天文学的定义范文

导语：如何才能写好一篇天文学的定义，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

为什么是冥王星

在中国紫金山天文台王思潮研究员看来，冥王星是个“调皮鬼”，首先，由于它表面光反射的原因导致他的发现者美国人克莱德・汤博当时错估了它的质量，认为它的体积比地球大数倍。这样的结论使它很快作为太阳系第九颗行星进入教科书。但随着现代天文观测仪器的不断升级，哈勃大望远镜证实它实际上是月亮还要小的岩石。

王思潮研究员介绍说。冥王星还有着与众不同的公转轨道。其他行星的轨道平面都与黄道平面(地球轨道平面)基本一致，冥王星的轨道平面却与黄道平面呈很大夹角。其他行星的轨道几乎是完美的圆形，而冥王星的轨道是一个有很大偏心率的椭圆形。

20世纪50年代，天文学家柯伊伯预言，在海王星轨道以外存在着一个类似于小行星带的区域，冥王星只是这群小天体中个头较大的一颗。在对冥王星的归属问题的讨论中。王思潮研究员提到了在美国工作的英国天文学家莱恩・马斯登马斯登。1980年，马斯登曾提出要给冥王星降级，遭到美国天文学家的集体反对，在一个学术讨论会上，马斯登遭到威胁：如果再提这事就要把他扔到宾馆的游泳池里去。

到了1992年，柯伊伯的预言被证实，在冥王星区域发现的天体越来越多，体积越来越大。使得对“第九大行星”资格的质疑之声也越发响亮。2003年，加州理工学院的天文学家迈克・布朗发现了2003UB313。它的出现成了最后一根稻草――它在大小上完全压倒了冥王星，它的归属问题也成了引爆大行星定义之争的直接导火索。

布朗理直气壮地宣布：“拿起你们的笔，从今天开始改写教科书吧。”

为了平息众说纷纭的争吵，国际天文学联合会专门成立了“行星定义委员会”来解决这个问题，并把今年的国际天文学联合会大会的重要议题。

争论还在继续

王思潮研究员认为：“冥王星被开除出太阳系行星的行列，这丝毫不影响其科学研究上的重要意义。”跟迈克・布朗一样。在20年前，王思潮研究员的梦想也是要发现第十大行星，但他现在认为这个定义使得天文学的研究“由量的变化变成了质的飞跃”，他认为，本次决议中5A中所阐述的概念是更科学、更明确的。它的重要意义在于．“就好像化学元素的研究一样，发现周期表中没有的元素固然重要，但更有意义的事情是对原子核的研究和电子的发现。”

篇2

关键词：望远镜；天文学；远程控制；管理系统

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A文章编号：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

天文学是人类最早开展研究的学科之一，古代天文学的研究方式一般基于都是肉眼所见，研究的内容也仅仅是对天文现象的文字记载和简单推算。因此，在很长的一段历史时期内，古代天文学研究的一直没有任何突破性的发展，研究方法依然简单，缺少相应的理论支持。大概在十七世纪初，望远镜的发明使天文现象的观测水平大幅提高。在那之后，许多天文科学家都投入到天文望远镜的研制之中，天文望远镜研制技术的不断发展，有效的推动了天文学研究的发展，获得了很多的新的科研成果。

随着望远镜技术、探测器技术以及计算机技术的发展，通过天文观测获得的数据量正在成倍增长，另一方面，国际上各种的巡天计划的数据在不断的累积，如Hubble太空望远镜每天的数据量大约为5GBytes。但是，这些并不意味着人们从中可以获得的信息量也日益的丰富。人们需要改变这种 “数据越来越丰富，但没有丰富的信息、知识”的情况。迅猛上升的大量数据保存在各种系统和介质中，不便于人们对其进行整理和管理。为解决上述问题只有开发建设虚拟天文台这样的一个答案。

现在，天文学家们已经意识到建设虚拟天文台对天文现象研究的重要性。在中国，北京天文观测台、清华大学FAST课题组、西安电子科技大学、哈尔滨工业大学等单位对天文望远镜的控制系统有了一定的实验验证和理论成果。二零零零年一月，经过中国、美国、奥地利三个国家的许多物理学家的不断努力，建立了一个全球范围内的H-alpha全日面像联测网络。该联测网络包括下面这样几个：Big Bear Solar Observatory(USA)，Kanzelhohe Solar Observatory(Austria)，云南天文台，Catania Astrophysical Observatory，以及怀柔太阳天文台。

从控制方法上看，目前存在三种主要的方法：集中控制、主从控制和分布式控制。从自动化程度来看，望远镜控制的流程自动化运行模式还处于初级阶段。

国际上望远镜的控制主要有以下方式：

1.通过控制手柄的按钮手动控制望远镜的转动，实现寻星。此方法仅适用于从事天文观测的专业人员。

2.观测人员一步步地使用控制软件的界面，调节望远镜进行观测。这是最基本的非自动化的运行模式。

3.全自动导星方式。在计算机中输入要观测的恒星或行星的名称或坐标，计算机通过软件控制望远镜实现自动化寻星。自动化寻星的流程固定在程序中，不能更改，留出一些参数供观测人员现场配置。

下面将简单的讨论一下网络控制技术和管理系统的相关内容。

首先，我们讨论一下网络控制技术，我们将控制网络分为两个组成部分：第一是面向设备的现场网络；第二是面向控制系统的控制网络；用现场网络（如RS-232/422/485，CAN，Lonworks，工业以太网等）连接现场设备，并通过特定的接口（如标准以太网接口）联接到控制网络，控制网络再连接到对应的其他系统，另外，因为广域网技术的不断发展，从根本上来说这些控制网络是能够平滑的接入广域网并且形成更强大的控制网络。

其次，我们再来讨论XML和Web服务技术。当前，国际天文学研究的主要方向是努力于将XML引入天文数据处理/存储/交换领域，而这项研究的主要内容为：VOTable。VOTable这个项目的提出来源于这样的一个问题：如何能够轻便而又高效的保存大量的数据，并能让这些数据应用于到今后的大规模分布式计算环境？为了研究这些，国际天文学家们试着通过基于XML技术的VOTable这个项目来解决这个难题。

在因特网迅猛发展的时期，一旦我们拥有了数据/信息交换的标准(即XML以及基于XML的某种标记语言)，那么怎么才能知道在什么地方可以处理这些数据/信息？怎么样为某些数据/信息开发对应的处理应用，怎样将这些到分布式的网络环境之中呢?应用之后，我们又该怎样将其公开发行，让客户能够轻易地搜索到呢?天文学家发现比较好的解决方法就是Web服务技术(web services)。Web服务技术是为了解决因特网范围内，如何将web服务集成在一起，进行相互操作的一个技术框架。Web服务技术的技术基础是XML/SOAP/WSDL/UDDI，在这些技术里面，XML是Web服务的基石，简单对象访问协议（SOAP）利用XML来封装Web服务的请求，Web服务的功能又是由服务描述语言（WSDLWeb）来描述，Web服务的注册由统一描述/发现/集成协议（UDDI）实现。

第三，B/S模式。B/S结构分布性强、维护方便、开发简单、用户操作便于掌握、共享性强并且成本低廉。另外，B/S模式便于集中的管理维护、用户操作简单、跨平台等特点。随着网络尤其是宽带网络的普遍使用，基于网络的B/S应用方式更具有光明的发展前景。

第四、DBMS(数据库管理系统)

数据库管理系统(database management system)是一种操纵和管理数据库的大型软件，用来建立、使用和维护数据库，简称dbms。它对数据库进行严格统一的管理和控制，这样就保证数据库的安全性和完整性。用户通过dbms访问数据库中的数据，数据库的管理员也通过dbms对数据库维护。它可以让多个应用程序和用户用不同的方法在同时或者不同时间去建立，修改和询问数据库。DBMS提供数据定义语言DDL（Data Definition Language）与数据操作语言DML（Data Manipulation Language），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等操作。

