星系和星云对于那些眺望太空

星系和星云

对于那些眺望太空，试图揭示其神秘性的人们来说，18世纪带来的是一批崭新的挑战。直到17世纪末，行星的复杂路径还始终吸引着权威天文学家的注意。记录可以追溯到公元前数千年，那时最早的占星术师注视着这些“漫游者”，把复杂的哲学和法术活动（诸如占星术）建筑在他们所见的现象基础上。相形之下，在天空稳定不动的恒星似乎更可预测，唯一的例外是现在解释成地球围绕太阳的运动。古人——即使机智的古希腊人和善于观察的古代中国人都相信恒星和行星不一样，它们是不动的。伟大的希腊哲学家亚里士多德和几个世纪以后的追随者托勒密都把宇宙想象成是由层层镶嵌的天球组成，其排列就像是一个围绕着地球的洋葱，不动的恒星镶嵌在外层球面上。17世纪哥白尼的新见解澄清了许多有关太阳系的混乱看法，意识到太阳处于中心位置。但即使这一新的革命性宇宙观，也把不动的恒星放在行星轨道之外。哥白尼、开普勒和牛顿以及牛顿定律解释了行星的运动。但是如果牛顿定律确实是“普遍”的，那么，恒星是不是也有可以预测的运动？牛顿没有提到这个问题。为此我们将目光转向牛顿的年轻信徒——哈雷。

关于恒星和彗星

哈雷生于1656年11月，是富有的伦敦肥皂制造商之子。就在成为牛津大学学生时，他对天文学发生了兴趣。就在19岁，还是一个学生时，他就出版了一本关于开普勒定律的书。这本小册子引起了弗拉姆斯提德的注意，同年弗拉姆斯提德就任英国第一任皇家天文学家，正开始收集北半球新恒星表。他对哈雷的书印象深刻，鼓励这位年轻人进一步做下去。

到了17世纪70年代中期，望远镜和其他设备的改进表明旧的星表有许多不精确之处。急需新的星表。于是，正当弗拉姆斯提德等人忙于为北半球天空编制星表时，雄心勃勃的天文学家哈雷却想到南半球的天空尚无人问津。于是，他说服了父亲资助这一旅行，向牛津大学申请了休学，就登上了去南半球的航船，为那里的繁星制作星表。

之后的一年半，1676—1678年，哈雷和全体船员待在非洲西南海岸外面荒凉的圣海伦纳岛上，始终孤独地守着望远镜。气候极其恶劣，对天文观测极为不利，对年轻的哈雷也不例外。但是最终他起航回到英国，带回以前从未有过的南半球星空的星表，列出了不下于341颗以前从未在图中标注过的星星。如果气候更为有利的话，哈雷原本希望列出更多。但是1679年发表的《南半球恒星表》（Catalogus Stellarum Australium）已经足以使哈雷在伦敦的科学精英中名声大振。弗拉姆斯提德欢呼他是“南半球的第谷”。几年后，弗拉姆斯提德却和哈雷发生争执，为的是要匆忙出版弗拉姆斯提德自己的一部星表。但是这得哈雷说了算，他充分地利用了这一点，尽管做得极有礼貌和周到。由于巨大的成功，哈雷被邀加入享有盛名的皇家学会。这里的一切令人兴奋，年轻的哈雷突然发现自己置身于一群巨人当中，其中有牛顿、胡克、弗拉姆斯提德以及魅力超凡的雷恩。但是，聪明谦逊并讨人喜欢的哈雷很快就被接受了。出乎意料的是，他甚至和沉默寡言、经常发脾气的牛顿交上了朋友。第一件事情是《自然哲学之数学原理》的问世。哈雷不仅鼓励牛顿出版这一革命性的巨著，而且自己掏腰包资助出版，因为皇家学会的经费不足。对于哈雷来说，钱从来都不是问题，他父亲被神秘地谋杀后，他继承的遗产足以让他过上舒适的生活。

非凡的古德利克

在古德利克（John Goodricke，　1764—1786 ）短暂的21年生命中，天文学为他带来安慰，也为他带来名声。古德利克生于荷兰，是英国外交官的儿子，他短暂的一生是在无声世界中度过的，不能听也不能说。 不过，他的双亲都很富有，他们理解并且鼓励儿子在十几岁时发展对天文学的兴趣。在闪烁着繁星的夜空下，古德利克安详地享受着这份寂静 。由于智力出色并且还有一双善于观察的眼睛，每晚他都会拿起望远镜。

