序：走遍宇宙才能更好地理解我们自己
教育就是这本书的全部内容，外加一剂宇宙认知启蒙。
——本书第2章
近些年来，关于天文、宇宙的新闻屡屡登上显著的位置，如引力波、中国天眼（FAST）、月球和火星探测等。在过去几年中，天文学家屡屡摘得诺贝尔物理学奖。也有更多的学生和家长在咨询，应该怎样学习天文，哪所大学有天文系可以报考。比起其他学科来，天文学在我们的教育体系中的地位略显尴尬。数理化天地生，只有天文学在中小学阶段没有开设独立课程。这直接导致了很多人对天文学既充满好奇又十分陌生。在此，我们很荣幸能够把《欢迎来到宇宙：跟天体物理学家去旅行》（以下简称《欢迎来到宇宙》）这本书翻译介绍给读者。这本书是普林斯顿大学为非科学专业的学生开设的天文学课程讲稿的实录。课程的主讲人是美国的三位杰出天体物理学教授，其中尼尔·德格拉斯·泰森还身兼美国自然历史博物馆罗斯地球和太空研究中心海登天文馆馆长，也是当前最负盛名的科普作家。这本书介绍了太阳系、恒星、银河系、黑洞、宇宙膨胀和广义相对论研究等方方面面的内容，其中既有基础认识，也有最前沿的问题。如果你想快速了解天文学这个学科，知道当今的天文学家在做什么，尤其是将来你也想当一名天文学家，那么这可能是最合适的一本书了。
天文学是什么
关于什么是天文学，有一些常见的误解。有一次，我在上海天文台对面的徐光启纪念馆中听到一位家长在给孩子念展览的解说词：“……天文学家……”孩子问：“什么是天文学家？”家长微微一顿，说道：“我们每天看到的天气预报就是天文学家告诉我们的。”这位家长把天文和气象混为一谈了。气象是指我们地球的大气层尤其是对流层里发生的天气现象。“天气”和“天文”里都有一个“天”字，但它们不是一回事儿。另一种常见的不恰当的解释与这位家长想的相反，许多人说“天文学只研究地球大气层以外的事情”。其实不是这样，天文学家也研究地球，甚至也关心大气层。
大的基础学科的划分，其实并不是以研究对象为标准（例如地球不只是地理学的研究对象，太空也不只是天文学的研究对象），而是以研究手段和方法为标准。对于同一个具体的对象，很多学科都要进行研究，只是切入的角度和方法不同。比如说地球，当然地理学要研究它，可是天文学家同样要研究它——地球的形状及其在宇宙中的地位在历史上曾经是天文学中的重大问题，如今地球更是行星天文学所能密切接触的唯一样本。所以，天文学的研究对象是包括地球在内的太阳系、银河系、宇宙时空等一切目标，只是天文学家考察在这些目标的时候所要解决的问题和所用的方法跟其他学科不太一样，当然也离不开其他学科的支撑。因为天文学研究的大部分目标遥远且暗淡，天文学家需要借助许多学科的知识来弄清楚通过望远镜看到的有限信息究竟意味着什么。进一步来说，我们无力在唯一框架下解决如此复杂的世界上的所有问题，因而被迫人为地划分了不同的学科，它们从不同侧面帮助我们去理解同一个世界。不同学科之间往往共享着大量的知识内容和认知手段，这也是学科细分、交叉和重组的基础。
在望远镜发明之前的时代，天文学有两个主要分支：属于物理学和哲学范畴的宇宙结构（天地日月星的位置关系和运动规则）和属于数学的时间历法（年月日规则的制定）。另外，还有与天文学的关系非常密切、如今已经被视为迷信的占星术。随着哥白尼日心说的提出和望远镜的发明，天文学领域产生了众多的观测和理论成果，特别是启发牛顿创立了三大运动定律和引力定律，实现了数学和物理学的第一次大综合，深入理解太阳系，也奠定了现代宇宙观念的基础。
现代天文学与其他学科特别是物理学之间的互动非常频繁。20世纪初，物理学的两大分支——量子力学和广义相对论的建立离不开天文学的贡献；反过来，20世纪物理学的发展又成为我们揭开天文现象本质的基础。20世纪70年代以来，宇宙学领域重大问题的研究进展离不开一批理论物理学家的加入，天文学关于暗物质、暗能量的发现又对物理学的基础理论提出了重大挑战。这些在本书里都有体现。因为现代天文学和物理学结合得如此紧密，所以它就被称为天体物理学了。
现代天文学的分支可谓包罗万象，如本书所述，涵盖了行星、恒星、星系、宇宙等，形成了一个彼此有别而又相互联系的统一整体。20和21世纪之交形成了天体生物学这个分支，致力于寻找宜居星球和智慧生命，更是跨越了天文学、物理学、地理和生物学等领域。现代天体物理学和宇宙学的发展，让我们第一次窥探到了宇宙创生的某些秘密，把太阳、地球和人类的诞生纳入了统一的时间序列。有一位宇宙学家戏称，宇宙学实际上包含了世界上的一切学科领域。
