天文學的概念精選(九篇)

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第1篇：天文學的概念范文

Electronic Imaging in

Astronomy

2009

Hardcover

ISBN 9783540765820

Ian S. Mclean著

現(xiàn)代天文學非常依賴于對宇宙中微弱光信號的觀測和解釋。1970年貝爾實驗室首次發(fā)表了電荷耦合器件(CCD)的概念,天文學家看到了CCD對天文觀測的重要性,于是主動參與或支持專為天文設(shè)計的CCD 芯片研制。時至今日,CCD 芯片已經(jīng)廣泛用在天文臺上,專業(yè)的天文CCD芯片已近乎完美。

本書講述了近年來在天文觀測上取得的巨大發(fā)展成就。從1970年的CCD到當前超大望遠鏡時代,內(nèi)容涉及了整個光譜范圍內(nèi)獲得天文圖像的主要方法和技術(shù)。并使用CCD的發(fā)展過程將一系列天文學上的電子成像技術(shù)及方法聯(lián)系起來。

全書共14章,1.天文學中電子成像及其發(fā)展歷史;2.如何克服大氣層影響及自適應(yīng)光學的應(yīng)用;3.介紹了天文望遠鏡以及目前最新的超大天文望遠鏡技術(shù);4.闡述了天文觀測儀在天文發(fā)現(xiàn)上發(fā)揮的重大作用,同時說明分光儀和攝影機的工作原理;5.描述了天文學上觀測儀的分類,并介紹了半導(dǎo)體;6.進一步地講述了天文觀測儀的設(shè)計和建造。7-8.分別描述了CCD的工作原理和實際運作;9.描述了絕大多數(shù)電子成像儀器的校正問題,介紹了平場、信噪比等概念;10.介紹了圖像處理和分析技術(shù)。接下來幾章使用CCD的發(fā)展歷程把各個波長下的電子成像技術(shù)聯(lián)系了起來;11.紅外波長下的電子成像;12.紫外波長、x射線及γ射線波長下的電子成像。13.亞毫米波和無線電波長下的電子成像。14.對未來的天文觀測做了展望,描述了新的天文觀測儀的應(yīng)用前景。

本書作者麥克萊恩教授是將電子成像系統(tǒng)應(yīng)用到先進天文觀測儀中的世界性權(quán)威專家之一。他1974年在英國格拉斯哥大學獲得天文學博士學位。在愛丁堡皇家天文臺工作的十年間他開發(fā)了第一個基于CCD成像的分光偏振儀。他在凱克天文臺任職的10年間,也多次研制具有開創(chuàng)性的天文儀器。

本書講述了一系列基本的天文觀測技術(shù)和方法。使用詳細的案例研究重點闡述了攝影機、光譜儀、望遠鏡等天文觀測儀的工作原理和技術(shù)。適合光電專業(yè)讀者及對現(xiàn)代觀測天文學感興趣的高年級大學生和研究生閱讀。

張永杰,博士生

(中國科學院力學研究所)

第2篇：天文學的概念范文

（公元1686年～1734年）建造了目視天文觀測時代的最后一批重要天文臺。其中德里和齋浦爾的兩座至今存留，每年都吸引著大批的游客。

在印度，現(xiàn)代天文臺最初出現(xiàn)于英國殖民統(tǒng)冶時期。因發(fā)展星等概念和相關(guān)測量法而名留史冊的Norman Pogson，曾于1860年～1891年在印度的馬德拉斯天文臺工作。1868年8月18日，在南印度發(fā)生了一場日全食。當時，Pogson在觀測中發(fā)現(xiàn)了一條屬于某種未知元素的光譜譜線，后來這種元素被命名為氦。另兩位來印度觀測這次日食的天文學家Janssen和Lockyer，也對這一發(fā)現(xiàn)表示認可。1899年在科代卡那（Kodaikanal，位于印度南部的泰米爾邦?！g者注）建立了一座當時最先進的太陽天文臺。1909年，曾任臺長的John EveFshed在這里發(fā)現(xiàn)了太陽黑子的Evorshed效應(yīng)。

在天體物理學作為一門新興學科剛剛出現(xiàn)時，一個印度人——M·N·Saha——做出了一項里程碑式的巨大貢獻。1920年，他明確提出了Saha電離方程，并將其用于解釋恒星光譜。在廣義相對論被認為超越了物理學主流的年代里，在印度確立了這個新領(lǐng)域中的一個傳統(tǒng)研究領(lǐng)域。1943年，P·C·Vaidya對輻射的恒星提出了Vaidya度量；而到了1955年，A·K·Rayehaudhuri又提出了Rayehaudhuri方程，幾年后，這個方程成為了證明奇點定理的關(guān)鍵工具。

1947年印度獨立，此后四分之一個世紀里，建立了一些以天體物理學為主要研究領(lǐng)域的科研機構(gòu)。幾名在海外接受教育的印度科學家回到國內(nèi)，成為了發(fā)展新的天體物理學研究隊伍的領(lǐng)軍人物。M·K·V Bappu在班加羅爾建立了印度天體物理學研究所，科代卡那天文臺如今成為了該所的一個組成部分。在孟買的塔塔基礎(chǔ)領(lǐng)域研究所（Tata Institute of Fundamental Research）里，射電天文和理論天體物理的研究團組在G·Swarup和J·V·Narlikar的領(lǐng)導(dǎo)下日益壯大。1969年，這里的射電天文組建造了Ooty射電望遠鏡。在班加羅爾的拉曼研究所，在V·Radhakrishnan領(lǐng)導(dǎo)下，也建立了一個重要的天體物理學團隊。

現(xiàn)在，除了遍布印度各地的研究機構(gòu)中的規(guī)模不斷變化的天體物理學研究團組外，在印度還有兩個完全致力于天體物理學的主要研究機構(gòu)——班加羅爾的印度天體物理學研究所和浦那的印度各大學聯(lián)合天文學與天體物理學中心。在印度各地，還在不斷興建天文學觀測設(shè)備。在本文中，我們只能提及最大的射電天文設(shè)備和光學觀測設(shè)備。浦那附近的巨型米波射電望遠鏡擁有30架口徑45米的天線，是米波波段的世界最大的望遠鏡，由塔塔基礎(chǔ)領(lǐng)域研究所的印度國家射電天體物理學中心負責管理。喜馬拉雅錢德拉望遠鏡是一臺2米口徑的光學望遠鏡，位于喜馬拉雅山區(qū)的Hanle村，海拔高度約4300米，是世界上最優(yōu)良的觀測點之一。在不久的將來，印度也將在空間天文學領(lǐng)域取得迅速發(fā)展。印度的第一顆專門的天文衛(wèi)星Astrosat預(yù)計將于2013年發(fā)射，它將進行多波段觀測。

第3篇：天文學的概念范文

關(guān)鍵詞：高等教育；大學物理；天文學；教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）41-0072-03

一、引言

大學物理作為面向理工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課、必修課，其知識的掌握程度和能力的培養(yǎng)對后續(xù)專業(yè)知識的學習有著直接的影響，其重要性不可言喻。當然，有很多學生，特別是他們處在低年級，對這種重要性并沒有直觀的印象。所以，在實際教學活動中適當穿插一些相關(guān)專業(yè)或者前沿科技的知識，讓學生感受物理是如何被應(yīng)用的，從而提高學生對物理學習的興趣，激發(fā)其主動性和創(chuàng)造性。穿插的內(nèi)容也應(yīng)是學生普遍感興趣的，比如對學生所學專業(yè)或者是一些重大的科技進展。除此之外，我發(fā)現(xiàn)天文學是一個很好的穿插對象。天文學是研究宇宙空間天體、宇宙結(jié)構(gòu)和發(fā)展的學科，是一門古老的學科，也是當代最活躍的前沿學科之一，本身具有強大的吸引力，很容易抓住學生的注意力。而且關(guān)于天文學的新聞時常出現(xiàn)在各種媒體，對一些字眼和基本概念，學生也不會感覺太陌生，這樣也就容易拿來當作素材介紹，用物理理論來講解會讓學生對之理解得更深入透徹。本文通過幾個實例來介紹天文學知識是如何穿插在大學物理教學中的。

二、應(yīng)用實例

恒星是天體中大家都比較熟悉和關(guān)注的，比如離我們最近的恒星——天陽。下面我們就以恒星為例子，看看里面包含哪些物理過程。首先關(guān)于恒星的形成，恒星是分子云引力塌縮形成的。那在什么條件下分子云才可能塌縮形成恒星？如果僅僅只是引力，那么分子云內(nèi)任何微小的密度漲落必將導(dǎo)致引力塌縮，很自然就會形成恒星。剛剛學過氣體運動理論，就會想到分子熱運動不可避免。因此，分子云內(nèi)部必然存在著引力相抗衡的熱壓力。其結(jié)果是，較小的密度漲落產(chǎn)生的引力會被熱壓力所克服，并不能導(dǎo)致塌縮。只有當分子云本身密度較大時，才可能存在較強的密度漲落，從而引起引力不穩(wěn)定性，并導(dǎo)致塌縮。此時，熱壓力不足以抵抗引力導(dǎo)致的塌縮。這里只需要利用理想氣體壓強的概念，學生很容易順著這條思路找到答案。下面，我們來簡單估計產(chǎn)生引力不穩(wěn)定的臨界條件。假設(shè)分子云為理想氣體，溫度為T、密度為ρ?？紤]半徑為r的球，其質(zhì)量為M∝r3ρ，球體受到的引力為∝GM2/r2，熱壓力為∝Pr2。若氣體分子的平均分子質(zhì)量為m，利用理想氣體狀態(tài)方程，氣體壓強為P=ρkT/m。這樣就可以得到引力不穩(wěn)定發(fā)生的臨界尺度和臨界密度：r>rJ≈■，ρ>ρJ≈■ （1）.

上面的式子就是天文學中常用的金斯不穩(wěn)定性判據(jù)，更嚴格的解比上面的會多出一個常數(shù)π，但是作為量級來估計，（1）式已經(jīng)足夠了。

這里用的物理知識都很簡單基礎(chǔ)，很容易讓學生入手。通過這個例子，學生感覺自己也會用物理知識，而且跟天文更近了。

是不是滿足金斯不穩(wěn)定性引起引力塌縮就能形成恒星呢？這里還有一個關(guān)鍵的問題是關(guān)于恒星的點火條件。我們知道恒星能量來源于輕核聚變，例如天陽中心的氫核聚變。但是恒星內(nèi)部是否能夠發(fā)生核聚變呢？

事實上，核聚變會受到原子間庫侖勢壘的阻礙。下面我們可以簡單估計該勢壘的大小。在原子核物理簡介這一章，我們學習過原子核中核子半徑為rN=R0A1/3≈1.2A1/3fm，其中A為原子核質(zhì)質(zhì)量數(shù)。在大于rN的區(qū)域，庫侖作用主導(dǎo)，則兩個核電荷數(shù)分別為Z1和Z2，質(zhì)量數(shù)為A1和A2的原子核之間的庫侖勢壘為：Vc=■≈1.2■MeV （2）.

