今天，你必须到野外才能看到璀璨的夜空。
从人类伊始，
我们就一直沉醉于夜空的美丽与神秘。
在那里，一切静谧、稳定和安宁。
然而，我们却处在一块巨大的石头上，
围绕着一个轴，
以每小时1500公里的速度旋转，
我们和我们的同伴——月球，
在一条环形轨道上围绕着太阳，
以每小时100000公里的速度行进。
而我们只是一个星系中的一小部分，
外面还有亿万颗恒星。
今天，我们知道宇宙充满惊人的奇迹，
和不可思议的景象。
在历史的长河中，
人类关于外面的世界竟有许多截然不同的看法。
这是一个关于人类如何探索和发现这个神奇与复杂宇宙的故事。

第谷象限仪与星象数据记录

故事开始于17世纪之初的布拉格，
这是科学史上一个关键性时刻。
在这里，对地球的探索被三方重要势力永远地改变了。
有着大胆想法的人，
收集证据的人，
还有准备为一切研究付钱的人。
在神圣罗马君主的宫殿，
鲁道夫二世渴望新想法，渴望关于宇宙的新发现。
因此，他为布拉格带来了世界最伟大的天文学家——丹麦人第谷.布拉赫。
第谷是个傲慢、有权势并且极其聪明的人。
他举止投足间贵族气十足，
并且从小就被收养，
因此，他具有一切外国人的特点。
科学不能没有证据，
第谷则是一位出色的证据收集家。
他建起了自己的天文台，
并配备了最好的天文器材——著名的第谷象限仪。
对那时的天文学家来说，
观察宇宙意味着用肉眼观察夜空，
这是非常艰苦和困难的工作。
第谷用象限仪中间的标杆当瞄准器，
在标杆里面有两条缝，
观察一颗星星可以从标杆这头的缝，
透过标杆另一头顶部的缝瞄准。
接着他记录下角度，
第谷通过这样的方式
用20年时间记录了百万个数据。
这样就形成了一张星象表的基础数据
第谷收集了数量庞大的数据，
更重要的是，
这些数据是有史以来最准确的！
第谷的设备在大量的设备中是最新最先进的，
这些设备和制作设备的人，
在天文学的探索中起了重要作用。
第谷收集的证据在推翻2000多年来被世人公认的理论上只迈出了第一步。

古希腊宇宙模型与安蒂基西拉装置

西方的科学探索始于古希腊，
与其他古文明相同，
希腊人相信地球是宇宙的中心。
这很显然，
因为每天太阳绕着我们升起和落下。
他们提出了一条简单的理论，
来解释宇宙的运动。
太阳、月亮和其他星球在地球周围呈圆形旋转。
对他们来说，
圆是完美神圣的形状。
然而，事实却并非如此简单。
几世纪前的一项偶然的发现，
让我们对希腊的宇宙有了新的理解。
1900年，几个希腊潜水员被迫在一个小岛上避难，
这个岛叫安梯基齐拉岛。
当暴风雨过去，这些潜水员想这是一片我们不熟悉的海域，
我们去看看下面有什么。
他们派了一个人下去，
他发现这次潜水和平常并不一样。
潜水员上来之后，嘴里一直重复着：“海底有赤裸的男人骑着马。”
到底发生了什么？
他是不是病了？
还是海底真的有什么东西？
海底确实有东西！
那是一艘2000年前失事船只，
在船上的货物中有一些惊人的东西——
现在被称为安蒂基西拉装置。
这是一个精美的青铜装置，
由许多转盘和齿轮组成，
1000年之内都不会再有任何装置能够做得如此复杂精致，
它的精确构造和用途成为一个难解之谜。
它有8根针，
最长的一根在外缘，
指出了一年中的一天。
其他的指针分别代表太阳、月亮和其他五个行星在天空中的位置。
它们分别是水星、金星、火星、木星、土星。
这个模型代表了希腊人心中的宇宙，
太阳、月亮和其他行星都以正圆形围绕地球旋转，
而这个模型十分复杂精致。
这个模型最有意思的地方在于它体现了希腊人
在一个棘手的问题上有了一些困惑，
而这个问题，
只在地球是宇宙中心时才会出现——
这些行星相对于其他恒星时不时会停止运动。
一般来说，行星每天都向东运动一点。
但有的时候，所有的行星都会停下来，
甚至向西运动几天，
然后再次停下，继续向东运行，
这个装置甚至体现了这种运动。
行星在天空中反向运动的情况，
意味着希腊人的模型变得更复杂了。
他们并未抛弃以地球为中心的正圆运动，
而是在此基础上加入了新想法—— 40多种新想法。
认为这些行星可能在天空中盘旋！
正圆形的宇宙是人类历史上持续时间最久的观念，
它始于罗马衰落后的阿拉伯世界，
也成为天主教信仰的一部分。
颠覆这一理论，不仅需要准确的证据，
而且需要思维上的彻底转变。
而这种转变，
由历史上的一个伟大运动引发。

