水星：八大行星中最小

水星是离太阳最近的已知行星，也是八大行星中最小的。它与太阳的平均距离为4000万英里，直径约为地球直径的三分之一。它是古人所熟知的一颗行星，如果观察者的纬度不太高，在有利的时候肉眼就能看见它。欧洲中部和北部地区的地理位置非常不利于观察水星，据说哥白尼到死也没有看到过水星。观察它的困难之处在于它离太阳很近，因为它很少会在太阳落山的一个半小时以后才落下，或者在太阳升起的一个半小时之前升起。因此，当夜晚的条件足够看见它的时候，它通常是在地平线附近，以至于消失在朝那个方向看到的蒸汽中。不过，通过观察有利时刻，在美国的任何地方，每年都可以看到它好几次。以下是日落后观赏水星的好时机：

1877…………………… 5月3日，8月26日，12月25日

1878 ……………………4月14日，8月9日，12月9日

1879…………………… 3月28日，7月23日，11月21日

随后几年的相应时间可以从每年的日期中减去18天，即1879年比1878年早18天，1880年比1879年早18天，以此类推。不必仔细按着我们给出的确切日期去观察，因为这颗行星通常一次能十五或二十天可见。给出的每一个日期大约是可视期的中间段，这个时间段会前后各持续一周或十天。最好的观赏时间是在黄昏时分，日落后大约四十五分钟的时候，春天在这方面比秋天更有利。

水星的面貌——水星闪耀着明亮的白光，比任何恒星都亮，除了天狼星。它看起来不像天狼星那么明亮，因为在晚上除了非常接近地平线的地方，是看不见它的。由于轨道偏心度大，距地距离变化大，其亮度变化很大，但在我们刚刚列出的有利观察的时候，其亮度也差不多是最大的。

在有利条件下用望远镜观察，水星的位相与月球相似。当超过太阳时，它看起来又圆又小，直径只有5"。当从太阳的近侧看到时，此时接近其最大的视角距离，它看起来像一个半月形。当它几乎位于太阳和地球之间时，其直径在10"到12"之间，但只能看到一个很薄的新月形。这些不同位相与行星与地球和太阳的相对位置的联系方式与金星的情况相同，这将在下一节中展示。

图51：四颗内行星的轨道，图示说明了水星和火星的偏心率。

旋转、外形、大气等——大约在19世纪初，著名的莉莲塔尔天文学家施罗特，是他将行星的望远镜研究变成了一门学科。他认为，当水星呈现新月形时，这个新月形的南角有时会间歇性地变钝。他将这一现象归因于一座高山的阴影，通过观察这个南角变钝恢复的时间，得出了结论：水星在24小时5分钟内完成一次绕轴自转。他还估计了这座山的高度为12英里。但是现代的更强大的工具并没有证实这些结论，而且它们现在被认为是相当存疑的，如果不是完全没有基础的话。也就是说，我们必须考虑到水星在其轴线上的旋转时间，当然，还必须考虑到该轴线的位置，虽然还不确定，但自转时间可能非常接近24小时。

观察者所描述的假想的水星大气、它的外形与球形的偏离，以及许多其他现象，都必须受到同样的怀疑。与球面形状的偏差不能被认为是被证明的，测量结果的不一致表明假定的偏差实际上是由观测误差引起的。因此，许多观测者将其归因于大气的外形，都被视为光学错觉，或是由于所使用的望远镜的缺陷造成的。根据对其各种位相的光线的测量，佐尔纳得出结论：水星和我们的月球一样，没有足够密度的大气来反射太阳光。如果这种怀疑和不确定性看起来令人惊讶，那么必须记住，这颗行星与太阳的近距离使它成为一个很难被精确观测的物体。我们必须要么在白天，当空气受到太阳光的干扰时，要么在傍晚，当行星非常接近地平线时，才能观察它，因此对它的观察是处于不利的情况下的。

水星凌日——这颗行星在太阳表面的过境比金星频繁得多，连续过境之间的平均间隔小于十年，最长的时间间隔是十三年。天文学家总是非常感兴趣地看待这些过境现象，因为这些现象可以引出一些问题。从最早的已知水星围绕太阳运动的年代开始，很明显水星有时必须在地球和太阳之间通过；但它的直径太小，无法用肉眼在这个位置看到它。伽桑狄于1631年11月7日对投射在太阳表面的水星进行了第一次实际观测。他的观察方式是已经描述过的观察太阳黑子的方式，太阳的图像被一个小望远镜投射到屏幕上。他差点错过了他的观测，因为他曾预计这颗行星会比它看起来大得多。当时不完美的望远镜导致一条漫射光带包围着每一个明亮的物体，这条光带极大地增加了它的表观大小，因此加桑狄不知道这个星球到底有多小。

伽桑狄的观察结果还不够准确，对目前的研究没有任何科学价值。直到1677年才有了一个很好的观察结果。那一年，英国的哈雷在圣赫勒拿岛上，由于配备了精良的仪器，他很幸运地对11月7日发生的水星凌日进行了全面的观测。我们已经提过了他的观察的高度精确性，以及由他首次看到的黑滴现象。

下面是计算出来的在19世纪余下时间内会发生水星凌日的日期。第一次水星凌日将在整个美国可见，第二次将在太平洋沿岸可见。

目前，对水星凌日的最大兴趣来自于勒威耶对1848年前观察到的水星凌日与引力理论确定的水星运动之间进行的深入比较而得出的结论。根据勒威耶的说法，这一比较表明，水星的近日点运动速度，比根据太阳系中所有已知行星的引力得出的应当值每一个世纪快了40"。他通过假设水星和太阳之间有一组小行星来解释这一运动，因此，这群小行星是否存在变得很重要。

勒威耶的理论得到了明显的支持，因为在过去的一个世纪里，不同的观察者记录到了有行星外形的黑暗天体在太阳圆盘上经过，这些黑暗天体的运行速度太快或消失得太突然，因而不可能是太阳黑子。但是，当我们检查这些观察结果时，我们发现它们没有资格得到丝毫的信任。有一大类有记录的天文现象，是由不熟练的观察者使用不完善的仪器或在不利的情况下观察到的。熟练的观察员使用良好的仪器却没有观察到类似的现象，这一事实足以证明它们有问题。现在，对近水星行星的观测也属于这一类。沃尔夫收集了太阳上19个不寻常现象的观测数据，从1761年到1865年，除了两三个之外，这些观测者作为天文学家几乎都是不知名的。至少在其中一个观测中，观察者并没有宣称看到过类似行星的东西，只是看到了类似云的外观。另一方面，在诸如施瓦贝、卡林顿、塞基和斯波雷尔等人一直孜孜不倦地观察太阳开始的五十年来，他们中没有一个人记录到过此类情况。如此数量的行星经过太阳盘，被业余的观察者看到，却避开了所有这些熟练的天文学家，这是完全不可能的。

在估计这一可能性时，我们必须记住，出现在太阳上的一个真实的行星被熟练的观察者发现的可能性要远远大于不熟练的观察者，就像一个新品种的植物或动物更可能被一个博物学家所认识，而不是一个非博物学家。不习惯对太阳黑子进行仔细研究的人，可能很难将一个不寻常的圆点与一个行星分辨开来。他也容易受到各种各样的欺骗^[1]，例如，太阳通过它的表观周日运动，在一天的过程中，把它圆盘边缘的不同部分呈现给地平线；事实上，在北半球，太阳似乎是顺时针方向转动的。因此，如果在太阳的圆盘边缘附近看到一个太阳黑子，它看起来似乎在运动，但实际上它是静止的。另一方面，如果一个有经验的观察者看到一颗行星投射在太阳的表面，他很快就会认出它；如果有任何可能的疑问存在，就可以通过非常简单的仔细观察来消除它。

反对认为这些是小行星出现的最有力的论据是，在这种位置上行星的凌日现象不可能是一种罕见的现象，而必然会以一定的间隔重复出现，这取决于它与太阳的距离和自身轨道的倾斜程度。例如，假设一颗行星倾角为10°，这比任何主要行星的倾角都大，距离太阳的距离是水星的一半，那么这颗行星平均每年都会经过太阳表面一次，其连续的凌日时间要么会发生在一年中的几乎同一天，要么是季节相对的某一天。我们所提到的假定的凌日在所有季节都会发生，如果我们假设它们是真的，作为一个逻辑结果，我们必须假设，这几个行星的凌日每年都会重复多次，但总是避开所有好的观察者的仔细观察，尽管偶尔会被不熟练的观察者看到。这是他们现实理论的一个充分的归谬法证明。

