漫步到宇宙尽头
供稿：hz-xin.com 日期：2024-05-10
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。
然而，希腊人发现他们“完美”的宇宙模型上有点小问题，那就是行星的“逆行”。这是一个行星运动中令人困惑的现象。在夜空中，行星在天球上的运动轨迹大致是自西向东。但在某些时候，人们会观测到行星运动的速度渐渐变慢，直到停滞不前，并向反方向短暂地运动一段时间。在不久后，它们又会再次“扭头”踏上原来的轨道。在“完美”的宇宙模型中，行星的逆行显得不合规矩，但希腊人也对此无可奈何，只能忍痛对宇宙模型修修补补。到了公元140年前后，这套模型已经变得无比繁复。出生在希腊的罗马天文学家克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）被公认是古代天文学理论的集大成者。在他出版的天文巨著《天文学大成》（Almagest）中展示了当时最先进的宇宙。在这本书里，地球已经被稍稍地移开了宇宙的中心，所有行星的轨道变成了偏心圆。除此以外，每个行星都有一个属于自己的小轨道，被称作“本轮”。本轮套在偏心圆轨道上运动，而行星则在本轮上运动。
直到16世纪为止，托勒密的理论统治了天体运行理论1000多年。这很奇怪，托勒密的理论计算繁复，而且也并不是纯正的地心理论。它实际上违背了古希腊人所崇尚的完美和平衡的宇宙观——偏心轮这样的构造更像是出现在机械匠人手工间里的奇巧淫技，而不应该出现在神灵创造的天空中。但另一方面，托勒密体系确实也很好地解释了行星的运动和逆行现象。16世纪，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）提出了革命性的太阳中心理论。在哥白尼的宇宙模型中，太阳被放到了宇宙的中心，一切天体都围绕着太阳转动。但直到哥白尼去世半个世纪后，日心说仍然无法压倒托勒密的地心理论，从预言的准确程度上来看，它们差不太多。而不管哪一套理论，都无法准确地预言行星的运动，大行星似乎总是在某些时候走得过快了一些，有时又走得慢了一点。
图1.1 托勒密的地心说模型，地球、行星轨道示意图。行星在一个被称作本轮的小圆上运行，小圆又套在一个被称作均轮的大圆上运行。均轮的圆心用五角星代表，稍稍偏离地球
地心说的缺陷毕竟在一步一步地暴露。17世纪初，望远镜在荷兰诞生。这种仪器是将两个透镜用一根金属长管连接起来。第一个透镜被称作物镜，用来收集光线，并汇聚起来。这些光线被第二个透镜修正后生成人眼可以直接观察的实像。望远镜收集光线的能力和物镜的面积成正比例关系。物镜直径增加10倍，望远镜收集光线的能力就增加100倍。望远镜还可以使观测者分辨更精细的图像，这种能力和望远镜的直径成正比例关系。人类的眼睛本身是一套精巧的光学系统，但人眼收集光线的面积很小，大致等于瞳孔尺寸。这样的能力足以使人类在自然界分辨敌害，甚至也足以使得人在昏暗的蜡烛或油灯下分辨羊皮纸上手写的小字。但说到仰望星空，人眼能力终究有限。早期的望远镜非常简陋，但物镜的面积要比人眼的瞳孔大上几十倍，早期的望远镜大大提高了人类的视力。
1609年，伽利略第一次将望远镜技术应用到天文观测中。他惊奇地发现，夜空中横亘的银河原来是由无数的星星构成的。当他将望远镜指向木星时，他发现在木星周围居然还有四颗小小的天体。很明显，这些天体是在围绕着木星做周期转动的卫星。其中，转动最快的一个卫星，在一个晚上就能发现它明显的位移。既然有天体可以围绕着木星转动，而不是以地球为中心，那么太阳有什么理由一定要围绕地球转动呢？
1573年，哥白尼去世18年后，约翰尼斯·开普勒（johannes kepler）出生于德国的威尔德斯达特镇。开普勒幼年贫穷，由祖父抚养长大。他的视力很差，可能是幼年的天花造成的。终其一生，开普勒很少真正坐到望远镜前，但他仍然被认为是欧洲一流的天文学专家，因为在数学计算方面，开普勒罕有敌手。开普勒是哥白尼学说的信徒，不仅仅是科学上的原因，也有神学上的动机。在开普勒的想象中，上帝创造的世界一定具有完美的几何特性。几何学一共存在5种不同的正多面体：正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。每一个正多面体总是存在一个内接球（内部能放下的最大球体）和一个外接球（正好包裹多面体的球体）。如果将5种正多面体嵌套起来，就可以将空间分为6层。开普勒相信这并不是巧合。在他的假想中，如果将太阳放到宇宙的中心，那么水、金、地、火、木、土这6颗行星的轨道应该正好可以放入5个层层嵌套的正多面体分割的6层球壳中（图1.2）。这是多么完美！
1596年，在开普勒的第一本天文学著作《宇宙之谜》（The mystery of the Universe）中，他热情地描述了自己完美的宇宙理论，并辅以初步的计算结果。然而，欧洲的天文学家并不十分买账。在哥白尼之后的半个多世纪里，天文学观测精度提高了不少。而开普勒仍然在用哥白尼时代的旧数据去验证自己的理论，显得不那么合适。数据的质量在之后很多年里困扰着开普勒。1600年，开普勒接到当时最著名的天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的邀请，前往布拉格，去做他的助手。这正是开普勒梦寐以求的机会。