黄道十二宫图与开普勒占星

宗教改革运动，
这项运动始于对天主教会的改革，
但最终却将欧洲一分为二。
矛盾激化，有着不同信仰的人们被迫害，
甚至残杀。
宗教真理受到猛烈抨击，
权威受到公众质疑。
随着难民逐渐遍布欧洲，
一个人来到布拉格避难。
天文学家第谷的一名助手——约翰开普勒。
他身材纤弱，视力很差，
一点也不像一位天文学家。
但他却有着非凡的数学天赋，
他十分痴迷几何学以及天空之美。
开普勒是个占星家，
他与占星学的关系意义重大。
众所周知，太阳和月亮的位置，
随着四季变化，昼夜交替而改变，
因此，行星也可能影响人的生活。
要画出黄道十二宫图需要精准的观察与严格的计算，
而这两者对天文学研究而言，也极为重要。
天文学其实是对天空的描绘，
而占星学由于主要关注宇宙事物和人类生活的联系，
可以成为研究天文学的动力。
在鲁道夫和其他君主的宫殿中，
像开普勒这样的占星家对国家的统治起了重要作用。
从很多方面，
他们与我们今天的经济顾问或者法律顾问相似，
他们都是为统治者提供信息和建议的。
鲁道夫等君主相信占星术，
意味着他们愿意资助有关行星和恒星的具体研究。
但对开普勒来说，
占星学并非只是生财之道，还有其他重大意义。
他不认为宇宙事没有生命的，
他不认为行星只是巨大的岩石，
他认为宇宙在一定程度上是神圣的。
在布拉格，各种势力结合到一起，
有对宇宙的痴迷，
有君主的资助，
有第谷采集的证据，
还有开普勒的数学计算，
以及宗教改革带来的思想解放。
这些势力结合起来，
形成了一个新的宇宙模型——
一个把太阳而非地球，
置于宇宙中心的模型。

行星运动轨迹发现

这不是一个新想法，
但一位波兰传教士——尼古拉斯.哥白尼，再次提出了这个观点。
哥白尼被认为是改变人类宇宙观的人，
事实上，他只想简化希腊的宇宙观。
这时，开普勒开始注意到行星的运动，
他认为行星仍以正圆规矩绕着太阳运动。
有了第谷的数据，
他开始从数学上证明自己的想法。
这是繁重冗长的工作，
他花了五年时间，做了上百种计算，
他不断改变行星的运动速度，
不断变换轨道的中心，
但仍然无法与第谷的数据完全吻合。
于是，他踏出了极端的一步，
他放弃了神圣完美的正圆，
开始尝试另另一种形状——椭圆。
成功了！
数据完全吻合了！
开普勒发现了行星运动的真正轨迹，
1609年，他发表了论著。
原有的宇宙模型本应被颠覆，
然而，什么都被发生。
发现正确的轨迹并不足够！
要推翻一个2000年以来的信念，
还需要更强有力的东西，
天文学必须被大众所接受。

望远镜与伽利略“日心说”

