宇宙科學史，從地心說開始向天空的探究！島宇宙理論×造父變星發現×無止盡永恆暴脹×微波背景輻射……帶你穿越宇宙時空的天文學！

1　日心說和地心說

　　猜想很多人都聽過這樣的說法：1543年，波蘭大天文學家哥白尼（Kopernik）提出了日心說（Heliocentrism），一舉打破了長期居於絕對統治地位的地心說（Geocentrism），實現了天文學的偉大變革。

　　我要告訴你的是，這種說法是錯的。地心說和日心說的對抗歷史，其實非常曲折和漫長。

　　所以這門宇宙科學的第一節課，我就來講講地心說和日心說相抗的曲折歷史。

　　早在2,000多年前，古希臘人就提出了地心說和日心說。

　　人類很早以前就觀察到，日月星辰似乎都在周而復始地繞著地球旋轉。所以絕大多數人都認為，地球位於整個宇宙的中心。地心說就是這麼起源的。

　　圖1就展示了地心說的基本樣貌。地球位於宇宙的中心，就像是位於一個城市的市中心。地球周圍有7個圓形的軌道，相當於城市的7環：依照從內到外的順序，依次是月球、金星、水星、太陽、火星、木星和土星。這7個天體都在各自的圓形軌道上，沿著相同的逆時針方向繞地球旋轉。在7環之外，還有一個大天球，其他的星星就散布在這個天球之上。

　　順便說一下。地心說最大牌的支持者，是古希臘大哲學家亞里斯多德（Aristotle）。他提出了下面這個思想實驗，來論證地球必須靜止不動：一個人原地向上跳，如果地球在運動，那麼當此人落地時，就無法落回原地，而會落到其他的位置。但真實情況是，此人肯定會落回原地。所以亞里斯多德就宣稱，地球一定是靜止不動的。

　　當然，以我們今天的眼光來看，亞里斯多德的論證無疑是錯的。聰明的讀者，你猜到他到底錯在哪裡了嗎？

　　不過，儘管有亞里斯多德這樣的超大牌支持者，地心說在古希臘時代並沒有一統天下。因為它有一個很致命的缺陷，那就是行星逆行。之前說過，地心說認為，所有的行星都必須沿逆時針方向繞地球旋轉。但是人們很早就發現，很多行星的旋轉方向經常會突然變成順時針。這種行星旋轉方向突然改變的現象，就是所謂的行星逆行。這對早期的地心說來說，可謂是致命一擊。

　　所以，就有了一群反對地心說的人。其中的代表人物，是古希臘天文學家阿里斯塔克斯（Aristarchus）。

　　阿里斯塔克斯的理論源於一個哲學命題。他認為，世界的本源是火。既然火是萬物的本源，那麼火一定得位於全宇宙最重要的位置，也就是中心。所以，宇宙的中心一定是太陽。這就是日心說的起源。

　　圖2就展示了日心說的基本架構。太陽位於宇宙的中心。在太陽的周圍還有6個圓形軌道，相當於城市的6環：依照從內到外的順序，依次是水星、金星、地球、火星、木星和土星。這6顆行星都在各自的圓形軌道上，沿著相同的逆時針方向繞太陽旋轉。而在6環之外，則是一個散布著各種星星的大天球。

　　與地心說相比，日心說最大的優勢是它可以很輕鬆地解釋行星逆行的現象。所以儘管阿里斯塔克斯遠遠不如亞里斯多德大牌，日心說依然與地心說分庭抗禮了將近500年。

　　直到西元140年，一個超級天才的橫空出世，才徹底打破了地心說和日心說之間的平衡。此人就是古羅馬帝國大天文學家克勞狄烏斯．托勒密（Claudius Ptolemaeus）。

　　托勒密為什麼能打破地心說和日心說之間的平衡呢？答案是，他修改了最早期的地心說，從而破解了地心說無法解釋行星逆行現象的世紀難題。

　　為了介紹托勒密的理論，我要拿一個在現實世界裡很常見的事物來對比，那就是遊樂園裡的旋轉咖啡杯。

　　一般而言，旋轉咖啡杯的中心會有一個茶壺。在茶壺的周圍會有一個大圓的軌道，上面分布著一些圓形的咖啡杯。除了能繞茶壺旋轉以外，咖啡杯自己也可以旋轉。當機器發動以後，遊客會坐在咖啡杯的邊緣，既繞著茶壺的大圓軌道旋轉，又繞著咖啡杯的小圓軌道旋轉。

