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我们居住的行星所在的天体系统是太阳系。我们已经对包括地球在内的这群小型天体是如何自成体系有所了解了。对于宇宙而言，太阳系是渺小的，但对于人类却有着非常重要的意义，是我们的生存基础。在对太阳系的重要组成部分进行详细介绍之前，我们先简要了解一下太阳系是由什么构成和如何构成的。
首先要讲的一定是太阳。这个天体被命名为太阳，它的重要性可见一斑。太阳是位于太阳系中央的一个巨大球体，不停地向外辐射光和热，并且凭借自身强大的引力维持着整个太阳系的运行。
接下来是各种行星。它们在各自的轨道上环绕着太阳运行，我们赖以生存的地球就是其中的一颗。行星这个词的本意为“游移不定”，古人之所以这样命名，应该是因为行星会在恒星之间穿梭，而不是固定不动。行星可以分为截然不同的两类：大行星和小行星。
太阳系中有八颗大行星，是整个系统中仅次于太阳的最大天体，它们与太阳之间的距离由远至近有规律地排列。最近的是水星（距离太阳5800万千米），绕太阳一周只需要3个月；最远的是海王星（距离太阳约45亿千米），绕太阳一周要近165年。
八颗大行星若按质量大小和结构特征来分，又可以分为类地行星和类木行星。主要由石、铁等物质构成的类地行星，它们的特点是体积小、密度大、自转速度慢以及卫星少。水星、金星和火星都是类地行星。类木行星主要由氢、氦、氨、甲烷等物质构成，它们的特点刚好与类地行星相反，体积大、密度小、自转速度快，不仅卫星众多，还有由碎石、冰块或气尘组成的美丽光环。类木行星的成员包括木星、土星、天王星和海王星。
大行星被分为两个团体，距离太阳较近的四颗为一个团体，其余四颗为一个团体。两个团体之间有一道很宽的间隙，组成内层的四颗类地行星比外层的类木行星小，它们的体积总和还没有外层最小的行星体积的1/4大。在两个大行星团体之间运行的是无数小行星。与大行星相比，小行星非常小，几乎都集中在一条宽宽的带状区域，如果以太阳为参考，这条带状区域的范围从离地球不远的地方开始，一直到几乎10倍于地日距离为止。大部分小行星与太阳的距离都是地球与太阳距离的3至4倍。这些小行星与大行星最大的不同是数量特别多，还有更多新的小行星不断被发现，因此总数难以确定。
太阳系中的第三类天体是卫星，比如月亮。它们常常围绕着大行星运行，伴随大行星围绕太阳公转。就我们目前所知，除了最内层的水星和金星没有卫星外，其他行星都有数目确定的卫星。地球只有一颗卫星，就是月球；
外层的土星已经被发现了82颗卫星；木星被发现的卫星有79颗
。因此，除了水星和金星之外，其余每颗大行星都位于一个类似于太阳系的系统的中央。好比太阳系以位于中心的太阳命名一样，这些系统也以中心天体的名字命名。如由火星及其卫星组成的火星系，由木星及其
79颗
卫星组成的木星系，由土星、土星环及其
82颗
卫星组成的土星系。
太阳系中的第四类天体是彗星。它们绕太阳运行的轨道是一个很扁的椭圆形状。我们只能在彗星接近太阳时才能看见它们，它们中的大部分需要我们等上几百年甚至几千年才会出现一次。即使彗星出现了，也需要很好的观测条件，情况稍有不利，我们依然难以一睹它们的真颜。
除了以上我们讲到的这些天体，还有许多微小的岩石块（我们称其为流星体）也沿着固定的轨道围绕太阳运行，它们都与小行星和彗星有一些联系。如果它们没有恰好进入地球周围的大气层中，形成“流星”，我们是无法看到它们的。
下面这个表格是以距离太阳远近的顺序排列的行星及其卫星数量：
表3–1 行星及其卫星数量
在这本书中，我们不会按这个表格的顺序来为大家讲述各大行星。我们将在介绍完太阳之后，跳过水星和金星，先来认识地球和月亮，然后再叙述其他行星。
太阳位于太阳系中央，是星系中最大的天体，当然会首先引起大家的注意。我们知道，太阳是一个发光发热的巨大球体，但这个球体有多大、距离我们有多远？我们需要先了解一下。知道了太阳到地球的距离，那么太阳的大小就能算出来。这是最初级的几何知识：我们可以测量出太阳直径在我们视野中的视角，然后只要知道了太阳与我们的距离，就可以计算出太阳的直径。这是一道非常简单的三角问题。现在，我们精确测量出，太阳在我们视野中的角度是32分，那么太阳与我们的距离就是它直径的107.5倍，所以用太阳到地球的距离除以107.5得到的数值就是太阳的直径。
所有测量结果显示，太阳到地球的平均距离是14960万千米，除以107.5得出太阳的直径大约是139万千米，大约是地球直径的110倍。这样，我们也就知道太阳的体积大约是地球体积的130万倍。
太阳的平均密度是地球平均密度的1/4，约为水的密度的1.4倍。太阳的质量约为地球质量的33.2万倍。太阳表面的重力约为地球表面重力的28倍。如果我们能站到太阳上去，那么我们会被自己的重量压倒。
太阳对我们之所以重要，是因为它可以提供光和热。假如失去来自太阳的光热，地球不仅会被无尽黑夜笼罩，而且很快就会陷入永久的严寒中。众所周知，地面会在夜晚将白天从太阳吸收而来的热量又散发到空中，所以夜晚气温会低于白天。如果失去白天的供给，热量就会一点点流失。想象一下，如果我们没有了太阳会是什么情况：失去光明是必然的，月亮和一些较明亮的行星也会变得暗淡，以至于我们基本无法看到它们。而满天都是平时很难见到的众多星星，只是由于它们的距离太过遥远，并不能带给我们光明和温暖。我们会开始觉得冷，像冬天的夜晚一样。而这只是开始，由于不再有黎明到来，气温会因此持续下降，最终将比南北极更加寒冷。同时，因为没有阳光，无法进行光合作用，植物将无法存活。这已经不重要了，因为不断下降的气温会将生物全部冻死。虽然水有储存热量的功能，海洋的温度下降得较慢，但是一段时间之后，所有的海洋都会冻冰。 大气在持续下降的温度中液化，地球最后将变成银白色的死寂星球。
回到现实中，让我们来继续分析这个重要的天体吧！
我们将平常看到的太阳表面称为“光球”（photosphere），这个词可以很好地区别太阳的可见表面和庞大的内部。在我们眼中，光球的各部分均匀一致，但通过带滤光镜的望远镜就会看到，太阳的整个表面是斑驳的。在更好的条件下仔细观察，我们会发现光球表面布满了不规则的小颗粒。
当我们对光球各部分的光度进行对比时会发现，球面中心的亮度远远超过边缘部分。哪怕不用望远镜，也能看出这种区别。如果我们用一块黑玻璃挡住眼睛，或者在黄昏时分观察落日，就会发现太阳边缘的亮度不高，最边缘的亮度大约是中央亮度的一半。同时，边缘和中央也有颜色上的区别，边缘的光比中央的要暗红很多。
我们在观测太阳时，光球就是所能观测到的极限，无法看到太阳的内部结构。尽管光球看起来很光滑，像一个皮球，但它的密度非常低，只有空气密度的万分之一。我们看这一层时，视线也要穿过几万千米的太阳“大气”。由于这种大气非常厚，光球的圆面边上就会更黑更红。在太阳大气更高更冷的地方，那里的光更红，也更加微弱。
经过更加细致的观察我们会发现，太阳与地球相似，也绕其中心的轴自西向东转动。与描述地球的情形一样，我们将转轴和表面相交的两点称为太阳的“极点”，将两极中间环绕太阳的一圈称为“赤道”。太阳赤道的自转周期是25.4天，太阳赤道的长度大约是地球赤道长度的110倍，因此它的自转速度是地球赤道自转速度的4倍多，大约为每秒2000米。
