宇宙新图景：揭示宇宙奥秘的变革式理念

宇宙新图景：揭示宇宙奥秘的变革式理念/（印）普里亚姆瓦达·那塔拉印（Priyamvada Natarajan)著；涂泓，冯承天译.--北京：人民邮电出版社，2017.10

（科学新经典文从）

ISBN　978-7-115-46490-3

Ⅰ.①宇…　Ⅱ.①普…②涂…③冯…　Ⅲ.①宇宙学　Ⅳ.①P159

中国版本图书馆CIP数据核字（2017）第190761号

◆著　[印]普里亚姆瓦达·那塔拉印（Priyamvada Natarajan）

译　涂泓　冯承天

责任编辑　刘朋

责任印制　陈犇

◆人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164　　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

大厂聚鑫印刷有限责任公司印刷

◆开本：880×1230　1/32　　彩插：2

印张：8.875　　2017年10月第1版

字数：190千字　　2017年10月河北第1次印刷

Mapping the Heavens:The Radical Scientific Ideas That Reveal the Cosmos

Originally published by Yale University Press.

内容提要

千百年来，人们一直试图破解宇宙的奥秘以及理解我们身在其中的位置，一代代科学家和哲学家为此付出了巨大的努力和代价。尤其是在过去的数百年间，我们对于宇宙的认识发生了极为显著的变化，人类的目光逐渐超越了太阳系、银河系，直至宇宙的边缘。

在这本书中，耶鲁大学的宇宙学和物理学教授普里亚姆瓦达·那塔拉印带领我们追溯了人类探索宇宙的历程，生动地展示了宇宙膨胀、黑洞、暗物质、暗能量、宇宙微波背景辐射等变革式理念的产生、碰撞以及最终确立，并介绍了人类在探索地外生命方面所做的探索和努力。这些科学进程从根本上扭转了我们对世界的看法，因而改写了我们是谁、我们来自哪里以及我们要去向哪里这些问题所特有的含义。我们从中不仅可以了解到人类关于宇宙的最新认识，而且能够体会到科学的曲折发展历程。

其他

译者序

凡是与本书作者那塔拉印接触过的人都会被她对于天文学的兴趣和热情所感染，也会对她在天文学方面所展示出的天赋留下深刻印象。无论是在暗物质、暗能量、黑洞、引力透镜等多方面的科学研究中还是在天文学普及活动中，她都全身心地投入，并且做到了得心应手、游刃有余。听那塔拉印谈论天文学，就会深深地感受到她在做的事情是她最热爱也是最擅长的。正因为如此，她的天文学知识不仅深厚、广博，而且融合了她自己的独特见解。有这样坚实的知识背景和深入的思考作为基础，本书可谓是厚积薄发，从科学、历史、技术、人文等多个层面描绘了天文学中的各种变革性理念，这些层面彼此交织而又清晰有序，这正是本书的独到之处。

在科学层面上，本书在不借助于任何一个公式的情况下，深入浅出地介绍了黑洞、暗物质、宇宙加速膨胀、宇宙微波背景辐射等一般大众只知其名而不知其实的天文学知识。这并不意味着作者对这些概念只做了名词解释性的介绍，而是凭靠着她深厚的专业知识，并借助于丰富的资料及比喻、图像等手段，精准地为我们抽丝剥茧，帮助我们自己去理解和发现。无论读者原来对于千丝万缕的宇宙和天文学知识有多少了解，通过阅读本书都会有新的收获。

在历史层面上，本书将天文学中的变革性理念渗透在天文学发展的进程中。一方面，黑洞、大爆炸等名词的来源背后所隐藏的历史故事使我们更容易理解这些物理过程的原理，也大大增强了本书的可读性。另一方面，我们以前可能零星地听到过天文学新理念如何遭到抗拒、提出这些新理念的天文学家们又如何遭到迫害的故事，但将两者如此系统地联系起来看时，我们再次对这些理念的变革性之彻底、得到接受的历程之艰辛感到震惊。

技术层面上的观测手段的进步是本书在阐述天文学理念的过程中的一条重要的辅线。天文学从来就是一门以观测为基础的科学，现代天文学更是越来越依赖于高精度的观测，尤其是在我们进入精确宇宙学时代的今天，可以说任何一点科学上的进步都建立在大量数据的基础之上，而这些数据背后是大口径天文望远镜、大型巡天项目、高精度测光等技术手段的日新月异，有些大型观测项目需要集数国之力才能完成。由此作者让我们看到了天文学不那么浪漫的、更加实际的方面，但这正是以前被人们所忽视而现在亟须引起重视的。

人文层面则是贯穿本书的背景，天文学可以说是所有自然科学中最具有人文色彩的一门。观乎天文以察时变，观乎人文以化成天下。在人类文化的哲学、政治、宗教、艺术中都能看到天文学的存在。17世纪就出现了以多元宇宙为主题的雕刻作品；《神曲》中的恒星系统与托勒密的假定如出一辙；莎士比亚和雪莱的剧本、诗歌里也频频提到恒星；甚至最早提出运动宇宙理念的，竟然是短篇小说的先锋人物埃德加·爱伦·坡。作为一位女天文学家，作者还特别关注了女性对天文学所做的贡献。此外，本书也毫不避讳因科学家的个人原因而对天文学进展所起过的负面作用，作者对这一憾事发出了自己的感慨。

本书是一本优秀的天文学科普读物，但又不仅限于此，其中有天文学知识、历史背景、现象背后隐藏的原因，以及发人深省的领悟。不同层次的读者都能从中有所得益，这使本书产生了独特的魅力，值得一读再读。

第1章早期宇宙分布图

起初，人类用于观测宇宙的唯一工具只有他们的眼睛。控制着他们如何做出解释的是神话而不是科学，并且他们将制约着行星和恒星的那些看不见的、神秘的、超人类的力量都归因于上帝的行为。当这些古人仰望天空时，他们寻求的不仅是实用性，还有可预测性；而且与我们现今的做法十分相似，他们也记录下他们所创造出的那些宇宙学。他们绘制宇宙分布图。

记录天空的最早图像之一是一片锤制而成的铜金板，其制作时间大约在公元前2000年到公元前1600年之间，这是青铜时代优涅提斯文化[1]的一部分。这片金属板是在德国东部的萨克森-安哈尔特地区发现的，它上面雕刻的似乎是太阳（或满月），另外还有一个月牙和一些恒星。在我们现代人看来，它也具有昴宿星团的特征。这是很有可能的，因为裸眼可以在夜空中清晰地看到这个引人注目的星团。这个金属盘也许是某种观测笔记，随着时间推移不断记录新的信息。有这样的一条增补信息：沿着边缘分布的两条金色圆弧看起来似乎标记的是夏至和冬至这两天的日落位置，由此列出了显示一年中最长的一天和最短的一天之间的太阳位置。另一条信息是圆盘底部的一条圆弧，从弧上呈放射状发出多条直线段。对这条弧存在着各种各样的解释：银河、彩虹或者携带着许多桨的太阳驳船（这是神话中运载太阳的工具）。对于当时如何使用这一物件，我们几乎一无所知。不过我们可以推测，使用它的那些人会以某种方式将地球上发生的事情与天空中发生的事情联系起来。

内布拉星象盘（公元前2000—前1600）是青铜时代优涅提斯文化的一件人工制品，1999年在德国的萨克森-安哈尔特地区发掘出土。（图片由遗产管理和考古学州办公室的尤拉伊·利普达克提供。）

我们还知道，大约900年后仰望天空的巴比伦[2]人是富有经验的天文学信息记录者。19世纪的英国考古学家奥斯丁·亨利·莱亚德[3]和他的那支探险队的目的在于发掘《圣经》中记载的那些美索不达米亚[4]的伟大城市。他们挖掘和发现了大量精心绘制成表格的天文学数据。他们的发现包括美索不达米亚人编制和按年代顺序记录下的更加古老的观测复件。莱亚德和他的团队在现今的伊拉克地区发掘出了数千块楔形文字泥板，其中隐现着一份记录金星观测数据的文档[5]。

