《星空的暗角》 高爽解读
《星空的暗角》| 高爽解读
你好，欢迎每天听本书，我是高爽。我今天为你解读的，是我自己的作品，书名叫《星空的暗角》，副标题是《天文史上的伟大失败》。这本书讲述了21个失败的故事，涉及到历史上的30多位天文学家。想要通过这些故事告诉你，天文学的进步，其实就建立在一连串失败的基础上。失败不仅是收获经验教训的成功之母，科学探索中的失败本身就是成功的一部分。
作为这本书的作者，我想先对你做个自我介绍。我是德国海德堡大学天文学博士和中国科学院国家天文台的博士后，曾经在北京师范大学从事天文学研究和教学工作。我在得到App开设了《天文学通识30讲》《天文学前沿报告》和《星座研修班》等课程，解读过十多本听书作品，为你系统性地讲述天文学的思维方式。
一年前，我开始构思自己的原创科普作品。在天文学科普书这个细分品类里，从观赏夜空到认识太阳和月亮这样的具体星球，从探索宇宙的神秘到讲述人类科学发展历程的伟大成就，已经存在了大量的优秀作品。我还能写点什么呢？我给自己设定了一套创作标准：首先，这个选题我自己没有完整做过，同类的内容也不存在。其次，为了完成这个选题，我必须大量阅读文献和调研，我在写作的过程中可以获得个人的认知提升。第三，选题必须跨越一定的时间或空间范围，用宇宙的视角看待天文学。这三条标准，简单说就是：要求自己写得爽，读者读着爽。为了满足这三条标准，我选定了“失败”这个主题。
选择这个主题，源于我逛博物馆时的一个“恶趣”。我喜欢寻找博物馆的“失败度”。失败度是我自己发明的概念，意思是说：一座博物馆在介绍人类文明或科技成就的叙事中，敢不敢讲述其中的失败和曲折，敢讲出多少次，敢讲到什么程度。有的博物馆，在我心目中够不上博物馆的标准，因为它们的失败度太低了，那只能叫功劳簿和奖牌榜。人类驯化了野生小麦，学会了农业种植，不是一拍脑门就实现的成功，而是反复失败之后，排除掉所有的不可能才学到的最佳路线。排除不可能的逻辑比优质小麦种子更应该写入教科书。宇航员登上月球，也不是科学热情鼓舞下的一飞冲天，而是大量牺牲之后的小心翼翼。在我看来，错题本比总统勋章更应该展示给下一代。
借着这本书的写作过程，我梳理了天文学历史上重大的失败，也重新认识了这些我在学生时代听到的先辈。他们不仅是制造公式和发布教科书的“工具人”，他们还贡献过珍贵的失败经验，是我的学长。
我写下的21个故事按照时间顺序排列，从400多年前哥白尼认识宇宙秩序开始，到近些年斯特恩探索冥王星结束，其中包括一些科学史上的重要人物。但21个故事之间彼此独立，你可以翻开其中任意一个故事开始阅读。所以，为了用简短的篇幅为你解读这本书，我把这21个失败的故事分成了三类，它们分别代表着天文学家失败的三种原因。接下来，我将分成三部分，分别为你解读这本书中的三类失败，我会从每一类失败中挑选一个故事作为代表。第一部分，我们说说天文学家缺乏想象力造成的失败，简单说就是“想不到”。第二部分说的是，天文学家所处的时代技术发展不足，科学探索被技术门槛限制，简单说就是“做不到”。第三部分说的是，天文学家取得了一系列成功，之后过于相信成功的方法，面对新问题的时候对老方法产生了路径依赖，简单说就是“改不掉”。
我们先来说第一部分，“想不到”导致失败。
哥白尼的名字家喻户晓。他提出日心说，取代地心说。他开启的这项天文学革命，成为科学革命的发端，是中世纪末到文艺复兴之初的欧洲最明亮的思想之光。所谓日心说，是认为太阳处于宇宙中心的学说，反对之前认为地球处于宇宙中心的模型。让地球自己动起来，围着太阳转，同时保持自转，就可以解释日月星辰的东升西落，还能解释行星突然逆行的奇怪现象。这些是我们都知道的科学常识。
但是，哥白尼的日心说模型，几乎完全败给了他所反对的地心说模型。这是怎么回事呢？
