简明天文通识

写给学生 VII
*部分 天 空
1 此时此地 003
1-1 我们位于什么地方？ 003
1-2 现在是什么时间？ 008
1-3 为什么要学习天文学？ 009
我们是如何知道的？1-1 科学方法 010
我们是什么？1 参与者 010
2 天空说明书 011
2-1 恒星 012
数字推理2-1 星等 016
2-2 天空及其运动 017
概念艺术2A 周围的天空 018
我们是如何知道的？2-1 科学模型 020
我们是什么？2 踏上旅程 021
3 太阳和月球的周期 022
3-1 太阳的周期 023
3-2 天文现象对地球气候的影响 025
概念艺术3A 四季循环 026
我们是如何知道的？3-1 伪科学 028
3-3 不断变化的月球 030
我们是如何知道的？3-2 证据是科学的基础 030
我们是如何知道的？3-3 科学论证 031
概念艺术3B 月相 034
数字推理3-1 小角度公式 036
我们是什么？3 记分员 041
4 现代天文学的起源 042
4-1 古典天文学 043
4-2 哥白尼革命 044
概念艺术4A 古代的宇宙模型 046
4-3 行星的运动 049
我们是如何知道的？4-1 科学革命 050
我们是如何知道的？4-2 假说、理论与定律 054
4-4 伽利略·伽利雷 056
4-5 艾萨克·牛顿和轨道运动 059
我们是如何知道的？4-3 因与果 062
数字推理4-1 环绕速度 063
概念艺术4B 轨道 064
我们是如何知道的？4-4 通过预测来验证假说 068
我们是什么？4 思考者 068
5 光与望远镜 069
5-1 辐射：来自太空的信息 070
5-2 望远镜 072
我们是如何知道的？5-1 分辨率和精度 077
数字推理5-1 望远镜的能力 078
5-3 地球上的天文台：光学天文台和射电天文台 078
概念艺术5A 现代光学望远镜 080
5-4 机载天文台和空间天文台 084
5-5 天文仪器和技术 087
我们是什么？5 好奇心 092
第二部分 恒 星
6 原子与光谱 095
6-1 原子 096
我们是如何知道的？6-1 量子力学 098
6-2 光与物质的相互作用 099
数字推理6-1 黑体辐射 102
6-3 认识光谱 102
概念艺术6A 原子光谱 104
数字推理6-2 多普勒公式 107
我们是什么？6 观星者 108
7 太 阳 109
7-1 太阳大气 110
7-2 太阳活动 116
概念艺术7A 太阳黑子和太阳磁周 118
我们是如何知道的？7-1 确认和统一 122
7-3 太阳核聚变 123
概念艺术7B 太阳活动和日地关联 124
数字推理7-1 氢聚变 127
我们是如何知道的？7-2 科学信念 130
我们是什么？7 阳光 130
8 恒星家族 131
8-1 恒星的距离 132
数字推理8-1 视差和距离 133
8-2 视亮度、内禀亮度和光度 134
数字推理8-2 *星等和距离 135
8-3 恒星光谱 136
8-4 恒星的大小 140
数字推理8-3 光度、半径和温度 141
8-5 恒星的质量—双星 145
数字推理8-4 双星的质量 146
我们是如何知道的？8-1 推理链 147
8-6 恒星普查 151
概念艺术8A 恒星家族 152
我们是如何知道的？8-2 基本科学数据 154
数字推理8-5 质光关系 156
我们是什么？8 中等生物 156
9 恒星的形成和结构 157
9-1 星际介质 158
9-2 在星际介质中产生恒星 161
概念艺术9A 三种星云 162
我们是如何知道的？9-1 区分事实与假说 167
概念艺术9B 猎户星云中恒星的形成 168
9-3 初期恒星体和原恒星盘 170
概念艺术9C 观测初期恒星体和原恒星盘 172
9-4 恒星结构与核聚变 175
9-5 主序星 178
我们是如何知道的？9-2 数学模型 179
数字推理9-1 恒星的预期寿命 181
我们是什么？9 解释者 181
10 恒星的死亡 182
10-1 巨星 183
我们是如何知道的？10-1 寻找终极原因 186
10-2 下主序恒星 188
概念艺术10A 星团和恒星演化 190
概念艺术10B 行星状星云和白矮星的形成 194
10-3 双星系统的演变 196
10-4 大质量恒星的死亡 199
我们是什么？10 星尘 206
11 中子星和黑洞 207
