《COSMOS宇宙》读书笔记
作者：〔美〕卡尔·萨根
译者：虞北冥
出版发行：上海科学技术文献出版社
出版日期：2021年6月
我们不该问鸟儿为什么歌唱，因为那是它们与生俱来的欢快天性。同理，我们不该问为什么人类要费尽心思探寻天空的奥秘……自然的参差多态之美，天空无穷无尽的奥妙，都是为了使人类的大脑永远不会缺少新鲜的营养。
——约翰内斯·开普勒，《宇宙的奥秘》
1、我们的宇宙
- 如果我们生活在一个什么都不会改变的星球上，那就没多少事情可做。少了需要解决的新问题，科学会失去发展动力。
- 如果我们生活在一个无法预测的世界里，所见的一切都在以完全随机，或者太过复杂的方式变化，抓不住事物背后的规律，科学同样会停滞不前。
- 但我们生活的宇宙介于两者之间。这里没有一成不变之事，万物的变化又有迹可循。抛向天空的棍子总会落下，西沉的太阳第二天黎明总在东方升起。我们可以从这些叫作自然规律的东西里窥出些门道，进而发展科学，再用科学来改善生活。
2、星空
人类擅长理解世界，向来如此。我们之所以能够狩猎或者生火，都是因为找对了方法。人类诞生以来的大部分时间，都没有电视、电影、广播或者书籍的陪伴。我们会在没有月亮的夜晚，坐在篝火余烬前仰望星空。
星空很有趣，它布满了图案。你不用费多大劲就能想象出不同的画面。人们把期望和害怕的东西都投射进了星空。
和太阳、月亮一样，群星也东升西落，用一整晚的时间横贯天空。虽然季节不同，星座不同，但无论在哪年的初秋，你看到的星座总是这几个，绝不会有新的星座突然从东方升起。群星代表了一种秩序，一种可预测性，一种永恒。从某些角度来看，它们抚慰人心。
有些星辰会在日落后不久出现，有些则黎明前升起。它们的位置随季节的变化而变化。如果花几年时间兢兢业业地记录它们，就能准确地判断出当下时节。当然，记录太阳每天在地平线上升降的位置也有同样的效果。天空就像宏伟的日历，任何有能力、愿意为之付出时间的人都能看懂。
世界各地的人都能看到月亮的阴晴圆缺；日食后太阳复又出现；每一天，太阳都会沉入地下，又在苦寒的夜晚过去后一定升起：从这些现象里，我们的先人读出了复活永生的意味。天空象征着不朽。
3、约翰内斯·开普勒
伟大的占星师兼天文学家约翰内斯·开普勒1571年生于德国。少年时被送往毛尔布隆乡下的新教神学院去接受神职人员教育。
除了神学，开普勒还学习了希腊语、拉丁语、乐律和数学。在接受欧式几何学教育的过程中，他相信自己瞥见了充满光辉的完美宇宙图景。
1589年，开普勒离开毛尔布隆去图宾根大学继续进修。毕业后，开普勒被奥地利格拉茨一所中学聘去教数学，后来准备从事天文观察和气象历表制作工作，同一时间他还研究了占星术。“上帝为每种动物都提供了食物来源。”他写道，“而对天文学家，他提供了占星术。”
开普勒认为行星之所以只有6颗（当时的观察只发现水、金、火、木、土以及地球），是因为毕达哥拉斯正多面体只有5种。通过这些多面体的相切嵌套，就能算出它们和太阳之间的距离。这些完美的几何体让开普勒相信他已经找到了六大行星间看不见、摸不着的支撑结构。他把这发现叫作“宇宙之谜”。他认为，毕达哥拉斯多面体和行星位置的联系，只有一个解释：它们出自上帝这个几何学家之手。
1598年，开普勒受到邀请，前往布拉格与金鼻子第谷共事。第谷是那个年代最天才的观测者，而开普勒是最棒的理论家。他们都知道光凭自己单打独斗是没法把准确完整的宇宙体系建立起来的，但又都迫切地想这么做。
第谷死后，开普勒晋升为宫廷数学家，他设法从第谷顽固的家人手里拿到了观测资料。然而第谷的资料并不比哥白尼的好多少，他还是无法证明“五个正多面体构成六行星轨道”的假说。
第谷曾经让开普勒注意火星，因为它的运行最不规则（相对于背景星座做逆行环形运动），很难放进正圆形的轨道。
经过三年的计算，开普勒从第谷的资料中终于推算出了火星的圆形轨道（误差不超过2角分），但与新的观察数据核对却差了8角分。
假想的正圆形轨道和真正轨道之间有误差，让开普勒惶恐不安。
冷静下来以后，开普勒终于承认他对正圆形的迷恋只是错觉。正如哥白尼所言，地球不过是一颗行星，根本不完美，又怎么能要求它们的轨道完美无瑕呢？
开普勒不断计算，他尝试了各种各样的卵形曲线，还在计算上犯过错（这导致他一开始拒绝了正确的答案），直到几个月以后，他在绝望中尝试了一个椭圆形公式，发现它和第谷的观测数据非常吻合。“我曾经拒绝了自然的真相，它却从后门偷偷溜了回来……我得多愚蠢，才能干出这种事！”
4、三大定律
- 开普勒的行星运动第一定律：
行星沿椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点上。
通过研究火星，开普勒意识到行星的轨道并不是正圆形，而是椭圆。其他行星的轨道拉伸程度远不如火星，所以假如第谷让开普勒关注金星，那他可能永远也发现不了真相。在这样的轨道系统里，太阳并不处于中心，而是偏移到了椭圆的一个焦点上。当行星接近太阳时，它会加速，远离时减速。这就是为什么行星永远在朝着太阳飞行，却始终不会撞上去。 - 开普勒第二定律：
行星在相同时间内扫出的面积相同。 - 开普勒第三定律：
行星周期（即它们绕轨一圈的时间）的平方，与它们和太阳的平均距离的立方成正比。
其中P表示行星绕太阳公转的周期（以年为单位），
而a是行星到太阳的距离（它的度量衡是“天文单位”），
木星距离太阳五个天文单位，那么。哪个数字的平方是125？嗯，11比较接近。没错，11年就是木星绕太阳一圈的时间。
类似的论证适用于所有的行星、小行星和彗星。
开普勒第三定律或“和谐定律”显示，行星的轨道和它们绕行太阳的周期存在精准的对应关系。这些规律同样适用于他死后才被人们发现的天王星、海王星和冥王星。
开普勒的墓志铭是他自己所写：“我昔日测量天空，而今测量幽冥。天空心之所向，大地身之所往。”
