天文學的定義范文

導語：如何才能寫好一篇天文學的定義，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

為什么是冥王星

在中國紫金山天文臺王思潮研究員看來，冥王星是個“調皮鬼”，首先，由于它表面光反射的原因導致他的發現者美國人克萊德?湯博當時錯估了它的質量，認為它的體積比地球大數倍。這樣的結論使它很快作為太陽系第九顆行星進入教科書。但隨著現代天文觀測儀器的不斷升級，哈勃大望遠鏡證實它實際上是月亮還要小的巖石。

王思潮研究員介紹說。冥王星還有著與眾不同的公轉軌道。其他行星的軌道平面都與黃道平面(地球軌道平面)基本一致，冥王星的軌道平面卻與黃道平面呈很大夾角。其他行星的軌道幾乎是完美的圓形，而冥王星的軌道是一個有很大偏心率的橢圓形。

20世紀50年代，天文學家柯伊伯預言，在海王星軌道以外存在著一個類似于小行星帶的區域，冥王星只是這群小天體中個頭較大的一顆。在對冥王星的歸屬問題的討論中。王思潮研究員提到了在美國工作的英國天文學家萊恩?馬斯登馬斯登。1980年，馬斯登曾提出要給冥王星降級，遭到美國天文學家的集體反對，在一個學術討論會上，馬斯登遭到威脅：如果再提這事就要把他扔到賓館的游泳池里去。

到了1992年，柯伊伯的預言被證實，在冥王星區域發現的天體越來越多，體積越來越大。使得對“第九大行星”資格的質疑之聲也越發響亮。2003年，加州理工學院的天文學家邁克?布朗發現了2003UB313。它的出現成了最后一根稻草――它在大小上完全壓倒了冥王星，它的歸屬問題也成了引爆大行星定義之爭的直接導火索。

布朗理直氣壯地宣布：“拿起你們的筆，從今天開始改寫教科書吧。”

為了平息眾說紛紜的爭吵，國際天文學聯合會專門成立了“行星定義委員會”來解決這個問題，并把今年的國際天文學聯合會大會的重要議題。

爭論還在繼續

王思潮研究員認為：“冥王星被開除出太陽系行星的行列，這絲毫不影響其科學研究上的重要意義。”跟邁克?布朗一樣。在20年前，王思潮研究員的夢想也是要發現第十大行星，但他現在認為這個定義使得天文學的研究“由量的變化變成了質的飛躍”，他認為，本次決議中5A中所闡述的概念是更科學、更明確的。它的重要意義在于．“就好像化學元素的研究一樣，發現周期表中沒有的元素固然重要，但更有意義的事情是對原子核的研究和電子的發現。”

篇2

關鍵詞：望遠鏡；天文學；遠程控制；管理系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A文章編號：1007-9599(2012)03-0000-02

Telescope Remote Control and Management System

Qian Chen

(Jiangsu Province Taizhou No.2 School,Taizhou225300,China)

Abstract:With the continuous development of network technology,the remote control system of the telescope to become the research focus of the Observatory at home and abroad,the observer through the Internet you can control the telescope for astronomical observations.Remote control system of the telescope astronomical science activities have played a positive role in promoting,parents no longer worry about the child's travel at night,as long as remote viewing via the website booking home for astronomical observation,effectively improve the management efficiency, reduce management costs,astronomical research has practical significance,but also to popularize scientific knowledge of the basic conditions.

Keywords:Telescope;Astronomy;Remote control;Management system

天文學是人類最早開展研究的學科之一，古代天文學的研究方式一般基于都是肉眼所見，研究的內容也僅僅是對天文現象的文字記載和簡單推算。因此，在很長的一段歷史時期內，古代天文學研究的一直沒有任何突破性的發展，研究方法依然簡單，缺少相應的理論支持。大概在十七世紀初，望遠鏡的發明使天文現象的觀測水平大幅提高。在那之后，許多天文科學家都投入到天文望遠鏡的研制之中，天文望遠鏡研制技術的不斷發展，有效的推動了天文學研究的發展，獲得了很多的新的科研成果。

隨著望遠鏡技術、探測器技術以及計算機技術的發展，通過天文觀測獲得的數據量正在成倍增長，另一方面，國際上各種的巡天計劃的數據在不斷的累積，如Hubble太空望遠鏡每天的數據量大約為5GBytes。但是，這些并不意味著人們從中可以獲得的信息量也日益的豐富。人們需要改變這種 “數據越來越豐富，但沒有豐富的信息、知識”的情況。迅猛上升的大量數據保存在各種系統和介質中，不便于人們對其進行整理和管理。為解決上述問題只有開發建設虛擬天文臺這樣的一個答案。

現在，天文學家們已經意識到建設虛擬天文臺對天文現象研究的重要性。在中國，北京天文觀測臺、清華大學FAST課題組、西安電子科技大學、哈爾濱工業大學等單位對天文望遠鏡的控制系統有了一定的實驗驗證和理論成果。二零零零年一月，經過中國、美國、奧地利三個國家的許多物理學家的不斷努力，建立了一個全球范圍內的H-alpha全日面像聯測網絡。該聯測網絡包括下面這樣幾個：Big Bear Solar Observatory(USA)，Kanzelhohe Solar Observatory(Austria)，云南天文臺，Catania Astrophysical Observatory，以及懷柔太陽天文臺。

從控制方法上看，目前存在三種主要的方法：集中控制、主從控制和分布式控制。從自動化程度來看，望遠鏡控制的流程自動化運行模式還處于初級階段。

國際上望遠鏡的控制主要有以下方式：

1.通過控制手柄的按鈕手動控制望遠鏡的轉動，實現尋星。此方法僅適用于從事天文觀測的專業人員。

2.觀測人員一步步地使用控制軟件的界面，調節望遠鏡進行觀測。這是最基本的非自動化的運行模式。

3.全自動導星方式。在計算機中輸入要觀測的恒星或行星的名稱或坐標，計算機通過軟件控制望遠鏡實現自動化尋星。自動化尋星的流程固定在程序中，不能更改，留出一些參數供觀測人員現場配置。

下面將簡單的討論一下網絡控制技術和管理系統的相關內容。

首先，我們討論一下網絡控制技術，我們將控制網絡分為兩個組成部分：第一是面向設備的現場網絡；第二是面向控制系統的控制網絡；用現場網絡（如RS-232/422/485，CAN，Lonworks，工業以太網等）連接現場設備，并通過特定的接口（如標準以太網接口）聯接到控制網絡，控制網絡再連接到對應的其他系統，另外，因為廣域網技術的不斷發展，從根本上來說這些控制網絡是能夠平滑的接入廣域網并且形成更強大的控制網絡。

其次，我們再來討論XML和Web服務技術。當前，國際天文學研究的主要方向是努力于將XML引入天文數據處理/存儲/交換領域，而這項研究的主要內容為：VOTable。VOTable這個項目的提出來源于這樣的一個問題：如何能夠輕便而又高效的保存大量的數據，并能讓這些數據應用于到今后的大規模分布式計算環境？為了研究這些，國際天文學家們試著通過基于XML技術的VOTable這個項目來解決這個難題。

在因特網迅猛發展的時期，一旦我們擁有了數據/信息交換的標準(即XML以及基于XML的某種標記語言)，那么怎么才能知道在什么地方可以處理這些數據/信息？怎么樣為某些數據/信息開發對應的處理應用，怎樣將這些到分布式的網絡環境之中呢?應用之后，我們又該怎樣將其公開發行，讓客戶能夠輕易地搜索到呢?天文學家發現比較好的解決方法就是Web服務技術(web services)。Web服務技術是為了解決因特網范圍內，如何將web服務集成在一起，進行相互操作的一個技術框架。Web服務技術的技術基礎是XML/SOAP/WSDL/UDDI，在這些技術里面，XML是Web服務的基石，簡單對象訪問協議（SOAP）利用XML來封裝Web服務的請求，Web服務的功能又是由服務描述語言（WSDLWeb）來描述，Web服務的注冊由統一描述/發現/集成協議（UDDI）實現。

第三，B/S模式。B/S結構分布性強、維護方便、開發簡單、用戶操作便于掌握、共享性強并且成本低廉。另外，B/S模式便于集中的管理維護、用戶操作簡單、跨平臺等特點。隨著網絡尤其是寬帶網絡的普遍使用，基于網絡的B/S應用方式更具有光明的發展前景。

第四、DBMS(數據庫管理系統)

數據庫管理系統(database management system)是一種操縱和管理數據庫的大型軟件，用來建立、使用和維護數據庫，簡稱dbms。它對數據庫進行嚴格統一的管理和控制，這樣就保證數據庫的安全性和完整性。用戶通過dbms訪問數據庫中的數據，數據庫的管理員也通過dbms對數據庫維護。它可以讓多個應用程序和用戶用不同的方法在同時或者不同時間去建立，修改和詢問數據庫。DBMS提供數據定義語言DDL（Data Definition Language）與數據操作語言DML（Data Manipulation Language），供用戶定義數據庫的模式結構與權限約束，實現對數據的追加、刪除等操作。

