《星空的琴弦》 溶溶夜解读
《星空的琴弦》| 溶溶夜解读
关于作者
汪洁，科普作家和科普自媒体人，第八届文津奖获奖图书得主，著有《时间的形状：相对论史话》《外星人防御计划》等。作为一名科普作者，汪洁深知传播科学精神的重要性。在所有天文学历史事件的描述中，他除了说明其中的发展脉络，还对每位科学家的贡献和局限性做出了客观严谨的描述。
关于本书
《星空的琴弦》是一本不可多得的科普读物。作者在书名用了“琴弦”两个字，是一种十分浪漫的比喻：宇宙中所有的星辰运动，就像巨大的琴弦正在演奏一部恢弘的交响乐。
作者从人类开始认知脚下大地的形状讲起，依次谈到了地心说、日心说、银河系、星系等等概念，生动地展现了人类宇宙认知的不断更替过程，并为我们讲述了人类对宇宙终极命运的几种想象。我们不仅可以从中了解天文学的发展历史以及天体观测方法和工具的不断改进过程，还能体会到科学家们矢志不渝的探索热情和严谨求实的科学精神。
核心内容
作者以天文学发展的时间轴作为主线，分四个阶段详尽描述了人类认识宇宙的整个过程以及在科学理论和科学工具上的发展。同时，作者着重还原了那些天文学重大发现的来龙去脉以及重点人物的所思所想。
你好，欢迎每天听本书。本期音频为你解读的是《星空的琴弦：天文学史话》，这本书的中文版大约16万字，我会用大约26分钟的时间，为你讲述书中的精髓：天文学的历史发展脉络和对天文学发展有重大影响的历史发现和重要人物。
《星空的琴弦》这本书，在书名用了“琴弦”两个字。作者在这里使用了一种十分浪漫的比喻：宇宙中所有的星辰都在不停地运动，有的会聚集在一起，有的正在离散开来，就像巨大的琴弦正在演奏一部恢弘的交响乐。我们人类世世代代都对头顶的星空怀有浓厚的兴趣，也对大自然的神奇力量充满了敬畏和崇敬之情。
现在，任何一个小学生都知道：地球是圆的；地球的自转产生了白天和黑夜；太阳是太阳系的中心；我们的地球和其他行星一样绕着太阳公转。但是我们人类的文明走到今天，能够清晰地了解这些基础的常识，却是多么的不容易。这些在你看来是天经地义的“常识”并不是那么的“平常”，是多少代人在经历了无数的坎坷和反复之后，才得出的对宇宙基本概貌的正确认识。驱使我们不断探索周围世界、探索广袤宇宙的力量，正是我们那永不满足的好奇心。
在这本《星空的琴弦》中，作者以天文学发展的时间轴作为主线，详尽描述了人类认识宇宙的整个过程以及在科学理论和科学工具上的发展。同时，作者着重还原了那些重大发现的来龙去脉以及重点人物的所思所想。
这本书的作者叫做汪洁，是位科普作家，第八届文津奖获奖图书得主，著有《时间的形状：相对论史话》《柔软的宇宙：相对论外传》《外星人防御计划》等。作为一名科普作者，汪洁深知传播科学精神的重要使命。在所有天文学历史事件的描述中，他除了说明其中的发展脉络，还对每位科学家的贡献和局限性做出了客观严谨的描述。
那么现在，就让我们重新回到历史的现场，去看看那些激动人心的天文大发现。这本书中将天文学的发展划分成了四个阶段：第一，日心说战胜了地心说；第二，银河系的发现和宇宙的测量；第三，各种宇宙能量的发现；第四，宇宙最终的命运假说。接下来，我就按这个顺序依次给大家讲解。
我们先来看看第一个阶段：日心说是怎样战胜了地心说。如果我们把公元前3200年苏美尔人创造出楔形文字作为人类文明的起点，那么之后的2700多年里，我们的祖先一直认为人类生活在一个平坦的大地上。“天圆地方”的假想很符合眼睛看到的景象。埃及和巴比伦的智者认为大地是一个半球形悬浮在空中，尽头是万丈深渊。
直到公元前500年，有一些人开始意识到大地不是平的。在古希腊数学家毕达哥拉斯看来，大自然的和谐之美是由各种完美几何图形和数字组成的。世界是造物主的杰作，半球形在几何立体形状中并不完美，由此推断大地应该是个球形。
100多年后的亚里士多德终于找到了相应的证据：第一个证据是海面上帆船影像的出现顺序。当你在海边看到一艘帆船远去时，总是先看到船身消失，再看到桅杆和船帆消失，而不是看到它们同时缩小成一个点然后消失；反过来，当帆船向你驶来的时候，你总是先看到桅杆和船帆，然后再看到整个船身。如果大地是平的，这个现象就很不合理。但是如果大地是球形的，就能很好地解释这个现象。