太阳自转的独特之处在于，离赤道越远的地方自转周期越长，而在太阳南北极附近，自转周期大约是36天。如果太阳和地球一样也是固体，那么太阳各部分的自转周期就应该是相同的。这样看来，太阳一定不是固体，至少表面一层不会是固体。
太阳赤道与地球赤道平面呈7˚的夹角。太阳赤道的方向在我们看来，春季时，它的北极背离我们7˚，而能够见到的圆面中心则在太阳赤道南部大约7˚的位置；到了夏季和秋季，情况则恰好相反。
我们在用望远镜观察太阳时，通常会在其表面看到一些近似黑色的斑点，我们将这些斑点称为“太阳黑子”（sunspot）。这些黑子随着太阳自转运动，也正是借助这些黑子，我们很容易测定太阳的自转周期——太阳视圆面中央出现一个太阳黑子，六天之后，这个黑点会移动到西部边缘，并在那里消失；大约两周后，这个黑子在东部边缘上重新出现。
太阳黑子大小不一，存在很大区别，有的微小到即便使用性能最好的望远镜也很难发现，而有的则大到用肉眼透过一块涂黑的玻璃就能看到。太阳黑子通常都是成群出现，我们有时可以用肉眼看到一小片黑子群，而单粒黑子则难以看见。单个太阳黑子的直径有的可达8万千米，最大的黑子能遮住太阳表面的1/6。
随着数目的不断增加，黑子会按与太阳赤道平行的圈子展开。以太阳自转方向来讲，领头的黑子大多是群体中体积最大且寿命最长的，常常是其他的黑子都不见了，它依然存在。一群黑子中比较大的基本都是最后形成的，并且常常剩下一些单个成员。黑子中央更暗的部分被称为“本影”，边缘较亮的部分则被称为“半影”。在分散的过程中，黑子会分裂为一些不规则的碎片。
经过人类400年来对太阳黑子的观测
，我们发现太阳黑子的出现频率是有规律的，大约以11年为周期。在某些年份，太阳表面的黑子较少，大约有半年的时间看不到，1889年和1900年就是这样。接下来的一年，会有少量数目的黑子出现，此后5年内逐渐增加。之后，又开始一年年减少，直到这个周期结束，活跃度将再次增加。这种规律的变化早在伽利略时代就被人们发现了，直到1843年，施瓦布确立了黑子的周期率。
太阳和地球上的许多现象都遵循太阳黑子数目以11年为一循环周期的变化，深红的“日珥”（prominence）常常出现在黑子数量最多时；“日冕”（corona）则随着黑子数目的变化而改变形状；会扰乱无线电信号传输、破坏精密的电子设备等的地球上的“磁暴”（magnetic storm）也和黑子的强度大小以及出现频率一致；“极光”（aurora）也是在黑子数量最多时更频繁而壮观地出现。
太阳黑子的形成及其周期性显然与太阳的磁场有着密切关系。当前非常热门的太阳发电机理论，就试图通过研究太阳对流层中的流体运动与磁场的相互作用，解释太阳黑子的周期性和太阳磁场是如何维持的。1919年，拉莫尔提出了太阳发电机的概念；1955年，帕克提出了自激发电机理论，为湍流发电机理论奠定了物理基础。根据这种理论，在磁场很强的太阳活动区才会出现太阳黑子，内部的相互作用会产生周期性振荡，表面磁场也会随之出现微小变化。
太阳黑子的出现还有一个值得注意的规律：太阳表面并非全都有黑子，而是特定的太阳纬度上才有。太阳赤道上就很难见到黑子，在赤道的南北方向上太阳黑子逐渐增多，以南北纬的15˚到20˚的数目最多，接着慢慢减少，纬度在30˚以上就很少见了，如图3–1所示，阴影越重的地方黑子活跃度越高。如果我们用一个圆表示太阳，黑点表示太阳黑子，将观察到的黑子都画在相应的位置上，几年之后得到的就和图3–1一样。
图3–1 太阳黑子周期变化
太阳表面除了黑子，还常常出现一些比光球更明亮的斑点，这些斑点往往出现在黑子附近，也就是所谓的“耀斑”（facula）。
黑子的出现表示太阳上有风暴发生，这和地球上的飓风类似，只是更加剧烈。炙热气体在太阳旋涡中快速上升，到达比内部压力小很多的光球之后，这些气体会喷发出来，并迅速冲出表面。这种膨胀的结果会使周围的温度稍微降低一点，这一区域的光亮因此削弱，太阳黑子也由此形成。事实上，菌状旋涡的平顶部分仍然很热很亮，因为与周围平静的太阳表面相比，温度更低，看起来就比较暗淡。
地球的自转使地球上包括飓风在内的所有旋涡在北半球是逆时针转动，在南半球则是顺时针转动。太阳黑子也一样，太阳赤道南部和北部的黑子在旋转的方向上正好相反，太阳的自转方向也就很容易分辨。但是，太阳上的风暴比地球上的风暴复杂得多，因为领头的黑子和随从的黑子在旋转方向上常常相反，而更靠后生成的黑子的旋转方向受到已经存在的黑子群的影响，会变得更加复杂。
在100多年前，美国的海尔和法国的德朗德各自独立发明了太阳单色光照相仪（spectroheliograph）。这是连接在望远镜上的一部分，用它可以单独给某一特定的元素发出的光照相，当利用这种仪器给太阳进行氢光摄影时，会拍摄到“谱斑”（flocculus）相片，观察太阳黑子附近的形态分布，可以看到旋涡的存在。
为了消除大气层对太阳观测的不利影响，20世纪60年代以来，空间探测器以及各种探测太阳的人造卫星陆续被发射升空。这些携带了各类精密仪器的卫星对太阳进行了全方位、多角度的研究，其中包括黑子周期现象，并且取得了很大成果。有了它们的帮助，我们可以更准确地预报太阳黑子和耀斑的爆发，从而避免磁暴对电子设备的损害。
日珥是太阳的另一个明显特征。人类在研究太阳这个神秘而美丽的部分时，有过一段很有趣的历史，我们将在后面讲述日食时再详细告诉大家。日珥是从太阳各部分射出来的非常稀薄灼热的大团气体。它们非常大，地球投入其中就好比一粒沙子投进了蜡烛的烈焰中。这团气体升起时的速度相当可观，有时高达每秒数百千米。与耀斑一样，日珥会在太阳黑子密布的地区出没，但又不仅仅局限于这些地区。地球大气层的光反射形成了环绕太阳的炫目光芒，这样的光芒让我们完全无法用肉眼看到日珥，哪怕用正规的天文望远镜也不行，除非出现日全食——月球遮挡住了太阳的光芒才能看到。那时，日珥好像是从黑暗的月亮边上升腾起来的火焰，肉眼即可观测。
日珥有两种表现形式——爆发日珥和宁静日珥。爆发日珥就像从太阳上升起的巨大而翻滚的火浪；宁静日珥却似乎悬在太阳上面静止不动，像空气中飘浮的云朵一样。我们还不明确是什么东西支持着日珥，但极大可能是太阳光的排斥力。
光谱分析的结果表明，日珥由氢、钙以及少量其他元素构成。由于含有大量氢元素，日珥呈现出红色。对日珥更进一步的研究发现，日珥与包裹在光球上面的气体薄层有关。这个薄层被称为“色球”（chromosphere），因为它有和日珥一样的深红色，因此推断色球的构成与日珥一样，主要成分也是氢。
最后一个值得我们注意的太阳最外层的附属品是“日冕”。日冕是只有在日全食时才看得到的环绕太阳的柔和光辉，是太阳放射出的长长光线，其长度有时可以超过太阳直径。它由极端稀薄的气体组成。我们也会在后面讲日食时详细介绍它。
现在让我们回顾一下我们所了解和看到的太阳是如何构成的。
首先，这个球体有一个我们永远看不到的巨大内部。
我们看向太阳时，肉眼所见的太阳表面是光球，但光球并不是真正的太阳表面，只是球体光度最大的部分，或者说更像一个几百千米厚的气体层。这个气体层上有斑驳的黑子以及从其内部或上面产生的耀斑。