对外面世界的探索，来到了阿尔卑斯山南边。
文艺复兴时期的意大利，
充满了对金钱和新鲜事物的渴望。
对于一个有理想有天赋的人，这是最好的地方。
这个人就是伽利略.加利莱。
伽利略正在寻找生财之路，
在他40岁的时候，这位有3个私生子的数学家机会有限。
但他渴望成功，
1609年，他的机会来了。
他得知一种新技术能将远处的物体拉近。
如果他能复制并改进这种工具，他或许能赚些钱。
但他的动作必须要快，
他列了一个采购清单，
里面有几块平的玻璃和火炮球。
虽然听起来奇怪，但火炮球提供了关键的线索。
那时的威尼斯是世界玻璃之都，
伽利略想采购的是能够做成聚光镜的玻璃片。
他在制造我们后来众所周知的—— 望远镜！
他把望远镜视为改变人生的机会，
他准备把它献给威尼斯的君主，
希望能够得到一些上次。
但首先，他需要玻璃！
威尼斯玻璃之乡在幕拉诺岛上，
伽利略有充分的理由在这里买到他想要的玻璃。
慕拉诺的玻璃与其他玻璃的不同在于它比当时其他地方的玻璃更为清晰，
并且带有淡淡的绿色。
要做出望远镜的镜片，首先要有平的玻璃片。
现在，要大批生产平玻璃并不难，
但400年前，这并非那么容易。
首先，要吹一个玻璃泡，
然后把玻璃泡放在一块平板上，滚成一个圆柱形。
有了热的玻璃柱体，还需要把它剪开，
然后再加热到700摄氏度左右，
它就会平摊开来，这样就有了一块平的玻璃。
找到玻璃只是第一步，
伽利略必须想办法将原材料变成适合望远镜的聚光片。
在威尼斯另一头，
有一个世界著名的聚光镜工匠。
他拿到了伽利略的玻璃片，用火炮球的凸面进行打磨，
这种打磨方式对原材料的损耗较少，
但能打磨出更清晰的表面，
他们并成功打磨出凹面镜。
通过制作自己的聚光镜，
伽利略将知识于逻辑同技术实践结合起来，
这是西方科学发展的重大趋势。
伽利略并非镜面专家，
要做出放大倍数更大的镜片，
他只能不断地试验镜面的弧度。
每100个里，只有一两个令他满意，
经过反复的试验制作，
伽利略终于做出了最棒的聚光镜！
他把镜片组装成一个望远镜，
然后拿到最高的钟塔上，望向大海，
透过它能看清50公里外的船，
放大了10倍出现在眼前。
这给威尼斯的君主留下了深刻的印象，
他把伽利略的薪水提高了一倍，
伽利略似乎一夜致富。
直到伽利略将望远镜指向了天空。
从指向大海变成指向星空，
伽利略的望远镜发现了新的证据 ——
支持太阳中心论的新证据。
他用一头是凹面镜，另一头是凸面镜的设备，
观察到前人所没见过的夜空。
他每晚观察月球表面的不同形态，
并用漂亮的素描记录下来。
然而太阳系中最大的行星给我们带来了新证据，
当伽利略望向木星的时候，
他看到了有别的物体盘旋在木星周围，
一开始他很困惑。
几天后，他再次观察木星，
他发现这些物体的位置有所改变，
和他在几天前记下的位置有所不同了。
这是历史性的时刻！
没人看到过木星周围的这些发光物体，
这是它的卫星。
这并非日心说的确凿证据，
但却有助于推翻地心说。
这些卫星围绕着地球以外的行星运动！
伽利略的新发现很快传遍了欧洲，
真正的麻烦却刚开始，
因为天主教会注意到了他！
1632年，伽利略迈出了毁掉他一生的一步，
他把自己对宇宙的本质想法出版成书，
书名叫做《关于两种世界体系的对话》。
《对话》是一部伟大的作品，
这本书对天主教的最大威胁是他写给了广大百姓。
它简明易懂，没有数学公式，
而且语言十分生动。
书中呈现了天文学界的一系列探讨，
一方赞成地球静止不动，并且是宇宙的中心；
另一方却支持日心说。
书中分别对两方面展开了讨论，
但伽利略明显更支持太阳是整个太阳系的中心。
这对教会来说是巨大的挑战，
伽利略似乎在质疑圣经的权威性。
伽利略说，圣经是上帝创造的书；
自然也是一本上帝创造的书，
两者同源，且具有相同的权威性。
伽利略在暗示，科学的结论与教会的教义一样正确。
他的理论有些过火了，
他被召到罗马受审，在严刑拷打下，
他不得不宣布放弃自己的观点。
《对话》成为了禁书，
并在此后的200多年都不再面世。
伽利略被软禁在佛罗伦萨外的别墅，
但并没有阻止他的学说传播。
不出一代人，欧洲的知识分子普遍接受了他的学说，
认为太阳而非地球，才是太阳系的中心。
这一切正是因为文艺复兴时期各国君主的资助，
还有一大批知识分子第谷.布拉赫，约翰尼斯.开普勒，伽利略，
还有技术的革新，
望远镜记下的原始数据，
以及印刷业对新知识传播的促进。
关于宇宙的故事从此发生了改变！

