前言:一篇好文章的诞生,需要你不断地搜集资料、整理思路,本站小编为你收集了丰富的天文学概念主题范文,仅供参考,欢迎阅读并收藏。
广义相对论对于包括天文学、导航、测地、时间同步等许多实际应用都是必不可少的。同时广义相对论也在许多高精度的实验中得到了成功的检验。
探索太阳系中的相对论引力不仅涉及多种高精度技术,同时需要许多基础理论知识。近几十年,国际天文学联合会(IAU)开展了将广义相对论应用于太阳系以及系外星体的高精度天文观测的建模和解释的相关研究工作,1994年建成了一个关于相对论在天体力学与天文学中的应用的工作小组,从事定义和推行相对论参考架和时间标度。这项任务成功地完成并在2000年在英国曼彻斯特召开的第24次会员大会的决议中被采纳。然而,这些决议对于相对论的实际应用只形成了一个框架,对于很多普通天文学中的应用细节,有着许多待解决的问题,需要持续性努力。
2006年在布拉格召开的第26次会员大会上组建了名为“基础天文学中的相对论”的第52委员会,旨在相对论框架下阐明基础天文学的几何学和动力学概念;提供在基础天文学中使用的合适的数学和物理学形式;深化天文学家和学习天文学的学生们对相对论的理解;鼓励实现上述任务所需要的各种研究工作。本书正是试图对该委员会承担的任务做一些理论贡献。本书正是基于国际天文学联合会(IAU)最近所推荐内容编写的教材。
本书的前三章评述了天体力学和狭义及广义相对论的基本原理。这些背景材料是理解构成本书主要内容的相对论天体力学、天体测量学和测地学的基础。接着几章讨论了应用相对论于太阳系中的一些理论和实验原理。
全书内容共分9章,1. 牛顿天体力学;2. 狭义相对论导论;3. 广义相对论;4. 相对论参考架;5. 后-牛顿坐标变换;6. 相对论天体力学;7. 相对论天体测量学; 8. 相对论测地学; 9.国际天文学联合会(IAU)决议中的相对论。
书末给出了3个附录。附录A简单介绍拉普拉斯方程基本解;附录B 列出了天文学常数;附录C 给出了1997、2000、2006和2009年的4次国际天文学联合会(IAU)的决议。
本书内容异常广泛,实例非常丰富,叙述深入简洁,特别注重实际应用。本书虽是一本专著,但很适合从事引力物理学及其在现代天文学领域应用的相关专业的研究生作为辅助教材,也是研究人员重要的参考书。
丁亦兵,教授
(中国科学院研究生院)
关键词:开普勒,科学发现,哥白尼革命,影响
约翰尼斯・开普勒(1571-1630)是德国近代时期杰出的天文学家和物理学家,也是近代自然科学的开创者之一。继承哥白尼的日心体系,创立了行星运动三定律,使之成为指导天体力学的基本定律。开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫太阳中心说,并在天文学方面有突破性成就的人物,被后世的科学史家称为"天上的立法者"。
一、"天上的立法者"
开普勒是一个狂热的数学爱好者,对自然界数的和谐的神秘感受,始终支配着他对天空奥秘的探索活动,这正是哥白尼体系令人赞叹的数学和谐和美,是他直觉到它就是真实的宇宙图景。哥白尼体系执着的坚持希腊古典的正圆运动观念,因此不得不继续沿用本轮--均轮组合法,以获得与观测现象的相符。惟有开普勒彻底抛弃了正圆运动的概念,才确立了太阳系的概念。
(一)开普勒的科学发现
开普勒以一个科学家应有的严谨的态度,毫不犹豫的抛弃了原有方案中偏心圆运动轨迹和圆周匀速运动的设想,重新寻找行星运行轨道图形和速度分布的规律性。经过多年的努力,他找到了行星运行的轨道图形:椭圆型,并发现行星在轨道上并不是做一成不变的匀速运动,而是在做有规律的变速运动。
1543年,哥白尼的日心说拉开了近代科学的研究序幕。他建立了"太阳中心说",虽然他的日心说在观点上新奇,但是却在方法上十分的保守。要使哥白尼日心说得到重视,这一切还是由德国天文学家开普勒来发现,他提出了哥白尼革命能站得住脚的证据,回答了"行星运动的轨道到底是什么样子"的问题,并且探求了行星运动的规律,还从数学方法的角度上严格证明了观察与数学一致。
(二)开普勒的天文学研究
人们常常以为用科学发现的内在逻辑就足以说明科学的变化,开普勒的例子却并非如此。在那个时代,不论是地心说还是日心说,都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒发现,对火星的轨道来说,按照哥白尼、托勒密和第谷提供的三种不同方法,都不能推算出同第谷的观测相吻合的结果,于是他放弃了火星作匀速圆周运动的观念,并试图用别的几何图形来解释,在第谷观测材料的基础上,开普勒继续寻找他的宇宙秩序。
1609年,开普勒发表《以对火星运动的评论表达的新天文学或天空物理学》,阐述了他对火星运动规律的发现,即开普勒第一定律:火星划出一个以太阳为焦点的椭圆,认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转,而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。即:行星的轨道是椭圆的。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快,行星的速度以这样的方式变化:行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。1618年,开普勒又出版了《哥白尼天文学概论》,将他已经发现的火星运动两大规律推广到了太阳系的所有行星,而且同时公布了他所发现的第三定律:行星公转周期的平方与它同太阳距离的立方成正比。这就是所谓的"周期定律"或"和谐定律"。开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述,解决了天文学的一个基本问题。
二、开普勒在哥白尼学说的基础上前行
哥白尼的新天文学的发展得到普遍认可,并成为现在天文学的样式,归功于另外一位伟大的近代天文学家,那就是开普勒。许多科学家们喜欢把哥白尼和开普勒放到一起来讨论,事实上,开普勒的科学成就比哥白尼的科学成就更能给人留下深刻的印象。
(一)哥白尼革命对天文学的发展
哥白尼的"日心说"发表之前,"地心说"在中世纪的欧洲一直居于统治地位。在天文学方面,哥白尼的主要贡献在于他试图革新旧有托勒密体系诸多繁杂与牵强的解释,而从本质上追求地球三重运动的和谐性,以及几何上的完满一致性。哥白尼的书对伽利略和开普勒的工作是一个不可缺少的序幕。哥白尼的日心宇宙体系既然是时代的产物,它就不能不受到时代的限制。哥白尼所指的宇宙是局限在一个小的范围内的,具体来说,他的宇宙结构就是今天我们所熟知的太阳系,即以太阳为中心的天体系统。
(二)开普勒对天文学的发展
开普勒三大定律的成功在于条件:就是哥白尼的日心说体系,因为开普勒是一个坚定的哥白尼主义者,这样才能一开始就跟着哥白尼日心说体系的方向走,并且比哥白尼走的更远。开普勒把哥白尼式的革命运用到哥白尼的数学体系中,改进了日心说体系。开普勒开始很欣赏哥白尼的日心说,后来他发现这不符合实际情况,开普勒在明确了哥白尼失败的方面后得到结论:各行星围绕太阳运行的轨道并不是正圆,而是椭圆。太阳真正成了导引六大行星昼夜不舍运动的力量源泉,而在哥白尼体系中,太阳并未处在任何一个行星的轨道中心。以椭圆代替正圆是宇宙学史上划时代的事件。于是创立了开普勒三定律。
(三)开普勒的研究方法和方法论特点
开普勒是一个深受毕达哥拉斯和柏拉图影响的数学家。他坚信上帝是按照完美的数学原则来创造世界的,他用数学的和谐性来探索宇宙体系。开普勒研究天文学并不具备优越的条件,他不仅缺乏相应的观察设备,而且眼睛的视力也不好,但他却具有丰富的想象和概括能力。开普勒尊重科学事实,敢于创新和探索,他认为科学进步需要创新,创新是科学的生命,而创新必须建立在科学事实的基础上,这种尊重科学事实,敢于创新的精神在开普勒身上得到了充分体现,也是他成功的关键。他提出自己的理论,用三定律来完善和发展哥白尼的日心说,推动了天文学向前发展的步伐。
三、开普勒定律在天文学中的意义
开普勒的行星三定律对于推动整个科学领域起到了非常重要的作用。他的天文学成就和方法论特点给了我们很重要的意义。
(一)要以科学事实为依据,敢于放弃旧科学的束缚
开普勒对哥白尼体系给予了充分的肯定。许多天文学家对天体运动的观念提过不同的见解,而对天体遵循完美的均匀圆周运动这个观念还没有人怀疑。但是开普勒却否定了它。他结合哥白尼的日心说再加上他的数学知识,得出三大定律。科学发展的过程并不是一帆风顺一成不变的,它作为一种知识和社会现象发展过程肯定会受很多因素的影响。科学的旧观念也是束缚科学发展的一大因素,科学工作者首先要有创新意识和创新精神,敢于摒弃旧观念。
