天文学的概念精选(九篇)

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第1篇：天文学的概念范文

Electronic Imaging in

Astronomy

2009

Hardcover

ISBN 9783540765820

Ian S. Mclean著

现代天文学非常依赖于对宇宙中微弱光信号的观测和解释。1970年贝尔实验室首次发表了电荷耦合器件(CCD)的概念,天文学家看到了CCD对天文观测的重要性,于是主动参与或支持专为天文设计的CCD 芯片研制。时至今日,CCD 芯片已经广泛用在天文台上,专业的天文CCD芯片已近乎完美。

本书讲述了近年来在天文观测上取得的巨大发展成就。从1970年的CCD到当前超大望远镜时代,内容涉及了整个光谱范围内获得天文图像的主要方法和技术。并使用CCD的发展过程将一系列天文学上的电子成像技术及方法联系起来。

全书共14章,1.天文学中电子成像及其发展历史;2.如何克服大气层影响及自适应光学的应用;3.介绍了天文望远镜以及目前最新的超大天文望远镜技术;4.阐述了天文观测仪在天文发现上发挥的重大作用,同时说明分光仪和摄影机的工作原理;5.描述了天文学上观测仪的分类,并介绍了半导体;6.进一步地讲述了天文观测仪的设计和建造。7-8.分别描述了CCD的工作原理和实际运作;9.描述了绝大多数电子成像仪器的校正问题,介绍了平场、信噪比等概念;10.介绍了图像处理和分析技术。接下来几章使用CCD的发展历程把各个波长下的电子成像技术联系了起来;11.红外波长下的电子成像;12.紫外波长、x射线及γ射线波长下的电子成像。13.亚毫米波和无线电波长下的电子成像。14.对未来的天文观测做了展望,描述了新的天文观测仪的应用前景。

本书作者麦克莱恩教授是将电子成像系统应用到先进天文观测仪中的世界性权威专家之一。他1974年在英国格拉斯哥大学获得天文学博士学位。在爱丁堡皇家天文台工作的十年间他开发了第一个基于CCD成像的分光偏振仪。他在凯克天文台任职的10年间,也多次研制具有开创性的天文仪器。

本书讲述了一系列基本的天文观测技术和方法。使用详细的案例研究重点阐述了摄影机、光谱仪、望远镜等天文观测仪的工作原理和技术。适合光电专业读者及对现代观测天文学感兴趣的高年级大学生和研究生阅读。

张永杰,博士生

(中国科学院力学研究所)

第2篇：天文学的概念范文

（公元1686年～1734年）建造了目视天文观测时代的最后一批重要天文台。其中德里和斋浦尔的两座至今存留，每年都吸引着大批的游客。

在印度，现代天文台最初出现于英国殖民统冶时期。因发展星等概念和相关测量法而名留史册的Norman Pogson，曾于1860年～1891年在印度的马德拉斯天文台工作。1868年8月18日，在南印度发生了一场日全食。当时，Pogson在观测中发现了一条属于某种未知元素的光谱谱线，后来这种元素被命名为氦。另两位来印度观测这次日食的天文学家Janssen和Lockyer，也对这一发现表示认可。1899年在科代卡那（Kodaikanal，位于印度南部的泰米尔邦。——译者注）建立了一座当时最先进的太阳天文台。1909年，曾任台长的John EveFshed在这里发现了太阳黑子的Evorshed效应。

在天体物理学作为一门新兴学科刚刚出现时，一个印度人——M·N·Saha——做出了一项里程碑式的巨大贡献。1920年，他明确提出了Saha电离方程，并将其用于解释恒星光谱。在广义相对论被认为超越了物理学主流的年代里，在印度确立了这个新领域中的一个传统研究领域。1943年，P·C·Vaidya对辐射的恒星提出了Vaidya度量；而到了1955年，A·K·Rayehaudhuri又提出了Rayehaudhuri方程，几年后，这个方程成为了证明奇点定理的关键工具。

1947年印度独立，此后四分之一个世纪里，建立了一些以天体物理学为主要研究领域的科研机构。几名在海外接受教育的印度科学家回到国内，成为了发展新的天体物理学研究队伍的领军人物。M·K·V Bappu在班加罗尔建立了印度天体物理学研究所，科代卡那天文台如今成为了该所的一个组成部分。在孟买的塔塔基础领域研究所（Tata Institute of Fundamental Research）里，射电天文和理论天体物理的研究团组在G·Swarup和J·V·Narlikar的领导下日益壮大。1969年，这里的射电天文组建造了Ooty射电望远镜。在班加罗尔的拉曼研究所，在V·Radhakrishnan领导下，也建立了一个重要的天体物理学团队。

现在，除了遍布印度各地的研究机构中的规模不断变化的天体物理学研究团组外，在印度还有两个完全致力于天体物理学的主要研究机构——班加罗尔的印度天体物理学研究所和浦那的印度各大学联合天文学与天体物理学中心。在印度各地，还在不断兴建天文学观测设备。在本文中，我们只能提及最大的射电天文设备和光学观测设备。浦那附近的巨型米波射电望远镜拥有30架口径45米的天线，是米波波段的世界最大的望远镜，由塔塔基础领域研究所的印度国家射电天体物理学中心负责管理。喜马拉雅钱德拉望远镜是一台2米口径的光学望远镜，位于喜马拉雅山区的Hanle村，海拔高度约4300米，是世界上最优良的观测点之一。在不久的将来，印度也将在空间天文学领域取得迅速发展。印度的第一颗专门的天文卫星Astrosat预计将于2013年发射，它将进行多波段观测。

第3篇：天文学的概念范文

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.

第4篇：天文学的概念范文

1．水晶球体系的形成。

同心天球体系的概念可以追溯到古希腊的Parmenides，甚至更早的 Pythagoras。〔1〕〔2〕但真正建立起可以定量描述天体运动的体系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一个梗概，较详细的内容则见于公元六世纪时Simplicius对亚里士多德(Aristotle)《论天》一书所作的注释中。Eudoxus采用一套以地球为中心的同心球组，通过各球转轴的不同取向以及转速(皆匀速)和转向的不同组合来描述天体视运动。这一体系的建立在小轮理论的奠基人Apollonius之前百余年，比托勒密(Ptolemy)早四个世纪以上。后来小轮理论大行于世，Eudoxus体系遂湮没无闻。直到十九世纪才有Schiaparelli作了系统研究〔3〕，发现Eudoxus体系已能描述行星的顺、留、逆等视运动，其中对土星、木星很成功，水星亦尚可，金星很差，火星则完全失败。有的学者持论稍严，认为只有土、木令人满意。〔4〕

Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般认为他只是用几何方法来表示和计算天象，不过这个结论是从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对Eudoxus体系作过一些改进，而Aristotle在两人工作的基础上建立了水晶球体系。他的发展大致可归结为三方面：

首先，他把Eudoxus假想的球层变为实体，并认为诸球层皆由不生不灭、完全透明、硬不可人的物质构成，水晶球之名即由此而来。日月行星和恒星则附着于各自的球层上被携带着运转，整个宇宙是有限而封闭的，月球轨道以上的部分万古不变。这意味着新星爆发、彗星、流星等天象只能是大气层中的现象。

第二，Aristotle把Eudoxus原来各自独立转动的诸球变成一个整体，其转动皆由最外层的天球传递下来。不过我们发现，在Aristotle原著中并没有宗动天这一球层。他的安排是：“第一天为恒星天……恒星天为总动天”，并阐述说：“第一原理或基本实是创作第一级单纯永恒运动，而自己绝不运动，也不附带地运动。……又因为我们见到了所说不动原始本体所创作的宇宙单纯空间运动以外，还有其他空间运动——如行星运动——那也是永恒的。”〔5〕这段话并不难理解，“不动原始本体所创作的宇宙单纯空间运动”即指恒星天球的周日运动，由此带动其他天球运动。可见恒星天球之上的宗动天当是后人所加，这一点值得注意。

