天文学家在个世纪里一直奉献给了自己的一生

天空与地球

有史以来，人类一直在观察天空，试图理解他们在夜空中看到的点点繁星。 自从哥白尼发表日心说，开普勒发表有关行星轨道的工作以及康德在18世纪对星云的研究以来，到了19世纪，理论已经走过了一段漫长的道路。

自从伽利略在1610年首先把望远镜用于天文学以来，关于宇宙的研究迈出了巨大的一步。现在天文学家已经探明木星的四大卫星、土星光环和月亮的表面。到18世纪，由于望远镜的改进，威廉·赫歇尔发现了第七颗行星——天王星，这是自古代以来首次看到的新行星。不过天王星的轨道有些奇怪，这一遥远的漫游者似乎暗示至少还有一个行星存在于太阳系。但是它在哪里呢？

女天文学家麦克尔

麦克尔（Maria Mitchell， 1818—1889）出生于美国马萨诸塞州的楠塔基特岛。她没有机会受正规教育，但幸运的是，有父亲教她，后来她成为楠塔基特图书馆管理员。他业余最感兴趣的事是守望天空，进行天文观测。

1847年10月1日，麦克尔发现了一颗彗星，立刻受到了科学界的注意。1849年，她在美国航海历书局获得职位。在那里她从事天文学计算，因能干和计算精确而赢得好评。1865年她被聘为新成立的瓦萨女子学院的天文学教授。

对于妇女成为职业科学家的理想来说，麦克尔的早期贡献具有里程碑意义。她成功地冲破了当时的偏见，从事自己所爱的职业，而这个职业却被认为与女性不相容或者不适合。尽管社会期待的是妇女待在家里、管理家务、抚育子女，但是麦克尔却把自己的一生奉献给了天文学。她成了第一位被选为美国艺术与科学院的女院士。直到1889年去世，她一直在瓦萨教导其他妇女，让她们认识科学是属于每个人的。

麦克尔是美国第一位职业女天文学家。

还有其他的问题困惑着天文学家。18世纪梅斯尔详尽列出的星云究竟是什么？它们也许离得太远，以至于在望远镜里看上去只是一个斑点？或者它们会不会就是有人所假设的气体云？怎样才能弄清楚？太阳是由什么组成的？恒星呢？

更好的检测方法是获得进展的关键。人们需要更高的精确度，更有效的计算方法和更好的仪器。为了回应这一挑战，许多富有激情、奉献精神和聪慧机敏的头脑被吸引到这个领域。但是在19世纪里，有两项非凡进展大大推动了天文学家的工作：一项令人惊奇的技术是（通过光谱仪）可以测定恒星由什么组成，另一项技术是（用1826年发明的照相术）可以记录望远镜所指向的天体。

看得更好

19世纪天文学的进展很大程度上可追溯到一家光学店，那里有一位执著的“磨镜师，”他的名字叫夫琅和费。在当时的化学、物理学或天文学界，这一名字无人不知。正如前文所述，这位曾经身无分文的孤儿不仅发现了以他名字命名的光谱线，而且还因他那精心磨制的透镜和做工精细、包装在摩洛哥红皮革里的望远镜而闻名遐迩。

德国天文学家贝塞耳（Friedrich Bessel， 1784—1846）应用夫琅和费的一台望远镜，第一次成功测量了一颗名叫天鹅座61星的距离。天文学家在3个世纪里，一直在试图测定任一恒星的视差。视差是指从两个不同地点看同一个天体在位置上的表观移动。测定了视差，天文学家就可以利用三角测量法确定恒星到地球的距离。但是恒星距离如此之远，即使从地球轨道相差　6个月的位置进行测量（这是地球上的天文学家所能得到的最大基线），也从未得到满意的结果。贝塞耳选择　了天鹅座61星，是因为这颗恒星虽然较为暗淡，却有比较快的固有运动（恒星相对于固定背景的表观运动），在所有恒星中，它的这一运动速度最快。他训练可信赖的夫琅和费从事这项工作，用了一台名叫太阳仪的特殊仪器——由他自己亲自设计，并由夫琅和费制作。通过耐心细致的长期观测，贝塞耳测量到了天鹅座　61星微小的位移，这样就能把它的位置与附近更为暗淡的另外两颗恒星相比较。令他惊奇的是，天鹅座　61星的视差表明，它距离地球大约相当于现在所说的6光年，而牛顿认为这个距离大约相当于现在所说的2光年，所以这一发现大大改变了天文学家对宇宙尺度的观念。

