作者：（英）尼古拉·查尔顿,（英）梅瑞迪斯·麦克阿德
出版社：中国友谊出版公司
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科学简史：伟大科学家的故事试读：
引言
如今，我们所说的科学包含两层意思：一是对我们周围世界进行的调查研究，二是进行这类调查研究所采用的方法——科学方法。科学的不同分支差不多涵盖了对宇宙中万事万物的探索，从宇宙之起源到其中最为微小的粒子，从人体到岩石及矿物，从闪电的力量到诸如X射线、放射性以及重力这类看不见的隐秘力量。
我们人类最早的祖先可能曾经仰视夜空，并思考着这世界是如何形成的，或者他们曾经收集过最早的一批药用植物，但相对而言，科学方法是较为新鲜的事物。很多早期的研究者只不过就某事提出了自己的特定假设，但他们未曾想过要认真仔细地实施某些可以一再重复从而得出相同结果的实验，并以此达到检测理论的目的。时至今日，如果一名科学家不能就某一新理论提供经过全面彻底检验的证据，那简直令人难以想象。在某些学科中，比如天文学吧，人们并非总有可能开展一些实验，但依然可以通过对事件的预测和观察来验证或否决一项假设。
某种形式的实证科学方法拥有一批早期的支持者，其中就包括古希腊哲人科学家、阿拉伯的光学专家伊本·艾尔-海什木、中世纪的英国僧侣罗吉尔·培根以及意大利的天文学家伽利略·伽利雷。不过直到17世纪，伴随着科学史上最伟大人物之一——艾萨克·牛顿采取的新做法，人类在科学态度方面才发生了重大转变。他提出了囊括各项命题和实验的“推理规则”，很快，所有的自然研究者都采纳了他的这种方法。
在绝大多数科学学科中，人们认为某项已经证实的假设或可被视作为一种科学“真理”，直至某项新理论将其证伪并提出一项新的范式时才会被推翻。科学正以这种新旧理念不断更迭的方式得以发展壮大。其中数学是一个例外，在数学里，一旦某项定理被证明为真，它就永远为真，人们永远无法将其证伪。事实上，尽管从包含系统性及规范性知识的广义角度来说，数学也是科学，但它依然和自然科学相差甚远——后者研究的是物质宇宙。自然科学搜集的是实证证据，以此构思并完善有关物质宇宙方方面面的各项描述或模型，而数学则就各种必然真理收集证明。尽管如此，数学为自然科学提供了一种其所渴求的用于描述并分析宇宙的语言，从这方面讲，数学和科学紧密相连。
诸多的科学发现和进步都促成了技术变革，有鉴于此，科学往往也与技术相伴相生：电灯泡的发明被归功于托马斯·爱迪生，但其实这有赖于数个世纪以来人们对电的科学探索；对宇宙空间的探索向我们提供了历法以及应用于宇宙飞船的先进陶瓷工艺。科学发展为人类带来种种福祉，上述之例仅为沧海一粟，从医学技术到计算机技术，再到我们无法离手的智能手机，科学已然在方方面面影响了我们的日常生活。
当然，若少了那些热衷于探索发现世界运行规律的人们，科学也将无以为继。本书将横贯历史，向您展示那些伟大科学家的风采，正是在他们的引领之下，我们才形成了对宇宙的理解。
自上古时代起，人类就已试图通过观察我们世界之外的物体——太阳、月亮、各种恒星和行星，来理解这个宇宙。巴比伦和埃及文明早就意识到，某些天文事件会重复发生且拥有循环周期，于是绘制了恒星定位图并对种种天体事件进行了预测，诸如交食（天体的部分或全部受其他天体的遮掩而变得晦暗）、彗星、月亮以及最明亮恒星的运动，他们的记录构成了计时和导航的基础。
早在他们进行数世纪的观察之前，古希腊人就已用神话人物的名字来命名各种星群或星座，诸如用俄里翁（海神波塞冬的儿子，一位年轻英俊的巨人）命名猎户座，用卡斯特与帕勒克这对孪生神灵命名双子座。托勒密在公元1世纪罗列了48个西方星座，如今，它们已成为人们在浩瀚夜空中的导航工具。罗马人也以类似的方式命名了我们的一些行星：用墨丘利（罗马神话中为众神传递信息的使者）命名了水星，用维纳斯（希腊神话中爱与美的女神）命名了金星，用玛尔斯（罗马神话中的战神）命名了火星，用朱庇特（罗马神话中的宙斯神）命名了木星，用萨杜恩（罗马神话中的农业之神）命名了土星。由于反射了太阳的光芒，在天空中，这些行星看起来犹如璀璨的“恒星”。
17世纪，人们发明了光学望远镜，这永远地改变了地球中心论的观点。很快，人们便清晰地意识到，宇宙远比曾经想象的要广袤。进一步深入地探究宇宙空间后，天文学家发现了太阳系内更多的行星（天王星和海王星）、小行星、爆破彗星、卫星（诸如月亮）、矮行星（诸如冥王星）、气体云、宇宙尘，以及全新的星系。太阳系主要天体的相对大小威廉·赫歇尔发现天王星的望远镜复制品
如今的天文仪器五花八门，包括可以探测来自遥远宇宙物体辐射的星载望远镜以及可以从其他行星带回信息的航天探测器。有了这些仪器的武装，天文学家发现了更多的未知：构成我们宇宙的物质粒子和作用力，恒星、行星和星系进化演变的过程以及宇宙的发端。此外，他们还发现了宇宙中无法被任何望远镜观测到的很大一部分，这种“暗物质”已被证明为天文学中的最大谜团之一。早期恒星录：甘德
人们认为，中国的天文学家甘德（约公元前400—前340）以及与他同时代的石申是历史上最早有名字记载的编制出恒星列表或者说恒星录的天文学家。甘德生活在古代中国动荡不安的战国时代。木星是我们太阳系中体型最为巨大的行星，它拥有着明亮的可见光，其规律的十二年运行轨道穿越天空，这被用来纪年，于是木星也就成了集中观察和预测的焦点。在没有望远镜的年代，甘德及其同僚不得不凭借肉眼观测，不过，他们完成了精确的计算，这引领其在最佳时机完成了天文观测。
