两种宇宙观（地心说和日心说）之间的划时代的对抗在16世纪和17世纪的时候达到了高潮，这体现在一个像托勒密那样既是星占学家又是天文学家的人身上，他处在人类的思想被禁铜的时代，处在宗教一二千年前的观点被认为比在当时的技术条件下的发现更为可靠的时代，处在离经叛道——在神秘的神学问题上背离两种主要教派（天主教和新教）——受辱、受罚、受流放、受折磨或受处决的时代。天国里有天使、魔鬼，还有转动透明球体的圣手。科学不认为自然现象受物理法则的支配，但是这个孤军奋战的斗士却为现代科学革命点燃了火把。
开普勒于1571年生于德国，从小就被送到莫尔布朗镇的新教神学校去学做牧师。那个学校就像新兵集训中心一样，专门训练年轻人用神学作为武器来进攻罗马天主教的堡垒。开普勒顽强，有才智，很有主见。他在荒凉的莫尔布朗呆了两年，没有一个朋友，性格变得孤独、怪僻。他自以为主在上帝的眼里是一个微不足道的人，终日仟悔自己那些并不比旁人更为丑恶的罪过，丧失了超度的希望。
但是他并没有遭到天罚，上帝也没有要他赎罪。开普勒的上帝就是宇宙的创造力。这个孩子的好奇心使他变得无所畏惧。他希望能够研究世界末日的学说，他勇于想上帝之所想。这种危险的幻想开初只是一种想象，后来成了根深蒂固的顽念。神学校的一个自信的孩子渴望着将欧洲从中世纪思想的修道院里解脱出来。
古典科学在1000多年前就已经被镇压了，但是在中世纪后期。阿拉伯学者保留下来的东西开始慢慢地潜入欧洲的教程。在莫尔布朗，开普勒知道古典科学已经在复苏。他除了学习神学之外，还学习希腊语和拉丁语，学习音乐和数学。他觉得他从欧几里得的几何学里瞥见了一个完美的形象，悟出了宇宙的荣耀。他后来写道：“几何学存在于创世之前，它与神道永远并存……几何学向上帝提供了创世的模型……几何学就是上帝本人。”
虽然开普勒过着隐居的生活，并且全神贯注地研究数学，不完美的外界必然影响性格的形成。对那些在饥荒、瘟疫和你死我活的教条冲突中无能为力的人来说，迷信是最方便的灵丹妙药。许多人认为星星是惟一可靠的东西，古星占学的观念就是在充满恐怖的欧洲后院和客栈里发达起来的。开普勒对星占学的态度始终是不明确的，他怀疑在日常生活的表面混乱当中是否隐藏着规律性。如果天地万物是由上帝的能工巧手制作的话，是不是我们就不能够进行仔细的审查呢？难道天地万物不就是神道和谐的表现吗？这本天书在1000多年之后才找到一个读者。
1589年，开普勒离开莫尔布朗到图宾金的那所名牌大学为牧师搞研究工作，他感到这是一个很大的解脱。在时代才华的激流里，他的天才立即受到老师的赏识。其中一个老师向这个年轻人介绍了哥白尼假说的奥秘。日心说与开普勒的宗教观发生了共鸣，他热情地接受了这种理论。太阳就是上帝的象征，其余的一切都绕着太阳转。在他被委任为牧师之前，有人想聘请他从事非教会的工作。也许是因为他觉得自己不能胜任教会的工作，所以他终于接受了聘请。他被派往奥地利的格拉茨中学教学，没多久他就开始准备编写天文和气象年鉴，并且开始用占星术算命。“上帝为每一只动物提供生计，”他写道，“对天文学家来说，他所提供的生计就是星占学。”
开普勒是一个卓越的思想家，出色的写作家，但是在课堂上却是一个拙劣的教师。他言词含糊，讲课离题，学生们往往感到莫明其妙。他在格拉茨的第一年只有几个学生听他讲课，第二年就没有人听他的了。联想和猜测在他的内心世界喧嚣不止，占据了他的整个心思。在一个愉快夏天的下午，在那没完没了的讲课过程当中，他突然得到了一个启示，这个启示从根本上改变了未来的天文学。他很可能话讲到一半突然停了下来，他的那些漫不经心的学生正渴望着放学，我想他们是不会注意到这个历史时刻的。
在开普勒时代，人们只知道6个行星：水星、金星、地球、火星、木星和土星。为什么只有6个？开普勒感到疑惑。为什么不是20个，或者100个呢？为什么这些行星在哥白尼所推断的轨道之间有空隙呢？以前从来没有人提出过这样的问题。当时知道有5种规则的（即理论上的）立体，它们的边是规则的多边形，正如毕达格拉斯时代之后的希腊数学家所知道的那样。开普勒认为这两个数字是有联系的，之所以有6个行星是因为只有5个规则的立体，这些立体相互内接（即一个套一个），表明了各个行星与太阳的距离。通过这些理想的形体，他相信他已经找到了肉眼看不见的支撑这6个行星的结构。他把他所得到的启示称为“宇宙奥秘”。毕达格拉斯的立体与行星的排列位置只能有一个解释：神之手就是几何学家。
毕达哥拉斯和柏拉图的5种完美的立体
开普勒以为自己罪孽深重，可是神却让他做出这个伟大的发现，他感到十分惊奇。他向沃尔坦堡的君主提议拨出研究金，并主动要求监督建造他所提出的内接立体模型。他说，这样人们就能够观赏神圣的几何之美妙。他还说，这个模型可以用银和宝石制成，偶尔还可以用作君主的圣餐杯。沃尔坦堡的君主否决了他的建议，请他先用纸造一个比较便宜的模型。他随即开始试制，他说：“我从这个发现所得到的极大乐趣是语言所不能表达的……不管计算多么困难，我决不回避，我夜以继日地演算，直到弄清楚我的假说是否符合哥白尼的轨道为止，或者直到弄清楚我是否空高兴了一场为止。”但是不管他如何努力，立体和行星的轨道总是不太一致。然而，因为这是一个伟大而深刻的理论，他相信一定是观测的错误——这是科学史上许多其他理论家在观测结果不肯帮忙的时候所得出的结论。当时世界上只有一个人能够比较准确地观察到行星的视位，这个人是一个自愿要求流放国外的丹麦贵族，他接受了神圣罗马帝国鲁道夫二世的宫廷帝国数学家的职位，他的名字叫第谷·布拉赫。碰巧这时候他按照鲁道夫的建议邀请了在数学上享有盛名的开普勒到布拉格跟他合作。
因为第谷是一个出身微贱的小地方的中学教员，除了几个数学家以外谁也不认识，所以开普勒对第谷的邀请犹豫不定。但是形势迫使他下了决心。1598年，即将来临的“30年战争”的预震把他吞没了。当地的天主教大公爵是一个坚定的教徒，他发誓：“宁可让国家荒废也不统治异教徒。”⑤新教徒未能掌握经济和政治的领导权，开普勒的学校被关闭，异教的经书。书籍和圣歌都被查禁。最后居民们被叫来一个一个地查问他们的宗教信仰，凡是不肯表白信奉罗马天主教的人都被罚缴纳收人的十分之一，并且驱逐出格拉茨，放逐国外，永远不得回还，违者格杀勿论。开普勒选择了流放，他说：“我还没有学会虚伪，我对信仰是严肃的，我不能玩弄信仰。”
离开格拉茨之后，开普勒跟他的妻子和后来的女儿登上了前往布拉格的艰难行程。他的婚姻并不幸福。他的妻子患慢性病，又接连死了两个孩子，人们说她是一个愚蠢、阴沉、孤独和忧郁的女人。她对丈夫的工作一点也不理解，因为他出身于小乡绅，她看不起他那寒酸的职业。他时而劝诫她，时而不理她，“因为我的研究有时候令我无暇顾及别人。但是我汲取了教训，我学会耐心对待她，当我看到她对我的话耿耿于怀的时候，我宁可受点苦头也不再得罪她。”尽管如此，开普勒还是一心想着工作。
他把第谷的领域想象为一个摆脱时代罪恶的避难所，想象为验证他的“宇宙奥秘”的地方。他渴望成为伟大的第谷的同事，因为后者在望远镜发明之前就致力于测量宇宙这部机器达35年之久，工作进行得有条不紊，测得的数据也很精确。但开普勒的愿望是不可能实现的。第谷本人好高骛远，脸上装着一只金鼻子，原来的鼻子在跟同学决斗相争谁是数学高手的时候被削掉了。他的周围都是一些咋咋呼呼的助手、马屁精、远房亲戚和各式各样的食客。他们无休止地狂欢，他们含沙射影、耍阴谋诡计，他们残忍地愚弄勤学好问的乡下人，所有这一切都使开普勒失望和伤心。他写道；“第谷……富贵无比，但是他不懂得怎么用钱。他的任何一件仪器的价值都比我的仪器和我的全部家产的总价值还高。”
虽然开普勒急于见到第谷积累的天文资料，但是他所得到的只是点点滴滴的东西。“第谷不让我分享他的经验，他只是在吃饭或空闲的时候顺便提一下某个行星的远地点数字，或另一个行星的交点数据……第谷的观测数据最完善……他也有协作者，他所缺乏的是能够应用这些数据的建筑师。”第谷是当时最伟大的观测天才，开普勒则是最伟大的理论家。他们谁都知道自己一个人要全面地研究精密协调的宇宙系统是不可能的，他们也感到这是刻不容缓的工作。但是第谷还没有打算将自己毕生的研究成果奉送给一个比他年轻得多的潜在对手。由于某种原因，共同编著研究成果是不能接受的。现代科学——理论与观察的后代——的诞生在他们互不信任的悬崖上岌岌可危。在第谷临死前的18个月里，他们两人经常争吵，而后又言归于好。有一次，罗森堡男爵宴请第谷的时候，第谷喝了许多酒，但是他还是“礼貌第一，健康第二”，不愿当着男爵的面离开去解手，哪怕离开那么一会儿。后来因为拒绝接受节制饮食的劝告，第谷的尿道感染恶化了。临死的时候，第谷将他的观测记录遗赠给开普勒。“最后一天晚上，他神志昏迷，像作诗一样用微弱的声音一遍又一遍地说：‘别辜负我的一生……别辜负我的一生。’”
第谷死后，开普勒——现在已经是新的最大的数学家了——终于想办法将观测记录拿到手，尽管第谷家里的人不肯交出来。哥白尼的数据未能证实他关于行星的轨迹与5种理论上的立体相接的猜想，第谷的数据也同样不能证实他的这个猜想。相当一段时间之后、由于发现了天王星、海王星和冥王星这3颗行星，他的“宇宙奥秘”才被完全推翻——没有新的理论上的立体可以测定这3颗行星跟太阳的距离。互相套接的毕达哥拉斯立体也容不得地球卫星的存在，伽利略发现的4颗木星卫星也使原来的猜想乱了套。但是开普勒非但没有泄气，他还希望发现更多的卫星，他很想知道每一个行星应该有多少卫星。他给伽利略写信说：“我立即开始思考为什么在没有推翻我的‘宇宙奥秘’的情况下会有更多的行星出现，根据‘宇宙奥秘’原理，欧几里得的5个规则立体容不得在太阳的周围有6个以上的行星……我完全相信木星周围的4个行星的存在，因此我希望通过望远镜，如果可能的话，比你更早发现火星周围有两个（按比例似乎应该如此），土星周围有6个或8个，水星和金星周围很可能各有一个。”火星周围的确有两个卫星，为了纪念他的猜测，人们今天把其中较大的那个卫星上的一个主要地质特征称为“开普勒脊”。但是他对土星、水星和金星的猜测完全错了，木星周围的卫星的数量也比伽利略所发现的多许多。我们至今仍然不知道为什么只有9个左右的行星，也不知道为什么它们跟太阳的相对距离是现在这个样子（见第八章）。
第谷对火星和其他行星穿过星座的视运动观测了许多年，这些观测数据在望远镜发明前的最后几十年里算是最精确的了。开普勒以极大的热情来研究这些数据：地球和火星环绕太阳的什么样的真运动才能最准确地解释火星在空中的视运动（包括穿过背景星座的逆环行运动）？第谷曾经向开普勒介绍过火星，因为火星的视运动似乎是最不正常的，它的运行轨道似乎最不符合圆轨道。（针对那些对他的反复的计算可能感到厌烦的读者，他后来写道：“如果你对这个索然寡味的计算过程感到厌倦的话，请同情我这个至少进行过70次试验的人。”）
毕达哥拉斯在公元前6世纪就假定行星是在做圆周运动，柏拉图、托勒密以及开普勒之前的所有基督教天文学家也假定行星是在做圆周运动。他们认为运行的轨道是一个“完美的”几何图形，他们还认为，为了免除世俗的“腐蚀”而高高挂在空中的行星在某种神秘的意义上也是“完美的”。伽利略、第谷和哥白尼都认为行星是在做均速圆周运动，哥白尼说过，其他的可能性使人“不寒而栗”，因为“这与用最佳的办法创造出来的东西是不相称的”。所以，开普勒在开始的时候就试图用地球和火星绕太阳做圆周运转的假想来解释观察到的现象。
经过3年的运算，他以为他找到了火星的一个圆轨道的正确值，这些值与第谷的10个观测数据相匹配，误差不到2弧分。我们知道一度等于60弧分，从视平线到天顶则是一个90度的直角，因此几弧分是难以测量的，特别是在没有望远镜的情况下。这个误差是我们从地球上看到的整个月球的角直径的十五分之一。但是开普勒的狂喜很快就化为乌有，因为第谷的另外两个观测数据与开普勒的轨道不一致，误差达8弧分。开普勒写道：
上帝赋于我们这样一个勤勉的观测者——第谷·布拉赫，他的观测证实计算误差8分；我们理所当然要从心里感激上帝的恩赐……假如我以为我可以忽视这8分的话，我就可以使我的假设暂时成立。但是，既然不容忽视，这8分向我们指明了彻底改革天文学的道路。