考古学家们认为，金星泥板制作于阿米萨杜卡国王在位期间，有数百份文件揭示出巴比伦人记录天文学数据的广度，而它只是其中之一。金星泥板上的楔形文字说明如下：巴比伦人能够分辨出闪烁的恒星和呈现为一个稳定亮点的行星这两者之间的区别。他们知道存在着5个这样的游荡不定的亮点，它们的运行是与恒星分离的。“planet”（行星）这个英语单词反映出了这种最早的描述，它源自希腊语“planētai”，意为“漫游者”。相对于其他恒星，有一个天体每晚自西向东运行。最奇怪的事情是，它每两年左右会完全逆行大约9天时间，然后又切换回到它向东的旅程。巴比伦人记录下这个天体及其怪异的逆行行为。我们现在明白金星的这种表观上的运动是这颗行星与我们所在的行星联合运动的结果：当地球和金星在它们各自围绕太阳的路径上相互经过时，金星看起来像是在天空中后退。巴比伦人寻求有序性，因此对这颗微红行星进行了详细观测和记录，其中包括它不同寻常的回朔。可以出现在天空中任何地方且只在消失在黑暗中之前短暂可见的彗星被视为厄运的前兆，预示着地球上将发生灾难。从他们详细记录在案的关于夜空中天体运动的记载可以明显看出，许多古代文明都注意到了星空有规律性，并力图预测星体未来的位置。成功地做到这一点很可能有助于他们去接受自然界。古人的这些分布图建立了天地之间的联系[6]。

如今，我们用天文学数据来支持或推翻天体物理学中的一些概念和模型，但是在古代，人们对于天空的理解与各种日常事件之间具有一种更为紧密的联系。记录下当时正在发生的天体事件是为预测未来事件服务的，不过古人并不是要寻求解释其中的模式，也不是要找出它们的起因。他们的目标是要记录下这些运动，并构建出能够在未来实现精确预测的叙述。这是天文学之根——观测。看见和记录下天体如何在天空中运行，最终孕育出一门科学，尽管对于这些天体运行的最初解释绝非科学。这种以记录夜空数据为中心的早期传统至关重要，它使全社会产生了一种本能——将我们在自己行星上的位置与我们在宇宙中的所在联系起来。

虽然巴比伦人没有能力去科学地理解这些游荡天体的运动，但是他们的观测数据具有实践目的和宗教目的，例如天空中的模式对于地面上的农业周期具有十分重要的意义。请考虑金星泥板上的这条观测记录：在第11个月的第15天，金星从天空中消失，并有连续3天时间不可见。随后在该月的第18天，它重新出现在东边的天空中。新的泉水开始流动，阿达徳神送来了雨水，埃阿神[7]也送来了他的洪水[8]。金星的逆行意味着地球上会出现倾盆大雨。在印度教神话中，掌管暴风雨的至高神明因陀罗有着各种不同的称谓：闪电之神、暴风雨采集神和雨水恩赐者。他永不停歇地忙着与来自地下的恶魔们战斗，并代表着善的各种力量去与邪恶较量。他是创世神[9]——一位工匠式或劳动者式的神明，人们相信塑造和维护着这个实体宇宙、独自负责这个物质世界的就是他，而不是造物主——造物主将天空向上推，并释放出黎明，因此就需要平静缓和地维持夜晚与白天的规律性。

由于当时数据本身不是用来揭示物理原因的，因此缺乏先进技术和理论的古人们就发明了占星术。例如，古印度的占星术传统将夜空划分成黄道十二宫，充满了用于解释其形状的、精心编造的神话故事。每颗行星都有一个主宰神和一种相关的气质。例如，火星具有武士气质，因此使它的属民（出生日期在出生星位图上对应它的那部分人）好斗、好争辩、喜爱武器，并赋予他们技术和机械方面的能力。

要等到古希腊人才转向一种根植于逻辑、数据和证据的世界观。他们粉墨登场时大行其道的起源故事是：世界停靠在一只海龟的背上，在这只海龟下方支撑它的是另一只海龟……这些海龟一路层叠下去。一直到公元前6世纪，这种想象（有时有一些微小的变动）一直是普遍流行的信仰。不过，与耶路撒冷和巴比伦之类的老牌古城和古国相比，正在兴起的希腊世界还是存在着某些变革式的、新颖的和有活力的东西。与那些古王国不同，它由数个政治上独立的城邦构成，这些城邦享有自治权，各自为政。这一正在迅速成长的文化以对问题和争论的开放态度为标志，重建了统治天空的万神殿。众神被重新塑造，更多的权力和力量从神转移到人。事实上，神性中甚至反映出人类的各种缺陷，从而缩小了神的完美与人的瑕疵之间的分裂。

在这样的背景下，公元前610年，在爱奥尼亚海岸的米利都城（在今日的土耳其），阿那克西曼德[10]出生了。人们认为他将地球视为一个飘浮在空中的圆柱体，周围环绕着天空，并没有任何生物高高举着它。他是公认的推断出地球自由悬浮在空中的第一人。这是世界观的一次深刻变化，是一次不可思议的飞跃，标志着他对于宇宙的全部看法。

尽管这一想法极具变革性，但是对于地球和天空之间的联系，阿那克西曼德如此革新的想法并不仅此而已，他自己获得这些理念所经历的智力过程也是如此有变革作用的。虽然人们将摒弃神话式解释的功劳归于他的老师泰勒斯[11]，但据说是阿那克西曼德启动了对我们的世界的重新思考，通过对看似已确立的和确凿无疑的东西提出质疑和挑战，点燃了对有考古基础的知识的求索之火。这种探究方式是任何形式的批判性思维（但同时也尤其对于我们目前的科学方法）的前提和起决定性作用的因素。阿那克西曼德试图用一种包罗万象的描述去解释自然界，并阐明人类和世界的起源，这种试图即使不是首创的，也是最富想象力的，而且是最早的。假如在历史上有那么一个时刻，我们可以将它挑选出来作为一个转折点，那就是这个时候——当泰勒斯和阿那克西曼德（他们二人都是米利都的居民）在明确地表述一种变革式新世界观的时候。阿那克西曼德并没有被动地接受现状。他探索知识，并意识到知识是在不断进化的。他的理解既不是绝对的，也不是静态的。它要求提出质疑、仔细研究和不断地予以重新系统表述[12]。

作为一切宇宙学关键的批判性思维，其根源之一就是对于怀疑的渴望，而这种渴望是由好奇心所驱动的。另一个根源是人类持续渴望知道和想描绘现在所称的分布图。我们不能低估天地之间的这种更讲究实际与实用性的联系的重要性，它是随着测地学（关于全球定位的科学）而发展起来的。有一种工具最终证明对于测地学是至关重要的，那就是中国人在公元前200年前后发明的磁性指南针。这些指南针的制作材料是天然磁石，这是在磁铁矿中找到的一种天然磁性材料。这些指南针与地球磁场取向一致。不过在当时，天然磁石仅用于诸如风水之类的目的，以求人们自身与周遭环境取得和谐。直到公元1040年，中国人才将指南针用于地面导航和军事目的。还要再过100年，它们的用途才延伸到航海中去。磁力的知识是如何从中国传播到西方的，这仍然是历史学家们之间争论的问题，不过有足够的证据表明，确实是中国人发明了指南针。因此，世界的其余部分就不得不等待指南针出现，而古代描绘分布图取得进展的主要推动力是不仅需要对地面进行描绘，而且必须对天空进行描绘。夜晚的恒星帮助古人们在海上航行，而我们的太阳则使他们得以测量地球的大小[13]。

