第一章 行星和太阳系

行星的英文名称 Planet 源于古希腊语 Planetes，意思是“游荡者”。是哪位古人最先发现行星的，无从考证，而只能设想：在历史上的某个时期，观测者们鉴别出了与“固定不动的星星”的行为不一样的几颗星。他们注意到，当众多的恒星在夜空里日复一日地做着相同的运动时，这几颗星却沿着各自独立的轨道在群星之间游荡。因此，可以认为，正是首先注意到这一事实的不知名的人，才是行星的真正发现者。

诸如北斗七星，七颗星的位置，相对于星空背景来说，至少在几百年内是基本不变的。而像火星、木星这样的行星在天空中的相对位置则有所移动。如果你站在北半球的一处仰望天空，就会注意到在北斗七星的周围出现的总是相同的恒星伴侣，而火星和木星相对于周围恒星的位置以及两者相互间的位置则在不断地改变着，它们有时会挨得很近，而数月后又远离开来。

古代一些文化发展较早地区的人，认为行星的相对位置会影响到地球上发生的事件。他们认为通过认真地分析和破译行星的运动便可以预测诸如战争、火灾、水灾以及饥荒等灾难的发生。因此，古代的占星术家们总是对行星运动做认真的记录，并定期地把将要发生的大灾难向公众作出可怕的警告。当两颗或更多的行星相互靠近呈连接状时，这就被看做是特别强有力的预兆。排成一列的行星数越多，古人就认为这种罕见天象的预兆越是意味深长。

对于行星的运动最详尽的早期科学描述是公元前 6 世纪～前 4 世纪的古希腊人做出的。那时，古典派的希腊哲学家像毕达哥拉斯、柏拉图

（Plato）和亚里士多德（Aristotle）将行星（以及太阳、月亮和恒星） 想像为周期性地围绕地球运行的天体。毕达哥拉斯和柏拉图把这种有节律的运动归结为自然的数学法则，也可以用音乐中的音程和平面几何的图形来表示它们之间的和谐关系。亚里士多德则将天体运行看做是钟表般有形秩序的一部分，而且最初是由造物主推动的①。在毕达哥拉斯和柏拉图的宇宙学中含有形而上学②的成分，而亚里士多德的宇宙学基本上不包含这些成分，但他们的共同点在于都有一套以地球为中心的完整的同心圆轨道。

这些早期的以地球为中心的行星运动模型（地心说）是很不精确的。它们都假设各行星一直不变地在围绕着地球的圆轨道上运动。而实际上，

① 亚里士多德把宇宙分为 8 个天层。地球居于中心，依次为月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星和恒星天，在恒星天之外还有一层“宗动天”。亚里士多德认为，一个物体需要另一个物体和它直接接触来推动它，就像钟表的齿轮一样。但宗动天的运动则是由不动的神来推动的。神一旦推动了宗动天，宗动天就把运动逐次传递到恒星、太阳、月亮和行星上去。

② 形而上学的特点是用孤立的、片面的、静止的观点去看问题。

行星在天空中的运动，看上去是经常在改变方向——向前，然后向后，接着又向前。这种运动方向的改变周期性地发生，是不可能用简单的圆轨道学说来解释的。

为了说明这种叫做逆行的现象，希腊学者阿波隆尼（Apollonius）在公元前 3 世纪提出了一种较复杂的行星模型。他认为行星在围着地球绕大圈子的同时，还沿着较小的叫做本轮的圆轨道在空间运行。把两种运行轨道结合起来考虑，就可以解释行星周期性的方向逆转的现象了。

古希腊人关于天文学的概念在欧洲和北非一直盛行了几个世纪，直到中世纪末期。这些思想被概括在公元 2 世纪由亚历山大学派的托勒密

（ Ptolemy）所著的《天文学大成》（Almagest）一书中。

该书综合了古典派的天文知识与他本人的一些创见。《天文学大成》被中世纪的学者们视为当时对天体运行的权威性著作：托勒密倡导行星运动的地心说模型，包括阿波隆尼的本轮学说以及额外的叫做偏心圆（行星轨道中心偏离地球的圆）和均衡点（本轮绕其运行的偏离中心的点）的几何概念。加上这些复杂的概念，托勒密便能做到精确地模拟行星的运动了。相对于复杂的行星运动的轨道，太阳、月亮及众多的恒星被认为只是在围绕地球的简单圆轨道上运行。

由于受托勒密思想的影响，在几百年的时间里，地球一直被认为是宇宙的物质中心，围绕着它运转的天体形成了一个复杂的阵列。这种认识一直持续到文艺复兴时代。从那时起，人们对宇宙的看法发生了一场伟大的变革，太阳取代了地球对星辰的统帅地位，我们居住的地球在宇宙中不再扮演重要