问题意识引领科学发展
在任何时代，人们对宇宙总是充满了难以满足的好奇心，因而对于某些基础问题的理解可以看作衡量人类文明先进程度的标准之一。这些问题包括宇宙的本质是什么，宇宙由什么构成，以及宇宙是如何起源的（如果它有一个起源的话）。对这些问题的回答构成了天文学的基本研究框架，而这些回答又深刻地影响了人类文化。从古希腊的地心说、哥白尼的日心说、牛顿的无限世界到现代的“有限无界”宇宙论，每一次天文学关于宇宙认识的新进展都成为其他学科尤其是哲学讨论世界的基础。
21世纪中国行星探测计划被命名为“天问”，这个名字来自伟大的诗人屈原的长诗《天问》。屈原在这首诗里劈头就提出了至少20个关于宇宙的问题：天地究竟是什么形状、究竟有多大，日月如何运行，星辰如何安放……可惜的是，在历史上，这首诗一直被视为浪漫的“奇思”，并没有得到重视。如今我们越来越重视科学的作用，才发现在科学体系里，问题意识起到了至关重要的引领作用。爱因斯坦甚至说过，提出问题要比解决问题更重要。一个好的问题往往能够引领一代甚至几代科学家孜孜以求的探索。在本书里，三位作者也非常注意指出课程里要谈论什么问题，在这些方向上还有哪些问题没有解决。作者泰森告诉我们：“作为一个科学家，你必须拥抱知识的变化，你得学会热爱问题本身。”（本书第9章）
我们在中小学举办科学讲座时发现了一个令人惋惜的现象：随着年龄的增长，孩子们懂得的知识越来越多，可他们越来越不敢、不愿、不会提问题了。这对于我们的科学教育来说是非常不利的，因为提问题应该是一个科学家的基本功。我们甚至可以在英文儿歌《小星星》里看到这种问题意识。我们看一下这首儿歌的英文和中文两个版本的歌词。
The Star（括号内为直译内容）
Twinkle, twinkle, little star,（ 一闪一闪小星星）
How I wonder what you are.（我多想知道你是什么）
Up above the world so high,（高高在世界之上）
Like a diamond in the sky.（就像天上的钻石）
Twinkle, twinkle little star,（ 一闪一闪小星星）
How I wonder what you are.（我多想知道你是什么）
小星星
一闪一闪亮晶晶，
满天都是小星星。
挂在天上放光明，
好像许多小眼睛。
一闪一闪亮晶晶，
满天都是小星星。
《小星星》来自19世纪初英国女诗人兼小说家简·泰勒（1783—1824）和她的姐姐编写的歌词集《摇篮曲》。在这首儿歌中，女诗人通过“How I wonder what you are”（我多想知道你是什么）这一句表现出了非常强烈的问题意识。我们要知道，在200年前，连当时的天文学家们都还不知道星星的本质是什么，这依然是一个悬而未解且没有什么实用价值的问题。这个问题竟然出现在一首儿歌里，可能体现了当时在科学家的引领之下，全社会都在关注它。
可是，在大约100年前这首儿歌被翻译成中文时，也许译者在中文里找不到合辙押韵的表达方式，或者根本就觉得这个问题不重要，于是删除了这个提问，只保留了原文对现象的描述。中、英文版本的这个细微区别可能就反映了在我们的文化中，我们在有意或无意地不断“删除”孩子们的好奇心。
那么，是我们本来就缺少好奇心吗？当然并非如此。在屈原之后，我们在苏轼的诗歌里也能找到一首“小星星”。
夜行观星
天高夜气严，列宿森就位。大星光相射，小星闹若沸。
天人不相干，嗟彼本何事。世俗强指摘，一一立名字。
南箕与北斗，乃是家人器。天亦岂有之，无乃遂自谓。
迫观知何如，远想偶有似。茫茫不可晓，使我长叹喟。
就像英文儿歌一样，苏轼也是先描写夜空里的星宿依次排列，明亮的大星光芒四射，数不清的小星星热闹非凡。他还指出星宿的名字只不过是我们人为设定的而已。最后，他提出了一个深刻的问题——要是靠近去看，星星会是什么样呢？在当时的认知水平下，苏轼只能面对茫茫星海徒叹奈何。苏轼提出这个问题，并且认定它是一个还没有答案的问题，这在古代文学作品里是非常少见的。我们要发展科学，尤其是要做出重大的原创科学贡献，就必须找回屈原《天问》和苏轼《夜行观星》里的问题意识。
