【译者之言：知道了太阳离我们的距离，那太阳有多重，或者更准确地说，太阳质量有多大呢？人类对它的认知，依然经历了一个漫长的过程。】

年轻的时候，我读过大量的诗歌。部分原因是学校让我们学习诗歌，而部分原因是因为我也不知道有什么更好的东西可读。正如我经常解释的那样，我移民来美国的父母对美国文学知之甚少，无法去指导我阅读，于是我见什么读什么。我因此阅读了大量通常小孩都应该比较讨厌的诗歌，因为也没有人告诉我，我应该讨厌诗歌。

在任何情况下，我都还记得那些日子里读过的很多诗歌，因为我总是很难忘记任何东西（除了重要的事情，比如我亲爱的妻子珍妮特为了让我永生，而给我的指示）。即使在今天，一些诗歌仍在为我的世界观增添色彩。

例如，有一首弗朗西斯·威廉·鲍迪伦（Francis William Baudylan）（不瞒你说，我不得不去查了一下他的名字）的诗，这是他写的一首短诗，诗的第一节是这样的：

黑夜有千只眼，

白天仅有一只；

太阳慢慢逝去，

光明渐渐枯萎。

无论是在文学上还是在科学上，在我读过的任何东西中，都没有遇到过像这四行诗那样坚定地赞赏太阳的重要性。

因此，年轻的时候，当我发现在我们普通世俗的历史上，我们所认识的第一个一神论者——埃及法老阿赫纳顿（Akhenaton）（公元前1372-1362年）——选择太阳作为唯一的最高的神，我一点都不感到惊讶。（是个不错的选择，阿赫纳顿，我觉得。很合乎逻辑。）

那么，我将继续讨论太阳。在上一篇短文中，我提出了一个问题：太阳有多远？答案是1.496亿公里（92.96百万英里），而太阳直径为139.4万公里（86.6万英里）。

现在让我们问第二个问题，而这次我故意用一种幼稚的方式：太阳有多重？

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一开始，西方宗教的传统观点是，太阳只是一个光的容器。

光本身是圣经中提到的，第一件被创造的东西，因为在第一天，“上帝说，你们要有光，于是便有了光。”（创世纪1：3）

首先，我们可以假设，光只是渗透到宇宙中，但是（还是在第一天），上帝将光明与黑暗分开，以区分白天和黑夜。

直到第四天，光才被收集到各种天体中，其中最亮的，无以伦比的是太阳，月亮远远跟在第二，星星只是一点点小光亮。“上帝造了两大团光；较大的一团管白天，而较小则管夜晚，他也创造了星星。”（创世纪1：16。）

地球上也存在光，它独立于天体。有短暂、偶尔出现的闪电，可能引发森林火灾。最终，人类点燃可能点燃了一些火，以产生光亮和温暖。对地球光源的研究提出了一个非常重要的观点，即光显然没有重量，它是非物质的。

由此，可以得出一个重要的结论。如果太阳只不过是一个光球，它也一定是非物质的，并且没有重量。如果是这样，即使它距离很远，很大，也没什么关系。无论它多大，它仍然是一个没有重量的东西，人们可能会说，它一定是绕着沉重的地球在转动。

对地球上光的第二个基本观察是，除非发出光的火焰持续得到燃料供给，否则它不可能长期存在。木材或油一旦消耗尽，任何光源都会消失。

另一方面，太阳不会熄灭，它一直发光，贯穿人类历史，没有变化，直到今天也没有显出逐渐减弱或衰退的迹象，更不用说熄灭了。也没有任何迹象表明，在这个过程中，太阳正在消耗燃料。

由此，可以得出结论，地球上的光与天上的光有一定的根本差别。地球上的光是基于燃料燃烧的短暂现象；而天上的光是永恒的，不需要燃料。这是一个表明地球上的自然法则不同于天上法则的重要例子。