因此，非常确定的是，如果水星近日点的运动是由一组行星引起的，那么它们的体积都非常小，以至于在穿越太阳时是看不见的。它们必须也小到在日全食时看不见，因为那时它们总是不露面。但要对水星产生的之前所记录的观测效果，它们的总质量必须是水星的三到四倍。由于它们每个个体如此之小，加起来又如此之大，它们的数量必须以千计；如果看到它们，它们将只被视为云状的物质。现在，在黄道带的光中，我们有这样一个物质，但问题出现了，反射这种光的物质是否可能是影响水星运动的物质。虽然这个问题的肯定回答不涉及任何本质上不可能的东西，但如果没有进一步的调查，它是不能被接受的。所涉及的微妙点是，除非我们假设假想的这一组小行星几乎在水星轨道的平面上移动，否则它们一定会改变行星的节点以及它的近日点。现在，勒威耶所讨论的观测结果并没有显示由于已知行星的作用导致的如上所述的任何节点运动。因此，我们得出了一个有力的结论，即如果近日点的运动是由勒威耶所认定的原因引起的，则引起它的小行星群平均来说必须与水星在几乎相同的平面上运动，但是还没有表明黄道光轴偏离黄道的角度和水星轨道的角度，也就是7度，一样大。事实上，在这个问题得到解决之前，需要进行大量的研究，而这些研究比目前这一代人可能应用到这个主题上的研究要多得多。

金星围绕太阳运行，其轨道大约在水星轨道和地球轨道之间的一半，它与太阳的平均距离为6700万英里。它的轨道比其他主要行星的轨道更接近圆形。它的大小非常接近地球，它的直径比我们地球的直径小一些，如果真有的话，小4%多。在太阳和月亮的旁边，它是天空中最明亮的天体，有时会在地上投射出非常明显的阴影。它与太阳的距离永远不会后退超过45度，因此，它只能在夜晚的西部天空或早晨的东部天空中看到，根据它在太阳的东部还是西部。因此，识别它很少有困难。当它最明亮的时候，只要你知道在哪里可以找到它，就可以在白天用肉眼清楚地看到它。古人称它的名字是黄昏星和启明星，或是夜星和晨星，前者的名字是当它在太阳的东面，在日落后的傍晚被看到时的名字，而后者是当它在太阳的西面，在日出前的东方看到时的名字。据说，在确切的天文学诞生之前，黄昏星和启明星被认为是两个不同的天体，直到研究了它们的运动，并且发现其中一个天体在另一个天体消失在太阳光后不久就从太阳光中浮现，它们的身份才得以确立。

金星的面貌——在肉眼看来，金星只呈现出一颗恒星的外观，只有它的强烈的亮度才能与其他恒星区别开来。但是当伽利略用望远镜观察这颗行星时，他发现它的位相与月球的位相相似。他希望能花时间去确认自己的发现的真实性，同时又不想因他人同时也在独立进行观察而丧失优先权，所以他发表了以下的加密文（变位词文，由颠倒字母顺序而构成的字[短语]）：

“这些不成熟的已被我徒然地读出”

（这些未成熟的东西现在被我不成功地收集起来了）。

他把这句话的字母进行了换位，后来证明可以把它们改成这句话，

“爱神之母模仿辛西娅的外形”

（爱神之母模仿辛西娅的位相）。

注：爱情之母即维纳斯，辛西娅即月亮女神阿尔忒弥斯［因为她出生在辛西娅（Cynthus），山名］。伽利略的意思就是金星和月亮一样有位相的变化。

1610年9月，伽利略首次注意到金星的轮廓不是圆形的。对它当时位置的计算表明，它一定有点凸月形，它超过一半的表面被照亮了；但几个月后，它变成了新月形。因此伽利略发现可能不需要等很久就能解释他的加密文了。

金星的相位和表观大小变化很大。当它超越太阳时，它与地球的距离为1.6亿英里，并且呈现出一个直径为10"的小圆盘的形状。当它离地球最近时，它与地球的距离只有2500万英里远；如果它的整个表面都是可见的，那么它的直径将超过60"。但是，由于当时金星和我们地球在太阳的同一侧，除了可能是被照亮半球的一个非常薄的新月形以外，它朝向我们的是暗半球部分。在这两个位置之间，它经历了所有的中间阶段，普遍的规律是，它离地球越近，被照亮的可视圆盘的比例越小；但是圆盘出现的越大，整个圆盘就可以被看到。它的最大亮度发生在它与太阳达到最大距角到它的下合之间的时候。

图52：金星的相位，行星在其轨道的不同点上的明暗部分的表观外形和大小。

金星的假设关系——早期的善用望远镜的人自然地就会用望远镜仔细观察行星，以发现行星表面是否存在任何不均等或有标记的地方，从而确定它们绕轴自转的时间。1667年4月，卡西尼看到或认为他看到了金星上的一个亮点，通过连续几个晚上的追踪，他发现这颗行星的自转时间在23到24小时之间。六十年后，意大利天文学家布兰奇尼（Blanchini），他的望远镜在第112页已展示过，他认为他在这个行星上发现了七个是海洋的地方。通过夜以继日的观察，他得出结论：金星绕其轴线旋转需要24天以上。这一不同寻常的结果遭到了卡西尼二世的批评。卡西尼指出，布兰奇尼每天晚上只用很短的时间观察这颗行星，而且每晚在几乎相同的位置上发现这些斑点，然后就因此得出结论：它每晚几乎没怎么移动过；而事实上，它已经完成了一个完整的自转，还要再多一点。在24天内，它会在原来的位置出现，但同时也已完成了25次旋转，而不是像布兰奇尼想象的那样，只发生一次自转。这将得出旋转时间为23小时2分钟，而卡西尼从他父亲的观察结果中得出的结果为23小时15分钟。

1788年至1793年间，施罗特对金星运用了一种类似于他用来发现水星自转时间的观测模式。当行星看起来像一个新月形时，他观察这些尖角，以为它们中的一个每隔一定时间就会变钝。他把这种现象归因于有一座高山，就像水星一样，然后他得出了一个23小时21分钟的自转时间。

另一方面，赫歇尔永远也没能观察到金星上的永久性标记。他以为他看到了一些偶然的斑点，但它们变化太大，消失得太快，以至于他无法收集到任何金星自转的证据。因此，他假设金星被一层大气所包围，任何偶尔能看到的标记都是由于云或其他不同的大气现象造成的。

1842年，罗马的德维科发表了一系列观察报告，试图证明他重新发现了一个多世纪前布兰奇尼发现的标记，从而支持了老天文学家们。他推断金星自转的时间为23小时21分22秒。

当今最有见识的天文学家对几乎所有这些观测结果都持怀疑态度，他们倾向于支持赫歇尔的观点，尽管他们支持的理由与赫歇尔创立的理由完全不同。可以肯定的是，今天有许多观测者，他们的仪器比他们前人的要好得多，他们从来没有看到过任何永久性的斑点。年长的观察者们发现的自转时间之间的密切一致确实是惊人的，而且似乎可以确定他们一定看到了那些持续了几天的斑点。也必须承认，有利于这些观测者的是，像望远镜这样的观测需要一个好的稳定的大气状况，在这方面，意大利天文学家的位置可能比较远北方的天文学家更好。但是，水星和金星的自转时间与地球的自转时间相差如此之小的情况是有点可疑的，因为如果这一现象是由于任何光学错觉或望远镜的缺陷造成的，它可能会连续地重复几天，从而让人产生了自转时间接近一天的想法。这种情况下，目前还不可能宣布一个权威性的结果；但概率的平衡很大程度上有利于这样的观点，即金星在其轴线上的自转从未被任何研究这颗行星的天文学家看到或确定过。^[2]

金星的大气层——当金星几乎出现在我们地球和太阳之间时，它的外观提供了它有大气存在的有力证据。金星离太阳最远的边缘被照亮，因此它看起来像一个完整的光圈。如果这个行星只有一半的球体被太阳照射，这种现象就永远不会出现，因为一个观察者不可能在一个视图中看到一个大球体的一半多。目前除了大气的折射，还不知道有什么方法可以让太阳照亮金星的一半以上，从而让我们看到一个完整的光圈。

费城的大卫·里滕豪斯（David Rittenhouse）在1769年6月3日观察金星凌日时，首先注意到了我们所提到的外观。当金星的一半进入太阳圆盘时，在太阳上切割出一个半圆形的凹口，还没有进入太阳圆盘内的金星的其他部分的边缘被太阳照亮，这样整个金星的轮廓就可以看得到。由于其他观测者没有证实这一点，它似乎没有引起任何关注。但马德勒在1849年发现，当金星接近下合时，可见的新月形延伸了超过半个圆。这表明，超过一半的金星球体被太阳照亮，马德勒计算了产生这种效应所需的大气折射率，发现它将超过我们地球大气层的折射率；地平线上折射率为44'，而在地球上，地平线上折射率只有34'。因此他得出结论，金星周围的大气密度比地球大气密度稍高一点。

下一个此类的重要观测是耶鲁大学的C.S.莱曼教授做的。1866年12月，金星非常接近它的下合点，并且不寻常地在离地日连线很近的地方经过。他用一个中等大小的望远镜观察这个行星的微小月牙形，发现他能看到行星圆盘的整个圆，一条非常细的光线沿着离太阳最远的行星边缘延伸开来。就目前所知，这是自里滕豪斯时代以来第一次以这种方式看到金星的整个圆。值得注意的是，这两个观察结果都是由美国观测者独立进行的。