第二个证据是晚上长途跋涉时观察到的星辰运行情况。如果晚上朝着北极星的方向走足够长的时间，就能观察到身后有一些星星逐渐消失在地平线上，而前面的星空会升起一些新的星星。这个现象也说明大地是球形的。
第三个证据是月食时地球影子的形状。发生月食的时候，月亮会慢慢落入地球的影子里。而大地在月亮上的影子是一条圆弧线，这是证明大地是球形的重要证据。
亚里士多德宣称“大地是球形”的观点，在知识分子圈中引起了巨大反响。他是首位通过实证方式而不是思辨的方式去论证大地形状的人。但是当时的人们一直无法接受这个观点。如果大地真是球形的话，那为什么我们不会走着走着就头朝下脚朝上“掉下去”呢？这个问题两千多年来一直折磨着许多科学家，因为人们日常体验到的上下观念的常识与观测到的“大地是球形”的证据存在着严重的矛盾。
公元2世纪中叶，古代天文学教父级人物——托勒密在总结许多科学家观测、计算的结果后，完成了耗费他一生心血的鸿篇巨制《天文学大成》。整个宇宙被描述为一个以地球为中心、日月星辰以特定轮盘轨道绕地球旋转的模样。按照书中的理论，人们已经能够以较小的误差预报日食和月食以及五大行星的运动位置。这是人类天文学的第一部系统著作，也是集古代天文学大成之作。此书一出，1500年的时间里没有人敢于挑战“地心说”理论。
那时候人们对于《圣经》的信仰和崇拜是至高无上的，上帝可以命令太阳和星辰暂停运行，所以他们认为太阳、月亮都只能是围绕着地球在转动。代表上帝的宗教裁判所具有生杀予夺的大权，任何与《圣经》相违背的思想都被认为是大逆不道。公元15世纪～16世纪上半叶，一位来自波兰的神父勇敢地突破了《圣经》的绝对权威，发表了“地球不是宇宙中心，而是围绕太阳公转”的天体运行学说。
这位神父就是天文学历史上代表“日心说”的重要人物——哥白尼。在他的著作《天体运行论》里，哥白尼罗列了大量的观测记录，并进行了严密的数学论证和定量计算，得出了更加简洁的天体模型。用他的理论来计算星星运行的位置以及预报日食、月食，精度要远远高于托密勒的“地心说”。哥白尼的《天体运行论》如同划破黑夜的一道闪电，很快引起了极大的关注和反响，冲击了许多人的认知。尽管受到了许多宗教届人士和保守派的强烈指责，这个理论还是很快流行开来。
但是哥白尼的理论有一个地方被认为是不完美的。哥白尼认为，所有的天体运动都是匀速圆周运动，太阳必须位于圆心的位置。但实际观测到的天体运动轨迹却是不均匀的。在哥白尼去世30多年后，另外一位伟大的天文学家开普勒解决了这个问题。他将行星的运行轨道修正为椭圆，太阳被放置在了椭圆的一个焦点上，并就此提出了著名的“开普勒三大定律”。这件事标志着人类第一次在真正意义上揭示了行星运动的规律，而开普勒也被大家尊称为“天空的立法者”。
接下来的科学家们继续完善着“日心说”的理论。意大利的伟大科学家伽利略通过自己组装的光学望远镜，打开了人类用工具探索宇宙的序幕。他观测到的金星盈亏变化给哥白尼的日心说提供了佐证，而他提出的力学惯性原理解释了人们为何体会不到地球在转动。
到了公元17世纪中叶，人类历史上500年一遇的天才级人物——牛顿出现了。他经过长时间的思考终于发现了天体之间普遍存在的万有引力，彻底解决了萦绕在大家脑海里的那个老问题——“地球自转怎么没把人甩出去”。牛顿的力学三定律成为了创立“天体力学”的起点。
至此人类经历了近2000年的时间，完成了第一次对宇宙认识的巨大飞跃。我们的视野从脚下的大地，一直扩张到了巨大的太阳系以及相应的天体系统。罗马教廷在1616年对日心说发布了禁令，之后宣判伽利略有罪。这期间对于科学的镇压可谓疯狂无比。等到1980年伽利略才被教会翻案，而要到1992年罗马教会才解除了对日心说的禁令。可是历史的车轮无法倒退，人类的认知就这样不停地被一次次的刷新，永不止步。
上面就是这本书中描述的天文学历史的第一个阶段：日心说是怎样战胜了地心说。
