几千年来，人类一直受到一种概念的抑制（正如至今还有一些人受到这种概念的抑制一样），即一个大木偶是由神祗牵线活动的，这些神祗，人们看不见摸不着，具有不可思议的神力。大约 2500年前，在爱奥尼亚②，在东爱琴海繁忙的岛屿和港湾中发展起来的萨摩斯岛及其邻近的希腊殖民地，出现了光辉灿烂的觉醒。他们中有人突然认为，世上的万事万物，都是原子组成的。人也好，动物也罢，都是由较为简单的形态组成的。至于疾病，也不是恶魔或是神抵引起的；地球只是一个围绕太阳运行的行星，天上的星星，则是离我们非常遥远的星体。
这个革命，使人们对宇宙的认识脱离了混沌时期。古希腊人认为，第一个生命是“混沌”，这一说法同圣经《创世纪》上的“无形”是同一种看法。“混沌”后来与一位叫“夜晚”的女神结了婚，天上的神仙，世上的人，都是由他俩繁衍下来的。从浑饨中开辟出天地，这同希腊人认为的不可预知的自然界是由变幻莫测的众神统治的想法是完全一致的。这种神话一直延续到公元前6世纪，爱奥尼亚产生了一个新概念，一种关于人类的伟大概念。古爱奥尼亚人认为，世界是可知的，因为它展现了一种内在秩序：自然界运行有序，揭示了自然界的秘密，自然界并不是完全不可预知的，因为自然界存在着甚至她本身也无法违背的规律。自然界运行极其有序，这一特征即称为宇宙。
但是，为什么这种认识会产生于爱奥尼亚，为什么会产生于东地中海上的这些默默无闻的田园牧歌式的偏僻岛屿上呢？为什么不会产生于印度、埃及。巴比伦、中国或中美洲的大城市呢？中国在天文方面的优秀传统有几千年之久，中国发明了造纸及印刷术、火箭、指南针、丝绸、陶瓷，还有闻名的远洋船队。在这样文明的国度里，怎么就没有这种认识呢？有些历史学家认为，那是因为这个国家过分因循守旧，而不愿采纳新生事物的缘故。那么，相当富足、数学发达的印度，为何也没有这种认识呢？有些历史学家又说，那是因为这个国家迷信盛行，人们相信因果报应、生死轮回的说法，他们认为，世上的一切都是无穷的轮回再现，本质上不会有任何新的东西。为什么玛雅人和阿兹台克人也没有这样的认识呢？要知道他们和其他族的印第安人一样深深地迷恋于天文学，而且在这方面也极有造诣啊！历史学家认为，玛雅人和阿兹台克人在机械发明方面缺乏热情又缺乏才能，他们除了孩子们的玩具外，甚至连车轮都没有发明出来。
我们再来看看爱奥尼亚人，他们有几大优势。爱奥尼亚是个岛国，基本上与外界隔绝，各个岛屿之间风俗习惯常常不同，政治制度也千差万别，没有什么集权统治能使各岛屿的习俗和文化统一起来，这就为思想的自由驰骋敞开了大门。和别的国家不同，爱奥尼亚在政治上没有必要提倡迷信。不同于其他国家，爱奥尼亚并非处于世界文化的中心，其文化尚处于十字路口，进退未定。腓尼基语的字母首先在爱奥尼亚演变的希腊文拼法使文化的普及成为可能，识字断文不再垄断于僧侣和抄写员，各种各样的思想产生了，为人们提供了思考和辩论的内容。政权掌握在商人手中，商人们为了自身的利益，积极提倡新技术。爱奥尼亚位于地中海东部，这是亚非欧的文明，其中包括伟大的埃及和美索不达米亚文化交汇的地方。各种各样的偏见、语言、思想和神祗都在这个地方进行激烈竞争。当几位不同的神祗都争着要霸占同一块土地时，人们会有什么想法呢？古代巴比伦的主神玛杜克和希腊的主神宙斯都被认为是天上的主人和众神之神。这样，人们就会想到玛杜克和宙斯实际上是同一个神。而且他们还会想到，由于他们神的属性相当不同，其中必有一个神是祭司们创造出来的。如果有一个神是祭司创造的，为什么不可能这两个神都是祭司们创造的呢？
正是在这种条件下，伟大思想产生了，也必定有一种抛开神祗理论认识世界的方法。这种思想还认为，自然界可能存在自然法规、自然规律和自然力，由此出发，人们就不难理解世界上的一切了，无需把每一只麻雀的跌落都归因于宙斯的干预了。
我认为，中国、印度和中美洲只要再有些时间，也会产生这种科学的想法。科学文化的发展，总是不平衡的，步伐也是不一致的。各个国家和民族的起点都不一样，发展速度也不尽相同。科学的世界观发展得如此之好，解释了如此之多的事物，而又同人类头脑里最先进的成分配合得如此和谐，因此，我认为，世界上所有民族文明的发展，按其本身的意志都必将导致科学的昌明，其区别只不过有早有晚罢了。而爱奥尼亚恰好是最早萌发科学的国度。
公元前600～400年之间，人类的认识史上发生了上述伟大的变革。促使变革的关键是人们的双手。一些著名的爱奥尼亚思想家都是船员、农夫和织工的儿子。他们与其他民族的教士和文人不同，爱好劳作，习于探索，而后者则好逸恶劳。这些思想家反对迷信，因而创造了许多奇迹。在这方面，我们现在仅能找到零碎的和间接的记录。对他们当时所使用的隐喻，我们现在可能感到晦涩难懂。此后的几个世纪内，几乎可以肯定地说，有人有意识地压制了进一步的探索研究。这场革命中的领袖是具有希腊名字的人物，其中大部分人我们都不熟悉。但是，他们却是人类文明史和人类发展史的真正开拓者。
第一位爱奥尼亚科学家是米利都城的泰勒斯，这个城市位于亚洲，与萨摩斯岛隔一条狭小的航道相望。泰勒斯游历了埃及，精通巴比伦文化。据说，他预测了一次日食。他还懂得根据金字塔的影长和太阳与地平线的夹角来测量塔高的方法，这与我们今天测定月亮环形山的方法相同。他早于欧几里得300年，论证了不少几何定理，例如，他推论了等腰三角形底角相等。显然，从泰勒斯到欧几里得，再到牛顿于1663年在斯托尔布里奇市场购买《几何原理》一书，他们在科学上的努力是一脉相承的，他们的贡献奠定了现代科学技术的基础。
泰勒斯竭力不求助于神来理解世界。像巴比伦人一样，他也相信世界上曾是一片汪洋。为了解释陆地的来由，巴比伦人认为，他们的主神玛杜克在水面上丢下了一张席子，然后在席子上堆上泥土，形成了陆地③。泰勒斯也有类似的观点，但并没有巴比伦人的迷信成分，正如本杰明·法林顿所指出的：“让玛杜克滚开！”他认为，地球上确曾到处是水，由于一种自然过程，海中才慢慢冒出了陆地，他觉得这与尼罗河三角洲的淤积过程是近似的。的确，他认为水是万物之本原，正如我们今天宣称电子、质子和中子或者夸克是一切物质的基本粒子一样。他的见解正确与否尚在其次，重要的是，他说明了世界不是由上帝创造的，而是自然界各种物质的力量相互作用的结果。泰勒斯从巴比伦和埃及带回了新兴的天文学和几何学的种子，在爱奥尼亚的沃土中，它们当然要发芽、开花和结果。
泰勒斯的私人生活情况鲜为人知，亚里士多德在他的著作《政治学》中讲了一些有关的轶事：
有一则故事说，泰勒斯穷困潦倒，人们为此指责他，并且认为这也说明自然科学毫无用处。可是泰勒斯“上知天文”，在冬天，他就预知第二年橄榄一定大丰收。于是他倾其所有，把基奥斯城和米利都城的所有的榨橄榄油机都低价预租了下来。第二年收获季节到了，大家都需要榨橄榄油机，他就随心所欲地开始出租，从而果真发了大财。他以此向世人说明，只要学者们愿意，是能够轻易致富的。不过，他们的心思和志向在别的事情上。
泰勒斯还是一位著名的政治家。他成功地促使米利都人反抗里底亚国王克里萨斯的并吞，但在游说爱奥尼亚各岛国，为了反对里底亚的并吞而成立联邦这件事上，却未能成功。
米利都的阿那克西曼德是泰勒斯的朋友和同事，我们都知道，他是最早做实验来进行论证的人之一。他竖起一根棍子，通过观察移动的棍影，准确地确定了一年及四季的时间。许多年来，人们只知道用棍子来打架争斗，而阿那克西曼德却用它来测量时间。他也是制作日昝，绘制已知世界的地图和有星座图形的天球仪的第一个希腊人。不过，他认为，太阳、月亮和其他星球，都是透过苍穹中移动的洞孔看到的火球，这也许是一种较为古老的想法。他的另一个与众不同的观点是，地球不是悬在天空中，也不是由天空支撑的，而是凭自身的力量，处于宇宙的中心，因为在“天球”中，地球到其他星球的距离都是相同的，没有什么力量能使地球移动。
他认为，幼婴什么也不会办，因此，假如人类第一次出现的幼儿是自己来到世界上的，他们肯定立即死亡。由此出发，阿那克西曼德得出结论，人类是由那些幼兽生活能力强的动物变来的。他认为生物都是同时在沼泽中出现的，最早的动物是浑身披有荆棘的鱼类。这些鱼的某些后代后来离开了水，转向了陆地，在陆地上，它们逐渐进化演变成了另一种动物。他还认为，宇宙中存在着无数种世界，每个世界都有生命居住，所有的物质都处于分解和再生的循环中。圣奥古斯丁对此痛惜地说：“他把各种各样无休止活动的原因归结为上帝的程度并不比泰勒斯高。”
大约在公元前540年，萨摩斯岛国出了一个专制君主，名叫波利克拉特斯。据说他发迹于饭馆老板，终而成为国际性海盗。他迫害本国人，也不停地向邻国发动战争，但他却又是艺术、科学和技术的慷慨保护者。为了防备邻国报复，他在京城周围建造了6公里长的高大宽厚的城墙，其遗迹保存至今。为了穿越堡垒取用远山的一处泉水，他命令挖一条2公里长的穿山隧洞。隧洞从山的两侧同时开挖，挖通时几乎分毫不差。这项工程用了约15年的时间才完成。它表明爱奥尼亚人在当时已有高超的工程实践能力。但是这项工程还有另一面更阴暗的部分：该工程部分是由拴上铁链的奴隶们修成的，许多奴隶都是波利克拉斯特的海盗船俘获的。
西奥多勒斯也是这个时代的人，他是当时希腊的大工程师。他著名的发明有钥匙、尺子、木匠的短尺、水平仪、车床、铸铜和供暖设备。怎么没有为这个人建纪念碑呢？所有幻想和思索自然规律的人都同工艺技术人员商谈，那时的理论和、实践浑然一体。
大约在这同一时代，附近科斯岛上的希波克拉底正在创立他的著名学派，但由于他的渎神言词，现在人们已不大记得他的医学传统了。那是根据当时的物理和化学研究成果④建立起的一个实用而有效的医学学派，但其自身也有理论贡献。在《论古代医学》一书中，希波克拉底写道：“人们仅仅因为自己不了解羊癫疯的发病原因，便认为这种疾病是神授的。假如人们对于不明白的事都说成是神授的，那么，就会有没完没了的神授的事情了。”
随着时日的迁移，爱奥尼亚的文化影响和实验方法逐渐传播到希腊大陆，传播到意大利和西西里。曾经有过一个时期，人们差不多都不相信空气的存在。人们当然会呼吸，但人们都认为，风是天神的呼吸造成的。谁也没有想到，空气是一种看不见的稳态物质。据载，公元前450年左右，著名的物理学家恩培多克勒第一次进行了空气实验，⑤有些记载说他自奉为神明。但这可能是由于他绝顶聪明，因此其他人奉其为神。他认为，光的传播速度十分神速，但并非无限地快。他还认为，地球上生物的种类，原先要多得多，但其中许多种类“想必不能繁衍生存下去而消失了。因为原先存在过的每一种生物，自其产生之初，都有赖于生活技能，或勇猛程度，或奔跑速度，以保护自身、繁衍后代”。恩培多克勒对于生物适应环境的解释，与阿那克西曼德和德漠克利特一样，鲜明地预见了达尔文关于生物进化自然选择的伟大思想的某些内容。
恩培多克勒的实验器具非常普通，就是人们在日常生活中已使用了几百年的漏壶。那是一个铜制的球形物，漏壶的颈部有一开口，底部有一些小洞眼，装水时将壶浸入水中。装满水后如果不按住颈口把壶提出水面，壶中的水就会从底部的小洞喷洒出来。但是，假如用拇指按住颈口，把壶提出水面，不松开拇指，壶中的水就不会流出来。如果堵住颈口，则把壶浸入水中也装不进水。由此看来，一定有某种物质防止了水的进人。人们看不见这种物质，这种物质是什么呢？恩培多克勒认为，这只能是空气。我们看不见的这种物质，能够产生压力，正是这种压力，在我们用手按住颈口时，使水灌不进漏壶。恩培多克勒发现了这种看不见的物质。他还认为，空气之所以看不见，是因为它是一种极其微小的物质。
据说，恩培多克勒在一场拜神狂中跳进埃特纳火山口的炽热岩浆升天了。但我却觉得，他不是故意的，而是在一次大无畏的地球物理学开拓性考察时，失足掉进去的。
恩培多克勒关于存在有原子的蒙昧认识得到德漠克利特的进一步发挥。他出生在爱奥尼亚的殖民地，位于希腊北部的阿伯德拉，这是一座充满笑料的城市。公元前430年，假如有人讲阿伯德拉人的故事，你一定会捧腹大笑。当时的阿伯德拉在某种程度上就像现代纽约的布鲁克林区一样。德漠克利特认为，生活的一切都要享受，都要理解。理解和享受本来就是一回事。他说：“没有欢乐的生活好比是没有旅舍的一条漫长的道路。”德漠克利特极可能来自阿伯德拉，但他决非笨伯。他认为，许多星球都是由宇宙的散落物自然形成的，然后发展、死亡。那时，还没有人想到天体互撞形成的坑穴，但德漠克利特想到星球有时会相撞。他还认为，在黑暗的宇宙中有些星球独来独往，有些星球则伴有好几个太阳和月亮；有些星球上有生命，而有些则没有动物，没有植物，甚至没有水；最简单的生命形式，产生于某种原始沼泽地。他教导说，感觉亦即理性，比如说，我觉得我手上有一支笔，这完全是一种物理和机械过程；思维和感情，则是由极其精细、极其复杂地堆置在一起的物质导致的，而不是神赋予物质以某种精神的结果。
德漠克利特发明了“原子”这一词，在希腊语中，这个词的意思是“不可分割的”。他认为，原子是最小的粒子，永远不可能再往下分割。万事万物，包括人类本身，都是由原子错综复杂地组合成的。他说：“世上存在的只有原子和虚空。”
德漠克利特说，当我们切苹果时，刀子无疑要从原子间的空隙通过。假如没有这种空隙，就是说没有虚空，刀子就会碰上无法穿透的原子，苹果也就无从切开了。比如说，切开一个锥体，然后比较这两个切开的剖面，它们的截面积会相等吗？德漠克利特认为不会相等。锥体上的斜面使一个剖面的截面积稍小于另一个剖面的截面积。假如二者相等，那就不是锥体，而是圆柱体了。不管刀多么锋利，这两个剖面的截面积都不会相等。为什么呢？因为在极小的尺度上，物质表现出某种不可刨光的粗糙度。德漠克利特把这种小尺度的粗糙度，比之于原子世界。当然，他的观点不同于我们今天的看法，但是却是十分机敏高明的，体现了他对日常生活的精细观察。从本质上来说，他的结论也是正确的。
在和上述同样的活动中，德漠克利特还想到过计算锥体或金字塔的体积，方法是把许多极小的金属板堆积成一个锥体。他使用的这种方法，在数学上叫做极限论。他已经在敲微积分的大门了，而微积分则是认识世界的基本工具。从现有文献记载来看，在牛顿之前，事实上尚无人涉足这一领域。如果德漠克利特的研究工作没有受到全面的破坏，那也许在耶稣时代，微积分就已经产生了⑥。
1750年，托马斯·赖特为德漠克利特早就认为银河主要是由低分辨率的星球组成而赞叹不已。我们可以这样说，远在天文学受益于光学的进展之前，微漠克利特早就通过理智的眼睛，和有史以来较优越时代的最能干的天文学一样，全面深入地观察了无限的空间。确实，德漠克利特的思想，早就飞越过“赫拉的乳汁”，飞越过“夜空的脊柱”了。
