克萊因瓶是一個(gè)不可定向的二維緊流形，而球面或輪胎面是可 克萊因瓶 克萊因瓶 定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶，有一點(diǎn)似乎令人困惑－－克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的，換句話說，瓶頸上的某些點(diǎn)和瓶壁上的某些點(diǎn)占據(jù)了三維空間中的同一個(gè)位置。我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解：克萊因瓶是一個(gè)在四維空間中才可能真正表現(xiàn)出來的曲面。如果我們一定要把它表現(xiàn)在我們生活的三維空間中，我們只好將就點(diǎn)，把它表現(xiàn)得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過了第四維空間再和瓶底圈連起來的，并不穿過瓶壁。用扭結(jié)來打比方，如果把它看作平面上的曲線的話，那么它似乎自身相交，再一看似乎又?jǐn)喑闪巳亍５鋵?shí)很容易明白，這個(gè)圖形其實(shí)是三維空間中的曲線。它并不和自己相交，而是連續(xù)不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣，但是如果有第三維的話，它就可以穿過第三維來避開和自己相交。只是因?yàn)槲覀円阉嬙诙S平面上時(shí)，只好將就一點(diǎn)，把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣，我們可以把它理解成處于四維空間中的曲面。在我們這個(gè)三維空間中，即使是最高明的能工巧匠，也不得不把它做成自身相交的模樣；就好像最高明的畫家，在紙上畫扭結(jié)的時(shí)候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是，如果把克萊因瓶沿著它的對(duì)稱線切下去，竟會(huì)得到兩個(gè)莫比烏斯環(huán)。在二維看似穿過自身的繩子 在二維看似穿過自身的繩子 如果莫比烏斯帶能夠完美的展現(xiàn)一個(gè)“二維空間中一維可無限擴(kuò)展之空間模型”的話，克萊因瓶只能作為展現(xiàn)一個(gè)“三維空間中二維可無限擴(kuò)展之空間模型”的參考。因?yàn)樵谥谱髂葹跛箮У倪^程中，我們要對(duì)紙帶進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)再首尾相連，這就是一個(gè)三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無限擴(kuò)展之空間模型”應(yīng)該是在二維面中，朝任意方向前進(jìn)都可以回到原點(diǎn)的模型，而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無限前進(jìn)。但是只有在兩個(gè)特定的方向上才會(huì)回到原點(diǎn)，并且只有在其中一個(gè)方向上，回到原點(diǎn)之前會(huì)經(jīng)過一個(gè)“逆向原點(diǎn)”，真正理想的“三維空間中二維可無限擴(kuò)展之空間模型”也應(yīng)該是在二維面上朝任何方向前進(jìn)，都會(huì)先經(jīng)過一次“逆向原點(diǎn)”，再回到原點(diǎn)。而制作這個(gè)模型，則需要在四維空間上對(duì)三維模型進(jìn)行扭曲。數(shù)學(xué)中有一個(gè)重要分支叫“拓?fù)鋵W(xué)”，主要是研究幾何圖形連續(xù)改變形狀時(shí)的一些特征和規(guī)律的，克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓?fù)鋵W(xué)中最有趣的問題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應(yīng)用到了建筑，藝術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中。三維空間里的克萊因瓶 拓?fù)鋵W(xué)的定義編輯 克萊因瓶定義為正方形區(qū)域 [0,1]×[0,1] 模掉等價(jià)關(guān)系(0,y)~(1,y), 0≤y≤1 和 (x,0)~(1-x,1), 0≤x≤1。類似于 Mobius Band, 克萊因瓶不可定向。但 Mobius 帶可嵌入   ，而克萊因瓶只能嵌入四維（或更高維）空間。莫比烏斯帶編輯 把一條紙帶的一段扭180°，再和另一端粘起來就得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個(gè)只有莫比烏斯帶、一個(gè)面的曲面，但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是，它有邊（注意，它只有一條邊）。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來，你就得到了一個(gè)克萊因瓶 莫比烏斯帶 莫比烏斯帶 （當(dāng)然不要忘了，我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個(gè)粘合，否則的話就不得不把紙撕破一點(diǎn)）。同樣地，如果把一個(gè)克萊因瓶適當(dāng)?shù)丶糸_來，我們就能得到兩條莫比烏斯帶。除了我們上面看到的克萊因瓶的模樣，還有一種不太為人所知的“8字形”克萊因瓶。它看起來和上面的曲面完全不同，但是在四維空間中它們其實(shí)就是同一個(gè)曲面－－克萊因瓶。實(shí)際上，可以說克萊因瓶是一個(gè)3°的莫比烏斯帶。我們知道，在平面上畫一個(gè)圓，再在圓內(nèi)放一樣?xùn)|西，假如在二度空間中將它拿出來，就不得不越過圓周。但在三度空間中，很容易不越過圓周就將其拿出來，放到圓外。將物體的軌跡連同原來的圓投影到二度空間中，就是一個(gè)“二維克萊因瓶”，即莫比烏斯帶（這里的莫比烏斯帶是指拓?fù)湟饬x上的莫比烏斯帶）。再設(shè)想一下，在我們的3°空間中，不可能在不打破蛋殼的前提下從雞蛋中取出蛋黃，但在四度空間里卻可以。將蛋黃的軌跡連同蛋殼投影在三度空間中，必然可以看到一個(gè)克萊因瓶。制造經(jīng)歷編輯 過去，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因就曾提出了“不可能”設(shè)想，即拓?fù)鋵W(xué)的大怪物－－克萊因瓶。這種瓶子根本沒有內(nèi)、外之分，無論從什么地方穿透曲面，到達(dá)之處依然在瓶的外面，所以，它本質(zhì)上就是一個(gè)“有外無內(nèi)”的古怪東西。盡管現(xiàn)代玻璃工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得非常先進(jìn)，但是，所謂的“克萊因瓶”卻始終是大數(shù)學(xué)家克萊因先生腦子里頭的“虛構(gòu)物”，根本制造不出來。許多國(guó)家的數(shù)學(xué)家老是想造它一個(gè)出來，作為獻(xiàn)給國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)的禮物。然而，等待他們的是一個(gè)失敗接著一個(gè)失敗。也有人認(rèn)為，即使造不出玻璃制品，能造出一個(gè)紙模型也不錯(cuò)。如果真的解決了這個(gè)問題，那可是個(gè)大收獲！直徑和年齡 最新的研究認(rèn)為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。[28] 目前可觀測(cè)的宇宙年齡大約為138.2億年。[29] 形狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 [30] 目前的宇宙理論認(rèn)為宇宙可能是類似馬鞍狀的負(fù)彎曲形狀，該理論源于宇宙大爆炸理論，整個(gè)宇宙的外形如同一個(gè)吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。[31] 同時(shí)，科學(xué)家也認(rèn)為宇宙是平坦的，根據(jù)美國(guó)宇航局的調(diào)查，宇宙可能是平坦的，2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。[32] 斯蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近于超現(xiàn)實(shí)主義的藝術(shù)，如同荷蘭藝術(shù)家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創(chuàng) 銀河系 銀河系 [33] 作的圖形一樣。霍金的想法以弦理論為依據(jù)，而該理論目前仍然還處于假設(shè)之中，并未被驗(yàn)證。如果用語言來形容宇宙的形狀，應(yīng)該是整體呈現(xiàn)多重鑲嵌模式，具有無限重復(fù)出現(xiàn)的扭曲面，曲面間環(huán)環(huán)相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創(chuàng)作的“圓形極限IV”圖案，也與美國(guó)工程師P.H. Smith創(chuàng)作的“史密斯圓圖”類似，體現(xiàn)出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態(tài)。[34] 層次結(jié)構(gòu) 當(dāng)代天文學(xué)研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 [35] 不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽系。太陽系外也存在其他行星系統(tǒng)。約2500億顆類似太陽的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系的直徑約10萬光年，太陽位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約2.6萬光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系。目前觀測(cè)到1000億個(gè)星系，科學(xué)家估計(jì)宇宙中至少有2萬億個(gè)星系。星系聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬光年。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 [36] 若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成的更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。星系分類 根據(jù)可反映星系發(fā)展?fàn)顟B(tài)的序列號(hào)對(duì)星系進(jìn)行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等五種。