太阳系的诞生
无论宇宙多么壮丽辽阔，深邃莫测，我们总不能永远沉湎于它的宏伟之中。我们必须回到我们生活的星球小家族中来，回到我们的太阳以及环绕着太阳的星球上来。
到了牛顿时代，人们已经能够把地球和太阳系的产生作为整个宇宙产生问题中的一个单独问题进行理智的推测。（太阳是构成我们银河系的亿万颗恒星中的一颗，而地球是环绕着太阳的行星中的一个。太阳系的示意图（图3-1）表明，太阳系是一个具有某些统一特征的结构。
图3-1 太阳系示意图，按照行星的相对大小排列出次序
1.所有的大行星几乎都在太阳的赤道面上环绕着。换句话说，如果你给太阳和它的行星做一个立体模型的话，你就会发现这个模型可以做得正好放进一个非常浅的平底锅上。
2.如果你从北极星方向往下看太阳系的话，所有的大行星都以相同的方向——逆时针方向绕着太阳转动。
3.各个大行星在绕太阳公转的同时，还绕自己的轴逆时针方向的自转（有某些例外）；太阳本身也在逆时针方向自转。
4.这些行星离太阳的距离平稳地增加，而且都有近乎圆形的轨道。
5.除了某些例外，所有的卫星都在其各自的行星赤道面上，以近乎圆形的轨道沿着逆时针方向绕行星运行。
这张图中的普遍规律性使人们自然而然地认为，整个太阳系是由某种单一的过程产生的。
那么，太阳系的生成过程是怎样的呢？到目前为止，所提出的全部理论可以分为两类：灾变说和演化说。灾变说的观点是，太阳是单独生成的，在其历史上的某个较晚的阶段，由于发生了某个激烈的事件，结果使太阳得到了一个家族。演化说则认为，太阳和行星，整个系统从一开始就是以有条不紊的方式形成的。
在18世纪，当时科学家们仍迷惑于圣经故事中的大洪水之类巨大事件，因此认为地球的历史充满着激烈的灾变的假说颇受欢迎。那么为什么不能有一次超级大灾变来开始这整个过程呢？法国博物学家布丰1745年提出了一个流行的理论，认为太阳系是太阳和一个彗星在一次相撞时产生的碎片生成的。
布丰当然指的是太阳和另一个具有相当质量的天体的碰撞，他之所以称这个天体为彗星是由于想不出别的名称。我们现在知道，所谓彗星，其实是被几缕极稀薄的气体及尘埃包围着的微小天体。但布丰的理论仍然可以存在，只要我们给碰撞的天体另起一个名字就行了。后来，天文学家们又回到了他的想法。
虽然如此，对某些人来说，把引起太阳系诞生的过程，设想成一个时间很长很长的非灾变的过程，似乎更为自然，更少偶然性。这种想法能以某种方式适应牛顿所提出的支配宇宙中星球运动的自然定律。
牛顿自己曾经提出，太阳系可能是由稀薄的气体尘埃云在万有引力的作用下逐渐凝聚而成的。当这些粒子聚集在一起时，引力场会增强，从而会加速凝聚，最后，整个质量就会坍缩成一个致密的天体（太阳），收缩所释放的能量使天体变得炽热。
实质上，这是今天有关太阳系起源的一些最流行的理论的基础。但是要回答一些具体问题，还有许许多多困难的问题需要解决，比如说，高度离散的气体怎么能被非常微弱的引力聚集在一起呢？近几年来，天文学家提出，这一起始力可能是一次超新星爆发。设想一大片数十亿年来没有多大变化的气体尘埃云，恰巧行经一颗刚刚爆发的超新星周围，爆发产生的激波和巨大的尘埃气体风暴强行冲入那片接近宁静的气体尘埃云，增强了它的引力场，开始了它的凝聚，结果就形成了一颗恒星。
如果这就是太阳诞生的方式，那么行星又是如何产生的呢？它们是从哪里来的呢？1755年康德首先试图解答这个问题，1796年法国天文学家兼数学家拉普拉斯也试图独立地解答这个问题。拉普拉斯描述得比较详细。
根据拉普拉斯的描述，开始时这一大团收缩的物质云在旋转着，越收缩旋转得越快，正如滑冰的人把手臂内收时旋转得更快一样。（这种效应是由于角动量守恒：角动量等于转动物体的转动惯量I和角速度ω的乘积，即Iω。对于不受外力作用的给定物体，总角动量为恒量。当滑冰者双臂收回时，转动惯量I减小，角速度ω增大，所以旋转得更快。）当这团旋转的气体尘埃云加速后，按照拉普拉斯的说法，会从其快速旋转的赤道上抛出一个物质环，从而减少了一些角动量，剩下的气体尘埃云就慢下来。但是因为它进一步收缩，它就会再一次达到那个速度，使它抛出另一个物质环。这样，正在聚结中的太阳就留下一系列的圆环——轮胎状的物质云。拉普拉斯认为，这些圆环逐渐凝聚成行星，而它们自身也按着这个过程抛出一些小圆环，形成它们的卫星。
因为根据这个观点，太阳系的起源乃是一团云或星云，同时因为拉普拉斯曾举仙女座星云为例（当时还不知道仙女座星云是一个巨大的星系，而被认为是一团旋转着的气体尘埃云），所以这种说法被称为星云假说。