（上图）在哥白尼日心说模型中，太阳位于宇宙的中心。

（下图）德国天文学家开普勒（1571—1630）在思考他的行星运动定律。

对伽利略的审判

伽利略在 1632 年出版的天文著作《关于两大世界体系的对话》，从人们心中逐出了地球是宇宙中心的虚假概念。但对意大利教会的权威来说，此书则是一个挑战性的异端文件。他们在1616 年发给伽利略的一纸轻蔑的命令中就已强调了禁止他讨论哥白尼的见解。因此，对于伽利略不服从此布告的行径，教会提出控告，并在 1633 年开庭审判。

不少历史学家认为如果伽利略在书中不公开地蔑视那些支 持地心说的人，他是会被宽恕的。不幸的是，伽利略在《对话》中将反对日心说的人描绘为“智力的矮人”、“吓呆的白痴”以及“不应该称他们为人”等等。自然，这些讽刺的语汇使教会更为愤怒了。

在审判庭上，惶恐而又患病的伽利略说他写的书是驳斥而不是支持哥白尼。审判庭不相信伽利略的辩解，因为说明他有罪的证据无所不在。最后，伽利略被迫承认，允许他的书的

的角色了。

倡导日心说（以太阳为中心）宇宙学的第一人是 16 世纪的波兰天文学家哥白尼（Nicholas Copernicus）。哥白尼为复杂的托勒密学说与柏拉图简单的圆轨道学说之间的矛盾所困惑，当他了解到不太知名的古希腊哲学家阿利斯塔克在公元

被一些读者解释为支持哥白尼的日心说，并对这一“失察” 表示道歉，还说要修改其内容。

面对谦恭的伽利略，审问只好到此为止，给了他较轻的判决

——遭受终身监禁——在家中度过他一生最后的几年。这期间对于宇宙，他再没有发表片言只字。1992 年，①伽利略死后的 350 年，真理终于战胜了邪恶，梵蒂冈教皇约翰·保罗二世（John Paul Ⅱ）终于代表罗马教廷为伽利略公开平反昭雪。

前 3 世纪曾提出过地球绕太阳转动的学说时，受到很大启发。

经过多年认真的计算和思考，1543 年，哥白尼发表了他的最重要的著作《天体运行论》。这部在他弥留的时刻印好的专著中，哥白尼发展了关于地球以及当时已知的另五大行星水星、金星、火星、木星及土星围绕太阳沿圆轨道运行的理论。为了说明那些表现为“固定的”恒星的运动，他保留了托勒密的“恒星天”，一个远超出行星轨道的以太阳为中心的球壳， 只有月亮绕地球转动。

哥白尼学说被教会看作是对神的亵渎。长期以来，教会早已把科学视为眼中钉。基督教的教义认为地球不仅是有形世界的唯一王国，也是代表精神世界的上帝的唯一宠儿，教会已坚定地与地心说，特别是与亚里士多德的宇宙观结下了不解的联盟。哥白尼把我们居住的地球与其他行星相提并论摆在同等地位上，这就意味着其他天体同样也是有形世界的一员，地球在整个宇宙中便不再占有特殊的地位了。这自然是教会所不能接受的。因此，哥白尼的著作被列为禁书。

作为对教会主张的挑战，意大利哲学家布鲁诺（GiordanoBruno）在1584 年出版了他的著作《论无限、宇宙及世界》一书，表示赞成哥白尼的宇宙学说。并且，比哥白尼更前进一步，他认为，不仅太阳周围存在一个行星系，每颗恒星周围也都有一个行星系。他还写道，宇宙中恒星、行星

① 应更正为 1979 年 11 月。

的数目是无限多的。布鲁诺没有为他的假设提出确凿的证据，而是运用思辨式的对话形式来阐明他的观点。教会对他的思想的仇视更甚于哥白尼， 终于在 1600 年将他烧死在罗马。

哥白尼和布鲁诺对宇宙的认识与其说是推理性的，倒不如说是经验性的，两位哲学家都没有为地球和诸行星绕太阳运转提供确凿的证据。建立他们的宇宙体系需要有观测例证，而且，为了对行星的轨道做出详尽的预测，也需要对行星的运行提出数学模型。再者，为了阐明行星运动规律与地球之间的联系，还需要有一整套新的物理定律。以上三项缺憾在 17 世纪分别被伽利略、开普勒（Johannes Kepler）和牛顿（Isaac Newton）巧妙地弥补了。

伽利略于 1564 年出生于意大利古城比萨。青年时代便以科学成就著称。还在比萨大学读书的时候，就有了一些重要的发现。例如，他认为一定长度的摆，不论摆动幅度的大小如何，摆动的周期是不变的。传说伽利略曾在比萨完成了一项简单的引力实验——两个不同重量的铁球，从比萨斜塔的塔顶同时被抛下，两球不分先后地同时坠落到地面。