绘制分布图的早期划时代事件之一，是公元前240年希腊天文学家埃拉托斯特尼[14]估测了地球的周长，他注意到在塞尼城（即现在埃及的阿斯旺）每年白昼最长的那天（夏至）正午时分没有任何影子投下。他也知道，在他的家乡、埃及北部尼罗河沿岸的亚历山大城，同一天太阳并不在头顶正上方，因此他通过计算亚历山大城一座高塔投下的影子所产生的角度，估测了其位置的差异。他利用几何学以及有关两城之间距离的知识，得出了地球的周长，而这个数字与现代的测量值（约4万千米）只相差16%[15]。

数学允许我们用一种变革式的新方法去思考宇宙——从神话转移到理性，转移到关于运动的一种物理的和几何的概念，从而允许我们用这种概念来描述各种规律性的特征。尼西亚城的喜帕恰斯被认为是最伟大的古代天文学家之一。许多人认为他发明了三角学，并制作出最早的描述太阳和月亮运动的有效模型。他很可能获取了巴比伦人关于日食及行星位置的记录。喜帕恰斯以他们和美索不达米亚人所做的工作为基础，收集了一份当时最新的恒星目录，并建立起据信是对于天文学数据最早的几何和数学定量描述。公元2世纪，希腊-埃及天文学家、数学家、制图师和占星家克劳狄乌斯·托勒密向理解天体运动又迈出了重要的一步。他继承了喜帕恰斯的那些具有300年历史的数据，并对希腊人的所有天文学表格和几何模型都进行了校勘，编著了一部综合性论著，即《天文学大成》（Almagest）。不过，他所做的工作不仅仅是汇编资料，还构造出了一个天空的新模型，这个模型与当时可得到的所有数据都相符[16]。

托勒密的世界地图（1478）复本。托勒密知道地球是一个球体，而且他的投影方法是从赤道开始测量纬度的，这种做法一直沿用至今。（图片由美国国会图书馆提供。）

托勒密的物理模型由层层嵌套的球体构成，并且他的那些综合全面的表格可用于计算行星未来的位置。他对每颗行星使用4组时间分散开的观测数据，以获得估算它们周期的最大优势。他所使用的最古老的那组观测数据是公元前700年的，很有可能来自喜帕恰斯对巴比伦人那些记录的汇编。考虑到当时人们到对行星位置的主要兴趣仍然是预测地球上的事件，因此描绘地球分布图同样吸引着托勒密也就不足为奇了。他的《天文学大全》除了记录下月亮的周期以外，也记录下了天空中行星的位置，而与之对应的《地理学指南》（Geographica）则描绘出地球上各城市及地标的位置。托勒密把两件事情联系在一起：正如他把天国排列成一个个封闭的球体那样，他也给地球上所有已知的地点在一张网格上分配了位置。由于行星和太阳都沿着黄道运行，因此托勒密采用黄道坐标系——一张中心位于地球上的、从天球之外来看的网格——来描绘星表。从此以后，地球和天空就都投影到同一个球的表面上，从而给出它们的坐标。托勒密以黄道为稳定参照来描绘天空，以从赤道开始度量的纬度来描绘地球。《天文学大成》具有预测天体位置的能力，这就使它具有了盛行于整个中世纪的权威性。

希腊人也曾设计出一些数学，用于研究圆弧（即圆的一部分）和圆心角。不过，数学的发展无疑得益于古希腊疆界之外的那些数学知识。印度人拓展了希腊时期的数学，其中特别是公元5世纪的数学家阿里亚哈塔[17]，人们认为他通过无穷级数描述了三角函数，从而使他能够建立起包括各角度正弦值和余弦值的大量表格。为了在一个天球仪上描绘天空，以及在一个地球仪上描绘地球，二维的欧几里得几何就需要拓展到弯曲表面上去。阿拉伯人和印度人在7世纪到11世纪研究出球面三角学。将几何学拓展到去描述球面上的三角形的边和角之间的关系，这对于天文学和测地学都是至关重要的。前者要描绘恒星在一个球体上的位置，而后者则是要理解地球的曲率对于航行的影响，因为此时地球上那些遥远的地点可以航行到达。

蓬勃发展的海上贸易航线使波斯和阿拉伯数学家们不断接触到印度数学家们的各种原理，他们将这些原理翻译过来并广泛传播到整个中世纪的伊斯兰世界。安达卢斯的数学家阿尔-贾亚尼[18]撰写了据信是关于球面三角学的第一部综合性专著《球面上的未知弧之书》（Kitab majhulat qisiyy al-kura）。托勒密有这样一条定理：依据地球上两地之间的维度之差以及它们之间的大圆距离来得出两地之间的经度之差。数学家拉伊汗·阿尔-比鲁尼[19]利用这一定理以及11世纪的商队路线得出了巴格达与其他各城市之间的经度差[20]。

天文学要求用理论的和数学的框架以及因果推理分析进行综合观测。虽然托勒密的模型可以描绘行星的运行，并绘制出巴比伦人所记录下的那些最明亮的恒星，然而他并不是在寻求我们所感兴趣的主题，即对导致行星运行的原因给出一种解释。

技术再次成为关键，并且它一直在取得进展。公元前200年发明的指南针，大约在1400年后出现在西方世界。在《物性论》（De naturis rerum）一书中，亚历山大·尼卡姆[21]提到了磁性指南针及其在导航中的应用。波斯人在大约40年后才提到它，这出现在1232年贝拉克·阿尔-齐布贾吉在开罗写成的《商人的财富之书》（Kitab kanz al-tujjar fi ma'rifat al-ahjar）[22]这本波斯故事书中。

数学和制图仪器逐步完善的这些具体实现，最终产生了一种变革性的新地图——按比例绘制的地图。波特兰海图[23]把由指南针获得的方向和由出海的水手们估测的距离结合了起来。在这些海图的刺激下，开启了所谓“发现的时代”，而这又是“天文学精确年代”的开端，其结果在远航的欧洲人之中导致了对于强权和掠夺的追求，同时也促进了各种各样的科学和仪器革新。正如波特兰海图的名称（它最终源自拉丁语“port”，意思是“港口”）所暗示的，这些地图所关注的焦点是它们描绘出的海岸线及路线的细节，图上画出了连接各已知港口城市的线条，从而能够计算出航程所需的时间及距离。现存最古老的波特兰海图是比萨地图，其日期可追溯至1296年。

尽管波特兰海图体现了对于更高科学精度的渴望，而天空分布图则不仅在当时变得更为精确，而且开始更鲜明、更令人信服地传达出对于各种宇宙现象的、不断变化着的解释。这种解释手段和力量的改变（这种改变反映了那些重要的观念转变）在天空分布图中表现得最为明显不过，例如出现在《爱的摘要》（Le breviari d'amor）一书中的那幅天空分布图。这一彩色稿本的作者被认为是法国贝济耶的马特福瑞·厄尔蒙高，其书出版于1375年至1400年间[24]。

比萨地图（1296）是现存最古老的航海图，覆盖的区域从现在的荷兰到摩洛哥。这张波特兰海图提供了对它所展示的各海岸和港口城市的详细纵览，并且是按比例缩小的。（图片由法国国家图书馆提供。）

贝济耶的马特福瑞·厄尔蒙高的《爱的摘要》（1375—1400）中的彩色地图。这幅图描述了亚里士多德-托勒密式的宇宙，在其中包含在月亮所在的球体之中的万事万物都是易变的和易腐的，而位于月亮轨道之外的一切天体现象都是纯粹的、不变的和完美的。永恒的天使们在这里转动曲柄，永不停歇地转动着月亮之下的球体。

这一描画结合了亚里士多德和托勒密的宇宙观。固定的、不变的、完美的恒星所构成的王国被清晰地划分在外围的边框中。所有不完美都被限制在地球所在的球体之中，其中散落着那些易变的元素——火、水、土和气。其余一切都被假定为纯粹的和完美的。请注意这一图像如何采纳了一种将神圣的动因与机械式理解相结合的描述：太阳和月亮日常运行的起因被表示为那些为地球的转动添加燃料而操劳不休的天使们。因此，我们在这里有一个秩序井然的托勒密式宇宙，然而这个宇宙确实由天使们提供动力，他们被描画成在转动一根曲柄，显然这一装置起着一种隐喻性的作用。这幅分布图揭示出神话或神圣成分的残存，它们与一种数学表述共存。天使们在这里占据有待辨明的空白，后来这片空白由艾萨克·牛顿的引力定律填补了。牛顿当然不仅将引力看作物质的一种属性，还将其视为一种神圣的表现形式。他相信神圣的力量是行星运动的驱动力。