那么接下来，为你讲述第二个阶段：人类是怎样发现和探索太阳系之外的更加广阔的宇宙空间。
日心说并没有成为人类对宇宙的终极看法。人们对于日月和行星以外的那些恒星产生了疑问。把从古至今所有天文学家绘制的星象图放在一起对比时，科学家们有了新的重大发现：现在的恒星的数量和位置和古代的记录相比发生了变化。天文学家们又纷纷投入了对恒星的研究。这期间观测宇宙的精密观测仪器被不断地发明出来，例如望远镜上安装了螺旋测微器（千分尺）、游丝测微器、量日仪等等。
英国天文学家哈雷为此做出了巨大的贡献。他是第一位发现恒星位置变化的人，还设计了精确测量日地距离的计算方式。由于准确预测了同一颗彗星三次回归地球的时间，这颗彗星就用他的名字命名，尽管第三次回归是在他去世之后的事。1769年，各国天文学家共同观测得出的日地距离是1.33亿千米。这个距离从此被作为测算恒星与地球之间距离的基础条件和默认单位。太阳系的大小终于可以被测量了。
之后的130多年间，借助牛顿的万有引力规则，科学家们坚持不懈地观测，更遥远的天王星和海王星被发现了。太阳系的疆界一下扩大了两倍多。而测算出的其他恒星位置要比太阳系的边界距离还要远很多倍。此时人们已经认识到，太阳系的尺度与遥远的恒星比起来根本不值一提。科学家们采用了比日地距离更大的单位——“光年”来描述天体的距离。“光年”是指光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间的距离，是一个长度单位。因为光的速度是每秒30万千米，非常非常快，所以一光年的长度是9.4605乘以10的15次方米那么长，用这么大的数值作为描述天体之间距离的单位，说明天体之间的距离远得实在是超出了人类的想象。
发现天王星的英国天文学家赫歇尔和他的儿子，通过给天空划分区域的方式一共观测了几万颗恒星，经过统计计算确认了银河系的圆盘形状，初步建立了银河系的正确概念。父子俩的观测工具已经是7.8米高的像大炮一样的望远镜。
1906年，荷兰天文学家卡普坦向全世界的天文学家发出倡议，大家联合起来一起“数星星”。天文学家们把天空分成了很多个小格子，叫做“天文学分区”，整个天空被分成了3000多个小格子。卡普坦提出的方案是，按照这个统一的“天文学分区”，不同的天文学家分别负责观测不同分区里的所有恒星，并详细记录恒星的亮度、视差、位置等参数。最后把大家的工作成果汇总统计，就能定量勾勒出银河系的结构和形状。尽管历经第一次世界大战的硝烟，卡普坦还是得到了许多天文学家的响应，在1922年用统计方法计算出了银河系的形状和大小。这就是历史上赫赫有名的“卡普坦宇宙”。
与此同时，借助安装在美国洛杉矶威尔逊山上的全世界最大最清晰的胡克望远镜，美国天文学家沙普利发现了93个球状星团，每个球状星团都由几万颗恒星聚集而成。这93个球状星团大部分并不是以太阳系为中心均匀分布的，据此推算，太阳系也不是银河系的中心。“人类中心说”又一次被挑战，日心说也被推翻。我们并不在宇宙的中心。
而另一位举世闻名的天文学家哈勃也在这里细致观测了各种星系。这时大型天文望远镜依靠精确的天球坐标，把天空拍成照片供科学家研究。哈勃通过大量的星云照片，推测出最远的星系距地球有上亿光年之遥。宇宙的尺度再一次超出了人们的想象。
哈勃还在观测中发现，星系一直存在着的“红移现象”，即星系离我们远去的时候，它发出的光波在光谱上朝着红色端点移动。这说明星系在不停地远离我们，宇宙正处于膨胀之中。宇宙膨胀观点使得很多科学家开始思考宇宙的起源问题。而在这以前，人们一直笃信是上帝创造了世界。
20世纪30年代，射电望远镜的发明，给天文学带来了意想不到的新发现。射电望远镜通过收集电磁波进而转换成图像和声音的方式来工作，所以很多肉眼不可见但能够发出电磁波的物质被找到。其中也包括二十世纪最重要的天文发现——宇宙微波背景辐射。两位年轻的美国工程师发现无论射电望远镜的天线指向何处，总有一种噪音怎么也去不掉。原来这就是来自于宇宙的诞生之初的大爆炸所释放的能量，经过长时间的膨胀剩下的余温。这是“宇宙大爆炸”理论的关键证据。借助发射入太空的宇宙微波背景辐射探测器，天文学家和物理学家们联手取得了更精准的宇宙微波背景辐射图像，建立了“标准宇宙模型”，从而计算出了宇宙的年龄——大约是138亿年。
