作者：安妮·鲁尼 著
出版社：北京联合出版有限公司
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太空全书2试读：
专家推荐EXPERTSRECOMMENDATION这本《太空全书2·人类太空探索全记录》，足以让你在探求天文学史话和获得科学求知精神上迈上新的台阶。引言引言地图和星图描绘面积的大与地图和星图的发展分别遵循了两个不同的方向。地图最开始描绘小的是非常局部的区域，囊括了人步行、骑行或是驾船所能到达的疆域。在文明进步的同时，随着探索的范围不断拓展，地图所描绘的区域也在不断扩大。星图的发展则遵循了相反的方向。无论任何夜晚，星空总是全部展现在人们眼前，但如月亮、行星这样的天体的细节则只能随着望远镜的发展，以及其后的太空项目才逐渐得以显现。星图也在不断地变大、变复杂。当我们改进了光学望远镜，研发出可以采用不同手段探测各种类型电磁辐射的科学仪器之后，更多的天体才从黑暗中显现出来。为宇宙建立模型
正如为地面绘制的地图可以反映社会、政治、科学以及哲学在不同时期的地位一样，为天空所绘制的地图也体现了不同的信仰和心智模型。天文事件以及观测记录可以追溯至数千年前，但这些流传至今的记录大都缺乏理论性的宇宙观。最早对宇宙接近科学描述的理论是2500年前由古希腊人留传下来的。古希腊人最先以哲学而非神秘主义或者宗教为基础描绘了宇宙的模型。他们的观点包括了宇宙的无限性、存在着其他的世界、以太阳为中心的太阳系体系以及与之相反的观点，即以地球为宇宙中心的世界体系。
这幅被称为“迦苏尔之星”的壁画被发现于约旦峡谷的一处废屋当中，已有60 00年的历史（这里的是计算机增强后的图像）。
这块在马耳他塔尔卡迪神庙发现的不完整的石灰岩石板，有可能是5000-6000年前绘制的星图。在这幅星图上，天空被星星和新月分成了五部分。
这些模型中的最后一个最终获胜，得到了公元前4世纪的哲学家亚里士多德的支持，并由公元2世纪的埃及天文学家托勒密发展出了对应的数学模型。该模型由古典世界传播至北非的阿拉伯领土并最终传回到欧洲，一直到16世纪都从未受到质疑。天主教教会一直拥护地心说这一宇宙模型。该模型与上帝创造了永恒、完美的天地并让它为人类提供便利这一信条相符。但不幸的是，这个模型是错误的。
1543年，波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼发表了以太阳为太阳系中心的新模型，天文学发生了意识形态的巨大转变。这一转变使得宇宙不再是由上帝维持秩序的整齐有限的空间，而有机会向无限的空间发展出去。宇宙的地图必须被重新绘制——尽管日心说被大多数天文学家（以及教会）所接受至少还需要两个世纪。
空间望远镜不受地球大气的影响，并且可以比地球上的设备收集到更多来自宇宙深处的光。观测技术的革新对绘制宇宙的意义
1609年，也就是哥白尼去世之后的几十年，望远镜的诞生带来了第二次革命性的变化。人们立刻就有了惊奇的发现，行星不再是光点，其圆盘形状可以被分辨出来——尽管恒星仍然是光点。月球有着粗糙不完美的表面。有些行星还有自己的卫星。银河系也被揭示为令人惊奇的由无数恒星所组成的光带。随着天文学家设备的观测能力越来越强，它们可以记录下行星以及月球表面的特征，并且可以为以前从未能看到的恒星绘图，为宇宙绘制地图的机会也就越来越多。