第五、动态服务器页面ASP

ASP是Active Server Page的缩写，意为“动态服务器页面”。ASP是微软公司开发的代替CGI脚本程序的一种应用，它可以与数据库或者是其它程序进行交互，是一种简单、方便的编程工具。ASP的网页文件的格式是.asp，现在常用于各种动态网站中。

望远镜远程控制管理系统，使学生在室内的电脑上，通过web远程登录控制网站，就能操作天文望远镜，获取到相关的天空信息和图像，既能让学生达到观看天空的目的，又解决了安全问题。

参考文献：

[1]陈东.网络控制技术与虚拟天文台[D].中国科学院研究生院博士论文,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

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[4]张彦霞,赵永恒,崔辰州.天文学中的数据发掘和知识发现[J].天文学进展,2002,20: 312-323

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[6]郑文波.控制网络技术[M].清华大学出版社,2001

[7]server.省略/438/3334938.shtml

[8]王鹰,赵跃龙,刘中宇.基于C/S模式的计算机等级考试系统的设计[J].计算机与现代化,2006(2):70-7

篇3

利玛窦以毕生的精力在中西文化交流中作出了巨大贡献，他全方位地将欧洲的地理学、天文学、数学、机械学等科学文化介绍到中国。

一、刊印世界地图, 宣传地圆说

1583 年利玛窦从澳门来到广东肇庆,为了扩大天主教的影响, 他在仙花寺里举办了一个西洋天文仪器展览, 其中一幅用洋文标注的世界地图最引人注目。中国历代绘制的华夷图或天下图都只是附带邻近夷狄的中国地图。在这一幅的世界地图上, 显示的中国只是其中一小块而已。利氏学过绘图技术, 在中国翻译的帮助下, 制成山海舆地全图。1602 年, 他应邀再次修订了旧图,扩充内容绘成6条合幅的坤舆万国全图。全图宽361 cm, 高171cm, 这是我国最早的世界地图。可以说, 中国人面向世界, 从这里开始了第一步。

二、制作天文仪器, 传播天文知识

利玛窦在刊印山海舆地全图之后, 便着手用金属材料制作天球仪和地球仪 , 向来访者讲解地球的位置和各星球的轨道。他还多次准确地预报日月蚀,比皇家的钦天监还高明。利玛窦在南京、北京等地讲授天文学时, 依据的教材是他的老师克拉维斯所著的萨克罗博斯科天球论注释一书。此书详细解说了亚里士多德的四元素宇宙论和托勒密的行星运行轨道模型, 是当时天文学的百科全书。1601年利玛窦定居北京后与中国学者李之藻合作摘译了西方天文学著作《乾坤体义》三卷。书中介绍了西方天文知识, 如地球是圆形的; 太阳大于地球; 月球本身不发光, 只反射太阳光, 日食和月食的成因, 以及亚里士多德的四元行论和一些天文仪器的构造等。

三、翻译《几何原本》数学著作

利玛窦决定把欧几里德的《几何原本》翻译成中文介绍给中国。《几何原本》是公元前4 世纪到公元前3 世纪古希腊著名数学家欧几里德的几何教本, 书中所表现的那种严格的定义,完整的结构, 前后一贯的演绎法, 以及不依赖于数例的纯几何证明和作图可行性的要求等, 都是我国传统几何学中缺少的。1606 年秋, 由利玛窦口述, 徐光启记录, 合作翻译取得成功。由利玛窦带来的数学对我国明代的历法修订和几何体测量等方面确实起到了重要的作用。众所周知,中国数学形成于汉朝, 在宋元时期达到高峰, 明代的数学注重于商业化的应用, 理论研究缺失, 此时《几何原本》的传入, 它的证明和新奇使一批学者为之钦服, 以至出现了晚明、盛清的数学家言必称几何的情景。

四、传入记忆术, 编中西文字字典

应江西巡抚陆万垓之邀, 利氏撰写了《西国记法》16 卷, 1599 年刻印。讲述了表象设位, 立象设位等。用现在的话来说, 对于每一件我们希望铭记的东西, 都应该赋于一个形象, 并给它归纳分派一个场所, 这样我们可以借助记忆的方法来使它们重现。另外, 利玛窦还首创用拉丁字母注汉字语音, 1605 年撰《西字奇迹》一卷, 对我国音韵学的发展有很大的影响。

五、传授西洋画法, 教习演奏西琴

利玛窦入华传教, 携带了天主像和圣母像等油画圣像作为贡品进献给明朝庭。西洋绘画注重写实, 画面富有层次和立体感, 很受当时士大夫推崇。利玛窦自幼参加耶稣会, 深受宗教音乐的熏陶, 具有很高的音乐修养。1601 年利玛窦进京时曾代表教会献给明朝皇帝一架5 尺长、3 尺宽、3 尺高的钢琴。皇帝派了4名乐工跟利玛窦学习演奏, 利氏为了便于唱和, 编了8 首宗教歌曲，名为《西洋曲意八章》。

六、让欧洲了解中国

利玛窦在中国住了28 年, 著译了16 种书稿, 不仅把西方的科学文化传播到中国来, 还花了4 年时间把中国的儒学经典《四书》翻译成意大利文, 介绍给欧洲。他和天主教会通讯时赞誉中国的天文学、数学和机械工艺的发达。他还通过自己的实地测量并参考了中国的历史、地理资料, 绘制了第一幅标有经纬度的中国地图寄回欧洲。在他的著述中, 回忆录《中国札记》无疑是流传最广, 最具史料价值。此书记录了他在中国的所见所闻, 内容涉及政治、经济、科学、文化以及民俗民风。利玛窦于1610 年5 月11日去世,享年58岁。万历皇帝下圣旨赐葬于北京平则门外栅栏寺, 他是第一位获得在北京长久居住权的外国人，也是第一位被允许安葬在北京的外国人。

利玛窦的贡献不仅仅是局限于他本人将欧洲的文化传到中国，将中国的情况介绍到欧洲。如果说这是他传送了文化产品的话，那么更重要的是他建造了一座沟通东西方两大文明的桥梁。鉴于众多传教士进入中国传教的企图均告失败，耶稣会远东巡察使范礼安在澳门进行了“划时代的观察”，制定了被称作“适应政策”的全新的传教策略：不是要信徒葡萄牙化，而是要传教士中国化；要求来华传教士学习汉语和中国典籍，改穿儒服，起中国名字。

利玛窦则是 “文化适应政策”的实践者和发展者。他采取学术传教的方法，以新鲜的西方科学文化来吸引中国的文人学者；他对中国的传统宗教采取排佛补儒的策略；认为祭祖和祭孔是世俗礼仪，非宗教礼仪，可以被天主教接受；他根据中国的实际情况对天主教礼仪作适当的调整，如礼拜形式、安息日和对女教徒的特殊对待等等。

正是因为利玛窦实践和发展了“文化适应”策略，中西两大文明之间才架起了一座桥梁，才使在随后的200年间有数以百计的西方传教士进入中国，持续地将西方文化介绍到中国，造就了被称为“西学东渐”的全方位的文化交流。

利玛窦所开创的“西学东渐”带来了明末清初中西文化交流的空前繁荣。在当今中国的学术界，几乎包括所有的学科门类，只要追溯它的发展史，都无法回避“西学东渐”的影响。“西学东渐”对中国科学、艺术和人文学，都产生了重要影响，在有些领域甚至是从无到有的开创性影响。

利玛窦到中国来的主要目的是传播天主教，但为了这个目的，他无意间、有时甚至是有意地传播了西方的科学文化。由于他们在传播西方科学与文化的贡献，为“中华文化注入了新鲜血液”，进而影响了当时几乎每一个中国人。

因此可以说，作为“西学东渐”的第一人和开创者，利玛窦堪称在历史上对中华文明贡献最大的外国人。

同时，来华传教士又向欧洲全方位地介绍中华文明，从而是在西方引起“中国热”的先驱。正是利玛窦等传教士介绍到欧洲的中华文明，为欧洲的启蒙运动提供了营养。

篇4

一、太阳系的起源

自从1755年康德提出第一个太阳系起源的星云说以来，已有40多种学说问世，但没有一种学说是比较完整的和被普遍接受，太阳系起源至今仍是争论不休的宇宙之谜。

太阳系起源包含两个基本问题：太阳系中行星的物质从何而来和行星是怎样形成的，按行星物质的来源，可把各种学说分成三类：①灾变说或分出说，认为行星的物质是因某一偶然事件从太阳分出的；②俘获说，认为太阳是从恒星际空间俘获物质，形成星云，后来演变成行星；③共同形成说，认为太阳系中所有天体是由同一原始星云形成的，星云中心部分的物质形成太阳，的物质形成行星等天体。

对行星的形成方式，大致有5种看法：①先形成环体，然后由环体形成行星；②先形成很大的原行星，再演化成行星；③先形成中介天体，由中介天体结合成行星；④先形成湍涡流的规则排列，在次级涡流中形成行星；⑤先凝成固体星子，再由星子集聚形成行星。

二、太阳系的主要成员

国际天文学联合会大会于2006年8月24日投票决定，不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星，而将其列入“矮行星”，许多人感到不解，为什么从儿，时起就一直熟知的太阳系“九大行星”概念如今要被重新定义，而冥王星又因何被“降级”?