哥白尼开启这场革命的初心是，他发现：地心说的模型在数学上过于复杂了。让地球在宇宙中心保持不动，让所有的星球围绕地球运转，看起来简单，实现起来难。随着天文学观测的越来越精细，积累的数据越来越多，人们发现，天上的星球运行总是存在一些例外情况。比如，太阳的运动忽快忽慢，造成一年四个季节的分布很不均匀。再比如，水星和火星这样的行星，会走着走着突然停下来，反方向运动，也就是所谓的逆行。你一定听说过“水逆”这个词，水逆指的就是水星逆行，这是天文学家早就观察到的现象。为了解释这些例外情况，地心说给自己打上了一串补丁。古希腊末期的天文学家托勒密，是地心说的集大成者。他提出，水星不是直接围着地球转，水星自己在天上围着一个小圆圈转，这个小圆圈再围着地球转。原本的圆周运动被扩展成两个圆周运动的组合，这样就能实现水星在特定时间反方向运动。就像自行车往前走的同时，车轮和地面接触的那一个点的运动方向向后。两种运动的组合，也就是套圈法，可以解释很多复杂的例外情况。
从托勒密到哥白尼的时代，大约一千年的时间中，天文学家一直沿用这种圆周运动组合的套圈法。随着时间的推进，需要解释的数据越来越复杂，模型也升级得越来越复杂。水星自己环绕小圆圈，小圆圈围着中圈转，中圈围着大圈转，大圈围再围着地球转。模型不够精确，就增加其中套圈的数量，直到模型与观测符合一致为止。数学上可以证明，这个方法一定能用有限多个套圈解释任意的观测现象。到了哥白尼的年代，地心说上“套圈”数量已经达到了30多个，数学运算过程极为繁琐，一般的学者都难以胜任。哥白尼秉承着科学追求简洁的信仰，决心改变复杂的地心说。
他把太阳和地球交换了位置。我们眼睛看到的日月星辰的运动，其实是地球自己运动的结果，这是一个了不起的洞察和常识。哥白尼在著作《天球运行论》的第一章就给出了日心说模型的基本构造：太阳位于宇宙中心，静止不动，包括地球在内的所有行星都围绕太阳做圆周运动。这样一幅同心圆的画面，确实比地心说“套圈”体系简洁了很多。但摆在哥白尼面前更实际的问题是，科学洞察只是开始，你的日心说新模型，真的能解释全部观测现象吗？一般的结论需要一般的证据，特殊的结论需要更有力的证据。哥白尼试图创造新的宇宙模型，地球从静止的宇宙中心变成运动的行星，需要更多的观测证据来支撑。
事实是，哥白尼简单的日心说模型无法符合真实的观测数据。这个结果很容易理解。地心说的“套圈”模型经过一千年的发展，模型上打满了补丁，是追求符合观测的实用主义。而哥白尼的日心说模型，出于简洁的需要，没有调整参数的余地，在符合自然现象方面当然逊色一筹。怎么办呢？
哥白尼尝试着完善自己的模型，他采用的方法是“套圈”。地球不是直接围着太阳转，而是在小圆圈上转，小圆圈在中圈上转，中圈在大圈上转，大圈再围绕太阳转。其他行星也仿照这样的方式，借用地心说的套圈技术，把圆周运动扩展为好几个圆周运动的组合嵌套。为了符合观测现象，哥白尼最终在自己的模型上套了40多个圈，这个数量超过了地心说。也就是说，试图追求简洁模型的哥白尼，在模型的实用性方面向自己反对的模型妥协，生生造出了一个更复杂的模型。
哥白尼没能实现自己简化模型的最初目标，构造出来的日心说模型难以自洽，更多的套圈数量带来更复杂的计算量，同样让学者们望而却步。再加上哥白尼要让地球“动起来”，与人们的生活经验相冲突，却无法提供更充分的证据。哥白尼的日心说模型几乎失败了。
哥白尼创造性地交换了太阳和地球的位置，让地球围着太阳动起来，这是科学思想的伟大创新。但他的工作止步于对实际观测现象的匹配。究其原因，哥白尼始终抱着圆周运动的思想不放手。圆周运动满足不了需要，就用圆周的叠加嵌套来满足需要，结果当然是越来越复杂。哥白尼之后的开普勒面对同样的问题的时候，表现出了更大的勇气和想象力。当开普勒意识到，圆周运动难以满足需要的时候，果断抛弃了圆形，采用椭圆形来完善日心说模型。地球、水星和火星都围绕太阳运转，但运转的轨道不是圆，而是椭圆。从圆变成椭圆，解放了运动轨道的自由度，也没有增加太大的计算难度，还获得了模型和现象匹配一致的完美结果。
哥白尼从未考虑过椭圆，哥白尼的“想不到”带来日心说最初的失败。
