引　言
第一章 宇宙的边疆
第二章 宇宙的音乐
第三章 宇宙的和谐
第四章 天堂与地狱
第五章 神秘的红色行星
第六章 旅行者的故事
第七章 夜空的脊柱
第八章 在时空中旅行
第九章 恒星的生命
第十章 永远的尽头
第十一章　给未来的信
第十二章　银河系百科全书
第十三章　为地球呼吁
附录1 谬误归约论和2的平方根
附录2 毕达哥拉斯学派的五面体

引 言

长期艰苦的研究工作终将揭示现存的奥秘。但是人的生命是有限的，即使将毕生都贡献给太空，我们也不可能透彻地研究这样巨大的课题……所以，只有经过相当长的历史时期，人们才有可能获得对太空的全面认识。将来有一天，我们的后代会因为我们不懂得那些对他们来说十分浅显的东西而感到吃惊……还有许多东西有待于发现，那时候，我们将被我们的子孙所忘却。如果我们的宇宙不能为每一代人都提供可探索的奥秘，那么，这个宇宙就太渺小，太可悲了……大自然是不肯将其天机一下子全都泄露给我们的。——塞尼卡《大自然的问题》第七卷“第一世纪”

在古代的日常谈话和生活习惯中，最普通的世事也会跟宇宙间发生的最大事件联系在一起。驱虫咒就是一个很好的例子。公元前1000年的亚述人以为地龙（蚯蚓）是牙痛的病魔，他们的咒语以宇宙的起源为开头，以治愈牙痛为结尾：
阿努造天空，
天空造地球，
地球造江河，
江河造水流，
水流造沼泽，
沼泽造地龙，
地龙去找沙麦斯和埃，
哀求哭泣泪涟涟：
“你何以供我餐，
你何以供我饮？”
“是否以你干无花果。”
“干无花果！于我
何所用？
提携我吧，居我于牙缝与齿龈间！……”
哦，地龙，你出言不逊
愿埃以其巨掌
惩治你！
(治牙痛咒语)
疗法：将二等啤酒和食油等渗和在一起：默诵三遍以后将该药敷在病牙上。

我们的祖先渴望了解宇宙，但是他们没有其正找到了解的办法。他们设想了一个既离奇又规则的小宇宙，其中，阿努、埃、沙麦斯诸神掌管着一切。在这个小宇宙里，人类如果不是起着核心作用的话，起码也起着重要的作用。我们人类跟大自然密切地联结在一起；用二等啤酒治牙痛的疗法也与最深奥的宇宙学联系在一起。

今天，我们已经找到了一种有效和精确地了解宇宙的方法，我们把这种方法称为“科学”。科学已经表明，宇宙是如此浩瀚而古老，因此人间世事往往显得无足轻重。随着人类的成长，人类与宇宙疏远了，宇宙似乎与人类的日常生活无关紧要。可是科学发现，宇宙不但横无际涯、辽阔瑰丽，不但可以为人类所了解，而且，从现实和深远的意义上说，人类的命运和宇宙息息相关。人类大大小小的活动都可以追溯到宇宙及其起源。本书探讨的就是这种宇宙观。

1976年的夏秋，作为“海盗”号着陆舱模拟飞行队的成员，我跟我的百人科学工作队一起探索了火星。在人类历史上，我们的宇宙飞船首次在另一个星球上着陆了。探索的结果（详见第五章）是引人注目的，这一使命的历史意义是举世公认的。然而，大众对这样伟大的事件却几乎一无所知。报刊采取了漫不经心的态度，电视对此置若罔闻。当他们知道“火星上是否存在着生命”这个问题的答案仍然悬而未决的时候，他们的兴趣更是有减无增。他们不容许有任何似是而非、模棱两可的答案。当我们宣布火星的天空是浅黄色而不象原先所误认为的那样是蓝色的时候，记者们一致报以善意的嘘声——即使在这一点上，他们也希望火星跟地球一个样。他们认为，越是证明火星不像地球，读者和观众的兴趣就越小。然而，火星的气势磅礴、景色宏伟。根据个人经验，我确信、全世界对探索行星及其许多类似的科研课题都怀有极大的兴趣——例如生命的起源、地球、宇宙、地外文明的研究、人类和宇宙的联系等等，我还确信，这种兴趣可以通过电视这个最有力的传播媒介而得到激发。

“海盗”号资料分析及探索计划处处长 B·金特里·李是一个具有非凡组织能力的人。我们俩的看法是一致的，我们都跃跃欲试，决定就这些问题做点工作。李建议我们组织一个专门的电视制作公司，用生动活泼、通俗易懂的方法传播科学。后来，我们接洽了若干项目，但是其中最有趣味的是KCET（美国公共广播局洛杉矶中心站）提出的要求。最后，我们一致同意制作一部关于天文学的13集电视连续片。这一套电视片要以人类为中心展开，以普通观众为服务对象，既要场面壮观，又要配乐和谐；既要有教育意义，又要给人以美的享受。我们跟担保人进行了洽谈，雇了一名监制人，结果我们承担了一项为期3年的叫作“宇宙”的制片任务。 在写这本书的时候，我们估计这部电视片在世界上的观众有1亿4千万，占地球这个行星的人口的3%。我们相信，大众远比人们普遍所想象的要聪明得多；也相信关于宇宙的性质和起源的最深奥的科学问题能够激发一大批人的兴趣和热情。当前这个时代正处在文明大道的十字路口，也许也正处在人类进化的十字路口。不管今后走哪一条路，我们的命运已经跟科学牢牢地联结在一起。了解科学已经关系到我们的生死存亡。此外，科学是一种乐趣，人类的进化注定我们要乐于了解科学，因为了解科学的人生存的可能性更大。《宇宙》这部电视系列片和本书为如何传播科学的思想、方法和乐趣提供了一个很好的例子。

本书和电视系列片是同时形成的，从某种意义上说是相辅相成的。本书里的许多插图取自为电视系列片摄制的稀有图片。但是本书的读者和电视观众不尽相同，因此编辑方法也就不一样。书籍的一个最大优点是可以让读者反复阅读那些晦涩难解的部分，而电视只有在录像磁带和录像光盘的新技术出观之后才有可能这样做，书籍的作者可以自由选定一个章节主题的范围和深度，而一个非商业性电视节目则只能限制在58分零30秒钟之内。在许多问题上，本书的讨论比电视系列片更深入。有些题目本书并没有讨论，但在电视片里讨论了。本书模仿坦尼尔关于艾丽斯和她的朋友在高重力和低重力环境中的组画能否通过严格的电视剪辑还是一个问题。今我欣慰的是，画家布朗画的那些优美的插图及其说明在本书里可以说是适得其所的另—方面，电视片里所介绍的“宇宙历”本书没有收录——部分原因是“宇宙历”在我的《伊甸园的飞龙》里已经讨论到了；同样，我在本书里也没有详细讨论罗伯特·戈达德的生平事迹。因为在《布罗卡的脑袋瓜》一书中有一章专门介绍了他的情况。但是电视系列片中的每一集都跟本书相应的章节密切相关。我希望读者观众能够受益于两者，且相得益彰。

为了明晰起见，我在若干情况下不止一次地介绍了某个概念——先是轻描淡写，然后由浅入深。例如在第一章里，“宇宙物质”这个概念先是简单地介绍一下，后来才进行深入讨论。又如第二章里关于“突变”、“酶”、“核酸”的讨论也是如此。有些概念不是按历史的先后次序阐述的，例如古希腊科学家的思想到第七章才介绍。对约翰尼斯·开普勒的讨论却放在第三章。但是我认为，只有先了解古希腊人因一步之差而没有完成的伟业，我们才能够对他们的成就做出充分的估价。

科学跟人类的其他活动是不可分割的，所以讨论的时候免不要涉及到社会、政治、宗教和哲学的许多问题。有时候是一带而过，有时候则正面论述。

即使拍摄科学电视系列片也常常受到世界性军事行动的干扰。当我们在莫哈夫沙漠用与“海盗”号着陆舱一样大小的模型进行探索火星实习时，我们经常受到在附近试验场进行轰炸航线演习的美国空军的阻扰。在埃及的亚历山大，从早晨 9 点到11点，我们的旅馆是埃及空军扫射航线的演习目标。在希腊的萨莫斯，因为北大西洋公约组织军事演习，他们在地下和山坡上构筑大炮、坦克掩体，所以我们迟迟不能获得自由拍摄权。在捷克斯洛伐克，由于在一条农村公路上使用步话机组织拍片的后勤工作，引起了一架捷克斯洛伐克空军战斗机的注意。这架战斗机一直在我们的头顶上盘旋，我们用捷克语向他们再三保证不会对他们的国家安全构成威胁后才离去。在希腊、埃及和捷克斯洛伐克，我们拍摄小组所到之处都有国家保安机关特工人员的陪同。起初，当我们征求在苏联卡卢加拍摄的意见，并建议就俄罗斯宇宙航行学先驱康斯坦廷·齐奥尔科夫斯基举行讨论会时，我们的要求受到了阻拦。后来我们才知道，那是因为那里即将对不同政见者进行审判。我们拍摄小组人员无论到哪一个国家都受到友好款待，但是全世界到处都有军事活动，每一个国家都忧心忡忡。我的经验更使我决心在电视系列片和本书的有关章节探讨社会问题。

科学的真谛在于其自身日臻完善。新的实验结果和新的学术思想不断地解破旧谜。例如，在第九章里，我们讨论了太阳所产生的难以捕捉的粒子（称为“中微子”）似乎太少这个事实，同时我们还列举了一些不同的见解。在第十章里，我们怀疑宇宙里是否有足够的质量可以最终阻止遥远星系的退行，我们也怀疑宇宙是否能永存不朽。加利福尼亚大学弗里德里克·莱恩斯的实验对这两个问题的认识可能有一定的影响。莱恩斯相信他已有两种发现，其一是中微子以三种不同的状态存在，只有一种可以用观察太阳中微子的望远镜捕捉到，其二是中微子不同于光，是有质量的，因此宇宙空间里所有中微子的引力有助于闭合宇宙而防止它无限膨胀。未来的实验将证实这些观点正确与否，但是这些观点的出现说明了人们勇于不断地对已被普遍接受的基本科学理论进行重新估价。对科学来说这正是最为重要的。

因为这是一个规模巨大的工程，所以不能对每一个有贡献的人都表达我的谢意。然而，我还要特别感谢 B·金特里·李及《宇宙》电视系列片全体制作人员——包括老一辈制片人杰弗里·海恩斯－斯太尔斯和戴维·凯纳德以及监制人艾德里南·马龙，画家乔恩·龙伯格（他那富有独创性的布景设计与组织能力对《宇宙》的拍摄起了关键性的作用）、约翰·阿利森、阿道夫·沙勒、里克·斯特恩巴赫、唐·戴维斯、布朗和安妮·诺西亚；顾问唐纳德·戈德史密斯、欧文·金杰里奇、保罗·福克斯和黛安妮·阿克曼、卡墨伦·拜克；KCET管理人员，特别是格雷格·安多尔弗（他首先把KCET的建议传达给我们）、丘克·艾伦、威廉·拉姆和詹姆斯·洛珀，《宇宙》电视系列片的担保人和合作制片人，其中包括大西洋里奇菲尔德公司、公共广播公司、阿瑟·维宁·戴维斯基金会、艾尔弗雷德·斯龙基金会、英国广播公司和波利特尔国际组织。其他协助人员的名单列在书后。当然，归根结底，我要对本书的内容负责。我还要感谢蓝灯书屋的全体工作人员，特别是感谢本书编辑安·弗里德古德和设计罗伯特·奥利西诺的卓越的工作和在电视系列片及本书最后限期眼看就要发生冲突的时候所表现出来的耐心。我特别感激我的助理谢利·阿登，她任劳任怨，不但出色地承担了第一稿的打字任务，还出色地承担了几个制作阶段不同稿子的打字任务。当然这只是她对《宇宙》拍摄工作的许多贡献之一。我对下列人员感激不尽：康奈尔大学校方（他们给我两年的假期搞这个项目）和康奈尔大学的同事及学生，还有国家航空和航天局喷气推进实验所及“旅行者”号摄像队的同事们。

安·德鲁彦和史蒂文·索特都是这部电视系列片的合著者，他们对写成《宇宙》这本书的贡献尤其大、他们对本书的基本思想及其相互间的联系，对全书的内容及其措词，经常提出宝贵的意见。我深切地感激他们对本书进行严格的审阅，对修订初稿所提出的建设性和创造性的意见，以及对本书内容有重大影响的电视片文稿所作的重要贡献。我在跟他们多次的讨沦中所感受到的乐趣是我从事《宇宙》这项工程的主要报偿之一。

第一章 宇宙的边疆

人类被创造之前称为致命笑巫、黑夜之巫、蓬头与黑巫……他们生性聪明，洞察一切，对周围的事物一目了然，因而对苍穹和地球图谋不轨……(后来造物主说)“他们无所不知……我们该如何对付他们呢？让他们目光短浅吧，让他们眼界狭窄吧！……我们难道不是要把他们造成头脑简单的动物吗？他们难道也要成为神吗？”

《凯查马耶族圣经》

地的广大，你能明透吗？

光明的居所从何而至？

黑暗的本位在于何处？

 《圣经·约伯记》

我索取荣誉的对象不应该是太空，而应该是我的灵魂。假如我拥有一切，我就无所用心。好大喜功则为宇宙汪洋所吞没，开动脑筋则领悟世界。

布菜斯·始斯卡《感想录》

已知的事物是有限的，未知的事物是无穷的；我站立在茫茫无边神秘莫测的汪洋中的一个小岛上。继续开拓是我们每一代人的职责。

T.H.赫胥黎

宇宙现在是这样，过去是这样，将来也永远是这样。只要一想起宇宙，我们就难以平静——我们心情激动，感叹不己，如同回忆起许久以前的一次悬崖失足那样令人晕眩颤栗。我们知道我们在探索最深奥的秘密。

宇宙的大小和年龄不是一般人所能理解的。我们的小小行星只不过是无限永恒的时空中的一个有限世界。从宏观来看，大多数人类所关心的问题都可以说是无关紧要的，甚至是微不足道的。但是，我们人类朝气蓬勃、勇敢好学、前途无量。几千年来，我们对宇宙及我们在宇宙中所处的地位作出了最惊人的和出乎意料的发现。人类对宇宙的探索，回想起来是很令人兴奋的。这些探索活动提醒我们：好奇是人类的习性，理解是一种乐趣，知识是生存的先决条件。因为我们在这个宇宙中只不过是晨空中飞扬的一粒尘埃，所以，我们认为，人类的未来取决于我们对这个宇宙的了解程度。

我们探索宇宙的时候，既要勇于怀疑，又要富于想象。想象经常能够把我们带领到崭新的境界，没有想象，我们就到处碰壁。怀疑可以使我们摆脱幻想，还可以检验我们的推测。宇宙神奥非凡，它有典雅的事实，错综的关系，微妙的机制。

地球的表面就是宇宙汪洋之滨。我们现有的知识大部分是从地球上获得的。近来，我们已经开始向大海涉足，当然，海水才刚刚没及我们的脚趾，充其量也只不过溅湿我们的踝节。海水是迷人的。大海在向我们召唤。我们的本能告诉我们，我们是在这个大海里诞生的。我们还乡心切。虽然我们的夙望可能会冒犯“天神”，但是我相信我们并不是在做无谓的空想。

因为宇宙辽阔无垠，所以那些我们所熟悉的适用于地球的量度单位——米、英里等等已经没有意义。我们用光速来量度距离。一束光每秒钟传播18.6万英里，约30万公里，也就是7倍于地球的周长。一束光从太阳传播到地球用8分钟的时间，因此我们可以说，太阳离我们8光分。一束光在一年之内约穿过10万亿公里(相当于6万亿英里)的空间，这个长度单位——光在一年里所通过的距离——称为一光年。光年不是度量时间的单位，而是度量距离的极大单位。

地球是宇宙中的一个地方，但决不是唯一的地方，也不是一个典型的地方。任何行星、恒星或星系都不可能是典型的，因为宇宙中的大部分是空的。唯一典型的地方在广袤、寒冷的宇宙真空之中，在星际空间永恒的黑夜里。那是一个奇特而荒芜的地方。相比之下，行星、恒星和星系就显得特别稀罕而珍贵。假如我们被随意搁置在宇宙之中，我们附着或旁落在一个行星上的机会只有1033 分之一①。(1033 ，在10之后接33个0)。在日常生活当中，这样的机会是“令人羡慕的”。可见天体是多么宝贵。

从一个星系际的优越地位上，我们可以看到无数模糊纤细的光须象海水的泡沫一样遍布在空间的浪涛上，这些光须就是星系。其中有些是孤独的徘徊者，大部分则群集在一起，挤作一团，在大宇宙的黑夜里不停地飘荡。展现在我们面前的就是我们所见到的极其宏伟壮观的宇宙。我们隶属于这些星云，我们所见到的星云离地球80亿光年，处在已知宇宙的中心。

星系是由气体、尘埃和恒星群(上千亿个恒星)组成的，每个恒星对某人来说都可能是一个太阳。在星系里有恒星、行星，也可能有生物、智能生命和宇宙间的文明。但是从远处着眼，星系更多地让人想起一堆动人的发现物——贝壳，或许是珊瑚——大自然在宇宙的汪洋里创造的永恒的产物。

宇宙间有若干千亿(1011 )个星系。每个星系平均由1000亿个恒星组成。在所有星系里，行星的数量跟恒星的总数大概一样多，即1011 *1011 =1022 。在这样庞大的数量里，难道只有一个普通的恒星——太阳——是被有人居住的行星伴随着吗？为什么我们这些隐藏在宇宙中某个被遗忘角落里的人类就这样幸运呢？我认为，宇宙里很可能到处都充满着生命，只是我们人类尚未发现而已。我们的探索才刚刚开始。80亿光年以外嵌着银河系的星系团催迫着我们去探索。探索太阳和地球就更不用说了。我们确信，有人居住的这个行星只不过是一丁点儿的岩石和金属，它靠着反射太阳光而发出微光。在这样的大距离里，它已经消失得无影无踪。

但是，这个时候，我们的旅程只到达地球上的天文学所通称的“本星系群”。本星系群宽达数百万光年，大约由20个子星系组成，是一个稀疏、模糊而又实实在在的星系团。其中的一个星系是M31，从地球上看，这个星系位于仙女星座。跟其他旋涡星系一样，它是一个由恒星、气体和尘埃组成的巨大火轮。M31有两个卫星，它通过引力——跟使我呆在坐椅上相同的物理学定律——将矮椭圆星系束缚在一起。整个宇亩中的自然法则都是一样的。我们现在离地球200万光年。

M31 以外是另一个非常相似的星系，也就是我们自已的星系。它的旋涡臂缓慢地转动着——每2亿5千万年旋转一周。现在，我们离地球4万光年，我们正处于密集的银河中心。但是， 假如我们希望找到地球的话，就必须将方向扭转到银河系的边远地带，扭转到接近遥远的旋涡臂边缘的模糊的地方。

我们印象最深刻的是，恒星即使在两个旋臂之间，也像流水一样漂浮在我们的四周——气势磅礴的自身发光的星球，有些虽然象肥皂泡一样脆弱，却又大得可以容得下1万个太阳或1万亿个地球；有些小如一座城池，但密度却比铅大100万亿倍。有些恒星跟太阳一样是孤独的；多数恒星有伴侣，通常是成双成对，互相环绕。但是那些星团不断地从三星系逐渐转化成由数十个恒星组成的松散的星团，再转化成由百万个恒星组成的璀璨夺目的大球状星团。有些双星紧靠在一起，星体物质在他们之间川流不息，多数双星都象木星与太阳一样分离开来。有些恒星——超新星——的亮度跟它们所在的整个星系的亮度一样；有些恒星——黑洞——在几公里以外就看不见了。有些恒星的光彩长年不减；有些恒星闪烁不定，或以匀称的节奏闪烁着。有些恒星稳重端庄地转动着，有些恒星狂热地旋转着，弄得自己面貌全非，成了扁圆形。多数恒星主要是以可见光成红外光放出光芒；其他恒星也是X光或射电波的光源。发蓝光的恒星是年青的星，会发热；发黄光的恒星是常见的星，它们已经到了中年；发红光的恒星常常是垂亡的老年星；而发白光或黑光的恒星则已奄奄一息。银河里大约有4千亿个各种各样的恒星，它们的运转既复杂又巧妙。对于所有这些恒星，地球上的居民到目前为止比较了解的却只有一个。

每个星系都是太空中的一个岛屿，它们与其邻居隔光年之距遥遥相望，我可以想象，在无数星球上的生物对宇宙的模糊认识是如何产生的：他们在开始的时候都以为，除了他们自己小小的行星以及他们周围的那些区区可数的恒星以外，再也没有其他的星星了。我们是在与世隔绝的情况下成长起来的，我们对宇宙的正确认识是逐渐形成的。

有些恒星可能被数百万个没有生物的由岩石构成的小星球所包围，这些小星球是在它们演化的某个初级阶段冻结而成的行星系。大概许多恒星郡有跟我们类似的行星系：在外围具有由大气环所包围的行星和冰冻卫星，而在接近中心处则有温热的、天蓝色的、覆盖着云的小星球。在一些行星上可能已经有高级动物，他们也许正在从事某种巨大的工程建设来改造他们的行星世界，他们是我们宇宙中的兄弟姐妹。他们跟我们的差别很大吗？他们的形状、生物化学、神经生态、历史、政治、科学、技术、艺术、音乐、宗教、哲学等方面的情况如何？也许有一天我们会知道的。

我们现在已经回到了我们的后院——离地球1光年的地方。包围着我们的太阳的是一群巨大的雪球，这些雪球由冰块、岩石和有机分子组成：它们就是彗核。每当恒星经过的时候都对它们产生一定的引力作用，最后迫使它们当中的一个雪球倾倒到内太阳系。由于太阳热的作用，冰块被蒸发，于是就出现了美丽的彗尾。

我们现在来到我们星系的行星上。这些星球相当之大，它们都是太阳的俘获物。由于重力作用，它们被迫作近似圆周运动。它们的热量主要来自太阳。冥王星覆盖着甲烷冰，它唯一的伙伴是它的巨大卫星卡戎。冥王星是被太阳照亮的，因为太阳离它很远，从漆黑的天空中看上去，太阳只不过是一个明亮的光点。巨大的气体星球海王星、天王星、土星——太阳系的宝石——和木星部分别有一个冰冻卫星作伴相随（这些行星近年均被发现有更多的卫星甚至卫星群相伴随。——编著）。在气体行星及其冰冻卫星的内侧就是充满岩石的温暖的内太阳系。例如，在那里有红色行星——火星。在火星上有高耸的火山、巨大的裂谷、席卷火星的大沙暴，并且，完全可能还有一些初级形态的生物。所有太阳系的行星都绕着太阳运转。太阳是离我们最近的一个恒星，它是一个令人恐怖的氢气和氦气的热核反应炉，它的强光照耀着整个太阳系。

经过一番漫游之后，我们终于回到了我们这个弱小的浅蓝色星球。宇宙汪洋茫无际涯，范围之大，难以想象，而这个星球仅是其中之一，完全淹没于宇宙汪洋之中，它的存在可能仅仅对我们有意义。地球是我们的家，我们的母亲。人类是在这里诞生和成长的，是在这里成熟起来的。正是在这个星球上，我们激发了探索宇亩的热情。也正是在这里，我们正在痛苦和不安之中掌握我们自己的命运。

人类有幸来到地球这个行星上。这里有充满氮气的蓝天，有碧波荡漾的海洋，有凉爽的森林，还有柔软的草地。这无疑是一个生机勃勃的星球。从整个宇宙来看，它不但景色迷人，天下稀有，而且到目前为止，在我们的行程所经历过的所有时空当中，只有这个行星上的人类开始对宇宙进行探索。必定有许多这样的星球散布在整个宇宙空间里，但是，我们对它们的探索从这里开始。我们有人类百万年来用巨大的代价积累起来的丰富知识。我们这个世界人才济济，人们勤学好问。我们的时代以知识为荣。我们是很幸运的。人类是宇宙的产物，现在暂时居住在叫做“地球”的星球上。人类返回家园的长途旅行已经开始。

跟许多其他的发现一样，人类发现了地球是一个小星球。那是在古代的近东地区，在被一些人称为公元前三世纪的时代，在当时最大的城市——埃及的亚历山大发现的。在这个城市里住着一个名叫埃拉托斯尼的人，当时一个最羡慕他的人称他“贝塔(β)”——希腊文的第二个字母。这是因为，他说埃拉托斯尼是世界上第一个无所不知的人。但是埃拉托斯尼显然几乎在所有的领城里都是“阿尔法(α)”(希腊文的第一个字母)。他是一个天文学家、历史学家、地理学家、哲学家、诗人，戏剧批评家和数学家。他的著作从《天文学》到《痛解论》，样样都有。他还是亚历山大市图书馆的馆长。有一天，他从该馆的一本手抄本里读到下面—段话：在南部边疆西因前哨靠近尼罗河第一大瀑布的地方，在6月21日正午， 直立的长竿在地面上没有投下阴影。在夏至那天——一年当中白昼最长的一天，接近中午的时候，圣堂圆柱的阴影越来越短，最后在正午消失掉。这时太阳从头顶上直射下来，在一口深井的井水里可以看到太阳的倒影。

上述的观察是很容易为人们所忽略的。长竿、阴影、井里的倒影、太阳的位置——日常生活中这样简单的事情有什么重要的意义呢？但埃拉托斯尼是一个科学家，他当即想到做一个实验，实地观察一下亚历山大的直立长竿是否在6月21日正午会在地面上投下阴影。结果他们的实验证实；长竿在地面上投下了阴影。

埃拉托斯尼自我思忖：为什么在西因的长竿不投下阴影，而同一时刻在北边的亚历山大的长竿却投下明显的阴影呢？假设在一幅古埃及的地图上有两根等长的垂竿，一根直立在亚历山大，另一根直立在西因。假定在某一个特定的时刻两根长竿都没有在地面上投下阴影，这一点很容易理解——只要地球是扁平的。这时候，太阳在头顶直射。如果两很长竿在地面上投下等长的阴影的话，在扁平的地球上也说得通：这个时候太阳光线以同样的角度斜射在这两根长竿上。但是在同一时刻，在西因没有阴影，而在亚历山大却有明显的阴影，这究竟是怎么一回事呢?

他认为唯一可能的答案是：地球的表面是弧形的，而且弧度越大，阴影长度的差别就越大。因为太阳离我们如此之远，所以阳光照射到地球的时候是平行的。长竿与太阳光线的夹角不同，它们在地面上投下阴影的长度也就不同。就投在地而上的阴影长度的差别而言，亚历山大和西因之间的距离必定是它们在地面上的偏差角——约7度。也就是说，假如将长竿插入地心，它们就会在那里相交成7度角。7度相当于整个地球圆周360度的1/50。埃拉托斯尼知道亚历山大和西因之间的距离约800公里，因为他雇人步测过。800公里乘50等于40 000公里：这就是地球的圆周长度（原注：如果改用英里作量度单位，亚历山大和西因之间的距离约等于500英里，那么地球周长即为500英里×50＝25 000英里）。

这个答案是正确的。埃拉托斯尼唯一的工具是长竿、眼睛、脚和头脑，再加上对实验的兴趣。凭着这些东西，他推断出地球的圆周长度，误差只有百分之几，这在2200年前是一个非凡的成就。他是第一个正确地测量出一个行星的大小的人。

那时的地中海以航海业驰名，亚历山大是当时我们这颗行星上最大的海港。当你知道地球是一个直径不太大的星球时，难道你不想出海去探索吗？难道你不想去探索那些未被发现的国土，甚至去做环球航行吗？比埃拉托斯尼早400年的时候，一支腓尼基舰队受雇于埃及法老尼科，曾经环绕非洲一周。他们从红海启航（很可能是乘没有甲板的敞口船），顺着非洲东岸南下，再从大西洋北上，最后从地中海返航。这次史诗般的旅程花了3年的时间，相当于现代“旅行者”号宇宙飞船从地球飞往土星所需的时间。

根据亚历山大城阴影的长度，可以测出角A的度数。根据简单的几何公式（“两平行直线被第三条直线所截，内错角相等”），角B等于角A。于是，在测出亚历山大城阴影的长度后，埃拉托尼推算出亚历山大城和西因城在地球表面的距离（偏差角——译注）是：∠A＝∠B＝7°

在埃拉托斯尼的发现之后，勇敢而好冒险的水手多次进行过伟大的航海尝试。他们的船只很小，他们的航海仪器很不完善，他们仪根据测程仪和罗盘推算船位，并且尽可能沿着海岸航行。在陌生的大海里，他们虽然能够通过一夜又一夜地观察星座与地平线的相对位置来测定船只的纬度，但却不能够测定船只的经度。熟悉的星座对在陌生大海里的人一定是一个极大的安慰。星星是探索者的朋友，在当时就是地球远洋航船的朋友，而现在则是太空宇宙飞船的朋友。埃拉托斯尼算出地球的圆周长度之后，有些人可能尝试过环球航行，但是在麦哲伦以前，没有人获得成功。勇敢和冒险的故事在早期一定被说成是水手和航海家——世界上最讲究实际的人——拿他们的生命跟亚历山大的一个科学家的数字打赌！

在埃拉托斯尼时代，人们造出了地球仪，用以表示从空间看到的地球。这种地球仪在他们了如指掌的地中海地区基本上还是切合实际的，但是离开他们家乡越远，这种地球仪就变得越不符合实际。我们现在对宇宙的认识也难免遇到这种不愉快的情况。在第一世纪，亚历山大的地理学家斯特拉博写道：

“那些试图环球航行的人，返回的时候并没有说他们曾经受到大陆的阻碍，因为大海始终是敞开的。他们之所以返回，是因为信心不足、缺乏粮食……埃拉托斯尼说过，如果广袤的大西洋不是一个障碍的话，我们可以很容易地通过海路从伊比利亚抵达印度……在温带完全有可能有一、两个可居住的陆地……当然，如果(我们星球的另一部分)有人居住的话，住在那里的人跟我们是不同的，所以我们要把那里看成是另一个世界。”

人类就是这样开始千方百计地探索其他世界的。

后来对地球的探索是全球性的，有到中国和波利尼西亚去的，也有从中国和波利尼西亚出发的。当然，克里斯托弗·哥伦布发现美洲及随后几个世纪的历程算是达到了高潮，因为到那个时候，从地理上探索地球的任务已告结束。哥伦布的第一次航行与埃拉托斯尼的计算最直接相关。哥伦布对自己的“印度群岛冒险计划”简直着了迷，他不打算顺着非洲海岸航行，然后向东驶抵日本、中国和印度，他决心闯入陌生的西部海洋——即象埃拉托斯尼所大胆预见的那样，“通过海路从伊比利亚抵达印度”。

哥伦布曾经是旧地图的行商，也是古代地理学家——其中包括埃拉托斯尼、斯特拉博和普图利米——的著作和关于他们的著作的热心读者。但是，为了推行“印度群岛冒险计划”，为了使船只和船员能够在长途航行中生存下来，地球必须比埃拉托斯尼所说的小，所以，哥伦布在计算的时候耍了个花招。正如萨拉罗卡大学的考察人员准确无误地指出的那样，从哥伦布能找到的所有书本上，他采用了最小的地球圆周长度和最大的亚洲东延范围，甚至还再加以夸大。假如哥伦布在旅途中没有遇到美洲的话，他的探险就会彻底失败。

现在地球已经经过彻底的探索，再也不可能发现什么新大陆或失落的土地。但是，过去我们用来探索并定居住地球最遥远的地区的技术，现在可以用来飞离我们这个行星，去进行宇宙探险，去发现其它星球的秘密。飞离地球我们能够居高临下地对它进行观测，能够看到埃拉托斯尼测量出来的整个地球的球体及其大陆的轮廓，从而证实古代许多制图家有卓越的才华。埃拉托斯尼和亚历山大其他地理学家看到这些该会有多么高兴啊？

从某种意义上说，人类大约在公元前300年之后的600年时间里，在亚历山大这个城市开始了智力的冒险，这种冒险把我们引导到宇宙的海岸。但是，关于这个大理石般的光荣城市的形状以及人们的感觉，却没有任何记载可查，压制和惧怕已使人们几乎把古亚历山大遗忘得一干净。它的居民形形色色，简直不可思议，既有马其顿和后来的罗马土兵，埃及的祭司，希腊的贵族，腓尼基的水手，犹太商人，也有来自印度和撒哈拉沙漠南部非洲的访问者。在亚历山大兴盛的大部分时期内，除了大量的奴隶以外，人们都和睦相处，互相尊重。

这座城市是亚历山大大帝创建并由他从前的一个侍卫建成的。亚历山大鼓励重视外来文化，提倡虚心求知。根据传说——这种传说是否真实无关宏旨——他是在红海中世界上第一个钟形潜水器里降生的。他鼓励他的将土们与波斯和印度的女子通婚。他尊重其他国家崇拜的神。他搜集异国的生物（包括替他的老师亚里士多德搜集的—头象）。为了把他的城市建成世界贸易、文化和知识的中心，他不惜工本。这座城市因为有以下这些名胜而光彩夺目：30米宽的林荫大道，优雅的建筑和雕像，亚历山大陵，还有那座大灯塔——古代世界七大奇迹之一。

然而，亚历山人最大的奇迹是它的图书馆及其附属的博物馆(实际上是—个纪念9位文艺女神的公共场所)。在这个传奇般的图书馆里，至今残存最多的是图书馆附属建筑“塞里皮恩”里的那个一度被人遗忘的阴湿的地下室。它的唯一残物可能就是几个腐朽的书架，但是，这个地方曾经是我们这个行星上最伟大城市的智囊和荣誉，它是世界历史上第一个真正的科学研究所。该图书馆里的学者对整个宇宙进行了研究。“宇宙”(cosmos)这个词来自希腊语，意思是“天地万物，井然有序”，从某种意义上说，它是“混沌”(chaos)的反义词。它暗示了天地万物之间的相互联系，表明了人类对错综微妙的宇宙机制的敬畏。这是一个学者云集的地方，他们在这里研究物理学、文学、医学、天文学、地理学、哲学、数学、生物学和工程学。科学和学识发展了，天才在那里茁壮成长。亚历山大图书馆是我们人类最先系统而认真地搜集世界知识的地方。

除了埃拉托斯尼之外，还有天文学家希帕恰斯，他绘制了星座图并估算了恒星的亮度；欧几里得，他以卓越的才能将几何学进行系统的分类，并对正在费力地解一道数学难题的国王说：“通往几何学的道路中可没有为皇家铺设的康庄大道”；色雷斯的狄俄尼斯，他给词类作了定义，他对语言学的贡献，就象欧几里得对几何学的贡献一样；赫罗菲勒斯，生理学家，他确证智力活动的中心是在脑部而不是在心脏；亚历山大的赫伦，齿轮火车和蒸汽机的发明者，《自动装置》——第一本论述机器人的专著——的作者；佩尔加的阿波洛尼厄斯，数学家，他论证了圆锥曲线的各种形式（原注：之所以称为圆锥曲线是因为它们是以不同的角度从圆锥体上切割而成的，18个世纪这后，阿波洛尼厄斯论圆锥曲线的著作终于被约翰尼斯·开普勒首次用来理解行星的运动）——椭圆、抛物线和双曲线——(我们现在知道)这些曲线是行星、望星和恒星的运行轨迹；阿基米德，列昂那多·达·芬奇之前最伟大的力学天才；还有天文学家和地理学家托勒密，他编著了我们今天称为假科学的星占学；他的地心说统治了1500年。这个事实说明智慧并不能保证不犯大错误。在那些伟大的男子之外，还有一位伟大的女性——海帕希尔，她是数学家和天文学家，是这所图书馆最后一个名人，她的殉难与该馆建成七个世纪后的毁灭有密切关系。关于这个故事，我们后面还会谈到。

在亚历山大大帝之后的那些统治埃及的希腊国王们很重视学问，在几个世纪的时间里，他们始终扶植科研工作，并在图书馆里为时代的精萃保持良好的工作环境。该馆有10个研究大楼——分别用于不同学科的研究，许多喷泉和柱廊，几个植物园，一个动物园，几个解剖室，一个天文台，还有一个大餐厅，闲暇的时候，人们在厅里讨论问题。

这个图书馆的心脏是它的藏书。图书管理员到处搜罗世界各国的文化和文字，他们派人到国外尽可能买进图书资料。停泊在亚历山大的商船受到警察的搜查——搜查的目标不是走私货，而是图书。他们借来古书卷，誊抄之后再还给主人。虽然该馆的精确藏书数难以估计，但是收藏50万卷是完全可能的，而且全部都是纸莎草纸的手抄本。这些书都到哪里去了呢？创造这些书卷的古典文明崩溃了，连图书馆也被蓄意摧毁了。只有一小部分作品幸存下来，剩下的就是一些可怜的零零星星的碎片。这些可望而不可即的残片是多么令人心焦啊！例如，我们知道这个图书馆的书架上有一本萨摩斯天文学家阿里斯塔恰斯的著作，他论证说地球是行星之一，也是绕太阳运转的，他还论证说恒星离我们极为遥远。这些结论都是完全正确的，但是我们却等到将近2000年后才重新发现这些真理。我们对阿里斯塔恰斯这本著作损失的认识要提高10万倍，才能理解古典文明的伟大成就及其毁灭的悲剧性。