拉普拉斯的星云假说看起来非常符合太阳系的主要特征——甚至某些细节。比方说，土星的光环很可能是凝结不起来的卫星环（如果把这些环聚集在一起，的确能够形成一个相当大的卫星）。同样，在火星和木星之间的一条带区里绕着太阳运转的小行星，可能是一个环的一些节段的产物，这个环未能聚合成一个行星。而当亥姆霍兹和开尔文勋爵逐步建立起太阳的能量来自太阳慢速收缩的理论时，他们的理论似乎也符合拉普拉斯的说法。
星云假说盛行了大半个19世纪，但在19世纪结束之前却出现了明显的致命缺陷。1859年，麦克斯韦以数学的方法分析土星环，发现由任何物体抛出的气体物质环只能凝结成像土星环那样的小粒子集合体，永远不会形成一个固体，因为万有引力会把环拉散，不让它凝聚成一个坚固天体。
角动量的问题也出现了。原来在太阳系中，行星所占的质量仅略大于0.1%，却拥有总角动量的98%！单是木星就占有整个太阳系总角动量的60%。太阳则只占原始星云角动量的极小的一部分。那么，为什么几乎全部的角动量都集中在从星云分裂出去的小环上呢？
由于下述情况，这个问题变得更加令人迷惑不解：木星和土星都有一个卫星系统，看上去像是两个小型的太阳系，而且可能是以同样的方式形成的；但是中心的行星体却保留了大部分角动量。到了1900年，星云假说已经毫无生气，以致任何演化的观点似乎都不可相信。于是灾变说又登场了。1905年，两位美国科学家钱伯林和莫尔顿用一个比彗星更好的字眼，把行星解释成是太阳和另一颗恒星几乎碰撞的结果。这次相遇从太阳和那颗恒星中拉出一些气体物质，留在我们太阳附近的那些物质云团后来凝缩成一些小的星子，然后再聚成行星。这就是星系假说。至于角动量的问题，英国科学家金斯和Ｈ.杰弗里斯1918年提出了一种潮汐假说，他们认为，从我们太阳旁边经过的那颗恒星的万有引力把被拖出去的气体物质从侧面猛拉了一下，从而使气体物质有了角动量。如果这种灾变理论是正确的，那么行星系统将会是非常稀少的。超新星爆发已经是很罕见的了，而分布遥远的恒星发生碰撞的可能性还不到超新星的1/10000，据估计，根据这种理论在银河系的一生中，能够产生太阳系这类的碰撞大概只发生过10次。
但是，在数学分析的检验之下，这些设计灾变的最初企图均未成功。罗素证明，在任何这种接近碰撞中，行星在离太阳就像实际那么远的地方就早毁灭了。此外，为了补救这一理论，人们曾经设想了各种实际碰撞而不是接近碰撞的情形，也没有什么成效。在20世纪30年代，利特尔推测有一次三颗恒星相撞的可能性；后来，霍伊尔提出太阳曾经有过一个伴星，以后变成超新星消失了，留下了现在这些行星。然而1939年，美国天文学家斯皮策证明，在任何情况下，从太阳抛射出来的任何物质都会因过热而无法凝聚成为星子，而只能扩散成稀薄的气体。这个结论似乎结束了灾变的一切想法。（不过，1965年仍有一位英国天文学家伍尔夫森认为，太阳可能是从一个松散的冷恒星那里得到它的行星物质的，如此将不涉及极高温的问题。）
于是，在星子理论结束之后，天文学家们又回到了演化的观点，而对拉普拉斯的星云假说另眼相看了。
这时，天文学家们对宇宙的了解已有了巨大的进展，现在他们必须说明星系的形成。形成星系所需要的气体尘埃云，要比被拉普拉斯设想为我们太阳系之母的云团大得多。同时，现在看来，这样一些巨大的物质集合体会经过湍流而分裂成许多旋涡，而每个旋涡都有可能凝结成一个独立的系统。
1944年，德国的天文学家韦扎克对这个构想作了透彻的分析。他计算出，最大的旋涡含有形成星系的足够物质。旋涡在湍流收缩期间会产生子旋涡，每个子旋涡也很大，足以产生一个太阳系（包含一个或多个太阳），而在太阳旋涡外围的亚子旋涡则可能形成行星。于是，在这些亚子旋涡汇合处就像啮合的齿轮一样反向运转，形成的尘埃粒子会互相碰撞并聚合在一起，先形成星子，然后再聚合成行星。（图3-2）
图3-2 韦扎克的太阳系起源模型。他的理论认为，由小云团组成的巨大云团分裂成大漩涡和子漩涡，然后再并合形成太阳、行星及行星的卫星
在解决行星角动量的问题上，韦扎克的理论本身并没有超过比它简单得多的拉普拉斯理论。瑞典天体物理学家阿耳文考虑到了太阳的磁场。当年轻的太阳快速旋转时，它的磁场就如同制动器一样使它减速，从而将角动量传递给行星。霍伊尔对这一观点作了详细的说明，因而使修改后的韦扎克理论既包括万有引力也包括磁力，似乎是迄今为止能够说明太阳系起源的最好的理论。