　　托勒密的解決之道和這個旋轉咖啡杯的圖形非常類似。他認為，地球並不在宇宙的正中心，而是與真正的中心有一個很微小的偏離。更關鍵的是，包括金星、水星、火星、木星、土星在內的五顆行星，都像是乘坐旋轉咖啡杯的遊客：首先，行星會在一個叫本輪（epicycle）的小圓上旋轉，就像是咖啡杯的小圓軌道；然後，本輪圓心又會在一個叫均輪（deferent）的大圓上旋轉，就像是茶壺的大圓軌道。因此，行星的運動軌跡是由本輪和均輪這兩個圓周運動組合而成的。

　　只要導入這個類似於旋轉咖啡杯的本輪-均輪體系，就會讓行星的運動軌跡變得更複雜。此外，這個本輪-均輪體系還可以不斷地拓展。例如，你可以把原來的本輪視為一個新的均輪（相當於把原來的咖啡杯當成新的茶壺，即第2層均輪），然後在它周圍畫更小的本輪（即第2層本輪）。也可以把第2層本輪當成第3層均輪，然後在它周圍畫第3層本輪。隨著層數的不斷增加，行星的運動軌跡就會變得越來越複雜。這樣一來，行星逆行的現象就很容易解釋了。

　　簡單地總結一下。透過引入類似於旋轉咖啡杯的本輪-均輪體系，托勒密在地心說的理論框架下，成功地解決了行星逆行的世紀難題。這樣一來，經過托勒密改良的地心說（地球很靠近宇宙的中心，月球和太陽還是以圓形軌道繞地球旋轉，五顆行星則位於多層巢狀的旋轉咖啡杯上），就一舉擊敗了與自己纏鬥數百年的日心說。

　　而到了13世紀，一個叫多瑪斯．阿奎那（Thomas Aquinas）的神學家讓地心說的地位更上一層樓。他把地心說融入天主教神學體系中。一旦質疑地心說，就相當於質疑天主教本身。這樣一來，地心說就一統天下了。

　　但300年後，另一個人的出現，讓勝負的天平再次發生了偏移。此人就是波蘭大天文學家哥白尼。1543年，他出版了一本宣揚日心說的書，叫《天體運行論》（De revolutionibus orbium coelestium）。正是這本書，讓被遺忘了1400多年的日心說死灰復燃。

　　有趣的是，這本書其實差點就被哥白尼帶進墳墓。

　　這是因為哥白尼的本職工作是一名天主教教士，所以他心裡很清楚，公開宣揚日心說會得罪整個天主教會。因此，儘管他在40歲的時候就已經開始在一個小圈子裡宣揚自己的理論，卻始終不肯著書出版。

　　那這本書後來為何又出版了呢？是因為一個不速之客——奧地利數學家萊提克斯（Georg Rheticus）。

　　1539年，萊提克斯得知哥白尼改良後的日心說，頓時覺得醍醐灌頂。於是，他專門跑到波蘭去找哥白尼，想遊說哥白尼著書出版此理論，結果卻吃了閉門羹。

　　但萊提克斯鍥而不捨。此後兩年多的時間，他就像塊牛皮糖，死死黏住了哥白尼，反覆遊說哥白尼一定要著書立說。最後，哥白尼終於招架不住，交出了《天體運行論》的書稿。

　　拿到書稿以後，萊提克斯就開始尋找願意資助出版此書的出版商。一年後，他找到了一個願意出錢的出版商。一切終於走上了正軌。

　　由於在《天體運行論》中有大量的公式和圖表，需要有一位專家來做此書的編輯，以確保內容的準確性。萊提克斯做了半年的編輯工作。但他後來有急事，不得不中途離開。臨走前，萊提克斯找了個繼任者，叫奧西安德（Andreas Osiander）。

　　既荒誕又搞笑的事情來了。

　　奧西安德接手了編輯工作以後才發現，這本書竟敢公然反對地心說，頓時覺得自己上了一條賊船。為了避免池魚之殃，他幹了一件今天的編輯連想都不敢想的事情：瞞著哥白尼和萊提克斯，偽造了一篇前言，宣稱此書「並不是一種科學的事實，而是一種富於戲劇性的幻想」。

　　不過這個偽造前言的惡行並沒有受到追究。因為當此書正式出版的時候，哥白尼已經去世了。

　　很多中小學科學讀物講到這段歷史的時候，都會說：「哥白尼提出的日心說一舉打破了地心說的統治地位，實現了天文學的偉大變革。」

　　這個說法是錯的。

　　在哥白尼重新提出日心說後的大半個世紀裡，地心說的地位依然堅如磐石。直到17世紀初，兩個科學巨人的橫空出世，才讓勝利的天平倒向日心說。

　　先講講日心說為何遲遲得不到學術界的認可。原因在於，它無法解釋火星的軌道異常。

　　按照日心說的觀點，太陽位於宇宙的中心；其他的行星，都沿著圓形軌道繞太陽公轉。但人們後來發現，火星的運動軌道相當詭異，並不是一個完美的圓。哥白尼本人也意識到了這個問題。無奈之下，他引入了托勒密的本輪-均輪體系，把火星也放在一個「旋轉咖啡杯」上。但這樣一來，日心說就失去了它相對於地心說的最大優勢：數學上簡單明瞭。

