GOPHERSPACE.DE - P H O X Y
gophering on sdf.org
COSMOS 
By Carl Sagan 
_____________

The story of fifteen billion years of cosmic evolution transforming matter and life into  consciousness, of how science and civ
ilization grew up together, and of the forces and  individuals who helped shape modern science. A story told with Carl Sagan.s 
remarkable  ability to make scientific ideas both comprehensible and exciting, based on his acclaimed  television series.



For Ann Druyan

In the vastness of space and the immensity of time, it is my joy to share a planet and an epoch with Annie

Carl Sagan was the Director of the Laboratory for Planetary studies and David Duncan  Professor of Astronomy and Space Sciences
 at Cornell University. He played a leading role in  the Mariner, Viking and Voyager expeditions to the planets, for which he r
eceived the NASA  medals for Exceptional Scientific Achievement and for Distinguished Public Service, and the  international as
tronautics prize, the Prix Galabert.

He served as Chairman of the Division for Planetary Sciences of the American Astronomical  Society, as Chairman of the Astronom
y Section of the American Association for the  Advancement of Science, and as President of the Planetology Section of the Ameri
can  Geophysical Union. For twelve years, he was Editor-in-Chief of Icarus, the leading  professional journal devoted to planet
ary research. In addition to four hundred published  scientific and popular articles, Dr Sagan was the author, co-author or edi
tor of more than a  dozen books, including Intelligent Life in the Universe, The Cosmic Connection, The Dragons  of Eden, Murmu
rs of Earth, Broca.s Brain and the bestselling science fiction novel, Contact.

He was a recipient of the Joseph Priestly Award .for distinguished contributions to the  welfare of mankind., and the Pulitzer 
Prize for literature.

Carl Sagan died in December 1996.

CARL SAGAN

Cosmos



 CONTENTS

 

Introduction

1 The Shores of the Cosmic Ocean

2 One Voice in the Cosmic Fugue

3 The Harmony of Worlds

4 Heaven and Hell

5 Blues for a Red Planet

6 Travelers. Tales

7 The Backbone of Night

8 Travels in Space and Time

9 The Lives of the Stars

10 The Edge of Forever

11 The Persistence of Memory

12 Encyclopaedia Galactica

13 Who Speaks for Earth?



Appendix 1: Reductio ad Absurdum and the Square Root of Two

Appendix 2: The Five Pythagorean Solids

INTRODUCTION

The time will come when diligent research over long periods will bring to light things which  now lie hidden. A single lifetime
, even though entirely devoted to the sky, would not be  enough for the investigation of so vast a subject . . . And so this kn
owledge will be  unfolded only through long successive ages. There will come a time when our descendants will  be amazed that w
e did not know things that are so plain to them . . . Many discoveries are  reserved for ages still to come, when memory of us 
will have been effaced. Our universe is a  sorry little affair unless it has in it something for every age to investigate . . .
 Nature  does not reveal her mysteries once and for all. - Seneca, Natural Questions, Book 7, first century

In ancient times, in everyday speech and custom, the most mundane happenings were connected  with the grandest cosmic events. A
 charming example is an incantation against the worm which  the Assyrians of 1000 B.C. imagined to cause toothaches. It begins 
with the origin of the  universe and ends with a cure for toothache:

After Anu had created the heaven, 
And the heaven had created the earth, 
And the earth had created the rivers, 
And the rivers had created the canals, 
And the canals had created the morass, 
And the morass had created the worm, 
The worm went before Shamash, weeping, 
His tears flowing before Ea: 
.What wilt thou give me for my food, 
What wilt thou give me for my drink?. 
.I will give thee the dried fig 
And the apricot.. 
.What are these to me? 
The dried fig 
And the apricot! Lift me up, 
and among the teeth 
And the gums let me dwell! . . 
Because thou hast said this, O worm, 
May Ea smite thee with the might of 
His hand! 
(Incantation against toothache.)


Our ancestors were eager to understand the world but had not quite stumbled upon the  method. They imagined a small, quaint, ti
dy universe in which the dominant forces were gods  like Anu, Ea, and Shamash. In that universe humans played an important if n
ot a central  role. We were intimately bound up with the rest of nature. The treatment of toothache with  second-rate beer was 
tied to the deepest cosmological mysteries. 

Today we have discovered a powerful and elegant way to understand the universe, a  method called science; it has revealed to us
 a universe so ancient and so vast that human  affairs seem at first sight to be of little consequence. We have grown distant f
rom the  Cosmos. It has seemed remote and irrelevant to everyday concerns. But science has found not  only that the universe ha
s a reeling and ecstatic grandeur, not only that it is accessible  to human understanding, but also that we are, in a very real
 and profound sense, a part of  that Cosmos, born from it, our fate deeply connected with it. The most basic human events  and 
the most trivial trace back to the universe and its origins. This book is devoted to the  exploration of that cosmic perspectiv
e.       In the summer and fall of 1976, as a member of the Viking Lander Imaging Flight Team,  I was engaged, with a hundred o
f my scientific colleagues, in the exploration of the planet  Mars. For the first time in human history we had landed two space
 vehicl
es on the surface of  another world. The results, described more fully in Chapter 5, were spectacular, the  historical signific
ance of the mission utterly apparent. And yet the general public was  learning almost nothing of these great happenings. The pr
ess was largely inattentive;  television ignored the mission almost altogether. When it became clear that a definitive  answer 
on whether there is life on Mars would not be forthcoming, interest dwindled still  further. There was little tolerance for amb
iguity. When we found the sky of Mars to be a  kind of pinkish-yellow rather than the blue which had erroneously first been rep
orted, the  announcement was greeted by a chorus of good-natured boos from the assembled reporters -  they wanted Mars to be, e
ven in this respect, like the Earth. They believed that their  audiences would be progressively disinterested as Mars was revea
led to be less and less like  the Earth. And yet the Martian landscapes are staggering, the vistas breathtaking. I was  positiv
e from 
my own experience that an enormous global interest exists in the exploration  of the planets and in many kindred scientific top
ics - the origin of life, the Earth, and  the Cosmos, the search for extraterrestrial intelligence, our connection with the uni
verse.  And I was certain that this interest could be excited through that most powerful  communications medium, television. 

My feelings were shared by B. Gentry Lee, the Viking Data Analysis and Mission  Planning Director, a man of extraordinary organ
izational abilities. We decided, gamely, to  do something about the problem ourselves. Lee proposed that we form a production c
ompany  devoted to the communication of science in an engaging and accessible way. In the following  months we were approached 
on a number of projects. But by far the most interesting was an  inquiry tendered by KCET, the Public Broadcasting Service.s ou
tlet in Los Angeles.  Eventually, we jointly agreed to produce a thirteen-part television series oriented toward  astronomy but
 with a very broad human perspective. It was to be aimed at popular audiences,  to be visually and musically stunning, and to e
ngage the heart as well as the mind. We  talked with underwriters, hired an executive producer, and found ourselves embarked on
 a  three-year project called Cosmos. At this writing it has an estimated worldwide audience of  140 million people, or 3 perce
nt of t
he human population of the planet Earth. It is  dedicated to the proposition that the public is far more intelligent than it ha
s generally  been given credit for; that the deepest scientific questions on the nature and origin of the  world excite the int
erests and passions of enormous numbers of people. The present epoch is  a major crossroads for our civilization and perhaps fo
r our species. Whatever road we take,  our fate is indissolubly bound up with science. It is essential as a matter of simple  s
urvival for us to understand science. In addition, science is a delight; evolution has  arranged that we take pleasure in under
standing - those who understand are more likely to  survive. The Cosmos television series and this book represent a hopeful exp
eriment in  communicating some of the ideas, methods and joys of science. 

The book and the television series evolved together. In some sense each is based on  the other. But books and television series
 have somewhat different audiences and admit  differing approaches. One of the great virtues of a book is that it is possible f
or the  reader to return repeatedly to obscure or difficult passages; this is only beginning to  become possible, with the deve
lopment of videotape and video-disc technology, for  television. There is much more freedom for the author in choosing the rang
e and depth of  topics for a chapter in a book than for the procrustean fifty-eight minutes, thirty seconds  of a noncommercial
 television program. This book goes more deeply into many topics than does  the television series. There are topics discussed i
n the book which are not treated in the  television series and vice versa. Explicit representations of the Cosmic Calendar, fea
tured  in the television series, do not appear here - in part because the Cosmic Calendar is  discussed in my book The Dragons 
of Eden
; likewise, I do not here discuss the life of Robert  Goddard in much detail, because there is a chapter in Broca.s Brain devot
ed to him. But each  episode of the television series follows fairly closely the corresponding chapter of this  book; and I lik
e to think that the pleasure of each will be enhanced by reference to the  other. 

For clarity, I have in a number of cases introduced an idea more than once - the  first time lightly, and with deeper passes on
 subsequent appearances. This occurs, for  example, in the introduction to cosmic objects in Chapter 1, which are examined in g
reater  detail later on; or in the discussion of mutations, enzymes and nucleic acids in Chapter 2.  In a few cases, concepts a
re presented out of historical order. For example, the ideas of  the ancient Greek scientists are presented in Chapter 7, well 
after the discussion of  Johannes Kepler in Chapter 3. But I believe an appreciation of the Greeks can best be  provided after 
we see what they barely missed achieving. 

Because science is inseparable from the rest of the human endeavor, it cannot be  discussed without making contact, sometimes g
lancing, sometimes head-on, with a number of  social, political, religious and philosophical issues. Even in the filming of a t
elevision  series on science, the worldwide devotion to military activities becomes intrusive.  Simulating the exploration of M
ars in the Mohave Desert with a full-scale version of the  Viking Lander, we were repeatedly interrupted by the United States A
ir Force, performing  bombing runs in a nearby test range. In Alexandria, Egypt, from nine to eleven A.M. every  morning, our h
otel was the subject of practice strafing runs by the Egyptian Air Force. In  Samos, Greece, permission to film anywhere was wi
thheld until the very last moment because  of NATO maneuvers and what was clearly the construction of a warren of underground a
nd  hillside emplacements for artillery and tanks. In Czechoslovakia the use of walkie-talkies  for organizing the filming logi
stics o
n a rural road attracted the attention of a Czech Air  Force fighter, which circled overhead until reassured in Czech that no t
hreat to national  security was being perpetrated. In Greece, Egypt and Czechoslovakia our film crews were  accompanied everywh
ere by agents of the state security apparatus. Preliminary inquiries  about filming in Kaluga, U.S.S.R., for a proposed discuss
ion of the life of the Russian  pioneer of astronautics Konstantin Tsiolkovsky were discouraged - because, as we later  discove
red, trials of dissidents were to be conducted there. Our camera crews met  innumerable kindnesses in every country we visited;
 but the global military presence, the  fear in the hearts of the nations, was everywhere. The experience confirmed my resolve 
to  treat, when relevant, social questions both in the series and in the book. 

The essence of science is that it is self-correcting. New experimental results and  novel ideas are continually resolving old m
ysteries. For example, in Chapter 9 we discuss  the fact that the Sun seems to be generating too few of the elusive particles c
alled  neutrinos. Some proposed explanations are listed. In Chapter 10 we wonder whether there is  enough matter in the univers
e eventually to stop the recession of distant galaxies, and  whether the universe is infinitely old and therefore uncreated. So
me light on both these  questions may since have been cast in experiments by Frederick Reines, of the University of  California
, who believes he has discovered (a) that neutrinos exist in three different  states, only one of which could be detected by ne
utrino telescopes studying the Sun; and (b)  that neutrinos - unlike light - have mass, so that the gravity of all the neutrino
s in space  may help to close the Cosmos and prevent it from expanding forever. Future experiments will  show whether these ide
as are 
correct. But they illustrate the continuing and vigorous  reassessment of received wisdom which is fundamental to the scientifi
c enterprise. 

On a project of this magnitude it is impossible to thank everyone who has made a  contribution. However, I would like to acknow
ledge, especially, B. Gentry Lee; the Cosmos  production staff, including the senior producers Geoffrey Haines-Stiles and David
 Kennard  and the executive producer Adrian Malone; the artists Jon Lomberg (who played a critical  role in the original design
 and organization of the Cosmos visuals), John Allison, Adolf  Schaller, Rick Sternbach, Don Davies, Brown, and Anne Norcia; co
nsultants Donald Goldsmith,  Owen Gingerich, Paul Fox, and Diane Ackerman; Cameron Beck; the KCET management,  particularly Gre
g Andorfer, who first carried KCET.s proposal to us, Chuck Allen, William  Lamb, and James Loper; and the underwriters and co-p
roducers of the Cosmos television  series, including the Atlantic Richfield Company, the Corporation for Public Broadcasting,  
the Arthur Vining Davis Foundations, the Alfred P. Sloan Foundation, the British  Broadcasting Corporation, and Polytel Interna
tional.
 Others who helped in clarifying matters  of fact or approach are listed at the back of the book. The final responsibility for 
the  content of the book is, however, of course mine. I thank the staff at Random House,  particularly my editor, Anne Freedgoo
d, and the book designer, Robert Aulicino, for their  capable work and their patience when the deadlines for the television ser
ies and the book  seemed to be in conflict. I owe a special debt of gratitude to Shirley Arden, my Executive  Assistant, for ty
ping the early drafts of this book and ushering the later drafts through  all stages of production with her usual cheerful comp
etence. This is only one of many ways  in which the Cosmos project is deeply indebted to her. I am more grateful than I can say
 to  the administration of Cornell University for granting me a two-year leave of absence to  pursue this project, to my collea
gues and students there, and to my colleagues at NASA, JPL  and on the Voyager Imaging Team. 

My greatest debt for the writing of Cosmos is owed to Ann Druyan and Steven Soter,  my co-writers in the television series. The
y made fundamental and frequent contributions to  the basic ideas and their connections, to the overall intellectual structure 
of the  episodes, and to the felicity of style. I am deeply grateful for their vigorous critical  readings of early versions of
 this book, their constructive and creative suggestions for  revision through many drafts, and their major contributions to the
 television script which  in many ways influenced the content of this book. The delight I found in our many  discussions is one
 of my chief rewards from the Cosmos project. Ithaca and Los Angeles May 1980

CHAPTER I

The Shores of the Cosmic Ocean

The first men to be created and formed were called the Sorcerer of Fatal Laughter, the  Sorcerer of Night, Unkempt, and the Bla
ck Sorcerer . . . They were endowed with  intelligence, they succeeded in knowing all that there is in the world. When they loo
ked,  instantly they saw all that is around them, and they contemplated in turn the arc of heaven  and the round face of the ea
rth . . . [Then the Creator said]: .They know all . . . what  shall we do with them now? Let their sight reach only to that whi
ch is near; let them see  only a little of the face of the earth! . . . Are they not by nature simple creatures of our  making?
 Must they also be gods?. - The Popol Vuh of the Quiché Maya

Have you comprehended the expanse of the earth? Where is the way to the dwelling of light,  And where is the place of darkness 
. . . ? - The Book of Job

It is not from space that I must seek my dignity, but from the government of my thought. I  shall have no more if I possess wor
lds. By space the universe encompasses and swallows me up  like an atom; by thought I comprehend the world. - Blaise Pascal, Pe
nsées

The known is finite, the unknown infinite; intellectually we stand on an islet in the midst  of an illimitable ocean of inexpli
cability. Our business in every generation is to reclaim a  little more land. - T. H. Huxley, 1887

The Cosmos is all that is or ever was or ever will be. Our feeblest contemplations of the  Cosmos stir us - there is a tingling
 in the spine, a catch in the voice, a faint sensation,  as if a distant memory, of falling from a height. We know we are appro
aching the greatest of  mysteries. 

The size and age of the Cosmos are beyond ordinary human understanding. Lost  somewhere between immensity and eternity is our t
iny planetary home. In a cosmic  perspective, most human concerns seem insignificant, even petty. And yet our species is  young
 and curious and brave and shows much promise. In the last few millennia we have made  the most astonishing and unexpected disc
overies about the Cosmos and our place within it,  explorations that are exhilarating to consider. They remind us that humans h
ave evolved to  wonder, that understanding is a joy, that knowledge is prerequisite to survival. I believe  our future depends 
on how well we know this Cosmos in which we float like a mote of dust in  the morning sky. 

Those explorations required skepticism and imagination both. Imagination will often  carry us to worlds that never were. But wi
thout it, we go nowhere. Skepticism enables us to  distinguish fancy from fact, to test our speculations. The Cosmos is rich be
yond measure -  in elegant facts, in exquisite interrelationships, in the subtle machinery of awe. 

The surface of the Earth is the shore of the cosmic ocean. From it we have learned  most of what we know. Recently, we have wad
ed a little out to sea, enough to dampen our toes  or, at most, wet our ankles. The water seems inviting. The ocean calls. Some
 part of our  being knows this is from where we came. We long to return. These aspirations are not, I  think, irreverent, altho
ugh they may trouble whatever gods may be. 

The dimensions of the Cosmos are so large that using familiar units of distance,  such as meters or miles, chosen for their uti
lity on Earth, would make little sense.  Instead, we measure distance with the speed of light. In one second a beam of light tr
avels  186,000 miles, nearly 300,000 kilometers or seven times around the Earth. In eight minutes  it will travel from the Sun 
to the Earth. We can say the Sun is eight light-minutes away. In  a year, it crosses nearly ten trillion kilometers, about six 
trillion miles, of intervening  space. That unit of length, the distance light goes in a year, is called a light-year. It  meas
ures not time but distances - enormous distances. 

The Earth is a place. It is by no means the only place. It is not even a typical  place. No planet or star or galaxy can be typ
ical, because the Cosmos is mostly empty. The  only typical place is within the vast, cold, universal vacuum, the everlasting n
ight of  intergalactic space, a place so strange and desolate that, by comparison, planets and stars  and galaxies seem achingl
y rare and lovely. If we were randomly inserted into the Cosmos,  the chance that we would find ourselves on or near a planet w
ould be less than one in a  billion trillion trillion* (1033, a one followed by 33 zeroes). In everyday life such odds  are cal
led compelling. Worlds are precious.

       * We use the American scientific convention for large numbers: one billion =  1,000,000,000 = 109; one trillion = 1,000,
000,000,000= 1012, etc. The exponent counts the  number of zeroes after the one.

      From an intergalactic vantage point we would see, strewn like sea froth on the waves  of space, innumerable faint, wispy 
tendrils of light. These are the galaxies. Some are  solitary wanderers; most inhabit communal clusters, huddling together, dri
fting endlessly in  the great cosmic dark. Before us is the Cosmos on the grandest scale we know. We are in the  realm of the n
ebulae, eight billion light-years from Earth, halfway to the edge of the known  universe. 

A galaxy is composed of gas and dust and stars billions upon billions of stars.  Every star may be a sun to someone. Within a g
alaxy are stars and worlds and, it may be, a  proliferation of living things and intelligent beings and spacefaring civilizatio
ns. But  from afar, a galaxy reminds me more of a collection of lovely found objects - seashells,  perhaps, or corals, the prod
uctions of Nature laboring for aeons in the cosmic ocean. 

There are some hundred billion (1011) galaxies, each with, on the average, a hundred  billion stars. In all the galaxies, there
 are perhaps as many planets as stars, 1011 x 1011  = 1022, ten billion trillion. In the face of such overpowering numbers, wha
t is the  likelihood that only one ordinary star, the Sun, is accompanied by an inhabited planet? Why  should we, tucked away i
n some forgotten corner of the Cosmos, be so fortunate? To me, it  seems far more likely that the universe is brimming over wit
h life. But we humans do not yet  know. We are just beginning our explorations. From eight billion light-years away we are  har
d pressed to find even the cluster in which our Milky Way Galaxy is embedded, much less  the Sun or the Earth. The only planet 
we are sure is inhabited is a tiny speck of rock and  metal, shining feebly by reflected sunlight, and at this distance utterly
 lost. 

But presently our journey takes us to what astronomers on Earth like to call the  Local Group of galaxies. Several million ligh
t-years across, it is composed of some twenty  constituent galaxies. It is a sparse and obscure and unpretentious cluster. One 
of these  galaxies is M31, seen from the Earth in the constellation Andromeda. Like other spiral  galaxies, it is a huge pinwhe
el of stars, gas and dust. M31 has two small satellites, dwarf  elliptical galaxies bound to it by gravity, by the identical la
w of physics that tends to  keep me in my chair. The laws of nature are the same throughout the Cosmos. We are now two  million
 light-years from home. 

Beyond M31 is another, very similar galaxy, our own, its spiral arms turning slowly,  once every quarter billion years. Now, fo
rty thousand light-years from home, we find  ourselves falling toward the massive center of the Milky Way. But if we wish to fi
nd the  Earth, we must redirect our course to the remote outskirts of the Galaxy, to an obscure  locale near the edge of a dist
ant spiral arm. 

Our overwhelming impression, even between the spiral arms, is of stars streaming by  us - a vast array of exquisitely self-lumi
nous stars, some as flimsy as a soap bubble and so  large that they could contain ten thousand Suns or a trillion Earths; other
s the size of a  small town and a hundred trillion times denser than lead. Some stars are solitary, like the  Sun. Most have co
mpanions. Systems are commonly double, two stars orbiting one another. But  there is a continuous gradation from triple systems
 through loose clusters of a few dozen  stars to the great globular clusters, resplendent with a million suns. Some double star
s are  so close that they touch, and starstuff flows beneath them. Most are as separated as Jupiter  is from the Sun. Some star
s, the supernovae, are as bright as the entire galaxy that  contains them; others, the black holes, are invisible from a few ki
lometers away. Some shine  with a constant brightness; others flicker uncertainly or blink with an unfaltering rhythm.  Some ro
tate in
 stately elegance; others spin so feverishly that they distort themselves to  oblateness. Most shine mainly in visible and infr
ared light; others are also brilliant  sources of X-rays or radio waves. Blue stars are hot and young; yellow stars, convention
al  and middle-aged; red stars, often elderly and dying; and small white or black stars are in  the final throes of death. The 
Milky Way contains some 400 billion stars of all sorts moving  with a complex and orderly grace. Of all the stars, the inhabita
nts of Earth know close-up,  so far, but one. 

Each star system is an island in space, quarantined from its neighbors by the  light-years. I can imagine creatures evolving in
to glimmerings of knowledge on innumerable  worlds, every one of them assuming at first their puny planet and paltry few suns t
o be all  that is. We grow up in isolation. Only slowly do we teach ourselves the Cosmos. 

Some stars may be surrounded by millions of lifeless and rocky worldlets, planetary  systems frozen at some early stage in thei
r evolution. Perhaps many stars have planetary  systems rather like our own: at the periphery, great gaseous ringed planets and
 icy moons,  and nearer to the center, small, warm, blue-white, cloud-covered worlds. On some,  intelligent life may have evolv
ed, reworking the planetary surface in some massive  engineering enterprise. These are our brothers and sisters in the Cosmos. 
Are they very  different from us? What is their form, biochemistry, neurobiology, history, politics,  science, technology, art,
 music, religion, philosophy? Perhaps some day we will know them. 

We have now reached our own backyard, a light-year from Earth. Surrounding our Sun  is a spherical swarm of giant snow-balls co
mposed of ice and rock and organic molecules: the  cometary nuclei. Every now and then a passing star gives a tiny gravitationa
l tug, and one  of them obligingly careens into the inner solar system. There the Sun heats it, the ice is  vaporized, and a lo
vely cometary tail develops. 

We approach the planets of our system, largish worlds, captives of the Sun,  gravitationally constrained to follow nearly circu
lar orbits, heated mainly by sunlight.  Pluto, covered with methane ice and accompanied by its solitary giant moon Charon, is  
illuminated by a distant Sun, which appears as no more than a bright point of light in a  pitchblack sky. The giant gas worlds,
 Neptune, Uranus, Saturn - the jewel of the solar  system - and Jupiter all have an entourage of icy moons. Interior to the reg
ion of gassy  planets and orbiting icebergs are the warm, rocky provinces of the inner solar system. There  is, for example, th
e red planet Mars, with soaring volcanoes, great rift valleys, enormous  planet-wide sandstorms, and, just possibly, some simpl
e forms of life. All the planets orbit  the Sun, the nearest star, an inferno of hydrogen and helium gas engaged in thermonucle
ar  reactions, flooding the solar system with light. 

Finally, at the end of all our wanderings, we return to our tiny, fragile,  blue-white world, lost in a cosmic ocean vast beyon
d our most courageous imaginings. It is a  world among an immensity of others. It may be significant only for us. The Earth is 
our  home, our parent. Our kind of life arose and evolved here. The human species is coming of  age here. It is on this world t
hat we developed our passion for exploring the Cosmos, and it  is here that we are, in some pain and with no guarantees, workin
g out our destiny. 

Welcome to the planet Earth - a place of blue nitrogen skies, oceans of liquid  water, cool forests and soft meadows, a world p
ositively rippling with life. In the cosmic  perspective it is, as I have said, poignantly beautiful and rare; but it is also, 
for the  moment, unique. In all our journeying through space and time, it is, so far, the only world  on which we know with cer
tainty that the matter of the Cosmos has become alive and aware.  There must be many such worlds scattered through space, but o
ur search for them begins here,  with the accumulated wisdom of the men and women of our species, garnered at great cost over  
a million years. We are privileged to live among brilliant and passionately inquisitive  people, and in a time when the search 
for knowledge is generally prized. Human beings, born  ultimately of the stars and now for a while inhabiting a world called Ea
rth, have begun  their long voyage home. 

The discovery that the Earth is a little world was made, as so many important human  discoveries were, in the ancient Near East
, in a time some humans call the third century  B.C., in the greatest metropolis of the age, the Egyptian city of Alexandria. H
ere there  lived a man named Eratosthenes. One of his envious contemporaries called him .Beta,. the  second letter of the Greek
 alphabet, because, he said, Eratosthenes was second best in the  world in everything. But it seems clear that in almost everyt
hing Eratosthenes was .Alpha..  He was an astronomer, historian, geographer, philosopher, poet, theater critic and  mathematici
an. The titles of the books he wrote range from Astronomy to On Freedom from  Pain. He was also the director of the great libra
ry of Alexandria, where one day he read in  a papyrus book that in the southern frontier outpost of Syene, near the first catar
act of  the Nile, at noon on June 21 vertical sticks cast no shadows. On the summer solstice, the  longest day of the year, as 
the hou
rs crept toward midday, the shadows of temple columns  grew shorter. At noon, they were gone. A reflection of the Sun could the
n be seen in the  water at the bottom of a deep well. The Sun was directly overhead. 

It was an observation that someone else might easily have ignored. Sticks, shadows,  reflections in wells, the position of the 
Sun - of what possible importance could such  simple everyday matters be? But Eratosthenes was a scientist, and his musings on 
these  commonplaces changed the world; in a way, they made the world. Eratosthenes had the presence  of mind to do an experimen
t, actually to observe whether in Alexandria vertical sticks cast  shadows near noon on June 21. And, he discovered, sticks do.
 

Eratosthenes asked himself how, at the same moment, a stick in Syene could cast no  shadow and a stick in Alexandria, far to th
e north, could cast a pronounced shadow. Consider  a map of ancient Egypt with two vertical sticks of equal length, one stuck i
n Alexandria,  the other in Syene. Suppose that, at a certain moment, each stick casts no shadow at all.  This is perfectly eas
y to understand - provided the Earth is flat. The Sun would then be  directly overhead. If the two sticks cast shadows of equal
 length, that also would make  sense on a flat Earth: the Sun.s rays would then be inclined at the same angle to the two  stick
s. But how could it be that at the same instant there was no shadow at Syene and a  substantial shadow at Alexandria? 

The only possible answer, he saw, was that the surface of the Earth is curved. Not  only that: the greater the curvature, the g
reater the difference in the shadow lengths. The  Sun is so far away that its rays are parallel when they reach the Earth. Stic
ks placed at  different angles to the Sun.s rays cast shadows of different lengths. For the observed  difference in the shadow 
lengths, the distance between Alexandria and Syene had to be about  seven degrees along the surface of the Earth; that is, if y
ou imagine the sticks extending  down to the center of the Earth, they would there intersect at an angle of seven degrees.  Sev
en degrees is something like one-fiftieth of three hundred and sixty degrees, the full  circumference of the Earth. Eratosthene
s knew that the distance between Alexandria and Syene  was approximately 800 kilometers, because he hired a man to pace it out.
 Eight hundred  kilometers times 50 is 40,000 kilometers: so that must be the circumference of the Earth.*

       * Or if you like to measure things in miles, the distance between Alexandria and  Syene is about 500 miles, and 500 mile
s x 50 = 25,000 miles.



This is the right answer. Eratosthenes. only tools were sticks, eyes, feet and  brains, plus a taste for experiment. With them 
he deduced the circumference of the Earth  with an error of only a few percent, a remarkable achievement for 2,200 years ago. H
e was  the first person accurately to measure the size of a planet. 

The Mediterranean world at that time was famous for seafaring. Alexandria was the  greatest seaport on the planet. Once you kne
w the Earth to be a sphere of modest diameter,  would you not be tempted to make voyages of exploration, to seek out undiscover
ed lands,  perhaps even to attempt to sail around the planet? Four hundred years before Eratosthenes,  Africa had been circumna
vigated by a Phoenician fleet in the employ of the Egyptian Pharaoh  Necho. They set sail, probably in frail open boats, from t
he Red Sea, turned down the east  coast of Africa up into the Atlantic, returning through the Mediterranean. This epic journey 
 took three years, about as long as a modern Voyager spacecraft takes to fly from Earth to  Saturn. 

After Eratosthenes. discovery, many great voyages were attempted by brave and  venturesome sailors. Their ships were tiny. They
 had only rudimentary navigational  instruments. They used dead reckoning and followed coastlines as far as they could. In an  
unknown ocean they could determine their latitude, but not their longitude, by observing,  night after night, the position of t
he constellations with respect to the horizon. The  familiar constellations must have been reassuring in the midst of an unexpl
ored ocean. The  stars are the friends of explorers, then with seagoing ships on Earth and now with  spacefaring ships in the s
ky. After Eratosthenes, some may have tried, but not until the  time of Magellan did anyone succeed in circumnavigating the Ear
th. What tales of daring and  adventure must earlier have been recounted as sailors and navigators, practical men of the  world
, gambled their lives on the mathematics of a scientist from Alexandria? 

In Eratosthenes. time, globes were constructed portraying the Earth as viewed from  space; they were essentially correct in the
 well-explored Mediterranean but became more and  more inaccurate the farther they strayed from home. Our present knowledge of 
the Cosmos  shares this disagreeable but inevitable feature. In the first century, the Alexandrian  geographer Strabo wrote:

Those who have returned from an attempt to circumnavigate the Earth do not say they have  been prevented by an opposing contine
nt, for the sea remained perfectly open, but, rather,  through want of resolution and scarcity of provision .... Eratosthenes s
ays that if the  extent of the Atlantic Ocean were not an obstacle, we might easily pass by sea from Iberia  to India .... It i
s quite possible that in the temperate zone there may be one or two  habitable Earths .... Indeed, if [this other part of the w
orld] is inhabited, it is not  inhabited by men such as exist in our parts, and we should have to regard it as another  inhabit
ed world.

Humans were beginning to venture, in almost every sense that matters, to other worlds. 

The subsequent exploration of the Earth was a worldwide endeavor, including voyages  from as well as to China and Polynesia. Th
e culmination was, of course, the discovery of  America by Christopher Columbus and the journeys of the following few centuries
, which  completed the geographical exploration of the Earth. Columbus. first voyage is connected in  the most straight-forward
 way with the calculations of Eratosthenes. Columbus was fascinated  by what he called .the Enterprise of the Indies,. a projec
t to reach Japan, China and India  not by following the coastline of Africa and sailing East but rather by plunging boldly into
  the unknown Western ocean - or, as Eratosthenes had said with startling prescience, .to pass  by sea from Iberia to India.. 


Columbus had been an itinerant peddler of old maps and an assiduous reader of the  books by and about the ancient geographers, 
including Eratosthenes, Strabo and Ptolemy. But  for the Enterprise of the Indies to work, for ships and crews to survive the l
ong voyage,  the Earth had to be smaller than Eratosthenes had said. Columbus therefore cheated on his  calculations, as the ex
amining faculty of the University of Salamanca quite correctly  pointed out. He used the smallest possible circumference of the
 Earth and the greatest  eastward extension of Asia he could find in all the books available to him, and then  exaggerated even
 those. Had the Americas not been in the way, Columbus. expeditions would  have failed utterly. 

The Earth is now thoroughly explored. It no longer promises new continents or lost  lands. But the technology that allowed us t
o explore and inhabit the most remote regions of  the Earth now permits us to leave our planet, to venture into space, to explo
re other  worlds. Leaving the Earth, we are now able to view it from above, to see its solid spherical  shape of Eratosthenian 
dimensions and the outlines of its continents, confirming that many  of the ancient mapmakers were remarkably competent. What a
 pleasure such a view would have  given to Eratosthenes and the other Alexandrian geographers. 

It was in Alexandria, during the six hundred years beginning around 300 B.C., that  human beings, in an important sense, began 
the intellectual adventure that has led us to the  shores of space. But of the look and feel of that glorious marble city, noth
ing remains.  Oppression and the fear of learning have obliterated almost all memory of ancient  Alexandria. Its population was
 marvelously diverse. Macedonian and later Roman soldiers,  Egyptian priests, Greek aristocrats, Phoenician sailors, Jewish mer
chants, visitors from  India and sub-Saharan Africa - everyone, except the vast slave population - lived together  in harmony a
nd mutual respect for most of the period of Alexandria.s greatness. 

The city was founded by Alexander the Great and constructed by his former bodyguard.  Alexander encouraged respect for alien cu
ltures and the open-minded pursuit of knowledge.  According to tradition - and it does not much matter whether it really happen
ed - he  descended beneath the Red Sea in the world.s first diving bell. He encouraged his generals  and soldiers to marry Pers
ian and Indian women. He respected the gods of other nations. He  collected exotic lifeforms, including an elephant for Aristot
le, his teacher. His city was  constructed on a lavish scale, to be the world center of commerce, culture and learning. It  was
 graced with broad avenues thirty meters wide, elegant architecture and statuary,  Alexander.s monumental tomb, and an enormous
 lighthouse, the Pharos, one of the seven  wonders of the ancient world. 

But the greatest marvel of Alexandria was the library and its associated museum  (literally, an institution devoted to the spec
ialties of the Nine Muses). Of that legendary  library, the most that survives today is a dank and forgotten cellar of the Sera
peum, the  library annex, once a temple and later reconsecrated to knowledge. A few moldering shelves  may be its only physical
 remains. Yet this place was once the brain and glory of the  greatest city on the planet, the first true research institute in
 the history of the world.  The scholars of the library studied the entire Cosmos. Cosmos is a Greek word for the order  of the
 universe. It is, in a way, the opposite of Chaos. It implies the deep  interconnectedness of all things. It conveys awe for th
e intricate and subtle way in which  the universe is put together. Here was a community of scholars, exploring physics,  litera
ture, medicine, astronomy, geography, philosophy, mathematics, biology, and  engineering. Science and scholarship had come of a
ge. Gen
ius flourished there. The  Alexandrian Library is where we humans first collected, seriously and systematically, the  knowledge
 of the world. 

In addition to Eratosthenes, there was the astronomer Hiparchus, who mapped the  constellations and estimated the brightness of
 the stars; Euclid, who brilliantly  systematized geometry and told his king, struggling over a difficult mathematical problem,
  .There is no royal road to geometry.; Dionysius of Thrace, the man who defined the parts of  speech and did for the study of 
language what Euclid did for geometry; Herophilus, the  physiologist who firmly established that the brain rather than the hear
t is the seat of  intelligence; Heron of Alexandria, inventor of gear trains and steam engines and the author  of Automata, the
 first book on robots; Apollonius of Perga, the mathematician who  demonstrated the forms of the conic sections* - ellipse, par
abola and hyperbola - the  curves, as we now know, followed in their orbits by the planets, the comets and the stars;  Archimed
es, the greatest mechanical genius until Leonardo da Vinci; and the astronomer and  geographer Ptolemy, who compiled much of wh
at is t
oday the pseudoscience of astrology: his  Earth-centered universe held sway for 1,500 years, a reminder that intellectual capac
ity is  no guarantee against being dead wrong. And among those great men was a great woman, Hypatia,  mathematician and astrono
mer, the last light of the library, whose martyrdom was bound up  with the destruction of the library seven centuries after its
 founding, a story to which we  will return.

       *So called because they can be produced by slicing through a cone at various angles.  Eighteen centuries later, the writ
ings of Apollonius on conic sections would be employed by  Johannes Kepler in understanding for the first time the movement of 
the planets.



The Greek Kings of Egypt who succeeded Alexander were serious about learning. For  centuries, they supported research and maint
ained in the library a working environment for  the best minds of the age. It contained ten large research halls, each devoted 
to a separate  subject; fountains and colonnades; botanical gardens; a zoo; dissecting rooms; an  observatory; and a great dini
ng hall where, at leisure, was conducted the critical  discussion of ideas. 

The heart of the library was its collection of books. The organizers combed all the  cultures and languages of the world. They 
sent agents abroad to buy up libraries. Commercial  ships docking in Alexandria were searched by the police - not for contraban
d, but for books.  The scrolls were borrowed, copied and then returned to their owners. Accurate numbers are  difficult to esti
mate, but it seems probable that the Library contained half a million  volumes, each a handwritten papyrus scroll. What happene
d to all those books? The classical  civilization that created them disintegrated, and the library itself was deliberately  des
troyed. Only a small fraction of its works survived, along with a few pathetic scattered  fragments. And how tantalizing those 
bits and pieces are! We know, for example, that there  was on the library shelves a book by the astronomer Aristarchus of Samos
, who argued that  the Earth is one of the planets, which like them orbits the Sun, and that the stars are  enormously far away
. Each 
of these conclusions is entirely correct, but we had to wait  nearly two thousand years for their rediscovery. If we multiply b
y a hundred thousand our  sense of loss for this work of Aristarchus, we begin to appreciate the grandeur of the  achievement o
f classical civilization and the tragedy of its destruction. 

We have far surpassed the science known to the ancient world. But there are  irreparable gaps in our historical knowledge. Imag
ine what mysteries about our past could be  solved with a borrower.s card to the Alexandrian Library. We know of a three-volume
 history  of the world, now lost, by a Babylonian priest named Berossus. The first volume dealt with  the interval from the Cre
ation to the Flood, a period he took to be 432,000 years or about a  hundred times longer than the Old Testament chronology. I 
wonder what was in it. 

The ancients knew that the world is very old. They sought to look into the distant  past. We now know that the Cosmos is far ol
der than they ever imagined. We have examined the  universe in space and seen that we live on a mote of dust circling a humdrum
 star in the  remotest corner of an obscure galaxy. And if we are a speck in the immensity of space, we  also occupy an instant
 in the expanse of ages. We now know that our universe - or at least  its most recent incarnation - is some fifteen or twenty b
illion years old. This is the time  since a remarkable explosive event called the Big Bang. At the beginning of this universe, 
 there were no galaxies, stars or planets, no life or civilizations, merely a uniform,  radiant fireball filling all of space. 
The passage from the Chaos of the Big Bang to the  Cosmos that we are beginning to know is the most awesome transformation of m
atter and energy  that we have been privileged to glimpse. And until we find more intelligent beings  elsewhere, we are ourselv
es the 
most spectacular of all the transformations - the remote  descendants of the Big Bang, dedicated to understanding and further t
ransforming the Cosmos  from which we spring.

CHAPTER II

One Voice in the Cosmic Fugue

I am bidden to surrender myself to the Lord of the Worlds. He it is who created you of the dust . . . - The Koran, Sura 40

The oldest of all philosophies, that of Evolution, was bound hand and foot and cast into  utter darkness during the millennium 
of theological scholasticism. But Darwin poured new  lifeblood into the ancient frame; the bonds burst, and the revivified thou
ght of ancient  Greece has proved itself to be a more adequate expression of the universal order of things  than any of the sch
emes which have been accepted by the credulity and welcomed by the  superstition of 70 later generations of men. - T. H. Huxley
, 1887

Probably all the organic beings which have ever lived on this earth have descended from some  one primordial form, into which l
ife was first breathed .... There is grandeur in this view  of life . . . that, whilst this planet has gone cycling on accordin
g to the fixed law of  gravity, from so simple a beginning endless forms most beautiful and most wonderful have  been, and are 
being, evolved. - Charles Darwin, The Origin of Species, 1859

A community of matter appears to exist throughout the visible universe, for the stars  contain many of the elements which exist
 in the Sun and Earth. It is remarkable that the  elements most widely diffused through the host of stars are some of those mos
t closely  connected with the living organisms of our globe, including hydrogen, sodium, magnesium, and  iron. May it not be th
at, at least, the brighter stars are like our Sun, the upholding and  energizing centres of systems of worlds, adapted to be th
e abode of living beings? - William Huggins, 1865

All my life I have wondered about the possibility of life elsewhere. What would it be like?  Of what would it be made? All livi
ng things on our planet are constructed of organic  molecules - complex microscopic architectures in which the carbon atom play
s a central role.  There was once a time before life, when the Earth was barren and utterly desolate. Our world  is now overflo
wing with life. How did it come about? How, in the absence of life, were  carbon-based organic molecules made? How did the firs
t living things arise? How did life  evolve to produce beings as elaborate and complex as we, able to explore the mystery of ou
r  own origins? 

And on the countless other planets that may circle other suns, is there life also?  Is extraterrestrial life, if it exists, bas
ed on the same organic molecules as life on  Earth? Do the beings of other worlds look much like life on Earth? Or are they stu
nningly  different - other adaptations to other environments? What else is possible? The nature of  life on Earth and the searc
h for life elsewhere are two sides of the same question - the  search for who we are. 

In the great dark between the stars there are clouds of gas and dust and organic  matter. Dozens of different kinds of organic 
molecules have been found there by radio  telescopes. The abundance of these molecules suggests that the stuff of life is every
where.  Perhaps the origin and evolution of life is, given enough time, a cosmic inevitability. On  some of the billions of pla
nets in the Milky Way Galaxy, life may never arise. On others, it  may arise and die out, or never evolve beyond its simplest f
orms. And on some small fraction  of worlds there may develop intelligences and civilizations more advanced than our own. 

Occasionally someone remarks on what a lucky coincidence it is that the Earth is  perfectly suitable for life - moderate temper
atures, liquid water, oxygen atmosphere, and so  on. But this is, at least in part, a confusion of cause and effect. We earthli
ngs are  supremely well adapted to the environment of the Earth because we grew up here. Those  earlier forms of life that were
 not well adapted died. We are descended from the organisms  that did well. Organisms that evolve on a quite different world wi
ll doubtless sing its  praises too. 

All life on Earth is closely related. We have a common organic chemistry and a  common evolutionary heritage. As a result, our 
biologists are profoundly limited. They study  only a single kind of biology, one lonely theme in the music of life. Is this fa
int and  reedy tune the only voice for thousands of light-years? Or is there a kind of cosmic fugue,  with themes and counterpo
ints, dissonances and harmonies, a billion different voices playing  the life music of the Galaxy? 

Let me tell you a story about one little phrase in the music of life on Earth. In  the year 1185, the Emperor of Japan was a se
ven-year-old boy named Antoku. He was the  nominal leader of a clan of samurai called the Heike, who were engaged in a long and
 bloody  war with another samurai clan, the Genji. Each asserted a superior ancestral claim to the  imperial throne. Their deci
sive naval encounter, with the Emperor on board ship, occurred at  Danno-ura in the Japanese Inland Sea on April 24, 1185. The 
Heike were outnumbered, and  outmaneuvered. Many were killed. The survivors, in massive numbers, threw themselves into  the sea
 and drowned. The Lady Nii, grandmother of the Emperor, resolved that she and Antoku  would not be captured by the enemy. What 
happened next is told in The Tale of the Heike:

The Emperor was seven years old that year but looked much older. He was so lovely that he  seemed to shed a brilliant radiance 
and his long, black hair hung loose far down his back.  With a look of surprise and anxiety on his face he asked the Lady Nii, 
.Where are you to  take me?. 

She turned to the youthful sovereign, with tears streaming down her cheeks, and . .  . comforted him, binding up his long hair 
in his dove-colored robe. Blinded with tears, the  child sovereign put his beautiful, small hands together. He turned first to 
the East to say  farewell to the god of Ise and then to the West to repeat the Nembutsu [a prayer to the  Amida Buddha]. The La
dy Nii took him tightly in her arms and with the words .In the depths  of the ocean is our capitol,. sank with him at last bene
ath the waves.

The entire Heike battle fleet was destroyed. Only forty-three women survived. These  ladies-in-waiting of the imperial court we
re forced to sell flowers and other favors to the  fishermen near the scene of the battle. The Heike almost vanished from histo
ry. But a ragtag  group of the former ladies-in-waiting and their offspring by the fisher-folk established a  festival to comme
morate the battle. It takes place on the twenty-fourth of April every year  to this day. Fishermen who are the descendants of t
he Heike dress in hemp and black headgear  and proceed to the Akama shrine which contains the mausoleum of the drowned Emperor.
 There  they watch a play portraying the events that followed the Battle of Danno-ura. For centuries  after, people imagined th
at they could discern ghostly samurai armies vainly striving to  bail the sea, to cleanse it of blood and defeat and humiliatio
n. 

The fishermen say the Heike samurai wander the bottoms of the Inland Sea still - in  the form of crabs. There are crabs to be f
ound here with curious markings on their backs,  patterns and indentations that disturbingly resemble the face of a samurai. Wh
en caught,  these crabs are not eaten, but are returned to the sea in commemoration of the doleful  events at Danno-ura.       
This legend raises a lovely problem. How does it come about that the face of a warrior  is incised on the carapace of a crab? T
he answer seems to be that humans made the face. The  patterns on the crab.s shell are inherited. But among crabs, as among peo
ple, there are many  different hereditary lines. Suppose that, by chance, among the distant ancestors of this  crab, one arose 
with a pattern that resembled, even slightly, a human face. Even before the  battle of Danno-ura, fishermen may have been reluc
tant to eat such a crab. In throwing it  back, they set in motion an evolutionary process: If you are a crab and your carapace 
is  ord
inary, the humans will eat you. Your line will leave fewer descendants. If your carapace  looks a little like a face, they will
 throw you back. You will leave more descendants. Crabs  had a substantial investment in the patterns on their carapaces. As th
e generations passed,  of crabs and fishermen alike, the crabs with patterns that most resembled a samurai face  survived prefe
rentially until eventually there was produced not just a human face, not just  a Japanese face, but the visage of a fierce and 
scowling samurai. All this has nothing to do  with what the crabs want. Selection is imposed from the outside. The more you loo
k like a  samurai, the better are your chances of survival. Eventually, there come to be a great many  samurai crabs. 

This process is called artificial selection. In the case of the Heike crab it was  effected more or less unconsciously by the f
ishermen, and certainly without any serious  contemplation by the crabs. But humans have deliberately selected which plants and
 animals  shall live and which shall die for thousands of years. We are surrounded from babyhood by  familiar farm and domestic
 animals, fruits and trees and vegetables. Where do they come  from? Were they once free-living in the wild and then induced to
 adopt a less strenuous life  on the farm? No, the truth is quite different. They are, most of them, made by us. 

Ten thousand years ago, there were no dairy cows or ferret hounds or large ears of  corn. When we domesticated the ancestors of
 these plants and animals - sometimes creatures  who looked quite different - we controlled their breeding. We made sure that c
ertain  varieties, having properties we consider desirable, preferentially reproduced. When we  wanted a dog to help us care fo
r sheep, we selected breeds that were intelligent, obedient  and had some pre-existing talent to herd, which is useful for anim
als who hunt in packs. The  enormous distended udders of dairy cattle are the result of a human interest in milk and  cheese. O
ur corn, or maize, has been bred for ten thousand generations to be more tasty and  nutritious than its scrawny ancestors; inde
ed, it is so changed that it cannot even  reproduce without human intervention. 

The essence of artificial selection - for a Heike crab, a dog, a cow or an ear of  corn - is this: Many physical and behavioral
 traits of plants and animals are inherited.  They breed true. Humans, for whatever reason, encourage the reproduction of some 
varieties  and discourage the reproduction of others. The variety selected for preferentially  reproduces; it eventually become
s abundant; the variety selected against becomes rare and  perhaps extinct. 

But if humans can make new varieties of plants and animals, must not nature do so  also? This related process is called natural
 selection. That life has changed fundamentally  over the aeons is entirely clear from the alterations we have made in the beas
ts and  vegetables during the short tenure of humans on Earth, and from the fossil evidence. The  fossil record speaks to us un
ambiguously of creatures that once were present in enormous  numbers and that have now vanished utterly.* Far more species have
 become extinct in the  history of the Earth than exist today; they are the terminated experiments of evolution.



* Although traditional Western religious opinion stoutly maintained the contrary, as  for example, the 1770 opinion of John Wes
ley: .Death is never permitted to destroy [even]  the most inconsiderable species..

      The genetic changes induced by domestication have occurred very rapidly. The rabbit  was not domesticated until early med
ieval times (it was bred by French monks in the belief  that new-born bunnies were fish and therefore exempt from the prohibiti
ons against eating  meat on certain days in the Church calendar); coffee in the fifteenth century; the sugar  beet in the ninet
eenth century; and the mink is still in the earliest stages of  domestication. In less than ten thousand years, domestication h
as increased the weight of  wool grown by sheep from less than one kilogram of rough hairs to ten or twenty kilograms of  unifo
rm, fine down; or the volume of milk given by cattle during a lactation period from a  few hundred to a million cubic centimete
rs. If artificial selection can make such major  changes in so short a period of time, what must natural selection, working ove
r billions of  years, be capable of? The answer is all the beauty and diversity of the biological world.  Evolution is a fact, 
not a t
heory. 

That the mechanism of evolution is natural selection is the great discovery  associated with the names of Charles Darwin and Al
fred Russel Wallace. More than a century  ago, they stressed that nature is prolific, that many more animals and plants are bor
n than  can possibly survive and that therefore the environment selects those varieties which are,  by accident, better suited 
for survival. Mutations - sudden changes in heredity - breed  true. They provide the raw material of evolution. The environment
 selects those few  mutations that enhance survival, resulting in a series of slow transformations of one  lifeform into anothe
r, the origin of new species.*



* In the Mayan holy book the Popol Vuh, the various forms of life are described as  unsuccessful attempts by gods with a predil
ection for experiment to make people. Early tries  were far off the mark, creating the lower animals; the penultimate attempt, 
a near miss,  made the monkeys. In Chinese myth, human beings arose from the body lice of a god named P.an  Ku. In the eighteen
th century, de Buffon proposed that the Earth was much older than  Scripture suggested, that the forms of life somehow changed 
slowly over the millennia, but  that the apes were the forlorn descendants of people. While these notions do not precisely  ref
lect the evolutionary process described by Darwin and Wallace, they are anticipations of  it - as are the views of Democritus, 
Empedocles and other early Ionian scientists who are  discussed in Chapter 7.



Darwin.s words in The Origin of Species were:

Man does not actually produce variability; he only unintentionally exposes organic beings to  new conditions of life, and then 
Nature acts on the organisation, and causes variability.  But man can and does select the variations given to him by Nature, an
d thus accumulate them  in any desired manner. He thus adapts animals and plants for his own benefit or pleasure. He  may do th
is methodically, or he may do it unconsciously by preserving the individuals most  useful to him at the time, without any thoug
ht of altering the breed .... There is no  obvious reason why the principles which have acted so efficiently under domesticatio
n should  not have acted under Nature . . . . More individuals are born than can possibly survive . .  . . The slightest advant
age in one being, of any age or during any season, over those with  which it comes into competition, or better adaptation in ho
wever slight a degree to the  surrounding physical conditions, will turn the balance.

T. H. Huxley, the most effective nineteenth-century defender and popularizer of evolution,  wrote that the publications of Darw
in and Wallace were a .flash of light, which to a man who  has lost himself in a dark night, suddenly reveals a road which, whe
ther it takes him  straight home or not, certainly goes his way .... My reflection, when I first made myself  master of the cen
tral idea of the .Origin of Species,. was, .How extremely stupid not to  have thought of that!. I suppose that Columbus. compan
ions said much the same .... The facts  of variability, of the struggle for existence, of adaptation to conditions, were notori
ous  enough; but none of us had suspected that the road to the heart of the species problem lay  through them, until Darwin and
 Wallace dispelled the darkness.. 

Many people were scandalized - some still are - at both ideas, evolution and natural  selection. Our ancestors looked at the el
egance of life on Earth, at how appropriate the  structures of organisms are to their functions, and saw evidence for a Great D
esigner. The  simplest one-celled organism is a far more complex machine than the finest pocket watch. And  yet pocket watches 
do not spontaneously self-assemble, or evolve, in slow stages, on their  own, from, say, grandfather clocks. A watch implies a 
watchmaker. There seemed to be no way  in which atoms and molecules could somehow spontaneously fall together to create organis
ms  of such awesome complexity and subtle functioning as grace every region of the Earth. That  each living thing was specially
 designed, that one species did not become another, were  notions perfectly consistent with what our ancestors with their limit
ed historical records  knew about life. The idea that every organism was meticulously constructed by a Great  Designer provided
 a sign
ificance and order to nature and an importance to human beings that  we crave still. A Designer is a natural, appealing and alt
ogether human explanation of the  biological world. But, as Darwin and Wallace showed, there is another way, equally  appealing
, equally human, and far more compelling: natural selection, which makes the music  of life more beautiful as the aeons pass. 


The fossil evidence could be consistent with the idea of a Great Designer; perhaps  some species are destroyed when the Designe
r becomes dissatisfied with them, and new  experiments are attempted on an improved design. But this notion is a little disconc
erting.  Each plant and animal is exquisitely made; should not a supremely competent Designer have  been able to make the inten
ded variety from the start? The fossil record implies trial and  error, an inability to anticipate the future, features inconsi
stent with an efficient Great  Designer (although not with a Designer of a more remote and indirect temperament). 

When I was a college undergraduate in the early 1950.s, I was fortunate enough to  work in the laboratory of H. J. Muller, a gr
eat geneticist and the man who discovered that  radiation produces mutations. Muller was the person who first called my attenti
on to the  Heike crab as an example of artificial selection. To learn the practical side of genetics, I  spent many months work
ing with fruit flies, Drosophila melanogaster (which means the  black-bodied dew-lover) - tiny benign beings with two wings and
 big eyes. We kept them in  pint milk bottles. We would cross two varieties to see what new forms emerged from the  rearrangeme
nt of the parental genes, and from natural and induced mutations. The females  would deposit their eggs on a kind of molasses t
he technicians placed inside the bottles;  the bottles were stoppered; and we would wait two weeks for the fertilized eggs to b
ecome  larvae, the larvae pupae, and the pupae to emerge as new adult fruit flies. 

One day I was looking through a low-power binocular microscope at a newly arrived  batch of adult Drosophila immobilized with a
 little ether, and was busily separating the  different varieties with a camel.s-hair brush. To my astonishment, I came upon so
mething  very different: not a small variation such as red eyes instead of white, or neck bristles  instead of no neck bristles
. This was another, and very well-functioning, kind of creature  with much more prominent wings and long feathery antennae. Fat
e had arranged, I concluded,  that an example of a major evolutionary change in a single generation, the very thing Muller  had
 said could never happen, should take place in his own laboratory. It was my unhappy task  to explain it to him. 

With heavy heart I knocked on his office door. .Come in,. came the muffled cry. I  entered to discover the room darkened except
 for a single small lamp illuminating the stage  of the microscope at which he was working. In these gloomy surroundings I stum
bled through  my explanation. I had found a very different kind of fly. I was sure it had emerged from one  of the pupae in the
 molasses. I didn.t mean to disturb Muller but... .Does it look more like  Lepidoptera than Diptera?. he asked, his face illumi
nated from below. I didn.t know what  this meant, so he had to explain: .Does it have big wings? Does it have feathery antennae
?.  I glumly nodded assent. 

Muller switched on the overhead light and smiled benignly. It was an old story.  There was a kind of moth that had adapted to D
rosphila genetics laboratories. It was nothing  like a fruit fly and wanted nothing to do with fruit flies. What it wanted was 
the fruit  flies. molasses. In the brief time that the laboratory technician took to unstopper and  stopper the milk bottle - f
or example, to add fruit flies - the mother moth made a  dive-bombing pass, dropping her eggs on the run into the tasty molasse
s. I had not  discovered a macro-mutation. I had merely stumbled upon another lovely adaptation in nature,  itself the product 
of micromutation and natural selection. 

