0. 序言：
1. 從簡單到復雜
2. 錯誤地解釋海水的潮汐
3. 測量光速的學術小組
4. 觀測金星凌日九死一生
5. 測量經度的競賽
6. 數星星測量宇宙
7. 精彩的C選項
8. 丟了一顆小行星
9. 夜空為什麼是黑的？
10. 地球為何如此年輕
11. 三體問題沒有解
12. 尋找火星人的富商
13. 火山還是隕石坑？
14. 銀河繫的尺度
15. 拒絕承認恆星的宿命
16. LOMO工廠的光學失敗
17. 宇宙的餘暉
18. 非主流的宇宙模型
19. 誤報引力波
20. 第一顆太陽繫外行星
21. 保衛冥王星
22. 後記

序
一曲獻給失敗的贊歌

大部分科普書，尤其是天文學科普書，為我們展現了人類探索宇宙所取得的輝煌成就。天文學家就像打怪升級的傳奇英雄，金光閃閃，眾星捧月。關於科學史的科普，展現的是歷史上的成功。關於前沿科學的科普，展現的是當下的成功。而我，希望在這本書中選取一個似乎古怪的方向，聊聊天文學家的失敗。我這麼做，是要破解我們對失敗的三種偏見。

偏見一：失敗很可怕
我們真的害怕失敗。
人類會調動原始的恐懼、羞愧、厭惡和憤怒等負面情緒來對待失敗。小到一次考試失利，大到國家級的重大項目失敗，失敗的陰雲會遮蓋在每一位參與者頭上。但失敗不會因為我們厭惡它就自動消失。失敗總要來臨，害怕失敗的我們往往假裝看不見它的存在。我們刻意回避失敗，就像《哈利·波特》中的巫師不敢談論伏地魔一樣懼怕談論失敗。
我們隱匿失敗，把失敗編造和美化成另一副模樣。鄧布利多校長告訴哈利·波特，就叫他伏地魔吧，對一個名稱的恐懼會強化對這個事物本身的恐懼。

偏見二：天道酬勤，堅持就是勝利
某科學家實驗了幾百次，終於發現了某某結果……我們聽過不少類似的故事，我們為科學探索的過程打造了重復實驗和勤奮獻身的臉譜。但實際情況是，很多失敗伴隨終生，直到幾代人之後，也沒能破解失敗的道理。
還有很多失敗，並非從一開始就注定失敗。失敗往往出現在美好的成就之後。安全的小路到此為止，荒原在你面前展開。有太多偉大的天文學家在取得偉大的成就之後就開始犯錯誤，開始鑽牛角尖，開始失敗。他們的經驗不可謂不豐富，他們掌握的資源不可謂不充分，他們對科學探索的熱忱不可謂不強烈，他們完全始於理解宇宙真相的初心，堅持工作下去，但就是遠離正確答案。
因此，堅持不一定換來成功，比油門更重要的是方向盤。

偏見三：失敗是成功之母
我們也被這樣鼓勵過：“失敗了沒關繫，失敗是成功之母。”的確，在成功到來之前，我們能見到的隻有失敗的樣子。甚至很多時候，不經歷失敗之中足夠多的苦難，也很難造就成功的果實。但我絕對沒有頌揚苦難的意思。失敗和苦難本身不具備什麼特殊的意義。簡單地把失敗的次數累積起來，也無法兌換成功。
隻有對失敗的不甘心、反思、另闢蹊徑纔有意義。就像愛因斯坦所說的，產生問題的思維方式無法解決這個問題。我從天文學家失敗的故事中學到的是，失敗中隱藏著種子。西芒托學院沒能測得光速，纔讓科學家對光的運行保持警惕。赫歇爾得出荒謬的銀河繫結構，纔引發了人們對星際介質的探索。勒威耶找不到祝融星，纔為廣義相對論提供了最有力的證據。皮亞齊弄丟了谷神星，纔催生了高斯的數學方法……種子在時間的澆灌下，生機勃勃地成長起來，這纔有了意義。