“行星”这个说法起源于希腊语。原意指太阳系中的“漫游者”，近千年来。人们一直认为水星、金星、地球、火星、木星和土星是太阳系中的标准行星19世纪后，天文学家陆续发现了天王星、海王星和冥王星，使太阳系的“行星”变成了9颗，此后，“九大行星”的说法已家喻户晓。

不过，新的天文发现不断使“九大行星”的传统观念受到质疑，天文学家先后发现冥王星与太阳系其他行星的一些不同之处，冥王星所处的轨道在海王星之外，属于太阳系的柯伊伯带，这个区域一直是太阳系小行星和彗星诞生的地方，20世纪90年代以来，天文学家发现柯伊伯带有更多围绕太阳运行的大天体，比如，美国天文学家布朗发现的“2003UB313”，就是一个直径和质量都超过冥王星的天体。

布朗等人的发现使传统行星定义遭遇巨大挑战，国际天文学联合会大会通过的新行星定义，意在弥合传统的行星概念与新发现的差距。

大会通过的决议规定，“行星”指的是围绕太阳运转、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状、能够清除其轨道附近其他物体的天体，在太阳系传统的“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这些要求，冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被降级为“矮行星”。

1　水星(the Planet Mercury)

水星是九大行星中最靠近太阳的行星，它也是太阳系中运动最快的行星，水星公转平均速度为每秒48千米，公转周期约为88天，而水星的一昼夜则为我们的176天，白天和黑夜各88天。

水星内部推测为铁核，表面为固态岩石，被陨石砸得满是坑洞，地貌酷似月球，它的直径也和月球相当，质量是地球的0.05倍。

水星大气非常稀薄，昼夜温差很大，阳光直射处温度高达427℃，夜晚降低到-173℃。

水星没有卫星，那里没有“月亮”，因此水星的夜晚是寂寞的。

2　金星(the Planet Venus)

天亮前后，东方地平线上有时会看到一颗特别明亮的“晨星”，人们叫它“启明星”；而在黄昏时分，西方余辉中有时会出现一颗非常明亮的“昏星”，人们叫它“长庚星”，这两颗星其实是一颗。即金星，它是离地球最近的行星。

从结构上看，金星和地球有不少相似之处，金星的半径比地球半径小300千米，体积是地球的0.88倍，质量为地球的4／5；平均密度略小于地球，但两者的环境却有天壤之别：金星的表面温度很高，不存在液态水，加上极高的大气压力和严重缺氧等残酷的自然条件，金星不可能有任何生命存在，因此，金星和地球只是一对“貌合神离”的姐妹。

金星大气中，二氧化碳最多，占97％以上，同时还有一层厚达20到30千米的由浓硫酸组成的浓云，金星表面温度高达465℃～485℃，大气压约为地球的90倍。

金星自转一周要243天，所以金星上的一昼夜特别长，它绕太阳公转的轨道是一个很接近正圆的椭圆形，其公转周期约为224.70天。

3　地球(the Earth)

在地球上看来，这颗有着广阔天空和海洋的行星总给人以坚实、巨大的感觉，然而在太空中，地球给宇航员们的印象却并非如此，在一层薄而脆弱的气体笼罩下的地球并不见得有多大。

地球是距太阳最近的第三颗行星。离太阳的距离大约是115亿千米，地球用365.256天绕行太阳一周，并用23，9345小时自转一圈。

地球的大气里78％是氮气，21％是氧气，余下的1％是其他成分，地球表面的平均温度是15℃，平均气压1.013×105帕。

由于地球自转轴与公转轨道平面斜交成66°34′的倾角，在地球公转过程中这个角度始终不变，因此在一年中，太阳的直射点总是在南北回归线之间移动，于是产生了昼夜长短和四季的交替。

4　火星(the Planet Mars)

肉眼看去，火星是一颗引人注目的火红色星，它缓慢地穿行于众星之间。

由于火星距离太阳比较远，所接收到的太阳辐射能只有地球的43％，因而地面平均温度大约比地球低30多摄氏度，昼夜温差可达上百摄氏度。

火星属于类地行星，有固态的外壳和铁核，密度比较大。

地表也存在大气，其主要成分是二氧化碳，约占95％，还有极少量的一氧化碳和水汽，火星表面的土壤中含有大量氧化铁，由于长期受紫外线的照射，铁就生成了一层红色和黄色的氧化物，夸张一点说，火星就像一个生满了锈的世界。

火星的自转和地球十分相似，自转一周的时间为24小时37分22.6秒，火星上的一昼夜比地球上的一昼夜稍长一点，火星公转一周约为687天，火星的一年约等于地球的两年。

火星有两个卫星，靠近火星的一个叫火卫一，较远的一个叫火卫二，由于火星在希腊神话中被看作是战神阿瑞斯。所以天文学家以阿瑞斯的两个儿子――福波斯和德瑞斯命名它的两颗卫星。

5，木星(the Planet Jupiter)

木星是距太阳最近的第五颗行星，是太阳系中最大的行星，如果木星的内部是空的，它能装下一千多个地球。

木星的大气非常厚，可能它本身就像太阳那样是个气体球，其大气的主要成分是氢和氦，平均温度为－121℃。

纬线上色彩分明的条纹、翻腾的云层和风暴象征木星多变的天气系统。

木星是太阳系中卫星数目较多的一颗行星，迄今为止人们已经发现木星有16颗卫星，其中的4个(木卫四、木卫二、木卫三和木卫一)早在1610年就被伽利略发现了，它们与木星组成了一个家族：木星系。

6，土星(the Planet Satum)

土星是距太阳最近的第六颗行星，并且是太阳系中的第二大行星。

由于土星的快速自转，它的两极明显扁平，它自转一圈仅用10小时39分钟，公转周期为29.5个地球年。

土星云层的平均温度为－125℃，它的大气主要由氢和少量的氦、甲烷组成，土星是太阳系中唯一密度比水小的行星，假如有一个足够大的海洋，它会浮在水中。

像木星、天王星、海王星一样，土星上没有陆地。

土星环系统使它成为太阳系中最漂亮的星球，环分为几个不同的部分，包括较明亮的A和B环，以及较暗的C环。

土星环形成的原因还不十分清楚，有一种说法认为这些环是由一些小型彗星和流星撞击土星较大的卫星产生的碎片形成的，土星环的构成还不能确认，但这些环明显含有水，它们也许是由非常微小的冰块和(或)雪团构成的。

土星有18个已经确认的卫星，是太阳系中卫星最多的行星，1995年，科学家使用哈勃太空望远镜又发现了4个可能存在的土星新卫星。

7　天王星(the Planet Uranus)

天王星是一颗远日行星，它是一个蓝绿色的圆球。表面具有发白的蓝绿色光彩和与赤道不平行的条纹，这大概是由于自转速度很快而导致的大气流动，天王星公转一周要84年，自转周期则短得多，仅为15.5小时，