望远镜在不断地被改进，将越来越广阔的宇宙展现在我们面前。在大约200年前的19世纪，科学家们发现来自太阳（以及后面发现的其他恒星）的光存在光谱“指纹”，这些指纹能够用于揭示发光天体的化学成分以及温度。从此光谱学成为天文学的一个重要工具。20世纪，天文学家的工具箱里又增加了射电望远镜和其他类型的望远镜以及探测器。20世纪下半叶，宇宙航行又使我们迈进了一步。现在，太空望远镜、人造卫星以及行星登陆车能够为太阳系的行星以及卫星绘制精细的地图，而这对于近代早期的天文学家而言是无法想象的。早期的天文观测
尽管随着技术的进步，为宇宙绘制地图越来越简单，我们的祖先也并不缺乏助其成事的工具。在古代中国、印度，中东，以及后来的欧洲，都建有专门用来观测、记录以及测量天体位置和运行轨迹的天文台。这些天文台均配备了观测工具，并供养了专业的天文学家为当权者提供制定历法的重要信息、预测天文事件以及观察天体的运行。16世纪君士坦丁堡的天文学家塔奇丁所在的天文台里，天文学家使用着各种天文仪器。裸眼测绘
早期的天文仪器主要包括浑天仪、象限仪以及六分仪。
浑天仪被阿拉伯以及中世纪的天文学家用来测量天体在黄道（太阳在天空中所走的路径）坐标系中的位置。它由中间的一个表征地球的球体以及用于表征如黄道、天赤道、子午圈等重要曲线的一系列环1形结构组成。在使用时，根据观测者的纬度将与浑仪相连的子午圈垂直于地平线并对准南极-北极的方向。浑仪的方向则通过观测太阳或已知赤经（即天体在黄道上的位置）的天体确定。再将窥管对准其他天体后，这些天体的坐标便可以从相应的环上读出。古代的中国、希腊均各自独立发展出了早期的浑天仪，阿拉伯天文学家则在后来对其进行了大幅的改进。
象限仪和六分仪就像是量角器的一部分。象限仪包含了圆的四分之一，六分仪则包含了圆的六分之一。在使用的时候，通过其上附带的窥横或狭缝测量天体的仰角。这两种仪器既可以制作得小巧便于手持，也可以大到需要专门放置于天文台的对应建筑当中。
得益于上述的这些仪器以及后来出现的望远镜，天文学家才能为我们的银河系中众多的恒星绘制地图。
1 原文为“浑天仪中的球体”。在我国，这部分结构有其特定名字，即浑仪。——译者注16世纪，土耳其的天文学家们正在使用大型浑天仪。天文学与占星术
时至今日，我们觉得为宇宙测绘这件事是天文学家的工作，而将天文事件与人们的日常生活联系在一起是占星术士的专长。但在过去，这两者之间并没有特别明显的区别。在很早以前的中国，天文学家为天体测绘的目的是为了发现不寻常的天文事件；假如他们运气足够好的话，还可以预测这些事件。这些事件被认为对人间之事有举足轻重的影响，会是灾祸或变革的预兆。即便在文艺复兴晚期的欧洲，天文学与占星术之间也存在密切的关联。一些伟大的天文学家同时也在为当时的统治者占星，并阐释天宫图。尽管现在我们将占星术列为迷信之术，但在过去，它对天文学的发展实有助益，为天文学家改进观测手段、提高其对宇宙的测绘能力起到了促进作用。宇宙测绘的挑战
如今，天文学家的视野已经从银河系内的恒星拓展至银河系外的其他星系，并能一窥宇宙的浩瀚。天文测绘面临新的挑战，从寻找系外行星（太阳系外的行星）到探索宇宙的宏观结构。在太阳系内，我们已经对其他行星及其卫星的表面特征展开测绘工作。谷歌地球也已拓展了相应的内容，将火星和月球一并纳入。即使如此，需要为其绘制地图的世界仍然很多。就像15世纪的制图师发现地球上还有比他们想象的多得多的陆地和海洋一样，我们在为宇宙绘图的同时也在不断发现更多的陆地和空间。
荷兰天文学家第谷·布拉赫是最后一位仅用裸眼进行观测的伟大的天文学家。这幅象限仪壁画绘制于他建在汶岛上的天文台乌兰尼堡。在图中的拱窗后面，我们可以看到一架小型的六分仪和一台浑天仪。从地TH