失敗不一定孕育成功，反思纔是成功之母。
對失敗的這些偏見一直影響著我們，影響著人類的科學。科學從未擺脫失敗，與其說它積累了層層成功的腳印奮勇前進，不如說它伴隨著次次失敗蹣跚而來。厭惡失敗當然正常，勤奮工作
當然是美德，面對困難繼續堅持當然也是盼望。但我們追求成功、勤奮投入以及堅持不懈，並非因為這麼做可以讓科學的某棵蘋果樹結出成功的果實，而是因為這麼做更加高貴。
畑村洋太郎是日本東京大學教授，曾任事故調查驗證委員會委員長，協助日本政府調查東京電力公司福島第一核電站事故。他在著作《失敗學》中暢想有一天要設立一座“失敗博物館”。他說：“我期待著失敗博物館這類場所的設立，能夠改變目前對失敗消極的固有印像。”
言外之意，失敗的迷霧之中隱藏著詩意和理性之光。天文學是一門特殊的學科。天文學考慮的問題往往具有千百年的漫長時間跨度和數億光年的巨大空間尺度。這樣的時間跨度和空間尺度遠遠超越了每一個人類課題的生活尺度。吾生有涯而知無涯，怎麼辦呢？
自從伽利略用望遠鏡指向天空，天文學家就開始持續觀測太陽。望遠鏡觀測到的太陽上有大小不一的黑色斑點，即太陽黑子。太陽黑子的位置、尺寸大小和數量隨時發生變化。幾百年來，大量默默無聞的天文學家觀測太陽，把太陽黑子的樣貌描繪了出來。這樣的工作需要每天進行，持續不斷。幾代天文學家將自己的生命奉獻於日復一日地描繪太陽上面。天文學家施瓦布像幾位前輩一樣，每天觀測並描繪太陽黑子，持續了17 年。他把前人的工作資料與自己的資料整理出來，終於發現了太陽黑子的周期性規律。施瓦布固然是發現黑子規律的衝刺者，但他之前的觀測者的工作同樣不可取代。正是由於天文學的特殊性，天文學家之間形成了不成文的默契，那就是，對終身投入資料整理工作的前輩充滿敬意。
所以，我用天文學家的故事講述失敗和犯錯，並不是出於同情和憐憫，而是向這些前輩致敬。這本書中包含21 個故事，涉及30 多位天文學家，包括他們的工作和生活。這些人物的故事就像銀河繫中被塵埃和氣體遮蔽的星光，是暗角，是肉眼不可見的空洞，也是孕育，是更廣闊維度下的進步。
天文學家群體不算大，但考慮到時間的因素，歷史上的天文學家的規模就不是一個小數目了。大部分天文學家在一生中都犯過大大小小的錯誤。要從中篩選出20 多個值得一講的故事不是輕松的工作。我盡量沿著時間的脈絡，從科學革命的先驅哥白尼講起，到保衛冥王星的斯特恩結束。這場梳理錯誤與失敗的旅程從太陽繫的行星運動開始，貫穿中世紀和近現代以來天文學不同領域的進步，以重新思考行星的定義結束。天文史上失敗的歷史似乎畫了一個圈，從理解自身的定位出發，又回到了我們最熟悉的身邊事物。當然，人類在這場旅程中的認知並非原地踏步，而是切實地前進了一大步。掛一漏萬，我可能遺漏了更多有趣的天文學家失敗的故事。這本書涉及的人物和事件與我個人的學術興趣大有關繫，沒有寫入本書的情節並非不重要。
我嘗試著揭示失敗背後的詩意和理性之光。我沒有能力設立一座“失敗博物館”，但我願意收集幾塊磚瓦，為將來做打算。當下，我邀請你在茶餘飯後，聽我唱一曲獻給失敗的贊歌。

