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自伽利略之后，天文学家们开始关注金星的自转问题，但经过了一番周折之后才弄清楚这个问题的答案。由于金星有着耀眼的光芒，通过望远镜也难以看见金星表面的痕迹。我们仅仅能够看见，金星表面有明暗不同的亮光。通过望远镜观察金星，好像在看一个光滑且有些暗淡的金属球一样。尽管如此，有些观察者依然认为自己看到了明暗不同的斑点。1667年，根据这些假设的斑点，卡西尼（Cassini）推测金星自转一周的时间不足24个小时。18世纪中叶，意大利学者布朗基尼（Blanchini）发表了一篇长长的论文分析这个问题，而且在文章中插入了许多图片。他得出结论，金星自转一周需要的时间不少于24天。1890年，斯克亚巴列里得出了另外一个结论，他认为金星的自转周期等于它绕着太阳运行的公转周期。也就是说，金星永远以相同的一面对着太阳，就像月亮以同一面对着地球一样。他每天用几个小时的时间观察金星，发现金星南半球上的一些点始终没有移动，这个结果否定了金星大约一昼夜自转一周的结论。罗尼尔在亚利桑那天文台仔细观察金星之后，也支持斯克亚巴列里的观点。

观测者在对金星表面的特征进行观察之后，关于金星的自转周期这个问题，竟然得出了有着巨大差异的结论，这种结果只能解释为，这些特征很不明显。幸运的是，我们现在拥有大型望远镜，总算是看清楚了事情的真相：金星的自转速度要远远慢于地球的自转速度，一个金星日大约是243个地球日，比金星年还长。金星两极没有地球两极的扁率，地球的高速自转造成了地球的扁率，这也证明金星的自转速度要比地球的自转速度慢很多。我们发现一个有趣的现象，与地球的自转相比，金星的自转是倒着的，即与地球的自转方向相反，从金星的北极看来，金星沿着顺时针方向自转。此外，金星的自转周期和金星的轨道周期同步，所以当它与地球的距离最近时，它对着地球的一面永远不会发生变化。

大家都知道，金星外面有一层厚厚的大气，这层大气的密度比地球大气层的密度还大。1882年，当金星在太阳表面经过时，这是本书的作者在好望角（Cape of Good Hope）观察到的有趣现象。当金星的大部分经过太阳表面时，它的外边缘变得非常明亮。这种变化是从弧的一头的某一点开始的，而不是从弧的中心点（正常折光表现出来的现象）。关于这种现象，普林斯顿（Princeton）的罗素（Russell）是这样解释的：由于大气中含有许多水蒸气，所以我们无法透过直接折光看见太阳光，我们只是看见大气中被照亮的一层云朵或者蒸汽而已。既然这样，天文学家们绝对无法透过这层云去观察金星本身。因此，那些假设的斑点仅仅是一直在变化的暂时斑点罢了。

如果想要解释很容易欺骗观测者的现象，我们可以列举一个事实。某些人认为，我们在金星下合时能够见到它的全部表面，它那时的样子就像是月亮在新月初期时的样貌，“旧月包围着新月”。我们知道，月亮的黑暗半球能够看见的原因是地球的反光，但地球或者其他天体无法给金星反射足够的光。某些人认为，这些现象的成因可能是金星表面有一层磷光。不过，将其归结为视觉的幻想或许更加准确。在白天，我们常常看见这种现象，当时的天空很明亮，根本无法看见磷火之类的微光。无论我们认为这种光是怎么来的，与白天相比，它在黄昏之后应该更容易看见。实际上，那时什么都看不见，这就否定了它的真实性。

这种情况证明了一个心理学定律：假如常常看见类似的事物，想象力便会创造出不存在的事物。由于我们太习惯月亮了，所以在观察金星时，常常因为相似情况而将假设的情形加入到里面去。

1927年，当金星位于有利的大距时，罗斯通过威尔逊山的大型望远镜借助于红光和红外光拍摄到金星的样子。在照片中，金星的盘面几乎是白色的。不过，通过紫外光拍摄的照片上面有着清晰的斑纹，这是第一次清楚地看见金星上的斑纹。这些斑纹是大气中的云纹，在太阳光照射到金星表面之前，它们将大部分的紫外线反射回去。

在照片中，金星盘面的两极上有着明亮的斑点，这些斑点类似于火星上的极冠（polar caps），尽管短暂得多。在圆面上经过的黑带会让我们联想到木星上的云带，形状能够快速地发生变化。