第谷可能是望远镜发明以前最伟大的观测天文学家。他改造了六分仪和四分仪，使得它们对角度的分辨力大大提高。第谷可以用自己改造的仪器在1角分的精度上研究行星的运动。读者可以将自己的手臂向前伸直，与眼平齐，竖起食指，此时食指所能遮掩的角度大约是1度。第谷的观测精度是这个角度的1/60。
图1.2 开普勒最初的宇宙模型。水、金、地、火、木、土这6颗行星的轨道应该正好可以放入由5个层层嵌套的正多面体定义的轨道上。《宇宙的奥秘》（Mysterium Cosmographicum）（1596）
第谷的一生都致力于高精度测量行星的运动。在邀请开普勒时，第谷是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家天文学家，他的工作是将自己一生积累的行星观测结果编为一个以他的赞助人鲁道夫二世命名的星表。这些数据正是开普勒所需要的，他深信这些数据可以证明自己的正多面体模型，于是欣然踏上了旅程。
第谷和开普勒的合作并不愉快。第谷有自己的一套宇宙模型，介于日心说和地心说之间，在这个模型里，所有的大行星都绕着太阳转动，而太阳又绕着地球转动。第谷希望利用开普勒的数学才华来研究自己的模型，但开普勒却是坚定的哥白尼门徒。开普勒无法从第谷那里获得行星运动的全貌，因为第谷对他充满了戒心，只是一点一点地、施舍式地提供给他只鳞片爪的数据。开普勒没有能够取得研究的进展，反倒是花了大量的精力为第谷撰写攻击研究对手的文章。
这份合作非常短暂，6个月后第谷不幸因一场突如其来的疾病去世。在弥留时刻，第谷终于将所有的数据交给了开普勒。他对开普勒说：“不要辜负我的一生。”
在随后的数年里，开普勒终于能全身心投入解决太阳系运行的问题里。他很快发现自己的正多面体模型有严重的问题。水星的运动完全无法用这个模型预测。其他行星的运动也只是勉强和模型对得上。是第谷的数据错了吗？开普勒拒绝相信这个原因，和第谷一起工作过的他完全信任数据的精确度。开普勒只好痛苦地承认，自己“完美”的宇宙模型出了问题。但他距离真正的答案已经不远了。在重新审视了数据后，开普勒发现了解开谜团的关键之处——行星的轨道是椭圆曲线，而不是正圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。这就是开普勒第一定律。而他也找到了正确描述行星运动的法则：行星在椭圆轨道上运行，当它远离太阳的时候，它的速度就会变慢；当它接近太阳的时候，它的速度会加快。如果我们将行星和太阳连成一条线，那么，这条线在单位时间内扫过的面积总是相同的。这就是开普勒第二定律。在数年后，开普勒又发现了开普勒第三定律：行星围绕太阳运动的周期平方正比于其轨道半长轴的三次方。开普勒的研究取得了巨大的成功。从此以后，只要确定任意时刻的行星位置，根据开普勒定律，人们就可以完全、精确地预测它之后的运动。
为什么行星会如此运动？1687年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）最终找到了蕴含在开普勒定律里的奥秘——万有引力定律。牛顿认为宇宙中任意两个物体之间都存在相互吸引的力，这个力的大小与其距离的平方成反比。而开普勒的行星运动定律，正是牛顿引力定律的直接推论。
音乐家的大发现
18世纪末，太阳系的运动秩序建立起来了，但人类对于太阳系本身的认识还不充分。人们还不知道天空中是否只有5颗行星，也不知道太阳系的边际在何处。
1781年3月，英国的度假胜地巴斯，一位名叫威廉·赫歇尔（William Herschel）的天文学家用自己制作的望远镜发现了一个奇怪的天体。当时，赫歇尔正在对夜空中的双星进行系统研究。他观测的目标，大都是恒星，它们离地球非常远，即使在望远镜中也呈现为点状的发光体，而没有具体的形态。但是赫歇尔发现的这个天体，在200倍率放大下呈现为一个朦胧的光斑，当他换上更高倍率的目镜时，光斑的大小随之增加。赫歇尔猜测这个天体可能是一颗彗星。但和普通的彗星不同，这个天体没有彗星常见的长长的扫帚尾巴。谨慎起见，赫歇尔仍称这个天体为彗星，并将该发现通知了皇家学会的天文学同行们。此时的赫歇尔还没有意识到，这是他一生伟大天文探险之旅收获的第一个奖品。
事实上，在几年之前，赫歇尔在英国广为人知的身份是管风琴演奏家和作曲家。他出身于德国汉诺威的一个音乐世家，兄弟姐妹有10人之多。父亲艾萨克·赫歇尔（Isaac Herschel）是乐团里的一位演奏家。虽然并非富豪，父亲还是决定让他的所有孩子（至少是所有男孩子）都受到良好的教育，不仅在音乐方面，也包括科学和数学。据赫歇尔的妹妹卡罗琳·赫歇尔（Caroline Herschel）回忆，晚饭后父亲和赫歇尔会长时间讨论音乐演奏相关事项，但是有时，话题会突然转移到哲学和科学方面。牛顿、莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）、威廉·莱布尼茨（Wilhelm Leibniz）等人的名字频繁出现。讨论的气氛会变得非常热烈，其中尤以威廉·赫歇尔最为活跃。有时讨论过于投入，以至母亲不得不出面干预，以免谈论的声音惊扰了第二天早上要上学的小孩子们。