圆轨道与真轨道之间的差别只能通过准确的测量和勇于承认事实来区分：“宇宙以协调匀称见美，但是调和必须合乎经验。”使开普勒感到震惊的是，他必须放弃圆轨道，怀疑对上帝这个几何学家的信仰。他说，清扫了圆周和螺旋天文学的马厩之后，他所剩下的“只是一车子的粪便”——类似卵形的扁圆。
开普勒终于意识到他对圆周的迷恋是因为错觉而引起的。地球是一个行星——这一点哥白尼已经说过，现在开普勒十分清楚地认识到，遭到战争、瘟疫、饥荒和不幸所破坏的地球并不完美。开普勒是自古以来第一个提出行星是由像地球这样不完美的东西构成的物体。如果行星是不完美的，为什么它们的轨道就不能是不完美的呢？他尝试了各种卵形曲线，他不停地计算，有时候算错了（开始的时候反而把正确的答案当作错误的答案），几个月之后，正当他濒于绝望的时候，他尝试了椭圆公式（那是珀格的阿波尼厄斯在亚历山大图书馆首次整理的），结果与第谷的观测配合得很好。他后来写道：“我把自然的真理拒之门外，并把它赶走，但是它又偷偷地从后门溜进，装着若无其事的样子……呀，我真是个大傻瓜！”
开普勒发现火星绕太阳运行的轨道不是圆形，而是椭圆形。其他行星的轨道椭率比火星的轨道椭率要小得多，因此假如第谷叫他研究金星运动的话，他可能永远也发现不了行星的真轨道。在这样的轨道里，太阳不是位于中心，而是偏移到椭圆的焦点上。当某一个行星运转到离太阳最近的位置时，它的速度就加快；当它运转到离太阳最远的位置时，它的速度就减慢。由于这种运动方式，我们说行星永远朝着太阳运动，但又永远到达不了太阳。开普勒的行星运动第一定律就是：行星在椭圆的轨道上运转，太阳位于椭圆的一个焦点上。
做匀速圆周运动的时候，在相同的时间内所覆盖的圆弧角或圆弧部分相等，例如，在圆周上运行三分之二的距离所需要的时间是运行三分之一的距离所需要的时间的两倍。开普勒发现了椭圆轨道的一些不同之处：当行星沿着它的轨道运转的时候，它扫过了椭圆内的一小块扇形面积；当它接近太阳的时候，它在特定的时间内在轨道上划出一个大弧，但是那个弧所代表的面积并不很大，因为行星这个时候离太阳很近，当行星远离太阳的时候，它在相同的时间内所覆盖的弧就短得多，但是那个弧代表一个比较大的面积，因为行星这个时候离太阳比较远。开普勒发现不管椭率如何，上述这两个面积正好相等：瘦长的面积（表明行星远离太阳）和短阔的面积（此时行星接近太阳）正好相等。这就是开普勒行星运动第二定律：行星在单位时间内扫过的面积相等。
开普勒第一定律：行星（P）在椭圆的轨道上运转，太阳（S）位于椭圆的一个焦点上开普勒第二定律：行星在单位时间内扫过的面积相等。从B到A、F到E和D到C的运行时间都一样BSA、FSE和DSC等深色部分的面积都相同
开普勒的头两条定律看起来有点深奥和抽象：行星沿着椭圆轨道运转，在相同的时间内扫过相同的面积，这些定律又有什么用呢？圆周运动倒还容易理解。我们可能会把它当做数学上修修补补的东西，当做脱离现实生活的东西。但是正如我们自己（因为引力作用而附着在地球的表面上）飞越行星际空间一样，我们的行星就是遵循这些定律的。我们是按照开普勒首先发现的自然法则运动的。当我们把宇宙飞船送上行星的时候，当我们观测双星的时候，当我们考察遥远星系的运动的时候，我们发现整个宇宙都遵循开普勒定律。
许多年之后，开普勒偶然发现了行星运动的第三个，也是他的最后一个定律，这个定律将各个行星的运动联系起来，正确地展示了太阳系的机制。他在一本名为《宇宙的和谐》的书里阐述了这个定律。开普勒是通过《和谐》这个词来理解许多东西的：行星运动的秩序与美妙，解释该运动的数学法则之存在（这种思想可以上溯到毕达哥拉斯），甚至在音乐意义上的和谐——“天球的和声”。其他行星的轨道跟水星和火星的轨道不一样，它们基本上是圆形的，因此我们即使在极精确的曲线图上也很难画出它们的真形。地球是我们的活动站台，我们在这个站台上观测在遥远星座背景上的其他行星的运动。内行星在它们的轨道上快速地运转着——这就是水星得名的原因：水星是天使。金星、地球和火星绕太阳运转的速度依次递减。外行星，譬如木星和土星，步态庄重，有如天王。
开普勒第三定律（即和谐定律）指出，行星周期（行星绕轨道一周所需时间）的平方与其距离太阳的平均距离的立方成正比；行星离太阳越远，它的运转速度就越慢，但是根据准确的数学定律，p2=a3，这里p代表行星绕太阳的运转周期（单位：年），a代表该行星离太阳的距离（单位：“天文单位”）。一个天文单位等于地球离太阳的距离，例如，木星离太阳是5个天文单位，因此 a3＝5 X 5 X 5＝125。什么数自乘等于125呢？不是11吗？很接近。因此木星绕太阳运转一周的周期是11年。上述周期计算方法适用于任何行星、小行星和彗星。
开普勒并不满足于从大自然推断出行星运动的法则，他努力追求某种更根本的内在原因——太阳对星球运动的影响。行星在接近太阳的时候速度逐渐加快，在离开太阳的时候速度逐渐减慢。遥远的行星仍然感受到太阳的影响，磁力也有一种遥感作用，因此开普勒令人吃惊地预示了万有引力的概念，认为行星运动的内在原因类似于磁力作用：
我从事这项研究的目的是证明宇宙这部机器，与其说像一个非凡的有机体，不如说像一个类似时钟结构的装置……因为几乎各种形形色色的运动都是由一个非常简单的磁力所带动的，就像类似时钟机构的装置一样，一切运动都是由一个简单的重力引起的。
开普勒第三定律，又称宇宙谐和律（即“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方”——译注），准确地建立了行星轨道的体积与其绕太阳公转一周的关系。这个定律完全适用于开普勒身后多年才发现的天王星、海王星和冥王星。
当然，磁力并不等于重力，但是开普勒这里所指出的创见是惊天动地的。他认为，适用于地球的量子物理原理也是支配宇宙的量子物理原理的基础。这是首次打破用神秘的观点来解释天体运动，这个见解使地球成了宇宙的一个省份。他说：“天文学是物理学的范畴之一。”开普勒处在历史的歧点，最后的一个科学星占学家成了第一个天体物理学家。
开普勒不是说话谨慎的人，他这样评价他的发现：
用这种交响乐的声音，人类可以在不到一小时内奏完永恒曲，可以细细地体验上帝——最高艺术家——的欢乐……我非常激动……决心已定。我正在写这本书，让现代人读也好，让后世人读也好，都无所谓。这本书可以等一个世纪才找到一个读者，上帝自已就等了6000年才找到见证人。
开普勒认为，在这种交响乐里，每个行星的运转速度相当于当时流行的拉丁音阶上的某些音符，即1、2、3、4、5、6、7、i。他说，在天球的谐声里，地球的音符是 4和 3，地球不停地哼唱着4和3，这两个音符正好等于拉丁词“famine”（饥荒）。他还中肯地指出，用这个令人悲哀的词来描绘地球是最恰当不过的了。
开普勒发现他的第三定律之后整整8天，导致“三十年战争”的事件在布拉格发生了。战争动乱使千百万人家破人亡。开普勒的命运也是如此，他的妻子和儿子死于军队所传染的流行病，他的皇家赞助人被废黜，他也因为在教义问题上固执己见而被开除路德教的教籍——开普勒再次沦为难民。这次冲突——天主教和新教都把它说成是神圣的战争——其实是那些贪婪的人利用宗教狂热争夺土地和权力的战争。过去，当交战双方的君主耗尽资财的时候，战争也就结束了，但现在，有组织的抢劫成了维持作战部队的手段。受蹂躏的欧洲人束手无策地看着一把一把的犁和修校的刀被打成剑和矛⑥。
在乡下，妖风四起，谣言弥天，无权无势的人受尽了祸害。许多孤身老妇被控行巫，成了替罪羊。开普勒的母亲就是在深更半夜被人从衣柜里拉走的。在开普勒的家乡小镇韦尔德斯塔特，从1615－1629年，每年大约都有3个妇女被当做女巫而加以折磨和杀害。凯瑟琳娜·开普勒是个爱争论的老妇，
事情的发生是因为开普勒写了一本科学小说来阐述和推广科学，这本书的书名叫做《梦》。他想象了一次月球旅行——那些太空旅行者站立在月球上，观察他们头顶上美丽的地球缓慢地旋转着。通过改变我们的观察角度，我们就可以理解宇宙的机理。在开普勒时代，反对地心说的主要原因之一是人们没有感觉到地球在运动。在《梦》这本书里，他尽力将地球自转的原理阐述得深入浅出，通俗易懂。他写道：“群众是通情达理的，……我要站在群众一边。因此，我十分耐心地向尽可能多的人解释。”（另一次，他在一封信中写道：“请不要让我单纯搞数学计算这种单调的工作，给我时间从事哲理的研究吧，这是我惟一的乐趣。”⑦）
随着望远镜的发明，开普勒的“月球地理学”的设想正在成为现实。他在《梦》中将月球描绘成布满山峦峡谷和孔洞（即伽利略不久前用第一架天文望远镜发现的月球上的环形山）。他还想象月球上有人居住着，他们已经完全适应了当地的险恶环境。他描述了从月面上观察到的地球缓慢旋转的情形，并想象我们行星上的大陆和海洋会引起像“月球上的人”那样的联想——把在直布罗陀海峡的西班牙南端与北非的相互靠近想象成“一个穿着柔软的衣服的少女正准备跟她的情人接吻”。但是，我觉得他们更像是在“碰鼻子”。
根据月亮上日夜的长短，开普勒认为月球上气候严酷，温度变化悬殊。事实证明，他的看法是完全正确的。当然；他并不是事事正确。例如，他相信月球周围有大气，月球上有海洋，也有人居住。特别奇怪的是他关于月球上的环形山的起源的猜想。他说，这些环形山使月球看上去“像小孩子出天花的脸”。他认为，环形山是凹下去而不是突出来的。他这个观点也是正确的。他从观察中发现许多环形山四周突出，中心耸立着一个山峰，但是他认为这些规则的环形说明了一种级数，只有智能生物的存在才能解释这种现象。他设想到从空中落下来的大岩石会引起月球的局部爆发，爆发物向四周匀称地散开，结果形成了圆形的坑穴，这就是月球和其他类地行星上许多环形山和坑穴的起源。因此他推断：“月球上存在着某种能够灵巧地建造那些回洞的人类。这些人类为数一定很多，他们一个接一个地建造凹洞以满足需要。‘针对’这样的大建筑工程是不可能的”的观点，开普勒列举埃及的金宇塔和中国的长城（这些东西现在我们可以从环绕地球的轨道上看到）加以反驳。开普勒的思想核心是，几何级数反映了潜在的智能。他对月球环形山的论述预示了一场关于火星运河的论战（第五章）。通过观测的方法搜寻地球外的生命在发明望远镜的年代开始了，这是拥有最伟大的理论家的时代，这是举世瞩目的时代。
《梦》中有些部分显然是作者的自述，例如，主人公拜访了第谷，他的双亲是卖药的，他的母亲与妖魔鬼怪有交往，其中一个魔鬼最后还向她提供到月球旅行的工具。《梦》向我们清楚地表明（虽然它没有向开普勒同时代的人表明）：“应该容许人们在梦中偶然想象到知觉世界所不存在的东西。”科幻小说在“三十年战争”时代还是一种新生事物，因此开普勒的书被当做为指控他母亲为女巫的证据。
正当开普勒面临着严重的个人问题时，他赶到沃坦堡去看望母亲。他那74岁的老母亲被拘禁在新教区地牢里，还受到严刑的威胁（枷利略在天主教的地牢里也受到了同样的威胁）。作为一个科学家，他很自然地立即就着手调查指控他母亲行巫的原因，其中包括调查沃坦堡人将身体上的小毛病都归咎于她的符咒的事件。他的调查是成功的，跟他的一生一样，他的调查是理性对迷信的胜利。他的母亲被放逐，永远不得返回沃坦堡，否则处以死刑。正是由于开普勒勇于自卫，沃坦堡的君主。才定下了不得在证据不足的情况下任意指控人们行巫的法令。
战争的动乱使开普勒基本上失去了经济来源，他后来的生活很不安定，到处恳求帮助。他给沃伦斯坦君主算命，就像他曾经给鲁道夫二世算过命那样，最后在沃伦斯坦控制的一个西里西亚的市镇——萨根——度过了晚年。他亲自写下的墓志铭是这样的：“我过去测量天空，现在测量的则是阴影。我的精神跟天空密不可分，我的身体却在地上安息。”但是，“三十年战争”把它的坟墓湮没了，如果今天要为他追求科学的勇气树碑立传的话，碑文可以这样写：“他追求的是严酷的真理而不是美妙的幻想。”
开普勒相信，总有一天会有“宇宙帆船乘着天风”在空中航行，船上满载“对浩瀚的太空无所畏惧的探索者”。今天，那些探索者无论是人类还是机器人，在广袤无垠的太空中用来准确无误地导航的，正是开普勒经过终身奋斗所发现的行星运动三大定律。
开普勒为了解行星的运动、为探索宇宙和谐的原理而奋斗终生，他的研究工作在他死后36年由牛顿推向顶点。牛顿生于1642年圣诞节，他母亲后来告诉他，他出生的时候只有一点点大，可以装进一个容量为一夸脱的杯子。牛顿体弱多病，感到缺少家庭的温暖，脾气暴躁，不爱交际，当了一辈子童男，但他却可能是最空前伟大的科学天才。