天王星的密度很小，其大气的主要成分是氢、氦和甲烷。

天王星的自转轴几乎与公转轨道面平行，赤道面与公转轨道面的交角达97°551，也就是说它差不多是“躺”着绕太阳运动的，于是有些人把天王星称作“一个颠倒的行星世界”。

天王星上的昼夜交替和四季变化也十分奇特和复杂，太阳轮流照射着北极、赤道、南极、赤道，因此，天王星上大部分地区的每一昼和每一夜，都要持续42年才能变换一次，太阳照到哪一极，哪一极就是夏季，太阳总不下落，没有黑夜；而背对着太阳的那一极，正处在漫长黑夜所笼罩的寒冷冬季之中，只有在天王星赤道附近的南北纬8度之间，才有因为自转周期而引起的昼夜变化。

天王星和土星一样。也有美丽的光环，色彩斑斓，美丽异常，天王星有15颗卫星，几乎都在接近天王星的赤道面上，绕天王星转动。

8　海王星(the Planet Neptune)

海王星是太阳系中最外缘的一颗大行星，每165年绕太阳一周，而它的自转速度非常快，一天仅为16小时7分钟。

海王星的外面一层是氢、氦、水和甲烷-组成的气体的混合物，而甲烷赋予了海王星云层蓝色的外观，目前科学家只探测到海王星云层的平均温度为－193℃至-153℃。

海王星是个多变的行星，它有几个巨大的黑斑，让人想起木星风暴“大黑斑”，最大的一个“大黑斑”有地球那么大，海王星上也有像其他行星一样的强风，相对于行星的自转方向，大多数风向都是向西吹的，大黑斑附近风速可以达到每小时2000千米。

海王星有8个卫星，其中的6个是由旅行者号发现的，海王星有四个狭窄而模糊的环，这些环可能是由小型陨石撞击海王星卫星而形成的尘埃组成的。

三、太阳系的命运

据国外媒体报道，天文学家们在日前一个古老的星系的探测中发现其中一颗恒星周围的小行星碎片随着恒星的死亡而慢慢消失了，就好像原地蒸发了一样，这一发现成果被发表在了最新一期的《自然》杂志上，文章称，这一发现暗示着太阳系的命运，因为这个小行星碎片有可能是由于重力才会漂浮在恒星的周围，而这一点与我们所在的太阳系非常相似，太阳的引力支持着行星围绕在其周围，也许再过几十亿年。太阳系也会重演这一历史，走向灭亡。

沃里克大学的天文学家鲍里斯・格里克在对数百颗白矮星的光谱进行研究后，发现了白矮星周围存在冰冷的灰尘星云的证据，白矮星是一种已经死亡的恒星，其外层物质不断脱落，飘向宇宙，但其周围还存在着一些行星，这一点与太阳也非常相似。

格里克和他的同事们研究发现，白矮星周围的灰尘云团是由于小行星的作用而形成的，而且这种云团具有类似潮汐的性质，时强时弱，他们认为，造成这种情况的原因是恒星周围的行星运转影响了小行星的运行轨道，从而使得灰尘云团出现周期性的变化，恒星的引力及释放出的热量对于灰尘云团也会产生一定的影响，综合这些因素灰尘格里克云团存在的时间变得很短，最终变成体积不一的新小行星围绕着恒星运转。

篇5

关键词： 引力波； 激光干涉仪； 霰弹噪声； 辐射压力噪声； 标准量子极限

中图分类号： TH 744.3文献标志码： 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，美国科学家宣布发现了引力波存在的直接证据，困扰科学家100年来的物理学难题得到破解。这是一项划时代科学成就，具有极其深远的意义[1]。

引力波探测经历了艰难而曲折的过程，激光干涉仪引力波探测器的出现给引力波探测带来巨大的希望。经过用几十台小型样机进行基础研究之后，激光干涉仪引力波探测器在世界各大实验室迅速发展起来。二十一世纪初，几台大型干涉仪陆续建成并投入运转，分别是：美国的LIGO（LLO）和LIGO（LHO），臂长4 km[2]；法国与意大利合建的VIRGO，臂长3 km[3]；英国与德国合建的GEO600，臂长600 m[4]；日本的TAMA300，臂长300 m[5]。这几台干涉仪的灵敏度达到10-22，完全符合设计指标，它们被称为第一代激光干涉仪引力波探测器。随后LIGO和VIRGO做了有限的改进，进行了“初步”升级，变成了eLIGO（enhanced LIGO）和VIRGO+，灵敏度又有明显的提高。在短短十年内激光干涉仪引力波探测器的灵敏度就提高了四个数量级，这在探测器发展史上是极为罕见的，显示了巨大的发展潜力。美国的科学决策机构果断地终止了太空引力波探测计划，退出与欧洲合作的太空探测器LISA项目，集中人力物力加紧研发第二代激光干涉仪引力波探测器高级LIGO，并在相对比较短的时间内建成，在试运行阶段就发现了引力波，取得了划时代的科研成就。它标志着长达半个世纪之久的引力波的寻找胜利完成，引力波天文学从此进入了物理研究的新阶段，这是一个历史性的转折。

光学仪器第38卷

第6期王运永，等：光量子噪声对激光干涉仪引力波探测器灵敏度的影响

当前，第二代激光干涉仪引力波探测器的研制已在世界各地蓬勃发展起来，除了美国的高级LIGO（LLO）和高级LIGO（LHO）[67]之外，还有英国与德国合建的GEOHF[8]，法国、意大利、波兰、匈牙利合建的高级VIRGO，日本的KAGRA（臂长3 km）以及印度的INDIGO（臂长4 km），灵敏度为10-23。澳大利亚引力波研究中心也利用他们的小型激光干涉仪积极开展新技术、新材料、新工艺的研发。随着第二代激光干涉仪引力波探测器的全部建成并投入运转，一个由第二代干涉仪组成的国际引力波探测网也将建立起来，使引力波天文学研究进入快速发展的新阶段。

在引力波发现的巨大鼓舞下，以爱因斯坦望远镜ET为代表的第三代激光干涉仪引力波探测器正在加紧研发，灵敏度又提高一个数量级，直指10-24。正如作者2013年指出的那样：“在第二代探测器建成并运行1～2年之内，人将看到引力波探测的第一道曙光，而以第三代引力波探器为基础的引力波天文台的建立，必将迎来一门崭新的交叉科学引力波天文学蓬勃发展的新时代”，这个新时代的脚步声越来越近了[9]。

灵敏度提高一个数量级，可探测的宇宙空间会扩大到1 000倍，极大地增加了探测到的事例。但是在第二代特别是第三代干涉仪中，灵敏度的提高是非常困难的，其中主要的障碍之一就是光量子噪声。

1激光干涉仪引力波探测器的灵敏度

在这场震惊世界的引力波发现中，第二代激光干涉仪引力波探测器起着至关重要的作用，毫不夸张地说，没有第二代激光干涉仪引力波探测器的建成，就没有现在引力波的发现。而引力波能否被探测到，关键在于探测器的灵敏度。半个多世纪以来，全世界几代科学家都没能探测到引力波的根本原因就是探测器的灵敏度不够高。激光干涉仪引力波探测器的应变灵敏度可用图1来说明。

设干涉仪的臂长为L，当引力波到来时，根据引力波的特性，相互垂直的两臂，一个伸长，另一个相应地缩短。设臂长的变化量为ΔL，则两臂的长度分别变为L+ΔL，L-ΔL，干涉仪的应变灵敏度hd定义为hd=ΔL/L（1）如果想要探测到应变强度h（t）g为10-22的引力波，设探测器的信号噪声比为10，则干涉仪的灵敏度hd应该达到10-23。

探测器灵敏度提高的障碍是噪声，影响激光干涉仪引力波探测器的主要噪声有：热噪声、地面震动噪声、光量子噪声、引力梯度噪声、剩余气体噪声、杂散光子噪声等[10]，噪声的分布如图2所示。影响第二代特别是第三代激光干涉仪灵敏度提高的主要因素之一是光量子噪声。光量子噪声分为霰弹噪声和辐射压力噪声两大类。