至少从古希腊时代起直到16世纪，西方世界普遍认为地球处于宇宙的中心，其他的万物均围绕着它而旋转。这个模型由古希腊哲学家亚里士多德提出，并通过希腊—埃及天文学家克罗狄斯·托勒密所撰写的《天文学大成》一书而普及。该书自公元前2世纪成书，直至17世纪一直都是天文学的主要教材，它保证了地心说在将近2000年的历史中一直处于主导地位。古巴比伦人的宇宙将地球置于三层天堂与一层地狱之间。整个体系外围被“天国之海”所包围。
我们所知的亚述人和埃及人所建立的最早的宇宙模型是由一系列带状结构所组成的半球形、方盒形或圆柱形轮廓。在这样的宇宙中，地狱位于地面之下，大气层和星星所在的空间则在地面之上，而在星星之上存在着一个或多个天堂。这种宇宙观更多的是源于神话而非科学。在古埃及的宇宙观中，天空女神努特将身体弓起于地面之上，支撑着天空与星星。这幅努特的绘画出土于公元前1137年建造的拉美西斯六世的陵墓中。天球
古希腊哲学家阿那克西曼德（约前610-546）是第一位解释宇宙结构的人。尽管他是一位玄学家而非科学家，但是他的观点是基于实际观测的结果而非神话故事。阿那克西曼德在解释宇宙的时候采取了三个非常重要的步骤，为在他之后的所有观点奠定了基础：
天体（恒星、行星、月亮）沿整圆旋转，时而从地球下方穿过，时而又从上方穿出。
地球在太空中无支撑地飘浮着。
天体占据了环绕地球的球面，但它们并不都位于同一个球面上——它们在以地球为中心的多个同心球面上。
阿那克西曼德认为地球是一个厚盘形，它的直径是厚度的3倍，而我们则生活在盘子的上表面。他解释地球之所以没有从太空中坠落是由于其处于宇宙的中心，受到各个方向的压力相等使其能够保持平衡。奇怪的是，在他的模型中恒星所在的轨道面最接近地球，接着是月亮的轨道面，而太阳离地球最远。日心说还是地心说？
大约250～300年后，萨摩斯的阿里斯塔克斯（约前310-230）提出地球不是宇宙的中心，太阳才是。他同样采用了同心圆或同心球面作为天体的运行轨道。（此时已是球形的）地球、其他行星以及被他放到离太阳最远处的固定不动的恒星分别占据着这些轨道。阿里斯塔克斯提出地球绕其自转轴每日旋转一周，绕太阳每年旋转一周，恒星是距离遥远的太阳。但不幸的是，他的观点并未占上风，直到2000年后，太阳与地球的位置关系才再次回到正轨上。
极有影响力的希腊哲学家亚里士多德（前384-322）则更偏爱以地球为中心的宇宙体系。他将地面上方的空间划分为两个区域：第一个区域包含了地面以及月亮球形轨道之间的一切；第二个区域包含了月亮以及它轨道之外的万物。他认为第二个区域是完美且永恒的。我们将会在后面看到，这个观点最终成了地心说被废除的原因。行星在其自身的本轮中旋转，本轮则绕地球旋转。麻烦的行星
令人遗憾的是，对于行星在一年时间中运转轨迹的观察并不足以支撑“行星是绕地球旋转的”这样一个简单的模型。相反，它们的轨迹看起来更像是由一连串的环形组成，时而向前运动，时而又略微向后运动，在完成一个完整的小圈后才继续沿轨道前行。佩尔吉的阿波罗尼奥斯（前262-190）提出，每一个行星都在各自围绕着叫作“本轮”的一个小圆轨道旋转，而本轮自身则在环绕地球的轨道上运行。但他的这种理论只有在地球偏离轨道中心的时候才能成立，而这又与理论自身的出发点相悖。
最终，在公元前2世纪，埃及的天文学家托勒密完善了这一想法。在他的解释中，每一个行星均在各自的本轮当中旋转，每一个本轮的中心则绕偏心旋转。托勒密在偏心的另一侧距其与地球距离相等的一处定义了另一个点，称之为等速点。这样一来，假设你站在等速点处观察，行星本轮的中心在运行时的角速度（在一定时间内天体运动轨迹所划过的弧度）总是相同的。这看起来为在地面上看到的行星的特殊轨迹提供了一个很好的解释，同时还满足了亚里士多德对行星轨道必须是完美圆形的要求。但更重要的是，这套理论确实可以被用来较为精确地预测行星的位置。