作为一个人，德漠克利特似乎有点古怪，女人、孩子和性生活使他局促不安。部分原因是因为这些会占用他思索的时间。但他十分珍惜友谊，认为欢愉是生活的目的，并孜孜于从哲学上探索神秘的灵感的源泉和特性。他启程赴雅典，去拜访苏格拉底，结果，竟腼腆得不敢自荐。他也是希波克拉底的挚友。他震惊于物理世界的千姿百态。他认为，在一种民主制度下过贫穷生活，也比在帝王统治下享受所谓幸福好些。他认为，当时盛行的宗教是有害的，既没有不朽的灵魂，也没有不朽的神祗。他所坚信的是：“世上存在的，只有原子和虚空。”德漠克利特是否因此受到宗教迫害，无案可查。不过，应该知道，他是来自阿伯德拉城的。在他所处的时代，容忍非正统观点的短暂传统，已开始崩溃，进而消失了。人们因为具有特殊的见解，已开始受到处罚。如今，在100德拉克马的希腊钞票上，印有德漠克利特的头像。但是他的见识受到抑制，他对历史的影响受到贬低，神秘主义者们正开始取得胜利。
在爱奥尼亚，还出了一位注重实验的人，名叫阿那克萨哥拉，住在雅典，公元前450年左右，极其闻名。这个人是位巨富，但他对财富漠不关心，却酷爱科学。每当有人问他人生真谛何在时，他总是回答：“探索太阳，探索月亮，探索天空”，完全是一副地道天文学家腔调。他别出心裁地做了一个实验。实验中，他把一滴白色的液体，例如奶酪液滴人一大瓶深色液体，例如浓酒中。他发现，白色全然不见了。他因此联想到，其中必定发生了某种变化，某种凭感官不能直接察觉的变化。
阿那克萨哥拉不如德漠克利特那样激进。但同样是彻底的唯物主义者，他们不是珍视财产的物质主义者，⑦而是持有只有物质才构成了世界的基础这种观点的唯物主义者。他们的不同点在于，前者相信特殊的精神物质，而不相信原子的存在。他认为，人之所以比其他动物高明，是因为人类有手，这是典型的爱奥尼亚人的观点。
阿那克萨哥拉最早阐明月亮的亮光来自反射，并从而提出了月亮盈亏说。这种理论在当时是一种极其危险的理论，因此手稿只能秘密流传。从地球、月亮和自身发光的太阳的相对位置来解释月相盈亏，或是月食的这种理论，与当时根深蒂固的偏见是极不相容的。过了两代人的时间，亚里士多德自信地提出，月相盈亏和月食是由于月亮本身具有盈亏和食的特性造成的，这种说法，只是在玩弄词藻，其实什么也没有加以说明。
当时盛行的说法是太阳和月亮都是天神，但阿那克萨哥拉则认为，太阳和星星都是燃烧着的石头。我们感觉不到星星的热气，是因为它们离我们太远了。他还认为，月亮上有山脉（这是对的），也有生命（这就说错了）。照他的意见，太阳只是比伯罗奔尼撒半岛大一些，大概有南希腊，即希腊全国的三分之一那么大。他的论敌认为，他这种估计非常荒谬。
阿那克萨哥拉是伯里克利带到雅典的，后者是希腊鼎盛时期的领袖人物，同时也是伯罗奔尼撒战争的促发者，而这场战争却毁灭了雅典的民主。伯里克利热衷于政治，也爱好科学，阿那克萨哥拉是他的主要知己之一。有人认为，正是由于阿那克萨哥拉的这种地位，使他对雅典的伟大文明做出了卓越的贡献。但是，伯里克利有其政治困难。他的权势极其显赫，政敌往往难以对他直接攻击，因此政敌们就攻击与他亲近的人。阿那克萨哥拉终于被判罪，遭囚禁，罪名就是对上帝不虔诚。因为他曾讲授月亮是由普通物质组成的，是一个普通的地方，而太阳则是天空中燃烧得发红的石头。1638年，约翰·威尔金斯大主教对此评论说：“那些狂热的信徒认为，把他们顶礼膜拜的上帝说成石头，是对上帝的极大亵读。然而，他们却没有注意到，他们崇拜的偶像正是由石头雕刻而成的。”伯里克利为使阿那克萨哥拉获释，使出了浑身解数，但终因为时过晚未能成功。虽然说200年之后爱奥尼亚的传统在亚历山大大帝治下的埃及得以继承，但此时希腊的政治浪潮正在转向。
在历史著作中，或是在哲学书籍中，通常都把泰勒斯、德漠克利特和阿那克萨哥拉这些大科学家描绘成苏格拉底以前的哲学家，似乎在苏格拉底、柏拉图和亚里士多德降临之前，他们的主要作用只是守住哲学这个摊子而已，或者只是给了苏格拉底他们一点点影响。其实，古爱奥尼亚人代表的是一种不同凡响的、与当时传统极其相背的传统，这种传统与现代科学极其一致。可惜他们的强大影响只延续了两三百年，这对于生活在爱奥尼亚科学昌明时代与意大利文艺复兴时代之间的人来说，是一种无法弥补的损失。
也许，与萨摩斯岛有关的影响力最大的人物，要算公元前6世纪的毕达哥拉斯了⑧。按照当地传统，他曾在萨摩斯岛科基斯山上的一个洞穴中住了一段时间。他是世界史上第一个推断出地球是一个球体的人。他这种推断，也许是看到月亮和太阳呈圆形联想出来的，也许是在月食时看到了地球对月亮的圆形投影，或是在他观察船只离开萨摩斯岛时桅杆逐渐消失在海平面而推论出来的。他本人或者是他的弟子，发现了毕达哥拉斯定理：直角三角形两直角边之平方和等于斜边的平方。毕达哥拉斯并未举例去证明这个定理，而是采用数学演绎法去全面证明它的。现代数学——所有学科的基础，都离不开演绎法，毕拉哥拉斯对此做出了不可磨灭的贡献。也正是他，首次使用了“宇宙”这个词，以表示那秩序井然、谐和协调的大千世界。他认为，这个世界应当为人们所了解。
许多爱奥尼亚人认为，宇宙间的谐和协调可以通过观测和实验获得，这正是当代科学普遍采用的方法。然而毕达哥拉斯的方法却全然不同。他认为，自然规律可以完全由思维推断出来。因而他和他的弟子们基本上不注重实验。⑨他们是伟大的数学家，同时又是神秘家。伯特兰·罗素尖刻地说：“毕达哥拉斯”创立了一种宗教，其主要教义就是灵魂与肉体处于无限的轮回之中。他的宗教植根于宗教秩序，教义中不时阐明要控制国家，建立起圣洁的戒律。但凡夫俗子总是渴望享受的，自然迟早要违背他的教义了。”
毕达哥拉斯学派专注于数学论证的确立。他们认为数学是一个人类才智可以认识的纯净世界，数学是一个宇宙体。其中直角三角形的边的关系，完全符合简单的数学关系式。数学王国同现实中杂乱无章的平凡世界是绝然不同的。他们觉得，通过数学论证，他们已经窥测到一个完美的实体世界，一个神祗的王国，我们生活的这个世界，只不过是这个神祗王国不完整的投影罢了。在柏拉图关于洞穴的著名寓言中，捆着的囚犯只要看见路人的影子，就相信那是路人本身。他们从来没有想到，只要他们能够转过头来，就不难看清复杂现实的真相。看来，柏拉图，还有后来的基督教，都受到了毕达哥拉斯学派的重大影响。他们都不敢把矛盾的论点摊到桌面上来，而是如同所有正统的宗教一样，实行清规戒律，以防止修正自身的错误。西塞罗就此写道：
毕达哥拉斯学派醉心于正方立体，醉心于各边均为等量正多面体的对称立体。其中最简单的例子就是立方体，立方体的每一个面都是一个正方形。正多边形的数量无穷无尽，但正立方体却只有5种（关于这一点的证明，是数学推论的一个著名例子）。出于某些原因，他们对有12个5角形的、称做12边形的多面体，感到特别可怕。这个问题同宇宙神秘地联系在一起，当时人们认为，世界是由土、火、气、水等4大元素组成的，毕达哥拉斯学派把这4大元素同4种正多面体联系起来。毕达哥拉斯学派认为，第5种正多面体，一定与某种第5类元素有关，这类物质只能来自天上（这就是第5元素quintessence这个词的由来）。他们不让一般的人知道12面体的存在。
毕达哥拉斯学派对整数尤为钟爱。在他们看来，一切物体，当然也包括其他数字，都可由整数导出。但到后来，这种信条发生了危机，因为他们发现，2的平方根（正方形的对角线与边之比）竟是一个无理数，不能由任何两个整数之比（不管这两个整数多大）准确地表达出来。具有讽刺意味的是，他们正是在应用毕达哥拉斯定理时发现这种怪事的。“无理数”这个词，其本意只是说明一个数不能由比值表示。但对于毕达哥拉斯学派来说，却如同洪水猛兽了；因为这个词意味着他们以往的全部观点都是错误的。这种想法从今天的观点来说才真正是“无理的”。对数学上的这种重要发现，他们不敢拿出来公开，而是捂住2的平方根和12边形的知识，不让外人了解真情⑾。即使在今天，仍然有一些科学家反对科学大众化。他们主张神圣的知识只能在信徒间流传，不能让大众了解。
毕达哥拉斯学派认为，球体是“完美无缺的”，因为球面上的任何一点离球心的距离都相等。环形圈因而也是完美的。他们始终认为，星球是在环形轨道上作匀速运动。他们觉得，行星在轨道上运行时不可能时快时慢，非圆形运动是不可能的，它们既然不受地球的影响，也一定是“完美无缺”的。
对毕达哥拉斯学派研究法的褒贬可以从开普勒的毕生研究明显地看出（参见第三章）。毕达哥拉斯学派关于宇宙是不可感知的、神秘而完美的世界这种看法，马上被早期基督教徒接受了，同时成为开普勒早期受教的主要内容。开普勒一方面坚信天地间存在着数学的和谐（他写道：“天体是由和谐的比例装饰起来的。”），从简单的数值关系中，就可以确定星体的运动方式。另一方面，他还追随毕达哥拉斯学派长期坚持认为只有匀速的环形运动才是可以接受的。但是他在观察星体时多次发现，他这种观点解释不了星体运动方式。于是，他又再次观察。与毕达哥拉斯学派的许多学者不同，开普勒信赖实际观测和实验结果。通过对星体运动的仔细的反复观测，他终于抛弃了星球沿环形轨道运行的观点，认识到星体是在作椭圆形运动。毕达哥拉斯的理论既激起了开普勒对行星运行和谐性的探索，又束缚了开普勒，使他的研究推迟了10多年。
轻视实践的观念甚嚣尘上，这始于古老的世界。柏拉图极力鼓吹天文学家要去研究天体，但不要浪费时间去观测天体。亚里士多德则认为：“下等人在本质上是奴隶，所有的下等人最好应该由一个主人来统治……，奴隶是主人的生命的组成部分；工匠同主人的关系稍疏于奴隶，工匠只有成为奴隶后才能具备相应的优秀品质。中下等的技工具有不同的特殊奴隶身份。”普鲁塔克认为：“没有必要遵循这样的原则：倘若一项工艺品制作精美，令人愉悦，其制作者便值得尊重。”色诺芬的看法是：“人们称为工艺品的一类物品都印有社会的烙印，在我们的都市中当然要受到唾弃。” 出于上述种种认识，爱奥尼亚的充满前途的光辉的实验方法，被人们束之高阁竟达2000年之久。没有实践，则无法在诸多学说中加以抉择，科学也就无从前进。毕达哥拉斯学派反对实践的观点，至今仍有市场，原因究竟何在，这不能不使人深思。这种对实验工作的厌恶究竟从何而来？
科学史专家本杰明·法林顿认为，古代科学的衰败，究其原因在于经商的传统。这个传统既导致爱奥尼亚科学的发生，也导致奴隶制经济的产生。拥有奴隶，便铺平了通向金玉满堂、权势显赫的大道。毕达哥拉斯的城堡是由奴隶们建造的。在伯里克利、柏拉图和亚里士多德的时代，雅典拥有大量的奴隶。雅典人津津乐道的民主，其实只适用于少数特权者，奴隶不过当牛做马从事体力劳动而已。由于科学实验也是一种体力劳动，因此奴隶对于科学实验是退避三舍的。但反过来说，又只有奴隶主——有些国家里尊称“绅士”——才有闲暇去搞科学。因此，科学几乎无人问津了。古爱奥尼亚人完全有能力造出某些较为高级的机器，但奴隶制的存在使技术进步缺乏经济动力。因此，在公元前600年左右，经商的传统对伟大的爱奥尼亚科学昌明的产生起到重大的作用，而奴隶制却又可能是两个世纪之后科学衰败的原因。这不能不使人啼笑皆非。
类似的现象在全世界比比皆是。1280年，是中国天文学的鼎盛时期，其代表人物是郭守敬。他以1500年来前人的天文观测为基础，改进了天文观测仪器和计算技术。人们普遍认为，自他以后，中国的天文学便江河日下了。内森·西维因认为，至少有一部分原因是“上层人物对科学越来越僵化、墨守陈规，从而使知识界对技术的探索和兴趣有减无增，也不愿把科学研究当做行之有效的重要进身之阶了。”于是，研究天文学的钦天监成为家传因袭的职衔，这种做法同天文学的进展大相径庭。此外，“天文学研究一直为朝廷所垄断，并在很大程度上听任外国技术人员的摆布。”他们主要是听任耶稣会传教士的摆布，他们介绍了欧几里德和哥白尼的学术观点，中国人对这样的学术思想惊讶不已，但当他们检查过耶稣会教士带来书籍后，自然而然地要竭力隐瞒和压制日心说的观点。在印度、玛雅和阿兹台克文明中，科学之婴死于母腹的原因也许与爱奥尼亚文明衰败的原因相同，都与奴隶经济的发展有关。从政治上来看，当代第三世界国家的一个主要问题，就是受教育者都是富裕家庭的子弟，基于这种现状，他们理所当然地不习惯于体力劳动，同时也不会对传统的知识提出挑战，为此，科学难以扎根。
公元前7世纪至公元5世纪之间，爱奥尼亚和其他希腊科学家的大致生卒年表。从表中可以看出希腊科学家的衰落，因为在公元前1世纪之后，著名科学家就屈指可数了。
在奴隶制度下，柏拉图和亚里士多德过着优裕舒适的生活。他们为人压迫人的制度辩护，为专制君主服务，宣扬肉体和精神分开的观点（这是一种在奴隶制社会极其自然的观点），他们把物质同意识分割开，把地球同天体拆离开。他们这种分割统一体的思想，在西方思想界占据了2000多年之久。信奉“神祗无处不在”的柏拉图，实际上是用奴隶制的比喻联结他的政治思想与宇宙学说。据说，他曾经竭力主张烧毁德漠克利特的所有著作（他也曾主张烧毁荷马的所有著作），原因也许在于德漠克利特不承认灵魂与上帝是永恒的，也许是因为他不承认毕达哥拉斯的神秘主义，或者在于他相信存在无数的星体。据传，德漠克利特撰写了73部重要著作，涉及了人类的所有知识，但所有这些著作约已荡然无存。现在我们对德漠克利特的了解，主要来自一鳞半爪的零碎材料，其中主要是记载在伦理学书籍中一些间接的资料。其他古爱奥尼亚科学家的遗著的命运也大批相同。
毕达哥拉斯和柏拉图承认世界是可知的，而且认为存在一种支持自然界的数学规律。他们这两种认识大大推动了科学的发展。但另一方面，他们压制和掩盖已所不欲的科学发现，主张科学研究应仅限制在少数几个出类拔萃者的圈子内，而且，他们鄙视实验，追求神秘主义，为奴隶制辩护，这些则对人类进步造成了很大损害。在长期神秘地埋没后，部分原因是由于亚历山大图书馆的学者们的传播，爱奥尼亚人开创的事业毕竟还是复苏了。西方世界又苏醒了。注重实验及公开探讨的气氛再次得到尊重。无人问津的书籍及其零星散落的著作再次得到人们的查阅。达·芬奇、哥伦布以及哥白尼所进行的事业，可以说是受到了古希腊这种传统思想的激发，或者说是沿着古希腊的研究传统各自进行了再探索。就是在今天，仍然有不少科学成果带有古爱奥尼亚的烙印，不少科学研究工作也像他们那样自由大胆。但与此同时，也有不可思议的迷信，以及惊人的伦理上的愚昧，现代人仍受到古代思想斗争的影响。
柏拉图的弟子及其后来的基督教徒们，有一种令人不解的观点，他们认为地球是不干不净的，甚至有点儿污秽，天体才是完美无暇的、神圣的。他们不承认或是忘记了地球是宇宙中的一颗行星，人类是宇宙的居民这一基本思想。首次提出这种思想的是阿里斯塔恰斯，他在毕达哥拉斯逝世300年后出生在萨摩斯岛，是爱奥尼亚最后一批优秀科学家之一。到他的时代，人类文明的中心已经转移到古埃及的亚历山大城图书馆。阿里斯塔恰斯首次阐明行星系的中心是太阳，而不是地球。他认为所有的行星都是绕太阳而不是绕地球运行的。无独有偶，他在这方面的论著也散失了。他通过计算月食时地球对月亮投影的面积得出结论说，太阳不仅离地球非常遥远，而且也比地球要大得多。因此，他当时可能推论过，像太阳那么大的一个星体，竟然绕地球这样渺小的星体运转，这是十分荒唐的。他提出太阳位于宇宙的中心，认为地球绕地轴自转一周需要一天，绕太阳转动一圈则需要一年。