2霰弹噪声

光量子噪声源自光的量子特性，它直接产生于测量和读出过程。在引力波探测器所覆盖的几乎所有频率范围内，这种噪声对探测器的灵敏度都加以限制。霰弹噪声是光探测器中的强度量子噪声，它在高频区域占主导地位，辐射压力噪声是从测试质量反射的光子的动量转移产生的，它在低频区域占主导地位。从统计物理可知，激光器发射的光子数目本身是有涨落的，它遵从泊松分布，也就是说在激光束中，光子数并非在每个时间点都是相同的，激光束的强度是有起伏的。当激光束射入光探测器时，产生的光电流强度是有涨落的，这种涨落在干涉仪输出端引起的噪声被称为霰弹噪声，又叫散粒噪声。本质上讲，激光干涉仪引力波探测器是一台变异的迈克尔逊干涉仪，为了分析霰弹噪声的物理机制，我们忽略臂上法布里珀罗腔p光循环镜p清模器等部分的作用，只把它看成简单的p单次往返的迈克尔逊干涉仪。也就是说，我们假设光在臂中只往返一次，且在臂中穿行的复合光波的波前是严格平行的。在这种情况下，干涉仪输出功率与其臂长之间的关系可用下式表示

3辐射压力噪声

光子具有动量，在干涉仪臂中往返运动的光束中的光子，在撞击到几乎自由下垂的镜子（即测试质量）表面之后，会向相反的方向折回，将自己的动量传递给镜子。这种光子动量的转移使镜子受到一种压力，称为光辐射压力。在该力的作用下，镜子会向光子弹回方向的反方向反冲，其平衡位置发生变化。由于光子数目的统计涨落，到达镜子表面的光子数并非在每个时间点都是相等的。也就是说，光辐射压力不是常数，它是有统计涨落的。这种辐射压力的涨落会直接引起测试质量位置的波动，形成噪声，称之为辐射压力噪声。这是光的量子特性产生的另一类噪声，它导致测试质量位置的直接晃动。自由质量对力的机械易感性（位移/施加的力）在远高于共振频率的区域是1/（MΩ）2。其中M是镜子的质量，Ω是我们感兴趣的频率。因此，辐射压力噪声在低频区域显得更为重要。量子噪声在低于20 Hz的区域变得更大就是由这个效应引起的。增加镜子的质量可以降低测试质量对力的机械易感性，从而减小辐射压力效应对测试质量运动的影响。初级激光干涉仪引力波探测器测试质量为10 kg，为了减小辐射压力噪声的影响，高级探测器的测试质量为40 kg，而第三代探测器爱因斯坦望远镜（ET）的测试质量已增加到200 kg。

下面估算简单的激光干涉仪（即无臂上法布里珀罗腔，无功率循环）中辐射压力噪声的大小。从一个无耗损的镜面反射的功率为P的光波，对镜子的作用力

4.3标准量子极限的突破

根据量子场论可知，激光干涉仪引力波探测器中的量子噪声来自真空涨落与干涉仪内部光场之间的耦合。这种耦合导致用做探针的激光的相位和振幅的不确定性。这种不确定性以两种方式影响干涉仪的输出信号，相位的不确定性直接污染干涉仪的相位测量，扰动干涉仪输出信号的强度，该效应就是所谓的霰弹噪声。振幅的不确定性，即光束振幅的变化将导致测试质量上光压力的变化，直接影响测试质量的运动。这个效应就是辐射压力噪声。

光量子噪声在经典的麦克尔逊干涉仪中对探测灵敏度形成一个基本的极限。只要光的霰弹噪声和辐射压力噪声之间不发生关联，光束就稳固地施加标准量子极限。使干涉仪探测灵敏度突破“标准量子噪声极限”的技术称为“量子噪声压低”技术（QNR），有时也被称为“量子非破坏技术”（QND），大幅度突破标准量子极限的出路在于改变常规干涉仪的光学结构或读出线路的设计。利用信号循环技术和光压缩技术，可以在一定的频率范围内以适当的尺度突破标准量子极限。

（1）信号循环

信号循环是一项十分重要的技术。该操作是在干涉仪的暗口放置一面镜子，称为信号循环镜。信号循环镜将从暗口输出信号反射回干涉仪。这时干涉仪可以等效成一面镜子，它将被信号循环镜反射回来的信号再向输出口方向反射回去.使信号循环起来，把一台常规干涉变成一台信号循环干涉仪。信号循环镜和干涉仪等效成的镜子之间形成的共振腔，称为信号循环腔。从载频光产生的引力波信号在该腔内共振，得到共振增强。

信号循环镜把从暗口出来的光信号反馈回干涉仪内，这时干涉仪臂上法布里珀罗腔内的光学场也含有经反馈而来的引力波信号h及与其相关的噪声特别是霰弹噪声，从而使光的霰弹噪声和辐射压力噪声发生动态关联。当输入激光功率很大时，它能破坏光在自由质量上施加标准量子极限的能力。改变干涉仪噪声曲线的形状，在一定频率范围内突破标准量子极限。

（2）压缩光场

量子场论是标准模型的根基。在量子场论中，电磁场的最低能量状态叫“真空态”或称为“零点场”。根据量子力学的测不准原理，没有什么东西的能量是绝对为零的。既然真空是电磁场的一个能量状态（即便是最低能态），它的能量也是不为零的，因而是有涨落的。

在量子场论中，电磁场是用振幅和相位这两个正交量来描述的。真空涨落就寓于振幅和相位这两个正交量的涨落之中。涨落水平能够在这两个正交量之间对立地进行互易，但两个涨落的乘积受测不准原理的约束，是保持不变的。电磁场的零点涨落是由电磁场的量子特性导致的。电磁场的真空涨落可以通过干涉仪的输出口进入干涉仪内部并与干涉仪内部光场之间耦合，导致用做探针的激光的相位和振幅的不确定性，形成光量子噪声。如果没有从输出口进入干涉仪内部的真空涨落，干涉仪输出信号中的量子噪声就可以小到忽略不计的程度。

上述正交算符形象化的通用方法是所谓的“棍球”图像。图4给出相干光场的“棍球”图像表示。设光场是由数量巨大的光子M成，由于光子的量子特性，它们并不都具有相同的振幅和相位而是遵循一定的几率分布。当在一个有限的时间段内进行连续测量以便确定光子状态时，每次测量所得的结果都可以用X1（r），X2（r）平面内的一个点来表示。当大量的测量完成之后，我们就可以测出光态的几率分布，这个分布如图4中的“球”或“云”来表示，实线箭头指着球心。球心是X1（r），X2（r）平面内的一个特殊点，代表着完成一次测量后，在这个态上遇见光子的最高几率。这样就可以把光场的相干部分用箭头表示出来，而场的不确定性用球表示。光的量子特性禁止我们将球的区域减小到一个确定的极限以下。这个极限称为“不确定性极限”又被称为“标准量子极限”。

虽然海森堡测不准原理控制了球的最小体积，我们仍然可以自由地改变球的形状。改变球形状的方法之一是所谓的“压缩光技术”[13]。如果我们想在高频部分改善引力波探测器的灵敏度，我们就需要注入相位压缩光。将球压缩成椭球，压缩椭球的短轴平行于正交相位的方向，这样我们就能在高频部分改善信号噪声比，从而改善干涉仪高频区域的灵敏度。同理，如果我们想在低频部分改善引力波探测器的灵敏度，我们就需要注入振幅压缩光。利用变频压缩技术改变注入光的压缩角，就可以在整个感兴趣的探测频带内突破标准量子极限，减小光量子噪声，提高灵敏度。

光的压缩态一般可以用非线性光学效应产生，在过去十年间，用于引力波探测器的压缩光产生技术取得了长足的进步，压缩水平已超12 db[15]，压缩频率可以下降到几个赫兹[16]。

5结论

引力波的发现使引力波天文学实现了从寻找引力波到天文学研究这一历史性转折，开辟了引力波天文学研究的新纪元。在这重大的科学发现中，第二代激光干涉仪发挥了不可替代的作用。

