关于天文学的知识精选(九篇)

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第1篇：关于天文学的知识范文

一. 天文学研究的历程

朱熹对天文现象的思考很早就已开始。据朱熹门人黄义刚“癸丑（1193年，朱熹63岁）以后所闻”和林蘷孙“丁巳（1197年，朱熹67岁）以后所闻”，朱熹曾回忆说：“某自五、六岁，便烦恼道：‘天地四边之外，是什么物事？’见人说四方无边，某思量也须有个尽处。如这壁相似，壁后也须有什么物事。其时思量得几乎成病。到而今也未知那壁后是何物？”[ ]可见，朱熹从小就关心天文，直到晚年仍对此难以忘怀，并孜孜以求。

然而，朱熹在其早期的学术生涯中，并没有进行天文学的研究。朱熹早年除读儒家经典外，“无所不学，禅、道文章，楚辞、诗、兵法，事事要学”[ ]。绍兴三十年（1160年，朱熹30岁），朱熹正式拜二程的三传弟子李侗为师，开始潜心于儒学，并接受李侗以“默坐澄心”于“分殊”上体认“理一”的思想。

据《朱文公文集》以及当今学者陈来先生所著《朱子书信编年考证》[ ]，朱熹最早论及天文学当在乾道七年（1171年，朱熹41岁）的《答林择之》，其中写道：“竹尺一枚，烦以夏至日依古法立表以测其日中之景，细度其长短。”[ ]

测量日影的长度是古代重要的天文观测活动之一。最简单的方法是在地上直立一根长八尺的表竿，通过测量日影的长短来确定节气；其中日影最短时为夏至，最长时为冬至，又都称为“日至”。与此同时，这种方法还用于确定“地中”。《周礼地官》载：“以土圭之法测土深，正日景以求地中。……日至之景，尺有五寸，谓之地中。”意思是，在夏至日中午测得日影为一尺五寸的地方，此地便是“地中”。而且，从“地中”向北，每一千里则影长增一寸；向南，每一千里则影长减一寸。这就是《周髀算经》所谓“周髀长八尺，勾之损益寸千里”。这一说法到南朝以后受到怀疑；唐朝的一行和南宫说通过不同地区日影的测量，进一步予以纠正。朱熹要其弟子林择之协助测量日影，显然是要比较不同地区日影的长短，其科学精神可见一斑。

在同年的《答蔡季通》中。朱熹写道：“历法恐亦只可略说大概规模，盖欲其详，即须仰观俯察乃可验。今无其器，殆亦难尽究也。”[ ]

蔡季通，即蔡元定（1135～1198年）；建阳（今属福建）人，学者称西山先生；精于天文、地理、吕律、象数，著作有《律吕新书》、《大衍详说》等；为朱熹“四大弟子（ 蔡元定、黄干、刘爚、陈淳）”之首。蔡元定的年龄仅比朱熹小5岁，并在天文学等科学上有所造诣，很受朱熹的器重。从以上所引《答蔡季通》可知，当时朱熹正与蔡元定讨论天文历法，并且认为，研究历法必须用科学仪器进行实际的天文观测。

淳熙元年（1174年，朱熹44岁），朱熹在《答吕子约》中写道：“日月之说，沈存中笔谈中说得好，日食时亦非光散，但为物掩耳。若论其实，须以终古不易者为体，但其光气常新耳。”[ ]显然，朱熹在此前已研读过北宋著名科学家沈括的《梦溪笔谈》，并对沈括的有关天文学的观点进行分析。胡道静先生认为，在整个宋代，朱熹是最最重视沈括著作的科学价值的唯一的学者，是宋代学者中最熟悉《梦溪笔谈》内容并能对其科学观点有所阐发的人。[ ]

淳熙十三年（1186年，朱熹56岁），朱熹在《答蔡季通》中写道：“《星经》紫垣固所当先，太微、天市乃在二十八宿之中，若列于前，不知如何指其所在？恐当云在紫垣之旁某星至某星之外，起某宿几度，尽某宿几度。又记其帝坐处须云在某宿几度，距紫垣几度，赤道几度，距垣四面各几度，与垣外某星相直，及记其昏见，及昏旦夜半当中之星。其垣四面之星，亦须注与垣外某星相直，乃可易晓。……《星经》可付三哥毕其事否？甚愿早见之也。近校得《步天歌》颇不错，其说虽浅而词甚俚，然亦初学之阶梯也。”[ ]可见，当时朱熹正与蔡元定一起研究重要的天文学经典著作《星经》和以诗歌形式写成的通俗天文学著作《步天歌》，并就如何确定天空中恒星的位置问题进行讨论，其中涉及三垣二十八宿星象体系。

同年，朱熹在《答蔡伯静》中写道：“天经之说，今日所论乃中其病，然亦未尽。彼论之失，正坐以天形为可低昂反复耳。不知天形一定，其间随人所望固有少不同处，而其南北高下自有定位，政使人能入于弹圆之下以望之，南极虽高，而北极之在北方，只有更高于南极，决不至反入地下而移过南方也。但入弹圆下者自不看见耳。盖图虽古所创，然终不似天体，孰若一大圆象，钻穴为星，而虚其当隐之规，以为瓮口，乃设短轴于北极之外，以缀而运之，又设短轴于南极之北，以承瓮口，遂自瓮口设四柱，小梯以入其中，而于梯末架空北入，以为地平，使可仰窥而不失浑体耶？”[ ]在这里，朱熹设想了一种可进入其中观看天象的庞大的浑天仪。

淳熙十四年（1187年，朱熹57岁），朱熹在《答廖子晦》中写道：“日之南北虽不同，然皆随黄道而行耳。月道虽不同，然亦常随黄道而出其旁耳。其合朔时，日月同在一度；其望日，则日月极远而相对；其上下弦，则日月近一而远三。如日在午，则月或在卯，或在酉之类是也。故合朔之时，日月之东西虽同在一度，而月道之南北或差远，于日则不蚀。或南北虽亦相近，而日在内，月在外，则不蚀。此正如一人秉烛，一人执扇，相交而过。一人自内观之，其两人相去差远，则虽扇在内，烛在外，而扇不能掩烛。或秉烛者在内，而执扇在外，则虽近而扇亦不能掩烛。以此推之，大略可见。”[ ]在这里，朱熹对月亮盈亏变化的原因作了探讨。

淳熙十六年（1189年，朱熹59岁），朱熹在《答蔡季通》中写道：“极星出地之度，赵君云福州只廿四度，不知何故自福州至此已差四度，而自此至岳台，却只差八度也。子半之说尤可疑，岂非天旋地转，闽浙却是天地之中也耶？”[ ]在这里，朱熹试图通过比较各地北极星的高度及其与地中岳台的关系，以证明大地的运动。

朱熹在一生中最后的十年里，在天文学研究上下了较多的功夫，并取得了重要的科学成就。南宋黎靖德所编《朱子语类》卷一“理气上太极天地上”和卷二“理气下天地下”编入大量朱熹有关天文学的言论，其中大都是这一时期朱熹门人所记录的。例如：《朱子语类》卷二朱熹门人陈淳“庚戌（1190年，朱熹60岁）、己未（1199年，朱熹69岁）所闻”：“天日月星皆是左旋，只有迟速。天行较急，一日一夜绕地一周三百六十五度四分度之一，而又进过一度。日行稍迟，一日一夜绕地恰一周，而於天为退一度。至一年，方与天相值在恰好处，是谓一年一周天。月行又迟，一日一夜绕地不能匝，而於天常退十三度十九分度之七。至二十九日半强，恰与天相值在恰好处，是谓一月一周天。月只是受日光。月质常圆，不曾缺，如圆毬，只有一面受日光。望日日在酉，月在卯，正相对，受光为盛。天积气，上面劲，只中间空，为日月来往。地在天中，不甚大，四边空。……”[ ]

《朱子语类》的其它卷中也有此类记录。例如：《朱子语类》卷二十三黄义刚“癸丑（1193年，朱熹63岁）以后所闻”：安卿问北辰。曰：“北辰是那中间无星处，这些子不动，是天之枢纽。北辰无星……。”义刚问：“极星动不动？”曰：“极星也动。只是它近那辰后，虽动而不觉。……今人以管去窥那极星，见其动来动去，只在管里面，不动出去。向来人说北极便是北辰，皆只说北极不动。至本朝人方去推得是北极只是北辰头边，而极星依旧动。又一说，那空无星处皆谓之辰……。”又曰：“天转，也非东而西，也非循环磨转，却是侧转。”义刚言：“楼上浑仪可见。”曰：“是。”……又曰：“南极在地下中处，南北极相对。天虽转，极却在中不动。”[ ]

《朱文公文集》卷七十二朱熹所著《北辰辨》（大约写成于1196年，朱熹66岁）以及卷六十五朱熹所注《尚书》之《尧典》、《舜典》（大约写成于1198年，朱熹68岁）都包含有丰富的天文学观点。《北辰辨》是朱熹专门讨论天球北极星座的论文；在所注的《尧典》中，朱熹讨论了当时天文学的岁差、置闰法等概念；在所注《舜典》中讨论了早期的浑天说、浑天仪的结构，并详细记录了当时的浑天仪结构。

这一时期朱熹所编《楚辞集注》（成书于1195年，朱熹65岁）之《天问》中也有一些注释反映了他在天文学方面的研究和造诣。

二. 天文学的成就

就朱熹研究天文学的方法而言，其最根本的研究方法是[ ]：

其一，细心观察各种天文现象。朱熹是重视亲身观察、善于观察的人。他经常运用仪器观察天文现象；并运用观察所得验证、反驳或提出各种见解。

其二，用“气”、“阴阳”等抽象概念解释天文现象。朱熹所采用的这一方法与中国古代科学家普遍采用的研究方法是一致的。

其三，运用推类获取新知。朱熹经常运用“以类而推”的方法，用已知的东西、直观的东西，对天文现象进行类推解释。

其四，阐发前人的天文学研究成果。朱熹研读过包括沈括《梦溪笔谈》在内的大量科学论著，对前人的天文学观点均予以评述，并提出自己的看法。

从现代科学的角度看，朱熹的天文学研究方法，固然有其不足之处，这主要是由于古代科学所处的阶段而导致的。在古代科学的范畴中，朱熹的天文学研究方法应当属于合理。更为重要的是，朱熹运用这些方法在天文学上取得了重要的成就。

朱熹在天文学方面的科学成就主要反映在他最后十年里有关的言论中。概括起来主要有三个方面：

第一，提出了以“气”为起点的宇宙演化学说。朱熹曾经说：“天地初间只是阴阳之气。这一个气运行，磨来磨去，磨得急了便拶许多渣滓；里面无处出，便结成个地在中央。气之清者便为天，为日月，为星辰，只在外，常周环运转。地便只在中央不动。不是在下。”[ ]这里描绘了一幅宇宙演化途径的图景。

在朱熹看来，宇宙的初始是由阴阳之气构成的气团。阴阳之气的气团作旋转运动；由于内部相互磨擦发生分化；其中“清刚者为天，重浊者为地”[ ]，重浊之气聚合为“渣滓”，为地，清刚之气则在地的周围形成天和日月星辰。朱熹还明确说：“天地始初混沌未分时，想只有水火二者。水之滓脚便成地。今登高而望，群山皆为波浪之状，便是水泛如此。只不知因什么时凝了。初间极软，后来方凝得硬。……水之极浊便成地，火之极轻便成风霆雷电日星之属。”[ ]他根据直观的经验推断认为，大地是在水的作用下通过沉积而形成的，日月星辰是由火而形成的。

将宇宙的初始看作是运动的气，这一思想与近代天文学关于太阳系起源的星云说有某些相似之处。1755年，德国哲学家康德提出了太阳系起源的星云说；1796年，法国天文学家拉普拉斯也独立地提出星云说。星云说认为，太阳系内的所有天体都是由同一团原始星云形成的。然而，在他们500多年之前，朱熹就提出了类似之说；尽管尚缺乏科学依据和定量的推算，但其通过思辩而获得的结果则是超前的。

对此，英国科学史家梅森在其《自然科学史》一书中予以记述：“宋朝最出名的新儒家是朱熹。他认为，在太初，宇宙只是在运动中的一团浑沌的物质。这种运动是漩涡的运动，而由于这种运动，重浊物质与清刚物质就分离开来，重浊者趋向宇宙大旋涡的中心而成为地，清刚者则居于上而成为天。……”[ ]