The secrets of evolution are death and time - the deaths of enormous numbers of  lifeforms that were imperfectly adapted to the
 environment; and time for a long succession  of small mutations that were by accident adaptive, time for the slow accumulation
 of  patterns of favorable mutations. Part of the resistance to Darwin and Wallace derives from  our difficulty in imagining th
e passage of the millennia, much less the aeons. What does  seventy million years mean to beings who live only one-millionth as
 long? We are like  butterflies who flutter for a day and think it is forever.

What happened here on Earth may be more or less typical of the evolution of life on many  worlds; but in such details as the ch
emistry of proteins or the neurology of brains, the  story of life on Earth may be unique in all the Milky Way Galaxy. The Eart
h condensed out of  interstellar gas and dust some 4.6 billion years ago. We know from the fossil record that  the origin of li
fe happened soon after, perhaps around 4.0 billion years ago, in the ponds  and oceans of the primitive Earth. The first living
 things were not anything so complex as a  one-celled organism, already a highly sophisticated form of life. The first stirring
s were  much more humble. In those early days, lightning and ultraviolet light from the Sun were  breaking apart the simple hyd
rogen-rich molecules of the primitive atmosphere, the fragments  spontaneously recombining into more and more complex molecules
. The products of this early  chemistry were dissolved in the oceans, forming a kind of organic soup of gradually  increasing c
omplexi
ty, until one day, quite by accident, a molecule arose that was able to  make crude copies of itself, using as building blocks 
other molecules in the soup. (We will  return to this subject later.) 

This was the earliest ancestor of deoxyribonucleic acid, DNA, the master molecule of  life on Earth. It is shaped like a ladder
 twisted into a helix, the rungs available in four  different molecular parts, which constitute the four letters of the genetic
 code. These  rungs, called nucleotides, spell out the hereditary instructions for making a given  organism. Every lifeform on 
Earth has a different set of instructions, written out in  essentially the same language. The reason organisms are different is
 the differences in  their nucleic acid instructions. A mutation is a change in a nucleotide, copied in the next  generation, w
hich breeds true. Since mutations are random nucleotide changes, most of them  are harmful or lethal, coding into existence non
functional enzymes. It is a long wait before  a mutation makes an organism work better. And yet it is that improbable event, a 
small  beneficial mutation in a nucleotide a ten-millionth of a centimeter across, that makes  evolution go. 

Four billion years ago, the Earth was a molecular Garden of Eden. There were as yet  no predators. Some molecules reproduced th
emselves inefficiently, competed for building  blocks and left crude copies of themselves. With reproduction, mutation and the 
selective  elimination of the least efficient varieties, evolution was well under way, even at the  molecular level. As time we
nt on, they got better at reproducing. Molecules with specialized  functions eventually joined together, making a kind of molec
ular collective - the first  cell. Plant cells today have tiny molecular factories, called chloroplasts, which are in  charge o
f photosynthesis - the conversion of sunlight, water and carbon dioxide into  carbohydrates and oxygen. The cells in a drop of 
blood contain a different sort of molecular  factory, the mitochondrion, which combines food with oxygen to extract useful ener
gy. These  factories exist in plant and animal cells today but may once themselves have been  free-living cells. 

By three billion years ago, a number of one-celled plants had joined together,  perhaps because a mutation prevented a single c
ell from separating after splitting in two.  The first multicellular organisms had evolved. Every cell of your body is a kind o
f commune,  with once free-living parts all banded together for the common good. And you are made of a  hundred trillion cells.
 We are, each of us, a multitude. 

Sex seems to have been invented around two billion years ago. Before then, new  varieties of organisms could arise only from th
e accumulation of random mutations - the  selection of changes, letter by letter, in the genetic instructions. Evolution must h
ave  been agonizingly slow. With the invention of sex, two organisms could exchange whole  paragraphs, pages and books of their
 DNA code, producing new varieties ready for the sieve  of selection. Organisms are selected to engage in sex - the ones that f
ind it uninteresting  quickly become extinct. And this is true not only of the microbes of two billion years ago.  We humans al
so have a palpable devotion to exchanging segments of DNA today. 

By one billion years ago, plants, working cooperatively, had made a stunning change  in the environment of the Earth. Green pla
nts generate molecular oxygen. Since the oceans  were by now filled with simple green plants, oxygen was becoming a major const
ituent of the  Earth.s atmosphere, altering it irreversibly from its original hydrogen-rich character and  ending the epoch of 
Earth history when the stuff of life was made by nonbiological  processes. But oxygen tends to make organic molecules fall to p
ieces. Despite our fondness  for it, it is fundamentally a poison for unprotected organic matter. The transition to an  oxidizi
ng atmosphere posed a supreme crisis in the history of life, and a great many  organisms, unable to cope with oxygen, perished.
 A few primitive forms, such as the botulism  and tetanus bacilli, manage to survive even today only in oxygen-free environment
s. The  nitrogen in the Earth.s atmosphere is much more chemically inert and therefore much more  benign than oxygen. But it, t
oo, is 
biologically sustained. Thus, 99 percent of the Earth.s  atmosphere is of biological origin. The sky is made by life. 

For most of the four billion years since the origin of life, the dominant organisms  were microscopic blue-green algae, which c
overed and filled the oceans. Then some 600  million years ago, the monopolizing grip of the algae was broken and an enormous  
proliferation of new lifeforms emerged, an event called the Cambrian explosion. Life had  arisen almost immediately after the o
rigin of the Earth, which suggests that life may be an  inevitable chemical process on an Earth-like planet. But life did not e
volve much beyond  blue-green algae for three billion years, which suggests that large lifeforms with  specialized organs are h
ard to evolve, harder even than the origin of life. Perhaps there  are many other planets that today have abundant microbes but
 no big beasts and vegetables. 

Soon after the Cambrian explosion, the oceans teemed with many different forms of  life. By 500 million years ago there were va
st herds of trilobites, beautifully constructed  animals, a little like large insects; some hunted in packs on the ocean floor.
 They stored  crystals in their eyes to detect polarized light. But there are no trilobites alive today;  there have been none 
for 200 million years. The Earth used to be inhabited by plants and  animals of which there is today no living trace. And of co
urse every species now on the  planet once did not exist. There is no hint in the old rocks of animals like us. Species  appear
, abide more or less briefly and then flicker out. 

Before the Cambrian explosion species seem to have succeeded one another rather  slowly. In part this may be because the richne
ss of our information declines rapidly the  farther into the past we peer; in the early history of our planet, few organisms ha
d hard  parts and soft beings leave few fossil remains. But in part the sluggish rate of appearance  of dramatically new forms 
before the Cambrian explosion is real; the painstaking evolution  of cell structure and biochemistry is not immediately reflect
ed in the external forms  revealed by the fossil record. After the Cambrian explosion, exquisite new adaptations  followed one 
another with comparatively breathtaking speed. In rapid succession, the first  fish and the first vertebrates appeared; plants,
 previously restricted to the oceans, began  the colonization of the land; the first insect evolved, and its descendants became
 the  pioneers in the colonization of the land by animals; winged insects arose together with the  amphibians, creatures someth
ing lik
e the lungfish, able to survive both on land and in the  water; the first trees and the first reptiles appeared; the dinosaurs 
evolved; the mammals  emerged, and then the first birds; the first flowers appeared; the dinosaurs became extinct;  the earlies
t cetaceans, ancestors to the dolphins and whales, arose and in the same period  the primates - the ancestors of the monkeys, t
he apes and the humans. Less than ten million  years ago, the first creatures who closely resembled human beings evolved, accom
panied by a  spectacular increase in brain size. And then, only a few million years ago, the first true  humans emerged. 

Human beings grew up in forests; we have a natural affinity for them. How lovely a  tree is, straining toward the sky. Its leav
es harvest sunlight to photosynthesize, so trees  compete by shadowing their neighbors. If you look closely you can often see t
wo trees  pushing and shoving with languid grace. Trees are great and beautiful machines, powered by  sunlight, taking in water
 from the ground and carbon dioxide from the air, converting these  materials into food for their use and ours. The plant uses 
the carbohydrates it makes as an  energy source to go about its planty business. And we animals, who are ultimately parasites  
on the plants, steal the carbohydrates so we can go about our business. In eating the plants  we combine the carbohydrates with
 oxygen dissolved in our blood because of our penchant for  breathing air, and so extract the energy that makes us go. In the p
rocess we exhale carbon  dioxide, which the plants then recycle to make more carbohydrates. What a marvelous  cooperative arran
gement 
- plants and animals each inhaling the other.s exhalations, a kind  of planet-wide mutual mouth-to-stoma resuscitation, the ent
ire elegant cycle powered by a  star 150 million kilometers away. 

There are tens of billions of known kinds of organic molecules. Yet only about fifty  of them are used for the essential activi
ties of life. The same patterns are employed over  and over again, conservatively, ingeniously for different functions. And at 
the very heart  of life on Earth the proteins that control cell chemistry, and the nucleic acids that carry  the hereditary ins
tructions - we find these molecules to be essentially identical in all the  plants and animals. An oak tree and I are made of t
he same stuff. If you go far enough back,  we have a common ancestor. 

The living cell is a regime as complex and beautiful as the realm of the galaxies  and the stars. The elaborate machinery of th
e cell has been painstakingly evolved over four  billion years. Fragments of food are transmogrified into cellular machinery. T
oday.s white  blood cell is yesterday.s creamed spinach. How does the cell do it? Inside is a labyrinthine  and subtle architec
ture that maintains its own structure, transforms molecules, stores  energy and prepares for self-replication. If we could ente
r a cell, many of the molecular  specks we would see would be protein molecules, some in frenzied activity, others merely  wait
ing. The most important proteins are enzymes, molecules that control the cell.s chemical  reactions. Enzymes are like assembly-
line workers, each specializing in a particular  molecular job: Step 4 in the construction of the nucleotide guanosine phosphat
e, say, or  Step 11 in the dismantling of a molecule of sugar to extract energy, the currency that pays  for getting the other 
cellula
r jobs done. But the enzymes do not run the show. They receive  their instructions - and are in fact themselves constructed - o
n orders sent from those in  charge. The boss molecules are the nucleic acids. They live sequestered in a forbidden city  in th
e deep interior, in the nucleus of the cell. 

If we plunged through a pore into the nucleus of the cell, we would find something  that resembles an explosion in a spaghetti 
factory - a disorderly multitude of coils and  strands, which are the two kinds of nucleic acids: DNA, which knows what to do, 
and RNA,  which conveys the instructions issued by DNA to the rest of the cell. These are the best  that four billion years of 
evolution could produce, containing the full complement of  information on how to make a cell, a tree or a human work. The amou
nt of information in  human DNA, if written out in ordinary language, would occupy a hundred thick volumes. What  is more, the 
DNA molecules know how to make, with only very rare exceptions, identical  copies of themselves. They know extraordinarily much


DNA is a double helix, the two intertwined strands resembling a .spiral. staircase.  It is the sequence or ordering of the nucl
eotides along either of the constituent strands  that is the language of life. During reproduction, the helices separate, assis
ted by a  special unwinding protein, each synthesizing an identical copy of the other from nucleotide  building blocks floating
 about nearby in the viscous liquid of the cell nucleus. Once the  unwinding is underway, a remarkable enzyme called DNA polyme
rase helps ensure that the  copying works almost perfectly. If a mistake is made, there are enzymes which snip the  mistake out
 and replace the wrong nucleotide by the right one. These enzymes are a molecular  machine with awesome powers. 

In addition to making accurate copies of itself - which is what heredity is about -  nuclear DNA directs the activities of the 
cell - which is what metabolism is about - by  synthesizing another nucleic acid called messenger RNA, each of which passes to 
the  extranuclear provinces and there controls the construction, at the right time, in the right  place, of one enzyme. When al
l is done, a single enzyme molecule has been produced, which  then goes about ordering one particular aspect of the chemistry o
f the cell. 

Human DNA is a ladder a billion nucleotides long. Most possible combinations of  nucleotides are nonsense: they would cause the
 synthesis of proteins that perform no useful  function. Only an extremely limited number of nucleic acid molecules are any goo
d for  lifeforms as complicated as we. Even so, the number of useful ways of putting nucleic acids  together is stupefyingly la
rge - probably far greater than the total number of electrons and  protons in the universe. Accordingly, the number of possible
 individual human beings is  vastly greater than the number that have ever lived: the untapped potential of the human  species 
is immense. There must be ways of putting nucleic acids together that will function  far better - by any criterion we choose - 
than any human being who has ever lived.  Fortunately, we do not yet know how to assemble alternative sequences of nucleotides 
to make  alternative kinds of human beings. In the future we may well be able to assemble nucleotides  in any desired sequence,
 to pro
duce whatever characteristics we think desirable - a sobering  and disquieting prospect. 

Evolution works through mutation and selection. Mutations might occur during  replication if the enzyme DNA polymerase makes a 
mistake. But it rarely makes a mistake.  Mutations also occur because of radioactivity or ultraviolet light from the Sun or cos
mic  rays or chemicals in the environment, all of which can change the nucleotides or tie the  nucleic acids up in knots. If th
e mutation rate is too high, we lose the inheritance of four  billion years of painstaking evolution. If it is too low, new var
ieties will not be  available to adapt to some future change in the environment. The evolution of life requires  a more or less
 precise balance between mutation and selection. When that balance is  achieved, remarkable adaptations occur. 

A change in a single DNA nucleotide causes a change in a single amino acid in the  protein for which that DNA codes. The red bl
ood cells of people of European descent look  roughly globular. The red blood cells of some people of African descent look like
 sickles or  crescent moons. Sickle cells carry less oxygen and consequently transmit a kind of anemia.  They also provide majo
r resistance against malaria. There is no question that it is better  to be anemic than to be dead. This major influence on the
 function of the blood - so  striking as to be readily apparent in photographs of red blood cells - is the result of a  change 
in a single nucleotide out of the ten billion in the DNA of a typical human cell. We  are still ignorant of the consequences of
 changes in most of the other nucleotides. 

We humans look rather different than a tree. Without a doubt we perceive the world  differently than a tree does. But down deep
, at the molecular heart of life, the trees and  we are essentially identical. We both use nucleic acids for heredity; we both 
use proteins  as enzymes to control the chemistry of our cells. Most significantly, we both use precisely  the same code book f
or translating nucleic acid information into protein information, as do  virtually all the other creatures on the planet.* The 
usual explanation of this molecular  unity is that we are, all of us - trees and people, angler fish and slime molds and  param
ecia - descended from a single and common instance of the origin of life in the early  history of our planet. How did the criti
cal molecules then arise?

       * The genetic code turns out to be not quite identical in all parts of all organisms  on the Earth. At least a few cases
 are known where the transcription from DNA information  into protein information in a mitochondrion employs a different code b
ook from that used by  the genes in the nucleus of the very same cell. This points to a long evolutionary  separation of the ge
netic codes of mitochondria and nuclei, and is consistent with the idea  that mitochondria were once free-living organisms inco
rporated into the cell in a symbiotic  relationship billions of years ago. The development and emerging sophistication of that 
 symbiosis is, incidentally, one answer to the question of what evolution was doing between  the origin of the cell and the pro
liferation of many-celled organisms in the Cambrian  explosion.



In my laboratory at Cornell University we work on, among other things, prebiological  organic chemistry, making some notes of t
he music of life. We mix together and spark the  gases of the primitive Earth: hydrogen, water, ammonia, methane, hydrogen sulf
ide - all  present, incidentally, on the planet Jupiter today and throughout the Cosmos. The sparks  correspond to lightning - 
also present on the ancient Earth and on modern Jupiter. The  reaction vessel is initially transparent: the precursor gases are
 entirely invisible. But  after ten minutes of sparking, we see a strange brown pigment slowly streaking the sides of  the vess
el. The interior gradually becomes opaque, covered with a thick brown tar. If we had  used ultraviolet light - simulating the e
arly Sun - the results would have been more or less  the same. The tar is an extremely rich collection of complex organic molec
ules, including  the constituent parts of proteins and nucleic acids. The stuff of life, it turns out, can be  very easily made


Such experiments were first performed in the early 1950.s by Stanley Miller, then a  graduate student of the chemist Harold Ure
y. Urey had argued compellingly that the early  atmosphere of the Earth was hydrogen-rich, as is most of the Cosmos; that the h
ydrogen has  since trickled away to space from Earth, but not from massive Jupiter; and that the origin  of life occurred befor
e the hydrogen was lost. After Urey suggested that such gases be  sparked, someone asked him what he expected to make in such a
n experiment. Urey replied,  .Beilstein.. Beilstein is the massive German compendium in 28 volumes, listing all the  organic mo
lecules known to chemists. 

Using only the most abundant gases that were present on the early Earth and almost  any energy source that breaks chemical bond
s, we can produce the essential building blocks  of life. But in our vessel are only the notes of the music of life - not the m
usic itself.  The molecular building blocks must be put together in the correct sequence. Life is  certainly more than the amin
o acids that make up its proteins and the nucleotides that make  up its nucleic acids. But even in ordering these building bloc
ks into long-chain molecules,  there has been substantial laboratory progress. Amino acids have been assembled under  primitive
 Earth conditions into molecules resembling proteins. Some of them feebly control  useful chemical reactions, as enzymes do. Nu
cleotides have been put together into strands of  nucleic acid a few dozen units long. Under the right circumstances in the tes
t tube, short  nucleic acids can synthesize identical copies of themselves. 

No one has so far mixed together the gases and waters of the primitive Earth and at  the end of the experiment had something cr
awl out of the test tube. The smallest living  things known, the viroids, are composed of less than 10,000 atoms. They cause se
veral  different diseases in cultivated plants and have probably most recently evolved from more  complex organisms rather than
 from simpler ones. Indeed, it is hard to imagine a still  simpler organism that is in any sense alive. Viroids are composed ex
clusively of nucleic  acid, unlike the viruses, which also have a protein coat. They are no more than a single  strand of RNA w
ith either a linear or a closed circular geometry. Viroids can be so small  and still thrive because they are thoroughgoing, un
remitting parasites. Like viruses, they  simply take over the molecular machinery of a much larger, well-functioning cell and c
hange  it from a factory for making more cells into a factory for making more viroids. 

The smallest known free-living organisms are the PPLO (pleuropneumonia-like  organisms) and similar small beasts. They are comp
osed of about fifty million atoms. Such  organisms, having to be more self-reliant, are also more complicated than viroids and 
 viruses. But the environment of the Earth today is not extremely favorable for simple forms  of life. You have to work hard to
 make a living. You have to be careful about predators. In  the early history of our planet, however, when enormous amounts of 
organic molecules were  being produced by sunlight in a hydrogen-rich atmosphere, very simple, nonparasitic  organisms had a fi
ghting chance. The first living things may have been something like  free-living viroids only a few hundred nucleotides long. E
xperimental work on making such  creatures from scratch may begin by the end of the century. There is still much to be  underst
ood about the origin of life, including the origin of the genetic code. But we have  been performing such experiments for only 
some th
irty years. Nature has had a  four-billion-year head start. All in all, we have not done badly. 

Nothing in such experiments is unique to the Earth. The initial gases, and the  energy sources, are common throughout the Cosmo
s. Chemical reactions like those in our  laboratory vessels may be responsible for the organic matter in interstellar space and
 the  amino acids found in meteorites. Some similar chemistry must have occurred on a billion  other worlds in the Milky Way Ga
laxy. The molecules of life fill the Cosmos. 

But even if life on another planet has the same molecular chemistry as life here,  there is no reason to expect it to resemble 
familiar organisms. Consider the enormous  diversity of living things on Earth, all of which share the same planet and an ident
ical  molecular biology. Those other beasts and vegetables are probably radically different from  any organism we know here. Th
ere may be some convergent evolution because there may be only  one best solution to a certain environmental problem - somethin
g like two eyes, for example,  for binocular vision at optical frequencies. But in general the random character of the  evoluti
onary process should create extraterrestrial creatures very different from any that  we know. 

I cannot tell you what an extraterrestrial being would look like. I am terribly  limited by the fact that I know only one kind 
of life, life on Earth. Some people - science  fiction writers and artists, for instance - have speculated on what other beings
 might be  like. I am skeptical about most of those extraterrestrial visions. They seem to me to rely  too much on forms of lif
e we already know. Any given organism is the way it is because of a  long series of individually unlikely steps. I do not think
 life anywhere else would look  very much like a reptile, or an insect or a human - even with such minor cosmetic  adjustments 
as green skin, pointy ears and antennae. But if you pressed me, I could try to  imagine something rather different. 

On a giant gas planet like Jupiter, with an atmosphere rich in hydrogen, helium,  methane, water and ammonia, there is no acces
sible solid surface, but rather a dense cloudy  atmosphere in which organic molecules may be falling from the skies like manna 
from heaven,  like the products of our laboratory experiments. However, there is a characteristic  impediment to life on such a
 planet: the atmosphere is turbulent, and down deep it is very  hot. An organism must be careful that it is not carried down an
d fried. 

To show that life is not out of the question in such a very different planet, my  Cornell colleague E. E. Salpeter and I have m
ade some calculations. Of course, we cannot  know precisely what life would be like in such a place, but we wanted to see if, w
ithin the  laws of physics and chemistry, a world of this sort could possibly be inhabited. 

One way to make a living under these conditions is to reproduce before you are fried  and hope that convection will carry some 
of your offspring to the higher and cooler layers  of the atmosphere. Such organisms could be very little. We call them sinkers
. But you could  also be a floater, some vast hydrogen balloon pumping helium and heavier gases out of its  interior and leavin
g only the lightest gas, hydrogen; or a hot-air balloon, staying buoyant  by keeping your interior warm, using energy acquired 
from the food you eat. Like familiar  terrestrial balloons, the deeper a floater is carried, the stronger is the buoyant force 
 returning it to the higher, cooler, safer regions of the atmosphere. A floater might eat  preformed organic molecules, or make
 its own from sunlight and air, somewhat as plants do on  Earth. Up to a point, the bigger a floater is, the more efficient it 
will be. Salpeter and I  imagined floaters kilometers across, enormously larger than the greatest whale that ever  was, beings 
the siz
e of cities. 

The floaters may propel themselves through the planetary atmosphere with gusts of  gas, like a ramjet or a rocket. We imagine t
hem arranged in great lazy herds for as far as  the eye can see, with patterns on their skin, an adaptive camouflage implying t
hat they have  problems, too. Because there is at least one other ecological niche in such an environment:  hunting. Hunters ar
e fast and maneuverable. They eat the floaters both for their organic  molecules and for their store of pure hydrogen. Hollow s
inkers could have evolved into the  first floaters, and self-propelled floaters into the first hunters. There cannot be very  m
any hunters, because if they consume all the floaters, the hunters themselves will perish. 

Physics and chemistry permit such lifeforms. Art endows them with a certain charm.  Nature, however, is not obliged to follow o
ur speculations. But if there are billions of  inhabited worlds in the Milky Way Galaxy, perhaps there will be a few populated 
by the  sinkers, floaters and hunters which our imaginations, tempered by the laws of physics and  chemistry, have generated. 


Biology is more like history than it is like physics. You have to know the past to  understand the present. And you have to kno
w it in exquisite detail. There is as yet no  predictive theory of biology, just as there is not yet a predictive theory of his
tory. The  reasons are the same: both subjects are still too complicated for us. But we can know  ourselves better by understan
ding other cases. The study of a single instance of  extraterrestrial life, no matter how humble, will deprovincialize biology.
 For the first  time, the biologists will know what other kinds of life are possible. When we say the search  for life elsewher
e is important, we are not guaranteeing that it will be easy to find - only  that it is very much worth seeking. 

We have heard so far the voice of life on one small world only. But we have at last  begun to listen for other voices in the co
smic fugue.

CHAPTER III

The Harmony of Worlds

Do you know the ordinances of the heavens? Can you establish their rule on Earth? - The Book of Job

All welfare and adversity that come to man and other creatures come through the Seven and  the Twelve. Twelve Signs of the Zodi
ac, as the Religion says, are the twelve commanders on  the side of light; and the seven planets are said to be the seven comma
nders on the side of  darkness. And the seven planets oppress all creation and deliver it over to death and all  manner of evil
: for the twelve signs of the Zodiac and the seven planets rule the fate of  the world. - The late Zoroastrian book, the Menok 
i Xrat

To tell us that every species of thing is endowed with an occult specific quality by which  it acts and produces manifest effec
ts, is to tell us nothing; but to derive two or three  general principles of motion from phenomena, and afterwards to tell us h
ow the properties  and actions of all corporeal things follow from those manifest principles, would be a very  great step. - Is
aac Newton, Optics

We do not ask for what useful purpose the birds do sing, for song is their pleasure since  they were created for singing. Simil
arly, we ought not to ask why the human mind troubles to  fathom the secrets of the heavens . . . The diversity of the phenomen
a of Nature is so  great, and the treasures hidden in the heavens so rich, precisely in order that the human  mind shall never 
be lacking in fresh nourishment. - Johannes Kepler, Mysterium Cosmographicum

If we lived on a planet where nothing ever changed, there would be little to do. There would  be nothing to figure out. There w
ould be no impetus for science. And if we lived in an  unpredictable world, where things changed in random or very complex ways
, we would not be  able to figure things out. Again, there would be no such thing as science. But we live in an  in-between uni
verse, where things change, but according to patterns, rules, or, as we call  them, laws of nature. If I throw a stick up in th
e air, it always falls down. If the sun  sets in the west, it always rises again the next morning in the east. And so it become
s  possible to figure things out. We can do science, and with it we can improve our lives. 

Human beings are good at understanding the world. We always have been. We were able  to hunt game or build fires only because w
e had figured something out. There was a time  before television, before motion pictures, before radio, before books. The great
est part of  human existence was spent in such a time. Over the dying embers of the campfire, on a  moonless night, we watched 
the stars. 

The night sky is interesting. There are patterns there. Without even trying, you can  imagine pictures. In the northern sky, fo
r example, there is a pattern, or constellation,  that looks a little ursine. Some cultures call it the Great Bear. Others see 
quite different  images. These pictures are not, of course, really in the night sky; we put them there  ourselves. We were hunt
er folk, and we saw hunters and dogs, bears and young women, all  manner of things of interest to us. When seventeenth-century 
European sailors first saw the  southern skies they put objects of seventeenth century interest in the heavens - toucans and  p
eacocks, telescopes and microscopes, compasses and the sterns of ships. If the  constellations had been named in the twentieth 
century, I suppose we would see bicycles and  refrigerators in the sky, rock-and-roll .stars. and perhaps even mushroom clouds 
- a new set  of human hopes and fears placed among the stars. 

Occasionally our ancestors would see a very bright star with a tail, glimpsed for  just a moment, hurtling across the sky. They
 called it a falling star, but it is not a good  name: the old stars are still there after the falling star falls. In some seas
ons there are  many falling stars; in others very few. There is a kind of regularity here as well. 

Like the Sun and the Moon, stars always rise in the east and set in the west, taking  the whole night to cross the sky if they 
pass overhead. There are different constellations  in different seasons. The same constellations always rise at the beginning o
f autumn, say.  It never happens that a new constellation suddenly rises out of the east. There is an order,  a predictability,
 a permanence about the stars. In a way, they are almost comforting. 

Certain stars rise just before or set just after the Sun - and at times and  positions that vary with the seasons. If you made 
careful observations of the stars and  recorded them over many years, you could predict the seasons. You could also measure the
  time of year by noting where on the horizon the Sun rose each day. In the skies was a great  calendar, available to anyone wi
th dedication and ability and the means to keep records. 

Our ancestors built devices to measure the passing of the seasons. In Chaco Canyon,  in New Mexico, there is a great roofless c
eremonial kiva or temple, dating from the eleventh  century. On June 21, the longest day of the year, a shaft of sunlight enter
s a window at  dawn and slowly moves so that it covers a special niche. But this happens only around June  21. I imagine the pr
oud Anasazi people, who described themselves as .The Ancient Ones,.  gathered in their pews every June 21, dressed in feathers 
and rattles and turquoise to  celebrate the power of the Sun. They also monitored the apparent motion of the Moon: the  twenty-
eight higher niches in the kiva may represent the number of days for the Moon to  return to the same position among the constel
lations. These people paid close attention to  the Sun and the Moon and the stars. Other devices based on similar ideas are fou
nd at Angkor  Wat in Cambodia; Stonehenge in England; Abu Simbel in Egypt; Chichén Itzá in Mexico; and the  Great Plains in Nor
th Amer
ica. 

Some alleged calendrical devices may just possibly be due to chance - an accidental  alignment of window and niche on June 21, 
say. But there are other devices wonderfully  different. At one locale in the American Southwest is a set of three upright slab
s which  were moved from their original position about 1,000 years ago. A spiral a little like a  galaxy has been carved in the
 rock. On June 21, the first day of summer, a dagger of  sunlight pouring through an opening between the slabs bisects the spir
al; and on December  21, the first day of winter, there are two daggers of sunlight that flank the spiral, a  unique applicatio
n of the midday sun to read the calendar in the sky. 

Why did people all over the world make such an effort to learn astronomy? We hunted  gazelles and antelope and buffalo whose mi
grations ebbed and flowed with the seasons. Fruits  and nuts were ready to be picked in some times but not in others. When we i
nvented  agriculture, we had to take care to plant and harvest our crops in the right season. Annual  meetings of far-flung nom
adic tribes were set for prescribed times. The ability to read the  calendar in the skies was literally a matter of life and de
ath. The reappearance of the  crescent moon after the new moon; the return of the Sun after a total eclipse; the rising of  the
 Sun in the morning after its troublesome absence at night were noted by people around  the world: these phenomena spoke to our
 ancestors of the possibility of surviving death. Up  there in the skies was also a metaphor of immortality. 

The wind whips through the canyons in the American Southwest, and there is no one to  hear it but us - a reminder of the 40,000
 generations of thinking men and women who preceded  us, about whom we know almost nothing, upon whom our civilization is based


As ages passed, people learned from their ancestors. The more accurately you knew  the position and movements of the Sun and Mo
on and stars, the more reliably you could  predict when to hunt, when to sow and reap, when to gather the tribes. As precision 
of  measurement improved, records had to be kept, so astronomy encouraged observation and  mathematics and the development of w
riting. 

But then, much later, another rather curious idea arose, an assault by mysticism and  superstition into what had been largely a
n empirical science. The Sun and stars controlled  the seasons, food, warmth. The Moon controlled the tides, the life cycles of
 many animals,  and perhaps the human menstrual* period - of central importance for a passionate species  devoted to having chi
ldren. There was another kind of object in the sky, the wandering or  vagabond stars called planets. Our nomadic ancestors must
 have felt an affinity for the  planets. Not counting the Sun and the Moon, you could see only five of them. They moved  agains
t the background of more distant stars. If you followed their apparent motion over  many months, they would leave one constella
tion, enter another, occasionally even do a kind  of slow loop-the-loop in the sky. Everything else in the sky had some real ef
fect on human  life. What must the influence of the planets be?



* The root of the word means .Moon..



In contemporary Western society, buying a magazine on astrology - at a newsstand,  say - is easy; it is much harder to find one
 on astronomy. Virtually every newspaper in  America has a daily column on astrology; there are hardly any that have even a wee
kly column  on astronomy. There are ten times more astrologers in the United States than astronomers. At  parties, when I meet 
people who do not know I am a scientist, I am sometimes asked, .Are you  a Gemini?. (chances of success, one in twelve), or .Wh
at sign are you?. Much more rarely am  I asked, .Have you heard that gold is made in supernova explosions?. or .When do you thi
nk  Congress will approve a Mars Rover?. 

Astrology contends that which constellation the planets are in at the moment of your  birth profoundly influences your future. 
A few thousand years ago, the idea developed that  the motions of the planets determined the fates of kings, dynasties, empires
. Astrologers  studied the motions of the planets and asked themselves what had happened the last time  that, say, Venus was ri
sing in the Constellation of the Goat; perhaps something similar  would happen this time as well. It was a subtle and risky bus
iness. Astrologers came to be  employed only by the State. In many countries it was a capital offense for anyone but the  offic
ial astrologer to read the portents in the skies: a good way to overthrow a regime was  to predict its downfall. Chinese court 
astrologers who made inaccurate predictions were  executed. Others simply doctored the records so that afterwards they were in 
perfect  conformity with events. Astrology developed into a strange combination of observations,  mathematics and careful recor
d-keepi
ng with fuzzy thinking and pious fraud. 

But if the planets could determine the destinies of nations, how could they avoid  influencing what will happen to me tomorrow?
 The notion of a personal astrology developed in  Alexandrian Egypt and spread through the Greek and Roman worlds about 2,000 y
ears ago. We  today can recognize the antiquity of astrology in words such as disaster, which is Greek for  .bad star,. influen
za, Italian for (astral) .influence.; mazeltov, Hebrew - and, ultimately,  Babylonian - for .good constellation,. or the Yiddis
h word shlamazel, applied to someone  plagued by relentless ill-fortune, which again traces to the Babylonian astronomical  lex
icon. According to Pliny, there were Romans considered sideratio, .planetstruck.. Planets  were widely thought to be a direct c
ause of death. Or consider consider: it means .with the  planets,. evidently the prerequisite for serious reflection. John Grau
nt compiled the  mortality statistics in the City of London in 1632. Among the terrible losses from infant  and childhood disea
ses and
 such exotic illnesses as .the rising of the lights. and .the  King.s evil,. we find that, of 9,535 deaths, 13 people succumbed
 to .planet,. more than died  of cancer. I wonder what the symptoms were. 

And personal astrology is with us still: consider two different newspaper astrology  columns published in the same city on the 
same day. For example, we can examine the New York  Post and the New York Daily News on September 21, 1979. Suppose you are a L
ibra - that is,  born between September 23 and October 22. According to the astrologer for the Post, .a  compromise will help e
ase tension.; useful, perhaps, but somewhat vague. According to the  Daily News.s astrologer, you must .demand more of yourself
,. an admonition that is also  vague but also different. These .predictions. are not predictions; rather they are pieces of  ad
vice - they tell what to do, not what will happen. Deliberately, they are phrased so  generally that they could apply to anyone
. And they display major mutual inconsistencies.  Why are they published as unapologetically as sports statistics and stock mar
ket reports? 

Astrology can be tested by the lives of twins. There are many cases in which one  twin is killed in childhood, in a riding acci
dent, say, or is struck by lightning, while the  other lives to a prosperous old age. Each was born in precisely the same place
 and within  minutes of the other. Exactly the same planets were rising at their births. If astrology  were valid, how could tw
o such twins have such profoundly different fates? It also turns out  that astrologers cannot even agree among themselves on wh
at a given horoscope means. In  careful tests, they are unable to predict the character and future of people they knew  nothing
 about except their time and place of birth.*



* Skepticism about astrology and related doctrines is neither new nor exclusive to  the West. For example, in the Essays on Idl
eness, written in 1332 by Tsurezuregusa Kenko, we  read: The Yin-Yang teachings (in Japan] have nothing to say on the subject o
f the Red Tongue Days.  Formerly people did not avoid these days, but of late - I wonder who is responsible for  starting this 
custom - people have taken to saying things such as, .An enterprise begun on a  Red Tongue Day will never see an end,. or, .Any
thing you say or do on a Red Tongue Day is  bound to come to naught: you lose what you.ve won, your plans are undone.. What non
sense! If  one counted the projects begun on carefully selected .lucky days. which came to nothing in  the end, they would prob
ably be quite as many as the fruitless enterprises begun on the Red  Tongue days.



There is something curious about the national flags of the planet Earth. The flag of  the United States has fifty stars; the So
viet Union and Israel, one each; Burma, fourteen;  Grenada and Venezuela, seven; China, five; Iraq, three; São Tomé a Príncipe,
 two; Japan,  Uruguay, Malawi, Bangladesh and Taiwan, the Sun; Brazil, a celestial sphere; Australia,  Western Samoa, New Zeala
nd and Papua New Guinea, the constellation of the Southern Cross;  Bhutan, the dragon pearl, symbol of the Earth; Cambodia, the
 Angkor Wat astronomical  observatory; India, South Korea and the Mongolian Peoples. Republic, cosmological symbols.  Many soci
alist nations display stars. Many Islamic countries display crescent moons. Almost  half of our national flags exhibit astronom
ical symbols. The phenomenon is transcultural,  non-sectarian, worldwide. It is also not restricted to our time: Sumerian cylin
der seals  from the third millennium B.C. and Taoist flags in prerevolutionary China displayed  constellations. Nations, I do n
ot doub
t, wish to embrace something of the power and  credibility of the heavens. We seek a connection with the Cosmos. We want to cou
nt in the  grand scale of things. And it turns out we are connected - not in the personal, small-scale  unimaginative fashion t
hat the astrologers pretend, but in the deepest ways, involving the  origin of matter, the habitability of the Earth, the evolu
tion and destiny of the human  species, themes to which we will return. 

Modern popular astrology runs directly back to Claudius Ptolemaeus, whom we call  Ptolemy, although he was unrelated to the kin
gs of the same name. He worked in the Library  of Alexandria in the second century. All that arcane business about planets asce
ndant in  this or that solar or lunar .house. or the .Age of Aquarius. comes from Ptolemy, who  codified the Babylonian astrolo
gical tradition. Here is a typical horoscope from Ptolemy.s  time, written in Greek on papyrus, for a little girl born in the y
ear 150: .The birth of  Philoe. The 10th year of Antoninus Caesar the lord, Phamenoth 15 to 16, first hour of the  night. Sun i
n Pisces, Jupiter and Mercury in Aries, Saturn in Cancer, Mars in Leo, Venus and  the Moon in Aquarius, horoscopus Capricorn.. 
The method of enumerating the months and the  years has changed much more over the intervening centuries than have the astrolog
ical  niceties. A typical excerpt from Ptolemy.s astrological book, the Tetrabiblos, reads:  .Saturn, if he is in the orient, m
akes hi
s subjects in appearance dark-skinned, robust,  black-haired, curly-haired, hairy-chested, with eyes of moderate size, of middl
ing stature,  and in temperament having an excess of the moist and cold.. Ptolemy believed not only that  behavior patterns wer
e influenced by the planet.s and the stars but also that questions of  stature, complexion, national character and even congeni
tal physical abnormalities were  determined by the stars. On this point modern astrologers seem to have adopted a more  cautiou
s position. 

But modern astrologers have forgotten about the precession of the equinoxes, which  Ptolemy understood. They ignore atmospheric
 refraction, about which Ptolemy wrote. They pay  almost no attention to all the moons and planets, asteroids and comets, quasa
rs and pulsars,  exploding galaxies, symbiotic stars, cataclysmic variables and X-ray sources that have been  discovered since 
Ptolemy.s time. Astronomy is a science - the study of the universe as it  is. Astrology is a pseudoscience - a claim, in the ab
sence of good evidence, that the other  planets affect our everyday lives. In Ptolemy.s time the distinction between astronomy 
and  astrology was not clear. Today it is. 

As an astronomer, Ptolemy named the stars, listed their brightnesses, gave good  reasons for believing that the Earth is a sphe
re, set down rules for predicting eclipses  and, perhaps most important, tried to understand why planets exhibit that strange, 
wandering  motion against the background of distant constellations. He developed a predictive model to  understand planetary mo
tions and decode the message in the skies. The study of the heavens  brought Ptolemy a kind of ecstasy. .Mortal as I am,. he wr
ote, .I know that I am born for a  day. But when I follow at my pleasure the serried multitude of the stars in their circular  
course, my feet no longer touch the Earth. . .. 

Ptolemy believed that the Earth was at the center of the universe; that the Sun,  Moon, planets and stars went around the Earth
. This is the most natural idea in the world.  The Earth seems steady, solid, immobile, while we can see the heavenly bodies ri
sing and  setting each day. Every culture has leaped to the geocentric hypothesis. As Johannes Kepler  wrote, .It is therefore 
impossible that reason not previously instructed should imagine  anything other than that the Earth is a kind of vast house wit
h the vault of the sky placed  on top of it; it is motionless and within it the Sun being so small passes from one region  to a
nother, like a bird wandering through the air.. But how do we explain the apparent  motion of the planets - Mars, for example, 
which had been known for thousands of years  before Ptolemy.s time? (One of the epithets given Mars by the ancient Egyptians wa
s  sekded-ef em khetkhet, which means .who travels backwards,. a clear reference to its  retrograde or loop-the-loop apparent m
otion.)
 

Ptolemy.s model of planetary motion can be represented by a little machine, like  those that, serving a similar purpose, existe
d in Ptolemy.s time.* The problem was to figure  out a .real. motion of the planets, as seen from up there, on the .outside,. w
hich would  reproduce with great accuracy the apparent motion of the planets, as seen from down here, on  the .inside..



* Four centuries earlier, such a device was constructed by Archimedes and examined  and described by Cicero in Rome, where it h
ad been carried by the Roman general Marcellus,  one of whose soldiers had, gratuitously and against orders, killed the septuag
enarian  scientist during the conquest of Syracuse.



The planets were imagined to go around the Earth affixed to perfect transparent  spheres. But they were not attached directly t
o the spheres, but indirectly, through a kind  of off-center wheel. The sphere turns, the little wheel rotates, and, as seen fr
om the  Earth, Mars does its loop-the-loop. This model permitted reasonably accurate predictions of  planetary motion, certainl
y good enough for the precision of measurement available in  Ptolemy.s day, and even many centuries later. 

Ptolemy.s aetherial spheres, imagined in medieval times to be made of crystal, are  why we still talk about the music of the sp
heres and a seventh heaven (there was a .heaven,.  or sphere for the Moon, Mercury, Venus, the Sun, Mars, Jupiter and Saturn, a
nd one more for  the stars). With the Earth the center of the Universe, with creation pivoted about  terrestrial events, with t
he heavens imagined constructed on utterly unearthly principles,  there was little motivation for astronomical observations. Su
pported by the Church through  the Dark Ages, Ptolemy.s model helped prevent the advance of astronomy for a millennium.  Finall
y, in 1543, a quite different hypothesis to explain the apparent motion of the planets  was published by a Polish Catholic cler
ic named Nicholas Copernicus. Its most daring feature  was the proposition that the Sun, not the Earth, was at the center of th
e universe. The  Earth was demoted to just one of the planets, third from the Sun, moving in a perfect  circular orbit. (Ptolem
y had c
onsidered such a heliocentric model but rejected it  immediately; from the physics of Aristotle, the implied violent rotation o
f the Earth seemed  contrary to observation.) 

It worked at least as well as Ptolemy.s spheres in explaining the apparent motion of  the planets. But it annoyed many people. 
In 1616 the Catholic Church placed Copernicus. work  on its list of forbidden books .until corrected. by local ecclesiastical c
ensors, where it  remained until 1835.* Martin Luther described him as .an upstart astrologer . . . This fool  wishes to revers
e the entire science of astronomy. But Sacred Scripture tells us that Joshua  commanded the Sun to stand still, and not the Ear
th.. Even some of Copernicus. admirers  argued that he had not really believed in a Sun-centered universe but had merely propos
ed it  as a convenience for calculating the motions of the planets.



* In a recent inventory of nearly every sixteenth-century copy of Copernicus. book,  Owen Gingerich has found the censorship to
 have been ineffective: only 60 percent of the  copies in Italy were .corrected,. and not one in Iberia.



The epochal confrontation between the two views of the Cosmos - Earth-centered and  Sun-centered - reached a climax in the sixt
eenth and seventeenth centuries in the person of  a man who was, like Ptolemy, both astrologer and astronomer. He lived in a ti
me when the  human spirit was fettered and the mind chained; when the ecclesiastical pronouncements of a  millennium or two ear
lier on scientific matters were considered more reliable than  contemporary findings made with techniques unavailable to the an
cients; when deviations,  even on arcane theological matters, from the prevailing doxological preferences, Catholic or  Protest
ant, were punished by humiliation, taxation, exile, torture or death. The heavens  were inhabited by angels, demons and the Han
d of God, turning the planetary crystal spheres.  Science was barren of the idea that underlying the phenomena of Nature might 
be the laws of  physics. But the brave and lonely struggle of this man was to ignite the modern scientific  revolution. 

Johannes Kepler was born in Germany in 1571 and sent as a boy to the Protestant  seminary school in the provincial town of Maul
bronn to be educated for the clergy. It was a  kind of boot camp, training young minds in the use of theological weaponry again
st the  fortress of Roman Catholicism. Kepler, stubborn, intelligent and fiercely independent,  suffered two friendless years i
n bleak Maulbronn, becoming isolated and withdrawn, his  thoughts devoted to his imagined unworthiness in the eyes of God. He r
epented a thousand  sins no more wicked than another.s and despaired of ever attaining salvation. But God became for him more t
han a divine wrath craving propitiation. Kepler.s God was the  creative power of the Cosmos. The boy.s curiosity conquered his 
fear. He wished to learn the  eschatology of the world; he dared to contemplate the Mind of God. These dangerous visions,  at f
irst insubstantial as a memory, became a lifelong obsession. The hubristic longings of a  child seminarian were to carry Europe
 out of
 the cloister of medieval thought. 

The sciences of classical antiquity had been silenced more than a thousand years  before, but in the late Middle Ages some fain
t echoes of those voices, preserved by Arab  scholars, began to insinuate themselves into the European educational curriculum. 
In  Maulbronn, Kepler heard their reverberations, studying, besides theology, Greek and Latin,  music and mathematics. In the g
eometry of Euclid he thought he glimpsed an image of  perfection and cosmic glory. He was later to write: .Geometry existed bef
ore the Creation.  It is co-eternal with the mind of God . . . Geometry provided God with a model for the  Creation . . . Geome
try is God Himself.. 

In the midst of Kepler.s mathematical raptures, and despite his sequestered life,  the imperfections of the outside world must 
also have molded his character. Superstition was  a widely available nostrum for people powerless against the miseries of famin
e, pestilence  and deadly doctrinal conflict. For many, the only certainty was the stars, and the ancient  astrological conceit
 prospered in the courtyards and taverns of fear-haunted Europe. Kepler,  whose attitude toward astrology remained ambiguous al
l his life, wondered whether there  might be hidden patterns underlying the apparent chaos of daily life. If the world was  cra
fted by God, should it not be examined closely? Was not all of creation an expression of  the harmonies in the mind of God? The
 book of Nature had waited more than a millennium for a  reader. 

In 1589, Kepler left Maulbronn to study for the clergy at the great university in  Tuebingen and found it a liberation. Confront
ed by the most vital intellectual currents of  the time, his genius was immediately recognized by his teachers - one of whom in
troduced the  young man to the dangerous mysteries of the Copernican hypothesis. A heliocentric universe  resonated with Kepler
.s religious sense, and he embraced it with fervor. The Sun was a  metaphor for God, around Whom all else revolves. Before he w
as to be ordained, he was made  an attractive offer of secular employment, which - perhaps because he felt himself  indifferent
ly suited to an ecclesiastical career - he found himself accepting. He was  summoned to Graz, in Austria, to teach secondary sc
hool mathematics, and began a little  later to prepare astronomical and meteorological almanacs and to cast horoscopes. .God  p
rovides for every animal his means of sustenance,. he wrote. .For the astronomer, He has  provided astrology.. 

Kepler was a brilliant thinker and a lucid writer, but he was a disaster as a  classroom teacher. He mumbled. He digressed. He 
was at times utterly incomprehensible. He  drew only a handful of students his first year at Graz; the next year there were non
e. He  was distracted by an incessant interior clamor of associations and speculations vying for  his attention. And one pleasa
nt summer afternoon, deep in the interstices of one of his  interminable lectures, he was visited by a revelation that was to a
lter radically the future  of astronomy. Perhaps he stopped in mid-sentence. His inattentive students, longing for the  end of 
the day, took little notice, I suspect, of the historic moment. 

There were only six planets known in Kepler.s time: Mercury, Venus, Earth, Mars,  Jupiter and Saturn. Kepler wondered why only 
six? Why not twenty, or a hundred? Why did they  have the spacing between their orbits that Copernicus had deduced? No one had 
ever asked  such questions before. There were known to be five regular or .platonic. solids, whose sides  were regular polygons
, as known to the ancient Greek mathematicians after the time of  Pythagoras. Kepler thought the two numbers were connected, th
at the reason there were only  six planets was because there were only five regular solids, and that these solids,  inscribed o
r nested one within another, would specify the distances of the planets from the  Sun. In these perfect forms, he believed he h
ad recognized the invisible supporting  structures for the spheres of the six planets. He called his revelation The Cosmic Myst
ery.  The connection between the solids of Pythagoras and the disposition of the planets could  admit but one explanation: the 
Hand of
 God, Geometer. 

Kepler was amazed that he - immersed, so he thought, in sin - should have been  divinely chosen to make this great discovery. H
e submitted a proposal for a research grant  to the Duke of Wuerttemberg, offering to supervise the construction of his nested s
olids as a  three-dimensional model so that others could glimpse the beauty of the holy geometry. It  might, he added, be contr
ived of silver and precious stones and serve incidentally as a  ducal chalice. The proposal was rejected with the kindly advice
 that he first construct a  less expensive version out of paper, which he promptly attempted to do: .The intense  pleasure I ha
ve received from this discovery can never be told in words . . . I shunned no  calculation no matter how difficult. Days and ni
ghts I spent in mathematical labors, until I  could see whether my hypothesis would agree with the orbits of Copernicus or whet
her my joy  was to vanish into thin air.. But no matter how hard he tried, the solids and the planetary  orbits did not agree w
ell. Th
e elegance and grandeur of the theory, however, persuaded him  that the observations must be in error, a conclusion drawn when 
the observations are  unobliging by many other theorists in the history of science. There was then only one man in  the world w
ho had access to more accurate observations of apparent planetary positions, a  self-exiled Danish nobleman who had accepted th
e post of Imperial Mathematician in the Court  of the Holy Roman Emperor, Rudolf II. That man was Tycho Brahe. By chance, at Ru
dolf.s  suggestion, he had just invited Kepler, whose mathematical fame was growing, to join him in  Prague. 

A provincial schoolteacher of humble origins, unknown to all but a few  mathematicians, Kepler was diffident about Tycho.s offe
r. But the decision was made for him.  In 1598, one of the many premonitory tremors of the coming Thirty Years. War engulfed hi
m.  The local Catholic archduke, steadfast in dogmatic certainty, vowed he would rather .make a  desert of the country than rul
e over heretics..* Protestants were excluded from economic and  political power, Kepler.s school was closed, and prayers, books
 and hymns deemed heretical  were forbidden. Finally the townspeople were summoned to individual examinations on the  soundness
 of their private religious convictions, those refusing to profess the Roman  Catholic faith being fined a tenth of their incom
e and, upon pain of death, exiled forever  from Graz. Kepler chose exile: .Hypocrisy I have never learned. I am in earnest abou
t faith.  I do not play with it..



* By no means the most extreme such remark in medieval or Reformation Europe. Upon  being asked how to distinguish the faithful
 from the infidel in the siege of a largely  Albigensian city, Domingo de Guzmán, later known as Saint Dominic, allegedly repli
ed: .Kill  them all. God will know his own..



Leaving Graz, Kepler, his wife and stepdaughter set out on the difficult journey to  Prague. Theirs was not a happy marriage. C
hronically ill, having recently lost two young  children, his wife was described as .stupid, sulking, lonely, melancholy.. She 
had no  understanding of her husband.s work and, having been raised among the minor rural gentry,  she despised his impecunious
 profession. He for his part alternately admonished and ignored  her, .for my studies sometimes made me thoughtless; but I lear
ned my lesson, I learned to  have patience with her. When I saw that she took my words to heart, I would rather have  bitten my
 own finger than to give her further offense.. But Kepler remained preoccupied with  his work. 

He envisioned Tycho.s domain as a refuge from the evils of the time, as the place  where his Cosmic Mystery would be confirmed.
 He aspired to become a colleague of the great  Tycho Brahe, who for thirty-five years had devoted himself, before the inventio
n of the  telescope, to the measurement of a clockwork universe, ordered and precise. Kepler.s  expectations were to be unfulfi
lled. Tycho himself was a flamboyant figure, festooned with a  golden nose, the original having been lost in a student duel fou
ght over who was the  superior mathematician. Around him was a raucous entourage of assistants, sycophants,  distant relatives 
and assorted hangers-on. Their endless revelry, their innuendoes and  intrigues, their cruel mockery of the pious and scholarly
 country bumpkin depressed and  saddened Kepler: .Tycho . . . is superlatively rich but knows not how to make use of it. Any  s
ingle instrument of his costs more than my and my whole family.s fortunes put together.. 

Impatient to see Tycho.s astronomical data, Kepler would be thrown only a few scraps  at a time: .Tycho gave me no opportunity 
to share in his experiences. He would only, in the  course of a meal and, in between other matters, mention, as if in passing, 
today the figure  of the apogee of one planet, tomorrow the nodes of another . . . Tycho posesses the best  observations . . . 
He also has collaborators. He lacks only the architect who would put all  this to use.. Tycho was the greatest observational ge
nius of the age, and Kepler the  greatest theoretician. Each knew that, alone, he would be unable to achieve the synthesis of  
an accurate and coherent world system, which they both felt to be imminent. But Tycho was  not about to make a gift of his life
.s work to a much younger potential rival. Joint  authorship of the results, if any, of the collaboration was for some reason u
nacceptable.  The birth of modern science - the offspring of theory and observation - teetered on the  precipice of their mutua
l mistr
ust. In the remaining eighteen months that Tycho was to live,  the two quarreled and were reconciled repeatedly. At a dinner gi
ven by the Baron of  Rosenberg, Tycho, having robustly drunk much wine, .placed civility ahead of health,. and  resisted his bo
dy.s urgings to leave, even if briefly, before the baron. The consequent  urinary infection worsened when Tycho resolutely reje
cted advice to temper his eating and  drinking. On his deathbed, Tycho bequeathed his observations to Kepler, and .on the last 
 night of his gentle delirium, he repeated over and over again these words, like someone  composing a poem: .Let me not seem to
 have lived in vain . . . Let me not seem to have lived  in vain.. . 

After Tycho.s death, Kepler, now the new Imperial Mathematician, managed to extract  the observations from Tycho.s recalcitrant
 family. His conjecture that the orbits of the  planets are circumscribed by the five platonic solids was no more supported by 
Tycho.s data  than by Copernicus.. His .Cosmic Mystery. was disproved entirely by the much later  discoveries of the planets Ur
anus, Neptune and Pluto - there are no additional platonic  solids* that would determine their distances from the Sun. The nest
ed Pythagorean solids  also made no allowance for the existence of the Earth.s moon, and Galileo.s discovery of the  four large
 moons of Jupiter was also discomfiting. But far from becoming morose, Kepler  wished to find additional satellites and wondere
d how many satellites each planet should  have. He wrote to Galileo: .I immediately began to think how there could be any addit
ion to  the number of the planets without overturning my Mysterium Cosmographicum, according to  which Euclid.s five regular so
lids do
 not allow more than six planets around the Sun . . . I  am so far from disbelieving the existence of the four circumjovial pla
nets that I long for a  telescope, to anticipate you, if possible, in discovering two around Mars, as the proportion  seems to 
require, six or eight round Saturn, and perhaps one each round Mercury and Venus..  Mars does have two small moons, and a major
 geological feature on the larger of them is  today called the Kepler Ridge in honor of this guess. But he was entirely mistake
n about  Saturn, Mercury and Venus, and Jupiter has many more moons than Galileo discovered. We still  do not really know why t
here are only nine planets, more or less, and why they have the  relative distances from the Sun that they do. (See Chapter 8.)


* The proof of this statement can be found in Appendix 2.



Tycho.s observations of the apparent motion of Mars and other planets through the  constellations were made over a period of ma
ny years. These data, from the last few decades  before the telescope was invented, were the most accurate that had yet been ob
tained. Kepler  worked with a passionate intensity to understand them: What real motion of the Earth and  Mars about the Sun co
uld explain, to the precision of measurement, the apparent motion of  Mars in the sky, including its retrograde loops through t
he background constellations? Tycho  had commended Mars to Kepler because its apparent motion seemed most anomalous, most  diff
icult to reconcile with an orbit made of circles. (To the reader who might be bored by  his many calculations, he later wrote: 
.If you are wearied by this tedious procedure, take  pity on me who carried out at least seventy trials..) 