光球顶上的气体层被称为色球，可以用高倍望远镜在任何时候观测到，但想直接用眼睛看却只能在日全食的时候才行。
火红色的色球喷发出的同样红的火焰被称为日珥。
围绕在整个球体外面的是日冕。
上面这些内容就是我们所看到的太阳。那它究竟是什么呢？ 首先，它的形态是固体、液体还是气体呢？
太阳的自转性质表明，其看得见的表面并不是固体，而它极高的温度也证明它既不是固体也不是液体。一直以来，大家都认为太阳内部是一大团气体，这种气体是具有很多奇妙性质的物质状态，被太阳上巨大的引力压缩成液体的密度。根据物理理论，我们认为理想气体的状态方程仍然适用于太阳内部，所以我们也可以将其看作是气体。
没有人否认太阳一定是极热的这个结论。虽然我们距离它有1.4亿多千米，但在炎炎夏日仍然可以感受到它的强大威力，因此太阳本身当然更是热极了。通过适当的测算也可以验证，作为太阳辐射直接来源的光球，其温度高达6000℃以上。
尽管用了不同的方法测量太阳的表面温度，但得到的结果都是相同的。这些方法遵循了相同的原则：辐射体温度与辐射功率之间有密切关系。例如，辐射与温度的四次方有比例关系——这就是斯特藩–玻尔兹曼定律（Stefan-Boltzmann law）。斯特藩–玻尔兹曼定律让我们认识到，如果辐射体的温度升高1倍，它辐射出的热量就要增大16倍。
假设将1厘米水深的冷水放在平底盆中，接受太阳光的直射。1分钟后，如果不受空气的影响又没有热量损失的话，水的温度将会升高大约2℃。
故此，如果一个由一层1厘米厚的冷水组成的球形壳层，半径等于地球和太阳之间的距离，将太阳正好围在正中，那么1分钟后冷水的温度就会升高。因为太阳已经被这一壳层完全包住，所以我们会在1分钟之内接收太阳的全部辐射。
按这样的测算方式，可以得出从太阳表面不断流出的能量达到了每平方米6.2万千瓦。根据辐射定律，又可以推算出太阳的温度。这次我们可以不再用水盆或普通温度计，已经有一种很精巧的仪器可以帮助我们得到数据，这就是太阳热量计（pyrheliometer）。将太阳热量计应用到观测中，已在史密森天体物理天文台（Smithsonian Astrophysical Observatory）的各分部进行了许多年。
我们无法看到光球以下的太阳内部，因此想对太阳内部情况有一个明确的概念是非常困难的。但越深处的压力与温度越高，由此我们可以进行假设。1870年，美国物理学家莱恩（Lane）就进行过太阳内部温度的计算，他假设太阳内部的各处都处于一种平衡的状态，下面热气体的膨胀力支持着每一点上物质的全部重量。关键是计算出内部温度要高到什么程度才不会让太阳被自己的重量压碎。
20世纪30年代，英国的爱丁顿（Eddington）、詹姆斯（Jeans）以及米尔恩（Milne）等人将研究太阳及星辰内部的理论作为重点。爱丁顿计算出太阳中心的密度约为水的50倍，而温度约为3000万℃至4000万℃；米尔恩推算出的太阳中心密度与温度比爱丁顿得出的数值大得多。按照目前的太阳模型推算，太阳内核的气体被极度压缩，其中心密度是水的150倍，而温度约为1560万℃！
正如我们上面讲到的，太阳表面不断流出的能量达到每平方米6.2万千瓦，已知太阳的直径是140万千米，我们很容易算出它的表面积为多少，这巨大的数目再乘以6.2万，得出的就是以千瓦为单位的太阳不停释放出的全部能量。但是，当面对地质学家和生物学家提出的“太阳以同样的强度已照耀地球5000万年”的理论时，我们会遇上一个关键而困难的问题。
太阳的热能来源于哪里？如何维持？当然如我们前面所讲，光球会产生直接的热源，可是一定还得有新的能量供给不断地到达光球，才能有持续不断的辐射。那么，这种使太阳照耀了5000万年的、仿佛永不枯竭的内在供给的来源到底是什么呢？
根据能量守恒定律，能量可以由一种形态变为另一种形态，但不可能无中生有，宇宙间能量的总量也不能增加。除非太阳有从外部不断接收能量的途径，否则它的能量储藏量一定会减少。这样的话，能量储藏量总有一天会完全耗尽，太阳会渐渐暗淡下去，最终完全无光。但是太阳一百年又一百年地照耀着，其光辉看起来丝毫未减，这是怎么回事呢？
200多年前，物理学家亥姆霍兹（H. Helmholtz）提出了太阳热的收缩学说，这种学说在之后的很长一段时间内都被当时的科学家广泛认同。亥姆霍兹的观点是：如果太阳半径每年收缩43米，就足够产生一年中由辐射失去的热量。按照这个观点，太阳从前更巨大、更稀薄，太阳将来会紧密到无法收缩以适应由辐射带来的热的损失。几百万年以后，它将会冷得不能再为地球上的生命提供光和热。
收缩学说为世界勾勒出一幅暗淡的远景，因为它显示了生物世界的末日或许就在很短的时期之后——至少以天文学尺度来说是很短的。但到了19世纪初，收缩学说遭到了学术界的强烈质疑——不论从多大的体积收缩到现在，太阳按现在这样的发光率，只需2000万年多一点就完全得到充分的热量了。但按照这样的比例，太阳照射的时间一定比这个时期要长得多。这样一来，收缩学说就无法解释太阳在过去是如何持续辐射的了，我们自然也无法相信它对将来的预言。事实上，并没有明确的证据证明太阳在逐渐收缩，因此这一理论渐渐被人们抛弃。
20世纪初，相对论以及核物理学的发展让人们逐渐认识到，核能的释放为太阳和恒星提供了能源。光谱观测的结果表明，恒星物质内部含有相当丰富的氢，而氢是很好的产能原料。高温和高压的共同作用使氢聚变成氦的同时，释放巨大的核能，因此可以维持太阳和恒星向外辐射达数十亿年之久。
1926年，英国剑桥大学著名的天文学教授亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）出版了一部关于恒星内部情况及其物理特性的卓越著作——《恒星内部结构》（ Internal Constitution of the Stars ）。爱丁顿在书中提出，太阳通过重力将物质聚集在一起，并将它们拉向中心。由于太阳内部高温气体产生的压力与重力方向相反，会将物体向外推出，两个力互相平衡。当达到这个平衡点时，根据经典力学和热力学原理，我们可以算出恒星的中心温度达到4000万摄氏度左右。在这样的温度下，氢核会发生聚变，为太阳和恒星提供强大的辐射能量。
爱丁顿的学说同样遭到了物理学家们的竭力反对。他们认为4000万摄氏度太低了，不足以克服原子核之间极其强大的电磁力。想真正实现这一聚变，温度应达到几百亿摄氏度。但是，美籍俄裔核物理学家和宇宙学家乔治·伽莫夫（George Gamow）通过实验证明这些物理学家们的猜测并不正确。伽莫夫认为，尽管镭核内的粒子受到核力的约束，但按照现代量子理论，它们存在分裂出α粒子的可能，哪怕发生这种过程的概率很小。核力束缚了镭核中的粒子，就好像有一座堡垒从外边将它们包围住一样，粒子的能量无法越过这座堡垒跑到外边去。量子力学却认为，核内粒子的通过途径并非只有堡垒的上面，而是借由穿过堡垒的一条隧道达成，人们将这种现象形象地称作“量子隧穿”。伽莫夫进一步指出，粒子如果能够由内向外穿过堡垒，那么它也应该能够由外向内穿过堡垒进入原子核内。