第二，提出了地以“气”悬空于宇宙之中的宇宙结构学说。朱熹赞同早期的浑天说，但作了重大的修改和发展。早期的浑天说认为：“天如鸡子，地如鸡中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天地各乘气而立，载水而行”[ ]但是，当天半绕地下时，日月星辰如何从水中通过？这是困扰古代天文学家的一大难题。朱熹不赞同地载水而浮的说法，他说：“天以气而依地之形，地以形而附天之气。天包乎地，地特天中之一物尔。天以气而运乎外，故地搉在中间，隤然不动。”[ ]这就是说，地以“气”悬空在宇宙之中。

至于地如何以“气”悬空在宇宙中央，朱熹说：“天运不息，昼夜辗转，故地搉在中间。使天有一息之停，则地须陷下。惟天运转之急，故凝结得许多渣滓在中间。”[ ]又说：“地则气之渣滓，聚成形质者；但以其束于劲风旋转之中，故得以兀然浮空，甚久而不坠耳。”[ ]朱熹认为，宇宙中“气”的旋转使得地能够悬空于宇宙中央。朱熹的解释克服了以往天文学家关于宇宙结构学说的弱点，把传统的浑天说发展到了一个新水平。[ ]

关于地之外的天，朱熹说：“天之形，……亦无形质。……天体，而实非有体也。”[ ]“天无体，只二十八宿便是天体。”[ ]又说：“星不是贴天。天是阴阳之气在上面”；“天积气，上面劲，只中间空，为日月来往。地在天中，不甚大，四边空，”[ ]这显然是吸取了传统宣夜说所谓“天了无质，……日月众星，自然浮生虚空之中，其行无止，皆须气也”[ ]的思想。

第三，提出了天有九重和天体运行轨道的思想。朱熹认为，屈原《天问》的“圜则九重”就是指“九天”，指天有九重。事实上，在朱熹之前，关于“九天”的说法可见《吕氏春秋有始览》：中央曰钧天，东方曰苍天，东北曰變天，北方曰玄天，西北曰幽天，西方曰颢天，西南曰朱天，南方曰炎天，东南曰阳天；后来的《淮南子天文训》等也有类似的说法；直到北宋末年洪兴祖撰《楚辞补注》，其中《天文章句》对“九天”的解释是：东方皞天，东南方阳天，南方赤天，西南方朱天，西方成天，西北方幽天，北方玄天，东北方變天，中央钧天。显然，这些解释都不包括天有九重的思想。

朱熹则明确地提出天有九重的观点，并且还说“自地之外，气之旋转，益远益大，益清益刚，究阳之数，而至于九，则极清极刚，而无复有涯矣”[ ]；同时，朱熹赞同张载所谓“日月五星顺天左旋”的说法。他进一步解释说：“盖天行甚健，一日一夜周三百六十五度四分度之一，又进过一度。日行速，健次于天，一日一夜周三百六十五度四分度之一，正恰好。比天进一度，则日为退一度。二日天进二度，则日为退二度。积至三百六十五日四分日之一，则天所进过之度，又恰周得本数；而日所退之度，亦恰退尽本数，遂与天会而成一年。月行迟，一日一夜三百六十五度四分度之一行不尽，比天为退了十三度有奇。进数为顺天而左，退数为逆天而右。”[ ]《朱子语类》卷二朱熹的门人在阐释所谓“天左旋，日月亦左旋”时说：“此亦易见。如以一大轮在外，一小轮载日月在内，大轮转急，小轮转慢。虽都是左转，只有急有慢，便觉日月似右转了。”朱熹赞同此说。[ ]

对此，英国著名科学史家李约瑟说：“这位哲学家曾谈到‘大轮’和‘小轮’，也就是日、月的小‘轨道’以及行星和恒星的大‘轨道’。特别有趣的是，他已经认识到，‘逆行’不过是由于天体相对速度不同而产生的一种视现象。”[ ]因此李约瑟认为，不能匆忙假定中国天文学家从未理解行星的运动轨道。

在天文学研究中，朱熹除了提出以上新见外，还对沈括有关天文学的观点做过详细的阐述。例如：沈括曾说：“月本无光，犹银丸，日耀之乃光耳。光之初生，日在其傍，故光侧，而所见才如钩；日渐远，则斜照，而光稍满。如一弹丸，以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩；对视之，则正圆。”[ ]朱熹赞同此说，并接着说：“以此观之则知月光常满，但自人所立处视之，有偏有正，故见其光有盈有亏。”[ ]他还说：“月体常圆无阙，但常受日光为明。初三、四是日在下照，月在西边明，人在这边望，只见在弦光。十五、六则日在地下，其光由地四边而射出，月被其光而明。……月，古今人皆言有阙，惟沈存中云无阙。”[ ]

三. 对后世的影响

中国古代的天文学大致包括宇宙结构理论和历法两大主要部分，尤以历法最为突出。宇宙结构理论自汉代形成盖天说、浑天说和宣夜说之后，也经历了不断的发展，主要表现为占主导地位的浑天说不断吸取各家学说之长而逐步得到完善。

朱熹的天文学研究侧重于对宇宙结构理论的研究。他通过自己的天文观测和科学研究，以浑天说为主干，吸取了盖天说和宣夜说的某些观点，提出了较以往更加完善的宇宙结构理论，把古代的浑天说推到一个新的阶段，这应当是朱熹对于古代天文学发展的一大贡献。

但是，由于朱熹的天文学研究只是专注于宇宙的结构，对于当时在天文观测和历法方面的研究进展关注不够，在这些方面的研究稍显不足。因此，他的宇宙结构理论在某些具体的细节方面，尤其是定量方面，尚有一些不足之处，有些见解和解释是欠妥当的。

然而，他毕竟对宇宙结构等天文学问题作了纯科学意义上的研究，代表了宋代以至后来相当长一段时期中国古代天文学在宇宙结构理论研究方面的水平。而且，朱熹的宇宙结构理论在后来直至清代一直受到了不少学者的重视和引述。

朱熹之后宋末的重要学者王应麟(1223～1296年，字伯厚，号深宁居士)撰《六经天文编》六卷，记述了儒家经典中大量有关天文学方面的重要论述，《四库全书六经天文编》“提要”说：“是编裒六经之言天文者，以易、书、诗所载为上卷，周礼、礼记、春秋所载为下卷。”该著作也记述了朱熹的许多有关天文学方面的论述。

元代之后科举考试以“四书五经”为官定教科书。其中《尚书》以蔡沈的《书集传》为主。蔡沈（1167～1230年，字仲默，号九峰）曾随其父蔡元定从学于朱熹。他的《书集传》是承朱熹之命而作，其中包含了朱熹所注《尚书》之《尧典》、《舜典》等内容，涉及不少有关天文学方面的论述。另有元代学者史伯璿（生卒不详）著《管窥外篇》；《四库全书管窥外篇》“提要”说：该书中“于天文、历学、地理、田制言之颇详，多能有所阐发。”在论及天文学时，该书对朱熹的言论多有引述，并认为“天以极健至劲之气运乎外，而束水与地于其中”。这与朱熹的宇宙结构理论是一致的。

明初的胡广等纂修《性理大全》，其中辑录了大量朱熹有关天文学的论述。明末清初的天文学家游艺（生卒不详，字子六，号岱峰）融中西天文学于一体，撰天文学著作《天经或问》，后被收入《四库全书》，并流传于日本。该书在回答地球何以“能浮空而不坠”时说：“天虚昼夜运旋于外，地实确然不动于中……天裹着地，运旋之气升降不息，四面紧塞不容展侧，地不得不凝于中以自守也。”这里吸取了朱熹关于气的旋转支撑地球悬于空中的宇宙结构理论；在解释地震的原因时，该书又明确运用了朱熹的这一观点，说：“地本气之渣滓聚成形质者，束于元气旋转之中，故兀然浮空而不坠为极重亘中心以镇定也。”在论及日月五星的运行方向和速度时，该书说道：“日月之行，宋儒言之甚详”，并且还直接引述朱熹关于五星运行方向和速度的观点予以说明。

清代著名学者李光地（1642～1718年，字晋卿，号榕村）曾奉命主编《朱子大全》，其中“卷四十九理气一”有“总论、太极、天地、阴阳、时令”，“卷五十理气二”有“天文、天度、地理、雷电、风雨雪雹霜露”，收录了朱熹有关天文学的不少论述。李光地所著的《历象本要》引述了朱熹所谓“地在中央不动，不是在下”，“天包乎地”以及“天有九重”等，用以说明朱熹的天文学思想中包含了西方天文学有关宇宙结构的知识[ ]。他在所撰的《理气》篇说：“朱子言天，天不宜以恒星为体，当立有定之度数记之。天乃动物，仍当于天外立一太虚不动之天以测之，此说即今西历之宗动天也。其言九层之天。近人者最和暖故能生人物。远得一层，运转得较紧似一层。至第九层则紧不可言。与今西历所云九层一 一吻合。”[ ]他的《御定星历考原》六卷，也引述了朱熹有关宇宙结构的言论，并且认为，朱熹所说的“天包乎地，地特天中之一物尔”就是指“天浑圆地亦浑圆”，而与西方天文学的宇宙结构理论相一致。

李光地与被誉为清初“历算第一名家”的梅文鼎（1633～1721年，字定九，号勿庵）[ ]交往甚密，并且对当时的西方科学都持“西学中源”说。梅文鼎在所著《历学疑问》中多处引用朱熹有关宇宙结构的言论。该书认为，朱熹已经具有西方天文学所谓“动天之外有静天”、“天有重数”和“以轮载日月”的观点，并且说：“朱子以轮载日月之喻，兼可施诸黄、赤，与西说之言层次者实相通贯。”[ ]

除此之外，清代还有黄鼎（生卒不详）的《天文大成管窥辑要》八十卷，其中也包括朱熹有关天文学的不少论述。

朱熹是古代的大哲学家，代表了中国古代哲学发展的一座高峰。也许正是这个原因，他在天文学上所取得的成就一直没有能引起人们足够的注意。但是，这并不能否认他在天文学上确实做出过卓越的贡献，他的宇宙结构理论对后世产生过重大的影响。

注释：

[ ] 李约瑟：《中国科学技术史》第四卷《天学》，北京：科学出版社1975年版，第2页。

[ ] 〔宋〕黎靖德编：《朱子语类》，北京：中华书局1986年版，卷第九十四。

[ ] 《朱子语类》，卷第一百四。

[ ] 陈来：《朱子书信编年考证》，上海人民出版社1989年版。

[ ] 《答林择之》，《晦菴先生朱文公文集》（四部丛刊初编），以下简称《文集》，卷四十三。

[ ] 《答蔡季通》，《文集》续集卷二。

[ ] 《答吕子约》，《文集》卷四十七。

[ ] 胡道静：《朱子对沈括科学学说的钻研与发展》，《朱熹与中国文化》，学林出版社1989年版。

[ ] 《答蔡季通》，《文集》卷四十四。

[ ] 《答蔡伯静》，《文集》续集卷三。

[ ] 《答廖子晦》，《文集》卷四十五。

[ ] 《答蔡季通》，《文集》续集卷二。

[ ] 《朱子语类》，卷第二。

[ ] 《朱子语类》，卷第二十三。

[ ] 乐爱国、高令印《朱熹格物致知论的科学精神及其历史作用》，《厦门大学学报》，1997年第1期。

[ ] 《朱子语类》，卷第一。

[ ] 《朱子语类》，卷第一。

[ ] 《朱子语类》，卷第一。

[ ] 梅森：《自然科学史》，上海译文出版社1980年版，第75页。

[ ] 《晋书天文志上》。

[ ] 《朱子语类》，卷第一。

[ ] 《朱子语类》，卷第一。

[ ] 朱熹：《楚辞集注》，上海古籍出版社1979年版，第51页。

[ ] 杜石然等：《中国科学技术史稿》（下），科学出版社1982年版，第106页。

[ ] 朱熹：《楚辞集注》，第51页。

[ ] 《朱子语类》，卷第二。

[ ] 《朱子语类》，卷第二。

[ ] 《晋书天文志上》。

[ ] 朱熹：《楚辞集注》，第51页。

[ ] 《朱子语类》，卷第二。

[ ] 《朱子语类》，卷第二。

[ ] 李约瑟：《中国科学技术史》第4卷，科学出版社1975年版，第547页。

[ ] 沈括：《梦溪笔谈》卷七《象数一》。

[ ] 朱熹：《楚辞集注》，第53页。

[ ] 《朱子语类》，卷第二。

[ ] 乐爱国：《李光地的中西科技观述评》，载《李光地研究》，厦门大学出版社1993年版。

[ ] 《榕村语录》卷二十六《理气》

第2篇：关于天文学的知识范文

美国哈勃太空望远镜科学研究所著名天体物理学家马里奥•里维奥（MarioLivio，1945-）撰写的科普名著《IsGodaMathematician？》中提出一个疑问，并指出这个疑问曾令那些最富有创新精神的先贤们苦苦思索了几个世纪：数学无处不在，无所不能。这些正会让人们联想到神的特征[1]。数学似乎不仅是描述和解释整个宇宙最有效的工具，而且可以用来解释最复杂的人类活动。