我们今天的科学已经远远地超过了古代科学，但是我们对历史的认识还存在着不可弥补的缺陷。试想一想，多少历史上的谜只要用亚历山大图书馆的一张借书证就可以得到解答。我们知道有一套三卷的世界史现在丢失了，作者是一个名叫彼罗萨斯的巴比伦祭司。该书第一卷论述从“创世”到“大洪水”时期，他认为这个时期是43.2万年，也就是说比《旧约全书》的年代纪还要长100倍。我很想知道书里到底写了些什么。

古人懂得宇宙的历史已经很长了，他们试图了解它的遥远的过去。我们现在知道宇宙远比我们所想象的要古老得多，我们已经考察了宇宙空间，知道我们住一个模糊星系的最遥远的角落里，住在一粒环绕着一颗平凡的恒星的尘埃上。如果我们是无限的空间里的一小点的话，我们在无限的时间里也占据了一瞬间。我们现在知道我们的宇宙——或者至少它的最近的化身——大约有150亿年或200亿年的历史了。这就是所谓的“大爆炸”以来的时间。在宇宙的开初是不存在星系、恒星或行星的，也没有生命或文明。当时的宇宙只不过是—个充满整个太空的均匀的辐射火球。从大爆炸时的混沌过渡到我们现在开始认识的宇宙，是我们有幸瞥见的物质和能量的最可怕的转化。在我们发现其他更聪明的智能生物之前，我们现在的人类就是最引人注目的转化结果——大爆炸的远代子孙。我们的使命是了解并进一步转化诞生我们的宇宙。

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①1个billion(10亿)=1000,000,000=10⁹ ；一个trillion(万亿)=1000,000,000,000=10¹² ，等等。指数表示1之后0的个数。

第二章 宇宙的音乐

我奉命听任万物之主的摆布。
你们都是他用泥土造出来的。
《古兰经》第四十章

最古老的哲学——进化论——在经院哲学统治的1000年内被捆住了手脚，打入冷宫。但是达尔文恢复了这个古老理论的元气。镣铐碎裂了已经证明，这个复兴的古希腊思想，比任何被轻易接受而又迎合后来70多代人类迷信的占星天象图更能够正确地揭示宇宙万物的规律。——T.H.赫胥黎

曾经生活在这个地球上的一切生物体很可能都是从某一种原始形态遗传下来的，生命最先被注入到这种形态里……这种生命观是十分动人的。因为，当这个行星遵循着固定的引力定律不停地旋转的时候，极简单的原始形式一直并且继续在演化成无穷无尽的最美妙的形式。——查尔斯·达尔文《物种起源》

在可见的宇宙范围内，看样子存在着许多类似的物质，因为在那些恒星上也有许多大阳和地球上存在的元素。值得注意的是，在群星上分布最广泛的元素是一些跟我们地球上的生物体联系最密切的元素，其中包括氢、钠、镁和铁。那些比较亮的恒星至少象我们的太阳一样，是适宜生物生长的星系的支柱和能量源泉。这难道不可能冯?——威廉·哈根斯

在我的一生中，我一直疑惑别的地方是否也可能有生命的存在。它的形式如何？是怎样造成的？我们行星上的一切生物都是由有机分子——碳原子起核心作用的复杂的微型结构——组成的。生命诞生之前，地球曾经是一个荒芜的不毛之地。现在，我们的星球是生机勃勃的。为什么会变成这样呢？在没有生命的情况下，以碳为核心的有机分子是怎样形成的？最初的生物是如何产生的？生物是如何进化到能繁殖象我们这样能够探索自身奥秘的复杂的高级动物的？

在无数其他环绕别的恒星的卫星上也有生命吗？地球以外的生命——如果存在的话——跟地球上的生命一样也是以有机分子为核心吗？其他星球上的生物跟地球上的生物长得基本相象吗？或者说他们极端不同——不同环境下有不同适应性变化？还有什么其他的可能性？研究地球上生命的性质与探索其他地方的生命是同一问题的两个方面，即探索我是谁。

在恒星之间茫茫的黑夜里，存在着气体云、尘埃和有机质。通过射电望远镜，我们发现那里有数十种不同的有机分子，这些分子的大量存在，表明生物无所不在。生命的起源和进化很可能是宇宙的必然规律，只是时间迟早不同而已。在银河系的几十亿个行星当中，有些行星可能永远也不会产生生命，有些行星可能有生命的兴亡，或者只是停留在生命的最简单形式而已，但是在一小部分的星球上可能有比我们人类更高级的智慧和文明。

有时候，有的人会说，真凑巧，地球这个地方完全适宜于生物的生长——气候温和，流水清澈，空气新鲜，等等。但这种看法起码是混淆了因果关系．我们居住在地球上的人对地球的环境非常适应，这是因为我们是在这里成长的，那些不适应的早期生物形态被淘汰了。我们是适应性强的生物体的后代。无疑，在环境完全不同的星球上生长起来的生物体也会自鸣得意。

地球上的一切生物都是密切相关的，我们有共同的有机化学机制和共同的进化遗传特征。因此，我们的生物学家的知识面就显得十分狭窄。他们只研究一种生物学——生命乐章中单一的主题。在成千上万光年里难道只有这么一个微弱的曲调吗？或者还有一种宇宙赋格曲，一种多主题和多声部，谐和音与不谐和音的共鸣乐曲——亿万种不同的声音鸣奏出银河系生命的旋律。

让我告诉你们一个关于地球生命乐章中的一个小乐曲的故事吧。1185年，日本天皇是一个名叫安德的7岁男孩，他是平家武土集团的名义领袖。当时该集团跟另一个武士集团——源氏武士集团——正在进行着一场长期的血腥战争。他们都宣称自己是天皇的正统继承人。1185年4月20日，在日本内海坛野里爆发了决定性的海上遭遇战，天皇也在船上。平家一方因寡不敌众，溃不成军，伤亡惨重。幸存者一大批一大批地涌到海里淹死。天皇的祖母丹井皇太妃决意不让敌方将她和安德俘获。后来的情况在《平家物语》①一书里有记载：

天皇时年7岁，但显得老成。他英姿焕发，讨人喜欢，乌黑的长发松散地垂在背后。他神色惊惶地问丹井皇太妃： “你要把我带住何处？”

皇太妃转脸望着年幼的君主，老泪纵横……她安慰他，把他的长发扎在他的粉红色的长袍里。小君主泪珠涟链，懒掌双合，先朝东向伊势神道别，然后朝西念佛（念阿弥陀佛）。丹井皇太妃将他紧紧地抱在怀里，嘴里念着“我们的宫殿就在大海的深处”，然后跟他一起沉没到波涛之下。

平家的舰队全军覆没，只有43个妇女活下来，迫于生活，这些宫廷侍女只好向战场附近的渔民兜卖鲜花成提供其他的服务。平家武士集团几乎从历史上消声匿迹，但是那些前宫廷侍女和渔民们所生的后代纠集在一起，定下了纪念该战役的节日。他们每年4月24日都举行纪念活动，至今依然如此。平家的渔民后裔披麻戴孝，到埋葬天皇的赤万圣陵去观看记述坛野里战役之后的历史事件的演出。几个世纪以来，人们觉得他们似乎清楚地看到罪恶的武士阶级的军队妄图舀干海水，清洗他们的血债、失败和耻辱。

渔民们说，平家的武士一直到现在仍然在日本内海的海底里漫游，体态如蟹。在这里可以发现背部斑纹古怪的蟹（译注：这种蟹学名为关公蟹，日本俗称武士蟹），其模样和形状都跟武士的面孔惊人地相象，人们捉到这种蟹的时候就把它们放回到海里，以纪念坛野里发生的令人悲哀的事件。

这个传奇故事提出了一个有趣的问题。为什么武士的脸会被雕刻在蟹壳上呢？答案似乎是，这种脸型是人造成的，蟹壳上的模样是遗传下来的。跟人一样，蟹也有许多不同的血统，假定这种蟹的祖先当中碰巧有一只蟹的模样跟人的面孔相象，哪怕只是稍微相象，即使在坛野里战役之前，渔民们也不会把它吃掉。当他们把它丢回海里的时候，他们就有了一个进化过程：如果你是一只蟹，你的壳是普普通通的，人类就会把你吃掉，你这一血统的后代就会减少，如果你的壳跟人类的面孔稍微相象，他们就会把你扔回海里，你的后代就会增多。蟹壳上的模样是蟹的一大投资。随着世代的推移——人蟹都一样——那些模样最象武士脸型的蟹就得天独厚地生存下来。因此，最终的产物不是一般人的脸型，也不是日本人的脸型，而是武士的严峻面容，所有这一切都与蟹的需求无关。淘汰是外部作用的结果。你的外貌越象武士，你的生存机会就越大，最后就产生了许许多多的武士蟹。

上述这个过程称为“人工选择”过程。就平家武士蟹而言，这个过程基本上是渔民们不自觉的选择过程。当然，这个过程跟蟹的意愿毫无关系。但是，人类几千年来对动植物的存亡一直在进行着精心的抉择。从婴孩期开始，我们就被熟悉的农场、家畜、水果、树木和蔬菜所包围。这些动植物从何而来？它们是曾经独立生存在野外，后来才被诱引到农场里过比较安逸的生活的吗？不，事实正好相反，它们大多数是我们造就的。

一万年前，奶牛、猪狗、大穗玉米等是不存在的。当我们驯化这些动植物——有些动植物的模样跟现在完全不同——的时候，我们控制住了它们的繁殖。我们让那些理想的品种优先繁殖。当我们需要用狗来牧羊的时候，我们就挑选那些机敏、驯服并且具有一定放牧天才的品种，因为我们可以利用狗的这种天才来看管成群猎食的动物。奶牛之所以有大乳房，是人类喜欢吃牛奶和乳酪的结果。我们现在吃的既可口又富有营养的玉米，是从它的瘦瘠的祖先开始，经过几万年的培育而成的。事实上，玉米已经变得没有人的干预而不能繁殖了。

无论是平家蟹、狗、奶牛还是玉米，人工选择的实质在于动植物的许多生理和行为特征被忠实地遗传下来。由于种种理由，人类促进了某些品种的繁殖，阻止了另一些品种的繁殖。被选中的品种竞先繁殖，终于繁盛起来；未被选中的品种日益稀少，甚至灭绝。

但是，既然人类能够造就动植物的新品种，难道自然就不能够吗？这个相应的过程称为“自然选择”过程。从人类生存在地球上短暂时期内对野生动植物的改造以及化石所提供的证据。我们非常清楚地看到，生物在亿万年里已经发生了根本的变化，化石毫不含糊地向我们表明，过去曾经大量存在的生物现在已经灭绝（原注：虽然西方传统的宗教舆论与这种观点大相径庭。例如，1770年，约翰·韦斯利认为：“死亡绝对不能够毁灭(哪怕是)最微小的物种。”）在地球历史上，已经灭绝的物种远比至今仍然存在的物种要多得多，它们是进化的终端试验品。

驯化所引起的遗传变化是非常迅速的。野兔一直到中世纪初才开始驯化（是法国修道士饲养的，因为他们把新生的小兔子当作鱼。所以在教会日历的某些天，兔肉不属于禁食的肉类），咖啡驯化于十五世纪，甜菜驯化于十九世纪，水貂现在仍处于驯化前期。在不到一万年的时间里，驯化的结果使绵羊的产毛量从l千克增加到10~20千克，使哺乳期奶牛的产奶量从几百毫升增加到100万毫升。如果人工选择在这么短的时期内能够引起这么大的变化，自然选择在几十亿年里能够引起什么样的变化呢？绚丽多彩的生物界就是答案。进化是事实，而不是理论。

“自然选择就是进化的机制。”这个伟大的发现是跟查尔斯·达尔文和艾尔弗雷德·华菜士的名字联系在一起的。一个多世纪之前，他们强调指出：自然是多产的、动植物产生的数量比它们可能生存的数量多得多，因此，自然环境选择那些碰巧更适合于生存的品种。突变——遗传特征的突然变化——是遗传的，它们为进化提供了原料。因为自然环境选择那些能够提高存活率的品种，结果引起了一系列生物形态的缓慢变化——新物种的起源②。

达尔文在《物种起源》这本书里的原话是：
人类实际上不会引起变异性；人类只是无意识地将生物体暴露在新的生活环境里，然后大自然才对组织发生作用，从而引起变异性。但是人类能够、而且的确选择了大自然所赋予的变异，并以各种理想的方式积累起来。人类就是这样改造动植物使其满足自己的意愿。人类的改造活动可能是系统的，也可能是不自觉的。他们可能只是将对他们最有用的生物保存起来，根本没有想到要改变品种……没有任何理由认为适用于驯化的原理就不适用于大自然……产生的生物比可能生存的生物来得多……在生物竞争的过程当中，不管其年龄或所处的季节如何，一种生物对其他生物的最微弱优势，或者对周围环境那怕是最轻微的较佳适应性，都会定决定性的作用。

T.H.赫胥黎在十九世纪是进化论最有影响的捍卫者和宣传者，他写道：“达尔文和华莱土的著作是一道闪光，它给在黑夜里迷失方向的人展现了一条道路。不管这条道路是否把他直接带到家里，但是肯定把他引上了正路。当我刚刚理解《物种起源》的精义的时候，我曾经这样想：我们怎么没想到这一点呢？多蠢啊！我猜想哥伦布的朋友也会是这么说的……变异性、生存斗争、环境适应性等是众所周知的事实。但是在达尔文和华莱士驱走黑暗之前，我们谁也没想到它们就是通往解决物种核心问题的道路。”

当时许多人对进化论和自然选择这两种观点都十分反感（现在有些人仍然如此）。当我们的祖先看到地球上巧妙的生物和生物体的构造如何完美地行使其功能的时候，他们以为一定有一个伟大的设计师。即使最简单的单细胞生物体，也是一部比最精致的袖珍手表还要复杂得多的机器，可是袖珍手表却不会自动组装，也不是自己一步一步地从有摆的落地大座钟演化来的。有手表就说明有表匠。原子和分子似乎不可能自动地结合在一起，形成使地球到处都是生机勃勃的极其复杂和微妙的生物体。“每一个生物体都是特意设计出来的”、“物种不会转化”等观点与我们缺乏史料的祖先对生物的看法是完全一致的，“每一个生物体都是由一个伟大的设计师精心构造出来”的观点使自然界条理化，使人类自命不凡——我们现在依然热中于此。所谓的“设计师”，是对生物界的一种自然的、投人所好的解释。但是，正如达尔文和华莱士所指出的那样，还有另一种同样投人所好而且是令人心悦诚服的解释：自然选择——它使生命的乐曲一代比—代更美妙。

化石所提供的证据可能与“伟大的设计师”的观点相吻合；也许这个设计师对某些物种不满意的时候就把它们毁掉，然后再试验新的花样。但是这种观点有点令人茫然。每一种动植物都是精心制造的，一个万能的设计师难道不能从一开始就随心所欲地制作吗？化石所提供的证据说明了一个尝试与谬误的过程——对预见未来无能为力，这种特征与万能的伟大设计师是格格不入的（虽然与性格比较温和和内向的设计师并不是格格不入的）。

五十年代初，我还是大学生的时候，我在H.J.马勒的实验室里做事，这是很幸运的。因为他是一个伟大的遗传学家，他发现辐射能够引起突变，同时也是他首先提请我注意平家蟹是人工选择的一个例子。为了掌握实用遗传学，我花了好几个月的时间做果蝇（Drosophila melanogastes，意思是黑身嗜露者）的实验。这是一种驯良的生物，有两个翅膀，一双大眼睛。我们把它们装在粉红色的奶瓶里，让不同的品种进行杂交，然后观察亲本基因重新组合后会产生什么样的形态，观察自然突变和人工突变会产生什么样的形态。雌蝇总是把卵下在技术员放在瓶里的糖蜜上，瓶子用塞子塞住，两周之后受精卵变成幼虫——蛹，最后蛹又形成果蝇成虫。

有一天，我正在用一个低倍双筒显微镜观察一批刚到的用醚轻度麻醉的果蝇成虫，并忙着用驼毛刷将不同的品种分开。使我感到惊愕的是，我偶然发现了一个非常不同的东西，这不是一般的小变异，例如白眼睛变成红眼睛，或者没有颈毛变成有颈毛。这是一种机能健全的新品种，翅膀显著得多，羽状触角也长。马勒说过，在一代里绝不可能有重大的进化，可是这个范例却发生在自己的实验室里，因此我断定，这是命运的安排。要向他解释这种现象，我感到有点为难。

我怀着沉重的心情敲了他的门。“进来！”里面传来了低沉的声音。我进去的时候发现房间的光线都遮住了，只有一盏小灯照着那架他正在使用的显微镜镜台。就是在这样黑暗之中，我结结巴巴地解释说：“我发现了一种怪异的蝇，可以肯定它是由糖蜜里的蛹形成的。”我并没有想惊动马勒，但是他却问道：“是不是更象鳞翅目而不象双翅目？”他的脸渐渐地亮起来，我不知所措，他就追问道：“是不是有大翅膀？是不是有羽状触角？”我莫明其妙地点头，说有。

马勒打开头顶上的灯，亲切地笑着。原来，这种现象人们早就发观了。有一种蛾，它们已经适应果蝇遗传学实验室的生活环境。它们既不象果蝇，跟果蝇也毫不相干，它们要的是果蝇的糖蜜。就在实验室技术员打开瓶塞和盖上瓶塞的那一瞬间——比如给广口瓶添加果蝇的时候，母蛾便来个俯冲轰炸，将卵产在香甜的糖蜜里。当时我并没有发现什么大突变，我只偶然发现了自然中的另一种有趣的适应性的变化——它本身就是小突变和自然选择的产物。

进化的奥秘在于死亡和时间——大量对环境不适应的生物体的死亡，以及碰巧有适应性的小突变进行长期演化所需要的时间。抵制达尔文和华莱士进化论的一部分原因是因为我们难以想象千万年的时间是怎么过去的，更不用说想象亿万年时间是怎么过去的。对那些只生存百万分之一年的生物来说，7000万年简直不可思议。我们就像蝴蝶一样，振翅一天便以为那就是一生。

地球上所发生的一切可能跟许多星球上的生物进化多少有类似的地方，但是就蛋白质的组成和化学性质或脑神经系统这样的细节而言，地球上的生物史在整个银河系里可能是独一无二的。地球是46亿年之前由星际气体和尘埃凝结而成的。根据化石所提供的证据，我们知道，没多久——大概40亿年之前，在原始地球的湖海里就产生了生命，最初的生物还没有单细胞生物体——这已经是一种相当高级的生物形态——那么复杂．最初的活动也简单得多。当时，闪电和太阳辐射的紫外线正在分解原始大气层中氢的成分很高的简单分子，分解的碎片又自动结合成越来越复杂的分子。这种早期的化学物质溶解在海洋里，形成了一种逐渐复杂的有机液。最后，有一天，纯粹是出于偶然，出现了一种能够利用有机液里的其他分子作为预构件粗略地复制自己的分子（关于这个题目，我们以后会再讲的）。

这就是脱氧核糖核酸（DNA）——地球生命的基本分子——的最早祖先，它的状貌象螺旋状梯子，我们可以在分子的四个不同部位找到它的梯级。这些梯级称为核苷酸，它们构成了遗传密码的四个字母，扼要地发出生殖特定生物体的遗传指令。地球上的每一种生物都有各自不同的遗传指令，但是它们使用的书面语言基本上是一样的。生物体之所以不同是因为它们的核酸指令不同，突变就是核苷酸的变化，它会遗传给下一代，是一种真实遗传。因为突变是核苷酸的随机变化，所以大多数突变是有害的或致死的，它们的遗传密码会指令产生非官能酶。要通过突变改善一种生物体的功能，需要很长的时间，然而，正是因为这种不大可能发生的事情——百万分之十厘米宽的核苷酸的有益的小突变，带动了进化过程。

40亿年前，地球是一个分子的乐园，当时还没有捕食者。有些分子进行低效繁殖，它们竞争预制构件，粗略地复制自己。随着繁殖、突变和对最低效品系的选择性淘汰，进化不停地进行着，即便是在分子的位级也在不停地进行着。久而久之，分子的繁殖效能改善了，具有特别功能的分子终于结合在一起，形成一种分子集体——初始细胞。现今的植物细胞里含有微型的分子工厂，称为叶绿体，负责光合作用，将阳光、水和二氧化碳转化成碳水化合物和氧。血液里的细胞含有另一种不同的分子工厂，称为线粒体，其作用是使食物跟氧结合在一起，从而使食物释放出有用的能量。这些工厂现在仍然存在于动植物的细胞内，但是它们本身可能曾经是独立生存的细胞。

到30亿年前，若干单细胞植物已经组合在一起，也许是因为在细胞一分为二之后，突变阻止了它们的分离，初始的多细胞生物体产生了。人体内的每个细胞都是一种公社，由曾经独立生活的社员为了共同的利益而结合在一起，因此人是由100万亿个细胞组成的，我们每个人都是一个群体。

性大约是20亿年前产生的。在那之前，新的生物体只能从随机突变——逐字逐句对遗传指令变化的选择——的积累过程中产生。进化一定是一个极其缓慢的过程，随着性的产生，两个生物体就能够整段、整页和整本地交换它们的DNA遗传密码，繁殖出可供筛选的新品种。生物体有选择地进行性的活动，那些对性的活动不感兴趣的物体就迅速地绝灭。不仅20亿年前微生物的情况是如此，我们人类现在对DNA遗传密码的交换也有显著的兴趣。

到10亿年前，由于协作的结果，植物已经深刻地改变了地球的环境。绿色植物会制造分子氧。因为当时的海洋充满了简单的绿色植物，所以氧正在变成地球大气层的主要成分，结果以不可逆转之势改变了原来氢的成分很大的大气层的性质，从而结束了生物是由非生物过程产生的地球历史时代。然而，轻而易举地使有机分子瓦解，虽然我们喜欢它，但从根本上说，氧对没有保护的有机物却是一种毒药。在生命的历史上，大气层的氧化造成了极大的危机，大量的生物体因为适应不了氧而灭亡，少数原始生物，例如肉毒杆菌和破伤风杆菌，即使现在也只能生活在无氧的环境条件下。地球大气层里的氮的化学性质很不活泼，因此氮比氧温和得多，但是氮也使生物付出了巨大的代价。总之，地球大气层的百分之九十九源自生物，我们的天空是用生命换来的。

在生命起源之后40亿年的大部分时间里，主要的生物体是微小的深绿色的海藻，它们布满了整个海洋。 接着，大约6亿年之前，海藻的垄断地位被打破了，新的生物急剧增加。这个事件称为“寒武纪爆炸”。地球产生之后几乎立即产生了生命，这说明生命在类似地球的行星上可能是一个不可避免的化学过程。但是，在30亿年的时间里，生命并没有从深绿色的海藻进化多少，这说明有特殊器官的大生物是很难形成的，甚至比生命的起源还难。也许现在许多其他的行星存在有大量的微生物，但是没有大的动物和植物。

寒武纪爆炸之后不久，海洋里充满了许多不同形态的生物。到5亿年以前，已经有大量成群结伙的三叶虫，它们是体态漂亮的动物，有点象大昆虫，有些在海底成群猎食，它们的眼睛里有晶体，可以探测偏振光。但是现在三叶虫已经不复存在了，它们已经于亿年前消失了。地球一度有过的动植物，如今已无活着的迹象。当然，现在地球上的各种生物过去没有存在过。物种就是这样来去匆匆，一闪而过。

寒武纪爆炸之前，物种的演化似乎相当缓慢，这大概一方面是因为我们越深入审查过去，我们的资料就越不足。在我们行星的早期历史里，很少生物体有硬的部位，而软体生物则很少有化石残余。另一方面是因为寒武纪爆炸之前出现新生物体的节奏确实非常缓慢，细胞结构和细胞生化的艰苦进化过程并没有立即反映在我们从化石所看到的外部形态上。寒武纪爆炸之后，新的适应过程以相对惊人的速度接二连三地发生。在急速演化之中，最初的鱼类和脊椎动物便应运而生；过去只生长在海里的植物开始移居到陆地上，初始昆虫产生了，它们的后代成了动物在陆地上移居的先锋；有翼的昆虫跟两栖动物（有点象肺鱼，能够同时生活在水里和陆地上）同时产生；初始的树和爬行动物出现了；恐龙产生了；哺乳动物出现了，接着又出现了初始的鸟类；初始的花也出现了；恐龙绝灭，初始的鲸目动物（海豚和鲸的祖先）产生了，灵长目（猴、类人猿和人类的祖先）也同时出现了。不到1000万年前，跟人类相当接近的动物产生了，它们的脑体积也惊人地增大。然后，只在几百万年之前，最初的真人出现了。

人类是在森林里成长起来的，我们与森林有着天然的联系。树木葱笼向上，蔚为壮观！它们的叶子需要捕获阳光来进行光合作用，因而它们用阴影遮蔽近邻，相互竞争。如果仔细观察的话，你经常会见到两棵树无可奈何地推推搡搡。树木是壮美的机器，它们以阳光为动力，以大地的水分和空中的二氧化碳为食粮，同时也向我们提供了食粮。植物用自身制造的碳水化合物作为能源来从事各种活动，我们动物——从根本上说是植物的寄生虫——则靠盗取碳水化合物来从事各种活动。因为我们大量地呼吸空气，我们的血液里含有氧，当我们食用植物的时候，我们就将碳水化合物跟氧结合起来，从中提取人类机器运转所需要的能量。在上述这个过程中，我们呼出二氧化碳，然后这些二氧化碳又被植物回收，用来创造更多的碳水化合物。两者之间协作得多好啊！动植物交互吸入对方的发散物——一种全球性的口对口相互急救法。 整个微妙的循环过程是以1.5亿公里外的一颗恒星为动力的。

己知的有机分子有好几百亿种，但是大约只有50种被用来进行生命的基本活动。同样的分子模式被稳健而又巧妙地反复用来行使各种不同的职能。控制细胞化学性质的蛋白质和携带遗传指令的核酸是地球生命的核心，我们发现所有动植物里的这些分子基本上是相同的。我和橡树都是由相同的物质组成的，如果你再往回追溯的话。你会发现我们有一个共同的老祖宗。

跟星系和恒星王国一样，活细胞是一个复杂而又完美的国家。巧妙的细胞机器是经过40亿年的时间精心制成的，它是由食物碎屑演化而成的。今天血液里的白细胞就是昨天的奶油。细胞是如何完成这项工作的呢？原来，细胞内是一个错综复杂的迷宫，它有独特的结构，它能够转化分子，储存能量，还能够为自我复制作准备工作。假如我们能够进入一个细胞的话，我们所能见到的许多细胞微粒就是蛋白质分子，它们有些积极地活动着，有些则消极等待。最重要的蛋白质是酶，即控制细胞化学反应的分子。酶就象装配线上的工人一样，各有各的分子工作，例如第四道工序负责核苷酸鸟苷磷酶的构造，又比如第十一道工序负责分解糖分子并从中提取能量——这是用来支付其他分子工作的货币。但是酶并不是老板，它们接受它者的指令——事实上，它们本身也是由它者构造的，它们按负责者的命令办事。核酸是分子的老板，它们位于细胞核这样的紫禁城里，深居简出。

假如我们通过一个小孔闯入细胞核的话，我们会发现类似意大利面条厂里的爆炸现象——令人眼花绕乱的面团和面条，它们就是两种不同的核酸：DNA和RNA(它们将DNA发出的指令传递给其他的细胞）。这些核酸是40亿年进化的最佳产品，它们储存着如何指使细胞、树木和人类进行工作的全部信息。如果用一般的语言写出来的话，人类DNA的信息量足足可以写成100卷的巨著。此外，除了极少数例外，DNA分子还懂得如何复制自己。它们的学识不可谓不渊博。

DNA是一条复合螺旋线，由两条线绞合在一起，象一个螺旋形的梯子。在这两条线上的核苷酸的排列次序就是生命的语言。在繁殖的时候，这两条线借助一种特殊的松解蛋白质而分离，然后分别跟附近的另一条线的复制物（在细胞核沾滞流体里漂浮着的核苷酸预制构件所制造出来的复制物）相结合。松解程序一开始的时候，一种称为DNA聚合酶的特异功能酶就出来协助确保复制工作不出差错。如果出了差错，酶就会迅速加以纠正，用正确的核苷酸取代错误的核苷酸：这些酶是一部功能奇异的分子机器。

除了精确地复制自己（即遗传）之外，DNA还通过称作“信使RNA”的另一种核酸指挥细胞的活动（即新陈代谢）。RNA会跑到核外，每个RNA在适当的时间和适当的地点控制着一个酶的构造。酶细胞形成之后就开始发号施令。每个酶掌管着细胞生化过程的某一特定环节。

人类的DNA是由10亿个核苷酸分子串起来的一个梯子，大多数核苷酸的组合形式是没有意义的，它们会使蛋白质合成为无用的东西。只有极少数核酸分子对象人类这样复杂的生物才有用途。即便如此，核酸对生物有用的组合方式还是多得令人目瞪口呆——很可能比宇宙间的电子和质子的总数还要多得多。因此，人类可能出现的个体要比迄今出现过的数量大得多，这说明人类种的潜力是极大的。核酸一定还有许多组合方式可以改善人类。幸好我们还不知道怎样用其他的方法排列核苷酸来制造其他的人类。将来我们完全有可能以任何理想的方式排列核苷酸，创造出具有称心如意特征的人。这是一个既严肃又令人兴奋的设想。

进化是通过突变和选择来实现的。在复制过程中，如果DNA聚合酶出差错的话，就可能发生突变。但是DNA聚合酶极少发生差错。辐射、太阳紫外线照射、宇宙射线或环境中的化学品等也会引起突变，所有这些东西部能够使核苷酸发生变化，或者使核酸打结。如果突变率过高，我们就不可能有40亿年来在极其缓慢的进化过程中遗传下来的生物。如果突变率过低，适应未来环境变化的新品种就不可能出现。生物的进化要求突变与选择之间保持某种程度的平衡，随着平衡的实现，非凡的适应性也越产生了。

一个DNA核苷酸分子的变化会引起受该DNA遗传密码控制的蛋白质内一个氨基酸分子的变化，欧洲血统人的血液里的红细胞呈球形，某些非洲血统人的血液里的红细胞则呈镰刀形或新月形。镰刀形细胞携带的氧比较少，结果遗传一种贫血症，但是它们又是抵御疟疾的主要因素。毫无疑问，贫血症总比死亡好。这种对血液功能的重大影响(在红细胞的照片上一目了然)是典型人体细胞的DNA中，上百万个核苷酸分子中有一个核苷酸分子发生变化的结果。我们现在仍然不知道大多数其他核酸的变化会引起什么样的后果。

我们人类看上去跟树木大不相同。无疑地，我们对世界的认识也跟树木不一样。但是在最深处，在生命的分子核心，树木跟我们本质上是相同的。两者都用核酸进行遗传，两者都用蛋白质为酶来控制细胞的生化过程，最重要的是，两者都用完全相同的电码本将核酸的信息翻译成蛋白质的信息——实际上我们这个行星上的所有其他生物使用的也都是这个电码本③。对这种分子统一性的一般解释是：我们人类，例如树木、人类、鮟鱇鱼、粘液霉和草履虫等，都是在我们行星历史的早期源自一个共同的祖先。那么，关键分子又是如何产生的呢？

在康奈尔大学，我的实验室里，除了研究其他项目以外，我们还研究生物前有机化学，谱写了一段生命的乐章。我们将原始地球的气体混合在一起，然后用电火花辐照。这些气体包括：氢、水、氨、甲烷、硫化亚氢等，它们碰巧都存在于现代的木星上和整个宇宙里。电火花相当于闪电（在古代的地球和现代的木星上也有）。反应器皿起先是透明的，因为原始气体是看不见的。但是电火花辐照10分钟之后，我们看到一种奇特的棕色的东西顺着器皿壁慢慢地往下淌，器皿逐渐地变得不透明了，盖上了一层厚厚的煤油。假如我是用紫外线照射的话（模仿早期的太阳），其结果会大致相同。这种焦油是复杂有机分子（包括蛋白质的组成部分和核酸）的浓缩。生物竟然是非常容易制造的。

上述这种实验是五十年代早期斯坦利·米勒最先做的。他当时还是化学究哈罗德·尤里的研究生。尤里有力地论证了地球早期的大气层里充满了氢（就象宇宙中大多数的星球那样）；后来氢慢慢地从地球上散发掉，但是没有从巨大的木星上散发掉；生命在氢丧失之前就产生了。当尤里建议用火花辐照这些气体的时候，有人间他想通过这个实验制造什么东西，他回答说：“Beilstien.”Beilstien是德国的一部28卷的巨著，里头罗列了化学家所知道的所有有机分子。

只要用早期地球存在的最丰富的气体和几乎所有能够解开化学键的能源，我们就能够制造生命的基本领制构件。但是在我们的器皿里出现的只是生命的乐谱，还不是生命的音乐。分子预制构件必须正确地排列在一起。生命绝不仅仅是组成蛋白质的氨基酸和组成核酸的核苷酸。但是即使在将这些预制构件排列成长键分子方面，我们的实验工作已经取得了重大的进展。氨基酸已经在原始地球的条件下被组合成类似蛋白质的分子，共中有些分子象酶一样微弱地控制着有用的化学反应。核苷酸已经被组合成几十个单位长的核酸链。在适当的条件下，短核酸在试管里能够与跟它们相同的复制品结合征一起。

直到现在，还没有人能将原始地球的气体和水混合在一起并在实验结束的时候让什么东西从试管里爬出来。最小的已知生物，类病毒，是由不到1万个原子组成的。这些病毒能导致栽培植物的若干种不同疾病，而且很可能是最近刚从更复杂（而不是更简单）有机体演化来的。确实很难想象还有更简单的、不管从什么意义上说部是活的生物体。类病毒是单纯出核酸组成的，而病毒却有一层蛋白质膜。类病毒只不过是单一的RNA链条，其几何图形不是一条直线，就是一个闭合圈。不管类病毒多小，它们总是生机勃勃的，因为它们是彻头彻尼的寄生虫。跟病毒一样，它们只是接管一个功能完善的大细胞的分子机器，然后特这个制造细胞的工厂改造成制造类病毒的工厂。

已知最小的独立生存的生物体是PPLOC类胸膜肺炎生物和类似的小生物，它们大约是由5000万个原子组成的。因为这种生物必须在较大的程度上依赖自己，所以它们比类病毒和病毒更复杂。但是现在地球的环境条件对简单的生物体并不那么十分有利，因为你非得自食其力不可，非得防范敌手不可。然而，在我们行星的早期历史里，当大量的有机分子在充满氢的大气层里由阳光孕育的时候，很简单的非寄生生物都有竞争的机会。最初的生物体可能就象独立生存的类病毒那样，只有几百个核苷酸分子串起来那么长。到本世纪末的时候，我们就可以用实验的方法重新开始创造这种生物。关于生命的起源，我们还有许多东西要了解，其中包括遗传密码的起源。但是这种实验我们才不过做了30年左右，而大自然却已经先行了40亿年。总的来说，我们的成绩还是不错的。

这样的实验并不是地球上所独有的，最初的气体以及能源在整个宇宙都有。星际空间的有机物和在陨石上发现的氨基酸，可能是由像我们实验器皿里的那类化学反应所引起的，一些类似的化学现象在银河系的10亿个其他星球上一定发生过。生命的分子充满了整个宇宙。

但是即使另一个星球上的生命跟我们这里的生命都有相同的分子化学现象，我们也没有理由认为那里的生物就一定跟我们所熟悉的生物相类似。试想一下，地球上的生物是多么的繁杂，它们都生活在同一个星球上，都有相同的分子生理。在另一个星球上，动植物很可能跟我们在这里所了解的任何生物体完全不问，那里可能会聚进化（扫校者注：疑为convergence，即趋同进化），因为对某种环境问题可能只有一种最佳解决办法，例如两只眼睛是为了使双目视觉能够适应光频。但是总的来说，进化过程的随机性可能会使地球外的生物跟我们所知道的任何生物都大不相同。

我说不清楚地外生物会是什么样子，我的知识是非常有限的，我只知道一种生物，即地球上的生物。有些人，例如科幻小说家和艺术家，已经对其他星球上的生物进行了猜测，我对那些地外生物的幻想表示怀疑，因为它们似乎过多地以我们已知的生物体为幻想的依据。任何特定的生物体都是经过一个个意外的步骤长期演变而成的，我想其他任何地方的生物都不会象爬行动物、昆虫或人类那个样子，即使象绿皮、尖耳和触角这样的小化妆也不会一样。但是假如你强迫我的话，我也可以想象出一种颇不相同的东西。