1929年，英国天文学家罗伯特·阿特金森（Robert Atkinson）和德国核物理学家弗里茨·豪特曼斯（Fritz Houtermans）合作，将伽莫夫的量子隧穿理论应用到恒星内部能量的问题上，发表了一篇题为《关于恒星内部元素结构的可能性问题》的文章。他们在文章中提出：恒星内部的质子也可以通过“隧道”越过势垒
很高的堡垒，接近到可以发生聚变的距离之内，进行轻氢核聚变而释放出巨大的能量。这样，就成功地解决了在较低温度下使氢聚变为氦来满足太阳的能量需求。由于这种反应是在数千万摄氏度下进行的，因此他们把这种反应称为“热核反应”。
天文观测表明，太阳核心的物质处于等离子态，与热核反应的物理条件完全相符。那么，太阳和恒星内部的氢又是如何聚变为氦的呢？ 1938年，美国核物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）和查尔斯·克里奇菲尔德（Charles Critchfield）发现了氢直接变为氦的反应机制，称为“质子–质子循环”。在这一反应中，每克氢会释放出6700亿焦耳的核能，这些核能又迅速转化为热能，并通过对流和辐射向太阳的外层空间输送出去。之后，汉斯·贝特及德国的弗里德里希·冯·魏茨泽克（Friedrich Von Weizsacker）又各自独立地找到了由氢转变为氦的“碳循环”机制。现代天文观测表明，“质子–质子循环”为太阳提供了98%的能量，其余2%则来源于碳循环。汉斯·贝特因为创立“质子–质子循环”理论获得了1967年度诺贝尔物理学奖。
现代观测表明，太阳的历史已有50亿年。它是一颗具有代表性的中等质量恒星，正稳定地燃烧着自身的核储备，并把氢转变为氦。人们对恒星演化的知识已经在逐渐完善，并勾勒出太阳的生命历程。
幼年时期，原始星云受自身引力持续收缩，密度不停增大，温度也随之升高，历时数千万年形成原始太阳。
青年时期，太阳位于非常稳定的主星序（具体内容参见本书第六章“ 恒星 ”），按照得到的氢和氦的丰度来计算，太阳还可以生存50亿年之久。今天的太阳正处在它生命最旺盛的时期。
中年时期，约持续10亿年时间。当热核反应的燃烧圈接近太阳半径的1/2时，太阳自身的巨大引力会令其难以支撑，中心将出现坍缩，坍缩过程中释放的巨大能量使太阳的外部大幅膨胀。这个时候的太阳体积很大，密度却很小，表面亮度很高，会演化为一颗红巨星，直径将扩大到现在的250倍，地球将被其吞没。
老年时期，太阳转变为一颗脉动变星，内部核能终于耗尽，整体坍缩，内部被压缩成一个密度很高的核心，冷却后形成一颗白矮星，并长久地留在宇宙中。
地球是行星之一，尽管它没有太多独特的地方，但因为是我们居住的家园，所以很有必要讨论一下它在天体中的位置。
尽管与宇宙间太阳系这样的大天体，甚至太阳系中的大行星相比，地球都是微不足道的一员，但在它所属的系统中，地球仍是不可否认的最大的一个天体。
让我们用一个广泛的定义来描述地球：它是一个物质球体，直径大约是1万多千米，各部分的引力作用将其连接为一体。我们知道，地球并不是一个严格意义上的圆球，地球赤道部分稍稍鼓起来一些，再加之地球表面并非平整，所以要确定它的大小和形状并不容易。 人造卫星技术的发展，让这一难题得以解决。
我们可以用两组数据来表示地球的形状及其大小：极直径12713.6千米，赤道直径12756.3千米。由此可以看出，地球极直径要比地球赤道直径小42.7千米。
我们的直接观察所得仅限于地球表面，人类在地球表面挖掘的最深处与地球大小相比，犹如苹果皮之于整个苹果。
首先，我想请读者们对地球的质量、压力、重力等概念有一个认知。我们试着对一块1立方米的泥土进行研究，假设它是地球表面的组成部分。这块泥土底部需要承受的质量大约是2.5吨，下面1立方米泥土的质量与它相同，所以下面这块泥土底部承受的质量加起来是两个2.5吨。随着不断地深入，压力会一直增加。对地球内部而言，每平方米都要承受从表面到底部的1平方米柱形的全部压力。在地球表面下几厘米的地方，这种压力就要以吨计，那么1千米深处的压力大约是2500吨，100千米深处的压力大约是25万吨，直到地球中心。由于承受着不可思议的巨大压力，所以地球中部的物质处于高度压缩状态，也更沉重。地球的平均密度大约是水密度的5.52倍，而地球表面的密度仅仅是水密度的两三倍而已。
地球表面下的矿坑是地球可以确定的事实之一，随着矿坑深度的增加，温度也在不断升高。由于受到地域和纬度的限制，温度升高的比率也会有所不同，平均升高率是深度每增加约30米，温度就上升1℃。
根据这种情况，到了地球中心会是什么样呢？关于这个问题的答案，我们不能仅以表面情形进行推测。地球外部在很久以前就已经冷却了，所以在地表以下温度不会上升太多。地球存在以来的所有热量都被保持着这一事实证明，地球中心的温度一定是最高的，而近表面的温度升高比率也一定会保持到几千米的深处，甚至直到地球的内部。
根据升高率推测，地球20多千米深的地方是炙热物质，而200多千米或更深的地方，其热度一定足以熔化组成地壳的物质。早期地质学家依据这个事实推测，地球是一个熔化了的巨大物质，就像熔化之后的铁块一样，最外面是一层若干千米的冷壳层，我们就生活在这个厚厚的壳上。火山的存在和地震的爆发都证明了上述推测的可靠性。
不过，19世纪20年代，天文学家和物理学家收集到的证据显示，地球从内到外都是由固体物质构成的，甚至比同体积的钢铁还硬。开尔文爵士
首先提出了这个学说。他认为，如果地球是被一层壳包裹着的液体，那么月球的作用就不是引发海洋潮汐，而是将地球拉向月球的方向，但外壳和内部液体的相对位置不会发生变化。
地球表面的纬度变迁也是一种可以佐证的奇特现象，我们将在下文中详细介绍。无论是内部柔软的球体，还是硬度比钢铁小的球体，都无法像地球一样旋转。
这样一来，我们该如何解释固体物质和难以想象的高温呢？或许我们可以这样理解，因为受到巨大的压力，地球内部的物质保持了其固体的形态。实验表明：强大的压力能够提高物质熔点，压力越大熔点越高。当一块岩石达到熔点，如果对它施以重压，它便会还原为固体形态。因此，只要温度和压力同时增加，地球中心的物质就可能是固体。
当然，我们还可以用一些实际办法获取证据，在地球表面放置一个人工震源（如炸药），通过接收地下的回波来确定地球内部的组成。根据地震技术获得的资料可知，地球内核和地壳是固体物质，而中间外核和地幔层是液体物质。地核的主要组成成分是铁，剩余的是一些比较轻的物质。地核中心的温度大约是7200℃，这比太阳表面的温度还要高；地幔层的上部由硅、镁、氧、铁、钙、铝等物质构成；地幔层的下部由橄榄石、辉石、钙、铝等物质构成；地壳主要由石英、类长石的硅酸盐构成。
地球的密度同样是一个有趣的问题，我们也可以把它称为比重
。我们知道，同体积的铅比铁重，而同体积的铁比木头重。那么，我们是否能够确定地球内部1立方米的重量呢？如果这个问题可以得到解决，我们就能算出地球的全部质量。这个问题的解决方法与物质的引力有关。
当小孩会走路时，万有引力的效应就在发挥作用了，但即使是最聪明的哲学家也无法弄清楚万有引力是如何来的。根据牛顿的万有引力学说，并不是地球中心将表面的物体吸引向自己，而是构成地球的所有物质共同努力的结果。牛顿将万有引力学说进一步引申，认为宇宙间的所有物质都会吸引其他物质，而引力大小则根据两者之间距离的增加，按照平方规律依次减小。这意味着，如果距离加倍，引力就要被4除；距离是3倍，引力就要被9除；距离是4倍，引力就要被16除，以此类推。