恒星中心典型溫度約107K，原子核的動能只有≈kT≈1keV？塏VC。因此，用經(jīng)典物理知識我們甚至無法理解太陽為什么會發(fā)光這樣基本的問題。但是，微觀粒子具有波粒二象性，這里需要考慮量子隧道效應(yīng)，只要核子動能足夠大，還是可以大規(guī)模穿過庫侖勢壘的，從而“點火”。這要求星體中心溫度不能太小，被稱為點火溫度。通過這個例子，學生感覺到像太陽這樣的宏觀天體，其核心的基本物理過程也需要借助微觀的量子效應(yīng)。

關(guān)于恒星的特征溫度，天文學中常用維里溫度來估算。這里需要用到維里定理是：E■■=-■Egr （3）.其中，Egr為星體的自引力能，E■■為星體的總熱能。上式表明，當星體收縮時，一半的自引力能被輻射掉，剩下的一半將轉(zhuǎn)化為熱能，增加恒星的溫度。我們可以用它來估計恒星內(nèi)部的特征溫度。

星體自引力能可以估計為Egr=-GM2/R，星體熱能Eth=■NkTvir，于是有■NkTvir≈■■=■■ （4）.這樣給出的溫度Tvir被稱為維里溫度。就以太陽為例，在上式中代入太陽質(zhì)量和半徑后，估算的特征溫度為Tvir≈6×106K，與標準模型得到的結(jié)果量級一致。

上式（4）其實也很容易理解，只是用了氣體動理論里面的一些基本知識。關(guān)鍵是維里定理怎么來的，下面我們給出一個簡單推導(dǎo)，同樣是用到這部分的基礎(chǔ)知識。

考慮星體內(nèi)部的流體靜力學平衡，某一半徑r流體元受到的引力與壓強梯度平衡，即：■=■ （5）.其中M（r）是半徑r所包圍的質(zhì)量，式子兩邊同乘以4πr3dr，并從星體中心到表面（假設(shè)恒星半徑為R）進行積分，即：■4πr3■dr=-■4πr3■dr （6）.

上式右邊為星體的自引力能Egr.我們對（6）式左邊做分部積分，即：■4πr3■dr=4πr3P（r）■■-3■4πr2P（r）dr （7）.一般將P（R）=0的地方定義為星體表面，因此右邊第一項為零。右邊第二項可以改寫為：-3■4πr2P（r）dr=-3V■=-3VP （8）.

其中P為星體的平均壓強，這與求平均速度的方法類似。綜合以上（6）～（8）式，我們得到引力束縛系統(tǒng)的維里公式：3VP=-Egr （9）.

仍然把星體內(nèi)氣體分子當作經(jīng)典理想氣體。利用理想氣體狀態(tài)方程PV=NkT，和氣體熱能Eth=■NkT，我們得到 P=■■。對其兩邊同乘以4πr2dr并積分有：PV=■E■■（10）.聯(lián)立上面的（9）式和（10）式，即可以自然得到維里定理。

還有其他一些天文學問題，如當恒星演化至晚期，恒星中心合成鐵元素后，若再進一步核聚變需要吸熱，在原子核物理章節(jié)，其中給出的核子的平均結(jié)合能曲線就是這個意思。其結(jié)果是晚期星體核心必然塌縮，通過核聚變的方式合成比鐵重的元素是不可能的。這些都是能夠緊密結(jié)合所學內(nèi)容，提出一些有趣的天文學問題，讓學生通過自己思考，能夠找到合理的解釋。只要留心，還能找到很多類似的例子。

三、總結(jié)

天文學本身具有很強的吸引力，容易引發(fā)學生的好奇心，因此在大學物理課程中穿插一些天文學知識能夠起到較好的教學效果，讓學生通過積極思考，感受如何運用物理知識，從而激發(fā)學習的主動性和創(chuàng)造性。另一方面，天文學作為一門古老的學科，作為自然科學的源泉，其發(fā)展對于人類的自然觀產(chǎn)生了重大影響，也最容易激發(fā)人們的求知欲望，理應(yīng)更受重視。在國外，高校大都開設(shè)有天文課，而國內(nèi)相對很少。我國是世界上天文學發(fā)展最早的國家之一，曾經(jīng)在天文觀測和研究中取得了不少世界矚目的成就，但在近代卻陷于停滯，落后于西方。目前國內(nèi)也僅有5所高校開設(shè)有天文專業(yè)，高校天文普及教育還亟待提高。在當前背景下，通過這樣的結(jié)合也有助于天文學知識的普及，讓學生在感受美妙的天文現(xiàn)象的同時，也思考其中的物理奧秘，切身感受到運用物理知識的確能使我們更加了解天文。

參考文獻：

[1]徐仁新.天體物理導(dǎo)論[M].北京：北京大學出版社，2006.

第4篇：天文學的概念范文

1．水晶球體系的形成。

同心天球體系的概念可以追溯到古希臘的Parmenides，甚至更早的 Pythagoras。〔1〕〔2〕但真正建立起可以定量描述天體運動的體系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一個梗概，較詳細的內(nèi)容則見于公元六世紀時Simplicius對亞里士多德(Aristotle)《論天》一書所作的注釋中。Eudoxus采用一套以地球為中心的同心球組，通過各球轉(zhuǎn)軸的不同取向以及轉(zhuǎn)速(皆勻速)和轉(zhuǎn)向的不同組合來描述天體視運動。這一體系的建立在小輪理論的奠基人Apollonius之前百余年，比托勒密(Ptolemy)早四個世紀以上。后來小輪理論大行于世，Eudoxus體系遂湮沒無聞。直到十九世紀才有Schiaparelli作了系統(tǒng)研究〔3〕，發(fā)現(xiàn)Eudoxus體系已能描述行星的順、留、逆等視運動，其中對土星、木星很成功，水星亦尚可，金星很差，火星則完全失敗。有的學者持論稍嚴，認為只有土、木令人滿意?！?〕

Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般認為他只是用幾何方法來表示和計算天象，不過這個結(jié)論是從Aristotle和Simplieius著作中的第二手材料得出的，由于Eudoxus原著皆已佚失，第一手材料不可得。

Callippus對Eudoxus體系作過一些改進，而Aristotle在兩人工作的基礎(chǔ)上建立了水晶球體系。他的發(fā)展大致可歸結(jié)為三方面：

首先，他把Eudoxus假想的球?qū)幼優(yōu)閷嶓w，并認為諸球?qū)咏杂刹簧粶?、完全透明、硬不可人的物質(zhì)構(gòu)成，水晶球之名即由此而來。日月行星和恒星則附著于各自的球?qū)由媳粩y帶著運轉(zhuǎn)，整個宇宙是有限而封閉的，月球軌道以上的部分萬古不變。這意味著新星爆發(fā)、彗星、流星等天象只能是大氣層中的現(xiàn)象。

第二，Aristotle把Eudoxus原來各自獨立轉(zhuǎn)動的諸球變成一個整體，其轉(zhuǎn)動皆由最外層的天球傳遞下來。不過我們發(fā)現(xiàn)，在Aristotle原著中并沒有宗動天這一球?qū)?。他的安排是：“第一天為恒星天……恒星天為總動天”，并闡述說：“第一原理或基本實是創(chuàng)作第一級單純永恒運動，而自己絕不運動，也不附帶地運動。……又因為我們見到了所說不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運動以外，還有其他空間運動——如行星運動——那也是永恒的?！薄?〕這段話并不難理解，“不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運動”即指恒星天球的周日運動，由此帶動其他天球運動?？梢姾阈翘烨蛑系淖趧犹飚斒呛笕怂樱@一點值得注意。

第三，由于各天球不再是獨立轉(zhuǎn)動，他不得不引入一系列“平衡天球”來抵消上一層天球的運動，“而使每一天球下層諸行星得以回復(fù)其位置”〔6〕。不過平衡天球為何能反轉(zhuǎn)，他未說明。

2．托勒密與水晶球體系。

把托勒密(Ptolemy)的名字和水晶球體系連在一起，這在國內(nèi)外著作中都很常見，但這樣做是有問題的。在《至大論》中，我們沒有發(fā)現(xiàn)任何水晶球的觀念。他在全書一開頭就表示他的研究將用幾何表示(geometrical demonstrations)之法進行。在開始討論行星運動時他說得更明白：“我們的問題是表示五大行星和日、月的所有視差數(shù)——用規(guī)則的圓周運動所生成。”〔7〕他把本輪、偏心圓等視為幾何表示，或稱為“圓周假說的方式”。顯然，他心目中并無任何實體天球，而只是一些假想的空中軌跡。

Ptolemy另一部著作《行星假說》在希臘文手稿中僅保存下前一部分，但在九世紀的阿拉伯譯本中卻有全璧。阿文本中的后一部分通常被稱為“假說Ⅱ”。其中出現(xiàn)了許多實體的球，但又與Aristole的體系不同。這里每個天體有自己的一個厚球?qū)?，各厚層之間又有“以太殼層”(ether shell)，厚層中則是實體的偏心薄球殼，天體即附于其上。這里的偏心球殼實際上起了《至大論》中本輪的作用。〔8〕不過“假說Ⅱ”在歐洲失傳已久，阿文譯本直到1967年才首次出版；況且其中雖有實體球殼，但與水晶球體系大不相同，因此Ptolemy的名字何以會與水晶球體系連在一起，和“假說Ⅱ”并無直接關(guān)系。其原因應(yīng)該另外尋找。

然而，“假說Ⅱ”對中世紀阿拉伯天文學的影響卻不容忽視。阿拉伯天文學家曾提出過許多類似水晶球的體系。比較重要的有A1 Bat-tani，他主張Aristotle的體系。〔9〕稍后有Ibnal-Haythan，他對《至大論》中的幾何表示之法大為不滿，試圖尋求物理機制，因而主張類似“假說Ⅱ”中的體系?！?0〕Nasir ad-DinAlTusi則主張一種由許多大小不同的球相互外切或內(nèi)切組成的體系，各球以不同的方向和速度旋轉(zhuǎn)，他自認為這是前人未得之秘。〔11〕此外還有A1Kazwini、Abu’l Faraj和Al Jagmini等，都詳細討論過水晶球體系。

“假說Ⅱ”既與《至大論》大異其趣，偏偏又只保存在阿拉伯譯本中，而類似的體系在阿拉伯天文學中又如此流行，因此有人懷疑“假說Ⅱ”中可能雜有阿拉伯天文學家的工作。〔12〕這是有道理的。

3．水晶球體系成為教條。

水晶球體系所以會成為教會欽定的教條，主要和Albertus Magnus及T．Aquinas師徒兩人的工作有關(guān)。Albertus以Aristotle龐大的哲學體系為基礎(chǔ)，創(chuàng)立丁經(jīng)院哲學體系?！?3〕Aquinas則幾乎把Aristotle學說全盤與神學相結(jié)合。他也寫了一部對《論天》的注釋，巧妙地將Aristotle的天文學說與《圣經(jīng)》一致起來。〔14〕并特別引用Ptolemy的著作來證明地心和地靜之說?！?5〕

