劍橋插圖天文史

前言
第一章 史前天文學
第二章 古代天文學
第三章 伊斯蘭天文學
第四章 中世紀拉丁天文學
第五章 從幾何學到物理學：天文學的轉變
第六章 牛頓與牛頓主義
第七章 恆星宇宙的天文學
第八章 星光的訊息
第九章 擴展的天文學視野

推薦序

　　想像一下天象的變化，白天陽光普照大地，太陽下山黑夜來臨，一閃一閃亮晶晶的星星嶄露出來，千變萬化的月亮穿梭於白天和黑夜，周而復始，當處在遠古時代，沒有任何科學文明的思想，您會有著什麼樣的感受呢？《劍橋插圖天文史一書》引領您穿越時光，探討天文思想的脈絡，揭開宇宙奧秘。

　　天文史是與先人的對話，也是一部天文學的故事，從了解天文先知們的耕耘，得知片斷的天文知識可堆砌成偉大的宇宙結構系統理論，《劍橋插圖天文史》一書以史前天文學為第一章開始述說史料記錄成果，前五章是各民族建構太陽系行星系統的歷程，第六章進入牛頓時代，因光性質的發現，開啟理論物理學的研究，以微弱的星光推導出星團、星雲和星系的相互關係，第八章述說十九世紀後，以天體物理學理論揭開星星生命秘密的過程，最後第九章告知天文學以破天荒的觀測方式朝新視野擴張，使讀者在史料紀錄中，印證知曉天文學從哲學思想到學術理論，從觀測現象到實用預測，最後建構宇宙結構模型，體會經驗智慧傳承的重要性。

　　日昇日落、斗轉星移，萬物欣欣向榮，我們常以「天行健君子自強不息」效法大自然規律的法則，但看似寂靜的天空，卻隱藏著繁複且驚天動地的智慧，從出生開始就是宇宙的成員之一，何曾想過，人從何而來？為何而來？來做什麼？未來會如何？等等無可解答的疑惑，這就是天文學令人著迷的地方，天文望遠鏡愈做愈大，待研究的課題就愈來愈多，你我現在處於地球的某一個地方，但地球只是太陽系的一顆行星，太陽也只是銀河系內上千億顆恆星中的一顆，而銀河系是包含在宇宙上千億個中的一個星系，宇宙還有許許多多我們尚未觀測到的暗物質，這樣的宇宙概念並非一夕成形，是先人思想經驗的結晶，有許多珍貴史料手稿及照片，本書以插圖呈現天文史的真實原貌，因此您可在這歷史時間軸裡發掘想知道的真相。

　　歷史遺跡是考古最好的證據，以吾人數十年必死的生命，探究宇宙數千億萬年的壽命，像是天方夜譚，但是人類將思想過程以文字紀錄將經驗傳承，從西元前三五○○年紐格蘭治墓穴的興建遺跡開始，西元前一五○○年左右古巴比倫首次以數字系統為金星做文字記錄起，一代代天文學者接棒，如柏拉圖、托勒密、哥白尼、伽利略……等等，使天文學說一脈相傳。書中詳盡的介紹各時代的天文學者，因此《劍橋插圖天文史》是一部繼往開來的史學寶典。
台北市立天文教育館館長 邱國光

　　「古人不曾見今月，今月曾經照古人。」星光燦爛的夜空，似乎永恆不變，靜謐無語地照耀人間，俯看著塵世的浪花，隨著時日遞移，淘盡千古英雄人物。實際上呢？我們以為亙古如一的宇宙，正以飛快的速度，日日在變，時時在變，自其動者觀之，一眨眼則物事全非，變化的速度和幅度，遠超過地球上人間世的出將入相；然而更神奇地，卻是這些變化的本質和過程，竟然可以經由人們的耐心觀察和理性分析，一一展現於世人眼前！難怪愛因斯坦晚年驚嘆：宇宙的不可思議處，就在於其可以被理性理解。