至此，人类得到了自己身处宇宙的一个全景图，从时间和空间两个维度对其进行了描述。
上面为你讲述的就是人类发现和探索太阳系之外的更加广阔的宇宙空间的过程。
那么接下来，我就为你来讲述本书的第三个重点：人类在对宇宙的不断探索中，又是怎样发现了各种宇宙能量的呢？
前面说到，我们探索了恒星，那么自然而然地就有一个疑问：恒星之间又有些什么呢？由于有了射电望远镜，存在于恒星之间的那些肉眼不可见但发射电磁波的物质也被发现。分析它们的无线电波，就能知道它们的化学构成。20世纪60年代，由于采用了很多新型技术，射电望远镜能够接收到电磁波的面积差不多有三个足球场那么大。通过探测星云光谱和分析地球上的陨石雨，科学家们又有很多重大的发现： 第一，星云中含有大量的乙醇、氨基酸和地球上不存在的星际有机分子，地球外含有构成生命的必需物质；
第二，天际之间存在着高速退离地球的类星体，距离非常遥远，体积不算大，辐射总功率却非常大。目前主流观点认为它的中心就是黑洞。在黑洞强大引力作用下，物质掉入其中伴随着巨大的能量辐射产生物质喷流。我们能够观测到它，是因为恰好与它构成合适的角度。
第三，剑桥大学严谨的科学家休伊什和他的女实习生贝尔小姐，共同发现了脉冲星，这种具有强磁场的中子星在自转时不断地向地球发射强规律的脉冲电波。
咱们前面一部分提到的宇宙微波背景辐射以及这一部分提到的星际有机分子、类星体、脉冲星都是在20世纪60年代通过射电望远镜被发现的，被称为“二十世纪射电天文学四大发现”。之后的人类采用了更为先进的观测方法——把望远镜送上太空。
1978年，美国宇航局联合欧洲太空局开始一起建造太空望远镜，并以美国传奇天文学家哈勃的名字命名。由于美国挑战者号航天飞机的失事，哈勃望远镜直到1990年4月才乘坐美国奋进号航天飞机被送入地球上空600千米的轨道。但是哈勃望远镜存在先天质量问题，拍照模糊，是个“近视眼”。好在三年后美国宇航局为它增加了矫正镜片，人类有史以来最强大的观测设备终于带来了新的观测发现。哈勃望远镜在1995年12月一次持续观测中拍回的照片，展示了3000多个星系。
根据宇宙学原理，宇宙是完全均匀的，研究一个星系的演化并不需要这个星系所有阶段的照片，而是在同一个时间拍摄到足够多的星系，这些星系处于不同的阶段，正是某个星系演化的所有阶段的集合。只要样本量足够多，就能分析出一个典型星系的演化过程。
因为哈勃望远镜的上天，人类对宇宙的研究提升了一个层次。之前，人类是通过“恒星”这个层级来认识宇宙的，而在此之后，人类换成了 “星系”这个新的层级来研究宇宙。
接下来的两大发现“暗物质”和“暗能量”，被称为天文学界的两大谜题，至今仍未得到完全的解答。主流学界认为“暗物质”是一种大质量的微观粒子，它们不能被观测到，但是却同样在牛顿的万有引力原则里起着引力作用。暗物质是怎么被发现的呢？天文学家用观测到的星系发光的亮度来计算星系的质量，又用星系之间的运动速度来估算星系的质量。两种方法分别计算出的结果却相差了160多倍，那么造成这个巨大差距的可能性是这些星系中存在着大量不发光的物质。人们就把它们称为暗物质。
“暗能量”则是和牛顿万有引力相反的一种能量。宇宙在大爆炸后不断地膨胀，所有的天体都越离越远。但是我们一般认为，天体在万有引力的作用下相互吸引，逐渐减慢远离的速度。20世纪90年代，经过顶级科学家团队近10年的测算，这个常规认知被彻底刷新：宇宙膨胀先是减速进行，然后在70亿年时反而开始加速。有一种力量正在将天体们加速推开，这就是暗能量。它的发现印证了天才物理学家爱因斯坦的超级智慧。虽然爱因斯坦不是天文学家，但是他对宇宙能量守恒的信念支持他做出了伟大的判断，在广义相对论的方程式中增加了“宇宙学常数”。由于所处时代的局限，他增加的常数原本是对抗宇宙膨胀的，现在却被发现正是对抗万有引力的暗能量，是加速宇宙膨胀的神秘力量。
