太空探索简史——从天圆地方到火星登陆|太阳|太阳系|火星|行星|银河系

抬头望一下星空，我们看到星星，其实并不是现在的星星，而是它们十万年前，一百万年前的样子。

十万年前，人类几乎还没有在地球存在呢。

想到这件事，后背就一阵凉嗖嗖的。在巨大的时间尺度面前，许多事情显得微不足道。前面所说的那些星星，其中有一些，也许很久很久以前，已经悄悄在宇宙某个角落熄灭了呢。

1.中国人为啥嘲笑杞人忧天

我们生活的宇宙到底是啥样的，从古时候开始，世界各地的人们都在设法弄清楚。只是一开始，人们只能根据眼睛看到的一些情况去猜。

比如，人们每天看到太阳、月亮和星星从东边升起，西边落下，很自然会认为它们是围绕着地球旋转的。就像小孩子从小习惯了父母家人都围着自己转，会产生一种错觉，以为整个世界都是为自己而存在的一样，人类继而又得出结论：地球是宇宙的中心。

不管是东方还是西方，早些年大家对宇宙的认知是差不多的，都相信天圆地方，并且自以为是宇宙中心。但是，在探索动机和方法上，大家有所不同，慢慢演化得天差地别。

总体上我们的传统文化偏向于乐观的，没把宇宙和天地想得那么坏，你看我们的神话：女娲创造人类，大禹治理洪水，天地间各路神仙都庇护着凡间的人类（相应的，古希腊的神大多是坏逼，对人类也很不友好），天塌下来有他们扛着，我们凡人只需要安安分份地做好自己的事情就可以了，没必要纠结太多。难得有一个忧天的杞人，还被当作反面教材来笑话。

这种“没必要纠结太多”的思路演变下来，大家就不会去思考一些特别终极的问题。中国古代搞天文观察的人也非常积极投入，记录的数据极其详尽，不过他们观察日月星辰不是为了弄清楚宇宙的终究真相，而更像是股民看K线预测股价一样，想从中预测出天下气运变化的趋势——当然这也跟中国自古以来公务员体系比较发达，干这活的都是皇帝的雇员有点关系，金主让他们干啥，他们就干啥呗。

没想到这贼老天啊，比K线还假。

实际上，这种世界观是与安稳的农业文明相对应的。种地虽然也要看天吃饭，但总体上比较稳定，风险程度比较低。只要自己勤快些，就会有收成。因为大自然的原因，恶劣到颗粒无收的年景是很少有的，没必要把老天爷想得那么坏。

而古希腊地理环境跟中国很不一样，他们山多海多，陆地被山和水切成一小块一小块的，地质又不好，发展不起像样的农业，只能到海里讨生活。这种生活风险很大，一不小心就小命都搭进去，但干好了收益也比较高。在这种情况下，他们必须时刻保持清醒，精神高度紧张，也更有切实的动机去探究世界的真相。

2. 希腊人开了个好头

古希腊人和中国人一样，也相信我们生活的世界是宇宙的中心。长期观察下来，他们构建了这么一幅宇宙的图景：地球位于宇宙中心地带；外面是一圈天空；天空再外面有太阳、月亮，以及金木水火土五大行星；最外围还有一圈像沙子一样的恒星。

人类肉眼可见的天体，大概就是这样。它们就像套娃娃似的一个球套着另一个，太阳、月亮和星星们所在的球围绕着我们居住的世界在转动。

不过这套理论并不是一步到位的，而是在不停地被补充、修正。怎么说呢，古希腊的牛人们没有轻易满足于一套现有的理论，一旦通过观察发现理论有问题，就提出新的设想去修正它。他们的方法论是一看，二想，三验证。

比如，他们的大牛人亚里斯多德那时候就怀疑地球其实是圆的，而不是平的。他的理由有三个：

1.帆船离去时，总是船身先消失，然后才是船帆。

2.夜晚在野外行走，星星总是从眼前升起，从身后的远处落下。

3.月食时，地球在月亮上投下的阴影，是圆弧形的。

宇宙图景提出后，希腊人就纠结了好久，因为明显有些东西，图景所提的理论跟观察的结果是对不上的。

比如，如果五大行星也是绕着地球转，那为啥它们不像太阳月亮一样有固定的轨道，为啥它们没事总是瞎溜达（你看我们中国人就从不纠结五大行星瞎溜达这件事），而且忽明忽暗的？为了解释这件事，他们又想出了一套本轮均轮的神奇理论，没想到这么一解释，暂时看上去真就说得通了。