　　這個理解的「結果」，載入了教科書上，成為科學新知；而理解的「過程」，則進入了科學史中，成為後人咀嚼再三的探索歷程。科學新知固然重要，但是獲得新知的探索過程卻更為關鍵，這些科學發展路程中的點點滴滴，在在都是人類展現龐大心靈認知能力的明確跡證，也是後人追隨前人腳步的盞盞明燈。

　　天文學，尤其是天文學——這個人類歷史上最古老的學門——一路走來的過程，就是人類心靈探索的最佳寫照。當我們在夏至的清晨，漫步在英格蘭南方的草原上，在巨石陣中穿進穿出；或是在冬至的傍晚，在埃及金字塔旁的沙漠中，眺望獅身人面像在夕陽餘暉中的側影；甚至是在春秋天的正午，攀岩登壁，爬到了秘魯馬丘比丘印加遺跡的最高點，拜訪斜立的日晷；這些徜徉和邂逅，是現代的觀光客知性之旅的目標，但究其本質，卻是人們撫今追昔、循著先民的足跡，再次發現宇宙規律的旅程。巨石陣明確標出了夏至日出的方位，和全年日昇月恆的範圍；獅身人面像的頭部曲線，就是冬至那一天夕陽下山的軌跡；日晷的設立，則幾乎是每一個悠久文化必備的天文觀測設施。

　　隨著宇宙規律一點一滴的揭露，天文學向前邁進的腳步愈來愈快，從巴比倫、埃及，到希臘，從黏土石板上的星表，到楔形文字的觀測記錄，再到應用幾何發現地球的大小；先民夜空下的觀察與遐想，逐漸成為書中描述的日常規律，化成文字，成為歷史，也成為了科學。將這些「發現」的過程集結成書，會是追念先賢、啟發後人最好的教材，而《劍橋插圖天文史》就是這樣的一本書。

　　《劍橋插圖天文史》由英國學者米歇爾?霍斯金（Michael Hoskin）主編，霍斯金教授天文學史三十年，腹笥寬廣，為文醇厚，對各個悠久文化瞭如指掌，就同時代不同地區的天文進展，描述清楚，對比明晰；而霍斯金對於科學概念和探索過程認知的深入和闡述的詳備，也是當代科學史書籍中少見的。全書從史前歐洲的天文觀測遺跡開始，描述早期西方從巴比倫直至希臘天文學的傳承，同時也兼顧了阿拉伯世界伊斯蘭天文學的發展；接下來經過了中世紀的黑暗時期，天文學在歐洲重見復興，百花齊放的過程創造了近代西方天文學輝煌的時代。理性主義的抬頭和操作性觀點的引入，讓物理分析和精密觀測進入了天文研究的範疇，也讓傳統的天文學脫胎換骨成為今日的「天文物理」。這本書唯一沒有碰觸的領域是中國和東方的天文發展過程和成就，當然本書分量已經極厚，未包括東方天文也是可以理解的。

　　本書內容豐富，引證周全，因此自有英文版以來，這本書就在我案頭常駐，不僅是科學研究和教學的重要參考，也是閒來無事，枕旁馬上當歷史故事讀的極佳「閒書」。未來天文學的發展只會往前，但是順利前進的基礎在於充分的了解過去，因此天文學的歷史雖然來自故紙堆中，但將會永遠走在時代前端，引領科學的發展前進。有志科學的年青人，或是對歷史巨輪如何前進感到興趣的一般大眾，不妨也找找這本中譯的「閒書」來看看，相信我，會有許多意料以外的收穫。
台灣大學天文物理研究所教授 孫維新

　　《劍橋插圖天文史》是劍橋出版社有關歷史叢書的其中一本，原書英文版於一九九七年出版後即佳評如潮。編者米歇爾．霍斯金（Michael Hoskin）原為劍橋大學天文學史教授。其他執筆者亦皆此領域箇中翹楚。內容從史前時期到使用望遠鏡觀察天體，直到目前能夠以物理了解宇宙天體的時期。