随着理解的提高，宇宙的这些表现也相应地得到了更为周密的阐述。同样，宇宙观的变化也在制图学中得到了描述。在1375年出版的《卡塔兰地图集》中，可以找到对中世纪宇宙的一些精妙绝伦的演绎。这是中世纪描述地球和天空概念的最重大的地图汇编文献之一。人们认为这部地图集出自犹太天文学家和制图师亚伯拉罕·克莱斯克之手。地球在这幅图中被一些环和7个球包围着，前者代表着4种基本元素，而后者则表示当时已知行星的轨道。在此之外的是月亮、太阳和那些固定不动的恒星。这幅分布图标志着从天使时代到仪器时代的转变。我们不再求助于天使来为宇宙提供动力，而是我们有了科学仪器不断增长的影响力，其中尤其是星盘。在图的中央那位醒目的圣贤般的人物手中所持的就是一件星盘。

星盘作为一种测量位置的装置，据说是由古希腊人发明的，并且经常被认为出自托勒密之手，不过中世纪的伊斯兰世界对它进行了改善。中世纪的伊斯兰学者们用他们的三角学知识在这种仪器上引入了角度标尺。星盘被用于确定太阳、月亮和恒星的位置，以及给定纬度处的当地时间，时间的测量要利用许多主要城市的纬度表格，它们作为独立可拆分表盘包含在该装置中。在伊斯兰世界中，球形星盘也用于确定指向麦加的方向，并为虔诚的教徒们指示每天祈祷的时间。第一个用金属制成的西方星盘是10世纪在西班牙制造的，因此这种仪器出现在《卡特兰地图集》中也就不足为奇了。在克莱斯克的地图中，时间已经变成一种可以度量至永恒的数学概念。数学计算的能力处于首要和中心地位。在以前对于宇宙的那些描述中，代表着众神的须髯智者总是出现在画面之中，控制着场面。文艺复兴前夕，守护神和小天使们缺失了，取而代之的是表示四季的比喻式人物形象。

亚伯拉罕·克莱斯克的《卡特兰地图集》（1375）中的彩色宇宙分布图。这幅中世纪的描画显示，我们的行星被象征着四大元素（土、气、水和火）的环包围着，在它们之外是7个球面，描述的是各行星的轨道，随后是月亮、太阳、固定恒星所在的球面，以及黄道十二宫。克莱斯克在此处用一位手持星盘的圣人取代了上帝，很可能是反映了他对于宇宙的个人看法。（图片由法国国家图书馆提供。）

文艺复兴时期的天文学家尼古拉·哥白尼在1514年跨出了变革性的下一步，他在这一年撰写了一份约20页长的手稿。从某种意义上来说，这份手稿是即将到来的那些扣人心弦的事件的一次预演。这本后来定题为《短论》（Commentariolus）且只在他的朋友们之间传阅的著作颠覆了当时盛行的、托勒密的宇宙观。哥白尼提出了天体的一种重新排序方式，创建了一个新的参考系：置于其中心的是太阳，而不再是地球。

毫无疑问，对于以前所有关于天空的概念而言，哥白尼的系统都是一种大破坏——它不仅暗示着地球在绕太阳旋转，而且由于无论地球在其提议的轨道上如何运行，恒星的排列方式都保持固定不变（不出现所谓的视差[25]），因此恒星就在非常非常遥远的地方。天空的边界已经向外推进了。由于害怕遭到抵制，因此哥白尼对于是否要发表关于这一主题的完整专著《天体运行论》（De revolutionibus orbium coelestium）一开始就犹豫不决，直至1543年才将其出版。最后，有一位主教鼓励他出版此书，因此哥白尼将其题献给罗马教皇。仅仅70多年后的1616年，这部著作被列为禁书，直到经天主教裁判所“修正”后才解禁。当时公布了一张“修正”清单，其中包括对于将地球的运动表述为一个事实而不是一个假设的那些删节。篡改的目的是将日心说仅仅表述为一种描述行星运动的简便方法（一种参考系）而不是一个。正如我们在接下去的许多章节中将会看到的那样，在使那些变革性的理念比较合意的过程中，常常需要与此类似的种种遁词。

尼古拉·哥白尼的日心模型，摘自《天体运行论》。哥白尼大胆地将地球移出了托勒密的宇宙中心，代之以“Sol”——这张简单图示中的太阳。以这张图为基础，哥白尼用他优雅的笔法解释了自己的模型。（图片由美国国会图书馆提供。）

杰出的天文学史学家欧文·金格里奇查阅了哥白尼这本书几乎所有的现存复本，他推断出第一版很可能印刷了400～500册,1566年发行的第2版又增印了500册左右。金格里奇在他那部标题具有讽刺意味的《无人阅读的书》中叙述了他寻找这些副本的过程，并特别指出在意大利的复本有半数都被篡改过，而在欧洲大陆的其他地方被篡改的复本则为数极少[26]。

尽管位高权重的红衣主教贝拉明[27]最终将矛头指向了日心学说，对于这种经过改造的宇宙感到不安的并不是只有天主教徒。事实上，马丁·路德[28]也反对日心学说。当然，当时教会的教义坚持认为，固定在宇宙中心的是地球而不是太阳。哥白尼的宇宙分布图虽然解释了其他漫游的天体的一般运动，但对于火星或金星的古怪运行方式，却无法比当时占主导地位的那种模型能做出更为精确的预言。而且对于持否定态度的那些人而言，不出现视差（由于地球位置变化而应该造成的透视位移）可能不仅意味着恒星距离遥远，而且可能更简单地意味着地球根本不在移动。哥白尼对于宇宙的重新排布是想象力的出色一击，这肯定不是由数据驱动的。部分差错是由技术造成的，当时的观测数据如此不精确，以致那些粗枝大叶的预测都可以为人接受，并且自托勒密以来测量结果就没有得到过任何实际的改善[29]。一种新的宇宙观要求有更为精确的数据来支持它。顺便提一下，哥白尼一会儿被称为占星家，一会儿被称为天文学家，这在当时是司空见惯的，尽管他从来没有占过星象。

经验数据居首的新地位，标志着科学史以及宇宙学理念发展过程中的一次重要转折，并且为认识论设定了一种新标准。它还标志着在知识获得方面从幻想转向物质。天文学处于这场经验主义革命的最前线。观测者们能够进行随时间推移的重复观测，确定潜在的那些模式，并且这也为形成一个知识分子科学团体创造了条件。印刷机的发明使信息的迅速传播成为可能，并提供了交流想法的一种新手段，从而在从业者之间开启了对话。天文学家们撰写的书出版了，随后在其他活跃的天文学家之间流传[30]。

16～17世纪印刷的各种各样的分布图以及其他对于宇宙的描述为接下来产生的在相互竞争的天体模型之间展开的概念上的角逐提供了证据。16世纪的丹麦天文学家第谷·布拉赫[31]革命性地改变了这一领域。他拥有充足的资源来不断建造和完善天文学仪器，痴迷于提高观测的精度。第谷做事非常有条理，并且对于他而言，观测是最重要的。当行星处于有趣的几何构型（例如对立位置）时，他会进行一些特别的观测并有效地收集数据。第谷不断积累观测数据，用以支持或反驳那些旧的模型。他是最后一位用裸眼进行观测的伟大天文学家。他对彗星进行了详细的观测，而这引导他摧毁了当时广为流行的亚里士多德式观点：除月球轨道之外的一个完美的、固定不变的宇宙。即使在对旧的范式提出挑战时，他还是对哥白尼所提出的那种地球和太阳的位置互换的模型感到不安。第谷精心构造了一个替代系统，其中所有的行星（地球除外）都绕着太阳沿轨道运行，而太阳又拖动着它的所有行星转而绕着地球沿轨道运行。安德烈亚斯·塞拉里乌斯的《和谐大宇宙》[32]描画了这种观点。这样一种中庸的模型，是在一种变革性的理念对一些主导思想提出挑战时典型的逃避问题的做法。在通常情况下，导致最后转变的并不是单一的一件可归因事件或可辨认出的临界点，而是确凿的支持证据缓慢而稳定的积累，从而最终改变了人们的思想。