Pythagoras, in the sixth century B.C., Plato, Ptolemy and all the Christian  astronomers before Kepler had assumed that the pla
nets moved in circular paths. The circle  was thought to be a .perfect. geometrical shape and the planets, placed high in the h
eavens,  away from earthly .corruption,. were also thought to be in some mystical sense .perfect.  Galileo, Tycho and Copernicu
s were all committed to uniform circular planetary motion, the  latter asserting that .the mind shudders. at the alternative, b
ecause .it would be unworthy  to suppose such a thing in a Creation constituted in the best possible way.. So at first  Kepler 
tried to explain the observations by imagining that the Earth and Mars moved in  circular orbits about the Sun. 

After three years of calculation, he believed he had found the correct values for a  Martian circular orbit, which matched ten 
of Tycho.s observations within two minutes of arc.  Now, there are 60 minutes of arc in an angular degree, and 90 degrees, a ri
ght angle, from  the horizon to the zenith. So a few minutes of arc is a very small quantity to measure -  especially without a
 telescope. It is one-fifteenth the angular diameter of the full Moon as  seen from Earth. But Kepler.s replenishable ecstasy s
oon crumbled into gloom - because two  of Tycho.s further observations were inconsistent with Kepler.s orbit, by as much as eig
ht  minutes of arc:

Divine Providence granted us such a diligent observer in Tycho Brahe that his observations  convicted this . . . calculation of
 an error of eight minutes; it is only right that we  should accept God.s gift with a grateful mind . . . If I had believed tha
t we could ignore  these eight minutes, I would have patched up my hypothesis accordingly. But, since it was  not permissible t
o ignore, those eight minutes pointed the road to a complete reformation in  astronomy.



The difference between a circular orbit and the true orbit could be distinguished  only by precise measurement and a courageous
 acceptance of the facts: .The universe is  stamped with the adornment of harmonic proportions, but harmonies must accommodate 
 experience.. Kepler was shaken at being compelled to abandon a circular orbit and to  question his faith in the Divine Geomete
r. Having cleared the stable of astronomy of circles  and spirals, he was left, he said, with .only a single cartful of dung,. 
a stretched-out  circle something like an oval. 

Eventually, Kepler came to feel that his fascination with the circle had been a  delusion. The Earth was a planet, as Copernicu
s had said, and it was entirely obvious to  Kepler that the Earth, wracked by wars, pestilence, famine and unhappiness, fell sh
ort of  perfection. Kepler was one of the first people since antiquity to propose that the planets  were material objects made 
of imperfect stuff like the Earth. And if planets were  .imperfect,. why not their orbits as well? He tried various oval-like c
urves, calculated  away, made some arithmetical mistakes (which caused him at first to reject the correct  answer) and months l
ater in some desperation tried the formula for an ellipse, first  codified in the Alexandrian Library by Apollonius of Perga. H
e found that it matched Tycho.s  observations beautifully: .The truth of nature, which I had rejected and chased away,  returne
d by stealth through the back door, disguising itself to be accepted . . . Ah, what a  foolish bird I have been!. 

Kepler had found that Mars moves about the Sun not in a circle, but in an ellipse.  The other planets have orbits much less ell
iptical than that of Mars, and if Tycho had urged  him to study the motion of, say, Venus, Kepler might never have discovered t
he true orbits  of the planets. In such an orbit the Sun is not at the center but is offset, at the focus of  the ellipse. When
 a given planet is at its nearest to the Sun, it speeds up. When it is at  its farthest, it slows down. Such motion is why we d
escribe the planets as forever falling  toward, but never reaching, the Sun. Kepler.s first law of planetary motion is simply t
his:  A planet moves in an ellipse with the Sun at one focus. 

In uniform circular motion, an equal angle or fraction of the arc of a circle is  covered in equal times. So, for example, it t
akes twice as long to go two-thirds of the way  around a circle as it does to go one-third of the way around. Kepler found some
thing  different for elliptical orbits: As the planet moves along its orbit, it sweeps out a little  wedge-shaped area within t
he ellipse. When it is close to the Sun, in a given period of time  it traces out a large arc in its orbit, but the area repres
ented by that arc is not very  large because the planet is then near the Sun. When the planet is far from the Sun, it  covers a
 much smaller arc in the same period of time, but that arc corresponds to a bigger  area because the Sun is now more distant. K
epler found that these two areas were precisely  the same no matter how elliptical the orbit: the long skinny area, correspondi
ng to the  planet far from the Sun, and the shorter, squatter area, when the planet is close to the  Sun, are exactly equal. Th
is was 
Kepler.s second law of planetary motion: Planets sweep out  equal areas in equal times. 

Kepler.s first two laws may seem a little remote and abstract: planets move in  ellipses, and sweep out equal areas in equal ti
mes. Well, so what? Circular motion is easier  to grasp. We might have a tendency to dismiss these laws as mere mathematical ti
nkering,  something removed from everyday life. But these are the laws our planet obeys as we  ourselves, glued by gravity to t
he surface of the Earth, hurtle through interplanetary  space. We move in accord with laws of nature that Kepler first discover
ed. When we send  spacecraft to the planets, when we observe double stars, when we examine the motion of  distant galaxies; we 
find that throughout the universe Kepler.s laws are obeyed. 

Many years later, Kepler came upon his third and last law of planetary motion, a law  that relates the motion of various planet
s to one another, that lays out correctly the  clockwork of the solar system. He described it in a book called The Harmonies of
 the World.  Kepler understood many things by the word harmony: the order and beauty of planetary motion,  the existence of mat
hematical laws explaining that motion - an idea that goes back to  Pythagoras - and even harmony in the musical sense, the .har
mony of the spheres.. Unlike the  orbits of Mercury and Mars, the orbits of other planets depart so little from circularity  th
at we cannot make out their true shapes even in an extremely accurate diagram. The Earth  is our moving platform from which we 
observe the motion of the other planets against the  backdrop of distant constellations. The inner planets move rapidly in thei
r orbits - that is  why Mercury has the name it does: Mercury was the messenger of the gods. Venus, Earth and  Mars move progre
ssively
 less rapidly about the Sun. The outer planets, such as Jupiter and  Saturn, move stately and slow, as befits the kings of the 
gods. 

Kepler.s third or harmonic law states that the squares of the periods of the planets  (the times for them to complete one orbit
) are proportional to the cubes of their average  distance from the Sun; the more distant the planet, the more slowly it moves,
 but according  to a precise mathematical law: P2 = a3, where P represents the period of revolution of the  planet about the Su
n, measured in years, and a the distance of the planet from the Sun  measured in .astronomical units.. An astronomical unit is 
the distance of the Earth from the  Sun. Jupiter, for example, is five astronomical units from the Sun, and a3 = 5 x 5 x 5 =125
.  What number times itself equals 125? Why, 11, close enough. And 11 years is the period for  Jupiter to go once around the Su
n. A similar argument applies for every planet and asteroid  and comet. Not content merely to have extracted from Nature the la
ws of planetary motion,  Kepler endeavored to find some still more fundamental underlying cause, some influence of  the Sun on 
the kin
ematics of worlds. The planets sped up on approaching the Sun and slowed  down on retreating from it. Somehow the distant plane
ts sensed the Sun.s presence. Magnetism  also was an influence felt at a distance, and in a stunning anticipation of the idea o
f  universal gravitation, Kepler suggested that the underlying cause was akin to magnetism:

My aim in this is to show that the celestial machine is to be likened not to a divine  organism but rather to a clockwork . . .
 , insofar as nearly all the manifold movements are  carried out by means of a single, quite simple magnetic force, as in the c
ase of a clockwork  [where] all motions [are caused] by a simple weight.



Magnetism is, of course, not the same as gravity, but Kepler.s fundamental  innovation here is nothing short of breathtaking: h
e proposed that quantitative physical  laws that apply to the Earth are also the underpinnings of quantitative physical laws th
at  govern the heavens. It was the first nonmystical explanation of motion in the heavens; it  made the Earth a province of the
 Cosmos. .Astronomy,. he said .is part of physics.. Kepler  stood at a cusp in history; the last scientific astrologer was the 
first astrophysicist. 

Not given to quiet understatement, Kepler assessed his discoveries in these words:

With this symphony of voices man can play through the eternity of time in less than an hour,  and can taste in small measure th
e delight of God, the Supreme Artist . . . I yield freely  to the sacred frenzy . . . the die is cast, and I am writing the boo
k - to be read either  now or by posterity, it matters not. It can wait a century for a reader, as God Himself has  waited 6,00
0 years for a witness.

Within the .symphony of voices,. Kepler believed that the speed of each planet corresponds  to certain notes in the Latinate mu
sical scale popular in his day - do, re, mi, fa, sol, la,  ti, do. He claimed that in the harmony of the spheres, the tones of 
Earth are fa and mi,  that the Earth is forever humming fa and mi, and that they stand in a straightforward way  for the Latin 
word for famine. He argued, not unsuccessfully, that the Earth was best  described by that single doleful word. 

Exactly eight days after Kepler.s discovery of his third law, the incident that  unleashed the Thirty Years. War transpired in 
Prague. The war.s convulsions shattered the  lives of millions, Kepler among them. He lost his wife and son to an epidemic carr
ied by the  soldiery, his royal patron was deposed, and he was excommunicated by the Lutheran Church for  his uncompromising in
dividualism on matters of doctrine. Kepler was a refugee once again.  The conflict, portrayed by both the Catholics and the Pro
testants as a holy war, was more an  exploitation of religious fanaticism by those hungry for land and power. In the past, wars
  had tended to be resolved when the belligerent princes had exhausted their resources. But  now organized pillage was introduc
ed as a means of keeping armies in the field. The savaged  population of Europe stood helpless as plowshares and pruning hooks 
were literally beaten  into swords and spears.*

* Some examples are still to be seen in the Graz armory.

      Waves of rumor and paranoia swept through the countryside, enveloping especially the  powerless. Among the many scapegoat
s chosen were elderly women living alone, who were  charged with witchcraft. Kepler.s mother was carried away in the middle of 
the night in a  laundry chest. In Kepler.s little hometown of Weil der Stadt, roughly three women were  tortured and killed as 
witches every year between 1615 and 1629. And Katharina Kepler was a  cantankerous old woman. She engaged in disputes that anno
yed the local nobility, and she  sold soporific and perhaps hallucinogenic drugs as do contemporary Mexican curanderas. Poor  K
epler believed that he himself had contributed to her arrest. 

It came about because Kepler wrote one of the first works of science fiction,  intended to explain and popularize science. It w
as called the Somnium, .The Dream.. He  imagined a journey to the Moon, the space travelers standing on the lunar surface and  
observing the lovely planet Earth rotating slowly in the sky above them. By changing our  perspective we can figure out how wor
lds work. In Kepler.s time one of the chief objections  to the idea that the Earth turns was the fact that people do not feel t
he motion. In the  Somnium he tried to make the rotation of the Earth plausible, dramatic, comprehensible: .As  long as the mul
titude does not err .... I want to be on the side of the many. Therefore, I  take great pains to explain to as many people as p
ossible.. (On another occasion he wrote in  a letter, .Do not sentence me completely to the treadmill of mathematical calculati
ons -  leave me time for philosophical speculations, my sole delight..*)



* Brahe, like Kepler, was far from hostile to astrology, although he carefully  distinguished his own secret version of astrolo
gy from the more common variants of his time,  which he thought conducive to superstition. In his book Astronomiae Instauratae 
Mechonica,  published in 1598, he argued that astrology is .really more reliable than one would think.  if charts of the positi
on of the stars were properly improved. Brahe wrote: .I have been  occupied in alchemy, as much as by the celestial studies, fr
om my 23rd year.. But both of  these pseudosciences, he felt, had secrets far too dangerous for the general populace  (although
 entirely safe, he thought, in the hands of those princes and kings from whom he  sought support). Brahe continued the long and
 truly dangerous tradition of some scientists  who believe that only they and the temporal and ecclesiastical powers can be tru
sted with  arcane knowledge: .It serves no useful purpose and is unreasonable, to make such things  generally known.. Kepler, o
n the o
ther hand, lectured on astronomy in schools, published  extensively and often at his own expense, and wrote science fiction, wh
ich was certainly not  intended primarily for his scientific peers. He may not have been a popular writer of  science in the mo
dern sense, but the transition in attitudes in the single generation that  separated Tycho and Kepler is telling.



With the invention of the telescope, what Kepler called .lunar geography. was  becoming possible. In the Somnium, he described 
the Moon as filled with mountains and  valleys and as .porous, as though dug through with hollows and continuous caves,. a  ref
erence to the lunar craters Galileo had recently discovered with the first astronomical  telescope. He also imagined that the M
oon had its inhabitants, well adapted to the  inclemencies of the local environment. He describes the slowly rotating Earth vie
wed from  the lunar surface and imagines the continents and oceans of our planet to produce some  associative image like the Ma
n in the Moon. He pictures the near contact of southern Spain  with North Africa at the Straits of Gibraltar as a young woman i
n a flowing dress about to  kiss her lover - although rubbing noses looks more like it to me. 

Because of the length of the lunar day and night Kepler described .the great  intemperateness of climate and the most violent a
lternation of extreme heat and cold on the  Moon,. which is entirely correct. Of course, he did not get everything right. He be
lieved,  for example, that there was a substantial lunar atmosphere and oceans and inhabitants. Most  curious is his view of th
e origin of the lunar craters, which make the Moon, he says, .not  dissimilar to the face of a boy disfigured with smallpox.. H
e argued correctly that the  craters are depressions rather than mounds. From his own observations he noted the ramparts  surro
unding many craters and the existence of central peaks. But he thought that their  regular circular shape implied such a degree
 of order that only intelligent life could  explain them. He did not realize that great rocks falling out of the sky would prod
uce a  local explosion, perfectly symmetric in all directions, that would carve out a circular  cavity - the origin of the bulk
 of the
 craters on the Moon and the other terrestrial  planets. He deduced instead .the existence of some race rationally capable of c
onstructing  those hollows on the surface of the Moon. This race must have many individuals, so that one  group puts one hollow
 to use while another group constructs another hollow.. Against the  view that such great construction projects were unlikely, 
Kepler offered as counterexamples  the pyramids of Egypt and the Great Wall of China, which can, in fact, be seen today from  E
arth orbit. The idea that geometrical order reveals an underlying intelligence was central  to Kepler.s life. His argument on t
he lunar craters is a clear foreshadowing of the Martian  canal controversy (Chapter 5). It is striking that the observational 
search for  extraterrestrial life began in the same generation as the invention of the telescope, and  with the greatest theore
tician of the age. 

Parts of the Somnium were clearly autobiographical. The hero, for example, visits  Tycho Brahe. He has parents who sell drugs. 
His mother consorts with spirits and daemons,  one of whom eventually provides the means to travel to the moon. The Somnium mak
es clear to  us, although it did not to all of Kepler.s contemporaries, that .in a dream one must be  allowed the liberty of im
agining occasionally that which never existed in the world of sense  perception.. Science fiction was a new idea at the time of
 the Thirty Years. War, and  Kepler.s book was used as evidence that his mother was a witch. 

In the midst of other grave personal problems. Kepler rushed to Wuerttemberg to find  his seventy-four-year-old mother chained i
n a Protestant secular dungeon and threatened,  like Galileo in a Catholic dungeon, with torture. He set about, as a scientist 
naturally  would, to find natural explanations for the various events that had precipitated the  accusations of witchcraft, inc
luding minor physical ailments that the burghers of  Wuerttemberg had attributed to her spells. The research was successful, a t
riumph, as was  much of the rest of his life, of reason over superstition. His mother was exiled, with a  sentence of death pas
sed on her should she ever return to Wuerttemberg; and Kepler.s spirited  defense apparently led to a decree by the Duke forbidd
ing further trials for witchcraft on  such slender evidence. 

The upheavals of the war deprived Kepler of much of his financial support, and the  end of his life was spent fitfully, pleadin
g for money and sponsors. He cast horoscopes for  the Duke of Wallenstein, as he had done for Rudolf II, and spent his final ye
ars in a  Silesian town controlled by Wallenstein and called Sagan. His epitaph, which he himself  composed, was: .I measured t
he skies, now the shadows I measure. Sky-bound was the mind,  Earth-bound the body rests.. But the Thirty Years. War obliterate
d his grave. If a marker  were to be erected today, it might read, in homage to his scientific courage: .He preferred  the hard
 truth to his dearest illusions.. 

Johannes Kepler believed that there would one day be .celestial ships with sails  adapted to the winds of heaven. navigating th
e sky, filled with explorers .who would not  fear the vastness. of space. And today those explorers, human and robot, employ as
 unerring  guides on their voyages through the vastness of space the three laws of planetary motion  that Kepler uncovered duri
ng a lifetime of personal travail and ecstatic discovery.

The lifelong quest of Johannes Kepler, to understand the motions of the planets, to seek a  harmony in the heavens, culminated 
thirty-six years after his death, in the work of Isaac  Newton. Newton was born on Christmas Day, 1642, so tiny that, as his mo
ther told him years  later, he would have fit into a quart mug. Sickly, feeling abandoned by his parents,  quarrelsome, unsocia
ble, a virgin to the day he died, Isaac Newton was perhaps the greatest  scientific genius who ever lived. 

Even as a young man, Newton was impatient with insubstantial questions, such as  whether light was .a substance or an accident,
. or how gravitation could act over an  intervening vacuum. He early decided that the conventional Christian belief in the Trin
ity  was a misreading of Scripture. According to his biographer, John Maynard Keynes,

He was rather a Judaic Monotheist of the school of Maimonides. He arrived at this  conclusion, not on so-to-speak rational or s
ceptical grounds, but entirely on the  interpretation of ancient authority. He was persuaded that the revealed documents gave n
o  support to the Trinitarian doctrines which were due to late falsifications. The revealed God  was one God. But this was a dr
eadful secret which Newton was at desperate pains to conceal  all his life.

Like Kepler, he was not immune to the superstitions of his day and had many encounters with  mysticism. Indeed, much of Newton.
s intellectual development can be attributed to this  tension between rationalism and mysticism. At the Stourbridge Fair in 166
3, at age twenty,  he purchased a book on astrology, .out of a curiosity to see what there was in it.. He read  it until he cam
e to an illustration which he could not understand, because he was ignorant  of trigonometry. So he purchased a book on trigono
metry but soon found himself unable to  follow the geometrical arguments. So he found a copy of Euclid.s Elements of Geometry, 
and  began to read. Two years later he invented the differential calculus. 

As a student, Newton was fascinated by light and transfixed by the Sun. He took to  the dangerous practice of staring at the Su
n.s image in a looking glass:

In a few hours I had brought my eyes to such a pass that I could look upon no bright object  with neither eye but I saw the Sun
 before me, so that I durst neither write nor read but to  recover the use of my eyes shut my self up in my chamber made dark t
hree days together &  used all means to divert my imagination from the Sun. For if I thought upon him I presently  saw his pict
ure though I was in the dark.

In 1666, at the age of twenty-three, Newton was an undergraduate at Cambridge University  when an outbreak of plague forced him
 to spend a year in idleness in the isolated village of  Woolsthorpe, where he had been born. He occupied himself by inventing 
the differential and  integral calculus, making fundamental discoveries on the nature of light and laying the  foundation for t
he theory of universal gravitation. The only other year like it in the  history of physics was Einstein.s .Miracle Year. of 190
5. When asked how he accomplished his  astonishing discoveries, Newton replied unhelpfully, .By thinking upon them.. His work w
as  so significant that his teacher at Cambridge, Isaac Barrow, resigned his chair of  mathematics in favor of Newton five year
s after the young student returned to college. 

Newton, in his mid-forties, was described by his servant as follows:

I never knew him to take any recreation or pastime either in riding out to take the air,  walking, bowling, or any other exerci
se whatever, thinking all hours lost that were not  spent in his studies, to which he kept so close that he seldom left his cha
mber unless [to  lecture] at term time . . . where so few went to hear him, and fewer understood him, that  ofttimes he did in 
a manner, for want of hearers, read to the walls.

Students both of Kepler and of Newton never knew what they were missing.       Newton discovered the law of inertia, the tenden
cy of a moving object to continue  moving in a straight line unless something influences it and moves it out of its path. The  
Moon, it seemed to Newton, would fly off in a straight line, tangential to its orbit, unless  there were some other force const
antly diverting the path into a near circle, pulling it in  the direction of the Earth. This force Newton called gravity, and b
elieved that it acted at  a distance. There is nothing physically connecting the Earth and the Moon. And yet the Earth  is cons
tantly pulling the Moon toward us. Using Kepler.s third law, Newton mathematically  deduced the nature of the gravitational for
ce.* He showed that the same force that pulls an  apple down to Earth keeps the Moon in its orbit and accounts for the revoluti
ons of the then  recently discovered moons of Jupiter in their orbits about that distant planet.



* Sadly, Newton does not acknowledge his debt to Kepler in his masterpiece the  Principia. But in a 1686 letter to Edmund Halle
y, he says of his law of gravitation: .I can  affirm that I gathered it from Kepler.s theorem about twenty years ago..



Things had been falling down since the beginning of time. That the Moon went around  the Earth had been believed for all of hum
an history. Newton was the first person ever to  figure out that these two phenomena were due to the same force. This is the me
aning of the  word .universal. as applied to Newtonian gravitation. The same law of gravity applies  everywhere in the universe


It is a law of the inverse square. The force declines inversely as the square of  distance. If two objects are moved twice as f
ar away, the gravity now pulling them together  is only one-quarter as strong. If they are moved ten times farther away, the gr
avity is ten  squared, 102 = 100 times smaller. Clearly, the force must in some sense be inverse - that  is, declining with dis
tance. If the force were direct, increasing with distance, then the  strongest force would work on the most distant objects, an
d I suppose all the matter in the  universe would find itself careering together into a single cosmic lump. No, gravity must  d
ecrease with distance, which is why a comet or a planet moves slowly when far from the Sun  and faster when close to the Sun - 
the gravity it feels is weaker the farther from the Sun  it is. 

All three of Kepler.s laws of planetary motion can be derived from Newtonian  principles. Kepler.s laws were empirical, based u
pon the painstaking observations of Tycho  Brahe. Newton.s laws were theoretical, rather simple mathematical abstractions from 
which  all of Tycho.s measurements could ultimately be derived. From these laws, Newton wrote with  undisguised pride in the Pr
incipia, .I now demonstrate the frame of the System of the  World.. 

Later in his life, Newton presided over the Royal Society, a fellowship of  scientists, and was Master of the Mint, where he de
voted his energies to the suppression of  counterfeit coinage. His natural moodiness and reclusivity grew; he resolved to aband
on  those scientific endeavors that brought him into quarrelsome disputes with other scientists,  chiefly on issues of priority
; and there were those who spread tales that he had experienced  the seventeenth-century equivalent of a .nervous breakdown.. H
owever, Newton continued his  lifelong experiments on the border between alchemy and chemistry, and some recent evidence  sugge
sts that what he was suffering from was not so much a psychogenic ailment as heavy  metal poisoning, induced by systematic inge
stion of small quantities of arsenic and mercury.  It was a common practice for chemists of the time to use the sense of taste 
as an analytic  tool. 

Nevertheless his prodigious intellectual powers persisted unabated. In 1696, the  Swiss mathematician Johann Bernoulli challeng
ed his colleagues to solve an unresolved issue  called the brachistochrone problem, specifying the curve connecting two points 
displaced  from each other laterally, along which a body, acted upon by gravity, would fall in the  shortest time. Bernoulli or
iginally specified a deadline of six months, but extended it to a  year and a half at the request of Leibniz, one of the leadin
g scholars of the time, and the  man who had, independently of Newton, invented the differential and integral calculus. The  ch
allenge was delivered to Newton at four P.M. on January 29, 1697. Before leaving for work  the next morning, he had invented an
 entire new branch of mathematics called the calculus of  variations, used it to solve the brachistochrone problem and sent off
 the solution, which  was published, at Newton.s request, anonymously. But the brilliance and originality of the  work betrayed
 the id
entity of its author. When Bernoulli saw the solution, he commented. .We  recognize the lion by his claw.. Newton was then in h
is fifty-fifth year. 

The major intellectual pursuit of his last years was a concordance and calibration  of the chronologies of ancient civilization
s, very much in the tradition of the ancient  historians Manetho, Strabo and Eratosthenes. In his last, posthumous work, .The C
hronology  of Ancient Kingdoms Amended,. we find repeated astronomical calibrations of historical  events; an architectural rec
onstruction of the Temple of Solomon; a provocative claim that  all the Northern Hemisphere constellations are named after the 
personages, artifacts and  events in the Greek story of Jason and the Argonauts, and the consistent assumption that the  gods o
f all civilizations, with the single exception of Newton.s own, were merely ancient  kings and heroes deified by later generati
ons. 

Kepler and Newton represent a critical transition in human history, the discovery  that fairly simple mathematical laws pervade
 all of Nature; that the same rules apply on  Earth as in the skies; and that there is a resonance between the way we think and
 the way  the world works. They unflinchingly respected the accuracy of observational data, and their  predictions of the motio
n of the planets to high precision provided compelling evidence  that, at an unexpectedly deep level, humans can understand the
 Cosmos. Our modern global  civilization, our view of the world and our present exploration of the Universe are  profoundly ind
ebted to their insights. 

Newton was guarded about his discoveries and fiercely competitive with his  scientific colleagues. He thought nothing of waitin
g a decade or two after its discovery to  publish the inverse square law. But before the grandeur and intricacy of Nature, he w
as,  like Ptolemy and Kepler, exhilarated as well as disarmingly modest. Just before his death he  wrote: .I do not know what I
 may appear to the world; but to myself I seem to have been only  like a boy, playing on the seashore, and diverting myself, in
 now and then finding a  smoother pebble or a prettier shell than ordinary, while the great ocean of truth lay all  undiscovere
d before me..

CHAPTER IV

Heaven and Hell

Nine worlds I remember. - The Icelandic Edda of Snorri Sturluson, 1200

I am become death, the shatterer of worlds. - Bhagavad Gita

The doors of heaven and hell are adjacent and identical. - Nikos Kazantzakis, The Last Temptation of Christ

The Earth is a lovely and more or less placid place. Things change, but slowly. We can lead  a full life and never personally e
ncounter a natural disaster more violent than a storm. And  so we become complacent, relaxed, unconcerned. But in the history o
f Nature, the record is  clear. Worlds have been devastated. Even we humans have achieved the dubious technical  distinction of
 being able to make our own disasters, both intentional and inadvertent. On  the landscapes of other planets where the records 
of the past have been preserved, there is  abundant evidence of major catastrophes. It is all a matter of time scale. An event 
that  would be unthinkable in a hundred years may be inevitable in a hundred million. Even on the  Earth, even in our own centu
ry, bizarre natural events have occurred. 

In the early morning hours of June 30, 1908, in Central Siberia, a giant fireball  was seen moving rapidly across the sky. Wher
e it touched the horizon, an enormous explosion  took place. It leveled some 2,000 square kilometers of forest and burned thous
ands of trees  in a flash fire near the impact site. It produced an atmospheric shock wave that twice  circled the Earth. For t
wo days afterwards, there was so much fine dust in the atmosphere  that one could read a newspaper at night by scattered light 
in the streets of London, 10,000  kilometers away. 

The government of Russia under the Czars could not be bothered to investigate so  trivial an event, which, after all, had occur
red far away, among the backward Tungus people  of Siberia. It was ten years after the Revolution before an expedition arrived 
to examine  the ground and interview the witnesses. These are some of the accounts they brought back:

Early in the morning when everyone was asleep in the tent, it was blown up into the air,  together with the occupants. When the
y fell back to Earth, the whole family suffered slight  bruises, but Akulina and Ivan actually lost consciousness. When they re
gained consciousness  they heard a great deal of noise and saw the forest blazing round them and much of it  devastated.

I was sitting in the porch of the house at the trading station of Vanovara at breakfast time  and looking towards the north. I 
had just raised my axe to hoop a cask, when suddenly . . .  the sky was split in two, and high above the forest the whole north
ern part of the sky  appeared to be covered with fire. At that moment I felt a great heat as if my shirt had  caught fire . . .
 I wanted to pull off my shirt and throw it away, but at that moment there  was a bang in the sky, and a mighty crash was heard
. I was thrown on the ground about three  sajenes away from the porch and for a moment I lost consciousness. My wife ran out an
d  carried me into the hut. The crash was followed by a noise like stones falling from the sky,  or guns firing. The Earth trem
bled, and when I lay on the ground I covered my head because I  was afraid that stones might hit it. At that moment when the sk
y opened, a hot wind, as from  a cannon, blew past the huts from the north. It left its mark on the ground . . .

When I sat down to have my breakfast beside my plough, I heard sudden bangs, as if from  gun-fire. My horse fell to its knees. 
From the north side above the forest a flame shot up .  . . Then I saw that the fir forest had been bent over by the wind and I
 thought of a  hurricane. I seized hold of my plough with both hands, so that it would not be carried away.  The wind was so st
rong that it carried off some of the soil from the surface of the ground,  and then the hurricane drove a wall of water up the 
Angara. I saw it all quite clearly,  because my land was on a hillside.

The roar frightened the horses to such an extent that some galloped off in panic, dragging  the ploughs in different directions
, and others collapsed.

The carpenters, after the first and second crashes, had crossed themselves in stupefaction,  and when the third crash resounded
 they fell backwards from the building onto the chips of  wood. Some of them were so stunned and utterly terrified that I had t
o calm them down and  reassure them. We all abandoned work and went into the village. There, whole crowds of local  inhabitants
 were gathered in the streets in terror, talking about this phenomenon.

I was in the fields . . . and had only just got one horse harnessed to the harrow and begun  to attach another when suddenly I 
heard what sounded like a single loud shot to the right. I  immediately turned round and saw an elongated flaming object flying
 through the sky. The  front part was much broader than the tail end and its color was like fire in the day-time.  It was many 
times bigger than the sun but much dimmer, so that it was possible to look at it  with the naked eye. Behind the flames trailed
 what looked like dust. It was wreathed in  little puffs, and blue streamers were left behind from the flames . . . As soon as 
the flame  had disappeared, bangs louder than shots from a gun were heard, the ground could be felt to  tremble, and the window
 panes in the cabin were shattered.

. . . I was washing wool on the bank of the River Kan. Suddenly a noise like the fluttering  of the wings of a frightened bird 
was heard . . . and a kind of swell came up the river.  After this came a single sharp bang so loud that one of the workmen . .
 . fell into the  water.

This remarkable occurrence is called the Tunguska Event. Some scientists have suggested that  it was caused by a piece of hurtl
ing antimatter, annihilated on contact with the ordinary  matter of the Earth, disappearing in a flash of gamma rays. But the a
bsence of radioactivity  at the impact site gives no support to this explanation. Others postulate that a mini black  hole pass
ed through the Earth in Siberia and out the other side. But the records of  atmospheric shock waves show no hint of an object b
ooming out of the North Atlantic later  that day. Perhaps it was a spaceship of some unimaginably advanced extraterrestrial  ci
vilization in desperate mechanical trouble, crashing in a remote region of an obscure  planet. But at the site of the impact th
ere is no trace of such a ship. Each of these ideas  has been proposed, some of them more or less seriously. Not one of them is
 strongly  supported by the evidence. The key point of the Tunguska Event is that there was a  tremendous explosion, a great sh
ock wav
e, an enormous forest fire, and yet there is no  impact crater at the site. There seems to be only one explanation consistent w
ith all the  facts: In 1908 a piece of comet hit the Earth. 

In the vast spaces between the planets there are many objects, some rocky, some  metallic, some icy, some composed partly of or
ganic molecules. They range from grains of  dust to irregular blocks the size of Nicaragua or Bhutan. And sometimes, by acciden
t, there  is a planet in the way. The Tunguska Event was probably caused by an icy cometary fragment  about a hundred meters ac
ross - the size of a football field - weighing a million tons,  moving at about 30 kilometers per second, 70,000 miles per hour


If such an impact occurred today it might be mistaken, especially in the panic of  the moment, for a nuclear explosion. The com
etary impact and fireball would simulate all  effects of a one-megaton nuclear burst, including the mushroom cloud, with two ex
ceptions:  there would be no gamma radiation or radioactive fallout. Could a rare but natural event,  the impact of a sizable c
ometary fragment, trigger a nuclear war? A strange scenario: a  small comet hits the Earth, as millions of them have, and the r
esponse of our civilization  is promptly to self-destruct. It might be a good idea for us to understand comets and  collisions 
and catastrophes a little better than we do. For example, an American Vela  satellite detected an intense double flash of light
 from the vicinity of the South Atlantic  and Western Indian Ocean on September 22, 1979. Early speculation held that it was a 
 clandestine test of a low yield (two kilotons, about a sixth the energy of the Hiroshima  bomb) nuclear weapon by South Africa
 or Isr
ael. The political consequences were considered  serious around the world. But what if the flashes were instead caused by the i
mpact of a  small asteroid or a piece of a comet? Since airborne over-flights in the vicinity of the  flashes showed not a trac
e of unusual radioactivity in the air, this is a real possibility  and underscores the dangers in an age of nuclear weapons of 
not monitoring impacts from  space better than we do. 

A comet is made mostly of ice - water (H2O) ice, with a little methane (CH4) ice,  and some ammonia (NH3) ice. Striking the Ear
th.s atmosphere, a modest cometary fragment  would produce a great radiant fireball and a mighty blast wave, which would burn t
rees,  level forests and be heard around the world. But it might not make much of a crater in the  ground. The ices would all b
e melted during entry. There would be few recognizable pieces of  the comet left - perhaps only a smattering of small grains fr
om the non-icy parts of the  cometary nucleus. Recently, the Soviet scientist E. Sobotovich has identified a large number  of t
iny diamonds strewn over the Tunguska site. Such diamonds are already known to exist in  meteorites that have survived impact, 
and that may originate ultimately from comets. 

On many a clear night, if you look patiently up at the sky, you will see a solitary  meteor blazing briefly overhead. On some n
ights you can see a shower of meteors, always on  the same few days of every year - a natural fireworks display, an entertainme
nt in the  heavens. These meteors are made by tiny grains, smaller than a mustard seed. They are less  shooting stars than fall
ing fluff. Momentarily brilliant as they enter the Earth.s  atmosphere, they are heated and destroyed by friction at a height o
f about 100 kilometers.  Meteors are the remnants of comets.* Old comets, heated by repeated passages near the Sun,  break up, 
evaporate and disintegrate. The debris spreads to fill the full cometary orbit.  Where that orbit intersects the orbit of the E
arth, there is a swarm of meteors waiting for  us. Some part of the swarm is always at the same position in the Earth.s orbit, 
so the  meteor shower is always observed on the same day of every year. June 30, 1908 was the day of  the Beta Taurid meteor sh
ower, c
onnected with the orbit of Comet Encke. The Tunguska Event  seems to have been caused by a chunk of Comet Encke, a piece substa
ntially larger than the  tiny fragments that cause those glittering, harmless meteor showers.



* That meteors and meteorites are connected with the comets was first proposed by  Alexander von Humboldt in his broad-gauge po
pularization of all of science, published in the  years 1845 to 1862, a work called Kosmos. It was reading Humboldt.s earlier w
ork that fired  the young Charles Darwin to embark on a career combining geographical exploration and  natural history. Shortly
 thereafter he accepted a position as naturalist aboard the ship HMS  Beagle, the event that led to The Origin of Species.



Comets have always evoked fear and awe and superstition. Their occasional  apparitions disturbingly challenged the notion of an
 unalterable and divinely ordered  Cosmos. It seemed inconceivable that a spectacular streak of milk-white flame, rising and  s
etting with the stars night after night, was not there for a reason, did not hold some  portent for human affairs. So the idea 
arose that comets were harbingers of disaster,  auguries of divine wrath - that they foretold the deaths of princes, the fall o
f kingdoms.  The Babylonians thought that comets were celestial beards. The Greeks thought of flowing  hair, the Arabs of flami
ng swords. In Ptolemy.s time comets were elaborately classified as  .beams,. .trumpets,. .jars. and so on, according to their s
hapes. Ptolemy thought that  comets bring wars, hot weather and .disturbed conditions.. Some medieval depictions of  comets res
emble unidentified flying crucifixes. A Lutheran .Superintendent. or Bishop of  Magdeburg named Andreas Celichius published in 
1578 a 
.Theological Reminder of the New  Comet,. which offered the inspired view that a comet is .the thick smoke of human sins,  risi
ng every day, every hour, every moment, full of stench and horror before the face of  God, and becoming gradually so thick as t
o form a comet, with curled and plaited tresses,  which at last is kindled by the hot and fiery anger of the Supreme Heavenly J
udge.. But  others countered that if comets were the smoke of sin, the skies would be continually ablaze  with them. 

The most ancient record of an apparition of Halley.s (or any other) Comet appears in  the Chinese Book of Prince Huai Nan, atte
ndant to the march of King Wu against Zhou of Yin.  The year was 1057 B.C. The approach to Earth of Halley.s Comet in the year 
66 is the  probable explanation of the account by Josephus of a sword that hung over Jerusalem for a  whole year. In 1066 the N
ormans witnessed another return of Halley.s Comet. Since it must,  they thought, presage the fall of some kingdom, the comet en
couraged, in some sense  precipitated, the invasion of England by William the Conqueror. The comet was duly noted in  a newspap
er of the time, the Bayeux Tapestry. In 1301, Giotto, one of the founders of modern  realistic painting, witnessed another appa
rition of Comet Halley and inserted it into a  nativity scene. The Great Comet of 1466 - yet another return of Halley.s Comet -
 panicked  Christian Europe; the Christians feared that God, who sends comets, might be on the side of  the Turks, who had just
 captur
ed Constantinople. 

The leading astronomers of the sixteenth and seventeenth centuries were fascinated  by comets, and even Newton became a little 
giddy over them. Kepler described comets as  darting through space .as the fishes in the sea,. but being dissipated by sunlight
, as the  cometary tail always points away from the sun. David Hume, in many cases an uncompromising  rationalist, at least toy
ed with the notion that comets were the reproductive cells - the  eggs or sperm - of planetary systems, that planets are produc
ed by a kind of interstellar  sex. As an undergraduate, before his invention of the reflecting telescope, Newton spent  many co
nsecutive sleepless nights searching the sky for comets with his naked eye, pursuing  them with such fervor that he felt ill fr
om exhaustion. Following Tycho and Kepler, Newton  concluded that the comets seen from Earth do not move within our atmosphere,
 as Aristotle  and others had thought, but rather are more distant than the Moon, although closer than  Saturn. Comets shine, a
s the p
lanets do, by reflected sunlight, .and they are much mistaken  who remove them almost as far as the fixed stars; for if it were
 so, the comets could  receive no more light from our Sun than our planets do from the fixed stars.. He showed that  comets, li
ke planets, move in ellipses: .Comets are a sort of planets revolved in very  eccentric orbits about the Sun.. This demystifica
tion, this prediction of regular cometary  orbits, led his friend Edmund Halley in 1707 to calculate that the comets of 1531, 1
607 and  1682 were apparitions at 76-year intervals of the same comet, and predicted its return in  1758. The comet duly arrive
d and was named for him posthumously. Comet Halley has played an  interesting role in human history, and may be the target of t
he first space vehicle probe of  a comet, during its return in 1986. 

Modern planetary scientists sometimes argue that the collision of a comet with a  planet might make a significant contribution 
to the planetary atmosphere. For example, all  the water in the atmosphere of Mars today could be accounted for by a recent imp
act of a  small comet. Newton noted that the matter in the tails of comets is dissipated in  interplanetary space, lost to the 
comet and little by little attracted gravitationally to  nearby planets. He believed that the water on the Earth is gradually b
eing lost, .spent upon  vegetation and putrefaction, and converted into dry earth . . . The fluids, if they are not  supplied f
rom without, must be in a continual decrease, and quite fail at last.. Newton  seems to have believed that the Earth.s oceans a
re of cometary origin, and that life is  possible only because cometary matter falls upon our planet. In a mystical reverie, he
 went  still further: .I suspect, moreover, that it is chiefly from the comets that spirit comes,  which is indeed the smallest
 but th
e most subtle and useful part of our air, and so much  required to sustain the life of all things with us.. 

As early as 1868 the astronomer William Huggins found an identity between some  features in the spectrum of a comet and the spe
ctrum of natural or .olefiant. gas. Huggins  had found organic matter in the comets; in subsequent years cyanogen, CN, consisti
ng of a  carbon and a nitrogen atom, the molecular fragment that makes cyanides, was identified in  the tails of comets. When t
he Earth was about to pass through the tail of Halley.s Comet in  1910, many people panicked. They overlooked the fact that the
 tail of a comet is  extravagantly diffuse: the actual danger from the poison in a comet.s tail is far less than  the danger, e
ven in 1910, from industrial pollution in large cities. 

But that reassured almost no one. For example, headlines in the San Francisco  Chronicle for May 15, 1910, include .Comet Camer
a as Big as a House,. .Comet Comes and  Husband Reforms,. .Comet Parties Now Fad in New York.. The Los Angeles Examiner adopted
 a  light mood: .Say! Has That Comet Cyanogened You Yet? . . . Entire Human Race Due for Free  Gaseous Bath,. .Expect .High Jin
ks,.. .Many Feel Cyanogen Tang,. .Victim Climbs Trees, Tries  to Phone Comet.. In 1910 there were parties, making merry before 
the world ended of cyanogen  pollution. Entrepreneurs hawked anti-comet pills and gas masks, the latter an eerie  premonition o
f the battlefields of World War 1. 

Some confusion about comets continues to our own time. In 1957, I was a graduate  student at the University of Chicago.s Yerkes
 Observatory. Alone in the observatory late one  night, I heard the telephone ring persistently. When I answered, a voice, betr
aying a  well-advanced state of inebriation, said, .Lemme talk to a shtrominer.. .Can I help you?.  .Well, see, we.re havin. th
is garden party out here in Wilmette, and there.s somethin. in  the sky. The funny part is, though, if you look straight at it,
 it goes away. But if you  don.t look at it, there it is.. The most sensitive part of the retina is not at the center  of the f
ield of view. You can see faint stars and other objects by averting your vision  slightly. I knew that, barely visible in the s
ky at this time, was a newly discovered comet  called Arend-Roland. So I told him that he was probably looking at a comet. Ther
e was a long  pause, followed by the query: .Wash.a comet?. .A comet,. I replied, .is a snowball one mile  across.. There was a
 longer
 pause, after which the caller requested, .Lemme talk to a real  shtrominer.. When Halley.s Comet reappears in 1986, I wonder w
hat political leaders will  fear the apparition, what other silliness will then be upon us. 

While the planets move in elliptical orbits around the Sun, their orbits are not  very elliptical. At first glance they are, by
 and large, indistinguishable from circles. It  is the comets - especially the long-period comets - that have dramatically elli
ptical  orbits. The planets are the old-timers in the inner solar system; the comets are the  newcomers. Why are the planetary 
orbits nearly circular and neatly separated one from the  other? Because if planets had very elliptical orbits, so that their p
aths intersected,  sooner or later there would be a collision. In the early history of the solar system, there  were probably m
any planets in the process of formation. Those with elliptical crossing  orbits tended to collide and destroy themselves. Those
 with circular orbits tended to grow  and survive. The orbits of the present planets are the orbits of the survivors of this  c
ollisional natural selection, the stable middle age of a solar system dominated by early  catastrophic impacts. 

In the outermost solar system, in the gloom far beyond the planets, there is a vast  spherical cloud of a trillion cometary nuc
lei, orbiting the Sun no faster than a racing car  at the Indianapolis 500.* A fairly typical comet would look like a giant tum
bling snowball  about 1 kilometer across. Most never penetrate the border marked by the orbit of Pluto. But  occasionally a pas
sing star makes a gravitational flurry and commotion in the cometary  cloud, and a group of comets finds itself in highly ellip
tical orbits, plunging toward the  Sun. After its path is further changed by gravitational encounters with Jupiter or Saturn,  
it tends to find itself, once every century or so, careering toward the inner solar system.  Somewhere between the orbits of Ju
piter and Mars it would begin heating and evaporating.  Matter blown outwards from the Sun.s atmosphere, the solar wind, carrie
s fragments of dust  and ice back behind the comet, making an incipient tail. If Jupiter were a meter across, our  comet would 
be smal
ler than a speck of dust, but when fully developed, its tail would be as  great as the distances between the worlds. When withi
n sight of the Earth on each of its  orbits, it would stimulate outpourings of superstitious fervor among the Earthlings. But  
eventually they would understand that it lived not in their atmosphere, but out among the  planets. They would calculate its or
bit. And perhaps one day soon they would launch a small  space vehicle devoted to exploring this visitor from the realm of the 
stars.



* The Earth is r = 1 astronomical unit = 150,000,000 kilometers from the Sun. Its  roughly circular orbit then has a circumfere
nce of 2?r ?109 km. Our planet circulates once  along this path every year. One year = 3 x 107 seconds. So the Earth.s orbital 
speed is 109  km/3 x 107 sec ?30 km/sec. Now consider the spherical shell of orbiting comets that many  astronomers believe sur
rounds the solar system at a distance ?100,000 astronomical units,  almost halfway to the nearest star. From Kepler.s third law
 it immediately follows that the  orbital period about the Sun of any one of them is about (105)3/2 = 1075 ?3 x 107 or 30  mill
ion years. Once around the Sun is a long time if you live in the outer reaches of the  solar system. The cometary orbit is 2?a 
= 2? x 105 x 1.5 x 108 km ?1014 km around, and its  speed is therefore only 1014 km/ 1015 sec = 0.1 km/sec ?220 miles per hour.




Sooner or later comets will collide with planets. The Earth and its companion the  Moon must be bombarded by comets and small a
steroids, debris left over from the formation of  the solar system. Since there are more small objects than large ones, there s
hould be more  impacts by small objects than by large ones. An impact of a small cometary fragment with the  Earth, as at Tungu
ska, should occur about once every thousand years. But an impact with a  large comet, such as Halley.s Comet, whose nucleus is 
perhaps twenty kilometers across,  should occur only about once every billion years. 

When a small, icy object collides with a planet or a moon, it may not produce a very  major scar. But if the impacting object i
s larger or made primarily of rock, there is an  explosion on impact that carves out a hemispherical bowl called an impact crat
er. And if no  process rubs out or fills in the crater, it may last for billions of years. Almost no  erosion occurs on the Moo
n and when we examine its surface, we find it covered with impact  craters, many more than can be accounted for by the rather s
parse population of cometary and  asteroidal debris that now fills the inner solar system. The lunar surface offers eloquent  t
estimony of a previous age of the destruction of worlds, now billions of years gone. 

Impact craters are not restricted to the Moon. We find them throughout the inner  solar system - from Mercury, closest to the S
un, to cloud-covered Venus to Mars and its tiny  moons, Phobos and Deimos. These are the terrestrial planets, our family of wor
lds, the  planets more or less like the Earth. They have solid surfaces, interiors made of rock and  iron, and atmospheres rang
ing from near-vacuum to pressures ninety times higher than the  Earth.s. They huddle around the Sun, the source of light and he
at, like campers around a  fire. The planets are all about 4.6 billion years old. Like the Moon, they all bear witness  to an a
ge of impact catastrophism in the early history of the solar system. 

As we move out past Mars we enter a very different regime - the realm of Jupiter and  the other giant or Jovian planets. These 
are great worlds, composed largely of hydrogen and  helium, with smaller amounts of hydrogen-rich gases such as methane, ammoni
a and water. We  do not see solid surfaces here, only the atmosphere and the multicolored clouds. These are  serious planets, n
ot fragmentary worldlets like the Earth. A thousand Earths could fit  inside Jupiter. If a comet or an asteroid dropped into th
e atmosphere of Jupiter, we would  not expect a visible crater, only a momentary break in the clouds. Nevertheless, we know  th
ere has been a many-billion-year history of collisions in the outer solar system as well -  because Jupiter has a great system 
of more than a dozen moons, five of which were examined  close up by the Voyager spacecraft. Here again we find evidence of pas
t catastrophes. When  the solar system is all explored, we will probably have evidence for impact catastrophism on  all nine wo
rlds, f
rom Mercury to Pluto, and on all the smaller moons, comets and asteroids. 

There are about 10,000 craters on the near side of the Moon, visible to telescopes  on Earth. Most of them are in the ancient l
unar highlands and date from the time of the  final accretion of the Moon from interplanetary debris. There are about a thousan
d craters  larger than a kilometer across in the maria (Latin for .seas.), the lowland regions that  were flooded, perhaps by l
ava, shortly after the formation of the Moon, covering over the  pre-existing craters. Thus, very roughly, craters on the Moon 
should be formed today at the  rate of about 109 years/104 craters, = 105 years/crater, a hundred thousand years between  crate
ring events. Since there may have been more interplanetary debris a few billion years  ago than there is today, we might have t
o wait even longer than a hundred thousand years to  see a crater form on the Moon. Because the Earth has a larger area than th
e Moon, we might  have to wait something like ten thousand years between collisions that would make craters as  big as a kilome
ter acr
oss on our planet. And since Meteor Crater, Arizona, an impact crater  about a kilometer across, has been found to be twenty or
 thirty thousand years old, the  observations on the Earth are in agreement with such crude calculations. 

The actual impact of a small comet or asteroid with the Moon might make a momentary  explosion sufficiently bright to be visibl
e from the Earth. We can imagine our ancestors  gazing idly up on some night a hundred thousand years ago and noting a strange 
cloud arising  from the unilluminated part of the Moon, suddenly struck by the Sun.s rays. But we would not  expect such an eve
nt to have happened in historical times. The odds against it must be  something like a hundred to one. Nevertheless, there is a
n historical account which may in  fact describe an impact on the Moon seen from Earth with the naked eye: On the evening of  J
une 25, 1178, five British monks reported something extraordinary, which was later recorded  in the chronicle of Gervase of Can
terbury, generally considered a reliable reporter on the  political and cultural events of his time, after he had interviewed t
he eyewitnesses who  asserted, under oath, the truth of their story. The chronicle reads:

There was a bright New Moon, and as usual in that phase its horns were tilted towards the  east. Suddenly, the upper horn split
 in two. From the midpoint of the division, a flaming  torch sprang up, spewing out fire, hot coals, and sparks.



The astronomers Derral Mulholland and Odile Calame have calculated that a lunar  impact would produce a dust cloud rising off t
he surface of the Moon with an appearance  corresponding rather closely to the report of the Canterbury monks. 

If such an impact were made only 800 years ago, the crater should still be visible.  Erosion on the Moon is so inefficient, bec
ause of the absence of air and water, that even  small craters a few billion years old are still comparatively well preserved. 
From the  description recorded by Gervase, it is possible to pinpoint the sector of the Moon to which  the observations refer. 
Impacts produce rays, linear trails of fine powder spewed out during  the explosion. Such rays are associated with the very you
ngest craters on the Moon - for  example, those named after Aristarchus and Copernicus and Kepler. But while the craters may  w
ithstand erosion on the Moon, the rays, being exceptionally thin, do not. As time goes on,  even the arrival of micrometeorites
 - fine dust from space stirs up and covers over the  rays, and they gradually disappear. Thus rays are a signature of a recent
 impact. 

The meteoriticist Jack Hartung has pointed out that a very recent, very  fresh-looking small crater with a prominent ray system
 lies exactly in the region of the  Moon referred to by the Canterbury monks. It is called Giordano Bruno after the  sixteenth-
century Roman Catholic scholar who held that there are an infinity of worlds and  that many are inhabited. For this and other c
rimes he was burned at the stake in the year  1600. 

Another line of evidence consistent with this interpretation has been provided by  Calame and Mulholland. When an object impact
s the Moon at high speed, it sets the Moon  slightly wobbling. Eventually the vibrations die down but not in so short a period 
as eight  hundred years. Such a quivering can be studied by laser reflection techniques. The Apollo  astronauts emplaced in sev
eral locales on the Moon special mirrors called laser  retro-reflectors. When a laser beam from Earth strikes the mirror and bo
unces back, the  round-trip travel time can be measured with remarkable precision. This time multiplied by  the speed of light 
gives us the distance to the Moon at that moment to equally remarkable  precision. Such measurements, performed over a period o
f years, reveal the Moon to be  librating, or quivering with a period (about three years) and amplitude (about three  meters), 
consistent with the idea that the crater Giordano Bruno was gouged out less than a  thousand years ago. 

All this evidence is inferential and indirect. The odds, as I have said, are against  such an event happening in historical tim
es. But the evidence is at least suggestive. As the  Tunguska Event and Meteor Crater, Arizona, also remind us, not all impact 
catastrophes  occurred in the early history of the solar system. But the fact that only a few of the lunar  craters have extens
ive ray systems also reminds us that, even on the Moon, some erosion  occurs.* By noting which craters overlap which and other 
signs of lunar stratigraphy, we can  reconstruct the sequence of impact and flooding events of which the production of crater  
Bruno is perhaps the most recent example.



* On Mars, where erosion is much more efficient, although there are many craters  there are virtually no ray craters, as we wou
ld expect.



The Earth is very near the Moon. If the Moon is so severely cratered by impacts, how  has the Earth avoided them? Why is Meteor
 Crater so rare? Do the comets and asteroids think  it inadvisable to impact an inhabited planet? This is an unlikely forbearan
ce. The only  possible explanation is that impact craters are formed at very similar rates on both the  Earth and the Moon, but
 that on the airless, waterless Moon they are preserved for immense  periods of time, while on the Earth slow erosion wipes the
m out or fills them in. Running  water, windblown sand and mountain-building are very slow processes. But over millions or  bil
lions of years, they are capable of utterly erasing even very large impact scars. 

On the surface of any moon or planet, there will be external processes, such as  impacts from space, and internal processes, su
ch as earthquakes; there will be fast,  catastrophic events, such as volcanic explosions, and processes of excruciating slownes
s,  such as the pitting of a surface by tiny airborne sand grains. There is no general answer to  the question of which process
es dominate, the outside ones or the inside ones; the rare but  violent events, or the common and inconspicuous occurrences. On
 the Moon, the outside,  catastrophic events hold sway; on Earth, the inside, slow processes dominate. Mars is an  intermediate
 case. 

Between the orbits of Mars and Jupiter are countless asteroids, tiny terrestrial  planets. The largest are a few hundred kilome
ters across. Many have oblong shapes and are  tumbling through space. In some cases there seem to be two or more asteroids in t
ight mutual  orbits. Collisions among the asteroids happen frequently, and occasionally a piece is  chipped off and accidentall
y intercepts the Earth, falling to the ground as a meteorite. In  the exhibits, on the shelves of our museums are the fragments
 of distant worlds. The  asteroid belt is a great grinding mill, producing smaller and smaller pieces down to motes  of dust. T
he bigger asteroidal pieces, along with the comets, are mainly responsible for the  recent craters on planetary surfaces. The a
steroid belt may be a place where a planet was  once prevented from forming because of the gravitational tides of the giant nea
rby planet  Jupiter; or it may be the shattered remains of a planet that blew itself up. This seems  improbable because no scie
ntist o
n Earth knows how a planet might blow itself up, which is  probably just as well. 

The rings of Saturn bear some resemblance to the asteroid belt: trillions of tiny  icy moonlets orbiting the planet. They may r
epresent debris prevented by the gravity of  Saturn from accreting into a nearby moon, or they may be the remains of a moon tha
t wandered  too close and was torn apart by the gravitational tides. Alternatively, they may be the  steady state equilibrium b
etween material ejected from a moon of Saturn, such as Titan, and  material falling into the atmosphere of the planet. Jupiter 
and Uranus also have ring  systems, discovered only recently, and almost invisible from the Earth. Whether Neptune has  a ring 
is a problem high on the agenda of planetary scientists. Rings may be a typical  adornment of Jovian-type planets throughout th
e cosmos. 

Major recent collisions from Saturn to Venus were alleged in a popular book, Worlds  in Collision, published in 1950 by a psych
iatrist named Immanuel Velikovsky. He proposed  that an object of planetary mass, which he called a comet, was somehow generate
d in the  Jupiter system. Some 3,500 years ago, it careered in toward the inner solar system and made  repeated encounters with
 the Earth and Mars, having as incidental consequences the parting  of the Red Sea, allowing Moses and the Israelites to escape
 from Pharaoh, and the stopping  of the Earth from rotating on Joshua.s command. It also caused, he said, extensive vulcanism  
and floods.* Velikovsky imagined the comet, after a complicated game of interplanetary  billiards, to settle down into a stable
, nearly circular orbit, becoming the planet Venus -  which he claimed never existed before then.