有一颗星星引起了他的注意。英仙星座的大陵五（Algol ）一直令天文学家深感困惑 亚里士多德曾经教导说，恒星是完美永恒的，但是在夜空中闪闪发光的大陵五，其亮度却在不断变化。也许正是这一特点吸引了古德利克的注意。和 他一样，大陵五也与众不同，孤独地在群星之中闪烁。

古德利克决心解开大陵五之谜，这件事要有惊人的耐心和细致的观察。大部分时候都是用肉眼（也就是不依靠望远镜）来观测，因为他需要在望远镜所及视域之外比较星星的亮度。

好几个月的紧张研究和仔细记录使古德利克相信，这颗星的变化是有规则的，它有一个特定的周期或循环 。在经过更多的紧张研究后，他得以证明大陵五的亮度变化有一个规则的周期，正好是三天 。这是第一个有关一颗变星的变化规律的确凿证据。

1782年，古德利克试图回答大陵五为什么亮度会发生变化的问题，他提出，这或者是它的表面有黑斑，或者是有一颗我们看不见的伴星围绕它旋转，周期性地阻档了恒星发出的光线 。这是一个大胆的假说，尤其这是出自于一位不知名的17岁业余天文学家之口　。古德利克关于大陵五有一颗神秘伴星的理论要到很久以后才得到验证——人们发现大陵五不是有一个，而是有两个伴星。不过，尽管还没有得到验证，古德利克的论文还是为他赢得了令人向往的皇家学会科普利奖章。古德利克于1786年逝世，正好是他22岁生日之前， 当选皇家学会会员的两周之后。这位年轻人一直病魔缠身，他的死是由于在寒冷的夜晚呆得过多的缘故。

在今天已知的36 00颗以上的变星中，很少有像大陵五的神秘性这样容易被解释的事例，但大陵五本身仍然有许多异常的特性 然而，由于年轻的古德利克，我们对天空的理解中多了一小块知识作为点缀

求知心切的哈雷对安逸的生活毫不为所动，不久他再次投入艰苦的工作之中。在他远航去圣海伦纳的旅途中，他曾观察到船上的罗盘并不像通常相信的那样总是指向北极。也就是说，地球磁极和北极并不是一回事。尽管可以把这一差别看成是次要的，但是对于航海家和船长来说这却是一个重要的发现。17世纪后半叶的世界性贸易已经开发了许多新的海上通道，竞争十分激烈。正如需要新的星图一样，人们也需要新的和更好的海图，以供海员提高航海效率。1698年，在哈雷的指挥下，第一艘仅为科学目的而被委派和装备起来的船只离开伦敦起航。这艘船命名为“情人红”，虽小却坚固，在海上航行了两年，正是在此期间哈雷和他的团队测量了世界各地的磁偏差，编制了新的航海图表，并且试图测定几十处重要港口的精确纬度和经度。

哈雷第一个根据牛顿运动定律计算彗星的轨道。在这一画面中我们看到哈雷彗星和欧洲航天局的太空船乔托。乔托在1986年访问过哈雷彗星。

哈雷回到伦敦，已是一位熟练的海员，他急于开始另一类研究，这次是要钻研几百种古代天文学书籍和图表。在航行中，哈雷开始对古代星表与当代星表之间的许多分歧发生了兴趣。尽管古老的星表有许多明显的错误，有的甚至错得离谱，但他还是注意到，有许多正确标注的恒星其位置与近代观测存在差别。经过仔细的研究，他证明至少有三颗主要的恒星：天狼星、南河三和大角星，自从希腊人标注之后，它们的位置已有变化。

某些天文学家正开始怀疑的事，现在哈雷证明是真实的。恒星竟然也在运动。甚至在太阳系之外的天体看来也处于不断的运动之中，并且这种运动是可以预测的——这一推测其实已隐含于牛顿的引力定律中，现在由于哈雷的仔细研究终于证实了它。古代的宇宙观又一次被牛顿的万有引力和几何学观察所粉碎。这个新信息对以后的天文学具有巨大影响。

