天文學(xué)的理論精選(九篇)
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第1篇：天文學(xué)的理論范文
廣義相對論對于包括天文學(xué)、導(dǎo)航、測地、時間同步等許多實(shí)際應(yīng)用都是必不可少的。同時廣義相對論也在許多高精度的實(shí)驗(yàn)中得到了成功的檢驗(yàn)。
探索太陽系中的相對論引力不僅涉及多種高精度技術(shù)，同時需要許多基礎(chǔ)理論知識。近幾十年，國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）開展了將廣義相對論應(yīng)用于太陽系以及系外星體的高精度天文觀測的建模和解釋的相關(guān)研究工作，1994年建成了一個關(guān)于相對論在天體力學(xué)與天文學(xué)中的應(yīng)用的工作小組，從事定義和推行相對論參考架和時間標(biāo)度。這項(xiàng)任務(wù)成功地完成并在2000年在英國曼徹斯特召開的第24次會員大會的決議中被采納。然而，這些決議對于相對論的實(shí)際應(yīng)用只形成了一個框架，對于很多普通天文學(xué)中的應(yīng)用細(xì)節(jié)，有著許多待解決的問題，需要持續(xù)性努力。
2006年在布拉格召開的第26次會員大會上組建了名為“基礎(chǔ)天文學(xué)中的相對論”的第52委員會，旨在相對論框架下闡明基礎(chǔ)天文學(xué)的幾何學(xué)和動力學(xué)概念；提供在基礎(chǔ)天文學(xué)中使用的合適的數(shù)學(xué)和物理學(xué)形式；深化天文學(xué)家和學(xué)習(xí)天文學(xué)的學(xué)生們對相對論的理解；鼓勵實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)所需要的各種研究工作。本書正是試圖對該委員會承擔(dān)的任務(wù)做一些理論貢獻(xiàn)。本書正是基于國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）最近所推薦內(nèi)容編寫的教材。
本書的前三章評述了天體力學(xué)和狹義及廣義相對論的基本原理。這些背景材料是理解構(gòu)成本書主要內(nèi)容的相對論天體力學(xué)、天體測量學(xué)和測地學(xué)的基礎(chǔ)。接著幾章討論了應(yīng)用相對論于太陽系中的一些理論和實(shí)驗(yàn)原理。
全書內(nèi)容共分9章，1. 牛頓天體力學(xué)；2. 狹義相對論導(dǎo)論；3. 廣義相對論；4. 相對論參考架；5. 后-牛頓坐標(biāo)變換；6. 相對論天體力學(xué)；7. 相對論天體測量學(xué)； 8. 相對論測地學(xué)； 9.國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）決議中的相對論。
書末給出了3個附錄。附錄A簡單介紹拉普拉斯方程基本解；附錄B 列出了天文學(xué)常數(shù)；附錄C 給出了1997、2000、2006和2009年的4次國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）的決議。
本書內(nèi)容異常廣泛，實(shí)例非常豐富，敘述深入簡潔，特別注重實(shí)際應(yīng)用。本書雖是一本專著，但很適合從事引力物理學(xué)及其在現(xiàn)代天文學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)專業(yè)的研究生作為輔助教材，也是研究人員重要的參考書。
丁亦兵，教授
(中國科學(xué)院研究生院)
第2篇：天文學(xué)的理論范文
中國古代的天文和歷法，具有政治象征意義。頒布?xì)v法，標(biāo)明正朔之所在，是政權(quán)正當(dāng)性的表現(xiàn)。歷法又與農(nóng)時節(jié)氣密不可分，是非常實(shí)用的知識。而要調(diào)整歷法，就必須觀察天文。中國古代是陰陽合歷，既要考慮月相周期，又要考慮二十四節(jié)氣和四季的變化，必須保持每隔一段時間修訂歷法。唐朝有天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家僧一行借鑒印度歷法編撰《大衍歷》;元代有郭守敬吸收回回歷法，制作《授時歷》。
明崇禎二年（1629年），欽天監(jiān)據(jù)大統(tǒng)歷、回回歷推算日食皆不驗(yàn)，曾向利瑪竇學(xué)習(xí)歷法天文的徐光啟，以新法推算，預(yù)測“五月初一日，順天府日食，二分有余，不及五刻”。結(jié)果獲得驗(yàn)證。說明又到修訂歷法的當(dāng)口了。禮部乃奏請開局修歷，禮部侍郎徐光啟領(lǐng)銜，耶穌會士龍華民、鄧玉函、羅雅谷、湯若望等，先后被聘入局。
其實(shí)，早在利瑪竇在北京時，朝廷已因大統(tǒng)歷預(yù)報天象屢次失誤而持續(xù)多年議論改歷。加之弘治以來逐漸放開“私習(xí)天文”之禁，這就為西洋天文歷法技術(shù)提供了立足機(jī)會。利瑪竇曾自薦修歷，未被理會。但他并不灰心，而是強(qiáng)烈要求羅馬派遣精通天文學(xué)的耶穌會士來中國，陽瑪諾、熊三拔、鄧玉函等都可能是因此來到中國的。來華耶穌會士成為一個天文學(xué)造詣很高的群體，令與他們接觸的不少中國官員傾倒，以致多次主動上書，推薦耶穌會士參與修歷。
1629年這次欽天監(jiān)官員用郭守敬的方法推算日食，再次失誤，才出現(xiàn)中西學(xué)者聯(lián)合修撰新歷的局面，并于1634年撰成《崇禎歷書》?！冻绲潥v書》修成后，又經(jīng)過8次實(shí)測，以及與保守派的數(shù)次較量，崇禎確信西方天文學(xué)方法的優(yōu)越，決定頒行?？上?，此時遭遇易代鼎革之變，竟未克進(jìn)行。 插圖/子祺
清軍進(jìn)京后，“奉天承運(yùn)”，迫切需要頒布新歷，以明正朔。湯若望將《崇禎歷書》作了刪改、補(bǔ)充和修訂后，自費(fèi)刻印獻(xiàn)上，改名為《西洋新法歷書》，給順治皇帝獻(xiàn)上一份厚禮，于是清廷即刻頒行?？滴鯐r去“西洋”二字，改題《新法歷書》。
《崇禎歷書》涉及到西方天文學(xué)理論，行星運(yùn)行觀測和計算的數(shù)據(jù)表格、必備的天文數(shù)學(xué)知識、天文儀器的制造與使用以及中西度量單位的換算。其理論部分《法原》總篇幅的1/3，系統(tǒng)介紹西方古典天文學(xué)理論和方法，包括日、月、五星、恒星的運(yùn)行規(guī)律，球面天文學(xué)原理，著重闡述托勒密、哥白尼、第谷3人的工作，大體未超出開普勒行星運(yùn)動三定律之前的水平，但也有少數(shù)更先進(jìn)的內(nèi)容。
《崇禎歷書》所參考的天文學(xué)著作，已明確考證出的以17世紀(jì)初期的作品居多，而最晚近的是1622年出版的作品。西方幾種主要宇宙模式理論，明末都已傳入中國，包括亞里士多德的“水晶球”體系、托勒密的行星系說、第谷宇宙模型、哥白尼的日心地動說。
第3篇：天文學(xué)的理論范文
太陽系外首例
位于美國亞利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄爾天文臺日前宣布,在太陽系外距離地球約150光年的一顆行星的大氣層內(nèi)觀測到有水蒸氣存在.這是天文學(xué)家首次在太陽系外的行星上發(fā)現(xiàn)水的跡象.
這顆行星位于天馬星座,天文學(xué)家稱其為“HD 209458b”行星,是一顆氣態(tài)行星,距其公轉(zhuǎn)恒星約760萬千米,圍繞其公轉(zhuǎn)恒星旋轉(zhuǎn)周期為3.5個地球日.天文學(xué)家還給它起了個別名叫“奧西里斯”.
洛厄爾天文臺說,來自美國哈佛大學(xué)的學(xué)者希瑟?克努森分析了使用“哈勃”天文望遠(yuǎn)鏡觀測所得數(shù)據(jù),隨后洛厄爾天文臺的天文學(xué)家巴曼又研究出新理論模型,最終得出“HD 209458b”行星大氣層可能存在水蒸氣的結(jié)論.
路透社報道說,“HD 209458b”行星每3.5個地球日旋轉(zhuǎn)到地球和恒星之間,使天文學(xué)家能夠開展各項(xiàng)觀測,因此天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆行星存在水蒸氣存在的可能.
此前結(jié)論
據(jù)報道,這顆體積與木星相仿的“HD 209458b”行星是太陽系外首次被發(fā)現(xiàn)帶有大氣層和有“凌日”現(xiàn)象的行星.2004年,天文學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)其外層大氣中有碳和氧元素.
由于“HD 209458b”的“太陽”存在大量氫、氧元素,而這兩種元素是水分子的組成成分,科學(xué)家一度推測,“HD 209458b”行星大氣中存在氣態(tài)水.然而,科學(xué)家2009年2月曾得出結(jié)論說,“HD 209458b”行星大氣中沒有氣態(tài)水存在的證據(jù),因?yàn)闆]有發(fā)現(xiàn)水分子存在的跡象.洛厄爾天文臺日前宣布的消息了上述結(jié)論.這項(xiàng)研究得到了美國國家航空航天局(NASA)支持,研究結(jié)果將于美國《天體物理學(xué)雜志》.