　　前言說明本書著重在天文學作為科學一支的歷史，也就是近東與歐洲的天文史為主。然而其他的古代天文學例如中國、伊斯蘭、印度的觀天歷史，雖然並非重點，但也有所著墨。本書後面三分之二的篇幅介紹天文學成為近代科學的啟蒙，包括十六世紀哥白尼與第谷的觀測工作，刻卜勒歸納出來的行星運動定律，在工具方面，望遠鏡發明之後，伽利略於十七世紀率先用於觀察天象，一而再、再而三的「知其然」，讓人們開了眼界。之後於十七世紀中葉，牛頓力學與數學開展了「知其所以然」的殿堂，哈雷、胡克、惠更斯、及至十八世紀拉普拉斯等學者的研究發現，原來看似眾多的天體與現象，居然可以用簡單而美麗的原理解釋，此為天文物理之濫觴。到了一七八一年威廉．赫歇爾，發現了天王星，一八○一年皮亞齊發現了第一顆、也是最大顆的小行星「穀神星」，兩者都是研究恆星的意外發現。這之後理論科學發揮得淋漓盡致，藉由天王星的軌道偏差，於一八四六年在預測的位置不遠處，發現了海王星，成為牛頓力學的一大勝利。之後在一九三○年，人們發現了冥王星，成為第九顆行星，但在二○○六年，冥王星卻被降級，與鬩神星（Eris）穀神星另被分類為矮行星。每個這樣的發現，成功的背後累積了無數不為人知的失敗，交織出可歌可泣的因緣際會，不妨在書中細細品嘗。

　　在十九世紀以前，天文學研究的對象僅止於星球，包括了恆星與行星、衛星等。約翰．赫歇爾延續其父威廉．赫歇爾及其姑姑卡洛琳．赫歇爾的工作，以五十公分口徑，當時絕無僅有的大望遠鏡針對全天空搜尋，於一八四七年出版星雲與星團的目錄。隨著望遠鏡口徑越來越大，收集星光的設備也越來越進步，從最早的肉眼，進步到底片。天文學家從十九世紀末就開始針對恆星光譜分類，到了一九一○年代就已經很成熟了，這時期物理學家也開始推敲出原子結構與輻射理論。一九三○初期，天文學家藉由遠處星團亮度減弱的現象，推測出星際塵埃的存在；而直到電波望遠鏡出現後，天文學家在一九五○年代初期才知道原來太空中充斥了為數眾多的氫氣。

　　在一九二○年舉行的「大辯論」（第八章）寇帝斯和謝普利還在辯論我們的銀河系是否就是整個宇宙。一九二九年哈柏發現了遙遠星系離我們而去的速度，和其距離成正比，這是宇宙處於膨脹的自然結果。現在我們在地面、太空放置了精密的儀器，在所有已知的電磁波段觀察天體，直探來自最原始的宇宙訊息。看似無窮的宇宙卻似乎有脈絡可尋，而整個天文史，就是人類文明探尋時空奧秘的過程。

　　天文學研究的題目包括我們所在何處，鄰居是誰，遠方還有哪些其他天體等；換句話說，是宇宙的地理。天文學探討地球、太陽、銀河系等等，甚至整個宇宙的生老病死；換句話說，是宇宙的歷史。在夜空之中，我們看到某一百光年之外的恆星，這光線一百年前發出，經過太空現在才到達我們眼裡，而另一顆一萬光年之外的恆星，它的光則於一萬年前發出。透過望遠鏡與靈敏的儀器，能夠看到極其遙遠，離我們一百億光年的某星系，我們看到的是一百億年前的光景。看似空間無垠寬廣，時間源遠流長的整個宇宙歷史，我們卻在今夜盡入眼簾！天文學家研究宇宙的歷史，而天文史則記錄天文學家的歷史。跟很多領域比起來，天文學的發展交錯了更多的宗教、哲學、人文與政治的色彩，讓天文史光鮮奪目，有時不免也血跡斑斑。

　　本書可以做為參考查閱的百科全書，也適合循序閱讀，加上精緻的插圖，讀來趣味盎然。當中不僅有科學知識與追尋真理的過程，還有歷史最重要的因素，就是人，也就是科學家之間，以及科學家面對社會的合作、爭執與妥協。書中的人文軼事是最珍貴的紀錄，是一般科學教科書中缺少的內容。

