哥白尼的革命
看著日昇日落，四季輪迴，日出有盼，日落有念，東西方的古人都直觀地形成了地心說的宇宙觀。
地心說從西元前的古希臘一直到十五世紀的歐洲，占據了主流地位。
但是這個學說在解釋行星的逆行軌道（Retrograde）時遇到了困難。人們在觀察星空的時候，以星座背景做參考，發現金星、水星、木星、火星、土星的運行軌跡很「奇葩」。比如，原本好好的向東運行，有時會先停下，後退向西運行幾天，然後又恢復正常由西向東運動。這種「倒行逆施」和當時人們心目中最完美的圓形相差甚遠，成為一個謎團，也是地心說最無法解釋的現象。
到了十五世紀，哥白尼發現地心說的體系太複雜了，好比走到了死胡同。他就跳出原來的思維框子，想道：如果地球不是中心，而太陽是中心的話，會是什麼樣的情況呢？
在這種情況下，地球和其他行星都繞著太陽運行。我們從地球上看其他行星，將會怎麼樣？
哥白尼透過建立模型和計算，發現如何解釋行星逆行的難題一下子迎刃而解了。
如果地球和火星都在繞太陽運行，而且兩者的運行速度不一樣。地球跑得快，火星轉得慢。地球自然會在某個時間點超過火星，這個時候，地球上的人以星空作為背景，就會產生火星在逆行（倒退著飛行）的錯覺。
看看示意圖便一目了然。當地球在軌道點1、2、3點時，火星在前面，火星在夜空的投影顯示它是一直在往東飛行，是為「順行」。
從即將追上的點4，到擦肩而過的點5，和揮手告別的點6，地球超越了火星，火星在夜空的投影顯示它轉而向西飛行，是為「逆行」。
我們可以打一個比方，在哥白尼的理論體系中，地球是快馬，而火星是老牛。快馬超過老牛的時候，騎在快馬上的人就會覺得牛好像在後退（逆行）。
所以，火星在夜空背景上的運動，實際上是一種「視運動」——視覺上看上去是這個樣子的運動，其實並不是火星真正的運動軌跡。它是一種視覺上的錯覺，是因為地球和火星的繞行速度不一樣而造成的。
從「地心」轉向「日心」，從「日動」轉向「地動」，顛覆的是思維的天地和認知的宇宙。在哥白尼故鄉有一座他的雕像，座基上寫著「他讓地球轉動，令太陽和天空靜止」。
愛因斯坦說：「宇宙的永恆之謎在於其可理解性，宇宙能被理解是個奇蹟。」這個奇蹟要歸功於人類的科學思維和推理能力。我們在這本書中，除了宇宙學知識之外，還要傳播這種科學思維和探索精神。
我們來看哥白尼的科學推理三步：
1.提出問題（Raise a Question）：現有的理論有什麼不完善的地方，有什麼缺陷？要有敏銳的觀察，要有質疑的精神，要有批判性思維。
2.亮出觀點（Make a Point）：打破常規思考，提出新的假說。
3.推理驗證（Prove It）：證明有兩個方面：一是用數學模型推導證明，二是用實驗和觀測驗證，實證的論據越多，說明假說越可信。
這種科學的方法，將觀察、實驗和數學相結合，透過伽利略等科學家的實踐，得到了完善和發揚光大，成為人類研究自然的強大武器。
太陽不再是中心
哥白尼的日心說經過克卜勒、伽利略等科學家的觀察、研究和改進，慢慢地被廣泛接受。
日心說的核心是：太陽是宇宙中心。
到了20世紀，美國有一位天文學家沙普利對著銀河數星星。天文學家把密聚在一起的星星叫做星團。這些星團用肉眼看，只能看到一顆星，但是用天文望遠鏡觀察，裡面有成千上萬顆恆星。
星團，是恆星的集體家園，由幾十顆至上百萬顆恆星組成。它們共同誕生於同一片星雲，擁有相近年齡與成分。星團分為疏散星團與球狀星團：前者年輕，散布於銀河盤面；後者古老，聚居於銀暈之中。
他發現在人馬座（也稱射手座）方向的球形星團很多，有上百個，而在反向的御夫座方向只有十幾個星團。這是怎麼一回事呢？