(二)要有为科学奉献的精神,敢于正确面对科学失败
科学研究是一项非常艰苦的创造性劳动,开普勒向人们证明了日心说的正确性,证明行星世界是一个匀称的系统。这个体系的中心天体的太阳,太阳位于每个行星轨道的焦点之一,行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离,与质量无关。而在哥白尼体系中,太阳虽然居于宇宙"中心",却并不扮演这个角色,因为没有一个行星的轨道中心是同太阳相重合的。
四、结论
开普勒行星运动三大定律的发现,直接把哥白尼的日心说推向了定量化与精确化的阶段,证明了行星运行的轨道到底是什么样子的。使整个太阳系成为一个严格按照确定规律运行的力学体系。开普勒坚持了哥白尼的日心说,在哥白尼的理论基础上结合自己的观测结果,利用第谷对火星精确的观测和周期的确定,加上自己的数学知识,最后提出了日心说体系,在当时逐渐被人们接受,代替了错误的地心说体系。这为后来宇宙天体的发现和观测奠定了有利的基础。
参考文献:
[ 1] 吴国盛. 科学的历程第二版[ M] . 北京: 北京大学出版.2002
[ 2] 徐建科, 邓联合. 论哥白尼开普勒对宇宙和谐之探求.燕山大学学报.2008
[ 3] 杨耀坤. 论开普勒在自然科学方法论史上的地位. 湖北: 湖北科范学院学报.1986
关键词:高等教育;大学物理;天文学;教学
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)41-0072-03
一、引言
大学物理作为面向理工科专业的一门基础课、必修课,其知识的掌握程度和能力的培养对后续专业知识的学习有着直接的影响,其重要性不可言喻。当然,有很多学生,特别是他们处在低年级,对这种重要性并没有直观的印象。所以,在实际教学活动中适当穿插一些相关专业或者前沿科技的知识,让学生感受物理是如何被应用的,从而提高学生对物理学习的兴趣,激发其主动性和创造性。穿插的内容也应是学生普遍感兴趣的,比如对学生所学专业或者是一些重大的科技进展。除此之外,我发现天文学是一个很好的穿插对象。天文学是研究宇宙空间天体、宇宙结构和发展的学科,是一门古老的学科,也是当代最活跃的前沿学科之一,本身具有强大的吸引力,很容易抓住学生的注意力。而且关于天文学的新闻时常出现在各种媒体,对一些字眼和基本概念,学生也不会感觉太陌生,这样也就容易拿来当作素材介绍,用物理理论来讲解会让学生对之理解得更深入透彻。本文通过几个实例来介绍天文学知识是如何穿插在大学物理教学中的。
二、应用实例
恒星是天体中大家都比较熟悉和关注的,比如离我们最近的恒星——天阳。下面我们就以恒星为例子,看看里面包含哪些物理过程。首先关于恒星的形成,恒星是分子云引力塌缩形成的。那在什么条件下分子云才可能塌缩形成恒星?如果仅仅只是引力,那么分子云内任何微小的密度涨落必将导致引力塌缩,很自然就会形成恒星。刚刚学过气体运动理论,就会想到分子热运动不可避免。因此,分子云内部必然存在着引力相抗衡的热压力。其结果是,较小的密度涨落产生的引力会被热压力所克服,并不能导致塌缩。只有当分子云本身密度较大时,才可能存在较强的密度涨落,从而引起引力不稳定性,并导致塌缩。此时,热压力不足以抵抗引力导致的塌缩。这里只需要利用理想气体压强的概念,学生很容易顺着这条思路找到答案。下面,我们来简单估计产生引力不稳定的临界条件。假设分子云为理想气体,温度为T、密度为ρ。考虑半径为r的球,其质量为M∝r3ρ,球体受到的引力为∝GM2/r2,热压力为∝Pr2。若气体分子的平均分子质量为m,利用理想气体状态方程,气体压强为P=ρkT/m。这样就可以得到引力不稳定发生的临界尺度和临界密度:r>rJ≈■,ρ>ρJ≈■ (1).
上面的式子就是天文学中常用的金斯不稳定性判据,更严格的解比上面的会多出一个常数π,但是作为量级来估计,(1)式已经足够了。
这里用的物理知识都很简单基础,很容易让学生入手。通过这个例子,学生感觉自己也会用物理知识,而且跟天文更近了。
是不是满足金斯不稳定性引起引力塌缩就能形成恒星呢?这里还有一个关键的问题是关于恒星的点火条件。我们知道恒星能量来源于轻核聚变,例如天阳中心的氢核聚变。但是恒星内部是否能够发生核聚变呢?
事实上,核聚变会受到原子间库仑势垒的阻碍。下面我们可以简单估计该势垒的大小。在原子核物理简介这一章,我们学习过原子核中核子半径为rN=R0A1/3≈1.2A1/3fm,其中A为原子核质质量数。在大于rN的区域,库仑作用主导,则两个核电荷数分别为Z1和Z2,质量数为A1和A2的原子核之间的库仑势垒为:Vc=■≈1.2■MeV (2).
恒星中心典型温度约107K,原子核的动能只有≈kT≈1keV?垲VC。因此,用经典物理知识我们甚至无法理解太阳为什么会发光这样基本的问题。但是,微观粒子具有波粒二象性,这里需要考虑量子隧道效应,只要核子动能足够大,还是可以大规模穿过库仑势垒的,从而“点火”。这要求星体中心温度不能太小,被称为点火温度。通过这个例子,学生感觉到像太阳这样的宏观天体,其核心的基本物理过程也需要借助微观的量子效应。
关于恒星的特征温度,天文学中常用维里温度来估算。这里需要用到维里定理是:E■■=-■Egr (3).其中,Egr为星体的自引力能,E■■为星体的总热能。上式表明,当星体收缩时,一半的自引力能被辐射掉,剩下的一半将转化为热能,增加恒星的温度。我们可以用它来估计恒星内部的特征温度。
星体自引力能可以估计为Egr=-GM2/R,星体热能Eth=■NkTvir,于是有■NkTvir≈■■=■■ (4).这样给出的温度Tvir被称为维里温度。就以太阳为例,在上式中代入太阳质量和半径后,估算的特征温度为Tvir≈6×106K,与标准模型得到的结果量级一致。
上式(4)其实也很容易理解,只是用了气体动理论里面的一些基本知识。关键是维里定理怎么来的,下面我们给出一个简单推导,同样是用到这部分的基础知识。
考虑星体内部的流体静力学平衡,某一半径r流体元受到的引力与压强梯度平衡,即:■=■ (5).其中M(r)是半径r所包围的质量,式子两边同乘以4πr3dr,并从星体中心到表面(假设恒星半径为R)进行积分,即:■4πr3■dr=-■4πr3■dr (6).
上式右边为星体的自引力能Egr.我们对(6)式左边做分部积分,即:■4πr3■dr=4πr3P(r)■■-3■4πr2P(r)dr (7).一般将P(R)=0的地方定义为星体表面,因此右边第一项为零。右边第二项可以改写为:-3■4πr2P(r)dr=-3V■=-3VP (8).
其中P为星体的平均压强,这与求平均速度的方法类似。综合以上(6)~(8)式,我们得到引力束缚系统的维里公式:3VP=-Egr (9).
仍然把星体内气体分子当作经典理想气体。利用理想气体状态方程PV=NkT,和气体热能Eth=■NkT,我们得到 P=■■。对其两边同乘以4πr2dr并积分有:PV=■E■■(10).联立上面的(9)式和(10)式,即可以自然得到维里定理。
还有其他一些天文学问题,如当恒星演化至晚期,恒星中心合成铁元素后,若再进一步核聚变需要吸热,在原子核物理章节,其中给出的核子的平均结合能曲线就是这个意思。其结果是晚期星体核心必然塌缩,通过核聚变的方式合成比铁重的元素是不可能的。这些都是能够紧密结合所学内容,提出一些有趣的天文学问题,让学生通过自己思考,能够找到合理的解释。只要留心,还能找到很多类似的例子。
三、总结
天文学本身具有很强的吸引力,容易引发学生的好奇心,因此在大学物理课程中穿插一些天文学知识能够起到较好的教学效果,让学生通过积极思考,感受如何运用物理知识,从而激发学习的主动性和创造性。另一方面,天文学作为一门古老的学科,作为自然科学的源泉,其发展对于人类的自然观产生了重大影响,也最容易激发人们的求知欲望,理应更受重视。在国外,高校大都开设有天文课,而国内相对很少。我国是世界上天文学发展最早的国家之一,曾经在天文观测和研究中取得了不少世界瞩目的成就,但在近代却陷于停滞,落后于西方。目前国内也仅有5所高校开设有天文专业,高校天文普及教育还亟待提高。在当前背景下,通过这样的结合也有助于天文学知识的普及,让学生在感受美妙的天文现象的同时,也思考其中的物理奥秘,切身感受到运用物理知识的确能使我们更加了解天文。
参考文献:
[1]徐仁新.天体物理导论[M].北京:北京大学出版社,2006.