目前人類已經(jīng)在太陽系外發(fā)現(xiàn)了200多顆行星.巴曼說,他的研究結(jié)果讓人有理由相信太陽系外的其他行星的大氣層中也可能存在水蒸氣.除地球外,科學(xué)家已經(jīng)在太陽系內(nèi)其他行星上發(fā)現(xiàn)了水存在的跡象,例如火星的南北兩極就發(fā)現(xiàn)有大量的冰.
第4篇：天文學(xué)的理論范文
“旅行者”1號發(fā)射于1977年9月5日，只需要短短的34年時間，它就能飛出太陽系嗎?可能許多人都像我一樣有這個疑問。資料顯示，它目前距離太陽大約180億千米，即120天文單位(是冥王星距離的3倍)，確實(shí)夠遠(yuǎn)，但這里是否就是太陽系的邊界呢?
行星之外――不斷擴(kuò)展的邊疆
太陽系的邊界位于何方?這在天文學(xué)上算得上是個冷門的話題。對古人而言答案是顯而易見的，因?yàn)槿庋勰芸吹降淖钸h(yuǎn)的行星是土星，它的位置也就自然而然地被認(rèn)為是邊界之所在。直到1781年3月13日英國天文學(xué)家威廉‘赫歇爾在望遠(yuǎn)鏡的助力下發(fā)現(xiàn)了天王星(把太陽系的疆域向外擴(kuò)展了整整一倍)，并因此而一舉成名，太陽系的邊界問題才開始變得令人感興趣起來。眾多天文學(xué)家和愛好者投身這一領(lǐng)域中，展開了大海撈針般的星空大搜捕，希望能找到新的、更遠(yuǎn)的行星，可惜事與愿違，行星沒有找到，倒是發(fā)現(xiàn)了不少“副產(chǎn)品”：小行星和小行星帶(位于火星和木星軌道之間)。很快這股熱潮就平息了下來。
幾乎同時，隨著牛頓力學(xué)和數(shù)學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)進(jìn)入定量化8寸代，天體力學(xué)理論的重要性越來越凸顯，成為與觀測幾乎同等重要的研究手段，并于1846年達(dá)到巔峰：英國天文學(xué)家亞當(dāng)斯和法國天文學(xué)家勒維耶幾乎同時在理論上預(yù)言了一顆新行星的存在，并且很快就被觀測所證實(shí)。這就是距離太陽約30天文單位的海王星。這一發(fā)現(xiàn)再次極大地刺激了天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家的興趣。但令人沮喪的是，隨之而來的眾多計算、觀測均以失敗而告終，研究者的熱情再次擱淺。直到近100年后的1930年，美國洛威爾天文臺的湯博發(fā)現(xiàn)冥王星，太陽系的邊界才被再次擴(kuò)展，直達(dá)40天文單位處。這項(xiàng)工作的任務(wù)是如此艱巨，除了湯博，已經(jīng)很少有天文學(xué)家在觀測上進(jìn)行搜尋了。湯博又投入了13年的漫長時光，搜索范圍超過了整個夜空的三分之二，發(fā)現(xiàn)了6個星團(tuán)、14顆小行星及一顆彗星，但卻沒能發(fā)現(xiàn)任何冥王星以外的新行星。
冥王星所在之處是否就是太陽系的疆界呢?
眾望所歸――柯伊伯帶
既然觀測上已經(jīng)遭遇瓶頸，天文學(xué)家們只得拿起理論工具對此進(jìn)行探討。當(dāng)然由于冥王星的發(fā)現(xiàn)已屬巧合，加上觀測數(shù)據(jù)的缺乏，理論研究已經(jīng)不太可能重演象亞當(dāng)斯與勒維耶那樣的精密計算了，更多的還是帶一些猜測性質(zhì)。
當(dāng)時關(guān)于太陽系起源的主流觀點(diǎn)，是認(rèn)為太陽系是由一個星云演化而來的。這其中行星的形成，是來自于星云盤上的物質(zhì)彼此碰撞吸積的過程。按照這種理論，行星形成過程的順利與否與星云物質(zhì)的密度有很大的關(guān)系。星云物質(zhì)的密度越低，則引力相互作用越弱，星云盤上物質(zhì)相互碰撞的幾率越小，從而吸積過程就越緩慢，行星的形成也就越困難。當(dāng)星云物質(zhì)的密度低到一定程度時，行星的形成過程有可能緩慢到在太陽系迄今50億年的整個演化過程中部無法完成，而只能造就一些“半成品”：太陽系小天體。
1943年，愛爾蘭天文學(xué)家埃奇沃斯(Kenneth Edgeworth)指出，海王星以外的情形便是如此。那里的星云物質(zhì)分布過于稀疏，行星無法誕生，而只能形成眾多質(zhì)量較小的天體。他預(yù)言人們將會在海王星之外不斷地發(fā)現(xiàn)小天體，其中一些也可能進(jìn)人內(nèi)太陽系，成為彗星。
持同一觀點(diǎn)的還有美籍荷蘭裔天文學(xué)家柯伊伯(Gerard Kuiper)，不過基于當(dāng)時對冥王星的質(zhì)量的錯誤估計(認(rèn)為其質(zhì)量與地球質(zhì)量相當(dāng)，而事實(shí)上只有地球的0.2％)，他認(rèn)為那些曾經(jīng)存在過的小天體早就已被冥王星的引力作用甩到了更遙遠(yuǎn)的區(qū)域，不會再存在于距太陽30天文單位～50天文單位的區(qū)域中了。
除了從太陽系起源角度所做的分析外，另一些天文學(xué)家根據(jù)對彗星的研究，也殊途同歸地提出了海王星之外存在大量小天體的假說。太陽系中的彗星按軌道周期的長短大致可分為兩類：一類是長周期彗星，它們的軌道周期在兩百年以上，長的可達(dá)幾千、幾萬、甚至幾百萬年。另一類則是短周期彗星，它們的軌道周期在兩百年以下，短的只有幾年。從理論上講，短周期彗星會因?yàn)轭l繁地接近太陽而被迅速蒸發(fā)掉，而且軌道也會因反復(fù)受到行星引力的干擾而變得極不穩(wěn)定，多數(shù)難逃撞入太陽而被吞沒的命運(yùn)。所以，在太陽系誕生初期形成的短周期彗星，很快就會被蒸發(fā)或吞噬，就此絕跡。但如今，50億年過去了，我們卻仍然能觀測到大量短周期彗星，這又怎么解釋呢?