人们通常把这个观念同哥白尼的名字联系在一起。伽利略在评价哥白尼时说，哥白尼只是日心说的“再现者和证实者”，而不是最早的发现者⑿。尽管有人在公元前280年已经相当清楚地说明了行星的位置，但在阿里斯塔恰斯和哥白尼之间的1800年中，几乎没有人知道这些行星的确切位置。这种观点触怒了阿里斯塔恰斯的某些同代人。如同阿那克萨哥拉、布鲁诺和伽利略的遭遇一样，也有人大喊大叫，阿里斯塔恰斯不信神，该受惩罚。就是在人类文明的今天，反对阿里斯塔恰斯和哥白尼，在日常生活中提倡地球中心说的例子，依然屡见不鲜。我们还在说太阳“升起”了，太阳“降落”了。阿里斯塔恰斯已经逝世2200年了，而我们的语言还在自欺欺人地表示地球并没有转动。
行星之间并不是连在一起的，例如，地球离金星最近4000万公里，地球离冥王星则有60亿公里之遥。认为太阳只有伯罗奔尼撒半岛那么大，尚且触怒了某些希腊人。上述说法，更会使他们目瞪口呆不知所措了。当然，人们以往认为太阳系的星球都拥挤在一起，且不作运动，这也是不无道理的。假如伸开一个手指放在眼前，然后，首先用左眼，接着用右眼去瞄看这个手指，映衬着遥远的物体，你就会觉得手指在移动。手指离眼睛越近，看起来它就移动得越多。通过计算这种视运动，即视差，就可以估计远处物体同手指的距离。双眼之间相隔愈大，看上去手指就移动得愈多。双眼的基准线越长。视差也就越大，也就能更好地测定远处目标的距离。但是，我们所处的地球本身，每隔6个月就要从轨道的一端运行到另一端，运行距离为3亿公里。因此，假如在6个月后观测同一个不移动的天体，那么，我们测定的距离应是十分可观的。正因为如此，阿里斯塔恰斯怀疑，天上的星星可能是远离地球的太阳。他把太阳同固定不动的星体“归为同类”。当地球在转动时，星际视差不可测出，这表明，星体离地球的距离比太阳还得多。在望远镜发明之前，即使对最近的星体的视差，也小得难以觉察。星球视差到19世纪才首次得到测定。这时，完全根据古希腊的几何学测定，人们才清楚星体离地球的距离大得要以光年计算。
还有一种方法，可以测定从地球到星体的距离，尽管到现在为止，我们还没有证据说明古爱奥尼亚人确实使用了这种方法，但他们完全有能力做到这一点。众所周知，物体离我们愈远，则显得愈小。物体的实际大小与距离成反比的规律，是用于艺术摄影术中的透视法的基础。正因为如此，太阳离我们愈远，太阳就显得愈小、愈暗。离太阳究竟要多远，它才显得似一颗星星那般小、那般暗呢？换句话说，多大的一个太阳，才能像一颗星星那么亮呢？
为了回答这个问题。惠更斯作了一个实验，方法与古爱奥尼亚的传统十分相似。他把一个钻有许多小孔的铜盘对着太阳举起来，然后透过小孔观察太阳，以此确定哪一个孔的亮度同他所记得的昨天晚上的天狼星的亮度一样。该孔的大小，和看上去太阳的大小相比，只有其 l／28 000⒀。他于是得出结论，天狼星离我们的距离，是太阳离我们的距离的28000倍，或者说，离我们约半个光年。观察几个小时后，要记住一颗星究竟有多亮是很不容易的，但惠更斯却记得一清二楚。假如他当时知道，天狼星实际上比太阳亮得多，他无疑会得出正确的答案：天狼星距我们8．8光年。当然，阿里斯塔恰斯和惠更斯应用不精确的数字推导出不完整的答案，这个事实本身并无关宏旨。关键在于他们极其明确地阐述了他们的研究方法。因此，假如能够改进观察方法，答案就会准确得多。在阿里斯塔恰斯与惠更斯之间的时代，人们回答的问题使我这个在布鲁克林长大的孩子激动不已，我不禁自问，星星到底是什么呢？答案是，星星就是巨大的太阳，在星光灿烂的宇宙的汪洋大海中，星星离我们有多少个光年那么遥远。
阿里斯塔恰斯的巨大贡献，在于他说明了无论是我们人类，还是我们的地球，在自然界中都并不占有特殊的地位。从此，他的这种入木三分的观点被上用于星体，下用于人类大家庭的许多课题，赢得了巨大的成功，同时也始终受到反对。他这种观点导致了天文学、物理学、生物学、人类学、经济学和政治学的巨大进展。我想，把这种观点推广应用于社会，恐怕就是它屡屡受到压制的主要原因吧。
阿里斯塔恰斯的巨大贡献远远超越了星空研究的范畴。18世纪末叶，英王乔治三世时代的音乐家和天文学家威廉·赫歇耳描绘了一幅星空图，他发现在银河系平面图或带状图上，以地球为中心，各方位的星星的数量显然是相等的。由此他自然而然地认为，地球位于银河系的中央⒁。第一次世界大战前，密苏里州的沙普利发明了一种技术，用这种技术测量从地球到球状星团的距离，发现球状星团是可爱的恒星球状集团，就像一群蜜蜂一样。他还发现了一个恒星的标准烛光——颗亮星，星光可见是因为它闪烁不定，但其平均本身亮度却总是一成不变的。把球状星团中发现的这类恒星的亮度和它的本身亮度加以对比，沙普利就能计算出它们离地球的距离。这就像我们在旷野中，通过观察射过来的微弱灯光，就能判断出已知其本身亮度的灯光距我们多远一样。这种方法实质上仍是惠更斯的方法。沙普利发现，这些球状星团并不是以太阳周围的星体为中心，而是以人马星座方向的银河系远区为中心。沙普利认为他调查大约100个球状星团极可能围绕银河系的质量中心运行，向它表示敬意。
1915年，沙普利大胆地提出太阳是位于银河系的边缘。而不是靠近其核心。赫歇耳之所以搞错了，是因为在人马星座方向上布满了不易看清的宇宙尘，从而使他无法知道远处还存在着许许多多的恒星。我们现在都明白，地球离银河系的核心大概有3万光年之远，处于银河系的旋臂边缘，这里的恒星密度相对要稀疏些。如果在沙普利发现的球状星团中，一个有人居住的行星绕星团的中心恒星运行，或者就位于星团的中心，那么，他们就会可怜我们地球上的人只能看到为数不多的星星。而在他们的天空中却满布灿烂的繁星。仅在银河系的中心附近，就有几百万个灿烂的星球，他们凭肉眼也可以看到它们，而在我们的天空中，却只有微不足道的几千颗恒星。我们的太阳，以及别的太阳都可能有消亡之日，但在球状星团的世界里，漫漫黑夜却永远不会降临。
公元18世纪时，赖特和康德两人通过望远镜的观察都预言过，那无与伦比的旋涡状发光体，就是另外的银河系。但在进人20世纪很久以后，天文学家竟然还认为，宇宙中只有一个银河系。康德曾明确指出，在仙女星座中的M31 星系，就是另一个银河系，它含有许许多多的恒星，康德给它们取了个令人难以忘怀的奇妙的名字“岛宇宙”。但一些科学家认为，那些旋涡星云并非是遥远的岛宇宙，而是星际气体聚集成的云团，这些气体也许正在形成新的太阳系。为了测定旋涡星云的距离，就需要一组各自不同的、本身亮度又较大的星体，建立一个新的标准烛光。哈布尔1924年认出了这组M31星系的恒星。他发现，看起来这些恒星极其晦暗，从而说明M31星系离我们极其遥远。人们现在估计，它距离我们为200万光年。但如果M31星系真有这么遥远，那它就不可能仅仅是星空中的云雾，那就应该比云雾要大得多，就应该是一个巨大的银河系。其他更加模糊不清的星云（大约有1000亿个），必定离我们更加遥远。它们都透过已知宇宙的边缘黑幕闪闪发光。
自从人类诞生之日起，我们就一直在探索自己在宇宙中的位置。无论在人类的早期（当时我们的祖先以懒洋洋的目光注视着星星），其中不管在古希腊的爱奥尼亚科学家中，还是在当代的科学家中，人们都为一个问题所苦恼，那就是地球在宇宙的什么地方？地球是处于什么样的一种地位呢？我们发现自己栖息的地球十分平庸。它的恒星也毫不出众，在银河系星群的边缘两个旋臂之间，占着一个可怜的位置。而这个银河系则是那比地球上的人口还多的星系中的一个成员，隐匿在广袤的宇宙中一个小小的角落里。这种观点鼓励我们继续建立和证实天空的心理模式。就是说，太阳是一个炽热的石头，繁星是天上的火焰，银河系则只是夜空的脊柱。
从阿里斯塔恰斯以来，我们每探求一步都使我们自己更加远离舞台的中心。用于理解探求中的新发现的时间远远不够。沙普利和哈布尔有了巨大的发现，他们的许多同时代人至今仍活在世上。当然，他们当中至今也有不少人暗地里埋怨这些伟大的发现，他们对每一步进展都感到沮丧，在这些人的内心深处，仍然支持着宇宙中心的支点就是地球的观点。但是，我们要评价宇宙，首先就必须要了解宇宙，在了解的过程中，即使事实证实与我们的良好愿望相违背，也应该继续我们的了解。了解我们生活的地球，则是了解邻近星球的重要先决条件。当然，了解邻近星球是什么样子，也对此大有裨益。假如我们渴望着增加地球的重要性，我们就该为此做出努力，大胆地提出问题，精辟地回答这些问题，这无疑就会增加我们这个星球的重要性。
我们带着一个早在人类发祥期提出的问题，开始了探索宇宙的航行，这个问题人们一代接一代地重复着：星星是什么？探幽索隐是人类的天性。人类开始探索时，完全是两眼一抹黑，即使到现在也仍然是星球世界的门外汉。我们在宇宙海洋的海滩边徘徊不前的时间已经够长了，现在我们终于扬起风帆，准备远航宇宙之海，去探索群星。
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①这种把火焰看成是一种有生命的东西，需要保护、需要照看的观念，不能把它当做一种“原始”的观念而不加以认真研究。在许多现代文明的发样期都可以找到这样的观念。古希腊、古罗马以及古印度的婆罗门的各家各户都有一个炉灶，和一整套固定的照看火焰的规矩。晚上，煤火要用炉灰封住，清晨拨开炉灰，添上小树枝，让炉火重新燃起来。炉火的熄灭意味着家破人亡。在上述三种文化中，对炉灶的祭祀同祭祀祖宗是相互关联的。这就是永世不灭的火的来源。在全世界范围内，这种象征至今还广泛应用于宗教、纪念性活动、政治和体育的庆典中。（在中国人的生活中也有于每年春节之前要祭灶王爷的风俗——校者注）
②为避免混淆，应指出爱奥尼亚不是指爱奥尼亚海，而是爱奥尼亚海沿岸的殖民者命名的一个地方。
③有证据表明，古代苏默人（幼发拉底河流域的人种）的创世纪神话大部分是关于自然界的解释，后来在公元前1000年左右编纂的《天庭之上》这首诗集里才第一次用神祗取代了自然界。这个神话讲的是神学，而不是宇宙学。《天庭之上》使人联想起日本和阿伊努人的神话，他们的神话说宇宙原先是一片沼泽，后来一只大鸟振翅击打沼泽而把陆地和水体分开。斐济人的创世纪神话说：“罗科摩图创造了陆地，他用巨手从海底一捧一捧地把泥土捧出水面，到处堆积，形成了斐济群岛。”对于岛屿和远海的民族来说，从水中筑起陆地是一种极其自然的想法。
④星占学也包括在内。星占学在当时被普遍认为是一门科学。在希波克拉底的一段典型文学中写道：“人们也必须密切注意星座的升起，特别是天狼星，其次是大角星，同时也要注意昂星团的降落。”
⑤该实验原先的目的是为了证实一种荒谬绝伦的血液循环理论，但我们应该识别，任何一种通过实验探索自然界的想法都是一种重要的改革。
⑥欧多克斯（Eudoxus）和阿基米德于德漠克利特之后也是这一领域的先驱。
⑦唯物主义与物质主义在英文中都是materialists。——校者注
⑧公元前6世纪，是地球上人类智慧和精神上的百家争鸣时代。在这个时期不仅在爱奥尼亚出现了泰勒斯、阿那克西曼德、毕达哥拉斯等许多优秀人物，而且在古埃及，出现了法老尼科二世，他使人类完成了环绕非洲的航行；在古波斯，出现了琐罗亚斯德；在中国，出现了孔子和老子；在以色列，出现了犹太人先知；在印度，出现了释迦牟尼，等等。很难设想，这些优秀人物的出现，相互之间是毫无联系的。
⑩但其中也有一些值得欢迎的例外情况。毕达哥拉斯对和声学中整数比的沉醉明显地是基于对弹拨音弦发出声音的考证，甚至是基于实验形成的。恩培多克勒至少在部分上是毕达哥拉斯学派的。人们知道，毕达哥拉斯的一个叫做阿尔克马厄昂的学生是第一个解剖人体的人。他区分了动脉和静脉，而且是第一个发现视神经和耳咽管的人。他还确认头脑是收藏知识的地方（这个论点后来被认为知识来自于心脏的亚里士多德所否认，再往后才得到希罗菲勒斯的恢复），他还创立了胚胎学。但是，阿尔克马厄昂在晚期对“净化”的热情不如他的毕达哥拉斯学派的同事们高。在争论中，更需要的是论据的分量，而不是权威的势力。确实，对那些渴望学习的人来说，教授者的权威性经常是一种极大的障碍。因为学习的人不再自己作出判断，而只是把自认为老师的既定结论作为解决问题的办法。在讲到这个问题时，我实际上并没有把这种传统的教学法归因于华达哥拉斯学派。据说毕达哥拉斯学派在争论中，每当有人问及其论点的根据时，总是答道：“大师这样讲的。”“大师，就是指毕达哥拉斯。一种已有定论的意见是极其有力的，它使权威性无需理智的支持便畅行无阻。
⑾有一位叫做希帕苏斯的毕达哥拉斯学派学者著书发表了《具有12个面的球体之秘密》（即12面体）。他后来死于船难，据说他的同学们都认为这是正义的惩罚。他的著作后来也没有发表。⑿哥白尼的日心说思想，可能是他阅读阿里斯塔恰斯的著作时受到启发的。最近发现的古教科书，在意大利大学里引起了轩然大波。当时，哥白尼就读于那儿的一所医科学校。在哥白尼所著书籍的草稿中，提到了阿里斯塔恰斯的先著，但在他的书付印时，他又删掉了引文，在写给教皇保罗三世的一封信中，哥白尼写道：“据西塞罗的著作，尼斯塔斯（Ncetas）想到了地球本身是运动的……。据普鲁塔克的著作（此人探讨了阿里斯塔恰斯的学术思想）……，其他的一些人也具有相同的见解。我在研读他们的著作时，亦与他们颇具同感，也开始考虑到地球运动的可能性。”⒀惠更斯实际上是用一颗玻璃念珠来推导透过小孔的光度的。⒁这种关于地球处于当时已知宇宙中心的具有优越地位的假设，使华莱士在他1903年的著作《人类在宇宙中的位置》中，站到反对阿里斯塔恰斯的立场，认为地球极可能是惟一的有居民的星球。
第八章 在时空中旅行
第八章 在时空中旅行
莫寿乎殇子，而彭祖为天。
天地与我并生，而万物与我为一。
引自公元前300多年中国庄子所著《齐物论》
酷爱星辰。岂惧夜幕
引自两位业余天文学家的碑文
星星在我们的眼中书写着朦胧的史诗，
书写着永不消失的空间的闪烁篇章。
引自哈特·克雷恩的《桥》
波涛的起伏部分是由潮汐造成的。月亮和太阳虽然距我们甚远，但它们对地球的引力作用却是明显的、确确实实存在的。海滩使我们联想到了宇宙。海滩上的细沙粒基本上是大小均匀的，它们是由大石块在波浪长年累月地冲击和摩擦、腐蚀和风化作用下形成的，而这一切又都是在遥远的月亮和太阳的驱动下发生的。海滩还使我们想到了时间，地球本身要比人类古老得多。
一捧细沙大约有1万粒沙，这比我们在皎洁的夜空中肉眼所能看见的星星还要多。但是我们肉眼能看得见的星星只占星星总数的极小一部分，我们在夜空中所能看见的星星只是离我们最近的星星中很少的一部分，而宇宙之丰富和辽阔是难以度量的，星星的总数比地球上所有海滩的沙粒总数还要多得多。
