书 名：太阳系简史

作者: [英] 约翰·钱伯斯 / [英] 杰奎琳· 米顿 
原作名: From Dust to Life
译者: 杨洁玲 
出版年: 2018-8
页数: 340
定价: 65
装帧: 平装
ISBN: 9787508691008

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序言

​每个人都喜欢追本溯源。大家都有过这样的疑问：人从哪里来？过去的生命是什么样的？人类又是如何融入宏大的宇宙格局的？无论是营火会上口耳相传的神话故事，还是宗教哲学文献里的细节描绘，每一代人都试图用自己的方式给出答案。近几个世纪以来，科学手段的出现给这些古老的问题赋予了新的思考方向，让我们首次看到了真相到来的曙光。

​太阳系由太阳和围绕它运行的众多行星、卫星、彗星和小行星组成。了解它的起源、演化和本质，对于揭示人类的起源有着极其重要的作用。太阳系的多个要素，包括太阳的寿命与稳定性，还有水、碳、氮和生命赖以维持的其他重要物质的存在，以及地球的大小和运行轨道，为生命的繁衍生息提供了适宜的气候，且这种气候得以维持数十亿年不变，所以，这些要素都对维持当今的生命发挥着举足轻重的作用。事实上，其他行星或许也在生命起源的过程中起到了一定作用，它们为早期的地球提供了生命必需的原始物质，并防止危险物体撞击地球。近年来，天文学家发现在太阳系以外的宇宙里还存在着数百个行星系，这可以说是迄今为止最伟大的发现之一。但是，太空中是否普遍存在真正的类地行星，以及我们赖以安身立命的这个世界是否源于太阳系形成过程中一系列独一无二的事件，仍然有待考证。

​探寻太阳系的过去和太阳系在生命形成中有何作用是写作本书的两大目的。本书旨在向读者介绍古往今来的科学家对太阳系起源的解读，以及太阳系历史上发生过的一系列重大事件。同时，本书还探讨了科学家是如何透过惊人的细节来观察太阳系的，他们如何逐步还原出它的形成过程和形成时间，以及在这一研究过程中用到了哪些工具。

​为了考证太阳系的起源，我们追溯到宇宙诞生之初，那时，今日宇宙的许多成分都已形成。我们还通过关于恒星的蛛丝马迹还原了太阳系最初的图景。本书介绍了太阳星云（这种围绕着初生太阳的气体和尘埃云，是太阳系内各行星的原始物质），探讨了太阳系中各行星和其他成员的起源，并深刻阐释了它们如此迥异的原因。

​科学发展日新月异，尤其是在过去20年间，各种新发现与突破层出不穷。诚然，我们的知识还存在着缺口，今日流行的科学理念有朝一日也可能面临淘汰。然而，科学仍旧是我们前进路上的指明灯。一切新发现无一不是踩在前人的肩膀上取得的，它们是对前人成果的锦上添花，而非推翻重来。即便有惊天动地的变革发生，它也离不开前人打下的基础。当前，科学探索的步子越迈越大，到了我们审时度势的时候了。在未来，或许本书中的某些细节会有所变化，但我们仍有充足的理由相信，即使时过境迁，本书的许多重要观念都将颠扑不破。

​本书主要面向已对科学具有初步了解的普通读者，但读者无须掌握太阳系及其起源方面的专业知识。编写过程中，我们已尽可能绕开行话和专业术语，一些较为生僻的词语和概念也在书末的术语汇总中做了解释，以方便读者查询。此外，我们谨记这样一个道理，像这种书每增加一个方程式，都会吓跑更多的读者。

​本书的调研和撰写离不开很多人的鼎力相助与配合。在此，特别感谢科内尔·亚历山大（ConelAlexander）、埃里克·阿斯普豪格（ErikAsphaug）、林赛·钱伯斯（LindseyChambers）、迈克·埃德蒙兹（MikeEdmunds）、戴维·朱伊特（DavidJewitt）、斯特拉·卡夫卡（StellaKafka）、李·麦克唐纳（LeeMacdonald）、西蒙·米顿（SimonMitton）、德里克·沃德-汤普森（DerekWard-Thompson）以及伊万·威廉斯（IwanWilliams）为本书做出的宝贵贡献，也衷心感谢普林斯顿大学出版社的英格丽德·格涅利奇（IngridGnerlich）在本书出版过程中所给予的全力支持与耐心鼓舞。

​太阳系有多大？

​1768年，英国皇家海军军官詹姆斯·库克（JamesCook）率领80余人从英格兰起航，开始了他们的天文发现之旅。他们此行环绕了半个地球，在海上航行10个月后，库克一行人终于乘坐着“HMS奋进号”考察船抵达目的地塔希提岛，塔希提岛是位于太平洋中心的一个偏远的小岛。他们千里迢迢到此，只为奉命在岛上执行一个约6小时的天文观察任务，以求计算出太阳系的真正大小。