第五、動態服務器頁面ASP

ASP是Active Server Page的縮寫，意為“動態服務器頁面”。ASP是微軟公司開發的代替CGI腳本程序的一種應用，它可以與數據庫或者是其它程序進行交互，是一種簡單、方便的編程工具。ASP的網頁文件的格式是.asp，現在常用于各種動態網站中。

望遠鏡遠程控制管理系統，使學生在室內的電腦上，通過web遠程登錄控制網站，就能操作天文望遠鏡，獲取到相關的天空信息和圖像，既能讓學生達到觀看天空的目的，又解決了安全問題。

參考文獻：

[1]陳東.網絡控制技術與虛擬天文臺[D].中國科學院研究生院博士論文,2003

[2]P.L. Shopbell,J.G. Cohen,L. Bergman. Remote observing with the keck Telescope from California using NASA’s ACTS satellite[C].Telescope Control Systems,Hilton Lewis ed.,Proc. SPIE 3112,1997,209-220

[3]崔辰州,趙永恒,趙剛等.虛擬天文臺的技術進展[J].天文學進展,2002,20:302-311

[4]張彥霞,趙永恒,崔辰州.天文學中的數據發掘和知識發現[J].天文學進展,2002,20: 312-323

[5]蘇凡.天文用CCD探測器以太網端口的建立[D].本科畢業論文,清華大學成人教育學院,2002

[6]鄭文波.控制網絡技術[M].清華大學出版社,2001

[7]server.省略/438/3334938.shtml

[8]王鷹,趙躍龍,劉中宇.基于C/S模式的計算機等級考試系統的設計[J].計算機與現代化,2006(2):70-7

篇3

利瑪竇以畢生的精力在中西文化交流中作出了巨大貢獻，他全方位地將歐洲的地理學、天文學、數學、機械學等科學文化介紹到中國。

一、刊印世界地圖, 宣傳地圓說

1583 年利瑪竇從澳門來到廣東肇慶,為了擴大天主教的影響, 他在仙花寺里舉辦了一個西洋天文儀器展覽, 其中一幅用洋文標注的世界地圖最引人注目。中國歷代繪制的華夷圖或天下圖都只是附帶鄰近夷狄的中國地圖。在這一幅的世界地圖上, 顯示的中國只是其中一小塊而已。利氏學過繪圖技術, 在中國翻譯的幫助下, 制成山海輿地全圖。1602 年, 他應邀再次修訂了舊圖,擴充內容繪成6條合幅的坤輿萬國全圖。全圖寬361 cm, 高171cm, 這是我國最早的世界地圖。可以說, 中國人面向世界, 從這里開始了第一步。

二、制作天文儀器, 傳播天文知識

利瑪竇在刊印山海輿地全圖之后, 便著手用金屬材料制作天球儀和地球儀 , 向來訪者講解地球的位置和各星球的軌道。他還多次準確地預報日月蝕,比皇家的欽天監還高明。利瑪竇在南京、北京等地講授天文學時, 依據的教材是他的老師克拉維斯所著的薩克羅博斯科天球論注釋一書。此書詳細解說了亞里士多德的四元素宇宙論和托勒密的行星運行軌道模型, 是當時天文學的百科全書。1601年利瑪竇定居北京后與中國學者李之藻合作摘譯了西方天文學著作《乾坤體義》三卷。書中介紹了西方天文知識, 如地球是圓形的; 太陽大于地球; 月球本身不發光, 只反射太陽光, 日食和月食的成因, 以及亞里士多德的四元行論和一些天文儀器的構造等。

三、翻譯《幾何原本》數學著作

利瑪竇決定把歐幾里德的《幾何原本》翻譯成中文介紹給中國。《幾何原本》是公元前4 世紀到公元前3 世紀古希臘著名數學家歐幾里德的幾何教本, 書中所表現的那種嚴格的定義,完整的結構, 前后一貫的演繹法, 以及不依賴于數例的純幾何證明和作圖可行性的要求等, 都是我國傳統幾何學中缺少的。1606 年秋, 由利瑪竇口述, 徐光啟記錄, 合作翻譯取得成功。由利瑪竇帶來的數學對我國明代的歷法修訂和幾何體測量等方面確實起到了重要的作用。眾所周知,中國數學形成于漢朝, 在宋元時期達到高峰, 明代的數學注重于商業化的應用, 理論研究缺失, 此時《幾何原本》的傳入, 它的證明和新奇使一批學者為之欽服, 以至出現了晚明、盛清的數學家言必稱幾何的情景。

四、傳入記憶術, 編中西文字字典

應江西巡撫陸萬垓之邀, 利氏撰寫了《西國記法》16 卷, 1599 年刻印。講述了表象設位, 立象設位等。用現在的話來說, 對于每一件我們希望銘記的東西, 都應該賦于一個形象, 并給它歸納分派一個場所, 這樣我們可以借助記憶的方法來使它們重現。另外, 利瑪竇還首創用拉丁字母注漢字語音, 1605 年撰《西字奇跡》一卷, 對我國音韻學的發展有很大的影響。

五、傳授西洋畫法, 教習演奏西琴

利瑪竇入華傳教, 攜帶了天主像和圣母像等油畫圣像作為貢品進獻給明朝庭。西洋繪畫注重寫實, 畫面富有層次和立體感, 很受當時士大夫推崇。利瑪竇自幼參加耶穌會, 深受宗教音樂的熏陶, 具有很高的音樂修養。1601 年利瑪竇進京時曾代表教會獻給明朝皇帝一架5 尺長、3 尺寬、3 尺高的鋼琴。皇帝派了4名樂工跟利瑪竇學習演奏, 利氏為了便于唱和, 編了8 首宗教歌曲，名為《西洋曲意八章》。

六、讓歐洲了解中國

利瑪竇在中國住了28 年, 著譯了16 種書稿, 不僅把西方的科學文化傳播到中國來, 還花了4 年時間把中國的儒學經典《四書》翻譯成意大利文, 介紹給歐洲。他和天主教會通訊時贊譽中國的天文學、數學和機械工藝的發達。他還通過自己的實地測量并參考了中國的歷史、地理資料, 繪制了第一幅標有經緯度的中國地圖寄回歐洲。在他的著述中, 回憶錄《中國札記》無疑是流傳最廣, 最具史料價值。此書記錄了他在中國的所見所聞, 內容涉及政治、經濟、科學、文化以及民俗民風。利瑪竇于1610 年5 月11日去世,享年58歲。萬歷皇帝下圣旨賜葬于北京平則門外柵欄寺, 他是第一位獲得在北京長久居住權的外國人，也是第一位被允許安葬在北京的外國人。

利瑪竇的貢獻不僅僅是局限于他本人將歐洲的文化傳到中國，將中國的情況介紹到歐洲。如果說這是他傳送了文化產品的話，那么更重要的是他建造了一座溝通東西方兩大文明的橋梁。鑒于眾多傳教士進入中國傳教的企圖均告失敗，耶穌會遠東巡察使范禮安在澳門進行了“劃時代的觀察”，制定了被稱作“適應政策”的全新的傳教策略：不是要信徒葡萄牙化，而是要傳教士中國化；要求來華傳教士學習漢語和中國典籍，改穿儒服，起中國名字。

利瑪竇則是 “文化適應政策”的實踐者和發展者。他采取學術傳教的方法，以新鮮的西方科學文化來吸引中國的文人學者；他對中國的傳統宗教采取排佛補儒的策略；認為祭祖和祭孔是世俗禮儀，非宗教禮儀，可以被天主教接受；他根據中國的實際情況對天主教禮儀作適當的調整，如禮拜形式、安息日和對女教徒的特殊對待等等。

正是因為利瑪竇實踐和發展了“文化適應”策略，中西兩大文明之間才架起了一座橋梁，才使在隨后的200年間有數以百計的西方傳教士進入中國，持續地將西方文化介紹到中國，造就了被稱為“西學東漸”的全方位的文化交流。

利瑪竇所開創的“西學東漸”帶來了明末清初中西文化交流的空前繁榮。在當今中國的學術界，幾乎包括所有的學科門類，只要追溯它的發展史，都無法回避“西學東漸”的影響。“西學東漸”對中國科學、藝術和人文學，都產生了重要影響，在有些領域甚至是從無到有的開創性影響。

利瑪竇到中國來的主要目的是傳播天主教，但為了這個目的，他無意間、有時甚至是有意地傳播了西方的科學文化。由于他們在傳播西方科學與文化的貢獻，為“中華文化注入了新鮮血液”，進而影響了當時幾乎每一個中國人。