但是哈雷的名声却来自于他对彗星的研究。长期以来人们对于彗星在夜空中神秘莫测的出现一直抱着敬畏和迷信的心态。在对古代记录深入思考后，哈雷发现其中存在某种规律。当他试图根据彗星在几个世纪里出现的记录，计算彗星轨道的形状时，他看到计算结果符合牛顿理论。但是，精确的信息实在太少，他不得不放弃自己的计划，直到作出有趣的发现。他的计算强烈地暗示，四个已知的彗星，分别在1456年、1531年、1607年和1682年出现，它们很可能就是同一个彗星，依据牛顿的引力定律每76年沿自己的轨道返回太阳系内一次。哈雷预言，1758年它还会回来。尽管他在　1742年去世，比他的预言实现的年份要早了16年，但今天已被称为哈雷彗星的这颗彗星，却是对这位最早认识其运动规律的天文学家的最好纪念。

这幅图标注了哈雷彗星上一次在夜空中出现以来沿着它的轨道运行的情况。

新宇宙观

如果恒星和行星都在运动，那么太阳系之外的宇宙就再也没有必要像人们往常认为的那样是神圣、静止和完美的处所。同样，如果牛顿定律对于所有天体都是有效的，就像18世纪中叶的观测事实显示的那样，那么，建立总体宇宙的新模型和新推测就非常必要。

18世纪中叶，一些学者提出各种理论，它们开始彻底改变人类的宇宙观和我们在宇宙中的地位。这些人中有法国作家和博物学家布丰（Georges Louis Leclere de Buffon，1707—1788），强烈宗教信仰的业余科学家莱特（Thomas Wright， 1711—1786），年轻的哲学家康德（Immanuel Kant， 1724—1804），还有一位是杰出的数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace， 1749—1827）。

莱特

莱特是兴趣广泛的英国思想家。受过良好教育，并大量读过当时流行的哲学和科学著作。和18世纪许多思想家一样，他被科学观察与思考和宗教信仰之间的矛盾深深困扰。他的天文学观察和阅读引导他去思考：如果围绕太阳运动的行星成了一个轨道系统，那么，有了牛顿引力定律，很可能恒星本身也是某个或者许多类似轨道系统的一部分。然而，如果天空就是这样组成的，那么，在这个机械论和引力相互作用的新宇宙中，上帝的领地在哪里？莱特既不是训练有素的天文学家，也不是严格和系统的思想家，他只是提出了一系列不同的宇宙模型。其中最早的一个模型是，太阳、太阳系以及恒星都围绕着一个巨大的中心运转，这个中心也许是固体，也许不是固体，但无论如何，它是上帝的领地。

在这一巨大系统的外围，远离太阳系和众恒星之处，则是一片神秘黑暗的“冥界”之地，它包围了所有。这是一个极其神秘的体系，但在精心修饰之后，则有某种可取之处。在1750年出版的《宇宙起源理论和新假说》（An Original Theory and New Hypothesis of the Universe）一书中，莱特提出另外一种可能性：宇宙可能实际上是一个旋转着的扁平圆盘，而不是众恒星和太阳系围绕共同的中心运动的壳形。他仍然坚持上帝或者某一神灵占据共同中心的思想，但是他也建议所谓的星云，天空中存在的神秘的雾状的白斑，既不是恒星，也不是行星，而是在远离圆盘之处。

康德

德国思想家康德，可能读过莱特的书，也可能是读过有关的评论，他以敏锐的心智迅即抓住了莱特那结构松散的思想中的某些要点。

1755年，康德在《自然通史与天体论》 （Univeral Nature History and Theory of the Heavens）一书中提出了自己的思想。作为一部理论宇宙学和天文学的著作，它是一项真正意义上的巨大成就。沿着莱特开辟的道路，再加上他本人对牛顿物理学的钻研，康德指出，星际系统和太阳系一样，形状也像一个扁平圆盘。正如太阳系中的行星在黄道带的平面内以椭圆轨道围绕太阳旋转，康德提出，恒星也许也在围绕着一个公共的未知的中心旋转。