1838年，贝塞耳宣布这一成果，哥白尼的谜团再次得到有力澄清，哪怕是恒星有极小的视差，也说明了地球是在太空里运动。

巴纳德

贝塞耳还用他的太阳仪观察了两颗恒星：天狼星和南河三。这两颗星都有微小的偏差，无法解释成视差，也许更像是在颤抖。1841年，贝塞耳假设这两颗星分别围绕着一个看不见的伴星在旋转。

故事的其余部分属于第二位精密透镜制作者马萨诸塞州的克拉克（Alvan Clark，1832—1897）。他和夫琅和费一样，做出了世界闻名的透镜。1862年的一个夜晚，克拉克正在测试他和他父亲正在加工的18英寸透镜，这时他对准天狼星，认出了这颗星附近的一个微小的光斑，这正是21年前贝塞耳预言的伴星。

用克拉克的望远镜还作出了两项重大发现。1877年，火星正处于近地点时，康涅狄格州的霍尔（Asaph Hall， 1829—1907），在他夫人斯提克里（Angelina Stickney）坚持“再试一个晚上”的请求下，发现了火星的两颗卫星。1892年，巴纳德（Edward Emerson Barnard， 1857—1923），发现了木星的第五颗卫星，这是三个世纪以来的第一次发现。

罗塞的第三伯爵帕森斯（William Parsons， 1800—1867），用他自己的巨型72英寸反射式望远镜（名为利维坦，意为巨兽）也作出了重要发现，他从1842年开始在爱尔兰他的庄园里自行建造这台巨型望远镜，1845年完成并准备开始观察。然而他的家乡总是雾天，直到1848年罗塞伯爵才有可能研究巨蟹座星云。这是他起的名字。他识别了好几个旋臂状的天体，后来证明是非常遥远的星系。

与此同时，夫琅和费和克拉克在改进透镜上的成功，激励了好几台反射式巨型望远镜在19世纪末建造成功，其中包括1888年在加利福尼亚州的里克天文台建造的一台36英寸孔径的望远镜；一台在芝加哥附近的孔径为40英寸的耶基斯天文台，由克拉克监制，1897年开放，现在仍在使用。

遗失的行星

当古人环视夜空时，他们看到了称之为“漫游者”的天体，这就是行星，它们以奇特的方式穿越天空，分别被取名为水星、金星、火星、木星与土星。当然，今天我们知道地球也是行星，但是当时没有人认为它是行星。威廉·赫歇尔在1781年发现天王星令所有人大跌眼镜。（实际上，他并不是第一个看见天王星的，这颗星不需要望远镜就可以看见。但他确是第一个证实了天王星是行星。）威廉·赫歇尔运用系统搜索、出色的望远镜和优秀的眼力，并且得到他妹妹凯洛琳·赫歇尔的帮助。

但是也许还有更多的行星。许多天文学家被水星轨道的偏离现象所困扰，威耶（Urbain-Jean-Joseph Le Verrier， 1811—1877）确信，这一现象可用水星和太阳之间存在另一个行星来说明。经过计算，预言它的轨道和尺寸（直径1 000米），还给它起了一个名字，叫做祝融星（Vulcan）。但是，尽管很多天文学家试图去寻找，却始终没有发现。（爱因斯坦后来解释了为什么水星的轨道不符合牛顿物理学，与另外一颗行星的存在无关。）

海王星的发现者威耶

天王星的轨道也有同样的问题。威耶的运气则要好得多。他再次进行数学计算并列出方程组。然后，他和柏林的伽勒（Johann Galle， 1812—1910）联系，告诉他什么位置可以找到。1846年9月23日，几乎就在威耶指出的地方，伽勒幸运地发现了新行星——海王星，它是和天王星大小差不多的另一颗巨星。这一发现是天文学作为一门科学的胜利。

正如曾经发生过的，往往会有不止一位科学家热衷于同一现象，而要获得发现者殊荣，则取决于运气。就海王星这一例子，剑桥的亚当斯（John Couch Adams， 1819—1892）在伽勒发现之前几个月也曾作出同样的计算，但是他没有获得望远镜的支持。