王廷相是明代中叶重要儒家学者。他以信守孔子之道为己任,指出:“儒者之论,合于圣者,即圣人也,则信而守之;戾于圣者,即异学也,则辨而正之,斯善学道者也。”[ ]他还根据孔子所言“多闻阙疑,慎言其余,则寡尤;多见阙殆,慎行其余,则寡悔”[ ]中的“慎言其余”著《慎言》。同时,他明确主张研究自然,要求把握“物理”。王廷相在所作“策问”中说:
诸士积学待叩久矣,试以物理疑而未释者议之,可乎?天之运,何以机之?地之浮,何以载之?月之光,何以盈缺?山之石,何以欹侧?经星在天,何以不移?海纳百川,何以不溢?吹律何以回暖?悬炭何以测候?夫遂何以得火?方诸何以得水?龟何以知来?猩何以知往?蜥蜴何以为雹?虹霓何以饮涧?何鼠化为鴽,而鴽复为鼠?何蜣螂化蝉,而蝉不复为蜣螂?何木焚之而不灰?何草无风而自摇?何金之有辟寒?何水之有温泉?何蜉蝣朝生而暮死?何休留夜明而昼昏?蠲忿忘忧,其感应也何故?引针拾芥,其情性也何居?是皆耳目所及,非骋思于六合之外者,不可习矣而不察也。请据其理之实论之。[ ]
显然,王廷相是主张研究各种自然现象、研究科学的。而且他还认为,研究天地之道是学者“穷理尽性”所必不可少的。他说:
古之圣人,仰以观乎天文,俯以察乎地理,而人之道益明。盖以人性贯彻上下,通极内外,弥满于无垠,周匝于六合,苟一物之未知,是于性犹有所未尽也。故天地之道,虽悠远高深,学者不可不求其实矣。[ ]
王廷相不仅主张研究自然,同时自己也广泛深入地研究自然、研究科学。在天文学上,他进行过大量的天文观测,主张浑盖合一论,并且通过对浑天说与盖天说的优点加以综合,以解释各种天文现象;他还专门研究了古代天文学上的“岁差”概念的发展,撰有《岁差考》。[ ]
明清之际,顾炎武、黄宗羲、王夫之三大儒讲经世致用,与此相联系,他们也极力推崇科学,主张研究科学,包括研究天文学。
顾炎武对当时的王学末流提出批评。他说:“不习六艺之文,不考百王之典,不综当代之务,举夫子论学、论政之大端一切不问,而曰‘一贯’,曰‘无言’,以明心见性之空言,代修己治人之实学。”[ ]顾炎武认为,王学末流清谈“明心见性”之类,实际上是弃“修己治人之实学”,其结果是“股肱惰而万事荒,爪牙亡而四国乱;神州荡覆,宗社丘墟”。
顾炎武所谓的“修己治人之实学”,就是“博学于文”、“行己有耻”。关于“博学于文”,顾炎武说:
君子博学于文,自身而至于家国天下,制之为度数,发之为音容,莫非文也。[ ]
顾炎武讲的“博学于文”,当然也包括研究科学。顾炎武的《日知录》三十余卷“凡经义史学、官方吏治、财赋典礼、舆地艺文之属,一一疏通其源流,考证其谬误”[ ],其中也包括科技知识。《日知录》第30卷“论天象数术”,有《天文》、《日食》、《月食》、《岁星》、《五星聚》、《百刻》、《雨水》等条涉及天文学。
黄宗羲的《明夷待访录》被认为是“中国历史上第一部系统地阐发民主主义思想的著作”[ ]。同时在该书中,黄宗羲还非常重视“学校”,认为学校不仅在于养士,更重要的是“必使治天下之具皆出于学校”。他认为学校除了有“五经”师,“兵法、历算、医、射各有师”。他还说:
学历者能算气朔,即补博士弟子。其精者同入解额,使礼部考之,官于钦天监。学医者送提学考之,补博士弟子,方许行术。岁终,稽其生死效否之数,书之于册,分为三等:……上等解试礼部,入太医院而官之。[ ]
对于取士,黄宗羲提出了8种渠道,有科举、荐举、太学、任子、邑佐、辟召、绝学和上书。其中所谓“绝学”,黄宗羲说:
绝学者,如历算、乐律、测望、占候、火器、水利之类是也。郡县上之于朝,政府考其果有发明,使之待诏。否则罢归。[ ]
显然,黄宗羲非常强调天文学的学习,注重选拔天文学人才。
黄宗羲在为学上有《明儒学案》、《宋元学案》等重要著作流传于世,同时也撰写了不少科学著作,其中天文学类著作“有《授时历故》一卷,《大统历推法》一卷,《授时历法假如》一卷,《西历假如》、《回历假如》各一卷”[ ]。
王夫之一生潜心著述,著作等身。除了对经学、史学、文学以及政治等有深入研究外,他对科学也有较多的关注。尤为重要的是,他把研究科学与理学的“格物穷理”联系在一起。他曾说:
密翁与其公子为质测之学,诚学思兼致之实功。盖格物者,即物以穷理,惟质测为得之。[ ]
密翁,即方以智(公元1611~1671年),字密之,号曼公,明清之际的思想家、科学家。在学术思想上,他主儒、释、道三教合一,[ ]并且著有《物理小识》、《通雅》等科学著作。他认为,学问有“质测”、“宰理”、“通几”之分,[ ]所谓的“质测”就是要研究“物理”;他还明确指出:“物有其故,实考究之,大而元会,小而草木螽蠕,类其性情,征其好恶,推其常变,是曰‘质测’。”[ ]可见,方以智的“质测之学”就是指自然科学。王夫之以方以智的“为质测之学”解“格物”,实际上就是以研究科学解“格物”。把研究科学与儒家为学成人所必需的“格物”联系起来,足以表明王夫之对科学的重视。
王夫之不仅以研究科学解“格物”,他本人对科学也进行了广泛的研究。王夫之晚年著《思问录》以及《张子正蒙注》,其中《思问录》外篇和《张子正蒙注》的《太和》、《参两》等篇包含了丰富的科学方面的论述,涉及天文学、地学以及医学等方面的内容。
在天文学上,王夫之反对盖天说,赞同浑天说。他认为,盖天说“可状其象而不可状其动也,此浑天之说所以为胜”。他还说:
乃浑天者,自其全而言之也;盖天者,自其半而言之也。要皆但以三垣二十八宿之天言天,则亦言天者画一之理。[ ]
王夫之还具体分析了历家的“天左旋,日月五星右转”以及张载的“日月五星顺天左旋”,并且说:
张子据理而论,伸日以抑月,初无象之可据,唯阳健阴弱之理而已。乃理自天出,在天者即为理,非可执人之理以强使天从之也。[ ]
显然,王夫之不赞同张载提出的“日月五星顺天左旋”的观点。与此同时,他也不赞同张载用阴阳五行说解释日月五星各自运行速度的不同,并且明确指出:“五纬之疾迟,水金火木土以为序,不必与五行之序合。”[ ]关于日月五星运行的速度,王夫之说:
远镜质测之法,月最居下,金、水次之,日次之,火次之,木次之,土居最上。盖凡行者必有所凭,凭实则速,凭虚则迟。气渐高则渐益清微,而凭之以行者亦渐无力。故近下者行速,高则渐缓。[ ]
此外,王夫之对月食、月中之影、岁差等天文现象以及历法的有关问题都提出了自己的观点。
明清之际的陆世仪也非常重视天文学的研究。陆世仪(公元1611~1672年),字道威,号刚斋,又号桴亭,太仓(今属江苏)人。他赞同朱熹的格物穷理之说,反对王阳明的致良知。他说:“致良知虽是直截,终不赅括,不如穷理稳当。……天下事有可以不虑而知者,心性道德是也。有必待学而知者,名物度数是也。假如只天文一事,亦儒者所当知,然其星辰次舍,七政运行,必观书考图,然后明白,纯靠良知,致得去否?”[ ]陆世仪认为,科学方面的知识不同于心性道德方面的知识,其认知方法也不相同;儒者应当学习科学知识、研究科学,而不是靠“致良知”。与此同时,陆世仪还从经世致用的角度强调学习科学的重要性。他说:“六艺古法虽不传,然今人所当学者,正不止六艺。如天文、地理、河渠、兵法之类,皆切于用世,不可不讲。俗儒不知内圣外王之学,徒高谈性命,无补于世,此当世所以来迂拙之诮也。”[ ]
清初大儒李光地对天文学也有研究。李光地(公元1642~1718年),字晋卿,号厚庵、榕村,福建安溪人。曾奉命主编《性理精义》、《朱子大全》等著作。李光地一生致力于理学,“以子朱子为宗,得道学正传。而又多才多艺,旁及天文算数之事,尤能贯通古今,洞明根底”[ ]。他说:“思知人,不可以不知天。仰则观于天文,穷理之事也,此则儒者所宜尽心也。”[ ]在这里,李光地把研究科学与儒家的“尽心”、“知性”、“知天”、“穷理”联系在一起。
李光地对天文历算有特殊的爱好,与当时的天文学家、数学家梅文鼎交往甚密。清康熙二十八年(公元1689年),梅文鼎奉昭参与修《明史历志》。当时的李光地因仰慕梅文鼎的历算才华,与他订交,并就历算的研究进行了交谈。此后,李光地经常前去求教,学问大进。期间,梅文鼎还根据李光地的建议编纂《历学疑问》。该书写成后,李光地为之作序,并刊刻行世。后来,李光地又将《历学疑问》以及梅文鼎推荐给康熙皇帝,梅文鼎受到了褒奖,于是名声大震。在与梅文鼎的交往过程中,李光地对天文学也作了深入的研究,其天文历法类著作主要有:《历象要义》、《历象合要》、《历象本要》等,主编《御定星历考原》、《御定月令辑要》等;还有论文《记太初历》、《记四分历》、《记浑仪》、《算法》、《历法》、《西历》等。
戴震是清代重要的汉学家。他除参与编修《四库全书》外,还有著作《原善》、《孟子字义疏证》、《声韵考》、《声类表》、《方言疏证》等,有清代考据学大师之誉。同时,他也非常强调研究科学。他说:
诵《尧典》数行,至‘乃命羲和’,不知恒星七政所以运行,则掩卷不能卒业。……不知古今地名沿革,则《禹贡》、《职方》失其处所。不知‘少广’、‘旁要’,则《考工》之器不能因文而推其制。不知鸟兽、虫鱼、草木之状类名号,则比兴之意乖。[ ]
显然,戴震把对科学的研究看作是整理、考订古典科技文献必要的知识基础。
戴震不仅强调研究科学,而且自己也深入研究科学,“凡天文、历算、推步之法,测望之方,宫室衣服之制,鸟兽、虫鱼、草木之名状,音和、声限古今之殊,山川、疆域、州镇、郡县相沿改革之由,少广旁要之率,钟实、管律之术,靡不悉心讨索。”[ ]正是对科技的深入研究,他撰写了大量的科技著作,其中有天文历法类著作:《原象》、《续天文略》、《迎日推策记》、《九道八行说》、《周礼太史正岁年解》、《周髀北极璿玑四游解》、《记夏小正星象》、《历问》、《古历考》等。
还需指出的是,明清一些儒家,比如黄宗羲、李光地等,他们在研究天文学时,较多地通过介绍西方的天文学知识,把中国传统的天文知识与西方的天文学结合起来。这对于西方天文学的传入是有积极意义的。
注释:
[1] 《王氏家藏集》卷二十八《与彭宪长论学书》。
[2] 《论语为政》。
[3] 《王氏家藏集》卷三十《策问》。
[4] 《王氏家藏集》卷三十《策问》。
[5] 参见高令印、乐爱国:《王廷相评传》,江苏:南京大学出版社1998年版,第228—261页。
[6] 《日知录》卷七《夫子之言性与天道》。
[7] 《日知录》卷七《博学于文》
[8] 《日知录》潘耒“序”。
[9] 冯契:《中国古代哲学的逻辑发展》(下),上海:上海人民出版社1984年版,第1023页。
[10] 《明夷待访录学校》。
[ 1] 《明夷待访录取士下》。
[ 2] 全祖望:《鲒埼亭集》卷十一《梨洲先生神道碑文》,《续修四库全书》,上海:上海古籍出版社2002年版,第1429册。
[ 3]《船山全书》第12册《搔首问》,湖南:岳麓书社1992年版,第637页。
[ 4] 参见罗炽:《方以智的“质测通几”之学》,载陈鼓应等:《明清实学思潮史》(中卷),山东:齐鲁书社1989年版。
[ 5] 方以智:《通雅》卷首三《文章薪火》。
[ 6] 方以智:《物理小识》“自序”。
[ 7] 王船山:《思问录》外篇。
[ 8] 《思问录》外篇。
[ 9] 《思问录》外篇。
[20] 《思问录》外篇。
[21] 《思辨录辑要》卷三《格致类》。
[22] 《思辨录辑要》卷一《大学类》。
[23] 阮元:《畴人传》卷四十《李光地》,北京:商务印书馆1955年版。
[24]梅文鼎:《历学疑问》“李光地序”。
这颗直径320米的小行星是2004年6月被发现的,经过轨道测算后,于当年12月被划归“托里诺等级”第4级,这也是有史以来小行星的最高等级。
类似表示地震强度的里氏震级,“托里诺撞击危险等级”用以评估近地天体(NEOs, Near Earth Objects,包括小行星、彗星等)撞击地球的危险程度。在综合考虑天体的大小、运行轨道、速度以及与地球相撞的可能性的基础上,托里诺等级将NEOs的危险程度分为0~10级。如果危险等级为0,就表明该天体撞击地球的可能性为0,或者质量很小,在大气层中熔化而可以忽略不计。
1级表示常规发现的有可能接近地球的天体,但无需引起公众注意和担心,而且进一步天文观测后极有可能降为0级。
2~4级被划为黄色区域。其中2级表示接近但不是十分靠近地球,应引起天文学家的注意,公众不必担心,有可能降为0级;3级表示近距离接近地球,对地球局部地区构成威胁的概率在1%以上,天文学家应注意观测。如果10年内便会发生上述情形,应引起公众和官员们的注意;4级与3级基本相同,只是威胁范围有所扩大。
5~7级被划为橙色区域。表示有可能对某一地区甚至全球带来灾难,天文学家应密切监测,确认灾难最终是否会发生,并需要确保有当地政府乃至国际间的应急对策。
8~10级被划为红色区域。表示撞击确定会发生,只是造成危害程度不同。其中最严重的10级威胁如若发生,将使全球气候陷入灾难,威胁到人类文明的未来存在。这种碰撞一般10万年以上未准发生一次。以上的危险等级是有可能变化的。科学家们将随时测定更加精确的各个参数,并据此重新计算危险等级。
1999年,在意大利都灵召开的国际天文学会议上,美国麻省理工学院的教授理查德・宾策尔提交了一份通过对近地天体分类定级来评估对地球威胁的方案。后来该方案被正式采纳,并因会议的举行地而被命名为“托里诺等级”(Torino Scale)。2005年,天文学家又对它进行了修改,主要变动是较低级别的说明,为的是不引起公众的恐慌,比如原来2~4级被描述为“值得担心”。
根据宾策尔的测量计算,还没有一颗小行星的危险等级大于1,有几颗最初曾被定为1的小行星,在测算运行轨道后被重新定级为0。这说明,从已经发现的小行星的情况来看,它们与地球相撞的可能性基本上为0。所以“阿波菲斯”的4级危险就有些不同寻常了。
这颗小行星撞上地球会导致怎样的后果呢?科学家描述说:2029年,这颗小行星在距地球表面3万多千米的高空掠过后,其自身状态和运行轨道将因地球引力而发生变化。这一变化可能会导致它在2036年“击中”地球。其爆炸产生的能量相当于11万颗广岛原子弹;假设它击中太平洋,将会掀起200米高的巨浪;它的冲击波掀起的灰尘,将笼罩地球上1/4的地区,这一地区里的动植物和人类将因为严寒和食物链被破坏而死去。
目前,科学家是否会对“阿波菲斯”的等级重新修正还不得而知。不过,今年春天天文学家将拥有一次良好的观测机会,可以更精确地测定“阿波菲斯”的轨道。如果到时仍然无法排除“阿波菲斯”撞地球的可能,下一次观测机会将要等到2013年。事实上,要到2029年,科学家才能完全确定“阿波菲斯”是否会撞上地球,而这已为时晚矣。
不过科学家提醒公众不必太惊慌,这不仅因为足以对地球构成威胁的小行星数量微乎其微,而且,在所有自然灾害中,天外之客的闯入可说是惟一可以做到准确预测的,所以人类应该能想出办法,逃过一劫。
关键词:《天体力学》;课程建设;教学方法
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2014)05-0058-02
一、引言
天体力学是应用力学规律研究天体的运动和形状的一门学科,是天文学的一个分支,同时又与数学和物理学的关系密切。天体力学诞生于1687年,但作为学科名称是拉普拉斯于1798年首次提出的[1]。天体力学的基本理论虽然源于对自然天体的研究,但同样适用于人造天体。随着卫星技术的广泛应用,现代天体力学与航天科学、大地测量学和地球物理学等学科相互交叉,形成了一些共同的研究领域。因此,天体力学不仅是天文学专业必修的专业基础课,也是其他相关专业的重要选修课。天体力学涉及的内容广泛,理论性强,公式复杂,对于非天文专业的学生而言,天体力学是一门难度较大的课程。由于教学对象和教学目标不同,非天文专业开设的《天体力学》课程不可能照搬天文学专业的课程体系,而必须结合自身专业特点和需求进行课程体系建设。本文以武汉大学测绘学院天体力学课程为例,从教学目标、教学内容与教材、教学方法和考核等方面对非天文专业天体力学课程建设进行探讨,以供同行参考。
二、教学目标
武汉大学测绘学院开设天体力学课程主要针对测绘工程和地球物理两个本科专业。目前,全球卫星导航技术、遥感技术和卫星重力等现代卫星技术广泛用于测绘、地球物理领域的生产实践和科学研究,掌握基本的天体力学理论对于理解和掌握后续的专业课程具有重要作用。因此,天体力学是一门重要的专业基础课,一般在二年级下学期开设。通过本课程的教学,应达到以下目标:(1)使学生了解天体运动的基本规律,掌握天体运动的基本理论,为GPS原理及应用、卫星大地测量学、卫星重力学等后续专业课的学习奠定基础;(2)使学生了解天体力学的研究方法,通过一些理论公式的推导和天体运动规律的分析,增强学生科学理性的逻辑思维能力;(3)指导学生将天体力学基本理论应用于实际天体,利用案例介绍天体力学在本专业中的应用,培养学生独立分析与解决问题的能力。
三、教学内容与教材
人造天体的出现与电子计算机的广泛应用,极大扩展了天体力学的内容和应用范围,但是非天文专业天体力学课程不可能也没必要涉及天体力学的所有内容。结合专业特点和需求,选择的教学内容以经典天体力学的核心内容为主,即二体问题和摄动理论。考虑到非天文专业大学生的实际,教学内容侧重于基本概念和基础理论,并辅以所需的数学和物理学基础知识。表1列出了具体教学内容和课时安排。第1章绪论对课程进行概述,简要介绍天体力学的研究内容和发展历史。第2~3章是针对非天文专业学生缺乏相应基础而安排的数学、物理和天文学方面的基础知识。第4~6章是经典天体力学的主要内容,也是课程学习的重点。第7章是多体问题,重点介绍三体问题。第8章主要以地球为例介绍天体的形状与自转理论。教学内容由浅到深、由易到难逐渐递进,便于学生理解吸收。