不像莱特，康德没有让神灵占据假想的中心位置。康德提出，可见的恒星构成了这一共同“星系”，但是由我们的太阳系以及和其他恒星共同组成的，围绕某个未知中心旋转的系统，也许并不是宇宙中存在的独一无二的系统。实际上，宇宙也许是由许多这样的星系组成的。康德进一步指出，我们也许已经看到了那些其他的星系，事实上，它们也许就是天文学家观察到的、莱特提到的星云。康德指出，这些星云大多都是椭圆形或圆盘形，它们离我们是如此之遥远，于是，在所有恒星的映衬之下，它们看上去就像是乳白状的模糊一片。这是一个富有灵感和大胆的思想火花，尽管到20世纪才得以证实，却为宇宙学开辟了一个广阔的新天地：浩瀚无边的宇宙，充满了漂浮、旋转着的岛状星系，这是一个人类从未梦想过的更为宏大壮观的宇宙。

然而必须提醒，康德的思想虽然以牛顿物理学作为基础，富有灵感，但仅是思辨。尽管他富有物理学和数学的修养，但是后来他更多还是以哲学家的身份引人关注，而不是一位真正意义上的物理学家或数学家。

遥远星系（NGC 4013）主盘的侧视图，是哈勃空间望远镜在2001年拍摄的。有证据证明围绕圆盘中心的暗带是星际尘埃区，在那里有可能形成新星。

拉普拉斯

1749年出生在法国诺曼底的拉普拉斯则不同于康德。他是一位才华横溢而又富有灵感的数学家，是18世纪最有影响的科学家之一。尽管今天大多数人不一定知道他，但他扎实的数学工作弥补了牛顿留下的某些缺口，并为康德的思辨提供了更为扎实的基础。

梅斯尔和他的星表

梅斯尔（Charle Msessier，1730—1817）是一 位彗星猎手。就像许多当时以及如今的天文学家一样，他迷恋于在夜空中寻找和追踪那些扑朔迷离的流星。在他的一生中，发现了不止15颗新彗星，因此赢得“彗星搜寻者”的绰号。梅斯尔和其他专注的科学家一样，沉浸于自己的专业之中，不受外界干扰。在他早年通过望远镜的观测中，经常被天空中一些微小的乳白色物质所迷惑，它们被叫做星云。当梅斯尔开始工作时，对它们了解不多。康德作过一些猜测，但是威廉·赫歇尔（Friedrich William Herschel，1738—1822）的经典工作尚未诞生。而梅斯尔正在跟踪彗星，不可能去关注星云，他面临的问题是，星云容易被误认为彗星，由于它距离遥远因而移动很慢，这就需要花费大量的时间来跟踪它们。

梅斯尔决定，解决这个问题的唯一方法就是建立一个星表，把那些混淆视线的星云和它们在天空中的精确位置列出来，以便使其他彗星猎手知道它们的精确位置，这样就不会耽误本可用于寻找彗星的宝贵时间了。

这是一件艰苦的工作，要知道在他那个时代望远镜还很原始，这件事需要极大的耐心。但是梅斯尔到1781年竟列出了103个天体。由于梅斯尔的著名工作，今天许多希望能看到大仙女座星系、球状星团、银河星团、行星星云，甚至超新星残骸之类奇观的业余天文学家　和职 业天 文学 家， 都可以很快　找到　它们。

1773年，拉普拉斯在考察木星轨道时，想要弄清为何当土星轨道扩张时，木星轨道会出现持续的收缩。在分别发表于1784和1786年之间的三篇论文中，他证明这一现象是周期性的，周期是929年。在详细解释这一现象的理由时，拉普拉斯的论文同时也解决了牛顿遗留下来的一个重要问题，那就是太阳系的稳定问题。牛顿曾经被太阳系各行星之间复杂的引力相互作用这个问题所困扰，并得出结论，为了保持整个系统的稳定，有时需要某种神力的干预。拉普拉斯在他的同事，数学家拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange， 1736—1813）的帮助下，从数学上证明，由于围绕太阳旋转的所有行星都沿同一方向，因此它们相互间的离心率和倾斜度总是足够的小，以至于无须外界的干预，就能保持长期的稳定。或者，如同拉普拉斯所写：

“从整体考虑，行星和卫星的运动都是以接近圆形轨道运行，它们沿同一方向，所处平面相互间只有微不足道的倾斜，这样的系统就会围绕一个平均态振荡，偏移值非常之小。”