1592 年，伽利略离开比萨大学到帕多瓦大学，被任命为数学教授。其

后的 18 年是他一生中出成果最多的年代。在动力学和运动物体两方面的诸多创见，使他的声名大振。但他在天文学上的发现，则是对科学的最大的冲击。

用他自己制造的望远镜，伽利略绘制了所观测到的一些天体的外貌和若干新发现，开辟了天文学的新时代。他发现了月亮上的山脉和绕木星运转的它的卫星。他辨明了几百颗恒星，记录了金星的具有和月相一样变化的外貌，画出了太阳黑子在日面移动的情况。并把所有发现汇集成《星空使者》一书，于 1610 年出版。

伽利略广泛的研究使他观测到了行星和月亮与地球一样有许多相似的特色，从而坚信这些天体彼此或多或少地处于同一地位——认为每个星球都确实是一个物质的世界。他还认为哥白尼的日心模型要比托勒密或亚里士多德的地心说能更好地说明这种“平等”状态。在 1632 年出版的专著《关于两大世界体系的对话》中，伽利略宣布了他对哥白尼观点的支持。当他在 1642 年逝世时，其专著论点的威力已开始说服了欧洲天文学界中的大多数人：地球绕太阳运行。

德国科学家开普勒是伽利略的忠实信徒，他公开宣称坚

存在第十颗行星吗

至今，还有人猜测太阳系里可能存在第十颗行星。围绕太阳的行星系统差不多可以肯定地说截止于冥王星。

虽然，在冥王星以外太阳系的边界以内还有无数个天体，但没有一个可称为真正的行星的。这些分布甚广的天体主要是彗

星、小行星及其他种类的残留物，它们的个头非常之小，其轨道也很古怪，很难被认为是行星。

对外太阳系，天文学家曾用照相方法做过多次巡查，但一直未出现过有第十颗行星存在的证据。1983 年，红外天文卫星

（IRAS）发射上天后，用红外光几乎完成了整个天空的扫描，但也未发现在此区域存在行星的迹象。如果确有尚未被发现的行 星，它们不是非常之暗，就是非常之远，或两种情况兼而有之。

信哥白尼的宇宙观点，但不同于伽利略的是，开普勒从未动摇过他的信仰。1571 年，开普勒出生于德国南部的符腾堡的一个小镇，此地当时在神

圣罗马帝国的统治之下。受过神学和数学训练的他，1601 年幸运地继第谷

（Tycho Brahe）在布拉格作为皇家的数学家，并获得了第谷生前几十年间积累起来的行星观测资料。这些资料是第谷用较精密的肉眼观测仪器取得的。

经年累月，开普勒整理、分析这些丰富的宝贵数据，寻求对哥白尼所描述的行星运动的证明，特别是设法证明火星的轨道是以太阳为中心的 圆。工作越深入，越是找不到与第谷观测数据吻合的圆轨道，但却发现， 火星的轨道能很好地符合一个叫做椭圆的几何图形。椭圆是一个接近于卵形的数学图形，但有精确的数学特征，该特征主要由在其内部的叫做焦点的两点所决定：椭圆上任何一点到两焦点的距离之和是一个定值。进一步研究时，开普勒发现每个当时已知的行星的轨道都可以用太阳位于一个焦点的椭圆来描述。这样，他就证明了太阳系中各天体的轨道都是椭圆（太阳位于这些椭圆的一个焦点），而不是形状相似的一系列的同心圆。

虽然开普勒以数学形式完满地叙说了行星是如何运动的，但他未能说明行星的运动为什么会是这个样子的。是大家公认的有史以来最伟大的科学家之一的牛顿回答了这后一问题。

牛顿在伽利略逝世的那一年出生于英国林肯郡的小镇乌尔斯索普的一个自耕农家庭。在他长长一生的科学生涯中，主要在英国剑桥大学当数学教授，在数学、物理学和天文学的领域完成了不少实质性的工作，有些是开创性的。最出名的是他的万有引力理论。传说他是注意到苹果从树上掉下来时才开始了对引力现象感兴趣的。经过思考，不久他就体会到地球把苹果吸引到地面上的力和地球吸引月亮以及太阳吸引地球都是同一性质的拉力。

牛顿把他的引力理论以及其他动力学的原理，写在《自然哲学的数学原理》一书内。在此书中，他证明行星绕日运行的椭圆轨道可以从一简单的数学方程式推导出来。该定律为：物体之间的吸引力反比于两者距离的平方。换句话说，两物体靠得越近，两者间的吸引力越强，强大的倍数与两者距离的平方成比例。将此万有引力定律和他在该书中叙述的运动定律