　　破解這個難題的是我們要講的第一個科學巨人——德國大天文學家約翰尼斯．克卜勒（Johannes Kepler）。

　　克卜勒被後人稱為「天上的立法者」。他之所以有這樣的盛名，是因為他在17世紀初提出了著名的「行星運動三定律」。在這三條定律中，最具顛覆性的是第一定律。它說的是，行星繞太陽公轉的軌道並不是圓，而是橢圓。這就解釋了火星的軌道異常。因為火星繞太陽旋轉的軌道，正是橢圓。

　　克卜勒的發現讓日心說有了和地心說平起平坐的實力。但要想真正打敗地心說，必須發現一種特殊的自然現象——地心說無法解釋，而日心說卻可以的自然現象。

　　發現這種自然現象的人，就是我們要講的第二個科學巨人，此人就是被後人稱為「現代科學之父」的伽利略（Galileo）。

　　伽利略發現這種自然現象的故事，得從一個不相干的人講起。

　　1608年，一個荷蘭眼鏡店老闆偶然發現用兩塊前後放置的鏡片可以看清遠處的物體，進而造出了人類歷史上的第一架望遠鏡。這個消息傳到了義大利，立刻引起了伽利略的濃厚興趣。

　　1609年，伽利略製造了一個品質更好的望遠鏡，能把遠處的物體放大30多倍。然後，他做了一件意義非凡的事情：把這個望遠鏡指向了太空。

　　這個舉動，宣告了現代天文學的誕生。

　　伽利略第一次用望遠鏡仰望太空的心情，應該和阿里巴巴第一次看見滿山洞財寶的心情差不多。用這個望遠鏡，他發現了很多人類前所未見的景象，比如太陽黑子、月球撞擊坑和木星衛星。其中最有影響力的發現，直接導致了地心說的衰落和日心說的崛起，那就是金星盈虧。

　　什麼是金星盈虧呢？我們不妨用月球盈虧來做一下類比。

　　相信很多人都知道，月球是有盈虧的。為什麼月球會有盈虧呢？因為月球本身不發光，只能反射太陽光。由於月球一直在繞地球旋轉，它既能跑到地球和太陽之間，也能跑到地球的背後。如果月球跑到了地球和太陽之間，它就會把後面射來的太陽光擋住，讓我們無法看到它，這就是月球的「虧」；如果月球跑到了地球的背後，它就可以完全地反射太陽光，讓我們看到一輪圓月，這就是月球的「盈」。

　　與月球不同的是，金星無法跑到地球的背後。不過，它有可能跑到太陽的背後。如果金星跑到了地球和太陽之間，它就會擋住後面射來的太陽光，讓我們看不到它，這就是金星的「虧」；如果它跑到太陽的背後，就可以完全地反射太陽光，讓我們看到一個最圓最亮的金星，這就是金星的「盈」。

　　知道了金星盈虧的概念，我們就可以來講講如何判斷地心說和日心說的對錯了。問題的關鍵在於，金星到底是繞地球旋轉還是繞太陽旋轉。

　　天文觀測顯示，金星一直都在太陽周圍活動。在地心說中，金星一直在繞地球旋轉；要想解釋金星總在太陽周圍活動的觀測結果，金星和太陽就必須以差不多的角速度繞地球旋轉。在這種情況下，金星就只能一直處於地球和太陽中間，永遠不可能出現「盈」的狀態。

　　而在日心說中，金星一直繞太陽旋轉，所以能自然而然地解釋為什麼金星總在太陽周圍。更重要的是，在這種情況下，金星也可以跑到太陽的背後，從而出現「盈」的狀態。

　　從地心說和日心說最本質的區別來看，在地心說中，金星繞地球旋轉，因此只能「虧」不能「盈」；而在日心說中，金星繞太陽旋轉，因此既能「虧」又能「盈」。這樣一來，透過觀察金星能否出現「盈」的狀態，就可以判斷它到底繞著誰旋轉，進而判斷地心說和日心說的對錯。

　　1610年，伽利略用他自製的望遠鏡，真真切切地看到金星確實出現了「盈」的狀態。在一封寄給朋友的信中，伽利略富有詩意地寫道：「愛之母（金星）正在效仿辛西婭（月亮女神）的風姿。」同一年，他把這個發現寫進了自己的傳世名著《星際信使》（Sidereus Nuncius），敲響了地心說的喪鐘。