11-1 中子星 208
概念艺术11A 脉冲星的灯塔模型 212
我们是如何知道的？11-1 假说、理论和证据 218
11-2 黑洞 219
我们是如何知道的？11-2 针对科学欺诈行为
进行审核 223
11-3 致密天体的吸积盘和喷流 225
我们是什么？11 平平无奇 227
第三部分 星 系
12 银河系 231
12-1 银河系的发现 232
我们是如何知道的？12-1 定标 236
12-2 银河系的结构 237
12-3 旋臂和恒星的形成 241
我们是如何知道的？12-2 自然过程 246
12-4 星系核 246
12-5 银河系的起源和历史 247
概念艺术12A 人马座A* 248
我们是什么？12 银河系之子 255
13 星系：正常星系和活动星系 256
13-1 星系家族 257
我们是如何知道的？13-1 科学分类 258
13-2 测量星系的特性 259
概念艺术13A 星系分类 260
数字推理13-1 哈勃定律 263
13-3 星系的演化 267
概念艺术13B 相互作用的星系 268
13-4 活动星系核和类星体 272
我们是如何知道的？13-2 统计证据 273
概念艺术13C 星系喷流和射电瓣 274
13-5 星系盘、喷流、爆发和星系演化 277
我们是什么？13 改变
282
14 现代宇宙学 283
14-1 介绍宇宙 284
我们是如何知道的？14-1 通过类比进行推理 286
14-2 大爆炸理论 288
数字推理14-1 宇宙的年龄 288
我们是如何知道的？14-1 科学：知识的体系 295
14-3 空间与时间，物质与引力 295
概念艺术14A 时空的本质 298
14-4 21世纪的宇宙学 302
我们是如何知道的？14-2 愿望不会成真 304
我们是什么？ 14 产物 310
第四部分 太阳系
15 太阳系的起源与太阳系外行星 313
15-1 伟大的起源链 314
我们是如何知道的？15-1
两类假说：灾难说与演化说 315
15-2 太阳系调查 316
概念艺术15A 类地行星与类木行星 318
我们是如何知道的？15-2
从证据和假设出发重构过去 321
15-3 行星构建的来龙去脉 323
15-4 环绕其他恒星的行星 329
我们是什么？ 15 行星漫步者 335
16 地球和月球：比较行星学的基础 336
16-1 类地行星旅行指南 337
我们是如何知道的？16-1
理解行星：跟随能量的脚步 339
16-2 地球 340
概念艺术16A 活跃的地球 342
我们是如何知道的？16-2
科学家：彬彬有礼的怀疑论者 345
16-3 月球 348
概念艺术16B 陨击作用 350
我们是什么？ 16 想象工程师 355
17 水星、金星和火星 356
17-1 水星 357
我们是如何知道的？ 17-1
假说与理论将细节统一到一起 359
17-2 金星 360
概念艺术17A 火山 364
17-3 火星 366
我们是如何知道的？17-2
现在是通往过去的钥匙 374
概念艺术17B 好的行星是如何变糟的 376
我们是什么？ 17 舒适的地球人 378
18 外太阳系 379
18-1 外太阳系旅行指南 380
18-2 木星 381
概念艺术18A 木星的大气 384
18-3 土星 389
我们是如何知道的？18-1 资助基础研究 391
概念艺术18B 土星的冰环 394
18-4 天王星 396
18-5 海王星 398
概念艺术18C 天王星和海王星的环 400
18-6 冥王星与柯伊伯带 404
我们是什么？ 18 困境 407
19 陨星、小行星和彗星 408
19-1 流星体、流星和陨星 409
我们是如何知道的？19-1 选择效应 411
19-2 小行星 413
概念艺术19A 观测小行星 414
19-3 彗星 418
概念艺术19B 观测彗星 422
19-4 小行星和彗星引起的撞击 424
我们是什么？19 靶子 427
第五部分 生命
20 太空生物学：地外生命 431
20-1 生命的本质 432
我们是如何知道的？20-1 科学解释的本质 433
概念艺术20A DNA：生命密码 434
20-2 宇宙中的生命 436
20-3 宇宙中的智慧生命 444
我们是如何知道的？20-2 不明飞行物和外星人 444
我们是什么？ 20 物质与精神 448