海上贸易与牛顿地心引力

在欧洲的另些地方，
还有一股力量推动着天文学研究 —— 贸易。
随着新贸易路径的开辟，
各国争相成为贸易浪潮的主宰，
而争斗中，天文学证据意义重大。
在公海上安全航行的唯一办法就是观察星象。
随着航程变长，更加危险。
航海家需要更新的技术，
和更好的天文学仪器。
但仅有仪器还不够，
要安全航行水手们还需要更清楚地了解星星的分布。
星图绘制得越好，
水手就能掌握越准确的方向。
因此，他们必须推动天文学家画出更多的图表。
图表越精确，对航行更安全。
为了确保船队获得足够的数据，
统治者出钱赞助制造更新更好的望远镜。
因此，在绘制行星图的过程中，
所有的星球也被绘制成表。
今天，天空中所有星星的计算都精确到了秒，
现在57个星星的位置获得记录，
每天、每时、每分、每秒、全年不间断。
为了促进航海贸易而获得的新知识，
也进一步推动了科学界对外面世界的探索。
贸易带来的货物中，有一种是咖啡。
咖啡店在伦敦迅速涌现，
贸易商、船长和有钱人聚在这里讨论生意，谈天说地。
在讨论中，
他们谈到最新的天文学问题，
是什么把宇宙联系在一起的？
1684年，人们开始围绕这个问题堵上2英镑—— 一周工资。
其中一个面对挑战的是爱蒙德.哈雷，
因发现哈雷彗星而闻名。
他赌的是行星的椭圆轨迹和行星维持轨迹运动的数学证明。
急切想找到答案的哈雷开始寻求帮助，
他找到了一个炼金术士，
一个有着几乎异端观点的人 —— 艾萨克.牛顿。
牛顿是科学史上的巨人，
哈雷拜访之前，他就已经在数学和光学方面有了开创性的建树。
但有关牛顿最为人所知的是“苹果的故事”，
所有人都知道，
牛顿在看到苹果落下时发现了地心引力。
牛顿坐在自家的果园里，
突然灵光涌现，
他问为什么苹果只往下掉，却不往上或者往旁边掉呢？
这个故事或许是牛顿自己编的，
为了让人觉得只有他注意到了这点。
但事实上是，哈雷来了之后，
牛顿确实开始了对引力的思考。
此后的3年，受到哈雷敦促的牛顿，
发展出自己的一套理论。
他过于专注以致吃不下饭，睡不着觉。
关于引力的理论逐渐成形，
他开始把理论运用到天体运动的研究中。
他想象在一座高于大气层的大山上，
架起一门加农炮，
如果炮球发射的速度较慢，
地球引力会把球吸引到地球表面；
但如果发射的速度很快，
炮球就有可能消失在宇宙中；
而如果找到适合的发射速度，
炮球就会像月球一样永远绕着地球运动。
他在1687年发表了相关著作，
说明万有引力如何将宇宙整体联系起来，
书名叫做《基本原理》。
书中阐述了宇宙的基本原理，
新的宇宙观第一次得到了解释。
在第谷的数据、开普勒的椭圆轨迹、以及伽利略的发现之上，
牛顿对行星为什么运动进行了解释。
牛顿的普遍原理影响到天文学以外的领域，
他成为了想通过理性建设乌托邦的革命分子心中的英雄。
在美国，一些政治家在政治建设中受到了牛顿的启发，
在宗教界这个有序的宇宙观证明了一个万能上帝的存在。