在天文学中，金星凌日是一种很难见到的现象，平均60年出现一次。在过去和未来的几百年中会出现一次循环周期，大约是243年出现4次。两次凌日的时间间隔大约是：105.5年一次，接着是8年一次，然后是121.5年一次，再然后是8年一次，最后是105.5年，一直这样循环下去。金星凌日出现的具体时间是：

1631年12月7日　　　 1639年12月4日

1761年6月5日　　　　1769年6月3日

1874年12月9日　　　 1882年12月6日

2004年6月8日　　　　2012年6月6日

以前，人们对金星凌日感兴趣的原因是，假设可以凭此找到测量地球和太阳之间距离的方法。由于这种假设和这种现象的罕见性，所以曾大规模地观测过几次金星凌日。1761年和1769年，许多沿海国家都派出观测者前往世界各地记录金星进入太阳表面和离开太阳表面的准确时间。1874年和1882年，美国、英国、德国、法国四个国家都派出了大规模远征观测团观察金星凌日现象。1874年，美国观测团向北到达中国、日本、东西伯利亚，向南到达澳大利亚、新西兰等地。1882年，美国观测团不必远征，因为在美国境内就能观察到金星凌日现象。南半球出现在好望角等地。这几次的观测在确定金星的未来运动上有着重要意义，但后来出现了更可靠的方法，所以在这个方面的价值大大降低了。

近几年，各个国家对火星有了巨大的兴趣。2004年，美国“勇气号”和“机遇号”火星车来到火星，这是人类航天史上第一次有两辆火星车在火星表面运行。2012年8月6日，美国“好奇号”火星车登陆火星，主要任务是观察火星上的环境是否适宜生物生存，显示了火星探测技术的发展水平。由于火星和地球非常相似，所以人们对火星很感兴趣。火星的大气、气候等各个方面，促使我们思考火星上是否存在原始生命。现在，我来说一下我们对火星的了解。我们通过已有的知识判断，现在火星表面上没有生命迹象。至于它的地表和极冠中是否存在原始细菌，只有深入研究后才能确定。不过，我们可以确切地说，火星上不存在智慧生物，这否定了人们曾经的猜测。

我们先解释一些琐碎特点，这能让我们更好地了解火星。火星的公转周期是687天，即再加43天就是两年。假如火星的公转周期恰好是两年，那么，地球公转两周，而火星公转一周，我们每隔两年便会见到一次火星的冲。不过，由于火星实际公转要快一些，所以地球需要一些时间去追赶它，这个时间大约是一两个月，而火星的冲会隔两年零一两个月出现一次。经过8次冲之后，这多出的一两个月便会集合成一年，所以火星的冲在经过15年或者17年后会回到最初的那一天，同时在轨道中所处的位置也会还原。在这段时间内，地球已经绕着太阳公转了15次或者17次，而火星仅仅公转了八九次而已。

由于火星的公转轨道的偏心率非常大，所以两次冲的时间间隔有着大约一个月的差异。关于这一点，除了水星之外，其他大行星都无法与火星相比。火星的偏心率是0.093，这个数字接近1/10。因此，与水星的平均距离相比，它在近日点时大约要近1/10，而在远日点时大约要远1/10。火星在冲位时，它与地球之间的距离有着很大不同，而在近日点和远日点的冲的区别就更大了。当冲出现时，如果火星在近日点附近，它与地球的距离大约是5600万千米；如果火星在远日点附近，它与地球的距离要超过9600万千米。结果，火星在便于观测的冲位时（八九月份）的亮度大约是在不利于观测的冲位时（二三月份）的亮度的3倍。

当火星靠近冲位时很容易辨认，因为它的光非常强，而且呈现出红色，这与其他亮星有着巨大区别。通过望远镜观察，它的红光要比肉眼看见的弱一些，这是一个奇怪现象。

1659年，惠更斯（Huygens）通过望远镜首先观察到火星表面的变化，并且绘制了一幅图。至今，画中的特点依然能够看出来，而且无法否认它的准确性。通过观测火星的某些特点得知，火星自转一周的时间（24小时37分钟）要比地球自转一周的时间长一些。

火星的自转周期要比其他行星（除了地球）的自转周期更准确。300多年来，火星的自转周期没有发生过变化，我们没有理由怀疑将来会出现变动。火星的自转周期如此接近地球的自转周期，仅仅多出了37分钟而已，结果在连续几个夜晚的同一个小时中，火星几乎是以相同的一面对着地球。不过，由于多出了一点点，我们每天夜里看见它时都会往后推迟一点，经过40天之后，我们已经见过火星的各个部分。