对上述问题有了了解，我们就知道周围的物体都有自己的引力。但是，又出现了新问题，我们能否通过实验测量引力的大小呢？数学理论表明，相同重量的球体吸引表面小物体的力量会随着直径的增大而增加。如果一个直径60厘米的球体，它的密度与地球密度相同，那么这个球体的引力是地球重力的两千万分之一。
利用这个结论，英国物理学家亨利·卡文迪许（Henry Cavendish）通过一个巧妙的方法测量出了万有引力的大小。 他在一根轻质金属杆的两端装上等重的铅球，悬挂在一根很细的石英丝上，接着把第三颗铅球放在其中一颗铅球的旁边，借助石英丝的扭曲程度测量出两颗铅球之间的引力。 这项测量工作的精细程度和难度前所未有，虽然使用的设备的原理非常简单，但达到的精度却是之前难以想象的。为了说明这项测量的困难程度，我们必须想到这个引力可能还不如这两颗铅球的千万分之一大。想要寻找出重量不超过这个引力大小的东西是件相当困难的事，不必说一只蚊子的重量，就算是蚊子的一条腿可能都超过要测量的这个力了。把蚊子放到显微镜下，专业人员从蚊子的触须上切下一小片，这一小片的重量大约与两颗铅球间产生的引力相等。
在美国度量衡标准局中由赫尔（Heyl）测量出的万有引力常数是最精确的测量数值，这个测量结果让我们知道，地球的平均密度比水的密度大5.5倍左右，虽然比铁的密度稍小，但比任何普通的石头都大得多。由于地壳的平均密度只是地球平均密度的一半，所以可以推断，地心的密度被压缩到远大于铁的密度，而且极有可能超过了铅的密度。 目前主流理论认为，构成地核的致密物质可能是大量致密的铁，我们可以认为地球中心是一块巨大的铁。
我们都知道，地球绕着地轴自转，这根自转轴通过地球中心与地球表面在南北两极相交。发挥一下我们的想象力，想象自己站在地球两极中间，然后将一根木棍固定在地上，我们会在地球自转的作用下每24小时绕着木棍旋转一周。我们之所以能够感知到这种运动，是因为周日运动带动太阳星辰反方向水平运动。现在我们有了一个重大发现：纬度处于变迁之中。地球的自转轴与地球表面的交点并不固定，而是沿着一个直径将近18米的圆圈进行不规则的曲线运动。换言之，如果我们能够确定北极的极点，那么将会发现极点每天或多或少地在移动，10厘米、20厘米或者30厘米，经过一段时间后，围绕着某个圆心走出一条曲线，在这一过程中，极点有时距离圆心近一些，有时又距离圆心远一些，这个不规则的路线运动周期是14个月。
我们也许会感到诧异，相比地球这样的巨大物体，这个小小的变动是怎么被发现的呢？其实不难回答，是通过天文观测，我们可以在任意一天的夜晚测量当地的垂直线和当日地球自转轴的精确角度。为了进行这项观测，国际大地测量协会（International Association of Geodesy，IAG）于1900年环绕地球建造了四个观测站，分别建造在马里兰州盖瑟斯堡附近、太平洋沿岸、日本以及意大利。在这些观测站建立之前，欧美的很多地方已经开始进行类似观测。
我们刚刚所讲的纬度变迁现象，最初由德国的库斯特奈尔发现，并于1888年提出，他通过大量的天文观测意外发现了这一现象。此后，旨在测定精确曲线轨迹的科学研究一直在继续。截至目前的观测显示，纬度的这种变迁在某些年份会大一些，某些年份又会少一些，七年中的一年，北极点会走过一个比较大的圈子，而三四年之后又有好几个月几乎不离开圆心。
在天文观测资料中，我们一样能够发现地球自转时快时慢的不规则变化，这种变化快到大约只有1毫秒。另外，地球自转的不规则变化还包括周期接近十年甚至几十年的“十年尺度”变化，以及周期为两年到七年不等的“年际变化”，十年尺度变化的幅度大约是3毫秒，导致这种变化的原因现在还不清楚，可能是地壳和地幔之间的相互作用造成的。年际变化的幅度是0.2到0.3毫秒，大约是十年尺度变化的1/10。全球性大气环流可能是年际变化的主要原因，类似于在厄尔尼诺期间赤道东太平洋海水温度的变化情况。但这种一致性由何种原因导致，我们现在并不清楚。
无论是从天文学的角度看，还是从物理学的意义上讲，大气都是地球上非常重要的要素之一。尽管它是我们生存的必需品，但也是天文学家观测研究中必须要逾越的最大屏障，因为它给精密观测带来了很多困扰。大气会对穿越其间的所有光线或多或少地进行吸收，导致天体的真实颜色发生改变，即使是在最晴朗的天空，观测到的景象也会因此暗淡。大气还会对经过的光产生折射，使光线的轨迹发生弯曲（对于地球来说，这条轨迹是凹的），而不是直接射进天文学家的眼睛，这样就会使星辰看起来离地平线比实际位置高一些。从天顶直接照射下来的星光不会发生折射，距离天顶越远的星星，折光越严重。与天顶成45度角时，折光大约是1弧分，虽然这种曲折程度对于肉眼没有区别，但对天文学家的观测研究会产生非常大的误差。天体与地平线的距离越近，折光率就越大，天体与地平线的折光率是28度角，是地平线上45度角折光率的两倍左右。折光导致的天体误差已经大于半度了，肉眼看见的太阳直径都会比它小。这种情况导致的结果是，当日出日落时，我们见到的太阳实际上在地平线之下，而不是在地平线之上。我们能够看见太阳，完全是太阳光发生折光的结果。地平线附近折光率更大的另一个有趣现象是，在地平线附近的太阳看起来更加扁平，太阳的垂直直径似乎比水平直径更短，这是由于太阳下半部的折光率更大。如果是在海上观看日出或日落，这种现象会更加明显。
当太阳在热带地区慢慢地落进大海中时，会出现一种在温带地区很难见到的景象。由于各色光线在大气中的折射率不同，大气如同一块三棱镜，能够折射各个角度的光线，红色光线的折射角度最小，其他依次是橙、黄、绿、蓝、靛、紫，折射率逐渐增大，等到太阳在海平面上消失时，最后一束光线按照同样的顺序相继消失。在太阳即将隐没前的几秒钟，残留的边缘会变换颜色，并迅速变得暗淡。太阳的浅色余晖变成绿色，最后看见的则是一道转瞬即逝的蓝色或紫色的闪光。 这是由于蓝光和紫光的波长短、折射率大，所以我们的眼睛还来不及捕捉，它们就已经被大气散射、吸收掉了。
经过各种方法测量出的结果表明，月球和地球之间的平均距离大约是38.6万千米。这个数字是通过直接测量视差（后面会对这一点进行详细讲述）得出的，也可以通过计算月球围绕地球的运动轨迹求出。月球的轨道是椭圆形的，因此实际距离常常发生变化，有时大于平均距离，有时又比平均距离小一些。
月球的直径比地球直径的1/4稍大一些，大约是3467千米。各种测量仪器都证明了月球是一个球体，包括最精密的测量也是如此，只是月球表面凹凸不平，非常不规则。
月球不仅绕着地球运动，还伴随地球一同绕着太阳运动。也许你们会认为，这两种运动结合在一起会很复杂，但事实上并非如此。简单举例，想象一下在飞驰的列车车厢中有一把椅子，一个人以1米为半径绕着椅子行走。他可以一直这样一圈又一圈地绕着椅子走，这并不会改变他与椅子之间的距离，火车的行驶也不会对他造成任何不良影响。同样的道理，地球沿着自己的轨道绕着太阳运行，而月球绕着地球转动，月球和地球之间的相对距离并没有出现大的变化。