[37] 太陽系天體 太陽質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.86%，它以自己強(qiáng)大的引力將 NASA公布的太陽風(fēng)暴的照片 NASA公布的太陽風(fēng)暴的照片 [38] 太陽系里的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽又作為一顆普通恒星，帶領(lǐng)它的成員，萬古不息地繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。[39]  太陽的半徑為696000千米，質(zhì)量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。[40]  如果一個(gè)人站在太陽表面，那么他的體重將會(huì)是在地球上的20倍。[41]  現(xiàn)代星云假說根據(jù)觀測(cè)資料和理論計(jì)算，提出：太陽系原始星云是巨大的星際云瓦解的一個(gè)小云，一開始就在自轉(zhuǎn)，并在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽，外部演化成星云盤，星云盤以后形成行星。目前，現(xiàn)代星云說又存在不同學(xué)派，這些學(xué)派之間還存在著許多差別，有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。[42] 金星是離太陽的第二顆行星，夜空中亮度僅次于月球。[43]  金星上沒有水，大氣中嚴(yán)重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達(dá)20千米至30千米的濃硫酸云，地面溫度從不低于400℃，是個(gè)名副其實(shí)的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強(qiáng)為地球的90倍，相當(dāng)于地球海洋中900米深度時(shí)的壓強(qiáng)。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應(yīng)，是導(dǎo)致金星極端氣候的主要原因。由于金星沒有內(nèi)稟磁層保護(hù)，誘發(fā)磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱后加速逃逸。科學(xué)界認(rèn)為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)的原因。[44] 木星是離太陽第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） [45] 的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態(tài)行星沒有實(shí)體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數(shù)之比, 75/25%的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個(gè)太陽系的原始的太陽系星云的組成十分相似。木星可能有一個(gè)石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個(gè)地球的質(zhì)量。內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽的內(nèi)部，不過溫度低多了）。木星共有67顆木衛(wèi)。按距離木星中心由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)椋耗拘l(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。[46] 水星是最接近太陽的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達(dá)零下170 度，是太陽系八大行星中溫差最大的一個(gè)行星。[47]  水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽風(fēng)中的原子和離子構(gòu)成。[48]  科學(xué)家確認(rèn)水星表面含有豐富的碳，認(rèn)為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的巖石是由低重量百分比的石墨碳構(gòu)成。[49] “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 [50] 火星是地球的近鄰，是太陽系由內(nèi)往外數(shù)第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質(zhì)量為地球的11%。火星表面是一個(gè)荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無法保存熱量。這導(dǎo)致火星表面溫度極低，很少超過0℃，在夜晚，最低溫度則可達(dá)到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因?yàn)樗砻娌紳M了氧化物，因而呈現(xiàn)出鐵銹紅色。其表面的大部分地區(qū)都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔巖流。火星上常常有猛烈的大風(fēng)，大風(fēng)揚(yáng)起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續(xù)數(shù)個(gè)星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)證明，在遠(yuǎn)古時(shí)期，火星曾經(jīng)有過液態(tài)的水，而且水量特別大。[51] 土星是離太陽第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次于木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內(nèi)部的核心包括巖石和冰，外圍由數(shù)層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強(qiáng)2.5倍，能夠牽引太陽系內(nèi)其它行星，使地球處于一個(gè)橢圓軌道中運(yùn)行，并且與太陽保持適當(dāng)距離，適宜生命繁衍。當(dāng)土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽，同時(shí)，這將導(dǎo)致火星完全離開太陽系。[52]  土星是已知唯一密度小于水的行星，假如能夠?qū)⑼列欠湃胍粋€(gè)巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來。土星有一個(gè)巨大的磁氣圈和一個(gè)狂風(fēng)肆虐的大氣層，赤道附近的風(fēng)速可達(dá)1800千米/時(shí)。在環(huán)繞土星運(yùn)行的31顆衛(wèi)星中間，土衛(wèi)六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽系中唯一擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星。[53] 天王星是離太陽第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次于木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔铩Ｉ蠈哟髿鈱拥募淄槲占t光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。質(zhì)量為8.6810±13×102?kg，相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。[54] 恒星 恒星 海王星是離太陽的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道半徑為45億千米，公轉(zhuǎn)一周需要165年。海王星的直徑和天王星類似，質(zhì)量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也極為相近，所以說海王星與天王星是一對(duì)孿生兄弟。[55]  海王星有太陽系最強(qiáng)烈的風(fēng)，測(cè)量到的時(shí)速高達(dá)2100公里。海王星云頂?shù)臏囟仁牵?18 °C，是太陽系最冷的地區(qū)之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽的表面比較。海王星在1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，是唯一利用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)而非有計(jì)劃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星。[56] 冥王星，位于海王星以外的柯伊伯帶內(nèi)側(cè)，是柯伊伯帶中已知的最大天體。[57]  直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。[58]  2006年8月24日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會(huì)通過的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動(dòng)降級(jí)為“矮行星”。[59]  冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%巖石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過地球，可見清晰月球背面 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過地球，可見清晰月球背面 [60] 的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機(jī)物質(zhì)或是由宇宙射線引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強(qiáng)只有少量微帕。[61] 地球是離太陽第三顆行星，是我們?nèi)祟惖募亦l(xiāng)，盡管地球是太陽系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨(dú)一無二的。比如，它是太陽系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質(zhì)量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。[62]  英國(guó)科研人員在《天體生物學(xué)》雜志上報(bào)告說，如果沒有小行星撞擊等可能劇烈改變環(huán)境的事件發(fā)生，地球適宜人類居住的時(shí)間還剩約17.5億年，不過人為造成的氣候變化可能縮短這一時(shí)間。[63] 彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽系中的一類小天體，繞日運(yùn)動(dòng)。