夫琅和费谱线

当39岁的夫琅和费在1826年6月7日去世时，他留下的遗产不仅有那些精致的透镜，而且还有许多神秘的谱线。后来在1859年，基尔霍夫和本生宣布发明光谱仪，于是有了一系列元素的发现。

一天傍晚，基尔霍夫和本生正在海德堡的实验室工作，这时他们看见十英里远处曼海姆城附近大火燃烧。他们把光谱仪瞄准大火，发现从火焰的谱线排列可以检测到现场有钡和锶的存在，即使相隔这样远的距离。本生开始想到，有没有可能让光谱仪瞄准太阳光，检测太阳有什么元素呢？他咕哝道：“但是人们会以为我们疯了，竟然梦想做这样的事情。”

1861年，基尔霍夫把这一想法付诸实验，从太阳发出的光中，他成功地辨认了九种元素：钠、钙、镁、铁、铬、镍、钡、铜和锌。真是令人惊讶，天空中曾经被古人崇敬为神的巨大光源，竟然含有和地球完全一样的元素。基尔霍夫打开了两门新科学的大门——光谱学和天体物理学，同时在地球上的物理学与化学和统治恒星的物理学与化学之间建立了另一种联系。这是又一个极好的例证，说明曾经被认为是完全分离的各个领域原来是互相联系的。

哈金斯

1864年，一位名叫哈金斯（William Huggins， 1824—1910）爵士的业余天文学家，首次把光谱仪对准深空天体。他是一位富人，拥有私人天文台，配有望远镜，它们就位于伦敦的山上。他把光谱仪安装在望远镜上，研究两颗亮得可以用肉眼观察的恒星所发出的谱线，这两颗星是毕宿五（金牛座中的一等星）和参宿四（猎户星座中的一等星）。他能够辨认出铁、钠、钙、镁和铋等元素的指痕印证。然后他又试着观察一个星云，带着悬念和敬畏的心情。他在杂志上写道：“难道我不是在深入观察创世这一神秘之处？”也许此刻他将为不同星云理论的对错给出最终判决。

科学作家玛丽·萨默维尔

在19世纪，对于妇女来说，要打开科学的大门可不容易。玛丽·萨默维尔［ Mary Somerville， 1780—1872，娘家姓费尔法克斯（Fairx）］不仅为自己打开了这扇门，而且还成为与地质学家莱伊尔和天文学家约翰·赫歇尔（John Herschel ，1792—1871 ）这样的科学大家齐名的深受欢迎的科学作家。她是一位苏格兰将军的女儿，十岁前一直没有上过学，甚至到11岁还不会读书，但是她并没有荒度这些早期岁月。她搜集化石和石头，并且设法弄到一台天体仪，开始研究天文学。

一旦学会阅读，她就自学拉丁文和希腊文，科学的大门因此开得更大。她还挤出时间学习钢琴，音乐对她来说不只是传统的客厅艺术，她甚至还学会了调音， 自己修理损坏的琴弦。

然而，她早期真正喜爱的是数学。她靠自学掌握了代数和几何，并很快熟悉了欧几里得的著作。不用说，所有这些智力和艺术活动使她周围的人感到不安，于是， 她被说服嫁给她父亲一个相当古板和传统的朋友格里格（Samuel Greig） 。早熟的玛丽现在成了别人家的“问题”，她的家庭又可以平静无事了。至于格里格如何应付，不得而知，不过在玛丽33岁时，格里格去世了，玛丽成了非常有钱的寡妇。她没有把钱浪费在舞会和奇装异服上，而是用在更有益的地方。她立刻购买了足够的书，建立了一座出色的数学图书馆。

第二次婚姻是她自己选择的，这使她得到了更好的运气。威廉·萨默维尔（William Somerville）是一位军医和学者，他尊重妻子的智力，鼓励她进行数学和科学活动。