觀測金星凌日九死一生
紀堯姆·勒讓蒂，法國天文學家
1725—1792

1771年8月，在外漂泊11年的勒讓蒂終於回到了自己的祖國。他踏上巴黎的土地的時候，會不會想起自己11年前登船出航的時刻呢？
勒讓蒂出生於1725年9月，從小學習神學，本來打算當一名天主教的神父。偶然的機會讓勒讓蒂在大學的時候聽到天文學家約瑟夫·尼古拉斯·德利爾教授主講的天文學課程，開始對天文學感興趣。德利爾是法國科學院院士，最早使用水銀溫度計確定了一套溫度測量標準，還教出了梅西耶這樣著名的學生。在德利爾的指導下，勒讓蒂的天文學知識逐漸豐富。德利爾瞅準時機，把勒讓蒂引薦給了當時的巴黎天文臺臺長雅克·卡西尼。71歲高齡的卡西尼以優雅的姿態接見了23歲的勒讓蒂，卡西尼把所有願意獻身天文學的人都看作自己的孩子，那種父輩的善意和溫暖觸動了勒讓蒂的內心。了解到勒讓蒂的興趣後，卡西尼建議勒讓蒂到巴黎天文臺工作，卡西尼的兒子德·圖裡和外甥馬拉爾迪可以指導勒讓蒂的工作。[1]
就這樣，年輕的勒讓蒂在巴黎天文臺的名師指導下，逐漸熟悉了儀器的使用，可以執行最精細的觀測任務和最困難的數學計算。因為勒讓蒂的熱切，天文學知識的大門在他的面前開啟。因為勤勞和專注，勒讓蒂得到了一個光榮的機會。
1760年，法國科學院提議，法國政府批準，組建一支奔赴世界各地觀測金星凌日的遠征隊。沙佩前往西伯利亞，潘格雷前往羅德裡格斯島，梅森前往蘇門答臘，而勒讓蒂的目的地是印度的本地治裡。
為什麼要觀測金星凌日呢？
金星圍繞太陽運動，地球也圍繞太陽運動。金星運動的平面和地球運動的平面幾乎重合，但存在著微小的偏差。地球在外圈，金星在內圈。所以在地球上，有機會看到太陽、金星和地球恰好連成一條直線。這個時候，我們可以在地球上觀測到金星從太陽表面劃過。因為金星的星光完全來源於太陽光的反射，所以當我們看到金星從太陽表面劃過的時候，完全逆光的金星隻有剪影的效果。這個現像叫金星凌日。但是，金星凌日太罕見了。在最近幾個世紀之內，金星凌日的現像成對兒出現。一對兒金星凌日現像間隔8年時間，而每對兒之間間隔100多年。天文學家一般來說隻有機會觀測到間隔8年的兩次金星凌日。上兩次金星凌日發生在2004年6月8日和2012年6月6日。未來兩次將發生在2117年12月11日和2125年12月8日。
觀測金星凌日不僅是為了欣賞罕見的天文現像，還有著重要的天文學意義。18世紀初，天文學家哈雷提出了一個絕妙的方法，可以精確測量地球到太陽的距離。在發生金星凌日的時候，同時派出多組天文學家在不同地點觀測。因為每個人所在的位置不同，看到的金星在太陽表面劃過的方位也有所差別。隻要精確測定觀測者所在地的距離和觀測到的金星凌日的差別，就可以推算出金星和太陽到地球的距離。在哈雷提出這套方法之後，第一次金星凌日就發生在1761年6月6日。法國的天文學家們提前一年就選派了精兵強將執行這項觀測任務。