[64]  科學(xué)家使用探測(cè)器對(duì)彗星的化學(xué)遺留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學(xué)家得出結(jié)論稱，彗星的氣味聞起來像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。[65-66] “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 [67] 在太陽系的周圍還包裹著一個(gè)龐大的“奧爾特云”。星云內(nèi)分布著不計(jì)其數(shù)的冰塊、雪團(tuán)和碎石。其中的某些會(huì)受太陽引力影響飛入內(nèi)太陽系，這就是彗星。這些冰塊、雪團(tuán)和碎石進(jìn)入太陽系內(nèi)部，其表面因受太陽風(fēng)的吹拂而開始揮發(fā)。所以彗星都拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，而且越靠近太陽尾巴越長(zhǎng)、越明顯。太陽系內(nèi)的星際空間并不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。[68] 柯伊伯帶，是一種理論推測(cè)認(rèn)為短周期彗星是來自離太陽50—500天文單位的一個(gè)環(huán)帶，位于太陽系的盡頭。柯伊伯帶是冰質(zhì)殘片組成的巨環(huán)，位于海王星軌道之外，環(huán)繞著太陽系的外邊緣。[69] 物質(zhì)多樣性 紅巨星，當(dāng)一顆恒星度過它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來越偏紅。不過，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段白矮星進(jìn)發(fā)。[70] 白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)轭伾拾咨Ⅲw積比較矮小，因此被命名為白矮星。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過程 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過程 [71] 白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量。恒星外殼的重力會(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)太陽質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對(duì)抗重力，電子會(huì)被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中，常稱之為“簡(jiǎn)并態(tài)”。[72]  大多數(shù)的恒星內(nèi)核通過氫核聚變進(jìn)行燃燒，將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚a(chǎn)生光和熱量，當(dāng)恒星內(nèi)部氫燃料完成消耗完后就開始進(jìn)行氦融合反應(yīng)，并形成更重的碳和氧，這一過程對(duì)于類似太陽這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質(zhì)量大于1.4倍太陽質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生Ia型超新星爆發(fā)。[73] 類星體,20世紀(jì)60年代以來，天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現(xiàn)為一個(gè)光點(diǎn)的天體，但實(shí)際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣，我們叫它類星體，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這種天體。[74] 超新星，是恒星演化過程中的一個(gè)階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽質(zhì)量左右的恒星，在經(jīng)歷引力坍縮的過程后是無法形成超新星的。[75]  在大質(zhì)量恒星演化到晚期，內(nèi)部不能產(chǎn)生新的能量，巨大的引力將整個(gè)星體迅速向中心坍縮，將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，而外層下坍的物質(zhì)遇到這堅(jiān)硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發(fā)，質(zhì)量更大時(shí)，中心更可形成黑洞。[76]  在超新星爆發(fā)的過程中所釋放的能量，需要我們的太陽燃燒900億年才能與之相當(dāng)。[77]  超新星研究有著關(guān)乎人類自身命運(yùn)的深層意義。如果一顆超新星爆發(fā)的位置非常接近地球，目前國(guó)際天文學(xué)界普遍認(rèn)為此距離在100光年以內(nèi)，它就能夠?qū)Φ厍虻纳锶Ξa(chǎn)生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認(rèn)為，在地球歷史上的奧陶紀(jì)大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球近60%的海洋生物消失。[78

克萊因瓶是一個(gè)不可定向的二維緊流形，而球面或輪胎面是可 克萊因瓶 克萊因瓶 定向的二維緊流形。如果觀察克萊因瓶，有一點(diǎn)似乎令人困惑－－克萊因瓶的瓶頸和瓶身是相交的，換句話說，瓶頸上的某些點(diǎn)和瓶壁上的某些點(diǎn)占據(jù)了三維空間中的同一個(gè)位置。我們可以把克萊因瓶放在四維空間中理解：克萊因瓶是一個(gè)在四維空間中才可能真正表現(xiàn)出來的曲面。如果我們一定要把它表現(xiàn)在我們生活的三維空間中，我們只好將就點(diǎn)，把它表現(xiàn)得似乎是自己和自己相交一樣。克萊因瓶的瓶頸是穿過了第四維空間再和瓶底圈連起來的，并不穿過瓶壁。用扭結(jié)來打比方，如果把它看作平面上的曲線的話，那么它似乎自身相交，再一看似乎又?jǐn)喑闪巳亍５鋵?shí)很容易明白，這個(gè)圖形其實(shí)是三維空間中的曲線。它并不和自己相交，而是連續(xù)不斷的一條曲線。在平面上一條曲線自然做不到這樣，但是如果有第三維的話，它就可以穿過第三維來避開和自己相交。只是因?yàn)槲覀円阉嬙诙S平面上時(shí)，只好將就一點(diǎn)，把它畫成相交或者斷裂了的樣子。克萊因瓶也一樣，我們可以把它理解成處于四維空間中的曲面。在我們這個(gè)三維空間中，即使是最高明的能工巧匠，也不得不把它做成自身相交的模樣；就好像最高明的畫家，在紙上畫扭結(jié)的時(shí)候也不得不把它們畫成自身相交的模樣。有趣的是，如果把克萊因瓶沿著它的對(duì)稱線切下去，竟會(huì)得到兩個(gè)莫比烏斯環(huán)。在二維看似穿過自身的繩子 在二維看似穿過自身的繩子 如果莫比烏斯帶能夠完美的展現(xiàn)一個(gè)“二維空間中一維可無限擴(kuò)展之空間模型”的話，克萊因瓶只能作為展現(xiàn)一個(gè)“三維空間中二維可無限擴(kuò)展之空間模型”的參考。因?yàn)樵谥谱髂葹跛箮У倪^程中，我們要對(duì)紙帶進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)再首尾相連，這就是一個(gè)三維空間下的操作。理想的“三維空間中二維可無限擴(kuò)展之空間模型”應(yīng)該是在二維面中，朝任意方向前進(jìn)都可以回到原點(diǎn)的模型，而克萊因瓶雖然在二維面上可以向任意方向無限前進(jìn)。但是只有在兩個(gè)特定的方向上才會(huì)回到原點(diǎn)，并且只有在其中一個(gè)方向上，回到原點(diǎn)之前會(huì)經(jīng)過一個(gè)“逆向原點(diǎn)”，真正理想的“三維空間中二維可無限擴(kuò)展之空間模型”也應(yīng)該是在二維面上朝任何方向前進(jìn)，都會(huì)先經(jīng)過一次“逆向原點(diǎn)”，再回到原點(diǎn)。而制作這個(gè)模型，則需要在四維空間上對(duì)三維模型進(jìn)行扭曲。數(shù)學(xué)中有一個(gè)重要分支叫“拓?fù)鋵W(xué)”，主要是研究幾何圖形連續(xù)改變形狀時(shí)的一些特征和規(guī)律的，克萊因瓶和莫比烏斯帶變成了拓?fù)鋵W(xué)中最有趣的問題之一。莫比烏斯帶的概念被廣泛地應(yīng)用到了建筑，藝術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)中。三維空間里的克萊因瓶 拓?fù)鋵W(xué)的定義編輯 克萊因瓶定義為正方形區(qū)域 [0,1]×[0,1] 模掉等價(jià)關(guān)系(0,y)~(1,y), 0≤y≤1 和 (x,0)~(1-x,1), 0≤x≤1。類似于 Mobius Band, 克萊因瓶不可定向。但 Mobius 帶可嵌入   ，而克萊因瓶只能嵌入四維（或更高維）空間。莫比烏斯帶編輯 把一條紙帶的一段扭180°，再和另一端粘起來就得到一條莫比烏斯帶的模型。這也是一個(gè)只有莫比烏斯帶、一個(gè)面的曲面，但是和球面、輪胎面和克萊因瓶不同的是，它有邊（注意，它只有一條邊）。如果我們把兩條莫比烏斯帶沿著它們唯一的邊粘合起來，你就得到了一個(gè)克萊因瓶 莫比烏斯帶 莫比烏斯帶 （當(dāng)然不要忘了，我們必須在四維空間中才能真正有可能完成這個(gè)粘合，否則的話就不得不把紙撕破一點(diǎn)）。同樣地，如果把一個(gè)克萊因瓶適當(dāng)?shù)丶糸_來，我們就能得到兩條莫比烏斯帶。除了我們上面看到的克萊因瓶的模樣，還有一種不太為人所知的“8字形”克萊因瓶。它看起來和上面的曲面完全不同，但是在四維空間中它們其實(shí)就是同一個(gè)曲面－－克萊因瓶。實(shí)際上，可以說克萊因瓶是一個(gè)3°的莫比烏斯帶。我們知道，在平面上畫一個(gè)圓，再在圓內(nèi)放一樣?xùn)|西，假如在二度空間中將它拿出來，就不得不越過圓周。但在三度空間中，很容易不越過圓周就將其拿出來，放到圓外。將物體的軌跡連同原來的圓投影到二度空間中，就是一個(gè)“二維克萊因瓶”，即莫比烏斯帶（這里的莫比烏斯帶是指拓?fù)湟饬x上的莫比烏斯帶）。再設(shè)想一下，在我們的3°空間中，不可能在不打破蛋殼的前提下從雞蛋中取出蛋黃，但在四度空間里卻可以。將蛋黃的軌跡連同蛋殼投影在三度空間中，必然可以看到一個(gè)克萊因瓶。制造經(jīng)歷編輯 過去，德國(guó)數(shù)學(xué)家克萊因就曾提出了“不可能”設(shè)想，即拓?fù)鋵W(xué)的大怪物－－克萊因瓶。這種瓶子根本沒有內(nèi)、外之分，無論從什么地方穿透曲面，到達(dá)之處依然在瓶的外面，所以，它本質(zhì)上就是一個(gè)“有外無內(nèi)”的古怪東西。盡管現(xiàn)代玻璃工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得非常先進(jìn)，但是，所謂的“克萊因瓶”卻始終是大數(shù)學(xué)家克萊因先生腦子里頭的“虛構(gòu)物”，根本制造不出來。