尽管古代的天文学家和星占学家竭力描述星空的景象，星座却不过是星星的任意组合。某些本来不太明亮的星星，由于离我们较近而显得很亮，而有些本身较亮的星星却离我们比较遥远。严格地说，地球上的任何一个地方，对任意一颗星星而言距离都是一样的。因此，无论是在苏联的中亚细亚，还是在美国的中西部，观察某个星座时，星星的排列位置都是一样的。从天文学的角度来看，苏联和美国是同一个地方。只要我们局限在地球上，任何星系的星星都距离我们如此遥远，根本无法辨认出它们的立体构像。星星之间的平均距离只有几光年，不过别忘了，一光年就是约10万亿公里的距离。若要观察星座图像的变化，我们必须跨越与星星之间的距离差不多的路程，即跨越光年级的距离，非如此，则无法看到星座中的星移斗转和无穷变幻。
但是，要实现如此宏伟的星际航行，目前的技术还完全做不到，至少在相当长的一段过渡时期内还做不到。尽管如此，我们却可以用计算机模拟距离我们较近的星星在空间的位置，从而进行某种类似的星际航行。譬如进行环绕由明亮的星体组成的北斗星的旅行，观察星座位置的变化。我们按照一般的天体绘图法--沿点连线，将某个星座的星体用线连结成图，视角不同，所绘制的图形也不相同。遥远的行星上的居民所看到的夜空星座形状，与我们在地球上看到的大不相同。再过若干世纪，人们也许能造出一种宇宙飞船，它速度巨大，能飞越宇宙空间，使人们看到迄今除了用计算机看到以外从未看到的新星座。
星座形状的变化不仅体现在空间上，而且也表现在时间上。我们不仅通过变换视角可以看到星座的变形，而且只要等待的时间足够长，也可以观察到它们形状的变化。星星有时组成星团，成群结队地一起飞奔。有时某颗恒星独自狂奔，结果脱离原来的那个星座，而跑到另一个新的星座中去。在个别的情况下，双星系的某一成员会发生爆炸，从而摆脱相互间引力的束缚，以其固有的轨道速度冲向宇宙空间。此外，星星也有生死存亡、演化发展的历程。假如我们观测的时间足够长，就会看见新生星体的出现和旧星的泯灭。也就是说，星空中的图像也处在缓慢地消融和变化之中。
就是在有人类的几百万年中，星座也一直在变化着。以北斗七星或大熊星座的图形为例，借助于计算机我们可以超越时空的界限，把北斗七星拉回到100万年以前的状态。人们可以发现，那时的北斗七星与现在的模样大不相同，不像一把勺子，而颇像一根长矛。如若时间机器猛然把你带回遥远的、未知的过去，你可以根据星座的形状大致判断出所处的年代。如果北斗七星状如长矛，那肯定是在更新世中期。
上图：100万年前的北斗七星
中图：50万年前的北斗七星
下图：现在的北斗七星由计算机模拟的100万年和50万年前从地球上看到的北斗七星。
我们还可以让计算机把时间往前推移，预测星座未来的图像。以狮星座为例，黄道带由12个星座组成，像一条带子包裹着太阳每年在天空穿行的路径。黄道带（Zodiac）一词的词根与动物园（Zoo）相同，因为黄道带中的星座如同狮星座一样，大都是以动物命名的。再过100万年，狮星座将比现在看到的更不像一头狮子。也许，我们的后代会把它称为射电望远镜星座。不过我猜测，射电望远镜在那时可能比石矛之于现在更加过时了。
猎户星座（非黄道带）以4颗亮星为界，被3颗星组成的对角线分为两半，这一对角线表示猎人的腰带。根据通用的天文投影方法，悬挂在腰带下的2颗较暗的星组成猎人的剑。剑身中间的那颗星，实际上不是一颗星，而是巨大的气团，叫做猎户座星云，星云中不时地产生出新的恒星。猎户星座中的大多数星体炽热而年轻，而且大都演化迅速，最终在称为超新星的宇宙爆炸中了却残生。它们的生命周期大约为几千万年。假如用计算机进行模拟，把猎户星座未来的情形描述出来，我们就会惊奇地发现，这个星座中多数星体的诞生及其蔚为壮观的混灭，如同夜空中的萤火一般，闪烁明灭、飘忽不定。
半人马座α星是距太阳最近的恒星系。它实际上是一个3连星，两颗星各自绕对方旋转，而第三颗星（半人马星座的比邻星）则始终以一定的距离环绕前两颗星运行。当第三颗星处于其轨道的某个位置时，它是离太阳最近的恒星，它的名字就是由此而来的。我们在天空中所见到的大多数恒星都是双重或多重的星系。太阳这个星系倒是一个有点奇怪的例外。
在仙女星座中，第二颗最亮的β星距我们75光年。我们现在所看到的它的光亮，在黑暗的星际空间旅行了75年才到达地球。举一个不大可能的例子，如果仙女座β星上星期二因爆炸而消毁的话，也只有等75年之后我们才能得到这个消息。这是因为，爆炸产生的有趣信息以光速运行也要75年的时间，才能穿过茫茫的宇宙空间到达地球。我们现在所看到的这颗星的星光在它出发的时候，年轻的爱因斯坦还是瑞士专利局的工作人员，刚刚发表了划时代的伟大理论--狭义相对论。
空间和时间是互相关联的，我们不可能只是遥望太空而无须顾及时间。光的运行速度极快，但空间极其浩瀚，且星体遥遥相隔。在天文数字上，75光年左右的距离是微不足道的，仅举几个例子便可说明这一点。从太阳到银河系中心的距离为3万光年；从地球到位于仙女星座的、离我们最近的旋涡星系M31的距离为200万光年。我们现在所看到的M31的星光向地球出发时，地球上还没有出现进化成现代人的人类祖先；而从地球到最远的类星体需要80～100亿光年，我们现在所看到的是它们在地球凝聚之前、在银河系形成之前的形状。
这种现象并非仅仅局限于天体，只不过由于天体相距非常遥远，有限的光速才显得如此重要而已。假如你的朋友站在房间里3米外的另一头，你用眼看她时，你所看到的并不是“现在”的她，而是 1／亿秒“以前”的她[（3米）／3 ×108米／秒＝1／（108 ／秒）＝10-8秒，即1％微秒。在这类计算中，我们只要用距离除以速度就得到了时间]。你的朋友的“现在”与1／亿秒以前的差别微乎其微。谁也不会去注意这点变化。相反，如果我们观察一个80亿光年以外的类星体，我们所看到的是80亿年前的它，这一事实可能就非常重要了（例如，有人认为类星体可能是只发生在星系早期历史的爆炸事件中。如果真是这样，那么星系离我们越远，我们观测到它的历史就越早，它也就越可能是类星体。当我们遥望50亿光年以上的距离时，类星体的数目确实在增加）。
两艘“旅行者”号宇宙飞船目前正以光速的万分之一的速度飞行，它们是地球上发射的最快的飞行器。但是，它们可能要用4万年的时间才能到达最近的恒星。那么，难道就没有希望飞离地球，穿过惊人的遥远的旅程到达半人马星座比邻星吗？此外，难道就无法达到光的速度了吗？光速的奥秘究竟何在呢？我们不能飞得比光速更快吗？
例如你在19世纪90年代里去过意大利迷人的托斯堪乡下，你或许会在通往帕维亚城的大道上碰到一位留着长发的、中途退学的中学生。他的德国老师对他说过，他绝不会有任何成就，他提出的问题破坏了课堂纪律，他最好还是退学。于是，他离开了学校，漫步在乡间的大道上。在意大利北部的自由天地里，他反而能够思索那些与在纪律严明的普鲁士课堂中被强行灌输的、来不及消化的各种课程相差甚远的事情。这个青年学生名叫阿尔伯特·爱因斯坦，正是他的沉思默想改变了整个世界。
伯恩斯坦的科普著作《自然科学通俗读物》使爱因斯坦爱不释手。书的第一页就描述了电流通过导线以及光通过空间的不可思议的速度。他不禁想到，假如能以光的速度运动，世界将会是什么模样呢？一个10多岁的孩子，走在乡间阳光绮丽的小道上，竟然会想到以光速旅行，这是多么迷人、多么不可思议的想法啊！假如以光的速度旅行，你是不会感到在运动的。如果开始时你从光的波峰上出发，那么在旅行的过程中你会觉得一直在这波峰上，完全不会意识到它是波动的。倘若以光速旅行，就会出现这种怪事。爱因斯坦对这类问题想得越多，就越是摸不着头脑。如果真能以光速旅行，好像到处都会出现矛盾。人们往往不加仔细地推敲，就把某些说法当成真实的。爱因斯坦提出的这些简单问题，早在几个世纪之前就应该想到。例如，我们说两件事情同时发生，究竟指的是什么意思呢？
让我们设想一下我骑着一辆自行车向你奔去的情景。当我接近一个十字路口时差点撞上一辆马车，为了避免相撞，我赶紧转弯。让我们再把这一事件细细地体会一下，并设想一下马车和自行车都以接近光速的速度行驶的情景。如果你站在路上，马车行驶的方向与你的视线垂直。通过阳光的反射，你看见我向你骑来。难道我的速度不该叠加到光速上，我的影像不是要比马车先到达你的眼睛吗？难道你不是在看到马车之前就看到我转弯吗？从我的角度，而不是从你的角度看，马车和我会同时到达十字路口吗？我会不会几乎和马车相撞？在你看来，我是否无缘无故地转弯，并兴高采烈地朝芬奇城骑去呢？这些都是奇怪而又微妙的问题。它们向一切显而易见的常情提出了挑战。有理由相信，在爱因斯坦之前没有人想到过这类问题。正是从这些基本的问题出发，爱因斯坦才对整个世界进行了彻底的再认识，从而导致了物理学上的一场根本变革。
要想认识世界，要想在高速运动时避兔上述逻辑上的矛盾，肯定存在某些我们必须遵循的自然规律。在爱因斯坦的狭义相对论中，他总结了这些法则。一个物体发出的光（不管是反射还是发射出来的），不论这个物体是处于运动状态还是处于静止状态，光的运动速度都是相同的。就是说，不能把物体的运动速度叠加到光速上。此外，任何物体的运动速度都小于光速，即不能以光速或大于光速的速度运动。在物理学上，没有任何事物阻碍你以尽可能接近光速的速度运动，即可达到光速的99.9％，但无论人们如何想方设法，都绝对不可能再获得最后的0.1％的速度。既然从逻辑上讲世界是协调一致的，那么就必定存在一个速度极限。否则就可以通过增加运动物体的速度来达到任何想要达到的速度了。
本世纪初，欧洲人普遍相信存在不受一般法规制约的特殊参照系：德国、法国或英国的文化和政治结构比其他国家好；欧洲人比殖民地国家的人优越，他们受统治是他们的福气。阿里斯塔恰斯和哥白尼思想在社会和政治上的应用遭到反对和藐视。但是年轻的爱因斯坦在物理学上反对特殊的参照系，在政治上同样反对这种优越感。他认为，宇宙中充满了星体，这些星体在各个方向上匆忙地奔驰着，没有任何处于“静止”的地方。在对宇宙的观测上也不存在一处优于另一处的问题。这就是相对论一词的含义。相对论乍看起来很玄乎，其实很简单：就宇宙而言，没有什么地方比其他地方更优越。不论由谁来描述，自然规律都应是一致的。如果自然规律具有不变的一致性，那么认为我们这个小天地在宇宙中有什么特殊之处，就是令人费解的逻辑了。因此可以得出结论，人们不可能以超光速的速度运动。
我们之所以能听到鞭子抽动的噼啪声，是因为鞭梢以大于声速的速度运动。从而产生一种冲击波，产生一个小小的声响。雷声的道理也与此类似。人们曾经认为飞机的速度不能大于声速，但如今超音速飞行却是极平常的事。但是，光障和声障不同，它不仅仅是一个技术上的问题（像超音速飞机所解决了的技术问题），而是如同万有引力一样）是一个基本的自然规律问题。在人类的历程中，还没有任何现象（包括鞭响和雷声）能在真空中以大于光速的速度运动。相反，人们的普遍经历（包括核子加速器和原子钟）都精确地、定量地符合狭义相对论。
同时性的问题适用于光，但却不适用于声，因为声音是通过某种物质媒介，通常是空气传播的。当你的朋友在谈话时，到达你耳朵的声波是空气分子的运动，然而光却可以在真空中传播。空气分子要运动需要一定的条件，真空中不具备这样的条件。太阳光能够穿越宇宙空间照射到我们身上，但是无论我们如何仔细地倾听，也不可能听到太阳黑子的爆炸声，或者听到太阳闪光的轰鸣。在相对论学说创立之前，人们一度认为光的传播是通过一种特殊的、充满宇宙空间的介质--以太。但是，著名的迈克尔逊-莫雷实验证明，根本不存在以太这种物质。
我们有时会听说某种事物能运行得比光还快，特别常提到的是所谓的“思维速度”。这是一种格外愚蠢的说法，因为思维的脉冲通过脑神经细胞的速度并不比一辆驴车快多少。人类聪明到能够提出相对论，这只说明我们有高超的思维能力，但并不能因此吹嘘，说我们的思维速度有多么快。不过，计算机的电子脉冲速度倒确实与光速相差无几。
20几岁的爱因斯坦创立了完整的狭义相对论学说，经过各种实验的检验证明是正确的。将来，或许有人能提出一种普遍适用的学说，既防止同时性一类的矛盾，避免了特殊参照系，又能允许超光速的运动，但我对此十分怀疑。爱因斯坦提出不可能超过光速运动的见解可能很不符合常识，但在这个问题上，为什么非得要相信常识呢？为什么我们1小时走10公里的经验应当包含1秒钟运动30万公里的自然规律呢？相对论确实限定了人类能力的极限，然而，宇宙并非一定要与人们的愿望相适应。狭义相对论排除了我们的飞船以超光速的速度飞往星球的可能性，但却展示了另一种未曾预料到的诱人的方法。。
依照乔治·盖莫夫的想法，让我们设想有那么一个地方，在那里光速不是每秒30万公里，而是一个颇为一般的数值，譬如说每小时40公里，并受到严格的强制（打破自然规律并不违法，因为其中毫无犯罪行为：自然界是自我调节的，它只是将一切安排得使你无法逾越它的限制）。想象一下骑着摩托车以接近光速行驰的情景（在相对论著作中，以“设想……”开头的句子比比皆是，爱因斯坦称其为“思维实验”）。随着车速的增加，开始观察附近过往的物体。当你目不斜视地注视前方时，你身后的物体却出现在你前方的视野之内。当你以接近光速的速度奔驰时，世界在你的眼里就会变得十分奇特，最后，你会看到正前方有一个圆形的小洞，世上的一切都被装进了这个小洞。在静止的观察者看来，当你离开时从你身上反射的光呈粉红色，而当你返回时却呈现蓝色。假如你以近于光速的速度驶向观察者时，你就会处于斑斓而奇异的色彩包围之中。通常看不见的红外光就会变成波长较短的可见光。你会在运动的方向上受到压缩，质量增加，而时间却变慢--一种接近光速运动的惊人结果，称为时间膨胀。但是在同行的观察者，譬如摩托车后座上的人看来，上述现象都不会发生。
狭义相对论这些独特的、初看起来令人困惑的预见是正确的。在最深刻的意义上讲，科学的东西都是正确的，它们都取决于你的相对运动。但是，它们是实实在在的，不是光学上的幻影。可以用数学，大概只要一年级的代数就能简单地表述出来，因此任何受过教育的人都不难理解。此外，许多实验也证明了其真实性。与静止的钟相比，置于飞机上的十分精确的钟会少许变慢。核子加速器都是按照质量随着速度的增加而增大的原理设计的，否则，被加速的粒子就都会撞到加速器的壁上，这样就无法进行核物理实验了。速度等于距离除以时间。由于在接近光速时不能像我们日常所习惯的那样简单地进行速度的叠加，我们熟知的所谓绝对空间和绝对时间的概念，即与你的相对运动无关的概念就必须扬弃了。这就是身体受到压缩的原因，也是产生时间膨胀的原因。。
以近于光速的速度运动，你会青春常在，而你的朋友和亲属则照例会衰老。因此，当你从这种相对性的旅行返家时，你的朋友和亲属已老了几十岁，而你却一点都未变老，这是多么大的差别啊！由此看来，以近光速旅行倒是一种长生不老之药。因为时间在接近光速时变慢，相对论提供了一种到星球去旅行的方法。但是，从实际的技术角度看来，接近光速的旅行可能吗？能造出这样的星际飞船吗？