在中国大陆上方的夜空中，甘德观测并分类编录了超过1000颗恒星，此外，他还识别了至少100个东方星座。200年后，希腊天文学家希帕克斯（Hipparchus）编制了第一本为人知晓的西方恒星录，其中包含了约800颗恒星，与之相较，甘
德的恒星录更为综合全面。
甘德确切观察到了木星四大卫星中的一颗，这是世界上已知的关于木星卫星的首次观测记录——伽利略·伽利雷于1610年用最新研制的望远镜方才正式“发现”这些卫星，这比甘德的记录晚了很多年。伽利略制作的望远镜14
石申和甘德是第一批近乎精确地将一年测算为365/天的天文学家。在公元前46年，尤里乌斯·恺撒聘用了亚历山大的希腊天文学家索西琴尼（Sosigenes），令其重新调整罗马历法，以便其测量更为精准，此后的欧洲和非洲北部一直使用这部由此生成的罗马儒略历（Julian calendar，尤里乌斯·恺撒在公元前46年制定的一个官方的365天的历法），直至1582年出现的格里高利历（the Gregorian calendar）将其取而代之，后者一直沿用至今。以地球为中心的宇宙观：亚里士多德（Aristotle）
公元前4世纪，古代中国的诸个列国正为霸主之争沐浴在战火中。与此同时，希腊古典文化则传遍了地中海东部为数众多的殖民地，这为支撑西方思想走入近代奠定了基础。
希腊人感觉自己身处宇宙的中心，而夜空的景象加强了他们的这种信念。天空中的星辰升起降落，它们似乎正在进行着围绕地球的旅程（这造成了一种地球围绕自身轴线旋转的错觉：各种恒星在天空中向西移动，这似乎仅仅是因为地球向东旋转而已）。
他们确认了一些“游星”，其位置相对于背景中闪闪发光的“恒星”发生着移动。这些漫游之星包括太阳、月亮以及我们太阳系中五颗当时已被人知晓的行星：水星、金星、火星、木星以及土星。希腊人得出一条结论，宇宙由地球和一些天体组成，前者是一个完美的球体（并非如太古文化所想的那般平坦），它固定处于万物的中心，后者包括太阳和一些可见的行星——它们环绕地球，在轨道中进行着正圆匀速运动。这些“恒星”位于外天球——在19世纪之前，天文学家并未关注过这些遥远恒星的真实运行情况。
伟大的自然哲学家兼科学家亚里士多德针对这种“地心说”补充了自己的观点。他推理指出，大地和天空是由五种元素构成的：四种大地元素（土、气、火和水）以及第五元素，一种充斥于天空并包含围绕地球同心壳层中的物质，也被称作以太。每个以太的同心壳层都含有一个天体，其围绕地球进行正圆匀速运动，位于天球最外层的那些恒星都是固定的。那些大地元素形成、衰退并死亡，但天空保持完美不变。
亚里士多德的宇宙观被阿拉伯世界接受并于中世纪被再度引入受基督教影响的欧洲。地心论的宇宙模型是古希腊的盛行观点亚里士多德（公元前384—前322）
亚里士多德是古希腊知识界的一名巨匠，其观点对西方世界产生了持久的影响。他出生于马其顿的一个医学世家，也是位于雅典的柏拉图学园的明星之一。
他之所以离开雅典，可能是因为未能在柏拉图死后被任命为学园院长，也可能是因为菲利普发起的马其顿扩张战争使得马其顿人不受欢迎。不过，当亚历山大大帝——菲利普的儿子，也是亚里士多德的学生——征服了所有希腊城邦之后，亚里士多德于公元前335年或前334年返回了这座城市。
亚里士多德在雅典创办了自己的吕克昂学园，在当时已被定义的几乎所有学科继续开展广泛的研究。他教学和辩论的方法是一边和学生散步，一边与其讨论各种学问，正因如此，亚里士多德学派的学者也被称为逍遥派学者。
亚历山大大帝死后，针对马其顿人的反感情绪复燃，亚里士多德开始了逃亡。据说这是因为他援引了70年前哲学家苏格拉底被判死刑的案例，并说道：“我不想让雅典人再犯第二次毁灭哲学的罪孽。”分点岁差：希帕克斯（Hipparchus）
紧随着亚历山大大帝的胜利，希腊古典文化流向东方，启发了一批学者，其中就包括尼西亚（在如今的土耳其）的希帕克斯（约公元
前 190—前 120）。分点岁差——地球和地轴倾斜呈23.5度角，它在旋转时就会如同一个陀螺般发生摇摆，不过速度非常缓慢：一个摇摆（或者一个岁差周期）耗时2.6万年。这种摇摆影响着昼夜平分点，或者季节的时间划分。
希帕克斯着手编制了一本恒星录，与此同时，他注意到各颗恒星的位置和早先的记录并不吻合：两者间存在着一个预料之外的系统性移位。他探测到地球在围绕自身轴线旋转时的“摇摆”——不妨想象一下，旋转陀螺顶部出现的缓慢摇摆，其自转轴会沿着一个圆形轨道运转。由地球摇摆造成的这样一种环行周期大约为2.6万年——希帕克斯经过相当精确的计算得到了这个数字。
该摇摆导致的昼夜平分点要比预期参照“恒星”时出现得略微早一点，正因如此，他将这种摇摆命名为分点岁差。
随着时间的变迁，在这种偏差的影响下，古代历法体系中四季的出现时间各不相同。这些历法体系中的一年是以太阳运行规律进行的测量为基准的（“恒星年”），这恰好是我们从地球观测（或者，如我们现在所知，地球围绕太阳运行一周的耗时），太阳从天空中由某颗恒星标注的位置再次旋转运动到同一位置所花费的时间。希帕克斯发明了测定年的一种新方法，并由此解决了这个问题，这就是所谓的“回归年”，或者是表面上太阳旋转过程中连续两次通过相同分点的时间间隔。回归年约比恒星年短20分钟，它构成了我们现代格里高利历的基础。这就确保每年之中，四季都能在相同的历月出现。