太阳
很明显，太阳是地球上光、热和生命本身的源泉。甚至在史前时代，人类就必定会把太阳当做神来崇拜，我们所知道的第一个一神论者，是公元前1379年取得埃及王位的法老埃赫那顿，他就把太阳当做惟一的神。在中世纪时代，太阳是完美的象征，虽然它本身没有被认为是神，但无疑地认为它代表着上帝的完美。
最早对太阳的实际距离有概念的是古希腊人。阿利斯塔克的观测指出，太阳离我们至少有数百万公里远，因此根据肉眼所见的大小来判断，它必然比地球大。然而只是大小尚不能给人以深刻的印象，因为很容易把太阳设想成是一个仅由非实体的光所构成的大球。
直到牛顿时代才知道，太阳不仅比地球大，它的质量也远超过地球。同时还知道，地球精确地沿一定的轨道绕太阳运行，是因为地球受到太阳的强大的引力场的影响。我们现在知道，太阳距离地球1.5×108公里；直径1392000公里，是地球直径的110倍。它的质量是地球的33万倍，也是太阳系所有行星物质总和的745倍。换句话说，太阳占有太阳系中99.86%的物质，是这个系统中压倒一切的首领。
然而我们不应当过分注重它的大小；其实它并不是一个完美的天体——如果我们像中世纪的学者们那样，把完美定义为亮度均匀和毫无斑点的话。
在1610年将近年底的时候，伽利略用他的望远镜在黄昏的雾霭中观察太阳，结果每天都在日轮上看到深色的黑子。根据这些黑子横过太阳表面稳定前进，以及它们在接近太阳边缘的过程中缩短的情形，伽利略断定，这些黑子是太阳表面的一部分，同时推断，太阳在略多于25个地球日的时间内绕自己的轴自转一周。
当然，伽利略的发现遭到强烈的反对；因为根据古老的观念，这简直就是对神明的亵渎。德国天文学家席纳尔也观察到了这些黑子，不过他认为，这些黑子并不是太阳的一部分，而是一些绕太阳旋转的小天体，只不过在明亮的日轮的衬托下显得较为黑暗而已。但是伽利略获得了这场争辩的胜利。
1747年，苏格兰天文学家威尔逊在靠近太阳边缘的地方看到了一个太阳黑子，当从侧面看的时候，有些内凹，仿佛是太阳上的一个火山口。这一点在1795年被Ｗ.赫歇耳所采纳。Ｗ.赫歇耳认为，太阳是一个既黑暗又寒冷的天体，被一层燃烧着的气体包围着。按照这一观点，太阳黑子则是一些洞，透过这些洞可以看到里面那个寒冷的天体。Ｗ.赫歇尔猜测，那个寒冷的天体上可能有一些有生命的东西居住着。（请注意，优秀的科学家也会提出一些鲁莽的理论，这些理论在当时的知识背景之下，似乎是合理的，但是随着日后更多证据的累积，终于被证明原来是非常荒唐的错误。）
实际上，太阳黑子并不真正是黑色的。它们是太阳表面上一些比较冷的区域，所以看上去显得比较暗。然而，如果水星或金星运行到地球和太阳之间的话，都会在日轮上显出一个真正的小黑圆圈。如果这个圆圈移动到一个太阳黑子附近，人们就会发现太阳黑子其实并不真正是黑色的。
然而即使是完全错误的观点也会有用，因为Ｗ.赫歇耳的看法使人们增加了对太阳黑子的兴趣。
癖好天文学的德国药剂师施瓦贝在这个问题上却有了真正的突破。由于他白天整天工作，无法晚上熬夜来看星星，便设法给自己找一件白天能做的事，最后决定观察日轮，寻找接近太阳的行星，行星从太阳前面经过，可以证实这些行星的存在。
1825年，他开始观察太阳，因而经常看到太阳黑子。过了一段时间以后，他把行星的事丢到了脑后而开始描绘这些每天都改变位置和形状的太阳黑子。只要不是全阴天，他就天天观察太阳，一直坚持了17年之久。
到了1843年，他非常有把握地宣称，这些太阳黑子并不是随意出现的，而是有一个周期。年复一年，太阳黑子愈来愈多；一直达到一个顶峰；然后数量逐渐减少，直到几乎没有；于是一个新的周期再度开始。我们现在知道，这个周期有点不规则，但平均起来大约是11年。施瓦贝的发现并没有受到重视（毕竟，他只是个药剂师），直到著名的科学家洪堡1851年在他的一部科学著作《宇宙》中提到这个周期之后，才为人们所接受。
此时，苏格兰血统的德国天文学家拉蒙特在测量地球的磁场强度。他发现地球磁场的强度有规律地上升和下降。1852年，美国物理学家赛宾指出，这个周期与太阳黑子的周期时间相合。
这样看来，太阳黑子对地球有影响，因而人们开始怀着浓厚的兴趣研究太阳黑子。每年都根据一个公式给出一个苏黎世太阳黑子数，这个公式是在苏黎世工作的瑞士天文学家沃尔夫1849年首先提出的。（他还率先指出，极光发生率的升降也与太阳黑子的周期合拍。）