火星表面的所有已知情况可以在一幅画中表现出来，它的明暗区域和平时能够见到的包裹着两极的白冠。当一极靠近太阳时，白冠会慢慢变小，而远离太阳时会逐渐增大。虽然在地球上无法看见白冠是如何变大的，但等到再次看见它时，我们会发现它比原来大一些。火星北极冠的直径在1000千米到2000千米之间，厚度在4千米到6千米之间，一直延伸到北纬75度附近。多种火星探测器传回地球的图片表明：大气中的二氧化碳凝结之后形成了火星上具有季节性的极冠，而始终存在的极冠是由水滴冷凝而成，温度是零下70摄氏度到零下139摄氏度。随着温度的变化，二氧化碳会气化或者凝结，所以极冠的大小一直在变化；随着火星季节的改变，极冠的大小也在发生变化，火星的冬季极区会被包围，等到夏季就会全部融化，或者部分融化。

1877年，斯克亚巴列里在火星上发现了“运河”。这是一些纵横交错、参差不齐的条纹，比表面的其他地方黑暗一些。在人类翻译史上，由于翻译失误引起的误会屡见不鲜，但这一次应该是最严重的。斯克亚巴列里将这些条纹命名为canale，这个单词的意大利含义是水道，因为当时认为火星表面上的黑暗区域是海洋，假设将海洋连接起来的路线都有水，所以将它们叫做水道。可是，翻译成英文是cancel，这个词可以解释为“运河”。这个小小的变动，使得人们认为“运河”是火星人开凿出来的，就像地球上的运河一样。

最初，天文学家在“水道”这个问题上有着不同的看法。在地球上观察，这些水道并不是看起来完全一致的清晰条纹。水星各处的明暗程度不同，而且微弱得看不清楚，而两块之间有着难以察觉的亮度差异，所以很难描绘出它们的轮廓。将它们分辨出来已经是一件非常困难的事情，当光线不同或者大气不同时，它们会改变形状，所以描绘出来的轮廓有着很大不同。观测者在罗尼尔天文台（Lowell Observatory）绘制出来的图显示，这些运河是细细的黑线，而且交织成一张密集的网，可以网住火星表面的大部分区域；而在斯克亚巴列里描绘出来的图显示，它们像是比较暗的宽阔地带，既没有罗尼尔天文台的观测者描绘出来的清楚，也没有那么繁多。这幅图上还有一个有趣的地方，水道的交汇处都有圆点，看起来像是圆形的湖。

在火星上，一个显著的特点是有一大块黑黑的几乎是圆形的斑点，斑点周围是白色的。这个斑点被命名为“太阳湖”（solis lacus）。所有的观测者都认同这一点，他们还认可这个湖中形成的一些条纹或者水道。不过，我们深入研究后发现，在水道的数目上，他们有着不同的意见。另一个特点是一块黑色的三角形斑点，被命名为“大席尔蒂斯”（Syrtis major），著名的物理学家惠更斯首先将它描绘出来了。

火星上的“运河”早就被证实了，而且天文学家还拍摄了许多照片。一般而言，它们要比早期观测者观察到的宽阔一些，而且更不规则、更不精美。我们认为，这些“运河”是自然形成的，而不是人工开凿的。火星上曾经出现过洪水，这些河道表明许多地方被侵蚀过。火星表面曾有过水，甚至存在过湖泊或者海洋。不过，它们存在的时间很短，大约出现在40亿年前。

于是，火星的表面有着多种样貌，而且变得非常有趣。对于所有的行星来说，最适宜用望远镜观测的就是火星。它的背景呈现出红色，让人联想到荒漠中的原野。我们还看见一些大块的蓝绿色痕迹，这是被称为“海”的东西，这个名字一直使用到今天，如同月球上的海，尽管这两种海中都没有水。将这些海连接起来的是一些狭长的暗纹，这些暗纹就是“运河”，这个名字也和海一样延续至今。

早期的观测认为冰雪覆盖着火星极冠区，但最近的观测表明，火星大气要比地球大气稀薄得多，那层稀薄大气的主要成分是：95.3%的二氧化碳，2.7%的氮气，1.6%的氩气，0.15%的氧气，0.03%的水汽。最细致的观测让我们明白，火星大气中的云一般不会遮盖水星上面的景物。只有大气中的水汽凝结在一起才会形成雪，所以火星极区中不会下大雪。即使火星极区会下雪，而且大部分的雪不会融化，积雪也仅仅是几厘米厚而已。