当前，世界上以电磁辐射为观测手段的传统意义上的天文台有数十个之多，为人类文明的发展做出了巨大贡献，第三代干涉仪是引力波天文台的基础设备，以引力辐射为探测手段的引力波天文学台一定会在世界各地迅速建立起来。天文学研究必将进入一个崭新的发展阶段。

第三代激光干涉仪引力波探测器的设计目标是将灵敏度再提高一个数量级，达到10-24。这是一个非常具有挑战性的任务，光量子噪声的降低则是必须采取的重要措施之一。

参考文献：

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

篇6

天体物理学属于应用物理学的范畴，是研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。由于天体物理学是一门很广泛的学问，天文物理学家通常应用很多不同学术领域的知识，包括力学、电磁学、统计力学、量子力学、相对论、粒子物理学等。

本书作者Leonard S Kisslinger是美国卡内基梅隆大学教授，他意在使任何学科的学生对于近几十年天体物理学取得的那些令人兴奋和感到神秘的发展有一些了解。本书解释了宇宙从早期到现在的演化过程，运用通俗易懂的讲述方式使任何一个拥有高等数学基础的大学生都能够理解。

全书由10章组成：1.天体物理学的物理概念：速度、加速度、动量和能量的基本概念，温度（作为一种能量形式），力和牛顿运动学定律；2.力和粒子：基本粒子的标准模型，原子、原子核、重子等；3.哈勃定律―宇宙膨胀：首先定义和讨论了光的多普勒频移和红移，然后从星系中光的多普勒频移的测量回顾了哈勃定律，最后讨论了宇宙的膨胀；4.恒星、星系等：地球怎样绕着太阳旋转，太阳（作为一个熔炉）的特性，大质量恒星由于引力坍塌导致脉冲星和黑洞形成的过程；5.中微子振荡、对称性和脉冲星冲击：称为中微子振荡的中微子相互转化的三种标准模型的重要属性，怎样利用中微子振荡来测量宇称性、电荷共轭和时间演化对称性，通过中微子发射来解释脉冲星冲击的可能原因；6.爱因斯坦狭义和广义相对论：狭义相对论中的重要假设，以及由此产生的长度收缩和时间膨胀，由洛伦兹变换得到的附加速度的爱因斯坦方程与假设的相一致性，利用相对动量和张量简单讨论了广义相对论；7.从广义相对论得到的宇宙的半径和温度：宇宙的弗里德曼方程、宇宙膨胀的引力辐射和重力波，以及引力量子场理论；8.宇宙微波背景辐射：宇宙微波背景辐射相关的一些概念，重点是温度和时间的相关性；9.电弱相变（Electroweak phase Transition）：定义了量子力学的相变和潜伏热，重点讨论了电弱理论和电弱相变，电弱相变和其产生的重力波间磁场的建立过程；10.量子色动力学相变：量子色动力学相变和银河系和星系团之间磁场的关系，由于相对论性的重离子碰撞量子色动力的产生。

本书的目的是使大学生理解描述宇宙演化的基本物理概念，并基于此讲述早期到现在宇宙演化背后的天文物理学理论。本书不要求学生有太深的数学基础，适用于所有对科学尤其是天文科学感兴趣的大学生，同时也适合于对这些话题感兴趣的读者。

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在法国巴黎的工艺博物馆里，陈列着两件不太引人注目，却曾对全人类意义重大的展品。它们就是基本物理量中力学里计量长度的“米”和计量质量的“千克”的原器。人类在使用同位素辐射波长，及后来更精确的光速定义“一米”的长度前，被精心保管的“米原器”是全球都要遵循的长度基准，“千克原器”则担当着“世界砝码”的重任。

您如有幸走进这家博物馆，看到这两件计量原器和它们周围大量复杂的机械发明，或许会心生疑问：现在我们人类所歆享的便捷生活，难道是从这两件计量原器生发出来的吗？从某种意义上说，事实也许正是如此。今天，人类的生活越来越精细化了。当为物理学家严谨定义的计量单位服务于社会，“标准化”便水到渠成，成为人类社会迈向现代文明的基石。此外，人类社会的三次工业革命，也没有一次能离开物理学的推动。不过，物理学研究的价值还不止于此。

约四个世纪前，开普勒三定律揭示了行星运动的规律，摧毁了托勒密的“地心说”，开启了现代科学;到了20世纪初，量子论和相对论的建立，让人类对物质世界的认识发生了革命性的变化;而今，我们开始探索和认知宇宙中约占95%的暗能量与暗物质的本质。物理学的发展，让我们对客观世界的认识越发深刻和透辟。

物理学为人们带来生活上方方面面的改变。古人不了解天气变化的本源，便诞生了种种自然崇拜。大气物理学研究逐渐撩开这层蒙昧的迷雾，揭示了诸如雷电、雾凇、幻日和彩虹等气象现象的本质;也“挖掘”了云所蕴含的气象“信息”;人类已能够相当准确地预测地球上的天气，并按照需要在小尺度上改变天气;对太阳物理的研究，使可能影响人类高技术系统的太阳活动和太空灾害天气得以被预报和预警。

篇8

关键词：物理学史；主动性；物理教学

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2013）30-211-01

物理学是人类社会实践的产物。它的每一个基本概念、基本定律和基本理论，都有一个萌芽，形成和发展演化的曲折过程。但是，在大量的物理教科书中，人类对物理学认识的历史痕迹被擦拭殆尽，物理学家们的曲折顽强的创作过程常常被物理学理论严格、精美的逻辑体系的面纱遮盖起来，学生只能通过具体的物理定律或公式前面所注有的科学家的名字，模糊地了解那一段历史。物理学史是人类对自然界中各种物理现象的认识史，它体现了人类探索和逐步认识世界的现象、结构、特性、规律和本质的历程。物理学史的课程资源可以激发学生的学习兴趣，帮助学生理解和掌握物理学知识、发展独立思考的能力、学习科学方法、进行科学思维的训练等，有助于学生的学习。

一、物理学史知识的渗入有助于激发学生的学习兴趣

著名物理学家爱因斯坦说过：“兴趣是打开科学大门的导师。”只有当学生对学习有了兴趣，才能表现出学习的自觉性、主动性，才能积极主动去克服学习中遇到的困难。为了培养学生的学习兴趣，我们在教学中，通过对物理学史的回顾，通过了解物理学家的生平、各学派间的争端以及尚未解开的物理课题等使学生消除对物理知识来源的神秘感，来激发学生学习物理的兴趣，感知物理学家严谨的科学态度和科学思维方法，不断提高自身的思维能力，变被动学习为主动学习。例如：在讲牛顿第一定律的时候如果只讲一个斜面实验得出物体在不受外力作用时将保持匀速直线运动或静止状态。学生记得太抽象太枯燥，但如果你将亚里士多德推物体就运动不推就停止得出的力是维持物体运动状态的原因这个观点提出，伽利略又加以反驳，在光滑的木板上小车失去推力以后还会继续运动，得出力是改变物体运动状态的原因。再介绍伽利略斜塔实验时大铁球、小铁球同时下落，加上牛顿管中羽毛与铁片同时下落的实验，说明力是改变物体运动状态的原因。学生听得非常入神，再介绍牛顿将伽利略的观点总结推广成不受力时将保持静止或匀速直线运动状态，加上了静止的情况。引牛顿的一句话：“如果说我比别人看得远一点，是因为我站在了巨人的肩膀上。”引出牛顿第一定律的得出过程，给学生增加了很大的学习兴趣，再加上前人在探索实验过程中的认真求实精神非常值得学生学习。学生有了学习兴趣，学习才会更加主动，遇到问题时解决问题才更加有了信心，也使学生在学习过程中养成了严谨的学习态度，不断提高自己的科学素养，变被动学习为主动学习。