第谷·布拉赫的分布图更改了地心模型，摘自安德烈亚斯·塞拉里乌斯的《和谐大宇宙》（1708）。在这个模型中，除了地球以外的所有行星都绕着太阳沿轨道运行，而太阳则绕着地球沿轨道运行。（图片由密西根大学图书馆斯蒂芬·S.克拉克藏书室提供。）

哥白尼和第谷的模型以及他们各自对于宇宙的看法，继而导致他们各自的支持者们之间所发生的辩论，是许多艺术表现的主题。宇宙分布图反映出这些概念之间的冲突，它们成为了传播各种具有知识性见解的新理念及新仪器的场所。

例如，意大利天文学家及耶稣会神父乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利，在其专著《新天文学大成》中对第谷的模型进行了改动，掌管天文学的女神乌拉尼亚出现在此书的一幅卷首插图之中。在这幅插图中，她确实在认真掂量哥白尼的系统和经里乔利修改过的第谷模型，前者位于左侧，而后者位于右侧。里乔利这本书中的天平（当然）倾向于他自己的理论，其中的水星、金星和火星绕着太阳沿轨道运行，而绕着地球沿轨道运行的太阳则与木星和土星一样仍然位于它们的托勒密式地心轨道上。图中左边是百眼巨人阿尔戈斯，他手持一架望远镜，并指向由它引入视野的大量新天体。我们还看到圣贤般的托勒密降位成一名旁观者，他那遭到废弃的地心模型掉落在地。

除了这张分布图以外，神学归属和政治忠贞也影响着乌拉尼亚的权衡。除了没有找到视差的证据这一智力上的反对理由外，第谷的反哥白尼观点也具有政治上的好处：它与规定地球固定不动的天主教教义是协调的。这是按字面解读《圣经》而得出的，这种字面研读是为了应对新教的宗教改革运动提出的挑战而形成的一种新做法。在17世纪中，大量对哥白尼的图像感到不安的天文学家接受第谷的观点，但是第谷很快就遭遇了短兵相接的竞争对手——他的同僚和科学合作者约翰尼斯·开普勒[33]。

那颗红色的行星再一次扮演了显著的角色，不过关键的问题是地球轨道的布局和形状。开普勒利用第谷关于火星的全面数据来解决这个更大的问题。由于它是最靠近地球的行星，因此地球轨道的不确定位置所导致的不精确性在火星位置的计算中似乎是最为突出的。开普勒在1595年的《宇宙的奥秘》（Mysterium cosmographicum）一书中捍卫了日心模型，其中假定围绕在位于中心的太阳周围的那些行星可以用正多面体组合内切而成。他所提出的这种模型是一个类似于俄罗斯套娃的系统。他还制定了下一个重大的、最具变革性的转变-搜寻定律，即可以导出描述和解释天体运动的那些永久真理。开普勒努力发展天体物理学，他试图导出一种能为行星运动的起因提供一种解释和描述的物理理论。虽然他所获得的那种几何的、复杂的世界观看来似乎与他对纯数学的强烈爱好并不一致，不过想象这一复杂方案同样需要演绎能力，而这引导他去假定行星运动的三条定律。开普勒没能得出惯性的概念，而是求助于太阳的旋转，以此作为将太阳系高举在空中的持续不断的、动力学上的能量来源。他的三条定律预言：（1）太阳系统内部的行星轨道都是椭圆；（2）在太阳位于其焦点之一处的一条椭圆形行星轨道上，连接行星和太阳的线段在相等的时间间隔内扫过相等的面积；（3）一颗行星的轨道周期与其椭圆形轨道的大小之间存在着直接联系（更确切地说，就是周期的平方与半长轴的立方成正比）。这样一来，对于行星运动就有了一种解释（仍然缺乏物理原因），因而神授的定则仍然是这一方案中不可分割的一个组成部分。

乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利的《新天文学大成》卷首插图。掌管天文学的女神乌拉尼亚正在认真掂量哥白尼和里乔利的模型。里乔利模型中的水星、金星和火星绕着太阳沿轨道运行，太阳又绕着地球沿轨道运行，而木星及土星则仍然位于它们的托勒密式地心轨道上。（图片由美国国会图书馆提供。）

到此刻为止，地球相对于太阳的位置——因此也就是地球的轨道——还是不正确的。即使对于哥白尼，其轨道的偏心率也还相差两倍。来自第谷的更精确的数据对地球轨道进行了调校，并且对于开普勒推断各椭圆运动也是至关重要的。

在地球轨道的正确布局和开普勒三大定律的公式化陈述后，火星之谜的解答出现了。地球和金星绕着太阳沿轨道运行，它们的轨道与正圆只有非常轻微的、几乎察觉不到的偏离，而正圆形轨道是与托勒密的图像相符的。另一方面，火星轨道的偏心率则要高得多，无法用一个圆形轨道来与之相适应。

第一定律：行星的轨道是一个椭圆，太阳位于其两个焦点之一处。

第二定律：连接一颗行星和太阳的线段在相等时间间隔内扫出相等的面积。

第三定律：行星轨道周期的平方与其轨道椭圆半长轴的立方成正比。

开普勒利用第谷的大量观测数据，并寻求一种行星运动的物理解释，从而系统地提出了支配行星运动的三条定律。

开普勒是哥白尼学说的一位支持者，从来不接受第谷提出的杂交模型。然而即使是他对于行星为什么会运动也没有给出过真正的解释，最多只有托勒密的理念：有一个“原动力”驱策了这些天球。不过，开普勒是最早寻找其中按照我们现在用科学的术语所理解的因果关系的人。他执意要获得一种物理理论，并试图建立起天体物理学原理。除了太阳的旋转以外，他还考虑将磁力作为行星运动的潜在构造力量。按照经典的看法，甚至直到哥白尼的时候，还从未有人试图寻找一种物理原因去解释行星为什么按照它们的方式运行。尽管付出了这样开拓性的努力，但开普勒还是有所欠缺的，这是因为他不理解惯性的作用。这种原因被视为是哲学上的而不是天文学上的问题。当然，天文学是自然哲学的组成部分。许多方面的事实证明，正是由于天文学这门知识学科的催化作用，自然哲学才分裂而形成我们如今所谓的现代科学。

从地球上的有利地点来看，火星在绕太阳沿轨道运行时，看上去是周期性地在天空中发生逆行，结果后来却又恢复其向前的运动。哥白尼对天空的日心排布与开普勒的椭圆轨道相结合，最终才使我们能够对这种古怪的运动做出解释。

探究一种新理念的起源是一项挑战。正如在上文所描述的这些模型的演变过程中我们所看到的，分布图向我们明示了知识在某个特定时间点的状况，有力地标志着引入、传播、争论和质疑新理念的原动力。它们与观测、技术和理解紧密联合在一起。