唯一的可能是太陽系中存在一個短周期彗星的發(fā)源地。1980年，烏拉圭天文學(xué)家費(fèi)爾南德斯(Julio Fernandez)提出這個“彗星基地”就是位于海王星之外的一個小天體帶。后來被稱為“柯伊伯帶”，目前的主流觀點(diǎn)認(rèn)為它位于距離太陽30天文單位～55天文單位處。
到20世紀(jì)80年代，在尋找太陽系邊疆的歷程中，理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了觀測的前列，那時柯伊伯帶里已知的唯一一個天體，就是孤零零的冥王星。直到1992年人們發(fā)現(xiàn)另一顆海王星外天體(稱為“海外天體”)――1992QB1，才從觀測上證實(shí)了柯伊伯帶的存在。到2011年底，國際小行星中心(MPC)公布的海外天體數(shù)目已經(jīng)超過1800顆，它們的表面大都覆蓋著由甲烷、氨、水等物質(zhì)組成的寒冰。
異軍突起――奧爾特云
柯伊伯帶擴(kuò)展了太陽系的邊界，但無法解釋長周期彗星的起源，而它們應(yīng)該比柯伊伯帶更遠(yuǎn)!最早對此進(jìn)行系統(tǒng)研究的是荷蘭天文學(xué)家奧爾特(Jan Oorf)。1950年，奧爾特發(fā)現(xiàn)很多長周期彗星的遠(yuǎn)日點(diǎn)位于距太陽50，000天文單位～150，000天文單位(約合0.8光年～2.4光年)的區(qū)域內(nèi)，由此他提出了一個假設(shè)，即在那里存在一個長周期彗星的“大本營”，后來被人們稱為“奧爾特云”(OortCloud)。這一假設(shè)與將柯伊伯帶視為短周期彗星補(bǔ)充基地的假設(shè)有著異曲同工之妙，但時間上更早。
據(jù)估計，奧爾特云中約有幾萬億顆直徑在～千米以上的彗星，其總質(zhì)量約為地球質(zhì)量的幾倍到幾十倍。由于數(shù)量眾多，在一些科普示意圖中奧爾特云被畫礙象一個真正的云團(tuán)一樣，但事實(shí)上，奧爾特云中兩個相鄰小天體之間的平均距離約有幾千萬千米，是太陽系中天體分布最為稀疏的區(qū)域之一。
在距太陽如此遙遠(yuǎn)的地方為何會有這樣一個奧爾特云呢?一些天文學(xué)家認(rèn)為，與離散盤類似，奧爾特云最初是不存在的，如今構(gòu)成奧爾特云的那些小天
體最初與行星一樣，形成于距太陽近得多的地方，后來是被外行星的引力作用甩了出去，才形成了奧爾特云。奧爾特云中的小天體由于距太陽極其遙遠(yuǎn)，很容易受銀河系引力場的潮汐作用及附近恒星引力場的干擾，那些干擾會使得其中一部分小天體進(jìn)入內(nèi)太陽系，從而成為長周期彗星。
“奧爾特云”至今依然只是理論學(xué)家的預(yù)言，它距我們過于遙遠(yuǎn)，而且包含的又大都是小天體，要想從觀測上證實(shí)它，難度實(shí)在太大。不過因?yàn)閵W爾特云并不是一個界限分明的區(qū)域，也有少數(shù)奧爾特云天體的軌道離我們相當(dāng)近，可能被直接觀測到。2003年，美國帕洛馬天文臺的天文學(xué)家布朗(Michael Brown)發(fā)現(xiàn)的“賽德娜”(軌道遠(yuǎn)日點(diǎn)距離約為976天文單位，近日點(diǎn)距離也有76天文單位，直徑約1500千米，曾一度被當(dāng)成第十大行星的候選者)，很可能就是內(nèi)奧爾特云的天體。
奧爾特云的大小，至今仍然沒有定論。今天的很多天文學(xué)家認(rèn)為它的范圍延伸到距太陽約50000天文文單位的地方，但也有人像奧爾特當(dāng)年一樣，認(rèn)為它延伸得更遠(yuǎn)，直到太陽引力控制范圍的最邊緣。這一邊緣大約在距太陽100000天文單位-200000天文單位處，在那之外，銀河系引力場的潮汐作用及附近恒星的引力作用將超過太陽的引力。如果那樣的話，奧爾特云的外邊緣應(yīng)該就是太陽系的疆界了。
眼見為實(shí)――太陽風(fēng)層頂
旅行者1號現(xiàn)在的位置離太陽只有120天文單位，堪堪穿過柯伊伯帶，離奧爾特云還有一段遙不可及的距離，為什么新聞報道中說它已經(jīng)抵達(dá)了太陽系的邊界呢?原來，這是從另外一個角度定義的邊界，學(xué)名叫做“太陽風(fēng)層頂”(Heliopause)，即太陽風(fēng)遭遇到星際介質(zhì)而停滯的邊界，也就是“滯止區(qū)”(stagnation regfon)。所謂太陽風(fēng)就是從太陽上吹出來的高能帶電粒子，由于整個太陽系位于銀河系中，太陽系之外被銀河系里的星際介質(zhì)(主要是氫氣和氦氣)所包裹，太陽風(fēng)在星際介質(zhì)內(nèi)吹出的氣泡被稱為太陽圈。在這氣泡的邊界就是太陽風(fēng)層頂，它是太陽系磁層的磁層頂和銀河系中的等離子氣體交會的地區(qū)。
從這個角度上說，“旅行者”1號所到達(dá)的位置，是太陽風(fēng)的邊界，并不能簡單地理解成太陽系的邊界。但與呼聲甚高卻遙不可及的“奧爾特云”不同，“太陽風(fēng)層頂”是我們實(shí)實(shí)在在觀測到了的邊界：在過去的1年中，“旅行者”1號還探測到當(dāng)?shù)卮艌龅膹?qiáng)度翻了一倍。就像汽車堵塞在高速公路的出口處一樣，增強(qiáng)的磁場說明來自星際空間向內(nèi)的壓力正在擠壓這一區(qū)域；此外，“旅行者”1號還探測了向外運(yùn)動的高能粒子，發(fā)現(xiàn)原本數(shù)量幾乎不變的粒子數(shù)出現(xiàn)了下降，說明它們逃離太陽系、進(jìn)入了星際空間。
第5篇：天文學(xué)的理論范文
關(guān)鍵詞：高等教育；大學(xué)物理；天文學(xué)；教學(xué)
中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）41-0072-03
一、引言
大學(xué)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(xué)習(xí)有著直接的影響，其重要性不可言喻。當(dāng)然，有很多學(xué)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(shí)際教學(xué)活動中適當(dāng)穿插一些相關(guān)專業(yè)或者前沿科技的知識，讓學(xué)生感受物理是如何被應(yīng)用的，從而提高學(xué)生對物理學(xué)習(xí)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(xué)生普遍感興趣的，比如對學(xué)生所學(xué)專業(yè)或者是一些重大的科技進(jìn)展。除此之外，我發(fā)現(xiàn)天文學(xué)是一個很好的穿插對象。天文學(xué)是研究宇宙空間天體、宇宙結(jié)構(gòu)和發(fā)展的學(xué)科，是一門古老的學(xué)科，也是當(dāng)代最活躍的前沿學(xué)科之一，本身具有強(qiáng)大的吸引力，很容易抓住學(xué)生的注意力。而且關(guān)于天文學(xué)的新聞時常出現(xiàn)在各種媒體，對一些字眼和基本概念，學(xué)生也不會感覺太陌生，這樣也就容易拿來當(dāng)作素材介紹，用物理理論來講解會讓學(xué)生對之理解得更深入透徹。本文通過幾個實(shí)例來介紹天文學(xué)知識是如何穿插在大學(xué)物理教學(xué)中的。
二、應(yīng)用實(shí)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(xué)過氣體運(yùn)動理論，就會想到分子熱運(yùn)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(dāng)分子云本身密度較大時，才可能存在較強(qiáng)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(qiáng)的概念，學(xué)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(qiáng)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(xué)中常用的金斯不穩(wěn)定性判據(jù)，更嚴(yán)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(xué)生入手。通過這個例子，學(xué)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(diǎn)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(shí)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(xué)習(xí)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(diǎn)火”。這要求星體中心溫度不能太小，被稱為點(diǎn)火溫度。通過這個例子，學(xué)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(xué)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)模型得到的結(jié)果量級一致。
上式（4）其實(shí)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(xué)平衡，某一半徑r流體元受到的引力與壓強(qiáng)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(jìn)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(xiàng)為零。右邊第二項(xiàng)可以改寫為：-3■4πr2P（r）dr=-3V■=-3VP （8）.
其中P為星體的平均壓強(qiáng)，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(dāng)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(xué)問題，如當(dāng)恒星演化至晚期，恒星中心合成鐵元素后，若再進(jìn)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(xué)內(nèi)容，提出一些有趣的天文學(xué)問題，讓學(xué)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(xué)本身具有很強(qiáng)的吸引力，容易引發(fā)學(xué)生的好奇心，因此在大學(xué)物理課程中穿插一些天文學(xué)知識能夠起到較好的教學(xué)效果，讓學(xué)生通過積極思考，感受如何運(yùn)用物理知識，從而激發(fā)學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性。另一方面，天文學(xué)作為一門古老的學(xué)科，作為自然科學(xué)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(xué)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(dāng)前背景下，通過這樣的結(jié)合也有助于天文學(xué)知識的普及，讓學(xué)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(yùn)用物理知識的確能使我們更加了解天文。