在一个木星那样巨大的气体星球上，大气层里充满了氢、氦、甲烷、水和氨，星球表面没有可着陆的地方，而是一个密集的云状气层，象我们实验器皿里的生成物那样的有机分子可能不断地从空中降落到这个云层里。但是这样的行星对生命的形成存在着一种特殊的障碍：表层湍急，深处炎热。生物体必须时刻小心，免被拖向受煎熬的深渊。

为了说明生命在这样极其不同的行星上并不是不可能的，我和我在康奈尔的同事E.E.萨尔彼得做了一些计算。当然，我们不可能准确地了解生命在这种地方会是什么样子，但是我们要弄清楚在生物和化学法则的范畴内这种星球是否可能有生物。

在这样的条件下，生存的方法之一是在你受煎熬之前就进行繁殖，并指望空气的对流能够把你的一部分后代带到大气层高处较凉爽的地方。这种生物体可能极小，我们把它们叫做坠子。但是你也可以是浮子——抽掉氦和重气体而只留下最轻的气体氢气——的大氢气球，或者是热气球，通过保暖和利用食物等方法维持漂浮状态。就象我们所熟悉的地球上的气球一样，浮子越往下拖，它回弹到高层大气较凉爽的安全地带的浮力就越大。浮子可能会把预制的有机分子吃掉，或者象地球上的植物那样，通过阳光和空气将预制的有机分子化为己用。达到一定高度的时候，浮子越大，它的功效也越越大。我和萨尔彼得设想浮子有几公里宽，比最大的鲸鱼还大。

浮子可能会象冲压式喷气发动机或火箭那样，用迸发的气流将自己推到行星天气以外。我们设想它们懒散地群集在一起，大得一眼望不到边。在它们的表皮上有花纹，这是一种适应性伪装，同时也说明它们遇到了问题。因为在这样的环境里至少还有一个小的生态环境：狩猎。狩猎者行动迅速，动作灵敏。它们吞食浮子，一方面是为了补充自身的有机分子，一方面是为了储存纯氢。最初的浮子可能是由空坠子演变来的，而最初的狩猎者则可能是由浮子进化来的。狩猎者的数量不可能很多，因为如果它们把浮子都消灭掉的话，它们自己也要毁灭。

物理和化学容许这样的生物形态存在，艺术则赋予它们一定的魅力，然而自然却不以我们的臆测为转移。但是，如果在银河系里有几千亿个住着生物的星球，恐怕也会有几个住着我们根据物理和化学的法则想象出来的坠子、浮子和狩猎者的星球。

与其说生物学象物理学，不如说生物学象历史学。你要了解现在，你就得了解过去，并且要极其详细地了解它。正如至今还没有历史学的先验论一样，至今也还没有生物学的先验论，理由是相同的：两个学科对我们来说仍然太复杂。但是我们可以通过了解其他的东西来增进对自身的了解。对地球外某种生物的研究，不管如何粗浅，都会推动生物学的进步。生物学家将会首次弄清楚什么样的其他生物可能存在。当我们说探索其他地方的生物很重要时，我们并没有说很容易找到，我们只是说值得一找。

迄今为止，我们仅仅听到一个小星球上的生命之声，但是我们终一起开始注意收听宇宙乐曲中的其它声音。

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 ①译注：平家物语，日本镰仓时代初期著名战记小说，相传为13世纪初信浓前司行长所著，共12卷。后经多人增补修订，现有异本多种。描写1132～1213年平代和源代两个封建宗族争夺政权的斗争，最后源代胜利，并掌握政权。

②译注：在玛雅的《圣经》里，各种生物形态的产生被说成是神着意创造人类时失败的尝试。由于早期的试验差，结果创造了那些低级动物；由于创造人类之前的那一次试验失之毫厘，结果创造了猴子。在中国的神话里，人类是由盘古神身上的虱子产生的。18世纪，德·布丰认为：地球的年龄比《圣经》上所说的要大得多，生物的形态几千年来缓慢地变化着，但是类人猿却是人类不幸的后代。虽然这种看法与达尔文和华莱士的进化论不完全符合，但它们都是进化论的前身——迪莫克里特斯、恩佩多科斯和其它古代爱奥尼亚科学家的观点也是如此（见第七章）。

③译注：但是地球上不同的生物体在不同部位使用的遗传密码不尽相同。至少有几个例子可以证明，将DNA信息翻译成蛋白质信息的时候，线粒体内使用的电码本与同一细胞的细胞核里的基因使用的电码本是不一样的。这表明，线粒体和细胞核遗传码的分离经历了一个长期的进化过程，而且与下述见解是一致的，即线粒体曾经是一种自由生存的生物体，它们是在数十亿年前的共生过程中并入细胞的。它们共生的成熟关系的发展和日趋完善偶然地回答了这样的问题，即在寒武纪爆炸的时候，在细胞的形成和多细胞生物体的剧增之间发生了什么样的进化。

第三章 宇宙的和谐

你知道天的定例吗？
能使地归在天的权下吗？
《约伯记》

一切人间祸福来自7行星12宫。按照宗教的说法，黄道12宫掌管光明的一面，7行星则掌管黑暗的一面；7行星压抑方物并将其向死亡（和万恶）过渡：因为黄道12宫和7行星支配着世间的命运。《琐罗 亚斯 德教圣经》（新版）

告诉我们说万物都有行为和效应的超然特性，等于自诉我们一句空话；但是根据现象推引出二三条运动的原理，然后再告诉我们一切有形物质的特性和行为怎样成为这些浅显原理的必然结果，则会是一个十分重大的进步。 艾萨克·牛顿《光学》

我们并没有问鸟儿唱歌有什么目的，因为唱歌是它们的乐趣，它们主来就是要唱歌的。同样的道理，我们也不应该问人类为什么要挖空心思去探索天国的秘密……自然现象之所以这样千差分别，天国里的宝藏之所以这样丰富多彩，完全是为了不使人的头脑缺乏新鲜的营养。 约翰尼斯·开普勒《宇宙结构之秘密》

假如我们居住在一个永无变化的行星上，我们就无所作为，无所用心。假如我们居住在一个变幻莫测的星球上，我们就不可能理解事物，也不可能有科学这样的东西。这里的事物在变化着，它们的变化遵循着一定的模式、规则或所谓的自然法则。如果我们把一根竹竿抛到空中，这根竹竿总是要下落。如果太阳从西边落下，它在第二天早晨总是要从东边升起来。因此我们有可能理解事物，我们可以从事科学研究，并用科学来改善我们的生活。

人类善于理解世界，我们一向如此。我们会狩猎或生火，因为我们明白了一些事理。在电视、无线电、书籍发明之前，我们经历了一个历史时期，人类存在以来的大部分时间是在这个时期里度过的。在无月光的夜晚，我们围着营火的余烬，注视着天上的星星。

夜空是饶有趣味的，那里有各式各样的图案。你可以不假思索就想象出不同的图画。例如，在北方的天空上有一个图案（即星座），看上去有点像熊，有些人把它叫做大熊星座，另一些人看到的则是完全不同的形象。当然，夜空里并不是真有这些图画，它们是我们自己安排的。我们是狩猎的民族，我们看到的是猎人、狗、熊和年轻的妇女以及一切引起我们兴趣的东西。当17世纪的欧洲水手第一次见到南方的天空时，他们就把17世纪人们感兴趣的东西放上去，如杜鹃、孔雀、望远镜。显微镜等。如果这些星座是在20世纪命名的话，我想我们就会在空中见到自行车和电冰箱星座，见到摇摆舞星座，甚至见到蘑菇云——人类寄托在群星中的一种新的希望和恐惧。

我们的祖先偶然间会见到一个非常明亮的带着尾巴的星星从天空中一掠而过，他们把它叫做流星。但是这个名字取得不好，因为流星下落之后，原来的那些星星依然还在那里。在某些季节里有很多流星，在另一些季节里流星就很少。这里同样也有一种规律性。

跟太阳和月亮一样，星星总是从东边升起来，从西边落下去。如果它们从我们的头顶上经过的话，它们就要用整夜的时间跨过天空。不同的季节有不同的星座。譬如同样的星座总是在初秋出现，新的星座从来不会突然从东方地平线上升起来。星星有它们的规律性、可预测性和永久性，从某种意义上说，它们基本上是靠得住的。

有些星星比太阳稍早一点升起来或稍迟一点落下去，它们升落的时间和位置随着季节的变化而不同。如果你长年累月地仔细观察并作记录的话，你就会预告季节的变化。你还可以通过观察每天太阳从地平线升起的位置来估量季节。天空是一个大日历，凡是有事业心、有能力、有办法作记录的人都可以使用。

我们的祖先构筑了测量季节变化的设施。在新墨西哥蔡科峡谷有一个11世纪建造的没有屋顶的大礼堂，6月21日——一年最长的一天，一柱阳光在黎明的时候从一个窗户射进来，最后慢慢地覆盖了一个特设的壁龛。但是这种现象只有在6月21日左右才发生。我猜想那些自豪的阿纳萨齐人（他们自称“古人”）每年6月21日都聚集在大礼堂里，他们披戴着羽毛。拨浪鼓和绿松石，坐在长凳上庆祝太阳的威力。他们还监视月亮的视运动，大礼堂里28个位置更高的壁龛可能表示月亮回到星座原来的位置上所需要的天数。这些人密切地注视着太阳、月亮和星星。根据类似的原理构筑的设施还可以在以下地方找到：柬埔寨的吴哥窟，英国的巨石阵，埃及的阿布西姆贝尔，墨西哥的奇琴伊特萨和北美的大平原。

有些被认为可以用作日历的设施可能纯属偶然，譬如6月21日那天窗户和壁龛的偶然性。但是有些设施则很奇妙：美国西南部的一个地方直立着三块石板（它们是1000年前从别的地方搬来的），在岩石上刻了一条有点像星系的螺旋线，6月21日（夏至）那一天从两块石板的空隙透射过来的阳光分割这条螺旋线；12月21日（冬至）那一天，有两条光线将这条螺旋线夹在中间，这是利用中午的太阳读认天空历书的杰作。

为什么世界各地的人都要这样下功夫学天文呢？人们追猎随季节转换而迁徙的瞪羚、羚羊和野牛；水果只有在一定的季节才能采摘；发明农业之后，人们就得按季节种植和收获庄稼，散居游牧部落的年会必须定期召开。看天空历的本事实际上是生死存亡的大事。全世界的人都注意到，新月之后又出现娥眉月，日全食之后太阳又恢复了原状，太阳在夜里令人不安地消失之后早晨又升起来。这些现象向我们的祖先表明，超越死亡是可能的，头顶之天空就有永存的象征。

风在美国西南部的峡谷里呼啸，只有我们听到这风声，它提醒人们注意那些善于思考的4万代祖先。对于他们，我们几乎一无所知，而我们的文明都建筑在他们的身上。

随着年代的推移，人们从祖先那里学到了许多东西。对太阳、月亮和星星的位置与运动了解得越精确，人们就能够越准确地预测狩猎。播种和收获的时间以及召开部落会议的时间。随着测量精密度的提高，记录是必不可少的。可见天文学促进了观测，促进了数学，也促进了写作的发展。

但是相当一段时间之后，出现了一种荒谬的观念，基本上是建立在经验基础上的科学受到了玄学和迷信的冲击。太阳和星星操纵季节、食物和温暖，月亮操纵潮汐和许多动物的生活周期，甚至操纵人类的经期①——这对热心传宗接代的有性动物是极为重要的。在天空中还有另一种东西——我们称作“行星”的游荡者或徘徊者，我们的游牧祖先对行星一定感到很亲切。如果不算太阳和月亮的话，你只能看到5颗行星。它们在远方星星的衬托下运行，如果你连续观察数月，你就会发现它们在星座之间进进出出，有时甚至在空中翻筋斗。空中的其他一切东西对人生都有某种实际的影响。行星的影响究竟是什么呢？

在当代西方社会里，要购买一本关于星占学的杂志——譬如从报摊上购买——是很容易的，但是要找到一本关于天文学的杂志却难上加难。事实上，美国的每一家报刊上每天都有星占学专栏，而每周刊载一次天文学专栏的报纸则几乎是没有的。美国的星占学家人数足足是天文学家人数的10倍。聚会的时候，一些不知道我是科学家的人有时候问我：“你是双子宫吗？”（黄道12宫之一，指成功的机会），或者“你是哪一宫？”很少有人问我：“你听说黄金是在超新星爆发的时候产生的吗？”或“你认为国会什么时候会批准建造一个火星漫游车？”

星占学家认为，你诞生时行星所在的星座对你的前途有重大的影响。几千年前就形成了这样的观点：行星的运行决定着国王、王朝和帝国的命运。星占学家研究行星的运动规律，并且，比如说，自问自答：“上次金星在摩揭星座上升的时候发生了什么事情？很可能这次会发生类似的事情。”这样的推理难免玄虚荒唐。星占学家终于成了朝政的专用雇员。在许多国家里，除了官府的星占学家之外，其他任何人研究天象便是犯弥天大罪，因为推翻一个政体的妙法就是预测其垮台的时机。中国宫廷星占学家如果预测不精确就要被处决，因此许多星占学家将天文记录改头换面，使之符合后来发生的事件。星占学成了观测、数学和观点含糊、内容失真的记录的大杂烩。

但是，假如行星能够决定国家的命运的话，它们为什么就不能影响我明天的命运呢？个人星占学大约是在2000年前从亚历山大大帝时期的埃及发展起来的，然后扩展到希腊和罗马社会。我们今天还可以从某些词汇里辨认出星占学的古风，例如：disater（灾难）这个字在希腊语里的意思是“坏星”；influenza（流感）这个字在意大利语里的意思是“（星的）影响”；mazeltov（运气）这个字原是希伯来语，最后成了巴比伦语，意思是“好星座”，或依地绪语的Shlamazel，用来表示被严酷的不幸所折磨的人，它同样可以上溯到巴比伦的天文学词汇。根据普利尼的记载，有的罗马人遭到Sideratio（“星击”），当时人们普遍认为行星是死亡的直接因素。再考虑一下。consider（考虑）这个字：它的原意是“与行星同在”，显然这是深思熟虑的先决条件。1632年伦敦市的死亡统计数字，在 9 535个死于婴孩病和“升光病”与“国王罪恶病”等怪病的死者当中13个人死于星症，比死于癌症的人还要多。我不知道这种病到底有什么症状。

个人星占学至今依然存在：让我们看一看同一城市在同一天出版的两种不同报纸的星占学专栏吧。例如，我们可以看一看1979年9月21日的《纽约邮报》和《纽约日报》。假设你是天秤宫，即生于9月23日和10月22日之间，《邮报》的星占学专栏作家认为“让则和”，虽然这句话可能有用，但是却有点含糊。《日报》的星占学家则认为“要严以律己”，这个告诫有所不同，但还是含糊。这些“预示”其实并不是什么预示，它们只不过是劝告罢了——它们说的是该做什么，而不是会发生什么。这样的措辞带有普遍性，对什么人都适用，而它们之间又互相矛盾，为什么它们像运动统计数字和股票市场报告那样被刊载出来而不加任何解释呢？

星占学可以用孪生子的生命来检验。在许多情况下孪生子中有一个在童年的时候夭折，譬如死于车祸或遭到雷击，而另一个孪生子却活到很大年纪。他们诞生在完全相同的地方，诞生的时间也只不过是几分钟之差，他们诞生的时候在星座里升起来的行星都一样。如果星占学可行的话，为什么这样的一对孪生子会有完全不同的命运呢？其实，星占学家对某一个特定星位的理解并不一致。经过仔细的检验之后，我们发现，如果他们除了诞生的时间和地点以外，对人们一无所知的话，他们是不可能预测人们的性格和前途的。②

地球这个行星上的国旗有点古怪。美国的国旗有50个星，苏联和以色列各有一个，缅甸14个，格林纳达岛和委内瑞拉7个，中国5个，伊拉克3个，圣多美岛和普林西比岛2个，日本、乌拉圭、马拉维和孟加拉国等都是太阳旗，巴西国旗上有一个大球，澳大利亚、西萨摩亚、新西兰和巴布亚新几内亚都是南十字星座，不丹是龙珠——地球的象征，柬埔寨是吴哥窟天文台，印度、南朝鲜和蒙古人民共和国则是宇宙的象征。许多社会主义国家采用星星，许多穆斯林国家采用新月。我们这个世界上的国旗几乎有一半采用天文符号。这种现象是跨文化的，是无宗教派别的，也是世界性的。这种现象也不仅仅局限于我们的时代，从公元前3000年开始的塞缪里亚的圆筒图章和中国革命前的道家旗帜都采用星座。我毫不怀疑各家都想利用天国的力量和威望。我们都寻求与宇宙的联系，我们野心勃勃。事实证明，我们是跟宇宙联系在一起的，但不是星占学家所声称的那种个人的、小规模的、虚无缥缈的联系，而是最根本的联系，其中包括物质的起源、地球的可居住性、人类的进化与命运等（这些问题我们后面还要谈到）。

现代流行的星占学来自克劳迪斯·托勒密亚斯，我们叫他托勒密，虽然他跟同姓的国王没有关系。公元二世纪时，他在亚历山大图书馆工作，整理巴比伦星占学传说，所有那些关于行星在种种太阳“宫”、月“宫”或“宝瓶宫龄”里的星位这些神秘的东西都源自托勒密。曾有一张用希腊语写在纸莎草纸上的托勒密时代的典型天宫图，这张天宫图标出了生于150年的一个小女孩的命运：“生于菲洛，安东尼纳斯·凯撒陛下10年，费米诺思15～16日凌晨1点。太阳位于双鱼宫，木星和水星位于白羊宫，土星位于巨蟹宫，火星位于狮子宫，金星和月亮位于宝瓶宫，星占摩揭宫。”十几个世纪以来，计算年月的方法已经发生了很大的变化，而占星术却没有多大变化。托勒密的星占学著作中有这样一段典型的话：“老土星位于东方，其庶民之外表则为黑皮肤、强健、黑发、卷发、粗壮，眼睛大小适中、体格中等、性情非常温静。”托勒密不但相信行为受行星和恒星的影响，而且相信体格、肤色、民族气质、甚至先天畸型等都受恒星的制约。在这一点上，现代星占学家的观点似乎比较谨慎。

但是现代的星占学家已经把岁差忘掉（托勒密对岁差还是了解的），他们忽略了大气折射（托勒密论述过这个现象），他们几乎不管什么卫星和行星、小行星和彗星、类星体和脉冲星、爆发星系、共生星、激变星以及托勒密时代以来所发现的X射线源。天文学是一门科学——研究客观宇宙；星占学是一门伪科学——没有真凭实据地宣称我们的日常生活受其他行星的影响。在托勒密时代，天文学与星占学之间是没有明显的区别的，今天却是有区别的。

作为一个天文学家，托勒密给星星命名，制定星星的亮度表，论证地球是一个球体，制定预测日食的规则，但是最重要的也许是研究行星在远方星座的衬托下奇妙地运转的原因。为了研究行星的运动和译解空中的信息，他制定了一个预测模型。对天体的研究给托勒密带来了一种极大的欢乐。“我是凡人”，他写道：“我知道我终有一死，但是当我随着繁星的圆周轨道畅游的时候，我的双脚已经离开了大地……”

托勒密相信地球是宇宙的中心，相信太阳、月亮、行星和恒星都绕着地球转。这是世界上最自然的一种观点。地球似乎是稳固不动的，而我们却看到天体天天在升落。世界各地的人们迅速地接受了地心说。开普勒写道：“因此，人的理智在未经指点以前不可能不认为地球是一个天穹覆盖着的大房屋；这个房屋静止不动，小小的太阳在屋里往返运动着，就像鸟儿在空中徘徊一样。”但是我们如何解释行星的视运动呢？例如火星，人们在托勒密时代前几千年就已经知道它的运动了（古埃及人给火星的一个称号是 Sekded-ef em Rhetkhet，意思是“倒退者”显然是指它的视逆行或视环行）。

托勒密制造的行星运动模型可以由一个小机械作为代表，它跟托勒密时代那些作用相似的机械差不多③。问题是要能够测定行星在“屋顶上”的“实际”运动，然后才能够精确地再现行星在“屋内”的视运动。

托勒密想象行星绕着地球转的时候是附着在完全透明的球体上，但是它们不是直接附在球体上，而是通过一种离心轮间接附在球体上。球体转动的时候带动了小轮子，我们从地球上看到火星的环行就是这个道理。这个模型可以相当准确地预测行星的运动，这在托勒密时代，甚至在后来的几个世纪里，已经是够精确的了。

因为托勒密在中世纪把天球想象成是由水晶玻璃构成的，我们现在还在谈论球体音乐和七重天（有月亮、水星、金星、太阳、火星、木星和土星的“天”，还有恒星的“天”）。因为地球是宇宙的中心，造物主随地球上的事件而转移，天体被认为完全是根据超自然的原理建造的，因此没有什么必要观测天文。在中世纪欧洲教会的支持下，托勒密的模型妨碍天文学的发展达 1000年之久。最后，在 1543年，波兰天主教教士哥白尼发表了一个完全不同的假说来解释行星的视运动。这个理论最主要的特征是大胆地提出太阳，而非地球，才是宇宙的中心。地球被降级为行星之一，它是靠近太阳的第三个行星，不断地进行着标准的圆周运动（托勒密曾经考虑过日心模型，但立即否定掉了，他认为根据亚里士多德的物理学，所谓地球的激烈旋转运动是不符合实际观察的）。

在托勒密的地心说中，称为本轮的小球体带着行星，附在转动的大球体上转动。这样，从远方的星球看来，转动过程显然呈逆行状。

在哥白尼的日心说中，地球和其他的行星沿环形轨道绕太阳公转。在地球运转到火星前方时，从远方的星球看来，火星的转动显然呈逆行状。

在解释行星的视运动时，这个假说至少跟托勒密的天球说同样有效，但是它触怒了许多人。1616年，天主教会将哥白尼的论著列为禁书，直到最后才被地方教会书刊审查员“纠正”，于1835年解放出来。④马丁·路德说他是“一个星占学暴发户……这个傻瓜想要推翻整个天文学，但是《圣经》告诉我们，耶和华命令太阳静止不动，而不是命令地球静止不动。”有些赞佩哥白尼的人甚至说他并不真正相信日心说，他提出这个理论只是为了计算行星运动的方便。

两种宇宙观（地心说和日心说）之间的划时代的对抗在16世纪和17世纪的时候达到了高潮，这体现在一个像托勒密那样既是星占学家又是天文学家的人身上，他处在人类的思想被禁铜的时代，处在宗教一二千年前的观点被认为比在当时的技术条件下的发现更为可靠的时代，处在离经叛道——在神秘的神学问题上背离两种主要教派（天主教和新教）——受辱、受罚、受流放、受折磨或受处决的时代。天国里有天使、魔鬼，还有转动透明球体的圣手。科学不认为自然现象受物理法则的支配，但是这个孤军奋战的斗士却为现代科学革命点燃了火把。

开普勒于1571年生于德国，从小就被送到莫尔布朗镇的新教神学校去学做牧师。那个学校就像新兵集训中心一样，专门训练年轻人用神学作为武器来进攻罗马天主教的堡垒。开普勒顽强，有才智，很有主见。他在荒凉的莫尔布朗呆了两年，没有一个朋友，性格变得孤独、怪僻。他自以为主在上帝的眼里是一个微不足道的人，终日仟悔自己那些并不比旁人更为丑恶的罪过，丧失了超度的希望。

但是他并没有遭到天罚，上帝也没有要他赎罪。开普勒的上帝就是宇宙的创造力。这个孩子的好奇心使他变得无所畏惧。他希望能够研究世界末日的学说，他勇于想上帝之所想。这种危险的幻想开初只是一种想象，后来成了根深蒂固的顽念。神学校的一个自信的孩子渴望着将欧洲从中世纪思想的修道院里解脱出来。

古典科学在1000多年前就已经被镇压了，但是在中世纪后期。阿拉伯学者保留下来的东西开始慢慢地潜入欧洲的教程。在莫尔布朗，开普勒知道古典科学已经在复苏。他除了学习神学之外，还学习希腊语和拉丁语，学习音乐和数学。他觉得他从欧几里得的几何学里瞥见了一个完美的形象，悟出了宇宙的荣耀。他后来写道：“几何学存在于创世之前，它与神道永远并存……几何学向上帝提供了创世的模型……几何学就是上帝本人。”

虽然开普勒过着隐居的生活，并且全神贯注地研究数学，不完美的外界必然影响性格的形成。对那些在饥荒、瘟疫和你死我活的教条冲突中无能为力的人来说，迷信是最方便的灵丹妙药。许多人认为星星是惟一可靠的东西，古星占学的观念就是在充满恐怖的欧洲后院和客栈里发达起来的。开普勒对星占学的态度始终是不明确的，他怀疑在日常生活的表面混乱当中是否隐藏着规律性。如果天地万物是由上帝的能工巧手制作的话，是不是我们就不能够进行仔细的审查呢？难道天地万物不就是神道和谐的表现吗？这本天书在1000多年之后才找到一个读者。

1589年，开普勒离开莫尔布朗到图宾金的那所名牌大学为牧师搞研究工作，他感到这是一个很大的解脱。在时代才华的激流里，他的天才立即受到老师的赏识。其中一个老师向这个年轻人介绍了哥白尼假说的奥秘。日心说与开普勒的宗教观发生了共鸣，他热情地接受了这种理论。太阳就是上帝的象征，其余的一切都绕着太阳转。在他被委任为牧师之前，有人想聘请他从事非教会的工作。也许是因为他觉得自己不能胜任教会的工作，所以他终于接受了聘请。他被派往奥地利的格拉茨中学教学，没多久他就开始准备编写天文和气象年鉴，并且开始用占星术算命。“上帝为每一只动物提供生计，”他写道，“对天文学家来说，他所提供的生计就是星占学。”

开普勒是一个卓越的思想家，出色的写作家，但是在课堂上却是一个拙劣的教师。他言词含糊，讲课离题，学生们往往感到莫明其妙。他在格拉茨的第一年只有几个学生听他讲课，第二年就没有人听他的了。联想和猜测在他的内心世界喧嚣不止，占据了他的整个心思。在一个愉快夏天的下午，在那没完没了的讲课过程当中，他突然得到了一个启示，这个启示从根本上改变了未来的天文学。他很可能话讲到一半突然停了下来，他的那些漫不经心的学生正渴望着放学，我想他们是不会注意到这个历史时刻的。

在开普勒时代，人们只知道6个行星：水星、金星、地球、火星、木星和土星。为什么只有6个？开普勒感到疑惑。为什么不是20个，或者100个呢？为什么这些行星在哥白尼所推断的轨道之间有空隙呢？以前从来没有人提出过这样的问题。当时知道有5种规则的（即理论上的）立体，它们的边是规则的多边形，正如毕达格拉斯时代之后的希腊数学家所知道的那样。开普勒认为这两个数字是有联系的，之所以有6个行星是因为只有5个规则的立体，这些立体相互内接（即一个套一个），表明了各个行星与太阳的距离。通过这些理想的形体，他相信他已经找到了肉眼看不见的支撑这6个行星的结构。他把他所得到的启示称为“宇宙奥秘”。毕达格拉斯的立体与行星的排列位置只能有一个解释：神之手就是几何学家。

毕达哥拉斯和柏拉图的5种完美的立体

开普勒以为自己罪孽深重，可是神却让他做出这个伟大的发现，他感到十分惊奇。他向沃尔坦堡的君主提议拨出研究金，并主动要求监督建造他所提出的内接立体模型。他说，这样人们就能够观赏神圣的几何之美妙。他还说，这个模型可以用银和宝石制成，偶尔还可以用作君主的圣餐杯。沃尔坦堡的君主否决了他的建议，请他先用纸造一个比较便宜的模型。他随即开始试制，他说：“我从这个发现所得到的极大乐趣是语言所不能表达的……不管计算多么困难，我决不回避，我夜以继日地演算，直到弄清楚我的假说是否符合哥白尼的轨道为止，或者直到弄清楚我是否空高兴了一场为止。”但是不管他如何努力，立体和行星的轨道总是不太一致。然而，因为这是一个伟大而深刻的理论，他相信一定是观测的错误——这是科学史上许多其他理论家在观测结果不肯帮忙的时候所得出的结论。当时世界上只有一个人能够比较准确地观察到行星的视位，这个人是一个自愿要求流放国外的丹麦贵族，他接受了神圣罗马帝国鲁道夫二世的宫廷帝国数学家的职位，他的名字叫第谷·布拉赫。碰巧这时候他按照鲁道夫的建议邀请了在数学上享有盛名的开普勒到布拉格跟他合作。

因为第谷是一个出身微贱的小地方的中学教员，除了几个数学家以外谁也不认识，所以开普勒对第谷的邀请犹豫不定。但是形势迫使他下了决心。1598年，即将来临的“30年战争”的预震把他吞没了。当地的天主教大公爵是一个坚定的教徒，他发誓：“宁可让国家荒废也不统治异教徒。”⑤新教徒未能掌握经济和政治的领导权，开普勒的学校被关闭，异教的经书。书籍和圣歌都被查禁。最后居民们被叫来一个一个地查问他们的宗教信仰，凡是不肯表白信奉罗马天主教的人都被罚缴纳收人的十分之一，并且驱逐出格拉茨，放逐国外，永远不得回还，违者格杀勿论。开普勒选择了流放，他说：“我还没有学会虚伪，我对信仰是严肃的，我不能玩弄信仰。”

离开格拉茨之后，开普勒跟他的妻子和后来的女儿登上了前往布拉格的艰难行程。他的婚姻并不幸福。他的妻子患慢性病，又接连死了两个孩子，人们说她是一个愚蠢、阴沉、孤独和忧郁的女人。她对丈夫的工作一点也不理解，因为他出身于小乡绅，她看不起他那寒酸的职业。他时而劝诫她，时而不理她，“因为我的研究有时候令我无暇顾及别人。但是我汲取了教训，我学会耐心对待她，当我看到她对我的话耿耿于怀的时候，我宁可受点苦头也不再得罪她。”尽管如此，开普勒还是一心想着工作。

他把第谷的领域想象为一个摆脱时代罪恶的避难所，想象为验证他的“宇宙奥秘”的地方。他渴望成为伟大的第谷的同事，因为后者在望远镜发明之前就致力于测量宇宙这部机器达35年之久，工作进行得有条不紊，测得的数据也很精确。但开普勒的愿望是不可能实现的。第谷本人好高骛远，脸上装着一只金鼻子，原来的鼻子在跟同学决斗相争谁是数学高手的时候被削掉了。他的周围都是一些咋咋呼呼的助手、马屁精、远房亲戚和各式各样的食客。他们无休止地狂欢，他们含沙射影、耍阴谋诡计，他们残忍地愚弄勤学好问的乡下人，所有这一切都使开普勒失望和伤心。他写道；“第谷……富贵无比，但是他不懂得怎么用钱。他的任何一件仪器的价值都比我的仪器和我的全部家产的总价值还高。”

虽然开普勒急于见到第谷积累的天文资料，但是他所得到的只是点点滴滴的东西。“第谷不让我分享他的经验，他只是在吃饭或空闲的时候顺便提一下某个行星的远地点数字，或另一个行星的交点数据……第谷的观测数据最完善……他也有协作者，他所缺乏的是能够应用这些数据的建筑师。”第谷是当时最伟大的观测天才，开普勒则是最伟大的理论家。他们谁都知道自己一个人要全面地研究精密协调的宇宙系统是不可能的，他们也感到这是刻不容缓的工作。但是第谷还没有打算将自己毕生的研究成果奉送给一个比他年轻得多的潜在对手。由于某种原因，共同编著研究成果是不能接受的。现代科学——理论与观察的后代——的诞生在他们互不信任的悬崖上岌岌可危。在第谷临死前的18个月里，他们两人经常争吵，而后又言归于好。有一次，罗森堡男爵宴请第谷的时候，第谷喝了许多酒，但是他还是“礼貌第一，健康第二”，不愿当着男爵的面离开去解手，哪怕离开那么一会儿。后来因为拒绝接受节制饮食的劝告，第谷的尿道感染恶化了。临死的时候，第谷将他的观测记录遗赠给开普勒。“最后一天晚上，他神志昏迷，像作诗一样用微弱的声音一遍又一遍地说：‘别辜负我的一生……别辜负我的一生。’”

第谷死后，开普勒——现在已经是新的最大的数学家了——终于想办法将观测记录拿到手，尽管第谷家里的人不肯交出来。哥白尼的数据未能证实他关于行星的轨迹与5种理论上的立体相接的猜想，第谷的数据也同样不能证实他的这个猜想。相当一段时间之后、由于发现了天王星、海王星和冥王星这3颗行星，他的“宇宙奥秘”才被完全推翻——没有新的理论上的立体可以测定这3颗行星跟太阳的距离。互相套接的毕达哥拉斯立体也容不得地球卫星的存在，伽利略发现的4颗木星卫星也使原来的猜想乱了套。但是开普勒非但没有泄气，他还希望发现更多的卫星，他很想知道每一个行星应该有多少卫星。他给伽利略写信说：“我立即开始思考为什么在没有推翻我的‘宇宙奥秘’的情况下会有更多的行星出现，根据‘宇宙奥秘’原理，欧几里得的5个规则立体容不得在太阳的周围有6个以上的行星……我完全相信木星周围的4个行星的存在，因此我希望通过望远镜，如果可能的话，比你更早发现火星周围有两个（按比例似乎应该如此），土星周围有6个或8个，水星和金星周围很可能各有一个。”火星周围的确有两个卫星，为了纪念他的猜测，人们今天把其中较大的那个卫星上的一个主要地质特征称为“开普勒脊”。但是他对土星、水星和金星的猜测完全错了，木星周围的卫星的数量也比伽利略所发现的多许多。我们至今仍然不知道为什么只有9个左右的行星，也不知道为什么它们跟太阳的相对距离是现在这个样子（见第八章）。

第谷对火星和其他行星穿过星座的视运动观测了许多年，这些观测数据在望远镜发明前的最后几十年里算是最精确的了。开普勒以极大的热情来研究这些数据：地球和火星环绕太阳的什么样的真运动才能最准确地解释火星在空中的视运动（包括穿过背景星座的逆环行运动）？第谷曾经向开普勒介绍过火星，因为火星的视运动似乎是最不正常的，它的运行轨道似乎最不符合圆轨道。（针对那些对他的反复的计算可能感到厌烦的读者，他后来写道：“如果你对这个索然寡味的计算过程感到厌倦的话，请同情我这个至少进行过70次试验的人。”）

毕达哥拉斯在公元前6世纪就假定行星是在做圆周运动，柏拉图、托勒密以及开普勒之前的所有基督教天文学家也假定行星是在做圆周运动。他们认为运行的轨道是一个“完美的”几何图形，他们还认为，为了免除世俗的“腐蚀”而高高挂在空中的行星在某种神秘的意义上也是“完美的”。伽利略、第谷和哥白尼都认为行星是在做均速圆周运动，哥白尼说过，其他的可能性使人“不寒而栗”，因为“这与用最佳的办法创造出来的东西是不相称的”。所以，开普勒在开始的时候就试图用地球和火星绕太阳做圆周运转的假想来解释观察到的现象。

经过3年的运算，他以为他找到了火星的一个圆轨道的正确值，这些值与第谷的10个观测数据相匹配，误差不到2弧分。我们知道一度等于60弧分，从视平线到天顶则是一个90度的直角，因此几弧分是难以测量的，特别是在没有望远镜的情况下。这个误差是我们从地球上看到的整个月球的角直径的十五分之一。但是开普勒的狂喜很快就化为乌有，因为第谷的另外两个观测数据与开普勒的轨道不一致，误差达8弧分。开普勒写道：

上帝赋于我们这样一个勤勉的观测者——第谷·布拉赫，他的观测证实计算误差8分；我们理所当然要从心里感激上帝的恩赐……假如我以为我可以忽视这8分的话，我就可以使我的假设暂时成立。但是，既然不容忽视，这8分向我们指明了彻底改革天文学的道路。

圆轨道与真轨道之间的差别只能通过准确的测量和勇于承认事实来区分：“宇宙以协调匀称见美，但是调和必须合乎经验。”使开普勒感到震惊的是，他必须放弃圆轨道，怀疑对上帝这个几何学家的信仰。他说，清扫了圆周和螺旋天文学的马厩之后，他所剩下的“只是一车子的粪便”——类似卵形的扁圆。