​库克奉命前往此处是为了观测一种叫作金星凌日的罕见天象——在某些特殊时刻，金星会像一个黑点从太阳面前经过（图2-1）。天文学家为此次将于1769年6月3日发生的金星凌日准备了周密的计划，届时它将会在世界多个地点被同时观测，所有观测者都被要求记录下金星凌日的持续时间。天文学家希望通过观测结果计算出日地距离，即一个天文单位的确切数值，从而推算出太阳系的大小。金星凌日是一种十分罕见的天象，只有当太阳、金星和地球位于一条直线上时才会发生，下一次要到100多年后了。天气是一切的关键，如果赶上了阴天，库克这一趟可就白来了。还好天公作美，6月3日当天，塔希提岛的天气奇佳。库克在日记中这样写道：“天遂人意，今天的天气非常理想，万里无云，空气十分清新。”

​早在库克航行的那个时代，天文学家就已经知道如何通过追踪太阳、行星以及卫星在天空中的移动轨迹来计算它们的相对距离，但他们对绝对距离却毫无把握。他们为此感到焦躁不安，如果连太阳系实际上有多大都不知道，那么怎么入手研究太阳系呢？于是，确定天文单位的具体数值成了当务之急。科学家对它的重视程度极高，还为此发起了一次在当时来说规模最大的国际联合观测活动。库克史诗般的三次探险航行便是这一壮举的一部分，此次正是他的首航。

​事实上，人类史上第一次以测量太阳系大小为目的的严格意义上的科学实践是在1672年，比库克的第一次航行早了近一个世纪。1672年，时任巴黎天文台台长的天文学家让-多米尼克·卡西尼（Jean-DominiqueCassini）为了测量火星与地球的准确距离，指派他的同事让·里歇尔（JeanRicher）前往南美洲的法属圭亚那地区观测火星的位置，而他自己则留守巴黎。从这两个观测点来看，火星相对天空中更为遥远的恒星来说位置有微小的差异。只要测得了火星这两个不同位置的差异，以及两个观测点之间的距离，就可以计算出火星与地球的准确距离。只要知道这一距离，也就可以计算出地球与太阳系各行星的距离，但都是相对于地球半径的距离。两年前，法国天文学家让-菲利克斯·皮卡尔（JeanFelixPicard）测得地球的半径约等于6300千米。卡西尼和里歇尔利用它推算出日地距离相当于地球半径的2.17万倍，即138000000千米。

​1679年，埃德蒙·哈雷（EdmondHalley，哈雷彗星就是以他的名字命名的）意识到，可以利用金星凌日准确测定日地距离。哈雷参考苏格兰数学家詹姆斯·格雷戈里（JamesGregory）几年前提出的思路，设计出了一个计算日地距离的方法，即记录金星凌日的持续时间。它看似简单，但困难之处是需要在地球上相隔遥远的不同地点同时进行观测。哈雷在1716年公布了这一计划，但自知无法在有生之年亲眼见证它的完成，因为金星凌日一般是成对出现的，两次时间相隔8年，每对之间相隔100多年。当时哈雷已经60岁了，而下一对金星凌日的时间是1761年和1769年。

​随着金星凌日预测日期的临近，天文学家们纷纷摩拳擦掌。全世界共有几十名天文学家参与了1761年和1769年的金星凌日观测，库克的航行就是其中一部分。为了观测金星凌日，一些探险队员不惜背井离乡，栉风沐雨，有些甚至还为科学事业献出了宝贵的生命。观测结束后，这些得来不易的观测结果被汇总起来并加以分析，最后得出天文单位的数值为1.53亿千米，只稍大于今天公认的1.495978707亿千米。

​这样算来，太阳系比我们想象中的还要大得多。公元2世纪，在亚历山大（埃及北部港市）任职的希腊天文学家克劳狄·托勒密（ClaudiusPtolemy），提出了日地距离是地球半径的1210倍（换算成现代度量单位为800万千米）的猜想，这一数值保持了近1500年。到了17和18世纪，天文学家眼中的太阳系已经扩大至原来的20倍。在此期间，新型科学仪器、新技术和强大数学工具的发明大大地推动了科学的发展，这促使天文学家开始思索太阳系真正的规模，他们对太阳系乃至整个宇宙的认识也发生了翻天覆地的变化。人们心中1000多年来关于太阳系根深蒂固的信仰已摇摇欲坠，或者说正在瓦解。