第三，由于各天球不再是独立转动，他不得不引入一系列“平衡天球”来抵消上一层天球的运动，“而使每一天球下层诸行星得以回复其位置”〔6〕。不过平衡天球为何能反转，他未说明。

2．托勒密与水晶球体系。

把托勒密(Ptolemy)的名字和水晶球体系连在一起，这在国内外著作中都很常见，但这样做是有问题的。在《至大论》中，我们没有发现任何水晶球的观念。他在全书一开头就表示他的研究将用几何表示(geometrical demonstrations)之法进行。在开始讨论行星运动时他说得更明白：“我们的问题是表示五大行星和日、月的所有视差数——用规则的圆周运动所生成。”〔7〕他把本轮、偏心圆等视为几何表示，或称为“圆周假说的方式”。显然，他心目中并无任何实体天球，而只是一些假想的空中轨迹。

Ptolemy另一部著作《行星假说》在希腊文手稿中仅保存下前一部分，但在九世纪的阿拉伯译本中却有全璧。阿文本中的后一部分通常被称为“假说Ⅱ”。其中出现了许多实体的球，但又与Aristole的体系不同。这里每个天体有自己的一个厚球层，各厚层之间又有“以太壳层”(ether shell)，厚层中则是实体的偏心薄球壳，天体即附于其上。这里的偏心球壳实际上起了《至大论》中本轮的作用。〔8〕不过“假说Ⅱ”在欧洲失传已久，阿文译本直到1967年才首次出版；况且其中虽有实体球壳，但与水晶球体系大不相同，因此Ptolemy的名字何以会与水晶球体系连在一起，和“假说Ⅱ”并无直接关系。其原因应该另外寻找。

然而，“假说Ⅱ”对中世纪阿拉伯天文学的影响却不容忽视。阿拉伯天文学家曾提出过许多类似水晶球的体系。比较重要的有A1 Bat-tani，他主张Aristotle的体系。〔9〕稍后有Ibnal-Haythan，他对《至大论》中的几何表示之法大为不满，试图寻求物理机制，因而主张类似“假说Ⅱ”中的体系。〔10〕Nasir ad-DinAlTusi则主张一种由许多大小不同的球相互外切或内切组成的体系，各球以不同的方向和速度旋转，他自认为这是前人未得之秘。〔11〕此外还有A1Kazwini、Abu’l Faraj和Al Jagmini等，都详细讨论过水晶球体系。

“假说Ⅱ”既与《至大论》大异其趣，偏偏又只保存在阿拉伯译本中，而类似的体系在阿拉伯天文学中又如此流行，因此有人怀疑“假说Ⅱ”中可能杂有阿拉伯天文学家的工作。〔12〕这是有道理的。

3．水晶球体系成为教条。

水晶球体系所以会成为教会钦定的教条，主要和Albertus Magnus及T．Aquinas师徒两人的工作有关。Albertus以Aristotle庞大的哲学体系为基础，创立丁经院哲学体系。〔13〕Aquinas则几乎把Aristotle学说全盘与神学相结合。他也写了一部对《论天》的注释，巧妙地将Aristotle的天文学说与《圣经》一致起来。〔14〕并特别引用Ptolemy的著作来证明地心和地静之说。〔15〕

这里必须强调指出，Aristotle的学说直到13世纪初仍被教会视为异端，多次下令禁止在大学里讲授。此后情况才逐渐改变〔16〕〔17〕，1323年教皇宣布Aquinas为“圣徒”，标志着他的学说得到了教会官方的认可，这也正是Aristotle学说——包括水晶球体系在内——成为钦定之时。这一点在许多哲学史著作中都是很清楚的，但在科学史论著中却广泛流行着“亚里士多德和托勒密僵硬的同心水晶球概念，曾束缚欧洲天文学思想一千多年”〔18〕之类的说法，而且递相祖述，这种说法有两方面的问题。

首先，在13世纪之前Aristotle和Ptolemy的学说与其他古希腊学说一样，在欧洲还鲜有人知，根本谈不到“束缚”欧洲的天文学思想。即使从14世纪获得钦定地位算起，能起束缚作用的时间也不到四百年。其次，水晶球体系是Aristotle的学说，虽然Aquinas兼采了Ptolemy的著作，但若因此就把水晶球的账摊一份(甚至全部)到Ptolemy头上，至少是过于简单化了。特别是在科学史论著中，更以区分清楚为妥。

事实上水晶球体系与Ptolemy的几何表示是难以相洽的。前者天球层层相接，毫无间隙；而后者是天体自身运动，在空间中划出轨迹。C．Purbach在1473年已经明确指出这一点，为了调和两者，他主张一种中空的水晶球壳，其内可容纳小轮。〔19〕然而理论上的不相洽并不妨碍二者在实际上共存，天文学家可以一面在总的宇宙图式上接受水晶球体系，一面用本轮均轮体系来解决具体的天文学计算问题，这种现象在水晶哉他蔡帚钵袖抛春少前相当普谝。

二 几位著名近代天文学家对水晶球体系的态度

1．哥白尼在这个问题上的态度。

最近有人提出，哥白尼(Copernicus)主张以太阳为中心的—同心水晶球体系。不仅各行星皆由实体天球携载，而且诸天球层层相接，充满行星际空间〔20〕，理由是Copernicus那张著名的宇宙模式图〔21〕多了一个环。我们认为这一说法未免穿凿附会，很难成立。理由有四：

①由于行星与太阳的距离有一个变动范围，因此图中两环之间的空间完全可以理解为行星的活动范围；又因该图只是示意图，也就没有必要给出精确的比例。②如果对图的解释有歧义，那显然原书的文字论述更重要，但Copernicus在这一章中根本未谈到过实体天球，文〔21〕全书的其他部分也没有任何这类主张。相反他一直使用“轨道”(orbital circles)一词，还谈到“金星与火星轨道之间的空间”〔22〕，这些都是与实体密接天球完全不相容的概念。Rosen也曾指出，Copernicus即使使用“sphaeta”、“orbit”等词，多数情况下也是指二维圆环，即天体的运行轨道。〔23〕③Copernicus既然主张日心地动，地球已成行星之一，那么如果设想既有公转又有自转的地球是被一个实体水晶球所携载，无论如何无法与人们的直接感觉相一致。除非认为地球及其上的万物都被“浇铸”于水晶球体之内，如同琥珀中的小虫那样才行。④Copemicus在《要释》中说得更明确：“Callipus和Eudoxus力图用同心球来解决这个问题，但他们未能解释行星的所有运动，……因此看来还是使用大多数学者最后都接受了的偏心圆和本轮体系为好。”〔24〕

2．第谷对水晶球体系的打击。

第谷(Tycho)并不主张日心地动之说，但他却给水晶球体系以致命打击。1572年超新星爆发，他用各种方法反复观测，断定该星必在恒星空间，而按水晶球体系的理论，这种现象只能出现在月球下界。不过翌年他发表其观测工作时，尚未与水晶球体系决裂。〔25〕1577年又出现大彗星，TYcho的观测无可怀疑地表明：该彗星在行星际空间，且穿行于诸行星轨道之间。于是他断然抛弃了水晶球，发表了他自己的宇宙新体系(1588)。他明确指出：“天空中确实没有任何球体。……当然，几乎所有古代和许多当今的哲学家都确切无疑地认为天由坚不可人之物造成，分为许多球层，而天体则附着其上，随这些球运转。但这种观点与事实不符。”〔26〕Tycho反对水晶球的三条主要理由后来开普勒(Kepler)曾概述如下：①彗星穿行于诸行星轨道间，故行星际空间不可能有实体天球。②如真有层层水晶球，则必有巨大折射，天象将大异于实际所见者。③火星轨道与太阳轨道相割(这是Tycho体系的特点)，表明没有实体天球。〔27〕