* As far as I know, the first essentially nonmystical attempt to explain a  historical event by cometary intervention was Edmun
d Halley.s proposal that the Noachic  flood was .the casual Choc [shock] of a Comet..



As I have discussed at some length elsewhere, these ideas are almost certainly  wrong. Astronomers do not object to the idea of
 major collisions, only to major recent  collisions. In any model of the solar system it is impossible to show the sizes of the
  planets on the same scale as their orbits, because the planets would then be almost too  small to see. If the planets were re
ally shown to scale, as grains of dust, we would easily  note that the chance of collision of a particular comet with the Earth
 in a few thousand  years is extraordinarily low. Moreover, Venus is a rocky and metallic, hydrogen-poor planet,  whereas Jupit
er - where Velikovsky supposed it comes from - is made almost entirely of  hydrogen. There are no energy sources for comets or 
planets to be ejected by Jupiter. If one  passed by the Earth, it could not .stop. the Earth.s rotation, much less start it up 
again  at twenty-four hours a day. No geological evidence supports the idea of an unusual frequency  of vulcanism or floods 3,5
00 year
s ago. There are Mesopotamian inscriptions referring to  Venus that predate the time when Velikovsky says Venus changed from a 
comet into a planet.*  It is very unlikely that an object in such a highly elliptical orbit could be rapidly moved  into the ne
arly perfectly circular orbit of present-day Venus. And so on.



* The Adda cylinder seal, dating from the middle of the third millennium B.C.,  prominently displays Inanna, the goddess of Ven
us, the morning star, and precursor of the  Babylonian Ishtar.



Many hypotheses proposed by scientists as well as by non-scientists turn out to be  wrong. But science is a self-correcting ent
erprise. To be accepted, all new ideas must  survive rigorous standards of evidence. The worst aspect of the Velikovsky affair 
is not  that his hypotheses were wrong or in contradiction to firmly established facts, but that  some who called themselves sc
ientists attempted to suppress Velikovsky.s work. Science is  generated by and devoted to free inquiry: the idea that any hypot
hesis, no matter how  strange, deserves to be considered on its merits. The suppression of uncomfortable ideas may  be common i
n religion and politics, but it is not the path to knowledge; it has no place in  the endeavor of science. We do not know in ad
vance who will discover fundamental new  insights. 

Venus has almost the same mass,* size, and density as the Earth. As the nearest  planet, it has for centuries been thought of a
s the Earth.s sister. What is our sister  planet really like? Might it be a balmy, summer planet, a little warmer than the Eart
h  because it is a little closer to the Sun? Does it have impact craters, or have they all  eroded away? Are there volcanoes? M
ountains? Oceans? Life?



* It is, incidentally, some 30 million times more massive than the most massive  comet known.



The first person to look at Venus through the telescope was Galileo in 1609. He saw  an absolutely featureless disc. Galileo no
ted that it went through phases, like the Moon,  from a thin crescent to a full disc, and for the same reason: we are sometimes
 looking  mostly at the night side of Venus and sometimes mostly at the day side, a finding that  incidentally reinforced the v
iew that the Earth went around the Sun and not vice versa. As  optical telescopes became larger and their resolution (or abilit
y to discriminate fine  detail) improved, they were systematically turned toward Venus. But they did no better than  Galileo.s.
 Venus was evidently covered by a dense layer of obscuring cloud. When we look at  the planet in the morning or evening skies, 
we are seeing sunlight reflected off the clouds  of Venus. But for centuries after their discovery, the composition of those cl
ouds remained  entirely unknown. 

The absence of anything to see on Venus led some scientists to the curious  conclusion that the surface was a swamp, like the E
arth in the Carboniferous Period. The  argument - if we can dignify it by such a word - went something like this:

.I can.t see a thing on Venus.. .Why not?. .Because it.s totally covered with clouds.. .What are clouds made of?. .Water, of co
urse.. .Then why are the clouds of Venus thicker than the clouds on Earth?. .Because there.s more water there.. .But if there i
s more water in the clouds, there must be more water on the surface. What  kind of surfaces are very wet?. .Swamps..

And if there are swamps, why not cyacads and dragonflies and perhaps even dinosaurs on  Venus? Observation: There was absolutel
y nothing to see on Venus. Conclusion: It must be  covered with life. The featureless clouds of Venus reflected our own predisp
ositions. We are  alive, and we resonate with the idea of life elsewhere. But only careful accumulation and  assessment of the 
evidence can tell us whether a given world is inhabited. Venus turns out  not to oblige our predispositions. 

The first real clue to the nature of Venus came from work with a prism made of glass  or a flat surface, called a diffraction g
rating, covered with fine, regularly spaced, ruled  lines. When an intense beam of ordinary white light passes through a narrow
 slit and then  through a prism or grating, it is spread into a rainbow of colors called a spectrum. The  spectrum runs from hi
gh frequencies* of visible light to low ones - violet, blue, green,  yellow, orange and red. Since we see these colors, it is c
alled the spectrum of visible  light. But there is far more light than the small segment of the spectrum we can see. At  higher
 frequencies, beyond the violet, is a part of the spectrum called the ultraviolet: a  perfectly real kind of light, carrying de
ath to the microbes. It is invisible to us, but  readily detectable by bumblebees and photoelectric cells. There is much more t
o the world  than we can see. Beyond the ultraviolet is the X-ray part of the spectrum, and beyond the  X-rays are the gamma ra
ys. At 
lower frequencies, on the other side of red, is the infrared  part of the spectrum. It was first discovered by placing a sensit
ive thermometer in what to  our eyes is the dark beyond the red. The temperature rose. There was light falling on the  thermome
ter even though it was invisible to our eyes. Rattlesnakes and doped semiconductors  detect infrared radiation perfectly well. 
Beyond the infrared is the vast spectral region of  the radio waves. From gamma rays to radio waves, all are equally respectabl
e brands of  light. All are useful in astronomy. But because of the limitations of our eyes, we have a  prejudice, a bias, towa
rd that tiny rainbow band we call the spectrum of visible light.



* Light is a wave motion; its frequency is the number of wave crests, say, entering  a detection instrument, such as a retina, 
in a given unit of time, such as a second. The  higher the frequency, the more energetic the radiation.



Schematic diagram of the electromagnetic spectrum, ranging from the shortest wavelengths  (gamma rays) to the longest (radio wa
ves). The wavelength of light is measured in Ångstroms  (Å), micrometers (?m), centimeters (cm) and meters (m).

 

In 1844, the philosopher Auguste Comte was searching for an example of a sort of  knowledge that would be always hidden. He cho
se the composition of distant stars and  planets. We would never physically visit them, he thought, and with no sample in hand 
it  seemed we would forever be denied knowledge of their composition. But only three years after  Comte.s death, it was discove
red that a spectrum can be used to determine the chemistry of  distant objects. Different molecules and chemical elements absor
b different frequencies or  colors of light, sometimes in the visible and sometimes elsewhere in the spectrum. In the  spectrum
 of a planetary atmosphere, a single dark line represents an image of the slit in  which light is missing, the absorption of su
nlight during its brief passage through the air  of another world. Each such line is made by a particular kind of molecule or a
tom. Every  substance has its characteristic spectral signature. The gases on Venus can be identified  from the Earth, 60 milli
on kilo
meters away. We can divine the composition of the Sun (in  which helium, named after the Greek sun god Helios, was first found)
; of magnetic A stars  rich in europium; of distant galaxies analyzed through the collective light of a hundred  billion consti
tuent stars. Astronomical spectroscopy is an almost magical technique. It  amazes me still. Auguste Comte picked a particularly
 unfortunate example. 

If Venus were soaking wet, it should be easy to see the water vapor lines in its  spectrum. But the first spectroscopic searche
s, attempted at Mount Wilson Observatory around  1920, found not a hint, not a trace, of water vapor above the clouds of Venus,
 suggesting an  arid, desert-like surface, surmounted by clouds of fine drifting silicate dust. Further  study revealed enormou
s quantities of carbon dioxide in the atmosphere, implying to some  scientists that all the water on the planet had combined wi
th hydrocarbons to form carbon  dioxide, and that therefore the surface of Venus was a global oil field, a planet-wide sea  of 
petroleum. Others concluded that there was no water vapor above the clouds because the  clouds were very cold, that all the wat
er had condensed out into water droplets, which do  not have the same pattern of spectral lines as water vapor. They suggested 
that the planet  was totally covered with water - except perhaps for an occasional limestone-encrusted  island, like the cliffs
 of Dov
er. But because of the vast quantities of carbon dioxide in  the atmosphere, the sea could not be ordinary water; physical chem
istry required carbonated  water. Venus, they proposed, had a vast ocean of seltzer. 

The first hint of the true situation came not from spectroscopic studies in the  visible or near-infrared parts of the spectrum
, but rather from the radio region. A radio  telescope works more like a light meter than a camera. You point it toward some fa
irly broad  region of the sky, and it records how much energy, in a particular radio frequency, is  coming down to Earth. We ar
e used to radio signals transmitted by some varieties of  intelligent life - namely, those who run radio and television station
s. But there are many  other reasons for natural objects to give off radio waves. One is that they are hot. And  when, in 1956,
 an early radio telescope was turned toward Venus, it was discovered to be  emitting radio waves as if it were at an extremely 
high temperature. But the real  demonstration that the surface of Venus is astonishingly hot came when the Soviet spacecraft  o
f the Venera series first penetrated the obscuring clouds and landed on the mysterious and  inaccessible surface of the nearest
 planet
. Venus, it turns out, is broiling hot. There are  no swamps, no oil fields, no seltzer oceans. With insufficient data, it is e
asy to go wrong. 

When I greet a friend, I am seeing her in reflected visible light, generated by the  Sun, say, or by an incandescent lamp. The 
light rays bounce off my friend and into my eye.  But the ancients, including no less a figure than Euclid, believed that we se
e by virtue of  rays somehow emitted by the eye and tangibly, actively contacting the object observed. This  is a natural notio
n and can still be encountered, although it does not account for the  invisibility of objects in a darkened room. Today we comb
ine a laser and a photocell, or a  radar transmitter and a radio telescope, and in this way make active contact by light with  
distant objects. In radar astronomy, radio waves are transmitted by a telescope on Earth,  strike, say, that hemisphere of Venu
s that happens to be facing the Earth, and bounce back.  At many wavelengths the clouds and atmosphere of Venus are entirely tr
ansparent to radio  waves. Some places on the surface will absorb them or, if they are very rough, will scatter  them sideways 
and so 
will appear dark to radio waves. By following the surface features  moving with Venus as it rotates, it was possible for the fi
rst time to determine reliably  the length of its day - how long it takes Venus to spin once on its axis. It turns out that,  w
ith respect to the stars, Venus turns once every 243 Earth days, but backwards, in the  opposite direction from all other plane
ts in the inner solar system. As a result, the Sun  rises in the west and sets in the east, taking 118 Earth days from sunrise 
to sunrise. What  is more, it presents almost exactly the same face to the Earth each time it is closest to  our planet. Howeve
r the Earth.s gravity has managed to nudge Venus into this Earth-locked  rotation rate, it cannot have happened rapidly. Venus 
could not be a mere few thousand years  old but, rather, it must be as old as all the other objects in the inner solar system. 


Radar pictures of Venus have been obtained, some from ground-based radar telescopes,  some from the Pioneer Venus vehicle in or
bit around the planet. They show provocative  evidence of impact craters. There are just as many craters that are not too big o
r too small  on Venus as there are in the lunar highlands, so many that Venus is again telling us that it  is very old. But the
 craters of Venus are remarkably shallow, almost as if the high surface  temperatures have produced a kind of rock that flows o
ver long periods of time, like taffy  or putty, gradually softening the relief. There are great mesas here, twice as high as th
e  Tibetan plateau, an immense rift valley, possibly giant volcanoes and a mountain as high as  Everest. We now see before us a
 world previously hidden entirely by clouds - its features  first explored by radar and by space vehicles. 

The surface temperatures on Venus, as deduced from radio astronomy and confirmed by  direct spacecraft measurements are around 
480°C or 900°F, hotter than the hottest household  oven. The corresponding surface pressure is 90 atmospheres, 90 times the pre
ssure we feel  from the Earth.s atmosphere, the equivalent of the weight of water 1 kilometer below the  surface of the oceans.
 To survive for long on Venus, a space vehicle would have to be  refrigerated as well as built like a deep submersible. 

Something like a dozen space vehicles from the Soviet Union and United States have  entered the dense Venus atmosphere, and pen
etrated the clouds; a few of them have actually  survived for an hour or so on the surface.* Two spacecraft in the Soviet Vener
a series have  taken pictures down there. Let us follow in the footsteps of these pioneering missions, and  visit another world
.



* Pioneer Venus was a successful US mission in 1978-79, combining an orbiter and  four atmospheric entry probes, two of which b
riefly survived the inclemencies of the Venus  surface. There are many unexpected developments in mustering spacecraft to explo
re the  planets. This is one of them: Among the instruments aboard one of the Pioneer Venus entry  probes was a net flux radiom
eter, designed to measure simultaneously the amount of infrared  energy flowing upwards and downwards at each position in the V
enus atmosphere. The  instrument required a sturdy window that was also transparent to infrared radiation. A  13.5-karat diamon
d was imported and milled into the desired window. However, the contractor  was required to pay a $12,000 import duty. Eventual
ly, the US Customs service decided that  after the diamond was launched to Venus it was unavailable for trade on Earth and refu
nded  the money to the manufacturer.



In ordinary visible light, the faintly yellowish clouds of Venus can be made out,  but they show, as Galileo first noted, virtu
ally no features at all. If the cameras look in  the ultraviolet, however, we see a graceful, complex swirling weather system i
n the high  atmosphere, where the winds are around 100 meters per second, some 220 miles per hour. The  atmosphere of Venus is 
composed of 96 percent carbon dioxide. There are small traces of  nitrogen, water vapor, argon, carbon monoxide and other gases
, but the only hydrocarbons or  carbohydrates present are there in less than 0.1 parts per million. The clouds of Venus turn  o
ut to be chiefly a concentrated solution of sulfuric acid. Small quantities of hydrochloric  acid and hydrofluoric acid are als
o present. Even at its high, cool clouds, Venus turns out  to be a thoroughly nasty place. 

High above the visible cloud deck, at about 70 kilometers altitude, there is a  continuous haze of small particles. At 60 kilom
eters, we plunge into the clouds, and find  ourselves surrounded by droplets of concentrated sulfuric acid. As we go deeper, th
e cloud  particles tend to get bigger. The pungent gas, sulfur dioxide, SO2, is present in trace  amounts in the lower atmosphe
re. It is circulated up above the clouds, broken down by  ultraviolet light from the Sun and recombined with water there to for
m sulfuric acid - which  condenses into droplets, settles, and at lower altitudes is broken down by heat into SO2 and  water ag
ain, completing the cycle. It is always raining sulfuric acid on Venus, all over the  planet, and not a drop ever reaches the s
urface. 

The sulfur-colored mist extends downwards to some 45 kilometers above the surface of  Venus, where we emerge into a dense but c
rystal-clear atmosphere. The atmospheric pressure  is so high, however, that we cannot see the surface. Sunlight is bounced abo
ut by  atmospheric molecules until we lose all images from the surface. There is no dust here, no  clouds, just an atmosphere g
etting palpably denser. Plenty of sunlight is transmitted by the  overlying clouds, about as much as on an overcast day on the 
Earth. 

With searing heat, crushing pressures, noxious gases and everything suffused in an  eerie, reddish glow, Venus seems less the g
oddess of love than the incarnation of hell. As  nearly as we can make out, at least some places on the surface are strewn fiel
ds of jumbled,  softened irregular rocks, a hostile, barren landscape relieved only here and there by the  eroded remnants of a
 derelict spacecraft from a distant planet, utterly invisible through  the thick, cloudy, poisonous atmosphere.*



* In this stifling landscape, there is not likely to be anything alive, even  creatures very different from us. Organic and oth
er conceivable biological molecules would  simply fall to pieces. But, as an indulgence, let us imagine that intelligent life o
nce  evolved on such a planet. Would it then invent science? The development of science on Earth  was spurred fundamentally by 
observations of the regularities of the stars and planets. But  Venus is completely cloud-covered. The night is pleasingly long
 - about 59 Earth days long -  but nothing of the astronomical universe would be visible if you looked up into the night  sky o
f Venus. Even the Sun would be invisible in the daytime; its light would be scattered  and diffused over the whole sky - just a
s scuba divers see only a uniform enveloping  radiance beneath the sea. If a radio telescope were built on Venus, it could dete
ct the Sun,  the Earth and other distant objects. If astrophysics developed, the existence of stars could  eventually be deduce
d from 
the principles of physics, but they would be theoretical  constructs only. I sometimes wonder what their reaction would be if i
ntelligent beings on  Venus one day learned to fly, to sail in the dense air, to penetrate the mysterious cloud  veil 45 kilome
ters above them and eventually to emerge out the top of the clouds, to look up  and for the first time witness that glorious un
iverse of Sun and planets and stars.



Venus is a kind of planet-wide catastrophe. It now seems reasonably clear that the  high surface temperature comes about throug
h a massive greenhouse effect. Sunlight passes  through the atmosphere and clouds of Venus, which are semi-transparent to visib
le light, and  reaches the surface. The surface being heated endeavors to radiate back into space. But  because Venus is much c
ooler than the Sun, it emits radiation chiefly in the infrared rather  than the visible region of the spectrum. However, the ca
rbon dioxide and water vapor* in the  Venus atmosphere are almost perfectly opaque to infrared radiation, the heat of the Sun i
s  efficiently trapped, and the surface temperature rises - until the little amount of infrared  radiation that trickles out of
 this massive atmosphere just balances the sunlight absorbed  in the lower atmosphere and surface.



* At the present time there is still a little uncertainty about the abundance of  water vapor on Venus. The gas chromatograph o
n the Pioneer Venus entry probes gave an  abundance of water in the lower atmosphere of a few tenths of a percent. On the other
 hand,  infrared measurements by the Soviet entry vehicles, Veneras 11 and 12, gave an abundance of  about a hundredth of a per
cent. If the former value applies, then carbon dioxide and water  vapor alone are adequate to seal in almost all the heat radia
tion from the surface and keep  the Venus ground temperature at about 480°C. If the latter number applies - and my guess is  th
at it is the more reliable estimate - then carbon dioxide and water vapor alone are  adequate to keep the surface temperature o
nly at about 380°C, and some other atmospheric  constituent is necessary to close the remaining infrared frequency windows in t
he  atmospheric greenhouse. However, the small quantities of SO2, CO and HCl, all of which have  been detected in the Venus atm
osphere
, seem adequate for this purpose. Thus recent American  and Soviet missions to Venus seem to have provided verification that th
e greenhouse effect  is indeed the reason for the high surface temperature.

Our neighboring world turns out to be a dismally unpleasant place. But we will go back to  Venus. It is fascinating in its own 
right. Many mythic heroes in Greek and Norse mythology,  after all, made celebrated efforts to visit Hell. There is also much t
o be learned about our  planet, a comparative Heaven, by comparing it with Hell. 

The Sphinx, half human, half lion, was constructed more than 5,500 years ago. Its  face was once crisp and cleanly rendered. It
 is now softened and blurred by thousands of  years of Egyptian desert sandblasting and by occasional rains. In New York City t
here is an  obelisk called Cleopatra.s Needle, which came from Egypt. In only about a hundred years in  that city.s Central Par
k, its inscriptions have been almost totally obliterated, because of  smog and industrial pollution - chemical erosion like tha
t in the atmosphere of Venus.  Erosion on Earth slowly wipes out information, but because they are gradual - the patter of  a r
aindrop, the sting of a sand grain - those processes can be missed. Big structures, such  as mountain ranges, survive tens of m
illions of years; smaller impact craters, perhaps a  hundred thousand*; and large-scale human artifacts only some thousands. In
 addition to such  slow and uniform erosion, destruction also occurs through catastrophes large and small. The  Sphinx is missi
ng a no
se. Someone shot it off in a moment of idle desecration - some say it  was Mameluke Turks, others, Napoleonic soldiers.



* More precisely, an impact crater 10 kilometers in diameter is produced on the  Earth about once every 500,000 years; it would
 survive erosion for about 300 million years  in areas that are geologically stable, such as Europe and North America. Smaller 
craters are  produced more frequently and destroyed more rapidly, especially in geologically active  regions.



On Venus, on Earth and elsewhere in the solar system, there is evidence for  catastrophic destruction, tempered or overwhelmed 
by slower, more uniform processes: on the  Earth, for example, rainfall, coursing into rivulets, streams and rivers of running 
water,  creating huge alluvial basins; on Mars, the remnants of ancient rivers, perhaps arising from  beneath the ground; on Io
, a moon of Jupiter, what seem to be broad channels made by flowing  liquid sulfur. There are mighty weather systems on the Ear
th - and in the high atmosphere of  Venus and on Jupiter. There are sandstorms on the Earth and on Mars; lightning on Jupiter  
and Venus and Earth. Volcanoes inject debris into the atmospheres of the Earth and Io.  Internal geological processes slowly de
form the surfaces of Venus, Mars, Ganymede and  Europa, as well as Earth. Glaciers, proverbial for their slowness, produce majo
r reworkings  of landscapes on the Earth and probably also on Mars. These processes need not be constant  in time. Most of Euro
pe was 
once covered with ice. A few million years ago, the present site  of the city of Chicago was buried under three kilometers of f
rost. On Mars, and elsewhere in  the solar system, we see features that could not be produced today, landscapes carved  hundred
s of millions or billions of years ago when the planetary climate was probably very  different. 

There is an additional factor that can alter the landscape and the climate of Earth:  intelligent life, able to make major envi
ronmental changes. Like Venus, the Earth also has a  greenhouse effect due to its carbon dioxide and water vapor. The global te
mperature of the  Earth would be below the freezing point of water if not for the greenhouse effect. It keeps  the oceans liqui
d and life possible. A little greenhouse is a good thing. Like Venus, the  Earth also has about 90 atmospheres of carbon dioxid
e; but it resides in the crust as  limestone and other carbonates, not in the atmosphere. If the Earth were moved only a little
  closer to the Sun, the temperature would increase slightly. This would drive some of the CO2  out of the surface rocks, gener
ating a stronger greenhouse effect, which would in turn  incrementally heat the surface further. A hotter surface would vaporiz
e still more  carbonates into CO2, and there would be the possibility of a runaway greenhouse effect to  very high temperatures
. This 
is just what we think happened in the early history of Venus,  because of Venus.s proximity to the Sun. The surface environment
 of Venus is a warning:  something disastrous can happen to a planet rather like our own. 

The principal energy sources of our present industrial civilization are the  so-called fossil fuels. We burn wood and oil, coal
 and natural gas, and, in the process,  release waste gases, principally CO2, into the air. Consequently, the carbon dioxide co
ntent  of the Earth.s atmosphere is increasing dramatically. The possibility of a runaway  greenhouse effect suggests that we h
ave to be careful: Even a one- or two-degree rise in the  global temperature can have catastrophic consequences. In the burning
 of coal and oil and  gasoline, we are also putting sulfuric acid into the atmosphere. Like Venus, our  stratosphere even now h
as a substantial mist of tiny sulfuric acid droplets. Our major  cities are polluted with noxious molecules. We do not understa
nd the long-term effects of  our course of action. 

But we have also been perturbing the climate in the opposite sense. For hundreds of  thousands of years human beings have been 
burning and cutting down forests and encouraging  domestic animals to graze on and destroy grasslands. Slash-and-burn agricultu
re, industrial  tropical deforestation and overgrazing are rampant today. But forests are darker than  grasslands, and grasslan
ds are darker than deserts. As a consequence, the amount of sunlight  that is absorbed by the ground has been declining, and by
 changes in the land use we are  lowering the surface temperature of our planet. Might this cooling increase the size of the  p
olar ice cap, which, because it is bright, will reflect still more sunlight from the Earth,  further cooling the planet, drivin
g a runaway albedo* effect?



* The albedo is the fraction of the sunlight striking a planet that is reflected  back to space. The albedo of the Earth is som
e 30 to 35 percent. The rest of the sunlight is  absorbed by the ground and is responsible for the average surface temperature.




Our lovely blue planet, the Earth, is the only home we know. Venus is too hot. Mars  is too cold. But the Earth is just right, 
a heaven for humans. After all, we evolved here.  But our congenial climate may be unstable. We are perturbing our poor planet 
in serious and  contradictory ways. Is there any danger of driving the environment of the Earth toward the  planetary Hell of V
enus or the global ice age of Mars? The simple answer is that nobody  knows. The study of the global climate, the comparison of
 the Earth with other worlds, are  subjects in their earliest stages of development. They are fields that are poorly and  grudg
ingly funded. In our ignorance, we continue to push and pull, to pollute the atmosphere  and brighten the land, oblivious of th
e fact that the long-term consequences are largely  unknown. 

A few million years ago, when human beings first evolved on Earth, it was already a  middle-aged world, 4.6 billion years along
 from the catastrophes and impetuosities of its  youth. But we humans now represent a new and perhaps decisive factor. Our inte
lligence and  our technology have given us the power to affect the climate. How will we use this power?  Are we willing to tole
rate ignorance and complacency in matters that affect the entire human  family? Do we value short-term advantages above the wel
fare of the Earth? Or will we think  on longer time scales, with concern for our children and our grandchildren, to understand 
 and protect the complex life-support systems of our planet? The Earth is a tiny and fragile  world. It needs to be cherished.


CHAPTER V

Blues for a Red Planet

In the orchards of the gods, he watches the canals . . . - Enuma Elish, Sumer, c. 2500 B.C.

A man that is of Copernicus. Opinion, that this Earth of ours is a Planet, carry.d round and  enlightn.d by the Sun, like the r
est of them, cannot but sometimes have a fancy . . . that  the rest of the Planets have their Dress and Furniture, nay and thei
r Inhabitants too as  well as this Earth of ours . . . But we were always apt to conclude, that .twas in vain to  enquire after
 what Nature had been pleased to do there, seeing there was no likelihood of  ever coming to an end of the Enquiry . . . but a 
while ago, thinking somewhat seriously on  this matter (not that I count my self quicker sighted than those great Men [of the p
ast],  but that I had the happiness to live after most of them) me thoughts the Enquiry was not so  impracticable nor the way s
o stopt up with Difficulties, but that there was very good room  left for probable Conjectures. - Christian Huygens, New Conjec
tures Concerning the Planetary Worlds, Their Inhabitants and  Productions, c. 1690

A time would come when Men should be able to stretch out their Eyes . . . they should see  the Planets like our Earth. - Christ
opher Wren, Inauguration Speech, Gresham College, 1657

Many years ago, so the story goes, a celebrated newspaper publisher sent a telegram to a  noted astronomer: WIRE COLLECT IMMEDI
ATELY FIVE HUNDRED WORDS ON WHETHER THERE IS LIFE ON  MARS. The astronomer dutifully replied: NOBODY KNOWS, NOBODY KNOWS, NOBOD
Y KNOWS . . . 250  times. But despite this confession of ignorance, asserted with dogged persistence by an  expert, no one paid
 any heed, and from that time to this, we hear authoritative  pronouncements by those who think they have deduced life on Mars,
 and by those who think  they have excluded it. Some people very much want there to be life on Mars; others very much  want the
re to be no life on Mars. There have been excesses in both camps. These strong  passions have somewhat frayed the tolerance for
 ambiguity that is essential to science.  There seem to be many people who simply wish to be told an answer, any answer, and th
ereby  avoid the burden of keeping two mutually exclusive possibilities in their heads at the same  time. Some scientists have 
believe
d that Mars is inhabited on what has later proved to be  the flimsiest evidence. Others have concluded the planet is lifeless b
ecause a preliminary  search for a particular manifestation of life has been unsuccessful or ambiguous. The blues  have been pl
ayed more than once for the red planet.       Why Martians? Why so many eager speculations and ardent fantasies about Martians,
  rather than, say, Saturnians or Plutonians? Because Mars seems, at first glance, very  Earthlike. It is the nearest planet wh
ose surface we can see. There are polar ice caps,  drifting white clouds, raging dust storms, seasonally changing patterns on i
ts red surface,  even a twenty-four-hour day. It is tempting to think of it as an inhabited world. Mars has  become a kind of m
ythic arena onto which we have projected our earthly hopes and fears. But  our psychological predispositions pro or con must no
t mislead us. All that matters is the  evidence, and the evidence is not yet in. The real Mars is a world of wonders. Its futur
e  pros
pects are far more intriguing than our past apprehensions about it. In our time we have  sifted the sands of Mars, we have esta
blished a presence there, we have fulfilled a century  of dreams!

No one would have believed in the last years of the nineteenth century that this world was  being watched keenly and closely by
 intelligences greater than man.s and yet as mortal as  his own; that as men busied themselves about their various concerns, th
ey were scrutinized  and studied, perhaps almost as narrowly as a man with a microscope might scrutinize the  transient creatur
es that swarm and multiply in a drop of water. With infinite complacency,  men went to and fro over this globe about their litt
le affairs, serene in their assurances  of their empire over matter. It is possible that the infusoria under the microscope do 
the  same. No one gave a thought to the older worlds of space as sources of human danger, or  thought of them only to dismiss t
he idea of life upon them as impossible or improbable. It  is curious to recall some of the mental habits of those departed day
s. At most, terrestrial  men fancied there might be other men upon Mars, perhaps inferior to themselves and ready to  welcome a
 missio
nary enterprise. Yet across the gulf of space, minds that are to our minds  as ours are to those of the beasts that perish, int
ellects vast and cool and unsympathetic,  regarded this Earth with envious eyes, and slowly and surely drew their plans against
 us.

These opening lines of H. G. Wells. 1897 science fiction classic The War of the Worlds  maintain their haunting power to this d
ay.* For all of our history, there has been the fear,  or hope, that there might be life beyond the Earth. In the last hundred 
years, that  premonition has focused on a bright red point of light in the night sky. Three years before  The War of the Worlds
 was published, a Bostonian named Percival Lowell founded a major  observatory where the most elaborate claims in support of li
fe on Mars were developed.  Lowell dabbled in astronomy as a young man, went to Harvard, secured a semi-official  diplomatic ap
pointment to Korea, and otherwise engaged in the usual pursuits of the wealthy.  Before he died in 1916, he had made major cont
ributions to our knowledge of the nature and  evolution of the planets, to the deduction of the expanding universe and, in a de
cisive way,  to the discovery of the planet Pluto, which is named after him. The first two letters of the  name Pluto are the i
nitials
 of Percival Lowell. Its symbol is , a planetary monogram.



* In 1938, a radio version, produced by Orson Welles, transposed the Martian  invasion from England to the eastern United State
s, and frightened millions in war-jittery  America into believing that the Martians were in fact attacking.



But Lowell.s lifelong love was the planet Mars. He was electrified by the  announcement in 1877 by an Italian astronomer, Giova
nni Schiaparelli, of canali on Mars.  Schiaparelli had reported during a close approach of Mars to Earth an intricate network o
f  single and double straight lines crisscrossing the bright areas of the planet. Canali in  Italian means channels or grooves,
 but was promptly translated into English as canals, a  word that implies intelligent design. A Mars mania coursed through Euro
pe and America, and  Lowell found himself swept up with it. 

In 1892, his eyesight failing, Schiaparelli announced he was giving up observing  Mars. Lowell resolved to continue the work. H
e wanted a first-rate observing site,  undisturbed by clouds or city lights and marked by good .seeing,. the astronomer.s term 
for  a steady atmosphere through which the shimmering of an astronomical image in the telescope  is minimized. Bad seeing is pr
oduced by small-scale turbulence in the atmosphere above the  telescope and is the reason the stars twinkle. Lowell built his o
bservatory far away from  home, on Mars Hill in Flagstaff, Arizona.* He sketched the surface features of Mars,  particularly th
e canals, which mesmerized him. Observations of this sort are not easy. You  put in long hours at the telescope in the chill of
 the early morning. Often the seeing is  poor and the image of Mars blurs and distorts. Then you must ignore what you have seen
.  Occasionally the image steadies and the features of the planet flash out momentarily,  marvelously. You must then remember w
hat has
 been vouchsafed to you and accurately commit it  to paper. You must put your preconceptions aside and with an open mind set do
wn the wonders  of Mars.



* Isaac Newton had written .If the Theory of making Telescopes could at length be  fully brought into practice, yet there would
 be certain Bounds beyond which Telescopes could  not perform. For the Air through which we look upon the Stars, is in perpetua
l tremor . . .  The only remedy is the most serene and quiet Air, such as may perhaps be found on the tops  of the highest moun
tains above the grosser Clouds..



Percival Lowell.s notebooks are full of what he thought he saw: bright and dark  areas, a hint of polar cap, and canals, a plan
et festooned with canals. Lowell believed he  was seeing a globe girdling network of great irrigation ditches, carrying water f
rom the  melting polar caps to the thirsty inhabitants of the equatorial cities. He believed the  planet to be inhabited by an 
older and wiser race, perhaps very different from us. He  believed that the seasonal changes in the dark areas were due to the 
growth and decay of  vegetation. He believed that Mars was, very closely, Earth-like. All in all, he believed too  much. 

Lowell conjured up a Mars that was ancient, arid, withered, a desert world. Still,  it was an Earth-like desert. Lowell.s Mars 
had many features in common with the American  Southwest, where the Lowell Observatory was located. He imagined the Martian tem
peratures a  little on the chilly side but still as comfortable as .the South of England.. The air was  thin, but there was eno
ugh oxygen to be breathable. Water was rare, but the elegant network  of canals carried the life-giving fluid all over the plan
et. 

What was in retrospect the most serious contemporary challenge to Lowell.s ideas  came from an unlikely source. In 1907, Alfred
 Russel Wallace, co-discoverer of evolution by  natural selection, was asked to review one of Lowell.s books. He had been an en
gineer in his  youth and, while somewhat credulous on such issues as extrasensory perception, was admirably  skeptical on the h
abitability of Mars. Wallace showed that Lowell had erred in his  calculation of the average temperatures on Mars; instead of b
eing as temperate as the South  of England, they were, with few exceptions, everywhere below the freezing point of water.  Ther
e should be permafrost, a perpetually frozen subsurface. The air was much thinner than  Lowell had calculated. Craters should b
e as abundant as on the Moon. And as for the water in  the canals:

Any attempt to make that scanty surplus [of water], by means of overflowing canals, travel  across the equator into the opposit
e hemisphere, through such terrible desert regions and  exposed to such a cloudless sky as Mr Lowell describes, would be the wo
rk of a body of  madmen rather than of intelligent beings. It may be safely asserted that not one drop of  water would escape e
vaporation or insoak at even a hundred miles from its source.

This devastating and largely correct physical analysis was written in Wallace.s  eighty-fourth year. His conclusion was that li
fe on Mars - by this he meant civil engineers  with an interest in hydraulics - was impossible. He offered no opinion on microo
rganisms. 

Despite Wallace.s critique, despite the fact that other astronomers with telescopes  and observing sites as good as Lowell.s co
uld find no sign of the fabled canals, Lowell.s  vision of Mars gained popular acceptance. It had a mythic quality as old as Ge
nesis. Part of  its appeal was the fact that the nineteenth century was an age of engineering marvels,  including the construct
ion of enormous canals: the Suez Canal, completed in 1869; the  Corinth Canal, in 1893; the Panama Canal, in 1914; and, closer 
to home, the Great Lake  locks, the barge canals of upper New York State, and the irrigation canals of the American  Southwest.
 If Europeans and Americans could perform such feats, why not Martians? Might  there not be an even more elaborate effort by an
 older and wiser species, courageously  battling the advance of desiccation on the red planet?       We have now sent reconnais
sance satellites into orbit around Mars. The entire planet  has been mapped. We have landed two automated laboratories on its s
urface.
 The mysteries of  Mars have, if anything, deepened since Lowell.s day. However, with pictures far more  detailed than any view
 of Mars that Lowell could have glimpsed, we have found not a  tributary of the vaunted canal network, not one lock. Lowell and
 Schiaparelli and others,  doing visual observations under difficult seeing conditions, were misled - in part perhaps  because 
of a predisposition to believe in life on Mars. 

The observing notebooks of Percival Lowell reflect a sustained effort at the  telescope over many years. They show Lowell to ha
ve been well aware of the skepticism  expressed by other astronomers about the reality of the canals. They reveal a man convinc
ed  that he has made an important discovery and distressed that others have not yet understood  its significance. In his notebo
ok for 1905, for example, there is an entry on January 21:  .Double canals came out by flashes, convincing of reality.. In read
ing Lowell.s notebooks I  have the distinct but uncomfortable feeling that he was really seeing something. But what? 

When Paul Fox of Cornell and I compared Lowell.s maps of Mars with the Mariner 9  orbital imagery sometimes with a resolution a
 thousand times superior to that of Lowell.s  Earthbound twenty-four-inch refracting telescope - we found virtually no correlat
ion at all.  It was not that Lowell.s eye had strung up disconnected fine detail on the Martian surface  into illusory straight
 lines. There was no dark mottling or crater chains in the position of  most of his canals. There were no features there at all
. Then how could he have drawn the  same canals year after year? How could other astronomers some of whom said they had not  ex
amined Lowell.s maps closely until after their own observations - have drawn the same  canals? One of the great findings of the
 Mariner 9 mission to Mars was that there are  time-variable streaks and splotches on the Martian surface - many connected with
 the  ramparts of impact craters - which change with the seasons. They are due to windblown dust,  the patterns varying with th
e seaso
nal winds. But the streaks do not have the character of  the canals, they are not in the position of the canals, and none of th
em is large enough  individually to be seen from the Earth in the first place. It is unlikely that there were  real features on
 Mars even slightly resembling Lowell.s canals in the first few decades of  this century that have disappeared without a trace 
as soon as close-up spacecraft  investigations became possible. 

The canals of Mars seem to be some malfunction, under difficult seeing conditions,  of the human hand/eye/brain combination (or
 at least for some humans; many other  astronomers, observing with equally good instruments in Lowell.s time and after, claimed
  there were no canals whatever). But this is hardly a comprehensive explanation, and I have  the nagging suspicion that some e
ssential feature of the Martian canal problem still remains  undiscovered. Lowell always said that the regularity of the canals
 was an unmistakable sign  that they were of intelligent origin. This is certainly true. The only unresolved question  was whic
h side of the telescope the intelligence was on. 

Lowell.s Martians were benign and hopeful, even a little god-like, very different  from the malevolent menace posed by Wells an
d Welles in The War of the Worlds. Both sets of  ideas passed into the public imagination through Sunday supplements and scienc
e fiction. I  can remember as a child reading with breathless fascination the Mars novels of Edgar Rice  Burroughs. I journeyed
 with John Carter, gentleman adventurer from Virginia, to .Barsoom,.  as Mars was known to its inhabitants. I followed herds of
 eight-legged beasts of burden, the  thoats. I won the hand of the lovely Dejah Thoris, Princess of Helium. I befriended a  fou
r-meter-high green fighting man named Tars Tarkas. I wandered within the spired cities  and domed pumping stations of Barsoom, 
and along the verdant banks of the Nilosyrtis and  Nepenthes canals. 

Might it really be possible - in fact and not fancy - to venture with John Carter to  the Kingdom of Helium on the planet Mars?
 Could we venture out on a summer evening, our way  illuminated by the two hurtling moons of Barsoom, for a journey of high sci
entific  adventure? Even if all Lowell.s conclusions about Mars, including the existence of the  fabled canals, turned out to b
e bankrupt, his depiction of the planet had at least this  virtue: it aroused generations of eight-year-olds, myself among them
, to consider the  exploration of the planets as a real possibility, to wonder if we ourselves might one day  voyage to Mars. J
ohn Carter got there by standing in an open field, spreading his hands and  wishing. I can remember spending many an hour in my
 boyhood, arms resolutely outstretched in  an empty field, imploring what I believed to be Mars to transport me there. It never
 worked.  There had to be some other way. 

Like organisms, machines also have their evolutions. The rocket began, like the  gunpowder that first powered it, in China wher
e it was used for ceremonial and aesthetic  purposes. Imported to Europe around the fourteenth century, it was applied to warfa
re,  discussed in the late nineteenth century as a means of transportation to the planets by the  Russian schoolteacher Konstan
tin Tsiolkovsky, and first developed seriously for high  altitude flight by the American scientist Robert Goddard. The German V
-2 military rocket of  World War II employed virtually all of Goddard.s innovations and culminated in 1948 in the  two-stage la
unching of the V-2/WAC Corporal combination to the then-unprecedented altitude  of 400 kilometers. In the 1959s, engineering ad
vances organized by Sergei Korolov in the  Soviet Union and Wernher von Braun in the United States, funded as delivery systems 
for  weapons of mass destruction, led to the first artificial satellites. The pace of progress  has continued to be brisk: mann
ed orbi
tal flight; humans orbiting, then landing on the moon;  and unmanned spacecraft outward bound throughout the solar system. Many
 other nations have  now launched spacecraft, including Britain, France, Canada, Japan and China, the society  that invented th
e rocket in the first place. 

Among the early applications of the space rocket, as Tsiolkovsky and Goddard (who as  a young man had read Wells and had been s
timulated by the lectures of Percival Lowell)  delighted in imagining, were an orbiting scientific station to monitor the Earth
 from a  great height and a probe to search for life on Mars. Both these dreams have now been  fulfilled. 

Imagine yourself a visitor from some other and quite alien planet, approaching Earth  with no preconceptions. Your view of the 
planet improves as you come closer and more and  more fine detail stands out. Is the planet inhabited? At what point can you de
cide? If there  are intelligent beings, perhaps they have created engineering structures that have  high-contrast components on
 a scale of a few kilometers, structures detectable when our  optical systems and distance from the Earth provide kilometer res
olution. Yet at this level  of detail, the earth seems utterly barren. There is no sign of life, intelligent or  otherwise, in 
places we call Washington, New York, Boston, Moscow, London, Paris, Berlin,  Tokyo and Peking. If there are intelligent beings 
on Earth, they have not much modified the  landscape into regular geometrical patterns at kilometer resolution. 

But when we improve the resolution tenfold, when we begin to see detail as small as  a hundred meters across, the situation cha
nges. Many places on Earth seem suddenly to  crystallize out, revealing an intricate pattern of squares and rectangles, straigh
t lines  and circles. These are, in fact, the engineering artifacts of intelligent beings: roads,  highways, canals, farmland, 
city streets - a pattern disclosing the twin human passions for  Euclidean geometry and territoriality. On this scale, intellig
ent life can be discerned in  Boston and Washington and New York. And at ten-meter resolution, the degree to which the  landsca
pe has been reworked first really becomes evident. Humans have been very busy. These  photos have been taken in daylight. But a
t twilight or during the night, other things are  visible: oil-well fires in Libya and the Persian Gulf; deepwater illumination
 by the  Japanese squid fishing fleet; the bright lights of large cities. And if, in daylight, we  improve our resolution so we
 can ma
ke out things that are a meter across, then we begin to  detect for the first time individual organisms - whales, cows, flaming
os, people. 

Intelligent life on Earth first reveals itself through the geometric regularity of  its constructions. If Lowell.s canal networ
k really existed, the conclusion that intelligent  beings inhabit Mars might be similarly compelling. For life to be detected o
n Mars  photographically, even from Mars orbit, it must likewise have accomplished a major reworking  of the surface. Technical
 civilizations, canal builders, might be easy to detect. But except  for one or two enigmatic features, nothing of the sort is 
apparent in the exquisite  profusion of Martian surface detail uncovered by unmanned spacecraft. However, there are  many other
 possibilities, ranging from large plants and animals to microorganisms, to  extinct forms, to a planet that is now and was alw
ays lifeless. Because Mars is farther from  the Sun than is the Earth, its temperatures are considerably lower. Its air is thin
,  containing mostly carbon dioxide but also some molecular nitrogen and argon and very small  quantities of water vapor, oxyge
n and o
zone. Open bodies of liquid water are impossible  today because the atmospheric pressure on Mars is too low to keep even cold w
ater from  rapidly boiling. There may be minute quantities of liquid water in pores and capillaries in  the soil. The amount of
 oxygen is far too little for a human being to breathe. The ozone  abundance is so small that germicidal ultraviolet radiation 
from the Sun strikes the Martian  surface unimpeded. Could any organism survive in such an environment? 

To test this question, many years ago my colleagues and I prepared chambers that  simulated the Martian environment as it was t
hen known, inoculated them with terrestrial  microorganisms and waited to see if anybody survived. Such chambers are called, of
 course,  Mars Jars. The Mars Jars cycled the temperatures within a typical Martian range from a  little above the freezing poi
nt around noon to about -80°C just before dawn, in an anoxic  atmosphere composed chiefly of CO2 and N2. Ultraviolet lamps repr
oduced the fierce solar  flux. No liquid water was present except for very thin films wetting individual sand grains.  Some mic
robes froze to death after the first night and were never heard from again. Others  gasped and perished from lack of oxygen. So
me died of thirst, and some were fried by the  ultraviolet light. But there were always a fair number of varieties of terrestri
al microbes  that did not need oxygen; that temporarily closed up shop when the temperatures dropped too  low; that hid from th
e ultra
violet light under pebbles or thin layers of sand. In other  experiments, when small quantities of liquid water were present, t
he microbes actually grew.  If terrestrial microbes can survive the Martian environment, how much better Martian  microbes, if 
they exist, must do on Mars. But first we must get there. 

The Soviet Union maintains an active program of unmanned planetary exploration.  Every year or two the relative positions of th
e planets and the physics of Kepler and Newton  permit the launch of a spacecraft to Mars or Venus with a minimum expenditure o
f energy.  Since the early 1960.s the U.S.S.R. has missed few such opportunities. Soviet persistence  and engineering skills ha
ve eventually paid off handsomely. Five Soviet spacecraft - Venera  8 through 12 - have landed on Venus and successfully return
ed data from the surface, no  insignificant feat in so hot, dense and corrosive a planetary atmosphere. Yet despite many  attem
pts, the Soviet Union has never landed successfully on Mars - a place that, at least at  first sight, seems more hospitable, wi
th chilly temperatures, a much thinner atmosphere and  more benign gases; with polar ice caps, clear pink skies, great sand dun
es, ancient river  beds, a vast rift valley, the largest volcanic construct, so far as we know, in the solar  system, and balmy
 equato
rial summer afternoons. It is a far more Earth-like world than  Venus. 

In 1971, the Soviet Mars 3 spacecraft entered the Martian atmosphere. According to  the information automatically radioed back,
 it successfully deployed its landing systems  during entry, correctly oriented its ablation shield downward, properly unfurled
 its great  parachute and fired its retro-rockets near the end of its descent path. According to the  data returned by Mars 3, 
it should have landed successfully on the red planet. But after  landing, the spacecraft returned a twenty-second fragment of a
 featureless television  picture to Earth and then mysteriously failed. In 1973, a quite similar sequence of events  occurred w
ith the Mars 6 lander, in that case the failure occurring within one second of  touchdown. What went wrong? 

The first illustration I ever saw of Mars 3 was on a Soviet postage stamp  (denomination, 16 kopecks), which depicted the space
craft descending through a kind of  purple muck. The artist was trying, I think, to illustrate dust and high winds: Mars 3 had 
 entered the Martian atmosphere during an enormous global dust storm. We have evidence from  the U.S. Mariner 9 mission that ne
ar-surface winds of more than 140 meters per second -  faster than half the speed of sound on Mars - arose in that storm. Both 
our Soviet  colleagues and we think it likely that these high winds caught the Mars 3 spacecraft with  parachute unfurled, so t
hat it landed gently in the vertical direction but with breakneck  speed in the horizontal direction. A spacecraft descending o
n the shrouds of a large  parachute is particularly vulnerable to horizontal winds. After landing, Mars 3 may have  made a few 
bounces, hit a boulder or other example of Martian relief, tipped over, lost the  radio link with its carrier .bus. and failed.
 

But why did Mars 3 enter in the midst of a great dust storm? The Mars 3 mission was  rigidly organized before launch. Every ste
p it was to perform was loaded into the on-board  computer before it left earth. There was no opportunity to change the compute
r program, even  as the extent of the great 1971 dust storm became clear. In the jargon of space exploration,  the Mars 3 missi
on was preprogrammed, not adaptive. The failure of Mars 6 is more  mysterious. There was no planet-wide storm when this spacecr
aft entered the Martian  atmosphere, and no reason to suspect a local storm, as sometimes happens, at the landing  site. Perhap
s there was an engineering failure just at the moment of touchdown. Or perhaps  there is something particularly dangerous about
 the Martian surface. 

The combination of Soviet successes in landing on Venus and Soviet failures in  landing on Mars naturally caused us some concer
n about the U.S. Viking mission, which had  been informally scheduled to set one of its two descent craft gently down on the Ma
rtian  surface on the Bicentennial of the United States, July 4, 1976. Like its Soviet  predecessors, the Viking landing maneuv
er involved an ablation shield, a parachute and  retro-rockets. Because the Martian atmosphere is only 1 percent as dense as th
e Earth.s, a  very large parachute, eighteen meters in diameter, was deployed to slow the spacecraft as it  entered the thin ai
r of Mars. The atmosphere is so thin that if Viking had landed at a high  elevation there would not have been enough atmosphere
 to brake the descent adequately: it  would have crashed. One requirement, therefore, was for a landing site in a low-lying  re
gion. From Mariner 9 results and ground-based radar studies, we knew many such areas. 

To avoid the probable fate of Mars 3, we wanted Viking to land in a place and time  at which the winds were low. Winds that wou
ld make the lander crash were probably strong  enough to lift dust off the surface. If we could check that the candidate landin
g site was  not covered with shifting, drifting dust, we would have at least a fair chance of  guaranteeing that the winds were
 not intolerably high. This was one reason that each Viking  lander was carried into Mars orbit with its orbiter, and descent d
elayed until the orbiter  surveyed the landing site. We had discovered with Mariner 9 that characteristic changes in  the brigh
t and dark patterns on the Martian surface occur during times of high winds. We  certainly would not have certified a Viking la
nding site as safe if orbital photographs had  shown such shifting patterns. But our guarantees could not be 100 percent reliab
le. For  example, we could imagine a landing site at which the winds were so strong that all mobile  dust had already been blow
n away.
 We would then have had no indication of the high winds  that might have been there. Detailed weather predictions for Mars were
, of course, much less  reliable than for Earth. (Indeed one of the many objectives of the Viking mission was to  improve our u
nderstanding of the weather on both planets.) 

Because of communication and temperature constraints, Viking could not land at high  Martian latitudes. Farther poleward than a
bout 45 or 50 degrees in both hemispheres, either  the time of useful communication of the spacecraft with the Earth or the per
iod during which  the spacecraft would avoid dangerously low temperatures would have been awkwardly short. 

We did not wish to land in too rough a place. The spacecraft might have tipped over  and crashed, or at the least its mechanica
l arm, intended to acquire Martian soil samples,  might have become wedged or been left waving helplessly a meter too high abov
e the surface.  Likewise, we did not want to land in places that were too soft. If the spacecraft.s three  landing pods had sun
k deeply into a loosely packed soil, various undesirable consequences  would have followed, including immobilization of the sam
ple arm. But we did not want to land  in a place that was too hard either - had we landed in a vitreous lava field, for example
,  with no powdery surface material, the mechanical arm would have been unable to acquire the  sample vital to the projected ch
emistry and biology experiments. 

The best photographs then available of Mars - from the Mariner 9 orbiter - showed  features no smaller than 90 meters (100 yard
s) across. The Viking orbiter pictures improved  this figure only slightly. Boulders one meter (three feet) in size were entire
ly invisible  in such photographs, and could have had disastrous consequences for the Viking lander.  Likewise, a deep, soft po
wder might have been indetectable photographically. Fortunately,  there was a technique that enabled us to determine the roughn
ess or softness of a candidate  landing site: radar. A very rough place would scatter radar from Earth off to the sides of  the
 beam and therefore appear poorly reflective, or radar-dark. A very soft place would also  appear poorly reflective because of 
the many interstices between individual sand grains.  While we were unable to distinguish between rough places and soft places,
 we did not need to  make such distinctions for landing-site selection. Both, we knew, were dangerous.  Preliminary radar surve
ys sugg
ested that as much as a quarter to a third of the surface area  of Mars might be radar-dark, and therefore dangerous for Viking
. But not all of Mars can be  viewed by Earth-based radar - only a swath between about 25° N and about 25° S. The Viking  orbit
er carried no radar system of its own to map the surface. 

There were many constraints - perhaps, we feared, too many. Our landing sites had to  be not too high, too windy, too hard, too
 soft, too rough or too close to the pole. It was  remarkable that there were any places at all on Mars that simultaneously sat
isfied all our  safety criteria. But it was also clear that our search for safe harbors had led us to  landing sites that were,
 by and large, dull. 

When each of the two Viking orbiter-lander combinations was inserted into Martian  orbit, it was unalterably committed to landi
ng at a certain latitude on Mars. If the low  point in the orbit was at 21° Martian north latitude, the lander would touch down
 at 21° N,  although, by waiting for the planet to turn beneath it, it could land at any longitude  whatever. Thus the Viking s
cience teams selected candidate latitudes for which there was  more than one promising site. Viking 1 was targeted for 21° N. T
he prime site was in a  region called Chryse (Greek for .the land of gold.), near the confluence of four sinuous  channels thou
ght to have been carved in previous epochs of Martian history by running water.  The Chryse site seemed to satisfy all safety c
riteria. But the radar observations had been  made nearby, not in the Chryse landing site itself. Radar observations of Chryse 
were made  for the first time - because of the geometry of Earth and Mars - only a few weeks before the  nominal landing date. 


The candidate landing latitude for Viking 2 was 44° N; the prime site, a locale  called Cydonia, chosen because, according to s
ome theoretical arguments, there was a  significant chance of small quantities of liquid water there, at least at some time dur
ing  the Martian year. Since the Viking biology experiments were strongly oriented toward  organisms that are comfortable in li
quid water, some scientists held that the chance of  Viking finding life would be substantially improved in Cydonia. On the oth
er hand, it was  argued that, on so windy a planet as Mars, microorganisms should be everywhere if they are  anywhere. There se
emed to be merit to both positions; and it was difficult to decide between  them. What was quite clear, however, was that 44° N
 was completely inaccessible to radar  site-certification; we had to accept a significant risk of failure with Viking 2 if it w
as  committed to high northern latitudes. It was sometimes argued that if Viking 1 was down and  working well we could afford t
o accep
t a greater risk with Viking 2. I found myself making  very conservative recommendations on the fate of a billion-dollar missio
n. I could imagine,  for example, a key instrument failure in Chryse just after an unfortunate crash landing in  Cydonia. To im
prove the Viking options, additional landing sites, geologically very  different from Chryse and Cydonia, were selected in the 
radar-certified region near 4° S  latitude. A decision on whether Viking 2 would set down at high or at low latitude was not  m
ade until virtually the last minute, when a place with the hopeful name of Utopia, at the  same latitude as Cydonia, was chosen


For Viking 1, the original landing site seemed, after we examined orbiter  photographs and late-breaking Earth-based radar data
, unacceptably risky. For a while I  worried that Viking 1 had been condemned, like the legendary Flying Dutchman, to wander th
e  skies of Mars forever, never to find safe haven. Eventually we found a suitable spot, still  in Chryse but far from the conf
luence of the four ancient channels. The delay prevented us  from setting down on July 4, 1976, but it was generally agreed tha
t a crash landing on that  date would have been an unsatisfactory two hundredth birthday present for the United States.  We deb
oosted from orbit and entered the Martian atmosphere sixteen days later. 

After an interplanetary voyage of a year and a half, covering a hundred million  kilometers the long way round the Sun, each or
biter/lander combination was inserted into its  proper orbit about Mars; the orbiters surveyed candidate landing sites; the lan
ders entered  the Martian atmosphere on radio command and correctly oriented ablation shields, deployed  parachutes, divested c
overings, and fired retro-rockets. In Chryse and Utopia, for the first  time in human history, spacecraft had touched down, gen
tly and safely, on the red planet.  These triumphant landings were due in considerable part to the great skill invested in thei
r  design, fabrication and testing, and to the abilities of the spacecraft controllers. But for  so dangerous and mysterious a 
planet as Mars, there was also at least an element of luck. 