二、物理学史知识的渗入有助于增强学生对物理知识的全面理解和掌握

物理规律是反映了物理现象、物理过程在一定条件下发生、发展和变化的规律。在进行物理教学时，教师为了让学生最有效地掌握好物理规律，应使其对物理规律的建立过程有一定的了解，这就需要教师经常把物理学史知识渗透到物理教学之中。这是由于物理学的创立和发展是具有连续性的，后人的研究工作总是以前人的研究成果为基础，重要的物理规律都是经历了艰难和曲折的历史发展过程的。教师让学生了解这些规律的发现过程，会对学生学习物理规律、形成严谨的工作态度和作风产生重大的影响。例如在讲述开普勒三定律时，教师可以给学生介绍当时的社会背景：16世纪以后的欧洲，航海、战争和工业的发展，推动了人类对天体的观测和研究。波兰的天文学家哥白尼对天象进行了长期的观测，获得了大量的观测资料，在对这些观测资料进行了整理和分析后，提出了“日心说”的理论体系，了统治天文学领域一千多年的托勒密“地心说”体系，打开了自然科学的大门。继哥白尼之后，丹麦天文学家第谷以他惊人的毅力和毕生的精力对行星的运动进行了精确的观测，并采集到大量的观测数据，这为他的学生开普勒的进一步研究打下了良好的基础。开普勒有着丰富的想象力和杰出的数学才能，在整理和研究第谷所观测到的数据中总结出了开普勒三定律。在回顾历史的过程中，教师将行星运动规律内容跟物理学史联系起来，让学生知道定律的来龙去脉，可以让其得到一个能够反映事物之间相互联系的、完整的认识，给定律增加丰富的内涵，从而有助于学生对定律的内涵和外延的理解与掌握。

三、物理学史知识的渗入有助于培养学生科学的思想方法

物理学之所以被人们公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。例如，观察和实验、类比和联想、猜测和试探、分析和综合、科学假设方法等等。物理学史中有大量生动事例说明科学大师们熟练而巧妙地运用这些方法取得重要成果的过程。利用这些事例，可以对学生进行具体的科学方法的教育。比如在讲授“牛顿第一定律”时，介绍伽利略的一个理想实验。然而，为了让学生能够在有限的学时内更快地掌握系统的物理知识，教材往往把教学内容按定义、定理、推论、例题的顺序编写，这样虽利于学生记忆知识，应用知识解题，但无法让学生了解到知识产生的过程，不能从思想深处接受这些知识。物理学史的知识的渗入可以弥补这方面的不足。物理学史能告诉我们物理学思想的逻辑行程和历史行程，它的渗入不仅有助于学生了解各概念、定理、定律的来龙去脉，而且有助于学生逐步掌握正确的科学思维方法。

篇9

理想萌芽 放任想象

1998年2月14日，一个男孩在美国洛杉矶降生了，爸爸是巴西人，妈妈是台湾人，有着一张东方人面孔的男孩随母亲入台湾籍，取名凯孝虎，小名小虎。

很小的时候，小虎就对天空充满了兴趣，总是跟妈妈讨论各种有关天空的问题。当小虎从妈妈那里得知，这个世界上还有别的星球，上面也可能有生物体居住的时候，他兴奋极了。

有一天，午睡的小虎哭着醒来，告诉妈妈，自己刚才做了一个噩梦，有外星人坐着宇宙飞船来到地球把他拐走了。妈妈微笑着安慰天真的儿子：“外星人没有那么坏啦。”几天后，是小虎4岁生日，礼物是一台天文望远镜。妈妈告诉他：“有了这个，你就可以看到外星人啦。”从此以后，天文望远镜成了小虎最好的玩具，观察星河、月亮成了他每晚必做的功课。

为了满足小虎对外太空的好奇心，妈妈买来很多相关的书籍，而且每天用通俗易懂的语言给小虎讲书上的内容。每当这时，小虎总是瞪大眼睛，听得津津有味。后来，他开始自己认字看书，遇到不会的字就查字典。

转眼间，到了上学年龄，可是小虎根本就不愿意上学，因为他爱动脑筋爱看书，他的知识储备早已经超过了同龄孩子。两个月后，小虎的老师把妈妈叫到了学校，很严肃地说：“你的孩子从来都不乖乖听课，也不听老师的话，甚至都不喜欢和别的孩子一块玩，再这样下去，恐怕他很难毕业。”妈妈深深吸了一口气，她知道小虎不是“问题小孩”，他只是把时间都投入到了自己的理想之中：寻找外星人。

道路曲折 自己决定

小虎的妈妈做了大胆的决定，让小虎退学。退学之后，小虎开始在家自学。在他幼小的心灵中，满满的全是如何寻找外星人。为了研究宇宙飞船的运行原理，他决定学习函数。当妈妈带着乳牙还未掉的小虎来到社区大学时，老师们都惊呆了。这个小家伙中英文流利，懂得飞机的运行原理，能背所有已知星系的名称，甚至把行星运行原理解释得头头是道。

就这样，8岁的小虎进入洛杉矶社区大学。然而，大学生活并不顺利，面对晦涩难懂的各类数学公式，他犯懒了，后来干脆耍起赖皮不学了。

刚进入社区大学不久就退学，这个“二次退学”的小孩成为当地的新闻人物。家里的人都怪小虎妈妈太纵容，可妈妈相信她要做的就是给儿子一个宽松的环境，尊重他自由选择的权利。

妈妈告诉小虎，要想开飞机，身体素质必须过关，于是，放弃了研究天文的小虎开始参加体育锻炼。他每天坚持跑步，还报名参加了一个武术班。谁知，这一练，竟然上瘾了，小虎的功夫突飞猛进，一年后，他代表洛杉矶儿童队参加全美武术竞赛，取得了不错的名次。这时的小虎，已经从一个小小的天文学家转型成为“运动小达人”。

很快一年过去了。9岁的小虎又有了新的梦想，他向所有人宣布：“我要当一个作家，写有关外星人的科幻小说。”面对儿子一次又一次任性地修改梦想，妈妈陪她参加写作培训班，买来文学名著阅读分析，只为当儿子提出有关写作的问题时，能给他最好的回答。

几个月后，小虎人生中的第一本小说出版了。这本名为《冲向未来》的科幻小说，讲述了一个从小就热爱飞机的男孩如何来到外星球，探索和过去不一样的生活。由于有着过硬的天文学知识，再加上丰富的想象力，这本小说写得有模有样，在美国出版界引起了不小的轰动。小虎成为洛杉矶的“小名人”，洛杉矶著名高中Harvard-Westlake也向小虎投来了橄榄枝：若就读该校，将来可以考取全美十大名校。

就在回复Harvard-Westlake校长的前一天，妈妈把小虎叫到面前，做了一次长谈。可是小虎面对眼前的选择，眼中依旧闪着迷茫，他犹豫地对妈妈说：“妈妈，其实我不怎么喜欢写作，我想我还是更愿意研究怎么寻找外星人。”

妈妈拍拍小虎的肩膀，说：“儿子，你自己的人生，自己来做决定，妈妈永远都支持你。”

勇敢向前 放飞梦想

有了妈妈的支持，10岁的小虎放下写字的笔，重新定义梦想，回归到最初的选择。他拒绝了高中，拿起函数书，开始自学。尽管小小年纪，他却数次更改梦想，也为实现自己的梦想付出了无数的努力，这些经历都让他迅速成熟起来。

12岁那年，小虎考入加州大学洛杉矶分校数学系，成为该校年纪最小的学生。

大学里的小虎，是优秀的学生、活泼的少年。他还保持着练武的习惯，是校足球队主力，宽广的知识面和开朗的性格，再加上阳光帅气的笑容，让他成为学校里受欢迎的学生之一。面对着比自己大很多的哥哥姐姐，小虎一点也不畏生，他还在学校里成立飞机模型兴趣小组，自己担任组长，和几个志同道合的学哥学姐一起研究飞机模型。

2013年，15岁的小虎大学毕业。3年大学生活，让他对自己的未来有了更清晰更详实的计划。为了更好地实现梦想，小虎继续留校，攻读网络安全硕士。大学毕业之后，小虎还做了一件对他来说很重要的事情：考飞行员执照。当他真正独自一人开着飞机冲上云霄的时候，眼泪流了出来：那在别人看来遥不可及甚至有些可笑的梦想，在自己这里，终有一天会实现！