希帕克斯利用巴比伦的数据精准地计算出了恒星年和回归年的时长：确实，他的计算要比250年后托勒密精确得多，这也表明，希帕克斯远远领先于他所处的时代。一个数学的宇宙：托勒密（Ptolemy）
托勒密出生于1世纪末期，是最后一位伟大的古希腊天文学家，他也采纳了地球位于宇宙中心的地心论。他的贡献在于创造了第一个能够通过数学术语解释并预测太阳和各大行星运动的宇宙模型。他的模型似乎解答了一个已然困惑了希腊人长达1400年之久的问题：如果一颗行星围绕着处于宇宙中心的地球旋转，那么为什么有的时候，相对于其背后“恒星”的位置，这颗行星似乎是向后运动的呢？
尽管托勒密对此深信不疑，但为了以数学方法解释天体的运动，他不得不违背自己的规则进行假设，地球并非处于行星轨道的正中心。从实用主义出发，托勒密及其追随者们接受了这种移位差，它被认为是“偏心圆”，但这不过是地心说这种重要理论中的一个小插曲而已。
托勒密结合采用了三种几何结构。其中第一种——偏心圆并无什么新奇，他的第二种结构周转圆亦是如此。这就表明，各颗行星并非简单地沿着大圈，而是沿着小圈，或者说是沿着周转圆围绕地球运转的，反过来，它们其实围绕着一个以地球为核心（偏心的）更大圆（均轮）的圆周旋转。周转圆领域的研究进展解释了行星为何有时似乎会向后移动，或者说“逆行”（参见下页图解）。
托勒密的第三种几何结构——偏心匀速圆——是富有革命性意义的。托勒密发明这种结构，旨在解释行星为何有时看起来会移动得越来越快或越来越慢，而非如从地球上观测的那样匀速前进。他提出，周转圆在其较大圆（均轮）圆周上的运动中心既未对准地球，也未对准该较大圆的偏心圆中心，而是与一个第三点重合，这就是偏心匀速点，其和地球位置相对，且与该较大圆中心的距离也与地球相同。只有从偏心匀速点出发观测行星，它们才会呈现匀速运动。
以上三种数学架构（周转圆、偏心圆、偏心匀速圆）较为复杂，也无法令纯粹主义者们满意，但它们似乎可以解释天文学中某些令人困惑的问题，比如说行星的逆行，比如说为什么行星在某些不同时间会显得更加明亮，也因而似乎更加接近地球。这些数学架构合起来引发了人们对行星位置的种种预测，这些预测非常接近于现代的太阳中心论这种宇宙观，其认为，各颗行星是沿着椭圆形轨道围绕太阳运转的。按照托勒密几何模型定位的地球并非处于行星轨道的正中心，这似乎能够解释各颗行星的逆向（向后）运动。
托勒密的几何模型首先在中东，然后在西欧为人所接受。它与当时的宗教信仰相吻合，但凡有学者胆敢对其提出非议，严苛死板且颇具镇压性的天主教会将其判处死刑。不过到了1008年，阿拉伯的天文学家开始质疑托勒密的数据及观点，数世纪之后，人们明确发现，实际上托勒密伪造了某些观察记录以匹配他自己的理论。托勒密（约83—161）
托勒密生活在埃及，当时那里还只是罗马帝国下辖行省之一。尽管他有着罗马名——克罗狄斯，但拉丁姓氏托勒密透露出他希腊后裔的身世，他也采用希腊语进行写作。托勒密在亚历山大港小镇观测天空，那个小镇拥有一座宏伟的图书馆，它犹如磁石一般吸引着所有学科的古代学者慕名前来。
从希帕克斯时代直至托勒密开始写作之时，其间，希腊天文学历经了一个长达200年的空档期，而且多亏了托勒密，我们如今才会知晓希帕克斯当时的工作成果。托勒密是一名伟大的集大成者，他承认自己在解释宇宙运作规律时采用了很多早先的理论。阿拉伯世界的天文记录：阿尔巴塔尼（al-Battani）
阿尔巴塔尼是一位著名天文仪器制造者兼天文学家之子，在他生活的时代，穆斯林帝国鼓励人们努力学习，并使古希腊及罗马的科学和哲学维持着勃勃生机。身处东西方的交叉路口，穆斯林学者也同时接纳了来自中国和印度古老文明的观念，辅之以自身的种种发现，他们融会贯通地形成了一种知识体系，并在之后传入欧洲。
阿尔巴塔尼编制了一系列详尽的天文表，其中精密记录了太阳、月亮以及各大行星的位置，人们还可借此预测这些天体未来的位置。他的拜星者表（Sabian Tables）堪称当时可以获得的最为精准的天文表，并影响了后来的拉丁世界。日环食现象
不同于早先其他的天文学家，阿尔巴塔尼在天文计算中并未采用什么几何方法，而是使用了三角法。令人叹为观止的是，他竟然在当时就精准测定了我们的一个太阳年为365天5小时46分又24秒，我们今日的测算数字是365天5小时48分又45秒，前者仅仅少了数分钟而已。此外，他还探有一个托勒密未曾注意到的新发现：一年之中，地球与太阳间的距离以及月亮与地球间的距离都在不断变化。鉴于此，他准确预测了日环食现象，这个时候，月球覆盖了太阳的中心，月球的边缘就出现了一个“火环之圈”。
阿尔巴塔尼受到高度赞誉，600年之后出现的富有开创性的数学家兼天文学家尼古拉·哥白尼依然认可他的工作成果。北极星导航：沈括
在11世纪，航海家们在导航时依赖于天体标志物以及对天体的观察，其中就包括北部的极星，或称为“北极星”。
北极星的位置大约和地轴方向一致，如果站在北极点上，那么它将恰好位于你的头顶。当地球绕地轴旋转时，位于地球北半球的观察者会有这样一种印象：各颗行星都围绕着地球旋转——只有北极星是个例外，它留在原地不动，于是也就成了地理北极理想的导航指针。人们也可通过测量北极星水平线以上的高度来确定纬度位置（北南坐标）。
自上古时代晚期起，北极星就一直扮演着北部极星的角色，但由于存在着分点岁差，地球围绕自身地轴旋转时会出现极为缓慢的摇摆，于是北极就会指向某个不同的极星。在约公元3000年时，它将指向少卫增八；在约公元15000年时，它会转向织女星，而在遥远的未来，北极星将再度成为极星。
