你以為的天文學真的是你以為的天文學嗎？

「宇宙中最不可理解的事，是宇宙是可以理解的」。

The most incomprehensible thing about the Universe is that it is comprehensible.

——Albert Einstein

和浩瀚的宇宙相比，地球是多麼渺小，人的一生又何其短暫；但人類存在的價值之一，在於人的智慧代代相傳，人類集體的智慧能夠探究浩瀚宇宙中的無窮奧秘。人生於世，時時都應意識到我們生活在社會群體中，我們生活在自然懷抱里。當我們與社會中的別人打交道時，崇高的道德準則是必須遵守的；人在自然懷抱里更不能無視天地宇宙之間自然界莊嚴的規律。仰望星空，無論是幾十年前還是幾十年後，無論你身在地球上什麼地方，燦爛的群星總以它那無比的深邃和靜謐，向你展示著神秘而和諧的宇宙圖景，使你心馳神往，無限遐思，心靈得到凈化。

探索宇宙是人類永恆的慾望

探索宇宙的成果是人類集體智能的結晶。天文學家總是在前人成就的基礎上，上窮碧落下黃泉，進行更深層次、更廣範圍的宇宙探測。16世紀哥白尼(N.Copernicus)的太陽中心說，改變了人們幾千年來以為地球是宇宙中心的觀念。17世紀牛頓(I.Newton)建立的經典力學理論架構，使人們認識到天體也和地面上的物體一樣服從統一的運動規律。18世紀發現天王星，19世紀首次測定恆星的距離，20世紀初人們知道了太陽是銀河系的一個成員，而且處在銀河系中比較靠邊的位置。20世紀20年代肯定了河外星系的存在，美國天文學家哈勃(E.P.Hubble)首次測定了河外星系的距離；30年代出現射電天文學；40年代建成5米口徑的光學望遠鏡；50年代人造衛星上天；60年代天文學四大發現；60～70年代人類登上月球；80年代太空梭問世；90年代哈勃空間望遠鏡被送入太空。世紀之交，一批口徑10米級的光學望遠鏡建成或正在建造，各種目的的全波段大型觀測設備已經進入太空或即將進入太空；21世紀的頭20年，人類有可能登上火星和在月球上建立天文觀測基地。現代天文學家探測宇宙的能力已深達137億光年的距離，觀測到數以百億計的星系。人類正在探究宇宙創生的歷史和未來命運，尋訪地球以外的生命或文明的蹤跡。從遙遠太空回眸地球，地球上看似渺小的人類，正用自己無窮的智慧和非凡的能力追尋著神秘而和諧的茫茫宇宙中發生的一切——這就是人類的追求、永恆的慾望。

圖1 阿波羅飛船拍攝的地球

天文學與人類社會發展的關係

天文學誕生和發展的動力源泉，不單是人的好奇心，更在於人類社會生活和生產實踐的需要。創造尼羅河文化的古埃及人，在多年的農耕經驗中發現，天上最亮的恆星天狼星一旦在黎明之前出現於東方地平線上，尼羅河水就要開始泛濫了。他們據此得知了相當準確的「年」的周期概念，把天體出沒的規律與河水漲落的關係以及農作物生長周期和人所要採取的農業措施科學地結合在一起。中國、印度、古巴比倫、希臘、馬雅這些遠古文明發達的民族都有各自的以天象周期為基礎的曆法，用於指導農業生產和社會生活。即使逐水草而居的原始游牧民族也懂得根據星象確定方向、位置和季節。人類考古所能見到的最古老的文字，如古巴比倫泥版書上的楔形文字和中國殷墟的甲骨文，都有關於天文的記載。各民族觀察天文的歷史幾乎和民族本身的歷史一樣久遠。

如果說中國、古希臘和古阿拉伯人創造的天文學成就是人類天文學發展的第一次輝煌，它是以農業社會生產發展的需要為其動力，那麼開始於歐洲文藝復興時期，以哥白尼、開普勒(J.Kepler)、牛頓為代表的人類天文學發展的第二次輝煌，則是伴隨著工業社會生產方式的萌芽和發展而產生的。掠奪殖民地、人口三角貿易這些原始資本積累過程使航海技術空前發達，而航海是離不開天文的。

當代社會，人類以和平與發展為共識，科學技術居於社會的先導地位，科學技術水平成為衡量社會發達程度的重要標誌。20世紀60年代以來，信息技術、微電子技術、空間技術、能源革命和生物基因工程等新興科學技術群迅速崛起，人類更加關注地球在宇宙環境中的地位、安全和未來命運，以更大的熱情去探索宇宙深空的各種奧秘，尋找地球以外的生命乃至人類的知音。發達國家的科學研究投資中，天文學研究所佔的比重不斷增加，人才、技術和設備不斷加強，天文學正在進入一個歷史上新的輝煌時期。如果說，300年前，哥白尼-牛頓時代的天文學發展是在幾千年緩慢積累的基礎上，人類認識宇宙的第一次飛躍，那麼，在科學技術突飛猛進的當代，我們正面臨著的天文學的新發展，將是人類認識宇宙的第二次飛躍。