1数学何以有效

古希腊时期，数学作为一种神秘主义信仰而存在。直到中世纪基督教时期，数学逐渐促使人们从盲目的信仰转向理性。随着数学理性的发展和希腊学术的复兴，一批具有理性主义的学者们提出宇宙的设计主要是数学设计，上帝成了数学家，研究自然界的数学设计成为最神圣的事业。随着文艺复兴后科学理论、科学公式的定量化、演绎的、具有严密逻辑结构的方式为人们所把握，人们终于抛弃了世俗的上帝，开始走向无神论和泛神论。对因果关系的信仰，宇宙统一理论的理想，世界合理性和可理解性的信念，成为支配科学家工作的基础。数学的确定性、一致性和对因果关系的把握，已经深深融入西方文化的深层结构，成为人们的一种观念，对近代西方文化产生了重要的影响。

16-18世纪的西方数学家，对于在宇宙体系构建上为什么数学奏效这个问题的回答是直截了当的。深受大自然是根据数学设计的这一古希腊信念的影响，并同样受上帝根据数学设计了世界这一中世纪信条的影响，他们将数学看成通过自然界的真理之路。通过将上帝看成专注、至高的数学家，就有可能将对于大自然的数学规律的探求看成宗教追求。伽利略、笛卡尔、牛顿等一大批科学家们坚信世界的和谐是上帝的数学安排。上帝将严格的数学秩序给予了世界，而我们只能费劲千辛万苦才能理解[2]。一直到爱因斯坦所信仰的“同深挚的感情结合在一起的、对经验世界中所显示出来的高超的理性的坚定信仰”的斯宾诺莎式的上帝概念[3]，自然神论———泛神论才成为爱因斯坦以及之后很多西方科学家的科学信仰和感情的基础。非欧几何诞生后，虽然很长一段时间内人们对数学的真理地位丧失了信心，对非欧几何提出了众多质疑，它能描述我们居住的物质世界吗？但当它在爱因斯坦的相对论中得到回答时，数学这种神奇的有效性又使众多数学家陷入思考，有些人开始认为数学是原本存在的，我们只是进行不断的发现而已，有些人坚持认为数学只是我们的一种创造，现实世界并不存在，然而数学何以这么有效呢？爱因斯坦也惊叹：“数学，这个独立于人类经验存在的人类思维产物，怎么会如此完美地与物理现实中的物质相一致”[1]？爱因斯坦在《我眼中的世界》(1934年)一文中进一步指出：“迄今为止，我们的经验已经使我们有理由相信，自然界是可以想象得到的最简单的数学观念的实际体现。我坚信，我们能够用纯粹数学的构造来发现概念以及把这些概念联系起来的定律，这些概念和定律是理解自然现象的钥匙。经验可以提供合适的数学观念，但是数学概念无论如何都不能从经验中推导出来。当然，经验始终是检验数学结构的实用性的唯一标准，但是这种创造的原理都存在于数学之中。因此，在肯定的意义上，我当然地认为，像古人所梦想的纯粹思维能够把握实在”[4]。

非欧几何在相对论理论上的成功，使人们对数学的观念逐渐地发生转变。对非欧几何的确认，实际上就已经意味着从古希腊以来的、以数学为代表的“绝对真理观”的终结。但不管怎么说，尽管数学失去了其在真理堡垒中的绝对位置，但它与物理世界很相契。无可回避的而且仍有无可估量的重要性的事实就是，数学是探究、发现和描述物理现象的最佳方法。在古希腊、中世纪、文艺复兴时期及其后，数学都是有力的知识工具，即便是被赋予神学意义的时候仍认为上帝是按照数学规律设计这个世界的。

正如我们在近现代物理学的某些分支中见到的，数学是我们关于物理世界的知识之精髓。尽管数学结构本身并不是物理世界的实在，但它们是我们所拥有的唯一通向实在之门的钥匙。“非欧几何学的创立非但没有毁掉数学的价值及对于其结果的信心，反而———非常吊诡地———增加了其实用性，因为数学家能够自由地探索全新的概念，发现其中有些可应用。事实上，自1830年以来，数学在组织和控制大自然中的作用以几乎不可相信的速度扩展了。此外，自牛顿时代以来，数学家描述和预言自然的过程的准确性大大增加了。[2]”黑洞理论是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：你怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢[5]？尽管数学因为非欧几何的出现失去了绝对真理的地位，以及哥德尔定理导致的数学家们对数学基础论争的失败，让人们对数学的有效性产生了怀疑。但是，正如数学史家M•克莱因所说的：“也许人类的数学仅仅是一个可行的方案，也许自然本身更为复杂或者并没有什么固有设计。但是，数学仍不失为一种探索，是掌握自然的一种方法。在那些数学行之有效的领域，它是我们的全部资本；如果它不是现实本身，它就是我们所能达到的与现实最接近的东西。……就知识的确定性而言，数学是一种理想，我们为这一理想而奋斗，尽管我们也许永远不会达到。确定性也许只不过是我们在不断捕捉的一个幻影，它是如此无止境地难于捉摸。然而，理想具有力量和价值，公正、民主和上是理想。的确，也有在上帝的幌子下被谋杀的人，审判不公的案件也臭名远扬，但是，这些理想是千百年来文化的重要产物。数学也是一样，尽管它也仅是一种理想。也许细想这一理想将会使我们更加清楚地认识到在任一领域，我们该选择什么方向才能获取真理”[4]。

爱因斯坦相信人类的数学只有一少部分由实在主导。他在《相对论的意义》（1945年）中说道：“观念的世界看来不能用逻辑的方法从经验中推导出来，而从某种意义上说是人类心智的创造，没有这种创造就没有科学。尽管如此，这个观念的世界程度很小地独立于我们的经验的本性，正如衣服程度很小地独立于我们身体的形状一样”[2]。对于数学为什么有效，那些较早世纪与宗教有关的信念在现代被抛弃了。不过现在我们再回过头来看著名物理学家詹姆斯•金斯提出的“宇宙似乎是由一位理论数学家设计的”这一问题，他认为“基本的事实就是这样：科学现在给大自然所描绘的图像（看来只有这些图像能够与观察到的事实一致）是数学化的图像……大自然似乎精通纯数学的规则……不管怎么说这一点几乎是无可争辩的：大自然和我们的有意识的数学心智根据同样的规律来运作。”著名数学家齐民友先生有力地回答了这一问题，数学作为人类文化的一个重要部分，既然是科学，它首先关心的当然还是我们生活于其中的宇宙。数学的探索意义究竟何在？就在于它对认识宇宙的本性上有重大贡献。我们不赞成狭隘的近视的看法，认为一切数学研究都必须有某种具体的目的，或者用现行的说法叫做“有应用前景”。其实所谓的“前”可以有完全不同的理解，“眼前”固然是“前”，“前瞻若千年”也是前，区别在于人类社会在文化和物质上的发展程度。发展向上的社会，具有更高的文化、科学和物质生产水平，同样也就会更认真地考虑各门科学的前景。但是，从根本上说，如果数学的研究不能在“认识宇宙”上开花结果，数学研究还有多少价值呢！“认识人类自己”其实也还是为了提高人的认识能力，去认识大自然和人类社会，否则数学也就成为一种宗教式的内省了。在这里我们没有用“改造自然”的说法，因为人与自然究竟应该是什么关系，是不是简单地按人类的需要来“改造”自然是一个很大的问题，当代科学的发展使我们懂得了人必须与大自然“和睦相处”。认识宇宙，也认识人类自己其实也还是为了找到正确的相处关系。我们一再强调过数学作为人类文化的一个重要特点，就是极端抽象的、甚至有时被误解为“毫无意义”、“脱离实际”……的数学研究，可以根本改变人对大自然和人类自己的看法，甚至可以改变人类社会的面貌。人们很难回避一个结论：数学是人类全部技术的最重要的基础[6]。#p#分页标题#e#

2中国古代的宇宙观念

在西方文化中，按照数学模式来解释世界、构造天文理论，从其初始的一种宗教式崇拜，后来演化成上帝用数学设计世界。蕴含于其中的数学理性，最终把西方天文学导入了现代科学的数学理论框架之中。相反，中国古代天文学空有辛勤准确的观测记载，而始终未能形成一种明确可遵循的理论体系。例如，哈雷彗星在中国古代天文史上有30多次之多的记载，但中国的天文学家却从来没有人想到去构造它的运行轨道，结果这个发现被18世纪英国的天文学家哈雷获取。因为哈雷发现每隔76年出现一次的记载，恰是彗星绕太阳运行的轨道的周期。这个史实足以表明，在经验和知识充分积累之后，如果没有深层的理性构造就必然导致科学停滞不前甚至倒退[7]。中国古代先贤很早就对宇宙问题有过思考，《淮南子•原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”即宇宙是天地万物的总称。《庄子•天运》中记载：“天其运乎？地其处乎？日月其争于所乎？孰主张是？孰维纲是？孰居无事推而行是？意者其有机缄而不得已乎？意者其运转而不能自止邪？云者为雨乎？雨者为云乎？孰隆施是？孰居无事乐而劝是？风起北方，一西一东，有上仿徨。孰嘘吸是？孰居无事而披拂是？敢问何故？”华夏民族作为一个古老的农耕民族，对天文学非常依赖，很早就注意观测和记录各种天象。在殷墟甲骨卜辞中已有了日食、月食的记载。有关流星、彗星、太阳黑子等异常天象，中国古代也都有记录。春秋战国时期，由齐国人甘德和魏国人石申所著的《甘石星经》已有115颗恒星的坐标位置。可以说在天文学史上，中国人的经验知识以及观测记载堪为世界第一。著名的科学史学者李约瑟先生在把中国古代的天文学与其它民族的天文学成果相比较时认为：“中国人在阿拉伯以前，是全世界最坚毅、最精确的天文观测者。有很长一段时间（约在公元前5世纪到公元10世纪），几乎只有中国的记事可供利用。现代天文学在许多场合（例如对彗星，特别是对哈雷彗星重复出现的记载）都曾求助于中国的天象记事，并得到了良好的结果”[8]。

中国很早就创立了干支记法和二十八宿的独特测天方法。战国时代已有五星记载（金木水火土），在汉代时测得更为精密。中国古人把整个天空分成四宫，就像将一个苹果切成四大块那样，而每一部分都有一种象征性的古代动物代表，苍龙为东方和春，朱雀为南方和夏，白虎为西方和秋，玄武为北方和冬。而紧围着天帝极星的北拱极区，按照类似于五行的象征性关系又被认为是独立的中央黄宫。而这种五行观念贯穿在整个中国的自然哲学之中。从远古以来，中国的赤道（与黄道相对）被分成28份，即每宫七宿，每宿由一特殊的星座标定，从其中某一特定的定标星（距星）起算，因而每一宿所占的赤道范围又有很大差别。中国古代信守“天人合一”的理念，历代帝王治国安民，无不求端于天，传说自三皇五帝开始就有历法。三统历、四分历、乾象历等所测得五星的度数以及会合周期的精确度已经相当高。根据天文学家陈遵妫先生统计，中国自古以来历代的历法共有104部之多[9]，经历了准备时期、古历时期、中法时期、中西合法时期和公历时期五个发展阶段。其中准备时期以《夏小正》历法为主，古历时期从春秋到汉武帝期间主要是《颛顼历》，中法时期从汉武帝开始的《太初历》和直到明朝的《大经历》，中西合法时期是以明徐光启主持的《崇祯历书》和清朝《时宪历》、《癸卯元历》为代表，公历时期是后从1912年开始实施的公历，也即格里高里历[10]。

