内容简介

天体物理学是基于永恒不变的物理学定律来研究地外天体的学科，借由它我们可以了解恒星如何形成、衰老与死亡，行星系统如何形成，星系之间如何相互联系。在本书中，詹姆斯·宾尼展示了天体物理学领域在过去一个世纪里的迅速发展，宇宙的奥秘由此向我们敞开。

牛顿之前只有天文学，之后才有了天体物理学。传说他在自己的伍尔索普果园里看到苹果落下，顿时灵光一闪，想到月球也应该和苹果一样落下。如果这是真的，那么天体物理学便在此刻诞生了。也就是说，月球等天体并不像牛顿的前辈设想的那样，按照神明定下的轨迹在天空滑行，它们与一个明天就可能被鸟兽啃去一半、让人不屑一顾的苹果一样，都遵循着相同的物理定律。

这个思想的力量，在于我们可以用实验室中提炼的物理定律解释远在宇宙深处的天体。于是，牛顿的思想使我们在思维中旅行，穿过宇宙那超乎想象的广袤空间，观察遥远星系中心的巨大黑洞——而如今即使用上射电望远镜，也只能收到微弱的信号。

牛顿还从另一个重要方面奠定了天体物理学的基础：我们可以通过具有恰当定义的物理定律，得到精确的定量预测。因此，他不仅能对已有的观测做出一致的物理解释，还能预测未来可能观测到的结果。为此，他必须发明一种新的数学——微积分，用它的语言概括物理定律。牛顿时代之后，大部分物理定律便采用了微分方程的形式，它通过描述函数的变化率来确定函数。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦是爱丁堡一个富裕律师的独子。他很早就显露出数学和物理的高超天赋，在气体和热理论，以及土星环的动力学分析等领域作出了巨大的贡献。麦克斯韦提出假设，认为随时间变化的电场会产生“位移电流”。从数学上看，原先的微分方程表达了传统电流与它生成的磁场的关联，而这假想的电流在其中添加了额外的一项。

这个额外项带来了惊人的影响，它使得电场和磁场能够相互维持，而不需要电荷参与其中。麦克斯韦计算了电场和磁场的耦合振荡在真空中传播的速度，结果与光速测量值在实验误差内吻合。于是麦克斯韦得出结论说，他的额外项是正确的，光是电场和磁场相互维持的振荡。因为光的波长非常短（约为0.0005毫米），所以振荡频率一定很高。频率较低的振荡对应较长的波长。1886年，海因里希·赫兹发射并检测到了这样的“射电”波。

因此，麦克斯韦重新解释了一个古老的现象——光。他将传统的物理学定律应用于思想实验之中，然后论证这些定律需要修正，从而使整个理论前后一致，并由此预言了一种全新现象。这一步，石破天惊。

我们相信物理定律永远正确：有确凿证据证明，它们自138亿年前宇宙诞生后的一分钟起便是如此。宇宙从爆炸的火球经历寒冷、黑暗的时期，创生出第一批恒星与星系（现在正由巨型望远镜研究），其间的物理定律始终是对的，而且至今依然正确。

虽然物理定律在过去的138亿年间一直保持着稳定，但宇宙却已然改头换面。这里再次体现了牛顿式物理定律与物理定律所描述的现象的区别：物理定律体现为微分方程，它在任何时刻、任何地点都是对的；物理现象则会因为方程需要的初始条件急剧变化而完全改变。

因为物理定律在宇宙中的每个部分都有效，所以我们可以在头脑中畅游遥远的星系；因为物理定律在任何时间都有效，所以我们可以在头脑中回溯最初的时刻。物理定律这种普遍、永恒不变的性质让我们在想象中成为时空的旅行者。

将物理定律应用到地球之外的一切事物，这便是天体物理学。因此，它是其他科学的晚辈，但在规模上傲视群雄。