托斯堪不仅仅是年轻的爱因斯坦某些思想的发源地，它也是另一位伟大的天才达·芬奇的故乡。达·芬奇比爱因斯坦早400多年，他很喜欢爬上托斯堪山，从山顶俯瞰大地，就像一只翱翔的鸟。他最早从高空画出了青山绿水、城镇要塞的远景画。达·芬奇兴趣广泛、多才多艺，他爱好绘画、雕刻、解剖学、地质学，也爱好自然史、军事和土木建筑工程，他最喜好的是设计和制造一种能飞的器械。他绘制了草图、制作了许多模型，并造出了实际的样机，但是没有一架能飞起来。当时，功率强、重量轻的发动机尚未问世，他当然不会成功。但他的构思却极为巧妙，给后来的工程师以很大的启迪。一次又一次的挫折使达·芬奇非常沮丧，但那时是15世纪，又怎么能怪他呢？
1939年发生了另一件类似的事情，英国的一批工程技术人员成立了一个星际学会，他们设计了一艘载人登月的飞船。当然，他们在当时的技术条件下所设计的飞船与30年后完成登月飞行的“阿波罗”飞船无法相提并论，但这件事至少表明，登月飞行总有一天在技术上会成为现实。
如今，已经初步设计出载人去恒星的星际飞船。所有设想的这类星际飞船都不是直接从地面发射，而是在地球轨道上建造、并从地球轨道上发射的。有一个计划是以猎户星座命名的，称为猎户星计划，意思是飞船的最终目标是猎户星座的恒星。这个计划的设计思想是对着一块惯性极进行氢弹爆炸，通过爆炸产生推动力，像是一艘巨大的空中核摩托艇。从技术上来看，猎户星计划似乎是完全可行的。当然，它会产生大量的放射性碎片，但星际飞行是在广阔无垠的行星或恒星之间进行的。十分遗憾的是，在签订了禁止高空核爆炸的国际条约后，美国放弃了对猎户星计划的认真研究。制造猎户星星际飞船是我所能想到的利用核武器的最好方法。
最近，英国星际学会提出了戴达罗斯计划。它是以核聚变反应堆为基础的，核聚变反应堆是一种比现有的核电站所采用的核裂变反应堆更安全、更有效得多的反应堆。我们现在尚未造出这种反应堆。但他们深信，再过几十年肯定会制造出来。猎户星计划和戴达罗斯计划的飞船速度只有光速的1／10。 因此，要到达距我们最近的半人马座α星（4.3光年），只需要43年的时间，这比人的一生短，这种飞船的飞行速度与光速的差距还很大，相对论所阐明的时间膨胀原理还不会明显地显示出来。尽管我们希望现在就可以建造猎户星飞船，但根据对技术发展的最乐观估计，在21世纪中期之前，不大可能造出猎户星飞船、戴达罗斯飞船，或者与它们类似的飞船。
要到最近的恒星以外去旅行，还有其他的问题必须解决。也许，猎户星飞船和戴达罗斯飞船可以作为多代飞船，那些到达另一颗恒星的卫星上的人可能是几世纪前出发的人的遥远后代。也许将会发明一种安全的冬眠方法，将宇航员冷冻起来，使他们处于休眠状态。经过若干世纪后再使他们重新复苏过来。与接近光速的星际飞船相比，这些非相对论性的星际飞船虽然造价可能极其昂贵，但在设计、建造和使用上看起来较为容易。只要进行不懈的努力，人类是可以到达其他恒星世界的。
进行高速的星际飞行--以接近光速航行，不是经过100年，而是要经过1000年，甚至1万年的努力才能达到的目标，但在原则上它是可能的。R·W·巴萨德提出了一种冲压喷射飞船的设计方案，利用冲压喷射的方法把太空中弥散的物质，主要是飘浮在星体之间的氢原子，聚集到冲压喷射发动机后，再从发动机尾部喷射出去。这些氢原子既用作发动机的燃料，又是聚变反应的物质。但是在宇宙空间的深处，每10立方厘米（相当于一串葡萄的体积）大约只有一个氢原子。要使冲压喷射发动机正常工作，发动机前部的漏斗形接纳口直径需要几百公里之大。当飞船达到相对论原理所需的速度时，氢原子相对于飞船就会以接近光速运动。假如不采取足够的预防措施，宇宙飞船和宇航员就会被所诱发的宇宙射线所焚灭。已经提出的一种解决办法是利用一个激光器把星际间飘浮的原子中的电子剥离出来，并在原子尚未靠近飞船时使它们变成带电的粒子，再用一个极强的磁场使带电粒子直接吸人漏斗形进口，而不与飞船的其他部分接触。不过在技术上人类目前还做不到这一步。我们现在所谈论的还只是小型发动机。
但是，还是让我们来设想一下这种飞船。我们知道，地球以某种力吸引着我们，当我们从空中下落时，就会受到加速作用。假如我们从一棵树上掉下来--我们的始祖一定有过这种经历，我们的降落速度会越来越快，每秒钟增加大约10米（或约32英尺）。这样的加速度称为1g，它表示地球的吸引力。在一个重力加速度（1g）的情况下，我们不会有任何不适的感觉，因为我们一直就生活在一个重力加速度的环境中。假如我们生活在一艘星际飞船中，飞船的加速度也是1g，那么我们对飞船的环境也会完全适应。实际上，地球的引力与同样加速度的飞船中所感觉到的力是等价的，这正是爱因斯坦后来提出的广义相对论的重要特征。以一个重力加速度的速度不断增加下去，我们在宇宙空间航行一年以后，速度就会接近光速[（0.01公里／秒2×3×107秒）＝3×105公里／秒]。
假定有这样一艘飞船，以1g的加速度加速，越来越接近光速，一直到航程的中点，然后反过来以1g的加速度向预定的目标减速。这样，在飞船的大部分航程中都将以近于光速的速度飞行，因而时间将大大减慢。一个最近的飞行目标是可能有行星的巴纳德恒星，距地球约6光年。那么照飞船上的时钟计算，大约8年的时间就可到达巴纳德恒星；到银河系的中心需要21年；而到达仙女星座的M31星体则需要28年的时间。当然，对地球上的人来说情况是截然不同的。到达银河系中心，对飞船上的人来说只用了21年，但在人世间，时间已经流逝了3万年，因此当我们返家时，前来迎接的将都是些陌生的面孔。原则上，这样一种旅行是以更接近光速的速度进行的，因此只需要大约56年的飞船时间就可以环绕已知的宇宙飞行一圈。返回地球时，人间已过了几百亿年，地球早已变成一片焦土，太阳也已混灭。高度发达的文明能够乘相对论式的飞船进人宇宙，但也只限于参加宇航的人，而且他们无法以超光速的速度发出信息，与地面上的人互相联络。
达·芬奇的飞机模型不能与现代的超音速飞机同日而语，而人们现在设计的猎户星飞船、戴达罗斯飞船以及巴萨德的冲压喷射飞船更不能与将来实际的星际飞船相提并论。尽管如此，只要我们不自我毁灭，我相信总有一天我们会成功地飞向其他星系。即使我们的太阳系已探索尽了，还有其他星系的行星在向我们召唤。
空间旅行与时间旅行二者是相互关联的。只有能迅速地进人未来，我们才能快步进人空间旅行。但过去了的时间怎么样呢？我们能够返回过去，并改变它吗？我们能够使历史事件改变其模样吗？我们始终在向着未来迈进，但却是慢吞吞地，一天一天地走向未来。靠相对论式的宇宙飞船，我们可以迅速地飞向未来。不过许多物理学家认为，返回过去的飞行是不可能的事。他们认为，即使有某种飞行器能在时间上向后飞行，那也无济于事。因为假如你能进人过去，而又不与你的父母相遇，那么你自己又是从何而来的呢？这就是一种矛盾了，因为你明明已经在于现世了。就像证明2的平方根是无理数一样，也如同讨论狭义相对论中的同时性一样，这是一个前提有问题的论证，因为其结论显得很荒唐。
另有一些物理学家则认为，两种互不相容的历史，两种同样实在的事实可以并行不悖。一个是你所了解的，而另一个则是你尚未出生时的。尽管我们只能经历其中的一种历史、一种事实，但时间本身或许是多维的。假如你能退回到过去，并能改变过去，譬如劝说伊莎贝拉女王不要支持哥伦布，那么历史事件的顺序就完全改变了，而随后的发展则难以知晓了。假如这类时间上的倒转旅行是可能的，那么在某种意义上说，任何所能设想的历史变迁就都可能出现。
历史在很大程度上是各种社会、文化和经济力量错综复杂的交织，不容易-一阐明。不断发生的无数细小而又难以预料的偶然事件，一般说来并没有什么深远的影响，但是在重大关头发生的某些小事件却可能改变历史的面貌。在某些情况下，某些相对很平凡的事件可能会引起深刻的变化。这样的事件距现在越久远，其影响也越加强大有力，因为时间杠杆也就变得越长。
小儿麻痹症的病毒是一种极小的微生物，我们每天都要接触成千上万个这种微生物。所幸的是，只有极少数的场合，它们才会侵入人体，引起这种可怕的疾病。美国的第32任总统F·O·罗斯福就得过小儿麻痹症。这种疾病会削弱人的意志，也许正因为如此，才使罗斯福比较同情受压迫者，也许正因为这种疾病，才促进他为成功而奋斗。假如罗斯福具有另一种个性，或者如果他从来就没有当总统的欲望，那么30年代大萧条、第二次世界大战和核武器发展的结局可能会大不相同，世界的面貌就可能大大改观，然而，一个病毒是微不足道的，直径只有百万分之一厘米，几乎是可以忽略的。
另一方面，如果时间可以倒退，我们能够劝说伊莎贝拉女王相信，哥伦布根据埃拉托色尼地球是圆形的估计所提出的地理见解是错误的，哥伦布就永远到不了美洲。同样可以肯定的是，在几十年内会有其他欧洲人向西航行，并发现新大陆。航海技术的进步、香料贸易的诱惑以及欧洲各强国之间的竞争，导致在1500年左右发现美洲成为不可避免的事件。当然，如果不是哥伦布发现了美洲新大陆，就不会有今天的哥伦比亚州或哥伦比亚特区，也不会有俄亥俄州和哥伦比亚大学。但是，即便如此，整个历史的进程仍然会相差无几。要想深刻地影响未来，时间旅行者恐怕要介入一些经过仔细选择的事件中，才能改变历史的面貌。
探测不曾存在过的世界只是一种可爱的幻想。不过通过这种探测，我们却能更好地了解历史的进程，历史也能变成一门实验科学。假如在历史上，像柏拉图、保罗教皇或彼得大帝这类举足轻重的人物从未出现过，我们的世界可能会是另一番景象。如果古希腊爱奥尼亚的科学传统能保存下来并繁荣兴旺，当今的世界又会变成什么样子呢？那种传统若要幸存，将要求当时的各种社会力量具有不同的观点——包括曾经盛行的、认为奴隶制是自然的、合理的观点。如果在 2500年前照亮地中海东部的曙光没有消逝，世界又将是怎样一种景象呢？假如在工业革命前的2000年中，人们一直尊重科学和实验，崇尚手艺和技艺的传统能得到发扬，世界又会是什么景象呢？如果人们更广泛地采用这种有效的新的思维方式，其结果又如何呢？有时我不由得想到，如果照上述情况发展，我们可能会节省一二十个世纪，达·芬奇的贡献也许要提早1000年，而爱因斯坦的功绩可能提早500年。当然，在那样一个迥然不同的世界中，可能不会出现达·芬奇和爱因斯坦。许许多多事物都可能会极不相同。每次射精总有上亿个精子，但只有一个精子能与卵细胞结合，从而产生人类的一个后代。但究竟是哪一个精子能与卵细胞结合，在内外诸多因素中，却往往取决于最次要、最不显著的因素。2500年前，哪怕是一件不足挂齿的小事，如果其发生的过程不同，也不会有我们的今天，我们的位置很可能会被无数其他的生灵所取代。
倘若爱奥尼亚人的思想统治了世界，那么我认为，我们——当然是与现在不同的我们——可能早已到达其他的星球了。我们第一艘去半人马座α星、巴纳德星、天狼星和鲸鱼座τ星的探测飞船可能早已返回了地球。在地球的轨道上可能正在建造一支庞大的星际飞船队，其中包括无人探测船、移民船和巨大的商船，这些船都将航行在浩瀚的宇宙大洋之中。这些船上都可能有符号和文字，如果我们仔细辨认，也许能认出那都是希腊文。而且在首批星际飞船的船首符号中，可能会发现一个12面体，上面刻着“来自地球的‘西奥多罗斯’号星际飞船”的字样。
在我们这个世界的时间表上，事物的进展总是有点慢慢腾腾，我们远未做好到其他星球去的准备。但再过一二个世纪，当人类探测完整个太阳系时，我们也许就做好了这种准备，无论在意志上，还是在资源和技术知识上，都做好了去其他星球的准备。那时，我们将可以去考察千差万别的其他遥远的行星系。我们将会发现，有些行星与我们地球极其相似，而有些行星则完全不同。我们将会知道该到哪些星球去访问。我们的飞船，我们的后代——泰勒斯、阿里斯塔恰斯、达·芬奇和爱因斯坦的后代，将能轻易地跨越若干光年的遥远距离。
宇宙中究竟有多少行星系我们还不清楚，但为数肯定不少。仅在我们附近就不止一个，至少有4个，即还有木星系。土星系和天王星系。每个行星系都有各自的卫星，这些卫星的大小和跨距都酷似环绕太阳的行星。对质量相差很大的双星的统计外推表明，几乎所有像太阳一样的双星都应该有行星系的伴随。
其他恒星的行星在各自的太阳的强烈照射下，只是一个个小光点，因而我们不可能直接看到它们。但我们却能探测出一个不能直接看到的行星，对一个已经直接观测到的大星的引力作用。设想有一颗星，具有很大的“自行”力，以更遥远的星座为背景运动几十年，这颗星有一个大行星，质量与木星类似，轨道平面恰巧与我们的视线成直角。在我们看来，当这颗暗行星位于恒星的右边时，恒星会因引力的作用稍许向右偏移。反之则会往左偏移。因此，恒星的运行轨道会改变或受到扰动，不是以直线，而是以波形线运行。可以用引力振动方法确认的最近恒星是巴纳德星，它是一颗最近的单独的恒星。在半人马座α星中，3颗星的相互作用非常复杂，使研究其质量小的伴星变得十分困难，即使对巴纳德星的研究也颇为费力。用望远镜观测数十载得到的照像底片就是用显微镜也难于分辨其位移情况。人类对巴纳德星周围的行星进行过两次这样的研究。从某种意义上说，两次都颇为成功，表明存在两颗或两颗以上的行星，行星的质量与木星差不多，运行在同一轨道上，其轨道半径略比木星和土星与太阳的距离小（根据开普勒第三定律计算）。但遗憾的是，这两组研究的结果看起来似乎相互矛盾。可能我们确实已经发现了巴纳德星的行星系，但确切的证实还有待于今后的研究。
人们正在研究用其他的方法来探测环绕恒星的行星。其中一种方法是人为地遮掩住其他恒星的微弱的光，即在天文望远镜镜头前安上一个圆形挡盘，或以月亮的黑暗边缘作为挡盘，这样，恒星旁边的行星所发出的光就能显现出来。在以后的几十年中，我们或许就能确切地回答，离我们最近的上百个恒星中，究竟有哪些恒星具有大行星或伴星。
近年来的红外观测表明，在一些邻近的恒星四周有许多可能是形成行星之前的碟形气尘云。同时，某些理论研究也得出令人振奋的结果，认为行星系统在银河系里是常见的现象。利用计算机研究了被认为是导致恒星和行星形成的扁平、密集。碟形气尘云的演变。盘状体最初凝聚形成的小块状物质，会不时地喷入云中，块状物质在运动过程中不断吸积尘粒，当它们变得足够大时，就会产生引力，吸引云团中的气体，主要是氢。当两块运动中的块状物相碰撞时，计算机使它们吸积在一起。上述过程一直进行到气尘以这种方式全部被结合完为止。结果取决于初始的条件，尤其是气体和尘埃的密度随与云团中心距离远近而分布变化的情况。但在一系列合理的初始条件下，会形成近似于我们太阳系的行星系，即大约10个行星，类地（球）行星靠近恒星，而类木（星）行星在最外圈。在其他情况下，不会形成行星，而仅仅产生弥散的小星状体；或者在恒星附近形成巨大的类本行星；或者一颗类木行星吸积了大量的气体和尘埃而变成一颗恒星，形成一个双星系。似乎在整个银河系中可以发现大量各种各样的行星系，但现在还不能完全肯定，而且我们认为，很可能所有的恒星都来自这样的气尘云。在银河系中可能有上千亿个行星系，等待着我们去探测。