托勒密将天体排布在一系列同心水晶球层或者球体上。月亮离地球最近，接着是水星、金星、太阳、火星、木星以及土星，其他位置固定不变的恒星则在这些行星之外的一个水晶球上面。均轮的中心叫作偏
这幅13世纪后期的手绘稿展示了托勒密体系，其中太阳和月亮绕着位于中心的地球运行。左下图给出了月食在该体系下的解释，右下图则显示了月相的盈亏。图中金色的圆圈代表月亮与太阳所在的水晶球，地球和月亮之间的红色物质是火，月亮之外的其他物质则由以太构成。重建宇宙模型
1543年，托勒密的体系终于被尼古拉斯·哥白尼在其《天体运行论》中所提出的日心说（即以太阳为中心）所挑战。哥白尼将行星置于围绕太阳的圆形轨道上，但是这样做的结果并没有使得对行星位置的预测较托勒密体系更为精确。更糟糕的是，教会并不认可这一模型，并且在随后的100年间对此模型以及对该模型的宣讲教学下了禁令。直到1758年这个禁令才被解除。
观测结果并不能清晰地表明托勒密体系的不足之处。就如这幅描绘日食的中世纪绘画所展示的，地心说和日心说模型能同样容易解释当时观测到的天象。
德国天文学家约翰尼斯·开普勒最终发展了太阳系的日心说体法国绘图师、地理学家尼系。该体系延续至今并由空间观测以及数学推导结果所证实。1605年，开普勒将行星置于椭圆轨道而非之前围绕太阳的圆形轨道，这一改动立即使以前有关行星运动的所有疑惑被清晰解释。但即使如此，在当时并没有确凿的证据能够证明他的体系是正确的。
在日心说与地心说这两种体系之间，还存在着一些相互妥协的产物。天文学家继续争论，而天文制图师继续展示所有可能的模型。这样对几种模型的并排展示，往往提供了对各个模型所有有利和不利的论述，通过比较它们各自的优缺点以找到事情的真相。阿拉托斯，《物象》，11世纪
这部11世纪的法国手稿记录了公元前3世纪希腊诗人阿拉托斯《物象》长诗的拉丁语译文。这首长诗以韵文形式记录了尼多斯的欧多克索斯已失传的著作。它描述了星座，并以简短含糊的文字提及了行星。它被阿拉托斯称作“一切皆追寻着善变的轨道”，并表示“当我接近它们时，我的勇气渐退”。对欧多克索斯论述的评论揭示了他为每一个天体引用了一套复杂的多球轨道系统——比如，月球有三个球形轨道以解释其复杂的运动轨迹。在这幅图中地球处在中心位置，第一个绕其旋转的是月亮，它至少有两个圆形的轨道。水星和金星均绕着太阳（戴着火焰王冠的人物）旋转，太阳绕着地球旋转。火星、木星和土星有着各自的圆形轨道。绘有表征不同月份人物的黄道处于最外圈。天使让世界转动，《爱的枕边书》，约1300年
这幅描绘托勒密宇宙模型的作品并没有重点关注众天体所在的天球，而是展示了整个天球转动的机制。这里的原动天，也就是带动内部其他天球旋转的最外层天球，正在由手握曲柄的天使所转动。在中世纪，人们认为天体不是自己在运动，而是被旋转的天球所带动，天球的运动则来自于整个体系之外的“原动力”（在基督教的宇宙观中即上帝）。
地球（图中央）被划分为四部分，表征了当时人们认为构成地球的四种古希腊元素，空气、火、水和土。该手抄本成书于14世纪初法国的普罗旺斯。原书《爱的枕边书》是一部韵文形式的百科全书，由玛特菲·艾尔高德于1290年左右所著。亚伯拉罕·克列斯克，《卡塔兰地图集》, 1375年《卡塔兰地图集》可能算是中世纪最重要的地图集了。该地图集由6张窄长幅面的牛皮纸（兽皮制成）组成，有可能出自马略卡岛的犹太绘图师亚伯拉罕·克列斯克之手。其中的四页描绘了地球表面的地形，另外的两张（展示于此）描绘了托勒密的世界体系。