但是问题又出来啦。既然太阳绕着地球转，轨道是圆形的，那为啥会有一年四季呢？

这件事又让希腊人崩溃和纠结了好久，后来，大约在我们国家东汉那会儿，他们又出来了一个叫托勒密的大牛人，老托伸手在宇宙图上一戳，说道：地球并没有在圆的中正心，而是偏了一点点，所以就有四季之分了。

吃瓜群众们纷纷鼓掌叫好。老托撸了撸胡须，完美无缺了，随即写了一部《天文学大成》，把希腊人这套宇宙观的终极打死不改版给整理了一下，然后出版了。

没想到这一出版，差点就千秋万载一统江湖了。为啥？因为欧洲文明智慧，思考和怀疑的

的时代结束了，随着希腊和罗马的灭亡，黑暗的中世纪开始了。分裂，混战，宗教……信了教的欧洲人经历了一千多年的停滞期，天文学方面自然也止步不前。

3.从地心说到日心说

先别忙着嘲笑托勒密的那套理论，在一定范围内，它是经得住验证的。比如，它能够准确地预言日食和月食，甚至有时候还可以预测五大行星的轨道……你可能会觉得奇怪，这套宇宙观明显是错的呀，怎么错误的东西也能够正确地预测？

是的，能够预测。有两个原因，一个是，他并不是在所有细节上都是错误的。另一个是，一套错误的理论，有可能在特定的范围内被验证为正确。

而且，古希腊人在天文学上的成就也远不止这点。前面那位亚里斯多德的老师的老师，毕达哥拉斯发现了勾股定理，借助勾股定理，希腊的一个小伙依巴古，就已经能计算出地球到月亮的距离是59到67个地球半径（今天我们知道是60个），这个还是非常牛的。

所以，他们最关键的贡献，是一套比较科学的方法论。方法论如果有效的话，一开始错误或幼稚的看法，就会不断得到修正，从而逐渐接近真相。

时间来到16世纪，中国的大明中叶，哥伦布已经带着西班牙人杀向了美洲。有一位叫哥白尼的小神父，偷摸着发表了一本《天体运行论》，弱弱地指出：托勒密那套理论可能不是太对，地球可能并不是宇宙的中心，太阳才是。五大行星没有绕着地球转，而是绕着太阳转，月亮是我们唯一忠实的小跟班。我们看着太阳和星星在转，其实只不过是地球自己在转而已。

按我们现代人的理解，有新的理论发表是好事呀，验证一下对不对不就完了嘛，古希腊那会不就是这样？然而，情况已经不同了，古希腊那会儿还没有上帝，但现在他老人家却已经入职了一千多年，宇宙是啥样的得由他来讲，旁人不许乱说。

《圣经》上都说了太阳绕着地球转，哥白尼你好歹也是个体制内的人，怎么可以乱说话呢，这要让我们教会的脸往哪儿搁。

因此，哥白尼的日心说虽然能够更好地解释天体运行的规律，很长时间内却不能公开讲，当然也不能成为主流，一直到三个牛人出现，帮他推平了所有的障碍。

4.师徒俩双剑合璧

第一位是德国人开普勒。开普勒有个老师叫第谷，第谷是个来自丹麦的土豪，家里有座岛，他花了好多钱在岛上建了两座天文台，自己设计、制造了当时世界上最先进的天文观测仪器，然后开始夜观星象。

第谷不但会设计，眼神也特别好。凭借着一双肉眼，加上自己发明的仪器，长年累月的观察下来，获得了一大堆当时世界上最齐全，精度最高，时间跨度最长的恒星和行星的观测数据。

糟糕的是，第谷的数据虽然多，数学却不太行。拿着这一大堆观察数据，却整不出什么妖儿子来，有点像段誉虽然一身内功，却完全不会运用。他运气没段誉好，英年早逝，始终没学会六脉神剑，只好在临终前，把他的数据全部送给了他的学生开普勒。

小开跟他正好相反，家里穷得响叮当，数学却特别厉害，奥数金牌拿到手软。小开跟他老师相反到底，视力差得要命，看星星是绝不可能看星星的，那年头又没有望远镜，只能是拿着老师给的资料在纸上算一算，这样子来探索宇宙。

就这么算了几十年，算出了开普勒三大定律:

行星围绕太阳旋转的轨道是椭圆形，而不是哥白尼所以为的圆形，太阳就在椭圆的焦点上。

相同时间里，行星和太阳之间的连线所扫过的面积是一样的。

行星绕太阳公转周期的平方与轨道椭圆长半轴的立方成正比。

这三大定律普通人看起来拗口，不过它们从理论上证明了哥白尼的日心说是正确的，是说得通的。而且，根据第三定律，人们只需要知道太阳到地球的距离，就可以算出五大行星到太阳的距离。

在当时人们只知道太阳系的情况下，这意味着可以量一量宇宙的腰围了！

5.人类拥有了千里眼

第二位牛人是伽利略，伽利略和开普勒是同一年代的人，他是意大利的一位学者。伽利略对科学的贡献很多，具体到本文所讲的太空领域，他最大的贡献是发明了望远镜，使人类拥有了千里眼。

谁是宇宙中心，谁在绕着谁转，用望远镜看一看不就知道了。

伽利略用他的望远镜看到了月亮上坑坑哇哇的表面，接着又看到了木星带着几颗小卫星，愉快地到处溜达。这个发现，令上帝他老人家虎躯一震——妈耶，地球中心论要破产了！

木星拥有自己的小弟这件事证明了，地球不是什么宇宙中心。而且，此前大家质疑说，地球绕着太阳转的话，月亮怎么办？又没有拿根绳子把它们系起来一起，月亮不会被抛在身后吗？但是现在，既然木星可以带着几个小伙伴溜达，那地球当然也可以了。

望远镜的发明，的确开启了一个探索太空的全新时代。从此以后，人类可以不断地捣鼓，加大口径，增加倍数，提升清晰度，一架又一架的长枪大炮对准了太空，不断有新的发现，从发现新行星，到认知银河系。

到了20世纪时，人类又发明了射电望远镜，在千里眼的基础上又把自己的视力提升了无数倍。

射电望远镜实际上是一个电磁波接收器，它可以接收到来自宇宙的极为微弱电磁波，将之转化为人类可见的图像。从遥远的星系，到堪称宇宙中最亮的类星体（每一个的亮度能够超过整个银河系所有恒星加到一起），再到神秘的周期性发送电波的脉冲星（一度被认为是妥妥地发现了外星人），以及最为细微的宇宙辐射，甚至是140亿年前宇宙大爆炸时发出的，都可以被它捕捉到。

望远镜开启了一个宇宙大发现的时代，教会再牛逼，在明摆的事实面前，也争辩不动了。更何况，没过多久，又有一个大牛人，给地心说的棺材板钉上了钉子。

6. 宇宙的底层代码

这位就牛顿，被科学耽误了的炼金术士。

等等，牛顿不是物理课本上，研究小木块怎么运动的吗，怎么跑去研究星星了？其实牛顿啥都干，从炼金、炒股（亏得挺惨的）、教书，到当官，奠定物理学大厦基石这种事，那是他年轻时随手顺便干下的。

我们知道，如果把一颗石头丢出去，它会往前飞，最后沿抛物线落到地上。丢石头的力量使它往前飞，同时有一股力量使石头落到地上。丢的力量越大，石头就会飞得越远。

牛顿就想，如果这个力气超级大，无穷大，那到最后，石头岂不是会绕地球飞一圈，回到原地？如果比超级无穷大更大一些，它是不是会飞两圈，三圈，四圈……无限圈？

牛顿在纸上算呀算，最后，他计算出，当石头一开始飞出的速度达到一定程度时（7.9公里/秒），它就会绕地球匀速旋转，永远不会落下来。

这件事要怎么证明呢？没那么大的力气扔石头呀。牛顿突然抬头一看，那颗石头可不正在天上呢吗？

它就是月亮。

月亮就是那颗绕着地球旋转无限圈的石头。牛顿意识到了万有引力的存在，地球吸引着月亮，月亮也吸引着地球。小到地球上一切风吹草动，大到整个太阳系里星星们的一切运动，都在受着万有引力的主宰。

整个宇宙都是。

牛顿所揭示出的，是整个宇宙运作的底层代码。千百年来，困扰人们的地球与星星们之间的关系，现在一一被揭开、证明了：地球另一端的人为啥不会掉下去；行星为啥绕着太阳转；为啥轨道是椭圆形（开普勒算出来的这个结果）；人类如果要离开地球需要多大的速度；天问一号要以多少速度靠近火星，才能够被它的引力捕获……所有这些问题，都可以由牛顿的万有引力定律来解答。