牛顿从小就急欲解答虚幻的问题，诸如：光是一种物质还是一种偶然的事情？引力如何越过真空而起作用？等等。他很早就确信，基督教对“三位一体”的传统观念是对《圣经》的一种误解。他的传记作者约翰·梅纳德。凯恩勒写道：
他其实是梅莫奈兹学派的犹太教—神论者，他之所以得出这个结论，不是根据推理或猜测，而是完全根据对古代权威的理解。他相信天书并没有为伪造的“三位一体”论提供证据，天神只有上帝一个。但这是牛顿终身竭力隐瞒的可怕的秘密。
和开普勒一样，他免不了要受到当时迷信思想的影响，他也与神秘主义交锋过多次。事实上，牛顿思想的成熟主要归因于理性主义与神秘主义的冲突。1663年，当20岁的时候，出于好奇，他在斯特布里奇市集买了一本星占学的书，他想“看看书里到底说些什么”。当读到书中谈到的幻像时，他就读不下去了，因为他对三角学一无所知。因此，他又买了一本三角学的书。但是没多久，他发现自己不懂几何学，结果又找了一本欧几里得著的《几何学初步》开始读起来。两年之后，他发明了微分学。
做学生的时候，牛顿就被光迷住了，被太阳吸引住了。他不顾危险，经常目不转睛地看着镜子里太阳的映像：
几小时之后我的双眼无需望着任何明亮的东西，但是我还是看到太阳在我的面前。我不敢写字，也不敢看书，我把自己关在房间里让眼睛恢复过来，我整整三天呆在黑屋里，想尽一切办法转移我对太阳的想象，因为一想到太阳，我立即就会看到它的图像，虽然我是在黑暗里。
1666年，牛顿23岁，在剑桥大学读书。这时突然爆发了一场瘟疫，他只好回到与世隔绝的伍尔斯索普村（他出生的地方）闲居，在那里他住了一年。他专心于发明微分学和积分学，对光的性质有重大发现，并为万有引力理论打下了基础。在物理学的历史上，像这样意义重大的一年，只有1905年——爱因斯坦的“奇迹年”可以和它相比。当问他是怎样获得．这些惊人的发现时，牛顿笼统地回答说：“通过思考。”他的成就就是如此之重大，以致他剑桥的老师文萨克·巴罗在这个年轻人回校五年之后辞去了数学教授的职位，让他来接班。
牛顿45岁左右的时候，他的佣人是这样描述他的：
我从来没有看到他娱乐或消遣过，他既不乘车出去兜风，也不散步，不玩滚木球游戏或做其他运动，以为凡是不用在学习上的时间都是浪费。他学习抓得很紧，很少离开自己的房间，除非是去讲课……很少有人听他的课，更少有人听得懂，由于听课的人少，他实际上经常是对着墙壁朗读。
开普勒和牛顿的学生绝没有想到他们的损失会有多大。
牛顿发现了惯性定律——运动着的物体在没有外力作用的情况下继续做直线运动。牛顿认为，如果没有一种力量不断地改变月球的运动方向，使它的轨道成为近圆形，并把它往地球的方向上拉，那么，月球就会沿着与轨道相切的方向直线飞离轨道。牛顿把这种力量叫做重力，并相信它在远距离的地方起作用。虽然在地球和月球之间没有什么东西把它们联系起来，但是地球却不断地把月球往我们这边拉。牛顿应用开普勒第三定律，从数学的角度推断引力的性质。⑧他证明，将苹果往地球上拉的力就是使月球沿着它的轨道运转的力，也就是使当时刚发现的木星的卫星绕着那个遥远的行星运转的力。
自从开天辟地以来，物体都是往下掉的。人类有史以来都相信月亮绕着地球转。牛顿首先发现上述这两种现象都是由同一种力引起的，这就是“牛顿万有引力”中“万有”的含意所在。在宇宙中，这个引力定律到处都适用。
这是一个平方反比法则，即引力与距离的平方成反比。如果两个运动物体之间的距离增加一倍，它们之间的引力则只有原来的四分之一，如果它们之间的距离是原来的10倍，它们之间的引力就比原来的引力小了100倍（102= 100）。显然，引力必须在某种程度上是逆向的，即随着距离的增加而减少。假如引力是正向的，即随着距离的增加而增加，最遥远的物体就会受到最大的引力。那么我想，宇宙间的所有物质很快就会形成一个大宇宙团。不，引力一定要随着距离的增加而减少。这就是为什么彗星或行星在远离太阳时转得慢，在靠近太阳时转得快的原因——离太阳越远，它们所感受的引力越小。
开普勒的行星运动三定律都可以从牛顿原理推导出来。开普勒定律是经验的产物，是根据第谷的仔细观测结果推断的，牛顿定律则是理论性的，是很简单的数学概念，根据这种概念，我们最终可以推导出第谷观测的一切数据。牛顿对自己的定律引以为豪，他在《自然哲学的数学原理》一书中写道：“我在此展示了宇宙的机理。”
后来，牛顿担任了伦敦皇家学会会长（这是一个科学家的团体），还当了造币厂厂长，他将全部精力投入到查禁伪币的工作中。他那忧郁和孤独的性格又开始作怪，他决心放弃驱使他与其他科学家争论的科研工作（争论的重点是优先权的问题）。为此，有人还说他得了相当于17世纪的“精神崩溃”症。然而，牛顿继续他在炼金术与化学之间的边缘科学的毕生研究。最近有证据表明，他当时的疾病与其说是精神病，不如说是重金属中毒——长期吸入微量的砷和汞所引起的金属中毒。当时的化学家以嗅觉为分析手段是司空见惯的。
但是，他那惊人的智力经久不衰。1696年，瑞士数学家约翰·伯努利要求他的同事们解决一个悬而未决的“捷线问题”：在只受到重力作用的情况下，物体怎样沿着不同高度的两点之间的一条曲线下降最快。伯努利起先规定半年为最后期限，但是后来应莱布尼茨的要求（莱布尼茨是当时的主要学者之一，跟牛顿同时发明了微分学和积分学），将最后期限延长到一年半。1697年1月四日下午4点，牛顿收到这个要求。在他次日早晨上班之前，他又发明了一个崭新的数学分支——变分学。他用变分学的原理解决捷线问题，并将答案寄了出去。他的答案出版了，但是根据牛顿的请求，没有署名。然而，该答案所显示出来的才华和创见却暴露了它的作者。当伯努利见到该答案时，他说：“真是文如其人。”牛顿当年55岁。
在晚年的时候，他继承了古代历史学家梅内托、斯特拉波和埃拉托斯尼的传统，主要从事校正古文明年代学的工作。在他身后发表的最后一本著作——《古代王国年代学修正本》里，我们发现他对许多历史事件进行了校订，复制了一幅所罗门圣殿建筑图；大胆地提出“北半球星座都是根据希腊故事《伊阿宋》和《亚尔古英雄传》里的人物、人工制品和事件命名的观点；坚持认为一切文明世界的神——只有牛顿自己心目中的神是一个例外——不过是后人加以神化的古代国王和英雄罢了。
开普勒和牛顿的发现代表了人类历史上的转折——发现十分简单的数学定律渗透到大自然的各个角落；适用于地球上的规则，也同样适用于宇宙；我们的思维方式与宇宙运行方式之间会产生共鸣。他们非常重视观测资料的精确性，他们预测行星运动的准确性雄辩地证明：人类完全能够深刻地了解宇宙。我们地球的现代文明、我们世界观的形成，以及我们现在对宇宙的探索，与他们的洞察力是密不可分的。
牛顿对自己的发现持谨慎态度，他对科学界的同事们是毫不让步的。在他发现负二次方定律之后，根本没有想等一二十年之后把它发表出来。但是在辽阔无垠、错综复杂的大自然面前，他跟托勒密和开普勒一样，既高兴又谦虚。他在临死之前写道：“我不知道在别人看来我是什么样的。但在我自己看来，我不过像是在海滨玩耍的小孩，为不时发现比寻常更为光滑的一块卵石或比寻常更为美丽的一片贝壳而沾沾自喜，而对于展现在我面前的浩瀚的真理的海洋，却全然没有发现。”
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①“月经（menstrual）”这个词的词根意思是“月亮（Moon）”。
②对星占学及其有关学说表示怀疑并不是什么新鲜事，也不是西方所独有的。例如，1332年《徒然草》的作者吉田兼好在《懒散论集》中写道：（日本）阴阳说对“红舌日”这个问题说不出个道理来。以往人们并不回避红舌日，但是近来——我不知道这个风俗从何而来——人们开始说什么“红舌日开始的事业是不会有好结果的”，或者“红舌日说的话是白话，做的事是白做：你得而复失，你的计划落空。”简直是胡说八道！假如我们计算一下特意挑选“吉日”开始而又没有结果的事情，恐怕其数量之多不亚于在红舌日开始的事情。
③早四个世纪之前，阿基米德就制造了一个这样的装置，并由罗马的西塞罗检查和绘制成图。这是马塞勒斯将军运送到罗马的。在征服赛拉丘斯期间，马塞勒斯的一个士兵违抗命令，无缘无故地将这个年逾古稀的科学家杀死。
④在最近一次清查几乎所有哥白尼16世纪的著作时，欧文·金杰里奇发现当时的书刊审查很不认真，只有60％的意大利文版本被“纠正”，伊比利亚版本没有一本被纠正。
⑤这样的话在欧洲中世纪或欧洲基督教改革运动的时候决不是最偏激者所言。在包围一个主要是艾伯延塞斯人居住的城市时，有人问多米戈德古斯曼（后来以圣多米尼克闻名）如何区别信徒和异教徒时，据说他回答道：“把他们全部杀光，上帝自有判断，”
⑥我们现在还可以在格拉茨的军械库里看到一些展品。结果得罪了地方上的贵族。她卖安眠药，可能还卖幻觉药，就像现代墨西哥江湖医生那样。可怜的开普勒相信，他本人才是母亲被抓走的原因。
⑦像开普勒一样，第谷没有敌视星占学，但是他把自己秘密的占星术与当时流行的各种占星术严格地区别开来，他认为后者助长了迷信。他在1598年出版的《天文机理新编》一书中指出，如果星位图能够得到改善的话，星占学“其实比我们所认为的更可靠”。第谷写道：“我从23岁就开始致力于炼金术和天国的研究。”但是他觉得，这两种伪科学里的秘诀对大众来说太危险了（虽然他认为操纵在那些他需要获得其支持的君主和国王的手里是很安全的）。第谷继承了那些相信只有他们和俗、教权才能委以秘诀的科学家长期的、真正危险的传统。他写道：“将这些东西公之于众是没有用的，也是不应该的。”相反地，开普勒则到学校讲授天文学，经常自己掏钱大量出版刊物，撰写科学小说（当然主要不是写给他的同行看的）。用现代的观点看，他不可能成为受人欢迎的科学小说家，但是第谷和开普勒这两个同代人态度的差异却是说明问题的。
⑧遗憾的是，牛顿在他的杰作（自然哲学的数学原理》一书中没有提到开普勒。但是在1666年给埃德蒙·哈雷的一封信中，他谈到了他的万有引力定律：“我可以肯定地说，这个定律是我大约20年前根据开普勒的理论推导出来的。”
第四章 天堂与地狱
第四章 天堂与地狱
九个世界仍在我的记忆之中。
斯诺尔里·斯特勒逊编纂的《冰岛散文集》
我——宇宙的破坏者，罪该万死。
《神曲》
天堂和地狱的大门毗连在一起，没有什么两样。
尼克斯·卡赞扎基斯《基督的最后引诱》
地球是个可爱而又平静（多少可以这么说）的地方，万物在变化，但变化的过程却是缓慢的。我们可能平安地过一辈子而从未经历过比暴风雨更猛烈的自然灾害，因此，我们总是自鸣得意，逍遥自在，漠不关心。但是大自然的历史记载却是很清楚的。宇宙曾经遭到破坏，我们人类甚至还以“善于有意无意地给自己施加灾害”而著称。其他的行星都把自己过去的历史保留下来，有充分的证据表明它们曾经经历过大灾难。一切都只是时间迟早的问题。在100年内不可思议的事情，1亿年之后可能就是不可避免的了。即使在地球上，即使在我们自己的国家里，奇怪的自然现象也发生过。
1908年6月30日清晨，在西伯利亚中部，人们看见一个巨大的火球从天空划过。火球着地的时候，引起了一场大爆炸，这场大爆炸扫平了大约2000平方公里的森林，烧毁了撞击地点附近成千上万的树木，它所引起的大气冲击波环绕地球两圈。两天之后，大气里仍然有大量的尘埃，以至于在1万公里以外的伦敦市街道上，人们可以在晚上靠尘埃的漫反射光看报纸。
沙俄政府不会为这样的区区小事而去调查的，而且事情毕竟是发生在偏僻落后的西伯利亚通古斯人居住的地方。十月革命10年之后才有一支考察队到那里考察现场和采访目击者，以下是考察队带回来的一些采访记录。
清晨，当大家还在帐篷里睡觉的时候，整个帐篷连人一起被吹到空中。落地的时候，全家都受了轻伤，而阿库莉娜和伊凡失去了知觉。恢复知觉后，他们听到许多嘈杂的声音，看到森林在他们四周炽烈地燃烧着，大部分森林都毁了。