因此可以說，作為“西學東漸”的第一人和開創者，利瑪竇堪稱在歷史上對中華文明貢獻最大的外國人。

同時，來華傳教士又向歐洲全方位地介紹中華文明，從而是在西方引起“中國熱”的先驅。正是利瑪竇等傳教士介紹到歐洲的中華文明，為歐洲的啟蒙運動提供了營養。

篇4

一、太陽系的起源

自從1755年康德提出第一個太陽系起源的星云說以來，已有40多種學說問世，但沒有一種學說是比較完整的和被普遍接受，太陽系起源至今仍是爭論不休的宇宙之謎。

太陽系起源包含兩個基本問題：太陽系中行星的物質從何而來和行星是怎樣形成的，按行星物質的來源，可把各種學說分成三類：①災變說或分出說，認為行星的物質是因某一偶然事件從太陽分出的；②俘獲說，認為太陽是從恒星際空間俘獲物質，形成星云，后來演變成行星；③共同形成說，認為太陽系中所有天體是由同一原始星云形成的，星云中心部分的物質形成太陽，的物質形成行星等天體。

對行星的形成方式，大致有5種看法：①先形成環體，然后由環體形成行星；②先形成很大的原行星，再演化成行星；③先形成中介天體，由中介天體結合成行星；④先形成湍渦流的規則排列，在次級渦流中形成行星；⑤先凝成固體星子，再由星子集聚形成行星。

二、太陽系的主要成員

國際天文學聯合會大會于2006年8月24日投票決定，不再將傳統九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”，許多人感到不解，為什么從兒，時起就一直熟知的太陽系“九大行星”概念如今要被重新定義，而冥王星又因何被“降級”?

“行星”這個說法起源于希臘語。原意指太陽系中的“漫游者”，近千年來。人們一直認為水星、金星、地球、火星、木星和土星是太陽系中的標準行星19世紀后，天文學家陸續發現了天王星、海王星和冥王星，使太陽系的“行星”變成了9顆，此后，“九大行星”的說法已家喻戶曉。

不過，新的天文發現不斷使“九大行星”的傳統觀念受到質疑，天文學家先后發現冥王星與太陽系其他行星的一些不同之處，冥王星所處的軌道在海王星之外，屬于太陽系的柯伊伯帶，這個區域一直是太陽系小行星和彗星誕生的地方，20世紀90年代以來，天文學家發現柯伊伯帶有更多圍繞太陽運行的大天體，比如，美國天文學家布朗發現的“2003UB313”，就是一個直徑和質量都超過冥王星的天體。

布朗等人的發現使傳統行星定義遭遇巨大挑戰，國際天文學聯合會大會通過的新行星定義，意在彌合傳統的行星概念與新發現的差距。

大會通過的決議規定，“行星”指的是圍繞太陽運轉、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體，在太陽系傳統的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求，冥王星由于其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被降級為“矮行星”。

1　水星(the Planet Mercury)

水星是九大行星中最靠近太陽的行星，它也是太陽系中運動最快的行星，水星公轉平均速度為每秒48千米，公轉周期約為88天，而水星的一晝夜則為我們的176天，白天和黑夜各88天。

水星內部推測為鐵核，表面為固態巖石，被隕石砸得滿是坑洞，地貌酷似月球，它的直徑也和月球相當，質量是地球的0.05倍。

水星大氣非常稀薄，晝夜溫差很大，陽光直射處溫度高達427℃，夜晚降低到-173℃。

水星沒有衛星，那里沒有“月亮”，因此水星的夜晚是寂寞的。

2　金星(the Planet Venus)

天亮前后，東方地平線上有時會看到一顆特別明亮的“晨星”，人們叫它“啟明星”；而在黃昏時分，西方余輝中有時會出現一顆非常明亮的“昏星”，人們叫它“長庚星”，這兩顆星其實是一顆。即金星，它是離地球最近的行星。

從結構上看，金星和地球有不少相似之處，金星的半徑比地球半徑小300千米，體積是地球的0.88倍，質量為地球的4／5；平均密度略小于地球，但兩者的環境卻有天壤之別：金星的表面溫度很高，不存在液態水，加上極高的大氣壓力和嚴重缺氧等殘酷的自然條件，金星不可能有任何生命存在，因此，金星和地球只是一對“貌合神離”的姐妹。

金星大氣中，二氧化碳最多，占97％以上，同時還有一層厚達20到30千米的由濃硫酸組成的濃云，金星表面溫度高達465℃～485℃，大氣壓約為地球的90倍。

金星自轉一周要243天，所以金星上的一晝夜特別長，它繞太陽公轉的軌道是一個很接近正圓的橢圓形，其公轉周期約為224.70天。

3　地球(the Earth)

在地球上看來，這顆有著廣闊天空和海洋的行星總給人以堅實、巨大的感覺，然而在太空中，地球給宇航員們的印象卻并非如此，在一層薄而脆弱的氣體籠罩下的地球并不見得有多大。

地球是距太陽最近的第三顆行星。離太陽的距離大約是115億千米，地球用365.256天繞行太陽一周，并用23，9345小時自轉一圈。

地球的大氣里78％是氮氣，21％是氧氣，余下的1％是其他成分，地球表面的平均溫度是15℃，平均氣壓1.013×105帕。

由于地球自轉軸與公轉軌道平面斜交成66°34′的傾角，在地球公轉過程中這個角度始終不變，因此在一年中，太陽的直射點總是在南北回歸線之間移動，于是產生了晝夜長短和四季的交替。

4　火星(the Planet Mars)

肉眼看去，火星是一顆引人注目的火紅色星，它緩慢地穿行于眾星之間。

由于火星距離太陽比較遠，所接收到的太陽輻射能只有地球的43％，因而地面平均溫度大約比地球低30多攝氏度，晝夜溫差可達上百攝氏度。

火星屬于類地行星，有固態的外殼和鐵核，密度比較大。

地表也存在大氣，其主要成分是二氧化碳，約占95％，還有極少量的一氧化碳和水汽，火星表面的土壤中含有大量氧化鐵，由于長期受紫外線的照射，鐵就生成了一層紅色和黃色的氧化物，夸張一點說，火星就像一個生滿了銹的世界。

火星的自轉和地球十分相似，自轉一周的時間為24小時37分22.6秒，火星上的一晝夜比地球上的一晝夜稍長一點，火星公轉一周約為687天，火星的一年約等于地球的兩年。

火星有兩個衛星，靠近火星的一個叫火衛一，較遠的一個叫火衛二，由于火星在希臘神話中被看作是戰神阿瑞斯。所以天文學家以阿瑞斯的兩個兒子――福波斯和德瑞斯命名它的兩顆衛星。

5，木星(the Planet Jupiter)

木星是距太陽最近的第五顆行星，是太陽系中最大的行星，如果木星的內部是空的，它能裝下一千多個地球。

木星的大氣非常厚，可能它本身就像太陽那樣是個氣體球，其大氣的主要成分是氫和氦，平均溫度為－121℃。

緯線上色彩分明的條紋、翻騰的云層和風暴象征木星多變的天氣系統。

木星是太陽系中衛星數目較多的一顆行星，迄今為止人們已經發現木星有16顆衛星，其中的4個(木衛四、木衛二、木衛三和木衛一)早在1610年就被伽利略發現了，它們與木星組成了一個家族：木星系。

6，土星(the Planet Satum)

土星是距太陽最近的第六顆行星，并且是太陽系中的第二大行星。

由于土星的快速自轉，它的兩極明顯扁平，它自轉一圈僅用10小時39分鐘，公轉周期為29.5個地球年。

土星云層的平均溫度為－125℃，它的大氣主要由氫和少量的氦、甲烷組成，土星是太陽系中唯一密度比水小的行星，假如有一個足夠大的海洋，它會浮在水中。

像木星、天王星、海王星一樣，土星上沒有陸地。

土星環系統使它成為太陽系中最漂亮的星球，環分為幾個不同的部分，包括較明亮的A和B環，以及較暗的C環。

土星環形成的原因還不十分清楚，有一種說法認為這些環是由一些小型彗星和流星撞擊土星較大的衛星產生的碎片形成的，土星環的構成還不能確認，但這些環明顯含有水，它們也許是由非常微小的冰塊和(或)雪團構成的。

土星有18個已經確認的衛星，是太陽系中衛星最多的行星，1995年，科學家使用哈勃太空望遠鏡又發現了4個可能存在的土星新衛星。

7　天王星(the Planet Uranus)

天王星是一顆遠日行星，它是一個藍綠色的圓球。表面具有發白的藍綠色光彩和與赤道不平行的條紋，這大概是由于自轉速度很快而導致的大氣流動，天王星公轉一周要84年，自轉周期則短得多，僅為15.5小時，

天王星的密度很小，其大氣的主要成分是氫、氦和甲烷。

天王星的自轉軸幾乎與公轉軌道面平行，赤道面與公轉軌道面的交角達97°551，也就是說它差不多是“躺”著繞太陽運動的，于是有些人把天王星稱作“一個顛倒的行星世界”。