參考文獻(xiàn)：
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第6篇：天文學(xué)的理論范文
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(yùn)動的體系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一個梗概，較詳細(xì)的內(nèi)容則見于公元六世紀(jì)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?yàn)橹行牡耐那蚪M，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(yùn)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(jì)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(jì)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(yùn)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(xué)者持論稍嚴(yán)，認(rèn)為只有土、木令人滿意。〔4〕
Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般認(rèn)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(jìn)，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?shí)體，并認(rèn)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(yùn)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(dú)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(shí)是創(chuàng)作第一級單純永恒運(yùn)動，而自己絕不運(yùn)動，也不附帶地運(yùn)動。……又因?yàn)槲覀円姷搅怂f不動原始本體所創(chuàng)作的宇宙單純空間運(yùn)動以外，還有其他空間運(yùn)動——如行星運(yùn)動——那也是永恒的。”〔5〕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(yùn)動”即指恒星天球的周日運(yùn)動，由此帶動其他天球運(yùn)動?？梢姾阈翘烨蛑系淖趧犹飚?dāng)是后人所加，這一點(diǎn)值得注意。
第三，由于各天球不再是獨(dú)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(yùn)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?yàn)楹文芊崔D(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(jìn)行。在開始討論行星運(yùn)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(yùn)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)體的偏心薄球殼，天體即附于其上。這里的偏心球殼實(shí)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(shí)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(jì)阿拉伯天文學(xué)的影響卻不容忽視。阿拉伯天文學(xué)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?！?〕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(jī)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(rèn)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(xì)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(xué)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(xué)家的工作?！?2〕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(xué)體系為基礎(chǔ)，創(chuàng)立丁經(jīng)院哲學(xué)體系?！?3〕Aquinas則幾乎把Aristotle學(xué)說全盤與神學(xué)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(xué)說與《圣經(jīng)》一致起來?！?4〕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(qiáng)調(diào)指出，Aristotle的學(xué)說直到13世紀(jì)初仍被教會視為異端，多次下令禁止在大學(xué)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(biāo)志著他的學(xué)說得到了教會官方的認(rèn)可，這也正是Aristotle學(xué)說——包括水晶球體系在內(nèi)——成為欽定之時。這一點(diǎn)在許多哲學(xué)史著作中都是很清楚的，但在科學(xué)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(xué)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(jì)之前Aristotle和Ptolemy的學(xué)說與其他古希臘學(xué)說一樣，在歐洲還鮮有人知，根本談不到“束縛”歐洲的天文學(xué)思想。即使從14世紀(jì)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(xué)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(xué)史論著中，更以區(qū)分清楚為妥。
事實(shí)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(yùn)動，在空間中劃出軌跡。C．Purbach在1473年已經(jīng)明確指出這一點(diǎn)，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(shí)際上共存，天文學(xué)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(xué)計算問題，這種現(xiàn)象在水晶哉他蔡帚缽袖拋春少前相當(dāng)普諞。
二 幾位著名近代天文學(xué)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(shí)體天球攜載，而且諸天球?qū)訉酉嘟樱錆M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(rèn)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(shí)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(shí)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(yùn)行軌道。〔23〕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(shí)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(rèn)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(yùn)動，……因此看來還是使用大多數(shù)學(xué)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(shí)沒有任何球體。……當(dāng)然，幾乎所有古代和許多當(dāng)今的哲學(xué)家都確切無疑地認(rèn)為天由堅(jiān)不可人之物造成，分為許多球?qū)樱祗w則附著其上，隨這些球運(yùn)轉(zhuǎn)。但這種觀點(diǎn)與事實(shí)不符?！薄?6〕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(shí)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(shí)際所見者。③火星軌道與太陽軌道相割(這是Tycho體系的特點(diǎn))，表明沒有實(shí)體天球?！?7〕
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(xué)定律；火日軌道相割問題可以用否認(rèn)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(shí)，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(rèn)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(rèn)有實(shí)體天球，并認(rèn)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(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)說認(rèn)為，宇宙是由許多以地球?yàn)橹行牡耐墓腆w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(qiáng)加給一種基本上正確的圖式(這種圖式來自古宣夜說，認(rèn)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(xué)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(fēng)靡了中國的天文界，成為中國天文學(xué)家研究西方天文學(xué)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(jiān)為實(shí)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(dāng)時失敗的情形——連教會自己的天文學(xué)家也拋棄這個學(xué)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(xué)問題，因此也不被中國天文學(xué)家所重視。