受到家庭教育的影响，赫歇尔成长为一位优秀的管风琴和双簧管演奏家，在乐团获得常任职位。因为战争，在19岁的时候，赫歇尔离开德国去英国发展音乐事业。1766年，他收到了来自Bath（巴斯）的Octagon Chapel（八角教堂）的邀请，成为其常任的管风琴师。Bath是英国著名的 时尚 休闲城市，有众多慷慨的上流名士愿意为音乐家事业提供赞助。英俊帅气的外表、精湛的技艺令赫歇尔很快在圈子里崭露头角。作为一个音乐家，赫歇尔不但获得了优越的生活，职业生涯也在巴斯达到了巅峰。
夏天是音乐家繁忙的季节，需要应付不同的演出，并且Bath访客云集。但到了冬天，这里就变得安静闲逸。赫歇尔有了充足的个人时间来重拾自己在天文学上的爱好。35岁那年，赫歇尔偶然购买到了詹姆斯·弗格森（james Ferguson）的学术专著《天文学》，这本书让他重新燃起对于神秘夜空的兴趣。晚饭后，他常常带着这本书回到卧室，让对星空宇宙的遐想伴他入眠。此时的赫歇尔已经不仅仅满足于像年轻时一样只是作为科学爱好者，在沙龙上高谈阔论。他想要亲自观察书中所描述的奇妙夜空。这意味着，他需要一个望远镜。
在伽利略自制望远镜用于天文观测后，望远镜的制作技术取得了很大的进展。在赫歇尔的时代，望远镜已经可以从光学器材商店里买到，只是价格昂贵。在Bath的光学器材商店里就恰好有一架。但是望远镜口径太小，不能满足赫歇尔的期望。赫歇尔想要看别人没有看到过的星空，他希望拥有的是一架在那个时代最优秀的望远镜。按照他的计划，这样的望远镜镜面至少要达到20英寸（约50厘米）。于是，自制望远镜成了他唯一的选择。
赫歇尔小时候有一些制作乐器的经历，但是光学望远镜是完全不同的东西，对设计和加工精度有着极高的要求。没有人知道赫歇尔为什么能成为一个伟大的望远镜制造者。他在开始的时候，似乎所有的参考资料只是罗伯特·史密斯（Robert Smith）所著作的《光学》。但在经过最初的一些不成功的尝试后，赫歇尔很快掌握了制作望远镜的诀窍。磨镜是非常单调的体力工作，赫歇尔表现出的专注却非常惊人。他甚至可以连续16个小时不离开手头的工作。他的妹妹卡罗琳不得不在他工作的时候用勺子喂他吃饭，免得他在工作中晕倒。
赫歇尔陆续制作了一系列大小不同的望远镜，最常使用的一个镜面直径约50厘米，焦距达到7米。虽然是自学成才的新手，但赫歇尔的望远镜事实上是整个时代最优秀的作品，远远超过他那些追逐彗星的同行使用的小型光学设备。事实上，在不久后，整个欧洲的天文学家都对一架赫歇尔手制的望远镜梦寐以求。
谁拥有口径最大的望远镜，谁就能有最伟大的发现，这是天文学研究的铁律。1781年，赫歇尔发现的这个奇怪天体，就是他得到的第一份重大回报。英国皇家学会的天文同行们跟进了赫歇尔的观测，他们很快发现新天体的运动轨道是一个接近圆形的椭圆。这意味着新天体不是一颗彗星，因为彗星总是在非常扁长的轨道上运行。最终，天文界承认赫歇尔发现的天体实际上是一颗行星，我们今天称其为天王星。
事实上，回顾 历史 资料，人们发现天王星在此之前已经被不同的天文学家观测并记录过，但他们都没有意识到天王星是一颗大行星。这是因为天王星比其他几颗行星暗得多，运动速度也要慢得多。天王星的亮度是6等左右，只是勉强能被肉眼看到。它和太阳之间的距离是日地距离的18倍，每84年才绕太阳运动一周，因此科学家很难注意到它的运动。但在赫歇尔的大口径望远镜中，天王星的形态使得它的真身为人所知。
赫歇尔的发现让整个科学界沸腾了，这是人类有 历史 记载以来，第一次由个人独立发现的新行星。赫歇尔以一己之力拓展了太阳系的疆域。赫歇尔被授予皇家学会会员资格（Royal Society fellow），并获得了科普利奖章（Copley medal）。作为无可争议的发现者，他被请求为新的行星命名。
赫歇尔将发现新行星的荣誉奉献给英王乔治三世。国王雅好科学，赫歇尔希望新的行星能够帮助自己获得皇家天文学家的职位。然而，“乔治星”的名字最终没能在其他国家站稳脚跟，在法国，科学家们宁可称呼新的行星为“赫歇尔”。几经博弈后，天文学家们接受用“Uranus”为新的行星命名。这个名字来自希腊神话中天空之神的名字乌拉诺斯神，中文翻译为天王星。占星学界也很快高兴地接受了这一颗新行星，将其纳入自己的理论体系中。占星家们为天王星设计了独特的符号——圆形的球体上托起赫歇尔名字的首字母H。
虽然“乔治星”的名字只在英国受到欢迎，但是，它却毫不意外地让赫歇尔备受皇室欢迎。他被请到白金汉宫成为英王的座上宾，并被邀请和皇室一起观赏歌剧。他的望远镜也从家乡运至格林尼治天文台，以便国王本人可以看到以自己的名字命名的星星。皇家天文学会的同行们在看过赫歇尔的望远镜后对自己原有的老古董再也提不起兴趣，纷纷请求赫歇尔为他们制作新的望远镜。赫歇尔也乐于出售望远镜而获取利润，大约60架望远镜卖给了皇家学会的同仁和欧洲大陆的天文学家们。作为天文学家和顶级望远镜的制作者，赫歇尔一时声势无两。在他的一生中，赫歇尔取得了一系列伟大的发现：他发现了一颗新的大行星——天王星；他（和他的妹妹还有儿子）建立了史上最大的，至今仍然在使用的星云团全表；他制作了一份双星全表，证明了很大比例的双星不仅仅在视觉上，而且在物理上是相互联系的；他发现了红外线的存在……在本书后面，我们还会看到赫歇尔的名字，现在，让我们继续太阳系边疆的 探索 之旅。