1816年，威廉迁居到伦敦，玛丽立即发现自己正处于英国科学界的中心，她知道她将要做什么——她应该从事科学写作。1834年，她出版了《物理科学的联系》　 （ The Connection of the Physical Sciences）。1848年，她的《物理地理学》　 （ Physical Geography）出版后很快就赢得许多科学界的赞赏，尽管也受到一些牧师的攻击。实际上，这本书写得如此之好，以至于有一个名叫有用知识传播学会的组织，邀请她为他们写一本天文学的书。这本书也赢得了赞赏，接着她又写了一本关于牛顿《自然数学之哲学原理》的书。在19世纪20年代，妇女不可能成为教授，但是玛丽很快就成为科学家和教授欢迎的作家。随着科学的日趋专业化，好奇的科学家想要知道其他领域的进展也变得越来越困难。

不少科学家都被玛丽作品中的认真细致以及她对事实的深刻理解和明晰解释所吸引 约翰·赫歇尔受其1831年的手稿《天体力学》　 （Mechanics of the Heavens）的激励，成了她的好朋友和热心支持者，不仅向他的朋友推荐这本书，还推荐她的其他书籍。此后，不仅科学家在读玛丽的书，而且有一定文化层次的公众也在读她的书，他们需要对身边不断增长的科学进展有清晰、可靠、轻松的报道。玛丽成了最为成功的科学作家，她的家成为当时伦敦一些最活跃人士聚会的地方，她在伦敦科学会社的中心找到了自己的位置。虽然玛丽没有进过大学，但是现在她的客人中却有不少来自大学，他们一起共享欢乐和收获。

当1835年伦敦皇家学会选玛丽和凯洛琳·赫歇尔为会员时，她们成了由于自己的科学贡献而最早得到这种荣誉的妇女。

“我透过光谱仪，没有期望中的光谱，只有一根明亮的谱线！……星云之谜就这样解决了。答案就来自于光线本身，这就是，它不是大量恒星的集合体，而是发光的气体。如果恒星遵从与太阳同样的规律，并且属于更亮的等级，就会给出不同的光谱，但这一星云的光显然来自于一种发光气体。”

遗憾的是，哈金斯一开头就走错了路，由于这颗星云是气体状的，他就假设所有的星云，包括椭圆形状和旋臂形状的星云，都是气体组成的。但是，无论如何，第一次把光谱仪用在天文学上确实是一项惊人的成功。夫琅和费线和光谱仪对天文学研究的意义就好比化石对地质学研究的意义，它们为气体星云和恒星的温度、组成以及运动提供了无比珍贵的信息。正如基尔霍夫证明的那样，热的、发光的、不透明的物体会发射连续光谱——彩虹所显现的各种颜色，没有谱线出现。然而，观察一团冷却的气体，在光谱中就会出现吸收暗线。这些暗线揭示了气体的化学成分。但是，如果从一个角度观察气体，看到的会是另一种不同模式。这些工具成了天文学家研究气体星云的罗塞塔石碑。

给恒星照相

约翰·赫歇尔是威廉·赫歇尔的儿子，他第一个认识到摄影术用于天文学的可能性。［其实，摄影术（photography）就是约翰·赫歇尔造的词。］尽管摄影术发明于1826年，但直到19世纪40年代才开始在天文学中应用。一旦引入了这一新工具，摄影术很快就在天文学中流行起来，虽然如今又有计算机的加盟，但摄影术仍然是天文学的关键工具。当然，它的好处就是天文学家再也无须实时工作，他们可以从照片作出判断，也可以在获得照片后，在任意时间里与照相图片打交道。

他们可以用放大镜或望远镜聚焦在特殊的区域，比较不同时问拍摄的照片。它们留下的记录之精确，为任何手工操作所不及，无论一个人的视觉有多敏锐。随着摄影术这一媒介变得越来越方便，它可以让底片在很长的时间里曝光，以捕捉那些甚至用望远镜往往也很难看到的对象。1889年，巴纳德第一次拍摄到了银河系。在以后的岁月里，摄影术成了天文学家越来越重要的工具，现在它已为考察和研究留下了浩瀚的图像数据库。