天王星上的晝夜交替和四季變化也十分奇特和復雜，太陽輪流照射著北極、赤道、南極、赤道，因此，天王星上大部分地區的每一晝和每一夜，都要持續42年才能變換一次，太陽照到哪一極，哪一極就是夏季，太陽總不下落，沒有黑夜；而背對著太陽的那一極，正處在漫長黑夜所籠罩的寒冷冬季之中，只有在天王星赤道附近的南北緯8度之間，才有因為自轉周期而引起的晝夜變化。

天王星和土星一樣。也有美麗的光環，色彩斑斕，美麗異常，天王星有15顆衛星，幾乎都在接近天王星的赤道面上，繞天王星轉動。

8　海王星(the Planet Neptune)

海王星是太陽系中最外緣的一顆大行星，每165年繞太陽一周，而它的自轉速度非常快，一天僅為16小時7分鐘。

海王星的外面一層是氫、氦、水和甲烷-組成的氣體的混合物，而甲烷賦予了海王星云層藍色的外觀，目前科學家只探測到海王星云層的平均溫度為－193℃至-153℃。

海王星是個多變的行星，它有幾個巨大的黑斑，讓人想起木星風暴“大黑斑”，最大的一個“大黑斑”有地球那么大，海王星上也有像其他行星一樣的強風，相對于行星的自轉方向，大多數風向都是向西吹的，大黑斑附近風速可以達到每小時2000千米。

海王星有8個衛星，其中的6個是由旅行者號發現的，海王星有四個狹窄而模糊的環，這些環可能是由小型隕石撞擊海王星衛星而形成的塵埃組成的。

三、太陽系的命運

據國外媒體報道，天文學家們在日前一個古老的星系的探測中發現其中一顆恒星周圍的小行星碎片隨著恒星的死亡而慢慢消失了，就好像原地蒸發了一樣，這一發現成果被發表在了最新一期的《自然》雜志上，文章稱，這一發現暗示著太陽系的命運，因為這個小行星碎片有可能是由于重力才會漂浮在恒星的周圍，而這一點與我們所在的太陽系非常相似，太陽的引力支持著行星圍繞在其周圍，也許再過幾十億年。太陽系也會重演這一歷史，走向滅亡。

沃里克大學的天文學家鮑里斯?格里克在對數百顆白矮星的光譜進行研究后，發現了白矮星周圍存在冰冷的灰塵星云的證據，白矮星是一種已經死亡的恒星，其外層物質不斷脫落，飄向宇宙，但其周圍還存在著一些行星，這一點與太陽也非常相似。

格里克和他的同事們研究發現，白矮星周圍的灰塵云團是由于小行星的作用而形成的，而且這種云團具有類似潮汐的性質，時強時弱，他們認為，造成這種情況的原因是恒星周圍的行星運轉影響了小行星的運行軌道，從而使得灰塵云團出現周期性的變化，恒星的引力及釋放出的熱量對于灰塵云團也會產生一定的影響，綜合這些因素灰塵格里克云團存在的時間變得很短，最終變成體積不一的新小行星圍繞著恒星運轉。

篇5

關鍵詞： 引力波； 激光干涉儀； 霰彈噪聲； 輻射壓力噪聲； 標準量子極限

中圖分類號： TH 744.3文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.004

Abstract： Laser interferometer plays an extremely important role in the discovery of gravitational wave.The quantum nose is one of the big limitation for the improvement of its sensitivity. The mechanisms and characteristics of shot noise and radiation pressure noise were discussed.The standard quantum limit （SQL） and the techniques of beating SQL were briefly introduced.

Keywords： gravitational wave； laser interferometer； shot noise； radiation pressure noise； standard quantum limit

引言

2016年2月11日，美國科學家宣布發現了引力波存在的直接證據，困擾科學家100年來的物理學難題得到破解。這是一項劃時代科學成就，具有極其深遠的意義[1]。

引力波探測經歷了艱難而曲折的過程，激光干涉儀引力波探測器的出現給引力波探測帶來巨大的希望。經過用幾十臺小型樣機進行基礎研究之后，激光干涉儀引力波探測器在世界各大實驗室迅速發展起來。二十一世紀初，幾臺大型干涉儀陸續建成并投入運轉，分別是：美國的LIGO（LLO）和LIGO（LHO），臂長4 km[2]；法國與意大利合建的VIRGO，臂長3 km[3]；英國與德國合建的GEO600，臂長600 m[4]；日本的TAMA300，臂長300 m[5]。這幾臺干涉儀的靈敏度達到10-22，完全符合設計指標，它們被稱為第一代激光干涉儀引力波探測器。隨后LIGO和VIRGO做了有限的改進，進行了“初步”升級，變成了eLIGO（enhanced LIGO）和VIRGO+，靈敏度又有明顯的提高。在短短十年內激光干涉儀引力波探測器的靈敏度就提高了四個數量級，這在探測器發展史上是極為罕見的，顯示了巨大的發展潛力。美國的科學決策機構果斷地終止了太空引力波探測計劃，退出與歐洲合作的太空探測器LISA項目，集中人力物力加緊研發第二代激光干涉儀引力波探測器高級LIGO，并在相對比較短的時間內建成，在試運行階段就發現了引力波，取得了劃時代的科研成就。它標志著長達半個世紀之久的引力波的尋找勝利完成，引力波天文學從此進入了物理研究的新階段，這是一個歷史性的轉折。

光學儀器第38卷

第6期王運永，等：光量子噪聲對激光干涉儀引力波探測器靈敏度的影響

當前，第二代激光干涉儀引力波探測器的研制已在世界各地蓬勃發展起來，除了美國的高級LIGO（LLO）和高級LIGO（LHO）[67]之外，還有英國與德國合建的GEOHF[8]，法國、意大利、波蘭、匈牙利合建的高級VIRGO，日本的KAGRA（臂長3 km）以及印度的INDIGO（臂長4 km），靈敏度為10-23。澳大利亞引力波研究中心也利用他們的小型激光干涉儀積極開展新技術、新材料、新工藝的研發。隨著第二代激光干涉儀引力波探測器的全部建成并投入運轉，一個由第二代干涉儀組成的國際引力波探測網也將建立起來，使引力波天文學研究進入快速發展的新階段。

在引力波發現的巨大鼓舞下，以愛因斯坦望遠鏡ET為代表的第三代激光干涉儀引力波探測器正在加緊研發，靈敏度又提高一個數量級，直指10-24。正如作者2013年指出的那樣：“在第二代探測器建成并運行1～2年之內，人將看到引力波探測的第一道曙光，而以第三代引力波探器為基礎的引力波天文臺的建立，必將迎來一門嶄新的交叉科學引力波天文學蓬勃發展的新時代”，這個新時代的腳步聲越來越近了[9]。

靈敏度提高一個數量級，可探測的宇宙空間會擴大到1 000倍，極大地增加了探測到的事例。但是在第二代特別是第三代干涉儀中，靈敏度的提高是非常困難的，其中主要的障礙之一就是光量子噪聲。

1激光干涉儀引力波探測器的靈敏度

在這場震驚世界的引力波發現中，第二代激光干涉儀引力波探測器起著至關重要的作用，毫不夸張地說，沒有第二代激光干涉儀引力波探測器的建成，就沒有現在引力波的發現。而引力波能否被探測到，關鍵在于探測器的靈敏度。半個多世紀以來，全世界幾代科學家都沒能探測到引力波的根本原因就是探測器的靈敏度不夠高。激光干涉儀引力波探測器的應變靈敏度可用圖1來說明。

設干涉儀的臂長為L，當引力波到來時，根據引力波的特性，相互垂直的兩臂，一個伸長，另一個相應地縮短。設臂長的變化量為ΔL，則兩臂的長度分別變為L+ΔL，L-ΔL，干涉儀的應變靈敏度hd定義為hd=ΔL/L（1）如果想要探測到應變強度h（t）g為10-22的引力波，設探測器的信號噪聲比為10，則干涉儀的靈敏度hd應該達到10-23。

探測器靈敏度提高的障礙是噪聲，影響激光干涉儀引力波探測器的主要噪聲有：熱噪聲、地面震動噪聲、光量子噪聲、引力梯度噪聲、剩余氣體噪聲、雜散光子噪聲等[10]，噪聲的分布如圖2所示。影響第二代特別是第三代激光干涉儀靈敏度提高的主要因素之一是光量子噪聲。光量子噪聲分為霰彈噪聲和輻射壓力噪聲兩大類。