Tvcho对超新星和彗星的观测是那个时代对水晶球教条最有力的打击。对于其他反对理由，水晶球捍卫者皆可找到遁词，比如折射问题，可以推说天界物质未必服从地上的光学定律；火日轨道相割问题可以用否认Tycho体系的正确性来回避；对日心地动说与水晶球的不相容也可仿此处理。但对于Tycho提供的观测事实，就很难回避。S．Chiaramonti为此专门写了两部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否认Tycho的观测结果。

3。开普勒、伽里略和其他人。

开普勒(Kepler)断然否认有实体天球，并认为行星际空间“除了以太再无别物”〔28〕。伽里略(Galileo)除了嘲笑和挖苦水晶球体系的捍卫者，还力斥Chiaramonti著作之谬。〔29〕此两人皆力主日心地动之说，他们对水晶球体系的态度无疑是Copernicus学说与水晶球体系不相容的有力旁证之一。

这一时期除了上述四位最重要的天文学家外，还有不少著名人物也反对水晶球体系。T．Campanella借太阳城人之口表示“他们痛恨亚里士多德……并且根据一些反常的现象提出了许多证据来反对世界永恒存在的说法”〔30〕。C．Bruno和W．Gilbert的态度更为明确，已有人注意到了。〔31〕

三 水晶球体系在中国传播的情况

关于水晶球体系在中国的情况，李约瑟的说法影响很大。他认为“耶稣会传教士带去的世界图式是托勒密-亚里士多德的封闭的地心说；这种学说认为，宇宙是由许多以地球为中心的同心固体水晶球构咸的”，又说“存宇宙结构问题亡，传教士们硬要把一种基本上错误的图式(固体水晶球说)强加给一种基本上正确的图式(这种图式来自古宣夜说，认为星辰浮于无限的太空)”〔32〕。他的说法曾被许多文章和著作引用，但是我们不得不指出，李约瑟的说法至少不很全面。

众所周知，耶稣会土在中国所传播的西方天文学知识，主要汇集在《崇祯历书》中。这部百余卷的巨著于1634年修成之后，很快风靡了中国的天文界，成为中国天文学家研究西方天文学最重要的材料。1645年，又由清政府以《西洋新法历书》之名正式颁行。此书采用Tyeho的宇宙体系，不仅没有采用任何固体水晶球的说法，恰恰相反，它明确否定了水晶球体系： 问：古者诸家日天体为坚为实为彻照，今法火星圈割太阳之圈，得非明背昔贤之成法乎?曰：自古以来测候所急，追天为本，必所造之法与密测所得略无乖爽，乃为正法。……是以舍古从今，良非自作聪明，妄违迪哲。〔33〕

必须注意，这段论述的作者罗雅谷(Jacobus Rho)和汤若望(J．Adam Shall von Bell)皆为耶稣会士，这又从另一侧面反映出天主教会钦定的水晶球教条在当时失败的情形——连教会自己的天文学家也抛弃这个学说了。

虽然早期来华耶稣会土中利玛窦(Matthaeus Ricci)和阳玛诺(Emmanuel Diaz)两人曾在他们的宣传介绍性小册子中传播过水晶球之说〔34〕〔35〕，但其影响与《崇祯历书》相比是微不足道的。况且他们仅限于谈论宇宙图式，而这并不能解决任何具体的天文学问题，因此也不被中国天文学家所重视。

清代中国天文学家对各层天球或轨道是否为实体有过热烈讨论。王锡阐主张“若五星本天则各自为实体”〔36〕，梅文鼎则认为“故惟七政各有本天以为之带动，斯能常行于黄道而不失其恒；惟七政之在本天又能自动于本所，斯可以施诸小轮而不碍”〔37〕。这与Purbach的折衷想法颇相似。王、梅两人是否受过水晶球理论的影响，目前还缺乏足够的史料来断言。何况当时“本天”一词往往被用来指二维圆环，即天体轨道。而更多的天文学家认为连这样的二维轨道也非实体。焦循说：“可知诸论皆以实测而设之。非天之真有诸轮也。”〔38〕江永也承认非实体：“则在天虽无轮之形质，而有轮之神理，虽谓之实有焉可也。”〔39〕阮元力言实体论之谬：“此盖假设形象，以明均数之加减而已，而无识之徒……遂误认苍苍者天果有如是诸轮者，斯真大惑矣!”〔40〕盛百二也说：“旧说诸天重重包裹皆为实体，乃细测火星能割人日天，金水二星又时在日上，时在日下，使本天皆为实体，焉能出人无碍?”〔41〕值得注意的是，焦循等人皆已领悟了Ptolemy“几何表示”的思想。这一思想可以上溯到Eudoxus，而Copernicus、Tycho，直到Kepler，皆一脉相承。既然认为二维轨道也非实体，当然更不会接受三维的实体天球。事实上，几乎所有的清代天文学家都接受Tycho宇宙体系，或是经过他们自己改进的Tycho体系，而不是水晶球体系。

Eudoxus的同心球体系被认为是数学假设，其本质与后来的小轮体系并无不同，而古希腊数理天文学的传统即发端于此。Aristotle将其发展为水晶球体系，却在很大程度上出于哲学思辨。但他或许带有寻求天体运动物理机制的积极倾向，这种倾向后来一度在阿拉伯天文学中有所加强。当水晶球体系在14世纪成为教条之后，就束缚了天文学的发展，以至Galileo等人不得不付出沉重代价来冲破它。举例来说，超新星、彗星和太阳黑子，本来无论地心说还是日心说都可以接受，但在水晶球体系中就不能容忍。水晶球体系传人中国之后，如果曾起过某些作用的话，同样也是消极的。比如王锡阐，他主张天球实体论，并由此认为火星与太阳轨道相割为不可能，因而试图修改Tycho体系。如果他是受了水晶球理论的影响，那么这种影响看来只是引起了他思路的混乱，因为他对Tycho宇宙体系的修改是不成功的。〔42〕

参考文献

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

〔2〕Aristotle：《形而上学》，13页，吴寿彭译，商务印书馆，1983。

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

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

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〔21〕Copernicus，De Revolutionibus，110，GreatBooks Of the Western World．Encvclomedinritannica，(1980)，16，P．526．又，该图手稿影印件可见〔20〕，572页。

〔22〕Copernicus，〔21〕，110．

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

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〔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：《太阳城》，陈大维等译，商务印书馆，1982。

〔31〕李约瑟，〔18〕，P．647－648。

〔32〕李约瑟，〔18〕，P．643－646。

〔33〕《西洋新法历书》：五纬历指卷一。

〔34〕利玛窦：《乾坤体义》卷上。

〔35〕阳玛诺：《天问略》。

〔36〕王锡阐：《五星行度解》。

〔37〕梅文鼎：《历学疑问》卷一。

〔38〕焦循：《释轮》卷上。

〔39〕江永：《数学》卷六。

〔40〕阮元：《畴人传》卷四十六。

第5篇：天文学的概念范文

【关键词】:物理成就；科研方法；实验方法；经验积累；独立思考

中图分类号：G633 文献标识码：A 文章编号：1003-8809（2010）05-0089-01

历史上很多科学家创造了奇迹，他们除了具有渊博的理论知识外，多数会使用比较实用而奇特的研究方法。这些方法看似简单，人们却较难想到。在历史上爱因斯坦和伽利略都对物理学的发展做出过杰出的贡献，并且他们使用的科研方法也都具有突出特点。

