| 在广袤无垠的宇宙中，一切皆有可能 五百年前，人们普遍认为宇宙是很渺小的，而我们的家园——地球是宇宙中最重要的部分，同时也是宇宙的中心。太阳和五大已知行星（水星、金星、火星、木星和土星）都是环绕地球轨道运行的较小天体。地球被一个球形壳包围着，这个球形壳位于行星运行的轨道之外，且每天自转一次，而星星是附着于这个球形壳上的光点。除了昼夜更替和季节变换，这种结构似乎是永恒不变的。那种认为除地球之外还存在其他世界的观点简直就是异端邪说。16 世纪末，布鲁诺被烧死在火刑柱上，就是因为他的思想与主流天主教学说背道而驰。他认为发光的星星都和太阳相似，宇宙中一定存在着其他类似地球的星体，生命也不仅仅是地球的专利——尽管这些信仰并不是给他定罪的主要原因。
即使是在古代，也曾有哲学家猜测地球是绕着太阳旋转的，但是 16世纪以前，这种观点从未得到广泛认可。1543 年，随着哥白尼的 著 作 ——《 天 体 运 行 论 》的发表，人们的观点发生了变化。正是哥白尼锲而不舍的深入研究，使我们形成了现代宇宙观。他的想法的令人震惊之处，不仅在于他提出了日心说（地球绕着太阳转）的假设，更在于这一假设的隐含意义：地球只不过是绕太阳公转的众多行星中的一颗；在太空中，其他行星可能与我们的家园——地球一样重要。
哥白尼另外一个令人震惊的观点是，他认为太阳并不是天空中最重要的天体，它只不过是一颗普通的恒星。1576 年，托马斯·迪格斯（Thomas Digges）在英国用望远镜观测银河系时，观测到了大量的恒星。他在一本名为《永恒的预言》（Prognostication Everlasting）的书中写道，宇宙是无限的，恒星遍布其中。16 世纪 80 年代，旅居英国的布鲁诺接受了这些观点。同样，伽利略和开普勒的研究也是以哥白尼的观点为基础的。17 世纪，天文学家开始估算恒星间的距离，他们猜想，每一颗恒星都像太阳一样明亮，但是，因为这些恒星距离我们非常遥远，所以看起来光线才会非常微弱。1728年，艾萨克·牛顿（Issac Newton）估算出天狼星与地球之间的距离约为太阳与地球之间距离的一百万倍。这个推算与现代技术测量的距离相差无几。当时，随着人们对行星运行轨道的科学理解，天文学家开始利用几何技术计算太阳和行星间的距离，他们已经知道太阳距地球约 1.5亿公里（用现代技术测量是 149 597 870 公里），而土星——古人认为离太阳最遥远的行星，与太阳的距离约为地球距太阳的十倍。短短两百年间，本来是完全以地球为中心的宇宙，在天文学家的眼中已经缩水，成了广袤无垠的宇宙中的小小一隅。 这些观点的消化吸收又经历了两百年，与此同时，望远镜、天文摄影和光谱学技术得到了长足发展，由此引发了天文学的下一个重大飞跃。两百年间，在土星的运行轨道之外，天文学家又发现了太阳系中的其他行星（天王星和海王星）。同时，恒星间距离的精确测量技术也在不断发展进步，天文学家可以利用光谱测量恒星的物质构成。与这两项技术相比，太阳系中更多行星的发现就显得无足轻重了。20 世纪 20 年代之前，这些技术使我们了解了地球在宇宙中的时空方位。 托马斯·迪格斯从小型望远镜中看到，我们称之为银河系的光带是由无数恒星组成的。几十年后，伽利略在对迪格斯的研究一无所知的情况下，独自得出了相同的结论。迪格斯认为望远镜中观测到的星群是向四面八方分布并无限延展的。早在 1750 年，英国达勒姆郡（Durham 位