这些行星中没有一个会与地球相同。看起来大多数行星的条件都是恶劣的，只有少数几个可能是宜人的。其中许多行星的景色将是极其美丽壮观的。在某些行星上，白天会有许多太阳在天空照耀，夜晚则有许多月亮倾泻着银光，或者在地平线上咆哮着巨大的粒子环。一些月亮可能离行星很近，以致它们的卫星高挂在大空，遮住了半边天际。某些行星可能看起来像巨大的气状星云，它们是以前一颗普通恒星毁灭后的残迹。在所有这些世界的天空中充满了遥远的外来星座，其中可能会有一个暗黄色的恒星，一颗用肉眼观察不到的、只有用望远镜才能看到的恒星，它是探测银河系这一小小区域的星际飞船队的发源地。
如前所述，空间和时间是互相缠结的。行星和恒星也和人一样，有出生、成长和消亡的过程。人的寿命一般只有几十年，而太阳的寿命则比1亿年还长。与一颗恒星的寿命相比，我们就好比蜉蝣一样，朝生暮死，不到一天就结束了生命。在这种短命的生物看来，人类是迟钝的、令人厌倦的、几乎不动的、几乎什么事情也不做的。而在恒星看来，人生不过只是短暂的一瞬，只是亿万短暂生命的一员，虚弱地挣扎在一个由硅酸盐和铁组成的酷寒而又坚硬的、极其遥远的星球表面上。
在宇宙所有的行星上，无时无刻不在发生着各种事件，它们决定着行星的未来。而在我们这个小小的星球上，此时此刻正处在一个历史的转折关头，不亚于 2500年前古爱奥尼亚科学家所面临的转折。我们今天的所作所为将影响到若干世纪，并在很大程度上决定我们子孙后代的命运。如果星球也有命运的话，也将影响到它们的归宿。
第九章 恒星的生命
第九章 恒星的生命
太阳神睁开双眼，埃及大地撒满阳光，当他闭上眼睛，埃及大地便又陷入黑暗，由此方有白昼和黑夜之分。诸神出于其口，像生出自其眼。万物莫不由他创造。他是金碧辉煌的神童，他的光芒使所有的生命都显得生气勃勃。
引自古埃及托勒密王朝时期的禅语
上帝创造的物质颗粒的形状和大小各异，……也许密度和引力也不相同。因此，自然规律才会千变方化，宇宙也才会千姿百态。至少我看不出这一切有什么矛盾之处。
牛顿《光学》
夜空高悬，星光闪闪：我们常常躺在地上，仰望群星，谈论着这些星星究竟是创造出来的还是自然产生的。
马克·吐温《哈克贝利·芬》
每当我……极需得到……宗教的安慰时，我就到户外去描绘夜空的繁星。
荷兰画家梵·高
制作苹果馅饼需要小麦和苹果，还要这儿加一点、那儿添一撮，最后用炉子烘烤。馅饼的配料是由分子组成的，比如糖分子或水分子。这些分子又是由碳原子、氧原子、氢原子及少数其他原子组成的。这些原子又来自何方呢？除氢原子外，其他的原子都是星体造就的，一个星球就像一个宇宙灶，能把氢原子烧制成较重的原子。星球是由星际的气体和尘埃凝聚而成的，氢是这些气体和尘埃的主要成分。氢是在宇宙大爆炸中生成的。假如你想从头开始制作苹果馅饼，你就必须首先创造宇宙。
假如把一个苹果馅饼切成两半，将其中的一半再切成两半，按照德漠克利特的想法这样切下去，要切多少次才能切成原子呢？答案是：大约要连续切90次。这当然是不可能做到的。因为不会有这么锋利的刀，况且馅饼又极易破碎；原子非常小，肉眼无论如何是看不见的。不过，还是有办法做到的。
在1910年前后的45年中，人们在英格兰剑桥大学首次揭示了原子的本质。这个方法之一是：用原子碎片轰击原子，再观察它们是如何跳出来的。典型的原子外层裹着一层电子云。电子就是带电的粒子，它所带的电荷被随机地规定为负电荷。电子决定原子的化学性质，因此才有光灿灿的金子，冷冰冰的铁和具有晶体结构的钻石。在原子的内部，原子核深深隐藏在电子云里面，它是由带正电荷的质子和中性的中子组成的。原子非常小，1亿个原子首尾相连也只有小指尖那么大。而原子核则更小，只有原子的十万分之一。难怪人们用了这么长的时间才发现原子核①，然而，原子的大部分质量却集中在原子核内。相比之下，电子犹如漂浮的绒毛。由此可见，原子内部充满了空间，物质内部是很空虚的。
我就是由原子组成的，我放在桌子上的胳膊肘就是由原子组成的，桌子也是由原子所组成的。既然原子如此之小，原子内部又是如此之空虚，原子核甚至更小，那么，为什么桌子能把我撑住？为什么我的胳膊肘的原子核不会轻易地滑进桌子的原子核中去呢？为什么我不会卷成一团或者掉到地球的另一端呢？A·爱丁顿就是经常这样问自己的。
答案在电子云里。我胳膊肘中的原子外层有负电荷，桌子中每个原子的外层也都有负电荷，这些负电荷相互排斥。我的胳膊肘之所以不会穿透桌子，就是因为原子核周围有电子，这些电子的电力是很强的。日常生活中的一切无不依赖原子的结构。如果去掉原子中的电荷，任何事物都将变成看不见的微尘。没有这种强大的电的作用力，世界上就不会有物体，而只有四处漂游的电子、质子和中子以及基本粒子的引力球——支离破碎的宇宙残骸。
当我们假定将苹果馅饼切成单一的原子时，我们面临着一个无穷小的问题；当我们抬头仰望夜空时，我们则碰到一个无穷大的问题。这些无穷是时空的无穷回归：在空间上没有尽头，在时间上没有穷尽。如果你站在理发店的两面镜子之间，你会看到你本人的许多映像，每一个映像都是另一个映像的反映。但你不可能看到无穷无尽的映像，因为镜子不可能绝对平整，光传播的速度也不是无穷快，同时，你站在镜子中间阻碍了光的反射。这里所谓的“无穷大”是一个比任何数字都要大的数。
有一次，名叫E·卡斯纳的美国数学家要他9岁的侄子为一个非常大的数字取个名字，这个数是10的100次方，即1后面跟着100个零。这个孩子称这个数为“Googol”，写出来是10000000……。你也可以自己组成一个非常大的数，再给它起个奇妙的名字。试试看，这是顶有趣的，特别是如果你碰巧也才9岁。“Googol”（10100）似乎够大的了，再设想一下“Googolplex”（10 10100 ）它是10的10100次方，即1后面跟 10100个零。人体中原子的总数大约为炉，而在能观察得到的宇宙中，基本粒子——质子、中子和电子——的总数大约是1080。如果宇宙是由中子填充的实心体②，也就是说，在宇宙中不留任何空间，所需的中子数大约为 10128。这个数目与“Googol”相比是大得多了，但与“Googolplex”相比就微乎其微了。况且“Googol”和“Googolplex”都谈不上接近无穷大。确切地说，它们同无穷大的距离与1同无穷大的距离是一回事。如果有人试图写出“Googolplex”，这只能是毫无希望的侈想。即使有一张纸大到足以清晰地容纳下“Googolplex”所包含的所有的零，整个已知的宇宙也塞不下这张大纸。幸好“Googolplex”有一个很简单的表示法：10 10100 ，无穷大也有相应的表示：“∞”（读作“无穷大”）。
烧焦的苹果馅饼大部分变成碳。切90次即可得到碳原子。碳原子核中有6个质子和6个中子，外层云中有6个电子。假如我们从原子核中取出一小块，比如说一块带两个质子和两个中子的碎片，它将不再是碳原子核，而是氦原子核。在核武器和普通的核电厂中所进行的正是这种原子核的切割或裂变，只是它们所分裂的不是碳。在你第91次切割苹果馅饼时，或者当你从碳原子核上切下一薄片时，你所得到的不是一小块碳，而是化学性质完全不同的其他原子，这就叫做“元素嬗变”。
让我们来进一步探索这个问题。我们知道，原于是由质子、中子和电子组成的。那么，我们能分割质子吗？假如我们在高能条件下用其他基本粒子（比如质子）来轰击质子，我们就可以看到隐藏在质子内部更基本的粒子单位。物理学家现在认为，像质子和中子等所谓的基本粒子，实际上是由称为夸克的更基本的粒子组成的。夸克的性质可以说是“色香味俱全”，这样说是为了让人们更好地理解原子核世界。夸克是物质的最小组成单位吗？或者它自身也是由更小更基本的粒子组成的？我们对物质性质的认识是否已经到底了？是否还存在着无限的越来越小的基本粒子呢？这是科学上还没有解决的一个最大的问题。
在中世纪的实验室中，为了探求炼丹术，人们曾经探索过元素的嬗变。许多炼丹士都相信，所有的物质都是4种基本物质——水、气、土和火——的混合物。这是爱奥尼亚人的一种古老的推测。他们认为，通过改变土和火的比例，铜就可以变成金。这种谎言颇为迷人。卡格里沃斯特洛和圣·杰耳曼伯爵一类的骗于自称不仅可以点铁成金，而且还通晓长生不老的奥秘。他们有时把金子藏在搅棒的一端，然后装模作样地演试一番，最后让金块奇迹般地在坩埚中出现。炼丹士以财富和长生不老作诱饵，从欧洲贵族身上骗走了大量金钱。当然，严肃的炼丹士也还是有的。如巴拉塞尔士，甚至还包括文萨克·牛顿。当然，炼丹士诈骗到的钱并没有完全白费掉，他们发现了磷锑和汞等新的化学元素。事实上，现代化学的兴起可以直接追溯到这些炼丹士的试验。
天然存在的化学性质不同的原子，共有92种，称为化学元素。直到近代，我们行星上的一切都是由这些元素所组成的，但它们主要以分子的形式存在。水是由氢和氧原子组成的，空气主要由氮（N）、氧（O）、碳（C）、氢（H）和氩（Ar）原子组成，以 N2、O2、CO2、H2O和Ar，分子形式存在的地球本身就是形形色色的原子的混合物，其中主要是硅、氧、铝、镁和铁的原子。火并不是由化学元素所组成，而是高温下失去电子的原子核构成的热辐射等离子体。从现代观点来看，古代爱奥尼亚人所说的以及炼丹术的所谓4种元素——水、气、土、火，实际上根本不能称为元素，因为其中之一的水是一种化合物，另两种（土和气）是混合物，而火则是一种等离子子体。
自炼丹士时代以来，越来越多的元素已被发现，越后发现的元素越是稀有的元素。组成地球的元素或成为生命基础的元素是最常见的元素。在室温下有些元素是固态，有些呈气态，而溴和汞二种元素则呈液态。科学家根据元素的复杂程度将它们按次序排列成表。氢是最简单的，为1号元素；最复杂的是铀，为92号元素。还有一些元素是我们不太熟悉的，如铪、饵、镝和镨，这些元素在我们口常生活中极难碰到。大体上说，愈是我们熟悉的元素愈普遍存在。地球含有大量的铁，而钇的含量却相当少。当然，这个规律也有例外。例如金或铀都很贵重，因为它们可以用来制造金币或装饰品，或者因为它们具有极大的实用价值。
原子由3种基本粒子——质子、中子和电子一——组成。这一事实直到近代才被发现，而中子则迟至1932年才被发现。现代物理学和现代化学的创立，把错综复杂的世界简化到了令人吃惊的程度：千姿百态的物质世界只是由3种粒子以不同式样排列组成的。
中子，顾名思义，是不带电荷的。质子带正电荷，而电子则带有与质子等量的负电荷。电子与质子所带的不同电荷之间的相互吸引力使原子得以结合在一起。由于每个原子都是中性的，原子核中质子的数目必定与电子云中的电子数目相等。原子的化学性质只取决于电子的数目。电子的数目（也就是质子的数目）称为原子数。毕达哥拉斯一定会赞同如下观点，即化学仅仅是一门数字的科学。具有1个质子的原子必定是氢，2个是氦，3个是锂，4个是铍，5个是硼，6个是碳，7个是氮，8个是氧，以此类推，具有92个质子的原子必定是铀。
同性电荷互相排斥。这就是我们所说的“同类相克”——犹如隐士碰上了厌世者。电子排斥电子，质子排斥质子。那么，原子核是怎样捏合在一起的呢？为什么不会各飞东西呢？这是因为其中还有另一种自然力的存在，它既不是引力，也不是电力，而是一种近程核力。只有在质子和中子靠得非常近时，这种力才起作用。它像一排排的钩子，将质子和中子互相拉扯在一起，从而克服了质子间的排斥力。中子只产生核吸引力而不产生电排斥力，它像胶水一样把原子核粘在一起。纵使“隐士”性格孤僻，彼此之间仍可以和睦相处。
氦的原子核里有两个质子和两个中子，它的结构非常稳定。3个氦原子核构成一个碳原子核，4个构成氧原子核，5个构成氖原子核，6个构成镁原子核，7个构成硅原子核，8个构成硫原子核，如此等等。每当我们增加一个或几个质子及足够数目的中子使原子核凝聚在一起时，我们就制造出一种新的化学元素。如果我们从汞中取出一个质子和3个中子，我们就可以得到金——这是古代炼金士们梦寐以求的事情。铀以外还有一些其他的元素。在地球上，这些元素不是天然存在的，而是人工合成的，而且很容易分解。第94号元素叫钚，是已知最毒的一种元素。不幸的是，它的分解速度相当慢。
天然存在的元素又是来自何方呢？我们不妨详细考察一下各种原子各自形成的过程。整个宇宙几乎到处都存在着氢和氦，这两种最简单的元素占宇宙物质的99％。事实上，人们在地球上发现氦之前就已经在太阳上发现氦的存在，所以才把它命名为“Helium”（取自希腊的太阳神Helios）。其他元素是否可能是从氢和氦演化而来的呢？核物质必须靠得很近才能抵消电斥力，从而使近程核力起作用。但这种情况只有在几千万度的高温下才能发生，因为在这样的高温下，粒子的运动速度极快，以至于斥力来不及起作用。在自然界里，只有星体内部才有这样的高温和因此而产生的高压。
人类研究了太阳离地球最近的恒星表面发出的各种波的波长，其中包括无线电电波、普通可见光和X射线等。太阳并不像阿那克萨哥拉所设想的那样是一团炽热的石头，它是由氢和氦组成的一个巨大的球体，由于高温而发出灼热的白光，就像火钳在炽热的火炉里发出白光一样。当然阿那萨哥拉的见解并不是完全错误的。猛烈的太阳风暴会使太阳发出明亮的耀斑，严重地干扰地球上的无线电通讯。太阳风暴还会使太阳形成巨大的拱形羽状热气层——日珥。日珥受太阳磁场的控制。与日珥相比，地球显得渺小多了。有时在太阳下山时用肉眼可以看到太阳的黑子，它们实际上是太阳里磁场强度较大、温度较低的区域。所有这些连续的动荡扰动，都发生在相对温度较低的可见表面。我们看到的只是温度约为6000度的太阳表面。太阳内部的温度高达4000万度，太阳光就是从那里发射出来的。
恒星及其伴随的行星是在星际气体和尘埃发生引力崩塌时产生的。星云中分子间的相互碰撞使温度升高，最后氢开始聚变成氦，即4个氢核结合成一个氢核，并释放出了射线光子。光子被上面的物质交替地吸收和发射，逐渐向恒星表面移动，而且每移动一步都要损失一部分能量。光子这种漫长的迁移过程需要100万年的时间，最后才变成可见光到达恒星表面，并向星际空间发射。结果恒星发亮了，原先的星云引力消失了。恒星外层的重量被内部核反应所产生的高温和高压支撑住。50亿年来，太阳就是处于这样的一种稳定状态之中。像氢弹内的热核反应一样，太阳内不断地发生着抑制性的爆炸。这种爆炸为太阳提供了能量，每秒钟大约有4亿吨（4 × 1014克）的氢转换成氦。当我们仰望夜空中的繁星时，我们所看到的就是遥远的核聚变发出的光亮。