早饭时间，我正坐在范诺范拉贸易栈的门廊里，眼睛望着北方。我刚举起斧子要箍桶的时候，突然间……天空劈成两半，北边森林的上空好像燃起了一片烈火。这时，我感到一阵火热，好像我的衬衫已经着火了……我正要把衣服脱掉的时候，天空中轰隆一声炸开了。我从门廊里被抛到约3沙绳（俄丈）远的地方，暂时失去了知觉。我的妻子跑出来把我扶到屋里。接着便听到一声巨响，好像是石头从空中降落的声音，又好像是炮声，整个大地都抖动起来。我躺在地上，把头盖住，因为我怕头被石头打伤。正当天空裂开的时候，一阵热风（犹如大地里吹出来的热风）从北边往我们的屋子吹过来，在地上留下了痕迹……
当我坐在犁旁吃早饭的时候，我突然听到爆炸声，好像是炮声。我的马跪到地上。北边森林的上空火舌冲天而起……接着，我看到杉树林被风刮得倒向一边，我还以为是飓风。我用双手抓住犁，不让风刮走。风很猛，地上的土都被刮走了。飓风从安格拉里驱起了一道水墙，我看得清清楚楚的，因为我的地在山坡上。
呼啸声把马吓得狂奔起来，拖着犁到处乱跑，有的马却吓瘫了。
听到第一声和第二声爆炸之后，木匠们都吓呆了，他们用手在自己胸前划十字。当第三声爆炸传来的时候，他们从屋顶上倒摔到碎木屑上。有几个人惊慌失措，我叫他们冷静下来，并安慰他们。我们都停了工回到村子里去。村民们惊恐万状，一群一群地聚集在街道上，谈论着发生的事情。
我当时正在田里……刚刚给一匹马套上耙，正要套另一匹时，突然听到右边一声好像爆破的声音。我立即回头，看见一个燃烧着的物体从空中飞过，那物体头部比尾部宽得多，色彩好比白昼里的火光。这个燃烧着的物体比太阳大得多，但是没有太阳那么明亮，所以可以用肉眼去看。火光后面拖着一长串的东西，看上去像尘埃，一阵阵地往外喷，此外，火焰还放出蓝色的流光……火焰一消失就听到比炮声更猛烈的爆炸声，可以感觉到土地在震颤，木屋里的玻璃窗都被震碎了。
我当时正在卡恩河边洗羊毛，突然听到一声像惊鸟鼓翅的嘈杂声……河水猛涨。随后便是一声巨响，一个工人……摔到河里。
这个著名的事件叫做通古斯事件。有些科学家认为，这个事件是由一片急剧落下的反物质引起的。反物质与地球的寻常物质接触之后就湮没，变成伽马射线的闪光。但是在撞击地点没有发现任何放射现象可以证实这种解释。另一些科学家认为，一定有一个很小的黑洞由西伯利亚这一端进人并穿透地球，从另一端钻出。但是从大气冲击波的记录里并没有发现当天晚些时候有什么东西从北大西洋里冲出来。这也许是某个难以想象的地球外的高级文明社会的宇宙飞船出了严重的故障，结果撞到一个暗行星的偏僻地区。可是在撞击现场没有找到这些飞船的痕迹。上面这些已经提出来的观点，其中有些还是很有道理的。但是它们都没有足够的证据。通古斯事件的主要事实是：大爆炸，大冲击波，森林大火。可是在现场没有发现撞击环形山。所有这些事实似乎只能有一种解释：1908年一个彗星的一个碎片撞击了地球。
在行星际广阔的空洞里有许多物体，有些是岩石的，有些是金属的，有些是冰的，有些含有部分的有机分子。这些物体从尘埃颗粒到像尼加拉瓜或不丹那么大的不规则的石块都有。有时候，偶然间在途中出现一个行星。通古斯事件很可能是由一个彗星冰块引起的。这个冰块长约100米（相当于一个足球场那么大），重100万吨，飞行速度约每秒30公里（每小时7万英里）。
假如这样的撞击事件发生在今天的话，人们可能会以为是核爆炸（特别是在目前的这种惊恐之中）。彗星的撞击和火球就像百万吨级的核爆炸。还带有蘑菇云，但有两个例外，没有伽马射线，也没有放射性微粒回降。一个罕见的但又是自然的事件——一个相当大的彗星碎片的撞击——可能引起一场核战争吗？一个奇怪的剧本：一个小彗星撞击了地球（就像千百万其他彗星已经撞击过地球那样），我们的文明社会的反应则是立即毁灭自己。我们应该进一步研究彗星及其撞击和可能带来的灾难。例如，1979年9月22日，一颗美国维拉卫星在南大西洋和西印度洋附近探测到一种强烈的双闪光，起初以为那是南非或以色列秘密进行的低量（2000万吨，相当于广岛原子弹的能量的六分之一）核武器试验所引起的。当时的国际政治形势正处于紧张状态。但是如果这种闪光是由小行星或彗星碎片的撞击所引起的，那又有什么关系呢？既然在发光地区的空中飞行之中没有发现大气里有异常的放射现象。上述可能性是完全存在的。同时也说明，在核武器时代，不改善我们对来自宇宙空间的撞击的监测系统是很危险的。
彗星主要是由冰构成的——水（H2O）冰，还有少量的甲烷（CH4）冰和一些氨（NH3）冰。在撞击地球的大气层时，一个中等大小的彗星碎片会产生一个白炽的火球和一种巨大的冲击波。火球会烧毁树木，冲击波会扫平森林，它的声音还会波及全球。但是这样的彗星不太可能在地上撞出一个环形山。彗星上的冰块在进人大气层的时候全部融化了，因此不会留下灵般地出现，这种现象令人不安地向人们关于宇宙是万古不变、井然有序这一观念进行挑战。如果那条天天随着星星起落的壮丽的乳白色光带是无缘无故地出现在那里，与人间世事毫无关系，那简直是不可思议的。因此出现了这样的观点：彗星是灾难的预兆，是神遣的预兆——它们预示了帝王的终日，王国的崩溃。对于彗星，巴比伦人认为是天髯，希腊人认为是垂发，阿拉伯人认为是燃烧的剑。在托勒密时代，人们根据彗星的形状把它们分类为“梁”、“喇叭”。“坛子”等。托勒密认为彗星给人类带来战争、炎热的气候和“动乱”。中世纪的一些彗星图看上去像未探明的飞行的十字架。一个名叫安德烈亚斯·西利奇厄斯的马格迪堡路德教主管人（即主教），在1578年发表了一篇题为“新彗星的科学启示”的文章。他在文章中。提出了一个独特的观点，他说彗星是“人类罪恶的浓烟，每天、每时、每刻都在升腾，它在上帝面前丑态百出、胆战心惊，逐渐地由浓烟形成长着卷发梳着辫子的彗星，最后被天国最高法官的怒火烧着了”。但是另一些人反驳说，如果彗星是罪恶的浓烟的话，天空势必乌烟滚滚。
关于哈雷彗星（或任何其他彗星）的最古老的记录是在中国的《淮南子》这本书里，该星于公元前1057年武王伐纣时出现。公元66年哈雷彗星向地球靠近，这是约瑟夫关于“耶路撒冷上空整整一年悬挂着一把剑”的记载的最好解释。1066年，诺曼底人又目睹了哈雷彗星，他们认为，既然彗星预兆某个王国的崩溃，这次哈雷彗星的出现，助长并在某种意义上促成了“征服者威廉”对英格兰的侵略。当时的报纸《贝尤克斯绣帷报》对该彗星曾做过及时的报导。1301年，乔托——现代写实主义绘画的创立者之———目击了哈雷彗星再次出现，并且把它画到算命的天宫图里。1466年的大彗星——哈雷彗星星又一次再现——引起了基督教欧洲的恐慌，基督教徒们担心上帝可能站在土耳其人一边（土耳其人刚刚占领了君士坦丁堡），所以才派遣彗星下来。
16世纪和17世纪的主要天文学家都被彗星迷住了，即使牛顿对彗星也有点茫然。开普勒说彗星在空中飞驰“就像鱼类在海里畅游一样”。但是被阳光驱散了；因为彗尾总是朝着背向太阳的方向、戴维·休漠在许多场合里是一个坚定的理性主义者，但是他的下述观点却不很严肃：彗星是行星系的生殖细胞——卵子或精子。行星是一种星际性交的产物。牛顿读大学的时候（在他发明反射望远镜之前），经常连续数夜不眠，用肉眼搜索空中的彗星，最后终于累倒了。继第谷和开普勒之后，牛顿断定，从地球上看到的彗星不在我们的大气层范围内运行（亚里士多德和其他一些人也是这样认为的），我们看到的彗星其实是在比月球还要远的地方，但是比土星近一些。彗星跟行星一样，是通过反射太阳光发亮的。“那些把彗星调往遥远的恒星的人大错而特错，因为如果是那样的话，彗星就得不到太阳光，就像我们太阳系的行星得不到恒星的光一样。”他证实了彗星的运行轨道跟行星一样也是椭圆形的；“彗星是一种在非常扁圆的轨道上绕着太阳运转的行星。”这种将彗星非神秘化的观点，这种对彗星固定轨道的预言，导致他的朋友埃德蒙·哈雷在1707年计算出：1531年。1607年和1682年出现的彗星是每隔76年出现一次的同一颗彗星，并预言这颗星于1758年再现。这个彗星果然按时到来，他死后人们就用他的名字给这颗彗星命名。哈雷彗星在人类历史上起过有趣的作用，当它1986年再现时，它可能是宇宙飞船首次探索彗星的目标。
现代的行星科学家有时候试图论证彗星和行星的碰撞对行星大气可能有显著的影响。例如，现在火星大气里的水分都是因为不久前一个小彗星撞击的结果。牛顿指出：彗尾的物质被散落在行星际空间，由于重力作用，它们逐渐地被吸引到附近的行星上，他相信地球上的水在不断地散失，“用于植物的生长和腐烂，转化成干土……如果液体没有从外部得到补充，一定会不断减少，最后完全消失”。牛顿曾经相信：地球上的海洋源自彗星；生命的产生也可能是因为彗星物质降落在我们的行星上。在一篇神秘的幻想曲里，他更是讲得神乎其神：“而且，我认为，灵魂来自彗星，虽然它非常微小，但它却是我们空气中最微妙。最有用的部分，是万物赖以生存的要素。”
早在1868年，天文学家威廉·惠更斯就发现彗星光谱和天然气光谱的某些特征是一样的。惠更斯发现彗星上有有机物；几年之内又发现彗星里含有氰（即硝酸纤维素，含有一个碳原子和一个氮原子，是形成氰化物的分子碎片）。1910年，当地球即将穿过哈雷彗星的尾巴时，许多人非常恐慌，他们忽略了“彗尾富有扩散性”的事实。彗星的毒性所带来的危险远不如（即使在1910年）大城市工业污染所带来的危险。
但是几乎没有人感到放心。例如，旧金山1910年5月15日《纪事报》的大标题中有：“跟房子一样大的彗星摄像机”、“彗星来临，丈夫自新”、“彗星晚会在纽约流行”。洛杉矾《考察家报》的气氛比较轻松：“喂！那个彗星毒死你了吗？……全人类该免费洗一洗气体浴了”、“期待‘狂欢作乐’”、“许多人嗅到氰的强烈味道”、“受害者爬树，给彗星挂电话。”1910年，人们举行了许多晚会，他们要在世界遭到气污染的末日来临之前尽情欢乐一番。企业家到处兜售抗彗药和防毒面具（后者令人恐怖地预示了第一次世界大战的战场）。
即使在我们的时代，对彗星仍然存在着模糊的认识。1957年，我是芝加哥大学叶凯士天文台的研究生。有一天深夜，我独自一个人在天文台里，听到电话铃直响。我接电话时，听到一个人用醉醺醺的声音说：“请让我跟天文学家讲几句话。”“你有什么事就说吧。”“是这样的，我们正在威尔米特举行花园晚会，天上有个东西，奇怪的是，你正视它的时候，它就不在了，但是如果你不看它，它又在那里。”视网膜最敏感的部分不在视界的中心，如果你将视线稍微偏移一点，你就可以看到暗淡的星星和其他的物体。我知道当时天上勉强可见的东西是一个新发现的叫做“阿伦罗兰”的彗星，所以我就告诉他，说他看见的可能是一个彗星。他停顿了好一会儿才问：“什么叫彗星？”“彗星就是直径1英里的雪球。”我回答说。这次，这个打电话的人停顿的时间更长。后来，他请求说：“请找个真正的天文学家跟我谈吧。”1986年哈雷彗星再现时，我不知道什么样的政界领导人会对此感到恐惧，我们不知道我们到时候还会干出别的什么蠢事来。
虽然行星是在椭圆形的轨道上绕太阳运转，其实它们的轨道的椭率并不很大。乍看起来，它们的轨道倒像是圆形的。彗星——特别是周期长的彗星——才有显著的椭圆形轨道。行星是内太阳系的老前辈，彗星则是新客。为什么行星的轨道基本上是圆形的而且整齐地分隔开来？因为如果行星轨道的椭率很大的话，它们就会交叉在一起，那么行星迟早会相撞。在太阳系的早期历史里，可能有许多行星正处在形成的过程中，那些在椭圆交叉轨道上的行星很容易相互碰撞而毁灭，而在圆形轨道上的行星则容易成长而生存下来。现在这些行星的轨道是在这种碰撞自然选择中幸存者的轨道，我们的太阳系已经由充满灾难性的撞击的少年进人稳定的中年。
在太阳系的最外层，在行星以远的黑暗空间里，有一个由1万亿个彗核构成的巨大的球云，它绕太阳运转的速度不会比印第安纳波利斯首届500英里车赛的速度更快①。一个典型的彗星看上去像一个直径约1公里的巨大的滚动的雪球。大多数彗星从来没有穿越过冥王星轨道这条边界，但是，偶而会有一颗行星从它们旁边经过，打乱它们的引力关系，使一群彗星进入椭率很大的轨道，向太阳猛冲。当它们的轨道由于木星和土星的引力作用而继续变化时，它们就（大约每100年左右一次）往内太阳系猛冲。在木星和火星轨道之间的某个地方，它们开始发热和蒸发。从太阳的大气层吹出来的物质——太阳风，将尘埃和冰块推向彗星的背部，使它们有了短尾。假如木星的直径是1米的话，我们的彗星就会比尘埃颗粒还要小。但是如果它们发展壮大的话，它们的尾巴会有从一个星球到另一个星球那么长。当它们接近地球的时候，它们会在地球上的人类当中激起迷信的狂热。但是人类最终会懂得，彗星不是生在在他们的大气层里，而是生存在大气层外的行星之间。人类将会计算彗星的轨迹，也许在不久的将来，人类还会发射一个小宇宙飞船，专门用来探测这个来自恒星王国的客人②。