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。其他的八大行星轨道都非常接近圆，而冥王星的轨道椭率（ellipticity）较大，甚至和海王星轨道交会。有的时候，冥王星会运行到比海王星更靠近太阳的地方。更重要的是，冥王星的质量太低，在自己的轨道上不占据主导地位。围绕冥王星地位的争论自发现之后一直不曾停止。从20世纪90年代起，天文学家开始不断地发现冥王星外的小天体。2005年，人们找到了比冥王星还要重的Eris（阋神星，136199 Eris）。这成了压倒冥王星地位的最后一根稻草。在2006年的天文学年会上，天文学家用投票的方式为行星颁布了新的定义，要求一个绕太阳运动的天体必须质量大得可以清除轨道上的其他天体才能被称作行星。而冥王星只比它的卫星稍大一点点，于是被剥离出了行星的队伍。天文学家为冥王星、阋神星以及小行星带中最大的天体——谷神星这样的天体开辟了一个新的小众分类“矮行星”。这次投票在当时引起了公众的强烈反对，但随着时间的推演，人们慢慢接受了这个新的更加合理的分类方法。
冥王星和阋神星附近的轨道上还存在大量的小天体，这些天体合起来构成了一个圆盘状的区域，被称作“柯伊伯带”2。虽然像冥王星和阋神星这样的天体主要是由岩石和金属构成，但柯伊伯带中的小天体大多是由冻结的水、氨和甲烷构成，和彗星的构成成分类似。这些小天体大多在柯伊伯带中年复一年地围绕太阳转动，但也会有很少的小天体偶然地游荡到太阳系中心区域，当这些小天体靠近太阳时，太阳的光热会使得冰升华，在小天体背后形成长长的尾巴。这时，小天体就变成了一颗彗星。彗星在人类 历史 中向来是坏运气的代名词。在中国，彗星的出现被认为伴随着战乱。甚至到20世纪初，人类还是会因为哈雷彗星彗尾扫过地球而感到恐慌。彗星和小行星一样在各类科幻电影中扮演着人类杀手的角色。在电影《彗星来的那一夜》（Coherence）中，彗星甚至扮演了连接平行世界的角色。然而，从彗星主体上解离下来的碎片却是地球上美丽流星雨的来源，当地球运行过彗星的轨道时，这些碎片落入地球，在和大气层摩擦的过程中形成了流星雨。
柯伊伯带的位置距离太阳中心40-50个日地距离3，但这里还不是太阳系的边界。整个太阳系其实被包裹在一个被称作“奥尔特云”的结构中。奥尔特云由大量的微小天体构成，成分主要为水冰4、甲烷等物质。奥尔特云的外边界大约在10万倍日地距离处，这也是太阳引力影响范围的边缘。距离太阳最近的恒星——比邻星到太阳的距离是奥尔特云外缘的两倍。
地球和太阳之间的距离是1.5亿公里，光需要8分钟才能从太阳来到地球。为了更好地在脑海中形成图像，我们可以将太阳系的物理的尺度缩小10亿倍。在这个缩小版的太阳系里，人的大小和一个原子差不多，地球只有1.3厘米，比葡萄略小一些。地球的卫星月亮悬挂在30厘米之外，大小和葡萄籽一样。在我们的微缩版太阳系中，太阳是一个直径1.5米的火球，离地球150米，只需要步行一分钟。按照离太阳的距离由近到远，地球是太阳的第三颗大行星。从地球步行前往太阳，途中你会经过和地球差不多大小的金星，以及比月球略大一些的水星。从太阳到木星（大小和柚子差不多），需要坐一站公交车（约800米距离），如果我们不下车再坐一站就到了土星（和苹果差不多大）。天王星和海王星的大小和柠檬差不多，分别距离太阳4站和6站公交车车程。海王星外是由小天体构成的柯伊伯带，更远处的奥尔特云外边缘大约距离太阳2光年。在我们的微缩版太阳系中，抵达奥尔特云的边界需要20，000公里，差不多需要坐飞机飞行20小时；而距离太阳最近的比邻星，需要乘飞机40小时才能到达（40，000公里外）。
图1.3 太阳系大行星位置示意图
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。
然而，希腊人发现他们“完美”的宇宙模型上有点小问题，那就是行星的“逆行”。这是一个行星运动中令人困惑的现象。在夜空中，行星在天球上的运动轨迹大致是自西向东。但在某些时候，人们会观测到行星运动的速度渐渐变慢，直到停滞不前，并向反方向短暂地运动一段时间。在不久后，它们又会再次“扭头”踏上原来的轨道。在“完美”的宇宙模型中，行星的逆行显得不合规矩，但希腊人也对此无可奈何，只能忍痛对宇宙模型修修补补。到了公元140年前后，这套模型已经变得无比繁复。出生在希腊的罗马天文学家克罗狄斯·托勒密（Claudius Ptolemaeus）被公认是古代天文学理论的集大成者。在他出版的天文巨著《天文学大成》（Almagest）中展示了当时最先进的宇宙。在这本书里，地球已经被稍稍地移开了宇宙的中心，所有行星的轨道变成了偏心圆。除此以外，每个行星都有一个属于自己的小轨道，被称作“本轮”。本轮套在偏心圆轨道上运动，而行星则在本轮上运动。