希腊哲学家亚里斯多德（Aristotle）（公元前384-322年）相当详细地解释这个问题。一般来说，地球上的物体都是不完美的，是受时间限制的；腐烂和腐败是不可避免的。另一方面，天体是永恒的，是不会腐烂的；总之，就是完美的。地球上的物体，要么不移动，要么是通过向下下降或向上上升来移动。土地和水趋向于下沉；而空气和火会上升（按古希腊的观点，这是构成地球的四种基本物质或“元素”）。另一方面，天体一直在移动，但它们的移动既不是通过下降，也不是通过上升来完成的，而是在地球周围巨大、不变的圆环中前行。

既然如此，天体就不会是由土、水、空气或火构成的了，而是由完全不同的物质构成，这些物质被亚里斯多德称为“aither”，我们称之为“aether（以太）”或“ether（以太）”。它来自希腊语，意思是“燃烧发光”，因为天体永恒地发着光，而地上的物体是暗淡和黑暗的，除了偶尔有人点燃的火，但与以太的神火相比，人造的火就太不不完美了。

除非有支撑，否则岩石和重物体通常都会坠落。我们都知道这个道理。手握一块石头，伸手，放手，它自己会立刻落下。但为什么呢？

为了回答这个问题，亚里斯多德认为，每个物体在宇宙中都有一个自然位置，如果它在那个自然位置之外，只要没有被约束，它都会尽一切努力回到原来的位置。只要你把岩石保持在半空中，你就会感觉到它的重量，可以说就像它在挣扎，挣扎着想奔向宇宙的中心，这是固体物质的自然位置。如果你放手，它就会立即向那个中心移动；换句话说，它就会下落。

亚里斯多德似乎认为，一个物体的沉重与否，是衡量它渴望出现在其自然位置上的强烈程度的标准。因此，重的物体自然就会比轻得物体落得更快。一块岩石落下的速度就会比一片叶子快得多，而一片叶子又会比一根小羽毛掉得更快。

如果你愿意，你可以通过一个简单的实验，就可以证明亚里斯多德在这个观点中所犯的错误：

取两张同样的纸，让它们同时自由下落。它们两个都会下落得相当缓慢，速度相同。现在把一张纸揉成尽可能小的纸团，这一过程中其重量并没有改变，现在准备让两个物体自由下落，一个薄而平，一个揉成了紧凑的结构，但两者都有相同的重量。

让它们自由下落，看到了吧！揉成团的纸比重量相同的平纸下落要快得多。

为什么呢？因为在大气中下落的物质，必须把大气分子推开，这就吸收了下落的能量，使它们下落得较慢。如果是一个很重的物体，空气阻力带来的减缓可以忽略不计，但如果物体很轻，影响就会较大。如果物体既轻，与空气接触的表面又大，影响则会更大。

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在我们看来，这一切都是显而易见的，但直到亚里斯多德时代过去了19个世纪之后，意大利科学家伽利略（Galileo Galilei）（1564-1642年），才真正验证了古希腊关于下落物体的观念。

十六世纪九十年代，伽利略做了两件重要的事情。首先，他使用的物体比较重，空气阻力可以忽略不计。其次，他让物体在一个倾斜的平面上往下滚动，这降低和减缓了自然下落的趋势，这样他就可以更容易地观察和测量它们移动的速度。

他的实验证明了一个非常重要的事实——无论物体的重量如何，它们都以相同的速度下降。传说，伽利略同时从比萨倾斜塔的顶部扔下两个重球，来证明了这一点。一个的重量是另一个的十倍，一声闷响，它们同时砸在地上。几乎可以肯定的是，他并没有这样做，但他用球从倾斜平面滚下的实验，即使不那么壮观，也还是不错的。这推翻了亚里斯多德的物理学。

（在真空中，没有空气阻力，所有物体，无论重量多轻，表面积多大，都会以相同的速度落下。在真空中，羽毛会像炮弹落下一样快。这已经得到测试，确实如此。）

大约四分之三个世纪后，英国科学家艾萨克·牛顿（Isaac Newton）（1642-1727年）研究了伽利略和其它与运动物体有关的发现，并提出了三个假设，称为“运动三大定律”，令人满意地解释了地球上能遇到的所有运动类型。