约翰·赫歇尔是威廉·赫歇尔的儿子，他把他父亲的星表扩展到南半球，为此他做了大量的工作，他也是把摄影术用于天文学和测量太阳能输出的一位先驱者。

再次认识太阳

对我们来说，最近也是最重要的恒星当然是太阳，19世纪又有两项发现，使我们增加了对太阳物理学的认识。1843年施瓦伯（Samuel Heinrich Schwabe， 1789—1875）宣布发现太阳黑子的周期性活动。伽利略曾经第一个检测到太阳上有黑子存在，现在施瓦伯认识到它的周期性，这就为太阳的内部机制带来了新的看法。这一发现标志着太阳物理学和天体物理学早期工作的开始。另一个出乎意料的成果是在太阳的组成中发现了一种新的元素，这种元素在地球上从未被检测到过。1868年詹森（Pierre-Jules-Cesar Janssen，1824—1907）在研究太阳光谱线时第一次发现了氦的存在。

与此同时，开尔文勋爵和亥姆霍兹根据他们对太阳内部发光机制的考虑，认为地球的年龄最多是2 000万—2 200万年。但是，当时的地质学家和生物学家认为的地球年龄却是差异极大。开尔文勋爵为了探询地球的确切年龄，还研究了地磁学、水力学、地球的形状和地球年龄的地球物理学测定方法。他很快发现自己正处于地球年龄争议的中心，因为他估计的太阳年龄只有2 000万年，不足以为地球上的生物进化提供足够时间，而诸如赫顿和莱伊尔等地质学家对地球历史则有更长的估算。达尔文在提出进化论时采用的是莱伊尔的数值，他假设地球的地质历史跨度至少是3亿年。最近的21世纪对太阳发热机制的认识支持达尔文，而不是开尔文。

测定地球年龄

地球科学家和天文学家受的是完全不同的训练。尽管矿工和工程师对我们立足的大地早有研究，但是地质学和天文学不一样，作为一门科学它还只是在18世纪以后才开始发展，直到19世纪才达到全面成熟。

18世纪结束时，地质学家们正在进行一场大争论，研究者各执一词，有的主张水成论，有的主张火成论。水成论的主将是杰出的德国地质学家魏尔纳，他主张地球上所有地层都是原始洪水冲积后的沉积物。火成论的主将是苏格兰地质学家赫顿，他认为地球形成的主要驱动机制是内热，以火山爆发的形式周期性地冲出地壳。

在这两大学派中，火成论更为激进。水成论把地球历史看做就是一次唯一性事件的结果，一场巨大的洪水（类似于《圣经》中的诺亚故事），使地球的地壳成为现在这个样子。这跟《圣经》中创世纪故事的字面含义非常吻合。学者们由此得出结论，认为地球年龄不超过6 000年。赫顿以及火成论者则相反，他们坚持认为地球历史经历了漫长、缓慢和持续的变化过程。他们认为，如今在地球表面观察到的各种作用力，它们始终在起作用。形成、磨耗和重塑的过程反复上演。其他一些过程也在持续进行，例如，熔岩穿过地壳喷发，玄武岩和花岗岩之类的结晶岩在持续形成，地表上岩石的沉积层在不断堆积。这一观点被认为是激进的和理性主义的（把推理看成是唯一的权威），因而从一开始就饱受怀疑。

法国伟大的比较解剖学家居维叶就是反对者之一。居维叶提出地球历史中的一系列灾变证据，在灾变期间所有物种都灭绝了，然后，新的岩层形成。他说，最近的一次灾变就是圣经中描述的大洪水。

地质学家阿加西斯（Louis Agassiz， 1807—1873）也独立主张灾变论，认为地球经历过一段冰期——实际上，有20次冰期——其证据是：现在不存在冰河的地区却出现了某些冰期才有的现象。尽管冰期理论一开始遭到反对，但当证据越来越多时，已逐渐被人们接受。

1790—1830年这一段时期往往被称为地质学的英雄时期，因为此时的地质学受到来自艺术和哲学中的浪漫主义运动的巨大影响。浪漫主义者拥抱大自然，鼓励探险活动，他们热衷于远离无趣乏味的文明社会，走向未开化的原始荒野。于是，行走于崇山峻岭等处成为时尚，响应这一号召的科学家，投身于变幻无穷的大自然，零距离地面对地壳的形成过程，而在从前他们是绝不可能这样做的。仅当此时，地质学，才不再只是单纯地研究矿物学，辨认孤立的岩石标本，而是成为一门大有作为的科学，根据地球历史上曾经发生过的一系列剧变、侵蚀及其重造事件——它们是一段惊心动魄的伟大历史，反映了地球上各种力量的彼此较量——来解读地层。