直到16世纪为止，托勒密的理论统治了天体运行理论1000多年。这很奇怪，托勒密的理论计算繁复，而且也并不是纯正的地心理论。它实际上违背了古希腊人所崇尚的完美和平衡的宇宙观——偏心轮这样的构造更像是出现在机械匠人手工间里的奇巧淫技，而不应该出现在神灵创造的天空中。但另一方面，托勒密体系确实也很好地解释了行星的运动和逆行现象。16世纪，尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus）提出了革命性的太阳中心理论。在哥白尼的宇宙模型中，太阳被放到了宇宙的中心，一切天体都围绕着太阳转动。但直到哥白尼去世半个世纪后，日心说仍然无法压倒托勒密的地心理论，从预言的准确程度上来看，它们差不太多。而不管哪一套理论，都无法准确地预言行星的运动，大行星似乎总是在某些时候走得过快了一些，有时又走得慢了一点。
图1.1 托勒密的地心说模型，地球、行星轨道示意图。行星在一个被称作本轮的小圆上运行，小圆又套在一个被称作均轮的大圆上运行。均轮的圆心用五角星代表，稍稍偏离地球
地心说的缺陷毕竟在一步一步地暴露。17世纪初，望远镜在荷兰诞生。这种仪器是将两个透镜用一根金属长管连接起来。第一个透镜被称作物镜，用来收集光线，并汇聚起来。这些光线被第二个透镜修正后生成人眼可以直接观察的实像。望远镜收集光线的能力和物镜的面积成正比例关系。物镜直径增加10倍，望远镜收集光线的能力就增加100倍。望远镜还可以使观测者分辨更精细的图像，这种能力和望远镜的直径成正比例关系。人类的眼睛本身是一套精巧的光学系统，但人眼收集光线的面积很小，大致等于瞳孔尺寸。这样的能力足以使人类在自然界分辨敌害，甚至也足以使得人在昏暗的蜡烛或油灯下分辨羊皮纸上手写的小字。但说到仰望星空，人眼能力终究有限。早期的望远镜非常简陋，但物镜的面积要比人眼的瞳孔大上几十倍，早期的望远镜大大提高了人类的视力。
1609年，伽利略第一次将望远镜技术应用到天文观测中。他惊奇地发现，夜空中横亘的银河原来是由无数的星星构成的。当他将望远镜指向木星时，他发现在木星周围居然还有四颗小小的天体。很明显，这些天体是在围绕着木星做周期转动的卫星。其中，转动最快的一个卫星，在一个晚上就能发现它明显的位移。既然有天体可以围绕着木星转动，而不是以地球为中心，那么太阳有什么理由一定要围绕地球转动呢？
1573年，哥白尼去世18年后，约翰尼斯·开普勒（johannes kepler）出生于德国的威尔德斯达特镇。开普勒幼年贫穷，由祖父抚养长大。他的视力很差，可能是幼年的天花造成的。终其一生，开普勒很少真正坐到望远镜前，但他仍然被认为是欧洲一流的天文学专家，因为在数学计算方面，开普勒罕有敌手。开普勒是哥白尼学说的信徒，不仅仅是科学上的原因，也有神学上的动机。在开普勒的想象中，上帝创造的世界一定具有完美的几何特性。几何学一共存在5种不同的正多面体：正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。每一个正多面体总是存在一个内接球（内部能放下的最大球体）和一个外接球（正好包裹多面体的球体）。如果将5种正多面体嵌套起来，就可以将空间分为6层。开普勒相信这并不是巧合。在他的假想中，如果将太阳放到宇宙的中心，那么水、金、地、火、木、土这6颗行星的轨道应该正好可以放入5个层层嵌套的正多面体分割的6层球壳中（图1.2）。这是多么完美！
1596年，在开普勒的第一本天文学著作《宇宙之谜》（The mystery of the Universe）中，他热情地描述了自己完美的宇宙理论，并辅以初步的计算结果。然而，欧洲的天文学家并不十分买账。在哥白尼之后的半个多世纪里，天文学观测精度提高了不少。而开普勒仍然在用哥白尼时代的旧数据去验证自己的理论，显得不那么合适。数据的质量在之后很多年里困扰着开普勒。1600年，开普勒接到当时最著名的天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）的邀请，前往布拉格，去做他的助手。这正是开普勒梦寐以求的机会。
第谷可能是望远镜发明以前最伟大的观测天文学家。他改造了六分仪和四分仪，使得它们对角度的分辨力大大提高。第谷可以用自己改造的仪器在1角分的精度上研究行星的运动。读者可以将自己的手臂向前伸直，与眼平齐，竖起食指，此时食指所能遮掩的角度大约是1度。第谷的观测精度是这个角度的1/60。
图1.2 开普勒最初的宇宙模型。水、金、地、火、木、土这6颗行星的轨道应该正好可以放入由5个层层嵌套的正多面体定义的轨道上。《宇宙的奥秘》（Mysterium Cosmographicum）（1596）
第谷的一生都致力于高精度测量行星的运动。在邀请开普勒时，第谷是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的皇家天文学家，他的工作是将自己一生积累的行星观测结果编为一个以他的赞助人鲁道夫二世命名的星表。这些数据正是开普勒所需要的，他深信这些数据可以证明自己的正多面体模型，于是欣然踏上了旅程。