本地治裡是印度東南海岸的法國殖民地。從法國出發前往本地治裡，必須乘船駛出英吉利海峽，進入大西洋，然後一路南下，繞過非洲最南端的好望角，向東進入印度洋，在毛裡求斯停泊，再根據風向和過往船隻的情況向東北航行，穿越印度洋。勒讓蒂在東印度公司的兩艘船中選擇了擁有50門大炮的“貝裡耶號”。王室大臣和皇家科學院院長拉弗裡耶爾公爵給東印度公司下達了明確的命令，要求勒讓蒂乘船前往印度。可是，這個時候的世界一點也不太平。
1756年，歐洲爆發大戰，英法兩大國成了對手。1757年，兩國在印度殖民地開戰，英國在孟加拉擊敗法國，威脅了法國和印度之間的貿易通道和法國東印度公司的利益。
1760年3月26日，勒讓蒂登船出發。經過4個月的航行，勒讓蒂抵達印度洋上的毛裡求斯。他了解到，英國和法國在印度的戰爭已經爆發，法國的艦船不敢貿然前往印度。而且，東北季風已經來臨，從毛裡求斯到印度需要逆風航行，效率極低。這個時候，從毛裡求斯前往印度的航線已經中斷，而勒讓蒂不適應海上航行的生活，在毛裡求斯患上了痢疾。戰火、風向和身體，面對這三重阻礙，勒讓蒂不得不在毛裡求斯停留，等待時機。在這期間，他想過要不要直接前往毛裡求斯附近的羅德裡格斯島與潘格雷會和，但這樣就會缺少本地治裡的觀測點的數據，將來運算結果的精確度會大打。勒讓蒂還是決定在毛裡求斯原地等待。
勒讓蒂等過了夏天、秋天和鼕天，第二年的春天，從法國抵達的一艘護衛艦帶來了關於印度戰局的消息。總督和海軍司令決定立即派遣護衛艦前往印度，勒讓蒂的機會來了。海軍像勒讓蒂擔保，就算現在風向不對，他們也能在兩個月內抵達印度海岸。於是，勒讓蒂3月11日乘坐這艘護衛艦離開毛裡求斯，十多天後經過尼留汪島，以每天90到120海裡的速度航行。但接近赤道的時候，反方向的季風強勁，護衛艦沒能在正確的航線上繼續前行。護衛艦航行到印度西南方的馬拉巴爾海岸的時候,距離金星凌日出現的日期還有12天。他們得到情報，印度的本地治裡已經落入英軍的控制下。勒讓蒂在日記中說：“對法國來說，這個地方已經不存在了。我們從過往的荷蘭人那裡確認了這個消息……”[2]
無奈之下，護衛艦必須返航。距離金星凌日還有一個星期，勒讓蒂乘坐的法國護衛艦從印度海域返回，一個月後回到了毛裡求斯。勒讓蒂在毛裡求斯上岸的時候，此次金星凌日已經過去了17天。航行千餘裡，在海上漂泊一年多的時間，已經和觀測地近在咫尺，卻隻能無功而返，我們可以想像他當時強烈的挫敗感。在乘船返回毛裡求斯的路途上，勒讓蒂觀測到了金星凌日。但是，身處顛簸的船上，勒讓蒂無法精確測量任何數據。第一次金星凌日觀測失敗。
沒關繫，8年之後還有一次機會。為了萬無一失，勒讓蒂決定留在印度洋上，不回法國了。他可以在這8年期間研究毛裡求斯的風土人情，測定當地的經緯度。如果能在返回歐洲之前精確測定印度洋一些島嶼的坐標，也算得上是腳踏實地的貢獻，避免了舟車勞頓，還能提前為下一次金星凌日的觀測做些準備工作。想到這裡，勒讓蒂決定不走了，就住在毛裡求斯，等待下一次金星凌日。
就這樣，勒讓蒂在毛裡求斯安頓下來。他多次探訪附近的馬達加斯加島和波旁島，探索了非洲東部海域的漁業、風向和潮汐，了解了當地的農業、飲食、服裝和民族風俗，還經歷了一次嚴重的疾病，需要放血和催吐治療。重病期間，勒讓蒂的視覺出現問題，看東西總是重影，隨著體力慢慢恢復，視覺纔有了好轉。在這期間，勒讓蒂繪制了非洲東海岸的地圖，成為當時最豐富和精確的非洲東部地圖。