月球绕着地球旋转一周所需的实际时间，大约是27日又8小时，但从一次新月（朔）到另一次新月之间的时间间隔大约是29日又13小时，这种差异是由地球的绕日运动引起的；或者说是太阳沿着黄道的视运动造成的，两者实际上是一回事。
图3–2 太阳、地球和月球的相对位置
图3–2能够说明这一点，图中AC两点连成的弧线是地球绕日公转轨道上的一段，假设某个时刻地球位于E点，月球正好位于在太阳和地球之间的M点，经过27日又8小时，地球从E点运动到F点，当地球绕着太阳运行时，月球也如箭头所示的方向绕着地球运动到达N点。此时，直线EM平行于直线FN，月球已经绕着地球转了一周，看起来又回到了之前在星辰中的位置，但此时的太阳在FS这条直线上，所以月球还需要继续运行，才能回到地球和太阳的连线上，月球走完这段路程需要的时间是两天多一点，所以两次新月之间的时间间隔就变成了29日又13小时。
月球相对太阳的位置决定了月相的不同。由于月球是不透明球体，无法自己发光，因此我们只能在太阳照到它时看见它。当月球位于地球和太阳之间时，它的黑暗面对着我们，我们就看不见它了。历书中将位于这个位置的月亮称为“新月”，但通常在接下来的两天我们还是看不见月亮，因为黄昏暮色的微光将它遮住了。等到第二天或第三天时，我们会看见月球被太阳光照亮的一小部分，呈现出一弯纤细的蛾眉形状，我们通常将之称为新月，尽管这比历书中的新月要晚一些。
几天之后，在这个位置的月亮又会发生新的变化，黑暗的部分闪烁着微弱的光，这些微光是从地球反射到月球上的光线。如果有人在月球上生活，他看见的地球就像一轮蓝色满月挂在空中——尽管实际上比我们看到的月亮大得多。月球在自己的轨道上日复一日地继续前进，这部分的微光随之逐渐减少，大约上弦月时消失不见，这是因为月球的光在不断增强而地球的光在逐渐减弱，下弦月时也是如此。
在历书中的新月之后七八天，就是月亮的上弦期，这个时候我们看到了半个被照亮的月面。接下来的一周中，月相被称为凸月；新月后的第二周结束（望），月亮恰好对着太阳，我们看到了月球的整个半球，像一个圆盘，这就是满月。这之后，月球的月相会以相反的顺序出现，这是大家都知道的事情了。
可能我们会认为这些反复出现的事情太平常，已众所周知，不值得讲述。然而，《古舟子咏》 [1] 中曾描述过，在蛾眉月的两个尖端之间出现一颗星星，好像那里没有黑暗的天体阻挡我们的视线而根本看不到星星一样。也许不止一位诗人曾这样描写过东方天空的新月，又或者傍晚西方天空的满月—— 虽然满怀诗意，但这种景象显然无法出现在现实中。
仔细观察，我们用肉眼就可以看到月球表面明亮和黑暗两个区域。月球的黑暗区域常常被我们想象为一个略模糊的人脸，眼睛和鼻子尤为明显，也就是著名的“月中人”。就算是用普通的望远镜也能看出月球表面凹凸不平的地形，倍数越高的望远镜看到的细节越多。首先是月球表面隆起的高地，或者称之为山，这些地形的最佳观测期是在上弦月或下弦月时，那时日出或日落照射出来的长影，可以让我们更清楚地看到隆起的高地。满月时就不容易看清了，因为太阳光几乎直射在月球表面，将所有东西都照亮了。虽然我们将隆起的高地称为“山”，但它们多数的形状都与地球上的山完全不同，更类似于地球上大火山的火山口。圆形堡垒是月球上这些山最常见的形状，直径常常达好几千米，周围的壁高约1千米，中间非常平坦，所以这些山又叫作环形山。在许多月球环形山的中央，有一个或多个拔地而起的山峰。在上弦月时，我们能够看到这些山壁和山峰的影子投射到堡垒平坦的中央。
早期通过望远镜对月球进行观察的观察者认为，那些黑暗部分是海洋，明亮部分则是陆地，之所以会产生这种想法，应该是基于黑暗部分看起来比其他区域光滑。于是，他们为这些假想的海洋命名，如雨海（Mare Imbrium）、澄海（Mare Serenitatis）等，尽管这些名字都是幻想出来的，但一直保留到现在，用来表示月球中的黑暗部分。望远镜技术的不断进步让人们看到的细节越来越多，并逐渐发现“黑暗部分是海洋”的说法是错误的，形状的不同是由于月球表面的物体影子的明暗程度不同，而“海”只是月球上地势比较低洼的平原。 探月卫星和人类登月计划的实施，让我们可以亲眼看到月球表面的大小石块和各种大环形山，我们也已经知道，月球表面的“海”的地形大约占16%，它们是由火山迸发出来的炙热岩浆形成的，而月球表面的其他部分覆盖着灰土尘埃和流星撞击形成的石头碎片。
月球上最显著的景物之一，是某些地方放射出来一些明亮的长长的光线，普通望远镜就能观察到这个现象；我们所看到的这一半月球的南部附近有一座环形山叫作第谷环形山（Tycho），这座环形山旁边就有许多向外发射光线的点，看起来就好像月亮上有了空隙，而融化的白色物质像从空气中喷出来一样。于是有人推测，月球上曾经发生过大规模的火山喷发，只是后来都渐渐消失了。不过，至今还不清楚这些线状辐射纹是如何形成的，有人猜测可能是陨石撞击月球表面留下的。
月球上是否存在空气和水是有关月球的最重要的问题之一， 当人类还没有实现登月时 ，科学给予的答案是否定的。倘若月球有大气层，那么它的密度即使只有地球大气密度的1%，当星星掠过月球时，星光也会折射出大气的存在。不过，我们从来没有观测到这种折射现象。如果月球上有水的话，也一定隐藏在看不见的凹处，或流淌在月球内部；假如赤道上有水存在，那么肯定会反射太阳光，我们很容易就能观察到。 月球探测器和登月宇航员都证明了月球上并没有空气和水，说明科学家给出的答案是正确的。
上述内容好像又解决了另一个问题，即月球是否适合生存。因为地球上的所有生物都依靠空气和水维持生命。
由于月球上没有空气和水，所以形成了一种与地球上截然不同的环境。目前最细致的勘察表明，月球表面除了遭受太空陨石的撞击之外，从未发生过任何变化。地球表面的石头一直受到气候的摧残，经年累月地风吹雨蚀，慢慢变成了沙子和土壤，这就是大家熟悉的风化。但月球表面并没有这样的气候变化，这里的一块石头可以在千万年中保持原样。 当太阳照射着月球时，月球表面的温度非常高，等到日落之后月球表面的温度会迅速降低，变得非常冷——因为没有大气层保持温度，所以在太阳落下之后，温度的下降在短时间内就完成了。在月球表面除了温度变化和流星撞击之外，绝对会非常平静，这里没有风，没有雨，没有气候，没有阴晴变化，没有朝阳晚霞，没有四季变化，除了偶尔降落的流星之外，再也没有任何东西，这就是死气沉沉的月球。
月球是否绕着轴自转这个问题在古时曾引起许多争议，所以我们需要解释一下。仔细观测过月球的人都会发现，月球对着我们的永远是同一面，这表明月球的自转周期等于它绕着地球的公转周期。正是因为这样，所以有些人认为月球不会自转，这种错误的想法源于运动概念的不同。在物理学中，我们判断一个物体是否旋转的方法是将一根直线穿过转轴外的任意一个地方，假如这根线的方向不会发生变化，我们就认为这个物体没有旋转。同样的道理，我们假设有这样一根线穿过月球，如果月球没有自转，那么这根线的方向永远不会改变，无论月球位于围绕地球公转轨道的哪个位置都是如此。我们认真观察一下图3–3中的变化，就会发现如果月球不自转的话，我们将会看到月球表面的各部分，而不是一半。
图3–3 月球公转轨道