结合起来，并将这些原理应用于太阳对任何一个行星的作用，牛顿证明了行星必定运行在以太阳为一焦点的简单的椭圆轨道上。

牛顿定律使宇宙学旧貌换新颜。在牛顿以前，对宇宙学的研究被视为一项形而上学的冒险，不能在牢靠的数学原理基础上做出预见。早期的科学家们需要用信心和直觉去说明行星和恒星的运动。牛顿的宇宙学则反 之，不需要求助于神学，它视宇宙如一钟表装置，在这里各部件之间是通过精确的方程式联系在一起的。

牛顿时代以后，天文学家在太阳系内又发现了 3 颗行星：天王星、海

王星和冥王星。与内太阳系的 6 颗行星一样，外行星也大体在椭圆轨道上运行。但科学家们现在知道行星的真实路径并不是精确的椭圆。按照万有引力定律，行星除被太阳吸引外，彼此间也互相吸引。因此，各行星运动的路径受到所有其他行星引力的影响。当行星互相接近时，相互间的引力最强，所以行星轨道显示有“摆动”现象。

这些摆动曾被用来预测尚未发现的行星。例如，在 1781 年英国天文学家威廉·赫歇耳（William Herschel）发现天王星后，法国的勒威耶（Urbain

J．J． Leverrier）和英国的亚当斯（John Couch Adams）各自独立地注意到其轨道的不规则性。他们的计算促进了 1846 年伽勒（Johann Gottfried Galle）对海王星的发现。每当海王星接近天王星时，它作用于天王星一个强拉曳；而当海王星远离天王星时，对其吸引力便较弱。这样，由于海王星的影响，天王星绕太阳运行的路径就被轻微地扰乱了（天文学上叫做摄动）。

发现海王星后，由于它轨道的不规则性，许多人猜测它的外面可能还会有行星。经过多年有计划的系统搜索，直到 1930 年初，汤博（Clyde William Tombaugh）终于发现了冥王星。但由于冥王星的质量太小，对海王星的轨道不会引起足够大的摄动。因此，有人认为，这一发现不能看作是根据牛顿定律计算的功劳，而是偶然的巧合。

太阳系中，除九大行星外，还有许许多多其他天体。有的行星有卫星绕着它运行（总计超过 60 个，还有新的正在发现）。这些卫星小的直径不

足 10 公里，也有大到数千公里的。九大行星中——木星、土星、天王星和海王星，各拥有较多的卫星；地球和冥王星各有一个卫星；火星有两个； 水星和金星没有卫星。

四个最大的行星即木星、土星、天王星和海王星，还有由几十亿颗岩石和冰块组成的带状结构围绕着它们旋转，这就是光环。自从伽利略用望远镜观察天体以来，人们便知道土星有美丽的光环系统。其他三个大行星较暗淡的光环是 20 世纪后期才发现的。

在火星与木星轨道之间的广大天区内，有几千个叫做小行星的石质天体围绕着太阳运行。它们是众多星子（星子由岩石和冰块所组成）的遗骸。星子曾一度充斥在冥王星的轨道以内，除去在火星与木星间的小行星带区

域内，绝大多数星子经过无数次的互相碰撞，最终合并成为几个行星。因此，除少数“迷路”的星子外，在内太阳系区域是很少见到这些天体的。但在木星轨道附近的天区，木星的强大引力阻止了星子大规模碰撞、合并情况的发生，原初的岩石仍作为小行星形式被保存了下来。今天的小行星带可视为整个太阳系在未产生行星以前曾经存在过的形式的化石。

在小行星区域以外的太阳系的领空内，行星从未有过形成的机会。远在冥王星轨道之外的广大天区，那里太阳的引力最弱，温度极低，散布着几万亿个冰块。这一天区最靠近我们的部分叫做柯伊伯带，因 40 年前柯伊伯（GerardKuiper）的预见而得名，但直到 1995 年才由 HST 第一次绘制在天图上。这些分散的碎块含有由冰冻的化学物质组成的星子。偶尔这些冰块团中的一个越出了它们的轨道，向太阳和内行星区域猛冲，当它进入这一较温暖的空间中时，其中的一部分冻块蒸发了，形成了气态的尾巴，其结果就是我们见到的壮观的天体——彗星。

虽然太阳系这个小宇宙的情况人们已了解得不少，但仍有许多未解之谜：如冥王星的来源，它为什么是诸巨行星中的一个矮子？它为什么从不被其他行星中的任何一个引力所俘获？为什么土星的光环比其他大行星的光环要亮得多？地球的卫星——月亮是怎样形成的？地球上千姿百态形形色色的生命有可能来自太空吗？地球以外的任何一个行星有生命或至少有生命存在的征兆吗？科学家们希望将来的载人或不载人的宇宙飞船能有助于对我们的行星芳邻有更多的了解，解决上面提到的问题及其他重要问 题。