清代中國天文學(xué)家對各層天球或軌道是否為實(shí)體有過熱烈討論。王錫闡主張“若五星本天則各自為實(shí)體”〔36〕，梅文鼎則認(rèn)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(dāng)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(xué)家認(rèn)為連這樣的二維軌道也非實(shí)體。焦循說：“可知諸論皆以實(shí)測而設(shè)之。非天之真有諸輪也?！薄?8〕江永也承認(rèn)非實(shí)體：“則在天雖無輪之形質(zhì)，而有輪之神理，雖謂之實(shí)有焉可也。”〔39〕阮元力言實(shí)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(rèn)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(shí)體，乃細(xì)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(shí)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(rèn)為二維軌道也非實(shí)體，當(dāng)然更不會接受三維的實(shí)體天球。事實(shí)上，幾乎所有的清代天文學(xué)家都接受Tycho宇宙體系，或是經(jīng)過他們自己改進(jìn)的Tycho體系，而不是水晶球體系。
Eudoxus的同心球體系被認(rèn)為是數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)思辨。但他或許帶有尋求天體運(yùn)動物理機(jī)制的積極傾向，這種傾向后來一度在阿拉伯天文學(xué)中有所加強(qiáng)。當(dāng)水晶球體系在14世紀(jì)成為教條之后，就束縛了天文學(xué)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(rèn)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?yàn)樗麑ycho宇宙體系的修改是不成功的?！?2〕
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〔13〕F．ThiUy：《西方哲學(xué)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(xué)史及其與哲學(xué)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(xué)史》，何兆武等譯，550頁．商備印書館，1982。
〔18〕李約瑟：《中國科學(xué)技術(shù)史》第四卷，中譯本，115頁，科學(xué)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(xué)疑問》卷一。
〔38〕焦循：《釋輪》卷上。
〔39〕江永：《數(shù)學(xué)》卷六。
〔40〕阮元：《疇人傳》卷四十六。
第7篇：天文學(xué)的理論范文
不管此次阿爾法磁譜儀是否發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)，各國科學(xué)家們都希望有關(guān)暗物質(zhì)起源的問題能夠變得更加明朗。
什么是暗物質(zhì)？在回答這個問題以前，我們先回顧一段有趣的歷史。
自從牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律以來，人們嘗試用萬有引力理論來解釋太陽系的行星運(yùn)動規(guī)律。盡管萬有引力的解釋在開始時是非常成功的，但在解釋天王星運(yùn)動時卻無法得到令人滿意的結(jié)果，天王星的運(yùn)動規(guī)律和萬有引力的預(yù)言有明顯的差異。法國天文學(xué)家U.Le Verrier和英國天文學(xué)家J.C.Adams猜測天王星的異常也許不是萬有引力規(guī)律出了問題，而是在太陽系中還存在一顆當(dāng)時還沒有發(fā)現(xiàn)的行星，這顆行星的引力使得天王星的運(yùn)動偏離了原來預(yù)期的軌道。根據(jù)他們的預(yù)言，于1846年由J.G.Galle發(fā)現(xiàn)了這顆行星，即海王星。
“由行星運(yùn)動異常從而猜測到另外一顆未發(fā)現(xiàn)的行星的存在，非常類似今天我們關(guān)于暗物質(zhì)的認(rèn)識。”中科院高能物理所研究員畢效軍說。
大約80年前，天文學(xué)家意外發(fā)現(xiàn)，一些星系團(tuán)中的星系運(yùn)動速度比預(yù)想中更快，光靠所看到的這些發(fā)光物質(zhì)（當(dāng)時人們還沒發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中大量存在-x射線氣體，它們才是星系團(tuán)中普通物質(zhì)的主體）所產(chǎn)生的引力場根本無法束縛住它們。因此，大家便猜測這些星系團(tuán)中應(yīng)該有種看不見的神秘物質(zhì)，也一起貢獻(xiàn)著引力，拉住了星系。
“雖然我們從來沒有直接‘看到’宇宙中存在這種物質(zhì)，但我們卻發(fā)現(xiàn)了由于這種物質(zhì)的引力作用對于其他可見的物質(zhì)運(yùn)動的影響，這就是我們斷定宇宙中存在這種物質(zhì)的理由?！碑呅к娬f。
這種物質(zhì)的存在，在隨后幾十年中，又相繼被各種天文觀測間接證明。
目前被廣為接受的說法認(rèn)為，它們是一種特殊的物質(zhì)，很可能是一種不參與電磁相互作用的、我們已知的粒子（如質(zhì)子、電子、中子等）之外的全新粒子。
“這種物質(zhì)不發(fā)光，也就是不發(fā)出電磁波，所以看不見。于是，我們就稱它為暗物質(zhì)?！敝锌圃焊吣芪锢硭芯繂T、博士生導(dǎo)師張新民說，“與通常物質(zhì)一樣，暗物質(zhì)有引力作用。這個引力效應(yīng)讓天文學(xué)家在宇宙空間發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)占宇宙的23%，另外73%是暗能量。而組成我們身邊這個世界的‘常規(guī)物質(zhì)’只占4%。”
雖然，人們早已經(jīng)猜測到暗物質(zhì)可能存在，但一直以來從未明確探測到暗物質(zhì)粒子，因此，還不能確定暗物質(zhì)的性質(zhì)。
目前，尋找暗物質(zhì)粒子、研究暗能量的物理本質(zhì)、探索宇宙起源及演化的奧秘、結(jié)合粒子物理和宇宙學(xué)的研究已成為21世紀(jì)天文學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的一個重要趨勢。世界各國都在集中人力、物力和財力組織攻關(guān)，開展這一重大交叉學(xué)科的研究。
2004年8月，美國國家科學(xué)與技術(shù)委員會公開的物理與天文學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略中，列出了新世紀(jì)要解答的11個難題，排在第一位和第二位的分別是“什么是暗物質(zhì)”、“暗能量的本質(zhì)是什么”。
那么，探測和研究暗物質(zhì)，其意義何在？
諾貝爾物理學(xué)獎獲得者李政道教授曾多次指出：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀(jì)末和21世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)的最大烏云，它將預(yù)示著物理學(xué)的又一次革命。”
其實(shí)，很多物理學(xué)家和天文學(xué)家都開始有這樣的預(yù)感：今天物理學(xué)的情況與19世紀(jì)末20世紀(jì)初誕生相對論和量子論時非常類似。
“歷史經(jīng)過百年輪回，人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識又一次處在了十字關(guān)口，暗物質(zhì)便是一個關(guān)鍵的突破口。因此，可以這么說，揭開暗物質(zhì)之謎將是繼哥白尼的日心說、牛頓的萬有引力定律、愛因斯坦的相對論以及量子力學(xué)之后，人們認(rèn)識自然規(guī)律的又一次重大飛躍?！眹姨煳呐_研究員秦波說。
對此，張新民又做了進(jìn)一步的解釋。
“對于宇宙中4%的物質(zhì)，即所謂的通常物質(zhì)，我們已經(jīng)建立了一套非常完備的理論，即所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，但是標(biāo)準(zhǔn)模型并不能描述宇宙中暗物質(zhì)的現(xiàn)象。這就表明，我們對于物質(zhì)的基本組元、基本結(jié)構(gòu)還有待進(jìn)一步的深入研究。而暗物質(zhì)是目前最明確的突破了標(biāo)準(zhǔn)模型的觀測現(xiàn)象，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)就可能帶我們走進(jìn)基本粒子更加深入細(xì)微的結(jié)構(gòu)中，了解更加深刻、基本的物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律。在另一方面，了解暗物質(zhì)的性質(zhì)對于我們理解宇宙中像星系、星系團(tuán)這樣的大尺度的結(jié)果是如何在宇宙演化過程中形成也同樣具有重要的意義。”
暗物質(zhì)之所以“暗”，不僅是指它不發(fā)光，更重要的是它太難捉摸。
“每天可能有幾萬億個暗物質(zhì)以高速穿過你的身體，且未留下任何痕跡，讓你完全感受不到?！睆埿旅褡隽藗€比較，56式半自動步槍子彈出膛的速度是每秒700米，而這些暗物質(zhì)粒子卻是以每秒220千米的高速在運(yùn)動，是前者的300倍。
如何“捕捉”住暗物質(zhì)？
首先，科學(xué)家們曾對這種物質(zhì)可能的形態(tài)做過很多理論上的猜測，例如，惰性中微子（Sterile neutrino）溫暗物質(zhì)、引力微子（Gravitino）溫暗物質(zhì)、軸子（hxion）冷暗物質(zhì)等。
張新民說：“就目前而言，被研究得最多也是最被粒子物理學(xué)家看好的暗物質(zhì)模型是所謂弱作用重粒子。主要因?yàn)檫@種粒子與普通物質(zhì)有弱相互作用，所以具有可探測性。相比之下，對于許多其他的暗物質(zhì)模型，由于其與普通物質(zhì)的相互作用更弱，在目前的實(shí)驗(yàn)水平下使得探測它們的可能性更小?！?/p>
接著，科學(xué)家們又想了很多種實(shí)際探測的實(shí)驗(yàn)辦法。