后 记 449
附录A—单位与天文学数据 451
附录B—观察天空 458
术语参考释义 461

作者寄语

很高兴你选择了这本书来学习天文学。你会读到不少令人惊叹的内容，比如土星冰环和巨型黑洞。我们很荣幸能够引领你探索天文学的奥秘。
我们编写这本书是希望帮助你进一步了解天文学知识，从观察夜空中的星星和月亮，到深入理解宇宙的广袤、力量和多样性。你会面对一些奇妙的星球，比如会下甲烷雨的行星、密度大到原子都无法存在的恒星、互相碰撞且彼此撕裂的星系，以及这个加速膨胀的宇宙。

两个目标
我们希望这本书能帮助你回答两个重要的问题：

我们是什么？
我们是如何知道的？

“我们是什么”这个问题具体指“我们怎样融入宇宙及其演化史”。构成你身体的原子*初诞生于宇宙起源的大爆炸，又在恒星内部发生各种变化和重塑，现在进入你的身体中。它们亿万年后又会位于何处？天文学是*能告诉你答案的学科，所有人都应该了解这个过程。
“我们是如何知道的”这个问题具体指“科学研究是怎样进行的”。有何证据？你怎么知道这是真的？例如，人们怎么知道曾经发生过宇宙大爆炸？在如今这个时代，你需要谨慎思考所谓的专家意见，要求对方做出解释。科学家基于证据求知，这决定了科学知识要比观点、政策、市场营销和公共关系更加强大有力。这是人类对于大自然的*理解方式。为了理解周围的世界，你需要首先理解科学研究是怎样进行的。
“我们是如何知道的？”和“科学实践”这两个专栏贯穿全书，帮助你理解科学家们怎样应用科学方法认识宇宙。

期待惊喜
天文学的一大魅力在于天文学家每天都有新的发现。天文学家随时期待惊喜。你也可以一起分享这些振奋人心的发现，本书尽可能纳入*图片和*发现、*观点，引领你在入门课程中走向人类知识体系的*前沿。太空中和远山上的望远镜每天都为我们带来惊喜，它们要比所谓的轰动新闻强多了。天文学中这些新发现之所以令人振奋，是因为这些发现与我们息息相关，令我们越来越了解我们自己是什么。
在阅读过程中，你会发现这本书不会罗列出一大堆事实让你记住，即使天文学家也会对此感到枯燥。这本书会告诉你，科学家怎样应用各种证据和理论进行逻辑严密的论证，令你认识到大自然是怎样运作的。一旦你认识到科学研究其实就是逻辑严密的论证，你就抓住了洞悉宇宙的钥匙。

不要妄自菲薄
作为教师，我们的要求很简单。我们希望你能理解自己在宇宙中的位置—不仅仅是你的空间位置，也包括你在自然宇宙不断展开的历史长卷中所处的位置。我们不仅希望你知道自己身处哪里、在宇宙中是什么，也希望你了解科学家是怎么知道这些事情的。我们希望你读完这本书之后，不仅认识到宇宙的宏大，也认识到宇宙可以用有限的几条法则来描述，而我们人类已经找到了领悟宇宙法则的方法—科学研究。
要领会你在这个美丽的宇宙中所扮演的角色，仅仅了解一些天文学知识是不够的，你还需要努力理解我们是什么，以及我们是如何知道的。本书的每一页都体现了这一理念。