勒讓蒂在毛裡求斯生活了5年之後，要開始準備第二次金星凌日的觀測了。他計算了金星凌日出現的時間和位置，認為更有利的觀測地點應該在更東方，比如菲律賓海域的馬尼拉，甚至是西太平洋的馬裡亞納群島。因為金星凌日發生的時候，這些地方的太陽位置更高，更容易精確測量數據。要前往馬尼拉，必須搭乘前往中國的船隻，向東穿越印度洋，經過馬六甲海峽，進入中國南海，北上到達中國的廣州後，再找船去東南方向的馬尼拉。這樣的船全年都有。
更幸運的是，軍艦“善勸號”停靠在毛裡求斯，這艘軍艦此行的目的地就是馬尼拉，而且副船長正好是自己的老熟人卡森斯，勒讓蒂在巴黎的時候就見過他。通過卡森斯的介紹，勒讓蒂認識了“善勸號”的船長。他向船長說明了自己要觀測金星凌日的使命，船長同意勒讓蒂隨船一起去馬尼拉，避免了繞道廣州。航行了大半年之後，勒讓蒂於8月10日到達馬尼拉。
勒讓蒂在馬尼拉大教堂結識了兩位好朋友梅洛和羅克薩斯。梅洛是南美洲的秘魯人，在馬尼拉大教堂擔任教士。按照勒讓蒂的說法，梅洛有著優秀的心靈品質，有學問，熱衷於研究，喜歡書籍和數學計算儀器，是非常好的朋友。羅克薩斯是墨西哥人，馬尼拉大主教的姪子和秘書。梅洛和羅克薩斯輪流照顧讓蒂的生活，讓勒讓蒂在這裡愉快地生活了兩年。其間，勒讓蒂幫助卡森斯測定了馬尼拉港口的經緯度。
但是，馬尼拉當時是西班牙的殖民地。西班牙駐馬尼拉總督對法國人不懷好意，不太歡迎勒讓蒂的到來。勒讓蒂通過毛裡求斯聯繫法國政府，希望得到一封推薦信，幫助自己贏得西班牙總督的好感。勒讓蒂收到了法國政府的回信，把它出示給西班牙總督，但總督不相信勒讓蒂能在這麼短的時間裡拿到回信，懷疑勒讓蒂偽造了信件，對法國人更加不滿。馬尼拉夏天的天氣也陰晴不定，這讓勒讓蒂犯了難。再加上法國科學院在來信中給勒讓蒂施加了壓力，責備他偏離預定的觀測地點太遠。
勒讓蒂最終決定放棄馬尼拉，還是回到印度的本地治裡做觀測。在他離開馬尼拉前，梅洛用馬尼拉當地特有的一種木材制作了一張桌子和一把折疊凳，送給勒讓蒂。勒讓蒂一直隨身帶著這套桌椅，把它當作自己最鐘愛的家具保存著。他與梅洛和羅克薩斯一直到晚年都保持著通信。
開春，勒讓蒂搭乘了一艘來自澳門的葡萄牙商船前往本地治裡。1768年3月27日，勒讓蒂終於抵達本地治裡，此時距離金星凌日還有一年零兩個月左右，他有充足的時間做準備。
他在本地治裡持續觀測星空，記了大量筆記。他說：[3]
這裡一月和二月的星空最美。在你看過這裡的星空之前，不可能真的懂得夜晚的美麗。我用15英尺焦距的望遠鏡看木星如此清晰，空氣太干淨了，星星沒有任何閃爍。我經常把我的望遠鏡暴露在夜裡，垂直放置好幾個小時，也不會受到露水和濕氣的影響。3月的天氣不是很好，4月的天氣開始變得沉悶，而6月、7月、8月和9月不太適合天文觀測。在這些月份，除了早晨有一段時間的晴朗，你幾乎沒有任何收獲。10月、11月和12月是雨季和鼕季……
金星凌日發生在6月，6月不適合觀測星空。但沒關繫，觀測金星凌日隻需要早晨的一段時間注視太陽……他焦急地等待著，盼望著。附近的英國人給他送來一架非常好的望遠鏡。整個5月，勒讓蒂都在持續觀測，直到6月3日這天，早上的天氣都很好。金星凌日出現的前夜，勒讓蒂還用望遠鏡觀測了木星的衛星，效果極好。