一、爱因斯坦的科研方法及主要成就

美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人阿尔伯特爱因斯坦，在物理理论研究中有自己独到的方法，实证与思辨结合是他经常使用的方法。他在研究中尤其注重实验研究，把实验获得的经验作为他进一步研究的基础。他还特别注重在实验经验基础上的大胆思辨，他认为只有思辨才能把经验整合形成结论。狭义相对论和光量子说就是思辨与实证相结合的产物。丰富的想象力和灵感是爱因斯坦科学研究的另一特点，他偶尔使用思想实验，例如追光实验使他成功的研究出狭义相对论，升降机实验又使他获得了广义相对论的研究成果。独立思考，积极讨论使爱因斯坦的研究独具特色，在普朗克提出量子概念后，他不盲从于当时其他物理学家研究方向，经过独立思考，提出了量子理论，开辟了光的波粒二象性的研究方向。

二、伽利略的科研方法及主要成就

意大利著名数学家、天文学家、物理学家、哲学家伽利略学术思想比较活跃，他经常在各种学术活动中与持有不同观点的同事辩论。他一边学习前辈的数学与力学研究成果，一边考察工厂和作坊等军用民用工程，广泛结交社会各行各业的技术人员，帮助他们解决生产中遇到的技术难题，并且从各种技术和经验中得到启发。在此基础上，他深入系统地研究了落体运动、抛体运动、静力学、水力学以及土木建筑和军事建筑等理论；他发现了惯性原理，研制了温度计和望远镜。爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中曾经评论说：“伽利略的发现以及他所应用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”。

三、两位学者科研方法比较

1、善辩和实验研究方法的应用是他们的科研共性

对科学的兴趣、渊博知识和良好科研环境是爱因斯坦和伽利略有所成就的前提，两位科学家都具有敏捷的思维，都善于观察，善于独立思考。伽利略自幼受家庭的影响，对机械兴趣极浓。长大后他的文学与数学才华突出，经常受人赞扬，曾先后在比萨大学和帕多瓦大学任教。爱因斯坦从小就热爱科学，1905年获苏黎世大学哲学博士学位。1913年任柏林威廉皇帝物理研究所长和柏林大学教授，并当选为普鲁士科学院院士。良好的大学环境给他们提供科学研究场所，加之善辩是他们共同之处。所以他们对观察到的现象进行总结，并根据自己掌握的理论，打破常规提出自己见解，研究出很多成果。

实验方法是两位科学家获得成绩都必须使用的方法。爱因斯坦使用的实验方法是思想实验，例如对狭义相对论研究，爱因斯坦使用了实验研究方法，但此实验方法不是在实验室内完成的，而是在他的思想中完成的，他使用的是一种假想实验方法。1905年他经过10年思考和实验，终于提出了光电效应的量子化理论解释，并于1921年获得诺贝尔奖。伽利略在其他工程技术人员的研究基础上实验研究出惯性原理，从而开创了实验物理的先河。他通过对理想斜面实验研究和科学推理得出：如果摩擦力小到可以忽略时，沿斜面滚下的球，将以恒定的速度在水平面上不停向前滚动。无论小球自多高斜面滚下，无论小球滚下时速度是多少，这样的运动将永远保持下去。伽利略是第一个把实验引进力学的科学家，他利用实验和数学理论结合的方法研究出很多力学定律。

2、不同成长历程和个人的特长决定他们不同的科研方法

爱因斯坦少年时代阅读大量哲学著作，头脑中受哲学思想的影响，他认为自然界是具有统一性和规律性的。他总结出自然界万物之间都存在着内在的统一性，统一性是他推出狭义相对论的理论基础。在他的科学研究中始终贯穿统一性、简单性、相对性、对称性的指导思想。爱因斯坦的狭义相对论揭示出能量与质量之间的关系，该理论解决了长期存在的恒星能源来源的难题，近年来又被用于解释许多新出现的高能物理现象。爱因斯坦的广义相对论推出了光线弯曲现象 并且成为后来许多天文概念的理论基础。爱因斯坦对天文学最大的贡献是他的宇宙学理论。他创立了相对论宇宙学，建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型，并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念，推动了现代天文学的发展。

伽利略受罗马教皇破害，整个一生研究都投入到对哥白尼、开普勒开创的新世界观证明和宣传上，哲学是他与唯心论和教会的经院哲学作斗争的有力武器，把他受教会迫害下的牺牲作为唤起人们对日心说的理解的筹码。力学定律是伽利略的主要贡献，他发现了单摆的等时性，并证明了单摆振动的周期和摆长的平方根成正比。该定律是他利用实验和数学相结合的方法确定的。伽利略在科学实验的基础上结合数学、物理学和天文学三门知识，提高了人们对物质运动和宇宙界的认识，天文学是他利用望远镜观测天体取得的成果。他在科学研究中主张用实验来认识和证明自然规律，用实验经验来创立、扩展和补充理论知识。

结论

科学家们研究理论方向不同，往往使用科研方法也不同。爱因斯坦主要采用实验研究成果与他的自然科学唯物论相结合，形成了自己独特的科学思想和研究方法。伽利略是以系统的实验和观察结果以亚里士多德为代表的传统的自然观，开创了以实验事实为依据并具有严密逻辑体系的近代科学。但无论进行怎样的研究，无论研究领域如何，两位科学家都本着实事求是的原则，在实验基础上不断积累经验，创造出一个又一个科学成果。新的研究成果又促使更优秀的科研方法产生。所以，归根结底，任何创造都来源于实验，实验方法在科学研究中的重要地位是任何方法都无法代替的，实验是进行科学研究最重要的环节。

参考文献：

[1]陶洪．物理实验论[M]．南宁：广西教育出版社，1997.

[2]杨劲松．也谈伽利略对落体运动的研究[J]．重庆教育学院学报，2001.

第6篇：天文学的概念范文

【关键词】 毕达哥拉斯；数论；美学探微；

基金项目：江苏省教育厅高校哲学社会科学研究项目（2010SJB720001）

古希腊数学在阿那克西曼德更为抽象的思维方式影响下，逐渐从具体的感官实体世界中提升而出。毕达哥拉斯学派与古代埃及、巴比伦和其他的经验主义数学范式不同的是，开创了许多基本和重大的科学与哲学观念，将数学建立在一个不是以经验和感觉为知识判断标准，而是以推理和论证为基础的全新的概念框架之上的，赋予了外在世界某种形而上学的意义，哲学研究的范式也因此具有了革命性的转换。

一、数论思想

毕达哥拉斯约在公元前580-570年之间生于萨摩斯，公元前500年死于梅塔彭顿。毕达哥拉斯是最早提出并使用“爱智慧”即“哲学”这个名称的的人。关于毕达哥拉斯的传说很多，他的理想是要让其门徒塑造优秀的政治品德，为国家利益服务，使个人服从整体。毕达哥拉斯的父亲是个商人，在这样文化氛围的家庭中，毕达哥拉斯从小就培养起对数学的浓厚兴趣，他是集希腊理性精神与宗教精神于一身的典型代表，他所组成的毕达哥拉斯学派在古希腊影响了数百年之久。该学派在公元前5世纪末，分化为从事哲学、科学研究为主的数理学派与从事宣扬宗教神秘主义为主的信条学派，公元前1世纪融入新柏拉图主义之中。但在其流变的数百年之中，科学与哲学始终相互影响着。

毕达哥拉斯学派最初是秘密结社，其数学上的发现被视为结社的公有财产，并对外界保密。毕达哥拉斯学派“专心从事艺术和工艺，又研究音乐、医学，特别是数学。”[1]数论是毕达哥拉斯学派的核心概念，毕达哥拉斯创设了毕达哥拉斯定理，为此曾举行百牛大祭。“数学”这个词也是毕达哥拉斯学派首先采用的，他们在数学上研究发现的深度和广度，在当时世界各民族中遥遥领先。尽管他们最初的研究是从埃及和东方得到启发，但他们已将东方那种偏于实用的数学上升到抽象的普遍的定理。亚里斯多德为此总结到，他们把全部时间用在这种研究上，进而认为数学的始基就是一切存在物的始基。这种创造本身就是世界性的思维范式的根本性革命。