這里必須強調(diào)指出，Aristotle的學說直到13世紀初仍被教會視為異端，多次下令禁止在大學里講授。此后情況才逐漸改變〔16〕〔17〕，1323年教皇宣布Aquinas為“圣徒”，標志著他的學說得到了教會官方的認可，這也正是Aristotle學說——包括水晶球體系在內(nèi)——成為欽定之時。這一點在許多哲學史著作中都是很清楚的，但在科學史論著中卻廣泛流行著“亞里士多德和托勒密僵硬的同心水晶球概念，曾束縛歐洲天文學思想一千多年”〔18〕之類的說法，而且遞相祖述，這種說法有兩方面的問題。

首先，在13世紀之前Aristotle和Ptolemy的學說與其他古希臘學說一樣，在歐洲還鮮有人知，根本談不到“束縛”歐洲的天文學思想。即使從14世紀獲得欽定地位算起，能起束縛作用的時間也不到四百年。其次，水晶球體系是Aristotle的學說，雖然Aquinas兼采了Ptolemy的著作，但若因此就把水晶球的賬攤一份(甚至全部)到Ptolemy頭上，至少是過于簡單化了。特別是在科學史論著中，更以區(qū)分清楚為妥。

事實上水晶球體系與Ptolemy的幾何表示是難以相洽的。前者天球?qū)訉酉嘟?，毫無間隙；而后者是天體自身運動，在空間中劃出軌跡。C．Purbach在1473年已經(jīng)明確指出這一點，為了調(diào)和兩者，他主張一種中空的水晶球殼，其內(nèi)可容納小輪?！?9〕然而理論上的不相洽并不妨礙二者在實際上共存，天文學家可以一面在總的宇宙圖式上接受水晶球體系，一面用本輪均輪體系來解決具體的天文學計算問題，這種現(xiàn)象在水晶哉他蔡帚缽袖拋春少前相當普諞。

二 幾位著名近代天文學家對水晶球體系的態(tài)度

1．哥白尼在這個問題上的態(tài)度。

最近有人提出，哥白尼(Copernicus)主張以太陽為中心的—同心水晶球體系。不僅各行星皆由實體天球攜載，而且諸天球?qū)訉酉嘟?，充滿行星際空間〔20〕，理由是Copernicus那張著名的宇宙模式圖〔21〕多了一個環(huán)。我們認為這一說法未免穿鑿附會，很難成立。理由有四：

①由于行星與太陽的距離有一個變動范圍，因此圖中兩環(huán)之間的空間完全可以理解為行星的活動范圍；又因該圖只是示意圖，也就沒有必要給出精確的比例。②如果對圖的解釋有歧義，那顯然原書的文字論述更重要，但Copernicus在這一章中根本未談到過實體天球，文〔21〕全書的其他部分也沒有任何這類主張。相反他一直使用“軌道”(orbital circles)一詞，還談到“金星與火星軌道之間的空間”〔22〕，這些都是與實體密接天球完全不相容的概念。Rosen也曾指出，Copernicus即使使用“sphaeta”、“orbit”等詞，多數(shù)情況下也是指二維圓環(huán)，即天體的運行軌道?！?3〕③Copernicus既然主張日心地動，地球已成行星之一，那么如果設(shè)想既有公轉(zhuǎn)又有自轉(zhuǎn)的地球是被一個實體水晶球所攜載，無論如何無法與人們的直接感覺相一致。除非認為地球及其上的萬物都被“澆鑄”于水晶球體之內(nèi)，如同琥珀中的小蟲那樣才行。④Copemicus在《要釋》中說得更明確：“Callipus和Eudoxus力圖用同心球來解決這個問題，但他們未能解釋行星的所有運動，……因此看來還是使用大多數(shù)學者最后都接受了的偏心圓和本輪體系為好?！薄?4〕

2．第谷對水晶球體系的打擊。

第谷(Tycho)并不主張日心地動之說，但他卻給水晶球體系以致命打擊。1572年超新星爆發(fā)，他用各種方法反復(fù)觀測，斷定該星必在恒星空間，而按水晶球體系的理論，這種現(xiàn)象只能出現(xiàn)在月球下界。不過翌年他發(fā)表其觀測工作時，尚未與水晶球體系決裂?！?5〕1577年又出現(xiàn)大彗星，TYcho的觀測無可懷疑地表明：該彗星在行星際空間，且穿行于諸行星軌道之間。于是他斷然拋棄了水晶球，發(fā)表了他自己的宇宙新體系(1588)。他明確指出：“天空中確實沒有任何球體?！斎唬瑤缀跛泄糯驮S多當今的哲學家都確切無疑地認為天由堅不可人之物造成，分為許多球?qū)?，而天體則附著其上，隨這些球運轉(zhuǎn)。但這種觀點與事實不符。”〔26〕Tycho反對水晶球的三條主要理由后來開普勒(Kepler)曾概述如下：①彗星穿行于諸行星軌道間，故行星際空間不可能有實體天球。②如真有層層水晶球，則必有巨大折射，天象將大異于實際所見者。③火星軌道與太陽軌道相割(這是Tycho體系的特點)，表明沒有實體天球。〔27〕

Tvcho對超新星和彗星的觀測是那個時代對水晶球教條最有力的打擊。對于其他反對理由，水晶球捍衛(wèi)者皆可找到遁詞，比如折射問題，可以推說天界物質(zhì)未必服從地上的光學定律；火日軌道相割問題可以用否認Tycho體系的正確性來回避；對日心地動說與水晶球的不相容也可仿此處理。但對于Tycho提供的觀測事實，就很難回避。S．Chiaramonti為此專門寫了兩部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否認Tycho的觀測結(jié)果。

3。開普勒、伽里略和其他人。

開普勒(Kepler)斷然否認有實體天球，并認為行星際空間“除了以太再無別物”〔28〕。伽里略(Galileo)除了嘲笑和挖苦水晶球體系的捍衛(wèi)者，還力斥Chiaramonti著作之謬?！?9〕此兩人皆力主日心地動之說，他們對水晶球體系的態(tài)度無疑是Copernicus學說與水晶球體系不相容的有力旁證之一。

這一時期除了上述四位最重要的天文學家外，還有不少著名人物也反對水晶球體系。T．Campanella借太陽城人之口表示“他們痛恨亞里士多德……并且根據(jù)一些反常的現(xiàn)象提出了許多證據(jù)來反對世界永恒存在的說法”〔30〕。C．Bruno和W．Gilbert的態(tài)度更為明確，已有人注意到了?！?1〕

三 水晶球體系在中國傳播的情況

關(guān)于水晶球體系在中國的情況，李約瑟的說法影響很大。他認為“耶穌會傳教士帶去的世界圖式是托勒密-亞里士多德的封閉的地心說；這種學說認為，宇宙是由許多以地球為中心的同心固體水晶球構(gòu)咸的”，又說“存宇宙結(jié)構(gòu)問題亡，傳教士們硬要把一種基本上錯誤的圖式(固體水晶球說)強加給一種基本上正確的圖式(這種圖式來自古宣夜說，認為星辰浮于無限的太空)”〔32〕。他的說法曾被許多文章和著作引用，但是我們不得不指出，李約瑟的說法至少不很全面。

眾所周知，耶穌會土在中國所傳播的西方天文學知識，主要匯集在《崇禎歷書》中。這部百余卷的巨著于1634年修成之后，很快風靡了中國的天文界，成為中國天文學家研究西方天文學最重要的材料。1645年，又由清政府以《西洋新法歷書》之名正式頒行。此書采用Tyeho的宇宙體系，不僅沒有采用任何固體水晶球的說法，恰恰相反，它明確否定了水晶球體系： 問：古者諸家日天體為堅為實為徹照，今法火星圈割太陽之圈，得非明背昔賢之成法乎?曰：自古以來測候所急，追天為本，必所造之法與密測所得略無乖爽，乃為正法?！且陨峁艔慕?，良非自作聰明，妄違迪哲?！?3〕

必須注意，這段論述的作者羅雅谷(Jacobus Rho)和湯若望(J．Adam Shall von Bell)皆為耶穌會士，這又從另一側(cè)面反映出天主教會欽定的水晶球教條在當時失敗的情形——連教會自己的天文學家也拋棄這個學說了。

雖然早期來華耶穌會土中利瑪竇(Matthaeus Ricci)和陽瑪諾(Emmanuel Diaz)兩人曾在他們的宣傳介紹性小冊子中傳播過水晶球之說〔34〕〔35〕，但其影響與《崇禎歷書》相比是微不足道的。況且他們僅限于談?wù)撚钪鎴D式，而這并不能解決任何具體的天文學問題，因此也不被中國天文學家所重視。

清代中國天文學家對各層天球或軌道是否為實體有過熱烈討論。王錫闡主張“若五星本天則各自為實體”〔36〕，梅文鼎則認為“故惟七政各有本天以為之帶動，斯能常行于黃道而不失其恒；惟七政之在本天又能自動于本所，斯可以施諸小輪而不礙”〔37〕。這與Purbach的折衷想法頗相似。王、梅兩人是否受過水晶球理論的影響，目前還缺乏足夠的史料來斷言。何況當時“本天”一詞往往被用來指二維圓環(huán)，即天體軌道。而更多的天文學家認為連這樣的二維軌道也非實體。焦循說：“可知諸論皆以實測而設(shè)之。非天之真有諸輪也?！薄?8〕江永也承認非實體：“則在天雖無輪之形質(zhì)，而有輪之神理，雖謂之實有焉可也?！薄?9〕阮元力言實體論之謬：“此蓋假設(shè)形象，以明均數(shù)之加減而已，而無識之徒……遂誤認蒼蒼者天果有如是諸輪者，斯真大惑矣!”〔40〕盛百二也說：“舊說諸天重重包裹皆為實體，乃細測火星能割人日天，金水二星又時在日上，時在日下，使本天皆為實體，焉能出人無礙?”〔41〕值得注意的是，焦循等人皆已領(lǐng)悟了Ptolemy“幾何表示”的思想。這一思想可以上溯到Eudoxus，而Copernicus、Tycho，直到Kepler，皆一脈相承。既然認為二維軌道也非實體，當然更不會接受三維的實體天球。事實上，幾乎所有的清代天文學家都接受Tycho宇宙體系，或是經(jīng)過他們自己改進的Tycho體系，而不是水晶球體系。

Eudoxus的同心球體系被認為是數(shù)學假設(shè)，其本質(zhì)與后來的小輪體系并無不同，而古希臘數(shù)理天文學的傳統(tǒng)即發(fā)端于此。Aristotle將其發(fā)展為水晶球體系，卻在很大程度上出于哲學思辨。但他或許帶有尋求天體運動物理機制的積極傾向，這種傾向后來一度在阿拉伯天文學中有所加強。當水晶球體系在14世紀成為教條之后，就束縛了天文學的發(fā)展，以至Galileo等人不得不付出沉重代價來沖破它。舉例來說，超新星、彗星和太陽黑子，本來無論地心說還是日心說都可以接受，但在水晶球體系中就不能容忍。水晶球體系傳人中國之后，如果曾起過某些作用的話，同樣也是消極的。比如王錫闡，他主張?zhí)烨驅(qū)嶓w論，并由此認為火星與太陽軌道相割為不可能，因而試圖修改Tycho體系。如果他是受了水晶球理論的影響，那么這種影響看來只是引起了他思路的混亂，因為他對Tycho宇宙體系的修改是不成功的?！?2〕