运动第二定律规定，如果一个力施加在一个物体上，该物体就会经历一个加速过程。它会加速或减速，或改变运动的方向（这取决于施加力的方向）。更重要的是，同样程度的力施加在较重的物体上，会比施加在较轻的物体上产生更小的加速度。（要看到这一现象，可以先踢一个足球，然后用同样的方式踢一颗炮弹，看看会发生什么情况。）

牛顿定义了物质的固有特性，他称之为“质量”。特定物体的质量越大，施加给定的力，加速就越小。在地球表面，物体的质量与其重量成正比，但两者是不同的。重量在宇宙中随着位置发生变化，但质量不是——这一点我们现在不需要讨论。

从那时起，牛顿的运动定律就适用于所有的普通条件，它们已经被证明是一种完全令人满意的运动处理方式。（在极端条件下，爱因斯坦对这些定律的推广更为有用，但现在我们也不会讨论这个问题。）

用伽利略和牛顿的运动取代亚里斯多的的运动，这本身并不一定会改变自然法则在地球和天空上不同的命题。无论你如何解释物体落在地球上的方式，它们都是下落的；而天体不会下落，而是在做环绕运动。它们似乎在地球周围做环绕运动，但即使在前一篇短文中描述的日心说被大家接受，如果一些天体绕着太阳转动，它们仍然是在做环绕运动，不会落下。

现在怎么办呢？让我们换个办法吧。

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古希腊人认为行星作环绕运动， 不是因为行星的运动表明了这一点，而是因为圆圈被视为最简单和最完美的曲线。在他们眼中，天体只能是完美的。

由于行星的运动，并不像它们在其轨道（完美的圆）上应该有的那种运动，希腊人认为它们是以圆的组合在运动，是圆在圆上建立的结构，并且越来越复杂。他们坚持强行将行星的实际运动纳入他们的整洁和漂亮的概念。（他们称其为“保存外表”。）

正如上一篇短文中所描述的，当哥白尼认为，除了月球之外，行星实际上都是绕太阳转动的时候，他依然觉得它们是以圆的组合在运动。他也无法摆脱那个特殊的希腊想法。

打破这一魔咒的是德国天文学家约翰·开普勒（Johann Kepler）（1571-1630年）。他有一套由丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brahe）（1546-1601年）记录的火星观测资料，这是那个时候编制得最好的资料，开普勒试图将这些位置与圆形轨道匹配，但未能成功。

绝望之下，他尝试了其他类型的曲线，并发现椭圆（一个稍微扁平的圆圈）正好与轨道匹配。他因此提出了“行星运动三大定律”，前两个定律在1609年提出，而第三定律在1619年提出。

第一定律规定行星轨道是一个椭圆。和圆一样，椭圆也有一个中心，但椭圆还有两个焦点，分别位于中心的两侧，而太阳则位于行星轨道椭圆的一个焦点上，而不是在中心处。

第二定律描述了一个给定行星的运动速度，如何随着离太阳距离的变化而变化。（太阳位于行星椭圆轨道的一个焦点，在行星沿着其轨道前行时，太阳和行星之间的距离也会发生变化。）

第三定律描述了不同行星绕太阳转动所需的时间长度，是如何与它们离太阳的距离有关的。

开普勒是第一个对太阳系进行本质描述的人，他的描述在今天和他自己的时代都一样缜密（牛顿和后来的爱因斯坦，进行了一些改进）。与开普勒给我们的画面相比，太阳系的画面不太可能再发生大幅改变。

然而，问题是，行星运动的三大定律与（地球运动）的三大定律有很大的不同，因此，即使到了17世纪中期，自然规则在地球和天空中，似乎仍然是不同的。

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1666年，艾萨克·牛顿（Isaac Newton）（1642-1727）离开了正在被瘟疫毁灭的伦敦，回到了他母亲的农场，一天晚上，他碰巧看到一个苹果从树上落下（不，它并没有砸中他的头），而此时月亮在天空中闪耀着光芒。