古人们只能依靠他们的双眼，而现代天文学家们却拥有地面和空间望远镜去延伸他们的视野，并观察近邻的和遥远的宇宙。天体分布图带有这种转化的印记，描绘出人们对于天空的看法如何从想象的和荒诞的转变成有理有据的。虽然开普勒提供了一种有说服力的模型，但还需要一种科学仪器和一种新的理念，才能一劳永逸地解决行星运动的问题。望远镜是作为一种窥视镜于1608年在阿姆斯特丹投放市场的，在被重新设定用途后，望远镜将夜空中的那些遥远天体收入了视野。人们认为是伽利略·伽利雷[34]发明了天文望远镜，即对这种简单的小型望远镜进行了改进。他用天文望远镜发现了木星的几颗卫星、太阳黑子和金星的盈亏，并绘制了月球表面的地形图。伽利略还帮助推进了天体物理学的概念。接下去的关键的一大步就得等到英国物理学家艾萨克·牛顿来完成了，他在1687年出版了《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica），这本通常被简称为《原理》的书概述了万有引力定律。假如没有开普勒发现的那三条定律，这本专著将是不可想象的。牛顿做出了到当时为止最大胆的跃进，用一条关于引力的普适定律将地下的和天上的联系在一起。他去除了天空与地球之间的区别，并明示了相同的规则在天上地下都适用。我们现在称之为科学的方法论程式在17世纪初的这个时候开始浮现出来了。

世界观的这种变革性转换（以哥白尼为先驱，并得到了开普勒、伽利略和其他许多人的望远镜观测数据的支持）复兴了另一种远古的思索，即探究更大的宇宙的结构。这种发展引导我们复苏了这样一种兴趣：在我们的太阳系之外是否存在着别的什么世界？17世纪后期法国大师级雕刻家伯纳尔·皮卡尔的一幅版画揭示出他对于在整个宇宙之中可能存在着的多元世界的见解——除了我们的太阳以外的其他大量恒星，类似于我们的太阳系，也可能拥有它们自己的行星系统。由于太阳系的问题得到了解决，于是天文学家们就跨越出去，重新审视和绘制在更远处可能存在的东西。

法国雕刻家伯纳尔·皮卡尔于1673年描绘的多元世界。（图片由阿姆斯特丹国家博物馆提供。）

与现今的其他天文学家们一样，我也继承了对于绘制分布图这种古老传统的贯注。虽然我们可以用计算机代替星盘来建立模型，但我们仍然是宇宙的探索者。前沿不再是乘坐轻快的帆船去探索的世界边缘，而是通过人类最强大的望远镜看到的宇宙边缘。我们在这些日益精密的仪器的帮助下，一再绘制我们的宇宙分布图。我们看到这些新的前沿远远延伸到我们的想象之外，延伸到空间中最遥远的范围，追溯到创世的大爆炸时刻后不久、婴儿期的宇宙发出的嘘声。我们延续着从我们来到这个由道法支配并最终由科学方法支配的世界时就开始的那种传统。在接下去的篇幅里，我们会看到这种进步——新的观测数据和新的理论彼此竞争，并完善着那些在宇宙学研究中锻造出来的变革式概念。

[1].优涅提斯文化是中欧青铜时代初期的一支考古文化，位于现捷克共和国中部。——译注

[2].古巴比伦位于今天的伊拉克一带，是两河流域文明的重要组成部分，与中国、古埃及、古印度一并称为四大文明古国。——译注

[3].奥斯丁·亨利·莱亚德（1817—1894），英国考古学家、楔形文字专家、艺术史学者、绘图家、收藏家、作家及外交官。——译注

[4].美索不达米亚是古希腊人对两河流域的称谓，这两条河指的是幼发拉底河和底格里斯河，在两河之间的美索不达米亚平原上产生和发展起来的古文明称为两河文明或美索不达米亚文明。它大体位于现今的伊拉克，其存在时间从公元前4000年到公元前2世纪，是人类最早的文明之一。——译注

[5].关于莱亚德的这些发现的详细描写，可参见他在《尼尼微发现通俗演义》（A Popular Account of Discoveries at Nineveh,New York:Derby,1854）一书中的自述。顺带提一下，纽约大学的巴比伦藏品集中保存着4万块这样的楔形文字泥板。这是世界上第四大古代美索不达米亚楔形文字泥板藏品集。——原注

[6].肯尼斯·R.朗著，《剑桥太阳系指南》（The Cambridge Guide to the Solar System,Cambridge:London,2011），第410～421页。关于巴比伦天文学、占星术和宇宙学思索的更详细记述，可参见米尔顿·K.穆尼茨主编的《宇宙的理论：从巴比伦神话到现代科学》（Theories of the Universe:From Babylonian Myth to Modern Science,New York:Free Press,1965）一书第8～21页，以及陶克尔德·雅克布森撰写的《天地洪荒——“巴比伦起源”》（Enuma Elish——‘The Babylonian Genesis'）一文。天文学的历史丰富地记载下天空与地球之间所建立的联系，这些联系被描绘在分布图中。一些阐述更为详细的例子，可参见我的评论短文《来自外太空的启示》（Revelations from Outer Space）,《纽约书评》,2015年5月21日。——原注

[7].阿达德神和埃阿神是古代亚述王国、巴比伦王国宗教所崇拜的雨神和水神。——译注

[8].金星泥板的译文出现在尼古拉斯·坎皮恩的《巴比伦占星术》（Astrology in Babylonia）一文中，《非西方文化中的科学、技术和医学历史百科全书》（Encyclopaedia of the History of Science,Technology,and Medicine in Non-Western Cultures,Berlin:Springer Verlag,2002），第2版，第251页，赫莱茵·塞林主编。——原注

[9].创世神是柏拉图学派认为制造并安排物质世界的次要神。——译注

[10].阿那克西曼德（约公元前610—前545），古希腊唯物主义哲学家，属于希腊最早的哲学学派—米利都学派（亦称爱奥尼亚学派）。——译注

[11].泰勒斯（约公元前624—前546），古希腊思想家、科学家、哲学家，米利都学派的创建者。——译注

[12].卡洛·罗维利，《第一位科学家：阿那克西曼德和他的遗产》（The First Scientist:Anaximander and His Legacy,Yardley,PA:Westholme,2011），第57～60及104页。关于米利都人的其他信息，可参见F.M.康福德的《爱奥尼亚宇宙演化论的模式》（Pattern of Ionian Cosmogony），穆尼茨主编的《宇宙的理论》第21～31页及G.S.柯克、J.E.雷文、M.斯科菲尔德主编的《前苏格拉底哲学家们：一段关键历史及选文集萃》（The Presocratic Philosophers:A Critical History with a Selection of Texts,Cambridge:Cambridge University Press,1983）第2版第76～142页。——原注

[13].约翰·瓦达拉斯，《磁性罗盘的历史》（A History of the Magnetic Compass），美国电气及电子工程师学会会员报刊《学会》（Institute）,2013年11月8日。约翰·胡斯最近的《找到我们的路的失落的艺术》（The Lost Art of Finding Our Way,Cambridge,MA:Harvard University Press,2013）是一部关于航行的历史，其中讨论了各古代文明所使用的那些原初技术，以及现代的入门知识。——原注

[14].埃拉托斯特尼（公元前276—前194），希腊数学家、地理学家、历史学家、天文学家、诗人，主要贡献是设计出经纬度系统，并计算出地球的直径。——译注

[15].具体计算可参阅《数学奇观》第145页“5.6 埃拉托色尼如何测量地球”，上海科技教育出版社。——译注

[16].R.C.塔里亚费罗在《西方世界的伟大书籍》（Great Books of the Western World,Chicago:Encyclopaedia Britannica,1952）第16卷中为《天文学大成》提供了一个英译本。对于托勒密之前的古希腊宇宙学的回顾，可参见F.M.康福德的评注版译本《柏拉图的宇宙学：柏拉图的〈蒂迈欧篇〉》（Plato's Cosmology:The Timaeus of Plato,New York:Humanities Press,1937），以及W.K.C.格思里的《亚里士多德：论天空》（Aristotle:On the Heavens,Loeb Classic Library,Cambridge,MA:Havard University Press,1939）。——原注

[17].阿里亚哈塔（或译作阿耶波多，476—550），印度数学家、天文学家。他的《阿里亚哈塔历书》（Aryabhatiya）中提供了精确度达5位有效数字的圆周率近似值。此外，他还根据天文观测提出日心说，并发现日食和月食的成因。印度在1975年发射的第一颗人造卫星以他的名字命名。——译注