2霰彈噪聲

光量子噪聲源自光的量子特性，它直接產生于測量和讀出過程。在引力波探測器所覆蓋的幾乎所有頻率范圍內，這種噪聲對探測器的靈敏度都加以限制。霰彈噪聲是光探測器中的強度量子噪聲，它在高頻區域占主導地位，輻射壓力噪聲是從測試質量反射的光子的動量轉移產生的，它在低頻區域占主導地位。從統計物理可知，激光器發射的光子數目本身是有漲落的，它遵從泊松分布，也就是說在激光束中，光子數并非在每個時間點都是相同的，激光束的強度是有起伏的。當激光束射入光探測器時，產生的光電流強度是有漲落的，這種漲落在干涉儀輸出端引起的噪聲被稱為霰彈噪聲，又叫散粒噪聲。本質上講，激光干涉儀引力波探測器是一臺變異的邁克爾遜干涉儀，為了分析霰彈噪聲的物理機制，我們忽略臂上法布里珀羅腔p光循環鏡p清模器等部分的作用，只把它看成簡單的p單次往返的邁克爾遜干涉儀。也就是說，我們假設光在臂中只往返一次，且在臂中穿行的復合光波的波前是嚴格平行的。在這種情況下，干涉儀輸出功率與其臂長之間的關系可用下式表示

3輻射壓力噪聲

光子具有動量，在干涉儀臂中往返運動的光束中的光子，在撞擊到幾乎自由下垂的鏡子（即測試質量）表面之后，會向相反的方向折回，將自己的動量傳遞給鏡子。這種光子動量的轉移使鏡子受到一種壓力，稱為光輻射壓力。在該力的作用下，鏡子會向光子彈回方向的反方向反沖，其平衡位置發生變化。由于光子數目的統計漲落，到達鏡子表面的光子數并非在每個時間點都是相等的。也就是說，光輻射壓力不是常數，它是有統計漲落的。這種輻射壓力的漲落會直接引起測試質量位置的波動，形成噪聲，稱之為輻射壓力噪聲。這是光的量子特性產生的另一類噪聲，它導致測試質量位置的直接晃動。自由質量對力的機械易感性（位移/施加的力）在遠高于共振頻率的區域是1/（MΩ）2。其中M是鏡子的質量，Ω是我們感興趣的頻率。因此，輻射壓力噪聲在低頻區域顯得更為重要。量子噪聲在低于20 Hz的區域變得更大就是由這個效應引起的。增加鏡子的質量可以降低測試質量對力的機械易感性，從而減小輻射壓力效應對測試質量運動的影響。初級激光干涉儀引力波探測器測試質量為10 kg，為了減小輻射壓力噪聲的影響，高級探測器的測試質量為40 kg，而第三代探測器愛因斯坦望遠鏡（ET）的測試質量已增加到200 kg。

下面估算簡單的激光干涉儀（即無臂上法布里珀羅腔，無功率循環）中輻射壓力噪聲的大小。從一個無耗損的鏡面反射的功率為P的光波，對鏡子的作用力

4.3標準量子極限的突破

根據量子場論可知，激光干涉儀引力波探測器中的量子噪聲來自真空漲落與干涉儀內部光場之間的耦合。這種耦合導致用做探針的激光的相位和振幅的不確定性。這種不確定性以兩種方式影響干涉儀的輸出信號，相位的不確定性直接污染干涉儀的相位測量，擾動干涉儀輸出信號的強度，該效應就是所謂的霰彈噪聲。振幅的不確定性，即光束振幅的變化將導致測試質量上光壓力的變化，直接影響測試質量的運動。這個效應就是輻射壓力噪聲。

光量子噪聲在經典的麥克爾遜干涉儀中對探測靈敏度形成一個基本的極限。只要光的霰彈噪聲和輻射壓力噪聲之間不發生關聯，光束就穩固地施加標準量子極限。使干涉儀探測靈敏度突破“標準量子噪聲極限”的技術稱為“量子噪聲壓低”技術（QNR），有時也被稱為“量子非破壞技術”（QND），大幅度突破標準量子極限的出路在于改變常規干涉儀的光學結構或讀出線路的設計。利用信號循環技術和光壓縮技術，可以在一定的頻率范圍內以適當的尺度突破標準量子極限。

（1）信號循環

信號循環是一項十分重要的技術。該操作是在干涉儀的暗口放置一面鏡子，稱為信號循環鏡。信號循環鏡將從暗口輸出信號反射回干涉儀。這時干涉儀可以等效成一面鏡子，它將被信號循環鏡反射回來的信號再向輸出口方向反射回去.使信號循環起來，把一臺常規干涉變成一臺信號循環干涉儀。信號循環鏡和干涉儀等效成的鏡子之間形成的共振腔，稱為信號循環腔。從載頻光產生的引力波信號在該腔內共振，得到共振增強。

信號循環鏡把從暗口出來的光信號反饋回干涉儀內，這時干涉儀臂上法布里珀羅腔內的光學場也含有經反饋而來的引力波信號h及與其相關的噪聲特別是霰彈噪聲，從而使光的霰彈噪聲和輻射壓力噪聲發生動態關聯。當輸入激光功率很大時，它能破壞光在自由質量上施加標準量子極限的能力。改變干涉儀噪聲曲線的形狀，在一定頻率范圍內突破標準量子極限。

（2）壓縮光場

量子場論是標準模型的根基。在量子場論中，電磁場的最低能量狀態叫“真空態”或稱為“零點場”。根據量子力學的測不準原理，沒有什么東西的能量是絕對為零的。既然真空是電磁場的一個能量狀態（即便是最低能態），它的能量也是不為零的，因而是有漲落的。

在量子場論中，電磁場是用振幅和相位這兩個正交量來描述的。真空漲落就寓于振幅和相位這兩個正交量的漲落之中。漲落水平能夠在這兩個正交量之間對立地進行互易，但兩個漲落的乘積受測不準原理的約束，是保持不變的。電磁場的零點漲落是由電磁場的量子特性導致的。電磁場的真空漲落可以通過干涉儀的輸出口進入干涉儀內部并與干涉儀內部光場之間耦合，導致用做探針的激光的相位和振幅的不確定性，形成光量子噪聲。如果沒有從輸出口進入干涉儀內部的真空漲落，干涉儀輸出信號中的量子噪聲就可以小到忽略不計的程度。

上述正交算符形象化的通用方法是所謂的“棍球”圖像。圖4給出相干光場的“棍球”圖像表示。設光場是由數量巨大的光子M成，由于光子的量子特性，它們并不都具有相同的振幅和相位而是遵循一定的幾率分布。當在一個有限的時間段內進行連續測量以便確定光子狀態時，每次測量所得的結果都可以用X1（r），X2（r）平面內的一個點來表示。當大量的測量完成之后，我們就可以測出光態的幾率分布，這個分布如圖4中的“球”或“云”來表示，實線箭頭指著球心。球心是X1（r），X2（r）平面內的一個特殊點，代表著完成一次測量后，在這個態上遇見光子的最高幾率。這樣就可以把光場的相干部分用箭頭表示出來，而場的不確定性用球表示。光的量子特性禁止我們將球的區域減小到一個確定的極限以下。這個極限稱為“不確定性極限”又被稱為“標準量子極限”。

雖然海森堡測不準原理控制了球的最小體積，我們仍然可以自由地改變球的形狀。改變球形狀的方法之一是所謂的“壓縮光技術”[13]。如果我們想在高頻部分改善引力波探測器的靈敏度，我們就需要注入相位壓縮光。將球壓縮成橢球，壓縮橢球的短軸平行于正交相位的方向，這樣我們就能在高頻部分改善信號噪聲比，從而改善干涉儀高頻區域的靈敏度。同理，如果我們想在低頻部分改善引力波探測器的靈敏度，我們就需要注入振幅壓縮光。利用變頻壓縮技術改變注入光的壓縮角，就可以在整個感興趣的探測頻帶內突破標準量子極限，減小光量子噪聲，提高靈敏度。

光的壓縮態一般可以用非線性光學效應產生，在過去十年間，用于引力波探測器的壓縮光產生技術取得了長足的進步，壓縮水平已超12 db[15]，壓縮頻率可以下降到幾個赫茲[16]。

5結論

引力波的發現使引力波天文學實現了從尋找引力波到天文學研究這一歷史性轉折，開辟了引力波天文學研究的新紀元。在這重大的科學發現中，第二代激光干涉儀發揮了不可替代的作用。

當前，世界上以電磁輻射為觀測手段的傳統意義上的天文臺有數十個之多，為人類文明的發展做出了巨大貢獻，第三代干涉儀是引力波天文臺的基礎設備，以引力輻射為探測手段的引力波天文學臺一定會在世界各地迅速建立起來。天文學研究必將進入一個嶄新的發展階段。

第三代激光干涉儀引力波探測器的設計目標是將靈敏度再提高一個數量級，達到10-24。這是一個非常具有挑戰性的任務，光量子噪聲的降低則是必須采取的重要措施之一。

參考文獻：

[1]ABBOTT B P，ABBOTT R，ABBOTT T D，et al. Observation of gravitational waves from a binary black hole merger[J]. Physical Review Letters， 2016， 116（6）：061102.