許多國(guó)家的數(shù)學(xué)家老是想造它一個(gè)出來，作為獻(xiàn)給國(guó)際數(shù)學(xué)家大會(huì)的禮物。然而，等待他們的是一個(gè)失敗接著一個(gè)失敗。也有人認(rèn)為，即使造不出玻璃制品，能造出一個(gè)紙模型也不錯(cuò)。如果真的解決了這個(gè)問題，那可是個(gè)大收獲！直徑和年齡 最新的研究認(rèn)為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。[28] 目前可觀測(cè)的宇宙年齡大約為138.2億年。[29] 形狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀 [30] 目前的宇宙理論認(rèn)為宇宙可能是類似馬鞍狀的負(fù)彎曲形狀，該理論源于宇宙大爆炸理論，整個(gè)宇宙的外形如同一個(gè)吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。[31] 同時(shí)，科學(xué)家也認(rèn)為宇宙是平坦的，根據(jù)美國(guó)宇航局的調(diào)查，宇宙可能是平坦的，2013年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。[32] 斯蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近于超現(xiàn)實(shí)主義的藝術(shù)，如同荷蘭藝術(shù)家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創(chuàng) 銀河系 銀河系 [33] 作的圖形一樣。霍金的想法以弦理論為依據(jù)，而該理論目前仍然還處于假設(shè)之中，并未被驗(yàn)證。如果用語言來形容宇宙的形狀，應(yīng)該是整體呈現(xiàn)多重鑲嵌模式，具有無限重復(fù)出現(xiàn)的扭曲面，曲面間環(huán)環(huán)相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創(chuàng)作的“圓形極限IV”圖案，也與美國(guó)工程師P.H. Smith創(chuàng)作的“史密斯圓圖”類似，體現(xiàn)出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態(tài)。[34] 層次結(jié)構(gòu) 當(dāng)代天文學(xué)研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 即將發(fā)生碰撞的兩個(gè)星系NGC 470和NGC 474 [35] 不斷膨脹、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運(yùn)動(dòng)發(fā)展的天體系統(tǒng)。行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，構(gòu)成太陽系。太陽系外也存在其他行星系統(tǒng)。約2500億顆類似太陽的恒星和星際物質(zhì)構(gòu)成更巨大的天體系統(tǒng)——銀河系。銀河系的直徑約10萬光年，太陽位于銀河系的一個(gè)旋臂中，距銀心約2.6萬光年。銀河系外還有許多類似的天體系統(tǒng)，稱為河外星系，常簡(jiǎn)稱星系。目前觀測(cè)到1000億個(gè)星系，科學(xué)家估計(jì)宇宙中至少有2萬億個(gè)星系。星系聚集成大大小小的集團(tuán)，叫星系團(tuán)。平均而言，每個(gè)星系團(tuán)約有百余個(gè)星系，直徑達(dá)上千萬光年。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)上萬個(gè)星系團(tuán)。包括銀河系在內(nèi)約40個(gè)星系構(gòu)成的一個(gè)小星系團(tuán)叫本星系群。橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發(fā)的噴流 [36] 若干星系團(tuán)集聚在一起構(gòu)成的更高一層次的天體系統(tǒng)叫超星系團(tuán)。超星系團(tuán)往往具有扁長(zhǎng)的外形，其長(zhǎng)徑可達(dá)數(shù)億光年。通常超星系團(tuán)內(nèi)只含有幾個(gè)星系團(tuán)，只有少數(shù)超星系團(tuán)擁有幾十個(gè)星系團(tuán)。本星系群和其附近的約50個(gè)星系團(tuán)構(gòu)成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。星系分類 根據(jù)可反映星系發(fā)展?fàn)顟B(tài)的序列號(hào)對(duì)星系進(jìn)行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等五種。[37] 太陽系天體 太陽質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.86%，它以自己強(qiáng)大的引力將 NASA公布的太陽風(fēng)暴的照片 NASA公布的太陽風(fēng)暴的照片 [38] 太陽系里的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太陽又作為一顆普通恒星，帶領(lǐng)它的成員，萬古不息地繞銀河系的中心運(yùn)動(dòng)。[39]  太陽的半徑為696000千米，質(zhì)量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。[40]  如果一個(gè)人站在太陽表面，那么他的體重將會(huì)是在地球上的20倍。[41]  現(xiàn)代星云假說根據(jù)觀測(cè)資料和理論計(jì)算，提出：太陽系原始星云是巨大的星際云瓦解的一個(gè)小云，一開始就在自轉(zhuǎn)，并在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽，外部演化成星云盤，星云盤以后形成行星。目前，現(xiàn)代星云說又存在不同學(xué)派，這些學(xué)派之間還存在著許多差別，有待進(jìn)一步研究和證實(shí)。[42] 金星是離太陽的第二顆行星，夜空中亮度僅次于月球。[43]  金星上沒有水，大氣中嚴(yán)重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達(dá)20千米至30千米的濃硫酸云，地面溫度從不低于400℃，是個(gè)名副其實(shí)的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強(qiáng)為地球的90倍，相當(dāng)于地球海洋中900米深度時(shí)的壓強(qiáng)。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應(yīng)，是導(dǎo)致金星極端氣候的主要原因。由于金星沒有內(nèi)稟磁層保護(hù)，誘發(fā)磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱后加速逃逸。科學(xué)界認(rèn)為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)的原因。[44] 木星是離太陽第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） 木星及其衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二） [45] 的合質(zhì)量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態(tài)行星沒有實(shí)體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數(shù)之比, 75/25%的質(zhì)量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個(gè)太陽系的原始的太陽系星云的組成十分相似。木星可能有一個(gè)石質(zhì)的內(nèi)核，相當(dāng)于10－15個(gè)地球的質(zhì)量。內(nèi)核上則是大部分的行星物質(zhì)集結(jié)地，以液態(tài)氫的形式存在。液態(tài)金屬氫由離子化的質(zhì)子與電子組成（類似于太陽的內(nèi)部，不過溫度低多了）。木星共有67顆木衛(wèi)。按距離木星中心由近及遠(yuǎn)的次序?yàn)椋耗拘l(wèi)十六、木衛(wèi)十四、木衛(wèi)五、木衛(wèi)十五、木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四、木衛(wèi)十三、木衛(wèi)六、木衛(wèi)十、木衛(wèi)七、木衛(wèi)十二、木衛(wèi)十一、木衛(wèi)八和木衛(wèi)九。[46] 水星是最接近太陽的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達(dá)零下170 度，是太陽系八大行星中溫差最大的一個(gè)行星。[47]  水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽風(fēng)中的原子和離子構(gòu)成。[48]  科學(xué)家確認(rèn)水星表面含有豐富的碳，認(rèn)為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的巖石是由低重量百分比的石墨碳構(gòu)成。[49] “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器在火星表面采集樣本 [50] 火星是地球的近鄰，是太陽系由內(nèi)往外數(shù)第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質(zhì)量為地球的11%。火星表面是一個(gè)荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無法保存熱量。這導(dǎo)致火星表面溫度極低，很少超過0℃，在夜晚，最低溫度則可達(dá)到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因?yàn)樗砻娌紳M了氧化物，因而呈現(xiàn)出鐵銹紅色。其表面的大部分地區(qū)都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔巖流。火星上常常有猛烈的大風(fēng)，大風(fēng)揚(yáng)起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續(xù)數(shù)個(gè)星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)證明，在遠(yuǎn)古時(shí)期，火星曾經(jīng)有過液態(tài)的水，而且水量特別大。