參考文獻

〔1〕J．L．E．Dreyer，A History of Astronomy from Thales to Kepler，Dover，(1953)，P．21

〔2〕Aristotle：《形而上學》，13頁，吳壽彭譯，商務(wù)印書館，1983。

〔3〕Schiaparelli，Ie sfere omocentriche di Eudosso，di Callippo e di Aristotle，Milano(1875)．

〔4〕ONeugebauer，A History Of Ancient Mathematical Astronomy，Springer-Verlag(1975)，IV Cl，2B．

〔5〕Aristotle，〔2〕，P·249－250．

〔6〕Aristotle，〔2〕，P．251．

〔7〕Ptolemy，Almagest，IX2，Great-Books Of the Western World，Encyclopaedia Britannica，1980，16，P．270．

〔8〕Neugebauer，〔4〕，VB7，7．

〔9〕Dreyer，〔1〕，P．257．

〔10〕N．M．Swerdlow，O．Neugebauer，Mathematical Astronomy in Copernicus’s De Revolutionibus ，Springer Verlag．1984，P．44．

〔11〕Dreyer，〔1〕，P．268．

〔12〕Neugebauer，〔4〕，VB 7，6．

〔13〕F．ThiUy：《西方哲學史》，葛力譯，218頁，商務(wù)印書館，1975.

〔14〕Dreyer，〔1〕，P．232．

〔15〕Ptolemy，〔7〕，15，17．

〔16〕W．C．Dampier：《科學史及其與哲學和宗教的關(guān)系》，李珩譯，138頁，商務(wù)印書館，1975。

〔17〕B．Russell：《西方哲學史》，何兆武等譯，550頁．商備印書館，1982。

〔18〕李約瑟：《中國科學技術(shù)史》第四卷，中譯本，115頁，科學出版社，1975。

〔19〕A．Berry，A Short History of Astronomy，Dover，(1961)，Ch．Ⅲ，§68．

〔20〕Swerdlow，Neugegauer，〔10〕，P．56，P．474．

〔21〕Copernicus，De Revolutionibus，110，GreatBooks Of the Western World．Encvclomedinritannica，(1980)，16，P．526．又，該圖手稿影印件可見〔20〕，572頁。

〔22〕Copernicus，〔21〕，110．

〔23〕E．Rosen，3 CopernicanTreatises，Dover，(1959)P．11．

〔24〕Copernicus，Commentariolus，〔23〕，P．57．

〔25〕Tycho，De Nova stella，H．Shapley，H．E．Howarth，A Source Book in Astronomy，Mc-Graw-Hill，(1929)P．13—19．

〔26〕Tycho，Opera Omnia，ed．Dreyer，Copehagen，1913—1929，Ⅳ，P~222．Quoted by 〔23〕，P．12．

〔27〕Kepler，Epitom Astrohomiae Copernicanae，411，Great Books Of the Western World，Encyclopaedia Britannice，(1980)，16，P·856--857．

〔28〕Kepler，〔27〕，P．857．

〔29〕Galileo，Dialogo，The Univ．Of Chicago Press，1957．

〔30〕T．CampaneHa：《太陽城》，陳大維等譯，商務(wù)印書館，1982。

〔31〕李約瑟，〔18〕，P．647－648。

〔32〕李約瑟，〔18〕，P．643－646。

〔33〕《西洋新法歷書》：五緯歷指卷一。

〔34〕利瑪竇：《乾坤體義》卷上。

〔35〕陽瑪諾：《天問略》。

〔36〕王錫闡：《五星行度解》。

〔37〕梅文鼎：《歷學疑問》卷一。

〔38〕焦循：《釋輪》卷上。

〔39〕江永：《數(shù)學》卷六。

〔40〕阮元：《疇人傳》卷四十六。

第5篇：天文學的概念范文

【關(guān)鍵詞】:物理成就；科研方法；實驗方法；經(jīng)驗積累；獨立思考

中圖分類號：G633 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8809（2010）05-0089-01

歷史上很多科學家創(chuàng)造了奇跡，他們除了具有淵博的理論知識外，多數(shù)會使用比較實用而奇特的研究方法。這些方法看似簡單，人們卻較難想到。在歷史上愛因斯坦和伽利略都對物理學的發(fā)展做出過杰出的貢獻，并且他們使用的科研方法也都具有突出特點。

一、愛因斯坦的科研方法及主要成就

美國科學家，現(xiàn)代物理學的開創(chuàng)者和奠基人阿爾伯特愛因斯坦，在物理理論研究中有自己獨到的方法，實證與思辨結(jié)合是他經(jīng)常使用的方法。他在研究中尤其注重實驗研究，把實驗獲得的經(jīng)驗作為他進一步研究的基礎(chǔ)。他還特別注重在實驗經(jīng)驗基礎(chǔ)上的大膽思辨，他認為只有思辨才能把經(jīng)驗整合形成結(jié)論。狹義相對論和光量子說就是思辨與實證相結(jié)合的產(chǎn)物。豐富的想象力和靈感是愛因斯坦科學研究的另一特點，他偶爾使用思想實驗，例如追光實驗使他成功的研究出狹義相對論，升降機實驗又使他獲得了廣義相對論的研究成果。獨立思考，積極討論使愛因斯坦的研究獨具特色，在普朗克提出量子概念后，他不盲從于當時其他物理學家研究方向，經(jīng)過獨立思考，提出了量子理論，開辟了光的波粒二象性的研究方向。

二、伽利略的科研方法及主要成就

意大利著名數(shù)學家、天文學家、物理學家、哲學家伽利略學術(shù)思想比較活躍，他經(jīng)常在各種學術(shù)活動中與持有不同觀點的同事辯論。他一邊學習前輩的數(shù)學與力學研究成果，一邊考察工廠和作坊等軍用民用工程，廣泛結(jié)交社會各行各業(yè)的技術(shù)人員，幫助他們解決生產(chǎn)中遇到的技術(shù)難題，并且從各種技術(shù)和經(jīng)驗中得到啟發(fā)。在此基礎(chǔ)上，他深入系統(tǒng)地研究了落體運動、拋體運動、靜力學、水力學以及土木建筑和軍事建筑等理論；他發(fā)現(xiàn)了慣性原理，研制了溫度計和望遠鏡。愛因斯坦和英費爾德在《物理學的進化》一書中曾經(jīng)評論說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端”。

三、兩位學者科研方法比較

1、善辯和實驗研究方法的應(yīng)用是他們的科研共性

對科學的興趣、淵博知識和良好科研環(huán)境是愛因斯坦和伽利略有所成就的前提，兩位科學家都具有敏捷的思維，都善于觀察，善于獨立思考。伽利略自幼受家庭的影響，對機械興趣極濃。長大后他的文學與數(shù)學才華突出，經(jīng)常受人贊揚，曾先后在比薩大學和帕多瓦大學任教。愛因斯坦從小就熱愛科學，1905年獲蘇黎世大學哲學博士學位。1913年任柏林威廉皇帝物理研究所長和柏林大學教授，并當選為普魯士科學院院士。良好的大學環(huán)境給他們提供科學研究場所，加之善辯是他們共同之處。所以他們對觀察到的現(xiàn)象進行總結(jié)，并根據(jù)自己掌握的理論，打破常規(guī)提出自己見解，研究出很多成果。

實驗方法是兩位科學家獲得成績都必須使用的方法。愛因斯坦使用的實驗方法是思想實驗，例如對狹義相對論研究，愛因斯坦使用了實驗研究方法，但此實驗方法不是在實驗室內(nèi)完成的，而是在他的思想中完成的，他使用的是一種假想實驗方法。1905年他經(jīng)過10年思考和實驗，終于提出了光電效應(yīng)的量子化理論解釋，并于1921年獲得諾貝爾獎。伽利略在其他工程技術(shù)人員的研究基礎(chǔ)上實驗研究出慣性原理，從而開創(chuàng)了實驗物理的先河。他通過對理想斜面實驗研究和科學推理得出：如果摩擦力小到可以忽略時，沿斜面滾下的球，將以恒定的速度在水平面上不停向前滾動。無論小球自多高斜面滾下，無論小球滾下時速度是多少，這樣的運動將永遠保持下去。伽利略是第一個把實驗引進力學的科學家，他利用實驗和數(shù)學理論結(jié)合的方法研究出很多力學定律。

2、不同成長歷程和個人的特長決定他們不同的科研方法

愛因斯坦少年時代閱讀大量哲學著作，頭腦中受哲學思想的影響，他認為自然界是具有統(tǒng)一性和規(guī)律性的。他總結(jié)出自然界萬物之間都存在著內(nèi)在的統(tǒng)一性，統(tǒng)一性是他推出狹義相對論的理論基礎(chǔ)。在他的科學研究中始終貫穿統(tǒng)一性、簡單性、相對性、對稱性的指導(dǎo)思想。愛因斯坦的狹義相對論揭示出能量與質(zhì)量之間的關(guān)系，該理論解決了長期存在的恒星能源來源的難題，近年來又被用于解釋許多新出現(xiàn)的高能物理現(xiàn)象。愛因斯坦的廣義相對論推出了光線彎曲現(xiàn)象 并且成為后來許多天文概念的理論基礎(chǔ)。愛因斯坦對天文學最大的貢獻是他的宇宙學理論。他創(chuàng)立了相對論宇宙學，建立了靜態(tài)有限無邊的自洽的動力學宇宙模型，并引進了宇宙學原理、彎曲空間等新概念，推動了現(xiàn)代天文學的發(fā)展。

伽利略受羅馬教皇破害，整個一生研究都投入到對哥白尼、開普勒開創(chuàng)的新世界觀證明和宣傳上，哲學是他與唯心論和教會的經(jīng)院哲學作斗爭的有力武器，把他受教會迫害下的犧牲作為喚起人們對日心說的理解的籌碼。力學定律是伽利略的主要貢獻，他發(fā)現(xiàn)了單擺的等時性，并證明了單擺振動的周期和擺長的平方根成正比。該定律是他利用實驗和數(shù)學相結(jié)合的方法確定的。伽利略在科學實驗的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)學、物理學和天文學三門知識，提高了人們對物質(zhì)運動和宇宙界的認識，天文學是他利用望遠鏡觀測天體取得的成果。他在科學研究中主張用實驗來認識和證明自然規(guī)律，用實驗經(jīng)驗來創(chuàng)立、擴展和補充理論知識。

結(jié)論

科學家們研究理論方向不同，往往使用科研方法也不同。愛因斯坦主要采用實驗研究成果與他的自然科學唯物論相結(jié)合，形成了自己獨特的科學思想和研究方法。伽利略是以系統(tǒng)的實驗和觀察結(jié)果以亞里士多德為代表的傳統(tǒng)的自然觀，開創(chuàng)了以實驗事實為依據(jù)并具有嚴密邏輯體系的近代科學。但無論進行怎樣的研究，無論研究領(lǐng)域如何，兩位科學家都本著實事求是的原則，在實驗基礎(chǔ)上不斷積累經(jīng)驗，創(chuàng)造出一個又一個科學成果。新的研究成果又促使更優(yōu)秀的科研方法產(chǎn)生。所以，歸根結(jié)底，任何創(chuàng)造都來源于實驗，實驗方法在科學研究中的重要地位是任何方法都無法代替的，實驗是進行科學研究最重要的環(huán)節(jié)。

參考文獻：

[1]陶洪．物理實驗論[M]．南寧：廣西教育出版社，1997.