[18].阿尔-贾亚尼（989—1079），古代数学家，对欧几里得的《几何原本》做了重要注释，并撰写了已知的第一部球面三角学专著。——译注

[19].拉伊汗·阿尔-比鲁尼（973—1048），波斯数学家、天文学家、物理学家、医学家、历史学家。——译注

[20].关于中世纪伊斯兰科学的更详细描述，并重点讨论数学及其在天文学中的应用，可参见阿里·阿卜杜拉-阿尔-达法的《穆斯林对数学的贡献》（The Muslim Contribution to Mathematics,London:Croom,1977）。——原注

[21].亚历山大·尼卡姆（1157—1217），英国神学家、哲学家、教师、地理学家。——译注

[22].佩特拉·G.施米德尔，《关于磁性指南针的两份早期阿拉伯资料来源》（Two Early Arabic Sources on the Magnetic Compass）,《阿拉伯及伊斯兰研究杂志》（Journal of Arabic and Islamic Studies）,（1997—1998）:85。——原注

[23].波特兰海图是写实性地描绘港口和海岸线的航海图。意大利、西班牙、葡萄牙自13世纪开始制作这种航海图。——译注

[24].在《爱的摘要》（Le breviari d'amor）中所描述的以及本章随后讨论的那些宇宙观——也就是说出自《卡塔兰地图集》（Catalan Atlas）的，以及来自安德烈亚斯·塞拉里乌斯、乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利和伯纳德·皮卡尔的那些宇宙观——都包括在迈克尔·本森的那部图像综合概要《宇宙图学：通过时间描画空间》（Cosmigraphics:Picturing Space Through Time,New York:Abrams,2014）中，我在《来自外太空的启示》中对此书进行了评论。——原注

[25].视差是指从不同的两点看一个物体时，物体的视位置会发生移动，因此地球的运行会引起恒星视位置的变化。——译注

[26].欧文·金格里奇，《无人阅读的书》（The Book Nobody Read,New York:Pengium,2005），第146页。——原注

[27].罗伯特·贝拉明（1542—1621），意大利耶稣会信徒、天主教会红衣主教，罗马天主教会反宗教改革的重要人物，在1600年乔尔丹诺·布鲁诺（1548—1600）遭受火刑的事件中也起了重要作用。——译注

[28].马丁·路德（1483—1546），德国基督教神学家，16世纪欧洲宗教改革运动的主要发起人，基督教新教路德宗创始人。——译注

[29].事实上，人们认为首先为太阳系提出日心模型的是萨摩斯岛的阿里斯塔克斯（公元前310—前230）。虽然他提出这一模型的文本并没有存留下来，但是后来阿基米德（公元前287—前212）的一本书参考了阿里斯塔克斯的数学计算。——原注

[31].第谷·布拉赫（1546—1601），丹麦天文学家。第谷所做的天文观测精度之高在当时遥遥领先，他还曾提出一种介于地心说和日心说之间的宇宙结构体系。——译注

[32].安德烈亚斯·塞拉里乌斯（约1596—1665），出生于德国的荷兰地图学家，他的《和谐大宇宙》（Harmonia Macrocosmica）是1660年在阿姆斯特丹出版的星图。——译注

[33].约翰尼斯·开普勒（1571—1630），德国天文学家、物理学家、数学家，他的行星运动三大定律是牛顿万有引力定律的基础。关于第谷与开普勒之间富有成效的科学合作，可参见基蒂·弗格森所写的《第谷和开普勒：不可能的伙伴关系永远改变了我们对天空的理解》（Tycho and Kepler:The Unlikely Partnership That Forever Changed Our Understanding of the Heavens,New York:Walker,2002）。——原注

[34].伽利略·伽利雷（1564—1642），意大利物理学家、数学家、天文学家、哲学家。他改进了望远镜，并阐明了惯性原理。——译注

尾声

大胆的理念、未经证明的预期以及推测性的想法是我们解释自然界的唯一手段……我们之中不愿意让他们的思想去遭受反驳风险的人，就没有参与到科学游戏中去。

—卡尔·波普尔，《科学发现的逻辑》（The Logic of Scientific Discovery）

我在本书中追溯了变革性科学理念从遭受反驳到获得接受的旅程。你已经看到，抵抗可能会很复杂，而且并不全然出于知识上的因素。个人之间的对立、名望和信条可能会阻止科学界达成共识。不过我们也看到，说服力最终取决于数据和证据，其中从许多独立探究途径收集而来的数据和证据则更胜一筹。

希望我还说明了大多数有趣的科学理念都是分布图类型的，有些就是确实的分布图。随着每一次修订，我们都更加清晰地看到自己周围世界的细节。我们丢弃了那些被证明为纯属想象的部分。在非常幸运的情况下，我们还会发现未知领域，等待我们去进一步探索的那些神秘领地。要向前推进，我们就需要人类的创造力，即科学思维，既灵活又乐于接受变化，但又苛求严格——只有在出现压倒性证据的时候才会信服。我们还需要技术，即使我们能够进行更加精确的测量的越来越精密复杂的仪器工程学。

技术和创造力紧密结合，为研究事业的规模和实践发生根本转变扫清了道路。过去的40年见证了向大科学（需要经济、人力、技术和知识资本巨额投入的大型项目）的过渡。宇宙学最前沿的许多问题，靠个别杰出人物单打独斗再也无法应对了。当前的挑战需要由数百位聪明的科学家组成的庞大团队为这些近乎全员行动的努力贡献出经过专门训练的技能。这种风格转变并不是流于表面的，它标志着文化和知识方法的重大变化。我们现在需要各种大型的、昂贵的仪器以及巨大的资源——大型地面望远镜、空间望远镜和强大的超级计算机。尽管科学界的大多数人都对这种大型项目的新浪潮感到欢欣鼓舞，但还是有人在争论这种转型对受到个人好奇心驱使的那些富有创造力的个别科学家的作用会造成怎样的影响。这个问题的中心在于知识上的风险。个人可以承担一定的风险，而团队则从一开始就需要达成一定程度的共识，才能获得资金并确定研究方向，因此不能冒险。我们必须小心，不要将自己禁锢于群体思维，这是因为探索者不能总是安全、谨慎和保守的。解决之道是要对两种研究风格都加以培育和发扬，既要使有预见的个人力量发挥很好的作用，又要利用合作团体所提供的高效快速步伐。

随同大科学一起出现的还有另一种重大的文化转变——开放获取，其催化剂是互联网提供的廉价快速散播信息的能力。这种新的文化和技术使我们能够创建像arXiv.org这样的场所，天文学家和天体物理学家们在那里公布他们的论文，常常是在他们将稿件投递给杂志进行同行评审后就立刻上网发布了。这种公开性极大地提高了信息获取量，并为科学家们提供了一种新方法，对他们打上时间标识的工作争取自己的归属权。物理学家们在分享他们的理念这种做法上是开拓者，但是随着社交媒体的引入及其对大众的吸引力的加剧，现在无疑所有人都加入了这场游戏。反过来，社交媒体又使科学家们能够直接赢得新闻工作者和公众的帮助，去与更广泛的读者分享他们的那些激动人心的新结果。

资助大科学所造成的压力有助于对其透明度的要求。如果大量公众纳税人的钱都用于支持数百万美元的最先进设备，那么科学家们就不仅必须对他们所做的事情提出正当理由，还必须尽可能广泛而快速地与旁人分享他们的成果。这种轻快的步伐为宇宙学的黄金年代做出了贡献，而我们也已看到了那些惊人的突破。