在天鹅星座Deneb星（天鹅星座的一等星）方向上，有一个巨大的、由炽热的气体组成的超级发光气团，它可能是气团中心附近发生的超新星大爆炸和旧恒星泯灭产生的。在其外缘，星际物质在超新星冲击波的重压下，触发出新一轮的星云引力崩塌和新星的形成。从这个意义上说，星体也有双亲，双亲之一可能在孩子出生时死亡，正如人类有时也会发生这种情况一样。
像猎户座星云那样巨大的高度压缩的复合星云，能成批地产生像太阳一样的恒星。从外部看，这样的星云表面似乎暗淡无光，但星云内部却被炽热的新生星体照耀得灿烂辉煌。后来，这些星体离开了它们的生育之地，邀游到银河系去，在那里寻求自己的前程。成长起来的星体周围仍然带有成簇的发光云雾，它们是在引力作用下仍然吸附着的原生气体的残余。金牛座的昂星团是一个最新的例子。像人类的家庭一样，成年后的星体也会离家远走，致使兄弟姊妹之间很少团聚。在银河系的某些地方就有太阳的兄弟姊妹，其数目可能多达几十个，而且是由同一个星云在50亿年前产生的。但是，我们目前还不清楚它们都是哪些星体，只知道这些星体可能位于银河系的另一侧。
在太阳中心，由氢转化为氦的反应不仅发射出可见光的光子而使太阳光芒四射，而且还产生更神秘的、难以捉摸的辐射：太阳靠中微子发出微弱的光。中微子与光子一样，无重量，以光速传播，但中微子不是光子，它不是一种光。中微子与质子、电子和中子一样，具有固有的角动量，或称为“自旋”，而光子是根本没有自旋的。对中微子来说，物质无所不能穿透。它几乎能毫不费力地穿过地球和太阳，只有极小部分被干涉物质阻滞而不能通过。在我们朝太阳直视一秒钟时，有10亿个中微子穿过我们的眼球。当然，中微子不会像光子那样停留在视网膜上，而是势不可挡地穿过我们的头。奇妙的是，在晚上，我们低头朝着太阳的方向——地面时（就好像我们的脚下没有地球把太阳挡住一样），几乎有等量的太阳中微子穿过我们的眼球。像可见光可以轻易地穿透玻璃那样，中微子可以轻易地穿透地球。
如果我们对太阳内部的认识能像我们所想象的那么透彻，而且又懂得中微子产生的核物理学，那么我们就可以准确地计算出单位时间内在单位面积上所接收到的太阳中微子数量（譬如在我们的眼球上每秒钟所接收到的中微子数）。然而，要用实验的方法验证计算所得到的数据是相当困难的，因为我们不可能捕捉到穿过地球的中微子。但在大量的中微子中会有一小部分与物质相互作用，在条件适当的情况下还是可以检测到的。中微子偶然间可以将氯原子转变成氩原子，但质子和中子的总数不变。我们需要大量的氯，才能验证所谓的太阳中微子流的预言。为此，美国物理学家把大量洗涤液倒进南达科他州利德地区的霍姆斯特克矿井，采用微量化学的方法，从氯中除去新生的氩。从而可推断：产生的氩愈多，中微子也就愈多。实验表明，太阳的中微子比计算所预计的要少。
这至今仍然是一个不解之谜。虽然低太阳中微子流不至于危及我们关于星体核合成的理论，但肯定具有某种不可忽视的意义。有的人认为，中微子在从太阳到地球的迁移过程中裂成碎片；有的人认为，太阳内部的核火焰被暂时封闭，缓慢的引力收缩过程是产生现在这种太阳光的原因之一。当然，中微子天文学还是一门非常新的学科。但是，目前我们已经发明了一种奇妙的工具，可以用它直接观察炽热的太阳核心。随着中微子望远镜灵敏度的提高，我们还可能观测邻近星体深处的核聚变反应。
由于在太阳或者其他星球的核心里的氢燃料是有限的，氢的聚变不可能永远持续下去。一个星体的命运，一个星体的生命周期的完结，在很大程度上取决于它的原始质量。一个星体在太空中消耗了它的部分物质之后，如果它的质量还有太阳的质量的二三倍，那么，它的生命循环方式将与太阳绝然相同。但是太阳的运数已够壮观了。五六十亿年以后，当太阳中心的氢全部转化成氦的时候，氢聚变区将慢慢向外——向热核反应的膨胀壳——迁移，迁移到温度约为1000万度的地方。同时，太阳的自重将迫使其富含氦的核心重新收缩，使内部的温度和压力又进一步升高。氦核将更密集地堆集在一起，以致开始互相渗透。尽管存在着电荷间的斥力，但此时近程核吸引力开始起作用。灰烬又变成燃料，太阳将开始第二轮核聚变反应。
这个过程将产生元素碳和元素氧，为太阳在一定的时间内的继续发光提供新的能源。星球犹如埃及神话中的凤凰。相传这种鸟每500年自行焚化一次，然后由灰中再生③。在太阳外壳的氢聚变和太阳中心的高温氦聚变的共同作用下，太阳将发生根本的变化：外层膨胀、温度降低，变成一颗红色巨星。它的外表将远离其内核，结果表面引力将变得很微弱。它的大气层将以星球飓风的形式扩散到宇宙空间。当太阳膨胀成一颗红色巨星时，它将把水星和金星——甚至地球——完全吞没。整个内太阳系都将被太阳吃掉。
再过几十亿年，地球上的美好时期就会结束。以后太阳将慢慢地发红、膨胀。整个地球，包括两极，都将酷热无比。地球北极和南极的冰冠将消融，整个地球会成为一片汪洋。由于高温，更多的海水将蒸发到空中，使天空变得雾气腾腾。因为云雾遮住了阳光，地球的末日可能向后推延。但太阳的演变是无情的。海水终将沸腾，大气层势必蒸发到太空中去，我们这颗行星将遭受到最大的灾难④。到那时，人类肯定会进化成另一副模样。我们的后代也许能控制或调节星体的进化，或者只好卷起铺盖，搬到火星、土卫二或土卫六上去住，或者像R·戈达德所设想的那样，到某个年轻的、充满希望的行星系去寻找尚未开发的新天地。
利用太阳的星尘做燃料是有一定限度的。总有一天，太阳内部将完全由碳和氧组成，那时的温度和压力将无法继续维持核反应。当太阳中心的氦快用完时，其延缓的崩塌过程将重新开始，温度将再度上升，从而引起最后一轮的核反应，并使大气层相应地有所膨胀。在这最后毁灭的过程中，太阳将发生缓慢的脉动，每隔几千年伸缩一次。最后，大气层中的物质都将被他入宇宙空间，形成一个或几个同轴的气壳。因为太阳炽热的核心已经暴露，它的紫外光会将气壳淹没，还会形成斑斓缤纷的红色和蓝色的荧光，一直延伸到冥王星轨道以远的地方。太阳中的一半物质大概会以这种方式损耗掉。到那时，太阳崩溃所产生的强光将充满整个太阳系。
当我们从地球这个银河系的角落里举目四望时，我们可以看见许多星体被闪光的球形气团——行星状星云——所包围。这些星体并不是行星，不过其中有些很像在低倍望远镜里所看到的天王星和海王星的蓝绿色圆盘。这些气团乍看起来呈环形，因为它们像肥皂泡一样，边缘比中心看得更清楚。所有行星状星云都是恒星的外层标志。在靠近星体中心的地方可能有一些已经死亡了的天体，它们是曾经充满生机的行星的残骸，现在既无空气也无海洋，笼罩在微弱的亮光之中。太阳的残骸，即裸露的太阳核，最初包裹在行星状星云之中，后来变成一个炽热的小星球。它在空间逐渐变冷、收缩，密度大到空前惊人的程度——一汤匙大小的物质重达1吨以上。再过几十亿年，太阳就会退化成一颗白矮星，像我们所看到的行星状星云中心的亮点。它的表面高温度逐渐冷却，最终成为一颗暗淡无光的、死气沉沉的矮星。
质量大致相同的两颗恒星的演化速度大抵相同。不过，质量较大的恒星核燃料的消耗速度要快些，变成红巨星的时间也会早些，而且会首先衰退成白矮星。因此，应该有、也确实有许多双星体存在。在这些双星体中，一个是红巨星，另一个是白矮星。有些双星体紧靠在一起，灼热的星气流便直接从膨胀的红巨星流向致密的白矮星，在白矮星表面的某个特定的区域着陆。氢原子在白矮星的强引力作用下、不断地聚集在一起，压力和温度不断地升高，直到来自红巨星的大气物质发生热核反应，使白矮星短暂地闪烁出明亮的光辉。这样的双星体称为新星，其来源与超新星大不相同。新星只能在双星体系内形成，其能量来源于氢原子的核聚变。而超新星则只存在于单星体之中，其能量来源于硅原子的核聚变。
在星体内部合成的原子通常都要返回到星际气体中去。红巨星会将它们的外大气层喷射到星际空间去，行星状星云就是类太阳恒星不断喷射其外层物质后的最终产物。超新星迅速地将它的大部分物质喷射到星际空间去。返回星际气团的原子自然是星体内部热核反应最易产生的原子：氢原子聚变成氦，氦聚变成碳，碳聚变成氧。在大恒星内，由于氦核不断增加，形成了氖、镁、硅、硫等物质。氦核是逐步增加的，每次增加2个质子和2个中子，一直到生成铁为止。硅原子的聚变也能直接形成铁原子，因为1个硅原子含有28个质子和中子，在几十亿度的高温下，两个硅原子就可以结合成一个含有56个质子和中子的铁原子。
以上都是我们熟悉的化学元素。这样的星际热核反应并不容易生成铒、铪、镝、镨或钇，却容易生成我们日常生活中常见的元素。这些元素返回星际气团，在随后发生的星云崩塌及恒星和行星形成的过程中散尽。除了氢和部分的氦以外，地球上的所有化学元素都是几十亿年前的星体中的某种星体灶制造出来的。这些星体有一部分已经变成白矮星，默默无闻地呆在银河系的另一侧。人体脱氧核糖核酸中的氮，牙齿中的钙，血液中的铁，以及苹果馅饼中的碳，都是在崩塌的星体内部形成的。因此我们可以说，人体是由星体物质构成的。
某些稀有元素则是在超新星的爆炸过程中形成的。地球上金和铀的含量之所以比较丰富，就是因为在太阳系形成之前发生过许多超新星的爆炸。其他行星系中稀有元素的含量可能与地球不尽相同。是否存在这样一些行星，它们的居民炫耀着铝制的首饰、钋制的手镯，而金子却是实验室中难得的珍品呢？假如地球上的金和铀也像镨一样鲜为人知，无足轻重，那么我们的生活是否会大大地改观呢？
生命的起源和进化，在本质上是与星体的起源和演化息息相关的。首先，构成人的物质以及使生命活动成为可能的原子，都是很久以前在遥远的红巨星上形成的。宇宙中发现的化学元素的相对丰度，与恒星中所产生的原子的相对丰度极其吻合，因此，我们有理由相信，红巨星和超新星就是炼制物质的锅和灶。太阳是一个第二代或第三代的星体，太阳中的所有物质以及在我们周围所看到的所有物质，都是星际锅灶在前一轮或前两轮的循环中炼制的。其次，地球上还存在着某些重原子，这一事实表明，在太阳系形成之前不久，可能有一颗较近的超新星发生过爆炸。这次爆炸不大可能是一种偶然的巧合，而可能是由于超新星爆炸所形成的冲击波压缩了星际气体和尘埃，从而导致了太阳系的凝聚。第三，太阳出现之后，它的紫外线大量射入地球大气层，它的热度产生了光照，从而激发了导致生命起源的复杂的有机分子。第四，地球上的生命几乎都离不开阳光。例如，植物吸收光子后将太阳能转化成化学能，动物则以植物为养料。人类的种植活动只不过是利用植物作为媒介来获取太阳光而已。因此我们可以说，我们每个人都是以太阳作为能量来源的。最后，遗传学上的变异为进化提供了原始的材料。变异是大自然选择新生命形式的手段，而宇宙射线——超新星爆炸时以近于光的速度射出的高能粒子——则是产生变异的原因之一。遥远的大恒星的死亡是地球上生命进化的原动力之一。
假如我们把一个盖格计数器和一块铀矿石带到地下深处，譬如说，放在一个金矿井深处，或放在一个火山熔岩洞——由融化的岩浆流过地球而切开的洞穴——深处，当它们受到γ射线或像质子和氦核这样带电高能粒子的照射时；灵敏的计数器就会检测出来。如果把计数器移近铀矿石，计数速率（即计数器每分钟发出的咔嗒声）就会迅速增加，因为铀矿石在自发的核衰变中能释放出氦核。如果把铀矿石放在一个厚的铅筒内，计数速率就会大大减少，因为铅能吸收铀的辐射。但还是可以听到计数器发出一些咔嗒声，其一部分咔嗒声是由洞壁的天然放射性引起的，一部分是由穿透洞顶的带电高能粒子引起的。我们听到的是很久以前在太空深处产生的宇宙射线的声音。在地球的整个生命史中，这种主要由电子和质子组成的宇宙射线一直在不停地撞击着地面。上万光年以外的星体在消亡过程中所产生的宇宙射线，有一部分经过几百万年才穿过银河系，碰巧撞上地球以及我们的遗传物质。在生命遗传码的形成、寒武纪爆炸或我们祖先进化成两足直立的某些关键阶段，很可能就是由宇宙射线触发的。
1054年7月4日，中国天文学家在金牛星座发现了一颗他们称为“客星”的金牛星。这是一颗人们在天空中从未见过的最明亮的恒星。绕地球半固，在美洲的西南部，当时有一个富有天文研究传统的高度文明的民族⑤也目睹了这颗明亮的新星⑥。根据我们发现的一个木炭堆残迹里的C14，我们可以推断，在11世纪中期，有些安奈萨齐人，即今天的荷皮人（生活在美国亚利桑那州东北部的印第安人）的祖先，曾经在现在的新墨西哥州的一块悬垂的山崖下居住过。似乎是他们当中的一个人在悬崖上留下了一幅未受风化的新星图。这颗新星与新月之间的相对位置可能就是图中所绘的那样。在那儿还发现一个手印——也许是那位画家留下的印记。
这颗著名的恒星现在称为蟹状超新星，距地球5000光年。之所以如此称呼这颗星，是因为几个世纪以后，一位天文学家用望远镜观察大爆炸的残迹时，偶然想起它的形状像螃蟹。蟹状星云是一个巨大的恒星爆炸的残留物形成的。这次大爆炸经历了3个月，在地面用肉眼都可以看见。在晴朗的白天很容易看到，就是在晚上，也可以借它的光读书看报。每一个星系中，平均每100年出现一颗超新星。一个典型的星系的生命周期大约为100亿年，也就是说，将有1亿个星球发生爆炸。这个数字是够惊人的，但是尽管如此，在1000个星星中不过只有一个星星发生爆炸。银河系在1054年发生爆炸之后，第谷于1572年发现了一个超新星。稍后，在1604年，开普勒⑦又发现了另一颗超新星。但是自从天文望远镜发明以来，竟然在银河系里还没有观察到超新星的爆发。几个世纪以来，天文学家们对此怨叹不已。
我们现在经常能观察到其他星系中的超新星。1979年12月6日，英国《自然》杂志刊登的D·赫尔方和K·朗的文章足以使20世纪初的天文学家惊讶得目瞪口呆。文章宣称：“1979年3月5日，由9个星际飞行器组成的爆发传感器网络，记录到了极其猛烈的硬X射线与γ射线的爆发。根据飞行时间测定：其位置与大麦哲伦星云中的N49号超新星的残留物位置相一致。”（大麦哲伦星云所以这样命名，是由于在北半球第一个注意到这个星云的人叫麦哲伦。这是银河系的一个小卫星星系，在18万光年以外。既然有大麦哲伦星云，当然也有小麦哲伦星云）但是，同一期杂志还刊登了梅泽兹和他在列宁格勒爱奥弗（Ioffe）学院的同事合写的文章。他们利用装在“联盟11”号和“联盟12”号宇宙飞船上的γ射线爆发探测器，在登上金星的途中，观察到了这个爆发源。他们认为，探测器检测到的是一个发光的脉冲星，离我们只有几百光年。尽管在位置上很接近，赫尔方和朗并没有肯定γ射线的爆发与超新星的残留物有关。他们估计了各种各样的可能性，其中包括如下这样一个令人吃惊的推断：这个爆发源就在太阳系内！也可能是其他星球的飞船在其漫长航行的归途中排出的废弃物。但是，“N49号超新星发生星体爆发”的理论更容易为人们所接受，因为我们已经证实了超新星的存在。
当太阳变成红巨星时，内太阳系的命运如何是一个严峻的问题。但有一点可以肯定，就是行星决不会被喷发的超新星融化和烤焦。只有比太阳还大的恒星附近的行星才会遭受这种厄运，因为大恒星的温度高、压力大，其核燃料的消耗速度也快，生命周期也就比太阳短得多。在发生异常的核反应之前，一个比太阳大数十倍的恒星将氢转化为氦的过程，最多只能持续几百万年。因此，几乎可以肯定没有足够的时间让任何一个行星出现高级生命形式的进化。其他星球上的生命也不可能知道他们的星球会变成超新星。这是因为，如果他们的生命长到足以使他们能明白超新星是怎么一回事，他们的星球也就不可能变成超新星。