国内天体力学的教材较少,而且由于出版时间较早现已经没有再版,如《天体力学引论》[2]、《天体力学基础》[3]。近年来,也鲜有天体力学方面的书籍出版。时间最近的天体力学书籍是2008年出版的《现代天体力学导论》[4],但是该书专业性较强,主要介绍现代天体力学的内容和代表性研究成果,不适合作为非天文学专业本科生的教材。为了满足课程教学的需要,课程组在2006年就结合国内外资料编写了《天体力学》讲义,内容覆盖了所需的基础知识和天体力学基本理论,并添加在本专业的一些实际应用案例。经过多年的不断更新和完善,讲义基本具备了出版教材的条件。
四、教学方法与手段
1.合理利用计算机技术辅助教学。信息技术的发展及在教育教学领域的应用,导致了教学方法和手段的深刻变革,目前多媒体教学已成为课堂教学的主流方式。天体力学涉及不少抽象的天文学概念和复杂的空间关系,同时也有较多的公式,因此采用板书和多媒体相结合的方式更利于学生对课程内容的理解。对于一些重要公式的推导采用板书形式,这样容易引导学生的思路,增加与学生的互动。对于抽象的概念和理论,采用图片、动画和视频等多媒体资料进行讲解,不仅可以激发学生的学习兴趣,也有利于他们更好地理解和掌握。例如,第二章中的天球坐标系就涉及到天球上的许多点、线、面的概念,以及地平坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系等多种天球坐标系的定义,采用传统方法讲授这些知识需要较多课时。而使用多媒体教学方式,只需几幅图片和一个动画就可以将这些坐标系的定义及相互关系形象直观地展现出来,极大提高了教学效率。另外,还可以编写一些程序或运用专业仿真软件(如STK卫星工具箱[5])对某些教学内容进行演示,增进学生的感性认识,如天体的运行轨道模拟、摄动力对轨道的影响等内容。
2.理论联系实际,注重培养知识运用能力。天体力学课程是一门公式多、理论性强、逻辑严密的理论课。但是如果过多地讲授理论和公式推导,学生听课会觉得枯燥无味,学习兴趣下降,导致教学效果不佳。授课过程中应注重理论知识与实际应用的联系,特别是增加与本专业相关的一些应用或者是当前的热点问题。例如,讲授卫星轨道的相关知识时可以介绍嫦娥探月卫星轨道设计等实际问题,讲授轨道摄动问题时可以介绍卫星轨道摄动在确定地球重力场方面的应用。还可以采用案例教学法对一些公式较多的知识点进行教学,例如天体星历的计算,给定某实际天体运行轨道的轨道根数,让学生编程计算该天体在任意时刻的位置。通过介绍应用案例或者让学生自己动手解决实际问题,能激发学生的学习兴趣,增强对知识的理解。
3.利用灵活多样的考核方式保障课程教学质量和学生的学习效果。课程考核是实现教学目标和检验学生学习效果的一种手段,是课程教学的一个重要环节。为了避免传统期末考试“一考定成绩”的诸多弊端,本课程采用多元的考核方式,课程成绩由平时成绩和期末考试成绩两部分组成,分别占总成绩的45%和55%。平时考核可采取考勤、作业、课堂演讲与讨论、编程实验等多种形式,对于全面了解学生的学习状况和教师的授课效果非常有效,同时也可减小学生对考试的畏惧心理,避免考前突击行为。期末考试可采用开卷、半开卷和闭卷三种形式。开卷考试以应用题为主,题目覆盖课程的主要知识点,但又不能在学生携带的参考资料中找到完整的考题答案,以考察学生运用所学知识分析问题、解决问题的能力。半开卷形式则允许学生考试时将自己觉得重要的公式和理论抄写在一张纸上带进考场,这种方式有利于使学生理解知识点之间的联系,全面系统地复习、归纳和总结知识体系。闭卷形式虽然要求学生不准携带任何资料进入考场,但是为了避免学生对理论和公式死记硬背,试卷中会给出可能用到的重要公式,从而引导学生在学习过程中着重对知识点的理解、分析和运用。
五、结语
《天体力学》课程专业性较强,开设该课程的多为天文学专业。非天文专业开设《天体力学》,无论是教学内容还是教学方法,都没有经验可以借鉴。我院开设该课程已近十年,在课程建设方面进行了一系列教改实践,并取得了良好效果。学生学习该课程后掌握了本专业所需的基本知识,有的学生因此喜欢上天文专业并考取了该专业的研究生。本文在多年的教学实践基础上,在教学内容、教学方法和教学手段、考核方式等方面总结了教学经验,为非天文类的其他相关专业开设《天体力学》课程提供了参考。
参考文献:
[1]易照华.天文动力学和天体力学[J].云南天文台台刊,2002,(3):1-8.
[2]易照华.天体力学引论[M].北京:科学出版社,1978.
[3]易照华.天体力学基础[M].南京:南京大学出版社,1993.
[4]孙义燧,周济林.现代天体力学导论[M].北京:高等教育出版社,2008.
[5]张文昭,高健.STK卫星仿真软件在天体力学教学中的应用[J].实验技术与管理,2013,30(2):118-121.
人类知识体系的形成根植于三种最古老的科学,即天文学、数学和力学。这三种科学之所以古老,原因就在于其直接服务于先民的生产和生活。如果说力学的产生是人类为从事农业生产而适应定居生活的需要的话,那么天文学则是作为农业生产的基础而存在的。当先民摆脱了原始的采集狩猎经济,而以人工栽培农业的生产方式为氏族提供有保障的食物来源的时候,天文学就应运而生了。众所周知,气候条件对于农业的起源具有直接的影响,这意味着原始农业一定首先发生在寒暑季节变化分明的纬度地区,而在这样的地区从事农耕生产,一年中真正适合播种和收获的时间非常有限,有时甚至只有短短几天②,显然,了解并掌握时间――农时――对农作的丰歉至为关键。因此就农业的起源而言,古人对于时间的认识已成为其不可或缺的首要前提。事实上,没有古人对时间的掌握便不会有人工栽培农业的出现,我们不能想象,一个对时间茫然无知的民族可以创造出发达的农业文明,这种情况是根本不可能发生的。而对早期先民而言,解决时间问题的唯一方法只能到天上去寻找,这个工作就是观象授时。显然,原始农业时间服务的需要促使天文学最早发展了起来。
为解决农业生产所遇到的时间问题,粗略地仰观天象显然毫无意义,人们需要将对星象的观测尽量精确,通过了解星象的运行周期以建立时间的周期。在这个使星象观测逐渐精确化的过程中,数学知识及相应的计算工作必须被引入,从而使数学作为早期天文学不可分割的部分同时得到了发展。中国古人素以天数不分,正是基于这样的传统。
在人类创造的三大古典科学之中,天文学不仅出现最早,而且具有特殊的价值。如果说这三大古典科学构筑了人类知识体系的基础的话,那么天文学则不仅是这一知识体系的核心,而且更成为古代制度与思想之渊薮。尽管探索天象的初衷只是为农业生产提供准确的时间服务,但随着人类文明的进步,天文学则对中国古代文明与传统文化的形成产生了深刻影响。具体地说,天文学不仅是古人赖以建立时空体系的重要手段,而且直接促进了传统政治观、宗教观、祭祀观、礼仪制度、哲学观与科学观的形成,这些观念在构建中国传统文化核心内涵的同时,也形成了独具特色的传统字宙观,体现了古人对于天、地、人相互关系的深刻思考。这意味着如果我们探求中国文化,就不能不首先研究作为这一文化背景的天文学及字宙观。事实上,如果我们不了解古代的天文学以及相应的宇宙观,我们就无法从根本上把握文明诞生和发展的脉络。显然,天文学作为中国传统文明之源的事实相当清楚。
一、“文明”考原
何谓文明,澄清这一问题对正确认识中国文化及字宙观非常重要。文明的诞生源自先民对于天人关系的独特理解,体现了天文作为文明之源的固有思考。《易・乾・文言》云:
见龙在田,天下文明。
“见龙在田”为《乾》卦之九二爻辞。孔颖达《正义》:“阳气在田,始生万物,故天下有文章而光明也。”龙本为上古时代观象授时的重要星象,其由二十八宿东宫七宿中的六宿所组成。每当黄昏日没后苍龙之角宿初现于东方的时候,这一天象便被称为“见龙在田”。古人又以东方属阳,故龙星自东方地平线上升起的天象也就是所谓“阳气在田”,而传统则以阳气主生,所以初民根据龙星东升天象的观测以行农事,便会“始生万物”而享有丰年,终致天下有文章而光明。很明显,天文作为文明之源的思想于此表述得清楚而明确。
“天下有文章而光明”的思想,其本质所强调的实为人文之彰著,这里的“文”也就是“文明”之“文”。先民对于“文”的推崇反映了一种根深蒂固的文化思考与文明传统。商周古文字的“文”本作,象人形而特彰明其心,所以“文”的原始内涵实相对于“质”,如果说“质”的思想乃在表现人天生所具有的动物的本能,那么“文”显然已是经德养之后所表现的文雅,这种通过内心修养所获得的文雅自然是对初民本能之质的修饰,这种修养的文雅由内而外,以德容的形式彰显出来,这便是古人所称的“文明”的本义。