　　本書中文版譯者赫赫有名。江曉原教授任職於上海交通大學科學史與科學哲學系。該系是中國第一個成立科學史與科學哲學領域的大學，江教授更是中國首位天文學史博士。江教授著作等身，且領域極廣，天文史數量最多，譯作包括李約瑟原著之《中華科學文明史》。江教授另專長於科學史與科普寫作，其中《天外學史》一書曾獲國內吳大猷科普寫作獎佳作。在他個人部落格上，看到其著作內容尚涵蓋星象、外星文明、性史等，令人嘆為觀止。

　　這樣的書極難翻譯，要是找個英文好，但是不懂天文的人，或是找個懂天文，但是英、中文不很順暢的人來翻譯，看起來一定有「不如看原文書」的感嘆。即使是專業研究天文的學者，碰到歷史、地理等專有名詞，大概會傷透腦筋。江教授的文筆流利而精準，在我過去翻閱的過程中，除了有些兩岸名詞不同以外，均能盡情享受書中內容，而不為文所害。本書於二○○三與二○○四年獲得中國版權協會頒發之「引進版優秀科技圖書獎」，絕對實至名歸。這樣經典的著作，內容豐富而又賞心悅目，國內能夠出版，真是讀者之福。
中央大學天文研究所 陳文屏教授

作者序

　　大學教師篤信教學相長的道理。而貫穿本書的脈絡，即筆者三十年來在劍橋大學教授研究生所學得的天文學史。

　　當老師的終究堅信，自己能夠洞見重點。我也不能免俗，所以選擇了那些我自信為最基本、重要的問題，加以詳細、甚至鉅細靡遺地討論。為了節省篇幅，許多別的歷史學家認為重要的問題以及較次要的大量論點，我只會簡單地提一下。

　　我們將主要內容放在近東和歐洲天文學的發展上，即今日世人所知的天文科學。其它的古天文學，如中國天文學，以及新大陸在西班牙征服者到達前的那套複雜的天文學，當然會引起天文學史家關注，但本書僅概略描述過。

　　讀者在進入天文學的歷史時，往往期望討論重點擺在「誰先找到正解？」，但在本書中，想滿足此種期望的效果有限。這有兩個原因：

　　首先，「找出正解」一問假設了科學是以益發趨近真實的理論加以推演，一直前進、持續不斷，由真理累積而成的學問。在現實層面，情況可能如此。我們很難想像，從中世紀以來的「地圓說」之主張會被否定；或是有天發現實際上金星還比水星更接近太陽。但在更深層的理論面上，科學的發展卻極其複雜。在所謂的「常態科學」（normal science）中，往往包含了來自各方的貢獻，而從最初的困惑、逐漸清晰而詳盡；有時候會有戲劇性或意想不到的進展。牛頓死後的一百多年裡，一般咸認全人類僅他一人有此特權闡釋物質宇宙的基本定理，他在一六八七年已闡釋過一次，且此舉已不可能再有。然而愛因斯坦把牛頓的空間、時間、重力等基本概念徹底改造，摧毀了這個自滿的看法。然而，若誰就此宣稱牛頓就是「錯了」而其成就也不值一顧，那就是個糟糕的歷史學家了。

　　其次，今天的天文學史家知道，他們的任務不在替那些觀點符合現代天文學理論的古代天文學家宣揚功績，而是要讓讀者有一段動人的旅程。此行要帶領讀者，至概念上算是陌生之地的過往文明中，尋求天空之秘的解答，如同今日我們所做的；只不過當時的疑惑在今日已是稀鬆平常而不值一哂，其時其人求解的思考模式亦迥異於今人。歷史學家希望讀者將關於天文學的本質與目的之現代假設置之腦後，「擱下」現代的諸多天文知識，與他們一同體驗這些迥異的概念。