數學、物理學、化學、天文學、地球科學、生命科學被認為是現代自然科學的六大基礎學科。天文學與其他學科之間有著廣泛的相互滲透、相互促進發展的關係，其中數學和物理學尤為突出。天體力學的奠基者牛頓、歐拉(L.Euler)、達朗貝爾(J.L.R.d′Alembert)、拉格朗日(J.L.Lagrange)、拉普拉斯(P.S.Laplace)、高斯(J.G.F.Gauss)、哈密頓(W.R.Hamilton)、龐加萊等同時也是數學大師。1942年，愛因斯坦在紀念牛頓誕辰300周年的文章中寫道：「那些為現代技術發展所不可缺少的理智工具，主要來自對星空的觀察。」「像牛頓那樣的有創造能力的思想家……他們的思想由於凝視這星空而展翅高飛。」1950年，愛因斯坦在國際外科醫學院發表演說：在牛頓那個時代，「物理學像天體力學的小妹妹一樣隨之發展，而生物學則又是像物理學的小妹妹一樣隨之發展。」愛因斯坦的廣義相對論是近代物理學的理論基礎，但廣義相對論幾個方面的驗證都在天上：弱引力場中的光線偏轉、引力紅移、雷達回波延遲、行星近日點進動和引力波。1915年，盧瑟福(E.Rutherford)提出原子模型不到4年，天文學家證實了天狼伴星是一顆密度高達250萬克/厘米3的白矮星，只有新提出的原子模型才能解釋物質的如此高密狀態。20世紀20年代，天文學家愛丁頓(A.S.Eddington)研究恆星內部結構，提出恆星的巨大能量必定源自恆星內部的原子核反應；12年後，物理學家貝特(H.A.Bethe)和魏茨澤克(C.F.Weizsacker)弄清了恆星內部的質子-質子反應和碳—氮—氧循環這兩種熱核反應的具體過程，並從此打開了人類新能源開發研究的大門。20世紀60年代，天文學家發現脈衝星，證實了物理學家和天體物理學家預言的中子星的存在，進而掀起了探索更高緻密度的天體——黑洞是否存在的熱潮。當代關於超新星、類星體、活動星系核和γ射線暴的探測成果，已經揭示了宇宙中還存在著比熱核反應更加強大的能源機制。19世紀與20世紀之交，物理學的天空出現兩朵小小的烏雲，竟然醞釀出漫天的狂飆，動搖了幾個世紀以來建成的物理學大廈。雨過天晴，相對論和量子力學這兩座全新的、現代物理學理論架構巍然聳立，人類社會進入科學技術迅猛發展的新時期。20世紀與21世紀之交，又有兩朵烏雲——暗物質和暗能量湧現天際，天文學中發現的γ射線暴、巨型黑洞附近的吸積流、引力透鏡、宇宙加速膨脹等新奇天象，也許會促使人類像19世紀和20世紀之交，甚或像在文藝復興時代那樣，產生基本物理觀念的革命性變化。

天文學與社會政治、宗教、文化的關係也比其他學科更為密切。古人敬畏上天，「仰之如日月，敬之如神明」(《左傳·襄公十四年》)。歷代封建統治者都以天子自居。「老子天下第一」，也只在天下稱霸，不敢涉及天上。就連平民百姓的婚姻大事也要「一拜天地」。有人考證，「天文」原本是「天紋」，即天上顯示的圖像。統治者們想從「天文」中獲得神明的啟示，同時又利用「天文」維護自己的權威。所謂「天垂象，觀吉凶」(《周易·繫辭傳》)，「以保邦於未危，以處身於無禍」(唐·李淳風)，中國古代的天文學始終是與王權政治並駕齊驅的。西方國家長期政教合一，文藝復興時代，在科學與宗教的鬥爭中，天文學處在前沿地位。教會對哥白尼、布魯諾(G.Bruno)和伽利略(Galileo Galilei)的殘酷迫害，皆因他們的天文學從精神上動搖了宗教統治的根基。

在文學藝術領域中，天文學也有不可或缺的地位。法國一位作家說過：「天上的星、地上的花、人間的愛是世上最美的三樣東西。」芸芸眾生，滄桑多變，世態炎涼，唯有遙遠的天體給人以恬靜、永恆的感覺。昭如日月、燦若明星，歷來是文學藝術謳歌的對象，藉以抒發人的情懷。天文學對於人類的精神有如同哲學、美學及藝術一樣的治癒作用。天文學的基本知識，對於當代追求高尚知識素養的人，無論從事何種職業，都是值得學習的。