最初的辦法是天文觀測法，但是卻無法解答“暗物質(zhì)是什么”。后來，人們又采取間接探測和直接探測的辦法。前者，是探測暗物質(zhì)相互碰撞產(chǎn)生的普通物質(zhì)粒子信號，一般通過地面或太空望遠(yuǎn)鏡探測；后者，則是用原子核與暗物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的信號。而在地面上，因?yàn)橛钪嫔渚€眾多，這些信號會對直接探測產(chǎn)生干擾，影響其鑒別能力。因此，地下實(shí)驗(yàn)室可以幫助探測器“擋”去干擾，讓其“靜心”工作。
“丁肇中團(tuán)隊(duì)所使用的阿爾法磁譜儀2號（AMS—02）當(dāng)然是目前靈敏度最高，也是最復(fù)雜、最昂貴的一臺暗物質(zhì)探測設(shè)備，代表了當(dāng)今科學(xué)實(shí)驗(yàn)的最高技術(shù)手段。在此之前，在不同的實(shí)驗(yàn)上都看到了一些‘反常’跡象，人們懷疑這些就是暗物質(zhì)的信號，但是由于實(shí)驗(yàn)的靈敏度還不夠，這些跡象都還無法確認(rèn)為暗物質(zhì)的信號?！碑呅к娬f。
除了阿爾法磁譜儀，其他實(shí)驗(yàn)，例如位于瑞士的大型強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以及深埋在中國四川錦屏地下的暗物質(zhì)探測器實(shí)驗(yàn)等也還都在進(jìn)行當(dāng)中，他們都可能在不遠(yuǎn)的未來有所新發(fā)現(xiàn)。
“世界范圍內(nèi)的暗物質(zhì)探測實(shí)驗(yàn)正在蓬勃發(fā)展，未來10年、20年將是暗物質(zhì)探測的黃金時代，肯定也會有所突破?！鼻夭ㄕf。
第8篇：天文學(xué)的理論范文
張衡(公元78—139年),字平子,南陽郡(今河南南陽)人,東漢時期的科學(xué)家。據(jù)記載,張衡“通《五經(jīng)》,貫六藝”,而且“常耽好《玄經(jīng)》”[ ],也就是說,張衡精通儒家的五經(jīng),通曉儒家的六藝,并對漢儒揚(yáng)雄的《太玄》非常感興趣。
揚(yáng)雄的《太玄》認(rèn)為,“玄”是宇宙間萬事萬物的總原則,他說:“夫玄也者,天道也,地道也,人道也。兼三道而天名之?！盵 ]“玄者,幽摛萬類而不見形者也,資陶虛無而生乎規(guī),執(zhí)神明而定摹,通同古今以開類,摛措陰陽而發(fā)氣。一判一合,天地備矣?！盵 ]張衡非常推崇揚(yáng)雄的《太玄》,并且說:
吾觀《太玄》,方知子云妙極道數(shù),乃與《五經(jīng)》相擬,非徒傳記之屬,使人難論陰陽之事,漢家得天下二百歲之書也。復(fù)二百歲,殆將終乎?所以作者之?dāng)?shù),必顯一世,常然之符也。漢四百歲,《玄》其興矣。[ ]
而且,張衡還受到揚(yáng)雄《太玄》的影響撰著《玄圖》,其中說道:“玄者,無形之類,自然之根。作于太始,莫之與先;包含道德,構(gòu)掩乾坤;橐龠元?dú)?稟受無原?！睆埡獍选靶笨醋魇亲匀恢?顯然是吸收了揚(yáng)雄的思想。他還在闡述其宇宙論和天文學(xué)思想的重要著作《靈憲》中說:
太素之前,幽清玄靜,寂寞冥默,不可為象,厥中惟虛,厥外惟無。如是者永久焉,斯謂溟涬,蓋乃道之根也。[ ]
張衡把宇宙的最初狀態(tài)說成是“幽清玄靜”,應(yīng)當(dāng)說,這種宇宙論在很大程度上是受到了揚(yáng)雄的影響。
與揚(yáng)雄一樣,張衡對當(dāng)時流行的讖緯之學(xué)也進(jìn)行了批評。他在《請禁絕圖讖書》中寫道:
自漢取秦,用兵力戰(zhàn),功成業(yè)遂,可謂大事,當(dāng)此之時,莫或稱讖。若夏侯勝、眭孟之徒,以道術(shù)立名,其所述著,無讖一言。劉向父子領(lǐng)校秘書,閱定九流,亦無讖錄。成、哀之后,乃始聞之。
張衡認(rèn)為,讖緯之學(xué)為后人編造,并非古代圣人所作。他接著說:
《尚書》堯使鯀理洪水,九載績用不成,鯀則殛死,禹乃嗣興。而《春秋讖》云:“共工理水”。凡讖皆云黃帝伐蚩尤,而《詩讖》獨(dú)以為“蚩尤敗,然后堯受命”?！洞呵镌分杏泄敯嗯c墨翟,事見戰(zhàn)國,非春秋時也。又言“別有益州”。益州之置,在于漢世。其名三輔諸陵,世數(shù)可知。至于圖中迄于成帝。一卷之書,互異數(shù)事,圣人之言,勢無若是;殆必虛偽之徒,以要世取資。往者侍中賈逵摘讖互異三十余事,諸言讖者皆不能說。
在這里,張衡指出讖書中存在的自相矛盾,否認(rèn)其為圣人之言。與此同時,張衡還用事實(shí)來證明讖緯預(yù)言的無效。他說:“永元中,清河宋景遂以歷紀(jì)推言水災(zāi),而偽稱洞視玉版?；蛘咧劣跅壖覙I(yè),入山林,后皆無效,而復(fù)采前世成事,以為證驗(yàn)。至于永建復(fù)統(tǒng),則不能知?！币虼藦埡庹J(rèn)為,讖緯之學(xué)“皆欺世罔俗,以昧勢位,情偽較然”,應(yīng)當(dāng)“一禁絕之”。[ ]
此外,張衡還著有《周官訓(xùn)詁》,并且曾“欲繼孔子《易》說《彖》、《象》殘缺者,竟不能就”[ ].可見,張衡不僅是一位科學(xué)家,而且也是一位有成就的儒家學(xué)者。
劉洪(約公元129—210年),字元卓,泰山蒙陰(今屬山東)人,東漢時期的天文學(xué)家。他的《乾象歷》比四分歷精密得多,且有許多進(jìn)步之處,被稱為“劃時代的歷法”[ ].然而,《乾象歷》的理論依據(jù)來自《周易》?！稌x書?律歷中》稱劉洪的《乾象歷》“推而上則合于古,引而下則應(yīng)于今。其為之也,依《易》立數(shù),遁行相號,潛處相求”。
虞喜(公元281—365年),字仲寧,會稽余姚(今屬浙江)人,東晉時期的天文學(xué)家;著有《安天論》,在宇宙結(jié)構(gòu)問題上傾向于“宣夜說”。虞喜在天文學(xué)上的最大貢獻(xiàn)是他最早發(fā)現(xiàn)了歲差,并提出冬至點(diǎn)每50年西移一度的歲差值,被認(rèn)為“在中國天文學(xué)發(fā)展史上尤其具有劃時代的意義”[ ].據(jù)《晉書?虞喜傳》記載:“喜少立操行,博學(xué)好古”;“潔凈其操,歲寒不移,研精墳典,居今行古,志操足以勵俗,博學(xué)足以明道”;“專心經(jīng)傳,兼覽讖緯,乃著《安天論》以難渾、蓋,又釋《毛詩略》,注《孝經(jīng)》,為《志林》三十篇。凡所注述數(shù)十萬言,行于世”?？梢?虞喜也是一位對儒家經(jīng)典頗有研究的學(xué)者。
何承天(公元370年—447年),東海郯(今山東郯城)人,因曾任衡陽內(nèi)史,故被稱“何衡陽”,南北朝時期的天文學(xué)家。他利用前人的觀測紀(jì)錄,加之他自己多年的觀測,撰《元嘉歷》,對舊歷作了多項(xiàng)的改進(jìn),是古代重要的歷法之一。何承天在上表中說:
夫圓極常動,七曜運(yùn)行,離合去來,雖有定勢,以新故相涉,自然有毫末之差,連日累歲,積微成著。是以《虞書》著欽若之典,《周易》明治歷之訓(xùn),言當(dāng)順天以求合,非為合以驗(yàn)天也。[ ]
這里所謂的“順天以求合”,就是要求根據(jù)天象制定歷法并使歷法符合天象;《尚書?堯典》中帝堯命令羲氏、和氏通過觀測日月星辰的運(yùn)行制定歷法以及《周易》中所說“《易》與天地準(zhǔn),故能彌綸天地之道。仰以觀于天文,俯以察于地理,是故知幽明之故”[ ],就是“順天以求合”。何承天認(rèn)為,制定歷法應(yīng)當(dāng)以儒家經(jīng)典《尚書》中的《虞書》以及《周易》為依據(jù),應(yīng)當(dāng)“順天以求合”,而不是為了讓天象符合于歷法,不是“為合以驗(yàn)天”。
何承天不僅以儒家經(jīng)典《尚書》、《周易》作為編撰歷法的依據(jù),同時,他在儒學(xué)上也頗有影響。據(jù)《宋書?何承天傳》記載,“承天幼漸訓(xùn)義,儒史百家,莫不該覽。……《禮論》有八百卷,承天刪減合并,以類相從,凡為三百卷,并《前傳》、《雜語》、《纂文論》并傳于世”。而且,他還在形神關(guān)系問題上提出自己的見解。他曾說過:
天以陰陽分,地以剛?cè)嵊?人以仁義立,人非天地不生,天地非人不靈,三才同體,相須而成者也?！舴虮娚?取之有時,用之有道……所以明仁道也。至于生必有死,形斃神散,猶春榮秋落,四時代換,奚有于更受形哉?[ ]
形神相資,古人譬以薪火。薪弊火微,薪盡火滅;雖有其妙,豈能獨(dú)傳?[ ]
這些觀點(diǎn)對于當(dāng)時形神關(guān)系問題的討論是具有重要意義的。
祖沖之(公元429年-500年),字文遠(yuǎn),范陽遒縣(今河北淶水)人,南北朝時期的數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家。在數(shù)學(xué)上,他對圓周率的計算和對球體體積的計算都代表了當(dāng)時數(shù)學(xué)的最高水平。在天文學(xué)上,他編制了《大明歷》,并首次在歷法推算中將歲差的影響作為考慮的因素。祖沖之曾說自己在編制《大明歷》的過程中,“搜練古今,博采沈奧,唐篇夏典,莫不揆量,周正漢朔,咸加該驗(yàn)”[ ],并且研讀了包括漢儒劉歆、鄭玄在內(nèi)的許多學(xué)者有關(guān)歷算方面的著述。劉宋大明六年(公元462年),祖沖之將所編制的《大明歷》上表給孝武帝,并說:“臣博訪前墳,遠(yuǎn)稽昔典,五帝躔次,三王交分,《春秋》朔氣,《紀(jì)年》薄蝕,……探異今古,觀要華戎?！彼€說,他的歷法有兩大改變,其一,提出每391年設(shè)置144個閏月;其二,“以《堯典》云‘日短星昴,以正仲冬’,以此推之,唐堯世冬至日,在今宿之左 五十許度”。接著,祖沖之還論述了他的歷法的三個“設(shè)法”,其中之一是,“以子為辰首,位在正北,爻應(yīng)初九升氣之端,虛為北方列宿之中”[ ].對于祖沖之的《大明歷》,朝廷重臣戴法興大肆責(zé)難。祖沖之則予以針鋒相對的反駁,其中還就《詩經(jīng)》中的“七月流火”以及《夏小正》中的“五月昏,大火中”,提出自己的看法。[ ]由此可見,祖沖之在編制《大明歷》時,是把《春秋》、《尚書?堯典》、《周易》、《詩經(jīng)》、《大戴禮記?夏小正》等儒家經(jīng)典中有關(guān)天文學(xué)的內(nèi)容當(dāng)作重要的研究資料和依據(jù)。
祖沖之不僅為編制《大明歷》,研習(xí)過儒家經(jīng)典,而且也是在儒學(xué)上很有造詣的學(xué)者。據(jù)《南史?祖沖之傳》記載,祖沖之還“著《易》、《老》、《莊》義,釋《論語》、《孝經(jīng)》,注《九章》,造《綴術(shù)》數(shù)十篇”。
僧一行,俗名張遂(公元683—727年),魏州昌樂(今河南南樂)人,唐朝時期的天文學(xué)家。他所編制的《大衍歷》是當(dāng)時最好的歷法;此外,他在天文儀器制造、天文觀測等諸方面也多有貢獻(xiàn)。一行“少聰敏,博覽經(jīng)史,尤精歷象、陰陽五行之學(xué)”,曾讀漢儒揚(yáng)雄的《太玄》,撰《大衍玄圖》,后來出家為僧。開元五年(公元717年),一行入京,并在此后奉昭編制《大衍歷》。[ ]《大衍歷》中有《歷議》十篇,其中《歷本議》說:
《易》:“天數(shù)五,地數(shù)五,五位相得而各有合,所以成變化而行鬼神也?！碧鞌?shù)始于一,地數(shù)始于二,合二始以位剛?cè)?。天?shù)終于九,地數(shù)終于十,合二終以紀(jì)閏余。天數(shù)中于五,地數(shù)中于六,合二中以通律歷?！守硵?shù)通乎六十,策數(shù)行乎二百四十。是以大衍為天地之樞,如環(huán)之無端,蓋律歷之大紀(jì)也。[ ]