实际上，拉普拉斯说，太阳系本质上具有一种自我纠错机制，它不需要神力把它扳回原位。

拉普拉斯写过许多重要论文，从数学的角度出发，讨论与牛顿理论及行星和卫星引力相互作用有关的大大小小各种问题。不过，他最通俗、最受读者欢迎的是1796年出版的《宇宙体系论》（Exposition du Système du Monde），这是一本天文学通俗读物，就在它的后记中，提出了解释太阳系起源的理论。

“星云假说”，拉普拉斯以此来命名自己的设想，但他也许不知道康德已经提出这一假说，只不过没他的严格，并略有不同。不管是谁的星云假说，这一思想很快流传开来，并且被19世纪里大多数天文学家接受。

拉普拉斯运用牛顿引力理论，成功地说明了所有行星运动。拉普拉斯的星云假说提供了理性的和富有成效的方法，解决了恒星如何起源的问题。

简单来说，这一假说的大意如下：最初太阳起源于巨大的旋转中的星云或气体云。随着星云旋转，气体收缩，此时其旋转速率不断增大，直到星云中最外面的物质无法靠引力维持为止。在这一过程中，这些气状物质就凝聚在一起，形成一颗行星，而中心星云则继续加快自旋速度并进一步收缩，此时又留下更松散的物质，形成另一颗行星。而中心星云则在中心处形成稳定的太阳。这一理论存在许多疑问和尚未回答的问题，但它却令人耳目一新，因为它是最早尝试运用科学和理性推理来解释太阳系的起源，而没有借助于神灵或超自然的力量。

拉普拉斯知道，他的“理论”已经带有思辨的成分，但是他毫不怀疑，天体的所有奥秘以及其他种种都可以靠数学和牛顿定律的推理加以解决。他不够谦逊，也不够宽厚（他的同事对他往往又忌妒又羡慕），但他却是启蒙运动最虔诚的信徒，对机械论的宇宙观坚信不疑。这是理性时代许多科学家共同的信仰，但是很少有人像他那样进行强有力的表述，他写道：在牛顿的宇宙中，决无偶然现象，假设有这样一种情况，“在一个理智之士看来，只要给出宇宙初始时刻所有作用力的大小，以及所有物质的瞬时状况，就能推断出宇宙中各种最大物体的运动……一切都是确定的，过去和将来都等同于现在”。

拉格郎日伯爵，18世纪公认的伟大的数学家之一，也曾研究过行星运动。

然而，并不是18世纪所有的牛顿追随者都是如此雄心勃勃的哲学家。尽管理论依然享有自己的地位，但许多天文学家，特别是在英国，宁可回避这种庞大的理论设想，转向更有效和更实际的研究，把科学革命的教训和牛顿的定律运用到日常的实用天文学之中。

齐心协力：威廉·赫歇尔和凯洛琳·赫歇尔

如果数学家拉普拉斯是18世纪最有影响的理论天文学家，那么，音乐家和业余天文学家威廉·赫歇尔则是启蒙运动最有影响的实干天文学家。赫歇尔1738年生于德国的汉诺威，1757年为了逃避军事服役来到英国。在德国他是一位有名的音乐家（双簧管、风琴、小提琴，样样都会，还当过音乐会主持人），到英国重操旧业，先是教授和翻制音乐。然而不久他就站住了脚，当上了军乐队指挥，成为有名的作曲家和风琴演奏家。1766年，他受雇成为贝斯的奥斯太岗（Octagon）礼拜堂的风琴演奏家。这是一个好职位，使他有时间教学、指挥和作曲。这一工作报酬丰厚，使他有足够的钱发展他在天文学方面的兴趣。1772年，他的妹妹凯洛琳（Caroline Lucretia Herschel，1750—1848）来到英国和他一起工作，此时的赫歇尔对恒星和行星是如此入迷，以至他已读了数百本天文学、微积分和光学的书籍。他还购买了一台小型望远镜，开始把自己的夜晚时间用来凝视贝斯的天空。

凯洛琳很快就被哥哥的热情吸引住了。她也是一位有造诣的音乐家和歌唱家，不久就帮助赫歇尔从事管弦乐作曲、复制他的音乐　，同时还表现出对天文学和望远镜几乎同样浓厚的兴趣。就在妹妹来到身边不久，在妹妹的帮助下，赫歇尔建造了第一台小型望远镜。从那时起，就一发而不可收。很快建造了另一台稍大一些的望远镜，接着又添置了一台。

