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第一章 我们的星辰系统
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进入主题之前，我们不妨先在我们生存的这个空间中很快地旅游观光一下，这样就会对我们这个世界有一个大致的了解。幻想一下我们是从它们边界之外的一点上来看它们。当然我们要把这一点定得异常遥远。为了很清楚地得到这个“远”的概念，我们用光的运行来测量一下。于是我们非常幸运地雇用了一个免费的飞毛腿用人——光——每秒钟差不多能疾行30万千米，在钟表的两声滴答之间要环绕地球7圈半。我们所选定的那一点如果很适当的话，那么它和我们之间的距离就需要光行走100万年了。我们在那么遥远的一点上几乎被完完全全地包围在黑暗之中了，只有一片漆黑无星的天空从各方向环绕着我们。可是，有一特殊的方向却不然：在那里，我们可以看到一大块微弱的光占据着天空的一部分，正像一片微云或者黎明之前的暗淡的曦光一样。在别的方向也有同样的光斑可以看见，但我们此刻先不管它。上面所说的这一片光，也就是所谓“我们的星系”——才是我们要观测的对象。于是我们向它飞行过去——要飞得怎样快是可想而知的。如果我们要在一年之内到达，就非得比光的速度更快100万倍不可——当然，这只是个思维游戏而已，事实上，没有任何东西是可以快过光的——我们愈接近它，它就愈渐渐地在黑暗的天上展开来，直到后来把全天的一半都遮盖住了，只有我们背后的一半天空还是照旧漆黑。
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在到达这一阶段之前，我们已经能看见这一大团美丽的光雾中开始幻化出一些珍珠般的小光点在各处闪烁了。我们一面继续我们的飞行，一面便看到这些光点愈来愈多，并且从我们身边经过，在我们身后的远处消失，而许多新的光点又不断地迎上前来，正好像是火车中的乘客看到风景、房屋从旁奔驰过去一样。当我们深入其中的时候，就看出这些光点正是我们在夜间所看到的那些散布全天的星辰。我们若用这样幻想的高速穿过整个大光云，会发现熙熙攘攘的光云之外还是什么别的也没有——除了各种色彩和形状的光雾、光云零零落落挂在黑天鹅绒般的空中。
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但我们并不急于穿过那片美丽的光云，而是先选定一颗星，再减小我们的速度来更仔细地观察它。这颗星倒是并不大，可是我们愈接近它，它便在我们眼中愈加明亮起来。过了一段时间，它已亮得如同远处的烛光一样了；再过一段时间，它可以照出影子来了；再过一段时间，我们可以用它的光读书了；再过一段时间，它的光芒夺目，热力四射。现在看起来它像个小太阳——它可不正是我们的太阳么！
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我们再选定一个位置：这地方按我们刚才的旅程来说仅仅是在太阳附近，但按照我们普通的量度来说却已在几十亿千米以外了。现在我们再仔细看一看周围，便可看到8颗星状的光点围绕着太阳，但各有不同的距离。如果我们用相当长久的时间守望着它们，便会看出它们都在绕着太阳运行，但环绕一周的时间又各不相同，有的只用3个月，有的却需要165年。它们之间的距离远近也大不相同，最远的一颗离太阳比最近的一颗要远上近80倍。
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这些星状的东西都是行星。我们更小心地考察一下，便会知道它们与恒星不同之处是：它们都是黑暗物体，它们的光统统都是向太阳借来的。
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我们再访问一下其中的一颗星。按照离太阳由近到远的次序，我们选第三颗。我们愈向它行近（这方向我们可以说是由上而下，就是说与从它到太阳的直线成直角），便看见它愈大愈亮。当我们离它非常近的时候，它的形状便好像半明半暗的月亮了——其中一半在黑暗中，另一半被太阳的光辉照亮。我们再接近些，被照亮了的一部分，在我们眼中不断扩大着，并渐渐有了许多的斑点。再扩大一些，这些斑点便化成了海洋和大陆，其中大约有一半被云遮住而看不到表面；而暗的那一部分，却呈现出一些不规则分布的明亮的斑点，似乎是钻石上闪耀的光芒一样——这些是我们人类的杰作：城市通宵不眠发出的各色灯光。我们所注目的这一块表面在我们面前不断地扩大，渐渐地遮蔽了更大的天空，到后来我们看出它成了全部世界。我们落在上面，于是现在我们又回到地球上了。