Immediately after landing, the first pictures were to be returned. We knew we had  chosen dull places. But we could hope. The f
irst picture taken by the Viking 1 lander was of  one of its own footpads - in case it were to sink into Martian quicksand, we 
wanted to know  about it before the spacecraft disappeared. The picture built up, line by line, until with  enormous relief we 
saw the footpad sitting high and dry above the Martian surface. Soon  other pictures came into being, each picture element radi
oed individually back to Earth. 

I remember being transfixed by the first lander image to show the horizon of Mars.  This was not an alien world, I thought. I k
new places like it in Colorado and Arizona and  Nevada. There were rocks and sand drifts and a distant eminence, as natural and
  unselfconscious as any landscape on Earth. Mars was a place. I would, of course, have been  surprised to see a grizzled prosp
ector emerge from behind a dune leading his mule, but at  the same time the idea seemed appropriate. Nothing remotely like it e
ver entered my mind in  all the hours I spent examining the Venera 9 and 10 images of the Venus surface. One way or  another, I
 knew, this was a world to which we would return. 

The landscape is stark and red and lovely: boulders thrown out in the creation of a  crater somewhere over the horizon, small s
and dunes, rocks that have been repeatedly covered  and uncovered by drifting dust, plumes of fine-grained material blown about
 by the winds.  Where did the rocks come from? How much sand has been blown by wind? What must the previous  history of the pla
net have been to create sheared rocks, buried boulders, polygonal gouges  in the ground? What are the rocks made of? The same m
aterials as the sand? Is the sand  merely pulverized rock or something else? Why is the sky pink? What is the air made of? How 
 fast does the wind blow? Are there marsquakes? How does the atmospheric pressure and the  appearance of the landscape change w
ith the seasons? 

For every one of these questions Viking has provided definitive or at least  plausible answers. The Mars revealed by the Viking
 mission is of enormous interest -  particularly when we remember that the landing sites were chosen for their dullness. But th
e  cameras revealed no sign of canal builders, no Barsoomian aircars or short swords, no  princesses or fighting men, no thoats
, no footprints, not even a cactus or a kangaroo rat.  For as far as we could see, there was not a sign of life.*



* There was a brief flurry when the uppercase letter B, a putative Martian graffito,  seemed to be visible on a small boulder i
n Chryse. But later analysis showed it to be a  trick of light and shadow and the human talent for pattern recognition. It also
 seemed  remarkable that the Martians should have tumbled independently to the Latin alphabet. But  there was just a moment whe
n resounding in my head was the distant echo of a word from my  boyhood - Barsoom.



Perhaps there are large lifeforms on Mars, but not in our two landing sites. Perhaps  there are smaller forms in every rock and
 sand grain. For most of its history, those regions  of the Earth not covered by water looked rather like Mars today - with an 
atmosphere rich in  carbon dioxide, with ultraviolet light shining fiercely down on the surface through an  atmosphere devoid o
f ozone. Large plants and animals did not colonize the land until the  last 10 percent of Earth history. And yet for three bill
ion years there were microorganisms  everywhere on Earth. To look for life on Mars, we must look for microbes. 

The Viking lander extends human capabilities to other and alien landscapes. By some  standards, it is about as smart as a grass
hopper; by others, only as intelligent as a  bacterium. There is nothing demeaning in these comparisons. It took nature hundred
s of  millions of years to evolve a bacterium, and billions to make a grasshopper. With only a  little experience in this sort 
of business, we are becoming fairly skillful at it. Viking  has two eyes as we do, but they also work in the infrared, as ours 
do not; a sample arm that  can push rocks, dig and acquire soil samples; a kind of finger that it puts up to measure  wind spee
d and direction; a nose and taste buds, of a sort, with which it senses, to a much  higher precision than we can, the presence 
of trace molecules; an interior ear with which it  can detect the rumbling of marsquakes and the gentler wind-driven jiggling o
f the  spacecraft; and a means of detecting microbes. The spacecraft has its own self-contained  radioactive power source. It r
adios a
ll the scientific information it acquires back to  Earth. It receives instructions from Earth, so human beings can ponder the s
ignificance of  the Viking results and tell the spacecraft to do something new. 

But what is the optimum way, given severe constraints on size, cost and power  requirements, to search for microbes on Mars? We
 cannot - at least as yet - send  microbiologists there. I once had a friend, an extraordinary microbiologist named Wolf  Vishn
iac, of the University of Rochester, in New York. In the late 1950.s, when we were just  beginning to think seriously about loo
king for life on Mars, he found himself at a  scientific meeting where an astronomer expressed amazement that the biologists ha
d no  simple, reliable, automated instrument capable of looking for microorganisms. Vishniac  decided he would do something abo
ut the matter. 

He developed a small device to be sent to the planets. His friends called it the  Wolf Trap. It would carry a little vial of nu
trient organic matter to Mars, arrange for a  sample of Martian soil to be mixed in with it, and observe the changing turbidity
 or  cloudiness of liquid as the Martian bugs (if there were any) grew (if they would). The Wolf  Trap was selected along with 
three other microbiology experiments to go aboard the Viking  landers. Two of the other three experiments also chose to send fo
od to the Martians. The  success of the Wolf Trap required that Martian bugs like liquid water. There were those who  thought t
hat Vishniac would only drown the little Martians. But the advantage of the Wolf  Trap was that it laid no requirements on what
 the Martian microbes must do with their food.  They had only to grow. All the other experiments made specific assumptions abou
t gases that  would be given off or taken in by the microbes, assumptions that were little more than  guesses. 

The National Aeronautics and Space Administration, which runs the United States  planetary space program, is subject to frequen
t and unpredictable budget cuts. Only rarely  are there unanticipated budget increases. NASA scientific activities have very li
ttle  effective support in the government, and so science is most often the target when money  needs to be taken away from NASA
. In 1971 it was decided that one of the four microbiology  experiments must be removed, and the Wolf Trap was offloaded. It wa
s a crushing  disappointment for Vishniac, who had invested twelve years in its development. 

Many others in his place might have stalked off the Viking Biology Team. But  Vishniac was a gentle and dedicated man. He decid
ed instead that he could best serve the  search for life on Mars by voyaging to the most Mars-like environment on Earth - the d
ry  valleys of Antarctica. Some previous investigators had examined Antarctic soil and decided  that the few microbes they were
 able to find were not really natives of the dry valleys, but  had been blown there from other, more clement environments. Reca
lling the Mars Jars  experiments, Vishniac believed that life was tenacious and that Antarctica was perfectly  consistent with 
microbiology. If terrestrial bugs could live on Mars, he thought, why not in  Antarctica - which was by and large warmer, wette
r, and had more oxygen and much less  ultraviolet light. Conversely, finding life in Antarctic dry valleys would correspondingl
y  improve, he thought, the chances of life on Mars. Vishniac believed that the experimental  techniques previously used to ded
uce no 
indigenous microbes in Antarctica were flawed. The  nutrients, while suitable for the comfortable environment of a university m
icrobiology  laboratory, were not designed for the arid polar wasteland. 

So on November 8, 1973, Vishniac, his new microbiology equipment and a geologist  companion were transported by helicopter from
 McMurdo Station to an area near Mount Balder,  a dry valley in the Asgard range. His practice was to implant the little microb
iology  stations in the Antarctic soil and return about a month later to retrieve them. On December  10, 1973, he left to gathe
r samples on Mount Balder; his departure was photographed from  about three kilometers away. It was the last time anyone saw hi
m alive. Eighteen hours  later, his body was discovered at the base of a cliff of ice. He had wandered into an area  not previo
usly explored, had apparently slipped on the ice and tumbled and bounced for a  distance of 150 meters. Perhaps something had c
aught his eye, a likely habitat for microbes,  say, or a patch of green where none should be. We will never know. In the small 
brown  notebook he was carrying that day, the last entry reads; .Station 202 retrieved. 10  December, 1973. 2230 hours. Soil te
mperatu
re, -10°. Air temperature -16°.. It had been a  typical summer temperature for Mars. 

Many of Vishniac.s microbiology stations are still sitting in Antarctica. But the  samples that were returned were examined, us
ing his methods, by his professional colleagues  and friends. A wide variety of microbes, which would have been indetectable wi
th  conventional scoring techniques, was found in essentially every site examined. A new species  of yeast, apparently unique t
o Antarctica, was discovered in his samples by his widow, Helen  Simpson Vishniac. Large rocks returned from Antarctica in that
 expedition, examined by Imre  Friedmann, turn out to have a fascinating microbiology - one or two millimeters inside the  rock
, algae have colonized a tiny world in which small quantities of water are trapped and  made liquid. On Mars such a place would
 be even more interesting, because while the visible  light necessary for photosynthesis would penetrate to that depth, the ger
micidal ultraviolet  light would be at least partially attenuated. 

Because the design of space missions is finalized many years before launch, and  because of Vishniac.s death, the results of hi
s Antarctic experiments did not influence the  Viking design for seeking Martian life. In general, the microbiology experiments
 were not  carried out at the low ambient Martian temperatures, and most did not provide long  incubation times. They all made 
fairly strong assumptions about what Martian metabolism had  to be like. There was no way to look for life inside the rocks. 

Each Viking lander was equipped with a sample arm to acquire material from the  surface and then slowly withdraw it into the in
nards of the spacecraft, transporting the  particles on little hoppers like an electric train to five different experiments: on
e on the  inorganic chemistry of the soil, another to look for organic molecules in the sand and dust,  and three to look for m
icrobial life. When we look for life on a planet, we are making  certain assumptions. We try, as well as we can, not to assume 
that life elsewhere will be  just like life here. But there are limits to what we can do. We know in detail only about  life he
re. While the Viking biology experiments are a pioneering first effort, they hardly  represent a definitive search for life on 
Mars. The results have been tantalizing, annoying,  provocative, stimulating, and, at least until recently, substantially incon
clusive. 

Each of the three microbiology experiments asked a different kind of question, but  in all cases a question about Martian metab
olism. If there are microorganisms in the Martian  soil, they must take in food and give off waste gases; or they must take in 
gases from the  atmosphere and, perhaps with the aid of sunlight, convert them into useful materials. So we  bring food to Mars
 and hope that the Martians, if there are any, will find it tasty. Then we  see if any interesting new gases come out of the so
il. Or we provide our own radioactively  labeled gases and see if they are converted into organic matter, in which case small  
Martians are inferred. 

By criteria established before launch, two of the three Viking microbiology  experiments seem to have yielded positive results.
 First, when Martian soil was mixed with a  sterile organic soup from Earth, something in the soil chemically broke down the so
up -  almost as if there were respiring microbes metabolizing a food package from Earth. Second,  when gases from Earth were in
troduced into the Martian soil sample, the gases became  chemically combined with the soil - almost as if there were photosynth
esizing microbes,  generating organic matter from atmospheric gases. Positive results in Martian microbiology  were achieved in
 seven different samplings- in two locales on Mars separated by 5,000  kilometers. 

But the situation is complex, and the criteria of experimental success may have been  inadequate. Enormous efforts were made to
 build the Viking microbiology experiments and test  them with a variety of microbes. Very little effort was made to calibrate 
the experiments  with plausible inorganic Martian surface materials. Mars is not the Earth. As the legacy of  Percival Lowell r
eminds us, we can be fooled. Perhaps there is an exotic inorganic chemistry  in the Martian soil that is able by itself, in the
 absence of Martian microbes, to oxidize  foodstuffs. Perhaps there is some special inorganic, nonliving catalyst in the soil t
hat is  able to fix atmospheric gases and convert them into organic molecules. 

Recent experiments suggest that this may indeed be the case. In the great Martian  dust storm of 1971, spectral features of the
 dust were obtained by the Mariner 9 infrared  spectrometer. In analyzing these spectra, O. B. Toon, J. B. Pollack and I found 
that certain  features seem best accounted for by montmorillonite and other kinds of clay. Subsequent  observations by the Viki
ng lander support the identification of windblown clays on Mars.  Now, A. Banin and J. Rishpon have found that they can reprodu
ce some of the key features -  those resembling photosynthesis as well as those resembling respiration of the .successful.  Vik
ing microbiology experiments if in laboratory experiments they substitute such clays for  the Martian soil. The clays have a co
mplex active surface, given to absorbing and releasing  gases and to catalyzing chemical reactions. It is too soon to say that 
all the Viking  microbiology results can be explained by inorganic chemistry, but such a result would no  longer be surprising.
 The cl
ay hypothesis hardly excludes life on Mars, but it certainly  carries us far enough to say that there is no compelling evidence
 for microbiology on Mars. 

Even so, the results of Banin and Rishpon are of great biological importance because  they show that in the absence of life the
re can be a kind of soil chemistry that does some  of the same things life does. On the Earth before life, there may already ha
ve been chemical  processes resembling respiration and photosynthesis cycling in the soil, perhaps to be  incorporated by life 
once it arose. In addition, we know that montmorillonite clays are a  potent catalyst for combining amino acids into longer cha
in molecules resembling proteins.  The clays of the primitive Earth may have been the forge of life, and the chemistry of  cont
emporary Mars may provide essential clues to the origin and early history of life on our  planet. 

The Martian surface exhibits many impact craters, each named after a person, usually  a scientist. Crater Vishniac lies appropr
iately in the Antarctic region of Mars. Vishniac  did not claim that there had to be life on Mars, merely that it was possible,
 and that it  was extraordinarily important to know if it was there. If life on Mars exists, we will have  a unique opportunity
 to test the generality of our form of fife. And if there is no life on  Mars, a planet rather like the Earth, we must understa
nd why - because in that case, as  Vishniac stressed, we have the classic scientific confrontation of the experiment and the  c
ontrol. 

The finding that the Viking microbiology results can be explained by clays, that  they need not imply life, helps to resolve an
other mystery: the Viking organic chemistry  experiment showed not a hint of organic matter in the Martian soil. If there is li
fe on  Mars, where are the dead bodies? No organic molecules could be found - no building blocks of  proteins and nucleic acids
, no simple hydrocarbons, nothing of the stuff of life on Earth.  This is not necessarily a contradiction, because the Viking m
icrobiology experiments are a  thousand times more sensitive (per equivalent carbon atom) than the Viking chemistry  experiment
s, and seem to detect organic matter synthesized in the Martian soil. But this  does not leave much margin. Terrestrial soil is
 loaded with the organic remains of  once-living organisms; Martian soil has less organic matter than the surface of the Moon. 
If  we held to the life hypothesis, we might suppose that the dead bodies have been destroyed by  the chemically reactive, oxid
izing s
urface of Mars - like a germ in a bottle of hydrogen  peroxide; or that there is life, but of a kind in which organic chemistry
 plays a less  central role than it does in life on Earth. 

But this last alternative seems to me to be special pleading: I am, reluctantly, a  self-confessed carbon chauvinist. Carbon is
 abundant in the Cosmos. It makes marvelously  complex molecules, good for life. I am also a water chauvinist. Water makes an i
deal solvent  system for organic chemistry to work in and stays liquid over a wide range of temperatures.  But sometimes I wond
er. Could my fondness for these materials have something to do with the  fact that I am made chiefly of them? Are we carbon- an
d water-based because those materials  were abundant on the Earth at the time of the origin of life? Could life elsewhere - on 
 Mars, say - be built of different stuff? 

I am a collection of water, calcium and organic molecules called Carl Sagan. You are  a collection of almost identical molecule
s with a different collective label. But is that  all? Is there nothing in here but molecules? Some people find this idea someh
ow demeaning to  human dignity. For myself, I find it elevating that our universe permits the evolution of  molecular machines 
as intricate and subtle as we. 

But the essence of life is not so much the atoms and simple molecules that make us  up as the way in which they are put togethe
r. Every now and then we read that the chemicals  which constitute the human body cost ninety-seven cents or ten dollars or som
e such figure;  it is a little depressing to find our bodies valued so little. However, these estimates are  for human beings r
educed to our simplest possible components. We are made mostly of water,  which costs almost nothing; the carbon is costed in t
he form of coal; the calcium in our  bones as chalk; the nitrogen in our proteins as air (cheap also); the iron in our blood as
  rusty nails. If we did not know better, we might be tempted to take all the atoms that make  us up, mix them together in a bi
g container and stir. We can do this as much as we want. But  in the end all we have is a tedious mixture of atoms. How could w
e have expected anything  else? 

Harold Morowitz has calculated what it would cost to put together the correct  molecular constituents that make up a human bein
g by buying the molecules from chemical  supply houses. The answer turns out to be about ten million dollars, which should make
 us  all feel a little better. But even then we could not mix those chemicals together and have a  human being emerge from the 
jar. That is far beyond our capability and will probably be so  for a very long period of time. Fortunately, there are other le
ss expensive but still highly  reliable methods of making human beings. 

I think the lifeforms on many worlds will consist, by and large, of the same atoms  we have here, perhaps even many of the same
 basic molecules, such as proteins and nucleic  acids - but put together in unfamiliar ways. Perhaps organisms that float in de
nse planetary  atmospheres will be very much like us in their atomic composition, except they might not  have bones and therefo
re not need much calcium. Perhaps elsewhere some solvent other than  water is used. Hydrofluoric acid might serve rather well, 
although there is not a great deal  of fluorine in the Cosmos; hydrofluoric acid would do a great deal of damage to the kind of
  molecules that make us up, but other organic molecules, paraffin waxes, for example, are  perfectly stable in its presence. L
iquid ammonia would make an even better solvent system,  because ammonia is very abundant in the Cosmos. But it is liquid only 
on worlds much colder  than the Earth or Mars. Ammonia is ordinarily a gas on Earth, as water is on Venus. Or  perhaps there ar
e livin
g things that do not have a solvent system at all - solid-state life,  where there are electrical signals propagating rather th
an molecules floating about. 

But these ideas do not rescue the notion that the Viking lander experiments indicate  life on Mars. On that rather Earth-like w
orld, with abundant carbon and water, life, if it  exists, should be based on organic chemistry. The organic chemistry results,
 like the  imaging and microbiology results, are all consistent with no life in the fine particles of  Chryse and Utopia in the
 late 1970.s. Perhaps some millimeters beneath the rocks (as in the  Antarctic dry valleys), or elsewhere on the planet, or in 
some earlier, more clement time.  But not where and when we looked. 

The Viking exploration of Mars is a mission of major historical importance, the  first serious search for what other kinds of l
ife may be, the first survival of a  functioning spacecraft for more than an hour or so on any other planet (Viking 1 has  surv
ived for years), the source of a rich harvest of data on the geology, seismology,  mineralogy, meteorology and half a dozen oth
er sciences of another world. How should we  follow up on these spectacular advances? Some scientists want to send an automatic
 device  that would land, acquire soil samples, and return them to Earth, where they could be  examined in great detail in the 
large sophisticated laboratories of Earth rather than in the  limited microminiaturized laboratories that we are able to send t
o Mars. In this way most of  the ambiguities of the Viking microbiology experiments could be resolved. The chemistry and  miner
alogy of the soil could be determined; rocks could be broken open to search for  subsurface life; hundreds of tests for organic
 chemis
try and life could be performed,  including direct microscopic examination, under a wide range of conditions. We could even  us
e Vishniac.s scoring techniques. Although it would be fairly expensive, such a mission is  probably within our technological ca
pability. 

However, it carries with it a novel danger: back-contamination. If we wish on Earth  to examine samples of Martian soil for mic
robes, we must, of course, not sterilize the  samples beforehand. The point of the expedition is to bring them back alive. But 
what then?  Might Martian microorganisms returned to Earth pose a public health hazard? The Martians of  H. G. Wells and Orson 
Welles, preoccupied with the suppression of Bournemouth and Jersey  City, never noticed until too late that their immunological
 defenses were unavailing against  the microbes of Earth. Is the converse possible? This is a serious and difficult issue.  The
re may be no micromartians. If they exist, perhaps we can eat a kilogram of them with no  ill effects. But we are not sure, and
 the stakes are high. If we wish to return unsterilized  Martian samples to Earth, we must have a containment procedure that is
 stupefyingly  reliable. There are nations that develop and stockpile bacteriological weapons. They seem to  have an occasional
 accide
nt, but they have not yet, so far as I know, produced global  pandemics. Perhaps Martian samples can be safely returned to Eart
h. But I would want to be  very sure before considering a returned-sample mission. 

There is another way to investigate Mars and the full range of delights and  discoveries this heterogeneous planet holds for us
. My most persistent emotion in working  with the Viking lander pictures was frustration at our immobility. I found myself  unc
onsciously urging the spacecraft at least to stand on its tiptoes, as if this laboratory,  designed for immobility, were perver
sely refusing to manage even a little hop. How we longed  to poke that dune with the sample arm, look for life beneath that roc
k, see if that distant  ridge was a crater rampart. And not so very far to the southeast, I knew, were the four  sinuous channe
ls of Chryse. For all the tantalizing and provocative character of the Viking  results, I know a hundred places on Mars which a
re far more interesting than our landing  sites. The ideal tool is a roving vehicle carrying on advanced experiments, particula
rly in  imaging, chemistry and biology. Prototypes of such rovers are under development by NASA.  They know on their own how to
 go ove
r rocks, how not to fall down ravines, how to get out of  tight spots. It is within our capability to land a rover on Mars that
 could scan its  surroundings, see the most interesting place in its field of view and, by the same time  tomorrow, be there. E
very day a new place, a complex, winding traverse over the varied  topography of this appealing planet. 

Such a mission would reap enormous scientific benefits, even if there is no life on  Mars. We could wander down the ancient riv
er valleys, up the slopes of one of the great  volcanic mountains, along the strange stepped terrain of the icy polar terraces,
 or muster a  close approach to the beckoning pyramids of Mars.* Public interest in such a mission would  be sizable. Every day
 a new set of vistas would arrive on our home television screens. We  could trace the route, ponder the findings, suggest new d
estinations. The journey would be  long, the rover obedient to radio commands from Earth. There would be plenty of time for  go
od new ideas to be incorporated into the mission plan. A billion people could participate  in the exploration of another world.




* The largest are 3 kilometers across at the base, and 1 kilometer high - much  larger than the pyramids of Sumer, Egypt or Mex
ico on Earth. They seem eroded and ancient,  and are, perhaps, only small mountains, sandblasted for ages. But they warrant, I 
think, a  careful look.



The surface area of Mars is exactly as large as the land area of the Earth. A  thorough reconnaissance will clearly occupy us f
or centuries. But there will be a time when  Mars is all explored; a time after robot aircraft have mapped it from aloft, a tim
e after  rovers have combed the surface, a time after samples have been returned safely to Earth, a  time after human beings ha
ve walked the sands of Mars. What then? What shall we do with  Mars? 

There are so many examples of human misuse of the Earth that even phrasing this  question chills me. If there is life on Mars, 
I believe we should do nothing with Mars. Mars  then belongs to the Martians, even if the Martians are only microbes. The exist
ence of an  independent biology on a nearby planet is a treasure beyond assessing, and the preservation  of that life must, I t
hink, supersede any other possible use of Mars. However, suppose Mars  is lifeless. It is not a plausible source of raw materia
ls: the freightage from Mars to  Earth would be too expensive for many centuries to come. But might we be able to live on  Mars
? Could we in some sense make Mars habitable? 

A lovely world, surely, but there is - from our parochial point of view - much wrong  with Mars, chiefly the low oxygen abundan
ce, the absence of liquid water, and the high  ultraviolet flux. (The low temperatures do not pose an insuperable obstacle, as 
the  year-round scientific stations in Antarctica demonstrate.) All of these problems could be  solved if we could make more ai
r. With higher atmospheric pressures, liquid water would be  possible. With more oxygen we might breathe the atmosphere, and oz
one would form to shield  the surface from solar ultraviolet radiation. The sinuous channels, stacked polar plates and  other e
vidence suggest that Mars once had such a denser atmosphere. Those gases are unlikely  to have escaped from Mars. They are, the
refore, on the planet somewhere. Some are chemically  combined with the surface rocks. Some are in subsurface ice. But most may
 be in the present  polar ice caps. 

To vaporize the caps, we must heat them; perhaps we could dust them with a dark  powder, heating them by absorbing more sunligh
t, the opposite of what we do to the Earth  when we destroy forests and grasslands. But the surface area of the caps is very la
rge. The  necessary dust would require 1,200 Saturn 5 rocket boosters to be transported from Earth to  Mars; even then, the win
ds might blow the dust off the polar caps. A better way would be to  devise some dark material able to make copies of itself, a
 little dusky machine which we  deliver to Mars and which then goes about reproducing itself from indigenous materials all  ove
r the polar caps. There is a category of such machines. We call them plants. Some are  very hardy and resilient. We know that a
t least some terrestrial microbes can survive on.  Mars. What is necessary is a program of artificial selection and genetic eng
ineering of dark  plants - perhaps lichens - that could survive the much more severe Martian environment. If  such plants could
 be bre
d, we might imagine them being seeded on the vast expanse of the  Martian polar ice caps, taking root, spreading, blackening th
e ice caps, absorbing sunlight,  heating the ice, and releasing the ancient Martian atmosphere from its long captivity. We  mig
ht even imagine a kind of Martian Johnny Appleseed, robot or human, roaming the frozen  polar wastes in an endeavor that benefi
ts only the generations of humans to come. 

The general concept is called terraforming: the changing of an alien landscape into  one more suitable for human beings. In tho
usands of years humans have managed to perturb the  global temperature of the Earth by only about one degree through greenhouse
 and albedo  changes, although at the present rate of burning fossil fuels and destroying forests and  grasslands we can now ch
ange the global temperature by another degree in only a century or  two. These and other considerations suggest that a time sca
le for a significant terraforming  of Mars is probably hundreds to thousands of years. In a future time of greatly advanced  te
chnology we might wish not only to increase the total atmospheric pressure and make liquid  water possible but also to carry li
quid water from the melting polar caps to the warmer  equatorial regions. There is, of course, a way to do it. We would build c
anals. 

The melting surface and subsurface ice would be transported by a great canal  network. But this is precisely what Percival Lowe
ll, not a hundred years ago, mistakenly  proposed was in fact happening on Mars. Lowell and Wallace both understood that the  c
omparative inhospitability of Mars was due to the scarcity of water. If only a network of  canals existed, the lack would be re
medied, the habitability of Mars would become plausible.  Lowell.s observations were made under extremely difficult seeing cond
itions. Others, like  Schiaparelli, had already observed something like the canals; they were called canali before  Lowell bega
n his lifelong love affair with Mars. Human beings have a demonstrated talent for  self-deception when their emotions are stirr
ed, and there are few notions more stirring than  the idea of a neighboring planet inhabited by intelligent beings. 

The power of Lowell.s idea may, just possibly, make it a kind of premonition. His  canal network was built by Martians. Even th
is may be an accurate prophecy: If the planet  ever is terraformed, it will be done by human beings whose permanent residence a
nd planetary  affiliation is Mars. The Martians will be us.

CHAPTER VI

Travelers. Tales

Do there exist many worlds, or is there but a single world? This is one of the most noble  and exalted questions in the study o
f Nature. - Albertus Magnus, thirteenth century

In the first ages of the world, the islanders either thought themselves to be the only  dwellers upon the earth, or else if the
re were any other, yet they could not possibly  conceive how they might have any commerce with them, being severed by the deep 
and broad  sea, but the aftertimes found out the invention of ships . . . So, perhaps, there may be  some other means invented 
for a conveyance to the Moone . . . We have not now any Drake or  Columbus to undertake this voyage, or any Daedalus to invent 
a conveyance through the aire.  However I doubt not but that time who is still the father of new truths, and hath revealed  unt
o us many things which our ancestors were ignorant of, will also manifest to our  posterity that which we now desire but cannot
 know. - John Wilkins, The Discovery of a World in the Moone, 1638

We may mount from this dull Earth; and viewing it from on high, consider whether Nature has  laid out all her cost and finery u
pon this small speck of Dirt. So, like Travellers into  other distant countries, we shall be better able to judge of what.s don
e at home, know how  to make a true estimate of, and set its own value upon every thing. We shall be less apt to  admire what t
his World calls great, shall nobly despise those Trifles the generality of Men  set their Affections on, when we know that ther
e are a multitude of such Earths inhabited  and adorn.d as well as our own. - Christiaan Huygens, The Celestial Worlds Discover
ed, c. 1690

This is the time when humans have begun to sail the sea of space. The modern ships that ply  the Keplerian trajectories to the 
planets are unmanned. They are beautifully constructed,  semi-intelligent robots exploring unknown worlds. Voyages to the outer
 solar system are  controlled from a single place on the planet Earth, the Jet Propulsion Laboratory (JPL) of  the National Aer
onautics and Space Administration in Pasadena, California. 

On July 9, 1979, a spacecraft called Voyager 2 encountered the Jupiter system. It  had been almost two years sailing through in
terplanetary space. The ship is made of millions  of separate parts assembled redundantly, so that if some component fails, oth
ers will take  over its responsibilities. The spacecraft weighs 0.9 tons and would fill a large living  room. Its mission takes
 it so far from the Sun that it cannot be powered by solar energy, as  other spacecraft are. Instead, Voyager relies on a small
 nuclear power plant, drawing  hundreds of watts from the radioactive decay of a pellet of plutonium. Its three integrated  com
puters and most of its housekeeping functions - for example, its temperature-control  system - are localized in its middle. It 
receives commands from Earth and radios its  findings back to Earth through a large antenna, 3.7 meters in diameter. Most of it
s  scientific instruments are on a scan platform, which tracks Jupiter or one of its moons as  the spacecraft hurtles past. The
re are 
many scientific instruments - ultraviolet and  infrared spectrometers, devices to measure charged particles and magnetic fields
 and the  radio emission from Jupiter - but the most productive have been the two television cameras,  designed to take tens of
 thousands of pictures of the planetary islands in the outer solar  system. 

Jupiter is surrounded by a shell of invisible but extremely dangerous high-energy  charged particles. The spacecraft must pass 
through the outer edge of this radiation belt to  examine Jupiter and its moons close up, and to continue its mission to Saturn
 and beyond.  But the charged particles can damage the delicate instruments and fry the electronics.  Jupiter is also surrounde
d by a ring of solid debris, discovered four months earlier by  Voyager 1, which Voyager 2 had to traverse. A collision with a 
small boulder could have sent  the spacecraft tumbling wildly out of control, its antenna unable to lock on the Earth, its  dat
a lost forever. Just before Encounter, the mission controllers were restive. There were  some alarms and emergencies, but the c
ombined intelligence of the humans on Earth and the  robot in space circumvented disaster. 

Launched on August 20, 1977, it moved on an arcing trajectory past the orbit of  Mars, through the asteroid belt, to approach t
he Jupiter system and thread its way past the  planet and among its fourteen or so moons. Voyager.s passage by Jupiter accelera
ted it  towards a close encounter with Saturn. Saturn.s gravity will propel it on to Uranus. After  Uranus it will plunge on pa
st Neptune, leaving the solar system, becoming an interstellar  spacecraft, fated to roam forever the great ocean between the s
tars. 

These voyages of exploration and discovery are the latest in a long series that have  characterized and distinguished human his
tory. In the fifteenth and sixteenth centuries you  could travel from Spain to the Azores in a few days, the same time it takes
 us now to cross  the channel from the Earth to the Moon. It took then a few months to traverse the Atlantic  Ocean and reach w
hat was called the New World, the Americas. Today it takes a few months to  cross the ocean of the inner solar system and make 
planet-fall on Mars or Venus, which are  truly and literally now worlds awaiting us. In the seventeenth and eighteenth centurie
s you  could travel from Holland to China in a year or two, the time it has taken Voyager to travel  from Earth to Jupiter.* Th
e annual costs were, relatively, more then than now, but in both  cases less than 1 percent of the appropriate Gross National P
roduct. Our present spaceships,  with their robot crews, are the harbingers, the vanguards of future human expeditions to the  
planets
. We have traveled this way before.



* Or, to make a different comparison, a fertilized egg takes as long to wander from  the Fallopian tubes and implant itself in 
the uterus as Apollo 11 took to journey to the  Moon; and as long to develop into a full-term infant as Viking took on its trip
 to Mars. The  normal human lifetime is longer than Voyager will take to venture beyond the orbit of Pluto.



The fifteenth through seventeenth centuries represent a major turning point in our  history. It then became clear that we could
 venture to all parts of our planet. Plucky  sailing vessels from half a dozen European nations dispersed to every ocean. There
 were many  motivations for these journeys: ambition, greed, national pride, religious fanaticism,  prison pardons, scientific 
curiosity, the thirst for adventure and the unavailability of  suitable employment in Estremadura. These voyages worked much ev
il as well as much good. But  the net result has been to bind the Earth together, to decrease provincialism, to unify the  huma
n species and to advance powerfully our knowledge of our planet and ourselves. 

Emblematic of the epoch of sailing-ship exploration and discovery is the  revolutionary Dutch Republic of the seventeenth centu
ry. Having recently declared its  independence from the powerful Spanish Empire, it embraced more fully than any other nation  
of its time the European Enlightenment. It was a rational, orderly, creative society. But  because Spanish ports and vessels we
re closed to Dutch shipping, the economic survival of  the tiny republic depended on its ability to construct, man and deploy a
 great fleet of  commercial sailing vessels. 

The Dutch East India Company, a joint governmental and private enterprise, sent  ships to the far corners of the world to acqui
re rare commodities and resell them at a  profit in Europe. Such voyages were the life blood of the Republic. Navigational char
ts and  maps were classified as state secrets. Ships often embarked with sealed orders. Suddenly the  Dutch were present all ov
er the planet. The Barents Sea in the Arctic Ocean and Tasmania in  Australia are named after Dutch sea captains. These expedit
ions were not merely commercial  exploitations, although there was plenty of that. There were powerful elements of scientific  
adventure and the zest for discovery of new lands, new plants and animals, new people; the  pursuit of knowledge for its own sa
ke. 

The Amsterdam Town Hall reflects the confident and secular self-image of  seventeenth-century Holland. It took shiploads of mar
ble to build. Constantijn Huygens, a  poet and diplomat of the time, remarked that the Town Hall dispelled .the Gothic squint a
nd  squalor.. In the Town Hall to this day, there is a statue of Atlas supporting the heavens,  festooned with constellations. 
Beneath is Justice, brandishing a golden sword and scales,  standing between Death and Punishment, and treading underfoot Avari
ce and Envy, the gods of  the merchants. The Dutch, whose economy was based on private profit, nevertheless understood  that th
e unrestrained pursuit of profit posed a threat to the nation.s soul. 

A less allegorical symbol may be found under Atlas and Justice, on the floor of the  Town Hall. It is a great inlaid map, datin
g from the late seventeenth or early eighteenth  centuries, reaching from West Africa to the Pacific Ocean. The whole world was
 Holland.s  arena. And on this map, with disarming modesty the Dutch omitted themselves, using only the  old Latin name Belgium
 for their part of Europe. 

In a typical year many ships set sail halfway around the world. Down the west coast  of Africa, through what they called the Et
hiopian Sea, around the south coast of Africa,  within the Straits of Madagascar, and on past the southern tip of India they sa
iled, to one  major focus of their interests, the Spice Islands, present-day Indonesia. Some expeditions  journeyed from there 
to a land named New Holland, and today called Australia. A few ventured  through the Straits of Malacca, past the Philippines, 
to China. We know from a  mid-seventeenth-century account of an .Embassy from the East India Company of the United  Provinces o
f the Netherlands, to the Grand Tartar, Cham, Emperor of China.. The Dutch  burgers, ambassadors and sea captains stood wide-ey
ed in amazement, face to face with  another civilization in the Imperial City of Peking.*



* We even know what gifts they brought the Court. The Empress was presented with  .six little chests of divers pictures.. And t
he Emperor received .two fardels of cinnamon..



Never before or since has Holland been the world power it was then. A small country,  forced to live by its wits, its foreign p
olicy contained a strong pacifist element. Because  of its tolerance for unorthodox opinions, it was a haven for intellectuals 
who were refugees  from censorship and through control elsewhere in Europe - much as the United States  benefited enormously in
 the 1930.s by the exodus of intellectuals from Nazi-dominated  Europe. So seventeenth-century Holland was the home of the grea
t Jewish philosopher Spinoza,  whom Einstein admired; of Descartes, a pivotal figure in the history of mathematics and  philoso
phy; and of John Locke, a political scientist who influenced a group of  philosophically inclined revolutionaries named Paine, 
Hamilton, Adams, Franklin and  Jefferson. Never before or since has Holland been graced by such a galaxy of artists and  scient
ists, philosophers and mathematicians. This was the time of the master painters  Rembrandt and Vermeer and Frans Hals; of Leeuw
enhoek,
 the inventor of the microscope; of  Grotius, the founder of international law; of Willebrord Snellius, who discovered the law 
of  the refraction of light. 

In the Dutch tradition of encouraging freedom of thought, the University of Leiden  offered a professorship to an Italian scien
tist named Galileo, who had been forced by the  Catholic Church under threat of torture to recant his heretical view that the E
arth moved  about the Sun and not vice versa.* Galileo had close ties with Holland, and his first  astronomical telescope was a
n improvement of a spyglass of Dutch design. With it he  discovered sunspots, the phases of Venus, the craters of the Moon, and
 the four large moons  of Jupiter now called, after him, the Galilean satellites. Galileo.s own description of his  ecclesiasti
cal travails is contained in a letter he wrote in the year 1615 to the Grand  Duchess Christina:

Some years ago as Your Serene Highness well knows, I discovered in the heavens many things  that had not been seen before our o
wn age. The novelty of these things, as well as some  consequences which followed from them in contradiction to the physical no
tions commonly held  among academic philosophers, stirred up against me no small number of professors [many of  them ecclesiast
ics] - as if I had placed these things in the sky with my own hands in order  to upset Nature and overturn the sciences. They s
eemed to forget that the increase of known  truths stimulates the investigation, establishment, and growth of the arts.**



* In 1979 Pope John Paul II cautiously proposed reversing the condemnation of  Galileo done 346 years earlier by the .Holy Inqu
isition..



** The courage of Galileo (and Kepler) in promoting the heliocentric hypothesis was  not evident in the actions of others, even
 those residing in less fanatically doctrinal  parts of Europe. For example, in a letter dated April 1634, René Descartes, then
 living in  Holland, wrote:

Doubtless you know that Galileo was recently censured by the Inquisitors of the Faith, and  that his views about the movement o
f the Earth were condemned as heretical. I must tell you  that all the things I explained in my treatise, which included the do
ctrine of the movement  of the Earth, were so interdependent that it is enough to discover that one of them is false  to know t
hat all the arguments I was using are unsound. Though I thought they were based on  very certain and evident proofs, I would no
t wish, for anything in the world, to maintain  them against the authority of the Church . . . I desire to live in peace and to
 continue the  life I have begun under the motto to live well you must live unseen.

The connection between Holland as an exploratory power and Holland as an intellectual and  cultural center was very strong. The
 improvement of sailing ships encouraged technology of  all kinds. People enjoyed working with their hands. Inventions were pri
zed. Technological  advance required the freest possible pursuit of knowledge, so Holland became the leading  publisher and boo
kseller in Europe, translating works written in other languages and  permitting the publication of works proscribed elsewhere. 
Adventures into exotic lands and  encounters with strange societies shook complacency, challenged thinkers to reconsider the  p
revailing wisdom and showed that ideas that had been accepted for thousands of years - for  example, on geography - were fundam
entally in error. In a time when kings and emperors ruled  much of the world, the Dutch Republic was governed, more than any ot
her nation, by the  people. The openness of the society and its encouragement of the life of the mind, its  material well-being
 and it
s commitment to the exploration and utilization of new worlds  generated a joyful confidence in the human enterprise.*



* This exploratory tradition may account for the fact that Holland has, to this day,  produced far more than its per capita sha
re of distinguished astronomers, among them Gerard  Peter Kuiper, who in the 1940.s and 1950.s was the world.s only full-time p
lanetary  astrophysicist. The subject was then considered by most professional astronomers to be at  least slightly disreputabl
e, tainted with Lowellian excesses. I am grateful to have been  Kuiper.s student.



In Italy, Galileo had announced other worlds, and Giordano Bruno had speculated on  other lifeforms. For this they had been mad
e to suffer brutally. But in Holland, the  astronomer Christiaan Huygens, who believed in both, was showered with honors. His f
ather  was Constantijn Huygens, a master diplomat of the age, a litterateur, poet, composer,  musician, close friend and transl
ator of the English poet John Donne, and the head of an  archetypical great family. Constantijn admired the painter Rubens, and
 .discovered. a young  artist named Rembrandt van Rijn, in several of whose works he subsequently appears. After  their first m
eeting, Descartes wrote of him: .I could not believe that a single mind could  occupy itself with so many things, and equip its
elf so well in all of them.. The Huygens  home was filled with goods from all over the world. Distinguished thinkers from other
  nations were frequent guests. Growing up in this environment, the young Christiaan Huygens  became simultaneously adept in la
nguages
, drawing, law, science, engineering, mathematics  and music. His interests and allegiances were broad. .The world is my countr
y,. he said,  .science my religion.. 

Light was a motif of the age: the symbolic enlightenment of freedom of thought and  religion, of geographical discovery; the li
ght that permeated the paintings of the time,  particularly the exquisite work of Vermeer; and light as an object of scientific
 inquiry, as  in Snell.s study of refraction, Leeuwenhoek.s invention of the microscope and Huygens. own  wave theory of light.
* These were all connected activities, and their practitioners mingled  freely. Vermeer.s interiors are characteristically fill
ed with nautical artifacts and wall  maps. Microscopes were drawing-room curiosities. Leeuwenhoek was the executor of Vermeer.s
  estate and a frequent visitor at the Huygens home in Hofwijck.

       * Isaac Newton admired Christiaan Huygens and thought him .the most elegant  mathematician. of their time, and the trues
t follower of the mathematical tradition of the  ancient Greeks - then, as now, a great compliment. Newton believed, in part be
cause shadows  had sharp edges, that light behaved as if it were a stream of tiny particles. He thought  that red light was com
posed of the largest particles and violet the smallest. Huygens argued  that instead light behaved as if it were a wave propaga
ting in a vacuum, as an ocean wave  does in the sea - which is why we talk about the wavelength and frequency of light. Many  p
roperties of light, including diffraction, are naturally explained by the wave theory, and  in subsequent years Huygens. view c
arried the day. But in 1905, Einstein showed that the  particle theory of light could explain the photoelectric effect, the eje
ction of electrons  from a metal upon exposure to a beam of light. Modern quantum mechanics combines both ideas,  and it is cus
tomary 
today to think of light as behaving in some circumstances as a beam of  particles and in others as a wave. This wave-particle d
ualism may not correspond readily to  our common-sense notions, but it is in excellent accord with what experiments have shown 
 light really does. There is something mysterious and stirring in this marriage of opposites,  and it is fitting that Newton an
d Huygens, bachelors both, were the parents of our modern  understanding of the nature of light.



Leeuwenhoek.s microscope evolved from the magnifying glasses employed by drapers to  examine the quality of cloth. With it he d
iscovered a universe in a drop of water: the  microbes, which he described as .animalcules. and thought .cute.. Huygens had con
tributed to  the design of the first microscopes and himself made many discoveries with them. Leeuwenhoek  and Huygens were amo
ng the first people ever to see human sperm cells, a prerequisite for  understanding human reproduction. To explain how microor
ganisms slowly develop in water  previously sterilized by boiling, Huygens proposed that they were small enough to float  throu
gh the air and reproduced on alighting in water. Thus he established an alternative to  spontaneous generation - the notion tha
t life could arise, in fermenting grape juice or  rotting meat, entirely independent of preexisting life. It was not until the 
time of Louis  Pasteur, two centuries later, that Huygens. speculation was proved correct. The Viking  search for life on Mars 
can be 
traced in more ways than one back to Leeuwenhoek and Huygens.  They are also the grandfathers of the germ theory of disease, an
d therefore of much of  modern medicine. But they had no practical motives in mind. They were merely tinkering in a  technologi
cal society. 

The microscope and telescope, both developed in early seventeenth-century Holland,  represent an extension of human vision to t
he realms of the very small and the very large.  Our observations of atoms and galaxies were launched in this time and place. C
hristiaan  Huygens loved to grind and polish lenses for astronomical telescopes and constructed one  five meters long. His disc
overies with the telescope would by themselves have ensured his  place in the history of human accomplishment. In the footsteps
 of Eratosthenes, he was the  first person to measure the size of another planet. He was also the first to speculate that  Venu
s is completely covered with clouds; the first to draw a surface feature on the planet  Mars (a vast dark windswept slope calle
d Syrtis Major); and by observing the appearance and  disappearance of such features as the planet rotated, the first to determ
ine that the  Martian day was, like ours, roughly twenty-four hours long. He was the first to recognize  that Saturn was surrou
nded by
 a system of rings which nowhere touches the planet.* And he  was the discoverer of Titan, the largest moon of Saturn and, as w
e now know, the largest  moon in the solar system - a world of extraordinary interest and promise. Most of these  discoveries h
e made in his twenties. He also thought astrology was nonsense.



* Galileo discovered the rings, but had no idea what to make of them. Through his  early astronomical telescope, they seemed to
 be two projections symmetrically attached to  Saturn, resembling, he said in some bafflement, ears.



Huygens did much more. A key problem for marine navigation in this age was the  determination of longitude. Latitude could easi
ly be determined by the stars - the farther  south you were, the more southern constellations you could see. But longitude requ
ired  precise timekeeping. An accurate shipboard clock would tell the time in your home port; the  rising and setting of the Su
n and stars would specify the local shipboard time; and the  difference between the two would yield your longitude. Huygens inv
ented the pendulum clock  (its principle had been discovered earlier by Galileo), which was then employed, although  not fully 
successfully, to calculate position in the midst of the great ocean. His efforts  introduced an unprecedented accuracy in astro
nomical and other scientific observations and  stimulated further advances in nautical clocks. He invented the spiral balance s
pring still  used in some watches today; made fundamental contributions to mechanics - e.g., the  calculation of centrifugal fo
rce - a
nd, from a study of the game of dice, to the theory of  probability. He improved the air pump, which was later to revolutionize
 the mining industry,  and the .magic lantern,. the ancestor of the slide projector. He also invented something  called the .gu
npowder engine,. which influenced the development of another machine, the  steam engine. 

Huygens was delighted that the Copernican view of the Earth as a planet in motion  around the Sun was widely accepted even by t
he ordinary people in Holland. Indeed, he said,  Copernicus was acknowledged by all astronomers except those who .were a bit sl
ow-witted or  under the superstitions imposed by merely human authority.. In the Middle Ages, Christian  philosophers were fond
 of arguing that, since the heavens circle the Earth once every day,  they can hardly be infinite in extent; and therefore an i
nfinite number of worlds, or even a  large number of them (or even one other of them), is impossible. The discovery that the  E
arth is turning rather than the sky moving had important implications for the uniqueness of  the Earth and the possibility of l
ife elsewhere. Copernicus held that not just the solar  system but the entire universe was heliocentric, and Kepler denied that
 the stars have  planetary systems. The first person to make explicit the idea of a large - indeed, an  infinite - number of ot
her wor
lds in orbit about other suns seems to have been Giordano  Bruno. But others thought that the plurality of worlds followed imme
diately from the ideas  of Copernicus and Kepler and found themselves aghast. In the early seventeenth century,  Robert Merton 
contended that the heliocentric hypothesis implied a multitude of other  planetary systems, and that this was an argument of th
e sort called reductio ad absurdum  (Appendix 1), demonstrating the error of the initial assumption. He wrote, in an argument  
which may once have seemed withering,

For if the firmament be of such an incomparable bigness, as these Copernical giants will  have it . . . , so vast and full of i
nnumerable stars, as being infinite in extent . . . why  may we not suppose . . . those infinite stars visible in the firmament
 to be so many suns,  with particular fixed centers; to have likewise their subordinate planets, as the sun hath  his dancing s
till around him? . . . And so, in consequence, there are infinite habitable  worlds; what hinders? . . . these and suchlike ins
olent and bold attempts, prodigious  paradoxes, inferences must needs follow, if it once be granted which . . . Kepler . . . an
d  others maintain of the Earth.s motion.

But the Earth does move. Merton, if he lived today, would be obliged to deduce .infinite,  habitable worlds.. Huygens did not s
hrink from this conclusion; he embraced it gladly:  Across the sea of space the stars are other suns. By analogy with our solar
 system, Huygens  reasoned that those stars should have their own planetary systems and that many of these  planets might be in
habited: .Should we allow the planets nothing but vast deserts . . . and  deprive them of all those creatures that more plainly
 bespeak their divine architect, we  should sink them below the Earth in beauty and dignity, a thing very unreasonable..*



* A few others had held similar opinions. In his Harmonice Mundi Kepler remarked .it  was Tycho Brahe.s opinion concerning that
 bare wilderness of globes that it does not exist  fruitlessly but is filled with inhabitants..



These ideas were set forth in an extraordinary book bearing the triumphant title The  Celestial Worlds Discover.d: Conjectures 
Concerning the Inhabitants, Plants and Productions  of the Worlds in the Planets. Composed shortly before Huygens died in 1690,
 the work was  admired by many, including Czar Peter the Great, who made it the first product of Western  science to be publish
ed in Russia. The book is in large part about the nature or  environments of the planets. Among the figures in the finely rende
red first edition is one  in which we see, to scale, the Sun and the giant planets Jupiter and Saturn. They are,  comparatively
, rather small. There is also an etching of Saturn next to the Earth: Our  planet is a tiny circle. 

By and large Huygens imagined the environments and inhabitants of other planets to  be rather like those of seventeenth-century
 Earth. He conceived of .planetarians. whose  .whole Bodies, and every part of them, may be quite distinct and different from o
urs . . .  .tis a very ridiculous opinion . . . that it is impossible a rational Soul should dwell in  any other shape than our
s.. You could be smart, he was saying, even if you looked peculiar.  But he then went on to argue that they would not look very
 peculiar - that they must have  hands and feet and walk upright, that they would have writing and geometry, and that Jupiter  
has its four Galilean satellites to provide a navigational aid for the sailors in the Jovian  oceans. Huygens was, of course, a
 citizen of his time. Who of us is not? He claimed science  as his religion and then argued that the planets must be inhabited 
because otherwise God had  made worlds for nothing. Because he lived before Darwin, his speculations about  extraterrestrial li
fe are 
innocent of the evolutionary perspective. But he was able to  develop on observational grounds something akin to the modern cos
mic perspective:

What a wonderful and Amazing scheme have we here of the magnificent vastness of the universe  . . . So many Suns, so many Earth
s . . . and every one of them stock.d with so many Herbs,  Trees, and Animals, adorn.d with so many Seas and Mountains! . . . A
nd how must our Wonder  and Admiration be increased when we consider the prodigious Distance and Multitude of the  Stars.

The Voyager spacecraft are the lineal descendants of those sailing-ship voyages of  exploration, and of the scientific and spec
ulative tradition of Christiaan Huygens. The  Voyagers are caravels bound for the stars, and on the way exploring those worlds 
that  Huygens knew and loved so well. 

One of the main commodities returned on those voyages of centuries ago were  travelers. tales,* stories of alien lands and exot
ic creatures that evoked our sense of  wonder and stimulated future exploration. There had been accounts of mountains that reac
hed  the sky; of dragons and sea monsters; of everyday eating utensils made of gold; of a beast  with an arm for a nose; of peo
ple who thought the doctrinal disputes among Protestants,  Catholics, Jews and Muslims to be silly; of a black stone that burne
d; of headless humans  with mouths in their chests; of sheep that grew on trees. Some of these stories were true;  some were li
es. Others had a kernel of truth, misunderstood or exaggerated by the explorers  or their informants. In the hands of Voltaire,
 say, or Jonathan Swift, these accounts  stimulated a new perspective on European society, forcing a reconsideration of that in
sular  world.



* Such tales are an ancient human tradition; many of them have had, from the  beginning of exploration, a cosmic motif. For exa
mple, the fifteenth-century explorations of  Indonesia, Sri Lanka, India, Arabia and Africa by the Ming Dynasty Chinese were de
scribed by  Fei Hsin, one of the participants, in a picture book prepared for the Emperor, as .The  Triumphant Visions of the S
tarry Raft.. Unfortunately, the pictures - although not the text  - have been lost.



Modern Voyagers also return travelers. tales, tales of a world shattered like a  crystal sphere; a globe where the ground is co
vered, pole to pole, with what looks like a  network of cobwebs; tiny moons shaped like potatoes; a world with an underground o
cean; a  land that smells of rotten eggs and looks like a pizza pie, with lakes of molten sulfur and  volcanic eruptions ejecti
ng smoke directly into space; a planet called Jupiter that dwarfs  our own - so large that 1,000 Earths would fit within it. 

The Galilean satellites of Jupiter are each almost as big as the planet Mercury. We  can measure their sizes and masses and so 
calculate their density, which tells us something  about the composition of their interiors. We find that the inner two, lo and
 Europa, have a  density as high as rock. The outer two, Ganymede and Callisto, have a much lower density,  halfway between roc
k and ice. But the mixture of ice and rocks within these outer moons must  contain, as do rocks on Earth, traces of radioactive
 minerals, which heat their  surroundings. There is no effective way for this heat, accumulated over billions of years,  to rea
ch the surface and be lost to space, and the radioactivity inside Ganymede and  Callisto must therefore melt their icy interior
s. We anticipate underground oceans of slush  and water in these moons, a hint, before we have ever seen the surfaces of the Ga
lilean  satellites close up, that they may be very different one from another. When we do look  closely, through the eyes of Vo
yager, 
this prediction is confirmed. They do not resemble  each other. They are different from any worlds we have ever seen before. 

The Voyager 2 spacecraft will never return to Earth. But its scientific findings,  its epic discoveries, its travelers. tales, 
do return. Take July 9, 1979, for instance. At  8:04 Pacific Standard Time on this morning, the first pictures of a new world, 
called Europa  after an old one, were received on Earth. 

How does a picture from the outer solar system get to us? Sunlight shines on Europa  in its orbit around Jupiter and is reflect
ed back to space, where some of it strikes the  phosphors of the Voyager television cameras, generating an image. The image is 
read by the  Voyager computers, radioed back across the immense intervening distance of half a billion  kilometers to a radio t
elescope, a ground station on the Earth. There is one in Spain, one  in the Mojave Desert of Southern California and one in Aus
tralia. (On that July morning in  1979 it was the one in Australia that was pointed toward Jupiter and Europa.) It then passes 
 the information via a communications satellite in Earth orbit to Southern California, where  it is transmitted by a set of mic
rowave relay towers to a computer at the Jet Propulsion  Laboratory, where it is processed. The picture is fundamentally like a
 newspaper wirephoto,  made of perhaps a million individual dots, each a different shade of gray, so fine and close  together t
hat at 
a distance the constituent dots are invisible. We see only their cumulative  effect. The information from the spacecraft specif
ies how bright or dark each dot is to be.  After processing, the dots are then stored on a magnetic disc, something like a phon
ograph  record. There are some eighteen thousand photographs taken in the Jupiter system by Voyager  1 that are stored on such 
magnetic discs, and an equivalent number for Voyager 2. Finally,  the end product of this remarkable set of links and relays is
 a thin piece of glossy paper,  in this case showing the wonders of Europa, recorded, processed and examined for the first  tim
e in human history on July 9, 1979. 

What we saw on such pictures was absolutely astonishing. Voyager 1 obtained  excellent imagery of the other three Galilean sate
llites of Jupiter. But not Europa. It was  left for Voyager 2 to acquire the first close-up pictures of Europa, where we see th
ings  that are only a few kilometers across. At first glance, the place looks like nothing so much  as the canal network that P
ercival Lowell imagined to adorn Mars, and that, we now know from  space vehicle exploration, does not exist at all. We see on 
Europa an amazing, intricate  network of intersecting straight and curved lines. Are they ridges - that is, raised? Are  they t
roughs - that is, depressed? How are they made? Are they part of a global tectonic  system, produced perhaps by fracturing of a
n expanding or contracting planet? Are they  connected with plate tectonics on the Earth? What light do they shed on the other 
satellites  of the Jovian system? At the moment of discovery, the vaunted technology has produced  something astonishing. But i
t remai
ns for another device, the human brain, to figure it out.  Europa turns out to be as smooth as a billiard ball despite the netw
ork of lineations. The  absence of impact craters may be due to the heating and flow of surface ice upon impact. The  lines are
 grooves or cracks, their origin still being debated long after the mission. 