3基于中西文化史的思考

中国最初在天文理论构思方面（盖天说、浑天说）也不逊于西方天文鼻祖托勒密。而且从实际上说，托托勒密构造的“地心说”，并不具有比“浑天说”更多的经验支持。有人曾把托勒密的地心说与同时代汉朝天文学家张衡的天文理论作过比较，发现两者具有极大的相似性，依据张衡的假说所绘制的天文图与托勒密的地心说天文图几乎没有什么两样[11]。遗憾的是张衡并没有明确提出像托勒密那样的地心说理论模型。李约瑟曾评价说：“把中国的星表和伊巴谷、托勒密的星表对照来看，是非常有意思的。后者不仅年代较晚，所载的恒星也少三分之一，……周、汉之间中国人在方位天文学方面的工作应在科学史上占有远为重要的地位，这是毫无疑问的。现代世界通用的天球坐标系基本上是中国式的，而不是希腊式的，这一点似乎也值得强调”[8]。从中西方数学文化史比较的意义上看，以托勒密为代表的古希腊天文理论模式是以数学崇拜为基点建立起来的，而中国古代天文理论的构思却是建立在《周易》衍生出来的阴阳五行解释系统之上的。作为一种理论的构思，作为一种理性的追求，中国与古希腊天文理论在数学理性上的差异，决定了它们未来的发展前途。哥白尼的日心说虽然早在17世纪30年代就被写入《崇祯历书》，但后来还是被否定，在中国人的观念中唯有地静说才是公认的观点。

天文学是离不开数学的，确定日月星辰的位置，观察记载它们的运动，寻找季节变化的规律都必须以数学的计算为手段。中国古代的天文学在这种应用的层次上当然也是依凭数学的，尤其是在历法计算方面，唐代的僧一行运用的插值方法与西方相比非常高超。但是，当涉及整个天文学理论模式构造，情况就不一样了。中国古代天文学的盖天说、浑天说、宣夜说，实际都是把观测经验和计算数据容纳在一个按《周易》思维方式构造出的模式之中。有的学者评述时说：“查阴阳五行与天文历法，有的部分是巧合，有的部分是勉强牵强”[12]。其实巧合也好牵强也好，这些理论构造在其当时是有其合理性的，致命的危机潜伏在它未来发展的可能性上面。刘徽在注释《九章算术》序中说：“昔在包牺氏始画八卦，以通神明之德，以类万物之情，作九九之术，以合六爻之变。”显然，刘徽是在《周易》解释宇宙万物的指导下来建立“九九之术”的。显然，作为一种理性，中国古代数学在它构成第一本数学著作时，就成为《易经》的“婢女”，而不是像《易经》那样获得在中国文化中解释宇宙万物的地位。齐民友先生曾指出数学理性精神、数学探索精神“其实只是西方文化中所表现的人类精神生活的一个侧面。把认识宇宙也认识人类自己作为永恒的主题这只是西方文化的特征；把进行这种理性的探索看成人类最崇高的感情，也只是对西方人而言的。中国人生活在天人合一的至高无上的和谐中，精神生活早已得到满足，哪说得上要什么思想解放呢”[6]？中国以阴阳五行、《周易》八卦为表象形式，形成中国整体相关、整体互补的辩证思维方式。并在以农耕生存、家庭和血缘关系为主体的，以伦理道德为主要发展方向的价值取向中[13]，形成了中华民族文化特定的理性精神，而这种理性精神中不像西方那样以数学理性为主导。#p#分页标题#e#

第3篇：关于天文学的知识范文

关键词：高中地理；新课程；教学

很多人认为，地理就是由地理学的知识体系构成的。其实，地理学科是一门边缘学科，所谓边缘，就是与其他学科之间的交叉性。当代科学发展的一个重要特点是学科之间的相互交叉、相互渗透，除地理知识体系外，地理科学中含有更为重要的东西，那就是获得科学知识的途径和方法，此外，还包括科学工作者在研究科学过程中的特殊情感、态度和心理体验。著名理论家维特罗克的认知建构主义学习研究表明：学习是知识整合重建的过程，通过新知识在旧知识的基础上认知渗透，学生的认知水平得到提升，更上一层楼。学生对意义的建构需要理解、消化，才能内化为自己的思维模式。一方面，获得新知识，要以原有知识为基础，通过建立联系，融入到原有的经验当中；另一方面，新知识渗透到旧知识当中，会产生“化学反应”，形成新的知识结构。因此，在地理教学中，我们应利用地理学科与其他学科交叉性的特点。教师将生活实际与地理知识联系，不仅激发学生对学习活动的兴趣，更重要的是重设教学情境，给学生完全不同的教学氛围，很好地调动了学生学习积极性。地理学核心素养之一是综合思维。与地理学科本身特点是非常吻合的。地理学科的综合性体现在与其他学科的广泛联系，与数学、物理、生物、历史、语文等学科密不可分，结合其他学科，进行跨学科教学。有利于培养学生全面分析和思考问题的思维习惯，对在今后的学习、工作、生活中也受益匪浅。

一、联系生活实际，引发学生共鸣

在教学中，我发现很多教学内容可以和生活中的现象联系起来。大气污染如今已经成为全球性的环境问题。在城市化教学中，可以联系城市化对地理环境的影响提出“雾霾”“PM2．5”等热门概念，激起学生兴趣，还可进一步联系天气对空气污染的影响。例如大风降水天气，空气质量较好；晴朗无风天气不利于污染物扩散，空气质量较差。广告短片是一种浓缩的视觉艺术，有些广告不仅能起到传播信息的作用，还能形象的反映地理原理。例如水循环部分的教学，我用法国依云矿泉水广告作为补充教学，学生能更直观的理解水的三态变化和循环的过程。

二、与其他学科联系，融会贯通

第4篇：关于天文学的知识范文

中科院上海天文台研究员、博士生导师，星系动力学团组首席，中国科学院“百人计划”入选者沈俊太就志在解开谜团，努力带给更多人对宇宙的神秘向往，吸引越来越多的星空探秘人不断探索未知领域。科研脚步绕地球一圈，回到祖国后的沈俊太，喜人成绩接踵而来，而他却总是说，需要继续努力才能不断前进。走近宇宙

自幼成长于普通农村家庭的沈俊太，尽管当时的教育条件非常落后，但他依然以优异的成绩考取了山西省重点中学临汾一中，并在那里逐渐对物理科学产生了浓厚的兴趣。高考那年，他以优异的成绩考入中国科学技术大学。在大学校园浓厚的科研氛围中，沈俊太不仅增长了知识，也开阔了自己的视野。

本科毕业后，沈俊太踏上了东行的航班，飞抵大西洋彼岸的美国。此后，他的学术之路便越走越远，而身后留下的是一串星光熠熠的印记。1999年，他在美国西北大学物理与天文系获得硕士学位；2005年，在美国罗格斯大学获得天体物理博士学位。值得一提的是，沈俊太的博士论文荣获2006年度罗格斯大学Richard J.Piano博士论文奖。同年，29岁的沈俊太作为Harlan Smith冠名博士后，开始了在德克萨斯大学奥斯汀分校的科研工作。无论是“博士论文奖”，还是“Harlan Smith冠名博士后”，都是这两所著名大学里中国留学生首次获得的荣誉。

遨游在神秘的宇宙，沈俊太主要从事星系结构及动力学研究。在银河系的动力学结构中，他在棒旋星系，超大质量黑洞的测量，星系翘曲等诸多领域都做出了重要贡献。首次用无碰撞多体模拟的方法产生出了接近现实的p棒星系，并首次发现了双棒转动速度的波动性，此模型可成功解释双棒星系的众多观测特征；通过对星系建立基于轨道迭加的自洽动力学模型，精确测量出了超大黑洞的质量和星系暗物质晕的质量分布。

4年后，沈俊太入选中科院“百人计划”，作为杰出海外人才回到了祖国的怀抱。落户中科院上海天文台的他，继续从事着星系动力学的前沿研究。

其实早在回国之初，沈俊太还在学习重新适应国内的新环境，甚至比在美国时还要加倍努力。“因为竞争激烈，在天文学领域，国内最近几年发展迅猛。”沈俊太解释道。他说，走得很快，是因为自己在一艘走得比其他船都要快的大船上。他所指的“大船”，无疑是正在飞速发展的中国。

经过自己的不懈努力，沈俊太陆续获得了国家自然科学基金等各项项目的资助，并作为科研骨干参与了自然科学基金委重点项目。他也参与了两项国家“973”重大科学研究计划，并取得了令人瞩目的良好成绩。他还为陆琰院士组织编写的《现代天体物理》一书撰写了“银河系结构与动力学”等章节。他发表的多篇第一作者或通讯作者论文已经被国际天文学权威教科书《星系动力学》《星系的形成与演化》及剑桥大学Gilmore教授主编、Springer科学出版社出版的最新国际天文百科全书“Planets，Stars and Stellar Systems”等著作多次引述。

这些科研成果也让沈俊太逐步跻身于天文学国际专家行列。

探秘银河动力学

多年来，银河系的演化一直是天文学研究的热点领域。银河系是一个巨大的旋涡星系，学界通常认为它由星系盘、中心核球以及暗物质晕组成。近年来，沈俊太团队对银河系的核球结构做出了崭新的全面认识，提出了银河系核球是个“伪核球”，并不包含一个显著的经典核球。

2010年，沈俊太基于高精度多体模拟研究了银河系核球的动力学结构，发现一个棒旋星系模型与核球的众多观测数据吻合得极好，这表明银河系核球其实就是侧面看到的棒；它主要是由原初的星系盘通过自身动力学不稳定性增厚而产生的“伪核球”。所谓“伪”，是相对于经典核球而言――经典的星系形成理论预言核球应该是在星系并合过后产生的。

目前的星系形成理论认为，像银河系这样大质量的棒旋星系的形成，必须经过若干次星系并合的过程，而星系并合不可避免地会在星系中心形成显著的经典核球。所以根据沈俊太的这项研究，现有的星系形成模型必须在星系尺度上有大的改进以解释众多类似银河系的大质量纯盘星系，这也是目前研究星系形成和演化的一个尚未解决的重要难题，而沈俊太领导的该研究无疑为解决此难题开辟了新的窗口和思路。

沈俊太团队的研究很快引起了国际天文学界诸多国外专家的高度关注，美国国家光学天文台的网站首页报道了沈俊太参与完成的银河系核球区恒星巡天工作及他主导的动力学模型工作。而沈俊太的这项研究并没有止步。在他的指导下，上海天文台博士后李兆聿在银河系结构研究中也取得了新的进展：在分析沈俊太给出的银河系高精度模型的基础上，他们发现银河系核球区存在一个奇特的垂向X型结构，并对其做出了令人信服的动力学解释。他们对银河系核球模型进行了更仔细的分析，发现模型中也存在一个显著的X型结构，其与银河系的观测数据符合得很好。这一重要发现使利用数值模拟来“观测”盒状核球的形成过程成为可能。

紧接着，星系动力学团组进一步探究了核球的X型结构。他们验证了带有X型结构的盒状核球确实有规可循――源于棒结构中的恒星运动.指出先前理论工作推测的“香蕉型”轨道家族可能并非X型结构的主要组成部分.并提出了可供未来的银河系巡天观测验证的理论预言。此外.他们还发现恒星视向速度与银经方向的自行也存在明显的相关性。

上海天文台星系动力学团组的核球系列论文在短短几年内已被国际同行引用两百余次，并且被众多权威综述论文以及剑桥大学主编的国际参考书收入并配发原图。与此同时，沈俊太的工作得到了国内外同行的极大关注，他多次受邀在知名国际会议上阐述自己的研究成果，例如国际天文学联合会会议的特邀综述报告，第五届东亚数值天体物理会议的一小时特邀讲座，纪念林家翘先生创立密度波理论五十周年的国际研讨会的邀请报告等，他也是国际专业会议“盘星系动力学”的两个共同主席之一，并担任国际天文联合学会会议“Galaxy evolution through secular processes”的科学委员会成员。鉴于沈俊太取得的这些突出学术成绩，他还应邀成为了美国自然科学基金委的会议评审专家，负责评审星系结构领域的申请书，并且在2016年获得英国皇家学会的牛顿高级学者基金资助。