尽管里滕豪斯、马德勒和莱曼同时证明，但他们对1874年12月金星凌日期间预计发生的事情的观察结果却完全被忽视了。因此，许多观察者都很惊讶地发现，当金星部分在太阳上、部分在太阳外时，其在太阳外的那一部分圆盘的轮廓可以用一条沿着它的细细的光线来区分。在某些情况下，由于观察者把这条光线误认为是太阳边缘的一部分，因而错过了记录行星出太阳时的内部接触时间。

除了里滕豪斯，没有人在1769年的金星凌日期间看到过这条光线，这是由于大多数天文观测站看到的行星高度较低，以及使用的许多仪器的不完美特性造成的。还需要指出的是，当时的观测者对金星大气所呈现的外观有错误的看法。人们假定当行星在太阳上时，大气会给它一个模糊的边界，这是由于通过大气的光被部分吸收造成的。在奥塔黑特（即塔希提岛），库克船长对假定的大气层和行星与太阳边缘的接触进行了单独的观测。然而，事实上，在这种情况下，不可能看到大气的任何迹象，因为穿过其较密集部分的光将完全被折射出其轨道，从而根本无法到达地球上的观测者处。

分光镜没有显示金星大气对通过它的光有任何相当大的选择性吸收。在行星反射出来的光线中，没有发现新的和明显的光谱线，也没有发现光谱与常规的太阳光谱有什么不同，除了，也许有些谱线稍强一些。这将表明，所讨论的大气与我们自己的大气没有任何显著的不同，或者至少不包含对光有强烈选择性吸收的气体。

金星暗半球的假想可见度——许多著名的天文学家已经观察到金星的暗大气层微微发光，这颗行星呈现出被称为“新月抱旧月”的外貌，这可能在月亮变化之三四天后的任何晴朗夜晚都能看到。众所周知，在月球的例子中，地球反射的光使它黑暗的半球变得可见。但在金星的例子中，没有地球或其他大到足以在它的暗半球上发出如此多的光而使其可见的天体。由于没有足够的外部光源，它被归因于行星表面的磷光。如果在有利的条件下磷光总是可见的，接受这种解释就不会有严重的困难。但是，由于很少被发现，很难想象仅仅是偶然的原因会在如地球大小的行星表面立即产生效果，从而使其发光。事实上，有一种情况使得我们很难避免这样的结论：整个外观是由于某种无法解释的光学错觉造成的。这种现象几乎总是在白天或在明亮的黄昏时出现，很少或从不在黑暗中出现。但是这样的光亮在晚上比白天更容易看到，因为在夜晚很容易看到的景象可能会被白天天空的光抹去。那么，如果这种现象是真实的，为什么在它应该是最明显可见的这种情况下，它却不被看到呢？这是一个还没有得到满意答复的问题，在得到答复之前，我们有理由认为这个景象是纯光学的。

假想的金星卫星——没有比望远镜还处于初级阶段时，对金星卫星的假定观测，更能说明用不完善的仪器观测可能造成的误差了。1672年以及1686年，卡西尼在金星附近看到一个模糊的物体，其相位与行星的相位相似。但除了这两次，他再也没见过这个物体。英国的肖特在1740年10月23日也报告发现了类似的物体。这个物体的直径是金星直径的三分之一，并且呈现出相似的相位。其他几个观察者在1760年到1764年间也看到了同样的情况。一位天文学家从所有的观测结果中计算出了一个轨道，但是没有金星的卫星可沿这个轨道运转，除非金星的质量是它实际质量的十倍。一个世纪过去了，还是没有被观测到金星的卫星，而且在19世纪，用比所提到过的观测中使用的任何望远镜都更好的望远镜仔细观察这颗行星，事实充分证明了以前观察到的这个物体完全是虚构的。

那些认为自己看到了这个物体的观察者是如何被误导的，在如此遥远的时间里，已不可能确切地说出来了。如果他们没有经验，我们可以有信心地说，他们被每台望远镜在某种程度上产生的虚假图像误导了，这些虚假图像是由眼睛角膜反射最近的目镜表面的光，然后又回到眼睛中产生的。类似的图像有时是由不同目镜镜片表面之间的光反射产生的。天文学家用“鬼影”的名字来称呼它们；一个年轻的观察者必须学会的第一件事就是将它们与真实物体区分开来。它们也可能是由于目镜镜片的轻微失调引起的，如果从这个原因出发，它们只在实际物体位于视场中心时产生，那么它们可能暂时欺骗最有经验的观察者^[3]。如果一架普通的消色差望远镜的透镜内曲率相同时，后面镜片在所有镜片中的距离不完全相同时，在所有位置的每个明亮物体的旁边都会看到一个“鬼影”。所有的观察结果都可能是望远镜中某种紊乱的结果，通过玻璃反射产生假图像。

我们的地球是距离太阳的第三颗行星，是四个内行星中稍大一点的行星。它与太阳的平均距离约为9250万英里；但是它比每年1月1日的平均距离值小了150万英里，比7月1日的平均距离值大得多。也就是说，它与太阳的实际距离从9100万到9400万英里不等。如前所述，这些数字的误差在几十万英里。

我们可以称之为地球天文学的许多东西，比如它的形状和质量、一年的长度；黄道的倾角，季节和每天长短变化的原因，已经在引力一章中讨论过了，所以在这一节我们几乎没有什么纯天文学的内容可以添加。它的表面特征和大气现象属于地理学和气象学，而不是天文学。但它的构成引出了几个问题，在处理这些问题时，天文学的考量起了作用。其中最突出的问题是地球内部巨大物质的状态，是固体还是液体。众所周知，当我们进入到地球的固体部分时，我们会发现温度上升，与深度一致，其上升速度与每50英尺上升1°F的温度差不了多少。这种温度上升与海平面没有关系，但在地表的所有点上都能发现，不管它们有多高。只要存在这样的温差，热量就必然通过传导从较热的地层持续地传递到较冷的地层。这样一来，如果地球内部没有持续的热量供应，温暖的地层冷却后，温差应该很快就会消失。因此，气温的上升不可能仅仅是表面现象，而必须继续深入到地下深处。如果我们追溯到过去，找到使现在这种增长可能会显现出来的、曾经存在的条件，我们会发现几乎可以肯定的是，一千年前，在地球表面以下十或十五英里的地方，整个地球都是红热的；如果不是这种情况，地球内部不可能提供出这么多的热量供应，导致我们现在观察到的温度增加。在这种情况下，它可能仍然是红热的，因为期望像这样的状态只是暂时的是荒谬的。总之，我们有充分的理由相信，每英里100℉的温度增长将继续在地球内部深入许多英里。然后我们将在地下12英里的距离处有达到炽热状态，而在100英里的深度，温度将如此之高，以至于熔化了构成地球固体外壳的大部分物质。

图53：根据熔融内部的地质理论显示的地壳厚度。按比例来说，画圆的线要比固体地壳粗一些。

因此，地质学家普遍认为，地球实际上是一个熔融物质的球体，周围环绕着一层相对较薄的固体地壳，我们就生活在这层地壳上。地壳漂浮在熔化的内部的上面。必须承认，总的来说，地质事实有利于这种观点。对钟摆的观测表明，大型山脉下的地球重力通常小于相邻平原下的地球重力，这正是该理论推出的结果。压在内部流体上的较重的物质会使周围较轻的物质升高，当两者处于平衡状态时，较轻的物质会上升得更高，就像漂

浮的松木块会比橡树块从水中升起得更高。地球许多地方的沸腾泉水表明，地球内部有许多炎热的地区，这种热量不可能仅仅是局部的，因为那样很快就会消散。地质学家在火山和地震中发现了这一理论最有力的证据。几千年来从火山口喷出的熔岩流表明地球内部有大量的熔融物质，而地震则表明这种内部会发生固体所不能表现出来的剧烈变化。

但是，数学家们从来没有完全能够将所讨论的理论与观测到的岁差、章动和潮汐现象相协调。从表面上看，地球在抵抗太阳和月亮的潮汐作用时，就好像它从中心到圆周边都是固体一样。威廉·汤姆森爵士已经表明，如果地球没有钢那么坚硬，它会对这种作用产生很大的屈服，潮汐会比完全坚硬的地球上的潮汐小得多；也就是说，所讨论的天体的引力会把地球本身拉成一个椭圆体，而不是只拉动海洋的水。地球和海洋一起运动，我们根本看不到潮汐。如果地球只是一个漂浮在内部液体之上的薄壳，那么潮汐将在内部液体产生；薄壳将以这样一种方式弯曲，海洋中的潮汐将几乎被中和。同样，问题也出现了：地球内部的液体是否会受到进动的影响；地壳是否不会在其上滑动，以至于最后液体在一个方向上旋转，而地壳在另一个方向上旋转。总而言之，地球流动性的学说充满了困难，尽管有利于它的证据似乎很有力，但它必须被视为至少是非常存疑的。可以补充的是，没有人否认，我们星球的内部非常热，事实上，热得足以熔化其表面的岩石，但据推测，外部的巨大压力往往会阻止内部熔化。威廉·汤姆森爵士也不怀疑地球内部有大量的熔化物质，火山就是从这些物质中孕育出来的；但他坚持认为，这些熔化物质的体量与整个地球的体量比要小。