这些望远镜都很有趣，要比通常相似长度的望远镜宽许多。当问到为什么他的望远镜与众不同时，他解释说，他不仅追求放大率，而且还注重采集光线的能力。望远镜镜面越大，捕捉到的光线就越多，可以看到的恒星和星云也就越多。赫歇尔早已迷恋于太阳系以外的宇宙。在他漫长的生涯中，在凯洛琳的帮助下，他确立了星际天文学这一学科，使天文学家的眼界远远超出了太阳系的范围。不过有趣的是，正是有关太阳系内的一件发现使他声名鹊起，也使观测天文学再获生机，并且使他获得世界级知名度。

尽管赫歇尔是一位很有耐性和细心的观测者（他曾测量过一百多个月亮上的环形山，并用三种不同的方法亲自校验了三遍），但他还是更感兴趣于发现而非计算。对于赫歇尔来说，夜空宛如是一个浩瀚隐秘的海洋，因为少有人勘探，因而充满了发现机会。为了能在夜间巡视星空，他设计了一套仔细“扫描”天空的方法。每天夜晚他只对天空的某一小块区域工作，一般仅为两度左右的一条带，在休息之前往往可以巡视两遍。第二天他再巡视临近的另一条，直到把他所在区域的可见夜空逐步扫描完毕。

1781年3月，赫歇尔在一次仔细扫描中发现在土星之外很远处有一颗新行星（当时天文学家认为土星是最远的行星），这是一项著名的发现。其他天文学家曾经看到过这颗不久被命名为天王星的行星，但是他们总把它当成一颗恒星，因而毫不在意。然而，赫歇尔在夜空扫描中记住了数千恒星的位置，于是迅速意识到这一小光斑是一个“漫游者”，因为这个地方不应该有恒星。那它是彗星还是行星呢？赫歇尔向当时的皇家天文学家报告这一发现并等候回答。皇家天文学家在计算它的轨道之后回复说，这是一颗行星。确实是行星，由于它离得如此之远，于是，太阳系的大小几乎比人们公认的增加了一倍。赫歇尔一夜成名了。

威廉·赫歇尔是一位杰出的音乐家，开始做天文观测时是业余的。但由于发现天王星很快就被公认为18世纪最伟大的观测天文学家之一。

奇怪的是，在牛顿之后，天文学在所有人看来都已回归平常。毕竟，牛顿已经解释了每一件事情，该知道的都已经知道了。理论家正在对付不切实际的哲学，但是这些哲学大多是太难了而无法认真对待，而那些一线的天文学家忙于计算和编制星表。不时有新恒星公布，但是对于大多数人来说，一颗恒星就是一颗恒星而已。然而，一颗新的行星就不同了，这是以前所不知道的，却又离我们更近，甚至普通人也能实际去想象它的存在。更为激动人心的是，人们会想，也许太阳系里还有未被发现的东西吧，也许科学家并不是什么都知道。

这位音乐家和业余天文学家突然使天文学再度令人激动。但是对于赫歇尔来说，兴奋有点过头了。他被指定为皇家学会会员，有人请他喝酒，聚会，赴宴，并给乔治三世（George Ⅲ ， 1738—1820）当宫廷天文学家。正如凯洛琳很快认识到的那样，这最后一项荣誉对她兄长是一个巨大不利。有了它，虽然可以领到一笔年金，却必须辞退音乐家的工作，变成全职的天文学家。遗憾的是，年金远不及他当音乐家的收入。不过赫歇尔却认为，不可以拒绝国王的任命。必须寻找别的办法维持收入。他们是优秀的望远镜制造者，事实上，有人说，他们做的望远镜是世界上最好的。兄妹两人不得不制造并出售这些精制仪器，以换取额外收入。

与此同时，因为有了更多的时间可以从事新的事业，赫歇尔致力于建造梦寐以求的大型仪器，使他能够看得更远。他写道：“我要比所有前人都看得更远。”天王星是他的骄傲。1787年，他又发现了天卫三和天卫四（天王星的两颗卫星），并且，在他结束工作之前，他又发现了土星的两颗卫星。但是赫歇尔的至爱依然是满天的繁星以及那些庞大的望远镜，正是它们使他有可能探望更远的星空。