揭秘双棒星系

沈俊太关于银河动力学的研究无疑是他近年来重要的学术成果，并让他蜚声国际。而在其他研究方向上，他也丝毫没有减慢脚步，同样取得了令人瞩目的成果。

“我们生活在银河系之中，曾经我们以为银河系是一个普通的旋涡星系，现在已知道它原来是一个棒旋星系。”沈俊太娓娓道来。其实，大部分旋涡星系都像银河系一样，因为星系盘自身的不稳定性而在星系中心形成由大量恒星聚集而成的“棒”状结构，这一类星系被称为“棒旋星系”。其中，还有一个子类的棒旋星系很特殊，它们包含两个棒，小棒嵌在大棒中.因其“二”而被称为双棒星系。

特殊不意味着它们很罕见，其实光学和红外的观测发现双棒星系相对比较常见――约四分之一的早型棒旋星系是双棒星系。由于通常这两个星系棒的转动速度和尺度都不相同，它们之间也进行相互作用，因此此类星系有诸多非常奇特的动力学特性。

然而，天文界对此类特殊棒旋星系的形成条件和过程一直没有定论。此前一些理论认为，大量气体的存在是形成中心小棒并同主棒解耦的必要条件。沈俊太与英国中央兰开夏大学教授Debattista共同指导中国科学院上海天文台博士研究生杜敏，在双棒星系的形成与演化理论研究中取得了新进展。他们通过不含气体的多体数值模拟方法研究棒旋星系的形成和演化，并通过系统探索参数空间，发现在纯盘星系中心加入以有序运动为主导的动力学冷盘可以成功产生这种奇特的双棒结构。“当小棒与大棒平行时，小棒的强度比较弱但转动更快些，而当二者垂直时，小棒的强度比较强但转动比较慢。”沈俊太讲述着双棒星系在形成后呈现出的有趣的动力学特性。

目前该工作已经于近期发表在国际核心期刊《天体物理杂志》上，并且已经得到国际同行的关注。

阐明核环形成机制

在棒旋星系的长期演化过程中，

“棒”扮演了很重要的角色。其中最主要的一个方面就是星系棒可以驱动气体内流至星系中心区域，从而形成新的恒星。因而棒被认为可以重新分布星系的物质、角动量及能量。

在棒旋星系中，科学家经常可以观测到很多由棒产生的气体子结构，例如在棒旋转方向的前侧会出现高密度尘埃带，以及在星系中心附近具有很强恒星形成率的核环。显然这些结构的特征和产生条件与寄主星系特别是星系棒的性质息息相关，但学术界此前对核环的形成条件、形状、及大小等重要问题都没有进行系统地解决。

沈俊太说：“之前的研究通常认为核环的位置接近于星系的某一特定半径――内林德布拉德共振（ILR）半径，或在两个ILR半径之间，然而这些共振半径严格来讲仅在星系棒扰动较弱时才有意义。”

上海天文台博士研究生李智在沈俊太与韩国首尔国立大学金雄泰教授的指导下，对棒旋星系中的核环进行了系统细致的数值模拟研究。他们利用高精度流体数值模拟，通过系统探索参数空间，发现模拟中的棒旋星系可以产生两种核环，一种近似圆形并在棒的短轴方向轻微拉伸，另一种具有很高的椭率并和棒的主轴方向平行。

此外，他们还对核环的形成机制提供了新的解释：由于核环是由气体损失角动量（旋转的能力）而落入星系中心堆积而成的，所以核环的位置取决于气体的总角动量损失，以及星系中心的势场分布。前者受星系中非轴对称结构的特性控制.如棒的强度、轴比和转动速度；而后者取决于星系中心轴对称结构，如核球的大小，质量分布。

“共振半径解释仅仅提供了一个核环形成的宽泛范围，而我们的核环形成机制则可以更准确地预言核环的大小及形状，因此适用面更广，可以V泛应用于具有核环的棒旋星系样本中限制星系的物理参数，从而使我们更好地理解棒旋星系的演化规律。”沈俊太总结道。目前该工作已经发表在国际核心期刊《天体物理杂志》上。

桃李满天下

沈俊太在忘我工作的同时并没有忘记培养新人的重任，他不仅是一个对事业孜孜不倦的学者、一个精益求精的科学家，更是一名诲人不倦的师长。

本着报效祖国的初衷，沈俊太认为应该把自己毕生所学传授给自己的学生。他甘当人梯，致力于让自己的学生也能够逐渐成长为比自己更加优秀的科学工作者。自2009年回国并担任博士生导师以来，沈俊太就开始积极招收对科学研究兴趣浓厚的学生和博士后，一支强有力的科研团队也逐渐发展壮大。

第5篇：关于天文学的知识范文

关键词：利玛窦；非欧氏几何；圆锥曲线；球极投影；画法几何

众所周知，明朝末年意大利传教士利玛窦（Matteo Ricci， 1552－1610）来到中国，通过和著名学者徐光启共同翻译《几何原本》，给我国带来了流行于欧洲近两千年的欧氏几何，改善了我国数学研究的状况，推动了我国数学的发展。其实，利玛窦在中国传教近三十年，通过各种科技活动，也传入了大量的《几何原本》之外的几何——现在一般泛称之为非欧氏几何。这些几何知识的传入，在当时不仅极大地丰富了我国几何研究的内容，而且也有力地促进了我国关于天文学、地理学和绘画艺术等的研究，直接推动了我国科学技术的发展。可是，这一问题至今没有多少人注意到，还没有人对其进行过深入的研究 。由此本文拟就这个问题做一探讨。

一、 圆锥曲线的传入

圆锥曲线是古希腊数学家和天文学家的一项重要发现。其自从被发现以来饱受人们的赞誉，在中世纪之前其就被广泛地应用到很多领域。因而，当时的欧洲学者几乎都了解这种曲线，都熟悉一些它们的性质。利玛窦来到中国，其实最早传入的几何就是此项内容。

据载，利玛窦于1583年来到中国大陆，不久即获准在广东传教。可是，起初国人并不认可这个长相古怪的“家伙”以及他宣扬的“异端学说”。于是，利玛窦开始转变策略，曲线传教，给国人展示一些西方的新奇物品，以期达到吸引国人的目的。1584年4月，在利玛窦给国人展示了一幅其从意大利带来的世界地图。这幅地图非常精美，顿时吸引了不少人来观看，特别是一些高级知识分子，如当时肇庆的知俯王泮等。王泮看过之后，非常喜欢，遂请利玛窦给他另绘制一幅。利玛窦不敢不受命，于是立即动工，于同年11月份就取得成功，这就是有名的“山海舆地图”。〔1〕这幅地图后来流传很广，由此利玛窦的声名也大了起来。1601年利玛窦面圣来到北京，不久就结识了当时著名的官员李之藻。李之藻也是个地图绘制爱好者。他二十岁的时候曾自己搜集资料，亲自绘制过一幅全国地图。〔2〕李之藻看过了利玛窦的世界地图之后，对于其绘制的精美和精确感到异常惊讶，于是开始跟利玛窦学习西方科技知识。1602年，李之藻首先学会了绘制世界地图，遂即将利玛窦绘制的“山海舆地图”放大，然后进行了重新印刷，这就是著名的“坤舆万国全图”。这幅地图目前还能看到，也有很多人对此进行了深入的研究。经过研究，发现其最初的底本来自罗马，采用的是当时欧洲比较流行的投影画法——椭圆投影（oval projection）〔3〕。椭圆投影有什么特点呢？我们研究发现，其最大的特点就是将整个地球表面的投影图绘制成了一个标准的椭圆。〔4〕同时，我们对“坤舆万国全图”进行研究，也发现其周边的确是一个标准的椭圆形。椭圆在中国古代没人研究，更没有人应用。所以，这里的使用是最早的一例，它完全得益于利玛窦的工作。

1596年11月，利玛窦在南昌的时候，收到了他在罗马学院时期的老师克拉维乌斯（C.Clavius， 1538－1612）神父于1593年出版的新书《论星盘》（Astrolabium）。此后，为了吸引国人，其常拿这本书来讲解西方知识。〔5〕特别是当遇到一些比较聪明的中国学者的时候。李之藻人称“江南才子”，徐光启说他“卓荦通人”，所以，当他遇到利玛窦的时候，也从利玛窦那里受到了这方面的恩惠。不仅如此，很有可能李之藻还通读了全书，因为于1605年左右，李之藻写了一本叫《浑盖通宪图说》的书，就是对上述书的节译。节译内容还不在该书前面，全是后面的内容。而《论星盘》是一本什么样的书呢？其主旨虽然是介绍星盘制作的，但是在阐述的时候，却运用了大量的数学知识。其最后的星盘的具体做法，都是在圆锥曲线知识的基础上一步步严格推理出来的。〔6〕由此，其包含了大量的圆锥曲线的内容。利玛窦既然给李之藻讲授了此书，所以，其也肯定传授给李之藻了圆锥曲线的知识。

还有，在1608年李之藻又写成了《圆容较义》一书。此书的序言中讲：“昔从利公研穷天体，因论圆容，拈出一义，次为五界十八题。”〔7〕可见此书直接来源于利玛窦。此书分为十八个命题，分别讲述了多边形的面积问题、锥体的体积问题、圆内接多边形和外切多边形问题、球内切多面体问题等等。这些都是当时徐光启翻译的《几何原本》中没有的内容。此书的第十八题证明了“凡浑圆形与圆外角形等周者，浑圆形必大于圆角形。”即 “表面积一定的球和旋转体相比，前者体积大”。为了更好的证明这个命题，李之藻给出了一个图形，如图一所示。由此看见，其使用了椭圆。〔7〕另外，在此书中，其还多次提到阿基米德（Archimedes， BC287－BC212）的《圜书》，借用了其中的命题结论。而阿基米德的《圜书》是一本讨论圆的面积和体积的书，里面也包含了椭圆面积的求法。由此我们也可以看出，李之藻学习过了椭圆知识。

所以，利玛窦来到中国也带来了圆锥曲线内容，还传给了国人。

二、 利玛窦传入了平行正投影

上面提到，1602年李之藻放大翻刻了利玛窦的世界地图。此地图和原来的相比，一是面积大了，二是增加了若干小的图形。〔8〕在这些小的图形中，有一幅如图二所示，在大图的左下角。另外其还就此附了一段文字：“右图乃黃赤二道错行中气之界限也。凡算太阳出入皆准此。其法以中橫线为地平，直线天顶，中圈为地体，外大圈为周天。以周天分三百六十度。假如是图在京师地方，北极出地平线上四十度，则赤道离天顶南亦四十度矣。 然后自赤道数起，南北各以二十三度半为界，最南为冬至，最北为夏至。凡太阳所行不出此界之外，既定冬、夏至界，即可求十二宮之中气。先从冬夏二至界相望画一线，次于线中十字处为心，尽边各作一小圈，名黃道圈。圈上勻分二十四分，两两相对作虚线，各识于周天圈上。在赤道上者，即春秋分；次北曰谷雨、处暑，曰小满、大暑，曰夏至；次南曰霜降、雨水，曰小雪、大寒，曰冬至。因图小，止载中气，其余节气仿此。就中再勻分一倍， 即得之矣。而其日影之射于地者，則取周天所识，上下相对，透地心斜画之。 太阳所离赤道纬度，所以随节气分远近者，此可略见。凡作日晷带节气者， 皆以此为提纲，欧罗巴人名为‘曷捺楞马’云。”〔9〕

何为“曷捺楞马”？目前经多人多方面的研究已证实，其实际是拉丁词Analemma的音译。那么什么是Analemma呢？也有人考证，这实际上是古希腊人创造的一种专门用来研究宇宙的平行正投影〔10〕。此方法将投影点设在无穷远点，让光线平行穿过天球，假想在天球中间有一个平面垂直于光线，这样可画出天球的模样。由此，我们看出，利玛窦传入了西方曷捺楞马法。他在这个过程中说明了球面上平行于透射光线的圆（如地平圈）被透射成直线段，说明了和透射光线垂直的圆（如过南北极的经线圈）被透射成圆等性质。同时，也给出了它们的正确画法。