开普勒终于意识到他对圆周的迷恋是因为错觉而引起的。地球是一个行星——这一点哥白尼已经说过，现在开普勒十分清楚地认识到，遭到战争、瘟疫、饥荒和不幸所破坏的地球并不完美。开普勒是自古以来第一个提出行星是由像地球这样不完美的东西构成的物体。如果行星是不完美的，为什么它们的轨道就不能是不完美的呢？他尝试了各种卵形曲线，他不停地计算，有时候算错了（开始的时候反而把正确的答案当作错误的答案），几个月之后，正当他濒于绝望的时候，他尝试了椭圆公式（那是珀格的阿波尼厄斯在亚历山大图书馆首次整理的），结果与第谷的观测配合得很好。他后来写道：“我把自然的真理拒之门外，并把它赶走，但是它又偷偷地从后门溜进，装着若无其事的样子……呀，我真是个大傻瓜！”

开普勒发现火星绕太阳运行的轨道不是圆形，而是椭圆形。其他行星的轨道椭率比火星的轨道椭率要小得多，因此假如第谷叫他研究金星运动的话，他可能永远也发现不了行星的真轨道。在这样的轨道里，太阳不是位于中心，而是偏移到椭圆的焦点上。当某一个行星运转到离太阳最近的位置时，它的速度就加快；当它运转到离太阳最远的位置时，它的速度就减慢。由于这种运动方式，我们说行星永远朝着太阳运动，但又永远到达不了太阳。开普勒的行星运动第一定律就是：行星在椭圆的轨道上运转，太阳位于椭圆的一个焦点上。

做匀速圆周运动的时候，在相同的时间内所覆盖的圆弧角或圆弧部分相等，例如，在圆周上运行三分之二的距离所需要的时间是运行三分之一的距离所需要的时间的两倍。开普勒发现了椭圆轨道的一些不同之处：当行星沿着它的轨道运转的时候，它扫过了椭圆内的一小块扇形面积；当它接近太阳的时候，它在特定的时间内在轨道上划出一个大弧，但是那个弧所代表的面积并不很大，因为行星这个时候离太阳很近，当行星远离太阳的时候，它在相同的时间内所覆盖的弧就短得多，但是那个弧代表一个比较大的面积，因为行星这个时候离太阳比较远。开普勒发现不管椭率如何，上述这两个面积正好相等：瘦长的面积（表明行星远离太阳）和短阔的面积（此时行星接近太阳）正好相等。这就是开普勒行星运动第二定律：行星在单位时间内扫过的面积相等。

开普勒第一定律：行星（P）在椭圆的轨道上运转，太阳（S）位于椭圆的一个焦点上开普勒第二定律：行星在单位时间内扫过的面积相等。从B到A、F到E和D到C的运行时间都一样BSA、FSE和DSC等深色部分的面积都相同

开普勒的头两条定律看起来有点深奥和抽象：行星沿着椭圆轨道运转，在相同的时间内扫过相同的面积，这些定律又有什么用呢？圆周运动倒还容易理解。我们可能会把它当做数学上修修补补的东西，当做脱离现实生活的东西。但是正如我们自己（因为引力作用而附着在地球的表面上）飞越行星际空间一样，我们的行星就是遵循这些定律的。我们是按照开普勒首先发现的自然法则运动的。当我们把宇宙飞船送上行星的时候，当我们观测双星的时候，当我们考察遥远星系的运动的时候，我们发现整个宇宙都遵循开普勒定律。

许多年之后，开普勒偶然发现了行星运动的第三个，也是他的最后一个定律，这个定律将各个行星的运动联系起来，正确地展示了太阳系的机制。他在一本名为《宇宙的和谐》的书里阐述了这个定律。开普勒是通过《和谐》这个词来理解许多东西的：行星运动的秩序与美妙，解释该运动的数学法则之存在（这种思想可以上溯到毕达哥拉斯），甚至在音乐意义上的和谐——“天球的和声”。其他行星的轨道跟水星和火星的轨道不一样，它们基本上是圆形的，因此我们即使在极精确的曲线图上也很难画出它们的真形。地球是我们的活动站台，我们在这个站台上观测在遥远星座背景上的其他行星的运动。内行星在它们的轨道上快速地运转着——这就是水星得名的原因：水星是天使。金星、地球和火星绕太阳运转的速度依次递减。外行星，譬如木星和土星，步态庄重，有如天王。

开普勒第三定律（即和谐定律）指出，行星周期（行星绕轨道一周所需时间）的平方与其距离太阳的平均距离的立方成正比；行星离太阳越远，它的运转速度就越慢，但是根据准确的数学定律，p2 =a3 ，这里p代表行星绕太阳的运转周期（单位：年），a代表该行星离太阳的距离（单位：“天文单位”）。一个天文单位等于地球离太阳的距离，例如，木星离太阳是5个天文单位，因此 a3 ＝5 X 5 X 5＝125。什么数自乘等于125呢？不是11吗？很接近。因此木星绕太阳运转一周的周期是11年。上述周期计算方法适用于任何行星、小行星和彗星。

开普勒并不满足于从大自然推断出行星运动的法则，他努力追求某种更根本的内在原因——太阳对星球运动的影响。行星在接近太阳的时候速度逐渐加快，在离开太阳的时候速度逐渐减慢。遥远的行星仍然感受到太阳的影响，磁力也有一种遥感作用，因此开普勒令人吃惊地预示了万有引力的概念，认为行星运动的内在原因类似于磁力作用：

我从事这项研究的目的是证明宇宙这部机器，与其说像一个非凡的有机体，不如说像一个类似时钟结构的装置……因为几乎各种形形色色的运动都是由一个非常简单的磁力所带动的，就像类似时钟机构的装置一样，一切运动都是由一个简单的重力引起的。

开普勒第三定律，又称宇宙谐和律（即“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方”——译注），准确地建立了行星轨道的体积与其绕太阳公转一周的关系。这个定律完全适用于开普勒身后多年才发现的天王星、海王星和冥王星。

当然，磁力并不等于重力，但是开普勒这里所指出的创见是惊天动地的。他认为，适用于地球的量子物理原理也是支配宇宙的量子物理原理的基础。这是首次打破用神秘的观点来解释天体运动，这个见解使地球成了宇宙的一个省份。他说：“天文学是物理学的范畴之一。”开普勒处在历史的歧点，最后的一个科学星占学家成了第一个天体物理学家。

开普勒不是说话谨慎的人，他这样评价他的发现：

用这种交响乐的声音，人类可以在不到一小时内奏完永恒曲，可以细细地体验上帝——最高艺术家——的欢乐……我非常激动……决心已定。我正在写这本书，让现代人读也好，让后世人读也好，都无所谓。这本书可以等一个世纪才找到一个读者，上帝自已就等了6000年才找到见证人。

开普勒认为，在这种交响乐里，每个行星的运转速度相当于当时流行的拉丁音阶上的某些音符，即1、2、3、4、5、6、7、i。他说，在天球的谐声里，地球的音符是 4和 3，地球不停地哼唱着4和3，这两个音符正好等于拉丁词“famine”（饥荒）。他还中肯地指出，用这个令人悲哀的词来描绘地球是最恰当不过的了。

开普勒发现他的第三定律之后整整8天，导致“三十年战争”的事件在布拉格发生了。战争动乱使千百万人家破人亡。开普勒的命运也是如此，他的妻子和儿子死于军队所传染的流行病，他的皇家赞助人被废黜，他也因为在教义问题上固执己见而被开除路德教的教籍——开普勒再次沦为难民。这次冲突——天主教和新教都把它说成是神圣的战争——其实是那些贪婪的人利用宗教狂热争夺土地和权力的战争。过去，当交战双方的君主耗尽资财的时候，战争也就结束了，但现在，有组织的抢劫成了维持作战部队的手段。受蹂躏的欧洲人束手无策地看着一把一把的犁和修校的刀被打成剑和矛⑥。

在乡下，妖风四起，谣言弥天，无权无势的人受尽了祸害。许多孤身老妇被控行巫，成了替罪羊。开普勒的母亲就是在深更半夜被人从衣柜里拉走的。在开普勒的家乡小镇韦尔德斯塔特，从1615－1629年，每年大约都有3个妇女被当做女巫而加以折磨和杀害。凯瑟琳娜·开普勒是个爱争论的老妇，

事情的发生是因为开普勒写了一本科学小说来阐述和推广科学，这本书的书名叫做《梦》。他想象了一次月球旅行——那些太空旅行者站立在月球上，观察他们头顶上美丽的地球缓慢地旋转着。通过改变我们的观察角度，我们就可以理解宇宙的机理。在开普勒时代，反对地心说的主要原因之一是人们没有感觉到地球在运动。在《梦》这本书里，他尽力将地球自转的原理阐述得深入浅出，通俗易懂。他写道：“群众是通情达理的，……我要站在群众一边。因此，我十分耐心地向尽可能多的人解释。”（另一次，他在一封信中写道：“请不要让我单纯搞数学计算这种单调的工作，给我时间从事哲理的研究吧，这是我惟一的乐趣。”⑦）

随着望远镜的发明，开普勒的“月球地理学”的设想正在成为现实。他在《梦》中将月球描绘成布满山峦峡谷和孔洞（即伽利略不久前用第一架天文望远镜发现的月球上的环形山）。他还想象月球上有人居住着，他们已经完全适应了当地的险恶环境。他描述了从月面上观察到的地球缓慢旋转的情形，并想象我们行星上的大陆和海洋会引起像“月球上的人”那样的联想——把在直布罗陀海峡的西班牙南端与北非的相互靠近想象成“一个穿着柔软的衣服的少女正准备跟她的情人接吻”。但是，我觉得他们更像是在“碰鼻子”。

根据月亮上日夜的长短，开普勒认为月球上气候严酷，温度变化悬殊。事实证明，他的看法是完全正确的。当然；他并不是事事正确。例如，他相信月球周围有大气，月球上有海洋，也有人居住。特别奇怪的是他关于月球上的环形山的起源的猜想。他说，这些环形山使月球看上去“像小孩子出天花的脸”。他认为，环形山是凹下去而不是突出来的。他这个观点也是正确的。他从观察中发现许多环形山四周突出，中心耸立着一个山峰，但是他认为这些规则的环形说明了一种级数，只有智能生物的存在才能解释这种现象。他设想到从空中落下来的大岩石会引起月球的局部爆发，爆发物向四周匀称地散开，结果形成了圆形的坑穴，这就是月球和其他类地行星上许多环形山和坑穴的起源。因此他推断：“月球上存在着某种能够灵巧地建造那些回洞的人类。这些人类为数一定很多，他们一个接一个地建造凹洞以满足需要。‘针对’这样的大建筑工程是不可能的”的观点，开普勒列举埃及的金宇塔和中国的长城（这些东西现在我们可以从环绕地球的轨道上看到）加以反驳。开普勒的思想核心是，几何级数反映了潜在的智能。他对月球环形山的论述预示了一场关于火星运河的论战（第五章）。通过观测的方法搜寻地球外的生命在发明望远镜的年代开始了，这是拥有最伟大的理论家的时代，这是举世瞩目的时代。

《梦》中有些部分显然是作者的自述，例如，主人公拜访了第谷，他的双亲是卖药的，他的母亲与妖魔鬼怪有交往，其中一个魔鬼最后还向她提供到月球旅行的工具。《梦》向我们清楚地表明（虽然它没有向开普勒同时代的人表明）：“应该容许人们在梦中偶然想象到知觉世界所不存在的东西。”科幻小说在“三十年战争”时代还是一种新生事物，因此开普勒的书被当做为指控他母亲为女巫的证据。

正当开普勒面临着严重的个人问题时，他赶到沃坦堡去看望母亲。他那74岁的老母亲被拘禁在新教区地牢里，还受到严刑的威胁（枷利略在天主教的地牢里也受到了同样的威胁）。作为一个科学家，他很自然地立即就着手调查指控他母亲行巫的原因，其中包括调查沃坦堡人将身体上的小毛病都归咎于她的符咒的事件。他的调查是成功的，跟他的一生一样，他的调查是理性对迷信的胜利。他的母亲被放逐，永远不得返回沃坦堡，否则处以死刑。正是由于开普勒勇于自卫，沃坦堡的君主。才定下了不得在证据不足的情况下任意指控人们行巫的法令。

战争的动乱使开普勒基本上失去了经济来源，他后来的生活很不安定，到处恳求帮助。他给沃伦斯坦君主算命，就像他曾经给鲁道夫二世算过命那样，最后在沃伦斯坦控制的一个西里西亚的市镇——萨根——度过了晚年。他亲自写下的墓志铭是这样的：“我过去测量天空，现在测量的则是阴影。我的精神跟天空密不可分，我的身体却在地上安息。”但是，“三十年战争”把它的坟墓湮没了，如果今天要为他追求科学的勇气树碑立传的话，碑文可以这样写：“他追求的是严酷的真理而不是美妙的幻想。”

开普勒相信，总有一天会有“宇宙帆船乘着天风”在空中航行，船上满载“对浩瀚的太空无所畏惧的探索者”。今天，那些探索者无论是人类还是机器人，在广袤无垠的太空中用来准确无误地导航的，正是开普勒经过终身奋斗所发现的行星运动三大定律。

开普勒为了解行星的运动、为探索宇宙和谐的原理而奋斗终生，他的研究工作在他死后36年由牛顿推向顶点。牛顿生于1642年圣诞节，他母亲后来告诉他，他出生的时候只有一点点大，可以装进一个容量为一夸脱的杯子。牛顿体弱多病，感到缺少家庭的温暖，脾气暴躁，不爱交际，当了一辈子童男，但他却可能是最空前伟大的科学天才。

牛顿从小就急欲解答虚幻的问题，诸如：光是一种物质还是一种偶然的事情？引力如何越过真空而起作用？等等。他很早就确信，基督教对“三位一体”的传统观念是对《圣经》的一种误解。他的传记作者约翰·梅纳德。凯恩勒写道：

他其实是梅莫奈兹学派的犹太教—神论者，他之所以得出这个结论，不是根据推理或猜测，而是完全根据对古代权威的理解。他相信天书并没有为伪造的“三位一体”论提供证据，天神只有上帝一个。但这是牛顿终身竭力隐瞒的可怕的秘密。

和开普勒一样，他免不了要受到当时迷信思想的影响，他也与神秘主义交锋过多次。事实上，牛顿思想的成熟主要归因于理性主义与神秘主义的冲突。1663年，当20岁的时候，出于好奇，他在斯特布里奇市集买了一本星占学的书，他想“看看书里到底说些什么”。当读到书中谈到的幻像时，他就读不下去了，因为他对三角学一无所知。因此，他又买了一本三角学的书。但是没多久，他发现自己不懂几何学，结果又找了一本欧几里得著的《几何学初步》开始读起来。两年之后，他发明了微分学。

做学生的时候，牛顿就被光迷住了，被太阳吸引住了。他不顾危险，经常目不转睛地看着镜子里太阳的映像：

几小时之后我的双眼无需望着任何明亮的东西，但是我还是看到太阳在我的面前。我不敢写字，也不敢看书，我把自己关在房间里让眼睛恢复过来，我整整三天呆在黑屋里，想尽一切办法转移我对太阳的想象，因为一想到太阳，我立即就会看到它的图像，虽然我是在黑暗里。

1666年，牛顿23岁，在剑桥大学读书。这时突然爆发了一场瘟疫，他只好回到与世隔绝的伍尔斯索普村（他出生的地方）闲居，在那里他住了一年。他专心于发明微分学和积分学，对光的性质有重大发现，并为万有引力理论打下了基础。在物理学的历史上，像这样意义重大的一年，只有1905年——爱因斯坦的“奇迹年”可以和它相比。当问他是怎样获得．这些惊人的发现时，牛顿笼统地回答说：“通过思考。”他的成就就是如此之重大，以致他剑桥的老师文萨克·巴罗在这个年轻人回校五年之后辞去了数学教授的职位，让他来接班。

牛顿45岁左右的时候，他的佣人是这样描述他的：

我从来没有看到他娱乐或消遣过，他既不乘车出去兜风，也不散步，不玩滚木球游戏或做其他运动，以为凡是不用在学习上的时间都是浪费。他学习抓得很紧，很少离开自己的房间，除非是去讲课……很少有人听他的课，更少有人听得懂，由于听课的人少，他实际上经常是对着墙壁朗读。

开普勒和牛顿的学生绝没有想到他们的损失会有多大。

牛顿发现了惯性定律——运动着的物体在没有外力作用的情况下继续做直线运动。牛顿认为，如果没有一种力量不断地改变月球的运动方向，使它的轨道成为近圆形，并把它往地球的方向上拉，那么，月球就会沿着与轨道相切的方向直线飞离轨道。牛顿把这种力量叫做重力，并相信它在远距离的地方起作用。虽然在地球和月球之间没有什么东西把它们联系起来，但是地球却不断地把月球往我们这边拉。牛顿应用开普勒第三定律，从数学的角度推断引力的性质。⑧他证明，将苹果往地球上拉的力就是使月球沿着它的轨道运转的力，也就是使当时刚发现的木星的卫星绕着那个遥远的行星运转的力。

自从开天辟地以来，物体都是往下掉的。人类有史以来都相信月亮绕着地球转。牛顿首先发现上述这两种现象都是由同一种力引起的，这就是“牛顿万有引力”中“万有”的含意所在。在宇宙中，这个引力定律到处都适用。

这是一个平方反比法则，即引力与距离的平方成反比。如果两个运动物体之间的距离增加一倍，它们之间的引力则只有原来的四分之一，如果它们之间的距离是原来的10倍，它们之间的引力就比原来的引力小了100倍（102 = 100）。显然，引力必须在某种程度上是逆向的，即随着距离的增加而减少。假如引力是正向的，即随着距离的增加而增加，最遥远的物体就会受到最大的引力。那么我想，宇宙间的所有物质很快就会形成一个大宇宙团。不，引力一定要随着距离的增加而减少。这就是为什么彗星或行星在远离太阳时转得慢，在靠近太阳时转得快的原因——离太阳越远，它们所感受的引力越小。

开普勒的行星运动三定律都可以从牛顿原理推导出来。开普勒定律是经验的产物，是根据第谷的仔细观测结果推断的，牛顿定律则是理论性的，是很简单的数学概念，根据这种概念，我们最终可以推导出第谷观测的一切数据。牛顿对自己的定律引以为豪，他在《自然哲学的数学原理》一书中写道：“我在此展示了宇宙的机理。”

后来，牛顿担任了伦敦皇家学会会长（这是一个科学家的团体），还当了造币厂厂长，他将全部精力投入到查禁伪币的工作中。他那忧郁和孤独的性格又开始作怪，他决心放弃驱使他与其他科学家争论的科研工作（争论的重点是优先权的问题）。为此，有人还说他得了相当于17世纪的“精神崩溃”症。然而，牛顿继续他在炼金术与化学之间的边缘科学的毕生研究。最近有证据表明，他当时的疾病与其说是精神病，不如说是重金属中毒——长期吸入微量的砷和汞所引起的金属中毒。当时的化学家以嗅觉为分析手段是司空见惯的。

但是，他那惊人的智力经久不衰。1696年，瑞士数学家约翰·伯努利要求他的同事们解决一个悬而未决的“捷线问题”：在只受到重力作用的情况下，物体怎样沿着不同高度的两点之间的一条曲线下降最快。伯努利起先规定半年为最后期限，但是后来应莱布尼茨的要求（莱布尼茨是当时的主要学者之一，跟牛顿同时发明了微分学和积分学），将最后期限延长到一年半。1697年1月4日下午4点，牛顿收到这个要求。在他次日早晨上班之前，他又发明了一个崭新的数学分支——变分学。他用变分学的原理解决捷线问题，并将答案寄了出去。他的答案出版了，但是根据牛顿的请求，没有署名。然而，该答案所显示出来的才华和创见却暴露了它的作者。当伯努利见到该答案时，他说：“真是文如其人。”牛顿当年55岁。

在晚年的时候，他继承了古代历史学家梅内托、斯特拉波和埃拉托斯尼的传统，主要从事校正古文明年代学的工作。在他身后发表的最后一本著作——《古代王国年代学修正本》里，我们发现他对许多历史事件进行了校订，复制了一幅所罗门圣殿建筑图；大胆地提出“北半球星座都是根据希腊故事《伊阿宋》和《亚尔古英雄传》里的人物、人工制品和事件命名的观点；坚持认为一切文明世界的神——只有牛顿自己心目中的神是一个例外——不过是后人加以神化的古代国王和英雄罢了。

开普勒和牛顿的发现代表了人类历史上的转折——发现十分简单的数学定律渗透到大自然的各个角落；适用于地球上的规则，也同样适用于宇宙；我们的思维方式与宇宙运行方式之间会产生共鸣。他们非常重视观测资料的精确性，他们预测行星运动的准确性雄辩地证明：人类完全能够深刻地了解宇宙。我们地球的现代文明、我们世界观的形成，以及我们现在对宇宙的探索，与他们的洞察力是密不可分的。

牛顿对自己的发现持谨慎态度，他对科学界的同事们是毫不让步的。在他发现负二次方定律之后，根本没有想等一二十年之后把它发表出来。但是在辽阔无垠、错综复杂的大自然面前，他跟托勒密和开普勒一样，既高兴又谦虚。他在临死之前写道：“我不知道在别人看来我是什么样的。但在我自己看来，我不过像是在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”

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 ①“月经（menstrual）”这个词的词根意思是“月亮（Moon）”。

②对星占学及其有关学说表示怀疑并不是什么新鲜事，也不是西方所独有的。例如，1332年《徒然草》的作者吉田兼好在《懒散论集》中写道：（日本）阴阳说对“红舌日”这个问题说不出个道理来。以往人们并不回避红舌日，但是近来——我不知道这个风俗从何而来——人们开始说什么“红舌日开始的事业是不会有好结果的”，或者“红舌日说的话是白话，做的事是白做：你得而复失，你的计划落空。”简直是胡说八道！假如我们计算一下特意挑选“吉日”开始而又没有结果的事情，恐怕其数量之多不亚于在红舌日开始的事情。

③早四个世纪之前，阿基米德就制造了一个这样的装置，并由罗马的西塞罗检查和绘制成图。这是马塞勒斯将军运送到罗马的。在征服赛拉丘斯期间，马塞勒斯的一个士兵违抗命令，无缘无故地将这个年逾古稀的科学家杀死。

④在最近一次清查几乎所有哥白尼16世纪的著作时，欧文·金杰里奇发现当时的书刊审查很不认真，只有60％的意大利文版本被“纠正”，伊比利亚版本没有一本被纠正。

⑤这样的话在欧洲中世纪或欧洲基督教改革运动的时候决不是最偏激者所言。在包围一个主要是艾伯延塞斯人居住的城市时，有人问多米戈德古斯曼（后来以圣多米尼克闻名）如何区别信徒和异教徒时，据说他回答道：“把他们全部杀光，上帝自有判断，”

⑥我们现在还可以在格拉茨的军械库里看到一些展品。结果得罪了地方上的贵族。她卖安眠药，可能还卖幻觉药，就像现代墨西哥江湖医生那样。可怜的开普勒相信，他本人才是母亲被抓走的原因。

⑦像开普勒一样，第谷没有敌视星占学，但是他把自己秘密的占星术与当时流行的各种占星术严格地区别开来，他认为后者助长了迷信。他在1598年出版的《天文机理新编》一书中指出，如果星位图能够得到改善的话，星占学“其实比我们所认为的更可靠”。第谷写道：“我从23岁就开始致力于炼金术和天国的研究。”但是他觉得，这两种伪科学里的秘诀对大众来说太危险了（虽然他认为操纵在那些他需要获得其支持的君主和国王的手里是很安全的）。第谷继承了那些相信只有他们和俗、教权才能委以秘诀的科学家长期的、真正危险的传统。他写道：“将这些东西公之于众是没有用的，也是不应该的。”相反地，开普勒则到学校讲授天文学，经常自己掏钱大量出版刊物，撰写科学小说（当然主要不是写给他的同行看的）。用现代的观点看，他不可能成为受人欢迎的科学小说家，但是第谷和开普勒这两个同代人态度的差异却是说明问题的。

⑧遗憾的是，牛顿在他的杰作（自然哲学的数学原理》一书中没有提到开普勒。但是在1666年给埃德蒙·哈雷的一封信中，他谈到了他的万有引力定律：“我可以肯定地说，这个定律是我大约20年前根据开普勒的理论推导出来的。”

第四章 天堂与地狱

九个世界仍在我的记忆之中。 斯诺尔里·斯特勒逊编纂的《冰岛散文集》

我——宇宙的破坏者，罪该万死。《神曲》

天堂和地狱的大门毗连在一起，没有什么两样。 尼克斯·卡赞扎基斯《基督的最后引诱》

地球是个可爱而又平静（多少可以这么说）的地方，万物在变化，但变化的过程却是缓慢的。我们可能平安地过一辈子而从未经历过比暴风雨更猛烈的自然灾害，因此，我们总是自鸣得意，逍遥自在，漠不关心。但是大自然的历史记载却是很清楚的。宇宙曾经遭到破坏，我们人类甚至还以“善于有意无意地给自己施加灾害”而著称。其他的行星都把自己过去的历史保留下来，有充分的证据表明它们曾经经历过大灾难。一切都只是时间迟早的问题。在100年内不可思议的事情，1亿年之后可能就是不可避免的了。即使在地球上，即使在我们自己的国家里，奇怪的自然现象也发生过。
 

1908年6月30日清晨，在西伯利亚中部，人们看见一个巨大的火球从天空划过。火球着地的时候，引起了一场大爆炸，这场大爆炸扫平了大约2000平方公里的森林，烧毁了撞击地点附近成千上万的树木，它所引起的大气冲击波环绕地球两圈。两天之后，大气里仍然有大量的尘埃，以至于在1万公里以外的伦敦市街道上，人们可以在晚上靠尘埃的漫反射光看报纸。

沙俄政府不会为这样的区区小事而去调查的，而且事情毕竟是发生在偏僻落后的西伯利亚通古斯人居住的地方。十月革命10年之后才有一支考察队到那里考察现场和采访目击者，以下是考察队带回来的一些采访记录。

清晨，当大家还在帐篷里睡觉的时候，整个帐篷连人一起被吹到空中。落地的时候，全家都受了轻伤，而阿库莉娜和伊凡失去了知觉。恢复知觉后，他们听到许多嘈杂的声音，看到森林在他们四周炽烈地燃烧着，大部分森林都毁了。

早饭时间，我正坐在范诺范拉贸易栈的门廊里，眼睛望着北方。我刚举起斧子要箍桶的时候，突然间……天空劈成两半，北边森林的上空好像燃起了一片烈火。这时，我感到一阵火热，好像我的衬衫已经着火了……我正要把衣服脱掉的时候，天空中轰隆一声炸开了。我从门廊里被抛到约3沙绳（俄丈）远的地方，暂时失去了知觉。我的妻子跑出来把我扶到屋里。接着便听到一声巨响，好像是石头从空中降落的声音，又好像是炮声，整个大地都抖动起来。我躺在地上，把头盖住，因为我怕头被石头打伤。正当天空裂开的时候，一阵热风（犹如大地里吹出来的热风）从北边往我们的屋子吹过来，在地上留下了痕迹……

当我坐在犁旁吃早饭的时候，我突然听到爆炸声，好像是炮声。我的马跪到地上。北边森林的上空火舌冲天而起……接着，我看到杉树林被风刮得倒向一边，我还以为是飓风。我用双手抓住犁，不让风刮走。风很猛，地上的土都被刮走了。飓风从安格拉里驱起了一道水墙，我看得清清楚楚的，因为我的地在山坡上。

呼啸声把马吓得狂奔起来，拖着犁到处乱跑，有的马却吓瘫了。

听到第一声和第二声爆炸之后，木匠们都吓呆了，他们用手在自己胸前划十字。当第三声爆炸传来的时候，他们从屋顶上倒摔到碎木屑上。有几个人惊慌失措，我叫他们冷静下来，并安慰他们。我们都停了工回到村子里去。村民们惊恐万状，一群一群地聚集在街道上，谈论着发生的事情。

我当时正在田里……刚刚给一匹马套上耙，正要套另一匹时，突然听到右边一声好像爆破的声音。我立即回头，看见一个燃烧着的物体从空中飞过，那物体头部比尾部宽得多，色彩好比白昼里的火光。这个燃烧着的物体比太阳大得多，但是没有太阳那么明亮，所以可以用肉眼去看。火光后面拖着一长串的东西，看上去像尘埃，一阵阵地往外喷，此外，火焰还放出蓝色的流光……火焰一消失就听到比炮声更猛烈的爆炸声，可以感觉到土地在震颤，木屋里的玻璃窗都被震碎了。

我当时正在卡恩河边洗羊毛，突然听到一声像惊鸟鼓翅的嘈杂声……河水猛涨。随后便是一声巨响，一个工人……摔到河里。

这个著名的事件叫做通古斯事件。有些科学家认为，这个事件是由一片急剧落下的反物质引起的。反物质与地球的寻常物质接触之后就湮没，变成伽马射线的闪光。但是在撞击地点没有发现任何放射现象可以证实这种解释。另一些科学家认为，一定有一个很小的黑洞由西伯利亚这一端进人并穿透地球，从另一端钻出。但是从大气冲击波的记录里并没有发现当天晚些时候有什么东西从北大西洋里冲出来。这也许是某个难以想象的地球外的高级文明社会的宇宙飞船出了严重的故障，结果撞到一个暗行星的偏僻地区。可是在撞击现场没有找到这些飞船的痕迹。上面这些已经提出来的观点，其中有些还是很有道理的。但是它们都没有足够的证据。通古斯事件的主要事实是：大爆炸，大冲击波，森林大火。可是在现场没有发现撞击环形山。所有这些事实似乎只能有一种解释：1908年一个彗星的一个碎片撞击了地球。

在行星际广阔的空洞里有许多物体，有些是岩石的，有些是金属的，有些是冰的，有些含有部分的有机分子。这些物体从尘埃颗粒到像尼加拉瓜或不丹那么大的不规则的石块都有。有时候，偶然间在途中出现一个行星。通古斯事件很可能是由一个彗星冰块引起的。这个冰块长约100米（相当于一个足球场那么大），重100万吨，飞行速度约每秒30公里（每小时7万英里）。

假如这样的撞击事件发生在今天的话，人们可能会以为是核爆炸（特别是在目前的这种惊恐之中）。彗星的撞击和火球就像百万吨级的核爆炸。还带有蘑菇云，但有两个例外，没有伽马射线，也没有放射性微粒回降。一个罕见的但又是自然的事件——一个相当大的彗星碎片的撞击——可能引起一场核战争吗？一个奇怪的剧本：一个小彗星撞击了地球（就像千百万其他彗星已经撞击过地球那样），我们的文明社会的反应则是立即毁灭自己。我们应该进一步研究彗星及其撞击和可能带来的灾难。例如，1979年9月22日，一颗美国维拉卫星在南大西洋和西印度洋附近探测到一种强烈的双闪光，起初以为那是南非或以色列秘密进行的低量（2000万吨，相当于广岛原子弹的能量的六分之一）核武器试验所引起的。当时的国际政治形势正处于紧张状态。但是如果这种闪光是由小行星或彗星碎片的撞击所引起的，那又有什么关系呢？既然在发光地区的空中飞行之中没有发现大气里有异常的放射现象。上述可能性是完全存在的。同时也说明，在核武器时代，不改善我们对来自宇宙空间的撞击的监测系统是很危险的。

彗星主要是由冰构成的——水（H2 O）冰，还有少量的甲烷（CH4 ）冰和一些氨（NH3 ）冰。在撞击地球的大气层时，一个中等大小的彗星碎片会产生一个白炽的火球和一种巨大的冲击波。火球会烧毁树木，冲击波会扫平森林，它的声音还会波及全球。但是这样的彗星不太可能在地上撞出一个环形山。彗星上的冰块在进人大气层的时候全部融化了，因此不会留下灵般地出现，这种现象令人不安地向人们关于宇宙是万古不变、井然有序这一观念进行挑战。如果那条天天随着星星起落的壮丽的乳白色光带是无缘无故地出现在那里，与人间世事毫无关系，那简直是不可思议的。因此出现了这样的观点：彗星是灾难的预兆，是神遣的预兆——它们预示了帝王的终日，王国的崩溃。对于彗星，巴比伦人认为是天髯，希腊人认为是垂发，阿拉伯人认为是燃烧的剑。在托勒密时代，人们根据彗星的形状把它们分类为“梁”、“喇叭”。“坛子”等。托勒密认为彗星给人类带来战争、炎热的气候和“动乱”。中世纪的一些彗星图看上去像未探明的飞行的十字架。一个名叫安德烈亚斯·西利奇厄斯的马格迪堡路德教主管人（即主教），在1578年发表了一篇题为“新彗星的科学启示”的文章。他在文章中。提出了一个独特的观点，他说彗星是“人类罪恶的浓烟，每天、每时、每刻都在升腾，它在上帝面前丑态百出、胆战心惊，逐渐地由浓烟形成长着卷发梳着辫子的彗星，最后被天国最高法官的怒火烧着了”。但是另一些人反驳说，如果彗星是罪恶的浓烟的话，天空势必乌烟滚滚。

关于哈雷彗星（或任何其他彗星）的最古老的记录是在中国的《淮南子》这本书里，该星于公元前1057年武王伐纣时出现。公元66年哈雷彗星向地球靠近，这是约瑟夫关于“耶路撒冷上空整整一年悬挂着一把剑”的记载的最好解释。1066年，诺曼底人又目睹了哈雷彗星，他们认为，既然彗星预兆某个王国的崩溃，这次哈雷彗星的出现，助长并在某种意义上促成了“征服者威廉”对英格兰的侵略。当时的报纸《贝尤克斯绣帷报》对该彗星曾做过及时的报导。1301年，乔托——现代写实主义绘画的创立者之———目击了哈雷彗星再次出现，并且把它画到算命的天宫图里。1466年的大彗星——哈雷彗星星又一次再现——引起了基督教欧洲的恐慌，基督教徒们担心上帝可能站在土耳其人一边（土耳其人刚刚占领了君士坦丁堡），所以才派遣彗星下来。

16世纪和17世纪的主要天文学家都被彗星迷住了，即使牛顿对彗星也有点茫然。开普勒说彗星在空中飞驰“就像鱼类在海里畅游一样”。但是被阳光驱散了；因为彗尾总是朝着背向太阳的方向、戴维·休漠在许多场合里是一个坚定的理性主义者，但是他的下述观点却不很严肃：彗星是行星系的生殖细胞——卵子或精子。行星是一种星际性交的产物。牛顿读大学的时候（在他发明反射望远镜之前），经常连续数夜不眠，用肉眼搜索空中的彗星，最后终于累倒了。继第谷和开普勒之后，牛顿断定，从地球上看到的彗星不在我们的大气层范围内运行（亚里士多德和其他一些人也是这样认为的），我们看到的彗星其实是在比月球还要远的地方，但是比土星近一些。彗星跟行星一样，是通过反射太阳光发亮的。“那些把彗星调往遥远的恒星的人大错而特错，因为如果是那样的话，彗星就得不到太阳光，就像我们太阳系的行星得不到恒星的光一样。”他证实了彗星的运行轨道跟行星一样也是椭圆形的；“彗星是一种在非常扁圆的轨道上绕着太阳运转的行星。”这种将彗星非神秘化的观点，这种对彗星固定轨道的预言，导致他的朋友埃德蒙·哈雷在1707年计算出：1531年。1607年和1682年出现的彗星是每隔76年出现一次的同一颗彗星，并预言这颗星于1758年再现。这个彗星果然按时到来，他死后人们就用他的名字给这颗彗星命名。哈雷彗星在人类历史上起过有趣的作用，当它1986年再现时，它可能是宇宙飞船首次探索彗星的目标。

现代的行星科学家有时候试图论证彗星和行星的碰撞对行星大气可能有显著的影响。例如，现在火星大气里的水分都是因为不久前一个小彗星撞击的结果。牛顿指出：彗尾的物质被散落在行星际空间，由于重力作用，它们逐渐地被吸引到附近的行星上，他相信地球上的水在不断地散失，“用于植物的生长和腐烂，转化成干土……如果液体没有从外部得到补充，一定会不断减少，最后完全消失”。牛顿曾经相信：地球上的海洋源自彗星；生命的产生也可能是因为彗星物质降落在我们的行星上。在一篇神秘的幻想曲里，他更是讲得神乎其神：“而且，我认为，灵魂来自彗星，虽然它非常微小，但它却是我们空气中最微妙。最有用的部分，是万物赖以生存的要素。”

早在1868年，天文学家威廉·惠更斯就发现彗星光谱和天然气光谱的某些特征是一样的。惠更斯发现彗星上有有机物；几年之内又发现彗星里含有氰（即硝酸纤维素，含有一个碳原子和一个氮原子，是形成氰化物的分子碎片）。1910年，当地球即将穿过哈雷彗星的尾巴时，许多人非常恐慌，他们忽略了“彗尾富有扩散性”的事实。彗星的毒性所带来的危险远不如（即使在1910年）大城市工业污染所带来的危险。