生活在海边的人都对大海的潮涨潮落非常熟悉。一般来说，海潮的涨落规律恰好与月球的周日视运动相符，高潮时期就是月球经过当地子午圈之后的45分钟；换句话说，如果月亮在某个地方的上空时正好是涨潮时期，那么月亮再次到达那里时还是涨潮时期，月复一月，年复一年，都是如此。我们知道这种潮汐是由月球对海水的引力造成的，月亮在海洋上空时便会吸引当地的海水，难以解释的是为什么一天会出现两次潮。不仅面对月亮的地方有，背对月亮的地方也有。回答这个问题之前，我们先来回顾一下上文中说过的关于引力的内容，引力大小和距离的平方成反比，也就是说，距离月球越近，受到的引力越大，反之亦然。因此，地球面对月球的一面受到的压力更大，而地球背对月球的一面受到的引力较小。这种差异使得地球的受力不均，好像有一股力量将地球拉扁了，而扁的方向正是正对和背对着月球的方向，也就是潮汐了。
如果想对这种情况进行详细解释，就会涉及一些运动定律，这不是我们这本书要讲的内容，所以就不深入讨论了。不过，需要补充的一点是，如果月球只对地球的一个方向产生引力，那么不久之后它们就会撞在一起。由于月亮围绕地球转动，引力的方向一直在变化，因此一个月的时间仅仅能让地球远离平均位置5000千米左右。
可能有些人会猜测，既然潮汐是这样产生的，那么应该月球经过子午圈之后出现高潮，而月球在地平线上则形成低潮。但事实并不是这样，因为首先，地球上的巨大水体造成的强大惯性，使潮汐现象的出现比月亮位置的相对变化晚一些，等到月亮离开子午圈之后，潮汐现象还会持续下去，这类似于一块石头被扔出去后会继续向上运动，或水的动力会推动波浪高于海岸。其次，是大陆对海潮的影响，海潮遇到大陆之后，方向会发生变化，而方向的转变需要时间。因此我们对比各地潮汐就会发现它们并不规则，但延迟时间大约是我们在前文中提过的45分钟。
与月球相同，太阳也会引起潮汐，但效果并没有这么明显，如果你感兴趣可以参考我们曾经说过的数据和方法，根据引力的平方规律算出引发潮水的能量，还能比较太阳和月球引起潮水能力的区别。需要注意的是，在新月和满月的时候，月球和太阳的引力会在同一条直线上形成合力，所以会出现最高潮和最低潮。只要是住在海边的人们都非常熟悉这种情况，他们将之称为大潮（spring tide）。在上弦月和下弦月的时候，太阳的引力抵消了月球的部分引力，所以海潮不会涨得很高，也不会落得很低，这被称为小潮（neap tide）。
月食的成因是地球的阴影遮住了月球的光芒，而日食的成因则是月球位于太阳和地球之间，明白了这一点，接下来我们就讨论一下月食和日食的出现规律，以及这两种现象中几个有趣的方面。
既然地球的阴影永远位于背对太阳的那一面，那为什么不是每次满月时都会有月食出现呢？答案很简单，月球通常在地球阴影之上或之下经过，所以不会被阴影挡住，也就不会形成月食。因为月球轨道并不与黄道平面平行，大约有5˚的夹角，但地球在黄道平面上运行，地球的阴影中心就在黄道平面上。如同我们以前所设想的那样，将天球上的黄道画出来，进一步假定，将月球在天球上的视运动轨迹（白道）也画出来，这时，我们就会发现月球轨道和太阳轨道相交于相对的两点，交角的度数大约是5˚，相交的两点被称为交点（node）。在其中的一个交点上，月球从下面移动到了上面，或者说从黄道南端逐渐移动到黄道北端，这个交点就被称为升交点（ascending node）。在另一个交点上，月亮的移动刚好反过来，这个交点被称为降交点（descending node）。
由于太阳要远远大于地球，所以地球的阴影（也就是本影）呈圆锥体，锥顶一直延伸到很远的地方。在地球身后地月距离处，锥体阴影的截面直径大约是地球直径的3/4，约为9600千米。由于阴影中心位于黄道平面上，在地球正后面的月球轨道上，所以阴影只能遮挡黄道平面上下各4800千米左右。在两个交点之间，月球轨道偏离黄道平面最远的两个点和黄道平面之间的距离约为地月距离的1/12，约32000千米。因此，只有月球位于两个交点附近，而且恰好在地球后面时才能被地球的阴影区覆盖。
图3–4 月球在地球暗影中
连接太阳和地球的线会随着地球绕着太阳的转动而改变方向，因此，它在一年之中会两次经过黄道平面和白道平面的交点。也就是说，假设我们将两个交点画在天球上，升交点在一个地方，降交点在另一个地方，那么在一年之内，太阳沿着黄道平面向东的运动会经过这两个交点。当太阳经过其中一个交点时，地球的阴影会覆盖另一个交点，一年中日食或月食大约只会出现两次（每隔半年出现一次），这种食季（eclipse seasons）通常会持续一个月；也就是说，从太阳接近交点足以产生日食，到太阳远离交点而不能产生日食，大约是一个月的时间。
如果黄道平面和白道平面的交点在黄道上固定不变，月食只能出现在某两个月。不过，由于太阳对地球和月球的引力作用，随着地球和月球的转动，交点的位置会向相反的方向移动。经过18年又7个月的时间，两个交点都会绕着天球向西旋转一圈，而食季在相同的时间内会倒转一年，平均而言，每年比上一年要早19天。
如果我们在月食开始时就对月亮进行观察，就会发现月亮东边的一部分逐渐变得暗淡，最终会消失不见。随着月亮在其轨道上前行，月亮表面慢慢被阴影遮挡住，黑暗部分会不断增大。不过，假如我们认真观察，就会发现遮盖在阴影之中的部分并没有彻底消失，只是散发出的光线非常微弱。如果阴影将月球全部遮盖住，就形成月全食；如果只是遮盖了一部分，则是月偏食。月全食时，照在月食上的光线清晰可见，因为此时它不会受到其他明亮部分的干扰。由于地球大气会产生折射（在前面的章节中已详细讲述过），所以形成了这种暗红色的光线，正因为这样，那些经过地球边缘，或经过地球表面附近的太阳光线，大部分受到折射作用进入阴影中，然后被投射到月球表面上。这种光线的红色与落日的红色的形成原因相同，大气层吸收了波长较短的绿色光线和蓝色光线，而波长较长的红色光线则穿过了大气。
每年都会出现两次或三次月食，其中至少有一次几乎是月全食。当然，地球上的人们并不是每次都能看见，而是当时位于月光下半球的人才能看见。
我们可以想象，如果发生月食时有人站在月球上看到地球造成的日食，那么我们描写的这些现象在他眼中会非常清晰。在月球上观察地球的目视大小绝对要大于我们看见的月亮，直径大约是我们看见的太阳直径的四到五倍。一开始，由于受到太阳光的影响，这么大的物体在接近太阳时是看不清楚的。观测者观察到的是看不见的球体挡住了一部分太阳光，等到太阳光被全部遮住时，观测者就能看见地球的轮廓。由于周围是地球大气层折射形成的红色光环，等到太阳光彻底消失之后，将剩下一个明亮的红色光环包围着的一个暗淡球状物，也就是地球。
月食现象和日食现象有着很大的区别，我们将在下一节中讲述日食。月食发生时，地球被月光照耀的整个半球都能够看到。如果在月亮升起时已经开始侵蚀月球，我们将会看到一种奇特现象：当同一时刻月亮出现在东地平线上时，夕阳会出现在西地平线上。这种奇特现象似乎与我们说过的太阳、地球和月球位于同一条直线上的情形相互矛盾，这种奇特现象是由于其中之一处于地平线之下，在地球大气层的折射作用下，我们可以同时看到太阳和月亮。
如果月球刚好运行在黄道平面上，那么每次新月都会经过太阳面。但是，我们在前面已经讲过，由于它的轨道是倾斜的，所以只有太阳正靠近黄白交点之一时才会出现这种情况。假如此时我们恰好位于适当的位置，那么就可以观赏到日食，如图3–5所示。