如果你在森林裡，朝一個方向看，樹木密密麻麻，而另一個方向樹木很稀疏，還能看到藍天白雲，你會有什麼推測？樹木密集的方向很可能是森林的深處，而稀疏的方向很可能是森林的邊緣。神奇的是，古人在命名星座的時候，居然十分湊巧把射手和御夫分別安排在密集和稀疏的地方，射手當然要去茂盛處，而馬車和御夫自然遠離密林。
沙普利根據球形星團的疏密進行推理：銀河系的中心在人馬座方向！我們的太陽在離開中心2/3的地方。
沙普利一下子把太陽從宇宙的中心劃歸到了遠郊，對將近四百年以來的日心說造成了很大的衝擊。
從地心說到日心說，是一場革命，需要有質疑的勇氣。從日心說到「太陽不再是中心」，也是一場革命，同樣需要批判性思維。
銀河不再是宇宙的全部
1920年，天文學界舉辦了著名的「世紀天文大辯論」，沙普利是主角之一。這個大辯論的主題之一是：銀河是不是代表了整個宇宙？
沙普利認為，是，我們所能觀察到的所有天體都是銀河的一部分。
而另一方的柯蒂斯則認為不是，星空中那些旋轉的星雲是在銀河系外巨大且獨立的星系（譬如仙女座星雲），宇宙是由銀河、仙女座星雲這樣一個個星系構成的。
「星雲」一詞最初用於描述夜空中模糊發光的天體，天文學家據此編錄、命名大量「星雲」。後來發現其中許多其實是獨立的星系，星雲的定義因此被收窄為銀河系內由氣體與塵埃組成的結構，如發射星雲、反射星雲、暗星雲等，是恆星誕生與死亡的重要舞臺。
在「世紀天文大辯論」四年之後，一名年輕的天文學家根據觀測和計算一錘定音：仙女座星雲是一個比銀河系更大的星系！這名天文學家就是哈伯，後來著名的哈伯望遠鏡就是以他的名字命名的。
他是怎麼得到這個結論的呢？他計算出仙女座星雲距離我們250萬光年，比銀河系中最遠的星星遠幾十倍。銀河系的直徑只有10萬光年。沙普利把太陽系從銀河中心貶到了遠郊，哈伯則把仙女座星雲一貶就是百萬光年。
那麼，他又是怎麼算出這些天文距離的呢？這要用到天文學的標準燭光。
如果你站在黑夜裡不動，哈伯手執一根蠟燭走遠。蠟燭在夜色中搖曳，哈伯離你越來越遠，你看到的燭光越來越暗。燭光的強度符合平方反比定律，也就是說你看到的燭光強度和哈伯到你的距離的平方成反比。我們可以根據燭光的強度，計算蠟燭的距離。
那麼，宇宙中有沒有一種星星可以用作蠟燭來測量距離呢？
有，它叫造父變星，是一種亮度週期性變化的星星。
天文學家勒維特在仔仔細細比較了1,777顆造父變星之後，發現了一個非常有趣的規律：變星的絕對亮度越高，光強變化週期就越長。譬如，在造父星座中的變星，一顆以30天為週期變化亮度的變星，和一顆以3天為週期變化亮度的變星相比，前者最亮時的絕對亮度是後者的10倍。好比是兩支蠟燭，一支更大更亮，「搖曳」慢些；一支更小更暗，「搖曳」得快些。這些變星就是一組「搖曳」生姿的蠟燭，絕對亮度和「搖曳」週期成正比關係。
讓我們取一支大一點的蠟燭為例。我們先在比較近的星系中找到一顆週期是30天的變星A，透過其他的傳統天文觀測方法（比如視差法Parallax，在夏至和冬至看同一顆星星在天幕上的位置有微小的變化），計算出它到我們的距離，比如500光年。
再在遙遠的星系中找到週期同樣是30天的變星B。它們的絕對亮度是一樣的，但是，因為離我們更遠，所以視亮度（看上去的亮度）會低一點。根據非常簡單的公式（平方反比率）：
視亮度＝實際亮度／距離平方
就能算出這個遙遠的星系到我們的距離，比如距離1,000光年的變星B的亮度，是距離500光年的變星A的亮度的1/4。（具體的說明附在本章末）。
如果說勒維特是發現了蠟燭的人，哈伯就是手執蠟燭走向宇宙深處的人。從哈伯開始，人類的目光投向了銀河系一樣的一個個星系，天文學演變成了星系天文學。