它不但可以解释，还可以预言。我们来举个例子。

1781年，英国一位天文学家在望远镜里发现了天王星。天王星虽然肉眼勉强可见，但由于距离地球太远，一直未被人类留意。发现了它之后，人们兴致勃勃地研究起了它，但很快便陷入了迷茫。因为，它的运转轨迹，总是无法精确地预测。

按照牛顿的万有引力定律，它应该在某月某日出现在某处才是，为什么总是出现偏差呢？

时间来到1846年9月23日，这一天，德国柏林天文台的台长加勒收到一封神秘的来信，信上说：“尊敬的台长，请在9月23日晚上，将望远镜对准某某星之东约5度的地方，你就能找到一颗新的行星。”

加勒吓呆了，这简直是一封上帝的来信啊！他赶紧哆哆嗦嗦地让人安排上，准备进行观察。那天晚上，加勒果然在信上指定的位置上发现了太阳系的第八颗行星：海王星！

海王星隐藏在天王星后面，它的引力导致了天王星轨道发生了偏离。

信是一位叫勒维耶的年轻人写来的，他不是什么上帝，发现海王星这个结果，只不过是根据万有引力定律和数学上的知识，精确计算出来的而已！

到这时候，人们就可以精确地去计算每一颗行星的轨道，计算它们的距离，也能够计算太阳的距离。太阳系内的事情基本上搞清楚了，但这时候人类发现，对宇宙的认知，才刚刚开始而已。

7.太阳之外

人们慢慢意识到，五大行星之上，那些闪耀着微弱光芒，似乎永恒不变的恒星，实际上是散布在天上的无数太阳。它们和太阳一起构成了银河星系。

和地球一样，太阳也不是什么宇宙中心，它不过是银河系里亿万颗恒星中，最为普通的一颗罢了。

为了搞清楚银河中到底有多少颗星星，1922年，一位天文学家号召大家一起来数星星。大家划分片区，一人负责一块，务必把它们给数明白了。

数着数着，一位叫哈勃的帅小伙发现，有一些星云距离我们地球差不多100万光年远，它们不可能是属于银河系的。哈勃的数据做得很充分，很有说服力，人们又意识到银河系在宇宙中也根本不算啥，也不过是无数星系中最普通的一个而已……随着人们测量的深入，发现一些星系跟地球的距离超过了一亿光年……

从这些情况来看，我觉得，尽管我们从未见过，但却几乎可以百分之百肯定，宇宙中像人类一样的文明必然多如牛毛。因为地球或太阳根本就不是什么天选之子，而是亿万颗星星里最为普通的一颗。在基数极端巨大的情况下，既然最为普通的地球上能诞生生命和文明，没有理由其他的亿万颗上就全部不诞生，除非真的是上帝他老人家在操盘，但目前看起来不像是。

不过即使有，这些文明彼此之间也根本不可能碰面，宇宙的尺度实在大到令人崩溃，现在计算出来的最远距离是465亿光年，让光来跑也要跑465亿年。

8.测量宇宙

这些数据大得离谱的宇宙距离，都是怎么测出来的？

这就要说回前文那位叫依巴古的古希腊少年了，他不是利用三角形知识计算出了月亮到地球之间的距离吗？是的，利用三角形角和边的一些关系，可以计算星星的距离，不止月亮，太阳可以，别的恒星也可以，不过条件是距离得在400光年以内，再远的就测不准。

那400光年以上的呢？用量天尺。原来，宇宙中有一种特殊的星，叫造父变星，这种星星会一阵亮一阵暗的，呈周期性的变化。这个周期的长短，跟它的亮度之间，存在着固定的数学关系。

所以，只要测出它的光变周期，就可以知道它实际上有多亮，这里我们随便假设为数字100。而它所发出的光，万里迢迢来到地球上，衰减了不少，只剩下30。那么我们就知道它的衰减值是70，根据衰减了70这个数值，我们就可以计算出，它到地球的距离有多远。所以造父变星就被称为量天尺，用这招可以测量1000万光年远的距离。

再远的呢？还可以用帅小伙哈勃的哈勃定律。

简单解释一下哈勃定律。我们知道光是一种波，有特定的波长。人们在观察中发现，星光的波长，有时候会被异常地拉长，这种情况被称为“红移”。

为啥会被拉长呢？打个比方，假设我是一只蜘蛛，会吐出一种波浪型的丝。当我站住了吐时，波长是一米。但如果我边跑边回头吐丝，波长就被拉大了，变成了两米，因为我跑动时把丝给扯了一下。

哈勃发现，离地球越是遥远的星星所发出的光，红移现象越严重。所以，算一算红移的程度，就能知道那颗星星有多远了。