[2]楊勁松．也談伽利略對落體運動的研究[J]．重慶教育學院學報，2001.

第6篇：天文學的概念范文

【關(guān)鍵詞】 畢達哥拉斯；數(shù)論；美學探微；

基金項目：江蘇省教育廳高校哲學社會科學研究項目（2010SJB720001）

古希臘數(shù)學在阿那克西曼德更為抽象的思維方式影響下，逐漸從具體的感官實體世界中提升而出。畢達哥拉斯學派與古代埃及、巴比倫和其他的經(jīng)驗主義數(shù)學范式不同的是，開創(chuàng)了許多基本和重大的科學與哲學觀念，將數(shù)學建立在一個不是以經(jīng)驗和感覺為知識判斷標準，而是以推理和論證為基礎(chǔ)的全新的概念框架之上的，賦予了外在世界某種形而上學的意義，哲學研究的范式也因此具有了革命性的轉(zhuǎn)換。

一、數(shù)論思想

畢達哥拉斯約在公元前580-570年之間生于薩摩斯，公元前500年死于梅塔彭頓。畢達哥拉斯是最早提出并使用“愛智慧”即“哲學”這個名稱的的人。關(guān)于畢達哥拉斯的傳說很多，他的理想是要讓其門徒塑造優(yōu)秀的政治品德，為國家利益服務(wù)，使個人服從整體。畢達哥拉斯的父親是個商人，在這樣文化氛圍的家庭中，畢達哥拉斯從小就培養(yǎng)起對數(shù)學的濃厚興趣，他是集希臘理性精神與宗教精神于一身的典型代表，他所組成的畢達哥拉斯學派在古希臘影響了數(shù)百年之久。該學派在公元前5世紀末，分化為從事哲學、科學研究為主的數(shù)理學派與從事宣揚宗教神秘主義為主的信條學派，公元前1世紀融入新柏拉圖主義之中。但在其流變的數(shù)百年之中，科學與哲學始終相互影響著。

畢達哥拉斯學派最初是秘密結(jié)社，其數(shù)學上的發(fā)現(xiàn)被視為結(jié)社的公有財產(chǎn)，并對外界保密。畢達哥拉斯學派“專心從事藝術(shù)和工藝，又研究音樂、醫(yī)學，特別是數(shù)學?！盵1]數(shù)論是畢達哥拉斯學派的核心概念，畢達哥拉斯創(chuàng)設(shè)了畢達哥拉斯定理，為此曾舉行百牛大祭。“數(shù)學”這個詞也是畢達哥拉斯學派首先采用的，他們在數(shù)學上研究發(fā)現(xiàn)的深度和廣度，在當時世界各民族中遙遙領(lǐng)先。盡管他們最初的研究是從埃及和東方得到啟發(fā)，但他們已將東方那種偏于實用的數(shù)學上升到抽象的普遍的定理。亞里斯多德為此總結(jié)到，他們把全部時間用在這種研究上，進而認為數(shù)學的始基就是一切存在物的始基。這種創(chuàng)造本身就是世界性的思維范式的根本性革命。

畢達哥拉斯學派研究數(shù)學是基于哲學的追問，當時并沒有建立起一門數(shù)學學科。盡管數(shù)論是畢達哥拉斯學派的“中心思想”但它同時又是該學派追問世界的外在傳達形式。畢達哥拉斯學派有條基本的原則，即數(shù)是最智慧的，和諧是最美的。事實上，對于數(shù)學而言，直到亞里士多德的時候，數(shù)學才被定義，成為一門研究數(shù)量的學科。畢達哥拉斯學派自覺地將數(shù)看作是世界的根基，即把它看作存在物的質(zhì)料因，又將此描述存在物的性質(zhì)和狀態(tài)。由于他們在數(shù)目中間見到了各種各類和諧的特性與比例，而一切其他事物就其整個本性來說都是以數(shù)目為范型的，數(shù)目本身則先于自然中的一切其他事物。所以他們由此而推論，數(shù)目的元素就是萬物的元素，整個的天是一個和諧，一個數(shù)目。畢達哥拉斯學派認為，數(shù)既具有物理意義上的實在性的存在，更具有形而上學的終極意義。畢達哥拉斯學派注意世界上形式關(guān)系的事實，他們發(fā)現(xiàn)量度、秩序、比例和始終一致的循環(huán)，可以用數(shù)來表示。他們由此而推斷，數(shù)是萬物的基質(zhì)，一切其它的存在則是數(shù)的外在表現(xiàn)形式，數(shù)是世界的終極原因。作為非物質(zhì)的事物，如正義、德性、愛情、友誼等都由數(shù)來統(tǒng)攝。愛情與友誼用數(shù)字“8”來表示，因為愛情與友誼如同音樂的八個音度一樣是和諧的。

二、天文學信仰

第7篇：天文學的概念范文

然而在中學物理教學中我們會發(fā)現(xiàn)，許多學生雖能夠準確地說出物理規(guī)律的內(nèi)容，在解決問題時也能正確寫出相關(guān)的公式，但在具體展開的過程中卻無從下手，究其原因：主要是學生在學習過程中不能領(lǐng)會物理規(guī)律的內(nèi)在含義，教師在教學過程中，也往往是過于強調(diào)規(guī)律的形式，以期通過相關(guān)習題的講解，讓學生理解和掌握物理規(guī)律的內(nèi)涵，忽視了在規(guī)律教學中對應(yīng)的場景和過程構(gòu)建，沒有挖掘其中各物理量的本真，只注重物理規(guī)律的“殼”，而忽視“殼”里的“精髓”。

新課程標準明確提出：要讓學生“經(jīng)歷科學探究過程，認識科學探究的意義，嘗試應(yīng)用科學探究的方法研究物理問題，驗證物理規(guī)律。通過物理概念和規(guī)律的學習過程，了解物理學的研究方法，認識物理實驗、物理模型和數(shù)學工具在物理學發(fā)展過程中的作用。由此，我們可以從以下幾方面來實施：

一、加強概念教學是進行規(guī)律教學的前提

如果把物理知識看成是一座大廈，物理規(guī)律就是這座大廈的建筑結(jié)構(gòu)，而物理概念則是構(gòu)成這座大廈的建筑材料，沒有建筑材料是不可能按一定結(jié)構(gòu)蓋起大廈的。物理規(guī)律與物理概念的關(guān)系，正如建筑結(jié)構(gòu)與建筑材料的關(guān)系。

物理中的定律、定理等，都是用有關(guān)的物理概念總結(jié)出來的。例如：慣性定律(一切物體在沒有受到外力作用的時候，總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài))就包含有“外力”“勻速直線運動”“靜止”等概念，如果沒有這些概念，就不可能得出這個定律。如果學生對這些概念沒有正確地理解，就不可能真正掌握慣性定律。又如：對“牛頓第二定律”規(guī)律的應(yīng)用，學生對于“F=ma”這個規(guī)律并不難掌握。但是，如果學生對公式中的力F缺乏正確理解或不會正確求合力，則在運用這個規(guī)律時就要發(fā)生錯誤。由此可見，學生對物理規(guī)律掌握不好的原因之一是對規(guī)律所涉及的有關(guān)物理概念缺乏正確的理解。使學生建立正確的物理概念，是使學生掌握物理規(guī)律的前提，沒有這個前提則物理規(guī)律的教學就無從談起。

二、重視實驗的演示，是規(guī)律教學的關(guān)鍵

物理學本身就是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，許多物理概念和規(guī)律都是由實驗得出的。為使學生真正理解物理規(guī)律，要盡可能從觀察實驗出發(fā)，以實驗為基礎(chǔ)。通過觀察演示實驗或進行分組實驗，啟發(fā)學生思考，從而總結(jié)出有關(guān)的物理規(guī)律。一個準確、完整、生動的演示實驗，可創(chuàng)設(shè)一種良好的物理環(huán)境，提供給學生鮮明具體的感性認識，再經(jīng)過對現(xiàn)象特征進行概括形成本身的規(guī)律，可加深學生的感受。同時在實驗探究過程中，利用學生強烈的參與意識，幫助學生從理性上認識物理規(guī)律，增強高中物理規(guī)律教學的有效性。

例如：“楞次定律”的教學中，對其規(guī)律的表述“感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的方向總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化?！睂ζ湟?guī)律的應(yīng)用，學生往往不得其解，雖然教學中教師也對規(guī)律進行了具體的闡述，但依然不行，若在教學中通過實驗的演示和操作，則可以讓學生從實驗操作過程中體驗磁通量的變化與兩磁場方向的關(guān)系，從而更好地理解規(guī)律中“阻礙”的涵義，再通過小組內(nèi)同學間的相互討論，使學生對規(guī)律的理解更加深刻。

三、注重物理學史的講解，培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)

物理概念和規(guī)律的得出都是前人經(jīng)過多次實踐，整理、加工而形成的理論知識，這些知識是很精煉的。在規(guī)律教學中，如果學生不清楚為什么要學習這個規(guī)律，不了解前人為得出這個規(guī)律所經(jīng)歷的曲折道路和付出的艱苦勞動，不知道這個規(guī)律在物理學中的地位和作用，不知道這個規(guī)律對進一步學習物理的必要性，那么學生在學習這個規(guī)律時就必然帶有盲目性，學習就是被動的。因此，在規(guī)律教學中，要使學生了解建立這個規(guī)律的簡要的歷史過程，知道這個規(guī)律所起的重要作用，使學生清楚這個規(guī)律的來龍去脈，是規(guī)律教學中不應(yīng)缺少的環(huán)節(jié)。在關(guān)于上述內(nèi)容的教學中所涉及的物理學研究的曲折歷程和物理學家的不畏困難的進取精神、科學態(tài)度，會對學生產(chǎn)生積極的影響，對提高學生的科學素質(zhì)起到潛移默化的作用。

例如：萬有引力定律，若只是簡單地通過相關(guān)公式的推導(dǎo)得到規(guī)律，而忽視這一規(guī)律得出的歷史過程，這對這一規(guī)律教學是不夠嚴謹?shù)?，事實上，?6世紀哥白尼經(jīng)過對天體的大量觀測提出日心說，在此基礎(chǔ)上經(jīng)歷了幾代科學家近二百年的研究探索才由牛頓總結(jié)出來的。其間，丹麥天文學家第谷對天文觀測的精確資料，德國天文學家開普勒經(jīng)過大量復(fù)雜計算得出的關(guān)于行星運動的三個定律，法國天文學家布里阿爾德奧通過研究提出的“行星受到的力和離太陽距離的平方成反比”的假設(shè)，伽利略的單擺周期公式，惠更斯得出的圓周運動的向心加速度公式等，都為牛頓的研究提供了不可缺少的基礎(chǔ)理論。牛頓在前人研究的基礎(chǔ)上，通過不斷地深入研究，證明了橢圓軌道運動的引力平方反比定律，并定義了質(zhì)量的概念，進一步又研究了引力與質(zhì)量的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。萬有引力定律的建立，對物理學的發(fā)展、天文研究、宇航事業(yè)以及人類對物質(zhì)世界的認識都具有十分重要的作用。

第8篇：天文學的概念范文

【關(guān)鍵詞】暗物質(zhì)；暗能量；研究進展

【Abstract】In the 21st century from the physics and astronomy is one of the major challenges of dark matter and dark energy .This thesis tells the concept and discovery history of dark matter and dark energy briefly.Then it introducts the international and domestic research trends of dark matter and dark energy detailly.At last，it outlooks our country’s research prospect of dark matter and dark energy.