If the Voyager missions were manned, the captain would keep a ship.s log, and the  log, a combination of the events of Voyagers
 1 and 2, might read something like this:

Day 1 After much concern about provisions and instruments, which seemed to be  malfunctioning, we successfully lifted off from 
Cape Canaveral on our long journey to the  planets and the stars.

Day 2 A problem in the deployment of the boom that supports the science scan platform. If  the problem is not solved, we will l
ose most of our pictures and other scientific data.

Day 13 We have looked back and taken the first photograph ever obtained of the Earth and  Moon as worlds together in space. A p
retty pair.

Day 150 Engines fired nominally for a mid-course trajectory correction.

Day 170 Routine housekeeping functions. An uneventful few months.

Day 185 Successful calibration images taken of Jupiter.

Day 207 Boom problem solved, but failure of main radio transmitter. We have moved to back-up  transmitter. If it fails, no one 
on Earth will ever hear from us again.

Day 215 We cross the orbit of Mars. The planet itself is on the other side of the Sun.

Day 295 We enter the asteroid belt. There are many large, tumbling boulders here, the shoals  and reefs of space. Most of them 
are uncharted. Lookouts posted. We hope to avoid a  collision.

Day 475 We safely emerge from the main asteroid belt, happy to have survived.

Day 570 Jupiter is becoming prominent in the sky. We can now make out finer detail on it  than the largest telescopes on Earth 
have ever obtained.

Day 615 The colossal weather systems and changing clouds of Jupiter, spinning in space  before us, have us hypnotized. The plan
et is immense. It is more than twice as massive as  all the other planets put together. There are no mountains, valleys, volcan
oes, rivers; no  boundaries between land and air; just a vast ocean of dense gas and floating clouds - a  world without a surfa
ce. Everything we can see on Jupiter is floating in its sky.

Day 630 The weather on Jupiter continues to be spectacular. This ponderous world spins on  its axis in less than ten hours. Its
 atmospheric motions are driven by the rapid rotation,  by sunlight and by the heat bubbling and welling up from its interior.


Day 640 The cloud patterns are distinctive and gorgeous. They remind us a little of Van  Gogh.s Starry Night, or works by Willi
am Blake or Edvard Munch. But only a little. No artist  ever painted like this because none of them ever left our planet. No pa
inter trapped on  Earth ever imagined a world so strange and lovely. 

We observe the multicolored belts and bands of Jupiter close up. The white bands are  thought to be high clouds, probably ammon
ia crystals; the brownish-colored belts, deeper and  hotter places where the atmosphere is sinking. The blue places are apparen
tly deep holes in  the overlying clouds through which we see clear sky. 

We do not know the reason for the reddish-brown color of Jupiter. Perhaps it is due  to the chemistry of phosphorus or sulfur. 
Perhaps it is due to complex brightly colored  organic molecules produced when ultraviolet light from the Sun breaks down the m
ethane,  ammonia, and water in the Jovian atmosphere and the molecular fragments recombine. In that  case, the colors of Jupite
r speak to us of chemical events that four billion years ago back  on Earth led to the origin of life.

Day 647 The Great Red Spot. A great column of gas reaching high above the adjacent clouds,  so large that it could hold half a 
dozen Earths. Perhaps it is red because it is carrying up  to view the complex molecules produced or concentrated at greater de
pth. It may be a great  storm system a million years old.

Day 650 Encounter. A day of wonders. We successfully negotiate the treacherous radiation  belts of Jupiter with only one instru
ment, the photopolarimeter, damaged. We accomplish the  ring plane crossing and suffer no collisions with the particles and bou
lders of the newly  discovered rings of Jupiter. And wonderful images of Amalthea, a tiny, red, oblong world  that lives in the
 heart of the radiation belt; of multicolored Io; of the linear markings on  Europa; the cobwebby features of Ganymede; the gre
at multi-ringed basin on Callisto. We  round Callisto and pass the orbit of Jupiter 13, the outermost of the planet.s known moo
ns.  We are outward bound.

Day 662 Our particle and field detectors indicate that we have left the Jovian radiation  belts. The planet.s gravity has boost
ed our speed. We are free of Jupiter at last and sail  again the sea of space.

Day 874 A loss of the ship.s lock on the star Canopus - in the lore of constellations the  rudder of a sailing vessel. It is ou
r rudder too, essential for the ship.s orientation in  the dark of space, to find our way through this unexplored part of the c
osmic ocean. Canopus  lock reacquired. The optical sensors seem to have mistaken Alpha and Beta Centauri for  Canopus. Next por
t of call, two years hence: the Saturn system.



Of all the travelers. tales returned by Voyager, my favorites concern the  discoveries made on the innermost Galilean satellite
, Io.* Before Voyager, we were aware of  something strange about Io. We could resolve few features on its surface, but we knew 
it was  red - extremely red, redder than Mars, perhaps the reddest object in the solar system. Over  a period of years somethin
g seemed to be changing on it, in infrared light and perhaps in  its radar reflection properties. We also know that partially s
urrounding Jupiter in the  orbital position of Io was a great doughnut-shaped tube of atoms, sulfur and sodium and  potassium, 
material somehow lost from Io.



* Frequently pronounced .eye-oh. by Americans, because this is the preferred  enunciation in the Oxford English Dictionary. But
 the British have no special wisdom here.  The word is of Eastern Mediterranean origin and is pronounced throughout the rest of
 Europe,  correctly, as .ee-oh..



When Voyager approached this giant moon we found a strange multicolored surface  unlike any other in the solar system. Io is ne
ar the asteroid belt. It must have been  thoroughly pummeled throughout its history by falling boulders. Impact craters must ha
ve  been made. Yet there were none to be seen. Accordingly, there had to be some process on Io  that was extremely efficient in
 rubbing craters out or filling them in. The process could  not be atmospheric, since Io.s atmosphere has mostly escaped to spa
ce because of its low  gravity. It could not be running water; Io.s surface is far too cold. There were a few  places that rese
mbled the summits of volcanoes. But it was hard to be sure. 

Linda Morabito, a member of the Voyager Navigation Team responsible for keeping  Voyager precisely on its trajectory, was routi
nely ordering a computer to enhance an image  of the edge of Io, to bring out the stars behind it. To her astonishment, she saw
 a bright  plume standing off in the darkness from the satellite.s surface and soon determined that the  plume was in exactly t
he position of one of the suspected volcanoes. Voyager had discovered  the first active volcano beyond the Earth. We know now o
f nine large volcanoes, spewing out  gas and debris, and hundreds - perhaps thousands - of extinct volcanoes on Io. The debris,
  rolling and flowing down the sides of the volcanic mountains, arching in great jets over the  polychrome landscape, is more t
han enough to cover the impact craters. We are looking at a  fresh planetary landscape, a surface newly hatched. How Galileo an
d Huygens would have  marveled. 

The volcanoes of Io were predicted, before they were discovered, by Stanton Peale  and his co-workers, who calculated the tides
 that would be raised in the solid interior of  Io by the combined pulls of the nearby moon Europa and the giant planet Jupiter
. They found  that the rocks inside Io should have been melted, not by radioactivity but by tides; that  much of the interior o
f Io should be liquid. It now seems likely that the volcanoes of Io  are tapping an underground ocean of liquid sulfur, melted 
and concentrated near the surface.  When solid sulfur is heated a little past the normal boiling point of water, to about 115°C
,  it melts and changes color. The higher the temperature, the deeper the color. If the molten  sulfur is quickly cooled, it re
tains its color. The pattern of colors that we see on Io  resembles closely what we would expect if rivers and torrents and she
ets of molten sulfur  were pouring out of the mouths of the volcanoes: black sulfur, the hottest, near the top of  the volcano;
 red an
d orange, including the rivers, nearby; and great plains covered by  yellow sulfur at a greater remove. The surface of Io is ch
anging on a time scale of months.  Maps will have to be issued regularly, like weather reports on Earth. Those future explorers
  on Io will have to keep their wits about them. 

The very thin and tenuous atmosphere of Io was found by Voyager to be composed  mainly of sulfur dioxide. But this thin atmosph
ere can serve a useful purpose, because it  may be just thick enough to protect the surface from the intense charged particles 
in the  Jupiter radiation belt in which Io is embedded. At night the temperature drops so low that  the sulfur dioxide should c
ondense out as a kind of white frost; the charged particles would  then immolate the surface, and it would probably be wise to 
spend the nights just slightly  underground. 

The great volcanic plumes of Io reach so high that they are close to injecting their  atoms directly into the space around Jupi
ter. The volcanoes are the probable source of the  great doughnut-shaped ring of atoms that surrounds Jupiter in the position o
f Io.s orbit.  These atoms, gradually spiraling in toward Jupiter, should coat the inner moon Amalthea and  may be responsible 
for its reddish coloration. It is even possible that the material  outgassed from Io contributes, after many collisions and con
densations, to the ring system  of Jupiter. 

A substantial human presence on Jupiter itself is much more difficult to imagine -  although I suppose great balloon cities per
manently floating in its atmosphere are a  technological possibility for the remote future. As seen from the near sides of Io o
r  Europa, that immense and variable world fills much of the sky, hanging aloft, never to rise  or set, because almost every sa
tellite in the solar system keeps a constant face to its  planet, as the Moon does to the Earth. Jupiter will be a source of co
ntinuing provocation  and excitement for the future human explorers of the Jovian moons. 

As the solar system condensed out of interstellar gas and dust, Jupiter acquired  most of the matter that was not ejected into 
interstellar space and did not fall inward to  form the Sun. Had Jupiter been several dozen times more massive, the matter in i
ts interior  would have undergone thermonuclear reactions, and Jupiter would have begun to shine by its  own light. The largest
 planet is a star that failed. Even so, its interior temperatures are  sufficiently high that it gives off about twice as much 
energy as it receives from the Sun.  In the infrared part of the spectrum, it might even be correct to consider Jupiter a star.
  Had it become a star in visible light, we would today inhabit a binary or double-star  system, with two suns in our sky, and 
the nights would come more rarely - a commonplace, I  believe, in countless solar systems throughout the Milky Way Galaxy. We w
ould doubtless  think the circumstances natural and lovely. 

Deep below the clouds of Jupiter the weight of the overlying layers of atmosphere  produces pressures much higher than any foun
d on Earth, pressures so great that electrons  are squeezed off hydrogen atoms, producing a remarkable substance, liquid metall
ic hydrogen  - a physical state that has never been observed in terrestrial laboratories, because the  requisite pressures have
 never been achieved on Earth. (There is some hope that metallic  hydrogen is a superconductor at moderate temperatures. If it 
could be manufactured on Earth,  it would work a revolution in electronics.) In the interior of Jupiter, where the pressures  a
re about three million times the atmospheric pressure at the surface of the Earth, there is  almost nothing but a great dark sl
oshing ocean of metallic hydrogen. But at the very core of  Jupiter there may be a lump of rock and iron, an Earth-like world i
n a pressure vise, hidden  forever at the center of the largest planet. 

The electrical currents in the liquid metal interior of Jupiter may be the source of  the planet.s enormous magnetic field, the
 largest in the solar system, and of its associated  belt of trapped electrons and protons. These charged particles are ejected
 from the Sun in  the solar wind and captured and accelerated by Jupiter.s magnetic field. Vast numbers of  them are trapped fa
r above the clouds and are condemned to bounce from pole to pole until by  chance they encounter some high-altitude atmospheric
 molecule and are removed from the  radiation belt. Io moves in an orbit so close to Jupiter that it plows through the midst of
  this intense radiation, creating cascades of charged particles, which in turn generate  violent bursts of radio energy. (They
 may also influence eruptive processes on the surface  of Io.) It is possible to predict radio bursts from Jupiter with better 
reliability than  weather forecasts on Earth, by computing the position of Io. 

That Jupiter is a source of radio emission was discovered accidentally in the  1950.s, the early days of radio astronomy. Two y
oung Americans, Bernard Burke and Kenneth  Franklin, were examining the sky with a newly constructed and for that time very sen
sitive  radio telescope. They were searching the cosmic radio background - that is, radio sources  far beyond our solar system.
 To their surprise, they found an intense and previously  unreported source that seemed to correspond to no prominent star, neb
ula or galaxy. What is  more, it gradually moved, with respect to the distant stars, much faster than any remote  object could.
* After finding no likely explanation of all this in their charts of the  distant Cosmos, they one day stepped outside the obse
rvatory and looked up at the sky with  the naked eye to see if anything interesting happened to be there. Bemusedly they noted 
an  exceptionally bright object in the right place, which they soon identified as the planet  Jupiter. This accidental discover
y is, i
ncidentally, entirely typical of the history of  science.



* Because the speed of light is finite (see Chapter 8).



Every evening before Voyager 1.s encounter with Jupiter, I could see that giant  planet twinkling in the sky, a sight our ances
tors have enjoyed and wondered at for a  million years. And on the evening of Encounter, on my way to study the Voyager data ar
riving  at JPL, I thought that Jupiter would never be the same, never again just a point of light in  the night sky, but would 
forever after be a place to be explored and known. Jupiter and its  moons are a kind of miniature solar system of diverse and e
xquisite worlds with much to  teach us. 

In composition and in many other respects Saturn is similar to Jupiter, although  smaller. Rotating once every ten hours, it ex
hibits colorful equatorial banding, which is,  however, not so prominent as Jupiter.s. It has a weaker magnetic field and radia
tion belt  than Jupiter and a more spectacular set of circumplanetary rings. And it also is surrounded  by a dozen or more sate
llites. 

The most interesting of the moons of Saturn seems to be Titan, the largest moon in  the solar system and the only one with a su
bstantial atmosphere. Prior to the encounter of  Voyager 1 with Titan in November 1980, our information about Titan was scanty 
and  tantalizing. The only gas known unambiguously to be present was methane, CH4, discovered by  G. P. Kuiper. Ultraviolet lig
ht from the sun converts methane to more complex hydrocarbon  molecules and hydrogen gas. The hydrocarbons should remain on Tit
an, covering the surface  with a brownish tarry organic sludge, something like that produced in experiments on the  origin of l
ife on Earth. The lightweight hydrogen gas should, because of Titan.s low  gravity, rapidly escape to space by a violent proces
s known as .blowoff,. which should carry  the methane and other atmospheric constituents with it. But Titan has an atmospheric 
 pressure at least as great as that of the planet Mars. Blowoff does not seem to be  happening. Perhaps there is some major and
 as yet
 undiscovered atmospheric constituent -  nitrogen, for example - which keeps the average molecular weight of the atmosphere hig
h and  prevents blowoff. Or perhaps blowoff is happening, but the gases lost to space are being  replenished by others released
 from the satellite.s interior. The bulk density of Titan is  so low that there must be a vast supply of water and other ices, 
probably including methane,  which are at unknown rates being released to the surface by internal heating. 

When we examine Titan through the telescope we see a barely perceptible reddish  disc. Some observers have reported variable wh
ite clouds above that disc - most likely,  clouds of methane crystals. But what is responsible for the reddish coloration? Most
  students of Titan agree that complex organic molecules are the most likely explanation. The  surface temperature and atmosphe
ric thickness are still under debate. There have been some  hints of an enhanced surface temperature due to an atmospheric gree
nhouse effect. With  abundant organic molecules on its surface and in its atmosphere, Titan is a remarkable and  unique denizen
 of the solar system. The history of our past voyages of discovery suggests  that Voyager and other spacecraft reconnaissance m
issions will revolutionize our knowledge  of this place. 

Through a break in the clouds of Titan, you might glimpse Saturn and its rings,  their pale yellow color diffused by the interv
ening atmosphere. Because the Saturn system is  ten times farther from the Sun than is the Earth, the sunshine on Titan is only
 1 percent as  intense as we are accustomed to, and the temperatures should be far below the freezing point  of water even with
 a sizable atmospheric greenhouse effect. But with abundant organic  matter, sunlight and perhaps volcanic hot spots, the possi
bility of life on Titan* cannot be  readily dismissed. In that very different environment, it would, of course, have to be very
  different from life on Earth. There is no strong evidence either for or against life on  Titan. It is merely possible. We are
 unlikely to determine the answer to this question  without landing instrumented space vehicles on the Titanian surface.



* The view of Huygens, who discovered Titan in 1655, was: .Now can any one look  upon, and compare these Systems [of Jupiter an
d Saturn] together, without being amazed at  the vast Magnitude and noble Attendants of these two Planets, in respect of this l
ittle  pitiful Earth of ours? Or can they force themselves to think, that the wise Creator has  disposed of all his Animals and
 Plants here, has furnished and adorn.d this Spot only, and  has left all those Worlds bare and destitute of Inhabitants, who m
ight adore and worship  Him; or that all those prodigious Bodies were made only to twinkle to, and be studied by  some few perh
aps of us poor Fellows?. Since Saturn moves around the Sun once every thirty  years, the length of the seasons on Saturn and it
s moons is much longer than on Earth. Of  the presumed inhabitants of the moons of Saturn, Huygens therefore wrote: .It is impo
ssible  but that their way of living must be very different from ours, having such tedious Winters..



To examine the individual particles composing the rings of Saturn, we must approach  them closely, for the particles are small 
- snowballs and ice chips and tiny tumbling bonsai  glaciers, a meter or so across. We know they are composed of water ice, bec
ause the spectral  properties of sunlight reflected off the rings match those of ice in the laboratory  measurements. To approa
ch the particles in a space vehicle, we must slow down, so that we  move along with them as they circle Saturn at some 45,000 m
iles per hour; that is, we must  be in orbit around Saturn ourselves, moving at the same speed as the particles. Only then  wil
l we be able to see them individually and not as smears or streaks. 

Why is there not a single large satellite instead of a ring system around Saturn?  The closer a ring particle is to Saturn, the
 faster its orbital speed (the faster it is  .falling. around the planet - Kepler.s third law); the inner particles are streami
ng past  the outer ones (the .passing lane. as we see it is always to the left). Although the whole  assemblage is tearing arou
nd the planet itself at some 20 kilometers per second, the  relative speed of two adjacent particles is very low, only some few
 centimeters per minute.  Because of this relative motion, the particles can never stick together by their mutual  gravity. As 
soon as they try, their slightly different orbital speeds pull them apart. If  the rings were not so close to Saturn, this effe
ct would not be so strong, and the particles  could accrete, making small snowballs and eventually growing into satellites. So 
it is  probably no coincidence that outside the rings of Saturn there is a system of satellites  varying in size from a few hun
dred ki
lometers across to Titan, a giant moon nearly as large  as the planet Mars. The matter in all the satellites and the planets th
emselves may have  been originally distributed in the form of rings, which condensed and accumulated to form  the present moons
 and planets. 

For Saturn as for Jupiter, the magnetic field captures and accelerates the charged  particles of the solar wind. When a charged
 particle bounces from one magnetic pole to the  other, it must cross the equatorial plane of Saturn. If there is a ring partic
le in the way,  the proton or electron is absorbed by this small snowball. As a result, for both planets,  the rings clear out 
the radiation belts, which exist only interior and exterior to the  particle rings. A close moon of Jupiter or Saturn will like
wise gobble up radiation belt  particles, and in fact one of the new moons of Saturn was discovered in just this way:  Pioneer 
11 found an unexpected gap in the radiation belts, caused by the sweeping up of  charged particles by a previously unknown moon


The solar wind trickles into the outer solar system far beyond the orbit of Saturn.  When Voyager reaches Uranus and the orbits
 of Neptune and Pluto, if the instruments are  still functioning, they will almost certainly sense its presence, the wind betwe
en the  worlds, the top of the Sun.s atmosphere blown outward toward the realm of the stars. Some  two or three times farther f
rom the Sun than Pluto is, the pressure of the interstellar  protons and electrons becomes greater than the minuscule pressure 
there exerted by the solar  wind. That place, called the heliopause, is one definition of the outer boundary of the  Empire of 
the Sun. But the Voyager spacecraft will plunge on, penetrating the heliopause  sometime in the middle of the twenty-first cent
ury, skimming through the ocean of space,  never to enter another solar system, destined to wander through eternity far from th
e  stellar islands and to complete its first circumnavigation of the massive center of the  Milky Way a few hundred million yea
rs from
 now. We have embarked on epic voyages.

CHAPTER VII

The Backbone of Night

They came to a round hole in the sky . . . glowing like fire. This, the Raven said, was a  star. - Eskimo creation myth

I would rather understand one cause than be King of Persia. - Democritus of Abdera

Bur Aristarchus of Samos brought out a book consisting of some hypotheses, in which the  premises lead to the result that the u
niverse is many times greater than that now so called.  His hypotheses are that the fixed stars and the Sun remain unmoved, tha
t the Earth revolves  about the Sun in the circumference of a circle, the Sun lying in the middle of the orbit,  and that the s
phere of the fixed stars, situated about the same center as the Sun, is so  great that the circle in which he supposes the Eart
h to revolve bears such a proportion to  the distance of the fixed stars as the center of the sphere bears to its surface. - Ar
chimedes, The Sand Reckoner

If a faithful account was rendered of Man.s ideas upon Divinity, he would be obliged to  acknowledge, that for the most part th
e word .gods. has been used to express the concealed,  remote, unknown causes of the effects he witnessed; that he applies this
 term when the  spring of the natural, the source of known causes, ceases to be visible: as soon as he loses  the thread of the
se causes, or as soon as his mind can no longer follow the chain, he solves  the difficulty, terminates his research, by ascrib
ing it to his gods . . . When, therefore,  he ascribes to his gods the production of some phenomenon . . . does he, in fact, do
 any  thing more than substitute for the darkness of his own mind, a sound to which he has been  accustomed to listen with reve
rential awe? - Paul Heinrich Dietrich, Baron von Holbach, Système de la Nature, London, 1770

When I was little, I lived in the Bensonhurst section of Brooklyn in the City of New York. I  knew my immediate neighborhood in
timately, every apartment building, pigeon coop, backyard,  front stoop, empty lot, elm tree, ornamental railing, coal chute an
d wall for playing  Chinese handball, among which the brick exterior of a theater called the Loew.s Stillwell  was of superior 
quality. I knew where many people lived: Bruno and Dino, Ronald and Harvey,  Sandy, Bernie, Danny, Jackie and Myra. But more th
an a few blocks away, north of the raucous  automobile traffic and elevated railway on 86th Street, was a strange unknown terri
tory,  off-limits to my wanderings. It could have been Mars for all I knew. 

Even with an early bedtime, in winter you could sometimes see the stars. I would  look at them, twinkling and remote, and wonde
r what they were. I would ask older children  and adults, who would only reply, .They.re lights in the sky, kid.. I could see t
hey were  lights in the sky. But what were they? Just small hovering lamps? Whatever for? I felt a  kind of sorrow for them: a 
commonplace whose strangeness remained somehow hidden from my  incurious fellows. There had to be some deeper answer. 

As soon as I was old enough, my parents gave me my first library card. I think the  library was on 85th Street, an alien land. 
Immediately, I asked the librarian for something  on stars. She returned with a picture book displaying portraits of men and wo
men with names  like Clark Gable and Jean Harlow. I complained, and for some reason then obscure to me, she  smiled and found a
nother book - the right kind of book. I opened it breathlessly and read  until I found it. The book said something astonishing,
 a very big thought. It said that the  stars were suns, only very far away. The Sun was a star, but close up. 

Imagine that you took the Sun and moved it so far away that it was just a tiny  twinkling point of light. How far away would yo
u have to move it? I was innocent of the  notion of angular size. I was ignorant of the inverse square law for light propagatio
n. I  had not a ghost of a chance of calculating the distance to the stars. But I could tell that  if the stars were suns, they
 had to be very far away - farther away than 85th Street,  farther away than Manhattan, farther away, probably, than New Jersey
. The Cosmos was much  bigger than I had guessed. 

Later I read another astonishing fact. The Earth, which includes Brooklyn, is a  planet, and it goes around the Sun. There are 
other planets. They also go around the Sun;  some are closer to it and some are farther away. But the planets do not shine by t
heir own  light, as the Sun does. They merely reflect light from the Sun. If you were a great distance  away, you would not see
 the Earth and the other planets at all; they would be only faint  luminous points, lost in the glare of the Sun. Well, then, I
 thought, it stood to reason  that the other stars must have planets too, ones we have not yet detected, and some of those  oth
er planets should have life (why not?), a kind of life probably different from life as we  know it, life in Brooklyn. So I deci
ded I would be an astronomer, learn about the stars and  planets and, if I could, go and visit them. 

It has been my immense good fortune to have parents and some teachers who encouraged  this odd ambition and to live in this tim
e, the first moment in human history when we are,  in fact, visiting other worlds and engaging in a deep reconnaissance of the 
Cosmos. If I had  been born in a much earlier age, no matter how great my dedication, I would not have  understood what the sta
rs and planets are. I would not have known that there were other suns  and other worlds. This is one of the great secrets, wres
ted from Nature through a million  years of patient observation and courageous thinking by our ancestors. 

What are the stars? Such questions are as natural as an infant.s smile. We have  always asked them. What is different about our
 time is that at last we know some of the  answers. Books and libraries provide a ready means for finding out what those answer
s are.  In biology there is a principle of powerful if imperfect applicability called  recapitulation: in our individual embryo
nic development we retrace the evolutionary history  of the species. There is, I think, a kind of recapitulation that occurs in
 our individual  intellectual developments as well. We unconsciously retrace the thoughts of our remote  ancestors. Imagine a t
ime before science, a time before libraries. Imagine a time hundreds  of thousands of years ago. We were then just about as sma
rt, just as curious, just as  involved in things social and sexual. But the experiments had not yet been done, the  inventions 
had not yet been made. It was the childhood of genus Homo. Imagine the time when  fire was first discovered. What were human li
ves lik
e then? What did out ancestors believe  the stars were? Sometimes, in my fantasies, I imagine there was someone who thought lik
e  this: 

We eat berries and roots. Nuts and leaves. And dead animals. Some animals we find.  Some we kill. We know which foods are good 
and which are dangerous. If we taste some foods  we are struck down, in punishment for eating them. We did not mean to do somet
hing bad. But  foxglove or hemlock can kill you. We love our children and our friends. We warn them of such  foods. 

When we hunt animals, then also can we be killed. We can be gored. Or trampled. Or  eaten. What animals do means life and death
 for us: how they behave, what tracks they leave,  their times for mating and giving birth, their times for wandering. We must 
know these  things. We tell our children. They will tell their children. 

We depend on animals. We follow them - especially in winter when there are few  plants to eat. We are wandering hunters and gat
herers. We call ourselves the hunterfolk. 

Most of us fall asleep under the sky or under a tree or in its branches. We use  animal skins for clothing: to keep us warm, to
 cover our nakedness and sometimes as a  hammock. When we wear the animal skins we feel the animal.s power. We leap with the ga
zelle.  We hunt with the bear. There is a bond between us and the animals. We hunt and eat the  animals. They hunt and eat us. 
We are part of one another. 

We make tools and stay alive. Some of us are experts at splitting, flaking,  sharpening and polishing, as well as finding, rock
s. Some rocks we tie with animal sinew to  a wooden handle and make an ax. With the ax we strike plants and animals. Other rock
s are  tied to long sticks. If we are quiet and watchful, we can sometimes come close to an animal  and stick it with the spear


Meat spoils. Sometimes we are hungry and try not to notice. Sometimes we mix herbs  with the bad meat to hide the taste. We fol
d foods that will not spoil into pieces of animal  skin. Or big leaves. Or the shell of a large nut. It is wise to put food asi
de and carry it.  If we eat this food too early, some of us will starve later. So we must help one another.  For this and many 
other reasons we have rules. Everyone must obey the rules. We have always  had rules. Rules are sacred. 

One day there was a storm, with much lightning and thunder and rain. The little ones  are afraid of storms. And sometimes so am
 I. The secret of the storm is hidden. The thunder  is deep and loud; the lightning is brief and bright. Maybe someone very pow
erful is very  angry. It must be someone in the sky, I think. 

After the storm there was a flickering and crackling in the forest nearby. We went  to see. There was a bright, hot, leaping th
ing, yellow and red. We had never seen such a  thing before. We now call it .flame.. It has a special smell. In a way it is ali
ve: It eats  food. It eats plants and tree limbs and even whole trees, if you let it. It is strong. But  it is not very smart. 
If all the food is gone, it dies. It will not walk a spear.s throw  from one tree to another if there a no food along the way. 
It cannot walk without eating.  But where there is much food, it grows and makes many flame children. 

One of us had a brave and fearful thought: to capture the flame, feed it a little,  and make it our friend. We found some long 
branches of hard wood. The flame was eating them,  but slowly. We could pick them up by the end that had no flame. If you run f
ast with a small  flame, it dies. Their children are weak. We did not run. We walked, shouting good wishes.  .Do not die,. we s
aid to the flame. The other hunterfolk looked with wide eyes. 

Ever after, we have carried it with us. We have a flame mother to feed the flame  slowly so it does not die of hunger.* Flame i
s a wonder, and useful too; surely a gift from  powerful beings. Are they the same as the angry beings in the storm?



* This sense of fire as a living thing, to be protected and cared for, should not be  dismissed as a .primitive. notion. It is 
to be found near the root of many modern  civilizations. Every home in ancient Greece and Rome and among the Brahmans of ancien
t India  had a hearth and a set of prescribed rules for caring for the flame. At night the coals were  covered with ashes for i
nsulation; in the morning twigs were added to revive the flame. The  death of the flame in the hearth was considered synonymous
 with the death of the family. In  all three cultures, the hearth ritual was connected with the worship of ancestors. This is  
the origin of the eternal flame, a symbol still widely employed in religious, memorial,  political and athletic ceremonials thr
oughout the world.



The flame keeps us warm on cold nights. It gives us light. It makes holes in the  darkness when the Moon is new. We can fix spe
ars at night for tomorrow.s hunt. And if we are  not tired, even in the darkness we can see each other and talk. Also - a good 
thing! - fire  keeps animals away. We can be hurt at night. Sometimes we have been eaten, even by small  animals, hyenas and wo
lves. Now it is different. Now the flame keeps the animals back. We  see them baying softly in the dark, prowling, their eyes g
lowing in the light of the flame.  They are frightened of the flame. But we are not frightened. The flame is ours. We take care
  of the flame. The flame takes care of us. 

The sky is important. It covers us. It speaks to us. Before the time we found the  flame, we would lie back in the dark and loo
k up at all the points of light. Some points  would come together to make a picture in the sky. One of us could see the picture
s better  than the rest. She taught us the star pictures and what names to call them. We would sit  around late at night and ma
ke up stories about the pictures in the sky: lions, dogs, bears,  hunterfolk. Other, stranger things. Could they be the picture
s of the powerful beings in the  sky, the ones who make the storms when angry? 

Mostly, the sky does not change. The same star pictures are there year after year.  The Moon grows from nothing to a thin slive
r to a round ball, and then back again to  nothing. When the Moon changes, the women bleed. Some tribes have rules against sex 
at  certain times in the growing and shrinking of the Moon. Some tribes scratch the days of the  Moon or the days that the wome
n bleed on antler bones. They can plan ahead and obey their  rules. Rules are sacred. 

The stars are very far away. When we climb a hill or a tree they are no closer. And  clouds come between us and the stars: the 
stars must be behind the clouds. The Moon, as it  slowly moves, passes in front of stars. Later you can see that the stars are 
not harmed. The  Moon does not eat stars. The stars must be behind the Moon. They flicker. A strange, cold,  white, faraway lig
ht. Many of them. All over the sky. But only at night. I wonder what they  are. 

After we found the flame, I was sitting near the campfire wondering about the stars.  Slowly a thought came: The stars are flam
e, I thought. Then I had another thought: The stars  are campfires that other hunterfolk light at night. The stars give a small
er light than  campfires. So the stars must be campfires very far away. .But,. they ask me, .how can there  be campfires in the
 sky? Why do the campfires and the hunter people around those flames not  fall down at our feet? Why don.t strange tribes drop 
from the sky?. 

Those are good questions. They trouble me. Sometimes I think the sky is half of a  big eggshell or a big nutshell. I think the 
people around those faraway campfires look down  at us - except for them it seems up - and say that we are in their sky, and wo
nder why we do  not fall up to them, if you see what I mean. But hunterfolk say, .Down is down and up is  up.. That is a good a
nswer, too. 

There is another thought that one of us had. His thought is that night is a great  black animal skin, thrown up over the sky. T
here are holes in the skin. We look through the  holes. And we see flame. His thought is not just that there is flame in a few 
places where  we see stars. He thinks there is flame everywhere. He thinks flame covers the whole sky. But  the skin hides the 
flame. Except where there are holes. 

Some stars wander. Like the animals we hunt. Like us. If you watch with care over  many months, you find they move. There are o
nly five of them, like the fingers on a hand.  They wander slowly among the stars. If the campfire thought is true, those stars
 must be  tribes of wandering hunterfolk, carrying big fires. But I don.t see how wandering stars can  be holes in a skin. When
 you make a hole, there it is. A hole is a hole. Holes do not  wander. Also, I don.t want to be surrounded by a sky of flame. I
f the skin fell, the night  sky would be bright - too bright - like seeing flame everywhere. I think a sky of flame  would eat 
us all. Maybe there are two kinds of powerful beings in the sky. Bad ones, who  wish the flame to eat us. And good ones who put
 up the skin to keep the flame away. We must  find some way to thank the good ones. 

I don.t know if the stars are campfires in the sky. Or holes in a skin through which  the flame of power looks down on us. Some
times I think one way. Sometimes 1 think a  different way. Once I thought there are no campfires and no holes but something els
e, too  hard for me to understand. 

Rest your neck on a log. Your head goes back. Then you can see only the sky. No  hills, no trees, no hunterfolk, no campfire. J
ust sky. Sometimes I feel I may fall up into  the sky. If the stars are campfires, I would like to visit those other hunterfolk
 - the ones  who wander. Then I feel good about falling up. But if the stars are holes in a skin, I  become afraid. 1 don.t wan
t to fall up through a hole and into the flame of power.       I wish I knew which was true. I don.t like not knowing. 

I do not imagine that many members of a hunter/gatherer group had thoughts like  these about the stars. Perhaps, over the ages,
 a few did, but never all these thoughts in  the same person. Yet, sophisticated ideas are common in such communities. For exam
ple, the  !Kung* Bushmen of the Kalahari Desert in Botswana have an explanation for the Milky Way,  which at their latitude is 
often overhead. They call it .the backbone of night,. as if the  sky were some great beast inside which we live. Their explanat
ion makes the Milky Way useful  as well as understandable. The !Kung believe the Milky Way holds up the night; that if it  were
 not for the Milky Way, fragments of darkness would come crashing down at our feet. It  is an elegant idea.



* The exclamation point is a click, made by touching the tongue against the inside  of the incisors, and simultaneously pronoun
cing the K.



Metaphors like those about celestial campfires or galactic backbones were eventually  replaced in most human cultures by anothe
r idea: The powerful beings in the sky were  promoted to gods. They were given names and relatives, and special responsibilitie
s for the  cosmic services they were expected to perform. There was a god or goddess for every human  concern. Gods ran Nature.
 Nothing could happen without their direct intervention. If they  were happy, there was plenty of food, and humans were happy. 
But if something displeased the  gods - and sometimes it took very little - the consequences were awesome: droughts, storms,  w
ars, earthquakes, volcanoes, epidemics. The gods had to be propitiated, and a vast industry  of priests and oracles arose to ma
ke the gods less angry. But because the gods were  capricious, you could not be sure what they would do. Nature was a mystery. 
It was hard to  understand the world. 

Little remains of the Heraion on the Aegean isle of Samos, one of the wonders of the  ancient world, a great temple dedicated t
o Hera, who began her career as goddess of the sky.  She was the patron deity of Samos, playing the same role there as Athena d
id in Athens. Much  later she married Zeus, the chief of the Olympian gods. They honeymooned on Samos, the old  stories tell us
. The Greek religion explained that diffuse band of light in the night sky as  the milk of Hera, squirted from her breast acros
s the heavens, a legend that is the origin  of the phrase Westerners still use - the Milky Way. Perhaps it originally represent
ed the  important insight that the sky nurtures the Earth; if so, that meaning seems to have been  forgotten millennia ago. 

We are, almost all of us, descended from people who responded to the dangers of  existence by inventing stories about unpredict
able or disgruntled deities. For a long time  the human instinct to understand was thwarted by facile religious explanations, a
s in  ancient Greece in the time of Homer, where there were gods of the sky and the Earth, the  thunderstorm, the oceans and th
e underworld, fire and time and love and war; where every  tree and meadow had its dryad and maenad. 

For thousands of years humans were oppressed - as some of us still are - by the  notion that the universe is a marionette whose
 strings are pulled by a god or gods, unseen  and inscrutable. Then, 2,500 years ago, there was a glorious awakening in Ionia: 
on Samos  and the other nearby Greek colonies that grew up among the islands and inlets of the busy  eastern Aegean Sea.* Sudde
nly there were people who believed that everything was made of  atoms; that human beings and other animals had sprung from simp
ler forms; that diseases were  not caused by demons or the gods; that the Earth was only a planet going around the Sun. And  th
at the stars were very far away.



* As an aid to confusion, Ionia is not in the Ionian Sea; it was named by colonists  from the coast of the Ionian Sea.



This revolution made Cosmos and Chaos. The early Greeks had believed that the first  being was Chaos, corresponding to the phra
se in Genesis in the same context, .without form..  Chaos created and then mated with a goddess called Night, and their offspri
ng eventually  produced all the gods and men. A universe created from Chaos was in perfect keeping with the  Greek belief in an
 unpredictable Nature run by capricious gods. But in the sixth century  B.C., in Ionia, a new concept developed, one of the gre
at ideas of the human species. The  universe is knowable, the ancient Ionians argued, because it exhibits an internal order:  t
here are regularities in Nature that permit its secrets to be uncovered. Nature is not  entirely unpredictable; there are rules
 even she must obey. This ordered and admirable  character of the universe was called Cosmos. 

But why Ionia, why in these unassuming and pastoral landscapes, these remote islands  and inlets of the Eastern Mediterranean? 
Why not in the great cities of India or Egypt,  Babylonia, China or Mesoamerica? China had an astronomical tradition millennia 
old; it  invented paper and printing, rockets, clocks, silk, porcelain, and ocean-going navies. Some  historians argue it was n
evertheless too traditionalist a society, too unwilling to adopt  innovations. Why not India, an extremely rich, mathematically
 gifted culture? Because, some  historians maintain, of a rigid fascination with the idea of an infinitely old universe  condem
ned to an endless cycle of deaths and rebirths, of souls and universes, in which  nothing fundamentally new could ever happen. 
Why not Mayan and Aztec societies, which were  accomplished in astronomy and captivated, as the Indians were, by large numbers?
 Because,  some historians declare, they lacked the aptitude or impetus for mechanical invention. The  Mayans and the Aztecs di
d not e
ven - except for children.s toys - invent the wheel. 

The Ionians had several advantages. Ionia is an island realm. Isolation, even if  incomplete, breeds diversity. With many diffe
rent islands, there was a variety of political  systems. No single concentration of power could enforce social and intellectual
 conformity  in all the islands. Free inquiry became possible. The promotion of superstition was not  considered a political ne
cessity. Unlike many other cultures, the Ionians were at the  crossroads of civilizations, not at one of the centers. In Ionia,
 the Phoenician alphabet  was first adapted to Greek usage and widespread literacy became possible. Writing was no  longer a mo
nopoly of the priests and scribes. The thoughts of many were available for  consideration and debate. Political power was in th
e hands of the merchants, who actively  promoted the technology on which their prosperity depended. It was in the Eastern  Medi
terranean that African, Asian, and European civilizations, including the great cultures  of Egypt and Mesopotamia, met and cros
s-ferti
lized in a vigorous and heady confrontation of  prejudices, languages, ideas and gods. What do you do when you are faced with s
everal  different gods each claiming the same territory? The Babylonian Marduk and the Greek Zeus  was each considered master o
f the sky and king of the gods. You might decide that Marduk and  Zeus were really the same. You might also decide, since they 
had quite different attributes,  that one of them was merely invented by the priests. But if one, why not both? 

And so it was that the great idea arose, the realization that there might be a way  to know the world without the god hypothesi
s; that there might be principles, forces, laws  of nature, through which the world could be understood without attributing the
 fall of every  sparrow to the direct intervention of Zeus. 

China and India and Mesoamerica would, I think, have tumbled to science too, if only  they had been given a little more time. C
ultures do not develop with identical rhythms or  evolve in lockstep. They arise at different times and progress at different r
ates. The  scientific world view works so well, explains so much and resonates so harmoniously with the  most advanced parts of
 our brains that in time, I think, virtually every culture on the  Earth, left to its own devices, would have discovered scienc
e. Some culture had to be first.  As it turned out, Ionia was the place where science was born. 

Between 600 and 400 B.C., this great revolution in human thought began. The key to  the revolution was the hand. Some of the br
illiant Ionian thinkers were the sons of sailors  and farmers and weavers. They were accustomed to poking and fixing, unlike th
e priests and  scribes of other nations, who, raised in luxury, were reluctant to dirty their hands. They  rejected superstitio
n, and they worked wonders. In many cases we have only fragmentary or  secondhand accounts of what happened. The metaphors used
 then may be obscure to us now.  There was almost certainly a conscious effort a few centuries later to suppress the new  insig
hts. The leading figures in this revolution were men with Greek names, largely  unfamiliar to us today, but the truest pioneers
 in the development of our civilization and  our humanity. 

The first Ionian scientist was Thales of Miletus, a city in Asia across a narrow  channel of water from the island of Samos. He
 had traveled in Egypt and was conversant with  the knowledge of Babylon. It is said that he predicted a solar eclipse. He lear
ned how to  measure the height of a pyramid from the length of its shadow and the angle of the Sun above  the horizon, a method
 employed today to determine the heights of the mountains of the Moon.  He was the first to prove geometric theorems of the sor
t codified by Euclid three centuries  later - for example, the proposition that the angles at the base of an isosceles triangle
  are equal. There is a clear continuity of intellectual effort from Thales to Euclid to Isaac  Newton.s purchase of the Elemen
ts of Geometry at Stourbridge Fair in 1663 (Chapter 3), the  event that precipitated modern science and technology. 

Thales attempted to understand the world without invoking the intervention of the  gods. Like the Babylonians, he believed the 
world to have once been water. To explain the  dry land, the Babylonians added that Marduk had placed a mat on the face of the 
waters and  piled dirt upon it.* Thales held a similar view, but, as Benjamin Farrington said, .left  Marduk out.. Yes, everyth
ing was once water, but the Earth formed out of the oceans by a  natural process - similar, he thought, to the silting he had o
bserved at the delta of the  Nile. Indeed, he thought that water was a common principle underlying all of matter, just as  toda
y we might say the same of electrons, protons and neutrons, or of quarks. Whether  Thales. conclusion was correct is not as imp
ortant as his approach: The world was not made  by the gods, but instead was the work of material forces interacting in Nature.
 Thales  brought back from Babylon and Egypt the seeds of the new sciences of astronomy and geometry,  sciences that would spro
ut and 
grow in the fertile soil of Ionia.

 

* There is some evidence that the antecedent, early Sumerian creation myths were  largely naturalistic explanations, later codi
fied around 1000 B.C. in the Enuma elish (.When  on high,. the first words of the poem); but by then the gods had replaced Natu
re, and the  myth offers a theogony, not a cosmogony. The Enuma elish is reminiscent of the Japanese and  Ainu myths in which a
n originally muddy cosmos is beaten by the wings of a bird, separating  the land from the water. A Fijian creation myth says: .
Rokomautu created the land. He  scooped it up out of the bottom of the ocean in great handfuls and accumulated it in piles  her
e and there. These are the Fiji Islands.. The distillation of land from water is a  natural enough idea for island and seafarin
g peoples.



Very little is known about the personal life of Thales, but one revealing anecdote  is told by Aristotle in his Politics:

[Thales] was reproached for his poverty, which was supposed to show that philosophy is of no  use. According to the story, he k
new by his skill [in interpreting the heavens] while it was  yet winter that there would be a great harvest of olives in the co
ming year; so, having a  little money, he gave deposits for the use of all the olive-presses in Chios and Miletus,  which he hi
red at a low price because no one bid against him. When the harvest time came,  and many were wanted all at once, he let them o
ut at any rate which he pleased and made a  quantity of money. Thus he showed the world philosophers can easily be rich if they
 like,  but that their ambition is of another sort.

He was also famous as a political sage, successfully urging the Milesians to resist  assimilation by Croesus, King of Lydia, an
d unsuccessfully urging a federation of all the  island states of Ionia to oppose the Lydians. 

Anaximander of Miletus was a friend and colleague of Thales, one of the first people  we know of to do an experiment. By examin
ing the moving shadow cast by a vertical stick he  determined accurately the length of the year and the seasons. For ages men h
ad used sticks  to club and spear one another. Anaximander used one to measure time. He was the first person  in Greece to make
 a sundial, a map of the known world and a celestial globe that showed the  patterns of the constellations. He believed the Sun
, the Moon and the stars to be made of  fire seen through moving holes in the dome of the sky, probably a much older idea. He h
eld  the remarkable view that the Earth is not suspended or supported from the heavens, but that  it remains by itself at the c
enter of the universe; since it was equidistant from all places  on the .celestial sphere,. there was no force that could move 
it. 

He argued that we are so helpless at birth that, if the first human infants had been  put into the world on their own, they wou
ld immediately have died. From this Anaximander  concluded that human beings arose from other animals with more self-reliant ne
wborns: He  proposed the spontaneous origin of life in mud, the first animals being fish covered with  spines. Some descendants
 of these fishes eventually abandoned the water and moved to dry  land, where they evolved into other animals by the transmutat
ion of one form into another.  He believed in an infinite number of worlds, all inhabited, and all subject to cycles of  dissol
ution and regeneration. .Nor., as Saint Augustine ruefully complained, .did he, any  more than Thales, attribute the cause of a
ll this ceaseless activity to a divine mind.. 

In the year 540 B.C. or thereabouts, on the island of Samos, there came to power a  tyrant named Polycrates. He seems to have s
tarted as a caterer and then gone on to  international piracy. Polycrates was a generous patron of the arts, sciences and  engi
neering. But he oppressed his own people; he made war on his neighbors; he quite rightly  feared invasion. So he surrounded his
 capital city with a massive wall, about six kilometers  long, whose remains stand to this day. To carry water from a distant s
pring through the  fortifications, he ordered a great tunnel built. A kilometer long, it pierces a mountain.  Two cuttings were
 dug from either end which met almost perfectly in the middle. The project  took about fifteen years to complete, a testament t
o the civil engineering of the day and an  indication of the extraordinary practical capability of the Ionians. But there is an
other  and more ominous side to the enterprise: it was built in part by slaves in chains, many  captured by the pirate ships of
 Polycr
ates. 

This was the time of Theodorus, the master engineer of the age, credited among the  Greeks with the invention of the key, the r
uler, the carpenter.s square, the level, the  lathe, bronze casting and central heating. Why are there no monuments to this man
? Those who  dreamed and speculated about the laws of Nature talked with the technologists and the  engineers. They were often 
the same people. The theoretical and the practical were one. 

About the same time, on the nearby island of Cos, Hippocrates was establishing his  famous medical tradition, now barely rememb
ered because of the Hippocratic oath. It was a  practical and effective school of medicine, which Hippocrates insisted had to b
e based on  the contemporary equivalent of physics and chemistry.* But it also had its theoretical side.  In his book On Ancien
t Medicine, Hippocrates wrote: .Men think epilepsy divine, merely  because they do not understand it. But if they called everyt
hing divine which they do not  understand, why, there would be no end of divine things..



* And astrology, which was then widely regarded as a science. In a typical passage,  Hippocrates writes: .One must also guard a
gainst the risings of the stars, especially of the  Dog Star [Sirius], then of Arcturus, and also of the setting of the Pleiade
s..



In time, the Ionian influence and the experimental method spread to the mainland of  Greece, to Italy, to Sicily. There was onc
e a time when hardly anyone believed in air. They  knew about breathing, of course, and they thought the wind was the breath of
 the gods. But  the idea of air as a static, material but invisible substance was unimagined. The first  recorded experiment on
 air was performed by a physician* named Empedocles, who flourished  around 450 B.C. Some accounts claim he identified himself 
as a god. But perhaps it was only  that he was so clever that others thought him a god. He believed that light travels very  fa
st, but not infinitely fast. He taught that there was once a much greater variety of  living things on the Earth, but that many
 races of beings .must have been unable to beget  and continue their kind. For in the case of every species that exists, either
 craft or  courage or speed has from the beginning of its existence protected and preserved it.. In  this attempt to explain th
e lovel
y adaptation of organisms to their environments,  Empedocles, like Anaximander and Democritus (see below), clearly anticipated 
some aspects of  Darwin.s great idea of evolution by natural selection.



* The experiment was performed in support of a totally erroneous theory of the  circulation of the blood, but the idea of perfo
rming any experiment to probe Nature is the  important innovation.



Empedocles performed his experiment with a household implement people had used for  centuries, the so-called clepsydra or .wate
r thief., which was used as a kitchen ladle. A  brazen sphere with an open neck and small holes in the bottom, it is filled by 
immersing it  in water. If you pull it out with the neck uncovered, the water pours out of the holes,  making a little shower. 
But if you pull it out properly, with your thumb covering the neck,  the water is retained within the sphere until you lift you
r thumb. If you try to fill it  with the neck covered, nothing happens. Some material substance must be in the way of the  wate
r. We cannot see such a substance. What could it be? Empedocles argued that it could  only be air. A thing we cannot see can ex
ert pressure, can frustrate my wish to fill a  vessel with water if I were dumb enough to leave my finger on the neck. Empedocl
es had  discovered the invisible. Air, he thought, must be matter in a form so finely divided that  it could not be seen. 

Empedocles is said to have died in an apotheotic fit by leaping into the hot lava at  the summit caldera of the great volcano o
f Aetna. But I sometimes imagine that he merely  slipped during a courageous and pioneering venture in observational geophysics


This hint, this whiff, of the existence of atoms was carried much further by a man  named Democritus, who came from the Ionian 
colony of Abdera in northern Greece. Abdera was a  kind of joke town. If in 430 B.C. you told a story about someone from Abdera
, you were  guaranteed a laugh. It was in a way the Brooklyn of its time. For Democritus all of life was  to be enjoyed and und
erstood; understanding and enjoyment were the same thing. He said that  .a life without festivity is a long road without an inn
.. Democritus may have come from  Abdera, but he was no dummy. He believed that a large number of worlds had formed  spontaneou
sly out of diffuse matter in space, evolved and then decayed. At a time when no  one knew about impact craters, Democritus thou
ght that worlds on occasion collide; he  believed that some worlds wandered alone through the darkness of space, while others w
ere  accompanied by several suns and moons; that some worlds were inhabited, while others had no  plants or animals or even wat
er; tha
t the simplest forms of life arose from a kind of  primeval ooze. He taught that perception - the reason, say, I think there is
 a pen in my  hand - was a purely physical and mechanistic process; that thinking and feeling were  attributes of matter put to
gether in a sufficiently fine and complex way and not due to some  spirit infused into matter by the gods. 

Democritus invented the word atom, Greek for .unable to be cut.. Atoms were the  ultimate particles, forever frustrating our at
tempts to break them into smaller pieces.  Everything, he said, is a collection of atoms, intricately assembled. Even we. .Noth
ing  exists,. he said, .but atoms and the void.. 

When we cut an apple, the knife must pass through empty spaces between the atoms,  Democritus argued. If there were no such emp
ty spaces, no void, the knife would encounter  the impenetrable atoms, and the apple could not be cut. Having cut a slice from 
a cone, say,  let us compare the cross sections of the two pieces. Are the exposed areas equal? No, said  Democritus. The slope
 of the cone forces one side of the slice to have a slightly smaller  cross section than the other. If the two areas were exact
ly equal, we would have a cylinder,  not a cone. No matter how sharp the knife, the two pieces have unequal cross sections. Why
?  Because, on the scale of the very small, matter exhibits some irreducible roughness. This  fine scale of roughness Democritu
s identified with the world of the atoms. His arguments  were not those we use today, but they were subtle and elegant, derived
 from everyday life.  And his conclusions were fundamentally correct. 

In related exercise. Democritus imagined calculating the volume of a cone or a  pyramid by a very large number of extremely sma
ll stacked plates tapering in size from the  base to the apex. He had stated the problem that, in mathematics, is called the th
eory of  limits. He was knocking at the door of the differential and integral calculus, that  fundamental tool for understandin
g the world that was not, so far as we know from written  records, in fact discovered until the time of Isaac Newton. Perhaps i
f Democritus. work had  not been almost completely destroyed, there would have been calculus by the time of Christ.*



* The frontiers of the calculus were also later breached by Eudoxus and Archimedes.

      Thomas Wright marveled in 1750 that Democritus had believed the Milky Way to be  composed mainly of unresolved stars: .lo
ng before astronomy reaped any benefit from the  improved sciences of optics; [he] saw, as we may say, through the eye of reaso
n, full as far  into infinity as the most able astronomers in more advantageous times have done since..  Beyond the Milk of Her
a, past the Backbone of Night, the mind of Democritus soared. 

As a person, Democritus seems to have been somewhat unusual. Women, children and sex  discomfited him, in part because they too
k time away from thinking. But he valued  friendship, held cheerfulness to be the goal of life and devoted a major philosophica
l  inquiry to the origin and nature of enthusiasm. He journeyed to Athens to visit Socrates and  then found himself too shy to 
introduce himself. He was a close friend of Hippocrates. He  was awed by the beauty and elegance of the physical world. He felt
 that poverty in a  democracy was preferable to wealth in a tyranny. He believed that the prevailing religions  of his time wer
e evil and that neither immortal souls nor immortal gods exist: .Nothing  exists, but atoms and the void.. 

There is no record of Democritus having been persecuted for his opinions - but then,  he came from Abdera. However, in his time
 the brief tradition of tolerance for  unconventional views began to erode and then to shatter. People came to be punished for 
 having unusual ideas. A portrait of Democritus is now on the Greek hundred-drachma bill. But  his insights were suppressed, hi
s influence on history made minor. The mystics were  beginning to win. 

Anaxagoras was an Ionian experimentalist who flourished around 450 B.C. and lived in  Athens. He was a rich man, indifferent to
 his wealth but passionate about science. Asked  what was the purpose of life, he replied, .the investigation of the Sun, the M
oon, and the  heavens,. the reply of a true astronomer. He performed a clever experiment in which a single  drop of white liqui
d, like cream, was shown not to lighten perceptibly the contents of a  great pitcher of dark liquid, like wine. There must, he 
concluded, be changes deducible by  experiment that are too subtle to be perceived directly by the senses. 

Anaxagoras was not nearly so radical as Democritus. Both were thoroughgoing  materialists, not in prizing possessions but in ho
lding that matter alone provided the  underpinnings of the world. Anaxagoras believed in a special mind substance and disbeliev
ed  in the existence of atoms. He thought humans were more intelligent than other animals  because of our hands, a very Ionian 
idea. 

He was the first person to state clearly that the Moon shines by reflected light,  and he accordingly devised a theory of the p
hases of the Moon. This doctrine was so  dangerous that the manuscript describing it had to be circulated in secret, an Athenia
n  samizdat. It was not in keeping with the prejudices of the time to explain the phases or  eclipses of the Moon by the relati
ve geometry of the Earth, the Moon and the self-luminous  Sun. Aristotle, two generations later, was content to argue that thos
e things happened  because it was the nature of the Moon to have phases and eclipses - mere verbal juggling, an  explanation th
at explains nothing. 

The prevailing belief was that the Sun and Moon were gods. Anaxagoras held that the  Sun and stars are fiery stones. We do not 
feel the heat of the stars because they are too  far away. He also thought that the Moon has mountains (right) and inhabitants 
(wrong). He  held that the Sun was so huge that it was probably larger than the Peloponnesus, roughly the  southern third of Gr
eece. His critics thought this estimate excessive and absurd. 