在一行看來,《周易》的“大衍之?dāng)?shù)”是歷法的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。把歷法的數(shù)據(jù)與《周易》的“大衍之?dāng)?shù)”聯(lián)系在一起,這在今天看來的確有牽強(qiáng)附會之嫌,但是,當(dāng)時包括一行在內(nèi)的天文學(xué)家的確這樣做了,并編制成歷法,這卻是事實(shí)。
蘇頌(公元1020—1101年),字子容,泉州同安(今屬福建廈門)人,宋朝時期的天文學(xué)家、醫(yī)藥學(xué)家。他組織領(lǐng)導(dǎo)了水運(yùn)儀象臺的創(chuàng)制,并撰《新儀象法要》,同時還編撰了《本草圖經(jīng)》。蘇頌飽讀儒家經(jīng)典,曾有詩曰:
占畢自忘老,攻堅(jiān)常切問。六經(jīng)日沈酣,百氏恣蹂躪?！抖Y》、《樂》原夏商,《春秋》道堯舜。論《詩》識溫柔,講《易》知謙巽?！稌芬ㄉ瞎?史亦蘄盡信。復(fù)熟《中庸》篇,推名善惡混。[ ]
蘇頌還要求學(xué)校以“《春秋》兼《三傳》,《禮記》兼《周禮》、《儀禮》,并為大經(jīng)”,“《毛詩》為中經(jīng)”,“《周易》、《尚書》為小經(jīng)”。[ ]可見他對儒學(xué)的重視。
與蘇頌同時代的曾肇在為他作墓志銘時稱他“以儒學(xué)顯”,并且說:“公天資閎厚,有犯不校。……凡所施為,主于寬恕,故天下稱為鉅人長者。尤以禮法自持,雖貴,奉養(yǎng)如寒士。……博學(xué),于書無所不讀,圖緯、陰陽五行、星歷,下至山經(jīng)、本草、訓(xùn)詁文字,靡不該貫,尤明典故。喜為人言,亹亹不絕。學(xué)士大夫有僻書疑事,多從公質(zhì)問,朝廷有所制作,公必與焉。”[ ]
沈括(1031—1095年),字存中,錢塘(今浙江杭州)人。嘉佑八年(1063年)舉進(jìn)士,曾參與王安石變法,歷任司天監(jiān)、權(quán)三司使等官職。他博學(xué)多才,所著《夢溪筆談》涉及數(shù)學(xué)、天文歷法、地學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)藥學(xué)以及工程技術(shù)等諸多科技領(lǐng)域,此外,他還有專門的醫(yī)藥學(xué)著作《蘇沈良方》。
然而,他的科學(xué)研究與儒家文化有著密切的關(guān)系。沈括12歲開始延師受業(yè),接受儒家的正統(tǒng)教育,歷時12年。他的人格和學(xué)問較多地受到孟子的影響。他曾撰《孟子解》,其中說道:
屈伸俯仰無不中義,仰不愧于天,俯不怍于人,立于天地間而無所憾,至大也;……
思之而盡其義,始條理也;行之而盡其道,終條理也。
所謂修身也,不能窮萬物之理,則不足擇天下之義;不能盡己之性,則不足入天下之道。[ ]
從這些論述可以看出沈括對于儒學(xué)的深入研究以及他所受儒家思想的影響。此外,他還說過:“雖實(shí)不能,愿學(xué)焉。審問之、慎思之、篤行之,不至則命也。”[ ]儒家經(jīng)典《中庸》所謂“博學(xué)之,審問之,慎思之,明辨之,篤行之”,正是沈括為學(xué)成人的真實(shí)寫照。
黃裳(公元1147—1195年),字文叔,四川隆慶府普城(今四川梓潼)人,宋朝時期的天文學(xué)家、地理學(xué)家。在天文學(xué)方面,現(xiàn)存的蘇州石刻天文圖為當(dāng)時的王致遠(yuǎn)根據(jù)黃裳的天文圖所刻;在地理學(xué)方面,他作有一幅全國總圖。
據(jù)《宋史?黃裳傳》記載,黃裳長期在王府講授儒家經(jīng)典,尤擅長于《春秋》,曾經(jīng)“作八圖以獻(xiàn):曰太極,曰三才本性,曰皇帝王伯學(xué)術(shù),曰九流學(xué)術(shù),曰天文,曰地理,曰帝王紹運(yùn),以百官終焉,各述大旨陳之”,“有《王府春秋講義》及《兼山集》,論天人之理,性命之源,皆足以發(fā)明伊洛之旨”。而且,黃裳還非常贊賞朱熹的學(xué)問,并曾予以薦舉。
郭守敬(公元1231—1316年),字若思,順德邢臺(今屬河北)人,元朝時期的天文學(xué)家。他在天文儀器制造和天文觀測方面成就突出,尤其是他作為主要貢獻(xiàn)者所編制的《授時歷》是“我國古代最優(yōu)秀的歷法”,“把古代歷法體系推向高峰”。[ ]
郭守敬從小隨祖父長大,他的祖父郭榮通曉儒家五經(jīng),且精通數(shù)學(xué)和水利。后來,郭守敬又從學(xué)于劉秉忠。劉秉忠,字仲晦,邢州人。據(jù)《元史?劉秉忠傳》記載:劉秉忠“于書無所不讀,尤邃于《易》及邵氏《經(jīng)世書》,至于天文、地理、律歷、三式六壬遁甲之屬,無不精通”。顯然,郭守敬從小較多地接受儒學(xué)尤其是理學(xué)方面的教育。
元世祖至元十三年(公元1276年),忽必烈下昭編制新歷法,授張文謙昭文館大學(xué)士,領(lǐng)太史院,以總其事。在太史院,負(fù)責(zé)具體工作的主要是王恂和郭守敬。王恂很早就以數(shù)學(xué)方面的才能而聞名。據(jù)《元史?許衡傳》記載,當(dāng)時,王恂認(rèn)為,“歷家知?dú)v數(shù),而不知?dú)v理”,因而推薦許衡參與主持編制歷法。許衡認(rèn)為,“冬至者歷之本,而求歷本者在驗(yàn)氣”。于是,他“與太史令郭守敬等新制儀象圭表,自丙子之冬至日測晷景”,并且“參考累代歷法,復(fù)測候日月星辰消息運(yùn)行之變,參別同異,酌取中數(shù),以為歷本”。[ ]至元十六年(公元1279年),又有楊恭懿入太史院參與修訂歷法。至元十七年(公元1280年),新歷告成,以儒家經(jīng)典《尚書?堯典》中“敬授民時”為據(jù),命名為“授時歷”。
一般認(rèn)為,郭守敬是授時歷的主要貢獻(xiàn)者;這不僅因?yàn)樗诠餐献鞯难芯恐衅鹆酥匾淖饔?而且,還有許多后繼的工作以及最后的定稿都是由郭守敬獨(dú)立完成的。但是不可否認(rèn),在編制授時歷的過程中,王恂、許衡、張文謙、楊恭懿等人都發(fā)揮了一定的作用。然而,郭守敬的這四位主要合作者,恰恰都是在儒學(xué)上很有造詣的學(xué)者。王恂,字敬甫,中山唐縣人。其父王 良曾棄去吏業(yè),潛心于伊洛之學(xué)。據(jù)《元史?王恂傳》記載:“恂早以算術(shù)名,裕宗嘗問焉。恂曰:‘算數(shù),六藝之一;定國家,安人民,乃大事也?！渴套笥?必發(fā)明三綱五常,為學(xué)之道,及歷代治忽興亡之所以然?！痹S衡(公元1209—1282年),字仲平,學(xué)者稱魯齋先生,懷慶河內(nèi)(今河南沁陽)人,宋元之際理學(xué)家。他崇信程朱理學(xué),對于傳播理學(xué)發(fā)揮過重要作用。張文謙,字仲謙,邢州沙河人。據(jù)《元史?張文謙傳》記載:“文謙蚤從劉秉忠,洞究術(shù)數(shù);晚交許衡,尤粹于義理之學(xué)。為人剛明簡重,凡所陳于上前,莫非堯、舜仁義之道。”楊恭懿,字元甫,奉元人。據(jù)《元史?楊恭懿傳》記載:楊恭懿“暇則就學(xué),書無不讀,尤深于《易》、《禮》、《春秋》,后得朱熹集注《四書》,嘆曰:‘人倫日常之用,天道性命之妙,皆萃此書矣?！?/p>
郭守敬從小接受儒家的教育,他在編制授時歷過程中的四位主要合作者的學(xué)術(shù)背景也均屬于儒學(xué),而且許衡還是當(dāng)時著名的理學(xué)家。從這些事實(shí)中不難看出儒學(xué)對于郭守敬編制授時歷具有重要影響。尤其是在剛開始編制歷法時,王恂就推薦“知?dú)v理”的許衡參與工作,這本身就足以說明理學(xué)對于天文學(xué)研究的作用。
王錫闡(公元1628—1682年),字寅旭,號曉庵,別號天同一生,江蘇吳江人,明清之際的天文學(xué)家。他的天文學(xué)著作有《曉庵新法》、《歷法》、《歷策》、《五星行度解》等。
王錫闡曾自稱:“治《詩》、《易》、《春秋》,明律歷象數(shù)?！盵 ]同時,他與諸多儒家學(xué)者有過交往,其中有顧炎武、朱彝尊、萬斯大等,晚年又與呂留良、張履祥一起講濂洛之學(xué)。[ ]這些學(xué)者都是當(dāng)時著名的儒家學(xué)者。朱彝尊(公元1629—1709年),字錫鬯,號竹垞,浙江秀水(今浙江嘉興)人,清經(jīng)學(xué)家,著有《經(jīng)義考》、《曝書亭集》、《明詩綜》等。萬斯大(公元1633—1683年),字充宗,學(xué)者稱褐夫先生,浙江鄞縣人,清經(jīng)學(xué)家;為學(xué)尤精《春秋》、《三禮》。呂留良(公元1629—1683年),字用晦,號晚村,崇德(今浙江桐鄉(xiāng))人,清初理學(xué)家,學(xué)宗程朱。王錫闡與這些儒家學(xué)者交往,不可能不受到儒學(xué)的影響,
與元代天文學(xué)家王恂、郭守敬既講歷數(shù)又講歷理一樣,王錫闡也說:
天學(xué)一家,有理而后有數(shù),有數(shù)而后有法。然惟創(chuàng)法之人,必通乎數(shù)之變,而窮乎理之奧,至于法成數(shù)具,而理蘊(yùn)于中。[ ]
古人立一法,必有一理,詳于法而不著其理。理具法中,好學(xué)深思者自能力索而得之也。[ ]
因此,他反對將歷理和歷數(shù)二者分割開來的做法。他說:
至宋而歷分兩途,有儒家之歷,有歷家之歷。儒者不知?dú)v數(shù),而援虛理以立說,術(shù)士不知?dú)v理,而為定法以驗(yàn)天。天經(jīng)地緯躔離違合之原,概未有得也。[ ]
第9篇：天文學(xué)的理論范文
關(guān)鍵詞：望遠(yuǎn)鏡；天文學(xué)；遠(yuǎn)程控制；管理系統(tǒng)
中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599(2012)03-0000-02
Telescope Remote Control and Management System
Qian Chen
(Jiangsu Province Taizhou No.2 School,Taizhou225300,China)
Abstract:With the continuous development of network technology,the remote control system of the telescope to become the research focus of the Observatory at home and abroad,the observer through the Internet you can control the telescope for astronomical observations.Remote control system of the telescope astronomical science activities have played a positive role in promoting,parents no longer worry about the child's travel at night,as long as remote viewing via the website booking home for astronomical observation,effectively improve the management efficiency, reduce management costs,astronomical research has practical significance,but also to popularize scientific knowledge of the basic conditions.