​从众神漫步到几何模型

​大约在公元145年，托勒密将希腊人用以估算天体位置的各种天文观点和方法汇编成书，这本惊世杰作就是如今脍炙人口的《天文学大成》。和几乎所有前人一样，托勒密同样认为地球是宇宙的中心。他认为地球居于宇宙的中心，而月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星均围绕着它转动，它们的轨道依次增大。由于这7个天体总是在转动，不像位置相对固定的恒星星座，故被称为“行星”（源自希腊语“漫游者”一词）。

​早在公元前1500年，古巴比伦的观天者就已经测得了行星的位置，并将其刻录在泥版文书上，那时候希腊的天文学还未萌芽。但古巴比伦人却对占星学更加情有独钟，而非天文学。在他们眼中，行星不只是夜空中闪烁的星光，还是神明般的存在，它们的一举一动都是对地球上万事万物的预示。古巴比伦人从事了大量精准的天象观测活动，并记录下结果，希望从中找到一些可以用于预测未来的固定规律。希腊自然哲学家也继承了这种宇宙神话论。他们对行星的命名后来被翻译成拉丁文并沿用至今，比如：金星的拉丁文为“Venus”，意为爱神维纳斯；火星“Mars”意为战神玛尔斯。

​古希腊天文学家是首批将数学原理用于解释天象的人。他们认为，宇宙是一个三维动态的空间，但这种猜想其实更多地来自哲学构想，而且当时的天文观测也比较粗糙。然而，从科学的角度来说，它已经跨出了早期的神话论。早期的古希腊思想家最先将宇宙称为“大和谐”（“cosmos”），意为统一、和谐的整体，和混沌状态相反。在所有古希腊哲学家中，论对早期西方世界认识太阳系影响最大的，非亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322年）莫属。他认为地球是宇宙的中心，其他天体均沿着圆形轨道绕地球转动是毋庸置疑的常识。他还认为，地球和月球之下的世界是不断变幻的、不完美的，月上世界则是完美永恒的。

​如果地球果真如亚里士多德所言是宇宙中心的话，那么就很难用简单的数学方法去解释行星的各种运动了。比如，为什么行星的运动方向基本相同但运动速度不同？为什么它们有时会朝着相反的方向运动（逆行）？为什么行星的亮度、太阳和月球的外观会随着时间改变？行星的这些怪异行为让古希腊哲学家们百思不得其解。今天的我们则没有这样的困惑，那是因为我们知道行星的旋转中心不是地球，而是太阳，而且所有轨道，包括月球绕地球运转的轨道都是椭圆形的，而非圆形。如果假设天体围绕地球做圆周运动，那么行星的运动将难以解释。为了解释行星的逆行运动以及运行速度不同的现象，古希腊天文学家运用高超的数学技巧构建了一个极为复杂的同心球宇宙模型。虽然这些方法本身就有问题，而且自相矛盾，但迫于当时没有其他选择，也只好勉强接受了。接受日心说对于大多数人来说需要非常跳跃的想象力。生活在公元前3世纪萨摩斯岛（一个希腊岛屿）的阿里斯塔克（Aristarchus）是为数不多宣扬日心说的哲学家之一，他的观点几乎无人拥护。

​亚里士多德接受了与他差不多同时期的欧多克索斯（Eudoxus）的观点。欧多克索斯出生在小亚细亚西南部的尼多斯。他认为所有行星都镶嵌在看不见的天球上，天球层层嵌套，它们的自转轴是互相偏斜的。在亚里士多德眼中，这些旋转的天球与行星一样都是真实存在的。最外层的天球上镶嵌着所有恒星，它是所有天体运动的原动力所在，行星天球嵌在恒星天球里。这样就没有理由假设地球到太阳的距离比其他行星远了。后来，亚里士多德在欧多克索斯的基础上将同心球宇宙模型中同心球的数量发展到了56个。虽然复杂如此，但经过深入观察，他的模型仍和实际情况不符。

​500多年后的托勒密在编撰《天文学大成》时，更热衷于寻找能够准确预测行星位置的方法，而非用物理原理来描述宇宙。但他在论证同一天体的不同特性（比如月球的运行速度和外观大小）时所用的数学方法总是自相矛盾。托勒密是圆周运动定律的忠实捍卫者，但为了和实际观测结果相符，他不得不把不同的圆形轨道结合在一起，并让轨道发生移动。在他的模型里，行星并不是绕地球做简单圆周运动，而是沿着“本轮”做圆周运动。托勒密让“本轮”的中心发生位移，以使它们的中心到地球的距离是固定的。这还不够，为了解释行星之间各不相同的运动速度，他提出行星的运动速度其实是均匀的，但它们并非绕地心或偏心圆“本轮”的中心匀速运动，而是绕虚无空间里的偏心匀速点（equant）做匀速运动。这么说来，托勒密从本质上已经放弃了匀速圆周运动理论了。然而，地心说在人们心中已经根深蒂固，因此在接下来的1000多年时间里，托勒密仍然是天文学的最高权威。