【Key words】Dark matter；Dark energy；Research progress

我們知道原子組成物質(zhì)，質(zhì)子、中子、電子等粒子組成原子。但是，20世紀末的天文觀測發(fā)現(xiàn)普通物質(zhì)只占宇宙的4%，而暗物質(zhì)占23%，暗能量占73%。李政道教授指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀末和21世紀初現(xiàn)代物理學的最大烏云，它將預(yù)示著物理學的又一次革命?！毖芯克鼈儗谖锢韺W和天文學史上誕生出新的重大發(fā)現(xiàn)，并對未來的科學發(fā)展產(chǎn)生不可預(yù)估的重要作用。

1 什么是暗物質(zhì)、暗能量

1.1 什么是暗物質(zhì)

暗物質(zhì)（Dark Matter）是一種因存在現(xiàn)有理論無法解釋的現(xiàn)象而假想出的物質(zhì)，它小于電子和光子，不帶電荷，與電子不發(fā)生干擾，對電磁波和引力場均能穿越，是組成宇宙的重要部分。

1.2 什么是暗能量

暗能量（Dark Energy）是假想的一種能量形式，它充溢在廣闊的宇宙空間，以一種負壓力為表現(xiàn)，在推動宇宙運動中起巨大作用。

2 暗物質(zhì)、暗能量的發(fā)現(xiàn)歷史

2.1 暗物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)歷史

1933年弗里茨.茲威基（Fritz Zwicky）發(fā)現(xiàn)按照星系的徑向運動速度推斷出的星系團質(zhì)量和按照星系團中發(fā)光星體推斷出的質(zhì)量相差了近400倍。因此，他推測星系團可能主要由不發(fā)光的物質(zhì)構(gòu)成，并首次提出暗物質(zhì)的概念[1]。

20世紀70年代，美國天文學家薇拉.魯賓（Vera Rubin）通過對大量星系旋轉(zhuǎn)曲線的研究證實宇宙中確實存在大量暗物質(zhì)。

20世紀80年代，科學家正式提出了“暗物質(zhì)”這個名稱并被廣為接受。

2.2 暗能量的發(fā)現(xiàn)歷史

按照宇宙大爆炸理論，發(fā)生大爆炸后，宇宙的膨脹速度會因為時間的流逝逐漸減慢。但1998年，美國加州大學物理學伯克利國家實驗室（LBNL）及澳大利亞國立大學的科學家們發(fā)現(xiàn)，宇宙正在加速膨脹，并不是以前科學家預(yù)測的減速膨脹。

Ia型超新星觀測是宇宙中存在暗能量的最直接觀測證據(jù)。1998 年兩個Ia 型超新星（SN）小組發(fā)現(xiàn)了宇宙在加速膨脹，由此揭示了暗能量的存在，這一成果被美國《科學》雜志選為當年的世界十大科技進展之首。之后暗能量一直為物理學界和天文學界關(guān)注的焦點。暗能量的基本特征是具有負壓，在宇宙空間中（幾乎）均勻分布且不結(jié)團[2]。

3 暗物質(zhì)、暗能量的研究動態(tài)

3.1 國際暗物質(zhì)、暗能量的研究動態(tài)

20世紀70年代以來，通過對大型天體間尤其是星系間的引力觀測研究，科學家們發(fā)現(xiàn)，普通物質(zhì)不會引起這么大的引力，因此宇宙存在暗物質(zhì)的理論被廣泛認同。

發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)是在2006年。美國天文學家在對星系團1E 0657-56進行觀測時意外觀測到在星系團猛烈碰撞的過程中，黑暗物質(zhì)與正常物質(zhì)分開，由此獲得暗物質(zhì)存在的直接證據(jù)。

2007年1月，暗物質(zhì)分布圖誕生。

2007年，美國暗物質(zhì)研究評估小組成立，該小組由美國國家航空航天局（NASA）、自然科學基金會（NSF）、美國能源部（DOE）聯(lián)合組成，在其的報告中指出，破解宇宙暗物質(zhì)謎團具有極其重要的科學意義，并希望美國加大在暗物質(zhì)研究方面的投入，保持世界領(lǐng)先地位。

2007年5月16日出版的《天體物理學雜志》稱，約翰斯?霍普金斯大學天文學家小組利用哈勃太空望遠鏡，探測到了位于遙遠星系團中呈環(huán)狀分布的暗物質(zhì)[3]，成為最強有力的能證明暗物質(zhì)存在的證據(jù)。

2007年，日本成立了科維理宇宙物理與數(shù)學研究所（簡稱“Kavli IPMU”），暗物質(zhì)與暗能量是其研究的重要課題。并為其昴星團望遠鏡（Subaru）升級HSC數(shù)字照相機，成立了PFS合作組，以進行高精度的深空觀測，從而探索暗能量更多的細節(jié)。

2008年9月，噸量級的暗物質(zhì)直接探測實驗被列為歐洲天體粒子物理聯(lián)盟（APPEC）規(guī)劃的7個天體粒子物理項目規(guī)劃之首。

2009年12月，迄今為止最有力的發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的證據(jù)在Souden煤礦中被科學家發(fā)現(xiàn)。

美國國家科學院在2012至2021天文及天體物理十年規(guī)劃中，將暗物質(zhì)與暗能量的探測列為主要的研究方向。

美國自20世紀80年代以來通過宇宙背景探測者衛(wèi)星（COBE衛(wèi)星），威爾金森微波各向異性探測器（WMAP衛(wèi)星）先后對宇宙微波背景輻射進行觀測，從而發(fā)現(xiàn)了暗能量的存在。斯隆數(shù)字巡天（SDSS），暗能量巡天（DES）自21世紀開始通過對超新星和弱引力透鏡的觀測，嘗試獲得更多關(guān)于暗能量的信息。暗能量譜儀裝置（DESI）、廣域紅外巡天望遠鏡（WFIRST）、大型綜合巡天望遠鏡（LSST）等期望在建成后能對暗能量進行精密的測量。

2013年4月4日，在日內(nèi)瓦歐洲核子中心諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授首次公布其領(lǐng)導(dǎo)的阿爾法磁譜儀（AMS）項目的第一個實驗結(jié)果――已發(fā)現(xiàn)的40萬個正電子可能來自一個共同之源，即脈沖星或人們一直尋找的暗物質(zhì)。

2014年9月18日，在瑞士日內(nèi)瓦舉行的程林教授團隊與丁肇中合作的AMS項目重大成果會上，最新研究成果“宇宙射線中過量的正電子可能來自暗物質(zhì)”得以公布，并在6個能證明暗物質(zhì)存在的有關(guān)特征中確認了5個。

國外諸多探測暗物質(zhì)、暗能量的實驗（包括地面和空間）正在籌建或已投入運行，其中暗物質(zhì)地下探測實驗室多達20個；空間實驗包括高能γ射線實驗望遠鏡（EGRET）、意大利負載反物質(zhì)探索和光核天體物理學衛(wèi)星（PAMELA）、費米衛(wèi)星和普朗克巡天者（Planck衛(wèi)星）及衛(wèi)星導(dǎo)航警戒衛(wèi)星（SNAP衛(wèi)星）、觀測帶電粒子的哈勃望遠鏡（AMS02）、大口徑綜合巡天望遠鏡（LSST）等；正在運行的大型強子對撞機（LHC）也將有力地推動暗物質(zhì)的探測[4]。

3.2 國內(nèi)暗物質(zhì)、暗能量的研究動態(tài)

我國對暗物質(zhì)和暗能量的研究非常重視。國務(wù)院在2006年制定的《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》里面定義了8個基礎(chǔ)研究前沿領(lǐng)域，“暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)”是“物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙大尺度物理學規(guī)律”領(lǐng)域內(nèi)的主要研究方向之一。

2008年，由中科院牽頭，中國科學家團隊制訂了一個“上天入地到南極”的暗物質(zhì)和暗能量探測的發(fā)展路線圖，其中“上天”指暗物質(zhì)探測衛(wèi)星，“入地”指四川錦屏地下暗物質(zhì)探測，“到南極”指在南極昆侖站建設(shè)大型天文望遠鏡來探測。這些項目得到了積極的推進，并取得了豐富的成果。

國家“973計劃”項目之“暗物質(zhì)、暗能量的理論研究與實驗預(yù)研”于2010年正式啟動。項目首席科學家吳岳良院士將研究目標進一步凝練為“兩暗一新”，即通過對暗物質(zhì)和暗能量的深入研究，探索微觀和宇觀世界的新現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)新規(guī)律、提出新理論[5]。

最引人注目的實驗進展來自于錦屏地下實驗室的暗物質(zhì)直接探測項目中國暗物質(zhì)實驗（CDEX）和粒子物理和天體物理氙探測器（PandaX）。2013年，CDEX發(fā)表了首批低質(zhì)量區(qū)域暗物質(zhì)直接探測結(jié)果，這也是中國在暗物質(zhì)直接探測方面從無到有的一個突破進展[6]。

由中科院紫金山天文臺、中科大合作研發(fā)的暗物質(zhì)粒子探測器（DAMPE）于2015年年底發(fā)射，通過探測來自宇宙空間的高能伽馬光子、電子以及質(zhì)子，間接觀測宇宙空間中的暗物質(zhì)?；谖磥淼闹袊臻g站的高能宇宙輻射探測裝置（HERD）也處于積極的研發(fā)中，并取得了相當?shù)倪M展[7]。