但是几乎没有人感到放心。例如，旧金山1910年5月15日《纪事报》的大标题中有：“跟房子一样大的彗星摄像机”、“彗星来临，丈夫自新”、“彗星晚会在纽约流行”。洛杉矾《考察家报》的气氛比较轻松：“喂！那个彗星毒死你了吗？……全人类该免费洗一洗气体浴了”、“期待‘狂欢作乐’”、“许多人嗅到氰的强烈味道”、“受害者爬树，给彗星挂电话。”1910年，人们举行了许多晚会，他们要在世界遭到气污染的末日来临之前尽情欢乐一番。企业家到处兜售抗彗药和防毒面具（后者令人恐怖地预示了第一次世界大战的战场）。

即使在我们的时代，对彗星仍然存在着模糊的认识。1957年，我是芝加哥大学叶凯士天文台的研究生。有一天深夜，我独自一个人在天文台里，听到电话铃直响。我接电话时，听到一个人用醉醺醺的声音说：“请让我跟天文学家讲几句话。”“你有什么事就说吧。”“是这样的，我们正在威尔米特举行花园晚会，天上有个东西，奇怪的是，你正视它的时候，它就不在了，但是如果你不看它，它又在那里。”视网膜最敏感的部分不在视界的中心，如果你将视线稍微偏移一点，你就可以看到暗淡的星星和其他的物体。我知道当时天上勉强可见的东西是一个新发现的叫做“阿伦罗兰”的彗星，所以我就告诉他，说他看见的可能是一个彗星。他停顿了好一会儿才问：“什么叫彗星？”“彗星就是直径1英里的雪球。”我回答说。这次，这个打电话的人停顿的时间更长。后来，他请求说：“请找个真正的天文学家跟我谈吧。”1986年哈雷彗星再现时，我不知道什么样的政界领导人会对此感到恐惧，我们不知道我们到时候还会干出别的什么蠢事来。

虽然行星是在椭圆形的轨道上绕太阳运转，其实它们的轨道的椭率并不很大。乍看起来，它们的轨道倒像是圆形的。彗星——特别是周期长的彗星——才有显著的椭圆形轨道。行星是内太阳系的老前辈，彗星则是新客。为什么行星的轨道基本上是圆形的而且整齐地分隔开来？因为如果行星轨道的椭率很大的话，它们就会交叉在一起，那么行星迟早会相撞。在太阳系的早期历史里，可能有许多行星正处在形成的过程中，那些在椭圆交叉轨道上的行星很容易相互碰撞而毁灭，而在圆形轨道上的行星则容易成长而生存下来。现在这些行星的轨道是在这种碰撞自然选择中幸存者的轨道，我们的太阳系已经由充满灾难性的撞击的少年进人稳定的中年。

在太阳系的最外层，在行星以远的黑暗空间里，有一个由1万亿个彗核构成的巨大的球云，它绕太阳运转的速度不会比印第安纳波利斯首届500英里车赛的速度更快①。一个典型的彗星看上去像一个直径约1公里的巨大的滚动的雪球。大多数彗星从来没有穿越过冥王星轨道这条边界，但是，偶而会有一颗行星从它们旁边经过，打乱它们的引力关系，使一群彗星进入椭率很大的轨道，向太阳猛冲。当它们的轨道由于木星和土星的引力作用而继续变化时，它们就（大约每100年左右一次）往内太阳系猛冲。在木星和火星轨道之间的某个地方，它们开始发热和蒸发。从太阳的大气层吹出来的物质——太阳风，将尘埃和冰块推向彗星的背部，使它们有了短尾。假如木星的直径是1米的话，我们的彗星就会比尘埃颗粒还要小。但是如果它们发展壮大的话，它们的尾巴会有从一个星球到另一个星球那么长。当它们接近地球的时候，它们会在地球上的人类当中激起迷信的狂热。但是人类最终会懂得，彗星不是生在在他们的大气层里，而是生存在大气层外的行星之间。人类将会计算彗星的轨迹，也许在不久的将来，人类还会发射一个小宇宙飞船，专门用来探测这个来自恒星王国的客人②。

彗星迟早是要跟行星碰撞的。地球及其伙伴月亮势必受到彗星和小行星——太阳系在形成过程中残余下来的碎片——的轰炸。既然小的物体比大的物体多，受小物体撞击的可能性也就比受大物体撞击的可能性大。彗星碎片撞击地球的事件（例如通古斯事件），每1千年就可能发生一次左右，但是大彗星（例如哈雷彗星，它的核可能有20公里的直径）撞击地球的事件只可能每10亿年左右发生一次。

当一个小的冰冻物体跟一个行星或一个卫星碰撞时，行星或卫星上还不会有很大的伤痕，但是如果撞击物比较大或撞击物主要是由岩石构成的，那么撞击的时候就会引起爆炸，形成一个半球形的坑，我们把它叫做撞击环形山。如果环形山没有被破坏掉或被填满，它可能几十亿年之后都还会存在。月球上几乎没有侵蚀现象，当我们考察月球的表面时，我们发现它布满了环形山，这些环形山的数量远不是现在太阳系内寥寥无几的彗星碎片和小行星碎片所能解释的，月球的表面雄辩地证明宇宙曾经经历过毁灭性的年代，那是几十亿年前的事了。

撞击环形山并不只是月球上才有的，我们在整个内太阳系都会发现它们——从最靠近太阳的水星，到云雾迷漫的金星，到火星及其小卫星（火卫一和火卫二）。这些行星叫类地行星，在宇宙中跟我们是一家人，它们的性质可以拿地球作代表。它们的表层是固体，内部主要是岩石和铁。大气层的气压不尽相同，从几乎是真空状态到比地球的气压高叨倍都有。它们像野营者围着营火一样紧紧地围着太阳——光源和热源。所有的行星大约都有46亿年的历史了，跟月球一样，它们都是太阳早期历史的撞击灾变岁月的见证人。

越过火星之后，我们就来到了一个非常不同的“社会制度”里——木星和其他大行星（即类木行星）的王国。这些行星都是大行星，它们的主要成分是氢和氦，还有少量的富氢气体（例如甲烷、氨气）和水。在这里，我们看不到坚实的表面，看到的只是大气和五彩缤纷的云层。这些行星都是举足轻重的，而不像地球那样是微不足道的。木星可以装得下1000个地球。假如彗星或小行星落到木星的大气层里的话，我们不可能看到环形山，我们只能看到云层暂时断裂的现象。然而，我们知道，外太阳系的碰撞史也已经有几十亿年了，因为木星的体系更庞大，有十几个卫星，“旅行者”宇宙飞船曾经对其中的5个卫星进行过详细的考察。在这里，我们也找到了过去灾变的证据。整个太阳系都探索过之后，我们可能就会找到所有9个星球（从水星到冥王星）和所有小卫星、彗星和小行星都经历过撞击灾变的证据。

月球正面大约有1万个环形山，在地球上用望远镜可以看得见。大多数环形山是在月球的古代高地上，从月球的行星际碎片最后吸积时期起就有了。在maria（拉丁语“海”）里约有1000个直径超过1公里的环形山。所谓的“海”，是指月球的平原地区，在月球形成后不久，这里可能是个熔岩涌流的地方，先前的环形山都被遮没了。因此，粗略地计算，现在月球上环形山的形成率应该是：109年／104环形山=105年／环形山，即每10万年形成一个环形山。因为行星际碎片在几十亿年前可能比现在多，所以我们可能要等10万年以上才能看到在月球上形成一个环形山。因为地球的面积比月球大，所以我们可能要等大约1万年才能看到我们的行星被撞击出一个1公里宽的环形山。据研究，亚利桑那的陨星坑（大约1公里宽的撞击环形山）已经有2万到3万年的历史了，因此，地球上的观测与上述的估算是一致的。

彗星或小行星与月球的实际撞击可能会引起瞬息爆炸，我们从地球上可以看到爆炸所发出的光。我们可以想象，在10万年前的某一个晚上，当我们的祖先悠闲地举目望着天空的时候，突然看到一股奇特的白烟从月球的背光部分升起来，并且被太阳光把它照亮了。但是，我们并不认为历史上可能发生过这种事情，因为发生这种事情的可能性是很小的。然而，在地球上用肉眼看到的月球遭受撞击的事实是有案可查的。1178年6月25日夜晚，5个英国修道士报告了一件奇怪的事情，后来这件事情被坎特伯雷的杰维斯收录在他的编年史里。人们普遍认为，该书所记述的关于杰维斯时代的政治和文化事件是可靠的。作者收录这个事件之前曾经采访过目击者，他们都发誓说他们所看到的是事实。杰维斯的编年史里有这么一段话：

一弯明亮的新月，月相如旧，钩尖朝东。忽然间，上钩一分为二，火焰从分裂处中部腾空而起，将火炬、火焰、火红的煤和火星洒向天空。

天文学家德罗·马尔霍兰和奥戴尔·卡莱姆认为，月球遭到撞击时，月面上会升起一股尘云，形状很像坎特伯雷的修道士所报告的那样。

假如撞击是在800年前才发生的话，它所形成的环形山现在应该还看得到。月球上几乎不可能发生侵蚀现象，因为那里没有空气，也没有水。因此，即使是几十亿年前形成的小环形山现在还会比较好地保留下来。根据杰维斯的记载，准确地测定那次月球上的撞击地点是可能的。撞击会产生射线（即爆炸时喷射出来的粉末线迹），这样的射线跟月球上最年轻的环形山是联系在一起的——例如是那些根据阿里斯塔恰斯、哥白尼和开普勒的名字而命名的环形山。但是，虽然环形山可能经受得住月球上的侵蚀，这种非常微弱的射线却不行。随着时间的推移，即使微陨星——宇宙空间微尘——的到来也会搅乱和遮没这些射线，使这些射线慢慢地消失掉。由此可见，射线是新近发生撞击的信号。

陨星学家杰克·哈通曾经指出，月球上，正好在坎特伯雷修道士所说的那个地区，有一个最近刚刚形成的、样子还很新鲜的小环形山，同时还有很明显的辐射系。这个环形山是根据16世纪罗马天主教的一个学者的名字命名的，叫做“乔达诺·布鲁诺”。布鲁诺认为，宇宙中有无数的星球，而且许多星球上都有生命。由于这个原因和其他“罪行”，他于1600年被烧死在火刑柱上。

卡拉姆和马尔霍兰提出了跟上述的解释相吻合的另一个证据。当一个物体以很高的速度撞击月球时，它会使月球晃动起来，虽然这种震动最终会消失，但不会在800年这样的短时期内消失。这种震动可以用激光反射技术进行研究。“阿波罗”飞船的宇航员曾经在月球的好几个地方设置了激光反光镜。当地球上发射的激光束照射在镜子上并反射回来的时候，我们可以很准确地测量出往返的时间。用这个时间乘以光速，我们可以准确地算出这个时刻地球与月球之间的距离。用这种方法测量几年之后，我们知道了月球的天平动周期（即颤动周期大约3年）和振幅（大约3米），这个数据跟“乔达诺·布鲁诺环形山形成还不到1000年” 的见解是一致的。

所有这些证据都是推论的和间接的。我前面已经说过，在历史时期里，发生这种事情的可能性很小，但是这样的证据至少会给我们一些启示。通古斯事件和亚利桑那的陨星坑也使我们注意到，并不是所有的撞击灾变都是在太阳系的早期历史里发生的。但是，月球上只有几个环形山有广延的辐射纹，这个事实同样使我们注意到，即使在月球上多少有一点侵蚀③，只要了解一下那些环形山和地层学的其他迹象，我们就能够设想出撞击事件和遮没事件的序列（布鲁诺环形山的形成可能是这种事件的最近的例子）。

地球离月球很近，如果月球那么严重地受到过撞击而形成许多环形山，地球怎么可能幸免呢？为什么陨星坑如此罕见？彗星和小行星会以为撞击一个有人居住的星球是不妥当的吗？这种克制的态度是不可能的，惟一可能的解释是，在地球和月球上形成撞击环形山的频率是很接近的，但在没有空气和水的月球上，它们可以长久地保留下来，而在地上，缓慢的侵蚀过程会把它们销蚀掉或遮没掉。流水、风沙和造山运动的过程虽然很缓慢，但是经过几百万年或几十亿年之后，它们甚至会把非常大的撞击伤痕完全消除掉。

在任何卫星或行星的表面上都会有外作用（譬如来自宇宙空间的撞击）和内作用（譬如地震），都会有急速的灾变（譬如火山爆发）和极度缓慢的作用（譬如微小的空间沙粒使表面凹陷下去）。什么样的作用占主导地位呢？外作用还是内作用？是罕见的而又激烈的事件，还是普通而又不显著的事件？这个问题是不能笼统回答的。在月球上，外灾变作用占主导地位；在地球上，内部的缓慢作用占主导地位。火星的情况则介于两者之间。

在火星和木星的轨道之间有无数的小行星——微小的类地行星，最大的小行星直径有几百公里。许多小行星呈椭圆形，它们在空中不停地翻滚。有时候在交互轨道上似乎有两个或两个以上的小行星。小行星经常互相碰撞，偶然间其中一个会被削出一片来，偶尔还会拦截地球，最后落到地面上成为陨石。我们博物馆架子上的展品就是遥远行星的碎片。小行星带是一个大磨坊，不断地磨出越来越小的碎片，直至尘埃微粒。比较大的小行星碎片和彗星是形成行星表面新环形山的主要因素。在小行星带里，由于附近的大行星——木星——的引力潮作用，行星的组成可能曾经受到阻碍，小行星带也可能是自我爆炸的行星的残片。这似乎是不可能的，因为地球上的科学家都不知道行星怎么会自我爆炸的，不过这也完全可能。

土星的光环是几十亿个绕着土星旋转的微小的冰冻小卫星，这跟小行星带有点相似。它们可能就是那些由于土星的引力作用而没有被附近的卫星吸积的碎片，它们也可能是因为靠得太近而被引力潮扯碎的卫星的残片。要不然，它们可能就是土星的某一个卫星（譬如土卫六）所抛射出来的物质和落到行星的大气层里的物质之间稳定的物态平衡。木星和天王星也有光环，是最近才发现的，在地球上几乎看不见。海王星是否也有一个光环？这是行星科学家亟待解决的问题。光环可能是整个宇宙中所有类木行星的一种典型的装饰品。

1950年，一个叫伊曼纽尔·维利考夫斯基的精神病医生在一本科普读物《在碰撞中的星球》里提到从土星到金星之间最近发生的大碰撞事件。他认为，由于某种原因，在木星系里形成了一个由行星物质组成的物体，他把这个物体称为彗星。大约3500年前，它跑到内太阳系里来，经常跟地球和火星相互碰撞，偶然之中将地球撞裂，形成了红海，使摩西领着以色列人得以逃脱埃及法老的统治，还将地球根据耶和华的命令而进行的旋转运动停止下来。他说，它还引起了大规模的火山爆发和水灾④。维利考夫斯基还想象，这个彗星在打了一场复杂的行星际弹子戏之后，就进入一个近圆形的稳定轨道，最后变成了金星（他认为在这之前金星是不存在的）。

上述这些观点几乎可以肯定都是错误的，我在别处已经对此进行了比较详细的讨论。天文学家并不反对发生过大碰撞的观点，只是反对在最近发生过大碰撞的观点。在任何太阳系的模型里，我们不可能根据轨道的比例来显示行星的大小，因为如果那样的话，行星就几乎看不见了。如果真的按比例用尘埃微粒来显示行星的话，我们很容易就会发现，在几千年里，某一个特定的彗星与地球相撞的机会是极小的。而且，金星主要是由岩石和金属构成的，氢的含量很少，而木星——维利考夫斯基认为它是金星的发源地——则基本上都是由氢组成的。木星上没有可以用来抛射彗星或行星的能源。如果一个彗星或行星从地球旁边经过的话，它不可能“阻止”地球的旋转，更不可能使它以一天24小时转一圈的速度重新旋转起来。所谓3 500年前火山爆发或水灾十分频繁的论点并没有地质学的证据。美索不达米亚有些图章上刻的文字中提到，发现金星的时间比维利考夫斯基所说的从彗星变成金星的时间还要早⑤。在这种椭率很大的轨道上的物体迅速进人现在金星所在的这种几乎是正圆的轨道是很不可能的。如此等等。

事实证明，科学家和非科学家提出的许多假设是错误的，但是科学能够自己纠正自己的错误。新理论要得到承认就必须有可靠的证据。维利考夫斯基事件最糟糕的问题不是他的假设是错误的，也不是他的假设跟充分证实了的东西相矛盾，而是有些自称科学家的人企图压制维利考夫斯基的观点。科学是自由探索的产物，科学为自由探索服务。任何假设，不管它们是多么稀奇古怪，都应该受到应有的重视。在宗教界和政界，压制不同的思想可能是司空见惯的事情，但这不是通往知识的边路，也不是探索科学的方法，我们不能预见谁会发现事物的新的基本原理。

金星的质量⑥、大小和密度跟地球基本上是相同的。由于它是靠地球最近的行星，所以几个世纪以来人们把它看成是地球的姐妹。我们的姐妹究竟是什么样子的呢？也许它是一个温和的夏日行星，因为靠太阳稍近一点，所以会比较暖和？它有撞击环形山吗？或者都已经被侵蚀掉了？有火山吗？有山脉。海洋和生命吗？

1609年，林利略首先通过望远镜来观察金星，他看到了一个非常平凡的圆面。伽利略注意到，金星跟月球一样，有不同的位相——从娥眉形到圆盘形，由于同样的原因，我们有时候主要是看到金星的夜晚的一面，有时候主要是看到它的白昼的一面。这一发现偶然地进一步证实了“地球绕太阳转而不是太阳绕地球转”的观点是正确的。随着倍数的增大和清晰度（即对细枝末节的分辨率）的提高，光学望远镜就被系统地用来观测金星。但是它们的效果并不比伽利略的望远镜好多少，金星的外围显然包着一层很浓厚的迷雾，当我们在早晨或夜晚观看这个行星的时候，我们看到的是金星外围的云雾所反射的太阳光。虽然我们发现这些云雾已经几个世纪了，我们对它们的成分还是一无所知。

因为看不到金星上的任何东西，一些科学家就得出了这样奇怪的结论：金星的表面是沼泽地，像石炭纪的地球。这个论点——如果我们可以大言不惭地这么说的话——是这样推导出来的：

“我看不到金星上的任何东西。”

“为什么看不到？”

“因为它的四周云雾弥漫。”

“云雾的成分是什么？”

“水，那还用说。”

“那么，为什么金星的云层比地球的云层厚呢？”

“因为那里的水比较多。”

“但是，如果云里的水分比较多的话，星球表面的水分也必定比较多。什么样的表面很湿呢？”  

“沼泽。”

如果金星上有沼泽的话，为什么不能有蜻蜓甚至恐龙呢？观察：见不到金星上有什么东西。结论：它一定是一个生机勃勃的地方。金星的毫无特色的云雾反映了我们自己的偏爱。我们自己是生物，所以我们想象别的地方也有生物。但是只有对证据进行耐心的积累和认真的估价之后我们才能断定某一个特定的星球是否有生物。看样子，金星并不赏识我们对它的偏爱。

我们是通过棱镜首先获得认识金星性质的真正线索，这种棱镜是用玻璃制成的，或者是用一种叫做衍射光栅的扁平面制成的（上面布满了细密而规则的直纹）。当一束强烈的普通白光穿过一个狭缝之后，再穿过一个棱镜或光栅的时候，这束白光散成五颜六色的彩带，我们把它叫做光谱。这种光谱从高频可见光到低频可见光依次排列，即紫、蓝、绿、黄、橙、红。因为我们可以看见这些颜色，所以这个光谱叫做可见光谱。但是光并不仅仅是可见光谱上的那么一小部分。在这种光谱高频区域紫光以外的那部分光线叫紫外线。这是一种地地道道的光，能够杀死微生物。我们看不见这种光，但是用大黄蜂或光电管立即就能够测出来。还有许许多多的光是我们看不到的，在这个光谱的紫外线以外是X射线部分，X射线以外是伽马射线。在这种光谱低频区域红光的另一边是红外线。我们把测量微电流用的温差电偶安培计放置在黑暗的红外区时发现了这种光。经这种光照射，温度上升了，有光照射在安培计上，但我们的肉眼看不到这种光。通过响尾蛇和掺杂半导体能很明显地测出红外辐射光。红外线以外是广阔的无线电波光谱区。从伽马射线到无线电波，所有的光都是不可低估的，它们在天文学上都是有用的。但是，由于我们肉眼观察的局限性，我们对称为可见光谱的这一小段五颜六色的彩带持有一种偏见和偏心。

1844年，哲学家奥古斯特·孔德曾寻找一种永不可知的知识的例子。他挑选了遥远的恒星和行星的成分作为例子。因为他认为，我们永远不可能实地访问它们。在手头没有标本的情况下，我们似乎永远不可能了解它们的成分。但是孔德死后才3年，人们就发现一种可以用来测定遥远物体的化学成分的光谱。不同的分子和化学元素吸收不同频率（即不同颜色）的光——有时候是可见光谱上的光，有时候则是在光谱之外的部分。在行星大气的光谱上，一条黑线表示一个没有光线的狭缝，表示太阳光在穿过另一个星球的大气层时被吸收了。每一条这样的黑线都是由某种特定的分子或原子形成的，每一种物质都有其典型的光谱特征。我们从地球上可以验明6000万公里以外的金星上的气体，我们可以推测太阳的成分（氦——根据希腊太阳神赫利俄斯的名字而命名的——最先是在太阳里发现的），推测富铕的A磁星的成分（通过对1000亿个小星的集合光的分析），推测遥远星系的成分。天文光谱学简直是一种魔术般的技术，它现在仍然使我惊愕不已。奥古斯特·孔德真是挑选了一个非常不恰当的例子。

电磁光谱图解：从波长最短的γ射线到波长最长的无线电波。光的波长单位有：埃（A）、微米（μm）、厘米（cm）和米（m）。

假如金星是湿淋淋的，那么，我们一定会很容易地在它的光谱上看到水蒸气的谱线。但是，大约在1920年，威尔逊山天文台在首次进行的光谱学探索中并没有发现金星的云层上方有任何水蒸气的迹象，这说明金星的表面像沙漠一样干涸，在它上面漂浮着一层层的硅酸盐粉末。后来的研究发现，金星的大气层里含有大量的二氧化碳。有些科学家认为，这种现象说明，这个行星上的所有水分已经跟碳氢化合物结合，所以才形成了二氧化碳。因此，金星的表面是一个全球性的大油田，是一个全球性的石油的海洋。另一些科学家认为，在云层上方之所以没有水蒸气，是因为云层的气温很低，所有的水分都凝结成了液滴，而这些液滴的谱线跟水蒸气的谱线是不同的。因此，他们得出结论：这个星球的表面覆盖着水，也许偶然间会有一个像英国多佛峭壁那样镶满石灰石的岛屿。但是，因为在大气层里有大量的二氧化碳，海里不可能是普通的水，物理化学中要求碳化水。他们认为，金星上有一个大海洋，海里含有大量游离碳酸的塞耳特斯矿水。

关于金星的真实情况的最初迹象，我们不是通过对光谱可见光部分或近红外部分的研究获得的，而是通过对无线电光谱区的研究获得的。射电望远镜的工作原理与其说像照像机，不如说像光度计。当你把它指向天空中某个广阔的区域时，它会记录下多少能量以某种特殊的无线电频率传送到地球上。我们对各种智能生命——例如那些主持无线电台和电视台的人员——所传送的无线电信号比较习惯。但是由于种种原因，许多自然界的物体也会发射出无线电波，原因之一是它们有热量。1956年，当人们将一台早期的射电望远镜转向金星的时候，人们发现它似乎是一个温度极高的星球，它不断地发射出无线电波。但是真正证实金星的表面处于惊人的高温状态，是在苏联的“金星”系列宇宙飞船首次穿越朦胧的云层，并在这个最近行星的神秘而又难于捉摸的表面着陆的时候。我们现在知道，金星是一个炙热的星球，在那里没有沼泽，没有油田，也没有含大量游离碳酸的塞耳特斯矿水的海洋。在资料不足的情况下，我们很容易出差错。

当我跟一个朋友打招呼的时候，我是通过可见光（例如太阳光或白炽灯光）的反射看到她的，光线从我的朋友的身上反射到我的眼睛里。但是古人（包括欧几里得这样的人物）相信，我们之所以看见东西，是因为我们的眼睛发射出某种光线，这种光线使我们直接感触到我们要看的东西。这是一种很自然的想法，而且现在还会有人这样想，尽管我们不能用这种观点来解释暗室里看不见物体的原因。今天，我们将激光和光电管结合起来，或将雷达发射机和射电望远镜结合起来，这样，我们就可以让光跟遥远的物体直接接触。根据射电天文学原理，无线电波从地球上的望远镜发射出去，撞击在碰巧面向地球的金星半球，然后再反射回来。许多不同波长的无线电波能够穿透金星上的云层和大气层。金星表面的某些地方会吸收这些电波，或者，如果它的表面很不平坦的话，它们会把这些电波散射开来，结果呈现出一片黑暗。通过观测金星自转时表面特征的变化，我们现在已经能够准确地测定金星一天的长度——金星在它的轴上自转一周所需的时间。事实证明，金星自转一周需要243地球日，但它是逆转的，与内太阳系所有其他行星的旋转方向相反。结果，太阳从西边升起，从东边落下，从日出到日落需要118地球日。而且，当它最接近我们这个行星时，朝向地球的一面几乎是不变的。虽然地球的吸力终于使金星以这种地球锁定的速度自转，但这毕竟是一个漫长的过程。金星不可能才存在几千年，可以肯定地说，它跟内太阳系所有其他天体的年龄相当。

我们已经获得了关于金星的雷达照片，其中有些是通过地面的射电望远镜拍摄的，有些是通过环绕金星的飞船“金星先驱者”号拍摄的。这些照片向我们提供了关于撞击环形山的令人感兴趣的证据。金星跟月球上的高地一样，有同样数目的不大不小的环形山，数目之多再次向我们说明，金星已经有很长的历史了。但是金星上的环形山特别浅，似乎金星的表面高温使那里的岩石长期处于流动状态，它们像太妃糖或油灰一样，突起部分逐渐软化掉。这里有比西藏高原高一倍的大山，有一个极大的长峡谷，可能还有巨大的火山和一座像珠穆朗玛峰那样的高山。我们现在清楚地看到了一个过去被云雾笼罩着的星球，首次通过射电和宇宙飞船探索了它的特征。

根据射电天文学原理的推断和宇宙飞船直接测量的结果，我们知道金星的表面温度大约是480摄氏度（即900华氏度），比温度最高的家用烘箱的温度还要高。其相应的表面压力是90个大气压，等于我们在地球上所感受到的大气压的90倍。如果想在金星上长久停留的话，宇宙飞船不但要造得像深水潜水艇那么牢固，还要冷冻起来。

大约有10来艘苏制和美制的宇宙飞船已经进入浓厚的金星大气层，并且已经穿越过它的云层。其中有几艘实际上已经在它的表面上逗留过1小时左右⑦。苏联“金星”系列宇宙飞船已经有2艘在那里拍摄过照片。让我们继承这些先驱使命，访问另一个世界吧！

在普普通通的可见光里，金星上的淡黄色的云层是可以辨认得出来的，但是正如伽利略首先指出的那样，这些云层实际上并没有显示出任何特征。然而，如果摄影机是在紫外光里拍摄的话，我们就会看到在大气层高处有一个优美而又复杂的旋涡状天气系统，那里的风速每秒100米左右（每小时220英里左右）。金星的大气层里含有96％的二氧化碳，还有微量的氮、水蒸气、氩、一氧化碳和其他气体，但是那里的碳氢化合物或碳水化合物的含量还不到百万分之零点一。已经查明，金星的云层的主要成分是硫酸的浓缩溶液，此外还有少量的盐酸和氢氟酸。事实证明，金星是一个令人作呕的地方，即使在凉快的高层也是如此。

在可见的最高云层上方，大约在70公里的高度上，是一片朦胧的微粒。在60公里的高度上，当我们钻人云层的时候，我们发现我们的四周都是浓硫酸液滴。越是往深处走，云粒就越粗。在大气的底层有微量的刺鼻的二氧化硫（SO2 ）气体。这种气体环流到云层的上方，被太阳的紫外光分解之后跟那里的水重新组合，形成硫酸，硫酸又凝结成液滴沉降下来在底层又受热分解成地和水，从而完成了一个循环。在整个金星的上空不停地下着硫酸雨，但是从来没有一滴硫酸降落在金星的表面上。

硫黄色的薄雾一直延伸到离金星的表面约45公里的地方，从那里开始，我们就进人了一个浓密但又是清澈的大气层。然而，因为大气层的气压很高，所以我们看不到金星的表面。太阳光被大气的分子反射到四面八方，使我们无法看见金星表面的任何东西。这里没有尘埃。没有云层，只有越来越浓密的大气。上方的云层将大量的阳光（大约相当于我们在地球上阴天时所看到的那样多的阳光）传送到这里。

金星上高温、高压，还有毒气，那里的一切都散发着可怕的红光。金星一点也不像爱情女神，倒更像地狱的化身。

根据我们详细观察，金星表面至少有一些地方是乱七八糟的旷野，到处布满了无规则的软化了的岩石，呈现一幅狰狞。荒凉的面貌，偶尔可以看到来自一个遥远行星的宇宙飞船的残骸，整个行星完全遮蔽于浓密的毒雾中。⑧

金星的灾难是全球性的。现在已经相当清楚，金星表面的高温是由一个巨大的温室造成的。金星上的大气和云层对可见光具有半穿透性，太阳是通过它们之后到达金星表面的，表面受热之后，又极力将热量反射到空中。但是、因为金星的温度比太阳的温度低得多，所以金星辐射出来的主要是红外线，而不是光谱上的可见光。然而，因为金星大气里的二氧化碳和水蒸气⑨对红外线几乎是不透明的，所以太阳的热量差不多都被捕获下来，表面的温度也就升高了，直到从浓密的大气层里渗透出来的少量的红外线，跟大气底层和金星表面所吸收的太阳光刚好平衡为止。

事实证明，我们邻近的这个星球是一个令人不快的凄凉的所在。但是我们还是要回到金星上去，它有它迷人的地方。在古希腊和斯堪的纳维亚神话里的许多半神式的英雄毕竟都为朝拜地狱而进行过卓越的努力。关于我们的行星（跟地狱比较起来已经是天堂了），我们还有许多东西需要探索。

埃及的狮身人面巨像是5 000多年前建造的，它的脸部过去很清晰。几千年来，埃及沙漠的风沙以及偶然间的雨水已经把它软化，它现在已经变得模糊不清了。纽约市有一个古埃及的方尖碑，这个方尖碑搬到该市的中央公园才不过100年左右，它的铭文几乎已经全部消失了，这是烟雾和工业污染——像金星大气层里的那种化学腐蚀——所引起的。地球上的侵蚀慢慢地将信息清洗掉，但因为这是一种逐渐的过程（雨点的拍打，沙粒的冲击），所以这些过程都可以忽略不计。大的结构物（譬如山脉）可以存在几千万年，比较小的环形山也许可以存在10万年⑩，大型的人工制品只能存在几千年。除了上述这种缓慢而又均匀的侵蚀之外，还有大大小小的灾变所引起的破坏。埃及的狮身人面巨像缺了一个鼻子，有人手闲得发痒，开枪把它打掉了。有的人说这是默梅卢克斯的土耳其人干的，有的人说这是拿破仑的士兵干的。

在太阳系的金星、地球或其他的地方都有毁灭性灾变的证据，它们软化或破坏的过程比较缓慢，比较均匀。例如，在地球上，雨水的流淌可以形成小川，溪河的流水可以形成巨大的冲积盆地；在火星上，我们看到的古河流的残迹很可能是从地下冒出来的；在木卫一上，那些看上去很宽阔的河床是液态硫的冲刷而形成的。地球上有强大的气候系，在金星和木星的高层大气里也有。在地球和火星上有沙暴，在木星、金星和地球上有闪电。地球和木卫一上的火山会将爆发的碎片抛射到大气层里。金星、火星、木卫三、木卫二和地球的内部地质变化，慢慢地改变了它们的外部形态。冰川的活动素以缓慢著称，它们是地球（很可能包括火星）的地形变化的主要原因。上述这些变化过程不一定是连续不断的。欧洲大部分地区过去曾经盖满了冰。几百万年以前，现在的芝加哥是埋在3公里深的厚霜里。在火星和太阳系的其他地方，我们看到了今天不能再生的一些特征，看到了几亿年或几千亿年前当行星的气候可能很不相同的时候所形成的地形。

还有另一个因素会改变地球的地形和气候：智能生命——他们能够使环境发生重大的变化。像金星一样，地球上的二氧化碳和水蒸气也起到温室的作用。这个温室使地球上有海洋和生命。假如没有这种温室作用，地球的温度就会降到水的冰点以下。有一个小温室是一件好事。跟金星一样，地球也有大约90个二氧化碳的气压，但这个气压存在于像石灰石和其他碳酸盐所组成的地壳里，而不是存在于大气中。假如把地球向太阳移近一点，地球的温度就会有所上升，地球表层岩石里的二氧化碳就会跑出一部分来，使温室的效果更明显，反过来又进一步提高地球的表面温度。地表的温度越高，碳酸盐就会释放出更多的二氧化碳，温室的作用就有可能变得非常显著，结果使地球达到很高的温度。这就是我们想象金星在早期历史里所发生的现象，因为金星离太阳很近。金星的表面环境对我们是一种警告：像我们这样的星球很有可能发生灾难。得在这方面花钱。由于我们的无知，我们现在还在推推搡搡，还在污染大气，还在使大地变得光秃透亮。我们忘记了一个事实，即我们基本上并不懂得我们的行为的长期后果。

几百万年以前，当人类在地球上刚刚产生的时候，地球已经是一个中年的星球了，从充满灾变和激变的青少年时期到中年时期已经经历了46亿年。但是我们人类现在代表一个新的。也许是决定性的因素。我们的智慧和技术已经使我们有能力影响地球的气候。我们将如何使用这种能力？在那些影响整个人类大家庭问题上，我们是否愿意容忍无知和自满？我们是否把短期利益看得高于地球的福利事业？或者我们要从长远的观点看问题，关心我们的子孙，了解并保护我们行星的复杂的生命维持系统？地球是一个微小而脆弱的星球，它需要得到我们的爱护。

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 ①地球绕太阳的圆周半径 r=1天文单位= 1．5亿公里，因此它的近似圆周轨道的周长 2πr=109 公里。我们的行星每年沿着这个轨道运转一周，因为1年=3X107 秒，所以地球的轨道速度是109 公里／3X107 秒≈30公里／秒。现在考虑一下轨道彗星球壳的情形（许多天文学家相信轨道彗星距离太阳系大约10万天文单位——差不多在离我们最近的恒星的半途中——运转）。根据开普勒第三定律，我们立即可以推算出任何彗星绕太阳运转的轨道周期大约是（105 ）3 =107.5 ≈3X107 ，即3000万年。如果你是居住在太阳系的外侧，那么绕太阳一周就需要很长的时间。彗星轨道2πa=2πX105 X1.5X108 公里≈1014 公里，因此它的速度只有1014 公里／1015 秒=0.1公里／秒。每小时220英里。

②为了探测哈雷彗星，地球上已经于1985年发射了这样的探测器。——校者注

③火星上的侵蚀现象比月球明显得多，虽然那里有许多环形山，却没有我们所预期的那种辐射环形山。

④据我所知，最先从本质上用非神秘主义的观点来解释彗星干预历史事件的人是哈雷。他认为，诺亚洪水是地球受到一个彗星偶然冲击的结果。

⑤公元前2500年左右的艾达圆筒图章刻有醒目的艾娜娜、维纳斯女神、启明星和巴比伦伊什塔的先驱者。

⑥它的质量恰巧比质量最大的已知彗星还要大3000万倍。

⑦1978－1979年，美国的“金星先锋”号成功地完成了一次使命，发射了一个轨道飞行器，并进行了4次进人大气层的探索（其中2次在环境险恶的金星表面做了短暂的停留）。在组装用于探索行星的宇宙飞船的过程中，出现了许多意外的现象。以下是其中的一个例子：在“金星先锋”号进人云层的一次探索中，船上安装了一台网状辐射通量测量计，用来同时测量金星大气层各个方位上红外线的上下流量。这台仪器需要一个既坚实又能够让红外线穿透的窗口，因此进口了一个13．5克拉的金钢石，安装在适当的窗口上。然而，承包商按规定付了1．2万美元的进口税。最后，美国海关决定将这笔关税退还给厂家，因为他们认为，在这个金钢石被发射到金星上之后，它在地球上已经失去了贸易价值。