假设月球经过太阳面，遇到的第一个问题就是，月球能否完全遮住太阳面。这不仅与两个天体的真实大小有关，更重要的是还与视觉大小有关。我们知道太阳的直径大约是月球直径的400倍，同时，太阳与地球的距离也是月球与地球距离的400倍。于是，出现了一个非常有趣的现象：在我们看来，这两个完全不同的天体却如双胞胎一般大小。月球公转轨道并不是规则的圆形，这导致月亮看起来时大时小。大的时候可以将太阳完全遮住，小的时候就无能为力了。
在任何看得见月亮的地方看到的月食情形是相同的，而日食却取决于观测位置，这也正是月食和日食的最大区别。最有趣的日食是月球中心恰好覆盖住太阳中心，被称为“中心食”（central eclipse）。想看到这种日食，观测者需要在连接日月中心的那根直线所在的位置上。假如此时月球的视界大于太阳，就会将太阳完全遮住，这就是日全食（如图3–5）；假如此时太阳的视界大于月球，形成中心食时月球就会被一圈太阳光环绕，这就是日环食。
图3–5 日食示意图
我们可以在地图上画一条线，用来表示连接太阳和月球中心的直线掠过地球表面时的路径。这种描绘日食区域和路线的地图出现在航海历书中。在中心线穿过的路径南北160千米以内的地区，也可以看到日全食或日环食。位于160千米以外的观测者就只能观赏月亮遮住部分太阳的日偏食，而在更远地方的观测者想看到日食就完全不可能了。
日全食是大自然馈赠给人类的动人美景。要想充分欣赏日全食的迷人之处，最好站在高地上，能看得很远且刚好朝着月亮出来的那边。第一个看到的不同寻常的迹象出现在太阳圆面上，而非地面或空气里。当历书中预测的某个时刻来临时，一个小小的缺口便会出现在太阳的西部边缘。缺口慢慢增大，似乎正在一点点地吞食太阳。难怪某些未经过文明开化的民族会将太阳这样逐渐消逝幻想为龙正在吞食太阳。
在接下来的一段时间，或许是一个小时，我们眼中的情景都只是月亮的黑影在不断地扩大，逐渐将太阳面上的地盘占为己有。此时，如果观测者站在大树旁，并且光线穿透树叶间的缝隙，就会看到投射到地面的影像里显出偏食的太阳，这真是有趣的现象。不一会儿，太阳就如同新月一般了，还是一轮逐渐缩小的新月。不过，眼睛在这个时候还是适应了逝去的光辉，因而在新月变得极为狭小之前，这暗影仍旧依稀可见。如果观测者的望远镜，带有专门用于观测太阳的滤光镜，那就可以借着仅存的太阳发出的与平常一样柔和且一致的光辉，从另一角度观测月亮上的山，这绝对是一个极好的机会。然而，月亮上山的轮廓在被月面蚀去的那一边却参差不齐。
当新月即将消失时，在一直向前推进的月亮上，陡峭的山峰也将到达太阳的边界，从月面的凹处透出仅存的一串碎片或光点。这时的太阳犹如一枚闪耀着光芒的钻戒，这便是仅存一两秒、随后就完全消失的迷人的“贝利珠”景象
。
由于日光消逝，原本的白昼竟宛如黎明前的黑夜，漫天的繁星竟也可以在离太阳稍远的天空中见到，这无疑是一场奇观！极黑的月球高高挂在天上，取代了本应在中天的太阳。一圈灿烂的光辉——也就是我们之前提到过的日冕——环绕在月球四周。尽管这样的光辉以肉眼看来也极为明亮，但若使用低倍望远镜看到的效果会更好，哪怕只有一副看戏用的小望远镜也能将就。这景象最美的一部分在大望远镜中是无法呈现的，因为只能观测到日冕的一部分。所以，从这个角度讲，一副放大10倍或12倍的便宜的小望远镜反而更实用。它不但有利于我们观测日冕，还能使我们见到日珥——那犹如从黑暗的月亮上喷射出来的、形状各异的红云——四处盘旋起落。
需要注意的是，尽管古人对日食现象的认识很清楚，并知道其发生的原因，甚至能预测出日食发生的周期，但日食这种现象在古代历史学家的著述里却很难找到真实的记载。就算是在古代的中国编年史中，也只是对某时某地发生的日食现象常有记载，然而却未详述其特点。亚述学家（Assyriologist）不久前在古文件中考证出一段记载，是关于公元前763年6月15日发生于尼尼微（Nineveh）的日食。天文年表也证实，当时尼尼微以北约160千米处的确有日全食的阴影经过。
古代最为著名且争论最大的一次日食应该是泰利斯日食（eclipse of Thales），其主要历史依据源于古希腊史学家希罗多德（Herodotus）的记载。据说，在吕底亚人（Lydians）与米堤亚人（Medes）交战时，天色瞬间变暗，两军被迫停战却因此促成了和平；也有说古希腊哲学家泰勒斯（Thales）曾将白昼将变为黑夜的预言告诉过希腊人，还具体说明了是哪一年。天文年表证实，公元前585年的确发生过日全食，与提到的那次战争时间非常接近。但是，我们现在已经知道，这次日全食的阴影是在日落之后才到达那场战争的现场的。因此，对于其真相的疑问至今还存在。
食的出现有一个奇怪的规律，这在古代就已经知道。日月都是历时约6585日又8小时或18年又11日的周期之后，再回到交点及近地点的相对位置上，这个时间段被称为沙罗周期（saros cycle）。一个沙罗周期之后各种食都开始重现。例如，1900年5月出现的日食被认为是发生在1846年、1864年及1882年的日食的再现。但是，当一次食再次出现时，在地球上的同一地点却看不到了，这是因为周期中多出了8小时。在这8小时中，地球绕轴自转了1/3圈，能看到食的区域因此发生了变化。每一次食发生时，能看到的区域都在前一次看到的区域的西面，相距1/3球面的距离，或经度相差120˚。只有在经过三次重现之后才会回到差不多相同的位置。与此同时，月亮的运行路线也发生了变动，因此阴影覆盖的区域会较以前出现南移或北移。
全世界大约每三年会有两次日全食的可见时间，但一些特定的地区平均300年才可以见到一次日全食。在20世纪百年内的无数次重现中，日全食的时长一直在增加，1937年、1955年和1973年全食出现的时间都超过了7分钟，日全食时间最长限度达到了7分半钟。
日冕只有在日全食时才能见到，也是日全食最美丽的部分。日冕由极端稀薄的气体构成，当真正的全食出现时，太阳周围的这种珠光随之产生，之后又与全食一同消逝。从天文仪器拍摄的日冕照片上可以看到其错综复杂的结构，形状上却会明显跟随太阳黑子数目的增减而变化。
在太阳黑子高峰期时，日冕在太阳各方向上的范围基本一致，这时的日冕犹如一朵向盆外各方向展开花瓣的天竺牡丹，其他时候则如同暗弱的流光以及红色日珥上的精致拱门。
日冕在太阳黑子数量最少的时期，犹如从两极生出弯向赤道的短穗，很容易让我们想起放在磁石上的纸上散布的铁屑。日冕还有一种特别的形状：向赤道部分展开的长的流光，就好像鸟的双翼。
如果只是将日冕当成美景观看，它一定在天界优等奇观排行榜的前列，但论及对天文学的贡献，日冕到目前为止却非常让人失望。诚然，日冕在我们眼中是极其难得的，即使看到也会如昙花般转眼消失。人类在过去一百年中拍摄到的全食的精美照片已足够我们长期研究，这种研究的结果也只是回馈了我们日食观测团所花费的时间、精力和金钱。日冕能否带给我们超出前述研究的更重要的信息，尚未可知。
[1] 《古舟子咏》（ The Rime of the Ancient Mariner ）是英国诗人塞缪尔·泰勒·柯勒律治（Samuel Taylor Coleridge）创作的叙事长诗。——编译者注