Anaxagoras was brought to Athens by Pericles, its leader in its time of greatest  glory, but also the man whose actions led to 
the Peloponnesian War, which destroyed Athenian  democracy. Pericles delighted in philosophy and science, and Anaxagoras was on
e of his  principal confidants. There are those who think that in this role Anaxagoras contributed  significantly to the greatn
ess of Athens. But Pericles had political problems. He was too  powerful to be attacked directly, so his enemies attacked those
 close to him. Anaxagoras was  convicted and imprisoned for the religious crime of impiety - because he had taught that the  Mo
on was made of ordinary matter, that it was a place, and that the Sun was a red-hot stone  in the sky. Bishop John Wilkins comm
ented in 1638 on these Athenians: .Those zealous  idolators [counted] it a great blasphemy to make their God a stone, whereas n
otwithstanding  they were so senseless in their adoration of idols as to make a stone their God.. Pericles  seems to have engin
eered A
naxagoras. release from prison, but it was too late. In Greece the  tide was turning, although the Ionian tradition continued i
n Alexandrian Egypt two hundred  years later. 

The great scientists from Thales to Democritus and Anaxagoras have usually been  described in history or philosophy books as .P
resocratics., as if their main function was to  hold the philosophical fort until the advent of Socrates, Plato, and Aristotle 
and perhaps  influence them a little. Instead, the old Ionians represent a different and largely  contradictory tradition, one 
in much better accord with modern science. That their influence  was felt powerfully for only two or three centuries is an irre
parable loss for all those  human beings who lived between the Ionian Awakening and the Italian Renaissance. 

Perhaps the most influential person ever associated with Samos was Pythagoras,* a  contemporary of Polycrates in the sixth cent
ury B.C. According to local tradition, he lived  for a time in a cave on the Samian Mount Kerkis, and was the first person in t
he history of  the world to deduce that the Earth is a sphere. Perhaps he argued by analogy with the Moon  and the Sun, or noti
ced the curved shadow of the Earth on the Moon during a lunar eclipse,  or recognized that when ships leave Samos and recede ov
er the horizon, their masts disappear  last.



* The sixth century B.C. was a time of remarkable intellectual and spiritual ferment  across the planet. Not only was it the ti
me of Thales, Anaximander, Pythagoras and others in  Ionia, but also the time of the Egyptian Pharaoh Necho who caused Africa t
o be  circumnavigated, of Zoroaster in Persia, Confucius and Lao-tse in China, the Jewish prophets  in Israel, Egypt and Babylo
n, and Gautama Buddha in India. It is hard to think these  activities altogether unrelated.



He or his disciples discovered the Pythagorean theorem: the sum of the squares of  the shorter sides of a right triangle equals
 the square of the longer side. Pythagoras did  not simply enumerate examples of this theorem; he developed a method of mathema
tical  deduction to prove the thing generally. The modern tradition of mathematical argument,  essential to all of science, owe
s much to Pythagoras. It was he who first used the word  Cosmos to denote a well-ordered and harmonious universe, a world amena
ble to human  understanding. 

Many Ionians believed the underlying harmony of the universe to be accessible  through observation and experiment, the method t
hat dominates science today. However,  Pythagoras employed a very different method. He taught that the laws of Nature could be 
 deduced by pure thoughts. He and his followers were not fundamentally experimentalists.*  They were mathematicians. And they w
ere thoroughgoing mystics. According to Bertrand  Russell, in a perhaps uncharitable passage, Pythagoras .founded a religion, o
f which the  main tenets were the transmigration of souls and the sinfulness of eating beans. His  religion was embodied in a r
eligious order, which, here and there, acquired control of the  State and established a rule of the saints. But the unregenerat
e hankered after beans, and  sooner or later rebelled..



* Although there were a few welcome exceptions. The Pythagorean fascination with  whole-number ratios in musical harmonies seem
s clearly to be based on observation, or even  experiment on the sounds issued from plucked strings. Empedocles was, at least i
n part, a  Pythagorean. One of Pythagoras. students, Alcmaeon, is the first person known to have  dissected a human body; he di
stinguished between arteries and veins, was the first to  discover the optic nerve and the eustachian tubes, and identified the
 brain as the seat of  the intellect (a contention later denied by Aristotle, who placed intelligence in the heart,  and then r
evived by Herophilus of Chalcedon). He also founded the science of embryology. But  Alcmaeon.s zest for the impure was not shar
ed by most of his Pythagorean colleagues in later  times.



The Pythagoreans delighted in the certainty of mathematical demonstration, the sense  of a pure and unsullied world accessible 
to the human intellect, a Cosmos in which the sides  of right triangles perfectly obey simple mathematical relationships. It wa
s in striking  contrast to the messy reality of the workaday world. They believed that in their mathematics  they had glimpsed 
a perfect reality, a realm of the gods, of which our familiar world is but  an imperfect reflection. In Plato.s famous parable 
of the cave, prisoners were imagined tied  in such a way that they saw only the shadows of passersby and believed the shadows t
o be  real - never guessing the complex reality that was accessible if they would but turn their  heads. The Pythagoreans would
 powerfully influence Plato and, later, Christianity. 

They did not advocate the free confrontation of conflicting points of view. Instead,  like all orthodox religions, they practic
ed a rigidity that prevented them from correcting  their errors. Cicero wrote:

In discussion it is not so much weight of authority as force of argument that should be  demanded. Indeed, the authority of tho
se who profess to teach is often a positive hindrance  to those who desire to learn; they cease to employ their own judgment, a
nd take what they  perceive to be the verdict of their chosen master as settling the question. In fact I am not  disposed to ap
prove the practice traditionally ascribed to the Pythagoreans, who, when  questioned as to the grounds of any assertion that th
ey advanced in debate, are said to have  been accustomed to reply .The Master said so,. .the Master. being Pythagoras. So poten
t was  an opinion already decided, making authority prevail unsupported by reason.

The Pythagoreans were fascinated by the regular solids, symmetrical three-dimensional  objects all of whose sides are the same 
regular polygon. The cube is the simplest example,  having six squares as sides. There are an infinite number of regular polygo
ns, but only five  regular solids. (The proof of this statement, a famous example of mathematical reasoning, is  given in Appen
dix 2.) For some reason, knowledge of a solid called the dodecahedron having  twelve pentagons as sides seemed to them dangerou
s. It was mystically associated with the  Cosmos. The other four regular solids were identified, somehow, with the four .elemen
ts.  then imagined to constitute the world: earth, fire, air and water. The fifth regular solid  must then, they thought, corre
spond to some fifth element that could only be the substance  of the heavenly bodies. (This notion of a fifth essence is the or
igin of our word  quintessence.) Ordinary people were to be kept ignorant of the dodecahedron. 

In love with whole numbers, the Pythagoreans believed all things could be derived  from them, certainly all other numbers. A cr
isis in doctrine arose when they discovered that  the square root of two (the ratio of the diagonal to the side of a square) wa
s irrational,  that it cannot be expressed accurately as the ratio of any two whole numbers, no matter how  big these numbers a
re. Ironically this discovery (reproduced in Appendix 1) was made with  the Pythagorean theorem as a tool. .Irrational. origina
lly meant only that a number could  not be expressed as a ratio. But for the Pythagoreans it came to mean something threatening
,  a hint that their world view might not make sense, which is today the other meaning of  .irrational.. Instead of sharing the
se important mathematical discoveries, the Pythagoreans  suppressed knowledge of the square root of two and the dodecahedron. T
he outside world was  not to know.* Even today there are scientists opposed to the popularization of science: the  sacred knowl
edge is
 to be kept within the cult, unsullied by public understanding.



* A Pythagorean named Hippasus published the secret of the .sphere with twelve  pentagons., the dodecahedron. When he later die
d in a shipwreck, we are told, his fellow  Pythagoreans remarked on the justice of the punishment. His book has not survived.



The Pythagoreans believed the sphere to be .perfect., all points on its surface  being at the same distance from its center. Ci
rcles were also perfect. And the Pythagoreans  insisted that planets moved in circular paths at constant speeds. They seemed to
 believe  that moving slower or faster at different places in the orbit would be unseemly; noncircular  motion was somehow flaw
ed, unsuitable for the planets, which, being free of the Earth, were  also deemed .perfect.. 

The pros and cons of the Pythagorean tradition can be seen clearly in the life.s  work of Johannes Kepler (Chapter 3). The Pyth
agorean idea of a perfect and mystical world,  unseen by the senses, was readily accepted by the early Christians and was an in
tegral  component of Kepler.s early training. On the one hand, Kepler was convinced that  mathematical harmonies exist in natur
e (he wrote that .the universe was stamped with the  adornment of harmonic proportions.); that simple numerical relationships m
ust determine the  motion of the planets. On the other hand, again following the Pythagoreans, he long believed  that only unif
orm circular motion was admissible. He repeatedly found the observed planetary  motions could not be explained in this way, and
 repeatedly tried again. But unlike many  Pythagoreans, he believed in observations and experiment in the real world. Eventuall
y the  detailed observations of the apparent motion of the planets forced him to abandon the idea  of circular paths and to rea
lize th
at planets travel in ellipses. Kepler was both inspired  in his search for the harmony of planetary motion and delayed for more
 than a decade by the  attractions of Pythagorean doctrine. 

A disdain for the practical swept the ancient world. Plato urged astronomers to  think about the heavens, but not to waste thei
r time observing them. Aristotle believed  that: .The lower sort are by nature slaves, and it is better for them as for all inf
eriors  that they should be under the rule of a master .... The slave shares in his master.s life;  the artisan is less closely
 connected with him, and only attains excellence in proportion as  he becomes a slave. The meaner sort of mechanic has a specia
l and separate slavery..  Plutarch wrote: .It does not of necessity follow that, if the work delight you with its  grace, the o
ne who wrought it is worthy of esteem.. Xenophon.s opinion was: .What are called  the mechanical arts carry a social stigma and
 are rightly dishonoured in our cities.. As a  result of such attitudes, the brilliant and promising Ionian experimental method
 was largely  abandoned for two thousand years. Without experiment, there is no way to choose among  contending hypotheses, no 
way for
 science to advance. The antiempirical taint of the  Pythagoreans survives to this day. But why? Where did this distaste for ex
periment come  from? 

An explanation for the decline of ancient science has been put forward by the  historian of science, Benjamin Farrington: The m
ercantile tradition, which led to Ionian  science, also led to a slave economy. The owning of slaves was the road to wealth and
 power.  Polycrates. fortifications were built by slaves. Athens in the time of Pericles, Plato and  Aristotle had a vast slave
 population. All the brave Athenian talk about democracy applied  only to a privileged few. What slaves characteristically perf
orm is manual labor. But  scientific experimentation is manual labor, from which the slaveholders are preferentially  distanced
; while it is only the slaveholders - politely called .gentle-men. in some  societies - who have the leisure to do science. Acc
ordingly, almost no one did science. The  Ionians were perfectly able to make machines of some elegance. But the availability o
f  slaves undermined the economic motive for the development of technology. Thus the mercantile  tradition contributed to the g
reat Io
nian awakening around 600 B.C., and, through slavery,  may have been the cause of its decline some two centuries later. There a
re great ironies  here. 

Similar trends are apparent throughout the world. The high point in indigenous  Chinese astronomy occurred around 1280, with th
e work of Kuo Shou-ching, who used an  observational baseline of 1,500 years and improved both astronomical instruments and  ma
thematical techniques for computation. It is generally thought that Chinese astronomy  thereafter underwent a steep decline. Na
than Sivin believes that the reason lies at least  partly .in increasing rigidity of elite attitudes, so that the educated were
 less inclined  to be curious about techniques and less willing to value science as an appropriate pursuit  for a gentleman.. T
he occupation of astronomer became a hereditary office, a practice  inconsistent with the advance of the subject. Additionally,
 .the responsibility for the  evolution of astronomy remained centered in the Imperial Court and was largely abandoned to  fore
ign technicians,. chiefly the Jesuits, who had introduced Euclid and Copernicus to the  astonished Chinese, but who, after the 
censors
hip of the latter.s book, had a vested  interest in disguising and suppressing heliocentric cosmology. Perhaps science was stil
lborn  in Indian, Mayan and Aztec civilizations for the same reason it declined in Ionia, the  pervasiveness of the slave econo
my. A major problem in the contemporary (political) Third  World is that the educated classes tend to be the children of the we
althy, with a vested  interest in the status quo, and are unaccustomed either to working with their hands or to  challenging co
nventional wisdom. Science has been very slow to take root. 

Plato and Aristotle were comfortable in a slave society. They offered justifications  for oppression. They served tyrants. They
 taught the alienation of the body from the mind (a  natural enough ideal in a slave society); they separated matter from thoug
ht; they divorced  the Earth from the heavens - divisions that were to dominate Western thinking for more than  twenty centurie
s. Plato, who believed that .all things are full of gods,. actually used the  metaphor of slavery to connect his politics with 
his cosmology. He is said to have urged the  burning of all the books of Democritus (he had a similar recommendation for the bo
oks of  Homer), perhaps because Democritus did not acknowledge immortal souls or immortal gods or  Pythagorean mysticism, or be
cause he believed in an infinite number of worlds. Of the  seventy-three books Democritus is said to have written, covering all
 of human knowledge, not  a single work survives. All we know is from fragments, chiefly on ethics, and secondhand  accounts. T
he same
 is true of almost all the other ancient Ionian scientists. 

In the recognition by Pythagoras and Plato that the Cosmos is knowable, that there  is a mathematical underpinning to nature, t
hey greatly advanced the cause of science. But in  the suppression of disquieting facts, the sense that science should be kept 
for a small  elite, the distaste for experiment, the embrace of mysticism and the easy acceptance of  slave societies, they set
 back the human enterprise. After a long mystical sleep in which  the tools of scientific inquiry lay moldering, the Ionian app
roach, in some cases  transmitted through scholars at the Alexandrian Library, was finally rediscovered. The  Western world rea
wakened. Experiment and open inquiry became once more respectable.  Forgotten books and fragments were again read. Leonardo and
 Columbus and Copernicus were  inspired by or independently retraced parts of this ancient Greek tradition. There is in our  ti
me much Ionian science, although not in politics and religion, and a fair amount of  courageous free inquiry. But there are als
o appal
ling superstitions and deadly ethical  ambiguities. We are flawed by ancient contradictions. 

The Platonists and their Christian successors held the peculiar notion that the  Earth was tainted and somehow nasty, while the
 heavens were perfect and divine. The  fundamental idea that the Earth is a planet, that we are citizens of the Universe, was  
rejected and forgotten. This idea was first argued by Aristarchus, born on Samos three  centuries after Pythagoras. Aristarchus
 was one of the last of the Ionian scientists. By  this time, the center of intellectual enlightenment had moved to the great L
ibrary of  Alexandria. Aristarchus was the first person to hold that the Sun rather than the Earth is  at the center of the pla
netary system, that all the planets go around the Sun rather than  the Earth. Typically, his writings on this matter are lost. 
From the size of the Earth.s  shadow on the Moon during a lunar eclipse, he deduced that the Sun had to be much larger  than th
e Earth, as well as very far away. He may then have reasoned that it is absurd for so  large a body as the Sun to revolve aroun
d so sm
all a body as the Earth. He put the Sun at  the center, made the Earth rotate on its axis once a day and orbit the Sun once a y
ear. 

It is the same idea we associate with the name of Copernicus, whom Galileo described  as the .restorer and confirmer., not the 
inventor, of the heliocentric hypothesis.* For most  of the 1,800 years between Aristarchus and Copernicus nobody knew the corr
ect disposition of  the planets, even though it had been laid out perfectly clearly around 280 B.C. The idea  outraged some of 
Aristarchus. contemporaries. There were cries, like those voiced about  Anaxagoras and Bruno and Galileo, that he be condemned 
for impiety. The resistance to  Aristarchus and Copernicus, a kind of geocentrism in everyday life, remains with us: we  still 
talk about the Sun .rising. and the Sun .setting.. It is 2,200 years since  Aristarchus, and our language still pretends that t
he Earth does not turn.



* Copernicus may have gotten the idea from reading about Aristarchus. Recently  discovered classical texts were a source of gre
at excitement in Italian universities when  Copernicus went to medical school there. In the manuscript of his book, Copernicus 
mentioned  Aristarchus. priority, but he omitted the citation before the book saw print. Copernicus  wrote in a letter to Pope 
Paul III: .According to Cicero, Nicetas had thought the Earth was  moved . . . According to Plutarch [who discusses Aristarchus
l... certain others had held the  same opinion. When from this, therefore, I had conceived its possibility, I myself also  bega
n to meditate upon the mobility of the Earth..



The separation of the planets from one another - forty million kilometers from Earth  to Venus at closest approach, six billion
 kilometers to Pluto - would have stunned those  Greeks who were outraged by the contention that the Sun might be as large as t
he  Peloponnesus. It was natural to think of the solar system as much more compact and local. If  I hold my finger before my ey
es and examine it first with my left and then with my right  eye, it seems to move against the distant background. The closer m
y finger is, the more it  seems to move. I can estimate the distance to my finger from the amount of this apparent  motion, or 
parallax. If my eyes were farther apart, my finger would seem to move  substantially more. The longer the baseline from which w
e make our two observations, the  greater the parallax and the better we can measure the distance to remote objects. But we  li
ve on a moving platform, the Earth, which every six months has progressed from one end of  its orbit to the other, a distance o
f 300,0
00,000 kilometers. If we look at the same  unmoving celestial object six months apart, we should be able to measure very great 
 distances. Aristarchus suspected the stars to be distant suns. He placed the Sun .among. the  fixed stars. The absence of dete
ctable stellar parallax as the Earth moved suggested that  the stars were much farther away than the Sun. Before the invention 
of the telescope, the  parallax of even the nearest stars was too small to detect. Not until the nineteenth century  was the pa
rallax of a star first measured. It then became clear, from straightforward Greek  geometry, that the stars were light-years aw
ay. 

There is another way to measure the distance to the stars which the Ionians were  fully capable of discovering, although, so fa
r as we know, they did not employ it. Everyone  knows that the farther away an object is, the smaller it seems. This inverse pr
oportionality  between apparent size and distance is the basis of perspective in art and photography. So  the farther away we a
re from the Sun, the smaller and dimmer it appears. How far would we  have to be from the Sun for it to appear as small and as 
dim as a star? Or, equivalently,  how small a piece of the Sun would be as bright as a star? 

An early experiment to answer this question was performed by Christiaan Huygens,  very much in the Ionian tradition. Huygens dr
illed small holes in a brass plate, held the  plate up to the Sun and asked himself which hole seemed as bright as he remembere
d the  bright star Sirius to have been the night before. The hole was effectively* 1/28,000 the  apparent size of the Sun. So S
irius, he reasoned, must be 28,000 times farther from us than  the Sun, or about half a light-year away. It is hard to remember
 just how bright a star is  many hours after you look at it, but Huygens remembered very well. If he had known that  Sirius was
 intrinsically brighter than the Sun, he would have come up with almost exactly  the right answer: Sirius is 8.8 light-years aw
ay. The fact that Aristarchus and Huygens used  imprecise data and derived imperfect answers hardly matters. They explained the
ir methods so  clearly that, when better observations were available, more accurate answers could be  derived.



* Huygens actually used a glass bead to reduce the amount of light passed by the  hole.



Between the times of Aristarchus and Huygens, humans answered the question that had  so excited me as a boy growing up in Brook
lyn: What are the stars? The answer is that the  stars are mighty suns, light-years away in the vastness of interstellar space.
 

The great legacy of Aristarchus is this: neither we nor our planet enjoys a  privileged position in Nature. This insight has si
nce been applied upward to the stars, and  sideways to many subsets of the human family, with great success and invariable oppo
sition.  It has been responsible for major advances in astronomy, physics, biology, anthropology,  economics and politics. I wo
nder if its social extrapolation is a major reason for attempts  at its suppression. 

The legacy of Aristarchus has been extended far beyond the realm of the stars. At  the end of the eighteenth century, William H
erschel, musician and astronomer to George III  of England, completed a project to map the starry skies and found apparently eq
ual numbers  of stars in all directions in the plane or band of the Milky Way; from this, reasonably  enough, he deduced that w
e were at the center of the Galaxy.* Just before World War I,  Harlow Shapley of Missouri devised a technique for measuring the
 distances to the globular  clusters, those lovely spherical arrays of stars which resemble a swarm of bees. Shapley had  found
 a stellar standard candle, a star noticeable because of its variability, but which had  always the same average intrinsic brig
htness. By comparing the faintness of such stars when  found in globular clusters with their real brightness, as determined fro
m nearby  representatives, Shapley could calculate how far away they are - just as, in a field, we can  estimate the distance o
f a lan
tern of known intrinsic brightness from the feeble light that  reaches us - essentially, the method of Huygens. Shapley discove
red that the globular  clusters were not centered around the solar neighborhood but rather about a distant region  of the Milky
 Way, in the direction of the constellation Sagittarius, the Archer. It seemed  to him very likely that the globular clusters u
sed in this investigation, nearly a hundred  of them, would be orbiting about, paying homage to, the massive center of the Milk
y Way.



* This supposed privileged position of the Earth, at the center of what was then  considered the known universe, led A. R. Wall
ace to the anti-Aristarchian position, in his  book Man.s Place in the Universe (1903), that ours may be the only inhabited pla
net.



Shapley had in 1915 the courage to propose that the solar system was in the  outskirts and not near the core of our galaxy. Her
schel had been misled because of the  copious amount of obscuring dust in the direction of Sagittarius; he had no way to know o
f  the enormous numbers of stars beyond. It is now very clear that we live some 30,000  light-years from the galactic core, on 
the fringes of a spiral arm, where the local density  of stars is relatively sparse. There may be those who live on a planet th
at orbits a central  star in one of Shapley.s globular clusters, or one located in the core. Such beings may pity  us for our h
andful of naked-eye stars, because their skies will be ablaze with them. Near  the center of the Milky Way, millions of brillia
nt stars would be visible to the naked eye,  compared to our paltry few thousand. Our Sun or suns might set, but the night woul
d never  come. 

Well into the twentieth century, astronomers believed that there was only one galaxy  in the Cosmos, the Milky Way - although i
n the eighteenth century Thomas Wright of Durban  and Immanuel Kant of Koenigsberg each had a premonition that the exquisite lum
inous spiral  forms, viewed through the telescope, were other galaxies. Kant suggested explicitly that M31  in the constellatio
n Andromeda was another Milky Way, composed of enormous numbers of stars,  and proposed calling such objects by the evocative a
nd haunting phrase .island universes..  Some scientists toyed with the idea that the spiral nebulae were not distant island  un
iverses but rather nearby condensing clouds of interstellar gas, perhaps on their way to  make solar systems. To test the dista
nce of the spiral nebula a class of intrinsically much  brighter variable stars was needed to furnish a new standard candle. Su
ch stars, identified  in M31 by Edwin Hubble in 1924, were discovered to be alarmingly dim, and it became apparent  that M31 wa
s a pro
digious distance away, a number now estimated at a little more than two  million light-years. But if M31 were at such a distanc
e, it could not be a cloud of mere  interstellar dimensions; it had to be much larger - an immense galaxy in its own right. And
  the other, fainter galaxies must be more distant still, a hundred billion of them, sprinkled  through the dark to the frontie
rs of the known Cosmos.

As long as there have been humans, we have searched for our place in the Cosmos. In the  childhood of our species (when our anc
estors gazed a little idly at the stars), among the  Ionian scientists of ancient Greece, and in our own age, we have been tran
sfixed by this  question: Where are we? Who are we? We find that we live on an insignificant planet of a  humdrum star lost bet
ween two spiral arms in the outskirts of a galaxy which is a member of  a sparse cluster of galaxies, tucked away in some forgo
tten corner of a universe in which  there are far more galaxies than people. This perspective is a courageous continuation of  
our penchant for constructing and testing mental models of the skies; the Sun as a red-hot  stone, the stars as celestial flame
, the Galaxy as the backbone of night. 

Since Aristarchus, every step in our quest has moved us farther from center stage in  the cosmic drama. There has not been much
 time to assimilate these new findings. The  discoveries of Shapley and Hubble were made within the lifetimes of many people st
ill alive  today. There are those who secretly deplore these great discoveries, who consider every step  a demotion, who in the
ir heart of hearts still pine for a universe whose center, focus and  fulcrum is the Earth. But if we are to deal with the Cosm
os we must first understand it,  even if our hopes for some unearned preferential status are, in the process, contravened.  Und
erstanding where we live is an essential precondition for improving the neighborhood.  Knowing what other neighborhoods are lik
e also helps. If we long for our planet to be  important, there is something we can do about it. We make our world significant 
by the  courage of our questions and by the depth of our answers. 

We embarked on our cosmic voyage with a question first framed in the childhood of  our species and in each generation asked ane
w with undiminished wonder: What are the stars?  Exploration is in our nature. We began as wanderers, and we are wanderers stil
l. We have  lingered long enough on the shores of the cosmic ocean. We are ready at last to set sail for  the stars.

CHAPTER VIII

Travels in Space and Time

No one has lived longer than a dead child, and Methusula* died young. Heaven and Earth are  as old as I, and the ten thousand t
hings are one. - Chuang Tzu, about 300 B.C., China



* Actually, P.eng Tsu, the Chinese equivalent.

We have loved the stars too fondly to be fearful of the night. - Tombstone epitaph of two amateur astronomers

Stars scribble in our eyes the frosty sagas, The gleaming cantos of unvanquished space. - Hart Crane, The Bridge

The rising and falling of the surf is produced in part by tides. The Moon and the Sun are  far away. But their gravitational in
fluence is very real and noticeable back here on Earth.  The beach reminds us of space. Fine sand grains, all more or less unif
orm in size, have been  produced from larger rocks through ages of jostling and rubbing, abrasion and erosion, again  driven th
rough waves and weather by the distant Moon and Sun. The beach also reminds us of  time. The world is much older than the human
 species.       A handful of sand contains about 10,000 grains, more than the number of stars we can  see with the naked eye on
 a clear night. But the number of stars we can see is only the  tiniest fraction of the number of stars that are. What we see a
t night is the merest  smattering of the nearest stars. Meanwhile the Cosmos is rich beyond measure: the total  number of stars
 in the universe is greater than all the grains of sand on all the beaches of  the planet Earth.       Despite the efforts of a
ncient 
astronomers and astrologers to put pictures in the  skies, a constellation is nothing more than an arbitrary grouping of stars 
composed of  intrinsically dim stars that seem to us bright because they are nearby, and intrinsically  brighter stars that are
 somewhat more distant. All places on Earth are, to high precision,  the same distance from any star. This is why the star patt
erns in a given constellation do  not change as we go from, say, Soviet Central Asia to the American Midwest. Astronomically,  
the U.S.S.R. and the United States are the same place. The stars in any constellation are  all so far away that we cannot recog
nize them as a three-dimensional configuration as long  as we are tied to Earth. The average distance between the stars is a fe
w light-years, a  light-year being, we remember, about ten trillion kilometers. For the patterns of the  constellations to chan
ge, we must travel over distances comparable to those that separate  the stars; we must venture across the light-years. Then so
me near
by stars will seem to move  out of the constellation, others will enter it, and its configuration will alter  dramatically.    
   Our technology is, so far, utterly incapable of such grand interstellar voyages, at  least in reasonable transit times. But 
our computers can be taught the three-dimensional  positions of all the nearby stars, and we can ask to be taken on a little tr
ip - a  circumnavigation of the collection of bright stars that constitute the Big Dipper, say - and  watch the constellations 
change. We connect the stars in typical constellations, in the  usual celestial follow-the-dots drawings. As we change our pers
pective, we see their  apparent shapes distort severely. The inhabitants of the planets of distant stars witness  quite differe
nt constellations in their night skies than we do in ours - other Rorschach  tests for other minds. Perhaps sometime in the nex
t few centuries a spaceship from Earth  will actually travel such distances at some remarkable speed and see new constellations
 that  
no human has ever viewed before - except with such a computer. 

The appearance of the constellations changes not only in space but also in time; not  only if we alter our position but also if
 we merely wait sufficiently long. Sometimes stars  move together in a group or cluster; other times a single star may move ver
y rapidly with  respect to its fellows. Eventually such stars leave an old constellation and enter a new  one. Occasionally, on
e member of a double-star system explodes, breaking the gravitational  shackles that bound its companion, which then leaps into
 space at its former orbital  velocity, a slingshot in the sky. In addition, stars are born, stars evolve, and stars die.  If w
e wait long enough, new stars appear and old stars vanish. The patterns in the sky  slowly melt and alter. 

Even over the lifetime of the human species - a few million years - constellations  have been changing. Consider the present co
nfiguration of the Big Dipper, or Great Bear. Our  computer can carry us in time as well as in space. As we run the Big Dipper 
backwards into  the past, allowing for the motion of its stars, we find quite a different appearance a  million years ago. The 
Big Dipper then looked quite a bit like a spear. If a time machine  dropped you precipitously in some unknown age in the distan
t past, you could in principle  determine the epoch by the configuration of the stars: If the Big Dipper is a spear, this  must
 be the Middle Pleistocene. 

We can also ask the computer to run a constellation forward into time. Consider Leo  the Lion. The zodiac is a band of twelve c
onstellations seemingly wrapped around the sky in  the apparent annual path of the Sun through the heavens. The root of the wor
d is that for  zoo, because the zodiacal constellations, like Leo, are mainly fancied to be animals. A  million years from now,
 Leo will look still less like a lion than it does today. Perhaps our  remote descendants will call it the constellation of the
 radio telescope - although I  suspect a million years from now the radio telescope will have become more obsolete than the  st
one spear is now. 

The (nonzodiacal) constellation of Orion, the hunter, is outlined by four bright  stars and bisected by a diagonal line of- thr
ee stars, which represent the belt of the  hunter. Three dimmer stars hanging from the belt are, according to the conventional 
 astronomical projective test, Orion.s sword. The middle star in the sword is not actually a  star but a great cloud of gas cal
led the Orion Nebula, in which stars are being born. Many  of the stars in Orion are hot and young, evolving rapidly and ending
 their lives in colossal  cosmic explosions called supernovae. They are born and die in periods of tens of millions of  years. 
If, on our computer, we were to run Orion rapidly into the far future, we would see a  startling effect, the births and spectac
ular deaths of many of its stars, flashing on and  winking off like fireflies in the night. 

The solar neighborhood, the immediate environs of the Sun in space, includes the  nearest star system, Alpha Centauri. It is re
ally a triple system, two stars revolving  around each other, and a third, Proxima Centauri, orbiting the pair at a discreet di
stance.  At some positions in its orbit, Proxima is the closest known star to the Sun - hence its  name. Most stars in the sky 
are members of double or multiple star systems. Our solitary Sun  is something of an anomaly. 

The second brightest star in the constellation Andromeda, called Beta Andromedae, is  seventy-five light-years away. The light 
by which we see it now has spent seventy-five years  traversing the dark of interstellar space on its long journey to Earth. In
 the unlikely  event that Beta Andromedae blew itself up last Tuesday, we would not know it for another  seventy-five years, as
 this interesting information, traveling at the speed of light, would  require seventy-five years to cross the enormous interst
ellar distances. When the light by  which we now see this star set out on its long voyage, the young Albert Einstein, working a
s  a Swiss patent clerk, had just published his epochal special theory of relativity here on  Earth. 

Space and time are interwoven. We cannot look out into space without looking back  into time. Light travels very fast. But spac
e is very empty, and the stars are far apart.  Distances of seventy-five light-years or less are very small compared to other d
istances in  astronomy. From the Sun to the center of the Milky Way Galaxy is 30,000 light-years. From  our galaxy to the neare
st spiral galaxy, M31, also in the constellation Andromeda, is  2,000,000 light-years. When the light we see today from M31 lef
t for Earth, there were no  humans on our planet, although our ancestors were evolving rapidly to our present form. The  distan
ce from the Earth to the most remote quasars is eight or ten billion light-years. We  see them today as they were before the Ea
rth accumulated, before the Milky Way was formed. 

This is not a situation restricted to astronomical objects, but only astronomical  objects are so far away that the finite spee
d of light becomes important. If you are looking  at a friend three meters (ten feet) away, at the other end of the room, you a
re not seeing  her as she is .now.; but rather as she .was. a hundred millionth of a second ago. [(3 m) /  (3 x 108 m/sec) = 1/
(108/sec) =10-8 sec, or a hundredth of a microsecond. In this  calculation we have merely divided the distance by the speed to 
get the travel time.] But  the difference between your friend .now. and now minus a hundred-millionth of a second is  too small
 to notice. On the other hand, when we look at a quasar eight billion light-years  away, the fact that we are seeing it as it w
as eight billion years ago may be very  important. (For example, there are those who think that quasars are explosive events li
kely  to happen only in the early history of galaxies. In that case, the more distant the galaxy,  the earlier in its history w
e are o
bserving it, and the more likely it is that we should see  it as a quasar. Indeed, the number of quasars increases as we look t
o distances of more than  about five billion light-years). 

The two Voyager interstellar spacecraft, the fastest machines ever launched from  Earth, are now traveling at one ten-thousandt
h the speed of light. They would need 40,000  years to go the distance to the nearest star. Do we have any hope of leaving Eart
h and  traversing the immense distances even to Proxima Centauri in convenient periods of time? Can  we do something to approac
h the speed of light? What is magic about the speed of light?  Might we someday be able to go faster than that? 

If you had walked through the pleasant Tuscan countryside in the 1890.s, you might  have come upon a somewhat long-haired teena
ge high school dropout on the road to Pavia. His  teachers in Germany had told him that he would never amount to anything, that
 his questions  destroyed classroom discipline, that he would be better off out of school. So he left and  wandered, delighting
 in the freedom of Northern Italy, where he could ruminate on matters  remote from the subjects he had been force-fed in his hi
ghly disciplined Prussian  schoolroom. His name was Albert Einstein, and his ruminations changed the world. 

Einstein had been fascinated by Bernstein.s People.s Book of Natural Science, a  popularization of science that described on it
s very first page the astonishing speed of  electricity through wires and light through space. He wondered what the world would
 look  like if you could travel on a wave of light. To travel at the speed of light! What an  engaging and magical thought for 
a boy on the road in a countryside dappled and rippling in  sunlight. You could not tell you were on a light wave if you travel
ed with it. If you  started on a wave crest, you would stay on the crest and lose all notion of it being a wave.  Something str
ange happens at the speed of light. The more Einstein thought about such  questions, the more troubling they became. Paradoxes 
seemed to emerge everywhere if you  could travel at the speed of light. Certain ideas had been accepted as true without  suffic
iently careful thought. Einstein posed simple questions that could have been asked  centuries earlier. For example, what do we 
mean wh
en we say that two events are  simultaneous? 

Imagine that I am riding a bicycle toward you. As I approach an intersection I  nearly collide, so it seems to me, with a horse
-drawn cart. I swerve and barely avoid being  run over. Now think of the event again, and imagine that the cart and the bicycle
 are both  traveling close to the speed of light. If you are standing down the road, the cart is  traveling at right angles to 
your line of sight. You see me, by reflected sunlight,  traveling toward you. Would not my speed be added to the speed of light
, so that my image  would get to you considerably before the image of the cart? Should you not see me swerve  before you see th
e cart arrive? Can the cart and I approach the intersection simultaneously  from my point of view, but not from yours? Could I 
experience a near collision with the cart  while you perhaps see me swerve around nothing and pedal cheerfully on toward the to
wn of  Vinci? These are curious and subtle questions. They challenge the obvious. There is a reason  that no one thought of the
m befor
e Einstein. From such elementary questions, Einstein  produced a fundamental rethinking of the world, a revolution in physics. 


If the world is to be understood, if we are to avoid such logical paradoxes when  traveling at high speeds, there are some rule
s, commandments of Nature, that must be obeyed.  Einstein codified these rules in the special theory of relativity. Light (refl
ected or  emitted) from an object travels at the same velocity whether the object is moving or  stationary: Thou shalt not add 
thy speed to the speed of light. Also, no material object may  move faster than light: Thou shalt not travel at or beyond the s
peed of light. Nothing in  physics prevents you from traveling as close to the speed of light as you like; 99.9 percent  of the
 speed of light would be just fine. But no matter how hard you try, you can never gain  that last decimal point. For the world 
to be logically consistent, there must be a cosmic  speed limit. Otherwise, you could get to any speed you wanted by adding vel
ocities on a  moving platform. 

Europeans around the turn of the century generally believed in privileged frames of  reference: that German, or French, or Brit
ish culture and political organization were better  than those of other countries; that Europeans were superior to other people
s who were  fortunate enough to be colonized. The social and political application of the ideas of  Aristarchus and Copernicus 
was rejected or ignored. The young Einstein rebelled against the  notion of privileged frames of reference in physics as much a
s he did in politics. In a  universe filled with stars rushing helter-skelter in all directions, there was no place that  was .
at rest,. no framework from which to view the universe that was superior to any other  framework. This is what the word relativ
ity means. The idea is very simple, despite its  magical trappings: in viewing the universe, every place is as good as every ot
her place. The  laws of Nature must be identical no matter who is describing them. If this is to be true -  and it would be stu
nning i
f there were something special about our insignificant location in  the Cosmos - then it follows that no one may travel faster 
than light. 

We hear the crack of a bullwhip because its tip is moving faster than the speed of  sound, creating a shock wave, a small sonic
 boom. A thunderclap has a similar origin. It was  once thought that airplanes could not travel faster than sound. Today supers
onic flight is  commonplace. But the light barrier is different from the sound barrier. It is not merely an  engineering proble
m like the one the supersonic airplane solves. It is a fundamental law of  Nature, as basic as gravity. And there are no phenom
ena in our experience - like the crack  of the bullwhips or the clap of thunder for sound - to suggest the possibility of trave
ling  in a vacuum faster than light. On the contrary, there is an extremely wide range of  experience - with nuclear accelerato
rs and atomic clocks, for example - in precise  quantitative agreement with special relativity. 

The problems of simultaneity do not apply to sound as they do to light because sound  is propagated through some material mediu
m, usually air. The sound wave that reaches you  when a friend is talking is the motion of molecules in the air. Light, however
, travels in a  vacuum. There are restrictions on how molecules of air can move which do not apply to a  vacuum. Light from the
 Sun reaches us across the intervening empty space, but no matter how  carefully we listen, we do not hear the crackle of sunsp
ots or the thunder of the solar  flares. It was once thought, in the days before relativity, that light did propagate through  
a special medium that permeated all of space, called .the luminiferous aether.. But the  famous Michelson-Morley experiment dem
onstrated that such an aether does not exist. 

We sometimes hear of things that can travel faster than light. Something called .the  speed of thought. is occasionally proffer
ed. This is an exceptionally silly notion  especially since the speed of impulses through the neurons in our brains is about th
e same  as the speed of a donkey cart. That human beings have been clever enough to devise  relativity shows that we think well
, but I do not think we can boast about thinking fast.  The electrical impulses in modern computers do, however, travel nearly 
at the speed of  light. 

Special relativity, fully worked out by Einstein in his middle twenties, is  supported by every experiment performed to check i
t. Perhaps tomorrow someone will invent a  theory consistent with everything else we know that circumvents paradoxes on such ma
tters as  simultaneity, avoids privileged reference frames and still permits travel faster than light.  But I doubt it very muc
h. Einstein.s prohibition against traveling faster than light may  clash with our common sense. But on this question, why shoul
d we trust common sense? Why  should our experience at 10 kilometers an hour constrain the laws of nature at 300,000  kilometer
s per second? Relativity does set limits on what humans can ultimately do. But the  universe is not required to be in perfect h
armony with human ambition. Special relativity  removes from our grasp one way of reaching the stars, the ship that can go fast
er than  light. Tantalizingly, it suggests another and quite unexpected method. 

Following George Gamow, let us imagine a place where the speed of light is not its  true value of 300,000 kilometers per second
, but something very modest: 40 kilometers per  hour, say - and strictly enforced. (There are no penalties for breaking laws of
 Nature,  because there are no crimes: Nature is self-regulating and merely arranges things so that  its prohibitions are impos
sible to transgress.) Imagine that you are approaching the speed  of light on a motor scooter. (Relativity is rich in sentences
 beginning .Imagine . . ..  Einstein called such an exercise a Gedankenexperiment, a thought experiment.) As your speed  increa
ses, you begin to see around the corners of passing objects. While you are rigidly  facing forward, things that are behind you 
appear within your forward field of vision. Close  to the speed of light, from your point of view, the world looks very odd - u
ltimately  everything is squeezed into a tiny circular window, which stays just ahead of you. From the  standpoint of a station
ary obs
erver, light reflected off you is reddened as you depart and  blued as you return. If you travel toward the observer at almost 
the speed of light, you  will become enveloped in an eerie chromatic radiance: your usually invisible infrared  emission will b
e shifted to the shorter visible wavelengths. You become compressed in the  direction of motion, your mass increases, and time,
 as you experience it, slows down, a  breathtaking consequence of traveling close to the speed of light called time dilation. B
ut  from the standpoint of an observer moving with you - perhaps the scooter has a second seat -  none of these effects occur. 


These peculiar and at first perplexing predictions of special relativity are true in  the deepest sense that anything in scienc
e is true. They depend on your relative motion. But  they are real, not optical illusions. They can be demonstrated by simple m
athematics, mainly  first-year algebra and therefore understandable to any educated person. They are also  consistent with many
 experiments. Very accurate clocks carried in airplanes slow down a  little compared to stationary clocks. Nuclear accelerators
 are designed to allow for the  increase of mass with increasing speed; if they were not designed in this way, accelerated  par
ticles would all smash into the walls of the apparatus, and there would be little to do  in experimental nuclear physics. A spe
ed is a distance divided by a time. Since near the  velocity of light we cannot simply add speeds, as we are used to doing in t
he workaday  world, the familiar notions of absolute space and absolute time - independent of your  relative motion - must give
 way. T
hat is why you shrink. That is the reason for time  dilation. 

Traveling close to the speed of light you would hardly age at all, but your friends  and your relatives back home would be agin
g at the usual rate. When you returned from your  relativistic journey, what a difference there would be between your friends a
nd you, they  having aged decades, say, and you having aged hardly at all! Traveling close to the speed of  light is a kind of 
elixir of life. Because time slows down close to the speed of light,  special relativity provides us with a means of going to t
he stars. But is it possible, in  terms of practical engineering, to travel close to the speed of light? Is a starship  feasibl
e? 

Tuscany was not only the caldron of some of the thinking of the young Albert  Einstein; it was also the home of another great g
enius who lived 400 years earlier, Leonardo  da Vinci, who delighted in climbing the Tuscan hills and viewing the ground from a
 great  height, as if he were soaring like a bird. He drew the first aerial perspectives of  landscapes, towns and fortificatio
ns. Among Leonardo.s many interests and accomplishments -  in painting, sculpture, anatomy, geology, natural history, military 
and civil engineering -  he had a great passion: to devise and fabricate a machine that could fly. He drew pictures,  construct
ed models, built full-size prototypes and not one of them worked. No sufficiently  powerful and lightweight engine then existed
. The designs, however, were brilliant and  encouraged the engineers of future times. Leonardo himself was depressed by these f
ailures.  But it was hardly his fault. He was trapped in the fifteenth century. 

A similar case occurred in 1939 when a group of engineers calling themselves the  British Interplanetary Society designed a shi
p to take people to the Moon - using 1939  technology. It was by no means identical to the design of the Apollo spacecraft, whi
ch  accomplished exactly this mission three decades later, but it suggested that a mission to  the moon might one day be a prac
tical engineering possibility. 

Today we have preliminary designs for ships to take people to the stars. None of  these spacecraft is imagined to leave the Ear
th directly. Rather, they are constructed in  Earth orbit from where they are launched on their long interstellar journeys. One
 of them  was called Project Orion after the constellation, a reminder that the ship.s ultimate  objective was the stars. Orion
 was designed to utilize explosions of hydrogen bombs, nuclear  weapons, against an inertial plate, each explosion providing a 
kind of .putt-putt,. a vast  nuclear motorboat in space. Orion seems entirely practical from an engineering point of  view. By 
its very nature it would have produced vast quantities of radioactive debris, but  for conscientious mission profiles only in t
he emptiness of interplanetary or interstellar  space. Orion was under serious development in the United States until the signi
ng of the  international treaty that forbids the detonation of nuclear weapons in space. This seems to  me a great pity. The Or
ion sta
rship is the best use of nuclear weapons I can think of. 

Project Daedalus is a recent design of the British Interplanetary Society. It  assumes the existence of a nuclear fusion reacto
r - something much safer as well as more  efficient than existing fission power plants. We do not have fusion reactors yet, but
 they  are confidently expected in the next few decades. Orion and Daedalus might travel at 10  percent the speed of light. A t
rip to Alpha Centauri, 4.3 light-years away, would then take  forty-three years, less than a human lifetime. Such ships could n
ot travel close enough to  the speed of light for special relativistic time dilation to become important. Even with  optimistic
 projections on the development of our technology, it does not seem likely that  Orion, Daedalus or their ilk will be built bef
ore the middle of the twenty-first century,  although if we wished we could build Orion now. 

For voyages beyond the nearest stars, something else must be done. Perhaps Orion and  Daedalus could be used as multigeneration
 ships, so those arriving at a planet of another  star would be the remote descendants of those who had set out some centuries 
before. Or  perhaps a safe means of hibernation for humans will be found, so that the space travelers  could be frozen and then
 reawakened centuries later. These nonrelativistic starships,  enormously expensive as they would be, look relatively easy to d
esign and build and use  compared to starships that travel close to the speed of light. Other star systems are  accessible to t
he human species, but only after great effort. 

Fast interstellar spaceflight - with the ship velocity approaching the speed of  light - is an objective not for a hundred year
s but for a thousand or ten thousand. But it  is in principle possible. A kind of interstellar ramjet has been proposed by R. W
. Bussard  which scoops up the diffuse matter, mostly hydrogen atoms, that floats between the stars,  accelerates it into a fus
ion engine and ejects it out the back. The hydrogen would be used  both as fuel and as reaction mass. But in deep space there i
s only about one atom in every  ten cubic centimeters, a volume the size of a grape. For the ramjet to work, it needs a  fronta
l scoop hundreds of kilometers across. When the ship reaches relativistic velocities,  the hydrogen atoms will be moving with r
espect to the spaceship at close to the speed of  light. If adequate precautions are not taken, the spaceship and its passenger
s will be fried  by these induced cosmic rays. One proposed solution uses a laser to strip the electrons off  the interstellar 
atoms a
nd make them electrically charged while they are still some distance  away, and an extremely strong magnetic field to deflect t
he charged atoms into the scoop and  away from the rest of the spacecraft. This is engineering on a scale so far unprecedented 
on  Earth. We are talking of engines the size of small worlds. 

But let us spend a moment thinking about such a ship. The Earth gravitationally  attracts us with a certain force, which if we 
are falling we experience as an acceleration.  Were we to fall out of a tree - and many of our proto-human ancestors must have 
done so - we  would plummet faster and faster, increasing our fall speed by ten meters (or thirty-two  feet) per second, every 
second. This acceleration, which characterizes the force of gravity  holding us to the Earth.s surface, is called 1 g, g for Ea
rth gravity. We are comfortable  with accelerations of 1 g; we have grown up with 1 g. If we lived in an interstellar  spacecra
ft that could accelerate at 1 g, we would find ourselves in a perfectly natural  environment. In fact, the equivalence between 
gravitational forces and the forces we would  feel in an accelerating spaceship is a major feature of Einstein.s later general 
theory of  relativity. With a continuous 1 g acceleration, after one year in space we would be  traveling very close to the spe
ed of l
ight [(0.01 km/sec2) x (3 x 107 sec) = 3 x 105  km/sec]. 

Suppose that such a spacecraft accelerates at 1 g, approaching more and more closely  to the speed of light until the midpoint 
of the journey; and then is turned around and  decelerates at 1 g until arriving at its destination. For most of the trip the v
elocity  would be very close to the speed of light and time would slow down enormously. A nearby  mission objective, a sun that
 may have planets, is Barnard.s Star, about six light-years  away. It could be reached in about eight years as measured by cloc
ks aboard the ship; the  center of the Milky Way, in twenty-one years; M31, the Andromeda galaxy, in twenty-eight  years. Of co
urse, people left behind on Earth would see things differently. Instead of  twenty-one years to the center of the Galaxy, they 
would measure an elapsed time of 30,000  years. When we got home, few of our friends would be left to greet us. In principle, s
uch a  journey, mounting the decimal points ever closer to the speed of light, would even permit us  to circumnavigate the know
n unive
rse in some fifty-six years ship time. We would return tens  of billions of years in our future - to find the Earth a charred c
inder and the Sun dead.  Relativistic spaceflight makes the universe accessible to advanced civilizations, but only  to those w
ho go on the journey. There seems to be no way for information to travel back to  those left behind any faster than the speed o
f light. 

The designs for Orion, Daedalus and the Bussard Ramjet are probably farther from the  actual interstellar spacecraft we will on
e day build than Leonardo.s models are from today.s  supersonic transports. But if we do not destroy ourselves, I believe that 
we will one day  venture to the stars. When our solar system is all explored, the planets of other stars will  beckon. 

Space travel and time travel are connected. We can travel fast into space only by  traveling fast into the future. But what of 
the past? Could we return to the past and change  it? Could we make events turn out differently from what the history books ass
ert? We travel  slowly into the future all the time, at the rate of one day every day. With relativistic  spaceflight we could 
travel fast into the future. But many physicists believe that a voyage  into the past is impossible. Even if you had a device t
hat could travel backwards in time,  they say, you would be unable to do anything that would make any difference. If you  journ
eyed into the past and prevented your parents from meeting, then you would never have  been born - which is something of a cont
radiction, since you clearly exist. Like the proof  of the irrationality of the square root of two, like the discussion of simu
ltaneity in  special relativity, this is an argument in which the premise is challenged because the  conclusion seems absurd. 


But other physicists propose that two alternative histories, two equally valid  realities, could exist side by side - the one y
ou know and the one in which you were never  born. Perhaps time itself has many potential dimensions, despite the fact that we 
are  condemned to experience only one of them. Suppose you could go back into the past and change  it - by persuading Queen Isa
bella not to support Christopher Columbus, for example. Then, it  is argued, you would have set into motion a different sequenc
e of historical events, which  those you left behind in our time line would never know about. If that kind of time travel  were
 possible, then every imaginable alternative history might in some sense really exist. 

History consists for the most part of a complex bundle of deeply interwoven threads,  social, cultural and economic forces that
 are not easily unraveled. The countless small,  unpredictable and random events that flow on continually often have no long-ra
nge  consequences. But some, those occurring at critical junctures or branch points, may change  the pattern of history. There 
may be cases where profound changes can be made by relatively  trivial adjustments. The farther in the past such an event is, t
he more powerful may be its  influence - because the longer the lever arm of time becomes. 

A polio virus is a tiny microorganmism. We encounter many of them every day. But  only rarely, fortunately, does one of them in
fect one of us and cause this dread disease.  Franklin D. Roosevelt, the thirty-second President of the United States, had poli
o. Because  the disease was crippling, it may have provided Roosevelt with a greater compassion for the  underdog; or perhaps i
t improved his striving for success. If Roosevelt.s personality had  been different, or if he had never had the ambition to be 
President of the United States,  the great depression of the 1930.s, World War II and the development of nuclear weapons  might
 just possibly have turned out differently. The future of the world might have been  altered. But a virus is an insignificant t
hing, only a millionth of a centimeter across. It  is hardly anything at all. 

On the other hand, suppose our time traveler had persuaded Queen Isabella that  Columbus. geography was faulty, that from Erato
sthenes. estimate of the circumference of the  Earth, Columbus could never reach Asia. Almost certainly some other European wou
ld have come  along within a few decades and sailed west to the New World. Improvements in navigation, the  lure of the spice t
rade and competition among rival European powers made the discovery of  America around 1500 more or less inevitable. Of course,
 there would today be no nation of  Colombia, or District of Columbia or Columbus, Ohio, or Columbia University in the Americas
.  But the overall course of history might have turned out more or less the same. In order to  affect the future profoundly, a 
time traveler would probably have to intervene in a number  of carefully chosen events, to change the weave of history. 

It is a lovely fantasy, to explore those worlds that never were. By visiting them we  could truly understand how history works;
 history could become an experimental science. If  an apparently pivotal person had never lived - Plato, say, or Paul, or Peter
 the Great - how  different would the world be? What if the scientific tradition of the ancient Ionian Greeks  had survived and
 flourished? That would have required many of the social forces of the time  to have been different - including the prevailing 
belief that slavery was natural and right.  But what if that light that dawned in the eastern Mediterranean 2,500 years ago had
 not  flickered out? What if science and the experimental method and the dignity of crafts and  mechanical arts had been vigoro
usly pursued 2,000 years before the Industrial Revolution?  What if the power of this new mode of thought had been more general
ly appreciated? I  sometimes think we might then have saved ten or twenty centuries. Perhaps the contributions  of Leonardo wou
ld have
 been made a thousand years ago and those of Albert Einstein five  hundred years ago. In such an alternate Earth, Leonardo and 
Einstein would, of course, never  have been born. Too many things would have been different. In every ejaculation there are  hu
ndreds of millions of sperm cells, only one of which can fertilize an egg and produce a  member of the next generation of human
 beings. But which sperm succeeds in fertilizing an  egg must depend on the most minor and insignificant of factors, both inter
nal and external.  If even a little thing had gone differently 2,500 years ago, none of us would be here today.  There would be
 billions of others living in our place. 

If the Ionian spirit had won, I think we - a different .we,. of course - might by  now be venturing to the stars. Our first sur
vey ships to Alpha Centauri and Barnard.s Star,  Sirius and Tau Ceti would have returned long ago. Great fleets of interstellar
 transports  would be under construction in Earth orbit - unmanned survey ships, liners for immigrants,  immense trading ships 
to plow the seas of space. On all these ships there would be symbols  and writing. If we looked closely, we might see that the 
language was Greek. And perhaps the  symbol on the bow of one of the first starships would be a dodecahedron, with the  inscrip
tion .Starship Theodorus of the Planet Earth.. 

In the time line of our world, things have gone somewhat more slowly. We are not yet  ready for the stars. But perhaps in anoth
er century or two, when the solar system is all  explored, we will also have put our planet in order. We will have the will and
 the resources  and the technical knowledge to go to the stars. We will have examined from great distances  the diversity of ot
her planetary systems, some very much like our own and some extremely  different. We will know which stars to visit. Our machin
es and our descendants will then  skim the light years, the children of Thales and Aristarchus, Leonardo and Einstein. 

We are not yet certain how many planetary systems there are, but there seem to be a  great abundance. In our immediate vicinity
, there is not just one, but in a sense four:  Jupiter, Saturn and Uranus each has a satellite system that, in the relative siz
es and  spacings of the moons, resembles closely the planets about the Sun. Extrapolation of the  statistics of double stars wh
ich are greatly disparate in mass suggests that almost all  single stars like the Sun should have planetary companions. 

We cannot yet directly see the planets of other stars, tiny points of light swamped  in the brilliance of their local suns. But
 we are becoming able to detect the gravitational  influence of an unseen planet on an observed star. Imagine such a star with 
a large .proper  motion,. moving over decades against the backdrop of more distant constellations; and with a  large planet, th
e mass of Jupiter, say, whose orbital plane is by chance aligned at right  angles to our line of sight. When the dark planet is
, from our perspective, to the right of  the star, the star will be pulled a little to the right, and conversely when the plane
t is  to the left. Consequently, the path of the star will be altered, or perturbed, from a  straight line to a wavy one. The n
earest star for which this gravitational perturbation  method can be applied is Barnard.s Star, the nearest single star. The co
mplex interactions  of the three stars in the Alpha Centauri system would make the search for a low-mass  companion there very 
difficu
lt. Even for Barnard.s Star, the investigation must be  painstaking, a search for microscopic displacements of position on phot
ographic plates  exposed at the telescope over a period of decades. Two such quests have been performed for  planets around Bar
nard.s Star, and both have been by some criteria successful, implying the  presence of two or more planets of Jovian mass movin
g in an orbit (calculated by Kepler.s  third law) somewhat closer to their star than Jupiter and Saturn are to the Sun. But  un
fortunately the two sets of observations seem mutually incompatible. A planetary system  around Barnard.s Star may well have be
en discovered, but an unambiguous demonstration awaits  further study. 

Other methods of detecting planets around the stars are under development, including  one where the obscuring light from the st
ar is artificially occulted - with a disk in front  of a space telescope, or by using the dark edge of the moon as such a disk 
- and the  reflected light from the planet, no longer hidden by the brightness of the nearby star,  emerges. In the next few de
cades we should have definitive answers to which of the hundred  nearest stars have large planetary companions. 