⑧在这样令人窒息的旷野里不可能有任何生命，哪怕是跟我们绝然不同的生命。有机分子和其他可以想象得到的生命分子在这里只能粉身碎骨。但是，我们不妨想象一下，在这样的一个星球上曾经有过智能生物。那么。他们也发明科学吗？对恒星和行垦的规律性的探索是地球上科学发展的主要因素。但金星却完全被云雾笼罩着，黑夜又长得可怕——相当于地球上的59天。但是，当你举目遥望金星的夜空时，天文宇宙又是茫茫的一片。即使在白天也看不到太阳，它的光线弥漫在整个空中，就像配戴着水下呼吸器的潜水员在海里只看到均匀的散光那样。假如在金星上建造一台射电望远镜，它就可以用来探测太阳、地球和其他遥远的物体。假如天体物理学发展了，人们最终就可以通过物理学的原理来推断恒星的存在，但是它们只能是理论上的构成物。我有时候这样想，如果有一天，金星上的智能生命学会了飞行，翱翔在浓密的大气里，飞越他们头顶上40公里高空中的神秘的云雾，展望并首次目睹由太阳、行星和恒星组成的壮丽的宇宙，到那时候，不知道他们会有何感想。

⑨目前，关于金星上水蒸气的分布量问题，我们仍然有一些疑问。“金星先驱者”进人大气层后的气相层析表明，金星大气底层水分的相对分布量为0.01％。另一方面，苏联“金星”宇宙飞船11号和12号红外测量所得到的相对分布量为百分之零点零一左右。如果前一个数据是正确的，单单二氧化碳和水蒸气就足以将金星表面辐射回来的几乎所有的热量都封闭住，使金星的地面温度保持在480摄氏度。如果后一个数据是正确的（我个人认为这几个估计比较可靠），单单二氧化碳和水蒸气就足以将金星的表面温度保持在380摄氏度左右，因为需要某种其他的大气成分来关闭大气温室里剩余的红外线频率窗。然而似乎少量的二氧化碳、一氧化碳和氯化氢（这些成分在金星的大气层里都已经被检测到）就能够达到这一目的。所以，美国和苏联最近探测金星的使命似乎已经证实，温室效应确实是金星表面温度高的原因。

⑩精确地说，直径10公里的撞击环形山在地球上每50万年形成一个。在地质稳定的地区，例如欧洲和北美，这种环形山可以经得起3亿年的侵蚀。较小的环形山比较容易形成，也比较容易破坏，特别是在地质变化比较大的地区。

第五章 神秘的红色行星

在众神的果园里，他所注视的是四通八达的水渠 ——依奴马·埃利希，苏默人，约公元前2500年。

同意哥白尼观点的人认为，我们这个地球是一颗行星，她和其他行星一样，随着太阳在九天邀游，承受着太阳的光辉。他们也和旁人一样，有时不禁会产生这样的遐想……在其他的行星上，同我们这个地方一样也有华美的服装和家具，不仅如此，它们的居民也和我们地球上一样……。但是，我们总是倾向于认为，去探索其他行星上发生的事倩是徒劳无益的，因为一旦真正探索起来，可能就永无尽头了……。对于这件事，我刚刚还认真地思索了一番。[这并不是说，我认为自己比那些（业已逝去的）伟大人物目光更敏锐，而是说，在他们大都故去之后，我仍有幸继续活在世上]。我想，这样的探索并不是那么不切实际的，前进的道路也井不是那么困难重重的，而是存在进行各种猜想的充裕余地的。 ——克里斯蒂安·惠更斯(约1690年著《星际世界及其居民和生产的新猜想》)  

人类大开眼界的时代将会来到……，他们将会看到与我们的地球相似的其他行星。 ——克里斯托弗·雷恩，1657年在格雷厄姆学院的就职演说。

有这样一个故事，说的是很久以前，一位知名的报刊发行人向一位著名的天文学家发了一封电报：“请即用500字电复，火星上是否存在生命。”这位天文学家按照要求答曰：“无人知道，无人知道，无人知道……”一直重复了250遍。①尽管这样的否定回答是由一位专家再三坚持作出的，却没有什么人加以理会。相反，从那时以来，我们不断听到两种权威性的意见。一种声称他们已经能推断出火星上有生命，另一种则断言，他们已排除了火星上有生命的可能性。有的人一心希望火星上有生命，另一些人则巴不得火星上没有生命。两大营垒都太过分了，这种强烈的感情色彩已经有点超越了在科学探索中所能容许的观点分歧。看来，许多人只是想得到一个明确的答案而已，他们不想让两种互不相容的可能性同时存在于他们的头脑中。有些科学家认为，火星上有居民，但其根据后来被证明是不足为信的；有的科学家则断言火星上不可能有生命，因为对特定的生命现象的初步研究要么未获成功，要么其结果是含混不清的。神秘的色彩不止一次地笼罩着这颗红色的行星。

为什么非说是火星人呢？又为何有如此众多的关于火星人的热烈推测和猜想，却没有人想到土星人或者冥王星人呢？这是因为，乍看起来，火星很像地球，它是我们能看见其表面的最近行星。火星上既有极冠、飘荡的白云，又有怒吼的风暴，在它红色的表面上还有随季节而变化的图像，甚至一天也是24小时。因此，认为它是一个有居民的世界是很自然的。火星已成为一座神秘的舞台，寄托着我们地球上人类的希望和担忧。但是，我们心理上赞成或反对火星上存在生命的倾向，绝不应该把我们引入歧途。因为事实胜于雄辩，而事实尚未出现。真正的火星是一个神奇的世界，它的真面目比我们已经了解的要复杂得多。在我们这个时代，已经采集过火星上的砂粒，已经确立了我们在火星上的存在，从而实现了 一个世纪以来的梦想。

直到19世纪后期还没有人相信，我们这个世界正被像人一样的、而又远比我们聪慧的智能生命以浓厚的兴趣仔细地观察着，也没有人会相信，当人们各自碌碌奔忙时，他们正在被仔细地研究着，其仔细程度也许就像用一架显微镜观察在一滴水中聚集繁殖。朝生暮死的细菌。人们为了区区小事，趾高气扬地在地球上来回奔忙，为能确保对物质的占有而心满意足。显微镜下朝生暮死的细菌的所作所为，与此大概没有什么不同。人们要么从未想到过宇宙中还有更古老的世界，它们是威胁人类的根源；要么在想到这些世界时，只是简单地认为那里根本不可能存在生命。往昔的某些心理习惯是可笑的。在多数情况下，地球上的人最多只是设想，火星上可能存在另一种人，而且也许不如自己优越，因而正准备迎接他们去教诲呢。然而，浩瀚的宇宙大洋彼岸的居民，他们的智力与我们相比，正如我们与野兽相比一样，那些居民智力发达、感情冷漠，正以妒忌的眼光窥视着地球，并在缓慢而又扎实地制定着进攻我们的计划。

H·G·威尔斯1897年所写的科幻名著《星球大战》中的上述开场白，至今仍常常使人们不寒而栗。②在人类的整个历史上，人们对地球以外还存在生命这件事是又怕又盼。100多年来，这种感情集中在夜空中一颗明亮的红色星星上。在《星球大战》出版之前3年，一位名叫洛韦尔的波士顿人建立了一座重要的天文台，支持火星上有生命的最精细的观点就是在那里提出来的。洛韦尔年轻时就爱好天文学，他曾就读于哈佛大学，后来得到半官方的外交任命，到了朝鲜，否则他也会像芸芸众生一样注重于追求财富。他死于1916年，他对于我们认识自然界及行星的演化，对于探测宇宙，尤其是用非常精确的方法发现冥王星等方面都做出了重大的贡献。冥王星就是用他的名字命名的。

但是洛韦尔毕生最热衷的却是火星。1877年意大利天文学家斯基帕雷利宣布发现了火星上的水道，使洛韦尔激动万分。斯基帕雷利报告说，当火星运行到距地球最近时，他观察到了一个复杂的网络，该网络由单直线和双直线组成，遍布火星的整个亮区。意大利文的Canali（原意为水道、沟渠）在匆忙中被译成了英文的canal，即“运河”这样一个隐喻着人工设计的字眼。一时在欧洲和美洲掀起了一场火星热，格韦尔也深深地卷人这股热潮中。

1892年，斯基帕雷利的视力严重衰退，宣布他将放弃对火星的观测。洛韦尔决心继续这项工作。他需要一个理想的观测点，在那儿不受云雾或闹市灯光的干扰，而且具有优良的“天文宁静度”。“宁静度”一词在天文学术语中用来表示透过稳定的大气层去观察天空时，望远镜中天体的图像抖动最小的情况。天文宁静度差是由于望远镜上方的大气产生小尺度的扰动所致，这也是星星会眨眼的原因。洛韦尔把他的天文台设在远离城市的火星山上，该山位于亚利桑那州的弗拉格斯塔夫③。他绘出了火星表面的图像，尤其是画出了使他着迷的运河图形。进行这种观测决非一件易事。试想一下，在寒风凛冽的凌晨长时间盯着望远镜观测的情景吧！天文宁静度常常很低，因而火星图像往往模糊不清，而且变形失真。这样，观测者就必须否定所看到的景象。有时图像会突然固定住，火星的图像奇迹般地瞬间闪现，观测者又必须记住所看到的情景，并准确地记录下来。观测者还必须抛弃成见，客观地对待火星上的奇观。

在洛韦尔的笔记本中，到处都记载着他认为是自己观测到的结果。诸如亮区和暗区，极冠的痕迹，一颗由运河编结成的星体。洛韦尔认为，他看到了一个布满全火星的巨大灌溉网，正是这些大渠道把极冠融化的水输送到赤道缺水的居民手中。他深信，这个星球上的居民历史更悠久、更聪明，也许与我们迥然不同。他还认为，暗区的季节性变化是由于植物的生长和兴衰造成的。他相信火星与地球极其相似。总而言之，他相信的东西太多了。

在洛韦尔的笔下，火星是一个历史久远、干涸凋零的荒漠，而且是一个与地球相似的荒漠。洛韦尔所描绘的火星景象，颇像美国的西南部，即洛韦尔天文台所处的那片地区。他推论说，火星上的温度太低了一点，但其舒适程度仍然不亚于“英格兰南部地区”。空气虽然很稀薄，但氧气含量仍然足够呼吸之用。那儿的水很珍贵，但错综复杂的运河网却能把生命不可缺少的这种液体输送到整个星球。

回顾起来，当代对洛韦尔观点提出的最重大的挑战竟来自一个出乎人们意料之外的人物。l907年，自然选择进化论的共同发现者A.R.华莱士应邀去评述洛韦尔的一本著作。华莱士年轻时是一位工程师，本来对这类超感觉的洞察力多少有点轻信，却令人意外地对火星的可居住性表示怀疑。华莱士指出，洛韦尔对火星平均温度的计算有误，火星不但不像英格兰南部那么温暖，恰恰相反，几乎所有的地方都在冰点之下。因此火星应该有永冻层，即永远处于冰冻状态的次表层。空气也比洛韦尔计算的要稀薄得多。那里的陨石坑数量应该与月球上一样多。至于说到运河中的水，他指出：

在任何解决缺水问题的计划中，如果想借助运河，令其穿过赤道进入另一半球，穿过那可怕的荒漠地区，而且又曝晒在洛韦尔先生所描述的那种炎炎晴空之下，那么这种计划就将是一群疯子的行为，而绝非智慧生命所为。完全可以断言，甚至流不出100英里，所有的水就会蒸发殆尽，或者渗入地下。

上述带挖苦味的但却大致正确的物理分析是华莱士在84岁高龄时写下的，他的结论是，从土木工程师的水利观点来看，火星上不可能存在生命。不过，他没有提及微生物问题。

尽管华莱士提出了批评意见，尽管其他天文学家用了与洛韦尔同样先进的望远镜，他们的观测点位置亦毫不逊色，却未能发现任何运河的痕迹。但是洛韦尔关于火星的观点还是得到广泛的接受。他的学说的神奇力量就像创世说一样古老有力。产生这种吸引力的部分原因是因为19世纪正是技术上取得辉煌成就的时代，其中包括修建了许多巨大的运河。如1869年竣工的苏伊士运河，1893年建成的科林斯运河，1914年完工的巴拿马运河，近一点的则有美洲五大湖水闸，纽约州北部的航运运河，以及美国西南部的灌溉运河。既然欧洲人和美国人能建立这样的丰功伟业，那么为什么火星人就不行呢？难道一个更古老、更聪明的种族就不能做出更卓有成效的努力，去勇敢地战胜那红色星球上的干旱吗？

如今，我们发射的探测卫星已经进入环绕火星的轨道，已经绘制了整个火星的地图。两个自动实验站也已在火星表面着陆。火星的神秘感（如果有任何神秘的话）自洛韦尔以来一直在加深。我们现在拥有的火星照片比洛韦尔的观察结果要详尽得多，但是我们却没有发现被大肆吹嘘的运河网的任何支流，任何水闸。洛韦尔，斯基帕雷利，还有其他一些人在艰难的观测条件下作出的观测结果之所以失误，部分原因也许是由于他们事先就带着火星上存在生命的框框。

洛韦尔的观测记录本反映了他在望远镜前多年进行的不懈努力。这些笔记表明，洛韦尔对其他天文学家怀疑运河真实性的情况，心里是很清楚的。这些笔记还表明，洛韦尔相信自己作出了重大的发现，但其意义却得不到别人的理解，因而十分痛苦。例如，他在1905年1月21日写的笔记中有一处这样写道：“两条运河突然显现出来，相信没有弄错。”在拜读洛韦尔的笔记时，我有一种清楚的但却颇为不安的感觉，那就是他确实看到了某些东西。但那究竟是什么呢？

当我和康奈尔大学的保罗·福克斯对比洛韦尔的火星图和“水手9”号轨道站拍摄的图像时——我们图像的分辨率有时比洛韦尔在地面上用24英寸折射望镜观测到的要高l00倍——发现，二者之间几乎毫无共同之处。这倒不是说洛韦尔的眼睛把火星上不相干的细小部分连成了虚构的直线。在他所说的运河的大部分位置上，既没有深色的颜色，也没有陨石坑群，那些地方根本就没有任何特别之处。既然如此，他怎么会年复一年地画出同样的运河图形呢？其他一些天文学家——其中一些人声称，在他们亲自进行观测之前没有仔细地观看过洛韦尔的图片——怎么也会画出相同的运河呢？向火星发射“水手9”号的一个最重大的发现，就是在火星表面上观测到存在随时间变化的条纹和斑点。许多这样的条纹与陨石坑的外围相连，而且随季节而改变。这类条纹是被风扬起的尘土造成的，因此其图样随不同季节的风而变化。但是，这些条纹没有运河的特征，其位置也与运河的位置不符，况且没有任何一条条纹大到可以在地球上看得见的程度。如果说在本世纪的前几十年中，火星表面上确实存在哪怕一点点像洛韦尔所说的运河特征，那么当飞船进行近距离考察变为现实时，那些运河不可能跑得无影无踪。

火星上的运河看来是在艰难的观测条件下，人的手、眼和脑在结合上存在着某种毛病所造成的（或者说，至少对某些人是如此。因为许多与洛韦尔同时代以及后来的天文学家，使用同样质量的观测仪器，但却宣称根本没有观测到运河）。不过这几乎不能算是一个令人信服的解释。因此，我有一种不安的怀疑：火星运河这个问题的某些重要的细节还没有发现。洛韦尔一直认为，运河的规则性无可辩驳地表明它们是出自智慧生物之手。这肯定是不会错的，惟一没有解决的问题是，有智能的人究竟位于望远镜的哪一侧？

洛韦尔的火星人是慈祥的、乐于助人的，甚至有点像神仙，与H·G·威尔斯和O·威尔斯在《星球大战》中描绘的可怕形象大不相同。但是通过星期天副刊和科幻小说，这两种观点都进入了公众的脑海之中。我还记得自己在年少时曾如醉似痴地阅读巴勒斯描写火星的小说。我与高贵的探险家约翰·卡特一起从弗吉尼亚旅行到“巴苏”，因为那里的居民认识火星人。我跟随8条腿的驮兽群，我还赢得了海利恩王国可爱的迪娅·索丽丝公主的垂青，我还能与名叫塔斯·塔卡斯的4米高的绿色武士友好相处。我还在“巴苏”的尖屋顶城市和圆屋顶的抽水站以及绿树成荫的尼罗西提斯河岸和望忧草运河畔漫步。

果真能在事实上，而不是在想象中和约翰·卡特到火星上的海利思王国去探险吗！我们能够在“巴苏”的两轮急速飞行的明月照耀下，于某个夏夜开始有重大科学意义的探险旅行吗！即使洛韦尔关于火星的结论，包括火星上存在运河的观点，将来被证明是错误的，他关于火星的描述至少有这样的用处：它激发了好几代8岁的孩童，我自己就是其中之一，把探测行星看成是真正可能的，并设想是否将来某一天能亲自到火星上去旅行。约翰·卡特就到达过那里，在一片开阔地上，张开他的双手，发出了祝愿。我还记得，在我的童年时代，曾经长久长久地仁立在旷野上，伸开双手恳求我所相信的火星人把我带走。当然，我的恳求从未奏效。看来得寻找其他的途径。

如同生物一样，机器也有其进化过程。火箭和最早用来推动火箭的炸药都是中国人发明的。在中国，火箭曾被用于庆典等喜庆的场合。大约在14世纪，火箭传人欧洲，并被用于战争之中。19世纪后期，俄国的中学教师康士坦丁·齐奥尔科夫斯基提出利用火箭作为行星间交通工具的可能性；美国科学家戈达德则将它发展作为高空飞行之用。第二次世界大战中，德国的V—2军用火箭利用了戈达德的几乎全部研究成果，而以1948年发射的V—2/WAC“伍长”号相结合的二级火箭为顶点，这枚火箭达到了当时无与伦比的飞行高度——400公里高。进入50年代后，以苏联的科罗廖夫和美国的布劳恩为首领导了技术上的发展。他们的经费来自大规模毁灭性武器运输系统的研究，但却被用来发射最早的人造卫星。技术进步的势头继续有增无减：载人环球飞行、人工轨道站、登月以及在整个太阳系飞行的无人宇宙飞船，都相继获得成功。其他许多国家现在也已发射了宇宙飞行器，包括英国、法国、加拿大、日本和最早发明火箭的中国。

齐奥尔科夫斯基和戈达德都是富于想象力的（戈达德年轻时曾读过威尔斯的著作，并且深为洛韦尔的课程所激动）。因此空间火箭应用的早期设想中包括建立一个空间科学站，用于从高空监测地球，并用作研究火星生命的探测器。所有这些梦想如今都已实现了。

设想一下，你是某一个其他相当遥远的行星的来宾，不带任何成见地飞向地球。距地球越来越近，观察越来越细，你对这个星球的看法也会逐渐改变。这个星球上有居民吗？你根据什么作出判断呢？如果存在智慧生物，他们可能已经建造出在几公里的范围内具有高衬比的工程结构。当我们的光学系统和离地球的距离能提供1公里的分辨率时，这些结构就能被检测出来。但即使达到这样的分辨率，看起来地球仍像是地道的不毛之地。在我们称为华盛顿、纽约、波士顿、莫斯科、伦敦。巴黎、柏林、东京和北京的地方，完全看不出有生命或者叫做智慧生物的迹象。如果说地球上存在着有智慧的生物，那么，他们基本上没有把地球的外观改造成有规则的、具有1公里分辨率的几何形状。

但是，当我们把分辨率提高10倍，当我们开始能看到小至直径100米的范围时，情况就大大改观了。地球上的许多地方就会突然变得具体、清晰了，就会显现出方形、矩形、直线和圆形的清晰图像。这些图形实际上就是有智慧的生物的工程艺术品：道路、公路、运河、农场、城市街道。这样的图形揭示了人类对欧氏几何和领土主义两种孪生的情感。在这样的分辨率下，就能在波士顿、华盛顿和纽约看到智慧生物的活动。而分辨达到10米时，被加工过的地球表面景象使真正赫然可辨了，人们正在忙忙碌碌之中。不过，上述景象都是摄于白昼、黄昏或者夜晚则又是一番景象：利比亚和波斯湾油田的熊熊烈焰，日本远洋捕鱼船队的深海灯光，大都市明亮的灯光。假如我们能把白天的分辨率进一步提高到1米，那么我们就能分辨出单个机体，像鲸鱼、母牛、火烈鸟和人。

地球上智慧人类的活动首先通过其建筑物的几何规则性来显现。因此，如果确实存在洛韦尔的运河网，则火星上有智能生物居住的观点就同样是令人叹服的了。这是因为，如果从火星轨道拍摄的火星照片上能发现生命活动，那么它的表面大部分必须被改造过，而技术文明的产物——运河建筑也许是最易于检测到的目标。但从无人驾驶的飞船发回的无数火星照片中，除了一两幅莫名奇妙的图片外，没有发现任何这一类的目标。但是许多其他的可能性还存在，包括从大型的动植物到微生物，到已经灭绝的形态，以至到火星上从古至今从来就不存在任何生命等等各种可能性。与地球相比，火星距太阳较远因此温度要低得多。火星上的空气很稀薄，而且主要由二氧化碳组成，只有一些分子氮和氢，以及极少量的水蒸气、氧气和臭氧。在那里不可能存在敞露的液态水，因为大气压太低，即使冷水也会迅速沸腾而汽化，恐怕只有在土壤的孔隙和毛细管中有极少量的液态水。而氧气含量之少远不够一个人的呼吸所需。臭氧的含量也少得可怜，以致能杀菌的太阳紫外线畅通无阻地照射到火星表面上。在这样险恶的环境下，还能有任何生物能生存下去吗？

为了回答这个问题，许多年前我和我的同事准备了模拟当时所知道的火星环境的试验舱，把地球上的微生物接种到实验舱内，然后观察是否有任何生物能生存下去。我们把这样的试验舱很自然地叫做火星罐。试验舱的温度保持与典型的火星环境相近，即在正午时略高于0℃，而在破晓前约为—80℃之间循环。舱内气体也主要由CO2和N2组成，保持缺氧的状态，用紫外灯重现太阳光的高通量。除了润湿沙粒表面极薄的一层水外，也不提供任何液态水。只过了一个晚上，有些微生物就冻死了，并且再也没有苏醒过来。由于缺氧，其他微生物也陆续喘息而亡，有的死于干渴，有的则死于紫外线。但是，总有数量可观的一些地球微生物在缺氧条件下也能生存，当温度降得太低时，它们就暂时处于休眠状态。它们能藏在小石下或隐身于薄沙层之下，以躲避紫外光的照射。在另外一些实验中，当供给少量液态水时，微生物又能照常繁殖生长。既然地球上的微生物都能经得住火星环境的考验，那么假如火星上有微生物，它们的适应本领也必定更巧妙。但究竟如何，我们必须亲自去看看才会明白。

在无人驾驶星际探险方面、苏联一直保持着很活跃的势头。每隔一二年，行星间就会出现最有利的相对位置，根据开普勒和牛顿所阐明的物理学原理，这时向火星或金星发射宇宙飞船能量消耗最少。60年代初以来，苏联几乎没有错过这样的发射机会。苏联人的不懈努力及其工艺技术终于结出了硕果。苏联共有5艘飞船，即“金星8”号至“金星12”号，都先后在金星表面着陆，成功地从金星表面发回了大量资料。这些飞船能穿过如此高温、高密度和有很大腐蚀性的金星大气层，其成就是不可否认的。尽管做过多次尝试，苏联飞船涉足火星却未成功。至少初看起来，火星似乎更友好些，那儿的温度不高，大气层也稀薄得多，气体也较柔和，此外还有极冠。明亮的淡红色天空、巨大的沙丘、古老的河床、陡峭的大山谷，还有我们已经探明的太阳系中最大的火山结构，以及赤道附近温和的夏日。相对金星而言，火星的环境更接近于地球。

1971年苏联的“火星3”号飞船进入火星大气层。从飞船自动发回的无线电资料判断，它在进入大气层时，成功地打开了着陆系统，且准确地向下调整了防烧蚀护罩，适时地打开了巨型降落伞，并在接近火星表面时成功地点燃了减速火箭。根据“火星3”号发回的资料，它在这颗红色星球上的着陆应该说是成功的。但是在着陆后，飞船却向地球发回20秒钟没有图像的电视片段，随之就神秘地消失了。1973年发射的“火星6”号着陆器也发生了与此十分类似的情况，这次是发生在着陆后不到1秒钟的时间内。这究竟是在哪里出了毛病呢？

我所见到的第一幅“火星3”号的图片是在一枚苏联邮票上（面额为16戈比）。它描绘了飞船正穿过某种紫色浊流而降落的情景。在我看来，邮票的作者是想说明存在尘流和飓风，因为“火星3”号当时是迎着巨大的尘暴进入火星大气层的。我们从美国的“水手3”号发回的资料证实，火星表面附近的风速超过每秒140米，这比火星上声速的一半还高，正是巨大的尘暴产生了这种高速风。我们和我们的苏联同行都认为。可能正是这种高速风使“火星3”号飞船无法张开其降落伞，结果，虽然它在垂直方向的着陆很和缓，但在水平方向上却具有致命的高速度。飞船在大型降落伞没有张开的情况下降落时，特别易受水平风的伤害。“火星3”号在着陆后可能弹跳了几下，接着撞上了岩块或火星表面的其他凸出物而倾翻，结果，无线电与载波总线失去连结，造成发射机失效。

然而，“火星3”号为什么会钻进巨大的尘暴中去呢？要知道，“火星3”号的飞行程序在发射前就已经严格地制定好了。在它离开地球之前，它的每一步飞行动作都已存入飞船计算机。因此，即使弄清了1971年发生的那次大尘暴的猛烈情况，也不可能再去改变计算机的程序了（用宇宙探险的行话。“火星3”号的飞行程序是预编程序，而不是自适应程序）。“火星6”号的通讯中断更加神秘莫测。该飞船进入火星大气层时，火星上并没有发生全球性的尘暴，也没有理由怀疑在着陆点发生了局部的尘暴（有时会发生这种局部尘暴的）也许在着陆的一刹那飞船发生了技术故障。但也许是在火星表面上存在某种特别危险的东西。

苏联飞船在金星着陆成功，但在火星着陆失败这两件事自然使我们对美国的“海盗”号的发射多少有些担心。原来曾非正式地计划要在1976年7月4日，即美国建国200周年纪念日，让“海盗”号的一个着陆器在火星表面软着陆。和苏联飞船—样，“海盗”号的着陆器也包括一个防烧蚀护罩，一个降落伞和几枚减速火箭。由于火星大气层的密度只及地球的百分之一，在“海盗”号进入火星稀薄的大气层时，为了使着陆器减速，使用了一个直径为18米的特大型降落伞。由于火星大气如此稀薄，如果“海盗”号在高处着陆，就没有足够的气体来制动着陆器，结果会使飞船跌得粉碎，因此需要选择一个低洼的着陆点。从“水手9”号飞船发回的资料，以及地面雷达的探测结果来看，我们知道有许多这样的区域。

为了避免“火星3”号同样的命运，我们把“海盗”号的着陆选在风力最小的地点和时间。会毁灭着陆器的大风可能强到足以把尘土扬离火星表面。因此，如果我们所选择的着陆点经过核实没有活动的浮尘，那么我们至少可以有把握地确保风力不会太大。“海盗”号着陆器在进入火星轨道时，先不与轨道站分离，而等候轨道站对着陆点进行勘察之后才开始降落。我们通过“水手9”号发现，火星表面亮区和暗区图案的变化都发生在大风之际。假如轨道站发回的照片表明发生了那种图案的变化，我们当然不会认为着陆点是安全的。但是我们也不可能有百分之百的把握。例如，假设着陆点的风力非常大，把表面的浮土都刮走了，其后在那里又出现大风，我们就无从知道了。火星比不得地球，详细天气预报的可靠性当然要差得多（诚然，“海盗”号飞行的众多使命之一就是要加强对这两颗行星天气的了解）。

由于通讯和温度方面的限制，“海盗”’号可能无法在火星的高纬度区着陆。无论在南半球还是在北半球，过于靠近极区（超过45度或50度），飞船与地球之间的有效联络时间以及飞船避免极低点的时间，都十分短暂。

我们不希望在一个过于粗糙的地方着陆，因为那可能会使飞船倾覆甚至毁坏，至少准备用来采集火星土样的机械手可能被卡死，或者悬离表面1米的高处而无用处。同样，我们也不希望降落点过于松软，倘若飞船的3个着陆架深陷在疏松的泥土中，各种讨厌的后果就会接踵而至，其中包括取样机械手无法转动。但是，我们也不希望着陆点太坚硬，如果降落在一片坚硬的火山岩地面上，没有粉状的表层物质，机械手也无取到对计划中的化学和生物实验至关紧要的样品。

当时可能得到的最佳火星照片来自“水手9”号轨道站。即使如此，其摄取的图像也未能优于90米（约100码）的范围。“海盗”号轨道站发回的照片也没有多大的改进。在这些照片中，1米（3.281英尺）长的石头是完全无法分辨出来的，而约1米长的石头却能给“海盗”号着陆器造成灾难性的后果。同样，照片也无法检测出又深又软的尘土。幸运的是有一种方法能使我们确定可能的着陆点的粗糙度或松软度，那就是雷达。很粗糙的地方会使来自地球的雷达波束发生散射，因而反射率很低，甚至在雷达屏幕上呈现一片漆黑；而很疏松的地方沙粒间的间隙很大，也会使反射减弱。我们还无法区分粗糙地点或松软地点，但在选择着陆点方面幸好并不需要去区分它们。我们知道，这两种情况都同样是危险的。初步的雷达探测表明，火星表面有四分之一到三分之一的地区对雷达波没有反射，因此都是“海盗”号的禁区。话又说回来，并不是整个火星表面都能用地球上的雷达探测到的，雷达所能探测的只是北纬25度到南纬25度之间的条带，而“海盗”号轨道站自身又没有勘测火星表面的雷达检测系统。

着陆点的限制条件实在太多了，诸如着陆点的地势不能太高，风力不能太大，地面不能太硬也不能太软或太粗糙，离极地也不能太近。显然，我们不知火星上是否有这样的地点能同时满足所有上述的安全标准，我们也没有能找到令人满意的着陆点。

一旦把“海盗”号轨道站——着陆器的结合体送上火星轨道，它在火星上着陆的纬度就无法再改变了。如果其近地点是在火星的北纬21度，着陆器就只能在北纬21度着陆，但通过等待在其下方的火星转动，可以在任意的经度上着陆。正因为如此，“海盗”号的科学家选择了好几个有希望的着陆地的纬度。为“海盗1”号选择的是北纬21度，主着陆点是在称为“克雷斯”（希腊语，意为“黄金之地”）的地区，该地区靠近4条蜿蜒的水道交汇处，这些水道被认为是在火星历史前几个世纪由流水冲蚀而成的。看来，“克雷斯”符合上述全部标准。但是，雷达观测的是“克雷斯”附近的区域，而不是“克雷斯”着陆点本身。由于地球与火星几何位置的关系，对“克雷斯”的第一次雷达探测只是在计划的着陆日期前几周才进行的。

为“海盗2”号选择的着陆点是北纬44度，主着陆点为“赛多尼亚”。之所以选择这个地点，是因为根据理论上的推断，这里极有希望存在少量的液态水，至少在火星一周年中的某些时候是如此。由于预先进行的“海盗”号生物实验的对象是适应液态水环境的生物，一些科学家认为，在“赛多尼亚”着陆会大大增加“海盗”号发现生命的机会。也有人认为，在火星这样一个多风的星球上，如果存在微生物，那就应该到处都有。看起来这两种观点都有道理，难分高低。然而，显然无法对北纬44度进行雷达探测，而且让“海盗2”号进入高纬度区，我们将不得不面对巨大的失败危险。还有人认为，如果“海盗1”号着陆成功，而且运行情况良好，那么“海盗2”号将能承受更大的危险。对于花费超过10亿美元的这种飞行的命运，我本人是十分保守的。我不禁设想到飞船在“赛多尼亚”刚一着陆就不幸发生碰撞，一种关键的仪器因而发生故障。为了增加“海盗”号着陆点选择的余地，我们在南纬4度附近的雷达可探测区，另外选择了几个在地质上与“克雷斯”和“赛多尼亚”大不相同的着陆点。“海盗2”号究竟在高纬度区还是在低纬度区着陆的问题，直到最后一刻才确定下来：选择了与“赛多尼亚”同一纬度，地名本身就是充满希望的地点“乌托邦。

我们核查轨道站发回的照片，并对雷达数据进行最后分析后发现，“海盗1”号原先选择的着陆点可能是极端危险的。有一阵子我很担心，“海盗1”号可能像传奇中的荷兰飞行员悬在空中一样，永远悬浮在火星上空，永远找不到安全的地方。但我们最后还是找到了一个合适的地点，仍然在“克雷斯”地区，但远离4大古水道的交汇处。这一拖延使我们无法在1976年7月4日按时降落。不过大家都同意，在那一天进行毁灭性的着陆，献给美国建国200周年作纪念，将是令人极为不快的。因此，我们推迟了原定的计划，而在16天后才进入火星大气层。

经过一年半的时间，绕太阳进行了1000万公里的星际航行后，每个轨道站和着陆器的结合体都进入了预定的环绕火星的轨道，轨道站对可能的着陆点进行了探测。根据无线电的指令，着陆器进入了火星大气层，防烧护罩准确地取向，展开了降落伞，扔掉了覆盖物，点燃了减速火箭。在人类历史上，飞船首次在这颗红色星球的“克雷斯”和“乌托邦”地区成功着陆了。着陆的成功在很大程度上归功于飞船设计、制造和测试中的高超技术，同时也要归功于飞船控制系统非凡的能力。但能在火星这样危险而神秘的星球上成功着陆，至少也包含了一些机缘的因素。

着陆以后，立即发回了首批图片。我们知道，我们所选择的地点并不十分理想，但我们毕竟充满了希望。“海盗1”号着陆器拍摄的第一幅照片是它自己的一根脚架，其目的是一旦着陆器陷进火星的流沙中，我们希望在飞船消失之前就能够知道。照片是由一条一条的线组合起来的，直到看到脚架在火星表面安全耸立着，我们才松了一口气。不久以后就显示出了其他的照片，每张照片都是用无线电分部分传到地球的。

我还记得，当我看到着陆器拍摄的第一幅显示火星表面的图像时，曾惊讶得目瞪口呆。因为在我看来，那根本不像是一个外星世界，倒很像我在科罗拉多、亚利桑那和内华达州所看到的情景。也有石头、流沙和远处的山峰，其景观与地球上的任何景色一样自然优美。火星真是一个神奇的地方。当然，如果在一座沙丘后面突然看到满身尘土的探险家，后面还有一头骡子，我会觉得惊异不已的，但同时我又觉得这种想法似乎也不无道理。我在研究“金星9”号和“金星10”号发回的有关金星表面照片的整个过程中，都根本没有产生过这种想法。我深信，这是一个无论如何我们总要到达的世界。

火星的景观是赤裸裸的、红色的、可爱的；远方的火山口不时蹦出雨点般的石子；此起彼伏的小沙丘；大风扬起满天尘土，不断淹没嶙嶙巨石，又不断从巨石上把尘土刮走；空中漫舞着斑驳的细粒物。这些巨石是从哪里来的呢？有多少沙子被风吹走了呢？该星球的历史究竟是怎样一种情景，才能形成地表这些光秃的巨石、埋在土中的小圆石、以及多边形的孔洞呢？这些岩石是由什么物质组成的？是与沙子相同的物质吗？沙子仅仅是巨石粉碎而成的，还是别的物质呢？那儿的天空又为何是粉红色的？此外，那里的空气是什么成分？风速又有多大？火星上有地震吗？为什么其大气压和地貌随季节而变化？

对上述所有问题，“海盗”号都作出了确定的或者至少看起来是确定的回答。“海盗”号所揭示的火星引起了人们极大的兴趣，特别是我们还记得，着陆点正是根据它们的暗淡色调而选中的。然而，着陆器上的摄像机并没有发现那里有运河的建设者，也没有巴苏人的飞行车或短剑；没有公主或武士，没有八脚怪兽，没有脚印，甚至没有一株仙人掌或一只袋鼠。就我们的判断力而言，那儿根本不存在生命的迹象。④

也许，火星上确实有大型的生命形式，只是不在我们两个着陆位置附近。也许在每一块石头和沙粒中、都有较小型的生命形式。在地球的大部分历史进程中，那些没有被水覆盖的区域很像现在的火星：大气饱含二氧化碳；强烈的太阳紫外光透过缺少臭氧的大气层，照射在地球表面上。直到地球历史最近的10％时期之前，大型动植物还不能适应陆地上的生活。然而，地球上到处充满微生物已经有30亿年了。因此，要寻找火星上的生命形式，还必须从微生物入手。