毕达哥拉斯学派研究数学是基于哲学的追问，当时并没有建立起一门数学学科。尽管数论是毕达哥拉斯学派的“中心思想”但它同时又是该学派追问世界的外在传达形式。毕达哥拉斯学派有条基本的原则，即数是最智慧的，和谐是最美的。事实上，对于数学而言，直到亚里士多德的时候，数学才被定义，成为一门研究数量的学科。毕达哥拉斯学派自觉地将数看作是世界的根基，即把它看作存在物的质料因，又将此描述存在物的性质和状态。由于他们在数目中间见到了各种各类和谐的特性与比例，而一切其他事物就其整个本性来说都是以数目为范型的，数目本身则先于自然中的一切其他事物。所以他们由此而推论，数目的元素就是万物的元素，整个的天是一个和谐，一个数目。毕达哥拉斯学派认为，数既具有物理意义上的实在性的存在，更具有形而上学的终极意义。毕达哥拉斯学派注意世界上形式关系的事实，他们发现量度、秩序、比例和始终一致的循环，可以用数来表示。他们由此而推断，数是万物的基质，一切其它的存在则是数的外在表现形式，数是世界的终极原因。作为非物质的事物，如正义、德性、爱情、友谊等都由数来统摄。爱情与友谊用数字“8”来表示，因为爱情与友谊如同音乐的八个音度一样是和谐的。

二、天文学信仰

第7篇：天文学的概念范文

然而在中学物理教学中我们会发现，许多学生虽能够准确地说出物理规律的内容，在解决问题时也能正确写出相关的公式，但在具体展开的过程中却无从下手，究其原因：主要是学生在学习过程中不能领会物理规律的内在含义，教师在教学过程中，也往往是过于强调规律的形式，以期通过相关习题的讲解，让学生理解和掌握物理规律的内涵，忽视了在规律教学中对应的场景和过程构建，没有挖掘其中各物理量的本真，只注重物理规律的“壳”，而忽视“壳”里的“精髓”。

新课程标准明确提出：要让学生“经历科学探究过程，认识科学探究的意义，尝试应用科学探究的方法研究物理问题，验证物理规律。通过物理概念和规律的学习过程，了解物理学的研究方法，认识物理实验、物理模型和数学工具在物理学发展过程中的作用。由此，我们可以从以下几方面来实施：

一、加强概念教学是进行规律教学的前提

如果把物理知识看成是一座大厦，物理规律就是这座大厦的建筑结构，而物理概念则是构成这座大厦的建筑材料，没有建筑材料是不可能按一定结构盖起大厦的。物理规律与物理概念的关系，正如建筑结构与建筑材料的关系。

物理中的定律、定理等，都是用有关的物理概念总结出来的。例如：惯性定律(一切物体在没有受到外力作用的时候，总保持匀速直线运动状态或静止状态)就包含有“外力”“匀速直线运动”“静止”等概念，如果没有这些概念，就不可能得出这个定律。如果学生对这些概念没有正确地理解，就不可能真正掌握惯性定律。又如：对“牛顿第二定律”规律的应用，学生对于“F=ma”这个规律并不难掌握。但是，如果学生对公式中的力F缺乏正确理解或不会正确求合力，则在运用这个规律时就要发生错误。由此可见，学生对物理规律掌握不好的原因之一是对规律所涉及的有关物理概念缺乏正确的理解。使学生建立正确的物理概念，是使学生掌握物理规律的前提，没有这个前提则物理规律的教学就无从谈起。

二、重视实验的演示，是规律教学的关键

物理学本身就是一门以实验为基础的学科，许多物理概念和规律都是由实验得出的。为使学生真正理解物理规律，要尽可能从观察实验出发，以实验为基础。通过观察演示实验或进行分组实验，启发学生思考，从而总结出有关的物理规律。一个准确、完整、生动的演示实验，可创设一种良好的物理环境，提供给学生鲜明具体的感性认识，再经过对现象特征进行概括形成本身的规律，可加深学生的感受。同时在实验探究过程中，利用学生强烈的参与意识，帮助学生从理性上认识物理规律，增强高中物理规律教学的有效性。

例如：“楞次定律”的教学中，对其规律的表述“感应电流具有这样的方向，即感应电流的方向总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。”对其规律的应用，学生往往不得其解，虽然教学中教师也对规律进行了具体的阐述，但依然不行，若在教学中通过实验的演示和操作，则可以让学生从实验操作过程中体验磁通量的变化与两磁场方向的关系，从而更好地理解规律中“阻碍”的涵义，再通过小组内同学间的相互讨论，使学生对规律的理解更加深刻。

三、注重物理学史的讲解，培养学生的科学素质

物理概念和规律的得出都是前人经过多次实践，整理、加工而形成的理论知识，这些知识是很精炼的。在规律教学中，如果学生不清楚为什么要学习这个规律，不了解前人为得出这个规律所经历的曲折道路和付出的艰苦劳动，不知道这个规律在物理学中的地位和作用，不知道这个规律对进一步学习物理的必要性，那么学生在学习这个规律时就必然带有盲目性，学习就是被动的。因此，在规律教学中，要使学生了解建立这个规律的简要的历史过程，知道这个规律所起的重要作用，使学生清楚这个规律的来龙去脉，是规律教学中不应缺少的环节。在关于上述内容的教学中所涉及的物理学研究的曲折历程和物理学家的不畏困难的进取精神、科学态度，会对学生产生积极的影响，对提高学生的科学素质起到潜移默化的作用。

例如：万有引力定律，若只是简单地通过相关公式的推导得到规律，而忽视这一规律得出的历史过程，这对这一规律教学是不够严谨的，事实上，从16世纪哥白尼经过对天体的大量观测提出日心说，在此基础上经历了几代科学家近二百年的研究探索才由牛顿总结出来的。其间，丹麦天文学家第谷对天文观测的精确资料，德国天文学家开普勒经过大量复杂计算得出的关于行星运动的三个定律，法国天文学家布里阿尔德奥通过研究提出的“行星受到的力和离太阳距离的平方成反比”的假设，伽利略的单摆周期公式，惠更斯得出的圆周运动的向心加速度公式等，都为牛顿的研究提供了不可缺少的基础理论。牛顿在前人研究的基础上，通过不断地深入研究，证明了椭圆轨道运动的引力平方反比定律，并定义了质量的概念，进一步又研究了引力与质量的关系，从而发现了万有引力定律。万有引力定律的建立，对物理学的发展、天文研究、宇航事业以及人类对物质世界的认识都具有十分重要的作用。

第8篇：天文学的概念范文

【关键词】暗物质；暗能量；研究进展

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

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

我们知道原子组成物质，质子、中子、电子等粒子组成原子。但是，20世纪末的天文观测发现普通物质只占宇宙的4%，而暗物质占23%，暗能量占73%。李政道教授指出：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”研究它们将会在物理学和天文学史上诞生出新的重大发现，并对未来的科学发展产生不可预估的重要作用。

1 什么是暗物质、暗能量

1.1 什么是暗物质

暗物质（Dark Matter）是一种因存在现有理论无法解释的现象而假想出的物质，它小于电子和光子，不带电荷，与电子不发生干扰，对电磁波和引力场均能穿越，是组成宇宙的重要部分。

1.2 什么是暗能量

暗能量（Dark Energy）是假想的一种能量形式，它充溢在广阔的宇宙空间，以一种负压力为表现，在推动宇宙运动中起巨大作用。

2 暗物质、暗能量的发现历史

2.1 暗物质的发现历史

1933年弗里茨.兹威基（Fritz Zwicky）发现按照星系的径向运动速度推断出的星系团质量和按照星系团中发光星体推断出的质量相差了近400倍。因此，他推测星系团可能主要由不发光的物质构成，并首次提出暗物质的概念[1]。