[2]ABRAMOVICI A， ALTHOUSE WE， DREVER RW， et al. LIGO： the laser interferometer gravitationalwave observatory[J]. Science， 1992， 256（5505）： 325333.

[3]CARON B， DOMINJON A， DREZEN C， et al. The Virgo interferometer[J]. Classical and Quantum Gravity， 1997， 14（16）： 14611469.

[4]LUCK H.The GEO600 Team. The GEO600 project[J]. Classical and Quantum Gravity， 1997， 14（6）： 14711476.

[5]ANDO M，ARAI K，TAKAHASHI R，et al. Stable operation of a 300m laser interferometer with sufficient sensitivity to detect gravitationalwave events within our galaxy[J]. Physical Review Letters， 2001， 86（18）： 39503954.

[6]HARRY G M. Advanced LIGO： the next generation of gravitational wave detectors[J]. Classical and Quantum Gravity， 2010， 27（8）： 084006.

[7]SMITH J R. The path to the enhanced and advanced LIGO gravitationalwave detectors[J]. Classical and Quantum Gravity， 2009， 26（11）： 114013.

[8]GROTE H. The GEO 600 status[J]. Classical and Quantum Gravity， 2010， 27（8）： 084003.

[9]王\永， 朱宗宏， 迪薩沃. 引力波天文學―一個觀測宇宙的新窗口[J]. 現代物理知識， 2013， 25（4）： 2534.

[10]MESSENGER C， READ J. Measuring a cosmological distanceredshift relationship using only gravitational wave observations of binary neutron star coalescences[J]. Physical Review Letters， 2012， 108（9）： 091101.

[11]王小鴿，LEBIGOT E，都志輝，等. 引力波數據分析[J]. 天文學進展， 2016， 34（1）： 5073.

[12]CAVES C M.Quantummechanical radiationpressure fluctuations in an interferometer [J]. Physical Review Letters， 1980， 45（2）： 7579.

[13]CAVES C M. Quantummechanical noise in an interferometer[J]. Physical Review D， 1981， 23（8）： 16931708.

[14]SAULSON P R. Thermal noise in mechanical experiments[J]. Physical Review D， 1990， 42（8）： 24372445.

篇6

天體物理學屬于應用物理學的范疇，是研究天體的形態、結構、化學組成、物理狀態和演化規律的天文學分支學科。由于天體物理學是一門很廣泛的學問，天文物理學家通常應用很多不同學術領域的知識，包括力學、電磁學、統計力學、量子力學、相對論、粒子物理學等。

本書作者Leonard S Kisslinger是美國卡內基梅隆大學教授，他意在使任何學科的學生對于近幾十年天體物理學取得的那些令人興奮和感到神秘的發展有一些了解。本書解釋了宇宙從早期到現在的演化過程，運用通俗易懂的講述方式使任何一個擁有高等數學基礎的大學生都能夠理解。

全書由10章組成：1.天體物理學的物理概念：速度、加速度、動量和能量的基本概念，溫度（作為一種能量形式），力和牛頓運動學定律；2.力和粒子：基本粒子的標準模型，原子、原子核、重子等；3.哈勃定律―宇宙膨脹：首先定義和討論了光的多普勒頻移和紅移，然后從星系中光的多普勒頻移的測量回顧了哈勃定律，最后討論了宇宙的膨脹；4.恒星、星系等：地球怎樣繞著太陽旋轉，太陽（作為一個熔爐）的特性，大質量恒星由于引力坍塌導致脈沖星和黑洞形成的過程；5.中微子振蕩、對稱性和脈沖星沖擊：稱為中微子振蕩的中微子相互轉化的三種標準模型的重要屬性，怎樣利用中微子振蕩來測量宇稱性、電荷共軛和時間演化對稱性，通過中微子發射來解釋脈沖星沖擊的可能原因；6.愛因斯坦狹義和廣義相對論：狹義相對論中的重要假設，以及由此產生的長度收縮和時間膨脹，由洛倫茲變換得到的附加速度的愛因斯坦方程與假設的相一致性，利用相對動量和張量簡單討論了廣義相對論；7.從廣義相對論得到的宇宙的半徑和溫度：宇宙的弗里德曼方程、宇宙膨脹的引力輻射和重力波，以及引力量子場理論；8.宇宙微波背景輻射：宇宙微波背景輻射相關的一些概念，重點是溫度和時間的相關性；9.電弱相變（Electroweak phase Transition）：定義了量子力學的相變和潛伏熱，重點討論了電弱理論和電弱相變，電弱相變和其產生的重力波間磁場的建立過程；10.量子色動力學相變：量子色動力學相變和銀河系和星系團之間磁場的關系，由于相對論性的重離子碰撞量子色動力的產生。

本書的目的是使大學生理解描述宇宙演化的基本物理概念，并基于此講述早期到現在宇宙演化背后的天文物理學理論。本書不要求學生有太深的數學基礎，適用于所有對科學尤其是天文科學感興趣的大學生，同時也適合于對這些話題感興趣的讀者。

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在法國巴黎的工藝博物館里，陳列著兩件不太引人注目，卻曾對全人類意義重大的展品。它們就是基本物理量中力學里計量長度的“米”和計量質量的“千克”的原器。人類在使用同位素輻射波長，及后來更精確的光速定義“一米”的長度前，被精心保管的“米原器”是全球都要遵循的長度基準，“千克原器”則擔當著“世界砝碼”的重任。

您如有幸走進這家博物館，看到這兩件計量原器和它們周圍大量復雜的機械發明，或許會心生疑問：現在我們人類所歆享的便捷生活，難道是從這兩件計量原器生發出來的嗎？從某種意義上說，事實也許正是如此。今天，人類的生活越來越精細化了。當為物理學家嚴謹定義的計量單位服務于社會，“標準化”便水到渠成，成為人類社會邁向現代文明的基石。此外，人類社會的三次工業革命，也沒有一次能離開物理學的推動。不過，物理學研究的價值還不止于此。

約四個世紀前，開普勒三定律揭示了行星運動的規律，摧毀了托勒密的“地心說”，開啟了現代科學;到了20世紀初，量子論和相對論的建立，讓人類對物質世界的認識發生了革命性的變化;而今，我們開始探索和認知宇宙中約占95%的暗能量與暗物質的本質。物理學的發展，讓我們對客觀世界的認識越發深刻和透辟。

物理學為人們帶來生活上方方面面的改變。古人不了解天氣變化的本源，便誕生了種種自然崇拜。大氣物理學研究逐漸撩開這層蒙昧的迷霧，揭示了諸如雷電、霧凇、幻日和彩虹等氣象現象的本質;也“挖掘”了云所蘊含的氣象“信息”;人類已能夠相當準確地預測地球上的天氣，并按照需要在小尺度上改變天氣;對太陽物理的研究，使可能影響人類高技術系統的太陽活動和太空災害天氣得以被預報和預警。

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關鍵詞：物理學史；主動性；物理教學

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2013）30-211-01

物理學是人類社會實踐的產物。它的每一個基本概念、基本定律和基本理論，都有一個萌芽，形成和發展演化的曲折過程。但是，在大量的物理教科書中，人類對物理學認識的歷史痕跡被擦拭殆盡，物理學家們的曲折頑強的創作過程常常被物理學理論嚴格、精美的邏輯體系的面紗遮蓋起來，學生只能通過具體的物理定律或公式前面所注有的科學家的名字，模糊地了解那一段歷史。物理學史是人類對自然界中各種物理現象的認識史，它體現了人類探索和逐步認識世界的現象、結構、特性、規律和本質的歷程。物理學史的課程資源可以激發學生的學習興趣，幫助學生理解和掌握物理學知識、發展獨立思考的能力、學習科學方法、進行科學思維的訓練等，有助于學生的學習。

一、物理學史知識的滲入有助于激發學生的學習興趣

著名物理學家愛因斯坦說過：“興趣是打開科學大門的導師。”只有當學生對學習有了興趣，才能表現出學習的自覺性、主動性，才能積極主動去克服學習中遇到的困難。為了培養學生的學習興趣，我們在教學中，通過對物理學史的回顧，通過了解物理學家的生平、各學派間的爭端以及尚未解開的物理課題等使學生消除對物理知識來源的神秘感，來激發學生學習物理的興趣，感知物理學家嚴謹的科學態度和科學思維方法，不斷提高自身的思維能力，變被動學習為主動學習。例如：在講牛頓第一定律的時候如果只講一個斜面實驗得出物體在不受外力作用時將保持勻速直線運動或靜止狀態。學生記得太抽象太枯燥，但如果你將亞里士多德推物體就運動不推就停止得出的力是維持物體運動狀態的原因這個觀點提出，伽利略又加以反駁，在光滑的木板上小車失去推力以后還會繼續運動，得出力是改變物體運動狀態的原因。再介紹伽利略斜塔實驗時大鐵球、小鐵球同時下落，加上牛頓管中羽毛與鐵片同時下落的實驗，說明力是改變物體運動狀態的原因。學生聽得非常入神，再介紹牛頓將伽利略的觀點總結推廣成不受力時將保持靜止或勻速直線運動狀態，加上了靜止的情況。引牛頓的一句話：“如果說我比別人看得遠一點，是因為我站在了巨人的肩膀上。”引出牛頓第一定律的得出過程，給學生增加了很大的學習興趣，再加上前人在探索實驗過程中的認真求實精神非常值得學生學習。學生有了學習興趣，學習才會更加主動，遇到問題時解決問題才更加有了信心，也使學生在學習過程中養成了嚴謹的學習態度，不斷提高自己的科學素養，變被動學習為主動學習。