不过，互联网不仅仅开放了获取渠道，还开放了科学本身，从而使公众不仅能旁观，还能参与到辩论和探讨中来。在即时传播的全球媒体的帮助下，公众现在能够在研究者们解决问题时实时地观看到他们是如何达成科学共识的。以2014年有人声称探测到引力波这一事件为例。这是一条大幅标题新闻，而且也理当如此。引力波是由爱因斯坦的广义相对论得出的一个结论，而搜寻引力波的行动开始于1916年。来自BICEP2团队的物理学家们在南极运转着一架望远镜，他们声称发现了这些引力波的证据，从而也就发现了宇宙暴涨的证据。这会为宇宙起源的大爆炸模型提供不容置疑的证据。BICEP2团队在将其结果提交给同行评审之前就召开了一次新闻发布会。这条新闻在各科学博客上风传，犹如病毒一般扩散开去。而宇宙学团体中的其余人也立即跟进，设法理解和重复这些结果。专家们之间经过大量辩论后发现，这些可能的引力波似乎只是宇宙尘埃而已。

这是一个有趣的研究案例，一个具有高影响力的研究结果在全球互联的世界中瞬间散播开去，而最终却没有经受住精细的科学审查。这是一个警告：我们在分析和分享数据时应该非常小心谨慎，否则就有陷入尴尬境地的危险。许多科学家对事件进程的这一转变感到极为不悦。我本人并不在此列，但我也确实认为同行评审是专业科学的一个重要的、不可或缺的部分，不应规避这一环节。我相信公开的科学对于公众理解我们在做什么不仅有用，而且至关重要。事实上，现在科学家们除了与公众紧密结合之外并无其他选择，需要分享其数据和分析的对象，不仅是专业合作者们，还有全球各地的业余研究者。鉴于这一切，为什么我们仍然在见证着对科学最为激烈的否定？在我看来，为猖獗的否定主义助燃的不是缺乏科学事实方面的知识，而是对于科学和科学推理如何运作一无所知。拉开掩盖着科学过程的帷幕，让公众去观察和理解，就会消除不信任。我也愿意认为，目前的科学怀疑论在一定程度上是滞后的结果，这种滞后使人们很难去应付数字时代中科学发现及转变的快速及不可预知的特性。

如果说这是一本关于宇宙分布图的书，那么它同样也是一本关于时间和地点的书。我们生活在一个令人迷惘的宇宙中，它的膨胀正在加速，并且在人类历史上的任何其他时期，我们都不曾如此频繁地不得不去正面应对我们的理解的暂时性。我们有一幅宇宙的分布图，而它却在永恒的变动中。科学的真实性就其本质而言必须经受精炼和修正，这一事实如今已经是我们现实中不可避免的部分。我们对世界的看法在过去的100年间发生了急剧的转变，因而改写了我们是谁、我们来自哪里和我们要去向哪里这些问题所特有的意义。

现在我们知道，我们的观点在某种程度上是向外看的结果。不过，它也来自更为密切的另一个方面。同宇宙一样，我们的大脑和遗传因子曾一度被认为是固定不变的。现在我们理解了，它们是会变的。基因组分布图已经帮助我们揭示出如何绘制出我们的化学实质。在过去的数十年间，计算基因组学的发展帮助我们确定了非洲是所有人类的发源地，并追溯了我们随后的迁移路线。在神经系统科学方面所取得的长足进步使我们如今能够阐明人类的大脑是如何工作的。功能性核磁共振（磁共振成像）提供了一种前所未有的非侵入式观察方法。我们已发现了神经元之间的一些新的相互联系，以及它们如何协调一致地运作。即便如此，动态的、始终在重新配置的网络如何取得一致和同步，这些方面在很大程度上仍然是一个未知领域，有待于新的探索航程。人类的大脑和遗传因子都很复杂，但我们仍有希望，也许很快就能弄明白某个特定的神经元开关（或者一组开关）的转换能够如何启动我们的思维。得到的结果是一幅分布图，其中描绘的是一种情感、一种运动或者甚至是一种新理念。各种分布图在继续塑造着我们对于宇宙和对于我们自己的看法。

延伸阅读建议

关于这里讨论过的这些宇宙学理念，对于那些好求知的读者来说，如果想要继续深入并详细学习更多知识，那么还有许多其他书籍可供阅读。以下挑选的这些涵盖了宇宙学中各种理念的历史，并概括论述了目前的那些悬而未决的科学问题。

Ball,Philip.Curiosity:How Science Became Interested in Everything.Chicago:University of Chicago Press,2013.

Barrow,John D.The Book of Universes:Exploring the Limits of the Cosmos.New York:W.W.Norton,2012.

——.The Constants of Nature.London:Jonathon Cape,2002.

Bartusiak,Marcia.Archives of the Universe:A Treasury of Astronomy's Historic Works of Discovery.New York:Pantheon,2004.

——.Black Hole:How an Idea Abandoned by Newtonians,Hated by Einstein,and Gambled On by Hawking Became Loved.New Haven:Yale University Press,2015.

——.The Day We Found the Universe.New York:Vintage,2009.

Bernstein,Jeremy.Albert Einstein:And the Frontiers of Physics.Oxford:Oxford University Press,1996.

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致谢

对于那些变革性的科学理念，以及它们在三大洲为各种人、各地方所接受的途径，我长期以来一直心存好奇，而此书的缘起即得益于这种好奇心。我很幸运地参与到许多独特的、振奋人心的学术环境中，从而塑造了我作为一名物理学家和作者的世界观。而我自己作为一名科学工作者的生活包括形成、面对和检验新理念，而这种生活对我提出了挑战，需要不断增强自己对于现代天文学中的那些变革性理念的进展的想法。

着手写这本书的动力起始于梅格·雅各布的热情鼓励。为耶鲁大学的专栏项目和《纽约书评》撰稿使我有了为更广泛的读者写作的机会。为此，我非常感激凯蒂·奥伦斯坦、马克·利拉和鲍勃·西尔弗斯。我深深感激来自我的社会交往中的许多朋友给予的鼓励，其中有耶鲁大学、拉德克利夫高级研究学院40 Concord工作室、位于意大利贝拉吉欧的洛克菲勒中心、剑桥大学、麻省理工学院和哈佛大学。多年以来，与马丁·里斯、伊芙琳·福克斯·凯勒、阿马尼亚·森、罗斯·莱默尔、理查德·福尔摩斯、格坦伽利·辛格·钱德、纳扬·钱德、乌尔米·柏米克、苏珊·法吕迪、布鲁斯·马兹利什、欧文·金格里奇、南希·考特、戴维·凯瑟、丽贝卡·戈德斯坦、苏普拉提克·博斯、约翰·胡斯、艾伦·莱特曼、布莱恩·格林、马里奥·利维奥、吉什·詹、盖尔·马祖尔、皮拉尔·帕拉西亚、朱迪思·维西尼亚克和彼得·特拉滕伯格的交谈都给我带来了灵感和影响。3位值得信赖的朋友艾米·巴杰、沃利·吉尔伯特和盖尔·贝尔施泰因在我撰写本书期间都愿意花时间来帮助我。他们一丝不苟地阅读每个单词，并提出了独到的建设性评论。我对他们致以最由衷的谢意。如果没有安德里亚·沃尔普的支持，本书是不可能最终成形的。我无法想象，假如没有她内行的指导和不断为我加油，我怎么可能应付得了。我在耶鲁大学出版社的编辑约瑟夫·克拉米亚和让·汤姆森·布莱克在我撰写过程中的每一步都给予了高明的建议。与耶鲁大学出版社团队合作是一件乐事，这个极为高效而热情的团队包括：山姆·奥斯特洛夫斯基、朱莉安娜·弗罗格特、玛格丽特·奥特泽尔、詹姆斯·约翰逊、詹妮弗·多尔和莫林·努南。凯西·里德精湛地制作了本书中的许多图表和插图，并设计了令人叹为观止的封面。耶鲁大学的斯特林地图室和拜内克古籍善本图书馆都是极为宝贵的资源，不仅为我撰写本书提供了大量的资料，也给予我构思和写作时沉思的场所。最后我还要感谢我的家人，他们一如既往的无条件的支持给了我信心和力量。