大气折射——如果一束光以垂直方向以外的任何方向穿过我们的大气，它就会因该介质的折射而不断地向下弯曲。光线的走向越接近水平，曲率就越大。因此，所有的天体看起来都比实际更接近天顶，或者比地平线高一点。这种位移太小，肉眼看不见，除非它非常接近地平线，在那里位移迅速增加，在地平线上达到了半度以上。因此，在我们能有一个清晰的地平线的任何一点上，如在草原上或海岸上，当真正的方向低于地平线时，整个太阳圆盘都会被看到。因此，白天的长度略有增加。我们纬度地区的太阳总是比没有大气层的情况下早三四分钟升起，晚三四分钟落下。在分点的时候，如果我们假设，太阳的中心在地平线上时，标志着白天的开始和结束，那么白天与夜晚的长度不一样，而是白天要长6到8分钟。如果我们假设白天从太阳上边缘的升起开始，直到同一边缘落下才算结束，那么我们必须在白天的长度上再增加约三分钟。

如果站在山上，我们看到太阳升起来或落在海面上，折射的一个效果将非常清晰可见。当太阳的下边缘几乎接触到水时，就会看到太阳的圆盘不再是圆形的，而是椭圆形的，水平直径大于垂直直径。这是因为折射导致下边缘升得比上边缘高，因此垂直直径减小。

在实用天文学中，所有对地平线以上天体高度的观测都必须进行折射校正，真实高度总是小于观测高度。在离天顶很近的地方，折射率为每度约1"，或是距天顶距离的。但它一开始是以天顶距离正切的比例增加的，所以在45°或天顶与地平线之间的中间位置时，折射率为60"，在地平线上，折射率为34'。

北极光——这种现象虽然众所周知，但很难给出令人满意的解释。它的出现频率取决于纬度，这个事实表明在某种程度上它的出现与地球极点有关。在我们地球的赤道地区，极光是非常罕见的，随着我们向北走，频率会增加。但频率最高的地区似乎不是两极，而是北极圈附近，从北极圈向南北方向逐渐减小。这在卢米斯教授的极光图中更为准确地显示了出来，我们在本页给出了一份副本。对极光的仔细研究表明，它与地理位置无关，而是与磁极有关。在极光中可以看到两种不同的光；或者我们可以说，光呈现出两种不同的形式，有时其中一种占优势，有时另一种占优势。光的具体形式如下：

1.云形。这是由一个大的不规则的光斑组成的，经常是红色或紫色调。它在每一个方向都能被看到，但在北方地平线上或附近更常见，它的形状像是一个拱顶或光冠。拱顶的两端停留在地平线上，两端在北点的两侧。拱顶的中间在地平线上升起几度。

图54：极光视图

2.长条形或立柱形式。这一形状由长长的长条或柱体构成，沿着磁针下降的方向延伸。它们呈曲线形或拱形，就像是它们投射出了一个天球，但实际上它们是直线形的。它们处于不断运动的状态。有时候，它们像一个巨大的旗帜在蔓延，有着无数的折叠、舞动、微颤和起伏，如同在风中摇动一样。

极光的电学性质——有充分的证据表明，极光与地球的电学和磁学密切相关。在绚丽的极光中，有很强烈而不规则的电流通过电报线，很难发出一份电报。有时电流会以这样的力量运行，在没有电池的情况下也能发出消息。磁针也处于剧烈的搅动状态。在分光镜投入使用之前，这些电现象引起了这样的观点：极光完全是由于电流通过大气层的上部区域从一个极点输送到另一个极点而产生的。但最近的研究似乎表明，尽管这一观点可能是部分正确的，但它与整个事实相差甚远，无法提供完整的解释。极光的高度及其光谱的性质都不支持这一观点。

极光的高度——最近，通过同时观测几个遥远的观测站的一些突出的光带或光斑，已经做了几次尝试来确定极光在地球表面以上的高度。普遍的结果是它可以延伸到400到600英里的高度。但流星和大气现象的证据似乎表明，大气的极限高度是在100到110英里之间。如果它延伸到这个高度以上，那么在它到达极光的最高峰之前，导电的可能性肯定太小了；事实上，在40或50英里的高度上，它是否不再具有这种导电性是存疑的。如果极光真的延伸到了我们前面提到的高度，并且仍然存在于气态介质中，那么很难避免这样的结论：这种介质比形成大气的气体更空灵。然而，假设这样一种媒介存在，却没有比极光所提供的证据更有利的其他证据，这将是不哲学的。我们必须把极光归类到那些现代观测所揭示的难题比现代理论能解释的难题还要多的事物中去。

极光的光谱——极光的光谱很不均匀，令人费解。光谱的绿色部分有一条特有的亮线，被称为埃斯特罗姆线（埃线），名字来自于它的第一个发现者。这是埃斯特罗姆所能看到的唯一的线：因此他宣布极光的光完全是同一种颜色。然而，后来的观察者看到了许多额外的线条，但它们在不同的极光中是不同的。在那些用分光镜仔细研究极光的人中，有已故哈佛大学的温洛克教授、费城的巴克教授和曾在博茨坎普工作的H.C.沃格尔博士。

图55：1871年的大极光中的两个极光的光谱，引自H.C.沃格尔博士。

图55显示了由沃格尔博士绘制的两个极光的光谱。我们可以看到，在D和E之间有一条很细的亮线，它落在光谱的黄绿色部分，而其他的都是宽的、不清晰的光带。沃格尔博士注意到这些线和由铁蒸气产生的几组线之间有着显著的联系，并开始查究这些蒸气是否可能存在于我们大气层的上部。在我们就极光到底是什么形成一个确定的观点之前，有必要对不同压力和温度下的蒸气光谱进行更全面的研究。

关于极光的周期性，以及它与太阳黑子的联系，我们已经说过了。假设这种联系是真实的，我们可能预期1880年到1884年之间的极光会非常频繁；如果这种预期得以实现，对这种联系的怀疑就不会存在了。

在所有天体中，月亮离我们最近；除了彗星之外，没有其他任何一颗天体与地球的距离是地月距离一百倍以内的。它与地球的平均距离按整数计是24万英里。由于月亮轨道的椭圆度和太阳的吸引力，在每个月的旋转过程中，它的每一边的平均距离误差从一万英里到两万英里不等。最小距离为221 000英里；最大距离为259 600英里。它很少接近这些极限值中的任何一个，通常在240 300英里这个平均距离两边来回振荡13 000英里左右。月球的直径为2160英里，或者说略小于地球直径的七分之二。它的体积大约是地球体积的五十分之一，如果它和地球的密度一样，那它的质量也会是同样的比例。但它的实际质量仅为地球质量的八十分之一左右，这表明它的密度，或者说她所组成物质的比重，只是地球物质的一半多一点。事实上，它的重量是它等体积水重量的3倍。

图56：地球和月球的相对大小

月球运动最显著的特点是，它在绕地球旋转一周的同时，在其轴线上也旋转一圈，因此总是向我们呈现相同的一面。因此，人类的眼睛永远看不见月球的另一面。这种特殊性的原因在于它的球体的椭圆性。它原本应该用与它绕地球旋转的速度完全相同的速度绕着轴旋转，这样两个运动之间的关系就不会在一段时间内发生任何细微的变化，但这是极不可能的。如果事情的状态是这样的，两个运动的对应关系就不可能保持不变，除非它的绕轴自转发生变化；因为已经描述过的长期加速度，月球在长期的过程中改变了它的公转时间，因此这两个运动将停止对应。但是，地球对略微拉长的月球球体的吸引力的影响是这样的：如果两个运动在开始时非常接近，那么月亮的轴向旋转不仅会适应绕地球的轨道旋转，而且随着后者的变化，前者会跟着一起改变，从而保持两个运动的一致性。(www.xing528.com)

月球的形状、旋转和平动——假设月球的形状就像流体物质一样，或像是被海洋覆盖，那么它将是一个具有三个不相等轴的椭球体。最短的轴是它的自转轴，几乎与黄道垂直。第二长的轴指向月球运动方向，而最长的轴是指向地球的。月亮的极轴最短的原因与地球极轴最短的原因相同，即绕极轴旋转产生的离心力。如果只考虑这个力的作用，我们应该得出这样的结论：月球和地球一样，是一个扁球体，赤道是一个完美的圆。但是地球对月球的吸引力往往会沿着连接两个天体的线的方向拉长它，就像月球对地球的吸引力产生了一种引潮力一样，这个我们之前已经解释过了。在月球的中心，地球的引力和月球在其轨道上的离心力完全平衡。但是，如果我们走到月球的另一边，离心力会更大，这是因为月球的那一部分的轨道更大，而地球的吸引力会因为它所吸引的粒子的距离变大而减小。因此，月球的那一部分倾向于从月球中心和地球飞离。在月球的面对地球的这一侧，情况是相反的，地球的吸引力超过了月球这部分的离心力，这些部分被一种将它们吸引到地球上的力所驱动。其效果就像是将一根绳子系在月球的这一侧，并不断地向地球拉，而另一根绳子则系在另一侧，并不断地向地球相反的方向拉。假设月球是液体，为了能自由适应，很明显，这些力的效果是沿着地球的方向拉长月球。