中国的博学家兼政府官员沈括（1031—1095）及其同僚卫朴（活跃于1075年前后）在连续五年中每晚测量极星的位置。之后，他记录了中国磁针罗盘这项发明，整个欧洲及中东地区的海员都使用了这种罗盘。他是发现磁针指向磁南磁北，而非地理南地理北，或是真南真北的第一人。由于地球的轻微摇摆，极星并非永远都是北极星。（分点岁差）阿拉伯的星表和星盘：阿扎奎尔（Azarquiel）
阿扎奎尔（1028—1100），也被称为阿尔-查尔卡利，生于西班牙的穆斯林城镇托莱多，这里曾长期遭受西班牙基督徒的攻击。他以制作精致的科学仪器为生，直到有一天，其客户鼓励他接受一些数学和天文学方面的教育。之后，他编制了托莱多星表（Toledan Tables），人们普遍认为它是当时最为精准的天文图表，12世纪之前，这份图表一直在整个欧洲广为使用。
天文学家借助托莱多星表提早多年预测了太阳、月亮、各大行星相对于“恒星”的运动以及各种日食和月食现象。针对西方基督教的不同地理位置，人们对这些星表做了相应的改编，这就形成了在欧洲一直沿用到16世纪的阿方索星表（Alfonsine Tables，约1252—1270）。
阿扎奎尔的另外一大主要贡献在于研制了一种新型的星盘。希帕克斯早在公元前150年就发明了这种星盘的前身，但采用阿扎奎尔的仪器，人们可在任何纬度测量太阳、月亮及各大恒星的高度并确定其纬度。在中世纪的阿拉伯世界，星盘对于制定时间表的祷告者们而言非常重要，最终，它们被研制用于海上导航。天文导航与地理大发现时代：亚伯拉罕·萨库托（Abraham Zacuto）
公元15世纪，犹太科学家兼拉比（犹太人学者的称谓）亚伯拉罕·萨库托出生于西班牙。当时，多数欧洲海员都沿着紧邻海岸线且众所周知的航线航行，但萨库托凭借其导航仪器完全改变了这一切，在其帮助下，欧洲的探索者们得以横渡海洋，直达美洲和东印度群岛。
萨库托最伟大成就之一在于研制了用于白天导航的太阳表（极星用于晚间导航）。拥有一个适用于航海的星盘，加上这些太阳表，海员就能基于太阳的高度（在一年中不同时间不断变化）确定船只的纬度。人们可垂直放置金属星盘，将圆盘上的零点标志对准地平线，其中可移动的表尺就会对准太阳，此时可以通过刻度读取太阳高度。此外，通过比较某一海上位置与某一始发地（比如说，里斯本）的太阳高度，航海家可以分别计算出自身距离里斯本向南或向北的距离。
后来，人们应用这些技术研制了海图，这成了海员冒险探索未知水域的无价之宝，其中就包括大名鼎鼎的探险家巴尔托洛梅乌·迪亚士、瓦斯科·达伽马以及克里斯多弗·哥伦布。
萨库托出版了一份年鉴，其中包含描绘各种天文现象的图表，这曾极为成功地拯救了克里斯多弗·哥伦布的生命。在第四次寻找“新大陆”的航程中，哥伦布及其船员曾险遭一群土著人的杀戮，不过哥伦布从萨库托的年鉴中得知，1504年2月29日将会出现一次月全食，于是他充分利用这点并告诉那些人，月亮的完全消失将说明，神对他们非常生气。当月亮再度出现时，他宣布这标志着那些土著人获得了宽恕，这很快就改变了那些土著人的态度！
200年之后，一种更为精准的六分仪取代了星盘，并成为天文导航的标准仪器。不过直到18世纪精密计时表的问世，水手们才测量经度并得以在一望无际的大海上准确定位。亚伯拉罕·萨库托（约1452—1515）
位于伊比利亚半岛历史悠久的犹太社区与阿拉伯文化相连，它从中得益并培育了诸多伟大的学者。萨库托就是其中之一，他是文艺复兴时代的一名通才，具有广泛的兴趣爱好。他鼓励自己的朋友克里斯多弗·哥伦布坚持航行前往亚洲的梦想。
1492年，作为君王的费迪南德与伊莎贝拉要求犹太人转信基督教，否则就离开西班牙，于是萨库托离开前往葡萄牙并在里斯本定居。很快，他就获得了一个皇家天文学家及历史学家的职位。国王曼努埃尔及航海家瓦斯科·达伽马向萨库托请教，他认为探索东方世界的航行是可行的。就在同一年，国王曼努埃尔下达了最后通牒，命令葡萄牙的犹太人要么转信基督教，要么选择离开。萨库托及其子塞缪尔是少数得以适时逃离的犹太人，不过在前往北非地区避难所的路途中，他们被海盗捕获两次并被要求缴纳赎金。
萨库托最后在突尼斯登岸，但对西班牙的入侵始终心存恐惧，这迫使他继续前行。萨库托在北非地区四处流浪，最终在土耳其安顿下来。解决经度问题：约翰·哈里森（John Harrison）
18世纪70年代，一名自学成才的英国钟表匠——约翰·哈里森（1693—1776）发明了航海精密计时表并由此解决了“经度问题”，这是令航海家们苦苦等待的一大突破。
在此之前，海员们不得不绞尽脑汁地确定自身所在的经度位置（东西坐标）。意大利的探险家亚美利哥·韦斯普奇（Amerigo Vespucci，1454—1512）曾经这样诉苦:
说到经度，我在此声明，我觉得要确定它实在是困难重重，查明我所通过的东西距离简直让我煞费苦心。我耗费大量的劳动，最终却发现，除了留意和观察夜空中一颗与另一颗行星之间的合点，尤其是月亮和其他行星之间的合点以外，我真是别无良策。至于月亮特别适合是因为，相较于任何其他行星，月亮在其轨道上的运动更为迅速。我将自己的观察结果和年鉴加以比较。
他的方法虽然能够粗略估计经度，但有相当的局限性。仅当人们预测了某一特定天文事件后方可采用此法，而且还需了解精准的时间，这对于远离家乡的海员们而言相当困难。