“海盗”号着陆器扩大了人类到其他星球上活动的能力。从某些标准来看，着陆器像一架侦察机一样能干，但从另一个角度来说，它的智力只相当于一个小小的细菌。我们作这种比喻并没有任何贬意。自然界经历了几亿年的漫长岁月才进化出一个细菌，而经过了几十亿年的时间，才造出第一架侦察机。只要在这类事情上稍有一点经验，对此就会变得相当熟练了。像我们人一样，“海盗”号也有两只眼睛，但“海盗”号的双眼能在红外线之下工作，而我们却不能；“海盗”号的手能推开岩石，挖取土壤；它的手指竖起来能测定风速和风向；它的鼻子和味觉器官的功能也比人类的要灵敏、准确得多，它们能感觉出微量分子的存在；它的不外露的耳朵则能探测出火星内部地震的隆隆声，以及飞船激起的风的嗡嗡声；它还具有探测微生物的手段。飞船有自己独立的放射性能源系统，它能把所获得的所有科学资料通过无线电送回地球，它能接受来自地球的指令。这样，人类就能权衡“海盗”号观测结果的意义，并命令它去执行新的使命。

在飞船大小、费用和能源消耗受到严格限制的条件下，怎样才是寻找火星微生物的最佳方法呢？我们不能，至少现在还不能把生物学家送到那里去的。我有一位朋友叫沃尔夫·维希尼亚克，他是纽约罗彻斯特大学的一位杰出的微生物学家。在50年代后期，在我们郑重地考虑寻找火星上的生命之际，他参加了一次科学会议。会上，一位天文学家对生物学家没有简单、可靠、自动的仪器去寻找星外微生物感到惊讶。维希尼亚克决定在这方面干出点名堂来。

他研制了一种能带到行星上去的小型装置，朋友们称之为沃尔夫捕集器。他计划让它带一小瓶有机营养物到火星上，并设法使火星表面的泥土样品与营养物混合，在火星微生物如果有任何生物生长（假定能生长）时观测液体混浊度的变化。沃尔夫捕集器与其他三项微生物实验一起被选择装在“海盗”号着陆器上。其他三项微生物实验中，有两项试验准备给火星生物带去食物。沃尔夫捕集器成功的前提是：火星微生物必须喜好液态水。有些人认为，维希尼亚克的做法会淹死火星上的小生物。但沃尔夫捕集器的优点是，它与火星微生物如何对待这些食物没有任何关系，只要它们能生长就行。而所有其他的试验都基于一个特定的前提：假定微生物能够吸收或排出气体。但这种假定只不过是猜测而已。

负责美国航天计划的国家宇航局（NASA）面临着经常发生的、无法预料的经费削减。宇航局的科学活动很少得到政府的有力支持，因此当需要从宇航局裁减经费时，科研项目总是被削减的目标。1971年决定取消四项微生物试验中的一项。而沃尔夫捕集器恰恰被从着陆器上撤了下来。这使维希尼亚克沮丧之至，因为他花了12年时间才研制成这台仪器。

处于他这样的处境，别的人大都会悄悄地放弃参加“海盗”号生物试验。但维希尼亚克是一位勇敢而具有献身精神的科学家，他反而决定到地球上最近似于火星环境的南极干涸山谷去。他认为，这样能更好地服务于寻找火星生命的事业。以前的一些研究人员曾经仔细地检查过南极的土壤，并作出结论：人们在南极干涸的山谷所发现的极少量微生物并不是真正土生土长的，而是从比较温和的环境吹到那里去。回忆起火星罐的实验，维希尼亚克相信，生命是很顽强的，南极是完全适合微生物生存的。他觉得，如果地球上的细菌能在火星上生存，那么南极这个总的来说比较暖和、比较潮湿，且有较多氧气、紫外线少得多的地方，为什么反而不能生存呢？相反，他认为在南极干谷如果能找到生命，，将会相应地增加在火星上找到生命的机会。他还认为，以前用来推论南极没有微生物的实验方法有问题。营养物的设计虽然适应于大学生物实验室的舒适环境，却没有考虑到干燥极地荒漠的特点。

因此，1973年11月8日，维希尼亚克带上了他的新生物实验装置，乘直升飞机从麦克默多实验站到奥斯加德地区的一条干涸的山谷——巴尔德山附近的地区，同行的还有一位地质学家。他的计划是要在南极一些小生物站进行土壤接种，一个月后再返回去回收实验物，1973年12月见日，他离开营地到巴尔德山去收集实验样品，离开时有人在约3公里外给他拍了照。没想到这竟是人们最后一次见到他生前的容貌。过了18个小时，在一座冰崖底部发现了他的遗体。看来，他走进了一个从未被探测过的地区，而且显然在冰上滑倒过，并向前翻滚了150米远。也许他看到了什么东西，譬如说发现了微生物的可能栖息地，或者是一个按理不应该有的绿色斑点。但他出事的真正原因我们是永远无法知道的了。在他那天带在身边的棕色封皮的小笔记本中，最后有这样的字句：“202号站已回收，1973年12月10日，22时30分。土壤温度：—10°，空气温度：—16°。”这正是火星上典型的夏季温度。

维希尼亚克建立的生物实验站有相当一部分仍然在南极。从实验站取回的样品已进行过检测，这项工作是由他的同事和朋友采用他用过的方法进行的。几乎在所有的实验点都发现了种类繁多的微生物。用常规的方法是检测不出这些微生物的。他的遗孀维希尼亚克太太在他的实验样品中发现了显然只有在南极才有的酵母菌新种。尹姆里·弗里德曼检验了那次勘探中从南极带回的大岩块，结果发现了令人喜出望外的微生物，它们都藏在石头表面下l－2毫米处，藻类群生在有少量液态水聚集的小天地里。在火星这样的地方，情况将会更加有趣，因为光合作用所需要的可见光能穿透到1－2毫米的深度，而能灭菌的紫外光到达这个深度时至少会部分衰减。

由于飞船在发射前好几年就已完成设计，同时由于维希尼亚克过早地逝世，他的南极实验成果没有能积极地影响“海盗”号寻找火星生命的设计计划。总的来说，并没有在火星的低温环境下进行微生物的试验，而且在大多数场合没有提供足够的孵化时间。对火星上的新陈代谢作用只做出了比较可靠的推测，而且也无法去寻找石头内部的生命。

两个“海盗”号着陆器上都安装了取样机械手。机械手从火星表面采集土样后，把土样送到飞船舱内。舱内有像电动火车的料车，把样品颗粒送去进行5种不同的试验：一种是进行无机化学试验，二是在沙粒和尘埃中寻找有机分子，另外三个是寻找微生物。当我们在一个星球上寻找生命时，我们是在做某些假定。虽然我们尽量不假定其他星球上的生命完全像我们身边的生命，但我们所能做的毕竟有限，我们只对地球上的生命有比较详尽的了解。“海盗”号的生物实验是第一次开创性的努力，它们并不代表寻找火星生命的最终结果。分析的结果一直是似是而非、令人烦恼、又令人激动的。此外，至少到目前为止，大体上仍是非绝决性的。

三种微生物实验的重点虽然各不相同，但有一个共同的课题，就是有关火星上新陈代谢的问题。假如火星土壤中存在微生物，它们必定要摄取食物、排出废气；或者从大气中吸收气体，然后借助阳光把气体转化成有用的物质。所以，我们带了一些食物到火星上去，希望火星生物（如果存在生命）会发现它们挺可口。而后，我们再观察土壤中是否放出令人感兴趣的新气体。另一种办法是带去用放射性标记的气体，然后观察这些气体是否转变成有机物。假如变成了有机物，就可以推断存在火星生命。

根据发射前制定的标准，在“海盗”号的三种实验中似乎有两种得到了肯定的结果。第一，当火星土样与经过消毒的地球有机溶液相混合时，土样中有东西使有机溶液发生了化学分解，这很像是进行呼吸的微生物代谢了从地球上带去的食物。第二，当把地球上的气体通人火星土样时，气体与土壤发生了化学结合，这种现象，与进行光合作用的微生物从周围气体制备有机物十分相似。进行这些取得肯定结果的火星生物实验所用的土样共有7个，取自相隔50公里的两个地点。

但情况是复杂的，判断实验是否成功的标准也可能不恰当。为了进行“海盗”号的生物实验，人们做出了巨大的努力，并用了多种微生物进行校验，但却很少做出什么努力去进行实验，对火星表面无机物的可能作用进行校正。火星不是地球，正如洛韦尔的遗训提醒我们的，我们可能被假象所迷惑。在火星土壤中，可能有外来的无机化合物。在没有火星微生物的参与下就能够氧化食物。也许有某种特殊的无机催化剂，它能固定大气中的气体，并使之转化成有机分子。

最近的实验表明，情况恰恰可能就是如此。1971年火星发生大尘暴时，“水手9”号的红外光谱仪摄取了尘埃的光谱图。我和O·B·图恩及J·B·波拉克在分析这些谱图时发现，谱图的某些特征似乎与蒙脱土及其他种类的粘土矿物完全吻合。“海盗”号着陆器后来进行的火星土壤探测结果也与我们的分析结果相似。A·贝林和J·里希庞发现，如果在实验室的实验中，用这样的粘土代替火星土壤，就能够重现“海盗”号“成功”进行的生物实验的某些关键特征，即重现那些类似光合作用以及像是呼吸作用的特征。粘土具有复杂的活性表面，能吸收和释放气体，还能催化化学反应。但是说无机化学能够解释“海盗”号生物实验的全部结果还为时过早，它只是说明，“海盗”号的实验结果不再是令人吃惊的了。当然，粘土的假说并不能排除火星上存在生命的可能性，但却无疑使我们相信，还没有有力的证据表明火星上存在微生物。

即便如此，贝林和里希庞的实验结果在生物学上仍具有重大的意义，因为它们说明了，在没有生命存在的情况下，土壤具有某种化学性质，其作用相当于生命活动。在地球上出现生命之前，可能也有类似呼吸和光合作用的化学过程在土壤中循环。生命一产生可能马上就参与了这些过程。此外，我们知道，蒙脱土是一种潜在的催化剂，能促进氨基酸结合成类似蛋白质的长链分子。原始的土壤也许是地球生命的摇篮。现代火星土壤化学也许能为地球生命起源及其早期历史提供重要线索。

火星表面有许多环形山（陨石坑），它们都是以人的名字，通常是一位科学家的名字来命名。维希尼亚克环形山凑巧位于火星的南极地区。维希尼亚克并没有说过火星上一定有生命，他只是认为火星上可能有生命，而确证火星上是否有生命是一件至关重要的事情。假如火星上真有生命，那么我们将有惟一的机会来检验我们的生命形态的普遍性。如果颇似地球的火星上没有生命，我们也必须弄清其原因，因为如果情况确实如此，正如维希尼亚克所强调指出的，我们经典的实验和控制学就将面临科学上的挑战。

“海盗”号的生物实验结果可以用粘土来解释，这些结果并不能证明存在生命这样一个事实有助于解开另一个难题，即“海盗”号的有机化学实验在火星土壤中没有找到任何有机物。假如火星上有生命，那么生命的遗骸到哪里去了呢？火星上没有发现有机分子，既没有蛋白质和核酸的构成物，也没有发现简单的碳水化合物，完全没有地球上的那种生命物质。这种情况并不一定是矛盾的，因为“海盗”号的生物实验要比化学实验灵敏1000倍（以等量的碳原子为标准），而生物实验似乎检测到火星土壤中的合成有机物。但这一切并没有留下多少余地，因为地球土壤中含有曾经存活的生物的有机残余物，而在火星土壤中，其有机物的含量比月球表面还要少。如果坚持存在生命的假定，那么我们只能认为生物的遗体被火星表面具有化学反应性的氧化性表面所分解，就像过氧化氢瓶中生物的命运一样。或者认为，火星上存在着生命，但与地球上的生命相比，有机物所起的作用小得多。

在我看来，后一种可能似乎是一种诡辩。我不得不承认，我是一位固执的“碳至上”主义者。碳存在于宇宙的各个角落，它奇迹般地造出了生命所需要的复杂分子。我也是一个“水至上”主义者，水是有机化学能起作用的理想溶液，它能在很大的温度范围内保持液态。但有时我又感到犹豫，我对碳和水的偏爱难道与我的躯体主要是由它们组成这样的事实没有关系吗？我们之所以主要由碳和水组成，难道不是由于在生命起源之时，地球上这些物质特别丰富吗？难道其他地方的生命，譬如说火星上的生命，就不能由其他物质构成吗？

我本身是水、钙和名字称为卡尔·萨根的有机分子的集合体。你也是由与我几乎相同的分子组成的集合体，只是聚集的标记有所不同而已。但仅此而已吗？难道除了分子以外就没有其他东西了吗？有些人会觉得这种观点颇有损于人的尊严。但在我看来，宇宙能允许分子机器进化到人这样复杂、精密的程度，实在是莫大的荣耀。

但是，生命的本质并不是构成人体的众多原子和简单分子随意地堆集在一起。我们常常看到，构成人体的某种化学物质价值只有97美分、10美元或相差无几的价格，看到我们宝贵的身躯价值如此可怜，真令人有点恼怒。然而，只有当人体变成最简单的可能成分时，才能这样来估价。人体的主要成分是水，而水几乎不值分文；碳则是以煤的形式来估价的；我们骨头中的钙就是白垩；人体蛋白质中的氮则存在于空气中（而空气也是便宜之至的）；我们血中的铁在锈钉上就有。如果我们知道的就是这么一点点，我们或许会想把组成我们身体的所有原子装在一个大容器内搅拌。我们可以任意地延长这种可笑的尝试，最后我们只能得到令人乏味的原子混合物。除此之外，我们还能期望得到什么呢？

哈罗德·莫罗维兹根据人体的准确分子组成，计算了从化工商店购买同样分子组成的化合物所需的费用，答案是大约1000万美元。这个价钱应该会使我们都觉得稍微心安理得些。但即使我们把这些化合物混合在一起，也绝不可能有一个人从罐子里钻出来，因为那已大大超越了我们的能力，而且在相当长的时间内仍然是不可能实现的。幸运的是，还有其他花钱较少但可靠性高的方法能制造人体。

我认为，总体而言，许多星球上的生命都将由与我们这里相同的原子所组成，甚至基本的分子、如蛋白质和核酸也可能相同只是组合的方式不同而已。漂浮在稠密的星际大气中的生物，其原子组成也将可能与我们极其相似，差别只在于它们可能没有骨骼，因而不需要那么多钙。在其他世界上，也许使用的是水以外的某种溶液。氢氟酸可能就相当不错，尽管宇宙中氟的含量并不多，氢氟酸对构成人体的分子极其有害，但其他的有机分子，例如石蜡分子，在氢氟酸中却极为稳定。液氨可能是一种更好的溶液，因为宇宙中氨的储量非常丰富，但只有在比地球和火星冷得多的世界里，氨才能成为液态。在地球上，氨通常是一种气体，如同水在金星上呈气态一样。还有一种可能，即可能存在根本就不需要任何溶剂系统的生物，也就是固态生命，那里只有到处传播的电信号，没有四处漂游的分子。

但上述假定并没有解决“海盗”号着陆器的实验所预示的火星生命问题。那个颇似地球的世界，拥有丰富的碳和水，生物理应以有机化合物为基础。70年代后期进行的有机化学实验结果，与飞船拍摄的图像和生物实验都表明，在“克雷斯”和“乌托邦”的细沙堆中没有生命。也许在岩石下几毫米处（如同在南极干谷），或者在火星的别的什么地方，或者在火星早期某个较温暖的时期里存在过生命，但不是在我们寻找的地点和时间。

“海盗”号对火星的探险具有重大的历史意义。它是人类第一次认真地探索其他可能的生命形式，也是飞船在其他星球上第一次安全地工作了长达一小时（“海盗1”号维持了若干年之久）。它在对另一个世界的地质学、地震学、矿物学、气象学和其他五六门学科的研究方面硕果累累，获得了许多宝贵的数据。在这惊人的进步面前，我们该如何继续前进呢？一些科学家打算发射一个自动装置，能在火星着陆，采集土样，并把土样送回地球。这样，他们就可以在地球上的大型、精密的实验室中（而不是在我们所能送到火星上的小型实验室中），极其详细地检测火星的样品。这样，就可以解开“海盗”号生物实验的大部分疑团。可以测定火星土壤的化学和矿物学，可以劈开石头去寻找次表层的生命。还可以在各种条件下，采取各种方式，包括直接的显微镜观察，进行几百种生物和有机化学的试验。我们甚至还可以采用维希尼亚克的试验方法，尽管很费钱，但这类飞行恐怕并没有超出我们的技术能力。

然而，这种飞行面临着一个新的危险，那就是后污染问题。假如我们想在地球上检查火星上样中的微生物，当然不能对土样进行消毒处理，探险的目的就是要把它们活着带回来。但如果不消毒，后果会怎样呢？带回到地球的火星微生物会对公众的健康造成危害吗？H·G·威尔斯和O·威尔斯笔下的火星人想尽办法对伯恩默思和泽西城的居民封锁消息，一直不为人所知，直到发现他们的免疫系统对地球上的细菌不起作用，但已经太晚了。与此相反的事情有可能发生吗？这是一个严肃又难以回答的问题。火星上可能并没有微生物，如果有的话，可能我们吞1千克到肚子里去也不会有什么不良反应。但是。我们不敢肯定，所冒的风险实在太大了。因此，要把未经消毒的火星土样带到地球上来，我们必须采取十分可靠的预防措施。有些国家研制并贮存了细菌武器。这些武器似乎偶尔也发生过一些事故，但就我所知，至今并未造成世界性的传染病。因而，或许能把火星土样安全地带回地球来。尽管如此，在考虑进行取回试样的飞行之前，我希望能做到绝对安全可靠。

还有另外一种途径去研究火星，研究这颗异种的行星对我们所具有的全部奥秘和魅力。在我研究“海盗”号着陆器所拍摄的照片时，使我感触最深的是我们的活动能力所受到的限制。不知不觉中，我竟切望飞船哪怕靠自己的脚尖站立起来也好，但似乎依设计不能动的飞船实验室竟然反常地拒绝设法跳一步似的。我们曾久久地引颈盼望，能用取样机械手拨开那座沙丘，去寻找那块岩石下的生命，仔细地看看那个遥远的山脊是不是一个火山口的砾垒啊！我知道，在其东南方不远处是“克斯雷”地区的4条蜿蜒的水道。从“海盗”号所有那些十分引人人胜的探测结果来看，我已发现上百个比“海盗”号着陆点更有意义的地点。最理想的工具是能进行高级实验，尤其是进行摄影、化学和生物实验的流动车辆。宇航局正在研制这种车子的原型。这种车辆自己知道如何越过岩石，如何避免在山涧翻车，如何离开险境。如果能让这种流动车在火星上着陆；它就能扫描周围的区域，在它的视野范围内发现最有意义的地点，并在第二天的同一时间出现在那里。每天去一个新地方，蜿蜒地横越这颗迷人行星复杂多变的地形。使这种装置登上火星并没有超出我们的能力范围。

即使火星上没有生命，发射这种车子也具有巨大的科学价值。因为这样一来，我们就可以在古河道中漫步，去攀登一座大火山，沿着冰冻的极地上那奇怪的阶梯，或者抄近路，到达火星上那诱人的金字塔⑤。对于这样的探测飞行，公众肯定也会有广泛的兴趣。在我们家中的电视屏幕上，每天都将看到一组新的景色。我们将能随着巡回车的踪迹，去细细地研究它的发现，提出新的目标。旅程可能是漫长的，但巡回车能遵从地球上的无线电指令。因此，我们会有足够的时间把新的想法编人探测计划中去，成千上万的人也就都能参加到另一个世界的探险中去。

火星的表面积刚好与地球上的陆地面积相等。显然，对火星的彻底勘察将会使我们忙碌几个世纪之久。但是，总有一天火星会被全面地探测的：利用机器人飞机从高空摄制火星地图，巡回车跑遍整个火星表面，土样被安全地带回地球，甚至人类能在火星的沙地上散步。到了那时候，又该怎么办呢？我们该如何对待火星呢？

人类滥用地球的事例真是不胜枚举，只要一想到这个问题，我就不寒而栗。假如火星上有生命，那我认为，我们就不应该再去干扰火星了，因为火星理应属于火星人，即使火星人还只是处于微生物阶段也罢。在邻近的星球上存在独自的生物，对我们来说是一桩无法估量的好事。因此，我认为，保护那里的生命的责任远远高于对火星的任何其他可能的利用。但是如果火星上没有生命又该如何呢？火星不大可能成为一个原料供应地，因为在未来的几百年内，要从火星往地球运送东西，运费将是极昂贵的。然而，我们能否在火星上生活？能否在一定程度上使火星变得适于居住呢？

火星是一个可爱的、迷人的世界，但从我们狭隘的观点看来，它也有许多不足之处：主要是氧气太稀少，没有液态水，紫外线通量太高（从南极的永久性科学考察站的情况看，火星的低温还不是不可逾越的障碍）。只要我们能制造出更多的空气，所有这些问题都会迎刃而解。大气压升高后，液态水就可能形成。氧气增加后，我们就可以在大气中呼吸了，也就会形成臭氧层，保护火星表面不受太阳紫外线的伤害。蜿蜒曲折的水道，层压极状的极区山地，以及其他的证据都表明，火星大气的密度曾经很高，这些气体不大可能会脱离火星。因此，它们肯定存在于火星的某个地方。一部分气体已经与表面岩石发生了化学结合，一部分存在于次表层的冰中，但大部分气体可能存在于现在的极地冰帽之中。

为了蒸发冰帽，我们就必须对它加热，或许我们可以在冰帽上撒上黑色的粉末，这样冰帽就可以吸收较多的阳光，这是同我们破坏地球的森林和草原恰恰相反的一件事情。但冰帽地域面积很大，为了撒遍黑土，需要1200台“土星5”号火箭推进器，才能从地球上运去所需要的黑土。而且，即使能做到这一点，火星上的风也会将它们吹跑。因此，最好是能研制出某种能自行增殖的黑色物质，这种物质应是一种微小的黑色机体，当我们把它送到火星以后，它就会到处分布，并以这种黑色物质为母体，自行大量繁殖，从而覆盖整个冰冠。这种机体是有的，就是我们称之为植物的生物。某些植物非常耐寒，而且有很强的适应能力。我们知道，地球上至少有某些微生物能在火星上生存。现在需要的是有一个研究计划，对黑色植物进行人工选择和遗传工程研究，也许可以选择苔藓植物，它们也许更能适应火星的严酷环境。如果这类植物在火星上能够繁衍的话，我们可以想象它们一定会在火星极地冰帽的广袤大地上播种、生根、蔓延，使冰冠呈现黑色，从而可以吸收阳光，加热冰层，把古代火星大气从长期的禁锢中解放出来。我们甚至可以想象有火星的阿卜细德（美国18世纪的拓荒者），不管是机器人或者是人类，漫步在冰冻的极地荒原上，他们的活动将会有助于未来的人类。

这样一个总体的概念被称为“地形改造”，即把地球以外的世界的地形改变成较适于人类生活的环境。几千年来，人类活动造成的温室效应和反照率的变化，只使地球的温度改变了1度左右。当然，如果照目前燃烧矿物燃料的速度，以及森林和绿色植被的毁坏速度来看，只需要一两个世纪，就会使全球气温再升高1度。种种理由表明，要对火星进行卓有成效的地形改造可能需要几百年乃至几千年的时间。在科学技术高度发达的未来，我们不仅可以期望增加火星的总大气压、化出液态水，而且可以期望把极地冰帽融化的液态水输送到较暖和的赤道地区，建造运河就可以做到这一点。

表层和次表层的冰融化后，可通过大运河网输送出去。但是，在火星上将会发生的这种事情，那岂不正是不到100年前洛韦尔看错了的那种景象吗？洛韦尔和华莱士都认为：火星环境之所以不适合于我们，就是因为那儿缺水。假如真能建成运河网，缺水的问题就会大大改善，在火星上居住就有可能成为现实。洛韦尔是在极其艰难的条件下进行观测的。斯基帕雷利等其他一些人也观测到了类似运河的目标，在洛韦尔开始他对火星的毕生研究之前，这些目标被通称为水道。人类在他们的情感受到刺激时往往会显示出自欺欺人的特殊才能。在这一方面，很少有其他的观念比在邻近的星球上居住着智慧生命的观念更激动人心的了。

洛韦尔观点的力量可能就在于使这种观点变成一种预言。是他认为火星人建造了运河网。甚至这种观点也有可能成为一种确切的预言：假如要改造火星，那将由人类来完成，火星是人类能永久居住的另一颗行星。火星人将是我们人类自己。

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 ①英文的“无人知道”为二个字（Nobody Knows）。——译注

②1938年由沃生·威勒士（Orson Wells）改编的广播版本，把火星人的入侵从英格兰改变到美国的东部，使对战争神经过敏的成千上万美国人相信火星人确实在发动进攻了。

③牛顿断言：“即使制造望远镜的理论得到最充分的利用，望远镜仍然有一定的限度。超过这个限度望远镜就无能为力了。因为我们观察星球时要通过空气，而空气处于不停的震动之中……。惟一的解决办法是需要最晴朗、最宁静的空气，而这样的空气恐怕只有在高耸于云海之上的山巅才能找到。”

④当人们在“克雷斯”地区的一块石头上依稀看到一个像大写字母B的图像时，曾认为那是火星人刻下的，这使大家都高兴了一阵子。但后来的分析表明，那不过是光线、阴影以及人类图像识别技术上发生的幻觉。同时，火星人怎么也使用拉丁字母呢，这是不可思议的。有那么一会儿，在我的脑海里出现了我童年时神往的一个字眼“巴苏”。

⑤最大的金字塔底部直径3公里，高1公里，这比地球上的埃及和墨西哥的金字塔要大得多。这些金字塔看起来很古老，饱受侵蚀。它们或许只是些小山或长期聚集的沙丘。但是我想，它们是值得仔细勘察一番的。

第六章 旅行者的故事

究竟存在着许多世界，还是只有一个世界呢？这是人们研究自然时经常提出的一个最神圣、最令人激动的问题。 圣亚伯特·马格鲁（13世纪）

混沌初开之际，岛国的土著人或者认为，他们是地球上惟一的居民，或者也认为，即使还有其他居民，他们之间也无法互通往来，因为在他们之间有着当时不可逾越的大海。但随着岁月的流逝，出现了船只……，也许有一天还会出现能把人送上目球的某种其他交通工具……，但是，德雷克和哥伦布尚未降世，没有人能担当得起这种旅行的重任，更没有任何代达罗斯式的人物，能造出上天的工具来。不过。我毫不怀疑，时间老人仍旧会是新知识之父，他曾向我们披露了那么多我们的祖辈一无所知的事实真相，他一定还将向我们的后辈，披露我们今天梦想着，但又不可实现的事情。 约翰·威尔金斯《月球世界之发现》（1638年）

假若升上地球之巅，从高往下观察，就可以明白，造物主究意把我们这小小寰球变成了什么模样。这样，就像要远足旅行者一样，我们就会更加清楚，出发前该做些什么准备，也就会更准确地估计和评价旅途中的一切。此外，假如我们问得天外有天，还有许多同我们地球相似的星球住有居民，受到崇拜，我们就不会对地球上称之为伟大的东西赞不绝口，也就会藐视大多数凡夫俗子所津津乐道的区区小事。 惠更斯①《宇宙论》（1690年）

人类开始邀游太空的时代来到了。在星际开普勒轨道上航行的现代飞船都是不载人的，它们都建造得美观，装有探测未知世界的半智能机器人。到太阳系外的这些航行都由设在加州帕萨迪纳的国家宇航局喷气推进实验室（JPL）地面站控制。

1979年7月9日，“旅行者2”号宇宙飞船经过几乎两年时间的行星际航行到达了木星系。这架飞船由几百万块各带有备件的分装部件组成，因此，若某一部件失灵，其他部件就会取代其功能。飞船重0．9吨，要有一间很大的房屋才能放得下它。飞船的使命要求远离太阳，因此不可能像其他飞船那样用太阳能做动力。“旅行者2”号的动力来自飞船上的一个小型核电厂，利用由一块钚的放射性衰变产生出的几百瓦的电能。船上的3台集成电路计算机以及大多数辅助设备，例如温度控制器，都位于飞船中心。飞船通过一个直径为3．7米的大型天线从地面站接收指令，并将本身的发现送回地面站。在飞船上，大多数科学仪器都安装在一个观测台上，当飞船从木星旁疾驶而过时，这些仪器就会跟踪木星或其卫星。许多科学仪器，如紫外和红外光谱仪等被用来测定木星上的带电粒子、磁场及其发射的电波．但其中最重要的仪器则是两台电视摄影机。这两台电视摄影机按其设计功能拍摄了成千上万张太阳系外行星的照片。

木星的周围是一层看不见的但却极其危险的高能带电粒子。为了靠近考察木星及其卫星，并继续完成考察土星和更远的星球的使命，飞船必须穿越该辐射区的外端。然而，带电粒子会损害精密仪器，甚至毁坏电子设备。木星周围还有一圈固体碎片，这些碎片是4个月前由“旅行者1”号发现的。一旅行者2”号必须穿越这圈碎片层。与一块小碎片的碰撞就会使飞船颠簸得失去控制，从而使得其天线不能跟踪地面站，所发出的数据也就永远收不到了。就在穿越碎片圈之前，地面控制人员还很担心，因为出现了一些警报及险情，但在地面人员的努力和飞船机器人的配合下，终于避免了一场灾难。

于1977年8月20日发射后，飞船沿弧形轨道经过火星，穿越小行星区，接近木星系，并终于穿过了木星及其14个左右的卫星。土星的重力将使飞船加速飞向天王星。飞越天王星后，它就会继续向前飞向海王星，飞离太阳系，从而成为星际飞船，永远邀游于浩瀚的星际海洋之中。

“旅行者”的探索性航行是一系列航行中的最新航行。所有这些航行都为人类历史留下光辉灿烂的标志。在15、16世纪。人们从西班牙旅行到亚速尔群岛要用几天的时间，而今天用同样多的时间，就可从地球飞到月球。当时要横渡大西洋，到达人们称做新大陆的美洲，需用几个月的时间；而今天，用几个月的时间，就可横越太阳系，到达火星或金星，这是两个正等待我们光临的真正的新大陆。在17、18世纪，人们用一两年的时间，可以从荷兰旅行到中国。而如今，用同样多的时间“旅行者”号飞船从地球飞到了木星②。相对来说，一年中的费用当时要比现在多，但在两种情况下，都不到当时国民总产值的1％。现时的机器人飞船是人类将来探索其他星球的先驱和前导。我们以前已经有过这种形式的旅行。

15到17世纪是人类历史的重要转折点。在此历史时期，人们明确认识到，人类能航行到世界的任何角落。来自6个欧洲国家的船舶勇敢地航行于世界各大洋，但其动机各不相同：野心、贪婪、民族自豪感、宗教狂、赎罪、科学好奇心和冒险欲以及在埃什特雷马杜拉③找不到合适的工作等等。这些航行功过相当。但其基本的功劳是把世界联系到一起，减少了狭隘性，统一了人类，极大地推进了对地球及人类本身的认识。

新兴的荷兰共和国是17世纪乘船考察和探险时代的典型。当时她刚刚宣布独立于强大的西班牙帝国，比同时代的任何其他国家都更充分地拥有欧洲的启蒙思想，是一个有理智、守秩序、具有创造力的社会。但是，由于西班牙港口对荷兰关闭，船舶禁止与荷兰交往，这个小小的共和国的脆弱经济只好依靠自己的力量来建立和使用一个庞大的商业船队。

荷兰的东印度公司是一家政府和私人的联营公司，她派船到世界上遥远的角落去搜集珍贵货物，然后运回欧洲渔利。这些航行是荷兰的生命线，航海图和地图被定为国家机密。船上经常带有密封的指令。荷兰人一下子遍布于整个世界，北冰洋的巴伦支海以及澳大利亚的塔斯马尼亚岛都是以荷兰船长的姓氏命名的。这些探险者尽管在很大程度上是为了经济上的利益，但决非仅此而已，它还包括有其他的重要成分，如科学探险，发现新大陆、新植物、新动物及新民族的热情，以及纯粹对知识的追求。

阿姆斯特丹市政厅表现了17世纪自信而又历史悠久的荷兰的概貌。它是由花岗石修建的。当时的诗人和外交家康斯坦丁·惠更斯评价说：这个市政厅的建设摒除了“哥特式的倾向及其惨景”。直到现在，在市政厅里还有一座撑持苍穹的阿特拉斯神雕像，天空中饰以星座图形。其下是守护神，挥舞着金剑和金盾，站在死神和复仇者之间，并且把贪婪和嫉妒这两个商人之神踩在脚下。以私人经济为基础的荷兰人明白，毫无节制地追求利润会构成对国家灵魂的威胁。

在阿特拉斯神和守护神下面的市政厅地板上还可找到一些不那么富于寓意的象征。那是一张大型的内嵌图，是17世纪末叶或18世纪初叶从西非到太平洋的一张地图。在当时全世界都是荷兰的活动场所。而且，就在这张图上，以其不可思议的谦恭，荷兰人竟省略了他们自己，对于位于欧洲的本国本土只是使用了古拉丁名称——Belgium（比利时）。

在当时有代表性的一年中，有许多船要起锚绕地球航行半圈。从非洲西岸，穿过他们称之为埃塞俄比亚海的水域，绕到非洲南岸，进入马达加斯加海峡，然后继续航行到印度的南端，到达他们的兴趣焦点——香料群岛，即现在的印度尼西亚。一些探险队从那儿又航行到一个称为新荷兰的陆地，也就是今天的澳大利亚。有几个探险队更冒险通过马六甲海峡，经菲律宾而到达中国。从17世纪中叶荷兰东印度公司的大使觐见中国皇帝的记载中，我们知道。荷兰人，包括大使和船长在看到北京紫禁城的另一文明景象时，都惊奇得瞪圆了眼睛。④

在此之前和从此以后荷兰再也没有像当时一样成为一个世界强国。一个小国，被迫以其智慧生存，其外交政策具有强烈的和平主义因素。那时，因为容忍非正统观点，荷兰成为欧洲其他国家因缺乏出版和言论自由而逃亡的知识分子的天堂——这非常像30年代的美国，从纳粹统治下的欧洲大批出逃的知识分子中获益不浅。正因为如此，17世纪的荷兰成为爱因斯坦所崇敬的、伟大的犹太哲学家斯宾诺沙的家乡，也是法国数学和哲学史上的重要人物笛卡尔的家乡，同时也是政治家、科学家约翰·洛克的家乡——他影响了一大批哲学上倾向革命的人士，如潘恩、哈密尔顿、亚当斯、富兰克林和杰斐逊。荷兰当时正空前绝后地因那一群卓越艺术家、科学家、哲学家和数学家而熠熠生辉。那是著名画家伦勃朗、弗美尔、哈尔斯的时代，也是发明显微镜的列文胡克的时代，同时也是国际法鼻祖格劳秀斯和发现光折射定律的斯涅耳的时代。

在具有提倡思想自由传统的荷兰，莱顿大学为一位名叫伽利略的意大利科学家提供了教职，罗马天主教堂曾威胁并逼迫他放弃他的学说，即地球是绕太阳运转的，而不是相反。⑤伽利略与荷兰有密切的联系，他的第一台天文望远镜就是一种荷兰设计的小望远镜的改进装置。利用它，伽利略发现了太阳黑子、金星位相、月亮上的环形山以及木星的4大卫星，在他逝世后，这些卫星被命名为伽利略卫星。在1615年写给荷兰女君主的信中，伽利略说明了他自己对教会工作的看法：

若干年以前，正如尊贵的君主阁下所十分了解的，我就在天空中发现了许多我们时代以前从未发现的东西。一这些新奇事物，以及由此而产生的某些与经院哲学家普遍认为的物质概念相矛盾的结果。使我得罪了不少教授（他们中许多人是教徒）——好像是我亲手把这些东西塞入天空，以便扰乱自然界、推翻科学似的。他们似乎忘记了，正是因为人们日益掌握了真理，才促进了艺术的研究、完善和发展⑥。

作为一个具有强烈探索性的强国的荷兰，与作为一个知识和文化的荷兰之间的联系是非常紧密的。对改进船舶的需要推动了各种工艺的发展。人们喜欢手工劳动。发明创造受到奖励。技术进步需要尽可能地猎取知识，因此，荷兰成为欧洲最权威的出版社和书商，她既翻译用其他文字撰写的著作，也允许其他地方禁止出版的著作在荷兰发行。去外国探险及见到其他陌生社会打破了荷兰人的自大情绪，促使人们重新认识那些传统的定论，而且也说明，千百年来人们所持的观点，例如关于地理的观点是完全错误的。在世界大部分地区由皇帝和国王统治时．荷兰共和国却比其他任何国家更多地由人民治理着。社会的开放及其对脑力活动的鼓励，物质享受以及对别的国家的考察与利用，产生了可喜的对人类事业的信心。⑦