这些原因导致的月球球形的偏差非常小。根据拉格朗日和牛顿的计算结果，平均轴长比最短轴长46英尺，最长的轴比平均轴长186英尺，比最短轴长232英尺^[4]。这些差异比月球山的平均高度小得多，后者所产生的不规则性可能会完全压倒它们；但月球自转运动与公转运动之间的对应关系表明，平均而言，月球在地球方向上必然存在真正的伸长。地球对月球向地球方向延伸的微小的额外引力，与另一侧延伸的额外离心力，保持了一种一致性。尽管这些力与已经描述的变形力完全不同，但它们可以同样用两条绳子的方式表示，其中一条绳子将这一侧的突起拉向地球，另一条绳子则将另一侧的突起拉离地球。如果这两个突起不完全指向地球，那么这两个微小的力的作用就是将它们慢慢地拉成一条直线。因此，尽管月球绕地球旋转的运动长期都受到缓慢变化的影响，地球的吸引力将始终保持这个突出朝向我们。人类的眼睛永远不会看到月球的另一面，除非有外力作用在月球身上，以克服刚才描述的轻微的平衡力，并使它或多或少地在其轴线上快速移动。如果想到我们永远看不到我们卫星的另一面，觉得令人失望的话，我们可以这样来安慰自己，即没有丝毫理由相信另一面会在任何方面与这一面有所不同。另一边所覆盖的大气，以及另一边布满的居民，都不会比诗歌想象的产物更好。

我们刚才所描述的趋向于保持月球同一面指向我们的力不会产生这种效果，除非这两个运动——月球绕地球的旋转运动和其绕轴自转的运动——它们的相互调整在开始时就几乎是完美的。如果它的绕轴自转加速了一个很小的量，比如两三年内多一次自转，那么，即使存在所讨论的力，也完全有理由相信它会继续以新的速度旋转。这种情况很像一个非常容易转动的飞轮，它有一侧稍重。如果我们在一个方向或另一个方向上给轮子一个轻微的力，那一侧多出来的重量会使轮子转动直到较重的那一侧到达最低点，然后轮子会在这一点的一侧和另一侧非常缓慢地振动。但是，如果我们给轮子一个足够快的运动，使它的稍重一侧能越过最高点，那么重量会使轮子在下落时加速，就像在它上升时会让它减速一样；如果没有摩擦力，轮子会无限期地继续转动。现在问题出现了。这两个运动是如何精确地相互调整的，不仅使月球的较长轴指向地球，而且无法检测到月球一侧或另一侧的轻微摆动？如果说这种调整仅仅是一个偶然的事件，它的产生没有任何物理原因，这个说法几乎是不可能的，而假设它仅仅是由造物主的自由意志造成的，这是与所有的科学哲学都相违背的。但是，如果月球曾经处于部分流体状态，并按照一个与现在不同的周期绕轴自转，那么由地球引力和离心力共同产生的巨大潮汐将伴随着摩擦力，这个摩擦力会逐渐减缓月球的自转速度，直到它减少到与月球绕地球旋转的速度完全一致的程度，就像我们现在发现的那样。因此，在目前的情况下，我们看到了一些可能的证据，证明月球曾经处于部分流动状态。

我们刚才所描述的将月球突出部分拉向地球的力非常微小，它要产生任何合理的效果需要很长的时间；因此，尽管月球在其轨道的某些点上比在其他点上移动得更快，但我们刚才所提到的力在月球的自转中不会产生相应的变化。因此，突起并不总是准确地指向地球，而是根据月球在其轨道上是在平均位置之前或之后的情况，有时会稍微指向地球的一个侧面，有时会稍微指向另一个侧面。结果是，月球呈现给我们的表面并不总是完全相同的，由于其轨道运动的真正不均等，存在一个轻微的表观（非真实）振荡。这种表观的摇摆被称为平动，由于平动，月球表面有近十分之六的面积，可能在某一时段被地球上的人看到。

太阴日——由于我们所描述的月球自转的特殊性，太阴日是地球日的29倍。在月球赤道附近，太阳无间歇地照耀着将近15个地球日的时间，然后停止照耀相同的时间段即15个地球日。因此，月球表面所接触到的温度变化一定很大。在漫长的月夜里，月球表面的物体温度可能会降到我们在地球上所经历过的任何程度的寒冷之下，而在白天，它一定会比地球上任何地方都要热。

对于月球上的观测者来说，天文现象会表现出一些特殊性。地球会看起来像是一个巨大的月亮，呈现出像月亮给我们地球呈现出来的相同的相位变化；但它不会升起或落下，它只会来回摆动几度的幅度。在月球的另一边，他将永远看不见地球。恒星的周日运动的周期将会是27个地球日，就像在地球上观测时，他们的周日运动是一个地球日，而正如我们所说，太阳在月球上升起和落下的周期将是29个地球日。

月球地理——用肉眼可以很容易地看出，月球的亮度远非均匀的，它的圆盘上点缀着不规则的深色斑点，这些斑点被认为与人类的脸极为相似。据说，这是一些古代哲学家的幻想，光明和黑暗部分是由地球表面海洋和大陆的反射造成的，尽管很难想象这种观点会得到认真的考虑。月球表面真实性质的第一个粗略的概念是由伽利略用他的望远镜得到的。他看到月亮圆盘中较亮的部分被山脉和环形山性质的不均匀所打破，而黑暗的部分大部分是光滑和均匀的。他看到那里的地貌与我们地球的地理特征惊人地相似，据说有人认为，更亮和更粗糙的部分可能是大陆，而黑暗、平滑的部分可能是海洋。弥尔顿对撒旦盾牌的描述就是为了纪念这种与陆地风景相似的月球风景：

“那阔大的圆形物，好像一轮挂在他双肩的明月。

就是那个托斯卡纳的大师，

在落日时分于菲索尔山顶，或瓦达诺山谷，

用望远镜搜寻到的。

有新地和河山，斑纹满布的月轮。”

开普勒、赫维留和里奇罗斯都认为月球圆盘上的黑暗部分是海洋。后两位学者还制作了月球的地图，在上面给假定的海洋起了名字，这些地区现在依然在使用这些名字，尽管这些名字都是想象出来的。其中有风暴洋、宁静海、沉睡海等。突出的地形、环形山等均以大哲学家、天文学家的名字来命名。

如果地球和月球之间的这种相似性得到证实，如果发现我们的卫星真的有海洋和大气，并且适合有机生命生存；更重要的是，如果发现了任何有智慧生物存在的证据，我们对月球物理研究的兴趣会被大大提高。但是，望远镜的改进越多，人们就越清楚地看到月球和地球的景色没有相似之处。望远镜功率的微小增加表明，在假定的海洋区域，也没有比其他地方更平滑。由于颜色的黑暗而观察到的不均匀的现象越来越小，也越来越难看到；但这就是全部景象了。在月球的某些位置，太阳应该会从海洋表面清晰地反射回来，但这种景象从未见过。偏光镜显示太阳光线没有穿过月球表面的任何液体。人们寻找月球大气的确凿证据，但徒劳无功。假想的火山被发现只是被来自地球的光照亮的亮光点。地表的不均匀是存在的，但在形式上，它们与地球上的山脉完全不同。所以，早期的天文学家们的美丽幻想都消失了，只剩下我们的卫星像一块干旱的岩石一样毫无生气。

正如我们现在看到和绘制的月球一样，光亮和黑暗部分之间的差异仅仅是因为物质颜色的差异，其中大部分看起来比地球上物体的平均颜色要暗。山脉大部分由圆形的碟状高地组成，内部是平坦的，其上到处都有小的圆锥形土丘。有时山脉中间只有一个土堆。令人好奇的是，这些月球表面的不平外形可以通过向一些光滑的塑性物质的表面投掷鹅卵石，比如泥浆或灰浆，来逼真地模仿出来。它们可能在日食期间被很好地观测到，那时太阳光柱的光滑与月球的粗糙之间的对比无法被忽视。当发生日环食或日全食时，它们的外观是最引人注目的。在后一种情况（日全食）下，当最后一道阳光正在消失时，这道阳光会被分解成许多点，被最初描述它们的观察者称为“贝利的珠子”，这是由于太阳穿过月球山脉之间的洼地而引起的。