彗星迟早是要跟行星碰撞的。地球及其伙伴月亮势必受到彗星和小行星——太阳系在形成过程中残余下来的碎片——的轰炸。既然小的物体比大的物体多，受小物体撞击的可能性也就比受大物体撞击的可能性大。彗星碎片撞击地球的事件（例如通古斯事件），每1千年就可能发生一次左右，但是大彗星（例如哈雷彗星，它的核可能有20公里的直径）撞击地球的事件只可能每10亿年左右发生一次。
当一个小的冰冻物体跟一个行星或一个卫星碰撞时，行星或卫星上还不会有很大的伤痕，但是如果撞击物比较大或撞击物主要是由岩石构成的，那么撞击的时候就会引起爆炸，形成一个半球形的坑，我们把它叫做撞击环形山。如果环形山没有被破坏掉或被填满，它可能几十亿年之后都还会存在。月球上几乎没有侵蚀现象，当我们考察月球的表面时，我们发现它布满了环形山，这些环形山的数量远不是现在太阳系内寥寥无几的彗星碎片和小行星碎片所能解释的，月球的表面雄辩地证明宇宙曾经经历过毁灭性的年代，那是几十亿年前的事了。
撞击环形山并不只是月球上才有的，我们在整个内太阳系都会发现它们——从最靠近太阳的水星，到云雾迷漫的金星，到火星及其小卫星（火卫一和火卫二）。这些行星叫类地行星，在宇宙中跟我们是一家人，它们的性质可以拿地球作代表。它们的表层是固体，内部主要是岩石和铁。大气层的气压不尽相同，从几乎是真空状态到比地球的气压高叨倍都有。它们像野营者围着营火一样紧紧地围着太阳——光源和热源。所有的行星大约都有46亿年的历史了，跟月球一样，它们都是太阳早期历史的撞击灾变岁月的见证人。
越过火星之后，我们就来到了一个非常不同的“社会制度”里——木星和其他大行星（即类木行星）的王国。这些行星都是大行星，它们的主要成分是氢和氦，还有少量的富氢气体（例如甲烷、氨气）和水。在这里，我们看不到坚实的表面，看到的只是大气和五彩缤纷的云层。这些行星都是举足轻重的，而不像地球那样是微不足道的。木星可以装得下1000个地球。假如彗星或小行星落到木星的大气层里的话，我们不可能看到环形山，我们只能看到云层暂时断裂的现象。然而，我们知道，外太阳系的碰撞史也已经有几十亿年了，因为木星的体系更庞大，有十几个卫星，“旅行者”宇宙飞船曾经对其中的5个卫星进行过详细的考察。在这里，我们也找到了过去灾变的证据。整个太阳系都探索过之后，我们可能就会找到所有9个星球（从水星到冥王星）和所有小卫星、彗星和小行星都经历过撞击灾变的证据。
月球正面大约有1万个环形山，在地球上用望远镜可以看得见。大多数环形山是在月球的古代高地上，从月球的行星际碎片最后吸积时期起就有了。在maria（拉丁语“海”）里约有1000个直径超过1公里的环形山。所谓的“海”，是指月球的平原地区，在月球形成后不久，这里可能是个熔岩涌流的地方，先前的环形山都被遮没了。因此，粗略地计算，现在月球上环形山的形成率应该是：109年／104环形山=105年／环形山，即每10万年形成一个环形山。因为行星际碎片在几十亿年前可能比现在多，所以我们可能要等10万年以上才能看到在月球上形成一个环形山。因为地球的面积比月球大，所以我们可能要等大约1万年才能看到我们的行星被撞击出一个1公里宽的环形山。据研究，亚利桑那的陨星坑（大约1公里宽的撞击环形山）已经有2万到3万年的历史了，因此，地球上的观测与上述的估算是一致的。
彗星或小行星与月球的实际撞击可能会引起瞬息爆炸，我们从地球上可以看到爆炸所发出的光。我们可以想象，在10万年前的某一个晚上，当我们的祖先悠闲地举目望着天空的时候，突然看到一股奇特的白烟从月球的背光部分升起来，并且被太阳光把它照亮了。但是，我们并不认为历史上可能发生过这种事情，因为发生这种事情的可能性是很小的。然而，在地球上用肉眼看到的月球遭受撞击的事实是有案可查的。1178年6月25日夜晚，5个英国修道士报告了一件奇怪的事情，后来这件事情被坎特伯雷的杰维斯收录在他的编年史里。人们普遍认为，该书所记述的关于杰维斯时代的政治和文化事件是可靠的。作者收录这个事件之前曾经采访过目击者，他们都发誓说他们所看到的是事实。杰维斯的编年史里有这么一段话：
一弯明亮的新月，月相如旧，钩尖朝东。忽然间，上钩一分为二，火焰从分裂处中部腾空而起，将火炬、火焰、火红的煤和火星洒向天空。
天文学家德罗·马尔霍兰和奥戴尔·卡莱姆认为，月球遭到撞击时，月面上会升起一股尘云，形状很像坎特伯雷的修道士所报告的那样。
假如撞击是在800年前才发生的话，它所形成的环形山现在应该还看得到。月球上几乎不可能发生侵蚀现象，因为那里没有空气，也没有水。因此，即使是几十亿年前形成的小环形山现在还会比较好地保留下来。根据杰维斯的记载，准确地测定那次月球上的撞击地点是可能的。撞击会产生射线（即爆炸时喷射出来的粉末线迹），这样的射线跟月球上最年轻的环形山是联系在一起的——例如是那些根据阿里斯塔恰斯、哥白尼和开普勒的名字而命名的环形山。但是，虽然环形山可能经受得住月球上的侵蚀，这种非常微弱的射线却不行。随着时间的推移，即使微陨星——宇宙空间微尘——的到来也会搅乱和遮没这些射线，使这些射线慢慢地消失掉。由此可见，射线是新近发生撞击的信号。
陨星学家杰克·哈通曾经指出，月球上，正好在坎特伯雷修道士所说的那个地区，有一个最近刚刚形成的、样子还很新鲜的小环形山，同时还有很明显的辐射系。这个环形山是根据16世纪罗马天主教的一个学者的名字命名的，叫做“乔达诺·布鲁诺”。布鲁诺认为，宇宙中有无数的星球，而且许多星球上都有生命。由于这个原因和其他“罪行”，他于1600年被烧死在火刑柱上。
卡拉姆和马尔霍兰提出了跟上述的解释相吻合的另一个证据。当一个物体以很高的速度撞击月球时，它会使月球晃动起来，虽然这种震动最终会消失，但不会在800年这样的短时期内消失。这种震动可以用激光反射技术进行研究。“阿波罗”飞船的宇航员曾经在月球的好几个地方设置了激光反光镜。当地球上发射的激光束照射在镜子上并反射回来的时候，我们可以很准确地测量出往返的时间。用这个时间乘以光速，我们可以准确地算出这个时刻地球与月球之间的距离。用这种方法测量几年之后，我们知道了月球的天平动周期（即颤动周期大约3年）和振幅（大约3米），这个数据跟“乔达诺·布鲁诺环形山形成还不到1000年” 的见解是一致的。
所有这些证据都是推论的和间接的。我前面已经说过，在历史时期里，发生这种事情的可能性很小，但是这样的证据至少会给我们一些启示。通古斯事件和亚利桑那的陨星坑也使我们注意到，并不是所有的撞击灾变都是在太阳系的早期历史里发生的。但是，月球上只有几个环形山有广延的辐射纹，这个事实同样使我们注意到，即使在月球上多少有一点侵蚀③，只要了解一下那些环形山和地层学的其他迹象，我们就能够设想出撞击事件和遮没事件的序列（布鲁诺环形山的形成可能是这种事件的最近的例子）。
地球离月球很近，如果月球那么严重地受到过撞击而形成许多环形山，地球怎么可能幸免呢？为什么陨星坑如此罕见？彗星和小行星会以为撞击一个有人居住的星球是不妥当的吗？这种克制的态度是不可能的，惟一可能的解释是，在地球和月球上形成撞击环形山的频率是很接近的，但在没有空气和水的月球上，它们可以长久地保留下来，而在地上，缓慢的侵蚀过程会把它们销蚀掉或遮没掉。流水、风沙和造山运动的过程虽然很缓慢，但是经过几百万年或几十亿年之后，它们甚至会把非常大的撞击伤痕完全消除掉。
在任何卫星或行星的表面上都会有外作用（譬如来自宇宙空间的撞击）和内作用（譬如地震），都会有急速的灾变（譬如火山爆发）和极度缓慢的作用（譬如微小的空间沙粒使表面凹陷下去）。什么样的作用占主导地位呢？外作用还是内作用？是罕见的而又激烈的事件，还是普通而又不显著的事件？这个问题是不能笼统回答的。在月球上，外灾变作用占主导地位；在地球上，内部的缓慢作用占主导地位。火星的情况则介于两者之间。
在火星和木星的轨道之间有无数的小行星——微小的类地行星，最大的小行星直径有几百公里。许多小行星呈椭圆形，它们在空中不停地翻滚。有时候在交互轨道上似乎有两个或两个以上的小行星。小行星经常互相碰撞，偶然间其中一个会被削出一片来，偶尔还会拦截地球，最后落到地面上成为陨石。我们博物馆架子上的展品就是遥远行星的碎片。小行星带是一个大磨坊，不断地磨出越来越小的碎片，直至尘埃微粒。比较大的小行星碎片和彗星是形成行星表面新环形山的主要因素。在小行星带里，由于附近的大行星——木星——的引力潮作用，行星的组成可能曾经受到阻碍，小行星带也可能是自我爆炸的行星的残片。这似乎是不可能的，因为地球上的科学家都不知道行星怎么会自我爆炸的，不过这也完全可能。
土星的光环是几十亿个绕着土星旋转的微小的冰冻小卫星，这跟小行星带有点相似。它们可能就是那些由于土星的引力作用而没有被附近的卫星吸积的碎片，它们也可能是因为靠得太近而被引力潮扯碎的卫星的残片。要不然，它们可能就是土星的某一个卫星（譬如土卫六）所抛射出来的物质和落到行星的大气层里的物质之间稳定的物态平衡。木星和天王星也有光环，是最近才发现的，在地球上几乎看不见。海王星是否也有一个光环？这是行星科学家亟待解决的问题。光环可能是整个宇宙中所有类木行星的一种典型的装饰品。
1950年，一个叫伊曼纽尔·维利考夫斯基的精神病医生在一本科普读物《在碰撞中的星球》里提到从土星到金星之间最近发生的大碰撞事件。他认为，由于某种原因，在木星系里形成了一个由行星物质组成的物体，他把这个物体称为彗星。大约3500年前，它跑到内太阳系里来，经常跟地球和火星相互碰撞，偶然之中将地球撞裂，形成了红海，使摩西领着以色列人得以逃脱埃及法老的统治，还将地球根据耶和华的命令而进行的旋转运动停止下来。他说，它还引起了大规模的火山爆发和水灾④。维利考夫斯基还想象，这个彗星在打了一场复杂的行星际弹子戏之后，就进入一个近圆形的稳定轨道，最后变成了金星（他认为在这之前金星是不存在的）。
上述这些观点几乎可以肯定都是错误的，我在别处已经对此进行了比较详细的讨论。天文学家并不反对发生过大碰撞的观点，只是反对在最近发生过大碰撞的观点。在任何太阳系的模型里，我们不可能根据轨道的比例来显示行星的大小，因为如果那样的话，行星就几乎看不见了。如果真的按比例用尘埃微粒来显示行星的话，我们很容易就会发现，在几千年里，某一个特定的彗星与地球相撞的机会是极小的。而且，金星主要是由岩石和金属构成的，氢的含量很少，而木星——维利考夫斯基认为它是金星的发源地——则基本上都是由氢组成的。木星上没有可以用来抛射彗星或行星的能源。如果一个彗星或行星从地球旁边经过的话，它不可能“阻止”地球的旋转，更不可能使它以一天24小时转一圈的速度重新旋转起来。所谓3 500年前火山爆发或水灾十分频繁的论点并没有地质学的证据。美索不达米亚有些图章上刻的文字中提到，发现金星的时间比维利考夫斯基所说的从彗星变成金星的时间还要早⑤。在这种椭率很大的轨道上的物体迅速进人现在金星所在的这种几乎是正圆的轨道是很不可能的。如此等等。
事实证明，科学家和非科学家提出的许多假设是错误的，但是科学能够自己纠正自己的错误。新理论要得到承认就必须有可靠的证据。维利考夫斯基事件最糟糕的问题不是他的假设是错误的，也不是他的假设跟充分证实了的东西相矛盾，而是有些自称科学家的人企图压制维利考夫斯基的观点。科学是自由探索的产物，科学为自由探索服务。任何假设，不管它们是多么稀奇古怪，都应该受到应有的重视。在宗教界和政界，压制不同的思想可能是司空见惯的事情，但这不是通往知识的边路，也不是探索科学的方法，我们不能预见谁会发现事物的新的基本原理。
金星的质量⑥、大小和密度跟地球基本上是相同的。由于它是靠地球最近的行星，所以几个世纪以来人们把它看成是地球的姐妹。我们的姐妹究竟是什么样子的呢？也许它是一个温和的夏日行星，因为靠太阳稍近一点，所以会比较暖和？它有撞击环形山吗？或者都已经被侵蚀掉了？有火山吗？有山脉。海洋和生命吗？