第谷和开普勒的合作并不愉快。第谷有自己的一套宇宙模型，介于日心说和地心说之间，在这个模型里，所有的大行星都绕着太阳转动，而太阳又绕着地球转动。第谷希望利用开普勒的数学才华来研究自己的模型，但开普勒却是坚定的哥白尼门徒。开普勒无法从第谷那里获得行星运动的全貌，因为第谷对他充满了戒心，只是一点一点地、施舍式地提供给他只鳞片爪的数据。开普勒没有能够取得研究的进展，反倒是花了大量的精力为第谷撰写攻击研究对手的文章。
这份合作非常短暂，6个月后第谷不幸因一场突如其来的疾病去世。在弥留时刻，第谷终于将所有的数据交给了开普勒。他对开普勒说：“不要辜负我的一生。”
在随后的数年里，开普勒终于能全身心投入解决太阳系运行的问题里。他很快发现自己的正多面体模型有严重的问题。水星的运动完全无法用这个模型预测。其他行星的运动也只是勉强和模型对得上。是第谷的数据错了吗？开普勒拒绝相信这个原因，和第谷一起工作过的他完全信任数据的精确度。开普勒只好痛苦地承认，自己“完美”的宇宙模型出了问题。但他距离真正的答案已经不远了。在重新审视了数据后，开普勒发现了解开谜团的关键之处——行星的轨道是椭圆曲线，而不是正圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。这就是开普勒第一定律。而他也找到了正确描述行星运动的法则：行星在椭圆轨道上运行，当它远离太阳的时候，它的速度就会变慢；当它接近太阳的时候，它的速度会加快。如果我们将行星和太阳连成一条线，那么，这条线在单位时间内扫过的面积总是相同的。这就是开普勒第二定律。在数年后，开普勒又发现了开普勒第三定律：行星围绕太阳运动的周期平方正比于其轨道半长轴的三次方。开普勒的研究取得了巨大的成功。从此以后，只要确定任意时刻的行星位置，根据开普勒定律，人们就可以完全、精确地预测它之后的运动。
为什么行星会如此运动？1687年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）最终找到了蕴含在开普勒定律里的奥秘——万有引力定律。牛顿认为宇宙中任意两个物体之间都存在相互吸引的力，这个力的大小与其距离的平方成反比。而开普勒的行星运动定律，正是牛顿引力定律的直接推论。
音乐家的大发现
18世纪末，太阳系的运动秩序建立起来了，但人类对于太阳系本身的认识还不充分。人们还不知道天空中是否只有5颗行星，也不知道太阳系的边际在何处。
1781年3月，英国的度假胜地巴斯，一位名叫威廉·赫歇尔（William Herschel）的天文学家用自己制作的望远镜发现了一个奇怪的天体。当时，赫歇尔正在对夜空中的双星进行系统研究。他观测的目标，大都是恒星，它们离地球非常远，即使在望远镜中也呈现为点状的发光体，而没有具体的形态。但是赫歇尔发现的这个天体，在200倍率放大下呈现为一个朦胧的光斑，当他换上更高倍率的目镜时，光斑的大小随之增加。赫歇尔猜测这个天体可能是一颗彗星。但和普通的彗星不同，这个天体没有彗星常见的长长的扫帚尾巴。谨慎起见，赫歇尔仍称这个天体为彗星，并将该发现通知了皇家学会的天文学同行们。此时的赫歇尔还没有意识到，这是他一生伟大天文探险之旅收获的第一个奖品。
事实上，在几年之前，赫歇尔在英国广为人知的身份是管风琴演奏家和作曲家。他出身于德国汉诺威的一个音乐世家，兄弟姐妹有10人之多。父亲艾萨克·赫歇尔（Isaac Herschel）是乐团里的一位演奏家。虽然并非富豪，父亲还是决定让他的所有孩子（至少是所有男孩子）都受到良好的教育，不仅在音乐方面，也包括科学和数学。据赫歇尔的妹妹卡罗琳·赫歇尔（Caroline Herschel）回忆，晚饭后父亲和赫歇尔会长时间讨论音乐演奏相关事项，但是有时，话题会突然转移到哲学和科学方面。牛顿、莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）、威廉·莱布尼茨（Wilhelm Leibniz）等人的名字频繁出现。讨论的气氛会变得非常热烈，其中尤以威廉·赫歇尔最为活跃。有时讨论过于投入，以至母亲不得不出面干预，以免谈论的声音惊扰了第二天早上要上学的小孩子们。
受到家庭教育的影响，赫歇尔成长为一位优秀的管风琴和双簧管演奏家，在乐团获得常任职位。因为战争，在19岁的时候，赫歇尔离开德国去英国发展音乐事业。1766年，他收到了来自Bath（巴斯）的Octagon Chapel（八角教堂）的邀请，成为其常任的管风琴师。Bath是英国著名的 时尚 休闲城市，有众多慷慨的上流名士愿意为音乐家事业提供赞助。英俊帅气的外表、精湛的技艺令赫歇尔很快在圈子里崭露头角。作为一个音乐家，赫歇尔不但获得了优越的生活，职业生涯也在巴斯达到了巅峰。
夏天是音乐家繁忙的季节，需要应付不同的演出，并且Bath访客云集。但到了冬天，这里就变得安静闲逸。赫歇尔有了充足的个人时间来重拾自己在天文学上的爱好。35岁那年，赫歇尔偶然购买到了詹姆斯·弗格森（james Ferguson）的学术专著《天文学》，这本书让他重新燃起对于神秘夜空的兴趣。晚饭后，他常常带着这本书回到卧室，让对星空宇宙的遐想伴他入眠。此时的赫歇尔已经不仅仅满足于像年轻时一样只是作为科学爱好者，在沙龙上高谈阔论。他想要亲自观察书中所描述的奇妙夜空。这意味着，他需要一个望远镜。