　　例如，柏拉圖其時代的人觀測到，天球夜復一夜等速旋轉，上面有無數「固定」的恆星隨著旋轉，其間的相對位置卻未稍變；但是他們也看到，有七個「流浪者」或謂「行星」——太陽、月亮、水星等等——以令人迷惑的方式穿行於眾星之中。我們若想理解自柏拉圖至哥白尼的一千九百多年間的天文學，就必須把現代的「行星」概念放到一邊，將太陽和月亮視為「行星」。更重要的是，我們必須把現今對天文學家任務的認識拋去，因為我們是在研究其它文化，在該文化中，天文學家的任務是為每個「行星」設計一個幾何模型，並據此模型計算、製表，定出該天體未來時刻的精確位置。

　　這意味著兩千年來，天文學是應用幾何學的。幸運的是，數學底子不佳的讀者不必絕望，其涉及的概念相當基礎——幾乎就是單一或成對的等速圓周運動。而這些以多數圓組成的複雜模型本身，就不是基礎概念而已；但我們能做到的就是舉例說明，甚至是將其從正文中分出另行討論。

　　沒有人會把牛頓的後繼者所使用的數學技巧說成是基本功。在《原理》（Principia）一書中，牛頓主張，萬有引力定律是理解物質宇宙的關鍵。將其應用在極其複雜的太陽系時，能否推算出我們觀測到的彗星、行星及衛星的運動，才是對萬有引力定律的考驗。此問題讓當時一小群天才數學家關注了將近一百多年，而如何對他們的成就做出正確評價，是天文學史家所要面臨的問題。儘管天文學家對其結論有高度興趣，但由於他們本身並非天文學家，僅是在天文學界工作的數學家，因此即使忽略其計算中的細節，我們也不致良心不安。

　　這些「天體力學家」與他們中古世紀的前輩一樣，全神貫注於太陽系。相對於行星運動來說，恆星不過是固定的背景般無足輕重——因此人們也不感興趣；能對恆星做的事，也僅是在星表中標定其位置和亮度罷了。甚至遲至一八三三年，研究恆星和星雲的頭號權威約翰．赫歇爾（John Herschel），出版的專著《天文學》（A Treatise on Astronomy）中，還僅用了一章來處理恆星的問題。與他同時代的人，無論專家或業餘者，除了極少例外，都只對一顆恆星——太陽——及其衛星感興趣。

　　但是此後，天平就明顯向另一邊傾斜了，今天的歷史學家看到，十八、十九世紀的恆星、星雲和「宇宙結構」的先驅研究，對未來的天文學思想有深遠影響。因此本書著重在早期對於太陽系範圍外的探索研究，而非看似應然地著墨在當時的天文學家。

　　近幾世紀以來，我們的天文學報告一再出現一個議題：距離。觀測者看到的天體像是散佈在天球表面；而這種景象是二維的。為了建立三維宇宙的理論，觀測者必須測出第三維的數據，也就是距離的值。

　　這段研究過程令人興奮，能成功測出難以想像的遙遠天體的距離，是天文學的驚人成就之一；因為即使是離我們最近的恆星，我們也要經過好幾年才能看到它們的光。但天體這遙遠的距離，卻有意外的好處，因為我們看到的光，不是恆星此刻發出的，而是此段太空旅行啟程時的光。這使天文學家得以看到似乎不可能的「過往」景象。距離越遠的天體，我們看到的「過往」景象就越久遠；今天這些研究出的「距離」有時舉足輕重，足以引用為支持或反駁宇宙學理論中關於宇宙初期成因的論證。

　　歷史何時結束？科學何時開始？歷史學家本身因離當代天文學太近，而難以看得仔細透徹。儘管用歷史觀點來看待「今日天文學」為時過早，但近幾十年來的天文學已有明顯的改變，這些變化太戲劇性，太令人興奮，以至於歷史學家乾脆忽視不管。所以，我們藉著檢視周遭，研究今日之事如何替代從古至今、我們與祖先共同追尋的目標，來結束此段歷史之旅：去理解我們從中發現自身的那個宇宙。