意大利的伽利略宣布发现了其他天体，布鲁诺则推测有其他的生命形式。他们为此都受到了残酷迫害。然而在荷兰，相信上述两种观点的克里斯蒂安·惠更斯却得到人们的极大的尊敬。其父名叫康斯坦丁·惠更斯是当时一位著名的外交家、作家、诗人、作曲家和音乐家，是英国诗人约翰·堂恩的亲密朋友及其翻译家，同时他也是一个原始大家庭的主人。康斯坦丁赞赏画家鲁本斯的画，并且“发现”了一个名叫伦勃朗的年轻画家，后来在他的好几幅作品中都有康斯坦丁出现。初次与他见面后，笛卡尔就写道：“我不能相信，人的脑袋瓜里竟能装满那么多的东西，而且还装置得那么完美。”惠更斯的家里摆满了世界各地的物品。其他国家的知名思想家是他的常客。在这样的环境下成长，年轻的克里斯蒂安·惠更斯同时精通语言。绘画、法律、科学技术、数学和音乐。他的兴趣和联系是广泛的。他说：“全世界都是我的家，科学就是我的信仰。”

光是那个时代的一大主题：既是启蒙运动，思想和信仰自由及地理发现的象征，又于当时的绘画中无所不在，尤其是在弗美尔的优美作品中，随处都表现了光；而且，光也是科学研究的课题，例如斯涅耳的光折射研究，列文虎克发明显微镜及惠更斯本人的光的波动学说，都是对光的研究。⑧上述活动都是相互关联的，且其研究人员也是自由组合。弗美尔居室的特点是到处都有航海用具，墙上挂满地图。显微镜则是客厅内的珍品。列文虎克是弗美尔的财产委托人，也是惠更斯在霍夫维克家中的常客。

列文虎克的显微镜是由布商用来测定布质的放大镜改进而成的。他用显微镜在一滴水中发现了一个微生物世界。他把这些微生物称为“微小动物”，且认为其“精巧玲珑”。惠更斯对设计第一架显微镜做出了许多贡献，并用它发现许多新事物。列文虎克和惠更斯是最早观察到人类精子细胞的人，而这又是理解人类生殖活动的先决条件。为了说明微生物是如何在预先经过高温灭菌的水中的逐渐发展过程，惠更斯认为，微生物小得足以透过空气，并在水中顺利繁殖。因此，他提出了自然繁殖的方案，即在发酵的葡萄液或腐肉中生物也能生长的观点，这种繁殖过程与以前存在的生物完全无关。但是，惠更斯这个正确的观点，直到两个世纪以后的巴斯德时代才得到证明。人们对火星上是否存在生命的研究，可以用不止一种方法追溯到列文虎克以及惠更斯的研究工作上去。这两人也是细菌致病论的鼻祖，因而也是许多现代医学的鼻祖。然而，他们头脑中并没有实用动机，他们只是在一个崇尚技术的社会里做些零修碎补的杂活。

荷兰于17世纪初期研制成的显微镜和望远镜，大大有助于人类对微观和宏观世界的观察。只有在此时此地，人们才能开始对原子和银河系的观察。惠更斯喜欢研磨和抛光天文望远镜用的镜片，并制成了一台5米长的天文望远镜。仅凭用它做出的发现本身，就足以使他稳坐人类文明史上的一把交椅。他是在埃拉托色尼之后第一个测定另一星球体积的人，是第一个认为金星完全是由云层覆盖的人，是第一个描绘火星表层景象的人（火星表面是一个称为大流沙的黑色的当风大斜面，通过观测火星旋转时这种景象的出现和消失，第一个确定火星和地球差不多一样，自转一圈需24小时的人。是他第一个认识到土星周围有许多环，这些环与土星互不接触。⑨另外，他发现了土星的最大卫星——土卫六，而且，正如我们现在知道的，土卫六，也是太阳系的最大卫星——一个大有希望与前途的星球。这些发现的大部分都是在他20几岁时完成的。同时，他认为星占学完全是一派胡言乱语。

惠更斯的成就远不止于此。当时，航海上的一个关键问题是测定经度。因纬度易于以星座确定——你向南越远，你看到的南天星座就越多。但是，测经度要求计时精确。一台准确的船上时钟能告诉你离港的时间，太阳和星星的升落可确定船只的当地时间，这二者的差别可用来校正经度。惠更斯发明了摆钟（其原理早就由伽利略发现了）。尽管还不十分完美，但当时已用这种钟来确定船只在无边海洋中的位置。他的发明大大提高了天文学和其他科学观测的准确性，而且促进了航海用钟的日臻完善。他发明了至今仍用在某些手表中的螺旋形平衡弹簧。他对力学，例如对计算离心力，以及通过研究掷骰子对概率论等进行研究，都做出了重大贡献。他改进的气泵在后来引起了采矿业的一场革命。他改进的“神灯”，是幻灯机的始祖。他还发明了一种称为“火药机”的东西，这对蒸汽机的研制大有影响。

惠更斯1659年出版的《土星星系》的详细插图。图中，惠更斯正确地说明，随着地球和土星几何关系的变化，土星环的外形也发生变化。土星进入B点时，一旦土星成直立状，其薄如纸张的星环就要消失。土星进入A点时，在地球上观察土星的形状最清楚。就是在这一点上，伽利略用极其简陋的望远镜看清这个大行星的形状。

惠更斯感到高兴的是，哥白尼关于地球是绕太阳运行的行星的观点，为荷兰人所广泛接受。他说，除了那些“智力有点迟钝的人，或迷信权威的人”以外，所有的天文学家都肯定哥白尼。中世纪时，信教的哲学家热衷于辩论，因为天体每天绕地球运行一次，所以，天体的范围几乎不可能是无限的，从而也不可能有无数个世界，甚至不可能有许多世界（或者说不可能再有别的世界）。发现地球绕太阳转而不是相反具有重要意义，它说明了地球的独特性及别的星球也存在生命的可能性。哥白尼认为，不仅太阳系，而且整个宇宙都是以太阳为中心的。开普勒也否认各恒星都有自己的行星系，把确有很多或无数其他的天体绕它们自己的太阳运行的观点说明清楚的第一人，似乎是布鲁诺。但其他人认为，根据哥白尼和开普勒的观点立即会产生世界的多元性的看法，而这是令人奇怪的。17世纪初期，罗伯特·墨尔顿主张，日心说表示了其他星系的众多性，他还认为，这是一种称为归谬法的争论说明了初始条件是错误的。他在一篇曾经看来很有说服力的论文中写道：

如果太空是那样大得不可比拟，像哥白尼等伟人说的那样……，那样广阔无垠，充满了无数的星体，那么，为什么我们不能假定……、太空中能见到的那无数星体就是如此众多的太阳。围绕特定的中心，同样有其各自的行星，就像太阳仍有行星绕其运行呢？……既然如此，那就会有无数有生命的世界，为什么不能呢？……诸如此类的专断而大胆的假设、惊人的诡辩，必然会产生影响，如果假定……开普勒……和其他人仍然坚持地球运行的观点。

但是，地球确实在运行。如果墨尔顿活到今天，一定也会得出有“无数有生命的世界”的观点。惠更斯也相信这种观点，他欣然表示说：“跨越宇宙之海，星体就是其他的太阳。”惠更斯以为，以太阳系类推，上述星体应该有其各自的星系，而且其中许多星体可能有居民：“假若我们认为这些星体除了无边的荒漠就一无所有……且排除有高级生物的可能，那么我们就会贬低它们的美观与尊严，认为它们不如地球，而这是非常不合情理的。”⑩

这种见解是在一本不同凡响的书中提出的，该书冠有一个动听的题目：《天体奇观，关于其他行星上的居民、植物及其世界的猜想》。该著作是在惠更斯于1690年逝世前不久完成的，它受到许多人，包括沙皇彼得大帝的称赞，他使该书成为在俄国出版的第一部西方科技书。书中大部分是论述星球的特性或环境的。在印制精美的第一版插图中，我们可看到一幅按比例绘制的太阳和巨大的木星、土星图，相对来说，它们太小了，地球只是一个很小的圈。

惠更斯认为，其他星球的环境和居民，大体上与17世纪地球上的情况相同。他想象：“行星人”的全身，包括身体的每一部分，都是颇为奇特的，与我们的身体大不相同……。一个有理念的灵魂绝对不会寄居在非人形的身体中，这种见解是极为狭隘可笑的”。他还认为，外星人即使形状古怪，却可能富有才智。甚至根本就不古怪，也像我们一样，有胳膊有腿，能直立行走，也能写字画图。所以他认为木星系的4颗伽利略卫星，起着航标的作用。当然，惠更斯只是他那个时代的一个公民。我们谁又不是呢？他把科学当做他的宗教来信仰，因此认为太空中一定有居民，否则，卜帝创造那么多星体，就毫无意义了。因为他生活在达尔文之前，他的上述观点自然不符合进化论。但是，他通过观察提出的某些论点，却与现代宇宙观相同：

“旅行者”号飞船正是早期的航海探险船和惠更斯科学思辨的后代。“旅行者”号飞船探测的星球，也正是惠更斯早就知道，并且深为迷恋的大千世界。

几个世纪前那些远航所带回来的一个重要产品就是旅行者的故事。⑾那是一些关于陌生国度和珍禽异兽的故事，曾引起人们的好奇感，激发了后来的探险。其中讲到擎天的山峰，海中的龙和海怪，纯金的餐具，以臂为鼻的怪兽，嘲笑墨守教义的基督教、天主教、犹太教和回教的教徒们无谓争吵的人，还谈到了能燃烧的黑石头，嘴长在胸部的无头怪人，以及生活在树上的绵羊。这些故事有真有假，有些具有真理的内核却为探险者所误解，所夸张，在流传中走了样。在伏尔泰和斯威夫特的笔下，这些描述在欧洲引起了新的争论，促使人们重新考虑那奇特的世界。

现代飞船也带回来许多旅行者的故事。这些故事描述了一个晶体状的世界，描述了一个从南极到北极遍布蛛网状物体的星球，其周围的小卫星状如土豆；这是个拥有地下海洋的世界，又是个状如意大利馅饼，散发着臭鸡蛋味的陆地，拥有充斥融硫的湖泊，火山不断朝空中喷出烟火；这是个叫做木星的行星，在木星面前，地球是如此渺小，以致木星可以容纳得下1000个地球。

木星的伽利略卫星，也几乎都和水星一样大。我们已能测定出这些卫星的体积和质量，因而可以计算其密度，从而可以推测出它们的内部结构。我们发现，靠里的两颗卫星——木卫一和木卫二，其密度和岩石差不多。外面的两颗卫星——木卫三和木卫四的密度则要小得多，介于岩石和冰块之间。但在这两颗卫星内，却含有放射性物质，这使其周围的物质变热了。这积聚了几十亿年的热量，无法到达卫星的表面，更谈不上向宇宙扩散了，因此，这种热量必定会融化其冰冷的内部物质。在能靠近观察这4颗卫星前，我们曾估计，这些卫星的地下海中的水，可能彼此大不相同。“旅行者”号飞船靠近观察的结果，证实了我们的估计是对的。它们彼此确实大不相同，也与我们见过的任何其他世界不同。

“旅行者2”号飞船再也不能返回地球了。但是，它的惊人的科学发现，这种真正的旅行者的故事，却返回了地球。例如，1979年7月9日8：04（太平洋标准时间），一个以旧欧洲命名的新世界，即欧罗巴卫星（指土卫二）的首批图像传到了地球。

飞船远在太阳系之外，如何能使图像传到地球上来呢？土卫二绕木星运行时，阳光照射在它的表面上，又反射到宇宙之中，其中一部分光线反射到飞船的电视摄影机镜头上，从而产生了图像。经过飞船上的计算机处理后，图像变成电波，飞越5亿公里后，传到地面站的射电望远镜上。在西班牙、加州南部的莫哈韦大沙漠，以及澳大利亚（1979年7月那天早上正是在此地的望远镜正对着木星和木卫二），各有一个这样的地面站。然后，再发送到通信卫星上，由通讯卫星把信息传送到加州南部，尔后，通过一系列微波中继站，最后把信息输送到喷气推进实验室的计算机中处理。图像大致像报纸的传真照片，由大约100万个小点组成，每个小点明暗的程度不同，这众多的小点，靠得很近，用肉眼观看离得稍远就无法分辨，只能看到其累积效果。从飞船上传来的信息决定每个小点的明暗程度。经过处理后，这些小点可贮存在磁盘上，与唱片的贮存方式十分相似。一号飞船拍摄的木星系照片，约有1．8万张，都被贮存在这种磁盘上，二号飞船拍摄的照片数，也相差无几。经过这一系列加工后，木星系的图像就出现在一张光滑纸上，从而在人类历史上，第一次看到了木卫二的奇观。

我们看到的图像是十分令人惊叹的。“旅行者1”号拍摄了木星的另外三个卫星的精彩的照片，但没有拍到木卫二的照片。这项任务是由2号完成的。由于是近距离拍摄的。所以镜头只覆盖了几公里的范围。粗看照片，似乎上面布满运河，正像洛韦尔所想象的赋予火星的运河一样。其实，在木卫二上，根本不存在运河。但我们看到许多扑朔迷离、纵横交错的直线和曲线。它们是隆起的山脊，还是溺沉的河流？它们是如何形成的呢？它们是星球伸缩引起的断裂所产生的吗？与地球的板块结构有联系吗？而且，有什么样的光发射到木星的另外3个卫星上去？神奇的现代科学技术，产生了令人难以置信的结果。但是，要真正理出个头绪来还得靠人的大脑。人们分析证明，尽管木卫二上沟渠纵横，但它像弹子球般光滑。没有盆地，也许是其表面冰层融化流动的缘故。照片所示的线条，只不过是这种冰流处的小槽或裂缝，其成因尚有待于进一步研究。

假如“旅行者1”号和“旅行者2”号飞船上有宇航员，那么，船长的航行日记上可能这样写：

第1天。我们彻底检查过食品以及各种仪器后，终于成功地从卡纳维拉尔角发射场起飞，开始了漫长的宇宙旅行。

第2天。摄影机的活动支架发生故障。假如不排除故障，摄影计划将无法完成，科学数据将无法得到。

第13天。我们回顾家乡，拍下了第一幅十分清晰的、地球和月亮浑然一体的照片。漂亮的一对。

第 150天。微型发动机点火，以便修正飞船的轨道。

第 170天。按计划维护设备。几个月以来，一切顺利。

第 185天。成功地拍摄了木星的精确照片。

第207天。活动架故障被排除，但是，无线电发射主机却出了毛病。我们换上了备用发射机。假如它也失灵，我们与地球的联系将再次中断。

第 215天。我们飞越火星轨道。这时，火星正处于太阳的另一侧。

第295天。我们进入小行星区。这里有许多翻滚着的大石块，它们是太空的鱼群和礁石，大多数还是陌生的，我们挂上了“小心”的牌子，但愿别碰上它们。

第475天。我们安全地钻出小行星区，真是万幸。

第570天。我们接近了木星。与地球上最大的望远镜相比，我们看得清楚多了。

第615天。木星的瞬息万变、多姿多彩的云层展现在我们面前，使我们眼花缭乱。木星真是巨大无比啊！它比所有其他行星加在一起还要大2倍。在这个世界上，没有高山峡谷，也没有火山河流，在球体与空气之间也没有界限，到处只是一片茫茫无边的流动着的稠密气体和云彩，因此也就无所谓木星的表面，木星上的一切都在它的天空中飘动着。

第630天。木星上的天气仍然是绚丽壮观的。这个巨大的星球自转一周将近10个小时。正是在自转力的作用下，以及在阳光和它自身散发的热量的作用下，在它的周围才形成了蔚为壮观的、飞快飘动着的云彩。

第640天。云彩变幻无穷、光辉灿烂。使我们联想起梵高所画的“星空”，以及威廉·布莱克和爱德华·蒙克的作品中所描绘的群星璀璨的夜空。只是他们描绘的景象大为逊色而已，因为所有这些艺术家，都是站在地球上观察夜空的，因而不可能真正描绘出这无比绚丽多彩的星空奇观。

我们靠近木星观察它的云彩带，白色云带是高空云层，也许是氨晶体所组成；褐色云带的云层要深些，温度要高些，因而大气向下流动。蓝色部分则显然是顶端云层中的空洞，通过这些空隙，我们才看见了晴朗的太空。

木星的红褐色云彩的成因还不清楚，也许是磷或硫的化学反应所致，也许是太阳的紫外线照射到甲烷和氨气上，又与木星的大气层中的水汽和有机分子相混合后所产生的彩色云层。假如事实确实如此，那么，地球上的最早的生命就是40亿年前木星上的这种化学反应所引起的。

第647天。我们进入大红斑（GRS）地区。这是一个巨大的气柱，高出邻近的云彩，其浩瀚宽阔足以容纳半打地球。至于红色，可能是其内部的复杂分子形成的。这是个巨大的风暴区，其历史也许已达百万年之久。

第650天。接近木星。充满奇迹的一天。我们只有一件损坏了的光偏振仪导航，却成功地通过了可怕的木星辐射层。接着，又安全地穿越环形区。在这层新发现的木星环形区内，到处是宇宙尘粒和宇宙石，我们却毫无损伤。我们拍摄了神奇的木卫五的照片，这是一颗椭圆形的呈红色的小星球，位于辐射层的深处。还拍摄了五彩缤纷的木卫一和木卫二的线条，以及木卫三的蛛网特征和木卫四的多环状巨大盆地。然后，我们绕过木卫四，飞经木卫十三——已知的离木星最远的卫星。我们继续朝外飞。

第662天。飞船中的磁场探测器表明，我们已离开了木星的辐射层。木星的重力，加速了我们飞船的航行。我们终于飞离木星系，重新邀游在太空之中。

第874天。飞船偏离老人星——用航海术语来说，叫船舵失灵。要在茫茫宇宙之中保持飞船的方向，船舵是至关重要的，否则，我们就会在宇宙大海中迷航。偏离纠正了，飞船偏航的原因，看来是我们的光学传感器错把半人马星座的α和β星当做了老人星。两年以后，我们将到达下一个港口：土星系。

“旅行者”号飞船发回的所有宇宙故事中，使我最感兴趣的是最靠近木星的木卫一上的发现。在发射“旅行者”之前，我们已经觉得木卫一有些奇怪。尽管我们只能分辨出其表面的几幅照片，但是，我们知道，木卫一是红色的，而且红得耀眼，比火星还红，也许是太阳系中最红的星体。有几年时间，它似乎在发生某种变化，表现在其红外线或雷达的反射特征上。我们还知道，在木卫一运行的轨道上，部分围绕着木星有一圈从木卫一遗落的硫、钠和钾的微粒，遗落原因不明。

当飞船接近这巨大的卫星时，我们发现它的表面五光十色，这种奇特景色，在太阳系的其他星球上是没有的。木卫一与小行星区相邻，因此，照理说，它一定始终受到小行星区散落物的冲击而变得伤痕累累。但事实上，我们却看不到这种被撞击的迹象。那么，在木卫一上，一定发生了某种变化过程，十分有效地擦去了撞击的小坑，或是填平了小坑。这种过程不可能是大气层引起的。因为木卫一的引力很小，其大气大部分都扩散到了太空之中。也不可能是水蚀作用引起的。因为木卫一表面温度很低，根本就没有流动着的水。有几处地方像是火山口，但也很难确认。

林达·莫拉比图，“旅行者”号飞行控制组的一名成员，她是负责保持飞船的正确轨道的，她一直命令一架计算机强化木卫一边缘图像，使其后面的恒星显现出来。使她大为惊讶的是，她竟观察到某种物质，在一片黑暗之中，耀眼地从卫星表面喷射出来。不久，她就确定了喷出物的位置正好在一个被推测的火山口上。这样，飞船发现了地球外的第一个活火山。在木卫一上，我们已知有9个大火山，但喷出的是气体和碎石，至于死火山，则恐怕有几百座，甚至有数千座。正是这些火山的碎石，填满了卫星被撞击后形成的洞口。这种新的星球奇观，如若伽利略和惠更斯见了，会怎样地赞叹不已啊！

在此之前，斯坦顿·皮尔及其助手，通过计算木卫一卫星内部物质的升降情况（这种升降活动是由邻近的木卫二，以及巨大的木星本身的引力所引起的），也早就预见到了火山的存在。他们发现，木卫一内部的岩石之所以融化，不是由放射活动，而是由这种升降活动所产生的。他们还发现，木卫一内部的大部分物质可能是液体状态。木卫一内部的硫磺，在表面附近融化集中后，在火山的作用下，形成了液态硫地下海。当固态硫加热到大约115℃时，就会融化，而且会改变颜色。加热的温度越高，颜色就变得越深。假如融化的硫磺迅速冷却，又会恢复它原来的颜色。我们在木卫一上看到的不同颜色，很像火山口喷出的液态硫：火山顶端的硫呈黑色，温度最高；火山附近形成的河流状态硫，呈红色及桔黄色；遍布在平原部分的硫则呈黄色。木卫一表面的形状几个月改变一次。因此，如同地球上作气象预报一样，也得定期发布木卫一的地形图。未来的木卫一探险者，必须注意这种现象。

飞船发现，木卫一的非常稀薄的大气层主要成分是二氧化硫。但是，这稀薄的大气层，其作用却不小，因为木卫一处于木星的辐射带。辐射带充满了带电粒子，有了这大气层，就足可保护木卫一的表面不受损害。每当夜幕降临，木卫一的表面温度就迅速下降，二氧化硫凝固，宛若一片白霜；这时，带电粒子就会乘机而入，危害木卫一的表面。这样，在卫星下过夜很可能是明智的做法。

木卫一上火山喷发时，火山喷柱如此巨大，如此深远，以致它的原子可直接进入木星外的太空中。因而围绕木星的、处于木卫一轨道上的微粒环，其来源可能就是这些火山。这无数的微粒，盘旋着逐渐移向木星方向，覆盖了靠里的木卫五，它之所以呈红色，其原因也可能就在这里。木卫一发出的这些物质，历尽坎坷后，汇入到木星的环形系统也不是不可能的。

人类要登上木星，是极其难以想象的。当然，从技术上讲，我认为让永久性的大气球悬浮在木星的大气层中，在遥远的未来是可能实现的。正如从木卫一或木卫二近测所看到的那样，这颗巨大的、变幻无穷的星球总是飘浮在空中，其位置一成不变。因为太阳系中几乎所有的卫星，都像月亮对地球那样，总是以其一面朝着行星。对木星系的未来探险者来说，木星将始终是一个令人心驰神往的世界。

星际间的气体和尘埃，被太阳系所积聚，大部分其他区域的物质，凡是没有落到太阳上的，都为木星所积聚。如果木星的质量比现在大十几倍，木星的内部物质就会发生热核反应，木星也就会开始发光。宇宙中最大的行星不会发光，实在是一件憾事。尽管如此，其内部温度却非常高，以致它发出的能量比从太阳接收的能量几乎要多2倍。从红外光谱的角度来看，完全可以把木星看做一颗恒星。如果木星成为一颗闪亮的恒星，我们今天就会生活在双星系中，在我们的头顶，将有两个太阳同放光辉，夜景将难得一见了。其实，我相信在整个银河系中，在无数的太阳系中，这本来是司空见惯的现象。毫无疑问，这也是自然而又美妙的。

在木星最下部的云层处，其大气层所产生的压力比地球上任何一处的气压都大得多，以致电子从氢原子中被压了出去，形成一种奇特的物质，液态金属氢——一种在地球上的实验室中从未观察到的物理形态，因为它要有必需的压力，这在地球上从未取得（在适当的温度下，金属氢是一种超导体。假如能在地球上制造出来，将会引起电子学上的一场革命）。在木星的内部，其压力大约是地球表面大气压的300万倍，除了呈黑色的金属氢外，几乎没有别的物质。但是，在木星的核心处，由于巨大压力的作用，却可能如同地球一般，充满岩石和铁矿石，永远埋藏于这颗最大的行星深处。

木星内部的液态金属氢中的电流，可能是该行星巨大磁场的源泉（该磁场是太阳系中最大的），也可能是其附近的电子和质子带的源泉。这些带电粒子，从太阳发出，随太阳风运行，被木星的磁场所俘获并加速。相当部分的带电粒子被俘获在木星的云层之上，从一极飞到另一极，在巧遇高空大气层中的分子且脱离辐射带后，它们才会停止这种穿梭般的来回飞驰。木卫一运行的轨道离木星太近了，从而当它穿过辐射带时，会产生带电粒子流，这反过来又会产生巨大的辐射能（这些粒子流又会影响到木卫一表面的喷发过程）。通过计算木卫一的位置，就可能预测木星辐射能的爆发，这比地球上预报天气还要准确得多。

在射电天文学的早期，即在50年代，人们就偶然发现，木星是一个辐射源。两位年轻的美国人，伯纳德·伯克和肯尼斯·富兰克林，用最新研制的、在当时十分先进的射电望远镜观察星空。他们想要探测太阳系外的宇宙射线源。结果，他们意外地发现了一种巨大的不为人知的射线源，它既不像是一恒星，也不像是星云，或是星群所发出的。而且，参照遥远的恒星，它还在逐渐移动，移动得比任何遥远的物体都快得多。⑿他们无法解释其原因，有一天，他们走出天文台，抬头望天，用肉眼观察，希望碰巧能发现某些有趣的现象。使他们困惑的是，就在他们发现放射源的地方，他们竟看到了一种格外明亮的光点，他们很快就搞清了，那就是木星。这尽管是一次偶然的发现，但在科学史上却是很有代表性的。

在一号飞船掠过木星前，每当夜幕来临，我总是仰望星空，着见木星在对我眨眼。100万年以来，我们的先人对此都深为惊叹。而在飞船掠过木星的那天晚上，当我迈步走向宇航局喷气推进试验室，以便研究飞船发回的资料时，我不由得寻思，木星将再也不是从前的样子了，将再也不是夜空中一个普通的亮点了，从此以后它将成为一个被探索过的已知世界了。在千姿百态、优美壮观的宇宙世界中，木星及其卫星可以说是一种小型太阳系，从中我们可受到不少启迪。

与木星相比，土星则小得多，但在构造等诸方面，它们彼此十分相似。土星自转一周，需要10小时，在赤道附近，也有一圈彩带，只是不如木星的那样明显。它的磁场和辐射带也比木星的弱，但它的光环却要壮观得多。土星的卫星多达十几个。

在士星卫星中，最有趣的要算土卫六了，它是太阳系中最大的卫星，也是惟一富有大气的卫星，在“旅行者1”号于1980年11月飞经土卫六之前，我们对它的认识是十分肤浅的。我们有把握的事情只是知道，在土卫六上存在甲烷，这是最早由柯伊伯发现的。太阳的紫外线把甲烷转变成了比较复杂的碳氢化合物，以及氢气。碳氢化合物，似褐色的有机焦泥一般，覆盖着卫星的表面，这种焦泥有点像地球上生命起源实验中产生的物质。

由于土卫六的引力小，质轻的氢气可能向宇宙中迅速扩散，这种剧烈的扩散过程叫做“气喷”，它同时要带走甲烷，以及大气层中的其他物质。但在实际上，由于土卫六的大气压至少与火星的一样大，因此气喷过程看来并未发生。另外，也许是由于在其大气层中存在某种重要的迄今尚未发现的物质——例如说氮——使得大气中的平均分于重量保持很高，从而防止了气喷的发生。或许，气喷一直在发生，只是扩散到宇宙中的气体由卫星内部释放的气体弥补了。

土卫六大部分密度很低，因此它上面必定有大量的水和各种冰，而且其中还可能含有甲烷，这些甲烷是在卫星内部的较大的热力的作用下，以我们还不知道的速率，释放到卫星表面的。

假如用望远镜观察士卫六，我们就会看到一个勉强能辨认的红盘。有些人还说，在盘的上方，还可看到变化无穷的白云——这些白云，很可能是甲烷晶体形成的。但盘的红颜色又是什么形成的呢？大多数研究人员认为，土卫六的这种颜色很可能是复杂有机分子所致。至于其表面温度，以及大气层的厚度，至今尚无定论。有迹象表明，由于大气层的温室效应，会提高其表面温度。

在土卫六的表面及其大气层中含有极其丰富的有机物分子，因此它是太阳系中一颗绝无仅有、十分突出的星球。

以往的航天发现意味着“旅行者”号飞船以及其他飞船，对土卫六的探测飞行将使我们对它的认识起到革命性的意义深刻的变化。

透过土卫六云层的缺口处，可以看见上星和它的光环，而且在其大气层中处处可见淡黄色的斑点。与地球相比，土星系离太阳要远10倍，因此照射到土卫六上的阳光强度只及地球上的百分之一，尽管其温室效应相当大，它表面温度则可能大大低于水的冰点。但是，由于在它的大气层中含有丰富的有机物，加之也有阳光和可能存在的火山热点，土卫六上存在生命的可能性就不能轻易排除。⒀当然，在那种不寻常的环境下，即使存在生命，也无疑与地球上的生命不大相同。不过，士卫六是否存在生命，目前还缺乏有力的证据。在飞船于土卫六表面着陆前，我们不大可能做出定论。

要确定土星环上的粒子是什么，就必须靠近观察才行，因为这些粒子很小，是一些方圆只有1米左右的雪球和冰块。因为土星环反射阳光的光谱特性与冰反射阳光的光谱特性相似，由此我们知道土星环是由水和冰组成的。为了在宇宙飞船中就近观察这些粒子，我们必须使飞船减速，达到粒子运行的速度。粒子绕土星每小时运行4．5万英里，这就是说，飞船也必须绕土星运行，运行速度也必须与粒子相同。只有这样，我们才能看清单个的粒子。

为什么土星的周围只有光环而没有一颗大卫星呢？这是因为，土星光环中的粒子，离土星越近，其运行速度就越快（根据开普勒第三定律，粒子的“下降”速度也就越快）；另外，内部的粒子可以穿越外部的粒子运行（我们已经知道，“穿越方向”总是向左）。尽管整个粒子层的运行速度每秒约有20公里，但两个相邻粒子的相对运行速度却很低，一分钟大约只移动几厘米。正是这种相对运动，使粒子不会因相互引力而聚合在一起。而一旦相互靠拢时，也会因运行速度不同而相互拉开。假若光环不是离木星这么近，那么，尽管粒子间的运行速度各异，也会聚集在一起，形成小雪球，最终形成卫星。因此，很可能决非巧合，在士星的光环外，还存在一些大小不同的卫星，其直径从几百公里到士卫六那么大，即近于火星，大小不等。其实，所有这些卫星和行星中的物质，都可能来源于光环中的物质，这些物质凝结积聚的结果，形成了今天的行星和卫星。

像木星一样，土星的磁场能俘获和激化太阳风中的带电粒于。当一带电粒子从一个磁极飞向另一磁极时，它必然要经过土星的赤道面。假如它在途中遇到一光环粒子，该小雪球就会吸收质子和电子。从而使两者的辐射带消失，因为辐射带只存在于粒子环的内部或外部。离木星或土星很近的一颗卫星，也能吞食辐射带中的带电粒子。事实上土星的一颗新卫星，正是这样发现的，一颗先前不为人知的卫星吸收了辐射带中的带电粒子，使辐射带产生了空当，从而“先驱11”号飞船也意外地发现了这颗卫星。

太阳风把土星轨道远远地抛在后面，进入太阳系外的空间。当“旅行者”号飞船经过天王星，进入海王星和冥王星轨道时，要不是仪器出了故障，肯定会探测到宇宙间的太阳风。这儿是太阳系的终点，离太阳比冥王星离太阳还要远两三倍，星际间的质子和电子的压力比太阳风在此处产生的压力还大。大约在21世纪中叶，“旅行者”号飞船将穿过太阳风的终点，进入茫茫的宇宙。但不会进入另一太阳系，而是最终进入银河系，并且将在银河系中漫游若干亿年。那时我们已经进入了更加伟大、更加壮观的航行时代。

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 ①惠更斯（1629～1695年），荷兰物理学家、天文学家和数学家，1655年3月，用经过改进的望远镜发现了土卫六，由此闻名于世。1655～1656年发现七星光环。逝世三年后出版了《宇宙论》，书中阐明恒星都是宇宙中的太阳，提出别的行星上也有生物。

②换一种比较方法，我们可以这样说，一粒受精卵从输卵管运动到并殖入子宫的时间同“阿波罗Ⅱ号从地球飞抵月球的时间一样长，而“海盗”号航抵火星的时间则同这粒受精卵发育成婴儿的时间一样长。人类正常的寿命运长于“旅行者”号飞离冥王星的时间。

③葡萄牙航海家麦哲伦的故乡。——校注

④我们甚至还知道他们送给朝廷什么样的礼物。他们呈献给皇后的是“六尊潜水员半身像”，呈献给皇帝的则是“两包肉桂”。

⑤1979年，罗马教皇保罗二世郑重宣布撤销346年前“神圣法庭”对伽利略的判决。

⑥其他人没有伽利略和开普勒提出日心论假说那样的勇气，就连居住在宗教教条不太严格的欧洲其他地方的人也是如此。例如，当时住在荷兰的笛卡尔，在1643年4月的一封信中写道：

“毫无疑问，你已经知道，伽利略最近受到了教堂法庭的谴责，以及他有关地球运行的观点被判定为异端邪说。我必须告诉你，在我的论文中说明的所有观点，包括地球运行的观点，都是如此地相互关联，从而不难看出，一但我的任何一个观点有误，我所用的全部论点便都站不住脚了。我认为，虽然它们是以十分确切可靠的证据为基础的，但我却无论如何不想对抗教庭的权威而去坚持我的观点。……我想安安静静地过日子，并能继续遵循遁世自好的格言，平安地过我已经开始的生活。”

⑦这种考察传统可以说明下述事实，即直到现在，从每人做出的贡献看，荷兰为著名天文学家提供了极大的方便，其中如柯伊伯，在本世纪40和50年代，是世界上惟一专职的行星天体物理学家。当时大多数职业天文学家都认为这个课题至少有点不体面，受了洛韦尔学说的极大影响。荣幸的是，我是柯伊伯的学生。

⑧牛顿称赞惠更斯，并认为他是当时“第一流的数学家”，也是过去和现在都极受推崇的古希腊数学传统的最真诚的继承者。牛顿认为，部分地因为阴影有锐边，因此光运行时看来就像一条微粒流。他认为，红光是由最大的粒子组成的，而紫光则是由最小的粒子组成的。但是，惠更斯则认为，光运行时像是真空中传播的一种波，就像海中的海浪波一样，这就是我们要说光的波长、光的频率的原因。光的许多特性，包括衍射性，都能由波动说加以自然解释，惠更斯的光的波动说后来流行了好多年。但在1905年，爱因斯坦宣布，光的粒子论能够解释光电效应，即金属经光束辐照时的电子发射现象。现代量子力学把上述两种观点结合在一起。今天，通常都把光在某些情况下的运行当粒子束，而在另外一些情况下的运行看做波。这种波—粒子论也许不容易符合我们的一般见解，但却与实验所显示的光运行的真实情况极其一致。这两者的结合显得有点奇妙和令人不解，把牛顿和惠更斯这两位单身汉称为当代我们对光的特性的理解的父母是适宜的。

⑨伽利略早就发现了这些环，但他不知道环为何物组成。从他初期使用的天文望远镜看来，这些环似乎像紧接着土星的两个对称凸块，他不无困惑地说，像两只耳朵。

⑩另外一些人也持有相同的观点。开普勒在《宇宙谐和论》中写道：“第谷的有关论点是，茫茫宇宙并非全是不毛之地，而是住满了居民。”浩瀚的宇宙，竟有如此众多的太阳和地球，这种想法多么诱人、多么奇妙啊……，而且，每一个地球上，都是绿草如茵、森林遍地，动物成群，既有大海，也有高山！而考虑到众多的恒星与其间巨大的距离，我们的惊奇与崇敬又将增大多少倍呀！

⑾这类传说是古代人的传统、其中有许多从探险一开始便带有宇宙的主题。例如：15世纪中国明朝对印度尼西亚、斯里兰卡、印度、阿拉伯和非洲一系列探险就被费信，——参加者之一——在一本进呈御览的图书中描绘为“星槎胜览”。可惜的是，图画都遗失了，但其文字版本还在。

⑿因为光速仍是有限的。详见第八章。

⒀惠更斯在1655年发现了土卫六，他认为：“现在，不管是什么人，只要他观察一下这两个（土星和木星）行星系，并把他们同我们这个小得可怜的地球进行一下比较，那他一定会为这两个行星的广阔疆域和众多高尚的随从（指卫星——译注）而大吃一惊。难道他们现在还会强迫自己认为，睿智的造物主把他所有的动物和植物都安置在地球上，造物主也仅仅刻意装饰和打扮地球这个地方，而让其他的星球（尽管他们也会崇奉祭祀造物主）成为荒无人烟的不毛之地吗？难道他们还会认为．所有这些巨大的星体存在的目的仅为了在空中闪烁星光，仅为了让我们少数几个可怜虫观察研究的吗？”由于土星每30年围绕太阳转一圈，土星及其卫星上的四季远远长于地球上的四季。因此，对于土星卫星上的假设存在的居民，惠更斯写道：“土星卫星的冬季如此漫长，他们的生活方式绝对不可能和我们的十分相同。”