于英国东北部）的天文学家托马斯·怀特（Thomas Wright）在他的著作《宇宙新猜想》（An Original Theory or New Hypothesis of the Universe）中指出，银河系所形成的横跨天空的光带是一个尺寸有限的圆盘形系统，其形状就如同磨坊里的磨盘。该理论的关键之处在于：太阳并不是由恒星所构成的盘面的中心；而且从望远镜中观测到的模糊光块，现在我们称之为星云，位于银河系之外。 怀特的理论推理遥遥领先于他的时代，但由于 18 和 19 世纪技术水平的限制，他的理论无法通过天文观测加以验证，因此他的作品后来几乎无人问津。直到 20 世纪，人们通过观测发现，银河系的结构竟然与怀特所提出的假设不谋而合，除此之外，人们对于自己所生活的宇宙的本质也有了更为深入的了解。 20 世纪 20 年代以后，通过天文观测，我们已经知道银河系的确是一个近似圆盘形的系统，它包含数千亿颗恒星，每颗都与我们的太阳类似，引力把它们聚集到了一起，它们围绕着共同的中心（银河系的中心）在各自的轨道上运行。这一圆盘的直径大约为 10 万光年（用天文学家常用的单位表示，约为 30 千秒差距），因此，如果光以每秒近乎 30万公里的速度行驶，要横穿这个圆盘需要 10 万年（1 光年大约是 95000亿公里）。太阳位于这个圆盘的平面上，距银河系的中心大约 3.3 万光年，太阳附近的圆盘平面，厚度约为 1000 光年（约 300 秒差距）。这些令人印象深刻的统计数据，远远超越了前哥白尼学说的宇宙观。但是，如果再看看接下来的发现，我们对于银河系的惊叹就变得苍白无力了：整个银河系只不过是浩瀚太空中的一个小岛，作为众多星系中的普通一员，它是很难引起人们关注的；同样，太阳也只不过是众多恒星中甚为普通的一员而已。 怀特关于银河系本质的观点是正确的，与之类似，他对星云的猜想，即星云——至少部分星云——位于银河系之外，也被证明是正确的。虽然有些星云只不过是银河系中发光的气体和尘埃，至今也被叫做星云，但我们现在称那些“外部” 星云为“星系”。星系有不同的形状和大小，而银河系是已知的类圆盘星系中的近乎中等大小的成员。我们的地球围绕一颗普通的恒星运转，这颗恒星只不过是一个普通星系中上千亿颗恒星中的一颗，而我们所在的星系也只不过是上千亿星系中的普通一员而已。我们在宇宙中的位置毫无特殊之处。这就是我们对地球在
宇宙中的地理位置的最基本的认识。 据估计，虽然我们只对几千个星系进行了系统研究，但原则上说，当今的望远镜可以观测到上千亿个星系。它们以星系团的形式分布在整个可见宇宙，最遥远而且可拍摄到的星系的光芒要穿越超过 100 亿光年的路程才能到达我们的望远镜。这和我们所说的这些星系距地球 100 多亿光年可并非一回事，因为根据 20 世纪 20 年代的另一重大发现，星系团正朝着相反的方向移动，彼此间相距越来越远。宇宙正在膨胀，所以，经过 100 亿年，这些光到达我们这里时的距离已经与这些光刚刚从它们的星系出发时距我们的距离不一样了。宇宙膨胀（理论）是了解我们在宇宙史中地位的关键。人们无意中发现宇宙在不断地膨胀，但实际上阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论已经推算出这一现象，然而，他忽视了这一推算结果。20世纪 20 年代晚期和 20 世纪 30 年代早期，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）对测量星系间的距离产生了兴趣，他与同事米尔顿·赫马森（Milton Humason）一起，发现星系间的距离与其光谱特征的红移成正比。这种红移顾名思义是指——光谱特征向光谱的红（长波）端的移动（这种移动是相对于实验室中测量的位置的移动）。哈勃并不关心发生红移的原因，也没有试图解释它——他只对如何利用红移来测量距离感兴趣。但不久后，其他天文学家意识到，产生这种效果的原因在于，随着时间的推移星系间的空间（严格地说，是星系团间的距离）在延伸（即星系间的距离在变大）。 （略……） | 
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