太阳黑子似乎与太阳的磁场有关，并且似乎出现在磁力线的出射点上。1908年，在发现太阳黑子３个世纪之后，海耳探测到一个与太阳黑子相联系的强力磁场。太阳的磁场为什么会有那些表现，为什么会在不固定的时间和地点出现在太阳表面上，为什么其强度会随着某些不规则的周期而增减？这些问题到目前为止仍属于未能解决的太阳之谜。
1893年，美国天文学家蒙德为了建立伽利略发现太阳黑子后的第一个世纪中太阳黑子周期的资料，检查了所有早期的报告。他惊讶地发现，在1645年—1715年竟然没有有关太阳黑子的报告。诸如J.D.卡西尼等重要天文学家都寻找过太阳黑子，并对他们一个黑子也没有找到的事发表过评论。蒙德1894年将此发现予以公布，1922年再次公布，但是，他的工作没有受到重视。太阳黑子的周期已经被证实得如此充分，以致要说有一段70年的时间几乎没有太阳黑子出现，这似乎是难以令人相信的。
20世纪70年代，美国天文学家埃迪无意中发现了这份报告，经仔细检查，发现的确有所谓的蒙德极小期。他不仅重复了蒙德的研究，而且调查了从包括远东在内的许多地区收集来的用肉眼观测到的特大太阳黑子的报告——这些都是蒙德未得到的资料。这些纪录追溯到公元前5世纪，通常每个世纪有5～10次的观测记录。在这中间也有间断，其中一次间断跨越了蒙德极小期。
埃迪还检查了关于极光的报告。极光的频率和强度以太阳黑子的周期升降。结果表明，1715年以后这种报告很多，1645年以前也不少，但是在1645年—1715年却一份也没有。
再者，当太阳磁场活跃并有许多太阳黑子时，日冕会充满日冕射线而显得非常美丽。当缺乏太阳黑子时，日冕看起来像是毫无特色的烟雾。日冕在日食时可以看到；尽管在17世纪天文学家很少旅行去观察日食，但是，在蒙德极小期期间同样存在着日食报告，这样的报告讲的一律都是没有或很少有太阳黑子时的那一类日冕。
最后，在黑子极大期之时，会发生一连串的事件，使碳-14的产量比平常低。因此，可以分析树木年轮中碳-14的含量，以碳-14含量的升降来判断太阳黑子的极大期或极小期。这种分析也证明了蒙德极小期的存在，实际上，在更早的一些世纪中已有许多个蒙德极小期。
埃迪的报告指出，在最近的5000年内大约有12个周期，而每次蒙德极小期持续的时间从50年～200年不等。例如，在1400年—1510年就有一个蒙德极小期。
既然太阳黑子的周期对地球有影响，我们或许会问，蒙德极小期对地球有什么影响？这个影响可以说与冷期有关。在17世纪的第一个10年当中，欧洲的冬天非常寒冷，以致被称为小冰河时期。在1400—1510年的蒙德极小期期间也很寒冷，当时格陵兰岛上的挪威移民都消失了，因为天气冷得简直无法生存。
月球
当1543年哥白尼把太阳放在太阳系的中心以后，地球的忠实跟随者仅剩下月球了。过去长久以来，地球一直被认为是太阳系的中心。
月球每27.32天绕地球一周（相对于恒星而言）。它也以同样的时间绕自己的轴自转一周。由于公转和自转周期相同，导致它永远以同一面对着地球。这个公转和自转周期的相等并不是一个巧合，而是地球对月球有潮汐作用的结果，这一点我将在下面解释。
月球相对于恒星的公转我们称为恒星月。然而当月球绕地球公转时，地球也绕着太阳公转。这样当月球绕地球一周时，由于地球的运动带着月亮一起运动，所以太阳在天空的位置也略有移动。月球必须再公转两天半的时间才能赶上太阳，回到和以前相同的相对与太阳的位置。月球相对于太阳绕地球公转称为朔望月，朔望月是29.35天。
对人类而言，朔望月远比恒星月重要得多，因为在月球绕地球公转的过程中，日光照射到我们所看见的月面上的入射角会经历稳定的变化，而这个角度决定乎月球相对于太阳的公转。月球要经历接连发生的月相。在一个月的开头，月亮正好位于太阳的东边，只有日落以后才能看到一弯细细的娥眉月。
夜复一夜，月球行离太阳愈来愈远，娥眉月也愈来愈粗，终于，月球明亮的部分变成了半个圆，之后，它超过了半圆。当月球运行到正好与太阳相对的天空位置时，太阳光便通过地球的“肩膀”（打个比方）照亮我们可以看到的整个月面：这个明亮的圆月面称为满月（望）。
之后，黑影从娥眉月出现的地方侵入月球。夜复一夜，月球明亮的部分逐渐减少，直到再次成为半圆；但明亮部分和上次的半圆相反。最后，我们只能在破晓时看到一弯娥眉月出现在太阳的西边，但弯钩的方向却和月初的娥眉月相反，然后月球通过太阳；再度在夕阳之后以娥眉月出现，整个变化又重新开始。
月相变化的整个周期持续29.5天，正好是朔望月的时间，构成了人类最早历法的基础。