但有些科学家的头脑中充满了想象力，敢于尝试各种前人不敢想象的壮举，比如意大利的西芒托学院。在钟表还没有发明的时代，西芒托学院的学者已经开始测量光速。
伽利略去世后，他的学生们在美第奇家族的支持下成立了西芒托学院这座科学研究机构。机构就建立在美第奇大公本人居住的佛罗伦萨皮蒂宫里。“西芒托”这个词的意思是做实验，这个研究机构的座右铭是：重复、重复、再重复。他们放下信仰和理念的纷争，认为只有通过反复的实验才能真的获得科学知识。当时的欧洲，大的思想环境动辄讨论道德和信仰带来的影响，一言不合就上纲上线到立场问题。西芒托学院抛开这些人为的意识层面的纷争，希望发展一套实验方法来洞察大自然的真相，这在当时代表着最先进的科学精神。
在美第奇家族的豪宅里，科学家们占据一个大房间，整天研发各种实验仪器。今天，部分保存下来的实验仪器展示在佛罗伦萨的伽利略博物馆里。你可以想象一下，在400年前，欧洲最有权势的贵族之一的家里，有一间房间摆满了望远镜、天平、砝码、试管、量筒和各种型号的数学计算工具。科学家们整天在里面设计各种科学实验，这是多么激动人心的场面。
西芒托学院的成员们不仅三观正，还很有想象力。他们计划了一项实验，测量光的速度。测量物体运动速度的原理很简单，就是让物体运动一段路程，记录运动的时间，然后用路程除以时间，就算出了速度。要测量光的速度，就要让光运行一段路程，再测量光走过的时间。可是问题在于，光一定跑得很快，为了把光的速度测量得更精确一些，就要让光尽可能地跑的路程长一点，用的时间久一点。为了这个目标，西芒托学院找了两座山头，相距大约50公里。他们兵分两路，前往A和B两座山顶。实验计划是，A组成员先点亮自己手里的一盏灯笼，同时开始计时。B组成员看到亮光后，立即点亮自己手里准备好的灯笼。A组成员看到B组发出的亮光后停止计时。这时，A组记录的时间间隔是光线在两座山之间往返的时间，光走过的路程大约是100公里。只要用100公里除以A组记录的时间，就可以算出光速。
西芒托学院认真筹备实验，还在不同的地点反复做了好几次，但结果全都失败了。有时候两组人根本看不见对方的灯光，有时候记录的时间根本无法做到准确。西芒托学院的成员诚实地把所有的实验过程和失败的结果都记录到实验报告里，让后人有机会读到他们的尝试和失败。
用我们今天的眼光来看，西芒托学院测量光速的失败是必然的。他们预料到光速会很快，但没想到会快到这种超越人类生活经验的程度。按照两座山相距50公里计算，光线往返一次的时间间隔，也就是A组成员应该记录下来的时间间隔，是0.3毫秒。而人类眨眼一次的时间只需要大约0.3秒。也就是说，在实验人员的一次眨眼中，光线可以在两座山之间往返1000多次。而A组实验人员点亮灯笼到开始计时，这之间的思维反应时间也会影响结果。B组看到亮光后点亮灯笼，也存在一个细微的反应时间。
即便实验人员经过反复训练，能够绝对精确地做出动作，丝毫没有“耽误”任何动作的时间，当时的技术还无法记录这样短的时间间隔。走时准确的摆钟要很多年后才会出现，能随身携带的钟表要再等上两百年才会出现，能够计量毫秒级别时间间隔的实验仪器，要等到工业革命之后的近代社会才制造的出来。而在西芒托学院的时代，人们记录时间间隔的普遍方法是数自己的脉搏。用这样粗糙的计量技术做光速的实验，想象力有了，但技术门槛达不到。因为“做不到”造成的失败，告诉我们：科学发现往往依赖于当下的社会经济和技术实力。人的想象力加上实用的工具，才能实现科学认知的新突破。
后人真正测量出光速，靠的是观测木星的卫星。不同的时间观测木星的同一颗卫星，会存在一个时间差。具体的测量过程这里就不详细展开了。这个原理，本质上利用的是从木星卫星到地球之间的巨大的路程跨度。这种数亿公里的路程，才会让光走过的时间长到容易测量的程度。而地面上的实验测量光速，则要等到200多年后的物理学家，利用电力控制机械齿轮的转动，才得以成功实现。从西芒托学院成员用自己的脉搏记录时间，到可以使用现代化的电力设备加上机械装置精确实验，这之间的差距是人类技术积累的200年，是两次工业革命的成就。西芒托学院的想象力超前了200年，止步于技术的不足。