还有另一种测量经度的做法，即通过比较船只所处海上位置的地方时间（通过观测太阳位置）以及某个已知位置（比如说船只始发点）的时间（通过船上的时钟记录）来估计船只已经向东或向西航行的距离。这种方法的运用原理是什么呢？
稍作思考就会一目了然，每隔15经度（向东或向西行进）绘制一条经线，与之相应的，当地时间便提前或推迟一个小时。就算采用这种方法，问题依然在于了解精准的时间。
哈里森的海上精密计时表，或称为便携式“海上手表”提供了一种解决方案。这要比当时可以获得的最佳手表精准得多，它可以抵御海上的气候波动以及颠簸船只的偏航动作。英国探险家詹姆斯·库克船长在1772—1775年间进行环球航行时对此仪器赞不绝口，人们至今可以在伦敦的国家海洋博物馆看到他当时使用过的那个模型。
1884年，人们在英国格林尼治确定了本初子午线（0度经线），从此之后，地球上每个位置都是通过测量其向东或向西距离该线的长度得以确定的。现代船只使用卫星导航系统来精确记录位置，不过，他们往往也会随船携带一个精密计时表以防万一。
现代天文学的开端：尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）
1543年，哥白尼发表了日心说理论，这是针对地心说这种宇宙体系提出的第一个严峻挑战。约翰·沃尔夫冈·冯·歌德之后对此给出了如下评论：“哥白尼的学说对人类精神世界产生了巨大影响，这是任何其他发现和观点无法相媲美的。在哥伦布证实这个世界是球形和完整的之后，地球处于宇宙中心而为主宰的尊号也就被剥夺了。”
借助某些经文段落的宣传，托勒密的地心说模型获得了相当的公信力，并在过去的1500年间盛行于欧洲。对于一般的旁观者而言，这与天空呈现的样子一致，而将人置于万事万物的中心也迎合了人类的本性。但是，哥白尼看到了日心说所蕴含的逻辑：“太阳位于中心。因为这里犹如一座漂亮的庙宇，其中的一盏明灯可以同时照亮万事万物，谁又能找到另外某个或是更好的地方来放置这盏灯呢？”
哥白尼的天文学体系拥有简单明了这个巨大优势。它并不需要一系列复杂的几何方法来解释行星的运动，而后者恰恰是托勒密派天文学的特征。这是因为，它认为各大行星明显的向后运动仅仅是人们所感知到的，而非真实存在的，这归因于地球的运动。它将太阳置于万事万物的中心，后者围绕其旋转，按照顺序依次是水星、金星、地球和月亮、火星、木星、土星，在这之外是其他恒星的广阔空间。地球每天绕其地轴旋转，月亮每月围绕地球旋转，与此同时，地球倾斜于自身地轴，每年围绕太阳旋转。
日心说引发了公众抗议，推翻了教会，也标志着科学革命的发端。尼古拉·哥白尼（1473—1543）
哥白尼生于一个富裕的波兰家庭，他在克拉科夫大学研习天文学时曾学习过托勒密的理论。1501年，他被任命为弗劳恩贝格大教堂的教士，牧师的职位为其研究“星占医学”（中世纪欧洲的医生利用占星术行医，他们相信，星辰可以影响人类事务的进程）提供了充裕的时间。
哥白尼似乎未受宗教改革动荡岁月的影响，他花费很多时间独自一人潜心研究，在小镇防御工事的炮塔中进行天文观测。由于望远镜直到100年之后才得以发明，当时的哥白尼并无什么工具可以借助。
大约1514年，哥白尼在少数几个朋友中传播自己日心说理论的早期研究成果。直到他弥留之际，有关该理论的详尽论述才得以印制。审查该出版物的路德教牧师还插入了一篇匿名前言，他与哥白尼的观点针锋相对，宣称“这部书仅仅是制表描绘行星运动的一项实用的数学工具，而非关于这个世界的科学事实”。教会被此学说激怒并强烈反对日心说，这种现象一直持续到17世纪早期。日心说的拥护者：约翰尼斯·开普勒（Johannes Kepler）
哥白尼之后，公开支持宇宙日心说理论的首位天文学家是德国的天文学家及数学天才约翰尼斯·开普勒。
作为一名虔诚的基督教徒，开普勒相信神采用了一个几何计划来构造宇宙，他认为，倘若自己能够理解神的这个计划，就能更加接近神这位创造者。
采用欧几里德的几何学，开普勒就每颗已知行星的运行轨道构建了一个模型并发现，所有行星都是围绕太阳这个点旋转的。他得出一条结论，太阳是其他行星的中心和原动力。开普勒的模型折射出他的通灵宇宙观：上帝圣父，犹如硕大而强有力的太阳，位于创造的中心。这也和日心说相匹配。
之后，开普勒花费了数年时间苦心研究，试图理解火星不规律的运行轨道（他偶然间获取了这个星球上的数据）并称其为他的“对抗
火星之战”，直到后来他意识到自己的基本假设是错误的：“这感觉犹如我从沉睡中醒来，看到一缕崭新的光芒照耀在我身上。”正如哥白尼的模型所呈现的，每颗围绕太阳旋转的已知行星，其运行轨道不可能是正圆，而是以太阳为一个焦点的卵形椭圆（这就是开普勒第一“定律”）。当某颗行星距离太阳最近时运动得最快，当它距离太阳最远时运动得最慢。尽管如此，在相同时间间隔内，一条从太阳中心出发到行星中心的假想线所扫过的面积始终相等。这就成为开普勒有关行星运动的重要第二“定律”，运用该定律，人们可以确定某颗行星在其轨道上任意一点的运行速度。开普勒第二定律：在相同时间间隔内，行星与太阳之间连线扫过的面积相等。
开普勒第三“定律”利用几何学知识以及某颗行星的轨道周期计算行星与太阳之间的距离。
开普勒有关行星运动的定律帮助推翻了业已统治宇宙学超过2000年之久的神圣圆信仰。80年之后，艾萨克·牛顿为开普勒的理论提供了数学解释，他还采用其理论构建了自己的万有引力理论。