在伽利略自制望远镜用于天文观测后，望远镜的制作技术取得了很大的进展。在赫歇尔的时代，望远镜已经可以从光学器材商店里买到，只是价格昂贵。在Bath的光学器材商店里就恰好有一架。但是望远镜口径太小，不能满足赫歇尔的期望。赫歇尔想要看别人没有看到过的星空，他希望拥有的是一架在那个时代最优秀的望远镜。按照他的计划，这样的望远镜镜面至少要达到20英寸（约50厘米）。于是，自制望远镜成了他唯一的选择。
赫歇尔小时候有一些制作乐器的经历，但是光学望远镜是完全不同的东西，对设计和加工精度有着极高的要求。没有人知道赫歇尔为什么能成为一个伟大的望远镜制造者。他在开始的时候，似乎所有的参考资料只是罗伯特·史密斯（Robert Smith）所著作的《光学》。但在经过最初的一些不成功的尝试后，赫歇尔很快掌握了制作望远镜的诀窍。磨镜是非常单调的体力工作，赫歇尔表现出的专注却非常惊人。他甚至可以连续16个小时不离开手头的工作。他的妹妹卡罗琳不得不在他工作的时候用勺子喂他吃饭，免得他在工作中晕倒。
赫歇尔陆续制作了一系列大小不同的望远镜，最常使用的一个镜面直径约50厘米，焦距达到7米。虽然是自学成才的新手，但赫歇尔的望远镜事实上是整个时代最优秀的作品，远远超过他那些追逐彗星的同行使用的小型光学设备。事实上，在不久后，整个欧洲的天文学家都对一架赫歇尔手制的望远镜梦寐以求。
谁拥有口径最大的望远镜，谁就能有最伟大的发现，这是天文学研究的铁律。1781年，赫歇尔发现的这个奇怪天体，就是他得到的第一份重大回报。英国皇家学会的天文同行们跟进了赫歇尔的观测，他们很快发现新天体的运动轨道是一个接近圆形的椭圆。这意味着新天体不是一颗彗星，因为彗星总是在非常扁长的轨道上运行。最终，天文界承认赫歇尔发现的天体实际上是一颗行星，我们今天称其为天王星。
事实上，回顾 历史 资料，人们发现天王星在此之前已经被不同的天文学家观测并记录过，但他们都没有意识到天王星是一颗大行星。这是因为天王星比其他几颗行星暗得多，运动速度也要慢得多。天王星的亮度是6等左右，只是勉强能被肉眼看到。它和太阳之间的距离是日地距离的18倍，每84年才绕太阳运动一周，因此科学家很难注意到它的运动。但在赫歇尔的大口径望远镜中，天王星的形态使得它的真身为人所知。
赫歇尔的发现让整个科学界沸腾了，这是人类有 历史 记载以来，第一次由个人独立发现的新行星。赫歇尔以一己之力拓展了太阳系的疆域。赫歇尔被授予皇家学会会员资格（Royal Society fellow），并获得了科普利奖章（Copley medal）。作为无可争议的发现者，他被请求为新的行星命名。
赫歇尔将发现新行星的荣誉奉献给英王乔治三世。国王雅好科学，赫歇尔希望新的行星能够帮助自己获得皇家天文学家的职位。然而，“乔治星”的名字最终没能在其他国家站稳脚跟，在法国，科学家们宁可称呼新的行星为“赫歇尔”。几经博弈后，天文学家们接受用“Uranus”为新的行星命名。这个名字来自希腊神话中天空之神的名字乌拉诺斯神，中文翻译为天王星。占星学界也很快高兴地接受了这一颗新行星，将其纳入自己的理论体系中。占星家们为天王星设计了独特的符号——圆形的球体上托起赫歇尔名字的首字母H。
虽然“乔治星”的名字只在英国受到欢迎，但是，它却毫不意外地让赫歇尔备受皇室欢迎。他被请到白金汉宫成为英王的座上宾，并被邀请和皇室一起观赏歌剧。他的望远镜也从家乡运至格林尼治天文台，以便国王本人可以看到以自己的名字命名的星星。皇家天文学会的同行们在看过赫歇尔的望远镜后对自己原有的老古董再也提不起兴趣，纷纷请求赫歇尔为他们制作新的望远镜。赫歇尔也乐于出售望远镜而获取利润，大约60架望远镜卖给了皇家学会的同仁和欧洲大陆的天文学家们。作为天文学家和顶级望远镜的制作者，赫歇尔一时声势无两。在他的一生中，赫歇尔取得了一系列伟大的发现：他发现了一颗新的大行星——天王星；他（和他的妹妹还有儿子）建立了史上最大的，至今仍然在使用的星云团全表；他制作了一份双星全表，证明了很大比例的双星不仅仅在视觉上，而且在物理上是相互联系的；他发现了红外线的存在……在本书后面，我们还会看到赫歇尔的名字，现在，让我们继续太阳系边疆的 探索 之旅。
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。其他的八大行星轨道都非常接近圆，而冥王星的轨道椭率（ellipticity）较大，甚至和海王星轨道交会。有的时候，冥王星会运行到比海王星更靠近太阳的地方。更重要的是，冥王星的质量太低，在自己的轨道上不占据主导地位。围绕冥王星地位的争论自发现之后一直不曾停止。从20世纪90年代起，天文学家开始不断地发现冥王星外的小天体。2005年，人们找到了比冥王星还要重的Eris（阋神星，136199 Eris）。这成了压倒冥王星地位的最后一根稻草。在2006年的天文学年会上，天文学家用投票的方式为行星颁布了新的定义，要求一个绕太阳运动的天体必须质量大得可以清除轨道上的其他天体才能被称作行星。而冥王星只比它的卫星稍大一点点，于是被剥离出了行星的队伍。天文学家为冥王星、阋神星以及小行星带中最大的天体——谷神星这样的天体开辟了一个新的小众分类“矮行星”。这次投票在当时引起了公众的强烈反对，但随着时间的推演，人们慢慢接受了这个新的更加合理的分类方法。