1609年，林利略首先通过望远镜来观察金星，他看到了一个非常平凡的圆面。伽利略注意到，金星跟月球一样，有不同的位相——从娥眉形到圆盘形，由于同样的原因，我们有时候主要是看到金星的夜晚的一面，有时候主要是看到它的白昼的一面。这一发现偶然地进一步证实了“地球绕太阳转而不是太阳绕地球转”的观点是正确的。随着倍数的增大和清晰度（即对细枝末节的分辨率）的提高，光学望远镜就被系统地用来观测金星。但是它们的效果并不比伽利略的望远镜好多少，金星的外围显然包着一层很浓厚的迷雾，当我们在早晨或夜晚观看这个行星的时候，我们看到的是金星外围的云雾所反射的太阳光。虽然我们发现这些云雾已经几个世纪了，我们对它们的成分还是一无所知。
因为看不到金星上的任何东西，一些科学家就得出了这样奇怪的结论：金星的表面是沼泽地，像石炭纪的地球。这个论点——如果我们可以大言不惭地这么说的话——是这样推导出来的：
“我看不到金星上的任何东西。”
“为什么看不到？”
“因为它的四周云雾弥漫。”
“云雾的成分是什么？”
“水，那还用说。”
“那么，为什么金星的云层比地球的云层厚呢？”
“因为那里的水比较多。”
“但是，如果云里的水分比较多的话，星球表面的水
分也必定比较多。什么样的表面很湿呢？”
“沼泽。
如果金星上有沼泽的话，为什么不能有蜻蜓甚至恐龙呢？观察：见不到金星上有什么东西。结论：它一定是一个生机勃勃的地方。金星的毫无特色的云雾反映了我们自己的偏爱。我们自己是生物，所以我们想象别的地方也有生物。但是只有对证据进行耐心的积累和认真的估价之后我们才能断定某一个特定的星球是否有生物。看样子，金星并不赏识我们对它的偏爱。
我们是通过棱镜首先获得认识金星性质的真正线索，这种棱镜是用玻璃制成的，或者是用一种叫做衍射光栅的扁平面制成的（上面布满了细密而规则的直纹）。当一束强烈的普通白光穿过一个狭缝之后，再穿过一个棱镜或光栅的时候，这束白光散成五颜六色的彩带，我们把它叫做光谱。这种光谱从高频可见光到低频可见光依次排列，即紫、蓝、绿、黄、橙、红。因为我们可以看见这些颜色，所以这个光谱叫做可见光谱。但是光并不仅仅是可见光谱上的那么一小部分。在这种光谱高频区域紫光以外的那部分光线叫紫外线。这是一种地地道道的光，能够杀死微生物。我们看不见这种光，但是用大黄蜂或光电管立即就能够测出来。还有许许多多的光是我们看不到的，在这个光谱的紫外线以外是X射线部分，X射线以外是伽马射线。在这种光谱低频区域红光的另一边是红外线。我们把测量微电流用的温差电偶安培计放置在黑暗的红外区时发现了这种光。经这种光照射，温度上升了，有光照射在安培计上，但我们的肉眼看不到这种光。通过响尾蛇和掺杂半导体能很明显地测出红外辐射光。红外线以外是广阔的无线电波光谱区。从伽马射线到无线电波，所有的光都是不可低估的，它们在天文学上都是有用的。但是，由于我们肉眼观察的局限性，我们对称为可见光谱的这一小段五颜六色的彩带持有一种偏见和偏心。
1844年，哲学家奥古斯特·孔德曾寻找一种永不可知的知识的例子。他挑选了遥远的恒星和行星的成分作为例子。因为他认为，我们永远不可能实地访问它们。在手头没有标本的情况下，我们似乎永远不可能了解它们的成分。但是孔德死后才3年，人们就发现一种可以用来测定遥远物体的化学成分的光谱。不同的分子和化学元素吸收不同频率（即不同颜色）的光——有时候是可见光谱上的光，有时候则是在光谱之外的部分。在行星大气的光谱上，一条黑线表示一个没有光线的狭缝，表示太阳光在穿过另一个星球的大气层时被吸收了。每一条这样的黑线都是由某种特定的分子或原子形成的，每一种物质都有其典型的光谱特征。我们从地球上可以验明6000万公里以外的金星上的气体，我们可以推测太阳的成分（氦——根据希腊太阳神赫利俄斯的名字而命名的——最先是在太阳里发现的），推测富铕的A磁星的成分（通过对1000亿个小星的集合光的分析），推测遥远星系的成分。天文光谱学简直是一种魔术般的技术，它现在仍然使我惊愕不已。奥古斯特·孔德真是挑选了一个非常不恰当的例子。
电磁光谱图解：从波长最短的γ射线到波长最长的无线电波。光的波长单位有：埃（A）、微米（μm）、厘米（cm）和米（m）。
假如金星是湿淋淋的，那么，我们一定会很容易地在它的光谱上看到水蒸气的谱线。但是，大约在1920年，威尔逊山天文台在首次进行的光谱学探索中并没有发现金星的云层上方有任何水蒸气的迹象，这说明金星的表面像沙漠一样干涸，在它上面漂浮着一层层的硅酸盐粉末。后来的研究发现，金星的大气层里含有大量的二氧化碳。有些科学家认为，这种现象说明，这个行星上的所有水分已经跟碳氢化合物结合，所以才形成了二氧化碳。因此，金星的表面是一个全球性的大油田，是一个全球性的石油的海洋。另一些科学家认为，在云层上方之所以没有水蒸气，是因为云层的气温很低，所有的水分都凝结成了液滴，而这些液滴的谱线跟水蒸气的谱线是不同的。因此，他们得出结论：这个星球的表面覆盖着水，也许偶然间会有一个像英国多佛峭壁那样镶满石灰石的岛屿。但是，因为在大气层里有大量的二氧化碳，海里不可能是普通的水，物理化学中要求碳化水。他们认为，金星上有一个大海洋，海里含有大量游离碳酸的塞耳特斯矿水。
关于金星的真实情况的最初迹象，我们不是通过对光谱可见光部分或近红外部分的研究获得的，而是通过对无线电光谱区的研究获得的。射电望远镜的工作原理与其说像照像机，不如说像光度计。当你把它指向天空中某个广阔的区域时，它会记录下多少能量以某种特殊的无线电频率传送到地球上。我们对各种智能生命——例如那些主持无线电台和电视台的人员——所传送的无线电信号比较习惯。但是由于种种原因，许多自然界的物体也会发射出无线电波，原因之一是它们有热量。1956年，当人们将一台早期的射电望远镜转向金星的时候，人们发现它似乎是一个温度极高的星球，它不断地发射出无线电波。但是真正证实金星的表面处于惊人的高温状态，是在苏联的“金星”系列宇宙飞船首次穿越朦胧的云层，并在这个最近行星的神秘而又难于捉摸的表面着陆的时候。我们现在知道，金星是一个炙热的星球，在那里没有沼泽，没有油田，也没有含大量游离碳酸的塞耳特斯矿水的海洋。在资料不足的情况下，我们很容易出差错。
当我跟一个朋友打招呼的时候，我是通过可见光（例如太阳光或白炽灯光）的反射看到她的，光线从我的朋友的身上反射到我的眼睛里。但是古人（包括欧几里得这样的人物）相信，我们之所以看见东西，是因为我们的眼睛发射出某种光线，这种光线使我们直接感触到我们要看的东西。这是一种很自然的想法，而且现在还会有人这样想，尽管我们不能用这种观点来解释暗室里看不见物体的原因。今天，我们将激光和光电管结合起来，或将雷达发射机和射电望远镜结合起来，这样，我们就可以让光跟遥远的物体直接接触。根据射电天文学原理，无线电波从地球上的望远镜发射出去，撞击在碰巧面向地球的金星半球，然后再反射回来。许多不同波长的无线电波能够穿透金星上的云层和大气层。金星表面的某些地方会吸收这些电波，或者，如果它的表面很不平坦的话，它们会把这些电波散射开来，结果呈现出一片黑暗。通过观测金星自转时表面特征的变化，我们现在已经能够准确地测定金星一天的长度——金星在它的轴上自转一周所需的时间。事实证明，金星自转一周需要243地球日，但它是逆转的，与内太阳系所有其他行星的旋转方向相反。结果，太阳从西边升起，从东边落下，从日出到日落需要118地球日。而且，当它最接近我们这个行星时，朝向地球的一面几乎是不变的。虽然地球的吸力终于使金星以这种地球锁定的速度自转，但这毕竟是一个漫长的过程。金星不可能才存在几千年，可以肯定地说，它跟内太阳系所有其他天体的年龄相当。
我们已经获得了关于金星的雷达照片，其中有些是通过地面的射电望远镜拍摄的，有些是通过环绕金星的飞船“金星先驱者”号拍摄的。这些照片向我们提供了关于撞击环形山的令人感兴趣的证据。金星跟月球上的高地一样，有同样数目的不大不小的环形山，数目之多再次向我们说明，金星已经有很长的历史了。但是金星上的环形山特别浅，似乎金星的表面高温使那里的岩石长期处于流动状态，它们像太妃糖或油灰一样，突起部分逐渐软化掉。这里有比西藏高原高一倍的大山，有一个极大的长峡谷，可能还有巨大的火山和一座像珠穆朗玛峰那样的高山。我们现在清楚地看到了一个过去被云雾笼罩着的星球，首次通过射电和宇宙飞船探索了它的特征。
根据射电天文学原理的推断和宇宙飞船直接测量的结果，我们知道金星的表面温度大约是480摄氏度（即900华氏度），比温度最高的家用烘箱的温度还要高。其相应的表面压力是90个大气压，等于我们在地球上所感受到的大气压的90倍。如果想在金星上长久停留的话，宇宙飞船不但要造得像深水潜水艇那么牢固，还要冷冻起来。
大约有10来艘苏制和美制的宇宙飞船已经进入浓厚的金星大气层，并且已经穿越过它的云层。其中有几艘实际上已经在它的表面上逗留过1小时左右⑦。苏联“金星”系列宇宙飞船已经有2艘在那里拍摄过照片。让我们继承这些先驱使命，访问另一个世界吧！
在普普通通的可见光里，金星上的淡黄色的云层是可以辨认得出来的，但是正如伽利略首先指出的那样，这些云层实际上并没有显示出任何特征。然而，如果摄影机是在紫外光里拍摄的话，我们就会看到在大气层高处有一个优美而又复杂的旋涡状天气系统，那里的风速每秒100米左右（每小时220英里左右）。金星的大气层里含有96％的二氧化碳，还有微量的氮、水蒸气、氩、一氧化碳和其他气体，但是那里的碳氢化合物或碳水化合物的含量还不到百万分之零点一。已经查明，金星的云层的主要成分是硫酸的浓缩溶液，此外还有少量的盐酸和氢氟酸。事实证明，金星是一个令人作呕的地方，即使在凉快的高层也是如此。
在可见的最高云层上方，大约在70公里的高度上，是一片朦胧的微粒。在60公里的高度上，当我们钻人云层的时候，我们发现我们的四周都是浓硫酸液滴。越是往深处走，云粒就越粗。在大气的底层有微量的刺鼻的二氧化硫（SO2）气体。这种气体环流到云层的上方，被太阳的紫外光分解之后跟那里的水重新组合，形成硫酸，硫酸又凝结成液滴沉降下来在底层又受热分解成地和水，从而完成了一个循环。在整个金星的上空不停地下着硫酸雨，但是从来没有一滴硫酸降落在金星的表面上。
硫黄色的薄雾一直延伸到离金星的表面约45公里的地方，从那里开始，我们就进人了一个浓密但又是清澈的大气层。然而，因为大气层的气压很高，所以我们看不到金星的表面。太阳光被大气的分子反射到四面八方，使我们无法看见金星表面的任何东西。这里没有尘埃。没有云层，只有越来越浓密的大气。上方的云层将大量的阳光（大约相当于我们在地球上阴天时所看到的那样多的阳光）传送到这里。
金星上高温、高压，还有毒气，那里的一切都散发着可怕的红光。金星一点也不像爱情女神，倒更像地狱的化身。
根据我们详细观察，金星表面至少有一些地方是乱七八糟的旷野，到处布满了无规则的软化了的岩石，呈现一幅狰狞。荒凉的面貌，偶尔可以看到来自一个遥远行星的宇宙飞船的残骸，整个行星完全遮蔽于浓密的毒雾中。⑧
金星的灾难是全球性的。现在已经相当清楚，金星表面的高温是由一个巨大的温室造成的。金星上的大气和云层对可见光具有半穿透性，太阳是通过它们之后到达金星表面的，表面受热之后，又极力将热量反射到空中。但是、因为金星的温度比太阳的温度低得多，所以金星辐射出来的主要是红外线，而不是光谱上的可见光。然而，因为金星大气里的二氧化碳和水蒸气⑨对红外线几乎是不透明的，所以太阳的热量差不多都被捕获下来，表面的温度也就升高了，直到从浓密的大气层里渗透出来的少量的红外线，跟大气底层和金星表面所吸收的太阳光刚好平衡为止。
事实证明，我们邻近的这个星球是一个令人不快的凄凉的所在。但是我们还是要回到金星上去，它有它迷人的地方。在古希腊和斯堪的纳维亚神话里的许多半神式的英雄毕竟都为朝拜地狱而进行过卓越的努力。关于我们的行星（跟地狱比较起来已经是天堂了），我们还有许多东西需要探索。
埃及的狮身人面巨像是5 000多年前建造的，它的脸部过去很清晰。几千年来，埃及沙漠的风沙以及偶然间的雨水已经把它软化，它现在已经变得模糊不清了。纽约市有一个古埃及的方尖碑，这个方尖碑搬到该市的中央公园才不过100年左右，它的铭文几乎已经全部消失了，这是烟雾和工业污染——像金星大气层里的那种化学腐蚀——所引起的。地球上的侵蚀慢慢地将信息清洗掉，但因为这是一种逐渐的过程（雨点的拍打，沙粒的冲击），所以这些过程都可以忽略不计。大的结构物（譬如山脉）可以存在几千万年，比较小的环形山也许可以存在10万年⑩，大型的人工制品只能存在几千年。除了上述这种缓慢而又均匀的侵蚀之外，还有大大小小的灾变所引起的破坏。埃及的狮身人面巨像缺了一个鼻子，有人手闲得发痒，开枪把它打掉了。有的人说这是默梅卢克斯的土耳其人干的，有的人说这是拿破仑的士兵干的。