In recent years, infrared observations have revealed a number of likely preplanetary  disk-shaped clouds of gas and dust around
 some of the nearby stars. Meanwhile, some  provocative theoretical studies have suggested that planetary systems are a galacti
c  commonplace. A set of computer investigations has examined the evolution of a flat,  condensing disk of gas and dust of the 
sort that is thought to lead to stars and planets.  Small lumps of matter - the first condensations in the disk - are injected 
at random times  into the cloud. The lumps accrete dust particles as they move. When they become sizable,  they also gravitatio
nally attract gas, mainly hydrogen, in the cloud. When two moving lumps  collide, the computer program makes them stick. The pr
ocess continues until all the gas and  dust has been in this way used up. The results depend on the initial conditions,  partic
ularly on the distribution of gas and dust density with distance from the center of  the cloud. But for a range of plausible in
itial c
onditions, planetary systems - about ten  planets, terrestrials close to the star, Jovians on the exterior - recognizably like 
ours  are generated. Under other circumstances, there are no planets - just a smattering of  asteroids; or there may be Jovian 
planets near the star; or a Jovian planet may accrete so  much gas and dust as to become a star, the origin of a binary star sy
stem. It is still too  early to be sure, but it seems that a splendid variety of planetary systems is to be found  throughout t
he Galaxy, and with high frequency - all stars must come, we think, from such  clouds of gas and dust. There may be a hundred b
illion planetary systems in the Galaxy  awaiting exploration. 

Not one of those worlds will be identical to Earth. A few will be hospitable; most  will appear hostile. Many will be achingly 
beautiful. In some worlds there will be many suns  in the daytime sky, many moons in the heavens at night, or great particle ri
ng systems  soaring from horizon to horizon. Some moons will be so close that their planet will loom  high in the heavens, cove
ring half the sky. And some worlds will look out onto a vast  gaseous nebula, the remains of an ordinary star that once was and
 is no longer. In all those  skies, rich in distant and exotic constellations, there will be a faint yellow star -  perhaps bar
ely seen by the naked eye, perhaps visible only through the telescope - the home  star of the fleet of interstellar transports 
exploring this tiny region of the great Milky  Way Galaxy. 

The themes of space and time are, as we have seen, intertwined. Worlds and stars,  like people, are born, live and die. The lif
etime of a human being is measured in decades;  the lifetime of the Sun is a hundred million times longer. Compared to a star, 
we are like  mayflies, fleeting ephemeral creatures who live out their whole lives in the course of a  single day. From the poi
nt of view of a mayfly, human beings are stolid, boring, almost  entirely immovable, offering hardly a hint that they ever do a
nything. From the point of  view of a star, a human being is a tiny flash, one of billions of brief lives flickering  tenuously
 on the surface of a strangely cold, anomalously solid, exotically remote sphere of  silicate and iron. 

In all those other worlds in space there are events in progress, occurrences that  will determine their futures. And on our sma
ll planet, this moment in history is a  historical branch point as profound as the confrontation of the Ionian scientists with 
the  mystics 2,500 years ago. What we do with our world in this time will propagate down through  the centuries and powerfully 
determine the destiny of our descendants and their fate, if  any, among the stars.

CHAPTER IX

The Lives of the Stars

Opening his two eyes, [Ra, the Sun god] cast light on Egypt, he separated night from day.  The gods came forth from his mouth a
nd mankind from his eyes. All things took their birth  from him, the child who shines in the lotus and whose rays cause all bei
ngs to live. - An incantation from Ptolemaic Egypt

God is able to create particles of matter of several sizes and figures . . . and perhaps of  different densities and forces, an
d thereby to vary the laws of Nature, and make worlds of  several sorts in several parts of the Universe. At least, I see nothi
ng of contradiction in  all this. - Isaac Newton, Optics

We had the sky, up there, all speckled with stars, and we used to lay on our backs and look  up at them, and discuss about whet
her they was made, or only just happened. - Mark Twain, Huckleberry Finn

I have . . . a terrible need . . . shall I say the word? . . . of religion. Then I go out at  night and paint the stars. - Vinc
ent van Gogh

To make an apple pie, you need wheat, apples, a pinch of this and that, and the heat of the  oven. The ingredients are made of 
molecules - sugar, say, or water. The molecules, in turn,  are made of atoms - carbon, oxygen, hydrogen and a few others. Where
 do these atoms come  from? Except for hydrogen, they are all made in stars. A star is a kind of cosmic kitchen  inside which a
toms of hydrogen are cooked into heavier atoms. Stars condense from  interstellar gas and dust, which are composed mostly of hy
drogen. But the hydrogen was made  in the Big Bang, the explosion that began the Cosmos. If you wish to make an apple pie from 
 scratch, you must first invent the universe. 

Suppose you take an apple pie and cut it in half; take one of the two pieces, cut it  in half; and, in the spirit of Democritus
, continue. How many cuts before you are down to a  single atom? The answer is about ninety successive cuts. Of course, no knif
e could be sharp  enough, the pie is too crumbly, and the atom would in any case be too small to see unaided.  But there is a w
ay to do it. 

At Cambridge University in England, in the forty-five years centered on 1910, the  nature of the atom was first understood - pa
rtly by shooting pieces of atoms at atoms and  watching how they bounce off. A typical atom has a kind of cloud of electrons on
 the  outside. Electrons are electrically charged, as their name suggests. The charge is  arbitrarily called negative. Electron
s determine the chemical properties of the atom - the  glitter of gold, the cold feel of iron, the crystal structure of the car
bon diamond. Deep  inside the atom, hidden far beneath the electron cloud, is the nucleus, generally composed  of positively ch
arged protons and electrically neutral neutrons. Atoms are very small - one  hundred million of them end to end would be as lar
ge as the tip of your little finger. But  the nucleus is a hundred thousand times smaller still, which is part of the reason it
 took  so long to be discovered.* Nevertheless, most of the mass of an atom is in its nucleus; the  electrons are by comparison
 just c
louds of moving fluff. Atoms are mainly empty space.  Matter is composed chiefly of nothing.



* It had previously been thought that the protons were uniformly distributed  throughout the electron cloud, rather than being 
concentrated in a nucleus of positive  charge at the center. The nucleus was discovered by Ernest Rutherford at Cambridge when 
some  of the bombarding particles were bounced back in the direction from which they had come.  Rutherford commented: .It was q
uite the most incredible event that has ever happened to me  in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch 
[cannon] shell at a piece  of tissue paper and it came back and hit you..



I am made of atoms. My elbow, which is resting on the table before me, is made of  atoms. The table is made of atoms. But if at
oms are so small and empty and the nuclei  smaller still, why does the table hold me up? Why, as Arthur Eddington liked to ask,
 do the  nuclei that comprise my elbow not slide effortlessly through the nuclei that comprise the  table? Why don.t I wind up 
on the floor? Or fall straight through the Earth? 

The answer is the electron cloud. The outside of an atom in my elbow has a negative  electrical charge. So does every atom in t
he table. But negative charges repel each other.  My elbow does not slither through the table because atoms have electrons arou
nd their nuclei  and because electrical forces are strong. Everyday life depends on the structure of the  atom. Turn off the el
ectrical charges and everything crumbles to an invisible fine dust.  Without electrical forces, there would no longer be things
 in the universe - merely diffuse  clouds of electrons, protons and neutrons, and gravitating spheres of elementary particles, 
 the featureless remnants of worlds. 

When we consider cutting an apple pie, continuing down beyond a single atom, we  confront an infinity of the very small. And wh
en we look up at the night sky, we confront an  infinity of the very large. These infinities represent an unending regress that
 goes on not  just very far, but forever. If you stand between two mirrors - in a barber shop, say - you  see a large number of
 images of yourself, each the reflection of another. You cannot see an  infinity of images because the mirrors are not perfectl
y flat and aligned, because light  does not travel infinitely fast, and because you are in the way. When we talk about infinity
  we are talking about a quantity greater than any number, no matter how large. 

The American mathematician Edward Kasner once asked his nine-year-old nephew to  invent a name for an extremely large number - 
ten to the power one hundred (10100), a one  followed by a hundred zeroes. The boy called it a googol. Here it is: 10, 000, 000
, 000,  000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000,  000, 000, 000, 000, 000, 000
, 000, 000, 000, 000, 000, 000. You, too, can make up your own  very large numbers and give them strange names. Try it. It has 
a certain charm, especially  if you happen to be nine. 

If a googol seems large, consider a googolplex. It is ten to the power of a googol -  that is, a one followed by a googol zeros
. By comparison, the total number of atoms in your  body is about 1028, and the total number of elementary particles - protons 
and neutrons and  electrons - in the observable universe is about 1080. If the universe were packed solid*  with neutrons, say,
 so there was no empty space anywhere, there would still be only about  10128 particles in it, quite a bit more than a googol b
ut trivially small compared to a  googolplex. And yet these numbers, the googol and the googolplex, do not approach, they come 
 nowhere near, the idea of infinity. A googolplex is precisely as far from infinity as is the  number one. We could try to writ
e out a googolplex, but it is a forlorn ambition. A piece of  paper large enough to have all the zeroes in a googolplex written
 out explicitly could not  be stuffed into the known universe. Happily, there is a simpler and very concise way of  writing a g
oogolpl
ex: 101010; and even infinity: ??(pronounced .infinity.).



* The spirit of this calculation is very old. The opening sentences of Archimedes.  The Sand Reckoner are: .There are some, Kin
g Gelon, who think that the number of the sand is  infinite in multitude: and I mean by the sand not only that which exists abo
ut Syracuse and  the rest of Sicily, but also that which is found in every region, whether inhabited or  uninhabited. And again
, there are some who, without regarding it as infinite, yet think that  no number has been named which is great enough to excee
d its multitude.. Archimedes then  went on not only to name the number but to calculate it. Later he asked how many grains of  
sand would fit, side by side, into the universe that he knew. His estimate; 1063, which  corresponds, by a curious coincidence,
 to 1083 or so atoms.



In a burnt apple pie, the char is mostly carbon. Ninety cuts and you come to a  carbon atom, with six protons and six neutrons 
in its nucleus and six electrons in the  exterior cloud. If we were to pull a chunk out of the nucleus - say, one with two prot
ons  and two neutrons - it would be not the nucleus of a carbon atom, but the nucleus of a helium  atom. Such a cutting or fiss
ion of atomic nuclei occurs in nuclear weapons and conventional  nuclear power plants, although it is not carbon that is split.
 If you make the ninety-first  cut of the apple pie, if you slice a carbon nucleus, you make not a smaller piece of carbon,  bu
t something else - an atom with completely different chemical properties. If you cut an  atom, you transmute the elements. 

But suppose we go farther. Atoms are made of protons, neutrons and electrons. Can we  cut a proton? If we bombard protons at hi
gh energies with other elementary particles - other  protons, say - we begin to glimpse more fundamental units hiding inside th
e proton.  Physicists now propose that so-called elementary particles such as protons and neutrons are  in fact made of still m
ore elementary particles called quarks, which come in a variety of  .colors. and .flavors., as their properties have been terme
d in a poignant attempt to make  the subnuclear world a little more like home. Are quarks the ultimate constituents of  matter,
 or are they too composed of still smaller and more elementary particles? Will we  ever come to an end in our understanding of 
the nature of matter, or is there an infinite  regression into more and more fundamental particles? This is one of the great un
solved  problems in science. 

The transmutation of the elements was pursued in medieval laboratories in a quest  called alchemy. Many alchemists believed tha
t all matter was a mixture of four elementary  substances: water, air, earth and fire, an ancient Ionian speculation. By alteri
ng the  relative proportions of earth and fire, say, you would be able, they thought, to change  copper into gold. The field sw
armed with charming frauds and con men, such as Cagliostro and  the Count of Saint-Germain, who pretended not only to transmute
 the elements but also to  hold the secret of immortality. Sometimes gold was hidden in a wand with a false bottom, to  appear 
miraculously in a crucible at the end of some arduous experimental demonstration.  With wealth and immortality the bait, the Eu
ropean nobility found itself transferring large  sums to the practitioners of this dubious art. But there were more serious alc
hemists such  as Paracelsus and even Isaac Newton. The money was not altogether wasted - new chemical  elements, such as phosph
orous, 
antimony and mercury, were discovered. In fact, the origin of  modern chemistry can be traced directly to these experiments. 

There are ninety-two chemically distinct kinds of naturally occurring atoms. They  are called the chemical elements and until r
ecently constituted everything on our planet,  although they are mainly found combined into molecules. Water is a molecule made
 of hydrogen  and oxygen atoms. Air is made mostly of the atoms nitrogen (N), oxygen (O), carbon (C),  hydrogen (H) and argon (
Ar), in the molecular forms N2, O2, CO2, H2O and Ar. The Earth  itself is a very rich mixture of atoms, mostly silicon,* oxygen
, aluminum, magnesium and  iron. Fire is not made of chemical elements at all. It is a radiating plasma in which the  high temp
erature has stripped some of the electrons from their nuclei. Not one of the four  ancient Ionian and alchemical .elements. is 
in the modern sense an element at all: one is a  molecule, two are mixtures of molecules, and the last is a plasma.



* Silicon is an atom. Silicone is a molecule, one of billions of different varieties  containing silicon. Silicon and silicone 
have different properties and applications.



Since the time of the alchemists, more and more elements have been discovered, the  latest to be found tending to be the rarest
. Many are familiar - those that primarily make  up the Earth; or those fundamental to life. Some are solids, some gases, and t
wo (bromine  and mercury) are liquids at room temperature. Scientists conventionally arrange them in  order of complexity. The 
simplest, hydrogen, is element 1; the most complex, uranium is  element 92. Other elements are less familiar - hafnium, erbium,
 dysprosium and praseodymium,  say, which we do not much bump into in everyday life. By and large, the more familiar an  elemen
t is, the more abundant it is. The Earth contains a great deal of iron and rather  little yttrium. There are, of course, except
ions to this rule, such as gold or uranium,  elements prized because of arbitrary economic conventions or aesthetic judgments, 
or because  they have remarkable practical applications. 

The fact that atoms are composed of three kinds of elementary particles - protons,  neutrons and electrons is a comparatively r
ecent finding. The neutron was not discovered  until 1932. Modern physics and chemistry have reduced the complexity of the sens
ible world  to an astonishing simplicity: three units put together in various patterns make,  essentially, everything. 

The neutrons, as we have said and as their name suggests, carry no electrical  charge. The protons have a positive charge and t
he electrons an equal negative charge. The  attraction between the unlike charges of electrons and protons is what holds the at
om  together. Since each atom is electrically neutral, the number of protons in the nucleus must  exactly equal the number of e
lectrons in the electron cloud. The chemistry of an atom  depends only on the number of electrons, which equals the number of p
rotons, and which is  called the atomic number. Chemistry is simply numbers, an idea Pythagoras would have liked.  If you are a
n atom with one proton, you are hydrogen; two, helium; three, lithium; four,  beryllium; five, boron; six, carbon; seven, nitro
gen; eight, oxygen; and so on, up to 92  protons, in which case your name is uranium. 

Like charges, charges of the same sign, strongly repel one another. We can think of  it as a dedicated mutual aversion to their
 own kind, a little as if the world were densely  populated by anchorites and misanthropes. Electrons repel electrons. Protons 
repel protons.  So how can a nucleus stick together? Why does it not instantly fly apart? Because there is  another force of na
ture: not gravity, not electricity, but the short-range nuclear force,  which, like a set of hooks that engage only when proton
s and neutrons come very close  together, thereby overcomes the electrical repulsion among the protons. The neutrons, which  co
ntribute nuclear forces of attraction and no electrical forces of repulsion, provide a  kind of glue that helps to hold the nuc
leus together. Longing for solitude, the hermits have  been chained to their grumpy fellows and set among others given to indis
criminate and  voluble amiability. 

Two protons and two neutrons are the nucleus of a helium atom, which turns out to be  very stable. Three helium nuclei make a c
arbon nucleus; four, oxygen; five, neon; six,  magnesium; seven, silicon; eight, sulfur; and so on. Every time we add one or mo
re protons  and enough neutrons to keep the nucleus together, we make a new chemical element. If we  subtract one proton and th
ree neutrons from mercury, we make gold, the dream of the ancient  alchemists. Beyond uranium there are other elements that do 
not naturally occur on Earth.  They are synthesized by human beings and in most cases promptly fall to pieces. One of them,  El
ement 94, is called plutonium and is one of the most toxic substances known.  Unfortunately, it falls to pieces rather slowly. 


Where do the naturally occurring elements come from? We might contemplate a separate  creation of each atomic species. But the 
universe, all of it, almost everywhere, is 99  percent hydrogen and helium,* the two simplest elements. Helium, in fact, was de
tected on  the Sun before it was found on the Earth - hence its name (from Helios, one of the Greek sun  gods). Might the other
 chemical elements have somehow evolved from hydrogen and helium? To  balance the electrical repulsion, pieces of nuclear matte
r would have to be brought very  close together so that the short-range nuclear forces are engaged. This can happen only at  ve
ry high temperatures where the particles are moving so fast that the repulsive force does  not have time to act - temperatures 
of tens of millions of degrees. In nature, such high  temperatures and attendant high pressures are common only in the insides 
of the stars.



* The Earth is an exception, because our primordial hydrogen, only weakly bound by  our planet.s comparatively feeble gravitati
onal attraction, has by now largely escaped to  space. Jupiter, with its more massive gravity, has retained at least much of it
s original  complement of the lightest element.



We have examined our Sun, the nearest star, in various wavelengths from radio waves  to ordinary visible light to X-rays, all o
f which arise only from its outermost layers. It  is not exactly a red-hot stone, as Anaxagoras thought, but rather a great bal
l of hydrogen  and helium gas, glowing because of its high temperatures, in the same way that a poker glows  when it is brought
 to red heat. Anaxagoras was at least partly right. Violent solar storms  produce brilliant flares that disrupt radio communica
tions on Earth; and immense arching  plumes of hot gas, guided by the Sun.s magnetic field, the solar prominences, which dwarf 
 the Earth. The sunspots, sometimes visible to the naked eye at sunset, are cooler regions of  enhanced magnetic field strength
. All this incessant, roiling, turbulent activity is in the  comparatively cool visible surface. We see only to temperatures of
 about 6,000 degrees. But  the hidden interior of the Sun, where sunlight is being generated, is at 40 million degrees. 

Stars and their accompanying planets are born in the gravitational collapse of a  cloud of interstellar gas and dust. The colli
sion of the gas molecules in the interior of  the cloud heats it, eventually to the point where hydrogen begins to fuse into he
lium: four  hydrogen nuclei combine to form a helium nucleus, with an attendant release of a gamma-ray  photon. Suffering alter
nate absorption and emission by the overlying matter, gradually  working its way toward the surface of the star, losing energy 
at every step, the photon.s  epic journey takes a million years until, as visible light, it reaches the surface and is  radiate
d to space. The star has turned on. The gravitational collapse of the prestellar  cloud has been halted. The weight of the oute
r layers of the star is now supported by the  high temperatures and pressures generated in the interior nuclear reactions. The 
Sun has  been in such a stable situation for the past five billion years. Thermonuclear reactions  like those in a hydrogen bom
b are p
owering the Sun in a contained and continuous explosion,  converting some four hundred million tons (4 x 1014 grams) of hydroge
n into helium every  second. When we look up at night and view the stars, everything we see is shining because of  distant nucl
ear fusion. 

In the direction of the star Deneb, in the constellation of Cygnus the Swan, is an  enormous glowing superbubble of extremely h
ot gas, probably produced by supernova  explosions, the deaths of stars, near the center of the bubble. At the periphery,  inte
rstellar matter is compressed by the supernova shock wave, triggering new generations of  cloud collapse and star formation. In
 this sense, stars have parents; and, as is sometimes  also true for humans, a parent may die in the birth of the child. 

Stars like the Sun are born in batches, in great compressed cloud complexes such as  the Orion Nebula. Seen from the outside, s
uch clouds seem dark and gloomy. But inside, they  are brilliantly illuminated by the hot newborn stars. Later, the stars wande
r out of their  nursery to seek their fortunes in the Milky Way, stellar adolescents still surrounded by  tufts of glowing nebu
losity, residues still gravitationally attached of their amniotic gas.  The Pleiades are a nearby example. As in the families o
f humans, the maturing stars journey  far from home, and the siblings see little of each other. Somewhere in the Galaxy there a
re  stars - perhaps dozens of them - that are the brothers and sisters of the Sun, formed from  the same cloud complex, some 5 
billion years ago. But we do not know which stars they are.  They may, for all we know, be on the other side of the Milky Way. 


The conversion of hydrogen into helium in the center of the Sun not only accounts  for the Sun.s brightness in photons of visib
le light; it also produces a radiance of a more  mysterious and ghostly kind: The Sun glows faintly in neutrinos, which, like p
hotons, weigh  nothing and travel at the speed of light. But neutrinos are not photons. They are not a kind  of light. Neutrino
s, like protons, electrons and neutrons, carry an intrinsic angular  momentum, or spin, while photons have no spin at all. Matt
er is transparent to neutrinos,  which pass almost effortlessly through the Earth and through the Sun. Only a tiny fraction  of
 them is stopped by the intervening matter. As I look up at the Sun for a second, a  billion neutrinos pass through my eyeball.
 Of course, they are not stopped at the retina as  ordinary photons are but continue unmolested through the back of my head. Th
e curious part  is that if at night I look down at the ground, toward the place where the Sun would be (if  the Earth were not 
in the 
way), almost exactly the same number of solar neutrinos pass  through my eyeball, pouring through an interposed Earth which is 
as transparent to neutrinos  as a pane of clear glass is to visible light. 

If our knowledge of the solar interior is as complete as we think, and if we also  understand the nuclear physics that makes ne
utrinos, then we should be able to calculate  with fair accuracy how many solar neutrinos we should receive in a given area - s
uch as my  eyeball - in a given unit of time, such as a second. Experimental confirmation of the  calculation is much more diff
icult. Since neutrinos pass directly through the Earth, we  cannot catch a given one. But for a vast number of neutrinos, a sma
ll fraction will interact  with matter and in the appropriate circumstances might be detected. Neutrinos can on rare  occasion 
convert chlorine atoms into argon atoms, with the same total number of protons and  neutrons. To detect the predicted solar neu
trino flux, you need an immense amount of  chlorine, so American physicists have poured a huge quantity of cleaning fluid into 
the  Homestake Mine in Lead, South Dakota. The chlorine is microchemically swept for the newly  produced argon. The more argon 
found, 
the more neutrinos inferred. These experiments imply  that the Sun is dimmer in neutrinos than the calculations predict. 

There is a real and unsolved mystery here. The low solar neutrino flux probably does  not put our view of stellar nucleosynthes
is in jeopardy, but it surely means something  important. Proposed explanations range from the hypothesis that neutrinos fall t
o pieces  during their passage between the Sun and the Earth to the idea that the nuclear fires in the  solar interior are temp
orarily banked, sunlight being generated in our time partly by slow  gravitational contraction. But neutrino astronomy is very 
new. For the moment we stand  amazed at having created a tool that can peer directly into the blazing heart of the Sun. As  the
 sensitivity of the neutrino telescope improves, it may become possible to probe nuclear  fusion in the deep interiors of the n
earby stars. 

But hydrogen fusion cannot continue forever: in the Sun or any other star, there is  only so much hydrogen fuel in its hot inte
rior. The fate of a star, the end of its life  cycle, depends very much on its initial mass. If, after whatever matter it has l
ost to  space, a star retains two or three times the mass of the Sun, it ends its life cycle in a  startlingly different mode t
han the Sun. But the Sun.s fate is spectacular enough. When the  central hydrogen has all reacted to form helium, five or six b
illion years from now, the  zone of hydrogen fusion will slowly migrate outward, an expanding shell of thermonuclear  reactions
, until it reaches the place where the temperatures are less than about ten million  degrees. Then hydrogen fusion will shut it
self off. Meanwhile the self-gravity of the Sun  will force a renewed contraction of its helium-rich core and a further increas
e in its  interior temperatures and pressures. The helium nuclei will be jammed together still more  tightly, so much so that t
hey beg
in to stick together, the hooks of their short-range  nuclear forces becoming engaged despite the mutual electrical repulsion. 
The ash will become  fuel, and the Sun will be triggered into a second round of fusion reactions. 

This process will generate the elements carbon and oxygen and provide additional  energy for the Sun to continue shining for a 
limited time. A star is a phoenix, destined to  rise for a time from its own ashes.* Under the combined influence of hydrogen f
usion in a  thin shell far from the solar interior and the high temperature helium fusion in the core,  the Sun will undergo a 
major change: its exterior will expand and cool. The Sun will become  a red giant star, its visible surface so far from its int
erior that the gravity at its  surface grows feeble, its atmosphere expanding into space in a kind of stellar gale. When  the S
un, ruddy and bloated, becomes a red giant, it will envelop and devour the planets  Mercury and Venus - and probably the Earth 
as well. The inner solar system will then reside  within the Sun.



* Stars more massive than the Sun achieve higher central temperatures and pressures  in their late evolutionary stages. They ar
e able to rise more than once from their ashes,  using carbon and oxygen as fuel for synthesizing still heavier elements.



Billions of years from now, there will be a last perfect day on Earth. Thereafter  the Sun will slowly become red and distended
, presiding over an Earth sweltering even at the  poles. The Arctic and Antarctic icecaps will melt, flooding the coasts of the
 world. The  high oceanic temperatures will release more water vapor into the air, increasing cloudiness,  shielding the Earth 
from sunlight and delaying the end a little. But solar evolution is  inexorable. Eventually the oceans will boil, the atmospher
e will evaporate away to space and  a catastrophe of the most immense proportions imaginable will overtake our planet.* In the 
 meantime, human beings will almost certainly have evolved into something quite different.  Perhaps our descendants will be abl
e to control or moderate stellar evolution. Or perhaps  they will merely pick up and leave for Mars or Europa or Titan or, at l
ast, as Robert  Goddard envisioned, seek out an uninhabited planet in some young and promising planetary  system. 



* The Aztecs foretold a time .when the Earth has become tired. . ., when the seed of  Earth has ended.. On that day, they belie
ved, the Sun will fall from the sky and the stars  will be shaken from the heavens.



The Sun.s stellar ash can be reused for fuel only up to a point. Eventually the time  will come when the solar interior is all 
carbon and oxygen, when at the prevailing  temperatures and pressures no further nuclear reactions can occur. After the central
 helium  is almost all used up, the interior of the Sun will continue its postponed collapse, the  temperatures will rise again
, triggering a last round of nuclear reactions and expanding the  solar atmosphere a little. In its death throes, the Sun will 
slowly pulsate, expanding and  contracting once every few millennia, eventually spewing its atmosphere into space in one or  mo
re concentric shells of gas. The hot exposed solar interior will flood the shell with  ultraviolet light, inducing a lovely red
 and blue fluorescence extending beyond the orbit of  Pluto. Perhaps half the mass of the Sun will be lost in this way. The sol
ar system will then  be filled with an eerie radiance, the ghost of the Sun, outward bound. 

When we look around us in our little corner of the Milky Way, we see many stars  surrounded by spherical shells of glowing gas,
 the planetary nebulae. (They have nothing to  do with planets, but some of them seemed reminiscent in inferior telescopes of t
he  blue-green discs of Uranus and Neptune.) They appear as rings, but only because, as with  soap bubbles, we see more of them
 at the periphery than at the center. Every planetary  nebula is a token of a star in extremis. Near the central star there may
 be a retinue of  dead worlds, the remnants of planets once full of life and now airless and ocean-free,  bathed in a wraithlik
e luminance. The remains of the Sun, the exposed solar core at first  enveloped in its planetary nebula, will be a small hot st
ar, cooling to space, collapsed to  a density unheard of on Earth, more than a ton per teaspoonful. Billions of years hence, th
e  Sun will become a degenerate white dwarf, cooling like all those points of light we see at  the centers of planetary nebulae
 from h
igh surface temperatures to its ultimate state, a  dark and dead black dwarf. 

Two stars of roughly the same mass will evolve roughly in parallel. But a more  massive star will spend its nuclear fuel faster
, become a red giant sooner, and be first to  enter the final white dwarf decline. There should therefore be, as there are, man
y cases of  binary stars, one component a red giant, the other a white dwarf. Some such pairs are so  close together that they 
touch, and the glowing stellar atmosphere flows from the distended  red giant to the compact white dwarf, tending to fall on a 
particular province of the  surface of the white dwarf. The hydrogen accumulates, compressed to higher and higher  pressures an
d temperatures by the intense gravity of the white dwarf, until the stolen  atmosphere of the red giant undergoes thermonuclear
 reactions, and the white dwarf briefly  flares into brilliance. Such a binary is called a nova and has quite a different origi
n from  a supernova. Novae occur only in binary systems and are powered by hydrogen fusion;  supernovae occur in single stars a
nd are 
powered by silicon fusion. 

Atoms synthesized in the interiors of stars are commonly returned to the  interstellar gas. Red giants find their outer atmosph
eres blowing away into space; planetary  nebulae are the final stages of Sunlike stars blowing their tops. Supernovae violently
 eject  much of their stellar mass into space. The atoms returned are, naturally, those most readily  made in the thermonuclear
 reactions in stellar interiors: Hydrogen fuses into helium, helium  into carbon, carbon into oxygen and thereafter, in massive
 stars, by the successive addition  of further helium nuclei, neon, magnesium, silicon, sulfur, and so on are built additions b
y  stages, two protons and two neutrons per stage, all the way to iron. Direct fusion of  silicon also generates iron, a pair o
f silicon atoms, each with twenty-eight protons and  neutrons, joining, at a temperature of billions of degrees, to make an ato
m of iron with  fifty-six protons and neutrons. 

These are all familiar chemical elements. We recognize their names. Such stellar  nuclear reactions do not readily generate erb
ium, hafnium, dysprosium, praseodymium or  yttrium, but rather the elements we know in everyday life, elements returned to the 
 interstellar gas, where they are swept up in a subsequent generation of cloud collapse and  star and planet formation. All the
 elements of the Earth except hydrogen and some helium  have been cooked by a kind of stellar alchemy billions of years ago in 
stars, some of which  are today inconspicuous white dwarfs on the other side of the Milky Way Galaxy. The nitrogen  in our DNA,
 the calcium in our teeth, the iron in our blood, the carbon in our apple pies  were made in the interiors of collapsing stars.
 We are made of starstuff. 

Some of the rarer elements are generated in the supernova explosion itself. We have  relatively abundant gold and uranium on Ea
rth only because many supernova explosions had  occurred just before the solar system formed. Other planetary systems may have 
somewhat  different amounts of our rare elements. Are there planets where the inhabitants proudly  display pendants of niobium 
and bracelets of protactinium, while gold is a laboratory  curiosity? Would our lives be improved if gold and uranium were as o
bscure and unimportant  on Earth as praseodymium? 

The origin and evolution of life are connected in the most intimate way with the  origin and evolution of the stars. First: The
 very matter of which we are composed, the  atoms that make life possible, were generated long ago and far away in giant red st
ars. The  relative abundance of the chemical elements found in the Cosmos matches the relative  abundance of atoms generated in
 stars so well as to leave little doubt that red giants and  supernovae are the ovens and crucibles in which matter has been fo
rged. The Sun is a second-  or third-generation star. All the matter in it, all the matter you see around you, has been  throug
h one or two previous cycles of stellar alchemy. Second: The existence of certain  varieties of heavy atoms on the Earth sugges
ts that there was a nearby supernova explosion  shortly before the solar system was formed. But this is unlikely to be a mere c
oincidence;  more likely, the shock wave produced by the supernova compressed interstellar gas and dust  and triggered the cond
ensatio
n of the solar system. Third: When the Sun turned on, its  ultraviolet radiation poured into the atmosphere of the Earth; its w
armth generated  lightning; and these energy sources sparked the complex organic molecules that led to the  origin of life. Fou
rth: Life on Earth runs almost exclusively on sunlight. Plants gather the  photons and convert solar to chemical energy. Animal
s parasitize the plants. Farming is  simply the methodical harvesting of sunlight, using plants as grudging intermediaries. We 
 are, almost all of us, solar-powered. Finally, the hereditary changes called mutations  provide the raw material for evolution
. Mutations, from which nature selects its new  inventory of life forms, are produced in part by cosmic rays - high-energy part
icles ejected  almost at the speed of light in supernova explosions. The evolution of life on Earth is  driven in part by the s
pectacular deaths of distant, massive suns. 

Imagine carrying a Geiger counter and a piece of uranium ore to some place deep  beneath the Earth - a gold mine, say, or a lav
a tube, a cave carved through the Earth by a  river of molten rock. The sensitive counter clicks when exposed to gamma rays or 
to such  high-energy charged particles as protons and helium nuclei. If we bring it close to the  uranium ore, which is emittin
g helium nuclei in a spontaneous. nuclear decay, the count  rate, the number of clicks per minute, increases dramatically. If w
e drop the uranium ore  into a heavy lead canister, the count rate declines substantially; the lead has absorbed the  uranium r
adiation. But some clicks can still be heard. Of the remaining counts, a fraction  come from natural radioactivity in the walls
 of the cave. But there are more clicks than can  be accounted for by radioactivity. Some of them are caused by high-energy cha
rged particles  penetrating the roof. We are listening to cosmic rays, produced in another age in the depths  of space. Cosmic 
rays, m
ainly electrons and protons, have bombarded the Earth for the entire  history of life on our planet. A star destroys itself tho
usands of light-years away and  produces cosmic rays that spiral through the Milky Way Galaxy for millions of years until,  qui
te by accident, some of them strike the Earth, and our hereditary material. Perhaps some  key steps in the development of the g
enetic code, or the Cambrian explosion, or bipedal  stature among our ancestors were initiated by cosmic rays. 

On July 4, in the year 1054, Chinese astronomers recorded what they called a .guest  star. in the constellation of Taurus, the 
Bull. A star never before seen became brighter  than any star in the sky. Halfway around the world, in the American Southwest, 
there was  then a high culture, rich in astronomical tradition, that also witnessed this brilliant new  star.* From carbon 14 d
ating of the remains of a charcoal fire, we know that in the middle  eleventh century some Anasazi, the antecedents of the Hopi
 of today, were living under an  overhanging ledge in what is today New Mexico. One of them seems to have drawn on the cliff  o
verhang, protected from the weather, a picture of the new star. Its position relative to  the crescent moon would have been jus
t as was depicted. There is also a handprint, perhaps  the artist.s signature.



* Moslem observers noted it as well. But there is not a word about it in all the  chronicles of Europe.



This remarkable star, 5,000 light-years distant, is now called the Crab Supernova,  because an astronomer centuries later was u
naccountably reminded of a crab when looking at  the explosion remnant through his telescope. The Crab Nebula is the remains of
 a massive  star that blew itself up. The explosion was seen on Earth with the naked eye for three  months. Easily visible in b
road daylight, you could read by it at night. On the average, a  supernova occurs in a given galaxy about once every century. D
uring the lifetime of a  typical galaxy, about ten billion years, a hundred million stars will have exploded - a  great many, b
ut still only about one star in a thousand. In the Milky Way, after the event  of 1054, there was a supernova observed in 1572,
 and described by Tycho Brahe, and another,  just after, in 1604, described by Johannes Kepler.* Unhappily, no supernova explos
ions have  been observed in our Galaxy since the invention of the telescope, and astronomers have been  chafing at the bit for 
some ce
nturies.



* Kepler published in 1606 a book called De Stella Nova, .On the New Star,. in which  he wonders if a supernova is the result o
f some random concatenation of atoms in the  heavens. He presents what he says is .. . . not my own opinion, but my wife.s: Yes
terday,  when weary with writing, I was called to supper, and a salad I had asked for was set before  me. .It seems then,. I sa
id, .if pewter dishes, leaves of lettuce, grains of salt, drops of  water, vinegar, oil and slices of eggs had been flying abou
t in the air for all eternity, it  might at last happen by chance that there would come a salad.. .Yes,. responded my lovely,  
.but not so nice as this one of mine.. .



Supernovae are now routinely observed in other galaxies. Among my candidates for the  sentence that would most thoroughly aston
ish an astronomer of the early 1900.s is the  following, from a paper by David Helfand and Knox Long in the December 6, 1979, i
ssue of the  British journal Nature: .On 5 March, 1979, an extremely intense burst of hard x-rays and  gamma rays was recorded 
by the nine interplanetary spacecraft of the burst sensor network,  and localized by time-of-flight determinations to a positio
n coincident with the supernova  remnant N49 in the Large Magellanic Cloud.. (The Large Magellanic Cloud, so-called because  th
e first inhabitant of the Northern Hemisphere to notice it was Magellan, is a small  satellite galaxy of the Milky Way, 180,000
 light-years distant. There is also, as you might  expect, a Small Magellanic Cloud.) However, in the same issue of Nature, E. 
P. Mazets and  colleagues of the Ioffe Institute, Leningrad - who observed this source with the gamma-ray  burst detector aboar
d the V
enera 11 and 12 spacecraft on their way to land on Venus - argue  that what is being seen is a flaring pulsar only a few hundre
d light-years away. But despite  the close agreement in position Helfand and Long do not insist that the gamma-ray outburst  is
 associated with the supernova remnant. They charitably consider many alternatives,  including the surprising possibility that 
the source lies within the solar system. Perhaps  it is the exhaust of an alien starship on its long voyage home. But a rousing
 of the stellar  fires in N49 is a simpler hypothesis: we are sure there are such things as supernovae. 

The fate of the inner solar system as the Sun becomes a red giant is grim enough.  But at least the planets will never be melte
d and frizzled by an erupting supernova. That is  a fate reserved for planets near stars more massive than the Sun. Since such 
stars with  higher temperatures and pressures run rapidly through their store of nuclear fuel, their  lifetimes are much shorte
r than the Sun.s. A star tens of times more massive than the Sun  can stably convert hydrogen to helium for only a few million 
years before moving briefly on  to more exotic nuclear reactions. Thus there is almost certainly not enough time for the  evolu
tion of advanced forms of life on any accompanying planets; and it will be rare that  beings elsewhere can ever know that their
 star will become a supernova: if they live long  enough to understand supernovae, their star is unlikely to become one. 

The essential preliminary to a supernova explosion is the generation by silicon  fusion of a massive iron core. Under enormous 
pressure, the free electrons in the stellar  interior are forceably melded with the protons of the iron nuclei, the equal and o
pposite  electrical charges canceling each other out; the inside of the star is turned into a single  giant atomic nucleus, occ
upying a much smaller volume than the precursor electrons and iron  nuclei. The core implodes violently, the exterior rebounds 
and a supernova explosion  results. A supernova can be brighter than the combined radiance of all the other stars in  the galax
y within which it is embedded. All those recently hatched massive blue-white  supergiant stars in Orion are destined in the nex
t few million years to become supernovae, a  continuing cosmic fireworks in the constellation of the hunter. 

The awesome supernova explosion ejects into space most of the matter of the  precursor star - a little residual hydrogen and he
lium and significant amounts of other  atoms, carbon and silicon, iron and uranium. Remaining is a core of hot neutrons, bound 
 together by nuclear forces, a single, massive atomic nucleus with an atomic weight about  1056, a sun thirty kilometers across
; a tiny, shrunken, dense, withered stellar fragment, a  rapidly rotating neutron star. As the core of a massive red giant coll
apses to form such a  neutron star, it spins faster. The neutron star at the center of the Crab Nebula is an  immense atomic nu
cleus, about the size of Manhattan, spinning thirty times a second. Its  powerful magnetic field, amplified during the collapse
, traps charged particles rather as  the much tinier magnetic field of Jupiter does. Electrons in the rotating magnetic field  
emit beamed radiation not only at radio frequencies but in visible light as well. If the  Earth happens to lie in the beam of t
his cos
mic lighthouse, we see it flash once each  rotation. This is the reason it is called a pulsar. Blinking and ticking like a cosm
ic  metronome, pulsars keep far better time than the most accurate ordinary clock. Long-term  timing of the radio pulse rate of
 some pulsars, for instance, one called PSR 0329+54,  suggests that these objects may have one or more small planetary companio
ns. It is perhaps  conceivable that a planet could survive the evolution of a star into a pulsar; or a planet  could be capture
d at a later time. I wonder how the sky would look from the surface of such  a planet. 

Neutron star matter weighs -about the same as an ordinary mountain per teaspoonful -  so much that if you had a piece of it and
 let it go (you could hardly do otherwise), it  might pass effortlessly through the Earth like a falling stone through air, car
ving a hole  for itself completely through our planet and emerging out the other side - perhaps in China.  People there might b
e out for a stroll, minding their own business, when a tiny lump of  neutron star plummets out of the ground, hovers for a mome
nt, and then returns beneath the  Earth, providing at least a diversion from the routine of the day. If a piece of neutron  sta
r matter were dropped from nearby space, with the Earth rotating beneath it as it fell,  it would plunge repeatedly through the
 rotating Earth, punching hundreds of thousands of  holes before friction with the interior of our planet stopped the motion. B
efore it comes to  rest at the center of the Earth, the inside of our planet might look briefly like a Swiss  cheese until the 
subterr
anean flow of rock and metal healed the wounds. It is just as well  that large lumps of neutron star matter are unknown on Eart
h. But small lumps are  everywhere. The awesome power of the neutron star is lurking in the nucleus of every atom,  hidden in e
very teacup and dormouse, every breath of air, every apple pie. The neutron star  teaches us respect for the commonplace. 

A star like the Sun will end its days, as we have seen, as a red giant and then a  white dwarf. A collapsing star twice as mass
ive as the Sun will become a supernova and then  a neutron star. But a more massive star, left, after its supernova phase, with
, say, five  times the Sun.s mass, has an even more remarkable fate reserved for it - its gravity will  turn it into a black ho
le. Suppose we had a magic gravity machine - a device with which we  could control the Earth.s gravity, perhaps by turning a di
al. Initially the dial is set at 1  g* and everything behaves as we have grown up to expect. The animals and plants on Earth an
d  the structures of our buildings are all evolved or designed for 1 g. If the gravity were  much less, there might be tall, sp
indly shapes that would not be tumbled or crushed by their  own weight. If the gravity were much more, plants and animals and a
rchitecture would have to  be short and squat and sturdy in order not to collapse. But even in a fairly strong gravity  field, 
light w
ould travel in a straight line, as it does, of course, in everyday life.



* 1 g is the acceleration experienced by falling objects on the Earth, almost 10  meters per second every second. A falling roc
k will reach a speed of 10 meters per second  after one second of fall, 20 meters per second after two seconds, and so on until
 it strikes  the ground or is slowed by friction with the air. On a world where the gravitational  acceleration was much greate
r, falling bodies would increase their speed by correspondingly  greater amounts. On a world with 10 g acceleration, a rock wou
ld travel 10 x 10 m/sec or  almost 100 m/sec after the first second, 200 m/sec after the next second, and so on. A  slight stum
ble could be fatal. The acceleration due to gravity should always be written with  a lowercase g, to distinguish it from the Ne
wtonian gravitational constant, G, which is a  measure of the strength of gravity everywhere in the universe, not merely on wha
tever world  or sun we are discussing. (The Newtonian relationship of the two quantities is F = mg =  GMm/r2; g = GM/r2, where 
F is th
e gravitational force, M is the mass of the planet or star,  m is the mass of the falling object, and r is the distance from th
e falling object to the  center of the planet or star.)



Consider a possibly typical group of Earth beings, Alice and her friends from Alice  in Wonderland at the Mad Hatter.s tea part
y. As we lower the gravity, things weigh less.  Near 0 g the slightest motion sends our friends floating and tumbling up in the
 air. Spilled  tea - or any other liquid - forms throbbing spherical globs in the air: the surface tension  of the liquid overw
helms gravity. Balls of tea are everywhere. If now we dial 1 g again, we  make a rain of tea. When we increase the gravity a li
ttle - from 1 g to, say, 3 or 4 g.s -  everyone becomes immobilized: even moving a paw requires enormous effort. As a kindness 
we  remove our friends from the domain of the gravity machine before we dial higher gravities  still. The beam from a lantern t
ravels in a perfectly straight line (as nearly as we can  see) at a few g.s, as it does at 0 g. At 1000 g.s, the beam is still 
straight, but trees  have become squashed and flattened; at 100,000 g.s, rocks are crushed by their own weight.  Eventually, no
thing a
t all survives except, through a special dispensation, the Cheshire  cat. When the gravity approaches a billion g.s, something 
still more strange happens. The  beam of light, which has until now been heading straight up into the sky, is beginning to  ben
d. Under extremely strong gravitational accelerations, even light is affected. If we  increase the gravity still more, the ligh
t is pulled back to the ground near us. Now the  cosmic Cheshire cat has vanished; only its gravitational grin remains. 

When the gravity is sufficiently high, nothing, not even light, can get out. Such a  place is called a black hole. Enigmaticall
y indifferent to its surroundings, it is a kind of  cosmic Cheshire cat. When the density and gravity become sufficiently high,
 the black hole  winks out and disappears from our universe. That is why it is called black: no light can  escape from it. On t
he inside, because the light is trapped down there, things may be  attractively well-lit. Even if a black hole is invisible fro
m the outside, its gravitational  presence can be palpable. If, on an interstellar voyage, you are not paying attention, you  c
an find yourself drawn into it irrevocably, your body stretched unpleasantly into a long,  thin thread. But the matter accretin
g into a disk surrounding the black hole would be a  sight worth remembering, in the unlikely case that you survived the trip. 


Thermonuclear reactions in the solar interior support the outer layers of the Sun  and postpone for billions of years a catastr
ophic gravitational collapse. For white dwarfs,  the pressure of the electrons, stripped from their nuclei, holds the star up. 
For neutron  stars, the pressure of the neutrons staves off gravity. But for an elderly star left after  supernova explosions a
nd other impetuosities with more than several times the Sun.s mass,  there are no forces known that can prevent collapse. The s
tar shrinks incredibly, spins,  reddens and disappears. A star twenty times the mass of the Sun will shrink until it is the  si
ze of Greater Los Angeles; the crushing gravity becomes 1010 g.s, and the star slips  through a self-generated crack in the spa
ce-time continuum and vanishes from our universe. 

Black holes were first thought of by the English astronomer John Michell in 1783.  But the idea seemed so bizarre that it was g
enerally ignored until quite recently. Then, to  the astonishment of many, including many astronomers, evidence was actually fo
und for the  existence of black holes in space. The Earth.s atmosphere is opaque to X-rays. To determine  whether astronomical 
objects emit such short wavelengths of light, an X-ray telescope must  be carried aloft. The first X-ray observatory was an adm
irably international effort, orbited  by the United States from an Italian launch platform in the Indian Ocean off the coast of
  Kenya and named Uhuru, the Swahili word for .freedom.. In 1971, Uhuru discovered a  remarkably bright X-ray source in the con
stellation of Cygnus, the Swan, flickering on and  off a thousand times a second. The source, called Cygnus X-1, must therefore
 be very small.  Whatever the reason for the flicker, information on when to turn on and off can cross Cyg  X-1 no faster than 
the spe
ed of light, 300,000 km/sec. Thus Cyg X-1 can be no larger than  [300,000 km/sec] x [(1/ 1000) sec] = 300 kilometers across. So
mething the size of an  asteroid is a brilliant, blinking source of X-rays, visible over interstellar distances.  What could it
 possibly be? Cyg X-1 is in precisely the same place in the sky as a hot blue  supergiant star, which reveals itself in visible
 light to have a massive close but unseen  companion that gravitationally tugs it first in one direction and then in another. T
he  companion.s mass is about ten times that of the Sun. The supergiant is an unlikely source of  X-rays, and it is tempting to
 identify the companion inferred in visible light with the  source detected in X-ray light. But an invisible object weighing te
n times more than the Sun  and collapsed into a volume the size of an asteroid can only be a black hole. The X-rays are  plausi
bly generated by friction in the disk of gas and dust accreted around Cyg X-1 from its  supergiant companion. Other stars calle
d V861 
Scorpii, GX339-4, SS433, and Circinus X-2 are  also candidate black holes. Cassiopeia A is the remnant of a supernova whose lig
ht should  have reached the Earth in the seventeenth century, when there were a fair number of  astronomers. Yet no one reporte
d the explosion. Perhaps, as I. S. Shklovskii has suggested,  there is a black hole hiding there, which ate the exploding stell
ar core and damped the  fires of the supernova. Telescopes in space are the means for checking these shards and  fragments of d
ata that may be the spoor, the trail, of the legendary black hole. 

A helpful way to understand black holes is to think about the curvature of space.  Consider a flat, flexible, lined two-dimensi
onal surface, like a piece of graph paper made  of rubber. If we drop a small mass, the surface is deformed or puckered. A marb
le rolls  around the pucker in an orbit like that of a planet around the Sun. In this interpretation,  which we owe to Einstein
, gravity is a distortion in the fabric of space. In our example, we  see two-dimensional space warped by mass into a third phy
sical dimension. Imagine we live in  a three-dimensional universe, locally distorted by matter into a fourth physical dimension
  that we cannot perceive directly. The greater the local mass, the more intense the local  gravity, and the more severe the pu
cker, distortion or warp of space. In this analogy, a  black hole is a kind of bottomless pit. What happens if you fall in? As 
seen from the  outside, you would take an infinite amount of time to fall in, because all your clocks -  mechanical and biologi
cal wou
ld be perceived as having stopped. But from your point of view,  all your clocks would be ticking away normally. If you could s
omehow survive the  gravitational tides and radiation flux, and (a likely assumption) if the black hole were  rotating, it is j
ust possible that you might emerge in another part of space-time -  somewhere else in space, somewhere else in time. Such worm 
holes in space, a little like  those in an apple, have been seriously suggested, although they have by no means been proved  to
 exist. Might gravity tunnels provide a kind of interstellar or intergalactic subway,  permitting us to travel to inaccessible 
places much more rapidly than we could in the  ordinary way? Can black holes serve as time machines, carrying us to the remote 
past or the  distant future? The fact that such ideas are being discussed even semi-seriously shows how  surreal the universe m
ay be. 

We are, in the most profound sense, children of the Cosmos. Think of the Sun.s heat  on your upturned face on a cloudless summe
r.s day; think how dangerous it is to gaze at the  Sun directly. From 150 million kilometers away, we recognize its power. What
 would we feel  on its seething self-luminous surface, or immersed in its heart of nuclear fire? The Sun  warms us and feeds us
 and permits us to see. It fecundated the Earth. It is powerful beyond  human experience. Birds greet the sunrise with an audib
le ecstasy. Even some one-celled  organisms know to swim to the light. Our ancestors worshiped the Sun,* and they were far  fro
m foolish. And yet the Sun is an ordinary, even a mediocre star. If we must worship a  power greater than ourselves, does it no
t make sense to revere the Sun and stars? Hidden  within every astronomical investigation, sometimes so deeply buried that the 
researcher  himself is unaware of its presence, lies a kernel of awe.



* The early Sumerian pictograph for god was an asterisk, the symbol of the stars.  The Aztec word for god was Teotl, and its gl
yph was a representation of the Sun. The heavens  were called the Teoatl, the godsea, the cosmic ocean.



The Galaxy is an unexplored continent filled with exotic beings of stellar  dimensions. We have made a preliminary reconnaissan
ce and have encountered some of the  inhabitants. A few of them resemble beings we know. Others are bizarre beyond our most  un
constrained fantasies. But we are at the very beginning of our exploration. Past voyages  of discovery suggest that many of the
 most interesting inhabitants of the galactic continent  remain as yet unknown and unanticipated. Not far outside the Galaxy th
ere are almost  certainly planets, orbiting stars in the Magellanic Clouds and in the globular clusters that  surround the Milk
y Way. Such worlds would offer a breathtaking view of the Galaxy rising -  an enormous spiral form comprising 400 billion stell
ar inhabitants, with collapsing gas  clouds, condensing planetary systems, luminous supergiants, stable middle-aged stars, red 
 giants, white dwarfs, planetary nebulae, novae, supernovae, neutron stars and black holes.  It would be clear from such a worl
d, as i
t is beginning to be clear from ours, how our  matter, our form and much of our character is determined by the deep connection 
between life  and the Cosmos.

CHAPTER X

The Edge of Forever

There is a thing confusedly formed, Born before Heaven and Earth. Silent and void It stands alone and does not change, Goes rou
nd and does not weary. It is capable of being the mother of the world. I know not its name So I style it .The Way.. I give it t
he makeshift name of .The Great.. Being great, it is further described as receding, Receding, it is described as far away, Bein
g far away, it is described as turning back. - Lao-tse, Tao Te Ching (China, about 600 B.C.)

There is a way on high, conspicuous in the clear heavens, called the Milky Way, brilliant  with its own brightness. By it the g
ods go to the dwelling of the great Thunderer and his  royal abode . . . Here the famous and mighty inhabitants of heaven have 
their homes. This is  the region which I might make bold to call the Palatine [Way] of the Great Sky. - Ovid, Metamorphoses (Ro
me, first century)

Some foolish men declare that a Creator made the world. The doctrine that the world was  created is ill-advised, and should be 
rejected. If God created the world, where was He  before creation? . . .How could God have made the world without any raw mater
ial? If you say  He made this first, and then the world, you are faced with an endless regression . . . Know  that the world is
 uncreated, as time itself is, without beginning and end. And it is based  on the principles . . . - The Mahapurana (The Great 
Legend), Jinasena (India, ninth century)

Ten or twenty billion years ago, something happened - the Big Bang, the event that began our  universe. Why it happened is the 
greatest mystery we know. That it happened is reasonably  clear. All the matter and energy now in the universe was concentrated
 at extremely high  density - a kind of cosmic egg, reminiscent of the creation myths of many cultures - perhaps  into a mathem
atical point with no dimensions at all. It was not that all the matter and  energy were squeezed into a minor corner of the pre
sent universe; rather, the entire  universe, matter and energy and the space they fill, occupied a very small volume. There was
  not much room for events to happen in.        In that titanic cosmic explosion, the universe began an expansion which has nev
er  ceased. It is misleading to describe the expansion of the universe as a sort of distending  bubble viewed from the outside.
 By definition, nothing we can ever know about was outside.  It is better to think of it from the inside, perhaps with grid lin
es imag
ined to adhere to  the moving fabric of space expanding uniformly in all directions. As space stretched, the  matter and energy
 in the universe expanded with it and rapidly cooled. The radiation of the  cosmic fireball, which, then as now, filled the uni
verse, moved through the spectrum - from  gamma rays to X-rays to ultraviolet light; through the rainbow colors of the visible 
 spectrum; into the infrared and radio regions. The remnants of that fireball, the cosmic  background radiation, emanating from
 all parts of the sky can be detected by radio  telescopes today. In the early universe, space was brilliantly illuminated. As 
time passed,  the fabric of space continued to expand, the radiation cooled and, in ordinary visible  light, for the first time
 space became dark, as it is today. 

The early universe was filled with radiation and a plenum of matter, originally  hydrogen and helium, formed from elementary pa
rticles in the dense primeval fireball. There  was very little to see, if there had been anyone around to do the seeing. Then l
ittle  pockets of gas, small nonuniformities, began to grow. Tendrils of vast gossamer gas clouds  formed, colonies of great lu
mbering, slowly spinning things, steadily brightening, each a  kind of beast eventually to contain a hundred billion shining po
ints. The largest  recognizable structures in the universe had formed. We see them today. We ourselves inhabit  some lost corne
r of one. We call them galaxies. 

About a billion years after the Big Bang, the distribution of matter in the universe  had become a little lumpy, perhaps becaus
e the Big Bang itself had not been perfectly  uniform. Matter was more densely compacted in these lumps than elsewhere. Their g
ravity drew  to them substantial quantities of nearby gas, growing clouds of hydrogen and helium that  were destined to become 
clusters of galaxies. A very small initial nonuniformity suffices to  produce substantial condensations of matter later on. 

As the gravitational collapse continued, the primordial galaxies spun increasingly  faster, because of the conservation of angu
lar momentum. Some flattened, squashing  themselves along the axis of rotation where gravity is not balanced by centrifugal for
ce.  These became the first spiral galaxies, great rotating pin-wheels of matter in open space.  Other protogalaxies with weake
r gravity or less initial rotation flattened very little and  became the first elliptical galaxies. There are similar galaxies,
 as if stamped from the  same mold, all over the Cosmos because these simple laws of nature - gravity and the  conservation of 
angular momentum - are the same all over the universe. The physics that  works for falling bodies and pirouetting ice skaters d
own here in the microcosm of