[51] 土星是離太陽第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次于木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內(nèi)部的核心包括巖石和冰，外圍由數(shù)層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強(qiáng)2.5倍，能夠牽引太陽系內(nèi)其它行星，使地球處于一個(gè)橢圓軌道中運(yùn)行，并且與太陽保持適當(dāng)距離，適宜生命繁衍。當(dāng)土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽，同時(shí)，這將導(dǎo)致火星完全離開太陽系。[52]  土星是已知唯一密度小于水的行星，假如能夠?qū)⑼列欠湃胍粋€(gè)巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來。土星有一個(gè)巨大的磁氣圈和一個(gè)狂風(fēng)肆虐的大氣層，赤道附近的風(fēng)速可達(dá)1800千米/時(shí)。在環(huán)繞土星運(yùn)行的31顆衛(wèi)星中間，土衛(wèi)六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽系中唯一擁有濃厚大氣層的衛(wèi)星。[53] 天王星是離太陽第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次于木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳?xì)浠衔铩Ｉ蠈哟髿鈱拥募淄槲占t光，使天王星呈現(xiàn)藍(lán)綠色。大氣在固定緯度集結(jié)成云層，類似于木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星云層的平均溫度為零下193攝氏度。質(zhì)量為8.6810±13×102?kg，相當(dāng)于地球質(zhì)量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。[54] 恒星 恒星 海王星是離太陽的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道半徑為45億千米，公轉(zhuǎn)一周需要165年。海王星的直徑和天王星類似，質(zhì)量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也極為相近，所以說海王星與天王星是一對(duì)孿生兄弟。[55]  海王星有太陽系最強(qiáng)烈的風(fēng)，測(cè)量到的時(shí)速高達(dá)2100公里。海王星云頂?shù)臏囟仁牵?18 °C，是太陽系最冷的地區(qū)之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽的表面比較。海王星在1846年9月23日被發(fā)現(xiàn)，是唯一利用數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)而非有計(jì)劃的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的行星。[56] 冥王星，位于海王星以外的柯伊伯帶內(nèi)側(cè)，是柯伊伯帶中已知的最大天體。[57]  直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。[58]  2006年8月24日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)大會(huì)24日投票決定，不再將傳統(tǒng)九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會(huì)通過的決議規(guī)定，“行星”指的是圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽系傳統(tǒng)的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動(dòng)降級(jí)為“矮行星”。[59]  冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%巖石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過地球，可見清晰月球背面 衛(wèi)星拍月球經(jīng)過地球，可見清晰月球背面 [60] 的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機(jī)物質(zhì)或是由宇宙射線引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強(qiáng)只有少量微帕。[61] 地球是離太陽第三顆行星，是我們?nèi)祟惖募亦l(xiāng)，盡管地球是太陽系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨(dú)一無二的。比如，它是太陽系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質(zhì)量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。[62]  英國(guó)科研人員在《天體生物學(xué)》雜志上報(bào)告說，如果沒有小行星撞擊等可能劇烈改變環(huán)境的事件發(fā)生，地球適宜人類居住的時(shí)間還剩約17.5億年，不過人為造成的氣候變化可能縮短這一時(shí)間。[63] 彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽系中的一類小天體，繞日運(yùn)動(dòng)。[64]  科學(xué)家使用探測(cè)器對(duì)彗星的化學(xué)遺留物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學(xué)家得出結(jié)論稱，彗星的氣味聞起來像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。[65-66] “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 “67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星 [67] 在太陽系的周圍還包裹著一個(gè)龐大的“奧爾特云”。星云內(nèi)分布著不計(jì)其數(shù)的冰塊、雪團(tuán)和碎石。其中的某些會(huì)受太陽引力影響飛入內(nèi)太陽系，這就是彗星。這些冰塊、雪團(tuán)和碎石進(jìn)入太陽系內(nèi)部，其表面因受太陽風(fēng)的吹拂而開始揮發(fā)。所以彗星都拖著一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，而且越靠近太陽尾巴越長(zhǎng)、越明顯。太陽系內(nèi)的星際空間并不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。[68] 柯伊伯帶，是一種理論推測(cè)認(rèn)為短周期彗星是來自離太陽50—500天文單位的一個(gè)環(huán)帶，位于太陽系的盡頭。柯伊伯帶是冰質(zhì)殘片組成的巨環(huán)，位于海王星軌道之外，環(huán)繞著太陽系的外邊緣。[69] 物質(zhì)多樣性 紅巨星，當(dāng)一顆恒星度過它漫長(zhǎng)的青壯年期——主序星階段，步入老年期時(shí)，它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來越偏紅。不過，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恒星的下一階段白矮星進(jìn)發(fā)。[70] 白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恒星。因?yàn)轭伾拾咨Ⅲw積比較矮小，因此被命名為白矮星。哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過程 哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到白矮星死亡過程 [71] 白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質(zhì)量大、密度極高。白矮星是中低質(zhì)量的恒星的演化路線的終點(diǎn)。在紅巨星階段的末期，恒星的中心會(huì)因?yàn)闇囟取毫Σ蛔慊蛘吆司圩冞_(dá)到鐵階段而停止產(chǎn)生能量。恒星外殼的重力會(huì)壓縮恒星產(chǎn)生一個(gè)高密度的天體。一個(gè)典型的穩(wěn)定獨(dú)立白矮星具有大約半個(gè)太陽質(zhì)量，比地球略大。這種密度僅次于中子星和夸克星。如果白矮星的質(zhì)量超過1.4倍太陽質(zhì)量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對(duì)抗重力，電子會(huì)被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質(zhì)量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中，常稱之為“簡(jiǎn)并態(tài)”。[72]  大多數(shù)的恒星內(nèi)核通過氫核聚變進(jìn)行燃燒，將質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚a(chǎn)生光和熱量，當(dāng)恒星內(nèi)部氫燃料完成消耗完后就開始進(jìn)行氦融合反應(yīng)，并形成更重的碳和氧，這一過程對(duì)于類似太陽這樣的恒星而言，就顯得較為短暫，并形成碳氧組成的白矮星，如果其質(zhì)量大于1.4倍太陽質(zhì)量，就會(huì)發(fā)生Ia型超新星爆發(fā)。[73] 類星體,20世紀(jì)60年代以來，天文學(xué)家還找到一種在銀河系以外像恒星一樣表現(xiàn)為一個(gè)光點(diǎn)的天體，但實(shí)際上它的光度和質(zhì)量又和星系一樣，我們叫它類星體，現(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千個(gè)這種天體。[74] 超新星，是恒星演化過程中的一個(gè)階段。超新星爆發(fā)是某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。一般認(rèn)為質(zhì)量小于9倍太陽質(zhì)量左右的恒星，在經(jīng)歷引力坍縮的過程后是無法形成超新星的。[75]  在大質(zhì)量恒星演化到晚期，內(nèi)部不能產(chǎn)生新的能量，巨大的引力將整個(gè)星體迅速向中心坍縮，將中心物質(zhì)都?jí)撼芍凶訝顟B(tài)，形成中子星，而外層下坍的物質(zhì)遇到這堅(jiān)硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發(fā)，質(zhì)量更大時(shí)，中心更可形成黑洞。