20世纪70年代，美国天文学家薇拉.鲁宾（Vera Rubin）通过对大量星系旋转曲线的研究证实宇宙中确实存在大量暗物质。

20世纪80年代，科学家正式提出了“暗物质”这个名称并被广为接受。

2.2 暗能量的发现历史

按照宇宙大爆炸理论，发生大爆炸后，宇宙的膨胀速度会因为时间的流逝逐渐减慢。但1998年，美国加州大学物理学伯克利国家实验室（LBNL）及澳大利亚国立大学的科学家们发现，宇宙正在加速膨胀，并不是以前科学家预测的减速膨胀。

Ia型超新星观测是宇宙中存在暗能量的最直接观测证据。1998 年两个Ia 型超新星（SN）小组发现了宇宙在加速膨胀，由此揭示了暗能量的存在，这一成果被美国《科学》杂志选为当年的世界十大科技进展之首。之后暗能量一直为物理学界和天文学界关注的焦点。暗能量的基本特征是具有负压，在宇宙空间中（几乎）均匀分布且不结团[2]。

3 暗物质、暗能量的研究动态

3.1 国际暗物质、暗能量的研究动态

20世纪70年代以来，通过对大型天体间尤其是星系间的引力观测研究，科学家们发现，普通物质不会引起这么大的引力，因此宇宙存在暗物质的理论被广泛认同。

发现暗物质存在的直接证据是在2006年。美国天文学家在对星系团1E 0657-56进行观测时意外观测到在星系团猛烈碰撞的过程中，黑暗物质与正常物质分开，由此获得暗物质存在的直接证据。

2007年1月，暗物质分布图诞生。

2007年，美国暗物质研究评估小组成立，该小组由美国国家航空航天局（NASA）、自然科学基金会（NSF）、美国能源部（DOE）联合组成，在其的报告中指出，破解宇宙暗物质谜团具有极其重要的科学意义，并希望美国加大在暗物质研究方面的投入，保持世界领先地位。

2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称，约翰斯・霍普金斯大学天文学家小组利用哈勃太空望远镜，探测到了位于遥远星系团中呈环状分布的暗物质[3]，成为最强有力的能证明暗物质存在的证据。

2007年，日本成立了科维理宇宙物理与数学研究所（简称“Kavli IPMU”），暗物质与暗能量是其研究的重要课题。并为其昴星团望远镜（Subaru）升级HSC数字照相机，成立了PFS合作组，以进行高精度的深空观测，从而探索暗能量更多的细节。

2008年9月，吨量级的暗物质直接探测实验被列为欧洲天体粒子物理联盟（APPEC）规划的7个天体粒子物理项目规划之首。

2009年12月，迄今为止最有力的发现暗物质的证据在Souden煤矿中被科学家发现。

美国国家科学院在2012至2021天文及天体物理十年规划中，将暗物质与暗能量的探测列为主要的研究方向。

美国自20世纪80年代以来通过宇宙背景探测者卫星（COBE卫星），威尔金森微波各向异性探测器（WMAP卫星）先后对宇宙微波背景辐射进行观测，从而发现了暗能量的存在。斯隆数字巡天（SDSS），暗能量巡天（DES）自21世纪开始通过对超新星和弱引力透镜的观测，尝试获得更多关于暗能量的信息。暗能量谱仪装置（DESI）、广域红外巡天望远镜（WFIRST）、大型综合巡天望远镜（LSST）等期望在建成后能对暗能量进行精密的测量。

2013年4月4日，在日内瓦欧洲核子中心诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授首次公布其领导的阿尔法磁谱仪（AMS）项目的第一个实验结果――已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源，即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

2014年9月18日，在瑞士日内瓦举行的程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果会上，最新研究成果“宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质”得以公布，并在6个能证明暗物质存在的有关特征中确认了5个。

国外诸多探测暗物质、暗能量的实验（包括地面和空间）正在筹建或已投入运行，其中暗物质地下探测实验室多达20个；空间实验包括高能γ射线实验望远镜（EGRET）、意大利负载反物质探索和光核天体物理学卫星（PAMELA）、费米卫星和普朗克巡天者（Planck卫星）及卫星导航警戒卫星（SNAP卫星）、观测带电粒子的哈勃望远镜（AMS02）、大口径综合巡天望远镜（LSST）等；正在运行的大型强子对撞机（LHC）也将有力地推动暗物质的探测[4]。

3.2 国内暗物质、暗能量的研究动态

我国对暗物质和暗能量的研究非常重视。国务院在2006年制定的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》里面定义了8个基础研究前沿领域，“暗物质和暗能量的本质”是“物质深层次结构和宇宙大尺度物理学规律”领域内的主要研究方向之一。

2008年，由中科院牵头，中国科学家团队制订了一个“上天入地到南极”的暗物质和暗能量探测的发展路线图，其中“上天”指暗物质探测卫星，“入地”指四川锦屏地下暗物质探测，“到南极”指在南极昆仑站建设大型天文望远镜来探测。这些项目得到了积极的推进，并取得了丰富的成果。

国家“973计划”项目之“暗物质、暗能量的理论研究与实验预研”于2010年正式启动。项目首席科学家吴岳良院士将研究目标进一步凝练为“两暗一新”，即通过对暗物质和暗能量的深入研究，探索微观和宇观世界的新现象、发现新规律、提出新理论[5]。

最引人注目的实验进展来自于锦屏地下实验室的暗物质直接探测项目中国暗物质实验（CDEX）和粒子物理和天体物理氙探测器（PandaX）。2013年，CDEX发表了首批低质量区域暗物质直接探测结果，这也是中国在暗物质直接探测方面从无到有的一个突破进展[6]。

由中科院紫金山天文台、中科大合作研发的暗物质粒子探测器（DAMPE）于2015年年底发射，通过探测来自宇宙空间的高能伽马光子、电子以及质子，间接观测宇宙空间中的暗物质。基于未来的中国空间站的高能宇宙辐射探测装置（HERD）也处于积极的研发中，并取得了相当的进展[7]。

在暗能量研究方面，中国目前最大的光学望远镜LAMOST（又称郭守敬望远镜）开始了银河系内观测，但是由于所处地理位置的关系，实现大范围巡天还有困难。观测中性氢产生的21厘米辐射的“宇宙第一缕曙光”项目（21CMA）在进行中。在新疆红柳峡地区开展21厘米天文学（天籁计划）还在进行原理验证。空间站大规模光学巡天项目完成了前期的论证工作，目前正在解决巡天相机所需要的关键技术。

此外，国内的研究单位在暗能量研究方向参与了广泛的国际合作。中国科学院国家天文台等单位参与了SDSS四期、重子振荡光谱巡天（BOSS）、扩展重子振荡光谱巡天（eBOSS）、CFHTLenS弱引力透镜巡天实验等国际合作项目，力图通过天文观测手段对暗能量的物理性质进行限制[8]。

4 我国暗物质和暗能量研究展望

在过去的几年里，我国在暗物质的直接和间接探测研究方面已经赶上世界的步伐，暗能量的追赶却才刚刚开始。

暗物质直接探测实验方面要利用好锦屏地下实验室二期，将相应的研究深入推进。暗物质间接探测实验方面要利用发射暗物质探测卫星DAMPE、AMS项目、紫金山天文台、羊八井宇宙线地面观测站等研究，预期会对暗物质的研究做出有意义的贡献。暗能量研究方面有望利用空间站、观测站实施巡天项目以取得暗能量的突破性研究。

总之，今后的10-20年将是暗物质与暗能量探测研究的关键时期，我国科学家应该有所作为，积极开展先进探测技术的研发，在暗物质、暗能量探测技术水平方面取得突破性重大成果，做出引领世界的贡献。

【参考文献】

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

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[3]科学家首次发现有暗物质存在的直接证据.腾讯网.2007-05-17[引用日期2015-02-6].

[4]蔡荣根，周宇峰.暗物质与暗能量研究新进展[J].中国基础科学，2010，12（3）：3-9.