他想知道为什么苹果掉了，月亮却没有，然后他又想到，月亮是掉下来了，但它也在横向移动，两种运动的结合让它保持在绕地球的轨道上。从轨道的性质，我们可以计算出月球每秒钟朝地球落下的距离，它比苹果下落慢得多。当然，月亮比苹果距离远得多，也许地球的引力随着距离变大而下降。

我们知道，由于光的强度是距离的平方，地球引力的强度可能会以同样的方式下降。牛顿进行了计算，最终发现月球的下落速率只有实际的八分之七，这似乎推翻了他的理论，他失望地将其放弃了。

为什么他的计算失败了呢？首先，他使用的地球半径数字比实际的要小。这影响了他的计算。还有，地球的不同部分，可能会从稍微不同的方向，以稍微不同的距离吸引月球，而牛顿不确定如何去考虑这些情况。

然后有一天，在1684年，当英国科学家们正在讨论行星运动被太阳引力控制的可能性时，牛顿的朋友埃德蒙·哈雷（Edmund Halley）（1656-1742年）问他，如果太阳的吸引力随着距离的平方而下降，行星会怎样绕太阳转动。

“椭圆轨道，”牛顿说。

“你怎么知道呢？”哈雷说。

“我曾经计算过的呀，”牛顿说。

哈利非常兴奋，当他知道牛顿得出了错误的数字时，他坚持让牛顿再试一次。此时，牛顿已经发明了微积分学，这给了他进行此项计算正好需要的数学工具。另外，法国天文学家让·皮卡德（Jean Picard）（1620-1682年）在1671年发表了对地球半径新的估算，这比1666年牛顿所使用的更精确。

当牛顿回到他的计算中时，他可以看到就要得到正确结果了，但他不得不停下来恢复，因为兴奋让他中了风。

然后，哈利又残忍地催着牛顿写一本书，描述他的运动定律以及由此可以推断出的一切情况。哈利读了校样，并承担了出版费用（哈雷很富有）。这本书的短标题是《数学原理》，出版于1687年，这是世界上有史以来公认的最伟大的科学著作。

牛顿根据他的三大运动定律，制定了万有引力定律。他接着根据万有引力定律制定了行星运动的三大定律。

请注意，牛顿并非仅仅是提出了一个简单的引力定律。即使是原始人也知道所有的重物都会掉到地上。每个人都知道地球是引力的来源。这用不着牛顿告诉大家。

牛顿提出的是万有引力定律。宇宙中的每个拥有质量的粒子，会吸引其他每个拥有质量的粒子，吸引力与两者的质量成比例，而与两者之间距离的平方成反比。

这就使得确定宇宙中不同物体的相对质量成为了可能。例如，月球不是简单地围绕地球转动。根据牛顿的定律，地球和月球都围绕一个共同的重心转动。这个重心位于连接地球中心和月球中心的直线上，它与地球中心和月球中心的距离与各自的质量成反比。重心可以加以定位，因为在地球绕它转动时，在一个月的过程内恒星似乎略有摆动。

地月系统的重心距离地球中心平均为4,728公里（2,938英里）。这实际上是在地球表面之下1650公里（1025英里），因此，说月球正在绕地球转动是非常合理的。

重心接近地球中心的距离比接近月球中心的距离要近81.3倍。这意味着地球质量是月球质量的81.3倍。我们无法用重心的位置来告诉我们任何一个物体的绝对质量，但我们可以得到两者的相对质量，这也就足够了。

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那么太阳的质量又如何呢？

我们知道月球绕地球运行的速度。如果月球离地球更远，它就必须经过更长的轨道，移动也会更慢，因为地球的引力影响会更弱。我们可以同时考虑这两种效应，计算出月球在任何距离上绕地-月系统的重心转动的速度，例如，在等于太阳与地球之间的距离上。