历史行进到近代，欧洲大国相继建立了现代化的大型天文台，天文学家成为职业工作，受到国家的支持。天文学的探究早已经摆脱了圆周运动的想象力不足问题，新的技术发展也不再成为观察星空的最大障碍。但是，巴黎天文台台长勒维耶还是遭遇了严重的失败。
当时的科学界，已经拥有了牛顿提出的力学体系和万有引力定律这样的强大工具。宇宙中的任意物体之间存在的引力，都可以用简单的数学计算得出。小到苹果落地，大到月亮运转，都可以用数学公式精确描述。当时的天文学，已经认识到了太阳系的7颗大行星，除了水星、金星、地球、火星、木星和土星这六颗早就知道的行星之外，赫歇耳用望远镜发现了新的天王星，将太阳系的边界向外大大扩展。那一时期，天文学家们热衷于观察研究这个新发现的行星，天王星是最热门的研究目标。积累了足够多的数据之后，天文学家们发现了天王星身上的怪异现象。它在围绕太阳运动的时候，忽快忽慢。有的时候，实际观测的位置会超前于牛顿理论计算的位置，有的时候又比理论计算的位置滞后。
如果观测和理论之间存在矛盾，可能意味着有一方出错了。当时摆在勒维耶面前的就是这道难题：望远镜观测的位置错了，还是牛顿的力学体系错了呢？
要坚信牛顿正确，就意味着全世界那么多天文学家和大天文台的观测都不可靠。如果相信大家的积累了几十年的观测资料，就要否定牛顿的理论，这让当时的学者感到左右为难。天王星的疑难问题，再次挑战了科学界的认知。
勒维耶披挂上阵来解决难题，他选了C。勒维耶既不否定牛顿理论，也不拒绝观测资料，他要独辟蹊径，找到别人没想过的思路解决问题。勒维耶提出，在比天王星更远的地方，还有一颗大行星围绕着太阳运动。它和天王星之间也存在着万有引力。所以当天王星接近它的时候，就被这颗行星的引力拉扯着往前加速，所以我们会看到天王星的位置超前了。当天王星往前走了一段路之后，又被这颗行星的引力拉着往后拽，所以我们会看到天王星的位置比预想的滞后了。天王星的“不正常”，完全是因为这个新的行星的引力的干扰。我们还没看见这个新的行星，因为它离我们更远，反射的太阳光更暗弱，更不容易被发现。
勒维耶借助第三方的存在，试图平息理论和观测两方的矛盾，这是很智慧的思维方式，对天王星的难题是釜底抽薪。而且勒维耶的理论自带检验方法：只要找到这颗新行星就行了。
很快，柏林天文台按照勒维耶计算的位置，用望远镜找到了这颗新的行星，这就是海王星。海王星的发现证明了勒维耶的理论，也彻底解决了天王星的难题。勒维耶没有推翻牛顿力学，也没有否定观测资料，还发现了新的星球，再次扩展了太阳系的边界，取得了完美的成果。
但故事到这里还没有结束。
勒维耶没有躺在功劳簿上享福，他继续工作，发现水星的运动也存在着异常情况。
水星在椭圆形轨道上围绕太阳运动。但是这个椭圆形本身会漂移。水星每转过一圈都会超前一点抵达。这个超前量非常微小，积累100年只有43个角秒的小角度偏差。在勒维耶的时代，天文学家才注意到这样微小的问题。
你看，天王星的观测位置和理论出现矛盾，勒维耶找到第三天体成功解决问题。现在水星也出现了观测位置和理论计算之间的矛盾，怎么办？
勒维耶和其他几乎所有同时代的天文学家，很自然地想到，同样的操作可以再来一次。在水星轨道附近，可能存在着一颗新的行星，它的引力正在干扰着水星。因为水星是已知的最靠近太阳的行星，所以这颗潜在的新行星可能比水星还要靠近太阳。因为它离太阳太近，它自己被淹没在太阳的光芒中，很难发现。
逻辑上说通了，剩下的事就是找到它。天文学家们志在必得，还给新行星起了名字，叫伏尔甘，它是罗马神话中的火神。中文把这个名字翻译成祝融星，对应中国神话中的火神祝融。欧洲和美国的知名天文学家，大多投入到寻找祝融星的活动中。因为祝融星离太阳太近，它只会跟随太阳一起在白天出现在天空中。所以要找到祝融星，只能等到它从太阳正前方经过的时候，从地球上看，太阳、祝融星和地球连成一条直线，背光的祝融星的黑剪影出现在太阳圆面中。或者是等待罕见的日全食发生的时候，太阳光被月亮完全挡住，漏出太阳身边的祝融星。