哈勃望远镜与宇宙新星系的发现

在天文学中，也有了一种新模型—— 机械式宇宙观：
一个由几条简单定律支配的宇宙，
这种观点又维持了200年。
关于宇宙的讨论总离不开金钱，
20世纪初，这个问题穿越大西洋，
来到了加利福尼亚油潮中心。
石油和铁路新贵们和早期文艺复兴君主们一样，
开始支持新一次宇宙观的转变。
一名叫约翰.胡克的人因此发了大财，
他被说服投资45000美金制作一个世界最大的望远镜。
望远镜置于威尔逊山上，离洛杉矶不远。
望远镜花了10年才建成，重达100吨，
浮在一个水银机床上，以抵消地球旋转造成的误差。
这台巨大的望远镜的背后，
还有一个同样重于生命的伟人—— 埃德文.哈勃。
他是一个古怪的天文学天才，
在牛津大学学习之后，他带着一口上流口音穿着马靴回到家乡。
哈勃对银河系外的宇宙充满兴趣，
当时银河系是宇宙中为人所知的唯一一个星系，
他的兴趣将人类的宇宙观扩大到了前所未有的范围。
光靠人眼观察是发现不了一些重要细节的，
因此他们用天文望远镜进行拍摄。
1923年10月6日，
哈勃拍下了一张著名的照片，
这是天文学界有史以来最重要的照片之一。
这是一张仙女座星云的照片，
它是夜空中的一片旋涡云，
然而这样大小的望远镜拍下了一个特殊的细节，
在照片的右上角哈勃标注着VAR，
也就是变星的意思，还加上了感叹号。
这是一个重大的发现，
变星云的脉动可以用来计算它和地球间的距离，
而计算的结果令人惊讶。
哈勃发现这团星云竟然在银河系之外，
这完全颠覆了我们对银河系唯一性的认识。
这个星云实际上正是另一个星系！
我们不再是宇宙中的唯一，
我们只是一个星系中的一颗行星，
外面还有亿万个星系。
我们的种族，我们的世界，
还有我们的思想在宇宙中无法紧要。
但这只是开始，
哈勃和他的同事继续探索夜空，
他们计算着各个星系，靠近或远离我们的速度。
绝大部分星系都在以相当的速度远离我们，
这意味着宇宙在膨胀。

我们的宇宙有了一个起源，
130亿年前，
也就是我们所知的宇宙大爆炸。
当时，哈勃对宇宙庞大性的发现并未受到想象中的瞩目。
但他却高高耸立在地球上，
那是哈勃天文望远镜，
伽利略造出第一个望远镜后400年，
哈勃望远镜正是我们现在用以探索外面世界的工具。
它能跨越宇宙中几十亿光年，
看到那宇宙开始时的一切！
我们对外面世界的探索受到强大力量和信念的影响，
有希腊人对正圆的痴迷，
有文艺复兴时执政者的支持，
还有宗教界的巨变。
而最重要的时两种人才的合作，
制造仪器的工匠和伟大的思想家。
我们的探索还在继续，
先进的科学技术为我们更深入地探索宇宙提供了有力的支持。
宇宙之外的世界是什么样的？
看得越远，就会产生更多的疑问，
也会发现更多的神奇之处。
气体和尘埃形成星云，
巨大黑洞的存在，形成宇宙的黑色能量。
这些想法对我们来说不可思议，
正如地球绕着太阳转对我们的祖先来说不可思议一样。
但2000年来对宇宙的探索，
改变了我们的思维，
不论结论看起来多么奇怪，
在一步步的探索中，我们了解的不仅仅是宇宙，更是我们所在的地球。