第一章 太陽系（摘錄）

行星的歷史

光害與霧霾等禍害出現之前，古人比起現代人更熟悉夜晚的天空。遠古文化認為天空中的行星相當特別，因為它們為「流浪的星星」，移動於「固定」恆星的背景之中。自古以來，已知水星、金星、火星、木星與土星等五顆行星──這五顆行星的亮度足夠引起肉眼注意。太陽和月球當然也相當明顯，但「行星」看起來像游移的光點，而太陽和月球則看起來像圓盤，因此被當成與前者不同之物。在人類出現之後的歷史，地球被認為是開天闢地的中心，與天空中的物體並無相連，因此不認為它是行星。

關於地球和其他星球一樣，為繞著太陽轉的岩石球體，以及為行星群之一這樣的知識躍進，出現的相當晚。整個過程相當緩慢，當中也出現過許多假曙光。在西元前五世紀間，古希臘哲學家安納薩哥拉（Anaxagoras）正確推論月球為反射太陽光的球形體，但他卻因提出這樣的看法而遭到流放。接下來數世紀間，許多中國天文學家發展類似概念，但月球為球體的概念尚未進入大眾認知中，一直到十七世紀時，透過望遠鏡觀測，它的外貌才變得較為人所知。

對於行星，一般認為它們是繞著地球轉的光點，直到與之相對視太陽為動作中心的「日心說」逐漸被接受，此看法才有所改變。最早提出地球繞著太陽轉的文字記錄可追溯至西元前九世紀的印度典籍，儘管有此典籍和後續由古希臘與伊斯蘭教的智者們的研究，以及哥白尼（Nikolas Copernicus）於一五四三年提出的倡議，然而直到十八世紀，日心說才變成主流。伽利略（Galileo Galilei）更因為提倡日心理論的關係（透過望遠鏡觀測到月球上的山脈、金星的位相變化，和繞著木星轉的四顆小衛星），從一六三三年開始被軟禁在家中，直到一六四二年過世。

從十七世紀開始，人們透過望遠鏡發現行星體為能辨識的微小圓盤，而恆星為持續發亮的光點，單就這點即能分辨行星與恆星的基本屬性不同，因此使得將行星視為與地球相近的天體的看法，變得更容易被人接受。順帶一提，我們現在知道恆星的體積比行星大的多，再者（除了太陽之外），恆星也離我們相當遙遠，只有非常少數的恆星能透過最精密的現代望遠鏡，看到些許星體表面的細節（明亮的恆星在照片中看起來比微暗的恆星大，但那只是光學效應──其亮度受到暈染而散開──所帶來的錯覺）。

克卜勒行星運動定律

一六○九年，約翰內斯．克卜勒（Johannes Kepler）發現行星（包括地球）都以某種途徑（軌道）繞著太陽，而這些軌道為橢圓形而非完美的圓形，外加牛頓（Isaac Newton）於一六八七年提出萬有引力，解釋行星的運動。於是，行星相對於地球的距離與其大小才開始能夠推算出來。

提到橢圓，我們可能會想到一個「蛋形」（oval）。數學上來說，橢圓的定義為一封閉的曲線由兩點（橢圓的焦點）所繪成，兩焦點到曲線上任一點的距離和相同。圓形為一種特別的橢圓形，其兩焦點重合在圓的中心點。兩焦點之間的距離越遠，橢圓更加扁長，或更為「非正圓」。克卜勒推論行星沿著橢圓軌道運行，太陽則位於各個橢圓軌道的焦點之一（另一焦點則留白）。軌道上最靠近太陽的點稱為「近日點」（perihelion，希臘語意為「離太陽最近的」），而最遠的點稱作「遠日點」（aphelion，希臘語意為「離太陽最遠的」）。行星的軌道並非是正圓形，但若畫成平面圖，其圖形看起來非常像圓形。例如：火星運行至遠日點時，它與太陽之間的距離比起在近日點時，大約多了二十一％，而地球的近日點與遠日點的距離差約只有四％。

克卜勒以他的行星運動三定律聞名。克卜勒第一定律提及諸行星運行在橢圓軌道，太陽位在橢圓的焦點之一。第二定律提及行星以不同的速度運行於軌道上：當行星越靠近太陽，其移動速度越快（隨後由牛頓萬有引力理論解釋其成因），假想一條從行星連結到太陽的直線，該直線必定在相等時間內掃過相等的面積。克卜勒第三定律連接行星的軌道周期（繞太陽一周的時間）與行星至太陽的平均距離：行星公轉周期的平方與行星到太陽平均距離的立方成正比。行星到太陽的平均距離恰巧等於橢圓軌道長軸長度的一半（其「半長軸」），或也可說是近日點與遠日點直線距離的一半。

克卜勒的行星運動定律讓準確估量其他行星軌道大小得以進行，但其精準度全然受制於人們測量地球軌道大小的準確程度的不確定性。一六七二年，科學家以在不同地點同時觀測火星的方式，估測出地球與太陽的距離約一億四千萬公里，接近正確數值149,597,871公里。在一七六一年與一七七六年觀測金星通過太陽（後者由庫克船長停泊於大溪地進行觀測），得出的修正估算值為一億五千三百萬加減一百萬公里。儘管有這些科學進展使得關於太陽系範圍和性質的模型更具條理與巧妙，但是禁止在羅馬印製「日心說」書籍的禁令直到一八二二年才廢除。

你可能會認為，既然能夠計算出行星離地球的距離，那計算出其質量大小應該很容易。但即使透過大型望遠鏡，天體的微小加上地球大氣層的閃鑠，導致測量行星視角大小（換言之，行星看起來的大小）有相當大程度的不確定性。舉例來說，一七八一年威廉．赫歇爾估算出的天王星的質量，就比實際上多了約八％。利用望遠鏡估算行星大小最準確的方式並非測量行星看起來有多大，而是測量此行星通過一恆星面前的時間。這樣的「掩星」（occultations）事件相當罕見，但到了十九世紀末，我們已經能夠相當精確估算行星的大小（表1）。

赫歇爾發現天王星是個偶然，一八四六年發現海王星則是刻意搜尋的結果。天王星軌道受輕微擾動（干擾其原本為完美橢圓的軌道）的現象，科學家認為很有可能是被一顆未被發現的外行星的重力所影響，因而展開搜索，發現了海王星。記錄觀察海王星一段時間後，它的軌道顯示這樣的擾動似乎更進一步指向一顆尚未發現的行星，從而引發了一九三○年發現冥王星的搜索活動。

一開始，天文學家認為這顆新發現的第九大行星大小與質量應該與天王星和海王星相近。但到了一九五五年，證據顯示冥王星不比地球大；一九七一年，此項估計重新下修到近似火星的大小；接著在一九七八年，人們發現冥王星的表面佈滿高反射性的冰凍甲烷，這代表它的實質大小要更小才能維持與其亮度的一致性。我們現在知道冥王星的直徑只有二千三百九十公里長，因此它的體積小於水星（質量甚至小很多）。

冥王星於二○○六年遭官方正式從行星行列中除名。這是很有爭議性的動作，但就我認為這是正確的作法。在詳述事情的始末之前，我將先來回顧我們現在已知太陽系的特質。