​希腊的天文学在托勒密之后便沉寂了。然而，公元7世纪伊斯兰教开始扩张，在征服了中东和地中海地区之后，希腊哲学家和天文学家的著作又重见天日。公元9世纪初，它们在巴格达被翻译成阿拉伯文，从那里传到北非和西班牙，后又被转译成拉丁文。除了计算行星位置的基本图表被修正过之外，最根本的地心宇宙结构图却原封不动地保存了下来（图2-2）。在中世纪的欧洲，亚里士多德的哲学融入了基督教神学的理念。在天主教会的权威下，地心宇宙观的地位更加难以撼动了。

​

目录

序言 / Ⅶ
第1章 我们从哪里来？ ／001
时光魅影 ／003
平淡无奇的太阳系 ／005
第一次亲密接触 ／012
昔日重现 ／015
拼凑太阳系的拼图 ／018
第2章 太阳系探索之旅 ／023
太阳系有多大？ ／025
从众神漫步到几何模型 ／028
异军突起的日心说 ／031
秩序的建立 ／033
引力定律 ／035
失踪的行星 ／037
小行星登场 ／040
天外飞石 ／043
不守规矩的天王星 ／044
近年的发现 ／048
第3章 太阳系演化假说 ／051
达尔文的地球演化论 ／053
星云假说初形成 ／054
星云假说陷囹圄 ／058
偶然碰撞说 ／061
星云假说卷土重来 ／065
第4章 时间之谜 ／067
读懂宇宙的时钟 ／070
艰难曲折的前期探索 ／070
开尔文的失败 ／072
改变一切的放射性 ／074
关于宇宙年龄的猜想 ／077
放射性同位素计年法 ／078
陨石是制胜关键 ／081
太阳年龄之谜 ／084
宇宙年龄再谈 ／086
第5章 陨石的故事 ／089
陨石震撼登场 ／091
陨石的故乡 ／092
铁陨石和石陨石 ／096
追根溯源 ／099
月球陨石和火星陨石 ／101
珍稀的资源 ／102
指路的陨石 ／103
第6章 宇宙中的化学元素 ／107
失踪的43号元素 ／109
丰富多彩的元素 ／111
宇宙混沌初开时 ／113
恒星熔炉里的试炼 ／115
重元素的诞生 ／120
超新星 ／122
第7章 恒星的诞生 ／125
银河之子 ／127
恒星的形成与演化 ／131
太阳系形成的条件 ／136
关键的元素 ／139
第8章 行星的摇篮 ／141
尘埃盘的启示 ／143
寻找真正的原行星盘 ／146
揭秘太阳星云 ／148
星际间的尘埃凝聚 ／151
气体的作用 ／153
星子的形成 ／154
原行星盘的消亡 ／156
第9章 分道扬镳的类地行星 ／159
熟悉又陌生的金星 ／161
看不见的星子 ／162
行星胚胎接管 ／165
4个幸存天体 ／168
地球的构造 ／169
与太阳最近的水星 ／173
走上陌路的金星 ／177
移居火星？ ／179
第10章 月球的由来 ／187
今天的月球 ／189
月球的成分 ／191
月球的轨道 ／193
分裂说 ／194
俘获说 ／196
同源说 ／197
大碰撞说 ／198
邂逅忒伊亚 ／199
地球、月球和潮汐力 ／201
晚期重轰击期 ／203
第11章 生命的摇篮 —— 地球 ／207
冥古宙时的地球 ／209
生命之树 ／214
组成生命的基本材料 ／216
氧气的形成 ／218
宜人的气候 ／221
雪球地球 ／224
地球未来的生存环境 ／225
第12章 气态行星和冰冻行星 ／227
太阳系的巨行星 ／229
核吸积塑造巨行星 ／234
盘不稳定性模型 ／238
自转和自转轴倾斜 ／239
拥有众多卫星的巨行星 ／241
规则卫星的形成 ／242
不规则卫星的形成 ／244
行星环 ／245
第13章 解密小行星带 ／249
今日的小行星带 ／251
碰撞粉碎说 ／252
引力清空说 ／255
小行星族 ／257
地幔消失之谜 ／259
小行星的真实面目 ／261
第14章 太阳系的尽头 ／269
彗星的身世之谜 ／271
半人马型小行星 ／274
探索海王星轨道以外 ／276
柯伊伯带 ／277
塞德娜 ／280
海外天体的本质 ／282
类冥天体去哪儿了 ／285
尼斯模型 ／288
第15章 关于未来的预测 ／291
从一个坚果壳开始 ／294
未解之谜 ／296
从太阳系寻找答案 ／298
系外行星 ／301
太阳系何去何从 ／303
新版后记 ／307
术语汇总 ／321
参考文献和延伸阅读 ／337

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