[76]  在超新星爆發(fā)的過程中所釋放的能量，需要我們的太陽燃燒900億年才能與之相當(dāng)。[77]  超新星研究有著關(guān)乎人類自身命運(yùn)的深層意義。如果一顆超新星爆發(fā)的位置非常接近地球，目前國(guó)際天文學(xué)界普遍認(rèn)為此距離在100光年以內(nèi)，它就能夠?qū)Φ厍虻纳锶Ξa(chǎn)生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認(rèn)為，在地球歷史上的奧陶紀(jì)大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導(dǎo)致當(dāng)時(shí)地球近60%的海洋生物消失。[78]通常認(rèn)為完整的日心說宇宙模型是由波蘭天文學(xué)家哥白尼在1543年發(fā)表的《天體運(yùn)行論》中提出的，實(shí)際上在西方公元前300多年的阿里斯塔克和赫拉克里特就已經(jīng)提到過太陽是宇宙的中心，地球圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。堅(jiān)實(shí)的大地是運(yùn)動(dòng)的這一點(diǎn)在古代是令人非常難以接受的，古代人缺乏足夠的宇宙觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及懷著以人為本的觀念，使他們誤認(rèn)為地球就是宇宙的中心。并且托勒密的地心說體系可以很好的和當(dāng)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，因此地心說被大眾廣泛接受并被當(dāng)時(shí)的教廷認(rèn)為是神圣不可侵犯的真理的一部分。所以在《天體運(yùn)行論》出版以后的半個(gè)多世紀(jì)里，日心說仍然很少受到人們的關(guān)注，支持者更是非常稀少。這其中最為著名的支持者就是喬爾丹諾·布魯諾了。布魯諾一生始終與“異端”聯(lián)系在一起，并為此顛沛流離，最終還被宗教裁判所燒死在鮮花廣場(chǎng)上。他支持哥白尼日心說，發(fā)展了“宇宙無限說”，這些在他所處的時(shí)代中，都使其成為了風(fēng)口浪尖上的人物，因而，他常常被人們看作是近代科學(xué)興起的先驅(qū)者、是捍衛(wèi)科學(xué)真理并為此獻(xiàn)身的殉道士。有另一種說法認(rèn)為，近代以來關(guān)于羅馬梵蒂岡的地心說和哥白尼的日心說的斗爭(zhēng)是被嚴(yán)重夸大的。布魯諾1600年遭受火刑的原因，并非因?yàn)樗С秩招恼f，而是因?yàn)樗姆荷裾摗⒍嗌裾摰攘钭诮虗阑鸬淖诮趟枷搿Ｈ欢徽撊绾危剪斨Z確實(shí)對(duì)日心說的傳播發(fā)展起到了推動(dòng)作用。事實(shí)上，直到1609年伽利略使用天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一些不利于舊有的亞里士多德宇宙論和托勒密體系從而反過來可以支持日心說的新的天文現(xiàn)象后，日心說才開始引起人們的關(guān)注。這些天文現(xiàn)象主要是指：月球坑坑洼洼并非像古希臘人想象的那般完美，太陽存在黑子（從而天界或 “月上界”并非不變），木衛(wèi)體系的發(fā)現(xiàn)直接說明了地球不是唯一中心，金星完整相變的發(fā)現(xiàn)也暴露了托勒密體系的錯(cuò)誤。然而，由于哥白尼的日心說所得的數(shù)據(jù)和托勒密體系的數(shù)據(jù)都不能與第谷的觀測(cè)相吻合，因此日心說此時(shí)仍不具優(yōu)勢(shì)。直至開普勒以橢圓軌道取代圓形軌道修正了日心說之后，日心說在于地心說的競(jìng)爭(zhēng)中才取得了真正的勝利。觀點(diǎn) 哥白尼為闡述自己關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說的基本思想撰寫題為《短論》的論文。他規(guī)定地球有三種運(yùn)動(dòng)：一種是繞地軸的周日自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ；一種是環(huán)繞太陽的周年運(yùn)動(dòng)；一種是用以使得被認(rèn)為鑲嵌在天球上的地球在繞日公轉(zhuǎn)過程中能夠保持地軸的指向不變的地軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。哥白尼在他的《天體運(yùn)行論》一書中認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)必須滿足以下七點(diǎn)：不存在一個(gè)所有天體軌道或天體的共同的中心；地球只是月球軌道的中心，并不是宇宙的中心；所有天體都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，宇宙的中心在太陽附近；地球到太陽的距離同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何運(yùn)動(dòng)，都是地球運(yùn)動(dòng)引起的；日心說 日心說 人們看到的行星向前和向后運(yùn)動(dòng)，是由于地球運(yùn)動(dòng)引起的。地球的運(yùn)動(dòng)足以解釋人們?cè)诳罩幸姷降母鞣N現(xiàn)象；哥白尼用以支持他的學(xué)說的論據(jù)，主要屬于數(shù)學(xué)性質(zhì)。他認(rèn)為一個(gè)科學(xué)學(xué)說是從某些假說引申出來的一組觀念。他認(rèn)為真正的假說或者定理必須能夠做到下面兩件事情：它們必須能夠說明天體所觀測(cè)到的運(yùn)動(dòng)。它們必須不能違背畢達(dá)哥拉斯關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)是圓周的和均勻的論斷。當(dāng)時(shí)有許多反對(duì)的觀點(diǎn)，但是哥白尼用當(dāng)時(shí)的知識(shí)進(jìn)行了反駁。反對(duì)理由：如果地球在轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣就會(huì)落在后面，而形成一股持久的東風(fēng)。哥白尼答復(fù)：空氣含有土微粒，和土地是同一性質(zhì)，因此逼得空氣要跟著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。空氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沒有阻力是因?yàn)榭諝夂筒粩噢D(zhuǎn)動(dòng)的地球是連接著的。反對(duì)理由：一塊石子向上拋去，就會(huì)被地球的轉(zhuǎn)動(dòng)拋在后面，而落在拋擲點(diǎn)的西面。哥白尼答復(fù)：由于受到本身重量壓力的物體主要屬于泥土性質(zhì)，所以各個(gè)部分毫無疑問和它們的整體保持同樣的性質(zhì)。反對(duì)理由：如果地球轉(zhuǎn)動(dòng)，它就會(huì)因離心力的作用變得土崩瓦解。如果地球不轉(zhuǎn)動(dòng)，那么像恒星那些更龐大的星球就必須以極大的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，這一來恒星就很容易被離心力拉得粉碎。哥白尼答復(fù)：離心力只在非天然的人為運(yùn)動(dòng)中找得到，而在天然的運(yùn)動(dòng)中，如地球和天體的運(yùn)動(dòng)中，則是找不到的。[2] 地心說 地心說 地心說 地心說是長(zhǎng)期盛行于古代歐洲的宇宙學(xué)說。它最初由古希臘學(xué)者歐多克斯（提出“同心球”模型）提出，后經(jīng)亞里士多德、托勒密進(jìn)一步發(fā)展而逐漸建立和完善起來。托勒密認(rèn)為，地球處于宇宙中心靜止不動(dòng)。從地球向外，依次有月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星，在各自的圓軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，行星的運(yùn)動(dòng)要比太陽、月球復(fù)雜些：行星在本輪上運(yùn)動(dòng)，而本輪又沿均輪繞地運(yùn)行。在太陽、月球行星之外，是鑲嵌著所有恒星的天球——恒星天。再外面，是推動(dòng)天體運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)天。地心說是世界上第一個(gè)行星體系模型。盡管它把地球當(dāng)作宇宙中心是錯(cuò)誤的，然而它的歷史功績(jī)不應(yīng)抹殺。地心說承認(rèn)地球是“球形”的，并把行星從恒星中區(qū)別出來，著眼于探索和揭示行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這標(biāo)志著人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的一大進(jìn)步。地心說最重要的成就是運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算行星的運(yùn)行，托勒密還第一次提出“運(yùn)行軌道”的概念，設(shè)計(jì)出了一個(gè)本輪均輪模型。按照這個(gè)模型，人們能夠?qū)π行堑倪\(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量計(jì)算，推測(cè)行星所在的位置，這是一個(gè)了不起的創(chuàng)造。在一定時(shí)期里，依據(jù)這個(gè)模型可以在一定程度上正確地預(yù)測(cè)天象，因而在生產(chǎn)實(shí)踐中也起過一定的作用。地心說中的本輪均輪模型，畢竟是托勒密根據(jù)有限的觀察資料拼湊出來的，他是通過人為地規(guī)定本輪、均輪的大小及行星運(yùn)行速度，才使這個(gè)模型和實(shí)測(cè)結(jié)果取得一致。但是，到了中世紀(jì)后期，隨著觀察儀器的不斷改進(jìn)，行星位置和運(yùn)動(dòng)的測(cè)量越來越精確，觀測(cè)到的行星實(shí)際位置同這個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果的偏差，就逐漸顯露出來了。但是，信奉地心說的人們并沒有認(rèn)識(shí)到這是由于地心說本身的錯(cuò)誤造成的，卻用增加本輪的辦法來補(bǔ)救地心說。當(dāng)初這種辦法還能勉強(qiáng)應(yīng)付，后來小本輪增加到80多個(gè)，但仍不能滿意地計(jì)算出行星的準(zhǔn)確位置。這不能不使人懷疑地心說的正確性了。到了16世紀(jì)，哥白尼在持日心地動(dòng)觀的古希臘先輩和同時(shí)代學(xué)者的基礎(chǔ)上，終于創(chuàng)立了“日心說”。從此，地心說便逐漸被淘汰了。簡(jiǎn)單的說,“地心說”就是以地球?yàn)橛钪娴闹行?“日心說”是以太陽為宇宙的中心。創(chuàng)立編輯 哥白尼提出 1499年，哥白尼畢業(yè)于意大利的博洛尼亞大學(xué)，任天主教教士。他回到波蘭跟叔父一起工作。其叔父，瓦茨 日心說 日心說 恩羅德，是費(fèi)瑯堡天主教大教堂的主教。