人类当初以为月球随着月相的变化，真的是在盈、亏、生、死。甚至有人认为，每次在日落后出现于西方天空的娥眉月确确实实是一个新的月球，直到今天人们仍称之为新月。
然而，古希腊的天文学家认识到，月球一定是一个球；由于只能反射太阳光而发光，所以才会有月相变化；而月球在天空中相对于太阳的位置变化恰恰正是发生月相的原因。这是一个十分重要的事实。希腊哲学家，特别是亚里士多德，企图证明地球的性质和其他天体共有的性质全然不同，以此把地球和其他天体区分开来。于是，他们提出，地球是黑暗的并且不发光，而所有其他的天体都发光。亚里士多德认为，天体是由一种他称为以太（源自希腊语“发光”）的物质构成的，这种物质与构成地球的物质根本不同。然而月球的月相周期表明，月球和地球一样自身不发光，只是因为反射太阳光才发亮。所以，月球至少在这一点上和地球是相同的。
此外，有时太阳和月球正巧位于地球的两边，太阳光被地球挡住而无法到达月球，于是月球便通过地球的阴影而发生月食；月食总是发生在满月的时候。
在远古时代，人们认为，月食是月球被某种邪恶势力所吞噬，会永远完全消失。这曾经被看成是一种可怕的现象；而科学的一项早期成果，就是能够预报月食，并证明这是一种很容易解释明白的自然现象，（有人认为，英国索尔兹伯里平原上的史前巨石阵就是远古石器时代的天文台，可以根据太阳和月亮相对于这一结构中规则排列的石柱的位置变化，来预报月食的来临。）
事实上，当月球是娥眉月时，有时可以看到以微红的光勾画出来的月球其余部分的暗淡轮廓，伽利略认为，地球和月球一样，一定也反射太阳光而发亮，而月球上没被太阳照到的部分会被地球光朦胧地照亮。只有当能够被看到的受太阳照射的部分非常小，小到它的光不至于淹没掉暗淡得多的地光时，才能看到这种情景。所以，不仅月球像地球一样不发光，地球也像月球一样反射太阳光，并和月球一样出现位相变化（如果从月球上来看的话）。
地球和其他天体之间另一个想象的根本差异是：地球是有瑕疵的、不完美的、不断变化的，而其他天体则是完美无缺的、永恒不变的。
天上的星球中，只有太阳和月球在人的肉眼看来不是光点。在这两者之中，太阳看上去是一个完美的光圆，而月球——即使不考虑它的月相变化——是不完美的。在满月的时候，月亮看来似乎是一个非常完美的光盘，然而很明显它并不完美。在它柔和的光面上有许多污迹，它们损害了完美的观念。远古的人类把这些污迹当作绘画的题材，每种文化所画出来的图画都不一样。人类的自负使得人们把这些污迹看成是一幅人的图画，至今我们仍然说到“月球上的人”。
1609年，伽利略首次用望远镜观察天空，当他将镜头指向月球时，看到了高山、环形山和平原，最终证明月球并不是一个完美的天体，它与地球十分不同，但却是一个和地球类似的世界。
但是，这项认识本身并没有完全推翻古老的想法。希腊人注意到，在通常情况下，天空中有几个天体稳定地改变着相对于恒星的位置，其中月球改变得最快。他们认为，这是因为月球距离地球比其他天体近的缘故（这一点希腊人是对的）。有人可能会争辩说，因为月球靠近地球，所以多少会受到地球不完美的污染，月球受了近邻之害。直到伽利略发现太阳黑子后，完美天体的想法才真正被打碎。
测量月球
如果月球是最接近地球的天体，它有多近呢？在企图确定这个距离的古希腊天文学家中，喜帕恰斯基本上得出了正确的答案。现在知道月球离地球的平均距离是384401.377公里，大约是地球周长的9.6倍。
如果月球的轨道是圆的，那么它和地球之间会总是这个距离。然而月球的轨道有点椭圆，而且地球并不在椭圆的中心，而是在中心以外的一个焦点上，所以月球在近乎一半的轨道上略接近地球，而在另一半轨道上则略远离地球。最接近地球的地方称为近地点，距离地球356400公里；离地球最远的地方称为远地点，距离为406600公里。
如同希腊人猜测的那样，月球是所有天体中最接近地球的天体。即使我们不管恒星而只考虑太阳系，那么相对来说月球也是在我们的后院。
月球的直径从它的距离和视大小来判断，大约是3480公里，地球的直径是它的3.65倍，太阳的直径则是它的412倍，碰巧太阳到地球的距离大约是月球到地球平均距离的390倍，所以距离和直径的差异几乎抵消，使这两个实际大小相差很大的天体在天空中看起来却差不多大。由于这个缘故，当月球运行到太阳正前方时，这个小而近的天体几乎可以完全遮掩住大而远的太阳，使日全食成为壮丽的奇观。这是一个惊人的巧合，它对我们有益。
到月球上去