火星表面的平均大气压强大约是700帕斯卡，还不到地球大气压的1%，但随着高度的变化，压强也会变化，盆地最深处的气压大约是900帕斯卡，而奥林匹斯山顶端的大气压仅仅是100帕斯卡。不过，这个气压足以支持火星上偶尔出现的持续十几天的飓风和风暴。尽管火星上的大气层能够造成温室效应，但只能让表面温度上升5摄氏度左右，比金星和地球的表面温度低得多。

1976年，“海盗”号探测器在火星附近观察，发现火星两极的覆盖物质主要是干冰，而不是积雪，这个发现证明火星表面存在水的猜测是错误的（现在，科学家们推测，干冰层的下面也许是冰水层）。这样说来，火星的四季是如何出现的呢？当火星上的某个半球的春季将要结束时，白色极冠将会慢慢萎缩，这个半球上的黑暗部分会变得更加明亮，绿色更加鲜明。当夏季将要结束时，极冠几乎会完全融化，这些黑暗部分会转变为褐色。早期对于季候变迁的观点是，植物的变化形成表现为：春季时，植物变得越来越茂盛；秋季时，植物会慢慢死亡。当然，后来证明这种观点是不对的。火星上看起来像是季候变迁的景象，其实不是植物造成的。那么，到底是怎么形成的呢？

这时，科学家们开始研究火星表面的土壤。火星表面的土壤可能是粉红色的类长石矿物，可能是地球上没有的矿物。某些人认为，火星表面土壤的主要成分可能是一种类似于塑料的低价碳氧化物。美国普林斯顿大学的地质学家迪特·哈格雷夫斯认为火星表面土壤的主要成分是绿高岭石。千百万年前，火星上的火成岩和山相互作用，逐渐形成了绿高岭石的外壳。当时，大量陨石穿过大气层落到火星表面上，陨石下落时的冲击力产生了很多热量，使得火星表面的绿高岭石转变成了红色的磁性物质；后来下落的陨石将这些磁性物质撞击成了红色粉末，被风吹到火星表面的各个地方，所以火星看起来是红色的。

1877年，霍尔（Hall）在海军天文台观察到火星的两颗卫星。以前，观测者从来没有发现这两颗卫星，因为它们太小了。人们从来没有想过卫星那么小，更没有想过要用大型望远镜去寻找。不过，当发现它们之后，观测者才意识到它们不是很难看见的东西。当然，火星在轨道中的位置和它相对地球的方位决定了观察它的卫星的难易程度。当火星靠近冲位时，我们有好几个月（三四个月，甚至是六个月）的时间观察它的卫星。当火星位于近日点附近的冲时，通过直径是30厘米左右的望远镜就能观察到它的卫星。至于看见的卫星有多大，根据的是观测者的技术和眼睛能够消去多少火星光。一般来说，观测者需要的是直径在30厘米到45厘米之间的望远镜。火星的光辉在观测中有着不利影响，假如能够消除火星的光辉，即使使用更小的望远镜也能看见火星的两颗卫星。由于受到这种光辉的影响，所以容易看见外面的那颗卫星，尽管里面的那颗卫星比较明亮。

霍尔将外面的卫星命名为“火卫二”（Deimos），里面的那颗卫星命名为“火卫一”（Phobos），这是古神话中战神（Mars）的两个侍从的名字。火卫一的一个显著特点是：在太阳系中，它和火星之间的距离要比其他主星与其卫星的距离都短，它与火星表面的距离大约是6000千米，它绕着火星旋转一周的时间大约是7小时39分钟，这个时间还不到火星自转时间的1/3。因此，站在火星上观察，最近的“月亮”在西方升起，在东方降落。

火卫二绕着火星旋转一周的时间大约是30小时18分钟。在它的一起一落之间，已经过去了一天半，几乎是两天。

火卫一到火星表面的距离仅仅是6000千米。如果将来能够移民到火星上去，业余天文学家们肯定对火卫一有着极大的兴趣。

在体积大小这一点上，这两颗卫星是太阳系中能够看见的最小的东西（除了可能存在的更暗弱的小行星）。我们借助于光度推测出，火卫二的直径大约是8千米，火卫一的直径大约是16千米。我们看见的这两颗卫星的大小，类似于从纽约观察悬在波士顿空中的一个苹果。

这两颗卫星的最大作用是，让天文学家们借助它们计算出火星的质量，最终得出火星的质量大约是地球质量的1/9。这个数据是如何得出的呢？我们在后文讲述行星质量的那一节中详细解释。