6月4日是星期日，勒讓蒂早晨2點就醒了。他感到早晨的微風，覺得這是一個好兆頭。可沒過多久，天空被雲層遮住了。從那一刻開始，他感覺自己注定要失敗。他把自己扔回床上，強迫再睡一會兒，可是完全閉不上眼睛。再次起床的時候，天氣還是陰沉的，而且東北部的雲更厚了。5點鐘開始吹起西南風，風越來越大，但雲層一點也沒有改變。大約五點半左右，風猛烈地吹開天上的雲，撕開一條透過陽光的口子，但雲層很快又遮蔽下來。海面上的船劇烈搖晃，地上的沙塵盤旋著上升，烏雲一直存在。就在快到7點的時候，天空出現了淡淡的白色，但依然無法分辨出太陽的位置。這個時候，金星凌日已經結束了。
勒讓蒂的第二次金星凌日觀測再次失敗。
在這一天的其他時間，天空始終晴朗。命運仿佛故意捉弄勒讓蒂，隻在金星凌日發生的這段時間裡遮蓋天空。勒讓蒂心灰意冷，他在日記中寫道：
這就是等待天文學家的命運。我已經走了一萬多裡路，我似乎穿越了如此廣闊的海洋，把自己從故鄉放逐，隻是為了成為一片致命的雲彩的旁觀者。這片雲彩在我觀測的精確時刻來到太陽面前，把我痛苦和疲勞的成果帶走。我無法從驚訝中恢復過來，我很難相信金星凌日已經結束了……最後，我在出奇的沮喪中度過了兩個多星期，幾乎沒有力氣拿起筆來繼續做記錄。當我嘗試著記錄報告的時候，我的筆好幾次從手中掉落。
就在最絕望的打擊中，命運沒完沒了地捉弄勒讓蒂。梅洛寄來了一封信，告訴勒讓蒂，在金星凌日發生的時候，馬尼拉晴空萬裡。梅洛自己進行了觀測，把觀測數據寄給了勒讓蒂。這些數據非常精確，科學價值很高。
18世紀的兩次金星凌日全部結束，印度洋多變的天氣讓勒讓蒂再次滯留在毛裡求斯.一年半以後，勒讓蒂纔有機會搭乘西班牙的軍艦離開這片失敗的海域。1771年10月8日，勒讓蒂終於回到法國，此時距離他離開巴黎已經過了11年。回到家的勒讓蒂發現，因為長時間斷絕通信，家人以為他已經意外去世。繼承人和債主分割了勒讓蒂的財產，妻子已經改嫁，就連法蘭西科學院也已經將勒讓蒂除名。
勒讓蒂回到了巴黎，卻身無分文，無家可歸，失去了天文學家的頭銜，除了伴隨自己的筆記本和好朋友梅洛送的那套桌椅，什麼也沒有了。勒讓蒂一口氣把官司打到國王那裡。最終的判決是，科學院恢復了勒讓蒂的名譽和職務，但改嫁的妻子和分散的財產再也回不來了。[4]
花費11年的光陰，兩次金星凌日都沒能成功觀測。勒讓蒂成了天文學史上出了名的倒霉蛋。法國著名天文學家、法國天文學會的創始人和首任會長弗拉馬利翁最早在他的《大眾天文學》裡向大眾講述了勒讓蒂的故事。
勒讓蒂的兩次金星凌日的觀測都沒有成功，但他成功測量了印度洋和太平洋上幾座重要港口的經緯度，他在隨行的筆記中詳細描述了非洲東部、印度東南部和菲律賓等地的見聞，描繪了當地的精確的地圖，與地球另一半的學者建立了深厚的友誼，並且得到了在馬尼拉觀測金星凌日的精確數據。
在晚年的時候，勒讓蒂一定會經常坐在梅洛送他的那張桌子前，想念著昔日的航海之旅、熱帶海域的水清沙白、軍艦上的顛簸蕩漾和幾位老友。