在暗能量研究方面，中國目前最大的光學望遠鏡LAMOST（又稱郭守敬望遠鏡）開始了銀河系內(nèi)觀測，但是由于所處地理位置的關(guān)系，實現(xiàn)大范圍巡天還有困難。觀測中性氫產(chǎn)生的21厘米輻射的“宇宙第一縷曙光”項目（21CMA）在進行中。在新疆紅柳峽地區(qū)開展21厘米天文學（天籟計劃）還在進行原理驗證?？臻g站大規(guī)模光學巡天項目完成了前期的論證工作，目前正在解決巡天相機所需要的關(guān)鍵技術(shù)。

此外，國內(nèi)的研究單位在暗能量研究方向參與了廣泛的國際合作。中國科學院國家天文臺等單位參與了SDSS四期、重子振蕩光譜巡天（BOSS）、擴展重子振蕩光譜巡天（eBOSS）、CFHTLenS弱引力透鏡巡天實驗等國際合作項目，力圖通過天文觀測手段對暗能量的物理性質(zhì)進行限制[8]。

4 我國暗物質(zhì)和暗能量研究展望

在過去的幾年里，我國在暗物質(zhì)的直接和間接探測研究方面已經(jīng)趕上世界的步伐，暗能量的追趕卻才剛剛開始。

暗物質(zhì)直接探測實驗方面要利用好錦屏地下實驗室二期，將相應(yīng)的研究深入推進。暗物質(zhì)間接探測實驗方面要利用發(fā)射暗物質(zhì)探測衛(wèi)星DAMPE、AMS項目、紫金山天文臺、羊八井宇宙線地面觀測站等研究，預(yù)期會對暗物質(zhì)的研究做出有意義的貢獻。暗能量研究方面有望利用空間站、觀測站實施巡天項目以取得暗能量的突破性研究。

總之，今后的10-20年將是暗物質(zhì)與暗能量探測研究的關(guān)鍵時期，我國科學家應(yīng)該有所作為，積極開展先進探測技術(shù)的研發(fā)，在暗物質(zhì)、暗能量探測技術(shù)水平方面取得突破性重大成果，做出引領(lǐng)世界的貢獻。

【參考文獻】

[1]ZwickyF.Spectraldisplacementofextragalacticnebulae.Helv. Phys.Acta，1933，6，110.

[2]張新民，陳學雷.暗物質(zhì)、暗能量研究進展及中國的機遇[J].中國科學院院刊，2015，26（5）：500.

[3]科學家首次發(fā)現(xiàn)有暗物質(zhì)存在的直接證據(jù).騰訊網(wǎng).2007-05-17[引用日期2015-02-6].

[4]蔡榮根，周宇峰.暗物質(zhì)與暗能量研究新進展[J].中國基礎(chǔ)科學，2010，12（3）：3-9.

[5]蔡榮根，周宇峰.暗物質(zhì)與暗能量研究新進展[J].中國基礎(chǔ)科學，2010，12（3）：3-9.

[6]季向東，張新民，諶勛.中國暗物質(zhì)與暗能量研究展望[J].科學通報，2016，61（11）：1181-1187.

第9篇：天文學的概念范文

古希臘的學者們已在科學或自然知識研究上產(chǎn)生了許多的經(jīng)典作品，例如柏拉圖(Plato, 432-347 BC)《蒂邁歐篇》(Timaeus)、亞里斯多德 (Aristotle, 384-322 BC)《物理學》(Physics)、《論天》(On the Heavens)、《氣象學》(Meteorology)、歐幾里德(Euclid)《幾何原本》(Elements)、阿基米德(Archimedes, 287-212 BC)《論浮體》(On Floating Bodies)、托勒密(Claude Ptolemy, ca.100-170)《天文學大全》(Almagest)等等。即使是近代科學革命時期，也產(chǎn)生不少吾人不陌生的經(jīng)典作品，如哥白尼(N. Copernicus, 1473-1543)《天體運行論》(On the Revolutions of Heavenly Spheres, 1543)、刻卜勒(Johannes Kepler, 1571-1630)《新天文學》(New Astronomy, 1609)、伽利略《星際信使》、《兩大世界體系的對話》、《兩門新科學》、虎克(Robert Hooke, 1635-1703)《顯微鏡圖說》 (Micrographia)、牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)《自然哲學的數(shù)學原理》(Mathematical Principle of Natural Philosophy, 1687)等等。

絕大部份過去的科學經(jīng)典作品，早已成為昨日的舊科學(old science)。其中僅有非常少數(shù)會在教科書中被改寫為符合科學直線進步簡略的介紹。絕大多數(shù)的科學經(jīng)典的內(nèi)容非常深奧，不適宜一般讀者閱讀?！缎请H信使》卻是一個例外，它既是一本科學經(jīng)典，也是本科普經(jīng)典作品。它是首本運用望遠鏡觀測星際的書，不同于其他的科學經(jīng)典作品涉及深奧的數(shù)學，或是不易理解的概念與論證，此書的內(nèi)容淺顯，加以圖說，無需加以改寫，今日的讀者或?qū)W子們可以直接閱讀。

本文擬先介紹此書源起的歷史背景，其次處理《星際信使》在內(nèi)容上的創(chuàng)新。接著分析此書對華文讀者在科普與科學傳播上的意義。

1《星際信使》的起源與歷史背景

要了解伽利略《星際信使》在科學發(fā)展與對后世在科普上的意義，我們得將伽利略放回其時代，通過他的生平、教育與當時的主要科學理論，來了解他在科學上的創(chuàng)新與影響。

1.1 至《星際信使》前的伽利略生平

在伽利略的研究者中，意大利后裔的德瑞克 (Stillman Drake, 1910-1993)原是一位金融圈工作者，休假時?；胤鹆_倫斯的伽利略圖書館，對當時伽利略著作的英譯本不滿意，因而著手研究伽利略。在真積力久則入的情況下，他成為伽利略研究的佼佼者，被聘為多倫多大學科學史教授。他完成的 Galileo at Work: His Scientific Biography是本關(guān)于伽利略最好的傳記[1]。

伽利略于 1564年生于意大利比薩，該地屬于佛羅倫斯麥第奇 (Medici)家族統(tǒng)治。他的義大利文名字 Galileo Galilei的意思是”伽利略家族中的伽利略”，是七個孩子中的長子。 1581年在父親溫參齊歐(Vincenzio Galilei)期望下，他入比薩大學習醫(yī)。雖然哥白尼于 1543年提出日心說，當時大學正統(tǒng)的科學理論是與基督教義結(jié)合的亞里斯多德–托勒密地心說。 1577年彗星出現(xiàn)，第谷 (Tycho Brahe, 1546-1601)觀測到它與地球的距離超過月與地，最后在 1588年出版《最近以太世界發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象》，提出地心說，太陽繞地心運轉(zhuǎn)，其他行星與彗星繞日運行的折衷體系[2]。它與亞里斯多德—托勒密地心說和哥白尼日心說形成三個彼此間相互競爭的世界體系。

大學時期的伽利略在認識宮廷數(shù)學家芮齊(Ostilio Ricci)后，轉(zhuǎn)而熱衷歐幾里得與阿基米德數(shù)學作品，1585年未獲學位就離開比薩大學。幸運的是他對某些固體重心的探討，在友人的贊助下，為他在 1589年 11月獲得比薩大學的數(shù)學教席。接受亞里斯多德–托勒密傳統(tǒng)教育的他，對運動提出與亞里斯多德傳統(tǒng)相左的新見解。他認為在相同介質(zhì)中，同質(zhì)料的物體不論其重量與大小，自由下落需時相同，而不像亞里斯多德物理學的主張，下墜速度與物體重量成正比。日后流傳他曾在比薩斜塔進行自由落體實驗，然而在他本人留下的文獻中，從未陳述曾在該塔進行此一實驗[3]。

1591年中，父親逝世，身為長子的他承擔家計。為增加收入，他乃于翌年 9月轉(zhuǎn)到威尼斯共和國管轄的帕度瓦大學擔任數(shù)學教師。在經(jīng)濟上入不敷出的情況下，伽利略不得不采取其他的方式來增加收入。一種是為大學生擔任家教。從他留存的資料來判斷，他采用耶穌會羅馬學院的講義做為教材，教過亞里斯多德邏輯與科學證明的理念，以及自然哲學或物理學[4]。第二種是提供遠道學生膳宿。此外，他還開設(shè)制造儀器的小型工場，發(fā)明與簡化科學儀器，對外銷售。例如出測量火砲口徑與射程的幾何羅盤儀器，以及說明的書冊來增加收入。此一方法經(jīng)耶穌會士傳入中國，用于遼東對抗清軍[5]。

1597年刻卜勒在《宇宙的奧祕》 (Cosmographic Mystery)中支持日心說，請友人將兩本分送意大利最能用到此書的人，其中一位是伽利略。在給刻卜勒的致謝函中，伽利略自稱是哥白尼學說的信徒，成為十六世紀末支持日心說的十人之一。[6]不過，那時他只能算是半個哥白尼信徒(semi-Copernican)。事實上，他到 1613年左右才積極為哥白尼日心說辯護。1615-1616年為哥白尼的日心說第一次接受調(diào)查，1632出版《兩個世界主要體系的對話錄》，旋即查禁 1632-1633年為哥白尼的日心說第二次接受調(diào)查，并遭受譴責與終身拘禁。

回到 1605年，伽利略擔任佛羅倫斯麥第奇家族柯西摩 (Cosimo)王子的教師。 1609 年王子登基成為麥第奇大公爵，伽利略曾去信期望這位昔日高足能夠照顧他，但未獲正面的回應(yīng)。這年他從巴黎友人處傳來有種能將遠處物體放大的器物市面上銷售。

1.2 完成《星際信使》的特殊背景

十七世紀，望遠鏡、顯微鏡、空氣幫浦等技術(shù)對科學產(chǎn)生重大的影響。 1608年 9月在荷蘭有人發(fā)明了可放大 3倍的”望遠鏡”，隨后申請專利。在審查期間，因為亦有他人提出申請，因而未給予專利。這項發(fā)明于次年春天傳到巴黎。伽利略經(jīng)由巴黎友人從市場購得此儀器后，為了增加收入而努力改良它的放大倍率。

手巧的伽利略積極磨制鏡片，同年 8月時已改良到放大 8至 9倍。于是， 在 8月下旬邀請威尼斯共和國總督與議員們，在威尼斯港口的高塔上，演出“察諜鏡”(spyglass)之秀。讓一艘船由遠處全速駛向港口，在“察諜鏡”觀察到兩小時后，高塔上的人才能以裸眼看到，展現(xiàn)出此鏡對維護威尼斯港安全，防止海盜入侵，深具價值，令與會佳賓印象深刻。

相對于中世紀大學重視經(jīng)典權(quán)威的傳統(tǒng)，以討論文本的為主，文藝復(fù)興以降，在自然研究中觀察的角色愈來愈重要，加上十五世紀中葉西方印刷術(shù)的崛起，在自然史方面，陸續(xù)產(chǎn)生許多新作品。 1609年 11月中，伽利略已將”察諜鏡”改良到放大 20-30倍，他開始將此一儀器運用的范圍從地表轉(zhuǎn)向星際，有項新發(fā)現(xiàn)。次年三月出版《星際信使》(Sidereus nuncios, Starry Messenger)一書，將觀察結(jié)果公諸世人。