有了暗物质和暗能量的存在，科学家们进一步推测：所有宇宙中的物质所产生的力量中，既有将天体之间互相吸引的暗物质，也有将天体不断加速推开的暗能量。宇宙就一直在这些力量的作用下膨胀下去，成为无限大。而人类的可知范围仅仅只是宇宙的很小一部分。
上面讲到的，就是人类发现各种宇宙能量的过程。
那么下面，我就来为你讲述最后一个重点：人类是怎样思考宇宙的未来的，也就是两种宇宙最终命运假说。
人类的好奇没有终止。我们现在知道；宇宙是无限大的，并且一直在膨胀着。那么宇宙的最终命运会是怎样的？由于发现了暗能量，宇宙被认为是加速膨胀的，“热寂说”和“大撕裂说”成为了宇宙终极命运的两种可能。
“热寂说”的理论基础是宇宙的“熵”值只能越来越大。“熵”是系统的混乱程度，某种意义上可以理解为系统的均衡程度，足够混乱而达到彻底的均衡。如果宇宙的“熵”值越来越大，那么最终的结果一定是达到热平衡，处处的温度均匀一致，这就被称为“热寂”。那么宇宙中所有具有能量的物质，例如恒星、行星都会朝着平衡的方向，将自己的能量不断退化、分解、衰变。那时的宇宙将只剩下光子和轻子。你可以理解为就是无法再变得更混乱均匀的物质，这被推算会经历大约10的1000次方到1500次方的年度那么长。
“大撕裂说”的假想认为，在“暗能量”的持续作用下，宇宙中的物质不断地远离，最终造成宇宙的彻底撕裂，每个基本粒子之间互相远离的速度都超过了光速，永远也不可能再发生相互作用，一切可能性就都丧失了。比起“热寂说”，这种说法似乎更加令人绝望。但是在人类没有彻底弄清楚暗物质和暗能量之前，这些都只是假说而已。
说到这儿，《星空的琴弦》的重点内容就为你介绍的差不多了。下面来为你简单回顾一下。
《星空的琴弦—天文学史话》这本书以深入浅出的科学故事，把我们带回到了那一个个重大天文发现的历史现场，让我们跟随人类对天文学认知不断升级进步的过程，了解了天文学发展脉络。
整个天文学的发展历史进程分为四个阶段：第一阶段，人类从认知脚下大地的形状，到确立了地心说，再到日心说战胜了地心说的过程；第二阶段，太阳系的宇宙观被不断收集到的观测证据推翻，众多的恒星让我们拥有了银河系的新视野；第三阶段，各种宇宙新能量的发现，又把人类的视野扩大到了星系与星系之间的不可见部分；第四阶段，对宇宙的终极命运的关注被提出来，虽然只有假说，但人类的好奇心会继续促使探索的脚步向前。
在这历经几千年的星空探索历史里，除了探索范围不断扩大这条发展主线之外，还有两条与之相对应的发展辅助线也同样印证了人类的伟大跨越：
首先，对于天体距离的测量方式进行了三次大飞跃。最原始的“三角视差法”是运用几何计算与天文观测相配合的方法，其中推算和观测都有一定的误差；“造父变星法”是依靠有亮度规律变化的脉冲星来测量星距的方式进行，这时人类的目光已经可以触及到太阳系以外的世界；然后再升级到“超新星测量法”，就是依靠恒星爆炸时亮度突然增加几亿倍的效应，测量更遥远的星系。随着测量方法的升级，人类可研究的距离由天空肉眼可见的星辰扩大到几百亿光年。
第二，观测天体的工具，由最初的肉眼先变成了光学望远镜，越来越大且精密的光学望远镜不断地被制造出来；之后射电望远镜的出现大大提升了观测的效率，被观测天体扩展到了肉眼不可见的范围；太空望远镜的出现将人类的视野极大地拓展到了更广袤深邃的宇宙。
人类就是这样不停地扩大着探索的边界，每次发现都重新刷新了我们原先的看上去十分确定的认知，从原本“宇宙中心”的位置，一次次发现和证明自己的渺小。
以上就是这本书的主要内容。这本书中有很多的天文学术语和数学公式，可能听起来有些烧脑。但是作者带领我们进入的时空感到十分令人震撼。原来那些我们已经熟知和未曾完全领悟的天文奇观，都是科学家们凭着满腔的好奇和热爱，以及对科学的严谨实证，推动着人类的认知不断深入。科学精神的确比科学知识更重要。
撰稿：溶溶夜 脑图：摩西 转述：徐惟杰