哥白尼當(dāng)時(shí)住在教堂的頂樓，因此可以長(zhǎng)期進(jìn)行天文觀測(cè)。那個(gè)時(shí)候，人們相信的是1500多年前希臘科學(xué)家托勒密創(chuàng)立的宇宙模式。托勒密認(rèn)為地球是宇宙的中心且靜止不動(dòng)，日、月、行星和恒星均圍繞地球運(yùn)動(dòng)，而恒星遠(yuǎn)離地球，位于太空這個(gè)巨型球體之外。然而，經(jīng)仔細(xì)觀測(cè)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)行星運(yùn)行規(guī)律與托勒密的宇宙模式不吻合。一些科學(xué)家修正了托勒密的宇宙軌道學(xué)說，在原有的軌道（或稱小天體軌道）上又增加了更多的天體運(yùn)行軌道。這一模式稱每顆行星都沿著一個(gè)小軌道作圓周運(yùn)行，而小軌道又沿著該行星的大軌道繞地球作圓周運(yùn)動(dòng)。幾百年之后，這一模式的漏洞越來越明顯。科學(xué)家們又在這個(gè)模式上增加了許多軌道，行星就這樣沿著一道又一道的軌道作圓周運(yùn)動(dòng)。哥白尼想用“現(xiàn)代”（16世紀(jì)的）技術(shù)來改進(jìn)托勒密的測(cè)量結(jié)果，以期取消一些小軌道。在長(zhǎng)達(dá)近20年的時(shí)間里，哥白尼不辭辛勞日夜測(cè)量行星的位置，但其測(cè)量獲得的結(jié)果仍然與托勒密的天體運(yùn)行模式?jīng)]有多少差別。哥白尼想知道在另一個(gè)運(yùn)行著的行星上觀察這些行星的運(yùn)行情況會(huì)是什么樣的。基于這種設(shè)想，哥白尼萌發(fā)了一個(gè)念頭：假如地球在運(yùn)行中，那么這些行星的運(yùn)行看上去會(huì)是什么情況呢？這一設(shè)想在他腦海里變得清晰起來了。一年里，哥白尼在不同的時(shí)間、不同的距離從地球上觀察行星，每一個(gè)行星的情況都不相同，這是他意識(shí)到地球不可能位于星星軌道的中心。經(jīng)過20年的觀測(cè)，哥白尼發(fā)現(xiàn)唯獨(dú)太陽的周年變化不明顯。這意味著地球和太陽的距離始終沒有改變。如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太陽。他立刻想到如果把太陽放在宇宙的中心位置，那么地球就該繞著太陽運(yùn)行。這樣他就可以取消所有的小圓軌道模式，直接讓所有的已知行星圍繞太陽作圓周運(yùn)動(dòng)。然而，人們是否能接受哥白尼提出的新的宇宙模式呢？全世界的人——尤其是權(quán)力極大的天主教會(huì)是否相信太陽是宇宙中心這一說法呢？由于害怕教會(huì)的懲罰，哥白尼在世時(shí)不敢公開他的發(fā)現(xiàn)。1543年，這一發(fā)現(xiàn)才公諸天下。即使在那個(gè)時(shí)候，哥白尼的發(fā)現(xiàn)還不斷受到教會(huì)、大學(xué)等機(jī)構(gòu)與天文學(xué)家的蔑視和嘲笑。終于，在60年后，約翰尼斯·開普勒和伽利略·伽利雷證明了哥白尼是正確的。[3] 阿里斯塔克斯提倡 阿里斯塔克斯（Aristarchus, 約公元前 310年- 約公元前230年），是人類歷史上有記載的首位提倡日心說的天文學(xué)者，是古希臘時(shí)期、也是人類歷史上有記載的最偉大的天文學(xué)家，數(shù)學(xué)家。他生于古希臘薩摩斯島。他將太陽而不是地球放置在整個(gè)已知宇宙的中心，他是人類歴史上有記載的最早期的日心說的提倡者之一。但是在當(dāng)時(shí)的古希臘、他的宇宙觀和杰出的智慧并未能被當(dāng)時(shí)的人們所理解，并被亞里士多德和托勒密的才華之光芒所掩蓋，直到16世紀(jì)（約1760年以后），哥白尼才很好地發(fā)展和完善了阿里斯塔克斯的宇宙觀和理論。古希臘天文學(xué)晚期最著名的是亞歷山大學(xué)派，阿里斯塔克斯是這一學(xué)派早期的代表人物。他的大部分著作至今已失傳，流傳至今的唯一著作，就是關(guān)于太陽和月球的體積以及到地球的距離的論著，但是，通過其他人的引證，可以知道他還寫了另一本書，在書中他發(fā)展了一個(gè)變通的日心說的模型。在該文中，他敘述了從日食、月食中月球和地球的陰影比例大小，推測(cè)出太陽實(shí)際上比地球大得多、月球比地球小。又由月球在上弦和下弦間的夾角，推測(cè)出太陽距離地球是月球距離地球的十倍。阿里斯塔克斯認(rèn)為太陽，月球和地球在每個(gè)月的首個(gè)或最后的四分之一時(shí)期內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)近似的直角三角形。他估計(jì)最大角約為87°。盡管他應(yīng)用的幾何理論沒有錯(cuò)，但由于觀測(cè)數(shù)據(jù)有偏差，他得出了日地距離是月地距離的20倍的結(jié)論。事實(shí)上，前者是后者的390倍。阿里斯塔克斯指出，月球和太陽有幾乎相同的視角，因此他們的直徑與他們到地球的距離是成正比的。這符合邏輯。阿里斯塔克斯指出了太陽明顯大于地球，恰恰可以用來證明日心說模型。阿里斯塔克斯觀察到月球穿過地球的陰影需要一個(gè)恒星月的時(shí)間。因此他估計(jì)到地球的直徑是月球的三倍。根據(jù)埃拉托色尼所計(jì)算的42000公里的地球周長(zhǎng)，他認(rèn)為月球的周長(zhǎng)應(yīng)為14000公里。事實(shí)上，月球的周長(zhǎng)約為10916公里。阿里斯塔克斯還認(rèn)為一個(gè)大的東西不應(yīng)該繞小的東西轉(zhuǎn)動(dòng)，于是他提出了“日心地動(dòng)說”（可惜未被當(dāng)代人接受）。他認(rèn)為地球一方面每天自西向東轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)致天體的東升西落景象。另一方面它又在一年中繞太陽公轉(zhuǎn)一周，水、金、火、木、土等行星也是一樣繞著太陽公轉(zhuǎn)。他還認(rèn)為與地球繞日公轉(zhuǎn)的軌道直徑相比，恒星幾乎在無限遠(yuǎn)處。因此無法看到由于地球公轉(zhuǎn)而造成的恒星視差現(xiàn)象。關(guān)于阿里斯塔克斯的日心說 阿里斯塔克斯提出日心論的論文已經(jīng)遺失。我們之所以知道它的存在，是因?yàn)橐恍┖蟠鷮W(xué)者曾經(jīng)提起，其中最著名的是阿基米德與普魯塔克（Plutarch）。阿基米德指出阿里斯塔克斯日心宇宙模型的重點(diǎn)為：* 太陽與固定的恒星不會(huì)運(yùn)動(dòng)。* 地球繞太陽運(yùn)行。* 地球的軌道為圓形。* 太陽位于該圓的中心。* 固定的恒星距離太陽與地球極為遙遠(yuǎn)。羅馬歷史學(xué)家普魯塔克在兩個(gè)世紀(jì)之后，于論述中提供了更多的細(xì)節(jié)。他告訴我們，阿里斯塔克斯認(rèn)為是由于地球每日一周地旋轉(zhuǎn)，給予我們天空繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的印象。因此，阿里斯塔克顯然了解地球是球體，而天空看起來像在旋轉(zhuǎn)，其實(shí)是地球每日的旋轉(zhuǎn)所造成的。這或許可以解釋為什么一般會(huì)認(rèn)為他是新型天文儀器skaphe的發(fā)明者，skaphe是一種碗狀日晷，與源自巴比倫人的平面日晷（gnomons）不同，skaphe可正確地追蹤太陽在天空中移動(dòng)的路徑。普魯塔克也告訴我們，阿里斯塔克教導(dǎo)地球沿著“太陽圓周”運(yùn)行的觀念，此即為太陽黃道（ecliptic）的觀念。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，阿里斯塔克斯在把地球視為行星后，也將其他行星放到環(huán)繞太陽運(yùn)行的軌道上。阿里斯塔克斯知道他的模型將大幅增加宇宙的大小。若地球并未移動(dòng)，那恒星就可能落在太陽、月球與行星之外。但若地球沿巨大的圓周繞太陽移動(dòng)，它有時(shí)會(huì)比較靠近某些恒星，有時(shí)又會(huì)離它們較遠(yuǎn)。除非恒星距離地球極遠(yuǎn)，否則在地球靠近或遠(yuǎn)離恒星群時(shí)，它們看起來應(yīng)該會(huì)擴(kuò)大或縮小。但是由于并未發(fā)生這種現(xiàn)象，因此地球必然是在極大的宇宙中不斷運(yùn)動(dòng)。不幸的是，阿里斯塔克斯的宇宙觀和理論，當(dāng)時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在時(shí)代的前面，因而得不到一般公眾的承認(rèn)，克雷安德斯竟要求希臘人控告阿里斯塔克斯的瀆神之罪。之后阿里斯塔克斯的思想學(xué)說就像珍貴的戒指被扔入大海般消失無蹤。直到哥白尼的出現(xiàn)。伽利略的論證 伽利略是通過數(shù)學(xué)邏輯相信哥白尼。這一點(diǎn)與布魯諾沒有區(qū)別。同時(shí)，伽利略發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，一定程度證明了哥白尼的正確。但是，在羅馬宗教事務(wù)所組織的學(xué)術(shù)討論中，伽利略沒有戰(zhàn)勝自己的對(duì)手，導(dǎo)致了最后的悲劇：當(dāng)時(shí)“地球繞太陽”和“太陽繞地球”都有科學(xué)證據(jù)，而伽利略學(xué)說的破綻之一，是科學(xué)家探測(cè)不到“斗轉(zhuǎn)星移”（Stellar Parallax）的現(xiàn)象。什么是斗轉(zhuǎn)星移呢？這名堂十分嚇人，其實(shí)意思很簡(jiǎn)單。如圖一顯示，假設(shè)星星 A 和星星 B 懸浮在太空中，我在地球表面之觀察點(diǎn) 1 仰望星星 A 和星星 B 時(shí)，它們的距離好像十分接近，如果地球自轉(zhuǎn)，即使我站在原地不動(dòng)，我將會(huì)隨著地球移動(dòng)而去了觀察點(diǎn) 2 ，由觀察點(diǎn) 2 看同樣兩顆星星，它們的相對(duì)位置便會(huì)改變，由角度 Y 比角度 X 大就可以知道。換言之，如果發(fā)現(xiàn)有斗轉(zhuǎn)星移的現(xiàn)象，那么地球轉(zhuǎn)動(dòng)就可以成立；假若沒有斗轉(zhuǎn)星移，地球應(yīng)該是在固定地方。十六世紀(jì)時(shí)天文學(xué)家泰高．巴希（Tycho Brahe）以當(dāng)時(shí)最精密的儀器，去探測(cè)是否有“斗轉(zhuǎn)星移”，可是看來群星的相對(duì)位置和距離好像沒有改變，因此地球轉(zhuǎn)動(dòng)之說不被接納。但是，伽利略指導(dǎo)數(shù)學(xué)原則的價(jià)值。他始終相信日心說。意義編輯 地心說的錯(cuò)誤 哥白尼的“日心說”發(fā)表之前，“地心說”在中世紀(jì)的歐洲一直居于統(tǒng)治地位。自古以來，人類就對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)不斷地進(jìn)行著思考，早在古希臘時(shí)代就有哲學(xué)家提出了地球在運(yùn)動(dòng)的主張，只是當(dāng)時(shí)缺乏依據(jù)，因此沒有得到人們的認(rèn)可。在古代歐洲，亞里士多德和托勒密主張“地心說”，認(rèn)為地球是靜止不動(dòng)的，其他的星體都圍著地球這一宇宙中心旋轉(zhuǎn)。