看著日昇日落，四季輪迴，日出有盼，日落有念，東西方的古人都直觀地形成了地心說的宇宙觀。
地心說從西元前的古希臘一直到十五世紀的歐洲，占據了主流地位。
但是這個學說在解釋行星的逆行軌道（Retrograde）時遇到了困難。人們在觀察星空的時候，以星座背景做參考，發現金星、水星、木星、火星、土星的運行軌跡很「奇葩」。比如，原本好好的向東運行，有時會先停下，後退向西運行幾天，然後又恢復正常由西向東運動。這種「倒行逆施」和當時人們心目中最完美的圓形相差甚遠，成為一個謎團，也是地心說最無法解釋的現象。
到了十五世紀，哥白尼發現地心說的體系太複雜了，好比走到了死胡同。他就跳出原來的思維框子，想道：如果地球不是中心，而太陽是中心的話，會是什麼樣的情況呢？
在這種情況下，地球和其他行星都繞著太陽運行。我們從地球上看其他行星，將會怎麼樣？
哥白尼透過建立模型和計算，發現如何解釋行星逆行的難題一下子迎刃而解了。
如果地球和火星都在繞太陽運行，而且兩者的運行速度不一樣。地球跑得快，火星轉得慢。地球自然會在某個時間點超過火星，這個時候，地球上的人以星空作為背景，就會產生火星在逆行（倒退著飛行）的錯覺。
看看示意圖便一目了然。當地球在軌道點1、2、3點時，火星在前面，火星在夜空的投影顯示它是一直在往東飛行，是為「順行」。
從即將追上的點4，到擦肩而過的點5，和揮手告別的點6，地球超越了火星，火星在夜空的投影顯示它轉而向西飛行，是為「逆行」。
我們可以打一個比方，在哥白尼的理論體系中，地球是快馬，而火星是老牛。快馬超過老牛的時候，騎在快馬上的人就會覺得牛好像在後退（逆行）。
所以，火星在夜空背景上的運動，實際上是一種「視運動」——視覺上看上去是這個樣子的運動，其實並不是火星真正的運動軌跡。它是一種視覺上的錯覺，是因為地球和火星的繞行速度不一樣而造成的。
從「地心」轉向「日心」，從「日動」轉向「地動」，顛覆的是思維的天地和認知的宇宙。在哥白尼故鄉有一座他的雕像，座基上寫著「他讓地球轉動，令太陽和天空靜止」。
愛因斯坦說：「宇宙的永恆之謎在於其可理解性，宇宙能被理解是個奇蹟。」這個奇蹟要歸功於人類的科學思維和推理能力。我們在這本書中，除了宇宙學知識之外，還要傳播這種科學思維和探索精神。
我們來看哥白尼的科學推理三步：
1.提出問題（Raise a Question）：現有的理論有什麼不完善的地方，有什麼缺陷？要有敏銳的觀察，要有質疑的精神，要有批判性思維。
2.亮出觀點（Make a Point）：打破常規思考，提出新的假說。
3.推理驗證（Prove It）：證明有兩個方面：一是用數學模型推導證明，二是用實驗和觀測驗證，實證的論據越多，說明假說越可信。
這種科學的方法，將觀察、實驗和數學相結合，透過伽利略等科學家的實踐，得到了完善和發揚光大，成為人類研究自然的強大武器。
太陽不再是中心
哥白尼的日心說經過克卜勒、伽利略等科學家的觀察、研究和改進，慢慢地被廣泛接受。
日心說的核心是：太陽是宇宙中心。
到了20世紀，美國有一位天文學家沙普利對著銀河數星星。天文學家把密聚在一起的星星叫做星團。這些星團用肉眼看，只能看到一顆星，但是用天文望遠鏡觀察，裡面有成千上萬顆恆星。
星團，是恆星的集體家園，由幾十顆至上百萬顆恆星組成。它們共同誕生於同一片星雲，擁有相近年齡與成分。星團分為疏散星團與球狀星團：前者年輕，散布於銀河盤面；後者古老，聚居於銀暈之中。
他發現在人馬座（也稱射手座）方向的球形星團很多，有上百個，而在反向的御夫座方向只有十幾個星團。這是怎麼一回事呢？
