地球绕着太阳转

　　我们的世界，从诞生以来就一直围绕着一个巨大的火球年复一年地转动，永不止息。

　　这并不是显而易见的事实——人类从地球获得的经验恰恰与此相反——大地似乎才是亘古不变、稳定不动的，太阳从东方升起，从西方落下，划分日夜。太阳的地位在古代神话中也有所反映，它往往扮演了一个对人世重要但对天庭无关紧要的角色。例如，在希腊神话中，太阳仅仅是阿波罗（Apollo）手中的金球；在中国古代神话中，太阳也不过是天神的马车上的车轮。在人类的日常经验中，太阳和月球的大小似乎相差不多。这也对人类认识太阳和地球的关系造成了障碍。人们自然而然会觉得太阳和月球是地位类似的天体，因为从视觉上来说，它们都在离地球差不多遥远的地方。

　　为了研究天体运动，古希腊天文学家提出了“天球”的概念。这是一个假想的球面，以观察者或者地球的中心为中心。日月和夜晚的星辰，都可以在这个球面上标出来。大多数星辰在天球上的相对位置似乎永远不变，因此被称作恒星。星空以一年为周期围绕地球转动。对北半球中纬度的观测者来说，每年的夏夜，他们总是在天顶附近看到明亮的织女星和牛郎星隔着银河相望。到了冬季，整个天空最亮的恒星——天狼星就会如约出现在东南方向。古希腊天文学家将夜空中的恒星划分为不同的星座以方便人们记忆。每年的同一个夜晚，天空中出现的星座总是相同的（整个天空有88个不同的星座）。

　　太阳和其他恒星不同，它在天球上的位置会移动。如果我们让大地变成透明的，并且暂时抽去地球上的大气，我们就可以在任何时刻看见整个天空的星辰。我们会发现，4月的时候，太阳和白羊座的恒星待在一起，8月的时候会移动到狮子座，而隆冬12月时则从蛇夫座移入人马座。每一年，太阳都会沿着这条线路走一圈，途经13个星座1。太阳在天球上的这条路径被称作黄道，相对应的星座有时被称作黄道星座。

　　除了月亮，在天球上还有5个天体的行为明显有别于恒星，它们就是水星、金星、火星、木星、土星。这5个天体都明亮而容易用肉眼观察。尤其金星，是夜空中仅次于月亮的明亮天体，比夜空中最亮的恒星天狼星明亮20倍。人们称这五颗亮星为“行星”，因为和静止不动的恒星不同，它们在天球上的运动显而易见。例如，木星以12年为一周期在天球上运转。中国古代天文学家将其称作岁星，并以此为基础制定了地支纪年。

　　如何理解这些天体的运动？古希腊天文学家认为，宇宙实际上是由一系列同心圆构成，地球处在圆心，太阳、月亮、水星、金星、火星、木星、土星，每一个天体占据了一层宇宙，在同心圆上绕着地球转动。而其他星体则集体在最外层占据了一个球面，这个球面绕着天轴转动。这种宇宙观反映了当时的哲学理念：宇宙应该是完美的，天体系统应该永恒平稳地运转。

　　太阳系的边疆

　　天王星的发现使得天文学家猜测，可能还有大的行星存在于太阳系外围。毕竟太阳的质量非常大，比所有大行星的质量加起来还要大数百倍，完全可以在几十倍日地距离的地方控制更多的天体。可以预想到，天王星之外的大行星可能比天王星看起来更加暗淡，公转周期也更长，但天文学家还是可以通过细致的巡天观测来寻找可疑的候选者。

　　然而，令人感到意外的是，下一颗大行星存在的证据却是由一个数学家发现的，而线索就藏在天王星的运动数据中。在开普勒的太阳系模型中，大行星都在自己的椭圆轨道上规矩地运行，互相毫不干涉。另外，我们知道这只是一种对实际情况的简化。因为牛顿的引力定律指出任何两个天体之间都会存在互相吸引的力。不同的行星公转周期不同，因此相互间会周期性地靠近。当两颗大行星靠近彼此时，它们的引力就会使得对方都稍微偏离完美的椭圆轨道，这种偏离被称作“摄动”。

　　海王星的发现则要归功于法国天文学家奥本·尚·约瑟夫·勒维耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）杰出的数学能力。在发现天王星后，一些数学家和天文学家意识到天王星的轨道似乎受到了另一个大行星的干扰。勒维耶精确地计算出了这个可能天体的大小、轨道和应该出现的位置。在他的再三请求下，柏林天文台在他预测的位置发现了这个大行星，勒维耶根据其他行星命名的惯例，用海洋之神海——神尼普顿（Neptune）的名字命名其为海王星。

　　水星、金星、地球和火星一般被称为类地行星。顾名思义，这类行星像地球一样，有坚实的表面，并且都有铁质的核心。而木星、土星、海王星和天王星则是比地球巨大得多的行星。在过去，人们曾笼统地将这四颗行星称作类木行星，但现在我们已经知道这些行星可以分为两类：木星和土星这样的主要成分是氢、氦元素的“气态巨行星”；海王星、天王星这样的主要由冰冻的水、氨与甲烷构成的“冰巨星”。

　　在海王星外是否还有大行星存在？我们至今还没有发现。1930年，美国科学家克莱德·威廉·汤博（clyde william tombaugh）发现了冥王星。这是一个太阳系外围的小天体，距离太阳约40倍日地距离，质量只有月球的1／6。在之后的70多年里，冥王星被定义为太阳的第九大行星。但人们从一开始就发现，冥王星和其他八大行星有很多不同。

　　银河的形状

　　如果我们用看待天体的眼光来看待恒星，我们就会发现它们距离地球非常遥远，因为恒星在天球上的位置几乎不发生改变。汽车的速度远不如飞机，但是人们会觉得近处的汽车飞驰而过，而飞机却在天空中缓缓划过。这种感觉上的差别正是由于两者之间的距离差异造成的。恒星和行星也是如此，恒星的运动速度实际上比行星要快得多，但是，由于恒星距离我们非常遥远，我们几乎感觉不到它的运动。

　　夜空中的恒星是否也有远近之分，还是均匀地分布在一个球面上？这样的问题不需要专业的望远镜，我们也可以通过个人经验做出一些判断。在夜空中，恒星的分布在各个方向基本均匀，只有在银河的方向恒星的分布才非常密集，形成横亘天空的亮带。不论在盛夏还是寒冬，我们都可以看到银河。很容易想象，银河的三维形态应该是一个扁平的盘状分布。太阳系就在银河系的盘面上。在地球的不同季节，我们在夜空中看到的银河，便是这个恒星盘的不同部分。