图57：下弦月时的月球景色。来自亨利·德雷珀教授的照片。

为了让读者了解月球表面的构成是什么，我们从《皇家天文学会回忆录》（第三十二卷）中选取了一个塞基描绘的月球上一个名为“哥白尼”的点或环形山的景象。这个中心部分，非常像一个堡垒，其直径大约是45或50英里。

月球表面最令人好奇和莫名其妙的特征之一是从某些点，特别是从第谷大坑辐射出的白色物质的狭窄的长条纹。其中一些可以追踪到一千多英里。唯一能解释它们形成的方法是假设在以前的一些年代，月球表面形成了巨大的裂缝，随后被这些白色物质喷发填满，形成条纹。

月球有大气层吗？——这个问题的答案可能是：没有收集到任何有重量的月球大气层的证据，如果有这样的大气层，它肯定达不到地球大气层密度的4。已知最精妙的大气测试是由恒星与月球边缘进行表观接触时的行为所提供的。在这个位置时，恒星发出的光线将穿过月球大气，并被两倍的大气水平折射角折射出来。由于这个双倍折射角，这颗恒星表观上看起来好像被从它的真实位置朝着月球中心方向抛出。但是，在月球边缘经过恒星的那一刻，对处于这个位置的恒星的观察却从未显示出任何的位置改变。可以肯定的是，如果位移明显超过半秒，就会被探测到；因此，月球大气（如果存在的话）的双倍水平折射角必须小到半秒^[5]。相对应的地球大气折射角为4000秒。因此，月球大气的折射力不能超过地球的太多，肯定会在地球的以下。

图58：月球上的环形山“哥白尼”，引自塞基。

如果没有大气层，月球上就不可能存在水或其他挥发性液体，因为水或其他挥发性液体会逐渐蒸发，形成自己的蒸汽大气。直到月球平均温度下的蒸汽压力等于其弹性力，蒸发才会停止。如果这个温度低到冰点，水蒸气大气的压力将是我们大气的。用我们目前的观测手段，如此稠密的一个包裹层是不会检测不到的。

月球表面是否正在发生变化是一个有趣的问题。迄今为止，大多数的证据都是反对这个想法的。的确，几年前在天文学界曾有过一次大的讨论，讨论过林奈陨石坑的面貌可能发生的变化，人们发现林奈陨石坑的外观与比尔和马德勒的地图上呈现的外观不一样。但是仔细地观察表明，由于它表面的某些特殊性，这个陨石坑根据它被太阳照射的方式改变它的外观，这些变化似乎足以解释人们假想的变化。不管月球在过去的岁月里遭受了什么样的地质震动，它现在似乎已经达到了一种状态：除非有新的原因作用于它，否则月球不会有进一步的变化。如果我们能想到大气在地球表面变化中所起的重要作用，这就不足为奇了。森林的生长、三角洲的形成、山脉的冲刷、岩石的崩解和变黑以及建筑物的腐烂，都是由于空气和水的作用，后者以雨的形式作用于地表。温度的变化有力地增强了这些原因的作用，但它们本身不足以产生任何效果。现在，在月球上，既没有空气、水、雨、霜，也没有有机物，解体和衰变的原因都不存在。一座建在月球表面的大理石建筑能够一个世纪又一个世纪地保存下来，就像它刚被留下来时的模样。的确，可能存在如此易碎的物体，以至于由于月球表面温度的巨大变化而引起的膨胀和收缩会导致它们破碎。但是，任何由此引起的破碎都将很快被解决，然后就不会发生进一步的变化。

月亮的光和热——太阳比月亮亮很多倍，这一点对眼睛来说是显而易见的；但从肉眼的角度来看，没有人会认为这种差异会像它们之间真实的差异那么大。经实际实验发现，太阳的光亮必须减少到其几十万分之一才能变得像满月一样微弱。各种实验的结果在30万分之一到80万分之一之间。剑桥大学的G.B.邦德教授发现这个比例是47万分之一。迄今为止最仔细的测定是由佐尔纳做出的，他发现太阳发出的光是满月的619 000倍。这个结果可能非常接近事实。

月亮不是只靠阳光照射的。每当透过晴朗的大气层看到新月的窄月牙时，可以清楚地看到新月的整个表面都有微弱的光照。这一现象被称为“新月抱旧月”，照射在月球黑暗部分的微弱光线是从地球上反射出来的。月球上的观察者会把天空中的地球看作一个大月亮，比我们看到的月亮要大得多。当我们看到新月的时候，他就会看到“满地球”，如果允许月球这边的观测者用这个词来形容的话。因此，在这种情况下，大部分被太阳遮挡的月球半球都被地球光或地球反射的太阳光照亮，并因此变得可见。这种情况就像月球上的观测者能在满月的光下看到地球的暗半球一样。

因为月亮反射太阳光，所以它也肯定反射太阳的热量。此外，它必须把从太阳吸收的热量辐射出去。因此，我们地球肯定从月球上得到了一些热量，尽管计算表明这个热量的数值如此之小，以至于用最精密的温度计都无法检测到，平均数量仅为我们从太阳处接收到的量的2。由于太阳的直射光线不会使黑球温度计升高到空气温度以上50或60度，因此月球的直射光线也不能使黑球温度计升高度。通过将光线集中在大口径、相对较短焦距的望远镜的焦点上，温度可能会增加100倍或更多，但即使这样，我们也只能增加度。由于月球辐射的热量不能通过玻璃，即使是这种增加也可能无法获得。因此，只有在热电的发现和热电堆的发明之后，才有可能探测到来自月球的热量。利用反射望远镜来集中月球光线有助于探测，因为月球不够热，无法辐射出穿透玻璃的热量。罗斯勋爵和巴黎的M.玛丽·戴维成功地测量了月球散发的热量。前者不仅试图确定热量的总量，还试图确定月球的相位变化时热量的变化程度，以及其中哪一部分是太阳的反射热量，哪一部分是月球自身辐射的，就好像它是一个发热体一样。他发现，从新月到满月，再到新月，我们接收到的热量与光的数量有着相同的变化，也就是说，满月时最多，而当月亮是一个细新月时，几乎没有热量。86%的太阳热量能通过玻璃，而只有12%的月球热量能通过玻璃，这一事实表明，月球辐射的总热量中只有一小部分是太阳的反射热量。众所周知，玻璃所吸收热量的特性在于，这些热量是由本身非高温的物体辐射出来的。同样的结果也用另一种方式表示出来了，即，虽然佐尔纳发现太阳发出的光是月球的618 000倍，但它发出的热量是月球热量的82 600倍。因此，太阳热量与月球热量之比，以及被玻璃吸收的月球热量的比例，都一致地表明，由于吸收太阳光线而产生的月球表面温度，我们从月球处接收到的热量约有七分之六是由月球辐射的。

因此，罗斯勋爵能够根据月球朝向或远离太阳的方向来估计月球表面的温度变化，并发现月球表面温度超过500华氏度，但无法精确地确定温度的具体数值。很可能当太阳不再照耀月球时，月球表面温度是零下两三百华氏度，低于地球上任何已知的温度；而在太阳的正底下时，月球表面温度超过零上很多华氏度，因此比沸水还要热。

月球对地球的影响——在讲万有引力时，我们已经解释过，月球的引力是如何引起海洋潮汐的。这是月球引力最著名的效应之一。从理论上讲，空气中也会产生类似的潮汐，影响气压计的高度；但由于对空气的影响很微小，因为其他原因造成的大气压力的不断变化完全掩盖了这一点。我们也有理由相信地震的发生可能受到月球引力的影响，但这是一个需要进一步研究的课题，我们才能确定地宣布一个联系规律。

到目前为止，没有证据表明除了吸引力以外，月球以任何其他方式直接影响地球或其居民，而这个引力的影响非常微小，以至于除了我们所描述的方式以外，完全无法察觉到它。人类在没有接受科学训练的情况下判断是错误的，这一点的一个显著例证是人们在不同时期流行的关于月球对地球天气的可能影响的观点。无论是从具体例子的原因还是从观察中，我们都没有找到对这种理论的真正支持。但是，必须承认，具有这种特点的观点并不局限于未受过教育的人。在科学文献中，发现有几篇论文对一系列的气象观测进行了整理，表明平均温度或平均降雨量随月球年龄的变化而略有变化。但是，没有理由相信这些变化是由除了天气随时可能发生的意外变化之外的任何其他原因引起的。也许有更高权威的观点认为，满月的光线会清除云层；但是如果我们考虑到太阳本身在这方面的影响不是很明显，而且满月只产生太阳热量的，那么这种观点就显得极为不可能了。

按远近顺序，从太阳往外的第四颗行星，地球轨道以外的下一个行星就是火星。它与太阳的平均距离约为1.41亿英里。其轨道的偏心率使得它在近日点距离太阳只有1.28亿英里，而在远日点距离太阳有1.54亿英里远。它是除了水星之外的主行星中最小的一颗，直径略多于4000英里。它在轨道上进行一次公转用时不到两年（更接近687天，比两个儒略年短43.5天）。如果这段周期正好是两年的话，那就意味着它公转一圈时，地球就公转了两圈，每隔两年就会发生一次冲日的现象。但是，因为火星的公转周期要比两年时间快一点，平均来说地球需要两年零50天才能赶上它。火星发生冲日的时间见下表：