如果月球离地球1.496亿公里，并且附近没有其他天体干扰，它的移动确实就会非常慢，比地球在同样的距离绕太阳移动要慢得多。

为什么地球在太阳的影响下，比月球在同一距离上在地球的影响下，移动快得多呢？显然，因为太阳的引力比地球的引力要强得多。

为什么太阳的引力比地球的引力要强得多呢？因为太阳拥有更大的质量。根据牛顿万有引力定律，按照已知的月球和地球的轨道速度，以及已知的月球与地球之间的距离和地球与太阳之间的距离，我们就可以计算出太阳相对于地球的质量。

原来，太阳并不是非物质的光。太阳是一个质量等于地球质量33.3万倍的物体，在任何给定的距离上，太阳的引力都是地球引力强度的33.3万倍。

换句话说，一旦牛顿万有引力定律的结果被理解，就再也没有任何可能的理由（除了盲目和固执的信仰），来假设太阳绕着地球转动了。

1798年，英国科学家亨利·卡文迪什（Henry Cavendish）（1731-1810年）在实验室中测量了两个金属球之间的引力，并由此计算出了地球的实际质量。由此，我们可以得到月球和地球的绝对质量，但这些数字巨大得让我们无法想象。如果我们坚持使用相对质量，则会简单一些，假设月球质量为1，我们可以得到：

月球质量=1

地球质量=81

太阳质量=27000000

我们现在还知道太阳其它什么情况吗？是的，我们还知道太阳的直径等于地球的109倍（见上一篇短文），因此其体积等于地球的109×109×109，或1,295,000倍。

那么，如果太阳是由与地球完全相同的材料构成，它的质量应该等于地球的129.5万倍，但并非如此。

由于太阳的质量只有地球的333,000倍，因此它是由比地球轻的材料构成的。太阳的密度（每立方米千克数或每立方英尺磅数）为333, 000/1, 295, 000，只有地球密度的1/4。

现在我们可以得出一个伟大的结论。我们已经证明了月亮和太阳与地球一样拥有质量。通过类似的方法，我们也可以证明每一个物质天体都有质量，甚至是遥远的恒星和星系。（光和其他有些东西是非物质的，也没有普通意义上的质量，但我们可以忽略这一点。）

再就是，既然宇宙中所有带有质量的物体，似乎都按照牛顿的方程，遵守万有引力定律（除非极端情况下，我们必须使用爱因斯坦广义理论），那么，我们可能就会猜测，宇宙中所有物体，无论是在地球上，还是最遥远的星系，似乎都遵守相同的自然的法则——所有的自然法则，而不仅仅是万有引力定律。

当然，这仍然只是一个假设，因为我们不能在这么远的距离直接去测量宇宙，但是在牛顿伟大的著作出版三个世纪以来，我们确实还没有发现有任何东西，会导致我们，以任何严肃的方式，怀疑在地球上所确定的自然规律的普遍性。

然而，即便如此，仍然还是有牛顿方程式无法回答的问题。例如：

太阳有质量，但构成太阳的物质并不是构成地球的物质，因为构成太阳的物质只有构成地球物质密度的四分之一。

这是因为太阳比地球热得多吗？毕竟，密度确实会随着温度上升而下降。

还是因为太阳是由与地球相同的物质构成的，只是比例不同？地球上的一些物质也比其他物质的密度要小得多，也许太阳主要是由我们在地球上所知道的密度较低的物质构成的。

或者太阳是由不同于构成地球的物质构成的？即使它们都服从自然法则，也许天体的化学成分与地球根本就不同。也许每个天体都有自己的化学成分，没有两个是相似的。

如果是这样，我们又如何能知道呢？例如，我们又不能去往太阳，对它的材料进行取样，来进行分析。

事实上，法国哲学家奥古斯特·孔特（Auguste Comte）（1798年-1857年）在1835年指出，恒星的化学成分，就是那种永远无法获得的信息科学的一个示例。

不过，有时候这些“不可能！”的大嘴声明是危险的（尽管我自己也经常这样做）。在孔特去世仅两年，科学家们就学会了，如何获得这种孔特认为是永远都无法获得的科学信息。

在下一篇短文中，我们将谈论这是如何做到的，我们将会发现太阳是由什么构成的。

（作者：艾萨克.阿西莫夫（Isaac Asimov），译者：劲松）