在太阳系的金星、地球或其他的地方都有毁灭性灾变的证据，它们软化或破坏的过程比较缓慢，比较均匀。例如，在地球上，雨水的流淌可以形成小川，溪河的流水可以形成巨大的冲积盆地；在火星上，我们看到的古河流的残迹很可能是从地下冒出来的；在木卫一上，那些看上去很宽阔的河床是液态硫的冲刷而形成的。地球上有强大的气候系，在金星和木星的高层大气里也有。在地球和火星上有沙暴，在木星、金星和地球上有闪电。地球和木卫一上的火山会将爆发的碎片抛射到大气层里。金星、火星、木卫三、木卫二和地球的内部地质变化，慢慢地改变了它们的外部形态。冰川的活动素以缓慢著称，它们是地球（很可能包括火星）的地形变化的主要原因。上述这些变化过程不一定是连续不断的。欧洲大部分地区过去曾经盖满了冰。几百万年以前，现在的芝加哥是埋在3公里深的厚霜里。在火星和太阳系的其他地方，我们看到了今天不能再生的一些特征，看到了几亿年或几千亿年前当行星的气候可能很不相同的时候所形成的地形。
还有另一个因素会改变地球的地形和气候：智能生命——他们能够使环境发生重大的变化。像金星一样，地球上的二氧化碳和水蒸气也起到温室的作用。这个温室使地球上有海洋和生命。假如没有这种温室作用，地球的温度就会降到水的冰点以下。有一个小温室是一件好事。跟金星一样，地球也有大约90个二氧化碳的气压，但这个气压存在于像石灰石和其他碳酸盐所组成的地壳里，而不是存在于大气中。假如把地球向太阳移近一点，地球的温度就会有所上升，地球表层岩石里的二氧化碳就会跑出一部分来，使温室的效果更明显，反过来又进一步提高地球的表面温度。地表的温度越高，碳酸盐就会释放出更多的二氧化碳，温室的作用就有可能变得非常显著，结果使地球达到很高的温度。这就是我们想象金星在早期历史里所发生的现象，因为金星离太阳很近。金星的表面环境对我们是一种警告：像我们这样的星球很有可能发生灾难。得在这方面花钱。由于我们的无知，我们现在还在推推搡搡，还在污染大气，还在使大地变得光秃透亮。我们忘记了一个事实，即我们基本上并不懂得我们的行为的长期后果。
几百万年以前，当人类在地球上刚刚产生的时候，地球已经是一个中年的星球了，从充满灾变和激变的青少年时期到中年时期已经经历了46亿年。但是我们人类现在代表一个新的。也许是决定性的因素。我们的智慧和技术已经使我们有能力影响地球的气候。我们将如何使用这种能力？在那些影响整个人类大家庭问题上，我们是否愿意容忍无知和自满？我们是否把短期利益看得高于地球的福利事业？或者我们要从长远的观点看问题，关心我们的子孙，了解并保护我们行星的复杂的生命维持系统？地球是一个微小而脆弱的星球，它需要得到我们的爱护。
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①地球绕太阳的圆周半径 r=1天文单位= 1．5亿公里，因此它的近似圆周轨道的周长 2πr=109公里。我们的行星每年沿着这个轨道运转一周，因为1年=3X107秒，所以地球的轨道速度是109公里／3X107秒≈30公里／秒。现在考虑一下轨道彗星球壳的情形（许多天文学家相信轨道彗星距离太阳系大约10万天文单位——差不多在离我们最近的恒星的半途中——运转）。根据开普勒第三定律，我们立即可以推算出任何彗星绕太阳运转的轨道周期大约是（105）3=107.5≈3X107，即3000万年。如果你是居住在太阳系的外侧，那么绕太阳一周就需要很长的时间。彗星轨道2πa=2πX105X1.5X108公里≈1014公里，因此它的速度只有1014公里／1015秒=0.1公里／秒。每小时220英里。
②为了探测哈雷彗星，地球上已经于1985年发射了这样的探测器。——校者注
③火星上的侵蚀现象比月球明显得多，虽然那里有许多环形山，却没有我们所预期的那种辐射环形山。
④据我所知，最先从本质上用非神秘主义的观点来解释彗星干预历史事件的人是哈雷。他认为，诺亚洪水是地球受到一个彗星偶然冲击的结果。
⑤公元前2500年左右的艾达圆筒图章刻有醒目的艾娜娜、维纳斯女神、启明星和巴比伦伊什塔的先驱者。
⑥它的质量恰巧比质量最大的已知彗星还要大3000万倍。
⑦1978－1979年，美国的“金星先锋”号成功地完成了一次使命，发射了一个轨道飞行器，并进行了4次进人大气层的探索（其中2次在环境险恶的金星表面做了短暂的停留）。在组装用于探索行星的宇宙飞船的过程中，出现了许多意外的现象。以下是其中的一个例子：在“金星先锋”号进人云层的一次探索中，船上安装了一台网状辐射通量测量计，用来同时测量金星大气层各个方位上红外线的上下流量。这台仪器需要一个既坚实又能够让红外线穿透的窗口，因此进口了一个13．5克拉的金钢石，安装在适当的窗口上。然而，承包商按规定付了1．2万美元的进口税。最后，美国海关决定将这笔关税退还给厂家，因为他们认为，在这个金钢石被发射到金星上之后，它在地球上已经失去了贸易价值。
⑧在这样令人窒息的旷野里不可能有任何生命，哪怕是跟我们绝然不同的生命。有机分子和其他可以想象得到的生命分子在这里只能粉身碎骨。但是，我们不妨想象一下，在这样的一个星球上曾经有过智能生物。那么。他们也发明科学吗？对恒星和行垦的规律性的探索是地球上科学发展的主要因素。但金星却完全被云雾笼罩着，黑夜又长得可怕——相当于地球上的59天。但是，当你举目遥望金星的夜空时，天文宇宙又是茫茫的一片。即使在白天也看不到太阳，它的光线弥漫在整个空中，就像配戴着水下呼吸器的潜水员在海里只看到均匀的散光那样。假如在金星上建造一台射电望远镜，它就可以用来探测太阳、地球和其他遥远的物体。假如天体物理学发展了，人们最终就可以通过物理学的原理来推断恒星的存在，但是它们只能是理论上的构成物。我有时候这样想，如果有一天，金星上的智能生命学会了飞行，翱翔在浓密的大气里，飞越他们头顶上40公里高空中的神秘的云雾，展望并首次目睹由太阳、行星和恒星组成的壮丽的宇宙，到那时候，不知道他们会有何感想。
⑨目前，关于金星上水蒸气的分布量问题，我们仍然有一些疑问。“金星先驱者”进人大气层后的气相层析表明，金星大气底层水分的相对分布量为0.01％。另一方面，苏联“金星”宇宙飞船11号和12号红外测量所得到的相对分布量为百分之零点零一左右。如果前一个数据是正确的，单单二氧化碳和水蒸气就足以将金星表面辐射回来的几乎所有的热量都封闭住，使金星的地面温度保持在480摄氏度。如果后一个数据是正确的（我个人认为这几个估计比较可靠），单单二氧化碳和水蒸气就足以将金星的表面温度保持在380摄氏度左右，因为需要某种其他的大气成分来关闭大气温室里剩余的红外线频率窗。然而似乎少量的二氧化碳、一氧化碳和氯化氢（这些成分在金星的大气层里都已经被检测到）就能够达到这一目的。所以，美国和苏联最近探测金星的使命似乎已经证实，温室效应确实是金星表面温度高的原因。
⑩精确地说，直径10公里的撞击环形山在地球上每50万年形成一个。在地质稳定的地区，例如欧洲和北美，这种环形山可以经得起3亿年的侵蚀。较小的环形山比较容易形成，也比较容易破坏，特别是在地质变化比较大的地区。
第五章 神秘的红色行星
第五章 神秘的红色行星
在众神的果园里，他所注视的是四通八达的水渠
依奴马·埃利希，苏默人，约公元前2500年。
同意哥白尼观点的人认为，我们这个地球是一颗行星，她和其他行星一样，随着太阳在九天邀游，承受着太阳的光辉。他们也和旁人一样，有时不禁会产生这样的遐想……在其他的行星上，同我们这个地方一样也有华美的服装和家具，不仅如此，它们的居民也和我们地球上一样……。但是，我们总是倾向于认为，去探索其他行星上发生的事倩是徒劳无益的，因为一旦真正探索起来，可能就永无尽头了……。对于这件事，我刚刚还认真地思索了一番。[这并不是说，我认为自己比那些（业已逝去的）伟大人物目光更敏锐，而是说，在他们大都故去之后，我仍有幸继续活在世上]。我想，这样的探索并不是那么不切实际的，前进的道路也井不是那么困难重重的，而是存在进行各种猜想的充裕余地的。
克里斯蒂安·惠更斯， 约1690年著
《星际世界及其居民和生产的新猜想》。
人类大开眼界的时代将会来到……，他们将会看到与我们的地球相似的其他行星。
克里斯托弗·雷恩，1657年在格雷厄姆学院的就职演说。
有这样一个故事，说的是很久以前，一位知名的报刊发行人向一位著名的天文学家发了一封电报：“请即用500字电复，火星上是否存在生命。”这位天文学家按照要求答曰：“无人知道，无人知道，无人知道……”一直重复了250遍。①尽管这样的否定回答是由一位专家再三坚持作出的，却没有什么人加以理会。相反，从那时以来，我们不断听到两种权威性的意见。一种声称他们已经能推断出火星上有生命，另一种则断言，他们已排除了火星上有生命的可能性。有的人一心希望火星上有生命，另一些人则巴不得火星上没有生命。两大营垒都太过分了，这种强烈的感情色彩已经有点超越了在科学探索中所能容许的观点分歧。看来，许多人只是想得到一个明确的答案而已，他们不想让两种互不相容的可能性同时存在于他们的头脑中。有些科学家认为，火星上有居民，但其根据后来被证明是不足为信的；有的科学家则断言火星上不可能有生命，因为对特定的生命现象的初步研究要么未获成功，要么其结果是含混不清的。神秘的色彩不止一次地笼罩着这颗红色的行星。
为什么非说是火星人呢？又为何有如此众多的关于火星人的热烈推测和猜想，却没有人想到土星人或者冥王星人呢？这是因为，乍看起来，火星很像地球，它是我们能看见其表面的最近行星。火星上既有极冠、飘荡的白云，又有怒吼的风暴，在它红色的表面上还有随季节而变化的图像，甚至一天也是24小时。因此，认为它是一个有居民的世界是很自然的。火星已成为一座神秘的舞台，寄托着我们地球上人类的希望和担忧。但是，我们心理上赞成或反对火星上存在生命的倾向，绝不应该把我们引入歧途。因为事实胜于雄辩，而事实尚未出现。真正的火星是一个神奇的世界，它的真面目比我们已经了解的要复杂得多。在我们这个时代，已经采集过火星上的砂粒，已经确立了我们在火星上的存在，从而实现了 一个世纪以来的梦想。
直到19世纪后期还没有人相信，我们这个世界正被像人一样的、而又远比我们聪慧的智能生命以浓厚的兴趣仔细地观察着，也没有人会相信，当人们各自碌碌奔忙时，他们正在被仔细地研究着，其仔细程度也许就像用一架显微镜观察在一滴水中聚集繁殖。朝生暮死的细菌。人们为了区区小事，趾高气扬地在地球上来回奔忙，为能确保对物质的占有而心满意足。显微镜下朝生暮死的细菌的所作所为，与此大概没有什么不同。人们要么从未想到过宇宙中还有更古老的世界，它们是威胁人类的根源；要么在想到这些世界时，只是简单地认为那里根本不可能存在生命。往昔的某些心理习惯是可笑的。在多数情况下，地球上的人最多只是设想，火星上可能存在另一种人，而且也许不如自己优越，因而正准备迎接他们去教诲呢。然而，浩瀚的宇宙大洋彼岸的居民，他们的智力与我们相比，正如我们与野兽相比一样，那些居民智力发达、感情冷漠，正以妒忌的眼光窥视着地球，并在缓慢而又扎实地制定着进攻我们的计划。
H·G·威尔斯1897年所写的科幻名著《星球大战》中的上述开场白，至今仍常常使人们不寒而栗。②在人类的整个历史上，人们对地球以外还存在生命这件事是又怕又盼。100多年来，这种感情集中在夜空中一颗明亮的红色星星上。在《星球大战》出版之前3年，一位名叫洛韦尔的波士顿人建立了一座重要的天文台，支持火星上有生命的最精细的观点就是在那里提出来的。洛韦尔年轻时就爱好天文学，他曾就读于哈佛大学，后来得到半官方的外交任命，到了朝鲜，否则他也会像芸芸众生一样注重于追求财富。他死于1916年，他对于我们认识自然界及行星的演化，对于探测宇宙，尤其是用非常精确的方法发现冥王星等方面都做出了重大的贡献。冥王星就是用他的名字命名的。