从某种意义上来说，科学家就是永远拥有像孩子一样的好奇心的人，好奇心与实用无关。即使尚未知道答案，科学家们也从未放弃过对这个问题的探究。一直到20世纪30年代，星星发光的秘密才在相对论和量子力学的基础上被揭开。学习天文学的好处在于既能够保持好奇心，又能够了解科学家们是怎样一步一步从未知出发，找到合适的方法、工具、知识，逐渐揭开宇宙之谜的。这对于我们培养科学精神来说是一个非常有利的途径。
推而广之，在任何科学领域里，我们在不断学习和继承前人知识的同时，都不能忘记初心，不能满足于当前的认识水平。我们应该时时回到那些最初的问题上，知道科学研究仍然是开放和需要继续探索的。爱因斯坦在《物理学的进化》一书中，曾经把科学研究比作一个侦探故事，而且是一个至今没有被解答、我们甚至不能肯定它是否有最终答案的侦探故事。本书作者迈克尔·A. 施特劳斯指出，在科学领域里，“最激动人心的发现可能是我们甚至连想都想不到的事情……那些‘未知的未知’”（本书第16章）。这些未知往往预示着重大的、原创的科学发现。
通过认识宇宙来认识自我
苏轼在《夜行观星》里提到了一个概念“天人（不）相干”。苏轼所说的“不”是一个非常有勇气的断言，因为古代文化给出的普遍答案是“天人相干”“天人合一”（这里指的主要是占星术）。中国古代帝王自称“天子”，那么高高在上的“天”就在关注着人间命运，并以天象（包括天气）变化来示警。《汉书·天文志》认为，日月星辰、彗星、流星、风雨雷电等“此皆阴阳之精，其本在地，而上发于天者也。政失于此，则变见于彼，犹景（影）之象形，乡（响）之应声”。古人认为日食、地震、彗星等都是上天在警示人间政事变动、战争、饥荒，甚至国家兴亡。西方古代的占星术除了应用于军国大事之外，还应用于个人。它认为人体就像“小宇宙”，我们所处的这个大宇宙中的星座、日月行星的位置影响着我们生活里的一切。这种占星术的现代简化版本就是当今常见的“生日星座”（或者叫“星座运程”）。
中西方占星术当然都是古老的迷信，然而我们剖析它的本质，可以发现它其实保留了全世界文明普遍提出的一个有趣的问题，即星空和我们之间究竟有没有关系，有什么样的关系。我们毕竟生活在宇宙星空之下，天上各种变幻莫测的现象产生的原因究竟是什么，它们是否会影响我们的生活（比如带来福利或者灾祸）？占星术给出的答案虽然是错误的，但它也是古人对于人类在宇宙中的地位的一种思考。在现代科学诞生之前，古人难以知道日月星辰的本质，他们认为宇宙的尺度很小，因此才给出了如此自恋的答案。
在儿歌《小星星》写成的年代和其后的几十年里，德国的一些科学家开始研究太阳和实验室中得到的光谱，发现了光谱线与物质元素组成之间有着严格的对应关系，从而发展了光谱化学分析方法。1864年，英国科学家威廉·赫金斯发现太阳和恒星光谱可以与实验室里的气体光谱对应起来，因此，他推断太阳和恒星也是由跟地球上同样的物质组成的，而不是古人想象的神奇物质（比如阴阳或者以太）。恒星光谱学由此发展起来。1885年，瑞士巴塞尔大学年近60岁的数学教授巴尔末总结了当时在实验室和恒星光谱里发现的氢原子光谱，写成了统一的巴尔末公式。这个形式简洁的公式在1913年启发了丹麦物理学家玻尔提出他的原子模型，推开了量子力学的大门，使人类对物质结构的理解有了质的飞跃。随之而来的是英国、德国的天文学家和物理学家在量子力学、相对论和粒子物理的基础上发现了恒星发光的秘密——轻核聚变。
因此，天体物理学和宇宙学告诉我们：宇宙里最初只有氢、氦两种元素，太阳、地球和我们身体里比氦更重的元素都是在恒星燃烧的过程中形成的，恒星在生命结束时又把重元素抛洒到了星云里。所以，含有重元素的太阳一定不是第一代恒星，而是第二代甚至第三代恒星；我们的地球在太阳星云里形成，因此得以拥有如此之多的重元素，为生命演化奠定了物质基础。现代天文学带给我们的答案既颠覆了占星术这种古老迷信，又重建了我们和宇宙之间的联系——我们都是星尘。我们每个人都是宇宙演化的产物，也终将通过理解宇宙来认识自我。
天文学与中国科学
今天我们在回顾现代天文学的发展和传入中国的历史时，会发现一些特别巧合的时间点和事件，它们也影响了天文学在当代中国科学和教育体系里的地位。