1873年………………4月27日　　1877年…………9月5日

1875年………………6月20日　　1879年…………11月12日

随后几次该行星冲日的时间可以通过给每一次冲日时间增加两年零两个月的时间来准确确定，除了春天的几个月，那时只需要增加两年零一个月。冲日现象将发生在1882年1月和1884年2月。火星冲日时，太阳落下，火星升起，在整个夜晚都可以看到火星。

火星的面貌——当火星靠近冲日位置时，它的火红光芒很容易被肉眼识别出来。它在某些冲日位置上比在其他冲日位置上更为耀眼，但其亮度总体是会超过一颗普通的一等恒星的。其亮度的变化是由于其轨道的偏心以及由此产生的距地球和太阳的距离变化引起的。8月27日时，火星的近日点的经度与地球的经度相同；而当在那一天附近发生一次冲日现象时，火星离地球只有3500万英里。这是这两颗行星最接近的路径了。当2月或3月发生冲日时，火星就在它的远日点附近——距离太阳1.54亿英里，距离地球6200万英里。这些距离变化的结果是，火星在8月或9月发生冲日时比在2月或3月发生冲日时亮四倍以上。1877年（9月5日）的冲日现象在这方面是相当显著的，因为它发生在该行星经过近日点9天后。那时，火星将在傍晚时分在东南方的天空中成为一个引人注目的天体。

火星是望远镜研究的一个有趣的对象，因为它是一个与地球最相似的行星。它的赤道地区，即使是用一架小望远镜，也可以清楚地看到分为光和暗两类区域，一些观察者认为这分别是大陆和海洋部分。在每个极点周围都有一个明亮的白色区域，同一批天文学家认为这是由于雪的沉积造成的。黑暗和光明部分的轮廓有时很难追踪，以至于人们怀疑在火星大气中有云的存在。同时，通过大型望远镜对火星的观察将使大多数观察者认为，这些与地球的相似之处的观测基础非常小，观测得到的证据是消极的而非积极的。从支持相似的立场出发，必须说明的是，如果我们的地球是在我们观察火星的距离上被观察到的，并且使用相同放大倍数的望远镜，那么它也会在望远镜中呈现出一个类似的面貌。但也有可能，如果我们的望远镜的放大倍数增加得很多，我们可以像从一千英里之外的地方看到火星一样，那么这些相似之处就会像我们曾认为月球与地球相似时那样完全消失。

图59：1875年6月23日10时45分的火星，霍尔登教授用华盛顿大望远镜观测到的。

无数研究过火星的观察者绘制了许多不同位置的火星图，因此可以绘制出相当精确的火星表面地图。

火星的自转——除了地球以外，火星是唯一的、我们可以肯定的、它的轴向自转的时间可以完全精确地确定的行星。两个世纪前，胡克的火星绘制图展示了现在仍能被识别的标记，通过与最近的标记比较，普罗克特先生发现，火星自转周期为24小时37分22.73秒，他认为误差不超过百分之三秒。火星赤道向其轨道平面倾斜约27°，因此火星上的季节变化比地球上的季节变化大，变化比例为27°对23°。由于这种巨大的倾斜，我们有时可以从地球上看到火星的一个极点，有时也可以看到另一个极点。当在经度350°时，也就是说，与9月10日地球所处位置上的太阳方向相同的方向上，火星的南极向太阳倾斜；如果行星当时处于冲日位置，它也会向地球倾斜，这样我们就能看到该行星极点向外27°距离范围内的区域。在3月的一次冲日中，行星的北极向太阳倾斜，也向地球倾斜。火星后一个冲日位置比前一个冲日位置远得多，因此我们可看到的火星南极比火星北极清楚得多。

在19世纪初之前，现代天文学就已经知道，要研究整个太阳系是不可能的，因为这个研究不可能不被火星和木星之间存在的巨大差异所打倒。除此之外，当时已知的所有行星都是按照一个相当规则的规律相互排列的，并且通过在接近火星两倍距离处插入一颗行星，距离的顺序将是完整的。开普勒时代就有人认为这个区域可能真的存在着一颗未知的行星。一些天文学家对此深信不疑，他们在1800年成立了一个由24名观测者组成的协会，其目的就是进行系统搜索，找到这颗行星。黄道带被分为二十四个部分，其中每一个部分将由一位观察者进行彻底搜索。但是，由于科学史上经常会发生那些奇怪的巧合，在这个协会正式运转之前，一位业余天文学家偶然发现了这颗行星。1801年1月1日，巴勒莫的皮亚齐在金牛座发现了一颗不属于那里的“恒星”，在第二天晚上的观察中，他发现它已经改变了它在周围恒星中的位置，因此它肯定是一颗行星。他追踪它大约六个星期，之后它就在太阳光下消失了，没有人再看到它。到了次年秋天它应当再次出现的时候，它的重新发现变成了一个难题。但是伟大的数学家高斯的技术提供了帮助，通过这种方法，任何行星体的轨道都可以通过三到四次观测完全而容易地确定。因此，他能够告诉观测者，他们的望远镜必须指向哪里才能重新发现这颗行星，而且在那年年底之前，人们毫无困难地发现了它。皮亚齐给它起名叫赛勒斯（谷神星）。高斯发现的轨道显示它在火星和木星之间旋转，距离为前者距离的不到两倍，因此它是人们长期想找的那颗行星。但是这个发现有一个没有人预料到的续集，到现在我们还没有看到它的结局。1802年3月，奥伯斯发现了第二颗行星，也被发现在火星和木星之间旋转，并给它起名为“帕拉斯”（智神星）。它的轨道最特别之处是它的大倾角，超过34度。于是，奥伯斯提出了他著名的假设：这两个天体可能是一颗因为一些爆炸而震碎的行星的碎片。如果是这样的话，所有碎片的轨道会在爆炸发生的点上相交。因此，他认为很可能会发现其他碎片，特别是如果继续在谷神星和帕拉斯星轨道交叉点附近进行搜索。根据这个想法，利林塔尔的哈丁在1804年发现了第三颗行星，而奥伯斯在1807年发现了第四颗。这些行星被称为朱诺（婚神星）和维斯塔（灶神星）。前者非常接近奥伯斯的理论，即轨道都应该会经过同一点附近，但后者没有。奥伯斯花了许多年继续搜寻这个群体的其他行星，但最终放弃了，去世时只知道有这四颗行星存在，其他的行星尚未发现。

1845年12月，在发现灶神星38年后，正忙于绘制星图的德赖森的亨克，发现了这组行星的第五颗行星，因此重新开始了一系列的发现之旅，一直持续到现在。1847年至少发现了三个，此后每年至少发现一个。为了显示发现的速度，我们将1845年以来的时间分为五年一个时期，并给出每个时期发现行星的个数：

1846年—1850年……发现了8个

1861年—1865年……发现了23个

1851年—1855年……发现了24个

1866年—1870年……发现了27个

1856年—1860年……发现了25个

1871年—1875年……发现了45个

1876年发现12个，1877年前5个月又发现3个，目前已知共172个（1877年5月）。

可以看出，30年来发现率一直在稳步上升。这并不是因为那些可见的但尚未被发现的行星的数量多，以至于好像很容易就能发现一个行星，而是因为现在搜寻它们的技术和系统要比以前更加多了^[6]。在过去十年中发现的这些行星中，近一半是由彼得斯教授和华生教授这两位美国观察家发现的。美国人发现这些行星的历史是从詹姆斯·弗格森先生开始的，他于1854年9月1日在华盛顿发现了欧佛洛绪涅星（丽神星）。

这类行星中的所有行星都以其微小而引人注目。它们的截面都很小，以至于无法精确测量，只呈现出恒星的外观。然而，可以根据它们反射的光的量来粗略估计它们的直径；尽管在对它们的反射能力缺乏确切了解的情况下，这种方法的结果并不十分确定，但它们是我们能得到的最好的结果。因此，我们发现，谷神星和灶神星是这类行星中最大的，它们的直径介于200到400英里之间；而如果我们忽略一些最近发现的行星，最小的行星是亚特兰大、马扎和萨福，它们的直径可能在20到40英里之间。我们可以说，要制造一颗和地球一样大的行星，需要几千颗这群行星中最大的行星。

有时有人说，这些行星中有一些天体的形状不规则，因此有利于支持奥伯斯的假设，即它们是一颗爆炸行星的碎片。但是这个观点没有其他的基础，除了这些行星光线的可疑变化，而这个变化可能是一种幻觉，如果它存在，可能是因为行星的一边比另一边颜色更深。后一种假设并非完全不可能，因为许多卫星都是由这种或某种类似的原因而产生光线变化的。因为我们从来没有见过所谓的形状上的不规则，也没有必要解释亮度的变化，所以没有足够的理由相信它们的存在。