天文學的研究對象

天文學是研究天體和宇宙的科學。天體即大氣層以外的物體，包括日月星辰和人造天體在內。天文學研究天體的位置、分布、運動、結構、物理狀態、化學組成、相互關係及演化規律。宇宙是全部時間、空間和所有天體的總稱。

天體有物質密集的形態如恆星、行星，有物質鬆散瀰漫的形態如星雲、星際物質，也有廣延的連續形態如輻射帶、磁層、引力場等。太陽系中的天體包括太陽、行星、矮行星、衛星、彗星、流星體、行星際物質。銀河系中的天體有恆星(在恆星周圍有類似太陽系中的諸天體)、星團、星雲、星際物質。在銀河系外面還有更廣闊的時空和更高級別的天體系統。

地球作為一個整體也是天文學研究的對象。將來人類一旦建造起月面研究基地，地球就成為他們觀測的天體，而在月球上進行的各種月面勘察研究工作反而不屬於天文學的範疇了。常常有人誤解天文學與氣象學的關係。氣象學屬地球科學，它的研究對象是地球大氣層中的各種物理過程及變化規律。氣象學是與國民經濟密切相關的重要學科，預報天氣和研究氣候特徵是氣象學的重要任務。

天文學的研究對象往往具備地面實驗室難以達到的條件：極端的冷與熱、緩變與爆發、稀薄與密集、極高能量、極強磁場、極大引力和極長時標的演化，提供人類發現與驗證自然法則的無法模擬的場所。許多物理學家認為，天體物理學是近代物理學中最熱門、最有前途的領域之一。現代天文學研究還促進現代光學、信息科學、計算機科學、精密儀器與新材料新工藝的發展，許多尖端技術都應天文學的需要而產生，又在天文學研究中首先得到應用。

天文學幫助人們正確認識自己在自然界中的地位，擺脫愚昧、升華理性思維。仰望星空，人們不得不折服，在浩瀚的宇宙面前，地球是多麼渺小，人的一生又何其短暫，然而正因為如此，人類才應該更加珍惜自己的生命，把個人的心靈與人類社會和廣闊自然融為一體，實現自己的人生價值。

天文學的分支學科和研究方法

天文學有三個主要的分支學科：天體測量學、天體力學和天體物理學。

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天體測量學

天體測量學是天文學中最先發展起來的一個分支，主要任務是研究和精確測定天體的位置和運動，建立和維持基本參考坐標系，確定地面點的坐標以及提供精確的標準時間服務。現代天體測量學已從傳統的地面光學測量發展到採用雷達測距技術、射電干涉技術和太空技術，進行多波段測量，定位精度達到0″.001，太空至地面的距離測量精度達到厘米級。基本參考坐標系已由傳統的靜態恆星參考系發展到動力學參考系和以遙遠的銀河系外天體為基準的射電參考系。新興的邊緣學科——用天文方法研究地球自轉和地殼運動的天文地球動力學也屬天體測量學的範疇。

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天體力學

天體力學主要研究天體運動的動力學問題，包括天體的力學運動和形狀。力學運動是指天體質量中心在空間的移動和天體繞質量中心的轉動；形狀是指天體在內部引力、熱輻射壓力和自轉離心力作用下彈性平衡的形體及其變化規律。天體力學的理論基礎是常規運動速度下的牛頓引力定律和超常運動速度(接近光速)下的狹義和廣義相對論。天體力學採用定性理論、攝動理論和數值方法確定天體的運動和長時間內軌道變化的情況。天體力學還用於人造天體的軌道設計，計算彗星、小行星軌道，預報日、月食，預報太陽系內天體碰撞事件等特殊天象。一些恆星系統和星系的動力學問題也屬天體力學的研究範疇。

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天體物理學

天體物理學是天文學中最年輕、也是最活躍的分支，主要任務是應用物理學的技術、方法和理論，研究天體的表面物理狀態、內部結構、化學組成、相互關係和演化規律。天體物理學與現代物理學理論及儀器技術的發展關係密切，也是當代天文學成果最多的一個分支。20世紀60年代的天文學四大發現，關於黑洞的理論和探測、恆星演化和宇宙論的研究都屬天體物理學的範疇。有些物理學家認為，天體物理學也是天文學與物理學的邊緣學科。1964～2006年，諾貝爾(A.B.Nobel)物理學獎有9個年度12項天文課題的16位科學家獲獎(表1)，獲獎項目都是天體物理學的課題。