传统的文明观念其实体现的是初民经过内心的德行修养而表现出的文德,从而将人从以质为本能的动物世界中分离出来的精神追求,所以“文明”之“文”的义涵就是文德。这种文质思想后来被儒家哲学所继承,而在传统的礼仪制度中则更多地以文武的思想加以阐释。当然,不论文、质相对还是文、武相对,“文”所具有的文德的本义都是明确的。
文德修养不足,自然不可能彰明显著,于是文德之修养又关系到另一个重要观念――郁。“文明”之“文”于《说文》别作两字,一作“文”,训为错画;一作“踅”,训为碱。许慎的这种做法实不可取,“文”训错画实际乃是其本引申。显然,“文”、“踅”本为一字,唯作“文”。春秋以前的古文字有“文”而无“ā保知“ā弊治后起,是为明证。《说文・有部》:“磁,有文章也。从有,或声。”段注本改“文章”作“踅彰”,并云:哺戒古多隈或字为之。或者戒之隶变。今本《论语》‘郁郁乎文哉’,古多作或或。是以苟或字文若,《宋书》王或字景文。《大戴・公冠篇》‘遵并大道邻或’,郐或即彬或,谓彬彬或或也。《小雅》‘黍稷或或’,《传》云:‘或或,茂盛兑。’即有踅彰之义之引申也”。“碱”今通作“郁”,其本义即为文德彰明。《论语・八佾》引孔子曰:“周监于二代,郁郁乎文哉!吾从周。”既见文盛德厚则可彰明的思想。《礼记・表记》引孔子曰:“虞、夏之质,殷、周之文,至矣。虞、夏之文不胜其质,殷、周之质不胜其文。”朱彬《训纂》引方性夫曰:“加乎虞、夏之质,则为上古之洪荒;加乎殷、周之文,则为后世之虚华。”虞、夏近古,其民始修文德而未郁,故文不掩其质。
人何以需要修养文德?因为人必须要与动物相区别,这一点在后世的儒家思想中反复被强调。然而最早的文德是什么?先民根据怎样的标准建立并规范人类的文德?他们又从观象授时的活动中体会出怎样的朴素德行的认知呢?这些思考充分体现了古人对于天人关系的理解。
观象授时的活动使先民首先完成了对时间与空间的规划,而人们对时间的认识则是通过对主授农时的标准星象的运行变化实现的,这个标准星象就是东宫苍龙星象以及位于其中心部位的大火。初民视龙星及大火之昏见以建时,久之而不爽,从而形成时间为信的思想,并由此产生了以信为德的观念。《礼记・乐记》:“天则不言而信。”即此之谓。显然,诚信思想是先民从对时间的观测与规划中感悟并懂得的,人们与时间虽无约守,但其每每如期而至,从无差误,初民据此指导农业生产,致屡获丰稔,故时间便具有了诚信不欺的鲜明特点。郭店楚竹书《忠信之道》云:“至信如时,必至而不结。”讲的就是这个道理。先民以测影计时之圭为瑞信之物,也体现了同样的思考。而古代盟誓将约守诚信之盟辞书写于玉圭,或又以圭臬赠与妇人以显妇德之忠信,也都是这一思想的反映。事实上,西周金文所见时人之道德观正体现为信与孝,而信更是构建孝信之德的基础。事实上,在原始思维的背景下,“至信如时”的思想必然蕴育出时间乃由神灵所司掌的朴素认识,而由此产生的信的本质内涵也一定体现为人神之间的诚信约守。显然,信的思想不仅源于远古的观象授时活动,而且集中体现了中国传统道德观的核心价值。这便是“见龙在田”与“天下文明”所呈现的因果脉络。
以信实为德而构成文明的本质内涵,这种思想在早期文献中反映得非常清楚。《尚书・舜典》云:
日若稽古帝舜,日重华,协于帝。溶哲文明,温恭允塞。玄德升闻,乃命以位。
伪孔《传》:“溶,深;哲,智。舜有深智,文明温恭之德,信允塞上下。”孔颖达《正义》:“舜有深智,言其智之深,所知不浅近也。经纬天地日文,照临四方日明。既有深远之智,又有文明温恭之德,信能充实上下也。”所论未逮本义。实“温恭允塞”四字同在阐释文明之德的基本内涵。“温”,德容也。《诗・秦风・小戎》:“言念君子,温其如玉。”《论语・季氏》:“君子有九思,……色思温。”是以“温”即德容,其犹《诗》以修德之善之作称“颂”,“颂”也德容之谓。“恭”,敬肃也。《礼记・曲礼上》:“是以君子恭敬撙节退让以明礼。”孔颖达《正义》引何胤日:“在貌为恭,在心为敬。”“允”,诚信也。《尚书・尧典》:“允恭克让。”伪孔《传》:“允,信也。”伪《古文尚书・太甲上》:“克终允德。”蔡沈《集传》:“允,信也。”《左传・文公十八年》:“明允笃诚。”杜预《集解》:“允,信也。”“塞”,诚实也。《诗・邶风・燕燕》:“仲氏任只,其心塞渊。”孔颖达《正义》:“其心诚实而深远。”《孟子・公孙丑上》:“以直养而无害,则塞于天地之间。”《诗・大雅・常武》:“王猫允塞。”郑玄《笺》:“允,信也。尚守信自实满。”王先谦《诗三家义集疏》:“言王道诚信充实。”知经文实言舜有温恭允塞之德。《尚书・皋陶谟》论九德而有“愿而恭,直而温,刚而塞”,伪孔《传》解云“憨愿而恭恪,行正直而气温和,刚断而实塞”,实“塞”即“允塞”,乃言诚实。此与《舜典》所论正合。
德的观念的产生源自于观象,这一思想根深蒂固。《易・大有・彖》云
其德刚健而文明,应乎天而时行,是以元亨。
又《象》云:
火在天上,大有,君子以遏恶扬善,顺天休命。
王弼《注》:“德应于天则行,不失时矣。”尚不失本义。文明来源于古人对天象的掌握,观象以知时,则文德渐成。天行健而不止,故德刚健而不息,其文彰著,遂有享大祀――元亨――之位。“火在天上”之“火”即为大火星,乃位于苍龙星象中心的授时主星心宿二。古人观火星以授时而“大有”,“其德刚健而文明”亦“大有”而享祀,皆所谓“顺天休命”,故上九爻辞言“白天祜之”。文明源白天文,于此表述得同样明晰。
人类以修养文德而彰明,而社会则得有制度的建设而彰明,事实上,文德与制度的形成皆有赖于一个根本工作,这就是观象授时。“见龙在田”所呈现的是苍龙星象的起始宿角宿昏见于东方地平之上的天象,这既是新的农作周期开始的标志,当然也体现着先民对于空间与时间的规划。事实上,人类知识体系的形成是从他们对空间与时间有意识地规划开始的,而在时空体系完善的基础之上,一切人文制度及形上思想才可能最终建立。《礼记・大传》云:
立权度量,考文章,改正朔,易服色,殊徽号,异器械,别衣服。此其所得与民变革者也。
郑玄《注》:“文章,礼法也。”即以“文章”所言为礼仪制度。《左传・隐公五年》云:
昭文章,明贵贱,辨等列,顺少长,习威仪也。
杜预《集解》谓“文章”日:“车服旌旗。”皆以文章为礼仪典章,其属人文制度自明。人文制度包括一系列的礼乐制度与典章制度,这不仅是人类社会区别于动物世界的重要标志,而且也同德行观念的推行一样,是维系社会正常秩序的根本保证,故光大昭明,可见其与野蛮的不同。
毋庸置疑,中国古人对文明的阐释充分体现了中国文化的独有特点,其所强调的其实是“文”字所具有的形上思想与制度义涵,而相关思想与制度的形成则直接导源于观象授时以及先民对于天人关系的思考。物质的创造尽管可以满足先民生活的需要,但以器载道,借器物以完成思想的表达及制度的昭明才是他们追求的根本目的。很明显,基于天文作为文明之源的事实,对于早期文明与文明史的研究而言,仅仅关注物质文明而忽略上古形上思想与礼仪制度的探索是极不全面的,忽略对上古天文学与字宇宙观的探索同样也难中肯綮。
二、“文化”考原
中国古代天文与人文的关系问题始终是中国文化的根本问题,先民对这一问题的思考和论述精审而深刻。《易・责・彖》云:
刚柔交错,天文也。文明以止,人文也。关乎天文,以察时变。关乎人文,以化成天下。
王弼《注》:“观天之文则时变可知也,观人之文则化成可为也。”“文明”之“文”所体现的由人之心斋而致文雅,到社会制度的完善而有秩序,都呈现出郁郁乎文的彰著。这使“文”具有了碱文的本训。人有文德则德容昭显,其犹以文绘饰之而掩其质:社会有制度礼仪则秩序井然,其犹以文绘饰而掩其野。故“文”又引申有错画之训,此即《彖传》所谓“天文”、“人文”之义。对天之绘饰错画即为天文,其本指天上由不同星辰所组成的图像:而对人类社会之绘饰错画则为人文,所指乃人之形上思想与社会制度。孔颖达《正义》:“言圣人观察人文,则《诗》、《书》、《礼》、《乐》之谓,当法此教而化成天下也。”所论虽不全面,然尚得人文之旨。
“刚柔交错”意即阴阳迭运,其所描述的是天文星象的回天变化。星象之运行时刻在变,或东升西落,或天渊两别,这种星象运行的位置变化不仅可以象征阴阳的变化,同时更预示着时间的变化。古人以“刚柔”表述阴阳,既有时间的意义,也有空间的意义,而天象的特征乃在于变,这一点恰好可以借助阴阳思想而加以表现。故先民观测天象,其目的即重在掌握其变化规律,唯知其变,时间系统才可能建立。而与随时变化的天象不同,“文明以止”之“止”则在强调思想与制度的相对不变。如果说变是天象的基本特征,那么因人文制度与思想观念重在传承,其所表现的必然是恒守不移的不变传统。因此对于制度与思想而言,古人更怕其变,而希望其不变,如此才能完成对人类创造的一切知识、思想与制度的有序继承。天文不变则无以知时,人文若变则无以成传统。《易传》以变与不变的对比,准确地阐释了天文与人文的本质特征,这对客观理解上古文明是极为重要的。显然,先民求天文之变以建立时间,求人文之不变以形成传统,这些思想既体现了天文作为文明之源的思考,也揭示了天文与人文的本质内涵。