这场由勒维耶领导的寻找祝融星的国际项目，持续了大约半个世纪。直到勒维耶去世，也没有人真的发现祝融星。直到后来的爱因斯坦，利用广义相对论证明，不需要祝融星的存在，水星因为太靠近太阳，太阳和水星之间的引力不再符合牛顿力学。经过修正的引力理论，可以解释水星的异常运动情况。勒维耶最终败在了祝融星上，他的失败建立在找到海王星的伟大胜利的基础上。沿用一套成熟的方法，却导致了新的错误，这是路径依赖的结果。如果真的存在祝融星，它会造成水星的异常。但反过来，水星的异常不一定是因为祝融星的存在。用逻辑学的话说，祝融星的存在是水星异常的充分条件，却被勒维耶想当然地看成了必要条件。这当中的逻辑漏洞，浪费了大批天文学家几十年的辛苦劳动，因为大家都相信曾经成功胜利的经验。持续失败当然可怕，但持续成功之后，不愿意主动改变思路，也会带来糟糕的后果。
“想不到”“做不到”和“改不了”，这是三种典型的天文学家的失败和错误的原因。这本书里的众多失败的故事，有着不同的时代背景，天文学家面对的是不同的挑战，但它们总能归入相应的典型类别。
失败是一门学问，天文学家反复失败的故事，是人类科学发展的历史上最动人心弦的场景之一。
过去，我们提到失败，会把它当成成功路上必经的过程。所谓“失败是成功之母”，失败为成功提供经验教训，这是我们通常对失败的意义的认知。但是，我讲的这些天文学家失败的故事中，失败和错误往往伴随天文学家的一生。面对学术上的死胡同，很多人直到生命的尽头也没能找到解决问题的方法。经过反复的尝试之后，很多人抱憾终生，没能取得科学突破。失败似乎没能诞生成功，勤奋似乎也没能取得成就。如果真是这样，失败还有意义吗？
我的答案是：有意义。
哥白尼终生没能解决的问题，刺激了后来的开普勒用更有想象力的方式看待宇宙秩序，勇敢地抛弃了圆形轨道，最终用椭圆形轨道解决了问题。西芒托学院测不出光的速度，让科学家们知道光速远远超过人类的极限，光的本质和光的运动成为科学领域最引人入胜的课题之一，引导着后来一系列的学科探索。勒维耶找不到祝融星，但“祝融星失踪之谜”，恰恰成了爱因斯坦证明广义相对论的最佳证据，为二十世纪的科学开启了新道路。
你看，一个人的失败，在几代人之间促成了科学的进步。因为科学从来都不是科学家个人的隐私活动，科学是科学共同体社群中的流动的思想网络。可穿戴计算机之父、麻省理工学院教授彭特兰提出：一个群体的共同智力与单个成员的智力无关，而与成员之间的互动有关。在本书的21个故事之间的连续发展中，你会看到：天文学家个人的错误和失败，成为科学家群体网络中的知识盛宴。天文学家群体通过交流和交往，错误被甄别，误解被澄清，新的可能性被关注，竞争与合作都成为可能。在知识网络中犯错误，错误又成为群体智慧更新的机会。个人的失败呈现于知识的群体，失败成为想象力、技术更新和颠覆式创新的机会。
以上就是这本书的精华内容，你可以点击音频下方的“文稿”按钮，查收我们为你准备的全文和脑图。在文稿末尾，还有这本书电子版的链接，强烈推荐你去进行拓展阅读。你还可以点击右上角的“分享”按钮，把这本书免费送给你的朋友，和他一起分享书中的宝贵知识。恭喜你，又听完了一本书！
划重点
1、天文学的进步其实就建立在一连串失败的基础上，对于天文学家来说，失败不仅是收获经验教训的成功之母，科学探索中的失败本身就是成功的一部分；
2、天文学家的失败可以总结为三种原因。：天文学家缺乏想象力造成的失败，简单说就是“想不到”；天文学家所处的时代技术发展不足，科学探索被技术门槛限制，简单说就是“做不到”；天文学家取得了一系列成功，之后过于相信成功的方法，面对新问题的时候对老方法产生了路径依赖，简单说就是“改不掉”。
3、科学从来都不是科学家个人的隐私活动，科学是科学共同体社群中流动的思想网络。在知识网络中犯错误，错误又成为群体智慧更新的机会。个人的失败呈现于知识的群体，失败成为想象力、技术更新和颠覆式创新的机会。