月球离地球如此之近，在天空中的形象又是如此地突出，所以长久以来一直激励着人们的想像力。是不是有方法到月球上去呢？人们可能也想到太阳上去，但太阳明显的又高又热使这些人泄了气。月球不仅近得多，而且温和得多，显然是一个比较理想的目标。
在早些时候，人们似乎并不认为到月球上去是一件无法完成的工作，因为那时候人们认为大气延伸到所有的天体，所以任何能把你带到空中的东西，在极端的情况下有可能会把你带到月球上去。
因此，在2世纪时，叙利亚作家卢奇安写了我们所知道的第一个空间旅行的故事。故事中说，一艘船遇上龙卷风，船被龙卷风卷起的水柱顶上了云霄，高得可以到达月球。
接着1638年，出现了一本名为《月中人》的书，作者是英国牧师戈德温（在这本书出版之前作者就去世了）。书中的主人公乘着由大鹅拉的马车到了月球；这些大鹅每年都要移栖到月球上去。
然而1643年，空气压力的性质逐渐为人们所了解，人们立刻发现，地球的大气不可能延伸到地球表面几公里以外的地方。地球和月球之间的空间大部分是真空，水柱无法穿透，大鹅也不能飞行。到月球去的问题空然变得难以解决，但仍然不是毫无办法。
1650年，出现了一本叫做《到月球去旅行》的书，是法国作家西拉诺·德·贝热拉写的，这本书是在作者死后才出版的。西拉诺·德·贝热拉在书中列出7种可能到达月球的方法，其中6种因种种理由发现是完全错误的。但他的第七种方法是利用火箭。火箭的确是那时（或现在，就此而言）所知道的可以穿越真空的惟一方法。
然而直到1687年，人们才明白了火箭的原理。那年，牛顿出版了他的巨著《自然哲学的数学原理》，其中列出了他的运动三定律。第三定律就是尽人皆知的作用与反作用定律：当一个力作用在某个方向时，在另一个方向上会产生一个大小相等、方向相反的力。因此，如果一枚火箭往某方向喷出大量物质的话，火箭的其余部分会往另一个方向运动，无论在空气中还是在真空中都是这样。实际上，在真空中会运动得更轻松，因为没有空气阻抗运动。（人们通常认为，火箭需要某个东西来推它，这种看法是错误的。）
火箭技术
火箭并不只是理论上的事物。早在西拉诺·德·贝热拉把它写下来以及牛顿把它理论化之前的几个世纪中，它就存在了。
中国人早在13世纪就发明并利用小火箭来进行心理战——吓唬敌人，而现代的西方文明则是将火箭当作杀人的武器。18世纪80年代，印度军队曾使用火箭来抵抗英军，英国大炮专家康格里夫由此在东方学到了火箭的秘诀。1801年他设计了许多致命的飞弹。有些飞弹在1812年战争中被用来和美国作战，其中著名的一次是1814年麦克亨利堡大轰击，这次大轰击激发弗朗西斯·司各特·基写了《星条旗》，歌颂“火箭的眩目红光”。但是当传统大炮在射程、准确性和威力方面获得改进之后，火箭就一蹶不振。然而在第二次世界大战中发展起来的火箭炮（美国的火箭筒和苏联的喀秋莎），基本上是利用火箭推进的炸药包。另外，喷气式飞机也是利用火箭的作用和反作用原理，只是规模大得多。
大约在20世纪开始的时候，有两个人不约而同地想到了一种新的更好的利用火箭的用途——探测高层大气及空间。他们分别是俄国的齐奥尔科夫斯基和美国的戈达德。（富有想像力的德国发明家赫尔曼·甘斯温特在当时也提出过甚至更加雄心勃勃但不太系统、不太科学的构想，所以，考虑到后来的发展，说一个俄国人和一个美国人是火箭时代的第一批先驱，这的确是很奇怪的。）
齐奥尔科夫斯基在1903－1913年之间首先出版了他的推测和计算；戈达德则直到1919年才出版。但戈达德却是第一位将推测付诸实际行动的人。1926年3月16日，在马萨诸塞州奥本一个冰雪覆盖的农场里，戈达德发射了一枚火箭，升入空中60米（200英尺）。值得注意的是，他的火箭是由液体燃料助推，而不是火药。普通的火箭、火箭炮和喷气式飞机等都是利用周围空气中的氧，而戈达德的火箭当时就是为在外层空间工作而设计的，所以必须携带液态氧作为氧化剂。
凡尔纳在他19世纪的科幻小说中，曾设想以大炮作为去月球旅行用的发射装置。但是，大炮在发射时就把全部力量一下子用完了，而此时正是大气最稠密、阻力最大的时候。不仅如此，宇宙飞船在起飞的时候就得到它所需要的全部加速度，这种加速度大得足以把宇宙飞船内的任何人压得粉身碎骨。
戈达德的火箭在一开始慢慢地上升，逐渐增加速度，在大气稀薄、阻力微小的高空使用它最后的冲力。速度的逐渐增加就是把加速度保持在能够承受的水平，这一点对于载人的宇宙飞船是非常重要的。