为什么要学习天文学？

探索宇宙可以帮助你回答两个基础问题：我们是什么？我们是如何知道的？
“我们是什么？”这个问题是本书*个系统化的主题。天文学对你来说非常重要，因为这门学科会告诉你，你是什么。请注意，这个问题问的并不是“我们是谁？”如果你想知道我们是谁，也许你应该与心理学家、社会学家、神学家、古生物学家、艺术家或诗人谈谈。“我们是什么？” 本质上是一个完全不同的问题。
在学习天文学的过程中，你会认识到自己怎样融入宇宙的历史。你会了解到自己体内的原子*初诞生于宇宙起源的大爆炸中。这些原子在恒星诞生的过程中经过重塑，如今，许多亿年之后，它们位于你体内。再过100 亿年，它们会在什么地方？所有人都应该了解这个过程，而天文学是*一门能告诉你答案的课程。
本书中每一章*后都有个简短的专栏“我们是什么？”，来总结概括这一章中的天文学内容与你在宇宙历史中的角色有何关联。
“我们是如何知道的？”这个问题是本书第二个系统化的主题。面对任何领域中所谓专家给出的结论，你都应该向自己提出这个问题。你是否会轻易相信电视明星推荐的膳食补充品？你是否会为针对气候危机提出警告的候选人投票？为了理解你周围的世界，为你自己、你的家庭和你的国家做出明智的决定，你需要了解科学研究是怎样进行的。
你可以将天文学视为科学领域的案例分析。一些简短的专栏“我们是如何知道的？”和“科学实践”贯穿全书。这些专栏将帮助你认识到，不仅要思考我们已经知道什么，也要思考我们是如何知道的。为了实现这一目的，专栏中将阐述多种科学思考过程和步骤，以帮助你理解科学家怎样认识自然世界。
在过去四个世纪中，科学家们发展出一种理解大自然的方法，他们将假说与证据进行比较，这个过程称为科学方法（我们是如何知道的？ 1–1）。你在后续章节中读到关于恒星爆炸、星系碰撞和太阳系外行星的内容时，会看到天文学家不断应用科学研究的方法。宇宙非常宏大，但可以通过少数几条法则来描述，而我们人类能够。应用名为科学的方法找到这些法则。参见我们是什么？

我们是如何知道的
科学家怎样认识大自然？你上学时很可能已经多次听闻科学方法，在这个过程中，科学家提出假说，并使用实验和观测中得到的证据来验证假说。这是对科学家精细复杂的实际工作的极简化描述。科学家们始终都在应用科学方法，这是一种极为重要的方法，但他们这样做的时候很少刻意去想这一点，就像你骑自行车时很少会仔细想自己正在做什么。这是一种根深蒂固的思考和认识大自然的方式，对于*经常使用这种方法的人来说，这几乎是理所当然的做法。
科学家试着提出假说，来解释大自然是怎样运行的。如果一项假说与实验或观测得到的证据矛盾，就必须修改或放弃它。如果一项假说得到了证实，仍必须进一步验证。这是科学方法的常规做法，通过实验验证或完善理念，以更好地描述大自然是怎样运作的。
例如，格雷戈尔·孟德尔（1822—1884）是一名热爱植物的奥地利修道士。他提出一个假说，植物子代继承亲代的遗传性状时，是以独立的遗传单元遵循严格的数学规律而发生的，而不是像当时大多数科学家相信的那样直接混合到一起。孟德尔培育并试验了超过28 000 株豌豆，标记出哪些结出圆粒豌豆，哪些则是皱粒豌豆，以及后代怎样继承这种性状（参见图UN 1 - 1）。针对豌豆进行的研究证实了他的假说，进一步发展出一系列遗传法则。虽然孟德尔在世时，这些工作的重要性未能得到承认，但如今他被誉为“现代遗传学之父”。
科学方法不是简单机械地把事实硬套进理论中；一名科学家需要同时拥有洞察力和创造力，才能提出优秀的假说并加以验证。科学家们下意识地就会应用科学方法，在讨论新的理念时，每时每刻都在不断提出、验证、修改和放弃大把的假说，而换个场合他们又会花费数年时间专门去研究一项很有希望的假说。
事实上，科学方法是把多种方法组合起来，包括分析信息、寻找关联、创造新的理念，以便认识和理解大自然。后续各章中“我们是如何知道的？”专栏会为你介绍一些技巧。