二、物理學史知識的滲入有助于增強學生對物理知識的全面理解和掌握

物理規律是反映了物理現象、物理過程在一定條件下發生、發展和變化的規律。在進行物理教學時，教師為了讓學生最有效地掌握好物理規律，應使其對物理規律的建立過程有一定的了解，這就需要教師經常把物理學史知識滲透到物理教學之中。這是由于物理學的創立和發展是具有連續性的，后人的研究工作總是以前人的研究成果為基礎，重要的物理規律都是經歷了艱難和曲折的歷史發展過程的。教師讓學生了解這些規律的發現過程，會對學生學習物理規律、形成嚴謹的工作態度和作風產生重大的影響。例如在講述開普勒三定律時，教師可以給學生介紹當時的社會背景：16世紀以后的歐洲，航海、戰爭和工業的發展，推動了人類對天體的觀測和研究。波蘭的天文學家哥白尼對天象進行了長期的觀測，獲得了大量的觀測資料，在對這些觀測資料進行了整理和分析后，提出了“日心說”的理論體系，了統治天文學領域一千多年的托勒密“地心說”體系，打開了自然科學的大門。繼哥白尼之后，丹麥天文學家第谷以他驚人的毅力和畢生的精力對行星的運動進行了精確的觀測，并采集到大量的觀測數據，這為他的學生開普勒的進一步研究打下了良好的基礎。開普勒有著豐富的想象力和杰出的數學才能，在整理和研究第谷所觀測到的數據中總結出了開普勒三定律。在回顧歷史的過程中，教師將行星運動規律內容跟物理學史聯系起來，讓學生知道定律的來龍去脈，可以讓其得到一個能夠反映事物之間相互聯系的、完整的認識，給定律增加豐富的內涵，從而有助于學生對定律的內涵和外延的理解與掌握。

三、物理學史知識的滲入有助于培養學生科學的思想方法

物理學之所以被人們公認為一門重要的科學，不僅僅在于它對客觀世界的規律作出了深刻的揭示，還因為它在發展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。例如，觀察和實驗、類比和聯想、猜測和試探、分析和綜合、科學假設方法等等。物理學史中有大量生動事例說明科學大師們熟練而巧妙地運用這些方法取得重要成果的過程。利用這些事例，可以對學生進行具體的科學方法的教育。比如在講授“牛頓第一定律”時，介紹伽利略的一個理想實驗。然而，為了讓學生能夠在有限的學時內更快地掌握系統的物理知識，教材往往把教學內容按定義、定理、推論、例題的順序編寫，這樣雖利于學生記憶知識，應用知識解題，但無法讓學生了解到知識產生的過程，不能從思想深處接受這些知識。物理學史的知識的滲入可以彌補這方面的不足。物理學史能告訴我們物理學思想的邏輯行程和歷史行程，它的滲入不僅有助于學生了解各概念、定理、定律的來龍去脈，而且有助于學生逐步掌握正確的科學思維方法。

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理想萌芽 放任想象

1998年2月14日，一個男孩在美國洛杉磯降生了，爸爸是巴西人，媽媽是臺灣人，有著一張東方人面孔的男孩隨母親入臺灣籍，取名凱孝虎，小名小虎。

很小的時候，小虎就對天空充滿了興趣，總是跟媽媽討論各種有關天空的問題。當小虎從媽媽那里得知，這個世界上還有別的星球，上面也可能有生物體居住的時候，他興奮極了。

有一天，午睡的小虎哭著醒來，告訴媽媽，自己剛才做了一個噩夢，有外星人坐著宇宙飛船來到地球把他拐走了。媽媽微笑著安慰天真的兒子：“外星人沒有那么壞啦。”幾天后，是小虎4歲生日，禮物是一臺天文望遠鏡。媽媽告訴他：“有了這個，你就可以看到外星人啦。”從此以后，天文望遠鏡成了小虎最好的玩具，觀察星河、月亮成了他每晚必做的功課。

為了滿足小虎對外太空的好奇心，媽媽買來很多相關的書籍，而且每天用通俗易懂的語言給小虎講書上的內容。每當這時，小虎總是瞪大眼睛，聽得津津有味。后來，他開始自己認字看書，遇到不會的字就查字典。

轉眼間，到了上學年齡，可是小虎根本就不愿意上學，因為他愛動腦筋愛看書，他的知識儲備早已經超過了同齡孩子。兩個月后，小虎的老師把媽媽叫到了學校，很嚴肅地說：“你的孩子從來都不乖乖聽課，也不聽老師的話，甚至都不喜歡和別的孩子一塊玩，再這樣下去，恐怕他很難畢業。”媽媽深深吸了一口氣，她知道小虎不是“問題小孩”，他只是把時間都投入到了自己的理想之中：尋找外星人。

道路曲折 自己決定

小虎的媽媽做了大膽的決定，讓小虎退學。退學之后，小虎開始在家自學。在他幼小的心靈中，滿滿的全是如何尋找外星人。為了研究宇宙飛船的運行原理，他決定學習函數。當媽媽帶著乳牙還未掉的小虎來到社區大學時，老師們都驚呆了。這個小家伙中英文流利，懂得飛機的運行原理，能背所有已知星系的名稱，甚至把行星運行原理解釋得頭頭是道。

就這樣，8歲的小虎進入洛杉磯社區大學。然而，大學生活并不順利，面對晦澀難懂的各類數學公式，他犯懶了，后來干脆耍起賴皮不學了。

剛進入社區大學不久就退學，這個“二次退學”的小孩成為當地的新聞人物。家里的人都怪小虎媽媽太縱容，可媽媽相信她要做的就是給兒子一個寬松的環境，尊重他自由選擇的權利。

媽媽告訴小虎，要想開飛機，身體素質必須過關，于是，放棄了研究天文的小虎開始參加體育鍛煉。他每天堅持跑步，還報名參加了一個武術班。誰知，這一練，竟然上癮了，小虎的功夫突飛猛進，一年后，他代表洛杉磯兒童隊參加全美武術競賽，取得了不錯的名次。這時的小虎，已經從一個小小的天文學家轉型成為“運動小達人”。

很快一年過去了。9歲的小虎又有了新的夢想，他向所有人宣布：“我要當一個作家，寫有關外星人的科幻小說。”面對兒子一次又一次任性地修改夢想，媽媽陪她參加寫作培訓班，買來文學名著閱讀分析，只為當兒子提出有關寫作的問題時，能給他最好的回答。

幾個月后，小虎人生中的第一本小說出版了。這本名為《沖向未來》的科幻小說，講述了一個從小就熱愛飛機的男孩如何來到外星球，探索和過去不一樣的生活。由于有著過硬的天文學知識，再加上豐富的想象力，這本小說寫得有模有樣，在美國出版界引起了不小的轟動。小虎成為洛杉磯的“小名人”，洛杉磯著名高中Harvard-Westlake也向小虎投來了橄欖枝：若就讀該校，將來可以考取全美十大名校。

就在回復Harvard-Westlake校長的前一天，媽媽把小虎叫到面前，做了一次長談。可是小虎面對眼前的選擇，眼中依舊閃著迷茫，他猶豫地對媽媽說：“媽媽，其實我不怎么喜歡寫作，我想我還是更愿意研究怎么尋找外星人。”

媽媽拍拍小虎的肩膀，說：“兒子，你自己的人生，自己來做決定，媽媽永遠都支持你。”

勇敢向前 放飛夢想

有了媽媽的支持，10歲的小虎放下寫字的筆，重新定義夢想，回歸到最初的選擇。他拒絕了高中，拿起函數書，開始自學。盡管小小年紀，他卻數次更改夢想，也為實現自己的夢想付出了無數的努力，這些經歷都讓他迅速成熟起來。

12歲那年，小虎考入加州大學洛杉磯分校數學系，成為該校年紀最小的學生。

大學里的小虎，是優秀的學生、活潑的少年。他還保持著練武的習慣，是校足球隊主力，寬廣的知識面和開朗的性格，再加上陽光帥氣的笑容，讓他成為學校里受歡迎的學生之一。面對著比自己大很多的哥哥姐姐，小虎一點也不畏生，他還在學校里成立飛機模型興趣小組，自己擔任組長，和幾個志同道合的學哥學姐一起研究飛機模型。