此外，在利玛窦日常活动中，也曾多次提到过日晷。如在肇庆他曾指导瞿太素制造日晷，在南京曾辅导张养默制造日晷等。日晷作为一种古老的利用太阳来计时的仪器，东西方都有，但各有所长。东方的多是赤道日晷，没有什么投影理论。而西方的多是地平日晷，其以西方古代天文学基本构架为基础，使用的方法正是曷捺楞马法。而利玛窦当时带来的和在中国制作的日晷不同于中国式的，通过其描述我们考证也正是地平日晷〔1〕。也由于此可看出，利玛窦的确带来了西方平行正投影。

关于平行正投影在我国古代曾经有人研究过，如北宋时期的著名画家建筑学家李诫（？－1110）。在他的《营造法式》（1103）中我们可以看到有不少图形的绘制采用的是正投影的方法。再如明代出现的《鲁班经》（万历年间），其中也有很多正投影图〔11〕。但是，中国古代的平行正投影似乎都没有研究过球面。就是曾经研究过的立方体（如房屋、石头等）也没有具体的确定的绘制方法——没有使用精确的几何绘制。所以，利玛窦在这里的介绍在当时还是先进的，是对我国平行正投影研究的补充和推进。

三、 利玛窦传入了球极投影和画法几何

利玛窦在给国人展示西方物品的时候，其实不只是展示了地图和日晷，而且还展示过一些相对较为复杂的天文仪器，如星盘等。〔1〕对于星盘，利玛窦特别用心。这一方面是星盘有很多的内容，非常新颖，另外也是有克拉维乌斯的《论星盘》作后盾，其可介绍的内容多而且系统。而星盘，作为一种先是在古希腊时期被当时的数学家和天文学家发明，后又在欧洲非常流行的天文仪器，在制作的时候常常需要很多数学知识，因此，星盘在欧洲有“数学之宝”的美称。〔12〕在星盘制作需要的数学知识中，除了欧氏几何和圆锥曲线知识以外，还需要球极投影的知识，球极投影是制作星盘的关键。所以，学习星盘制作必须学习球极投影。〔13〕

据载，利玛窦在广东曾教授过瞿太素制作星盘，在南京曾教授过张养默制作星盘。到了北京其又和李之藻等人讨论了星盘的制作，并使李之藻也学会了制作星盘。利玛窦曾说：“李良（李之藻）对数学的其它部门也感兴趣，他全力以赴协助制作各种数学器具。他掌握了丁先生（克拉维乌斯）所写的几何学教科书的大部分内容，学会了使用星盘，并为自己制作了一具，它运转得极其精确。接着，他对两门科学写出了一份正确而且清晰的阐述。他的数学图形可以和任何欧洲所绘的相匹敌。他论星盘的著作分两卷出版。利玛窦神父把一份送给了罗马的耶稣会会长神父，作为中国人完成的第一部这类著作的一个样本，另一份送给了丁先生，因为他本人曾一度从丁先生受教。”〔1〕

这里提到的“论著星盘的书”即是《浑盖通宪图说》。在这本书的序言中，李之藻也说：“昔从京师识利先生，欧逻巴人也。示我平仪，其制约浑，为之刻画重固，上天下地，周罗星程，背结规筒貌则盖天，而其度仍从浑出。取中央为北权，合《素问》中北外南之观；列三规为岁候，邃义和侯星寅日之旨，得未曾有，耳受手书，颇亦镜其大凡。旋奉使闽之命，往返万里，测验无爽，不揣为之图说，间亦出其鄙谢，会通一二，以革中历。”〔14〕由此可见，利玛窦给李之藻讲解了球极投影，并教会了他星盘的制作和使用方法。

下面我们再具体看《浑盖通宪图说》的内容。此书上下两卷共二十一部分。在第一部分卷首中，他说：“浑仪如塑像，而通宪平仪如绘像，兼俯印转侧而肖之者也。塑则浑圆，绘则平圆，全圆则浑天，割圆则盖天。”在地平受子午规之图中说：“浑天极圆，今割去黄道短规以南一小弧为平仪所不用者，此内大弧自午中冬至度，逾北极际迄夜半冬至度，共径二百二十七度，平仪截用为盖天形，而置北极于中央云。”在总图说第一中说：“浑盖旧论纷纭，推步匪异。爰有通宪，范铜为质。平测浑天，截出下规，遥远之星所用。固仅依盖是为浑度。盖模通而为一面，为俯视图象。”提到子午线时又说：“其过顶一曲线结于赤道卯酉之交者则为正东西界，其余方向皆有曲线定之，近北窄而近南宽，盖若置身天外斜望者。”在地盘长短平规图说第四中又说：“故有昼短规，有昼夜平规，有昼长规，而短规最大，平规次之，长规最小。盖平仪系极中央，中央之极，实该南北二极。试设八尺浑仪于此，人目自南极之外以望北极，昼短之规最近，定觉最大，昼夜平规次近，则觉次大，昼长之规最远，则亦觉其最小，平仪立法于此。而中国在赤道以北，故置昼长规于赤道内，昼短规于赤道外。凡昼短规以内，其星稠。而在望近短规以外，其星有不可望者矣，夫是以略也。”〔15〕由此可见其传入了球极投影（stereographic projection）原理。

球极投影是发端于古希腊天文学研究的一种数学方法，这种方法的创始人已不可知，有人认识是托勒密（C.Ptolemy， 100－170），有人认为是喜帕恰斯（Hipparchus， BC180－BC125），还有人认为是更早的欧多克斯（Eudoxus，BC400－BC347）。这种方法的原理是：假设球体是透明的，而光线也是沿直线前进的。然后在球的南极（或北极）放置一个投影点，在赤道放置一个平面，让光源向平面发光，这样就可以在平面上看到除南极点之外球面上所有点的投影了。如图三所示。这种投影的特点是：赤道圈的投影和自身重合；赤道以北的半球上的元素投到平面赤道圈的内部，反之，球面上赤道南部半球上的内容投影到平面赤道圈的外部；球面上近北极的点，其投影密集，近南极的元素，其投影稀疏；另外，这种投影还有两个重要的特性，一个是保圆性，一个是保角性。保圆性就是在投影变化下，球面上任意的不过两极的圆都被投影成一个圆。过两极的经线圈被投影成直线。保角性是指，投影的时候，球面上两个弧线之间的夹角可保持不变。由此，其可以帮助人们很好地测量天体和研究天文学。〔16〕

再看下面的内容。在地盘长短平规图说第四中，其介绍完了昼长规和昼短规之后，还给出了具体的画法，为：“先以昼短规分周天度。就子午线之中右寻二十三度半为界，从此斜画一线，贯子午而右到酉中而止。取其与午线过处，从枢心旋一圆是为昼夜平规，即赤道规。又于赤道规分周天度，从午中右行数二十三度半，斜画一线到酉中，取其过午线之处为界，从心画以圆是为昼长规。”其给出的图形如图四所示。

在定天顶图说第五中，其介绍了天顶和天顶规的投影画法。以北纬400为例（当时测的北京的纬度）天顶具体的做法是：“先将赤道规分周天度，乃于卯线北行起算，依地方北极出高几度几分分立界于赤道之规，而画弦以贯盘心。北左界为北极，南右界为南极。此名南北极轴。又于午线之东亦寻北极度分为界。此界正当二极之中赤道之位，亦贯盘心画弦为之赤道轴。自此赤道南轴斜望酉中，经过午线再画一弦，取其交午线处即为所求天顶。”〔15〕

此后，还有黄道的天顶规的画法、地平规的画法、地平渐升度的画法、朦胧影的画法、黄道的画法、黄道十二宫分点的画法、黄道经线的画法、黄极和赤道南北极的画法、有各种坐标的恒星的画法等等。由此看见，李之藻从利玛窦那里还学习了西方早期的画法几何，并介绍给了国人。

四、 利玛窦传入了透视法

在利玛窦给国人展示的物品中，也多次提到西方绘画，如圣母像、耶稣像等。这些绘画，有的是从印度、澳门、日本等外面经教友转来的，也有是利玛窦自己绘制的。据载，1602年利玛窦曾奉中国皇帝的命令，耗时两三天绘制成的“西方宫廷生活图”是一幅〔17〕，还有利玛窦晚年也曾绘制过“野墅平林图”也是一幅〔18〕。利玛窦采用的什么方法画这些画呢？虽没有文字记录，但可以从其它地方找到证据。从现存于辽宁省博物馆的“野墅平林图”中我们可以看出，其不是中国式的写意画法――虽然入画内容是山水。其远近分明，明暗比例协调，灭点固定，视野开阔，显然是采用了西方透视画法。还有，利玛窦在1601年将圣母像献给皇帝之前，曾给很多人展示过，在展示的时候，还对比中国画进行了讲解，他曾说：“中国画但画阳不画阴，故看之人面躯正平，无凹凸相，吾国之画兼阴与阳写之，故面有高下，而手臂皆轮圆耳。凡人之面正迎阳，则明而白，若则立，则向明一边者白，其不向明一边者眼耳鼻口凹处，皆有暗相。吾国之写像者，解此法用之，故能使画像与生人亡异也。”〔19〕在《几何原本序》时他又曾说：“察目视势，以远近正邪高下之差，照物状可画立圆、立方之度数于平版之上，可远测物度及真形。画小，使目视大，画近，使目视远，画圆，视目视球，画像，有坳凸，画室，有明暗也。”〔20〕还有，在利玛窦学习过的罗马学院的课程表中明确标有：透视学，学习三个月。〔5〕由此，利玛窦懂得当时在欧洲兴起的透视画法，了解其中的数学投影原理，在绘画的时候采用了透视法。

国人中跟利玛窦学习西方绘画的也有，这其中最有名的就是游文辉。游文辉，字含朴，澳门人。1575年生人，1593到1598到日本接受基督教训练，之后回国追随利玛窦。其间因为他酷爱绘画并曾在日本初步学习过，所以其主要是跟利玛窦学习绘画和从事绘画活动。〔21〕游文辉作为一个西画的初学者留下来的作品并不多，目前最常见的是1610年利玛窦去世之后他绘制的利玛窦画像。“这是一幅标准的西方肖像画，构图既饱满又简练，显示出相当的艺术概括能力。……该画对明暗的处理也很有特色，光线从画面左上方射去，在眼眶、鼻梁、面颊的暗面投下了丰富的阴影，尤其在白色衣领上的投影可以明显感受到强烈的光源。……17世纪的中国人能将油画肖像绘至这样的水平，的确是件非常不容易的事情。”〔22〕从此可看出，游文辉熟悉西方绘画的原理，利玛窦一定给他讲解过其中的数学理论即当时在西方流行的透视法。

五、 结束语

综上我们可以看出，明朝末年在利玛窦的多项活动中，其不仅传入了著名的欧氏几何，而且还传入了多种非欧氏几何。这些非欧氏几何更加直接地应用到了平时科学技术活动中，特别是天文、地理和绘画艺术中，更有利的促进了当时我国科学技术的发展。其实正是由于利玛窦此时对于这些几何知识的介绍，才使得后来有多种数学的传进。比如，正是利玛窦在这里介绍了“曷捺楞马”，后来才有的汤若望（J.A.S.V. Bell，1591－1666）在编写《恒星历指》的时给出了四种计算恒星坐标的简平仪法；〔23〕正是这里利玛窦介绍了《圜书》中的椭圆，才有的后来罗雅谷（J.Rho， 1593－1638）在编写《测量全义》时对《圜书》的全面提及；〔24〕还有正是这个时候利玛窦曾介绍过透视法，才使得后来大量的透视法内容传入我国，于1729年出现了我国第一部画法几何的专著《视学精蕴》，〔25〕等等。所以，利玛窦对于非欧氏几何在我国传播做出的贡献一点也不必欧氏几何在我国传播做出的贡献小。如果要说到实用性，前者甚至还要大于后者。

参考文献

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[23] 汤若望. 恒星历指[M].四库全书（789卷）[C]. 上海：上海古籍出版社，1987.

第6篇：关于天文学的知识范文

【关键词】数学问题；数学发展；数学应用

数学，其本质就是一种产生问题和解决问题的活动，这些问题可以是容易的或是困难的、肤浅的或是深刻的、理论的或是实用的、纯粹的或是应用的……问题之多之杂无穷无尽，一个问题的解决又常常是新的问题的起源.时至今日，数学中已解决的问题和尚未解决的问题还是非常之多.