超新星爆发的主要条件是：硅聚变成大铁核。在巨大的压力下，星体内部的自由电子被迫与铁原子核的质子合并。等量而相反的电荷互相抵消，结果星球内部变成一个巨大的原子核。原子核所占据的体积比原先的电子和铁原子核所占的体积小得多。星球中心会发生猛烈的爆聚，而其外部则产生回弹现象。超新星就是这样爆发起来的。超新星的亮度可能比该星系中所有其他星球加起来的亮度还要大。预计在今后几百万年内，猎户星座中所有最近形成的蓝白色超巨星都会变成超新星。猎户座将出现连续不断的宇宙烟火。
可怕的超新星爆发会将原来星球中的大部分物质——少量的氢和氦以及数量可观的碳、硅、铁和铀原子——喷射到宇宙空间，剩下的就是由核力束缚在一起的热中子核。这是一个巨大的原子核（原子量达1056），一个直径只有30公里的恒星，一个小得可怜的、皱缩的、密集的、没有生气的星体碎片，一个快速旋转的中子星。当巨大的红巨星坍塌成这种中子星时，它的自转速度显著加快。蟹状星云中心的中子星就是一个巨大的原子核，其大小与曼哈顿区差不多，每秒钟自转30圈。这个中子星强大的磁场在红巨星坍塌过程中得到进一步增强，并能俘获带电的粒子，其作用颇像小得多的木星磁场。在旋转磁场中的电子会产生辐射束。不仅会产生无线电频率范围内的射线，还会产生可见光。如果地球碰巧位于这个宇宙灯塔的光程之内，我们就会看到它每旋转一次就发生一次闪光。因此，我们又把它称为脉冲星。脉冲星犹如一个宇宙节拍器，它会定时闪光，定时发出嘀嗒声。它比最准确的时钟还要准时。通过对某些脉冲星的长期无线电脉冲频率的测定，我们可以推断。，这些脉冲星， 例如PSRO329+52号脉冲星，可能有一个或几个小伴星。我们大概可以这样设想：行星能够在恒星演化成脉冲星时免于毁灭，行星有可能推迟被俘获。要是站在这样的行星表面上望天空。我们将会看到怎么样的一番景象呢？
一匙中子星的质量差不多等于普通的一座山的重量。因此。如果你让一小块的这种物质从手里脱掉（你也只能这么做）、它会像石头从空中落下那样轻而易举地穿过地球。在地球上钻出一个洞，从地球的另一侧——可能从中国——钻出来。那里的人们可能正在外面散步、思考着自己的问题。突然一小块中子星物质从地面冒出来，在空中停留片刻，然后又钻回到地球的下面去。这件事至少可以成为那一天人们拿来消遣的话题。如果一块中子星物质从附近的太空中落下来，当它下落时地球又正好在它的下面转动。那么。它就会反复穿越转动的地球，将地球撞出成千上万个孔。直到它与地球的摩擦所要生的作用力迫使它停止运动为止。在中子星物质停止在地心之前，我们的行星内部早就像一块瑞士乳酪一样千疮百孔了，因此只好等地下的岩石流和金属流来愈合这些创伤。，幸运的是，大块的中子星物质还从来没有在地球上降落过。但小块的这种物质则比比皆是。中子星的这种可怕力量就潜伏在每个原子的原子核中。也就是说。在每只茶杯中，在每只老鼠身上。在每次呼吸之间。以及在每块苹果馅饼中。都存在着这种力量。中子星告诫我们，不要轻视最平凡的事物。
从上面我们已经了解到，像太阳这样的恒星终将结束它的生命而变为红巨星，然后再变为白矮星。一颗质量比太阳大2 倍的恒星坍塌后将变为一颗超新星，然后再变为一颗中子星。那些更大的恒星（例如在经历超新星阶段之后质量比太阳大5倍的恒星）的命运就更加奇特了。重力会使它转变成黑洞。假定我们有一台魔术重力机，那么就可以通过拨动它的刻度盘来控制地球的引力。开始时将转盘拨到1g⑧（g表示重力加速度），地球上所有东西的行为与我们所预料的完全一样，因为地球上的动植物以及所有的建筑物都是按1g演化和设计的如果重力远远小于1g，所有事物的外形都会变得高而瘦长，动物植物和建筑物都不会因自身的重量而倾倒或粉碎。如果重力大于1g，动物、植物和建筑物都会变得粗壮而结实。但是即使在相当强的重力场中，光仍然是直线传播的。
物体的重量随着重力的减弱而减少，当重力趋近于零时，轻微的动弹就会使我们的朋友漂浮起来，并在空中直翻筋斗；茶或其他液体一旦溢出来就变成在空中跳动的圆球，因为这时的表面张力超过了重力。当重力盘恢复到1g时。所有的茶球都会变成茶雨降落下来。当重力盘转到3g或4g时，人人都动弹不得。甚至移动一只脚都是很费力的。在我们继续将重力盘往上拨之前。我们还是把我们的朋友送出重力机的作用范围以外为妙。在重力还只有几个g的情况下，提灯的光束仍旧直线传播（就我们的分辨能力而言，可以说几乎是直线），这与重力为零时的情形没有什么两样。当重力达到1000g时，光束仍然是直的，但树木已经被压扁。当重力达到100万g时，石头由于自身的重量而粉碎。最后，除了那只有特殊豁免权的笑猫以外，没有任何东西能够幸存。当重力接近10亿g时，更不可思议的事情发生了：原来笔直射向天空的光束开始弯曲。在极大的重力加速度下，就是光也受到了影响。如果把重力再加大的话，光就会逆转而返回我们附近的地面。此时，任何宇宙间的怪物已不复存在，剩下的只是龇牙咧嘴的引力。
当重力大到一定程度时，任何东西，哪怕是光，都不能够从中逃逸出来。这样的地方就叫做黑洞。黑洞对周围的一切都是冷酷无情的，它是宇宙中的一种怪物。当密度与重力变得足够大时，黑洞熄灭不见了。之所以称之为黑洞，是因为即使是光也无法从中逃脱出来。由于光被捕捉在黑洞里，所以黑洞到处都被照得明晃晃的。虽然我们从外面看不见黑洞，但它的重力存在却是很明显的。在星际航行中，如果你对黑洞没有给予足够重视，你就可能被黑洞无情地拖进去，你的身体就会被拉成细细的长线。但是，万一你在这样的航行中幸免于难的话，你倒是应该好好地看一看环绕着黑洞所形成的碟形物。
太阳内的热核反应支撑着太阳的外层，使悲剧性的重力坍塌延迟几十亿年。白矮星是靠从原子核中脱离出来的电子压力来支撑的，而中子星则是靠中子压力来抵消重力影响的。但对于超新星爆发和其他激变之后的残骸所形成的质量比太阳大好几倍的晚期星体来说，目前还没有什么已知的力量能够防止它坍塌。这种星体令人难以置信地收缩、旋转、发红、最后消失、质量比太阳大2O倍的星体则会收缩成美国洛杉矾那个样子。当重力骤增到1010时，这种星体会通过自生的裂缝滑到时空的连续统一体中，最终从我们的宇宙里消失掉。
黑洞是英国天文学家约翰·米歇尔于1783年首先想到的，但是由于这个想法实在太离奇了。所以长期被忽视。一直到最近，这一想法才开始得到重视。随后，人们竟然找到了黑洞存在于宇宙空间中的证据。这一事实使包括天文学家在内的许多人都感到十分惊奇。X射线是不能透过地球大气层的，因此，如果我们要确定这种波长很短的光是否是天体发出的，我们必须将X射线望远镜带到高空中去。世界上第一个X射线观测站是国际合作的范例，它是美国在1971年从意大利的一个发射台发射的，该发射台位于印度洋肯尼亚沿岸，命名为乌呼鲁（Uhuru斯瓦希里语的“自由”）。1971年，乌呼鲁在天鹅座星系发现了一个非常明亮的X射线源。这个X射线源忽隐忽现，频率为每秒1000次，因此这个被称为“天鹅X-l”的射线源必定很小。不管忽隐忽现的原因是什么，这种隐现的信息穿过“天鹅X-1”的速度不会比光速（30万公里／秒）快，因此，“天鹅 X-1的直径不会大于 30万公里/秒 ×1/1000秒=300公里。一颗与小行星一般大小的天体就是一个明亮的X射线源，即使在星际以外也看得见，它可能是什么东西呢？“天鹅X－l”跟一颗炽热的蓝色超巨星并列在一起，从这颗超巨星的可见光里还可以看到一颗以前没有发现过的靠得很近的大伴星，它不断地改变它的引力方向，质量大约是太阳的10倍，该超巨星不可能是一个X射线源，因此，用X射线光源来验证这颗从可见光里看到的伴星是很理想的，但是，一个质量比太阳大10倍而且已经坍塌成小行星的不可见物体只能是一个黑洞，X射线很可能是由聚集在“天鹅 X-1”周围的气体和尘埃与超巨星摩擦而产生物，天蝎V861、“Gx339-4”“SS433”以及“圆规座X-2”等星体都可能成为黑洞，“仙后A”是一个超新星的残骸，这颗超新星的光在17世纪就已经到达地球了、当时世上已有不少天文学家，但竟然没有一个人记载过这次爆发。像I·S·斯克洛夫斯基所推测的那样，那里可能隐藏着一个黑洞，黑洞吞噬了爆发中的恒星核。熄灭了超新星的火焰。空间望远镜是追踪、搜索神奇的黑洞蛛丝马迹的有效工具。
为了更好地理解黑洞，我们可以设想一个空间曲面，设想一个平整而又柔软的线性二维平面。如果我们往平面上投下一小团物质。平面就会变形或起皱，一粒弹子围绕这个皱面滚动，滚动的轨迹就像行星绕着太阳运动的轨道，根据这种解释（爱因斯坦的创见），重力就是空间结构的畸变。在这个例子中。我们看到，被物质弄弯曲的2维空间变成了3维的物理空间。设想我们生活在一个3维的宇宙空间里，物质将我们的住地畸变成我们的直观所无法感觉的4维物理空间，物质的质量越大，它的重力就越大；平面越褶皱，空间的畸变或弯曲越厉害，以此类推，黑洞是一种无底的深渊。假如你掉进了黑洞，会发生什么事情呢？跟从外面看到的一样，你会觉得下落的时间无限之长，因为在别人看来，你的钟——不管是机械钟还是生物钟——都停止了。但在你看来，你的钟仍在滴答滴答地走动着。假如你能克服引力潮和辐射流的伤害、而且，假如黑洞正在旋转着（这是很可能的），那么，你可能出现在时空上完全不同的另一部分，即空间上的另外某个地方、时间上的另外某个时刻。有人提出空间有一种蛀洞，这种蛀洞有点像苹果上的蛀洞，尽管这种观点尚未得到证实。重力隧道能够提供一种星际的或星系间的通道，让我们以非凡的速度直抵难以抵达的地方吗？黑洞能作为时间机器为人类服务。，把我们带到遥远的过去和无穷的将来去吗？这些设想正在被认真、严肃、周密地讨论着。这个事实表明，宇宙是多么超现实的啊！
从根本的意义上来说，我们都是宇宙之子。试想。在炎热的夏天，你仰望万里无云的天空，阳光炙烤着你的面孔，如果你直视太阳。该是一件多么危险的事啊！太阳离地球足足有1．5亿公里远，但是我们尚能感觉到其巨大的威力。如果我们处在太阳炽热而发光的表面，或进入熊熊燃烧的核火炉中心，我们又将感觉到什么呢？太阳给予人类以温暖，养育着人类，使人类得到光明。是它使地球富饶肥沃，它的强大力量是人类的实践活动所远远不可及的。鸟儿欢快地迎接日出，甚至某些单细胞的生物也有趋光的本能。我们的祖先把太阳奉若神明⑨，这是何等的聪明！但在宇宙之中，太阳只不过是一颗普通的、甚至是平凡的星球。如果我们应该崇拜比自身强大的力量的话，难道我们不该去崇敬太阳和其他星体吗？这种敬畏之心，深深地隐藏在每一位天文调查者之中，有时埋藏得如此之深，以致研究者自己常常没有觉察到它的存在。
银河系还是一个尚未探索的充满神奇的星体的世界。虽然我们对银河系进行过初步的探索，而且正碰到过其中的一些星体，有几个与我们所了解的星体相似，有些则古怪到超出了我们所能想象的程度，但是，我们的探索才刚刚开始。以往的探索航行表明，我们对银河系的许多非常有趣的星体至今仍然一无所知，无法预言。在银河系以外不远的地方，几乎可以肯定存在着行星，它们环绕着麦哲伦星云中的恒星运转，环绕着银河系周围的球状星团中的恒星运转。银河系可能是一个巨大的螺旋形世界，拥有4000亿个星球，此外还有正在坍塌的气体云、正在收缩的行星系、发光的超巨星、稳定的中期恒星、红巨星、白矮星、行星状星云、新星、超新星、中子星和黑洞。我们这个星球上的物质、我们这个星球的形态及其大部分特征，是受生命与宇宙间深刻的内在联系所制约的。这个问题，我们从研究地球本身人手，已经逐步弄清，将来一定会在研究整个银河系行星世界的过程中进一步弄清。
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①人们原先认为质子是均匀地分布在电子云中，而不是在原子中心聚集成带正电荷的原子核。原子核是剑桥大学E·卢瑟福发现的，他发现某些撞击的粒子沿着它们入射的方向反弹回来。卢瑟福评述说：“这是我一生中所发生的最不可思议的事件，几乎就像向一张纸发射的一发15英寸的加农炮弹反弹回来打中你自己一样的不可思议。”
②作这一计算的想法很古老。阿基米德的《数沙人》是这样开头的“有一些人，像济若王他们认为沙子的数目是无穷的，我所说的沙子不仅是指锡拉立兹周围和西西里其他地方的沙子，还包括任何地方，不论有没有人居住的地方所发现的所有的沙子。还有一些人，他们并不将其看为无穷，而只是认为没有一个已命名的数大到足以超过其值而已。”阿基米德接着不仅命名了这个数，而且估算了它。后来他问到，当时所知的宇宙能容纳多少一粒挨着一粒排列起来的沙子？他的估计是1063 ，这与1087个原子恰巧相当接近。
③比太阳重的星体在它们最后的演化阶段会达到更高的中心温度和压力。它们能够不只一次地从灰烬中再生，利用碳和氧作为燃料合成更重的元素。
④阿兹台克人（墨西哥印第安人）曾经预言过“当地球变得疲惫不堪……当地球的子孙后代已经完结”的时刻，他们相信，到了那一天，太阳将从天空坠落，星星将从天空中抖落下来。
⑤指玛雅人（maya）族，印第安人的一个种族。
⑥穆斯林的观测者也注意到这颗新星，但在所有的欧洲纪年史中对此都没有提到过一个字。
⑦开普勒在1606年出版的一本书《新星》中，对超新星是宇宙中原子的某种偶然联结表示怀疑。他写道：“……这不是我的看法，而是我妻子的看法：昨天，当我写作疲倦时，被叫去吃晚饭，我要的一盘沙拉已放在我的面前。我说：‘好像只要锡盘、莴苣叶、盐水、醋、油和蛋片永远在空中到处飞翔，最后可能偶然会成为一盘沙拉’。我亲爱的妻子回答：‘是的，但不会像我的这一盘这么可口’。”
⑧1g是物体在地球表面下落时所具有的加速度，约为10米/秒2。下落的石块1秒钟后速度将达到10米/秒。2秒后达到20米/秒、如此等等、直到碰到地面或由于空气的摩擦阻力而减慢。在重力大得多的地方，下落物体的速度也将相应增大许多。在加速度为10g的地方，1秒钟后速度达10×10米/秒=100米/秒，2秒后为200米/秒，以此类推。此时稍微绊一下就可能会致命的。由重力引起的加速度通常用小写g表示，以与牛顿的引力常数G相区别。G是宇宙各处引力强度的度量，不单单是指我们所讨论的地球或太阳的某个地方（两个参数的数量关系为F=mg=GMm/r2，g＝GM／r2。其中F为重力，M为行星或恒星的质量。m为下落物体的质量，t为下落的物体到行星或恒星中心之间的距离）。
⑨古代苏摩人表示神的象形文字就是星号——星星的符号，阿兹台克人（墨西哥印第安人）神一词为Teotl，它的雕刻文字是一颗太阳，天空叫做Teoatl——神海，宇宙之海。