源于天文的人文制度与思想的形成,由于其内涵不同于天文所具有的时间意义,而重在强调人及社会之郁文,因此其作用则在于“化成天下”。这里的“化”意即以文明或人文教化,实际也就是以文治化,这当然涉及了古人对“文化”的理解。
是故先王之制礼乐也,非以极口腹耳目之欲也,将以教民平好恶而反人道之正也。……是故君子反情以和其志,比类以成其行。轰声乱色不留聪明,乐慝礼不接心术,惰慢邪辟之气不设于身体,使耳目鼻口心知百体皆由顺正以行其义。
即在强调人之身体与思想都须以顺正之方向行乎道德,这便是“化”字以正人之象以喻德化的本旨。《荀子・正论》:“尧、舜,至天下之善教化者也,南面而听天下,生民之属莫不振动从服以化顺之。”同样表达了教化以顺正的思想。德化实在于端正人心,端正之心即为化成以正人。故“化”字所体现的文治教化的本义极为鲜明。而《易传》以人文化成天下,表述的正是这一思想。
准此可知,古人所谓之文化同文明一样,也不是指人类技术的进步与物质的丰足,而在强调文德教化之尚德追求。《说苑・指武》:“圣人之治天下也,先文德而后武力。凡武之兴,为不服也,文化不改,然后加诛。夫下愚不移,纯德之所不能化,而后武力加焉。”所言“文化”本即以文德教化为义甚明。《文选・束广微补亡诗由仪》:“文化内辑,武功外悠。”李善《注》:“言以文化辑和于内,用武德加于外远也。”其以文化与武功相对,以文德与武德并举,以内和以外远互称,皆明文化本即以文德治化于心,此文明、文治之谓也。
三、中国原始文明的基本内涵
中国的传统文明体现着一种独具特色的字宙观。我们所说的广义的宇宙观是指中国古代先民对于天、地、人之间相互关系的独特思考,这种思考虽然源出于一种最朴素的观象活动,但却是以古人对于时空的规划、政治制度与宗教观念的形成、祭祀及典章制度的完善,以及哲学思辨与科学证认的形式呈现的,显示出天文对于人文的深刻影响。
东西方文明的本质差异即在于两种字宙观的不同。中国传统的字宙观博大而包容,和而不同,这个特点不仅来自于古人对于天人关系的认识,而且也造就了独具特色的传统文明。很明显,对中国上古文明的研究不可以抛弃其赖以建立的宇宙观背景。
中国原始文明的诞生是从初民有意识地对空间与时间的规划开始的,事实上在他们创造出独具特色的时空知识体系的同时,也完成了对时空关系的思考,而时空体系的建立以及时空关系的思考都必须基于相应的天文观测才可能完成。中国传统的时空关系表现为空间决定时间,这不仅意味着辨方正位成为一切用事的基础,从而决定了古人对于子午线的重视以及诸如都邑、茔域等的方正布局,而且对于传统文化中有关时空问题的理解,也都需要首先建立这种时空关系的背景。先民通过对时空的规划建立起一整套有关空间、时间的基本概念及表现形式,而且将时空体系与阴阳哲学彼此结合,建构了独具特色的文化传统。
阴阳的思辨虽然是对万物生养原因的哲学解释,但其本质却同观象授时的工作一样重在祈生,这使以观象为基础的时间体系成为表述阴阳的最理想的形式,从而形成传统的阴阳合历以及以阴阳为核心的时空传统与原始宗教传统。
空间方位的精确辨正显然得益于染表的发明,这种天文仪器的出现成为天文观测精确化的必然结果。在中国传统的五方观念中,中的位置不仅是立表的位置,而且在早期文明社会,立表的活动由于被统治者所垄断,从而导致时空体系、政治制度与宗教思想的结合,使居中而治的传统政治观逐渐形成。
上古王权的基础当然在于对观象授时的掌握,由此则逐渐发展出君权天授的政治思想。因此根据传统的政治观,人君治民实受天命而为,故其配帝在下,所居之位也必依近于天。《逸周书・度邑》言武王治民作邑“其惟依天”,何尊谓武王定天保而直告于天,且宅中域以义民,都体现了这一根本思想⑨。古人以为,授命之帝居于天之中央――北极,则人王若要依天而立政,就必须居于地之中央。故王庭的选建首先就要解决以圭表求测地中的问题⑩,从而形成以地中为中心的中域、中土、中国、中原的政治地理概念,以及相应的居中而治的传统政治观。《论语・尧日》:“天之历数在尔躬,允执其中。”即是这种观念的反映。
王庭选建于天地之中意味着建筑于观象授时基础上的政教合一的王权具有了政治和宗教上的合法性,所以,居于中央的王庭对四方的统治必须通过于王庭所在的内服周围分封诸侯而实现。外服诸侯所建立的实体为“国”,而由王庭及其所统御的侯国所形成的内外服政治实体则称为“邦”,国对于中央王庭首先具有的就是拱卫的义务,同时通过贡纳的形式以表现其对王庭的臣服。西周大盂鼎称武王嗣文王之业而“作邦”,即此之谓。而外服侯国以外的“方”则对王庭时叛时服,所以王所巡守之邦本及四国――四方之诸侯国,形成早期家天下王朝的基本政治格局。而王更以耀德使四方荒服之“方”归附宾服,形成更广大的内外服政治实体。西周昭王世之作册令方彝铭云周舍命于“三事四方”,即是这种政治格局的真实反映。
由立表测影而产生的“中”的观念事实上包括三方面的内涵。其一,因立表测定空间方位所获得的“中”具有“中央”的内涵,这是居中而治的传统政治观的基础,对中国传统政治制度及都邑制度的形成具有深刻的影响。其二,立表测影的工作必须以校正表的垂直为前提,由此获得的“中”则具有“中正”的内涵,从而直接影响着“中庸”哲学观的形成。其三,表所居的位置在中央,其又以中正的状态呈现,这个位置显然是最为和谐且不偏不倚的,由此又引申出“中和”的内涵,从而使“中”最终具有了阴阳哲学的义涵。
由于观象授时的工作始终为统治者所垄断,这使天文学从其诞生的那天起即具有了强烈的政治倾向。很明显,在生产力水平相当低下的远古社会,如果有人通过自己的智慧与实践掌握了在多数人看来神秘莫测的天象规律,并通过敬授人时维系着氏族的生存,那么这种知识本身也就具有了权力的意义。事实上,当观象授时作为王权政治的基础存在的时候,人王的权力源于天授的认知便自然产生了。基于这样的认知,至上神上帝开始被创造,帝廷组织得以建构,帝与人王的直接血缘关系得到确认,以祖配天的观念由此形成,进而对天地、天象、祖先、社稷的祭祀及相应的典章制度与礼器制度,以及有关阴阳、刑德的哲学思考相伴而出现。不仅如此,政治观的形成必须创造出王权的象征形象,而龙星以其授时主星的地位具有了这种资格。畿服的规划与王庭的建制必须体现出尊卑的差异,古人对于时空的认识最终解决了这个问题。人居于天地之间如何才能合于天地之道而永续恒久,这种思考使先民选择了顺时施政的用事法则。而宗教观的建立则又需要首先确定上帝的居所以及帝与人王的关系,于是有关天极、极星、璇玑的认识相继完成,而在确立帝作为天子嫡系祖先的同时,也创造出了帝的世俗形象。显然,天文学不仅导致了君权神授、天命观念的形成,而且直接关系到原始宗教观、古代祭祀制度及礼仪制度的建立。而就古典哲学而言,如果说儒家哲学的天命、中庸、道德等核心思想乃是对传统宇宙观的继承的话,那么道家的思辨哲学简直就是借助天文学的研究完成的⑩。
美国宇航员带来最新的好消息是,发现了大小与地球相似的星球围着一颗与太阳相似的大星球运转。而且,一下发现了两颗!这两颗星球被称为Kepler20f和20e,近距离围着它们的太阳运转,星球表面温度可能高达800摄氏度。这个发现是朝搜寻能支持生命的星球迈出的重要一步,因为类似太阳系地球围绕太阳运转的星系现在已经被证明是存在的。
毕竟地球不过是普普通通的一颗行星,围绕着太阳这颗普普通通的恒星运转,而宇宙又是如此浩瀚―像太阳一样的恒星仅银河系中就有上千亿颗,更不用说银河系这样的星系在宇宙中还有上千亿个了。如果只有地球存在文明,那未免也太浪费了。
监听外星人
那么,宇宙中到底存在多少外星文明?1961年,美国天文学家弗兰克・德雷克提出了一个后来以他名字命名的公式,试图估算银河系内掌握无线电技术的外星文明的数量。按照他的公式,有能力与我们进行星际通讯的外星文明的数量跟诸多不确定因素有关,包括银河系里恒星的数目、恒星拥有行星的概率、行星适宜生命生存的概率、宜居行星上诞生生命的概率、生命演化出智慧的概率、智慧生命发展出无线电通讯的概率,以及这样的文明向外发出可探测电波的平均时间。
之所以强调“掌握无线电技术”,不光是因为当时这是人类掌握的速度最快的星际信息传递方式(其实现在也仍是如此),更是因为德雷克提出这一公式的初衷:不是为了纯粹从理论上估算外星文明的数量,而是要实实在在地为寻找外星文明的首次尝试提供一个具体的目标。就在提出这一公式的一年之前,德雷克利用美国绿岸天文台巨大的射电望远镜(本质上就是无线电天线),尝试在其他恒星周围搜寻智慧生命发出的无线电信号,史称“奥兹玛”计划。
德雷克的“奥兹玛”计划没有收到任何来自外星人的信号,但搜寻地外智慧文明的SETI计划却由此铺开,时断时续一直持续至今。如今,五十多年过去了,SETI计划仍然一无所获。德雷克本人对此并未灰心丧气,因为在他看来,尚未截获外星人“电报”是正常的,我们监听的恒星还不够多!