在这幅图的中央，地球由手持星盘的天文学家表示。外面最先包围它的环形代表了经典元素中的其他三元素（水、空气、火），其次描绘的分别是代表月亮、太阳以及五颗已知行星的天体。紧接着的黄道结束了这幅图描绘宇宙的部分。在下一个环当中绘制了月亮的位置以及月相，接着的圈内给出了阴历以及月亮在黄道不同位置时会产生的天文方面的影响。最外圈是有关数学方面的信息——将圆分成360度，记述了黄金比等等。代表四季的人物被安置在地图四角。康拉德·冯·梅根伯格，托勒密的宇宙，1481年通常托勒密式的宇宙都被描绘为环绕地球的一系列圈或球哈特曼·舍德尔，《纽伦堡编年史》，1493年《纽伦堡编年史》以拉丁语及德语发行，是世界上最早发行的配有插图的印刷体图书。该书根据圣经故事记录了人类的历史。这里的木版画绘制了创世的最后一天，极尽可能地展示了托勒密体系中宇宙的模样。
插画师在插图的中央增加了元素球，因此在天球之前最先包围地球的是水球、空气球与火球。在固定恒星球（也称作“天空”）之外是水晶天，其后是原动天。这里加进来的水晶天用于解释《创世记》当中提及的天空之上的水。在原动天之外是最高天，即上帝的意志，也是13世纪的神学家托马斯·阿奎那提出的不同等级的天使所占据的地方。威廉·坎宁翰，背负天球的阿特拉斯，1531年浑仪的球形结构叠加在标准的托勒密天图之上，在地球的周尼古拉斯·哥白尼，太阳系，1543年
这张简洁平实的太阳系图标志着人类历史上的一个重要转折点。波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼在1543年，即他去世的前一年将其发表。它推翻了托勒密的世界体系，将太阳置于中心，地球和其他行星均围绕着太阳旋转。哥白尼可能已经预计到它的发表将会带来麻烦——实际上也确实是这样——但因为他不久就去世了，所以并没有因此遭受不好的后果。
尽管在一段时间内教会容忍了哥白尼体系作为一种数学和假想的模型存在，但当这个体系明显被人们——包括伽利略·伽利莱——奉为宇宙形式的真实表征时，这部著作便被封禁了，相关内容的教学同时也被禁止。虽然有许多天文学家倾向于哥白尼的体系，但它在一开始并没有被广为接受。在预测行星运动时，实际上采用这个体系并不能得到比托勒密体系更为精确的结果，而教会对它的敌意也使得它的推行举步维艰。
哥白尼的地图上明确标注了行星，包括地球绕太阳旋转，月球绕地球旋转。他注明固定的恒星是无法移动的。可以看到，托勒密模型当中的外层球已经消失，其中还包括上帝所居住的那一隅。巴尔托洛梅乌·维利乌，托勒密的宇宙，1568年
这幅宇宙图由葡萄牙制图师巴尔托洛梅乌·维利乌在1568年创作，尽管出现在哥白尼撰写《天体运行论》的25年后，但该图展示的仍是托勒密宇宙体系以及当时所知的世界。
由于当时澳大利亚和南极并不为欧洲人所知，所以它们均没有在这张地图中出现。太阳、月亮，已知的行星以及固定的恒星均保持在各自对应的环内绕地球旋转。这些环上还标注着它们的绕行周期。自中心向外，分别是：月亮，27天零9小时；水星，70天零7小时；太阳，365天；火星，两年；木星，12年；土星，30年；固定恒星，36,000年。赛义德·洛克曼·阿束利，《历史之精华》，1583年这幅地图出现在土耳其《历史之精华》一书的开篇，它记述
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