开普勒为我们对太阳系运动规律的大部分现代理解奠定了基础，他还为我们提供了数个实用的定律——比如说，我们可以采用这些定律计算人造卫星（一个由他创造的新词）预计宇宙飞船的轨道。
尽管这是一个相当有用的太阳系模型，但是天文学家开始意识到，日心说理论严格来说并不正确，因为太阳并非宇宙的中心，而仅仅是无数恒星中的一颗罢了。约翰尼斯·开普勒（1571—1630）
开普勒在五岁时就丧父（一名雇佣兵），一年之后，他的母亲带着他登上一座小山顶观看一颗彗星，开普勒由此萌发了对天文学的兴趣。
作为一名终身的路德教徒，开普勒本想成为一名牧师，不过他也遵循惯常的传统修读了一些其他学科，于是他了解并最终支持了新日心说。他在格拉茨（位于现代的奥地利）的新教学校教授数学和天文学，但是欧洲不断升温的宗教冲突横加干涉——这在他后来的人生中发生过数次。新教徒被驱逐出格拉茨，开普勒带着家人避难逃往布拉格，在那里，他帮助丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601）制定了一系列新的天文表。1601年，布拉赫突然死亡，开普勒便被任命为其继承人，成为神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇室数学家，他受委托完成了这些天文表的编制。
开普勒完完整整地经历了17世纪的各种宗教压力，到了1620年，其母亲卡塔琳娜因被指控施行巫术而入狱，并受到酷刑威胁。开普勒帮助打理母亲的案件，她在经历了一场旷日持久的官司之后最终得以获释。
后来，布拉格也转而对新教徒采取敌对的态度，开普勒不得不离开前往林 （位于现代的奥地利），天主教力量在三十年战争期间包围了林 ，他又于1621年再次被迫搬离。宗教冲突扰乱了开普勒的工作，他在居无定所和四处漂泊中感到筋疲力尽，最终生病发烧并死于雷根斯堡（位于德国东南部）。现今，他的墓穴已荡然无存，但碑文却得以存世：
我曾测天高，今欲量地深。
我的灵魂来自上天，凡俗肉体归于此地。给天文学带来革命性影响的望远镜：伽利略·伽利雷（Glileo Galilei）
伽利略制造了第一台足以详细观测太阳系的望远镜，他因此名声大噪。
伽利略于1609年改进了望远镜的设计，这意味着，他成为采用有效放大仪器观测天空的第一人，也是记录观测到月球上火山坑及山脉的第一人。1610年，他还获得了一些别的原始观测数据，这使人们对太阳系有了新的认识：四颗围绕木星旋转的最大卫星表明，至少某些天体并非围绕地球旋转；金星的相变表明其围绕太阳旋转；大量恒星的存在暗示着宇宙远比之前想象中的广袤。
总而言之，伽利略得出一条结论，教会认为太阳和其他行星都围绕地球旋转的观点是错误的。1615年，他在一封信件中这样写道：“说到太阳和地球，《圣经》显然应该适合人们的理解。”
伽利略有时也被称为“现代科学之父”，他采用了后来被称为标准科学法的定量实验方法，其具体包括：首先，通过严格控制且反复进行的实验检测有关自然世界的某个特定假设（观点），然后以数学的方式表达结果；其次，将测试结果与根据假设所得的预测加以匹配，依据匹配程度的高低进一步改善原始假设，或得出结论认定该假设不成立。这是一个正在进行和不断发展的过程，目标在于获得一个能够拥有充分证据支撑的理论。伽利略·伽利雷（1564—1642）
伽利略生于意大利比萨（Pisa）一个破落的贵族之家。伽利略的父亲希望儿子能成为一名收入丰厚的医生，于是将其送往大学深造。然而，除了数学问题和自然哲学以外，伽利略对一切都心生厌倦，还未获得学位便一走了之。
伽利略尽管获得了数学家的名誉，却正如其父亲所担心的那样变得穷困潦倒。他转而从事发明创造，以一台从未见过的荷兰望远镜为模型创造了真正的望远镜，这令他大发横财。后来他又改进了这台仪器，最终制作的一台望远镜帮他获得了诸多惊人的天文发现，其中就包括地球和行星围绕太阳旋转的证据。伽利略获得了新名望，于是受托斯卡纳公国大公的邀请，他获得了美第奇家族宫廷数学家这个有利可图的职位。
伽利略支持日心体系，这与教会的教义相抵触。1600年，罗马教皇的宗教裁判所将哲学家及宇宙学家乔尔丹诺·布鲁诺绑在火刑柱上烧死，或许是受到这个鲜活案例的影响，伽利略宣布放弃哥白尼的学说，他成了宗教和科学知识两者间紧张关系的标志。克里斯蒂安·惠更斯乔凡尼·卡西尼土星光环：克里斯蒂安·惠更斯（Christiaan Huygens）和乔凡尼·卡西尼（Giovanni Cassini）
土星是我们太阳系中的第二大行星。千百年来，人们都能在夜空中观测到这颗美丽而明亮的黄色星星。
1610年，伽利略首次将他的望远镜对准了这颗行星，他认为自己在其两侧分别探测到两颗卫星。45年之后，荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯（1629—1695）用一台更加高倍的望远镜观测土星，他认为自己看到的是围绕这颗行星的一圈固态的“薄而平的圆环”以及一颗卫星（这是土卫六，土星最大的一颗卫星）。之后的1675年，意大利天文学家乔凡尼·卡西尼（1625—1712）发现了土星光环中间的缝隙（“卡西尼”缝）以及其他四颗卫星。
让时光快进到2004年，卡西尼号机器人飞船首次进入土星轨道运行并发回一些图片，这些图片显示了围绕在该气体巨星周围旋转的错综复杂的岩石及冰粒带，这构成了土星独具一格的环系统。人类正在尝试着理解该环结构的形成过程和原因，这个正在进行的任务旨在洞察我们所在太阳系的起源及进化过程。