遗憾的是，戈达德的成就几乎没有得到任何重视，只有他那生气的邻居一直想把他赶到别处去做实验。于是戈达德便将火箭发射场移到一个更隐秘的地方。在1930－1935年之间，他的火箭达到了每小时885公里（550英里）的速度，高度达2.5公里（1.5英里）。他研制出了控制火箭飞行的系统和使火箭保持正确航向的陀螺仪。戈达德也申请到多节火箭的专利。由于多节火箭每一节都甩掉部分原始重量，同时新的一节从上一节得到的速度开始加速，因此起始速度一节比一节高，所以，一枚多节火箭与一枚载有同量燃料的单节火箭相比，得到的速度要大得多。
第二次世界大战期间，美国海军不认真支持戈达德做更深入的实验。就在这时候，德国政府使用了一批起初受过奥伯特鼓舞的年轻人作为它的特种部队，在火箭研究方面做了很大的努力。奥伯特是一位罗马尼亚的数学家，曾在1923年写了一些关于火箭和宇宙飞船的作品，这些作品与齐奥尔科夫斯基和戈达德毫无关系。德国的研究开始于1935年，终于发展出V-2火箭。在火箭专家冯·布劳恩（第二次世界大战之后，他把他的才能交给了美国来支配）的指导下，1942年发射了第一枚真正的火箭飞弹。V-2在1944年投入战场。尽管总共发射了4300枚，并且有1230枚击中伦敦，但已无法使纳粹获得这场战争的胜利。冯·布劳恩的火箭杀死了2511名英国人，重伤5869人。
1945年8月10日，几乎就在第二次世界大战结束的同一天，正好在戈达德最后看到他的火花烧成熊熊火焰的时候，他死了。由于受到V-2成功的刺激，美国和苏联都全力网罗德国的火箭专家投入火箭的研究。
起初，美国用掳获的V-2火箭研究高层大气，到1952年，这些库存火箭用完了。而在那时，美国和苏联都已经建造了更大更先进的火箭助推器。火箭技术在继续发展。
探测月球
一个新纪元开始了！1957年10月4日（在纪念齐奥尔科夫斯基百年诞辰的那个月内）苏联把第一颗人造卫星（卫星1号）送入轨道。卫星1号以椭圆轨道绕地球运行，在近地点时，位于地球表面上方251公里（156英里），或者说距离地球中心6600公里（4100英里）；在远地点时，则远离地球900公里（560英里）。椭圆轨道有点像公园中游玩用的滑行铁道场。从远地点到近地点的运行中，我们可以说人造卫星是滑下坡，因而失去引力势，速度增加，使人造卫星在近地点时能以最高速度再度开始上坡，就像滑行铁道的作用一样。在上坡时，人造卫星速度降低，并且在远地点达到最低速度，然后再次下滑。
卫星1号在近地点通过稀疏的高层大气。那里的空气阻力虽然很小，却足以使人造地球卫星每次旅行的速度略有降低。每次绕行都无法达到上一次远地点的高度。渐渐地，它像螺旋一般向内行进。最后，因失去能量大多，被地球的强大拉力拉进稠密的大气，而给空气的摩擦燃烧掉。
人造卫星的轨道以这种方式衰退的速度取决于人造卫星的质量、形状和所通过的空气密度。因此，我们可以计算出那个高度的大气密度。人造卫星使我们首次能够直接测量高层大气的密度。结果证明高层大气的密度比想象的要高，但是，举例来说，在240公里的高度，大气密度仍然只有海平面的10－7，在360公里的高度则只有海平面的10－9。
然而这些十分稀薄的空气却不可忽视，即使在1600公里的高空，大气密度只有海平面的10－14，但这个密度却是外层空间的10亿倍。地球的大气层向外扩散得非常远。
在这个领域，苏联并未独占下去，在不到4个月的时间里，美国也加入进来。1958年1月30日，第一颗美国人造卫星探险者1号送入了轨道。
人造卫星一被送入地球轨道，人们的眼睛就更热切地转向月球。诚然，月球已经失去了一部分魅力，因为虽然人们认识到它是一个世界，而不仅仅是天空中的一个发光体，但它己不再是早些时候人们所想象的那个世界了。
在伽利略的望远镜出现之前，人们总是认为，如果天体是一个世界的话，必然会充满生物，甚至会有像人类一样聪明的生物。早期的科幻小说对月球作了这样的假设，以后的科幻小说也是如此，直到20世纪。
1835年，一位名叫洛克的英国作家为《纽约太阳报》撰写了一系列的文章，主要是描述对月球表面的严肃的科学研究，说在月球表面发现了许多种生物。这些描述非常详细，很快就为许多人所深信。
然而在伽利略用他的望远镜观察月球后不久，即发现月球上显然不会有生命存在。月球表面从来不曾被云或雾遮掩过，明暗两半球间的分界线总是那么清晰，因而没有可以察觉到的曙暮光。月球表面暗色的“海”，伽利略曾以为是一片片的水，后来发现其上散布着一群小的环形山，充其量这些“海”只是相对平坦的沙地而已。事情很快就清楚了，月球并不含任何水及空气，因此没有生命。