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就像这样，我们在天空中飞行时肉眼绝对看不见的一点，在我们接近了太阳时就成为一颗星，再接近一些就成为一个不透光的球体，现在则是我们生存的地球了。
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这一次幻想的飞行使我们知道了一个重要的事实：在夜间天空上散布着的大群星辰都是太阳。换句话来说，太阳只是众星之一。跟这些同伴比起来，太阳倒是较小的一个，因为我们知道还有许多星要发出比太阳多出几千倍甚至上万倍的光和热。如果只从它们内在的固有的价值来评定群星，我们的太阳实在没有什么杰出的地方足以超过它的亿万同胞。它对于我们的重要性以及它在我们眼中的伟大都只是由于我们与它的一种偶然的关系而已。
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刚才我们描述了这一伟大的星辰系统。我们从地面上看来正和我们刚才在幻想飞行中后半程所见的一样，在我们现在的天空中散布着的正是我们在飞行中所见的那些星辰。我们从现在的位置来瞭望天空，跟我们从远处群星间某一点来观察天空，其间的最大不同只是太阳和行星的优越地位。太阳的光芒竟使它在白昼遮掩了天上的全部星辰。假如我们能够截去太阳的光芒，便一定会看到星辰昼夜都在空中运行。这些物体散布在我们周围各个方向，简直好像地球巍然居于宇宙的中心一样——这也正是我们祖先所臆测的一种情形。
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太阳系
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我们所居住的这个星系同其他绝大多数星系一样，以一颗巨大的主星为中心，四周环绕着它的一群从仆。这以太阳为中心组成的一个小小群体——我们称为太阳系。我想先让读者们记住这一系统的一个特色：比起众星之间令人咋舌的距离，它的范围简直是太渺小了。太阳系周围被空洞而辽远的巨大空间包裹着。即使我们能从太阳系的这一边横渡到那一边去，我们也不会把眼前的星星看得更近些；在太阳系边缘，我们看到的星座形状与地面所见没有什么不同。
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我在这里并不打算用一大堆巨大到已经让我们失去概念的数字来打扰我亲爱的读者，更实际一点的是请大家跟着我的描述来想象，以便读者们能理解我们在宇宙中的真实地位。先想象在宇宙模型中，我们所居住的地球用一粒芥子来代表。照这比例推下去，月亮便是只有芥子直径1/4大的一粒微尘，放在离地球2.5厘米远的地方。太阳则可以用一个大苹果来代表，放在离地球12米的地方。其他行星的大小各不相同，约从一粒不可见的微尘到一粒豌豆那么大，离太阳的平均距离也差不多是在4.5～360米之间。于是我们又要想象着这些小东西都慢慢地各自围绕太阳兜着不同的圈子，每圈所用的时间也大不相同，约从3个月到165年不等。既然这粒芥子是一年之间兜一个圈子，我们也必须想象月亮是陪着它走，而且每一个月也绕着它兜一个圈子。
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照这比例，整个太阳系便可以在不到2.6平方千米的范围内摆下了。在这范围以外，即使我们跑出比全美洲还要大的地面去看也看不到什么东西，除了也许有些彗星散布在它的边界上。出了美洲界限很远我们才碰到了一颗最邻近的星，这颗星也像我们的太阳一样可以用一个苹果来代表。再远许多，便会在各方向都有一些星星，可是大致都互相距离像太阳跟它最邻近的星相距的那么远。在整个地球这么大的地方，依我们的模型比例说来，也只能容下两三颗星罢了。
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我们由此便可以看出，在一次宇宙的空间飞行中（例如我们刚才所想象的），我们一定会忽视一个像地球这样不值得注意的小东西——即使我们很细心地寻找也不能发现它。我们简直像在密西西比河（Mississippi）流域的空中飞行，想看到下面的一粒芥子一样。甚至那代表太阳的明亮的苹果也会被忽略过去的，除非我们碰巧飞得离它很近。
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第二章 天界现象