该任务还发现，位于土星另外一颗卫星（土星拥有超过60颗卫星）——土卫二南极的间歇泉喷涌出水汽和冰，科学家们现在认为，这种现象的一种合理解释可能是，在这颗卫星的冰壳下有一片地下海洋，而潮湿的环境自然有利于微生物生命的存在。这一发现拓展了我们的视野，让我们意识到太阳系中可能存在其他支持生命的地方。艾萨克·牛顿阿尔伯特·爱因斯坦宇宙的黏结剂：艾萨克·牛顿（Isaac Newton）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）
英国数学家及物理学家艾萨克·牛顿就宇宙在物理上是如何彼此联结的这个问题提出了首个科学的解释。
1684年，天文学家爱德蒙·哈雷（Edmond Halley，1656—1742）向牛顿请教有关行星轨道的问题。他十分惊讶地发现，牛顿拥有一套完整的科学理论：万有引力是将宇宙结构结合在一起的一种普遍存在的力量。
牛顿指出，无论远近，都有同一种力量——万有引力发生着作用：它既能使一只苹果坠地，也能令行星围绕太阳旋转。一个物体所含物质越多，或者质量越大，其就能施加更大的引力。
1687年，牛顿出版了著作《自然哲学的数学原理》，通常也被称为《原理》。该书论述了万有引力以及运动定律，成为被人们广泛接受的科学宇宙观。
200年之后，犹太物理学家阿尔伯特·爱因斯坦进一步推动了牛顿物理学，转变了我们对空间、时间及万有引力的理解。爱因斯坦在他的广义相对论中这样阐释，万有引力并非如牛顿所描述的那样是一股力量，而是由物质存在引发的弯曲力场。物质和能量包裹了空间结构，这有点类似于一个沉重的身体落在一块床垫上，这就是我们所谓的万有引力效应，其导致的一个结果是，在诸如太阳这般巨大物体周围，甚至连光线也会在万有引力作用下沿着一条曲线路径发生弯曲。
1919年日食期间，英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington，1882—1944）获得的证据显示，来自某颗遥远星球（从地球上看，它位于太阳背后）的光线在抵达地球前，于（遮蔽强烈的）太阳周围发生了弯曲。乔治·勒梅特爱德温·哈勃宇宙大爆炸和宇宙的起源：乔治·勒梅特（Georges Lemaître）和爱德温·哈勃（Edwin Hubble）
1927年，一名比利时的耶稣会神父及天文学家乔治·勒梅特（1894—1966）首先提出了膨胀宇宙的观点。他还提出了一种想法，后来演变成宇宙起源说的“大爆炸”理论。
勒梅特假设，宇宙膨胀可以追溯到某个时间点（现代估计为138亿年前）：一颗极高密度的“原始原子”，或者“宇宙蛋”发生了极为猛烈的爆炸。他虽然公布了这项发现，但并未在比利时以外的地方为人所熟知，直到1931年，帮助他完成翻译工作的英国天文学家亚瑟·爱丁顿称他的解决方案“非常杰出”，这一状况才得以扭转。
不过，帮助证明宇宙膨胀理论及大爆炸模型的是与勒梅特同时代且更为人所熟知的美国天文学家爱德文·哈勃（1889—1953），这为其赢得了“宇宙学奠基人”的美誉。哈勃于1936年对星系进行了分类。我们所处的银河系似乎只是掠过浩瀚夜空的一条黯淡光带，它在分类中属于棒旋星系，由一个直径约10万光年的扁平转盘组成，包含了气体、灰尘以及约1000亿颗恒星。我们的太阳系并非处于星系的中心，而位于一个小旋臂上。
哈勃在激动人心的时代开启了他的职业生涯。亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Leavitt，1868—1921）注意到大小麦哲伦星云（银河系边缘附近的可见天体，现在被一致称为矮星系）包含上千颗拥有可变亮度的恒星。她的观察促成了恒星间距测量方法的大发展，这令我们的宇宙图景发生了革新性的变化。天文学家开始意识到，宇宙远比之前我们想象中的要大得多。之后，阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言了一个不断变化的宇宙，要么膨胀，要么收缩。很多人，甚至连爱因斯坦自己都认为这种新观点难以接受。哈勃望远镜拍摄的旋涡星云
哈勃的贡献开始于模糊的片状光，亦被称为旋涡星云，整个夜空中都可见到它们的身影。这些气体云究竟位于我们所在星系的内部，还是远在我们星系之外的星群？位于加利福尼亚威尔逊山的天文台安装有一台254厘米的胡克望远镜，这是当时全世界最大的望远镜，他将观测的重点放在了天空中所谓仙女座星云的那一部分上，图片首次揭示了这些暗星。1923年，他得出结论，这些暗星由于距离我们的星系过于遥远，这些暗星无法成为其一部分，它们属于一个全新的星系（目前被称为仙女座星系），相较于银河系中最遥远的恒星，这些暗星距离我们至少还要远上10倍。进一步调查之后，我们又发现了数个其他的星系。显然，宇宙比我们之前想象中的要大得多，而我们仅仅是其中的一部分。哈勃比较了各类星系并为其建立了一种分类方法，该方法一直沿用至今。
