向内行进，迅速移动，经过恒星的近地点，它们的温度在几小时之内爬

    差异有800倍。在它们运动最慢的远地点，状态是温和的。但随着它们

    对部分伊卡鲁斯世界来说，在轨道上，它们经历的恒星热度的变化

    熔炉很近的地方。

    实上是狭长的椭圆，一端在远离母星千万千米之外，另一端落在离恒星

    有大型的轨道，花费数月时间完成一次公转。它们的轨道不是圆形，事

    们“伊卡鲁斯世界”(Icarus worlds)19。与热木星不同，这些行星

    冒失鬼，热木星的崇拜者。如果想要一个更加正式的名字，我会叫它

    热木星是真正的自成一类。但是坐在它们对面的是另一团体，一群

    变色龙试图融入漆黑的宇宙。

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    和谐一致。

    间。就好像这些运动形成了一部分精确调好音的乐器，其音调被调整得

    比如说，靠内的行星公转两圈的时间恰好是靠外的行星公转一圈的时

    发展成一种排列，一种轨道周期，行星年根据简单的数字比例而同步。

    部分系统中，行星的轨道是特殊的。重力动力学使这些天体的运动

    常的期望。

    星系统，而且越来越糟的是，如此多的新世界看上去颠覆了我们所有正

    即我们该如何定位我们宇宙的平凡和人类的普通？地球不再是唯一的行

    非常多的多样性。这些多样性令人着迷，但也带来了一些严肃的问题，截至现在，有些事情很明显了：行星系统，以及行星本身，表现出

    赞：“干得好，干得太好了!”

    了引力相互作用的恶劣影响。你可能想要走到这些系统跟前，大声称

    形成过程仿佛是不加约束的，行星一个接一个地产生，某种程度上避开

    个看上去非常紧凑的系统，仍然有多余的空间。在这样的地方，行星的

    大又结实：是地球质量的10倍、20倍，甚至60倍。即使它们被塞进一

    在这之中，有两个例外——它们只比地球稍微大一点，剩下的都巨

    距离之内。

    恰好跟太阳有相同的质量和年龄)运动，所有的行星轨道都在木星轨道

    的。好吧，不是这样的，这9颗行星围绕着它们的恒星(假设这颗恒星

    太阳，还有很多超海王星的天体，例如冥王星。9颗也没有什么大不了

    一开始这可能并不会令人奇怪，毕竟，太阳系有8颗主行星围绕着

    把椅子上的是一个由9颗主行星围绕着一颗单一恒星的系统21。

    遥就是更加多样性的天体和我们相当不熟悉的系统。打个比方，在另一

    在地外行星酒吧的尾部，紧靠着炉火的是许多世界。但距其几步之

    天体，只是很不幸地最终被推向它们现在的可怕状况。

    这里它们的保护层被侵蚀而消散；也可能它们一直是简单的岩石和金属

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    相对较圆又很大的轨道，太阳系却位于椭圆运动表的底部。这显然不寻

    阳系的位置，就不得不非常仔细地找到这几个像我们这样的点。有这样

    轨道偏离正圆超过50%。换句话说，假如我们试图在行星联盟中找到太

    的行星轨道是偏离正圆超过了10%的椭圆。事实上，超过25%的行星

    作为对比，勘测一下行星联盟，我们发现所有地外行星里，有80%

    道偏离了20%。

    系统中没有一个大行星的轨道偏离正圆超过10%的；除了水星，它的轨

    常接近圆形的椭圆，与正圆相比只偏离了几个百分点。事实上，我们的

    椭圆，也正是从牛顿引力定律得出的椭圆。但是，地球的轨道是一个非

    椭圆轨道正是开普勒发现的能够解决太阳系中运行轨迹不对这一问题的

    我们已经知道大部分行星的运行轨道不是圆形，而是椭圆形。这些

    很平常，却又和太阳系中的事物运行方式极端不同。

    奇的。但是很多行星轨道有另一个特性，绝对令人难以置信，因为它既

    它们只是比较特殊的情况，这些共振在太阳系中经常发生是令人惊

    前，木星和土星共舞一曲一二节奏的探戈。

    存在这样的规律——至少现在没有，因为有证据表明，在大约40亿年

    的时间间隔内走完的轨道数量遵循着4：2：1的比例。但大行星之间不

    循特定的模式。围绕木星的几颗卫星，木卫一、木卫二和木卫三在给定

    样的共振，每两个冥王星年等于3个海王星年。巨行星的几个卫星也遵 ......