2《星際信使》在內(nèi)容上的創(chuàng)新

伽利略先觀察月亮，并圖繪下來，他不是首位以望遠鏡觀月后繪圖者。稍早，在參考吉柏特(William Gilbert, 1544-1603)所繪制一相當簡略月面圖后，哈芮特 (Thomas Harriot, ca. 1520-1621)使用較低倍的望遠鏡觀察月表，將航海經(jīng)驗納入其中，繪制出一幅陸地與海洋構(gòu)成的月面地圖。[7]但是，伽利略研磨的望遠鏡比哈芮特用的大了許多倍，繪制的圖更精密許多。更重要的是，他還告訴讀者他圖繪的方法。一方面通過單孔鏡面看到放大的月亮，另一方面，則備有一張白紙，依所見大小圖繪出鏡中所見的月面圖。根據(jù)他的自述：

讓我先介紹”察諜鏡”轉(zhuǎn)向的月球表面，為了易于了解起見，我將它區(qū)分為較明亮與較黑暗兩個部份。通過對月球表面明暗部份常期重覆的觀察，我們確定月球表面不像大多數(shù)哲學家所相信的，和其他天體同是個光滑、均勻的圓球形狀；想反地，它是凸凹不平的，低洼的與凸起的部份滿佈于其上。就像地球的表面一樣，山脈與深谷分佈各地。以下說明這項由觀察所推得的結(jié)論。

根據(jù)亞里斯多德自然哲學，月亮屬于第五元素以太構(gòu)成的不毀不滅的天域，應(yīng)是一個完美的星體，其中的黑影可用較密的以太構(gòu)成，因此不如較疏處明亮。通過明與暗界域不是圓弧狀，伽利略推論月球不是一個完美的天球。在多幅月面圖中，由于亮區(qū)中有暗塊；暗區(qū)中有亮點，且會雖時間擴大，他憑著地球上的山谷接受陽光照射的經(jīng)驗來推論，月面不是光滑的，而像地表一樣有高山與深谷。

1610年 1月 7日，伽利略將改良放大 30倍的”望遠鏡”朝向木星觀察，發(fā)現(xiàn)其旁兩顆小星星。最初他認為它們是恆星，由于像行星般出現(xiàn)在黃道帶附近，才判斷為與木星有關(guān)的衛(wèi)星。13日首次見到木星旁的四顆星星。另外一項主要的發(fā)現(xiàn)是銀河，在亞里斯多德自然哲學中視為是月下的大氣現(xiàn)象。托勒密《天文學大全》聲稱恆星數(shù)目為 1022顆，直到伽利略觀察銀河發(fā)現(xiàn)有無數(shù)的星星。

在 3月 2日最后一次觀察后一周，出版《星際信使》一書，此書將天文學由裸眼觀察帶入望遠鏡天文學，也使年近半百的伽利略成為國際間知名的學者。

3《星際信使》對后世在科普上的意義

《星際信使》一書的三項主要發(fā)現(xiàn)：月亮表面崎嶇不平、木星的四顆衛(wèi)星、銀河無數(shù)的星星，使四十六歲的伽利略從一位地方性的大學數(shù)學教師，迅速地聞名于歐洲。加上 1610年伽利略的另兩項發(fā)現(xiàn)：金星像月亮般有其相位盈虧與土星左右兩耳看似其衛(wèi)星，使他在一年之中藉著望遠鏡的觀察就有五項重要發(fā)現(xiàn)。次年，以利瑪竇老師克拉烏維斯(明清時譯為：丁先生。Christopher Clavius, 1538-1612)為首的耶穌會五位學者都肯定上述五項發(fā)現(xiàn)，使他躋身于歐洲聞名學者之列。

十五世紀末，世界地理的大發(fā)現(xiàn)，打通歐洲赴亞洲或美洲的海路。十六世紀宗教改革促使天主教內(nèi)成立耶穌會(Society of Jesus)與其對抗，培養(yǎng)受過良好教育訓練的耶穌會士向包括中國在內(nèi)的歐洲以外區(qū)域進行遠距傳教。盡管伽利略從未到過中國，明末清初，《星際信使》中的望遠鏡發(fā)現(xiàn)也隨入華耶穌會士傳入中國。德禮賢(Pasquale M. D'Elia, 1890-1963)將這些資料匯整為《伽利略在中國》一書[8]。但是《星際信使》的中譯本遲至 2004年筆者譯為中文后[9]，華文讀者才有機會閱讀此書，因此它在華文世界的科普與科學傳播方面的意義值得闡明。

首先，天文學一直是一個非常重視觀測的領(lǐng)域。在十七世紀以前，已發(fā)明諸多科學儀器來幫忙觀測，第谷就是此中翹楚，發(fā)明一些大型固定的儀器。

雖然伽利略不是望遠鏡的發(fā)明者，但是經(jīng)過他的巧手改良后磨出的鏡片，觀察月球與銀河，留下圖繪，以及逐日記載他對木星的四顆衛(wèi)星的觀察與紀錄，出版《星際信使》一書，開啟望遠鏡天文學。它是一本值得學子與一般讀者閱讀的科普經(jīng)典，作者除了介紹一種他改良的科學儀器進行觀測以外，還將所見通過圖繪加以視覺呈現(xiàn)，很難得見到一流科學家將其發(fā)現(xiàn)表達的是如此淺顯易懂。

其次，在十七世紀初培根(Francis Bacon, 1561-1626)鼓勵觀察與實驗，影響倫敦皇家學會(Loyal Society of London)以前，第谷、刻卜勒的老師麥斯特林 (Michael Maestlin, 1550-1631)與伽利略等已特別注意異象的觀察與記錄。 1577年的彗星，引起第谷與麥斯特林長達兩個半月的觀察與記錄。相對地，萬歷五年中國官方觀察一個月，視為星占異象處理。同一現(xiàn)象卻在不同文化中觀察所得不同，顯示觀察的背后是含有不同理論的[10]。

第三，1577年的彗星與木星四顆衛(wèi)星的觀察與紀錄，都顯示它們屬于以太領(lǐng)域，對亞里斯多德—托勒密世界體系，天域的星體是永恆不變的而言，它們都是過去未曾見的異象。針對 1577年的彗星，第谷提出折衷的世界體系。可是《星際信使》書中，并未批判《星際信使》一書，因為伽利略將《星際信使》獻給麥第奇大公爵。

由于木星是麥第奇家族的徽記，麥第奇大公爵恰有兄弟四人，伽利略因此將木星的四顆衛(wèi)星以“麥第奇星星”(Medicean stars)之名獻給麥第奇家族。因為這項無價的禮物，他所獲得的回報是在 46歲時改變生涯，由“錢少、事多、離家遠”的帕度瓦大學數(shù)學教職，轉(zhuǎn)成“錢多、事少、離家近”的麥第奇宮廷自然哲學家與數(shù)學家，名義上是比薩大學教授，卻沒有任何教學負擔。簡言之， 1610年《星際使者》一書的出版目的在獻給麥第奇大公爵，尋求他的贊助。一個類似的案例是第谷將他丹麥國王贊助的島嶼上發(fā)展的天文儀器，撰寫《機械裝置的天文儀器》(Tycho Brahe’s Description of His Instruments and Scientific Work)一書，并以彩色圖繪，以贏得布拉格神圣羅馬帝國魯?shù)婪蚧实鄣馁澲鶾11]。

《星際使者》內(nèi)容顯示，伽利略似未批判地心說，直到《太陽黑子》才積極推動哥白尼學說[12]。事實上，在科學革命前期，當學會尚未成立時，宮廷或王子的贊助是大學以外支持新科學的最重要的社會組織。

第四，更值得注意的是，成為麥第奇廷臣的伽利略，具有自然哲學家的身份，為他提供了探討自然哲學的社會性合法身份，可以跨越自然哲學與數(shù)學天文學間的學科界域，得以積極推動哥白尼擬跨越自然哲學與天文學間的日心說[13]。

最后，在海峽兩岸出版愈來愈多翻譯的的科普書籍時，其中有非常多涉及科學史方面的舊版科學書籍。如果只從后見之明的觀點來論其中朝向現(xiàn)代進步的成就，就像祖先崇拜一般地崇拜科學偉人，這不是科普作者創(chuàng)作中有關(guān)舊科學的關(guān)切點。如果我們抱著多了解舊科學作品的時代意義，《星際信使》是一個相當不錯的切入點。要了解天文學的發(fā)展，特別是從裸眼轉(zhuǎn)向望遠鏡天文學的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折，《星際信使》更是一本不可或缺的科學與科普經(jīng)典。

參考文獻：

[1] Stillman Drake, Galileo at Work: His Scientific Biography (Chicago: University of Chicago Press, 1978).

[2] Tycho Brahe, De mundi aetherei recentioribus phaenomenis (Vranibvrg, 1588).

[3] Lane Cooper, Aristotle, Galileo, and the Tower of Pisa (Ithaca, N.Y.: Cornell University Press, 1935).

[4] William A. Wallace, Galileo’s Early Notebooks: The Physical Questions. A Translation from the Latin, with Historical and Paleographical Commentary (Notre Dame: University of Notre Dame Press, 1977); Willian A. Wallace, Galileo and His Sources: the Heritage of the Collegio Romano in Galileo’s Science (Princeton: Princeton University Press, c1984), chs. 1-3.

[5]黃一農(nóng). 比例規(guī)在火砲學上的應(yīng)用. 科學史通訊, 臺北，1996，第 15期，頁 4-11.

[6] Robert Westman, “The Copernicus and the Churchs,” in David C. Lindberg and Ronald L. Numbers (eds.), God and Nature: Historical Essays on the Encounter between Christianity and Science (Berkeley: University of California Press, 1986), pp. 76-113.

[7] Stephen Pumfrey, “Harriot's Maps of the Moon: New Interpretations,” Notes and Records of the Royal Society, 63 (2009): 163-168.

[8] Pasquale M. D'Elia, Galileo in Cina: Relazioni attraverso il Collegio Romano tra Galileo e i gesuiti scienziati missionary in Cina (1610-1640) (Romae: Apud Aedes Universitatis Gregorianae, 1947). English edition was translated by Rufus Sutor and Matthew Sciasia as Galileo in China: Relations through the Roman College between Galileo and the Jesuit Scientist-Missionaries (1610-1640) (Cambridge, M.A,: Harvard University Press, 1960).

[9] 伽利略著，范龢惇 (Albert Van Helden)英譯、序言、簡介與結(jié)論. 徐遐生（英）序，徐光臺中譯與導(dǎo)讀，星際信使 (Sidereus nuncius, 1610), 臺北：天下文化，2004.

[10] 徐光臺. 異象與常象：明萬歷年間西方彗星見解對士人的沖激. 清華學報, 新竹，新 39卷 4期，2009年 12月，頁 529-566.

[11] Adrian Johns, The Nature of the Book: Print and Knowledge in the Making (Chicago/London: University of Chicago press, 1998), pp. 20-24.