　　打敗地心說後，日心說就成了天文學界的經典理論；它的統治，一直延續到了20世紀初。

　　以今天的眼光來看，日心說的錯誤也是很明顯的：宇宙的中心，當然不可能是太陽。那麼，為什麼今天看來錯誤相當明顯的日心說，卻能繼續統治天文學界長達300年？

　　欲知詳情，請聽下回分解。

1　日心說和地心說

　　猜想很多人都聽過這樣的說法：1543年，波蘭大天文學家哥白尼（Kopernik）提出了日心說（Heliocentrism），一舉打破了長期居於絕對統治地位的地心說（Geocentrism），實現了天文學的偉大變革。

　　我要告訴你的是，這種說法是錯的。地心說和日心說的對抗歷史，其實非常曲折和漫長。

　　所以這門宇宙科學的第一節課，我就來講講地心說和日心說相抗的曲折歷史。

　　早在2,000多年前，古希臘人就提出了地心說和日心說。

　　人類很早以前就觀察到，日月星辰似乎都在周而復始地繞著地球旋轉。所以絕大...

前言

　　2017年夏天，我開始規劃一場名為「宇宙奧德賽」的環遊宇宙之旅。

　　旅程的前半段是空間之旅。我們從地球出發，按照由近及遠的順序，依次遊歷以太陽系為代表的行星世界、以銀河系為代表的恆星世界和銀河系之外的星系世界，最終到達宇宙的盡頭，同時也是時間的起點。旅程的後半段則是時間之旅。我們會從宇宙創生的時刻出發，在時間長河中順流而下，依次探尋宇宙起源、生命誕生和宇宙命運的奧祕，並最終回到今天的地球。旅程結束後，我們就能真正了解人類最終極的三大哲學問題（我是誰？我從哪裡來？我將往何處去？）的答案。

　　今年出版社問我，能不能寫一本為青少年介紹宇宙科學的科普書。很自然地，我就想到可以寫一個簡略版的宇宙奧德賽之旅，也就是本書。

　　本書的邏輯主線，就是上圖所展示的宇宙奧德賽之旅。我從這趟環遊宇宙之旅中精選了12個最重要的主題，包括日心說和地心說、天文距離測量簡史、標準燭光、銀河系的大小、可觀測宇宙的大小、宇宙膨脹、暴脹、宇宙大爆炸、宇宙微波背景、恆星的一生、暗物質與暗能量、宇宙的終極命運。前6個主題，描述了前半段的宇宙空間之旅；而後6個主題，則描述了後半段的宇宙時間之旅。對這12個精選主題的閱讀，可以為你建構一個關於宇宙的知識體系的骨架。

　　寫作手法上，本書有兩個最核心的特點：

　　1. 內容視覺化。全書幾乎沒有數學公式，所有科學知識都轉化成了視覺化的物理圖像，再用通俗易懂的比喻來加以解釋。

　　2.故事驅動。為了增加趣味性，書中穿插了大量的科學家的逸聞趣事。此外，我也借鑑了評書的創作技巧，在每一章的結尾都留下了一個承前啟後的科學問題。相信你能感受到此書中傾注的心血和誠意。

　　準備好了嗎？那我們就開始這場環遊宇宙之旅吧。

前言

　　2017年夏天，我開始規劃一場名為「宇宙奧德賽」的環遊宇宙之旅。

　　旅程的前半段是空間之旅。我們從地球出發，按照由近及遠的順序，依次遊歷以太陽系為代表的行星世界、以銀河系為代表的恆星世界和銀河系之外的星系世界，最終到達宇宙的盡頭，同時也是時間的起點。旅程的後半段則是時間之旅。我們會從宇宙創生的時刻出發，在時間長河中順流而下，依次探尋宇宙起源、生命誕生和宇宙命運的奧祕，並最終回到今天的地球。旅程結束後，我們就能真正了解人類最終極的三大哲學問題（我是誰？我從哪裡來？我將往何處去？）的答案...

前言
1 日心說和地心說
2 天文測距簡史
3 標準燭光
4 銀河系的大小
5 可觀測宇宙的大小
6 宇宙膨脹
7 暴脹
8 宇宙大爆炸
9 宇宙微波背景輻射
10 恆星的一生
11 暗物質與暗能量
12 宇宙的終極命運

前言
1 日心說和地心說
2 天文測距簡史
3 標準燭光
4 銀河系的大小
5 可觀測宇宙的大小
6 宇宙膨脹
7 暴脹
8 宇宙大爆炸
9 宇宙微波背景輻射
10 恆星的一生
11 暗物質與暗能量
12 宇宙的終極命運