[5]蔡荣根，周宇峰.暗物质与暗能量研究新进展[J].中国基础科学，2010，12（3）：3-9.

[6]季向东，张新民，谌勋.中国暗物质与暗能量研究展望[J].科学通报，2016，61（11）：1181-1187.

第9篇：天文学的概念范文

古希腊的学者们已在科学或自然知识研究上产生了许多的经典作品，例如柏拉图(Plato, 432-347 BC)《蒂迈欧篇》(Timaeus)、亚里斯多德 (Aristotle, 384-322 BC)《物理学》(Physics)、《论天》(On the Heavens)、《气象学》(Meteorology)、欧几里德(Euclid)《几何原本》(Elements)、阿基米德(Archimedes, 287-212 BC)《论浮体》(On Floating Bodies)、托勒密(Claude Ptolemy, ca.100-170)《天文学大全》(Almagest)等等。即使是近代科学革命时期，也产生不少吾人不陌生的经典作品，如哥白尼(N. Copernicus, 1473-1543)《天体运行论》(On the Revolutions of Heavenly Spheres, 1543)、刻卜勒(Johannes Kepler, 1571-1630)《新天文学》(New Astronomy, 1609)、伽利略《星际信使》、《两大世界体系的对话》、《两门新科学》、虎克(Robert Hooke, 1635-1703)《显微镜图说》 (Micrographia)、牛顿(Isaac Newton, 1642-1727)《自然哲学的数学原理》(Mathematical Principle of Natural Philosophy, 1687)等等。

绝大部份过去的科学经典作品，早已成为昨日的旧科学(old science)。其中仅有非常少数会在教科书中被改写为符合科学直线进步简略的介绍。绝大多数的科学经典的内容非常深奥，不适宜一般读者阅读。《星际信使》却是一个例外，它既是一本科学经典，也是本科普经典作品。它是首本运用望远镜观测星际的书，不同于其他的科学经典作品涉及深奥的数学，或是不易理解的概念与论证，此书的内容浅显，加以图说，无需加以改写，今日的读者或学子们可以直接阅读。

本文拟先介绍此书源起的历史背景，其次处理《星际信使》在内容上的创新。接着分析此书对华文读者在科普与科学传播上的意义。

1《星际信使》的起源与历史背景

要了解伽利略《星际信使》在科学发展与对后世在科普上的意义，我们得将伽利略放回其时代，通过他的生平、教育与当时的主要科学理论，来了解他在科学上的创新与影响。

1.1 至《星际信使》前的伽利略生平

在伽利略的研究者中，意大利后裔的德瑞克 (Stillman Drake, 1910-1993)原是一位金融圈工作者，休假时常回佛罗伦斯的伽利略图书馆，对当时伽利略著作的英译本不满意，因而着手研究伽利略。在真积力久则入的情况下，他成为伽利略研究的佼佼者，被聘为多伦多大学科学史教授。他完成的 Galileo at Work: His Scientific Biography是本关于伽利略最好的传记[1]。

伽利略于 1564年生于意大利比萨，该地属于佛罗伦斯麦第奇 (Medici)家族统治。他的义大利文名字 Galileo Galilei的意思是”伽利略家族中的伽利略”，是七个孩子中的长子。 1581年在父亲温参齐欧(Vincenzio Galilei)期望下，他入比萨大学习医。虽然哥白尼于 1543年提出日心说，当时大学正统的科学理论是与基督教义结合的亚里斯多德–托勒密地心说。 1577年彗星出现，第谷 (Tycho Brahe, 1546-1601)观测到它与地球的距离超过月与地，最后在 1588年出版《最近以太世界发现的现象》，提出地心说，太阳绕地心运转，其他行星与彗星绕日运行的折衷体系[2]。它与亚里斯多德—托勒密地心说和哥白尼日心说形成三个彼此间相互竞争的世界体系。

大学时期的伽利略在认识宫廷数学家芮齐(Ostilio Ricci)后，转而热衷欧几里得与阿基米德数学作品，1585年未获学位就离开比萨大学。幸运的是他对某些固体重心的探讨，在友人的赞助下，为他在 1589年 11月获得比萨大学的数学教席。接受亚里斯多德–托勒密传统教育的他，对运动提出与亚里斯多德传统相左的新见解。他认为在相同介质中，同质料的物体不论其重量与大小，自由下落需时相同，而不像亚里斯多德物理学的主张，下坠速度与物体重量成正比。日后流传他曾在比萨斜塔进行自由落体实验，然而在他本人留下的文献中，从未陈述曾在该塔进行此一实验[3]。

1591年中，父亲逝世，身为长子的他承担家计。为增加收入，他乃于翌年 9月转到威尼斯共和国管辖的帕度瓦大学担任数学教师。在经济上入不敷出的情况下，伽利略不得不采取其他的方式来增加收入。一种是为大学生担任家教。从他留存的资料来判断，他采用耶穌会罗马学院的讲义做为教材，教过亚里斯多德逻辑与科学证明的理念，以及自然哲学或物理学[4]。第二种是提供远道学生膳宿。此外，他还开设制造仪器的小型工场，发明与简化科学仪器，对外销售。例如出测量火砲口径与射程的几何罗盘仪器，以及说明的书册来增加收入。此一方法经耶穌会士传入中国，用于辽东对抗清军[5]。

1597年刻卜勒在《宇宙的奥祕》 (Cosmographic Mystery)中支持日心说，请友人将两本分送意大利最能用到此书的人，其中一位是伽利略。在给刻卜勒的致谢函中，伽利略自称是哥白尼学说的信徒，成为十六世纪末支持日心说的十人之一。[6]不过，那时他只能算是半个哥白尼信徒(semi-Copernican)。事实上，他到 1613年左右才积极为哥白尼日心说辩护。1615-1616年为哥白尼的日心说第一次接受调查，1632出版《两个世界主要体系的对话录》，旋即查禁 1632-1633年为哥白尼的日心说第二次接受调查，并遭受谴责与终身拘禁。

回到 1605年，伽利略担任佛罗伦斯麦第奇家族柯西摩 (Cosimo)王子的教师。 1609 年王子登基成为麦第奇大公爵，伽利略曾去信期望这位昔日高足能够照顾他，但未获正面的回应。这年他从巴黎友人处传来有种能将远处物体放大的器物市面上销售。

1.2 完成《星际信使》的特殊背景

十七世纪，望远镜、显微镜、空气帮浦等技术对科学产生重大的影响。 1608年 9月在荷兰有人发明了可放大 3倍的”望远镜”，随后申请专利。在审查期间，因为亦有他人提出申请，因而未给予专利。这项发明于次年春天传到巴黎。伽利略经由巴黎友人从市场购得此仪器后，为了增加收入而努力改良它的放大倍率。

手巧的伽利略积极磨制镜片，同年 8月时已改良到放大 8至 9倍。于是， 在 8月下旬邀请威尼斯共和国总督与议员们，在威尼斯港口的高塔上，演出“察谍镜”(spyglass)之秀。让一艘船由远处全速驶向港口，在“察谍镜”观察到两小时后，高塔上的人才能以裸眼看到，展现出此镜对维护威尼斯港安全，防止海盗入侵，深具价值，令与会佳宾印象深刻。

相对于中世纪大学重视经典权威的传统，以讨论文本的为主，文艺復兴以降，在自然研究中观察的角色愈来愈重要，加上十五世纪中叶西方印刷术的崛起，在自然史方面，陆续产生许多新作品。 1609年 11月中，伽利略已将”察谍镜”改良到放大 20-30倍，他开始将此一仪器运用的范围从地表转向星际，有项新发现。次年三月出版《星际信使》(Sidereus nuncios, Starry Messenger)一书，将观察结果公诸世人。