现代天文学知识第一次传入中国是在400年前的明末清初。意大利传教士利玛窦在1582年来到中国，他一边学习中国文化，一边留意传教机会。利玛窦在和士大夫交往的过程中注意到数学和天文学在中国文化里具有非常重要的地位，而明朝的历法特别是日食预报受到较大误差的困扰，朝野上下在酝酿历法改革。恰好就在利玛窦来到中国的这一年，罗马教廷完成了格里高利改革，颁布了我们现在使用的公历。这一发现让利玛窦决定以帮助中国进行历法改革，向中国传播欧洲学术，进入中枢作为传教方略。上海籍学者徐光启在与利玛窦等人的交往中也发现了欧洲学术的价值，并在1609年和利玛窦完成了《几何原本》前六卷的翻译。
崇祯二年（1629年）五月初一，钦天监预报的日食时间再次失误，提前了半小时，引来了崇祯皇帝的不满。徐光启此时正担任礼部尚书，钦天监在他的管辖范围内。他告诉皇帝中国传统天文学的计算精度已经无力继续提高了，要想获得准确的天象预报，只能从头开始重新修订历法。因此，徐光启领衔开设“历局”，邀请多位欧洲传教士加入，启动了修订历法的“大科学工程”。徐光启为修历工作提出了“翻译、会通、超胜”原则，从最基础的几何学和宇宙模型开始学习，借此弄清楚以往天文历算错误的原因，让后人在遇到误差时能够自主修改。这项工作在崇祯七年（1634年）完成（徐光启在前一年去世），具体成果就是包括46部书共计137卷的《崇祯历书》，全面引入了当时欧洲的天文学理论、仪器和计算方法，实际上标志着中国天文学的转型。
在16和17世纪之交，欧洲天文学正面临着托勒密地心说、哥白尼日心说、第谷的折衷体系之间的抉择。《崇祯历书》对此都有反映，还认为哥白尼是欧洲历史上最伟大的天文学家之一。换言之，那时中国天文学与欧洲有差距，但差距并不大，很容易赶上。可惜后来明清鼎革，江山易主，中国与欧洲学术交流的气氛也大为不同。清朝初年仍有不少传教士在钦天监和朝廷的其他部门任职，他们也介绍了哥白尼日心说的进展和牛顿的科学发现。中西方学者在数学、天文学、大地测量技术等方面有不少交流，可基本上限于朝廷内部，影响范围很小。康熙皇帝（1654—1722）和梅文鼎（1633—1721）等人开始提倡“西学中源说”，认为欧洲学术有不少好东西，但它们都是从中国古代传过去的，或者是在中国古代成果的基础上发展起来的，因此不值得继续学习。到了乾隆年间，随着中西方在其他方面的激烈争执的产生，人员来往和学术交流遂宣告彻底断绝。
康熙皇帝比牛顿（1643—1727）年轻11岁，当牛顿在1687年发表《自然哲学的数学原理》时，康熙皇帝才33岁。从康乾到1840年这一两百年间，欧洲社会发生了巨变，这一时期也正是欧洲天文学和物理学大发展的时期，经典物理学的大厦逐渐建立起来。所以，等中国在欧洲列强的坚船利炮的威逼之下被迫再次打开国门时，中国学者看到是物理学统治的科学领域，天文学的身影已经被辉煌的物理学成就所掩盖。
在清末及此后的100多年间，虽然有高鲁（1877—1947）、余青松（1897—1978）、张钰哲（1902—1986）、戴文赛（1911—1979）、王绶琯（1923—2021）、叶叔华（1927—）等多位天文学家撑起了中国现代天文学的天空，但对整个社会而言，无论是战乱年代还是和平建设时期，“高冷”的天文学显然是一门基本“无用”的科学。在两次世界大战前后，恰好又是现代物理学的转型时期，量子力学和相对论两大分支建立起来；在物理学基础和工业技术的推动下，天文学也逐渐转型，并在20世纪60年代有了射电天文学的四大发现，形成了现代天体物理学和宇宙学。于是，改革开放后，中国天文学面临的是新一轮的冲击。在我们面向公众举办科学讲座时，经常有观众提问，为什么总是在讲欧美科学家的贡献，很少讲到中国科学家。答案有着以上复杂的历史原因。
幸运的是，历经几十年的发展，今天我们拥有了郭守敬望远镜、中国天眼等大型科学设备和一支优秀的天文学家队伍，在前沿研究的某些领域已经不弱于国际水平。在本书当中，作者也提到了不止一位中国科学家的名字。如今我们要实现更多的原创性基础研究工作，推动我国基础科学研究高质量发展，加强天文学教育、进入中小学课堂势在必行，因为天文学特别适合开阔学生的视野，培养学生的好奇心和科学的质疑精神。
希望未来的天文学前沿领域有更多优秀的中国天文学家的身影，说不定也包括正在阅读这本书的你！
孙正凡
2021年3月