冥王星和阋神星附近的轨道上还存在大量的小天体，这些天体合起来构成了一个圆盘状的区域，被称作“柯伊伯带”2。虽然像冥王星和阋神星这样的天体主要是由岩石和金属构成，但柯伊伯带中的小天体大多是由冻结的水、氨和甲烷构成，和彗星的构成成分类似。这些小天体大多在柯伊伯带中年复一年地围绕太阳转动，但也会有很少的小天体偶然地游荡到太阳系中心区域，当这些小天体靠近太阳时，太阳的光热会使得冰升华，在小天体背后形成长长的尾巴。这时，小天体就变成了一颗彗星。彗星在人类 历史 中向来是坏运气的代名词。在中国，彗星的出现被认为伴随着战乱。甚至到20世纪初，人类还是会因为哈雷彗星彗尾扫过地球而感到恐慌。彗星和小行星一样在各类科幻电影中扮演着人类杀手的角色。在电影《彗星来的那一夜》（Coherence）中，彗星甚至扮演了连接平行世界的角色。然而，从彗星主体上解离下来的碎片却是地球上美丽流星雨的来源，当地球运行过彗星的轨道时，这些碎片落入地球，在和大气层摩擦的过程中形成了流星雨。
柯伊伯带的位置距离太阳中心40-50个日地距离3，但这里还不是太阳系的边界。整个太阳系其实被包裹在一个被称作“奥尔特云”的结构中。奥尔特云由大量的微小天体构成，成分主要为水冰4、甲烷等物质。奥尔特云的外边界大约在10万倍日地距离处，这也是太阳引力影响范围的边缘。距离太阳最近的恒星——比邻星到太阳的距离是奥尔特云外缘的两倍。
地球和太阳之间的距离是1.5亿公里，光需要8分钟才能从太阳来到地球。为了更好地在脑海中形成图像，我们可以将太阳系的物理的尺度缩小10亿倍。在这个缩小版的太阳系里，人的大小和一个原子差不多，地球只有1.3厘米，比葡萄略小一些。地球的卫星月亮悬挂在30厘米之外，大小和葡萄籽一样。在我们的微缩版太阳系中，太阳是一个直径1.5米的火球，离地球150米，只需要步行一分钟。按照离太阳的距离由近到远，地球是太阳的第三颗大行星。从地球步行前往太阳，途中你会经过和地球差不多大小的金星，以及比月球略大一些的水星。从太阳到木星（大小和柚子差不多），需要坐一站公交车（约800米距离），如果我们不下车再坐一站就到了土星（和苹果差不多大）。天王星和海王星的大小和柠檬差不多，分别距离太阳4站和6站公交车车程。海王星外是由小天体构成的柯伊伯带，更远处的奥尔特云外边缘大约距离太阳2光年。在我们的微缩版太阳系中，抵达奥尔特云的边界需要20，000公里，差不多需要坐飞机飞行20小时；而距离太阳最近的比邻星，需要乘飞机40小时才能到达（40，000公里外）。
图1.3 太阳系大行星位置示意图
问一下步行走到宇宙尽头需要多长时间
答：人类目前己观测到距离地球大约150亿光年左右的宇宙深处。你可以设想一下，连每秒钟30万公里的光速走到那里都需要用150亿年的漫长岁月！如果是步行的话所用的时间是你无法想象的天文数字！！！
漫步到宇宙尽头
答：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...
科普百科类的书有哪些
答：1、《漫步到宇宙尽头》是由中国科学院国家天文台推荐的科普书籍，该书由英国皇家学会牛顿访问学者、中国科学院国家天文台星云人才计划研究员李然撰写。这本书继《时间简史》和《果壳中的宇宙》之后，成为了一本科普物理的大众...
祝别人和对象走到宇宙尽头是什么意思?
答：宇宙尽头很远，意思就是一直走下去，算是另类的祝福吧。
也许我们两个人才是走到宇宙尽头的人,是什么意思?
答：这句话就是志同道合相爱到永远的意思。我们两个人就是指当事人只有两个 才是就是唯一的意思 走到宇宙尽头就是走遍宇宙永不她的意思 这句话基本和海枯石烂一个意思 就是说明两个人非常之相爱。
旅行到宇宙尽头的时候将会看到什么样的景象?
答：从人类的观测来看，宇宙是有尽头的。在宇宙的尽头是真空和虚无的交界，基于物理和数学的合理推定，这个交界就是任何物质无法逾越的“墙”。但是，除非站在宇宙墙的边上，我们能够看到我们自己，否则我们无法分辨，...
求《李然-漫步到宇宙尽头》电子书百度云盘资源
答：李然-漫步到宇宙尽头 链接: https://pan.baidu.com/s/15fGwWlmovxEU3rny9lawlg 提取码: 5y3i
地球到宇宙尽头的距离是多少?
答：“大爆炸宇宙论”提出宇宙常常是周而复始地从诞生至消亡，再诞生、再消亡的轮回。按照宇宙诞生后就急速扩大的宇宙模型，可以计算出宇宙的年龄为130亿年。这就是说，从地球到宇宙“尽头”的距离，理论上应是130亿年。
人类何时能到达宇宙尽头并看到宇宙外面到底是什么?
答：人类何时能够到达宇宙的尽头，这个问题要解决首先得分为两步，就是你要保证人类对宇宙的探索超过宇宙扩张的速度，然后人类能有更加优秀的这个探测设备去储存人类所探测到的信息。虽然我们现在对宇宙的了解还非常少，但是我们现在...
从夸克到宇宙尽头,充斥着科学家们的八卦 宇宙有多大
答：人类所观察到的部分宇宙的物件大约是由4.9%的普通物质（构成恒星、行星、气体和尘埃的物质）或“重子”，26.8%的暗物质和68.3%的暗能量构成。重子物质构成星系际的“蛛网”。在宇宙中，地球是目前人类所知唯一一颗有生命...