這個(gè)學(xué)說的提出與基督教《圣經(jīng)》中關(guān)于天堂、人間、地獄的說法剛好互相吻合，處于統(tǒng)治地位的教廷便竭力支持地心學(xué)說，把“地心說”和上帝創(chuàng)造世界融為一體，用來愚弄人們，維護(hù)自己的統(tǒng)治。因而“地心學(xué)”說被教會(huì)奉為和《圣經(jīng)》一樣的經(jīng)典，長(zhǎng)期居于統(tǒng)治地位。隨著事物的不斷發(fā)展，天文觀測(cè)的精確度漸漸提高，人們逐漸發(fā)現(xiàn)了地心學(xué)說的破綻。到文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)時(shí)期，人們發(fā)現(xiàn)托勒密所提出的均輪和本輪的數(shù)目竟多達(dá)八十個(gè)左右，這顯然是不合理、不科學(xué)的。人們期待著能有一種科學(xué)的天體系統(tǒng)取代地心說。在這種歷史背景下，哥白尼的地動(dòng)學(xué)說應(yīng)運(yùn)而生了。約在1515年前，哥白尼為闡述自己關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)學(xué)說的基本思想撰寫了篇題為《淺說》的論文，他認(rèn)為天體運(yùn)動(dòng)必須滿足以下七點(diǎn)：不存在一個(gè)所有天體軌道或天體的共同的中心；地球只是引力中心和月球軌道的中心，并不是宇宙的中心；所有天體都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，宇宙的中心在太陽附近；地球到太陽的距離同天穹高度之比是微不足道的；在天空中看到的任何運(yùn)動(dòng)，都是地球運(yùn)動(dòng)引起的，在空中看到的太陽運(yùn)動(dòng)的一切現(xiàn)象，都不是它本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，而是地球運(yùn)動(dòng)引起的，地球同時(shí)進(jìn)行著幾種運(yùn)動(dòng)；人們看到的行星向前和向后運(yùn)動(dòng)， 日心說 日心說 是由于地球運(yùn)動(dòng)引起的。地球的運(yùn)動(dòng)足以解釋人們?cè)诳罩幸姷降母鞣N現(xiàn)象了。此外，哥白尼還描述了太陽、月球、三顆外行星(土星、木星和火星)和兩顆內(nèi)行星(金星、水星)的視運(yùn)動(dòng)。書中，哥白尼批判了托勒密的理論，科學(xué)地闡明了天體運(yùn)行的現(xiàn)象，推翻了長(zhǎng)期以來居于統(tǒng)治地位的地心說，并從根本上否定了基督教關(guān)于上帝創(chuàng)造一切的謬論，從而實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)中的根本變革。他正確地論述了地球繞其軸心運(yùn)轉(zhuǎn)、月亮繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)、地球和其他所有行星都繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的事實(shí)。但是他也和前人一樣嚴(yán)重低估了太陽系的規(guī)模。他認(rèn)為星體運(yùn)行的軌道是一系列的同心圓，這當(dāng)然是錯(cuò)誤的。他的學(xué)說里的數(shù)學(xué)運(yùn)算很復(fù)雜也很不準(zhǔn)確。但是他的書立即引起了極大的關(guān)注，驅(qū)使一些其他天文學(xué)家對(duì)行星運(yùn)動(dòng)作更為準(zhǔn)確的觀察，其中最著名的是丹麥偉大的天文學(xué)家泰壽·勃萊荷，開普勒就是根據(jù)泰壽積累的觀察資料，最終推導(dǎo)出了星體運(yùn)行的正確規(guī)律。這是一個(gè)前所未聞的開創(chuàng)新紀(jì)元的學(xué)說，對(duì)于千百年來學(xué)界奉為定論的托勒密地球中心說無疑是當(dāng)頭一棒。雖然阿里斯塔克斯比哥白尼提出日心學(xué)說早1700多年，但是事實(shí)上哥白尼得到了這一盛譽(yù)。阿里斯塔克斯只是憑借靈感做了一個(gè)猜想，并沒有加以詳細(xì)的討論，因而他的學(xué)說在科學(xué)上毫無用處。哥白尼逐個(gè)解決了猜想中的數(shù)學(xué)問題后，就把它變成了有用的科學(xué)學(xué)說──一種可以用來做預(yù)測(cè)的學(xué)說，通過對(duì)天體觀察結(jié)果的檢驗(yàn)并與地球是宇宙中心的舊學(xué)說的比較，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的重大意義。顯然哥白尼的學(xué)說是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的革命，它使人們的整個(gè)世界觀都發(fā)生了重大變化。但是在估價(jià)哥白尼的影響時(shí)，我們還應(yīng)該注意到，天文學(xué)的應(yīng)用范圍不如物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)那樣廣泛。從理論上來講，人們即使對(duì)哥白尼學(xué)說的知識(shí)和應(yīng)用一竅不通，也會(huì)造出電視機(jī)、汽車和現(xiàn)代化學(xué)廠之類的東西。但是不應(yīng)用法拉第、麥克斯韋、拉瓦錫和牛頓的學(xué)說則是不可想象的。僅僅考慮哥白尼學(xué)說對(duì)技術(shù)的影響就會(huì)完全忽略它的真正意義。哥白尼的書對(duì)伽利略和開普勒的工作是一個(gè)不可缺少的序幕。他倆又成了牛頓的主要前輩。是這兩者的發(fā)現(xiàn)才使牛頓有能力確定運(yùn)動(dòng)定律和萬有引力定律。哥白尼的日心宇宙體系既然是時(shí)代的產(chǎn)物，它就不能不受到時(shí)代的限制。反對(duì)神學(xué)的不徹底性，同時(shí)表現(xiàn)在哥白尼的某些觀點(diǎn)上，他的體系是存在缺陷的。哥白尼所指的宇宙是局限在一個(gè)小的范圍內(nèi)的，具體來說，他的宇宙結(jié)構(gòu)就是今天我們所熟知的太陽系，即以太陽為中心的天體系統(tǒng)。宇宙既然有它的中心，就必須有它的邊界，哥白尼雖然否定了托勒玫的“九重天”，但他卻保留了一層恒星天，盡管他回避了宇宙是否有限這個(gè)問題，但實(shí)際上他是相信恒星天球是宇宙的“外殼”，他仍然相信天體只能按照所謂完美的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，所以哥白尼的宇宙體系，仍然包含著不動(dòng)的中心天體。但是作為近代自然科學(xué)的奠基人，哥白尼的歷史功績(jī)是偉大的。確認(rèn)地球不是宇宙的中心，而是行星之一，從而掀起了一場(chǎng)天文學(xué)上根本性的革命，是人類探求客觀真理道路上的里程碑。哥白尼的偉大成就，不僅鋪平了通向近代天文學(xué)的道路，而且開創(chuàng)了整個(gè)自然界科學(xué)向前邁進(jìn)的新時(shí)代。從哥白尼時(shí)代起，脫離教會(huì)束縛的自然科學(xué)和哲學(xué)開始獲得飛躍的發(fā)展。哥白尼的科學(xué)成就，是他所處時(shí)代的產(chǎn)物，又轉(zhuǎn)過來推動(dòng)了時(shí)代的發(fā)展。順應(yīng)時(shí)代變化 十五、六世紀(jì)的歐洲，正是從封建社會(huì)向資本主義社會(huì)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，在這一二百年間，社會(huì)發(fā)生了巨大的變化。14世紀(jì)以前的歐洲，到處是四分五裂的小城邦。后來，隨著城市工商業(yè)的興起，特別是采礦和冶金業(yè)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新興的大城市，小城邦有了聯(lián)合起來組成國(guó)家的趨勢(shì)。到 15世紀(jì)末葉，在許多國(guó)家里都出現(xiàn)了基本上是中央集權(quán)的君主政體。當(dāng)時(shí)的波蘭不僅有像克拉科夫、波茲南這樣的大城市，也有許多手工業(yè)興盛的城市。1526年歸并于波蘭的華沙已成為一個(gè)重要的商業(yè)、政治、文化和地理的中心，在16世紀(jì)末成了波蘭國(guó)家的首都。與這種政治經(jīng)濟(jì)變革相適應(yīng)，文化、科學(xué)上也開始有所反映。當(dāng)時(shí)，歐洲是“政教合一”，羅馬教廷控制了許多國(guó)家，圣經(jīng)被宣布為至高無上的真理，凡是違背圣經(jīng)的學(xué)說，都被斥為“異端邪說”，凡是反對(duì)神權(quán)統(tǒng)治的人，都被處以火刑。新興的資產(chǎn)階級(jí)為自己的生存和發(fā)展，掀起了一場(chǎng)反對(duì)封建制度和教會(huì)迷信思想的斗爭(zhēng)，出現(xiàn)了人文主義的思潮。他們使用的戰(zhàn)斗武器，就是未被神學(xué)染污的古希臘的哲學(xué)、科學(xué)和文藝。這就是震撼歐洲的文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)。文藝復(fù)興首先發(fā)生于意大利，很快就擴(kuò)大到波蘭及歐洲其他國(guó)家。與此同時(shí)，商業(yè)的活躍也促進(jìn)了對(duì)外貿(mào)易的發(fā)展。在“黃金”這個(gè)符咒的驅(qū)使下，許多歐洲冒險(xiǎn)者遠(yuǎn)航非洲、印度及整個(gè)遠(yuǎn)東地區(qū)。遠(yuǎn)洋航行需要豐富的天文和地理知識(shí)，從實(shí)際中積累起來的觀測(cè)資料，使人們感到當(dāng)時(shí)流行的“地靜天動(dòng)”的宇宙學(xué)說值得懷疑，這就要求人們進(jìn)一步去探索宇宙的秘密，從而推進(jìn)了天文學(xué)和地理學(xué)的發(fā)展。1492年，意大利著名的航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，麥哲倫和他的同伴繞地球一周，證明地球是圓形的，使人們開始真正認(rèn)識(shí)地球。[4] 對(duì)他國(guó)的影響 在教會(huì)嚴(yán)密控制下的中世紀(jì)，也發(fā)生過轟轟烈烈的宗教革命。因?yàn)樘熘鹘痰暮芏嘟塘x不符合圣經(jīng)的教誨，而加入了太多教皇的個(gè)人意志以及各類神學(xué)家的自身成果，所以很多信徒開始質(zhì)疑天主教的教義和組織，發(fā)起回歸圣經(jīng)的行動(dòng)來。捷克的愛國(guó)主義者、布拉格大學(xué)校長(zhǎng)揚(yáng)·胡斯（1369～1415年）在君士坦丁堡的宗教會(huì)議上公開譴責(zé)德意志封建主與天主教會(huì)對(duì)捷克的壓迫和剝削。他雖然被反動(dòng)教會(huì)處以火刑，但他的革命活動(dòng)在社會(huì)上引起了強(qiáng)烈的反應(yīng)。捷克農(nóng)民在胡斯黨人的旗幟下舉行起義，這次運(yùn)動(dòng)也波及波蘭。1517年，在德國(guó)，馬丁·路德（1483～1546年）反對(duì)教會(huì)販賣贖罪符，與羅馬教皇公開決裂。1521年，路德又在沃爾姆國(guó)會(huì)上揭露羅馬教廷的罪惡，并提出建立基督教新教的主張。新教的教義得到許多國(guó)家的支持，波蘭也深受影響。