数学家们认为任何问题都是可解的，只是时间早晚的事情.这就是希尔伯特在巴黎的演讲中说的：“对于研究者来说，相信每一个问题都有一个解答，这种信念是一种强有力的激励.在我们的心中，我们听到永恒的召唤，这里有一个问题，让我们找到它的解答.我们单靠理性就能找到它，因为在数学中，没有任何不可知.”[4]对于各种问题的一次次的解决，促进了数学的不断发展.

数字大概起源于“结绳记事”等生活的需要，但数学起源于数千年前人们对于天文学的研究.在记录星体、预测未来的过程中，出现了最早的天文学演算.其中，美索不达米亚人关于太阳运行的数学模型，对于现今的数学建模都有着很大的启发.如果假设太阳沿黄道匀速运动，优点是模型简单、易于使用，但缺点是不够精确.在数学建模中，常常会在使用方便和推算结果的精确之间权衡取舍，就如同鱼与熊掌不可兼得一样.

希腊人使用几何来研究自然，而美索不达米亚人运用算术和原始的代数研究自然，所以，数学最初的两个分支就是几何和代数.人们往往容易对几何学的描述感兴趣，如达・芬奇的守恒定律是体积守恒定律，关于行星运动的开普勒第三定律本质上是面积守恒定律等.[3]但逻辑算术在很多时候更有利于简化运算、提高效率.随着数学的发展，几何学已经还原为数学分析，数学分析已经还原为算术，现在康托尔及费雷格证明算术转而还原为集合论，也就是还原为纯粹逻辑.[3]在此过程中，数学在几何和代数的基础上又衍生出了众多分支.其中，无穷级数和其他“无穷过程”的引入，对西方科学技术的发展产生了深远的影响.而西蒙.史蒂文是第一个在无穷小分析中进行由几何到算术的转变的数学家.而无穷小分析，就是微积分的雏形.

历史的发展促进了数学在社会各个领域的应用，这些应用也进一步丰富了数学的发展和分类.在文艺复兴时期，绘画巨匠们的作品之所以如此栩栩如生，正是由于他们掌握了透视的基本方法，这导致射影几何学的诞生.大航海时代，自然推动了地图、海图绘制技术的发展，它反过来也推动人们了解曲面的几何学.[1]同样，工程画现已成为了工程技术人员的通用语言.随着客观世界的不确定性的大量出现，概率和统计也应运而生.尽管概率论有着并不光彩的出身，但赌徒的问题毕竟使数学家建立起系统的理论，而且有着越来越多的应用.

抛开数学领域的各种分类，就数学本身而言它具有两面性.一面朝内，面向人类的理念世界和抽象世界，代表数学的纯粹性，完全关注学科的创造成果，试图知道和理解它们是什么（即数学的理论性）；一面朝外，面向客观世界和物质世界，从而构成应用数学，其动机是功利的，目标是看能用这些创造成果做什么（即数学的应用性）.[4]

人们往往会认为自然科学和物理科学要比数学更为容易一些，这主要是源于数学的纯粹性（即其理论性）.自然科学和物理科学所描绘的世界是具体的，是人们能够感知的，人们通过一些技术手段甚至能够达到二级近似；而纯粹数学所描绘的世界则是由理念构成的抽象世界，只能通过心灵来感知.[2]

好在数学在其产生和发展过程中还有其重要的应用性，从而促进或刺激了数学的各个分支不断地向前深入发展.例如，实际应用时的计算问题促进了算术的发展；农业生产中的面积等问题刺激了几何学的发展；物理学中的各种数学应用直接导致数学分析的发展……而且伴随历史的发展，人们在实用与功利的动机推动下，不断地去发展着这些领域的数学理论，从而产生了很多令人意想不到的结果.

实际问题的解决促进了数学理论的发展，反之，数学理论的发展也加速了实际研究的进程.尤其是进入20世纪以来，数学在理论性和应用性两方面的彼此助长更为明显.除了一些像物理学、天文学、建筑工程等已经较为完善的科学领域外，数学还在一些像计算机科学、生物学、经济学等新兴科学领域崭露了头角.而物理科学当之无愧是产生数学与应用数学最重要的领域，如，它推动了纽结理论、泛函分析和张量演算的不断发展，而这些理论又成为弦论、量子力学和广义相对论中的重要理论依据.最优化、一般均衡理论和博弈论的创立解决了经济上的很多问题，而纽结理论则解决了生物学上的一些困扰了很久的难题.20世纪50年代，冯诺伊曼在研究细胞自动机理论时，受到数学计算理论中一种技巧的启发，从而制造出了一台自己能复制自己的C器.而近代计算机的出现则是对数学之恩惠的最大报答之一，计算机的应用和发展从根本上改变了人们的日常生活.就如同无线电波实际上是解微分方程的产物一样，数学发展的结果是如此深刻，超出了一般人的理解.同时，社会选择论的出现和发展，表明即使对看上去不太适合做形式分析的人文科学，数学也大有用武之地.

缺少必要的数学就会带来太多的臆测；离开数学，就会缺少一个共通的、没有歧义的语言来表达思想；离开数学，区分有用的思想和没用的思想变得困难了很多.所以，达・芬奇在追求潜在原理的确定性时相信：不以数学为基础的知识就不可能存在确定性.正是像达・芬奇、牛顿一般的数学家们使得数学和基于数学的科学、技术推动了历史，使数学变成须臾不可离的东西.而数学的实质在于有一套提出问题和解决问题的普遍理论及方法.

数学的学习已然成为当今学生头上的一座大山.虽然数学学习本身并没有什么坏处，但是很多人根本用不上他们所学的数学知识，也没有掌握数学的思维方法，在理解新的数学知识时仍然感到十分困难.更糟糕的是，很多学生失去了学习数学的动力和兴趣.如果一个人单单是为了应付考试才去硬着头皮学习数学，那肯定是痛苦且不长久的.那么，到底有没有既能培养学生学习数学的兴趣、又能提高学生对于数学的理解力的方法呢？有！那就是学点儿数学发展史.历史的演变总是可以帮助我们认识到问题的难点和数学上的伟大突破的，而教科书却很少详细地阐述什么是重要的，什么是不重要的.只有懂得了这些，才能说是懂得了数学.学点儿数学发展史绝对有助于理解抽象难懂的数学，例如，数学与量子力学和相对论是平行发展的，对学习者会有很大启发.

【参考文献】

[1]吴赣昌.微积分（上）[M].北京：中国人民大学出版社，2011.

[2]郭运瑞.高等数学[M].西安：西安交通大学出版社，2010.

第7篇：关于天文学的知识范文

【关键词】自然科学 学科教育 美育方式教学

【中图分类号】G623.6 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）06-0186-01

一、前言

随着社会的进步，人们对于各种知识的需求不断增加，进而对于世界、星体的了解更加深刻。为了能让孩子们跟上社会科技发展的步伐，孩子们的各个教育阶段都是至关重要的。就拿中小学教学来说，这个时候的孩子们，记忆力强且不会在时间的长河里遗忘；不仅仅如此，从社会犯罪现状和影响犯罪的因素（如心理、年龄等）等方面来看，中小学阶段的教学对于预防犯罪来说作用很大。而作为涉猎范围广泛的自然科学学科，在各个教学阶段中都是不可或缺的，是孩子教学的重要组成部分。因为自然科学学科中美育教学方式，对于引导孩子们发现美、欣赏美，并把这种美发展到自己的整体素质中去，起着重要的作用。

二、美育教学的涵义和特征

美育教育是审美教育的简称，也是“德智体美劳”全面发展教育方式的一种，也称为美感教育或者审美教育[1]。美学教育的目的和落点就是人性与人格的完美结合，也是现代教育观念的形象诠释。现代教育观念认为，对于孩子们的教育要从其自生生存发展出发，让性格完满的理想目标得以实现。

正如马克思所说的“艺术的对象创造出懂得艺术和能够欣赏美得大众”，这正是审美教育的完美体现。审美教育主要有能动性强，能够怡情养性等特点，它是通过引起孩子们在学习过程中情感的共鸣，从而激发出他们内心对美的体验，并通过语言等方式表达出来。

三、自然学科科学的内涵

自然学科科学是对自然现象进行研究的学科科学的总称，它的范围极其广泛，主要包括生命科学、物理学、化学、空间科学、天文地理科学等学科。自然学科科学的教学在不同的教育阶段有不同的内容，如在小学教学阶段，主要是了解天文学中关于天体的基本知识，简单认识物理学、化学等学科实验的工具；在中学阶段，可以了解到物理学中一些基本原理或者化学中物质反应的缘由或者是地理科学中关于地质运动等方面的知识[2]。

四、美育在自然学科科学中的运用

现今，为了让孩子能够很好地跟上社会科技、经济发展的步伐，家长们总是在孩子很小的时候就帮他们报上各种辅导班、艺术班。但是，这种教学方式会让孩子们感到反感、恐惧甚至是厌恶、恶心。其实在孩子的各个教学阶段都是有适合其年龄、心智的教学课程，但是家长们的这种方式总是在揠苗助长，让孩子们对本来充满艺术之美、科技之美、创造之美的各个学科的科学感到厌倦恐惧。这显然是不科学的。

那么在如此情境中，如何有效地抑制揠苗助长之态，如何挽救被僵化和固定了的审美思维和创造力的发掘呢？以自然学科科学为例，美育是有效途径之一，这是有依据的。

首先，审美教育有极其悠久的历史依据：春秋时期的庄子在其《天下篇》中倡导“判天地之美，折万物之理”，到近代的达芬奇的油画《蒙娜丽莎的微笑》中，艺术与科学的结合在人们的心中也画下了浓墨重彩的一笔。

其次，在教育理论方面，许多教育学家和教育心理学家们，都对审美教育放进日常教学这一方式进行了肯定。因为，他们认为，美育是以尊重学生心理和智力发育为前提。用各种活泼有趣多样的方式来引导孩子们，从而能够更好地激发他们潜力，达到德智体美劳全面发展的要求，进而促进人格的完整。

最后，在近现代教育中，不管是教育理论上还是实践教学中，都能看到审美教育的影子。例如，在物理课上做自由落体试验；在地理学科教学中，列举孩子们生活中常见的地貌；在生命科学中做植物切割、显微镜观察等活动。这些生动形象的课堂讲解，户外采生的切身体验，有趣便捷的实验，氛围良好的师生交流等等，都是审美教学的具体应用。因为审美教学是通过形象、立体的实物或者是生动地讲解等方式把抽象的学科科学变为孩子们能够理解的具体形式，让孩子们感受到科技美、自然美和心灵美。

五、结语

在社会经济、科学知识高速发展的时代背景下，填鸭式的教学方式（只注重学习的而数量而忽视学习的本质和质量的教学方式）已经不适应目前的教学的发展，更不符合新课标的对教学的要求。那么我们就需要用审美教学的方式来缓解目前教学发展的尴尬境地，从而促进教学的改革，进而培养出性格相符的学生。在自然学科科学教育中，审美教育是把孩子们的情感体验与教学和社会发展有机结合，还可以通过视、听等方式对美好的事物进行感受，并通过他们自身的情感判断，去深刻地认识世界的内部和外部，不仅仅是做到传道授业解惑，更是对学生的负责，促进其人格完整，达到理论界关于审美教学的最终目标――人性与人格的完美相融。

在现今的审美教学中，不仅仅要根据学生的心理、年龄和智力来量体裁衣，有针对性地教学，还应以学生日后走出学校后的生存和发展为前提，多费心血地设计教学情境，让学生们的情感变得丰富，由内自外地抒发其喜怒哀乐等各种情绪，进一步地促进人格的圆满。

参考文献：

第8篇：关于天文学的知识范文

什么是情感态度与价值观呢？总的说来，它是新课程三维目标中情感目标的新表述。在新课程理念背景下，它们被赋予了十分丰富的内涵。具体来说，情感是指“人对客观事物是否符合自己的需要而产生的体验”，情感被分为道德情感、理智情感和美的情感。态度是在一定情景下个体对人或事物，从一定方式进行反应的一种心理倾向。由认知成分、情感成分和行为成分构成。价值观是指人们对某些事物价值的基本看法，这些看法一方面沉淀为一定的价值目标；另一方面成为人们判断客体价值大小，进行价值判断、价值选择的思想根据。从横向上看，这三个要素具有相对独立性，它们描述了人的情感意志领域的完整画面；而从纵向上看，这三个要素有层次递进性，它们构成了一个由低级到高级的情感意志发展的连续体。