如果你在森林裡，朝一個方向看，樹木密密麻麻，而另一個方向樹木很稀疏，還能看到藍天白雲，你會有什麼推測？樹木密集的方向很可能是森林的深處，而稀疏的方向很可能是森林的邊緣。神奇的是，古人在命名星座的時候，居然十分湊巧把射手和御夫分別安排在密集和稀疏的地方，射手當然要去茂盛處，而馬車和御夫自然遠離密林。
沙普利根據球形星團的疏密進行推理：銀河系的中心在人馬座方向！我們的太陽在離開中心2/3的地方。
沙普利一下子把太陽從宇宙的中心劃歸到了遠郊，對將近四百年以來的日心說造成了很大的衝擊。
從地心說到日心說，是一場革命，需要有質疑的勇氣。從日心說到「太陽不再是中心」，也是一場革命，同樣需要批判性思維。
銀河不再是宇宙的全部
1920年，天文學界舉辦了著名的「世紀天文大辯論」，沙普利是主角之一。這個大辯論的主題之一是：銀河是不是代表了整個宇宙？
沙普利認為，是，我們所能觀察到的所有天體都是銀河的一部分。
而另一方的柯蒂斯則認為不是，星空中那些旋轉的星雲是在銀河系外巨大且獨立的星系（譬如仙女座星雲），宇宙是由銀河、仙女座星雲這樣一個個星系構成的。
「星雲」一詞最初用於描述夜空中模糊發光的天體，天文學家據此編錄、命名大量「星雲」。後來發現其中許多其實是獨立的星系，星雲的定義因此被收窄為銀河系內由氣體與塵埃組成的結構，如發射星雲、反射星雲、暗星雲等，是恆星誕生與死亡的重要舞臺。
在「世紀天文大辯論」四年之後，一名年輕的天文學家根據觀測和計算一錘定音：仙女座星雲是一個比銀河系更大的星系！這名天文學家就是哈伯，後來著名的哈伯望遠鏡就是以他的名字命名的。
他是怎麼得到這個結論的呢？他計算出仙女座星雲距離我們250萬光年，比銀河系中最遠的星星遠幾十倍。銀河系的直徑只有10萬光年。沙普利把太陽系從銀河中心貶到了遠郊，哈伯則把仙女座星雲一貶就是百萬光年。
那麼，他又是怎麼算出這些天文距離的呢？這要用到天文學的標準燭光。
如果你站在黑夜裡不動，哈伯手執一根蠟燭走遠。蠟燭在夜色中搖曳，哈伯離你越來越遠，你看到的燭光越來越暗。燭光的強度符合平方反比定律，也就是說你看到的燭光強度和哈伯到你的距離的平方成反比。我們可以根據燭光的強度，計算蠟燭的距離。
那麼，宇宙中有沒有一種星星可以用作蠟燭來測量距離呢？
有，它叫造父變星，是一種亮度週期性變化的星星。
天文學家勒維特在仔仔細細比較了1,777顆造父變星之後，發現了一個非常有趣的規律：變星的絕對亮度越高，光強變化週期就越長。譬如，在造父星座中的變星，一顆以30天為週期變化亮度的變星，和一顆以3天為週期變化亮度的變星相比，前者最亮時的絕對亮度是後者的10倍。好比是兩支蠟燭，一支更大更亮，「搖曳」慢些；一支更小更暗，「搖曳」得快些。這些變星就是一組「搖曳」生姿的蠟燭，絕對亮度和「搖曳」週期成正比關係。
讓我們取一支大一點的蠟燭為例。我們先在比較近的星系中找到一顆週期是30天的變星A，透過其他的傳統天文觀測方法（比如視差法Parallax，在夏至和冬至看同一顆星星在天幕上的位置有微小的變化），計算出它到我們的距離，比如500光年。
再在遙遠的星系中找到週期同樣是30天的變星B。它們的絕對亮度是一樣的，但是，因為離我們更遠，所以視亮度（看上去的亮度）會低一點。根據非常簡單的公式（平方反比率）：
視亮度＝實際亮度／距離平方
就能算出這個遙遠的星系到我們的距離，比如距離1,000光年的變星B的亮度，是距離500光年的變星A的亮度的1/4。（具體的說明附在本章末）。
如果說勒維特是發現了蠟燭的人，哈伯就是手執蠟燭走向宇宙深處的人。從哈伯開始，人類的目光投向了銀河系一樣的一個個星系，天文學演變成了星系天文學。