2013年，15歲的小虎大學畢業。3年大學生活，讓他對自己的未來有了更清晰更詳實的計劃。為了更好地實現夢想，小虎繼續留校，攻讀網絡安全碩士。大學畢業之后，小虎還做了一件對他來說很重要的事情：考飛行員執照。當他真正獨自一人開著飛機沖上云霄的時候，眼淚流了出來：那在別人看來遙不可及甚至有些可笑的夢想，在自己這里，終有一天會實現！

篇10

關鍵詞： 威廉?惠商?塞西爾?丹皮爾 《科學史及其與哲學和宗教的關系》 科學史

威廉?惠商?塞西爾?丹皮爾是20世紀英國著名的科學史家，以批判、實證精神對科學思想發展史進行了深入研究，成就蜚然，有《物理科學的發展近況》、《劍橋現代史》中的“科學時代”部分等著文，為現當代科學史研究體系的確立和發展作出了卓越貢獻，《科學史及其與哲學和宗教的關系》（以下簡稱《科學史》）一書已成為當代學術研究繞不過去的科學史經典名著，自然也是哲學專業學生的一本必讀書。

丹皮爾的《科學史》是以一首詩作為它的開場白，詩的題目叫做“natura enim non nisi parendo vincitur”，翻譯成中文叫做“自然如不能被目證那就不能被征服”，又用詩化的語言描述了人類從巫術到宗教到哲學再到科學的發展過程。丹皮爾的《科學史》清新的文風，流暢的文筆讓我們耳目一新。

為了更好地解釋科學發展的歷程，我們首先有必要解釋清楚：什么是科學。給科學下定義是一個難事，在書中，按照丹皮爾的理解，或許用wissenschaft這個德文單詞最為貼切，它不單單包括science，還包括歷史語言學和哲學。但是在《科學史》中，丹皮爾更多的是指Nature science，正如他在緒論里說的那樣：“在我們看來，科學可以說是關于自然現象的有條理得知識，可以說是表達自然現象的各種概念之間的關系的理性的研究。”①這個關于科學的定義不僅簡潔，而且明了。

博學的丹皮爾在《科學史》中，是按照歷史的發展順序來描述的，從古代世界的科學開始，探討了中世紀，文藝復興，19―20世紀科學，以及對科學的展望。在對于巫術、宗教、哲學和科學起源先后的問題上，丹皮爾更多的是采用了弗雷澤在《金枝》中的觀點，認為最先產生的是巫術，之后發展起來的是原始的宗教，然后才是科學與哲學。所以丹皮爾指出：“科學并不是在一片廣闊而有益的草原上發芽成長的，而是在一片有害的森林成長起來的。”②但是各個早期文明，在經歷了巫術與迷信的時代后，都先后邁進了宗教與神話的年代，以古希臘為例。由于奧菲教義的傳播，丹皮爾指出，正是這一原始的觀念，產生了來源和傾向都不同的兩個哲學流派，一個是愛奧尼亞的自然哲學，另一個則是神秘主義的畢達哥拉斯學說。首先擺脫神話傳統的米利都學派的泰勒斯提出水是萬物的本源，這一思想的精髓被之后的阿納克西曼德、阿那克西米尼發展，并被恩培多克勒的“四根說”所吸納，最終為原子論者留基伯及其弟子德謨克利特完善。而另一條路則由畢達哥拉斯創立，并由蘇格拉底、柏拉圖、亞里士多德發展而成。之后歷史進入了希臘化時期，亞歷山大里亞學派崛起，羅馬時期伊壁鳩魯等人不斷努力。再之后的中世紀，則強調了神學對哲學和科學的影響。再到14―15世紀的文藝復興，達芬奇、哥白尼、培根、伽利略、笛卡爾等大師輩出的年代，以及之后的牛頓經典力學時代的影響，一直到19―20世紀，自然科學在物理學、天文學、生物學的發展，以及哲學與科學在這一時期的關系。丹皮爾在《科學史》中為我們清楚地描繪了科學那漫長的發展歷史，讓我們懂得了要從歷史的角度追尋科學發展的軌跡。

丹皮爾在《科學史》中對科學與宗教的關系的論述同樣精辟。或許對很多人來說，宗教和科學就是兩個對立面的產物，其實這一觀點是有失公允的。首先，在古代歷史上，正是由于古巴比倫宗教的影響，推動了其天文學的發展；而印度的宗教思想則推動了其醫學的發展，丹皮爾在書中寫道：“釋迦把他的體系建立在博愛、知識和尊重理性和真理的基礎上。”③同樣的，古希臘的宗教與神話也推動了科學的進一步發展。其次，在中世紀的基督教統治下，宗教與科學的關系也不是截然對立的。如丹皮爾強調：“早期的基督教神父奧利金就公開宣布古代學術，特別是亞歷山大里亞的科學，與基督信仰是一致的。”④同樣的，圣托馬斯?阿奎那認為知識有兩個來源，一個是基督教信仰的神秘，一個是人類理性所推斷出的真理，而他的體系是按照亞里士多德的邏輯學和科學建立起來的。而中世紀的經院哲學中徹底唯理論的思想也為近代科學的產生提供了學術氛圍，保持了科學的崇高性。丹皮爾這樣描述：“經院派的哲學唯理論，從一個普遍而有秩序的思想體系中產生，又適合這個體系，且為科學預備了這個信念。”⑤丹皮爾的《科學史》通過比較全面的論述，讓我們知道科學在其發展歷程中與宗教聯系緊密，宗教為科學的發展也作出過不少的貢獻。

關于科學與哲學的關系的精辟見解，也是丹皮爾《科學史》的一個亮點。在古希臘人看來，哲學和科學就是一個東西。泰勒斯既是最早的自然哲學家，又是自然科學家，在天文學、幾何學方面也有深厚的造詣。而畢達哥拉斯在數學上的成就也十分偉大，畢達哥拉斯定理為人們所熟知。其后的希臘化時期也延續了這種思想，并被中世紀的神學所承認，哲學與科學又和神學融為一體，如圣奧古斯丁將新柏拉圖主義與基督教相融合，經院哲學對理性地位的維護，為自然科學假定自然是可以理解的鋪平了道路。但是在文藝復興以后，科學與哲學卻開始分道揚鑣，走上了相反的方向。實驗主義的興起，使科學家可以采用實驗的方法來研究自然，與經院哲學產生了巨大的分歧。而牛頓經典力學體系的建立，則使自然哲學開始建立在牛頓力學的基礎上，使哲學與科學重新走在了一起。但是，隨后的康德和黑格爾哲學卻又再一次走向分離。丹皮爾這樣描述：“康德和黑格爾的追隨者引導唯心主義的哲學離開當時的科學，同時，當時的科學也很快對形而上學不加理會了。”⑥哲學家指責科學家眼界狹窄；科學家反唇相譏，說哲學家發瘋了。其結果是科學家開始在某種程度上強調，要在自己的工作中掃除一切哲學影響，其中有些科學家，包括最敏銳的科學家，甚至對整個哲學都加以非難。當馬赫在1883年請求人們注意力學的哲學基礎時，大多物理學家要不是不加理會，要不就是加以輕視。但是在經過了這段分離的時期后，哲學與科學又重新走向了融合，按照丹皮爾的理解，這一過程最先是在進化論思想中聯合起來：進化論要求把有機體看作一個整體以及達爾文的成功，增強了機械論哲學的再起。而之后再物理學、數學領域的新發展也推動了兩者的攜手。丹皮爾寫道：“近來的數學原理和邏輯學原理的研究更清楚地闡明了認識論，一種新的實在論也應運而生了。”所以，哲學和科學兩者本質上是統一的，科學要發展需要哲學的思想，而哲學的前進也需要科學進步作為基礎。

從丹皮爾的《科學史》中，我們可以清晰地發現他在科學史上的深厚造詣，對科學與宗教、哲學的關系不乏獨到的見解。隨著時代的發展，丹皮爾書中的某些觀點或許已不合時宜，但是他對那個時代科學的看法仍值得我們研究探討。同時，他獨立思考、嚴謹專業的態度更值得我們學習和提倡。

注釋：

①［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社，第8頁.

②［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社，第22頁.

③［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社，正文第8頁.

④［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社，正文第62頁.

⑤［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社，正文第86頁.

⑥［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社，正文第282頁.

參考文獻：

［1］［英］W?C?丹皮爾.科學史及其與哲學和宗教的關系.廣西大學出版社.

［2］江曉原主編.科學史十五講.北京大學出版社.

［3］［英］J?R?弗雷澤.金枝.大眾文藝出版社.

［4］趙佳苓譯.科學家在社會中的角色.四川大學出版社.

［5］全球通史.斯塔夫理阿諾斯.上海社科出版社.