根据新课程理念强调三维教学目标的平衡发展，切实改变以往教学目标中只重双基而忽视学生其他能力和情感目标的培养。情感、态度与价值观作为教学目标之一，必须要通过一定的方法和具体的知识载体来表达和实现。在高中物理数学中很多地方都体现了情感态度与价值观。例如：在讲《行星的运动》中介绍哥白尼的观点时，教材把它放在当时的社会经济、文化环境中来加以分析与说明。文艺复兴带来的思想与艺术的繁荣对哥白尼有深刻的影响，艺术的繁荣使哥白尼坚信宇宙中的行星运动是美的，而美的东西一定是简单与和谐的。使学生能领略自然界的奇妙与和谐。

开普勒用20年的时间研究了丹麦天文学家第谷的行星观测资料，七十余次尝试，几十种模型的建立所得结果都与第谷的观察数据有至少8＇的角度偏差；直到最后他对第谷的数据深信不疑……这不容忽视的8＇也许正是因为行星的运动并非匀速圆周运动，第一次大胆地对人们长期以来视为真理的观念——天体在做“完美的”匀速圆周运动表示怀疑。开普勒对科学研究地执著与坚定，大胆质疑，不惧权威的进取精神，震撼学生心灵，达到情感育人的目的。同时也应该看到第谷与开普勒美妙的合作，两个风格截然不同的科学家，一个擅长观察，另一个是数学天才，但是谁的作用也不可忽视，第谷从实验和观察入手，开普勒再对观测数据进行数学归纳，“把几千个数据归纳成如此简洁的几句话”，说明科学探究需要有合作精神，科学探索的乐趣与科学方法的魅力可见一斑。这也是一种美，一种与他人合作的美。

总之，这节课充分体现了情感态度与价值观的培养，让学生体会到人类对行星运动规律的认识充满着曲折与艰辛，让学生在科学家关于天体运动问题的研究历程中，体会科学家们实事求是尊重客观事实，不迷信权威，敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神，体会对描述自然追求简单和谐是科学研究的动力之一。

第9篇：关于天文学的知识范文

［关键词］ 科学；宗教；对抗；和谐统一；地外生命；科幻文学；超时空接触；普利策奖

《超时空接触》（Contact）是由曾经执导过著名影片《阿甘正传》的美国导演罗伯特•泽米吉斯（Robert Zemeckis）于1997年拍摄的一部科幻影片。它根据美国著名的科普作家卡尔•萨根（Carl Sagan）荣获普利策奖的同名小说改编，并由其本人编写了一部分剧本和担任副制片人。本片是目前好莱坞所拍摄的科学含金量最高的真正意义上的科幻片，调查表明，美国有97%的民众相信影片所述的内容。与之相比，那些全球排行榜上名列前茅的电影，如《星球大战》系列、《未来战士续集》及《骇客帝国》等，过于天马行空，只能算是狂想片。由于该片系当今好莱坞一群超级精英制作，剧情丰满，表演精湛，视听效果上乘，全球票房一度高达1.66亿美元。

本片生动刻画了一个把毕生精力奉献给探索外太空生物的女科学家艾利（ Eleanor Arroway ）。本片通过主人公在科学事业上的孜孜以求以及在实现自己科学理想过程中所遭遇到的各种来自宗教方面的压力，从小的切口入手，渐渐把观众带入科学与宗教的对抗之中，使得每一个人都不禁思索，科学与宗教难道真的是水火不容吗？同时，本片也尖锐地触及了美国民众复杂的科学观和世界观。

一、电影《超时空接触》基本情况介绍

（一）剧本――真实可信又富有哲理的故事情节

不同于其他拥有漫长历史的国家，美国这个新兴国家缺乏诞生伟大史诗的沉重历史。但是，美国民众可以用丰富的想象力来塑造自己心目中的完美英雄，来谱写璀璨隽永的史诗。科幻文学这一类型在美国的受欢迎程度很高，每年有大量文学书籍和影视作品产出。而这部《超时空接触》告诉我们，其实科幻并不一定要靠出色的特效来吸引观众（至少本片的卖点并不是视觉效果）。科幻片，对于中国影片来说，几乎还是个空白，或许基于技术以及其他客观原因，我们还无法作出如ID4这样的影片，但《超时空接触》这样的影片，中国还是有能力拍摄的，然而，在这种影片面前，中国电影却不得不面对一个软├摺―剧本。可以说，《超时空接触》的剧本是成就整部影片的基础，影片内对诸多细节的刻画也是现在诸多中国电影所无法做到的。看过《科幻世界》这本杂志后，发现中国还是有不少的科幻人才，至少，里面的不少文章都是可以加以改编，拍摄成如《超时空接触》这种类型的影片。至少，这样的影片比那些所谓华而不实的中国魔幻片来得更有意义一点。

在科幻片这一类型片外衣的包裹之下，是真实可信又富有哲理的故事情节。本片在引发人们不断思考的同时，也可以让我们借机来了解一下美国民众的科学观和宗教观。

2.影片产生的社会背景

（1）美国的

根据皮尤宗教和公共生活论坛(Pew Forum on Religion and Public Life) 2007年5月8日至8月13日的调查数据显示，美国民众中78.4% 的人信仰基督教，这其中51.3%的人是清教徒，23.9%的人信仰天主教。同时，4.7%的人信仰其他宗教，16.1%的人无，0.8%的人不确定或拒绝回答。 该数据是皮尤论坛从全国范围，来自各宗教背景的成年人中随机挑选35 000人的问卷调查中得出的。

从这组数据中我们可以看出，至少有83.1%的美国民众相信世上存在某种形式的神。各种宗教仪式和宗教教义对美国人的精神生活影响很大。同时历任美国总统中绝大部分都有基督教（Christian ）信仰背景。这也就是为什么美国有着复杂宗教背景的现任总统奥巴马在问题上屡屡招来麻烦。

（2）二战后美国科技的发展

美国的科技机构可以划分为四大系统：联邦政府系统、企业系统、高等院校系统和其他非赢利系统。在美国联邦政府系统内，国家实验室是主要的科技骨干力量，其中著名的有新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室、田纳西州的橡树岭国家实验室、佛罗里达州的肯尼迪航天中心等。目前全美大约有800个国家实验室，年度经费约占政府R&D总经费的1/3。 企业的科技工作在全美占有重要地位。大学是美国从事基础研究的主要基地。

二战后，美国的科技水平迅猛发展，国家不断完善科技体制，重视知识产权的保护与发展，同时建立诸多科研中心和机构。美国人的科技观念也随之不断增强。科学化的管理理念渗入到民众生活的方方面面，甚至人们的饮食起居。

二、《超时空接触》中的有神论与无神论

了解了以上两个背景之后，我们再反观这部影片。女主角是一位坚定的无神论者。她在天文学、物理学等诸多科学领域孜孜以求，并把探索外星生命的这一梦想的实现完全寄托于科技的进步。影片中，她在美国国会接受遴选委员会的问答时，面对委员们关于她是否相信有神的存在这一问题不知所措，更甚者她的第一反应表现出她似乎对这一问题感觉到很荒唐。可见，艾利在自己的事业生涯中从未考虑过世界上是否有神的存在，在她的心目中，科学才是她的一切。

与艾利相反的是，在影片中作为艾利的男朋友出现的男主人公帕默贾斯（Palmer Joss）却是一位坚定的有神论者。他著书立说，以上帝的名义引导着民众的精神生活。对于艾利的献身于科学的专注，他既钦佩同时也表现出难以理解。甚至最终把关键性的一票投给了一个谎称自己是虔诚教徒的候选人身上，而拒绝了艾利太空之旅的愿望。

影片中的男女主人公是现实生活中科学与宗教的化身。科学自打它诞生的那一天起就注定了将与宗教产生不可避免的摩擦，甚至是对抗。但是，它们在千年的对抗中却一起走到了今天。一方面，信仰各种神灵的人们在不断增多，各种新兴宗教和教派也在不断产生；另一方面，科技的发展日新月异，给我们的生活带来了显而易见的伟大变化。在人类历史的进程中，科技和宗教并没有消灭彼此，它们在不断对抗中都得到了自己的发展空间。

如果科技与宗教是水火不容的对立面，那么为什么会有今天这种花开两朵的现实状况？不难看出，影片也在探索这一问题。导演在影片中安排有神论的男主人公帕默跟无神论的女主人公艾利无意中邂逅，从此一见钟情。艾利被帕默的幽默风趣、细心呵护所吸引，帕默则是被艾利的专注执著所打动。但科学探索的旅途是孤独的，邂逅不久，艾利则与帕默分离，重新踏上自己的探索旅途。重新相遇的时候，则是整个人类在面临一个艰难选择。艾利和帕默的争执与眷恋在此刻达到了影片的。最终，他们走到一起，携起手来去应对外星人的邀请。影片中，艾利在回答委员会提出的“当你只能问外星人一个问题的时候，你会问什么?”这个问题时，是这样回答的：“我想我会问，你们是怎么进化――你们是怎么从科技发展期幸存下来┑摹…”（How did you evolve? How did you survive technological adolescence…）这一问题同样也是有神论者们的担忧和对科学最大的质疑。再次，我们可以看到，科学与宗教的本质是殊途同归，都是在探索人类自身来源于未来，探索人类的生存意义。只是在解释这一问题上选择了不同的道路。

那么有神论与无神论最大的不同是什么呢？影片中艾利的一句很普通的台词令人印象深刻那就是我们经常说的“我不能证明（ I cant prove）。” 严谨的科学精神不是试图对任何事情都给出一个确定的回答，而是勇于承认自己的无知，用已知的知识去不断质疑，以求新的发现和新的探索。艾利的回答不免让人沮丧，同时也让人无法把希望寄托在她的身上。飞往外太空的航空器造价之昂贵，是全地球人们共同努力建造的。我们怎么可以把乘坐这样一架昂贵的飞行器飞往外太空代表全人类同地外生命接触的使命托付给一个对很多问题都不确定的人呢？反观帕默，他多年来著书立作，解答人们在精神领域里的各种疑惑。他是一个很有天赋的神父，懂得用各种的神学理论来安抚人们。从他的台词中可以透露出，他相信有神灵存在的原因居然是：如果世界上没有上帝的话，那人类岂不是很孤独？他从他自己的神学领域同样也在探求着人类的起源与生存意义。他同时也不否认宇宙中有地外生命的存在。所以宗教的本质不是质疑，而是答疑解惑，它要求人们信奉，而不是提出质疑。这与严谨的科学精神是不同的。

三、分析与总结

这部影片向我们展示了美国民众对于科学和宗教的态度。美国人普遍认为科学可以改变人们的生活，可以给自己提供很大的便利；宗教是人们心灵的慰藉，可以对人们的行为起道德上的约束作用。科技和宗教在日常生活中绝大部分场合不会有冲突，是和谐共存的。但是，在某些原则问题上，科技与宗教屡有冲突，如试管生命的培育等。但是事后，诸多宗教圆满地用自己的神学理论对这一不可避免的冲突进行了解答，同时也丰富和发展了自己的神学观。随着社会的不断进步，宗教在美国社会的道德规范意义更加突出，而单纯的神灵崇拜则在慰藉人们的心灵方面有着很重要的存在意义。

影片中，导演借用了著名小说作者、世界一流的天文学家和科学活动家卡尔•萨根的一句名言：“如果宇宙中存在的生物只有人类，那将是对空间的极大浪费。”(“If humans were the only life in the universe it would‘be a terrible waste of space’.”) 表达了自己对未来科学与宗教共同发展的希望。假如科学和宗教在人类所有寻求的本质问题上包容对待彼此，共同努力的话，人类将会在科技发展中幸存下来并繁衍生息。这句台词同时也是影片中男女主人公走到一起的关键。

［参考文献］

［1］ 黄安年.美国总统和第一夫人［M］.石家庄：河北人民出版社，1986.

［2］ 郝刘祥.中世纪希腊科学的传播及其与宗教的关系［J］.自然辩证法通讯，2003(03).

［3］ The Pew Forum on Religion & Public Life［OL］./.