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由于星辰间的距离太过漫长，单凭肉眼观测，我们绝不可能对宇宙的大小形成一个明晰的概念，并且很难想象出我们与这些天体的实际距离。假若我们能一望而知星辰的远近，假若我们的眼睛又锐利得足以看出恒星和行星表面上的微小的形貌，那么，宇宙的真实构造便会在人类开始研究星空的那一天就真相大白了。只要略微思索就容易明白，假如我们能离开地球相当远的距离（比如它的直径的一万倍吧），那时我们便不能看出它的大小而只看到一个点，在太阳的光下，它也就会像一颗天上的星星一样向我们闪烁。古人却不曾想到这一点，因此他们便认为那些天体都如他们所看到的那样，和地球是绝不相似的东西。即使到了现代，我们自己瞭望天空的时候，也很难想象这些恒星比那些行星要远出千百万倍。它们都好像是在一个天空上以同等远近分布着。只有逻辑和数学所折射出的理性的光辉才能帮助我们得知它们真实的分布与远近来。
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正因为难以想象出这种巨大的尺度差异，所以要在心里形成一幅符合它们之间真实关系的图画便非常困难。在这里，读者们得用上十二分小心的注意力，以便我把这些毫无头绪的关系用最简单的方法表示出来，从而把实际情形与我们所见的情形联结起来。
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让我们假定把地球从我们脚下拿开了，剩下我们在空中悬挂着。那时我们便会看见各种天体——太阳、月亮、行星、恒星——在各方向围绕着我们，上下东西南北都有。那时眼睛所看见的就没有别的东西。正如我们方才所解释了的，所有这些东西在我们看来也都是同样远近的。
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从中心点向各方向以同等距离散开来的大量的点一定是都在一个空洞球体的内部表面上的。因此在我们所假定的这种情形下，诸天体在我们看来一定也像是安置在一个球面上，而我们自己恰在球的中心。既然天文学的最终目的之一是研究我们看到的天体的方位，所以我们看到的大球在天文学中谈起来也就仿佛是真有这回事了。这便是所谓“天球”（celestial sphere）。在我们所想象的这种情形中，脚下的地球一旦失去，所有在这天球上的天体就会在任何时刻都静止不动了。一天一天，一星期一星期过去了，那些恒星还在那儿丝毫不动。不错，我们如果静静守候着那些行星，就会看出在几天或几星期（这是依它们各自的情形而定）之内它们慢慢绕着太阳转，但这不是一下子便可看出的。我们的第一个印象大概是这个球是由什么坚固的水晶体做成，而那些天体便都钉牢在它的内部表面上。古人曾有过这种概念，他们还把它修正得更近乎实际，他们幻想着有许多的球形互相嵌套在一起，以代表各天体的不同距离。
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心中记住了这种概念，我们再把地球搬回脚下来。现在我们又要测试一下读者的想象力了：地球在与天空的大小比较的时候只是一粒微点；可是我们若把它放在适当的地方，它的表面便从我们眼中截去了一半宇宙，正好像一个苹果会从爬在上面的小虫的眼中遮去房间的一半一样。在地平线上的一半天球还可以看见，便叫做“可见半球”（visible hemisphere）；另一半在地平线下，被地球遮掩了看不见的，便叫做“不可见半球”（invisible hemisphere）。当然我们可以周游地球去看那一半球的。
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记清楚这种情形后，我们要再请读者集中一下注意力。我们知道地球不是静止的，它不停地绕着通过它中心的一根转轴旋转，这件事的当然结果便是整个天球看起来都向相反的方向旋转了。地球从西往东转，因此天球便好像是从东往西转。这实际的地球自转和因之而起的星辰的视转动便叫做“周日运动”（diurnal motion），因为这种运动是一日一周。
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星辰的每日视转动
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我们第二步便要表示出在地球自转的极简单的概念与因之而起的天体的周日视转动所表现的较复杂的现象之间的联系。后者是随地球上观察者所在的纬度不同而不同的。我们先从在北纬中部所看见的现象说起。
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