奥伯斯假设——这些天体是否可能形成一个整体的天体的问题，现在已成为宇宙学而不是天文学的问题。如果一颗行星被粉碎，每一个碎片的轨道开始都会经过爆炸发生的点，不管它们剩下的轨迹会分开得有多广。但由于其他行星的吸引力所产生的长期变化，这种巧合不会继续。行星碎片的轨道会慢慢地移走，几千年之后，再也看不到共同交叉点的踪迹。因此，令人好奇的是，奥伯斯和他的同时代人本应期望找到这样一个交叉点区域，因为它暗示着爆炸发生在几千年之内。所需的条件没有得到满足，这一事实并不是反对这一假设的理由，因为爆炸可能发生在数百万年前，并且在同一时间，每个轨道的近日点和交点都会发生许多整圈的旋转；因此，各个碎片的轨道应该是完全混在一起了。

为了观察过去的轨道是否比现在更接近一个共同的交叉点，恩克计算了它们的长期变化。结果似乎与奥伯斯的假设相反，因为它表明，在过去的年代里，轨道距离有一个共同点要比现在远。但是这个结果也不是决定性的，因为他只确定了轨道现在变化的速率，而正如前面所解释的，所有这些行星的轨道确实经历了周期性振荡；只有通过计算这些振荡，它们在非常遥远的时代的位置才能确定。从那时起，他们已经确定了一些要研究的行星，而且结果似乎表明，除非其中一些行星同时被小行星相互吸引而改变，否则轨道永远不会相交。这样的作用力不是不可能的，但由于这些天体的数量很多，以及我们对它们的质量未知，这个作用力是无法确定的。然而，我们可以说，如果爆炸真的发生了，一个巨大的间隔，平均来说可能数百万年，一定已经过去了。对这一组行星的另一种解释是星云假说，我们以后将对此进行讨论，因此天文学家不再考虑奥伯斯假说。

这些行星与其他行星的区别不仅在于其体积小，而且在于其轨道的大偏心度和大倾斜度。除了水星之外，没有一个较大行星的偏心率达到其轨道直径的十分之一，也没有任何一个轨道与黄道的夹角超过2度。但是许多小行星的倾斜度都超过了10度，而且偏心率通常是它们轨道半径的四分之一。结果是，同一颗小行星在其轨道的不同点与太阳的距离非常不同。除此之外，这些天体与太阳的平均距离有一个相当大的范围，我们发现它们延伸到了一个相当宽的区域。这一区域的内边缘看起来相当明显，距离太阳约1.8亿英里，或火星轨道外3000万至4000万英里。从外部看，它的边界是慢慢结束的，但延伸范围在距木星轨道5000万英里范围内。任何一颗小行星的范围超出了一定的界限，那么因为火星或木星的引力巨大，会让它们的轨道完全偏离原来的轨道，因此我们有一条物理定律，规定了该区域的界限；但是，我们目前无法确定这样设定的界限是否与实际界限相吻合。

在这一组行星的限制范围内，也有一些特定的位置，如果轨道被放置在这些位置上，木星的作用力会使它们发生很大的变化。这些位置是公转时间与木星的公转时间成简单精确的分数比，如、、、等。丹尼尔·柯克伍德教授指出了一个奇怪的事实，即在这些周期性时间对应的一系列小行星中存在间隙。这些差距是真的由于周期时间的关系，还是仅仅是偶然的结果，目前无法确定。事实上，相当多的小行星的公转周期非常接近木星公转周期的八分之三，这可能导致我们需要等待进一步的证据，才能得出结论，即我们必须在柯克伍德教授指出的例子中处理真正的自然法则。

小行星的数量和总质量——目前不可能对小行星的可能数量设定任何限制。虽然现在已知有一百七十二个，但迄今为止发现它们的速度还没有明显的下降。它们的总数很大程度上取决于它们的极小值是否有限制。如果没有这样的限制，那么它们的数量可能是不确定的，可能现在用来搜寻它们的望远镜发现不了太小的行星；而从事搜索用的望远镜越大，发现得越多。另一方面，如果它们设置了某个界限，比如直径20英里，我们可以相当有信心地说，它们的总数也是有限的，到目前为止，它们中最大的一部分将被当代天文学家发现。

就我们现在所见，大多数证据倾向于数量和大小有限。这个方向的迹象表明，新发现的天体一般不是用望远镜能看到的最小的天体，而且平均来说，它们似乎并不比十年前发现的天体小得多。这种仍未被发现的平均大小的行星数量不太可能是很大的，而且在发现另外一百个行星之前，很可能会发现新发现的行星数增长非常罕见。那么在搜索中就有必要使用更大光功率的望远镜。如果这导致发现一些新的以前望远镜太小而不能发现的行星，我们就必须把这个组行星视为数量无限。但是，如果没有这样的新发现，这将表明，这一组行星的数量已经接近尾声。

在引力天文学中，小行星总质量的问题比它们总数量的问题更重要，因为它们在改变大行星运动上的效果取决于这个质量。任何单个的小行星都是如此微小，以至于它对其他行星的吸引力完全无法被察觉。但是，整个行星群，通过它们的联合作用，对火星和木星轨道的形状产生长期的影响，也不是不可能的。这些变化在几年的时间里，将由观测清楚地显示出来。但是，尽管对这些行星的精确观测已经有一个多世纪了，但还没有发现这种影响。因此，它们的总质量必定比一颗普通行星的总质量小得多，尽管我们无法确切地说界限是什么。那些已经被发现的行星的表观大小完全符合这种观点，即整个星群的质量如此之小，以至于在未来的许多年里，它无法通过它对其他行星的吸引力而让别人感知到它的存在。事实上，如果根据它们的亮度来估计它们的直径，按照已经指出的方式，我们会发现，如果所有已知的行星都被制造成一颗行星，那么它的直径将小于400英里；如果按照自1850年以来发现的那些小行星，得出的平均大小的行星，有超过1000个这种平均大小的小行星存在的话，它们的总和加入到之前提到的由小行星共同组成的行星中去，也不会让这个行星的直径增加到500英里。这样一颗行星只有地球体积的，除非我们假定它具有非常特殊的比重，否则它的质量不可能超过地球质量的，或水星质量的。我们可以得出这样的结论：除非小行星群实际上由数万个微小的天体组成，其中只有少数最亮的天体被发现，否则它们的总体积和质量远远小于任何一个主行星的体积和质量。

现在已知的这些小行星的数量是如此之多，以至于仅仅是维持对这些小行星运转的观察，而不至于失去它们的踪迹的努力，就与产出结果不成比例。主要是依靠德国学者的勤奋，大多数小行星才没有被我们追踪丢了。如果还有更多的小行星被发现，也许有必要采纳一位著名的德国天文学家的建议，让那些看似无关紧要的小行星再次离开我们的观察视线，并且不受望远镜或计算机干扰地继续它们的轨道。

[1] 一些读者可能会回想起巴特勒的讽刺诗“月球上的大象”，它解释了一个观察家可能被他的望远镜里的一些奇形怪状所欺骗。比如有一例子，大约三十年前，有一个关于某物的望远镜观测记录，我们现在知道那肯定是远处的鸟类飞过太阳圆盘，这个记录作为一个令人惊叹的流星过镜，在一个主要的天文学报刊上发表了。这一出版物可能也不是有意的，将这个记录的描述与讽刺诗人的讽刺诗并列排版在一起。见《天文学》No.549.

[2] 我所知道了解的关于金星的最新物理观测是《博茨坎普观测》一书第二部分中博茨坎普的沃格尔博士的观测（莱比锡，恩格尔曼，1873）。这些观测点的结果是，金星的大气层中充满了如此稠密的云，以至于看不到行星的固态本体，也无法确定自转的时间。

[3] 当行星的图像被精确地带到视场的中心时，华盛顿大望远镜的一个目镜显示了在天王星或海王星的旁边有一个美丽的小卫星，但一旦望远镜移动它就消失了。作者在仔细观察这些行星是否有近距离的卫星时，有两次被这种现象所欺骗。

[4] 这些数字可能不完全正确。牛顿从地球离心力的扭曲力和我们刚才描述的力的扭曲力的比较中推导出186英尺的延伸。他似乎忽视了这样一个事实，即月球的小密度会导致其延伸率更大。

[5] 一颗行星，特别是土星或金星的掩星现象也能提供类似的测试，当它们接触到月球时，其边缘会有点扁平。在1876年8月6日发生的一次异常有利于观察的土星掩星过程中，作者非常仔细地寻找了边缘扁平这一现象，但没有发现任何痕迹。

[6] 为了说明这一点，彼得斯教授告诉作者，在寻找这些天体的过程中，他在每一个新发现的行星周围都能发现几个已知的行星。因此，假如这些行星都消失了，他现在独自就能用很快的速度重新发现它们，这个速度要比以前所有参与搜索的观察者实际发现行星的速度更快。