表1榮獲諾貝爾獎的天文課題

天文學是觀測科學，同時也是綜合科學。它的研究對象都在遙不可及的宇宙空間，既不能取樣分析化驗，也不能親臨實地勘察，研究的唯一方法就是觀測——用各種儀器觀察和測量從天體輻射來的電磁波或少量的高能微觀粒子。現代天文學最重要的觀測儀器是天文望遠鏡。望遠鏡收集的天體信息量與其口徑的平方成正比。20世紀前50年，光學望遠鏡的口徑從2米發展到5米，至90年代已躍至10米，信息收集能力比肉眼提高400萬倍。

現代概念的天文望遠鏡是天體信息的收集器。它收集到的天體信息要傳送給信息接收設備，再進入計算機適時處理(圖2)。與望遠鏡配套的信息接收設備是各種分析儀器和光電轉換裝置。計算機擔任天體信息的最後處理，同時發送控制信號，控制望遠鏡和接收設備的動作和狀態。

圖2現代天文望遠鏡系統

天文學家直接用眼睛對著望遠鏡觀測天體的時代已經成為歷史。照相技術在近代天文學研究的歷史上起過非常重要的作用，現在已經或正在逐漸為更新的技術所取代。在現代化的天文台里，天文學家的工作場所可能離望遠鏡很遠，他們面對的是計算機終端或其他信息顯示設備。光學波段，尤其是可見光波段是天體電磁波輻射中很窄的一小段。只限於觀測光學波段的時代也已成為過去。20世紀50年代以後，射電天文和空間天文儀器相繼出現，開展了對天體的射電輻射和紅外線、紫外線、X射線和γ射線的全波段觀測研究。現代最大射電望遠鏡的口徑已達到100米、110米(跟蹤式，德國波恩天文台和美國國家射電天文台)和305米(固定式，設在波多黎各的美國阿雷西博天文台)。近30年來，空間天文學長足發展，設備投資大約是地面天文設備的10倍左右。各種探測器、宇宙飛船飛往太陽系各大行星。人類已經登陸月球，踏上火星也將為期不遠。1989年和1990～2003年相繼上天的天體測量衛星和哈勃空間望遠鏡、錢德拉空間望遠鏡、斯必澤空間望遠鏡等都取得了非常令人矚目的觀測成果。

圖3乾燥荒涼的火星

21世紀的前50年，人類將要建造口徑30～100米級的地面光學望遠鏡，口徑1 000米級的地面射電望遠鏡，還將在月球上建立天文觀測基地，將口徑6.5米的空間望遠鏡和星座式X射線天文台發射到離地球150萬千米、繞太陽運行的軌道上。空間望遠鏡的測角精度將達到10－6角秒。人類將在對高能天體的研究中，獲知比熱核反應高几個數量級的能源機制，從而掌握更加強大的新能源。人類將繼續探索地外文明，努力爭取與外星人建立通信聯絡，還將把所有可能危及地球安全的太陽系小天體全部納入監控系統之中。有史以來，人類認識宇宙的第二次飛躍的時代，正展現在我們面前。

蘇宜

ISBN 9787030250872

《天文學新概論》是作者蘇宜在積累多年教學經驗的基礎上，結合天文學全新進展編寫而成。本書是第四版，前三版已得到廣大讀者的認可。本書可以使讀者比較系統地獲得關於天體和宇宙的各種知識，科學地認識神秘而和諧的宇宙，了解人類生存的宇宙環境及人類探索宇宙的科學方法、艱辛歷程和未來前景，達到開闊視野、啟迪人生、提高科學素養和綜合知識水平的目的。

3位院士推薦

王綬琯院士題詞：

蘇定強院士簡評肯定：

《天文學新概論》的「選材和結構突破了傳統的格局，明顯地向當代天文學研究前沿傾斜，突出了宇宙學、星系、黑洞、系外行星探測和儀器技術的最新發展等內容，很符合當前國際上天文學研究的重點範圍，材料也很新、很全面。本書不僅介紹天文知識的本體，還聯繫人文思想、文學和哲學方面的話題，行文流暢，文筆優美，是對大學生進行科學素質教育的很好的教材。本書確實非常適合選修天文學通識課的非天文學專業大學生使用，即使是天文學專業的學生，也不妨選作入門教材或重要參考書。」

孫義燧院士為本書做序，其中提到：

在人們心目中，天文學知識高深難解，像瑰麗的珠寶藏之深山，或像絢麗的鮮花周圍荊棘叢生，可望而不可及。本書有一點好處就是使讀者避開了數理方面的困難，比較輕鬆地了解到天文學的基本概念和近代發展，而又不失知識全面、邏輯嚴謹、深入淺出、條理分明。

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（本期編輯：王芳）

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