2《星际信使》在内容上的创新

伽利略先观察月亮，并图绘下来，他不是首位以望远镜观月后绘图者。稍早，在参考吉柏特(William Gilbert, 1544-1603)所绘制一相当简略月面图后，哈芮特 (Thomas Harriot, ca. 1520-1621)使用较低倍的望远镜观察月表，将航海经验纳入其中，绘制出一幅陆地与海洋构成的月面地图。[7]但是，伽利略研磨的望远镜比哈芮特用的大了许多倍，绘制的图更精密许多。更重要的是，他还告诉读者他图绘的方法。一方面通过单孔镜面看到放大的月亮，另一方面，则备有一张白纸，依所见大小图绘出镜中所见的月面图。根据他的自述：

让我先介绍”察谍镜”转向的月球表面，为了易于了解起见，我将它区分为较明亮与较黑暗两个部份。通过对月球表面明暗部份常期重覆的观察，我们确定月球表面不像大多数哲学家所相信的，和其他天体同是个光滑、均匀的圆球形状；想反地，它是凸凹不平的，低洼的与凸起的部份满佈于其上。就像地球的表面一样，山脉与深谷分佈各地。以下说明这项由观察所推得的结论。

根据亚里斯多德自然哲学，月亮属于第五元素以太构成的不毁不灭的天域，应是一个完美的星体，其中的黑影可用较密的以太构成，因此不如较疏处明亮。通过明与暗界域不是圆弧状，伽利略推论月球不是一个完美的天球。在多幅月面图中，由于亮区中有暗块；暗区中有亮点，且会虽时间扩大，他凭着地球上的山谷接受阳光照射的经验来推论，月面不是光滑的，而像地表一样有高山与深谷。

1610年 1月 7日，伽利略将改良放大 30倍的”望远镜”朝向木星观察，发现其旁两颗小星星。最初他认为它们是恆星，由于像行星般出现在黄道带附近，才判断为与木星有关的卫星。13日首次见到木星旁的四颗星星。另外一项主要的发现是银河，在亚里斯多德自然哲学中视为是月下的大气现象。托勒密《天文学大全》声称恆星数目为 1022颗，直到伽利略观察银河发现有无数的星星。

在 3月 2日最后一次观察后一周，出版《星际信使》一书，此书将天文学由裸眼观察带入望远镜天文学，也使年近半百的伽利略成为国际间知名的学者。

3《星际信使》对后世在科普上的意义

《星际信使》一书的三项主要发现：月亮表面崎嶇不平、木星的四颗卫星、银河无数的星星，使四十六岁的伽利略从一位地方性的大学数学教师，迅速地闻名于欧洲。加上 1610年伽利略的另两项发现：金星像月亮般有其相位盈亏与土星左右两耳看似其卫星，使他在一年之中藉着望远镜的观察就有五项重要发现。次年，以利玛窦老师克拉乌维斯(明清时译为：丁先生。Christopher Clavius, 1538-1612)为首的耶穌会五位学者都肯定上述五项发现，使他跻身于欧洲闻名学者之列。

十五世纪末，世界地理的大发现，打通欧洲赴亚洲或美洲的海路。十六世纪宗教改革促使天主教内成立耶穌会(Society of Jesus)与其对抗，培养受过良好教育训练的耶穌会士向包括中国在内的欧洲以外区域进行远距传教。尽管伽利略从未到过中国，明末清初，《星际信使》中的望远镜发现也随入华耶穌会士传入中国。德礼贤(Pasquale M. D'Elia, 1890-1963)将这些资料汇整为《伽利略在中国》一书[8]。但是《星际信使》的中译本迟至 2004年笔者译为中文后[9]，华文读者才有机会阅读此书，因此它在华文世界的科普与科学传播方面的意义值得阐明。

首先，天文学一直是一个非常重视观测的领域。在十七世纪以前，已发明诸多科学仪器来帮忙观测，第谷就是此中翘楚，发明一些大型固定的仪器。

虽然伽利略不是望远镜的发明者，但是经过他的巧手改良后磨出的镜片，观察月球与银河，留下图绘，以及逐日记载他对木星的四颗卫星的观察与纪录，出版《星际信使》一书，开启望远镜天文学。它是一本值得学子与一般读者阅读的科普经典，作者除了介绍一种他改良的科学仪器进行观测以外，还将所见通过图绘加以视觉呈现，很难得见到一流科学家将其发现表达的是如此浅显易懂。

其次，在十七世纪初培根(Francis Bacon, 1561-1626)鼓励观察与实验，影响伦敦皇家学会(Loyal Society of London)以前，第谷、刻卜勒的老师麦斯特林 (Michael Maestlin, 1550-1631)与伽利略等已特别注意异象的观察与记录。 1577年的彗星，引起第谷与麦斯特林长达两个半月的观察与记录。相对地，万历五年中国官方观察一个月，视为星占异象处理。同一现象却在不同文化中观察所得不同，显示观察的背后是含有不同理论的[10]。

第三，1577年的彗星与木星四颗卫星的观察与纪录，都显示它们属于以太领域，对亚里斯多德—托勒密世界体系，天域的星体是永恆不变的而言，它们都是过去未曾见的异象。针对 1577年的彗星，第谷提出折衷的世界体系。可是《星际信使》书中，并未批判《星际信使》一书，因为伽利略将《星际信使》献给麦第奇大公爵。

由于木星是麦第奇家族的徽记，麦第奇大公爵恰有兄弟四人，伽利略因此将木星的四颗卫星以“麦第奇星星”(Medicean stars)之名献给麦第奇家族。因为这项无价的礼物，他所获得的回报是在 46岁时改变生涯，由“钱少、事多、离家远”的帕度瓦大学数学教职，转成“钱多、事少、离家近”的麦第奇宫廷自然哲学家与数学家，名义上是比萨大学教授，却没有任何教学负担。简言之， 1610年《星际使者》一书的出版目的在献给麦第奇大公爵，寻求他的赞助。一个类似的案例是第谷将他丹麦国王赞助的岛屿上发展的天文仪器，撰写《机械装置的天文仪器》(Tycho Brahe’s Description of His Instruments and Scientific Work)一书，并以彩色图绘，以赢得布拉格神圣罗马帝国鲁道夫皇帝的赞助[11]。

《星际使者》内容显示，伽利略似未批判地心说，直到《太阳黑子》才积极推动哥白尼学说[12]。事实上，在科学革命前期，当学会尚未成立时，宫廷或王子的赞助是大学以外支持新科学的最重要的社会组织。

第四，更值得注意的是，成为麦第奇廷臣的伽利略，具有自然哲学家的身份，为他提供了探讨自然哲学的社会性合法身份，可以跨越自然哲学与数学天文学间的学科界域，得以积极推动哥白尼拟跨越自然哲学与天文学间的日心说[13]。

最后，在海峡两岸出版愈来愈多翻译的的科普书籍时，其中有非常多涉及科学史方面的旧版科学书籍。如果只从后见之明的观点来论其中朝向现代进步的成就，就像祖先崇拜一般地崇拜科学伟人，这不是科普作者创作中有关旧科学的关切点。如果我们抱着多了解旧科学作品的时代意义，《星际信使》是一个相当不错的切入点。要了解天文学的发展，特别是从裸眼转向望远镜天文学的关键转折，《星际信使》更是一本不可或缺的科学与科普经典。

参考文献：

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

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

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

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

[5]黄一农. 比例规在火砲学上的应用. 科学史通讯, 台北，1996，第 15期，页 4-11.

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

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

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

[9] 伽利略著，范龢惇 (Albert Van Helden)英译、序言、简介与结论. 徐遐生（英）序，徐光台中译与导读，星际信使 (Sidereus nuncius, 1610), 台北：天下文化，2004.

[10] 徐光台. 异象与常象：明万历年间西方彗星见解对士人的冲激. 清华学报, 新竹，新 39卷 4期，2009年 12月，页 529-566.

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