当然，老顽固们还在抵制。这是一些固守传统方法的地质学家，他们关心的只是这门科学的声望、证据的搜集和理论的完整。浪漫主义者经常与这样的传统地质学家发生冲突，他们把自己看成是捍卫真理的骑士，准备面对由此产生的后果，献身于对大自然的探险事业。

其实，这两种倾向无须按照意识形态划分，它们也没有实质性地影响双方所用的方法。保守、宗教和反革命的心态正是法国革命之后的时代特征，它迫使地质学严格依附于经验主义，也就是说，寻求具有严密证据的理论支持。其结果是，即使受随心所欲的浪漫主义影响的地质学家，在考察岩层和搜集样品时采用的也是和他们的同事们完全一样的方法。

19世纪地质学家研究的岩层就像地质学家莱伊尔在英国的诺佛尔克悬崖所观察过的一样，可用来确定地球的历史。

到了1830年，更多的事实已经呈现，从中足以引出理论，同时赫顿的均变论还引起一位富有的年轻苏格兰律师的关注，他对地质学比对法律更为关注。他就是莱伊尔，尽管他是在牛津大学跟一位水成论者学习地质学的，但他在欧洲到处旅行，有机会亲自考察许多岩层。他在研究中得出结论，赫顿是正确的，形成地球历史的各种作用力在时间的长河中始终如一，即便在当代依然行之有效，表现为侵蚀和沉积、加热和冷却等现象。他还广泛阅读——远远超过赫顿——尽管他本人没有作出什么发现，也没有提出自己的理论，但他的巨大贡献是把许多事实汇集到了一起。

科学侧影：空心地球理论

尽管莱伊尔、赫顿和居维叶的观点各不相同，但19世纪还有更为稀奇古怪的观点，亦即地球是空心的，通过位于两极的开口可以进入地球内部。这虽然是不切实际的空想，但不乏由头。英国天文学家哈雷在17世纪末提出，地球内部是由同心球组成的——确切地说是四层，他还猜测， 内部空间充满一种发光大气。处于两极的开口允许光逃逸到我们所呼吸的大气表面，他解释说，这就是为什么能够在北极附近看到北极光的原　因　。

这一理论在19世纪初获得新生起因是一位参加1812　年战争的老兵，他的名字叫西姆斯（John Symmes ）　。由于他推广了哈雷的设想，于是，传说中的极洞就命名为西姆斯洞。西姆斯试图激起人们对北极探险的兴趣，希望能够找到通向内部世界的洞口，却不幸在1829年去世，终不得志。

1869年有一位名叫梯德（Cyrus Reed Teed）的炼金术士和草药师，他说有一个设想在指引他：我们实际上是生活在地球内部，而不是像我们以为的那样，生活在它的表面。他到处作报告、散发小册子，甚至根据他的想象创建了一个教派。

空心地球的幻想后来成了许多虚构小说的主题，其中包括爱伦·坡（Edgar Allan Poe， 1809—1849）的《阿瑟·戈登·皮姆的故事》（The Narrative of Authur Gordon Pym of Nantuckel，1838年）和凡尔纳（Julesverne，1828—1905）的《地心之旅》　 （ Journey to the Center of the Earth， 1864年）。

这一幻想持续到了21世纪，有人提出UFO就是利用两极作为出入口，随意进出地球。据说，地内文明比我们的文明还要发达，不仅在精神上，而且在技术上。这一幻想全然不顾如下的事实：许多飞行员驾驶飞机飞越了两极，人造卫星从太空传送照片，表明决无洞口！尽管这无疑是一种出色的科学幻想故事。

他坚持说，只有现在仍然在起作用的地质因素，才可用于解释过去的历史，当然需要假设经历了非常之长的时间。他写道：

“相比于各种先入之见，大大低估已有时间跨度这一做法更是危害地质学的进步，除非我们使自己习惯于思考这一可能性：曾有一个无限久远的年代……否则我们将不幸形成极为危险的地质学观点。”

1830年，莱伊尔出版了《地质学原理》第一卷。其中的一本次年被带上英国皇家海军“贝格尔号”舰，成为旅途中的阅读佳品。这是科学史上最著名的一次航行。

莱伊尔建立了地质学的均变理论。