1929年，哈勃有了另外一个重大发现，当时他公布了有关宇宙均匀膨胀的数据。他研究了46个星系并发现，星系之间的距离越是遥远，它们远离彼此的移动速度就越大。这构成了哈勃定律的基础，其表述如下：距离地球越远的星系就会以越快的速度飞驰地球而去——星系之间的距离会持续不断地增加，正因如此，宇宙在不断膨胀（宇宙膨胀理论）。哈勃继而创建了宇宙膨胀方程，该方程沿用至今，当然在形式上有所更新。哈勃预计，宇宙的膨胀率为500公里（311英里）每秒·每百万秒差距（约为326万光年的距离），这意味着，某个距离我们326万光年的星系正在以每秒钟500公里的速度远离我们飞驰而去。该估值被称为哈勃常数：这是宇宙学中最为重要的数字之一，人们用它来估计宇宙的大小和年龄。太空中的哈勃空间望远镜
如今，人们认为哈勃当初低估了各大星系之间的距离，这导致其计算的膨胀率过大。天文学家现在预测该数值约为70公里（44英里）每秒·每百万秒差距，尽管如此，哈勃常数的数值依然存在着极大的不确定性。
为了纪念这位伟大的天文学家，1990年，以其命名的哈勃空间望远镜发射升空，它旨在为证实并完善哈勃常数提供更详尽的数据。目前，这台望远镜已经帮助证明，宇宙不仅在膨胀，而且受到某股所谓“暗能量”的驱使正在加速膨胀。
1964年，人们发现了宇宙微波背景辐射，它被认为是宇宙大爆炸的一种“回声”。宇宙大爆炸理论依然是最为盛行的宇宙观。超新星、中子星和暗物质：弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky）
1935年，瑞士天文学家弗里茨·兹威基（1898—1974）在他的山顶天文台上使用了一台施密特望远镜，这种宽视界望远镜是搜寻被其称为超新星的一类超亮恒星的理想工具。
兹威基假设，一颗超新星代表着一颗大质量恒星绚烂壮观的死亡——这种剧烈爆炸的强度远比一颗普通恒星（一颗“新星”）大得多，而且仅在一段较短时间内可见。恒星爆炸开来，释放出巨大的能量，足以使其亮过其所在的整个星系，这期间喷涌出大量粒子，它们将构成新世界的基础，并留下被称为中子星的坍塌残骸。这种恒星爆发残留物是目前人们已知的宇宙中存在的密度最大体积最小的恒星，它们几乎完全由整体上不带电荷的中子或亚原子粒子组成。
人类最早观测到一颗所谓超新星的记录可以追溯到公元185年的中国。望远镜问世之前，人们还发现了少数几颗别的超新星，望远镜发明之后，又有数百颗超新星的观测记录。兹威基就探测到了120颗超新星，如今，人类正借助计算机控制的望远镜不断搜寻着这类星体。每个星系在每个世纪中仅会出现2至3颗超新星，但从理论上说，在拥有着千亿个星系的宇宙，每秒钟都会诞生30颗超新星！
我们自身所在星系中最大的恒星之一参宿四已接近生命的末期，预计它将在接下来的数百万年内爆炸，成为一颗超新星。自古以来，人们就一直观测着这颗明亮的橙红色“超大星”。参宿四是猎户座的一部分，已经耗尽自身的氢储备，其核心已经压缩，外层已经膨胀，它已经是一颗肉眼可见的极其硕大的星球。
宇宙射线，或称为高能射线，是超新星产生的一种副效应，它会影响卫星中的电子装置，也有可能是造成坠毁客机操纵系统故障的罪魁祸首，除非人们能研发出有效的屏蔽方法，这种射线将对未来载人宇宙飞船的星际旅行造成重大障碍。
1933年，兹威基发现了现代天体物理学中最伟大的奥秘之一：暗物质。正如其名，我们无法用望远镜一睹其真容，但可以通过它在恒星上的引力效应及其他可见物质推断出它的存在。兹威基的这一发现源于他的一项观测。他注意到，后发星系团中的大片恒星永远不足以通过引力作用将这些星系汇集在一起，于是他得出结论，宇宙中必然存在着可以补偿这种“丢失质量”的暗物质。20世纪70年代，薇拉·鲁宾注意到一种奇怪的出入：位于星系边缘的恒星，其移动要比之前根据万有引力定律预测的结果更快。
目前人们认为，暗物质构成了宇宙中物质能量合成物的26%，暗能量（引发宇宙膨胀加速的未知力量）占据了其中约68%，而普通的可见物质仅占约5%。白矮星和黑洞：钱德拉（Chandra）
钱德拉出生于当时尚属于英属印度的拉合尔市（位于今巴基斯坦境内），人们也称其为苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（1910—1995）。他有一位于1930年荣获诺贝尔物理学奖的科学家叔叔——钱德拉塞卡拉·拉曼爵士，钱德拉极有可能就是受到了他的启发。他先在英国攻读研究生，后来当其革命性的观点招致反对和怀疑之后，钱德拉转而前往美国。
钱德拉最为著名的理论表述如下：当某颗恒星（比如我们的太阳）中心的核能源耗尽且接近于演化最终阶段时，它并不必然以小型、稳定、缓慢冷却的碎块（被称为白矮星）形式终结，如果其质量超过某一限度（“钱德拉塞卡极限”，高于生成一颗中子星的质量），它会发生超新星爆炸，然后持续坍缩形成一个密度无限大且体积无限小的点，目前人们将其称为黑洞。黑洞的引力非常强大，以至于任何物质都将被拉入其中而无法逃脱，就连过于接近黑洞的光也不例外。黑洞是一个具有无限密度的单点，它的引力十分强大，以至于向其靠近的任何物体都将被拉入其中。
钱德拉得出上述结论采用了严谨的数学方法，其中包括量子力学的新理念，他对白矮星已知属性应用了狭义相对论。
钱德拉推测，泡利不相容原理（由沃尔夫冈·泡利于1925年提出，也被称为电子简并原理。它指出，原子内不可能有两个电子具有完全相同的量子空间）适用于大质量恒星。根据钱德拉所言，这会产生一个后果，即一颗巨大坍缩恒星的收缩压将迫使电子以接近光的速度向外移至更高的能级。这将引发一场爆炸，吹散包裹在这颗垂死恒星周围的电子气层，留下一个密实且持续坍缩的碎片残骸。
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