但是洛韦尔毕生最热衷的却是火星。1877年意大利天文学家斯基帕雷利宣布发现了火星上的水道，使洛韦尔激动万分。斯基帕雷利报告说，当火星运行到距地球最近时，他观察到了一个复杂的网络，该网络由单直线和双直线组成，遍布火星的整个亮区。意大利文的Canali（原意为水道、沟渠）在匆忙中被译成了英文的canal，即“运河”这样一个隐喻着人工设计的字眼。一时在欧洲和美洲掀起了一场火星热，格韦尔也深深地卷人这股热潮中。
1892年，斯基帕雷利的视力严重衰退，宣布他将放弃对火星的观测。洛韦尔决心继续这项工作。他需要一个理想的观测点，在那儿不受云雾或闹市灯光的干扰，而且具有优良的“天文宁静度”。“宁静度”一词在天文学术语中用来表示透过稳定的大气层去观察天空时，望远镜中天体的图像抖动最小的情况。天文宁静度差是由于望远镜上方的大气产生小尺度的扰动所致，这也是星星会眨眼的原因。洛韦尔把他的天文台设在远离城市的火星山上，该山位于亚利桑那州的弗拉格斯塔夫③。他绘出了火星表面的图像，尤其是画出了使他着迷的运河图形。进行这种观测决非一件易事。试想一下，在寒风凛冽的凌晨长时间盯着望远镜观测的情景吧！天文宁静度常常很低，因而火星图像往往模糊不清，而且变形失真。这样，观测者就必须否定所看到的景象。有时图像会突然固定住，火星的图像奇迹般地瞬间闪现，观测者又必须记住所看到的情景，并准确地记录下来。观测者还必须抛弃成见，客观地对待火星上的奇观。
在洛韦尔的笔记本中，到处都记载着他认为是自己观测到的结果。诸如亮区和暗区，极冠的痕迹，一颗由运河编结成的星体。洛韦尔认为，他看到了一个布满全火星的巨大灌溉网，正是这些大渠道把极冠融化的水输送到赤道缺水的居民手中。他深信，这个星球上的居民历史更悠久、更聪明，也许与我们迥然不同。他还认为，暗区的季节性变化是由于植物的生长和兴衰造成的。他相信火星与地球极其相似。总而言之，他相信的东西太多了。
在洛韦尔的笔下，火星是一个历史久远、干涸凋零的荒漠，而且是一个与地球相似的荒漠。洛韦尔所描绘的火星景象，颇像美国的西南部，即洛韦尔天文台所处的那片地区。他推论说，火星上的温度太低了一点，但其舒适程度仍然不亚于“英格兰南部地区”。空气虽然很稀薄，但氧气含量仍然足够呼吸之用。那儿的水很珍贵，但错综复杂的运河网却能把生命不可缺少的这种液体输送到整个星球。
回顾起来，当代对洛韦尔观点提出的最重大的挑战竟来自一个出乎人们意料之外的人物。l907年，自然选择进化论的共同发现者A.R.华莱士应邀去评述洛韦尔的一本著作。华莱士年轻时是一位工程师，本来对这类超感觉的洞察力多少有点轻信，却令人意外地对火星的可居住性表示怀疑。华莱士指出，洛韦尔对火星平均温度的计算有误，火星不但不像英格兰南部那么温暖，恰恰相反，几乎所有的地方都在冰点之下。因此火星应该有永冻层，即永远处于冰冻状态的次表层。空气也比洛韦尔计算的要稀薄得多。那里的陨石坑数量应该与月球上一样多。至于说到运河中的水，他指出：
在任何解决缺水问题的计划中，如果想借助运河，令其穿过赤道进入另一半球，穿过那可怕的荒漠地区，而且又曝晒在洛韦尔先生所描述的那种炎炎晴空之下，那么这种计划就将是一群疯子的行为，而绝非智慧生命所为。完全可以断言，甚至流不出100英里，所有的水就会蒸发殆尽，或者渗入地下。
上述带挖苦味的但却大致正确的物理分析是华莱士在84岁高龄时写下的，他的结论是，从土木工程师的水利观点来看，火星上不可能存在生命。不过，他没有提及微生物问题。
尽管华莱士提出了批评意见，尽管其他天文学家用了与洛韦尔同样先进的望远镜，他们的观测点位置亦毫不逊色，却未能发现任何运河的痕迹。但是洛韦尔关于火星的观点还是得到广泛的接受。他的学说的神奇力量就像创世说一样古老有力。产生这种吸引力的部分原因是因为19世纪正是技术上取得辉煌成就的时代，其中包括修建了许多巨大的运河。如1869年竣工的苏伊士运河，1893年建成的科林斯运河，1914年完工的巴拿马运河，近一点的则有美洲五大湖水闸，纽约州北部的航运运河，以及美国西南部的灌溉运河。既然欧洲人和美国人能建立这样的丰功伟业，那么为什么火星人就不行呢？难道一个更古老、更聪明的种族就不能做出更卓有成效的努力，去勇敢地战胜那红色星球上的干旱吗？
如今，我们发射的探测卫星已经进入环绕火星的轨道，已经绘制了整个火星的地图。两个自动实验站也已在火星表面着陆。火星的神秘感（如果有任何神秘的话）自洛韦尔以来一直在加深。我们现在拥有的火星照片比洛韦尔的观察结果要详尽得多，但是我们却没有发现被大肆吹嘘的运河网的任何支流，任何水闸。洛韦尔，斯基帕雷利，还有其他一些人在艰难的观测条件下作出的观测结果之所以失误，部分原因也许是由于他们事先就带着火星上存在生命的框框。
洛韦尔的观测记录本反映了他在望远镜前多年进行的不懈努力。这些笔记表明，洛韦尔对其他天文学家怀疑运河真实性的情况，心里是很清楚的。这些笔记还表明，洛韦尔相信自己作出了重大的发现，但其意义却得不到别人的理解，因而十分痛苦。例如，他在1905年1月21日写的笔记中有一处这样写道：“两条运河突然显现出来，相信没有弄错。”在拜读洛韦尔的笔记时，我有一种清楚的但却颇为不安的感觉，那就是他确实看到了某些东西。但那究竟是什么呢？
当我和康奈尔大学的保罗·福克斯对比洛韦尔的火星图和“水手9”号轨道站拍摄的图像时——我们图像的分辨率有时比洛韦尔在地面上用24英寸折射望镜观测到的要高l00倍——发现，二者之间几乎毫无共同之处。这倒不是说洛韦尔的眼睛把火星上不相干的细小部分连成了虚构的直线。在他所说的运河的大部分位置上，既没有深色的颜色，也没有陨石坑群，那些地方根本就没有任何特别之处。既然如此，他怎么会年复一年地画出同样的运河图形呢？其他一些天文学家——其中一些人声称，在他们亲自进行观测之前没有仔细地观看过洛韦尔的图片——怎么也会画出相同的运河呢？向火星发射“水手9”号的一个最重大的发现，就是在火星表面上观测到存在随时间变化的条纹和斑点。许多这样的条纹与陨石坑的外围相连，而且随季节而改变。这类条纹是被风扬起的尘土造成的，因此其图样随不同季节的风而变化。但是，这些条纹没有运河的特征，其位置也与运河的位置不符，况且没有任何一条条纹大到可以在地球上看得见的程度。如果说在本世纪的前几十年中，火星表面上确实存在哪怕一点点像洛韦尔所说的运河特征，那么当飞船进行近距离考察变为现实时，那些运河不可能跑得无影无踪。
火星上的运河看来是在艰难的观测条件下，人的手、眼和脑在结合上存在着某种毛病所造成的（或者说，至少对某些人是如此。因为许多与洛韦尔同时代以及后来的天文学家，使用同样质量的观测仪器，但却宣称根本没有观测到运河）。不过这几乎不能算是一个令人信服的解释。因此，我有一种不安的怀疑：火星运河这个问题的某些重要的细节还没有发现。洛韦尔一直认为，运河的规则性无可辩驳地表明它们是出自智慧生物之手。这肯定是不会错的，惟一没有解决的问题是，有智能的人究竟位于望远镜的哪一侧？
洛韦尔的火星人是慈祥的、乐于助人的，甚至有点像神仙，与H·G·威尔斯和O·威尔斯在《星球大战》中描绘的可怕形象大不相同。但是通过星期天副刊和科幻小说，这两种观点都进入了公众的脑海之中。我还记得自己在年少时曾如醉似痴地阅读巴勒斯描写火星的小说。我与高贵的探险家约翰·卡特一起从弗吉尼亚旅行到“巴苏”，因为那里的居民认识火星人。我跟随8条腿的驮兽群，我还赢得了海利恩王国可爱的迪娅·索丽丝公主的垂青，我还能与名叫塔斯·塔卡斯的4米高的绿色武士友好相处。我还在“巴苏”的尖屋顶城市和圆屋顶的抽水站以及绿树成荫的尼罗西提斯河岸和望忧草运河畔漫步。
果真能在事实上，而不是在想象中和约翰·卡特到火星上的海利思王国去探险吗！我们能够在“巴苏”的两轮急速飞行的明月照耀下，于某个夏夜开始有重大科学意义的探险旅行吗！即使洛韦尔关于火星的结论，包括火星上存在运河的观点，将来被证明是错误的，他关于火星的描述至少有这样的用处：它激发了好几代8岁的孩童，我自己就是其中之一，把探测行星看成是真正可能的，并设想是否将来某一天能亲自到火星上去旅行。约翰·卡特就到达过那里，在一片开阔地上，张开他的双手，发出了祝愿。我还记得，在我的童年时代，曾经长久长久地仁立在旷野上，伸开双手恳求我所相信的火星人把我带走。当然，我的恳求从未奏效。看来得寻找其他的途径。
如同生物一样，机器也有其进化过程。火箭和最早用来推动火箭的炸药都是中国人发明的。在中国，火箭曾被用于庆典等喜庆的场合。大约在14世纪，火箭传人欧洲，并被用于战争之中。19世纪后期，俄国的中学教师康士坦丁·齐奥尔科夫斯基提出利用火箭作为行星间交通工具的可能性；美国科学家戈达德则将它发展作为高空飞行之用。第二次世界大战中，德国的V—2军用火箭利用了戈达德的几乎全部研究成果，而以1948年发射的V—2/WAC“伍长”号相结合的二级火箭为顶点，这枚火箭达到了当时无与伦比的飞行高度——400公里高。进入50年代后，以苏联的科罗廖夫和美国的布劳恩为首领导了技术上的发展。他们的经费来自大规模毁灭性武器运输系统的研究，但却被用来发射最早的人造卫星。技术进步的势头继续有增无减：载人环球飞行、人工轨道站、登月以及在整个太阳系飞行的无人宇宙飞船，都相继获得成功。其他许多国家现在也已发射了宇宙飞行器，包括英国、法国、加拿大、日本和最早发明火箭的中国。
齐奥尔科夫斯基和戈达德都是富于想象力的（戈达德年轻时曾读过威尔斯的著作，并且深为洛韦尔的课程所激动）。因此空间火箭应用的早期设想中包括建立一个空间科学站，用于从高空监测地球，并用作研究火星生命的探测器。所有这些梦想如今都已实现了。
设想一下，你是某一个其他相当遥远的行星的来宾，不带任何成见地飞向地球。距地球越来越近，观察越来越细，你对这个星球的看法也会逐渐改变。这个星球上有居民吗？你根据什么作出判断呢？如果存在智慧生物，他们可能已经建造出在几公里的范围内具有高衬比的工程结构。当我们的光学系统和离地球的距离能提供1公里的分辨率时，这些结构就能被检测出来。但即使达到这样的分辨率，看起来地球仍像是地道的不毛之地。在我们称为华盛顿、纽约、波士顿、莫斯科、伦敦。巴黎、柏林、东京和北京的地方，完全看不出有生命或者叫做智慧生物的迹象。如果说地球上存在着有智慧的生物，那么，他们基本上没有把地球的外观改造成有规则的、具有1公里分辨率的几何形状。
但是，当我们把分辨率提高10倍，当我们开始能看到小至直径100米的范围时，情况就大大改观了。地球上的许多地方就会突然变得具体、清晰了，就会显现出方形、矩形、直线和圆形的清晰图像。这些图形实际上就是有智慧的生物的工程艺术品：道路、公路、运河、农场、城市街道。这样的图形揭示了人类对欧氏几何和领土主义两种孪生的情感。在这样的分辨率下，就能在波士顿、华盛顿和纽约看到智慧生物的活动。而分辨达到10米时，被加工过的地球表面景象使真正赫然可辨了，人们正在忙忙碌碌之中。不过，上述景象都是摄于白昼、黄昏或者夜晚则又是一番景象：利比亚和波斯湾油田的熊熊烈焰，日本远洋捕鱼船队的深海灯光，大都市明亮的灯光。假如我们能把白天的分辨率进一步提高到1米，那么我们就能分辨出单个机体，像鲸鱼、母牛、火烈鸟和人。
地球上智慧人类的活动首先通过其建筑物的几何规则性来显现。因此，如果确实存在洛韦尔的运河网，则火星上有智能生物居住的观点就同样是令人叹服的了。这是因为，如果从火星轨道拍摄的火星照片上能发现生命活动，那么它的表面大部分必须被改造过，而技术文明的产物——运河建筑也许是最易于检测到的目标。但从无人驾驶的飞船发回的无数火星照片中，除了一两幅莫名奇妙的图片外，没有发现任何这一类的目标。但是许多其他的可能性还存在，包括从大型的动植物到微生物，到已经灭绝的形态，以至到火星上从古至今从来就不存在任何生命等等各种可能性。与地球相比，火星距太阳较远因此温度要低得多。火星上的空气很稀薄，而且主要由二氧化碳组成，只有一些分子氮和氢，以及极少量的水蒸气、氧气和臭氧。在那里不可能存在敞露的液态水，因为大气压太低，即使冷水也会迅速沸腾而汽化，恐怕只有在土壤的孔隙和毛细管中有极少量的液态水。而氧气含量之少远不够一个人的呼吸所需。臭氧的含量也少得可怜，以致能杀菌的太阳紫外线畅通无阻地照射到火星表面上。在这样险恶的环境下，还能有任何生物能生存下去吗？