篇10

关键词： 威廉・惠商・塞西尔・丹皮尔 《科学史及其与哲学和宗教的关系》 科学史

威廉・惠商・塞西尔・丹皮尔是20世纪英国著名的科学史家，以批判、实证精神对科学思想发展史进行了深入研究，成就蜚然，有《物理科学的发展近况》、《剑桥现代史》中的“科学时代”部分等著文，为现当代科学史研究体系的确立和发展作出了卓越贡献，《科学史及其与哲学和宗教的关系》（以下简称《科学史》）一书已成为当代学术研究绕不过去的科学史经典名著，自然也是哲学专业学生的一本必读书。

丹皮尔的《科学史》是以一首诗作为它的开场白，诗的题目叫做“natura enim non nisi parendo vincitur”，翻译成中文叫做“自然如不能被目证那就不能被征服”，又用诗化的语言描述了人类从巫术到宗教到哲学再到科学的发展过程。丹皮尔的《科学史》清新的文风，流畅的文笔让我们耳目一新。

为了更好地解释科学发展的历程，我们首先有必要解释清楚：什么是科学。给科学下定义是一个难事，在书中，按照丹皮尔的理解，或许用wissenschaft这个德文单词最为贴切，它不单单包括science，还包括历史语言学和哲学。但是在《科学史》中，丹皮尔更多的是指Nature science，正如他在绪论里说的那样：“在我们看来，科学可以说是关于自然现象的有条理得知识，可以说是表达自然现象的各种概念之间的关系的理性的研究。”①这个关于科学的定义不仅简洁，而且明了。

博学的丹皮尔在《科学史》中，是按照历史的发展顺序来描述的，从古代世界的科学开始，探讨了中世纪，文艺复兴，19―20世纪科学，以及对科学的展望。在对于巫术、宗教、哲学和科学起源先后的问题上，丹皮尔更多的是采用了弗雷泽在《金枝》中的观点，认为最先产生的是巫术，之后发展起来的是原始的宗教，然后才是科学与哲学。所以丹皮尔指出：“科学并不是在一片广阔而有益的草原上发芽成长的，而是在一片有害的森林成长起来的。”②但是各个早期文明，在经历了巫术与迷信的时代后，都先后迈进了宗教与神话的年代，以古希腊为例。由于奥菲教义的传播，丹皮尔指出，正是这一原始的观念，产生了来源和倾向都不同的两个哲学流派，一个是爱奥尼亚的自然哲学，另一个则是神秘主义的毕达哥拉斯学说。首先摆脱神话传统的米利都学派的泰勒斯提出水是万物的本源，这一思想的精髓被之后的阿纳克西曼德、阿那克西米尼发展，并被恩培多克勒的“四根说”所吸纳，最终为原子论者留基伯及其弟子德谟克利特完善。而另一条路则由毕达哥拉斯创立，并由苏格拉底、柏拉图、亚里士多德发展而成。之后历史进入了希腊化时期，亚历山大里亚学派崛起，罗马时期伊壁鸠鲁等人不断努力。再之后的中世纪，则强调了神学对哲学和科学的影响。再到14―15世纪的文艺复兴，达芬奇、哥白尼、培根、伽利略、笛卡尔等大师辈出的年代，以及之后的牛顿经典力学时代的影响，一直到19―20世纪，自然科学在物理学、天文学、生物学的发展，以及哲学与科学在这一时期的关系。丹皮尔在《科学史》中为我们清楚地描绘了科学那漫长的发展历史，让我们懂得了要从历史的角度追寻科学发展的轨迹。

丹皮尔在《科学史》中对科学与宗教的关系的论述同样精辟。或许对很多人来说，宗教和科学就是两个对立面的产物，其实这一观点是有失公允的。首先，在古代历史上，正是由于古巴比伦宗教的影响，推动了其天文学的发展；而印度的宗教思想则推动了其医学的发展，丹皮尔在书中写道：“释迦把他的体系建立在博爱、知识和尊重理性和真理的基础上。”③同样的，古希腊的宗教与神话也推动了科学的进一步发展。其次，在中世纪的基督教统治下，宗教与科学的关系也不是截然对立的。如丹皮尔强调：“早期的基督教神父奥利金就公开宣布古代学术，特别是亚历山大里亚的科学，与基督信仰是一致的。”④同样的，圣托马斯・阿奎那认为知识有两个来源，一个是基督教信仰的神秘，一个是人类理性所推断出的真理，而他的体系是按照亚里士多德的逻辑学和科学建立起来的。而中世纪的经院哲学中彻底唯理论的思想也为近代科学的产生提供了学术氛围，保持了科学的崇高性。丹皮尔这样描述：“经院派的哲学唯理论，从一个普遍而有秩序的思想体系中产生，又适合这个体系，且为科学预备了这个信念。”⑤丹皮尔的《科学史》通过比较全面的论述，让我们知道科学在其发展历程中与宗教联系紧密，宗教为科学的发展也作出过不少的贡献。

关于科学与哲学的关系的精辟见解，也是丹皮尔《科学史》的一个亮点。在古希腊人看来，哲学和科学就是一个东西。泰勒斯既是最早的自然哲学家，又是自然科学家，在天文学、几何学方面也有深厚的造诣。而毕达哥拉斯在数学上的成就也十分伟大，毕达哥拉斯定理为人们所熟知。其后的希腊化时期也延续了这种思想，并被中世纪的神学所承认，哲学与科学又和神学融为一体，如圣奥古斯丁将新柏拉图主义与基督教相融合，经院哲学对理性地位的维护，为自然科学假定自然是可以理解的铺平了道路。但是在文艺复兴以后，科学与哲学却开始分道扬镳，走上了相反的方向。实验主义的兴起，使科学家可以采用实验的方法来研究自然，与经院哲学产生了巨大的分歧。而牛顿经典力学体系的建立，则使自然哲学开始建立在牛顿力学的基础上，使哲学与科学重新走在了一起。但是，随后的康德和黑格尔哲学却又再一次走向分离。丹皮尔这样描述：“康德和黑格尔的追随者引导唯心主义的哲学离开当时的科学，同时，当时的科学也很快对形而上学不加理会了。”⑥哲学家指责科学家眼界狭窄；科学家反唇相讥，说哲学家发疯了。其结果是科学家开始在某种程度上强调，要在自己的工作中扫除一切哲学影响，其中有些科学家，包括最敏锐的科学家，甚至对整个哲学都加以非难。当马赫在1883年请求人们注意力学的哲学基础时，大多物理学家要不是不加理会，要不就是加以轻视。但是在经过了这段分离的时期后，哲学与科学又重新走向了融合，按照丹皮尔的理解，这一过程最先是在进化论思想中联合起来：进化论要求把有机体看作一个整体以及达尔文的成功，增强了机械论哲学的再起。而之后再物理学、数学领域的新发展也推动了两者的携手。丹皮尔写道：“近来的数学原理和逻辑学原理的研究更清楚地阐明了认识论，一种新的实在论也应运而生了。”所以，哲学和科学两者本质上是统一的，科学要发展需要哲学的思想，而哲学的前进也需要科学进步作为基础。

从丹皮尔的《科学史》中，我们可以清晰地发现他在科学史上的深厚造诣，对科学与宗教、哲学的关系不乏独到的见解。随着时代的发展，丹皮尔书中的某些观点或许已不合时宜，但是他对那个时代科学的看法仍值得我们研究探讨。同时，他独立思考、严谨专业的态度更值得我们学习和提倡。

注释：

①［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社，第8页.

②［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社，第22页.

③［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社，正文第8页.

④［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社，正文第62页.

⑤［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社，正文第86页.

⑥［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社，正文第282页.

参考文献：

［1］［英］W・C・丹皮尔.科学史及其与哲学和宗教的关系.广西大学出版社.

［2］江晓原主编.科学史十五讲.北京大学出版社.

［3］［英］J・R・弗雷泽.金枝.大众文艺出版社.

［4］赵佳苓译.科学家在社会中的角色.四川大学出版社.

［5］全球通史.斯塔夫理阿诺斯.上海社科出版社.