然而，这样匆匆地下结论或许太草率了。人们始终看不到的月球背面，其情况又是怎样的呢？会不会在背面有少许的水分，虽然不能养活大的生物，但却足以养活类似细菌之类的东西呢？或者，如果根本没有生命，会不会在土壤中有一些能够表示一种缓慢而可能夭折了的向着生命演化的化学物质呢？即使这些都没有，对月球仍有一些与生命无关的问题需要回答。月球是在哪里形成的？它的矿物结构如何？它有多大年龄？
所以，在卫星1号发射之后不久，这项新技术就开始用来探测月球。第一枚成功的月球探测器，即第一颗近距离通过月球的人造卫星，在1959年1月2日由苏联发射升空。它就是月球1号，第一个环绕太阳运行的人造物。不到两个月，美国也取得了同样的成就。
1959年9月12日，苏联发射了月球2号，目的是让它击中月球。这是人类有史以来第一次把人造物降落在另一个世界的表面。接着一个月后，苏联人造卫星月球3号在月球上方滑行，并且将电视摄影机朝向我们在地球上永远看不到的月球背面，从月球表面上方64000公里之处传送回来40分钟月球背面的图像。画面模糊不清而且质量很差，不过显示了一些有趣的东西。月球的背面几乎没有正面那样明显的“海”。为什么会有这种不对称还不大清楚。不过根据科学家的推测，“海”的形成在月球历史上可能相当晚，这个时候月球已经永远以同一面向着地球，而大流星受地球重力的影响，偏向月球朝着地球的那一面，造成了月球上的“海”。
但是探测月球只是刚刚开始。1964年，美国发射了一枚月球探测器徘徊者7号，目的是撞击月球表面，并在接近月球时拍摄照片。1964年7月31日，它圆满地完成了任务，在一处现在叫做已知海的地方拍了4316张照片。1965年初，徘徊者8号和徘徊者9号取得了更大的成功。这些月球探测器查明，月球表面非常坚硬，并不像某些天文学家所猜测的那样，上面覆盖着一层厚灰尘。这些探测器还表明，即使在望远镜中看起来非常平坦的地方，实际上也布满环形山，这些环形山太小，在地球上无法看到。
苏联的探测器月球9号1966年2月3日成功地完成了一次不造成任何破坏的软着陆。1966年4月3日，苏联将月球10号送入每3小时绕月球一周的轨道。它测量了月球表面的放射性，图像表明，月球表面的岩石和地球海底下的玄武岩相似。
美国的火箭专家以更为精巧的火箭技术沿着这个开端前进。1966年6月1日，美国的探测者1号在月球上首次软着陆。1967年9月，探测者5号在地球上的无线电遥控下处理和分析了月球上的土壤，证明的确类似玄武岩，而且含有可能是出自流星的铁的微粒。
1966年8月10日，美国发射了第一枚月球轨道环行器。这枚月球轨道环行器对月球的各个部分都作了详细的拍照，使人们非常详尽地了解到月球表面各个地方（包括地球上永远看不到的那一面）的特征。此外，还拍摄了一些令人吃惊的从月球上所看到的地球的照片。
顺便说一下，月面环形山过去是以天文学家和其他伟人的名字来命名的。因为大部分的名字都是由意大利天文学家里乔利1650年左右决定的，所以较大的环形山以希腊天文学家亚里士多德、阿基米得及托勒玫和老天文学家哥白尼、第谷和开普勒命名。
由月球3号首先揭示出来的月球背面则提供了一些新的命名机会。其中一些注目的特征都被俄国人抢先占有，这也是他们的权利。他们不仅以齐奥尔科夫斯基这位伟大的空间旅行的预言家来命名，而且还以18世纪后期的两名化学家罗蒙诺索夫和波波夫来命名。他们也用环形山来表彰西方的名人，如麦克斯韦、赫兹、爱迪生、巴斯德和居里夫妇，这些人都在本书中提到过。另外，在月球背面还有一个非常相称的名字，就是法国科幻小说先驱作家凡尔纳。
1970年，人们对月球的另一面已经了解得非常清楚，所以能够对其特征系统地加以命名。在美国天文学家门泽尔的领导下，一个国际组织确定了数以百计的名字来纪念过去以各种方式对科学发展作出贡献的伟人。非常突出的环形山分给了诸如门捷列夫（第一个研究出元素周期表的人，我将在第六章 中讨论他）和加加林（第一个进入绕地球轨道运行的人，后来在一次飞机失事中死亡）那样的俄罗斯人。另一些突出特征用来纪念荷兰天文学家赫茨普龙、法国数学家伽罗瓦、意大利物理学家费密、美国数学家维纳和英国物理学家科克罗夫特。在一个限定的区域内，我们可以找到能斯脱、伦琴、洛伦兹、莫塞莱、爱因斯但、玻尔和道尔顿，所有这些人在发展原子理论和亚原子结构方面都起了非常重要的作用。