Keywords:Telescope;Astronomy;Remote control;Management system
天文學(xué)是人類最早開展研究的學(xué)科之一，古代天文學(xué)的研究方式一般基于都是肉眼所見，研究的內(nèi)容也僅僅是對天文現(xiàn)象的文字記載和簡單推算。因此，在很長的一段歷史時期內(nèi)，古代天文學(xué)研究的一直沒有任何突破性的發(fā)展，研究方法依然簡單，缺少相應(yīng)的理論支持。大概在十七世紀(jì)初，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明使天文現(xiàn)象的觀測水平大幅提高。在那之后，許多天文科學(xué)家都投入到天文望遠(yuǎn)鏡的研制之中，天文望遠(yuǎn)鏡研制技術(shù)的不斷發(fā)展，有效的推動了天文學(xué)研究的發(fā)展，獲得了很多的新的科研成果。
隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)、探測器技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過天文觀測獲得的數(shù)據(jù)量正在成倍增長，另一方面，國際上各種的巡天計劃的數(shù)據(jù)在不斷的累積，如Hubble太空望遠(yuǎn)鏡每天的數(shù)據(jù)量大約為5GBytes。但是，這些并不意味著人們從中可以獲得的信息量也日益的豐富。人們需要改變這種 “數(shù)據(jù)越來越豐富，但沒有豐富的信息、知識”的情況。迅猛上升的大量數(shù)據(jù)保存在各種系統(tǒng)和介質(zhì)中，不便于人們對其進(jìn)行整理和管理。為解決上述問題只有開發(fā)建設(shè)虛擬天文臺這樣的一個答案。
現(xiàn)在，天文學(xué)家們已經(jīng)意識到建設(shè)虛擬天文臺對天文現(xiàn)象研究的重要性。在中國，北京天文觀測臺、清華大學(xué)FAST課題組、西安電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位對天文望遠(yuǎn)鏡的控制系統(tǒng)有了一定的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論成果。二零零零年一月，經(jīng)過中國、美國、奧地利三個國家的許多物理學(xué)家的不斷努力，建立了一個全球范圍內(nèi)的H-alpha全日面像聯(lián)測網(wǎng)絡(luò)。該聯(lián)測網(wǎng)絡(luò)包括下面這樣幾個：Big Bear Solar Observatory(USA)，Kanzelhohe Solar Observatory(Austria)，云南天文臺，Catania Astrophysical Observatory，以及懷柔太陽天文臺。
從控制方法上看，目前存在三種主要的方法：集中控制、主從控制和分布式控制。從自動化程度來看，望遠(yuǎn)鏡控制的流程自動化運(yùn)行模式還處于初級階段。
國際上望遠(yuǎn)鏡的控制主要有以下方式：
1.通過控制手柄的按鈕手動控制望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)尋星。此方法僅適用于從事天文觀測的專業(yè)人員。
2.觀測人員一步步地使用控制軟件的界面，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。這是最基本的非自動化的運(yùn)行模式。
3.全自動導(dǎo)星方式。在計算機(jī)中輸入要觀測的恒星或行星的名稱或坐標(biāo)，計算機(jī)通過軟件控制望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)自動化尋星。自動化尋星的流程固定在程序中，不能更改，留出一些參數(shù)供觀測人員現(xiàn)場配置。
下面將簡單的討論一下網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)和管理系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容。
首先，我們討論一下網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，我們將控制網(wǎng)絡(luò)分為兩個組成部分：第一是面向設(shè)備的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)；第二是面向控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)；用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)（如RS-232/422/485，CAN，Lonworks，工業(yè)以太網(wǎng)等）連接現(xiàn)場設(shè)備，并通過特定的接口（如標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口）聯(lián)接到控制網(wǎng)絡(luò)，控制網(wǎng)絡(luò)再連接到對應(yīng)的其他系統(tǒng)，另外，因?yàn)閺V域網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，從根本上來說這些控制網(wǎng)絡(luò)是能夠平滑的接入廣域網(wǎng)并且形成更強(qiáng)大的控制網(wǎng)絡(luò)。
其次，我們再來討論XML和Web服務(wù)技術(shù)。當(dāng)前，國際天文學(xué)研究的主要方向是努力于將XML引入天文數(shù)據(jù)處理/存儲/交換領(lǐng)域，而這項(xiàng)研究的主要內(nèi)容為：VOTable。VOTable這個項(xiàng)目的提出來源于這樣的一個問題：如何能夠輕便而又高效的保存大量的數(shù)據(jù)，并能讓這些數(shù)據(jù)應(yīng)用于到今后的大規(guī)模分布式計算環(huán)境？為了研究這些，國際天文學(xué)家們試著通過基于XML技術(shù)的VOTable這個項(xiàng)目來解決這個難題。
在因特網(wǎng)迅猛發(fā)展的時期，一旦我們擁有了數(shù)據(jù)/信息交換的標(biāo)準(zhǔn)(即XML以及基于XML的某種標(biāo)記語言)，那么怎么才能知道在什么地方可以處理這些數(shù)據(jù)/信息？怎么樣為某些數(shù)據(jù)/信息開發(fā)對應(yīng)的處理應(yīng)用，怎樣將這些到分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之中呢?應(yīng)用之后，我們又該怎樣將其公開發(fā)行，讓客戶能夠輕易地搜索到呢?天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)比較好的解決方法就是Web服務(wù)技術(shù)(web services)。Web服務(wù)技術(shù)是為了解決因特網(wǎng)范圍內(nèi)，如何將web服務(wù)集成在一起，進(jìn)行相互操作的一個技術(shù)框架。Web服務(wù)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)是XML/SOAP/WSDL/UDDI，在這些技術(shù)里面，XML是Web服務(wù)的基石，簡單對象訪問協(xié)議（SOAP）利用XML來封裝Web服務(wù)的請求，Web服務(wù)的功能又是由服務(wù)描述語言（WSDLWeb）來描述，Web服務(wù)的注冊由統(tǒng)一描述/發(fā)現(xiàn)/集成協(xié)議（UDDI）實(shí)現(xiàn)。
第三，B/S模式。B/S結(jié)構(gòu)分布性強(qiáng)、維護(hù)方便、開發(fā)簡單、用戶操作便于掌握、共享性強(qiáng)并且成本低廉。另外，B/S模式便于集中的管理維護(hù)、用戶操作簡單、跨平臺等特點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)尤其是寬帶網(wǎng)絡(luò)的普遍使用，基于網(wǎng)絡(luò)的B/S應(yīng)用方式更具有光明的發(fā)展前景。
第四、DBMS(數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(database management system)是一種操縱和管理數(shù)據(jù)庫的大型軟件，用來建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫，簡稱dbms。它對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行嚴(yán)格統(tǒng)一的管理和控制，這樣就保證數(shù)據(jù)庫的安全性和完整性。用戶通過dbms訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫的管理員也通過dbms對數(shù)據(jù)庫維護(hù)。它可以讓多個應(yīng)用程序和用戶用不同的方法在同時或者不同時間去建立，修改和詢問數(shù)據(jù)庫。DBMS提供數(shù)據(jù)定義語言DDL（Data Definition Language）與數(shù)據(jù)操作語言DML（Data Manipulation Language），供用戶定義數(shù)據(jù)庫的模式結(jié)構(gòu)與權(quán)限約束，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的追加、刪除等操作。
第五、動態(tài)服務(wù)器頁面ASP
ASP是Active Server Page的縮寫，意為“動態(tài)服務(wù)器頁面”。ASP是微軟公司開發(fā)的代替CGI腳本程序的一種應(yīng)用，它可以與數(shù)據(jù)庫或者是其它程序進(jìn)行交互，是一種簡單、方便的編程工具。ASP的網(wǎng)頁文件的格式是.asp，現(xiàn)在常用于各種動態(tài)網(wǎng)站中。
望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)，使學(xué)生在室內(nèi)的電腦上，通過web遠(yuǎn)程登錄控制網(wǎng)站，就能操作天文望遠(yuǎn)鏡，獲取到相關(guān)的天空信息和圖像，既能讓學(xué)生達(dá)到觀看天空的目的，又解決了安全問題。
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