他的望远镜并不都是成功的。有一台“巨人”望远镜，当赫歇尔爬上它的底座时，由于不堪承重而塌了下来。另一台，计划要安装一面直径3英尺的镜面，于是，他不得不用“一大堆马粪”作为镜片铸模，热心的凯洛琳加工制作了这些马粪。就在浇铸的那一天，过热的铸模熔化了，熔化的金属随之流到地板上，顿时作坊变成了一座恶臭熏人的小型维苏威火山，凯洛琳和赫歇尔只得拔腿就跑。

1772年，凯洛琳·赫歇尔来到英国加入她兄长的观测工作。

在某些人看来，赫歇尔兄妹一定是全力以赴在建造望远镜，其实他们为观测挤出了足够的时间。1788年赫歇尔和一位有钱女子结婚，这使他们不用再忙于建造望远镜，于是才有可能专注于自己的望远镜和观测。

哈雷证明过，恒星并不总是“固定”的，而是在天空中做“固有运动”。1783年威廉在观测中证明，太阳也在天空中运动，这是他作出的第一个“有关恒星的重大发现”。我们的太阳系确实在做整体运动。太阳、行星和月亮不仅彼此在做复杂的相对运动，而且这种运动的舞台本身也处于运动之中，因为整个系统在相对天空而移动。不仅太阳不再是宇宙静止的中心，而且现在看来，太阳系也不是。人类又再次发现自己在宇宙中并不占有优越地位，而只是栖居于一个小球上，这个小球也只不过是伟大的宇宙中的一个小小参与者。对于18世纪的思想家来说，越来越明显的是，整个宇宙就是一种永不停息的运动之舞。

观测天文学家凯洛琳·赫歇尔是8颗彗星的独立发现者，也是她兄长的密切合作者。她活到98岁，把一生奉献给了天文学。

不仅是万物都在运动，而且“万物”要比人们所能想象的更多。

赫歇尔总是着迷于天上神秘的片状星云物，有些思想家猜测，这些星云是大量恒星的集合，因为它们太远了，无法看清楚。用他那更大更精确的望远镜，赫歇尔就能看清它们中的许多，并且证明，它们确实是大量恒星的集合或者说就是星系。不过，他早期认为所有星云都是巨大星系的结论后来被证明是错的，因为许多星云不能再分解成确凿的恒星，他猜测，许多星云是某种“发光流体”组成的巨云，是形成“未来太阳的原始材料”。

18世纪80年代，在和凯洛琳对所谓的双星做了一系列长期观测之后，他还证明牛顿定律确实是普遍的。许多双星不一定正好成对，而是相互靠得非常之近，以至于被引力锁住，在一个彼此共有的轨道上运转。这就进一步证明了，牛顿定律的有效性远远超过了太阳系，延伸到了整个浩瀚的太空。

赫歇尔于1816年被封为爵士，他的观测几乎从未中断，直到1822年去世时为止。在启蒙运动时期的所有天文学家中，正是他的贡献更多地使天文学走向现代。他的望远镜观测使理性时代思想家的思辨变成了现实，这些思想家开始看到并且理解人类在宇宙中的地位——处在这一卑微的名为地球之行星上的我们，与那些游荡着的恒星和星系一起，只不过是浩瀚宇宙中的沧海一粟。

对于有些人来说，这些知识是可怕的。人类和地球在科学家眼里变得越来越不重要，不再享有特权。然而，对于其他人，一个奇异的新世界正在展开。因为哈雷、赫歇尔和其他观测天文学家开始向我们揭示，那是什么；像康德、拉普拉斯那样的思想家则企图按宇宙的机械论特性理解它如何而来。所有的片段如何形成一个整体？如果宇宙确是充满了星系，星系又是怎样形成的？恒星和行星又是如何形成的？宇宙本身从何而来？它有开始吗？有结束吗？这些都是大问题，甚至需要许多年才能建立起一套严肃的理论，必须知道更多东西，需要发展许多新仪器和技术。还有更多基本的物理学有待理解。这一“控制”如此之多东西的神秘“引力”究竟是什么？什么是光？什么是热？恒星如何“发光”？

这是一个费力和复杂的议程——它将会占用许多的科学家好几百年的时间。 自从古希腊以来，没有人试图解释这么多问题。但是，牛顿已经给予他们一把钥匙——而且启蒙运动的思想家们相信，他们用那把钥匙就可以轻易解开所有的自然奥秘。这是他们的荣耀，因为这项任务远比他们想象的要复杂得多。