根据德雷克自己提出的方程式,他估计银河系内现存拥有无线电通讯能力的智慧文明大约有10000个。按照这个看似相对保守的估计,银河系内的上千亿颗恒星之中,平均每千万颗恒星才拥有一个这样的文明。换句话说,想要能够比较有把握地截获外星人发出的讯号,我们至少得扫描上千万颗恒星才行―而天文学家迄今为止监听过的恒星,还远远达不到这一数量。
不过,在2010年纪念“奥兹玛”计划50周年的仪式上,德雷克对SETI计划的未来表示乐观。天文学家监听无线电信号的技术与当年相比早已不可同日而语。在纪念仪式上,德雷克重新操作那台射电望远镜,短短数秒就重复了当年好几个月才能完成的监听。再加上计算机数据处理速度的大幅提升,从事SETI项目的天文学家预期,未来二三十年内他们监听的恒星数量就将达到千万颗量级。
因此,天文学家或许有较大把握,能够在未来二三十年内,接收到来自外星人的无线电信号,从而获得确凿的第一手证据,表明我们在宇宙中并不孤独。但也有可能,在监听了千万颗恒星之后,外星文明依旧对我们保持着可怕的无线电静默。果真如此的话, SETI计划或许就永远截获不到外星人的“电报”了。可能是我们监听的方式不对,也可能德雷克的估计太过乐观―银河系中技术文明的数量极为罕见,甚至我们真的是孤独的。
寻找“萤火虫”
事实上,德雷克估计错误的可能性相当大。他的公式刚被提出时,其中的每一个因素,确切数值几乎都无法确定,因此他的估计比凭空猜测好不了多少。不过,在五十多年后的今天,天文学家起码已经确定银河系中拥有千亿颗恒星。而现在,他们正在努力寻找太阳系外可能适宜生命生存的行星。他们的“秘密武器”,是2009年发射升空的开普勒望远镜。
我们知道,行星本身是不发光的,只能反射来自恒星的光芒,因此两者在亮度上差异悬殊。如果把恒星比作强光探照灯,行星最多只能算是萤火虫,还是紧贴在探照灯灯罩上环绕它飞行的萤火虫。于是,寻找外星文明可能落脚的行星,就类似于遥望探照灯光,去确定那里有没有萤火虫在飞舞。
显然,想用望远镜直接看到那些萤火虫是不现实的,因为萤火之光会被探照灯耀眼的光亮所淹没。不过有些时候,萤火虫也会从探照灯前方飞过,小小的身影会短暂遮挡部分探照灯的光芒。在远处观察的我们,就会发现探照灯的灯光突然暗了一下―虽然幅度极小,却足以令我们察觉到了。
行星围绕恒星公转的轨道,要比萤火虫的飞行路线规则得多,因此这样的现象会周期性出现。开普勒望远镜就是用这种方法来寻找外星行星的。自2009年升空以来,它便一刻不停地监测着大约15万颗恒星,记录它们亮度上的细微变化。如果观察到某颗恒星出现周期性的星光变暗,至少观察到4次之后,便可以确定那里存在一颗我们看不见的行星。
然而,找到了外星行星也还是不够的。行星是否适宜生命生存,要看它距离恒星是否恰到好处―距离太近,行星就会过热,水会被彻底蒸干;距离太近,行星则会太冷,水会被完全冻结。每颗恒星周围都存在这样一个既不太近,也不太远的区域,被称为“宜居带”。只有在宜居带内环绕恒星公转的行星,液态水才有机会在它的表面长期存在,类似我们这样的生命也才有机会在那里诞生、繁衍和演化。
去年12月5日,开普勒任务组宣布,他们首次在另一颗恒星的宜居带中找到了一颗行星。这颗行星被称为开普勒-22b,距离地球大约600光年,围绕母星公转一圈需要290天。它的半径仅有地球的大约2.4倍,是迄今为止在宜居带中找到的外星行星中体积最小的一颗。不过,天文学家仍然无法确定,开普勒-22b就一定适宜生命生存,因为除了到恒星的距离以外,其他因素也会影响行星是否宜居,比如行星的大小。
相对于地球而言,开普勒-22b还是稍大了一些,体积超过地球10倍以上。这么大的行星,天文学家无法确定它是否像地球一样,是一颗主要由岩石构成的固态星球。如果它更像是太阳系里的天王星和海王星,我们人类或者类似的生命便无法在那里“立足”,因为那样的星球主要由气体构成,根本不存在陆地和海洋这种概念。只有体积与地球类似,甚至更小的行星,天文学家才能断言它们是类地行星,拥有固体的表面。
就在半个月后,即12月20日,开普勒任务组再次宣布,他们找到了这样的行星,而且找到了两颗!这两颗行星围绕距离地球约950光年的同一颗恒星运转,其中开普勒-20e比金星略小,半径是地球的0.87倍,开普勒-20f则比地球略大,半径是地球的1.03倍。不过可惜的是,这两颗确凿无疑的类地行星,都不在恒星的宜居带中,不适宜我们这样的生命生存。
上帝掷骰子?
这两项发现,无论是对于开普勒望远镜来说,还是对于人类寻找外星文明的历程来讲,都具有里程碑式的意义,因为距离真正找到一颗适宜生存的类地行星似乎只有一步之遥了。不过,找到这样一颗行星并不是天文学家把开普勒望远镜送入太空的首要目的。通过对这15万颗恒星的小规模抽样调查,天文学家想弄清楚银河系中有多少恒星拥有行星,又有多少行星宜居。迄今为止,开普勒在这些恒星周围共发现2326颗疑似行星的候选者,其中有48颗可能位于“宜居带”中。尽管还有待进一步证实,但这一数字意味着,大约10%的恒星都有行星在其宜居带中环绕它们运转。换句话说,德雷克公式中的第二和第三项因素,未来几年内将被确定下来,恒星周围拥有宜居行星的概率很可能不低。
可是,如果适宜生命的环境在银河系内相当普遍,那么“他们在哪里”呢?这是诺贝尔物理学奖得主、大物理学家恩里科・费米在1950年,在德雷克启动外星文明搜寻计划的10年之前,就提出的一个问题。他问的,不是地球以外生命存在于何处,而是外星智慧生命为何没有造访过地球―或者说,为什么我们找不到他们来过地球的可靠证据。
毕竟,就算以人类目前慢如蜗牛的飞行速度展开宇宙大航海时代,也只需要500万到5000万年就能殖民整个银河系。虽然看似漫长,但跟宇宙上百亿年的历史相比,这不过是转瞬之间。更何况,人类文明短短几千年就发展到如今这个地步,如果有智慧文明在技术上领先我们上万乃至上亿年,他们为什么还没有占领我们的地球呢?
这个问题的答案,可能就隐藏在德雷克公式的后一半因素之中―即使环境适宜,生命的诞生也堪称奇迹;即使生命出现,演化出智慧或许也极为罕见;即使智慧出现,发展出技术文明的或许也只有凤毛麟角;又或许,技术文明并不罕见,但它们都如昙花一现,没能存活多久便烟消云散了。
对于这些因素,科学家仍摆脱不了“基本靠蒙”的尴尬境地。但对于外星文明的搜寻、对于太阳系外宜居类地行星的探索,能让我们更清楚地认识到,人类文明的出现即使是在浩瀚的宇宙之中,可能也是一个并不多见的奇迹。我们或许终将找到外星文明,或者证明自己确实是孤独的―如果在此之前,人类文明还没来得及消亡的话。
时空,时间与空间的简略集合名词。是力学、物理学、天文学和哲学的基本概念。
在力学和物理学中,这些概念是从对物体及其运动和相互作用的测量和描述中抽象出来的;涉及物体及运动和相互作用的广延性和持续性。
哲学上,空间和时间的依存关系表达着事物的演化秩序。涉及的发散性概念有周易里的“乾坤”,道家的“道”以及孔孟之道的大成智慧。
(来源:文章屋网 )