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標題: 天文学对物理学的影响 [打印本頁]

作者: p30900 時間: 2024-7-21 00:05
標題: 天文学对物理学的影响
驱车往返于城区和郊野，彻夜未眠的拍摄，数小时的繁复后期……M8礁湖星云中的气体云与星际尘埃终于被解析在眼前。这张绚丽的深空摄影作品，出自于一位刚毕业的高中生之手。过去十年，作为天文爱好者的吴思哲一直将天文学家的梦想埋在心底。今年9月南京大学开学，吴思哲离梦想又近了一步。

通过考试成功入围天文学拔尖计划，即将步入自己梦想的校园学习热爱的专业，吴思哲表示“初中定下的目标终于要实现了”。在外界看来，这个“以星空大海为征途”的专业的确有些寂寞和高冷。尽管南京大学天文与空间科学学院是全国高校中历史最悠久、培养人才最多的天文学专业院系，但目前，国内开设天文学本科专业或成立了天文系的高校仅有十余所。

过去，天文学一直被视作是理想主义者的选择，抬头望向月亮的代价似乎就是失去地上的六便士。但近几年，随着国家对基础学科加大投入和更多天文空间项目的建成，国内天文学人才需求进一步上升。国内天文学教育虽然起步较晚，但目前正进入一个高速发展的阶段，各个高校陆续建立天文学专业，高考报考中传统冷门的天文学专业似乎将迎来走热的机会。不少专家学者也表示，随着国家实力的增强，科研领域不断发表出世界领先的成果，天文学作为一门不可或缺的基础科学，在高校兴起将成为一种趋势。

追随天文的十年：借望远镜与红外相机抚触星云

小学时，吴思哲就表现出了对天文学的兴趣。吴思哲的父亲回忆道，“最开始的兴趣是由纪录片引起的，比如央视播出的《斗转星移》《了解宇宙如何运行》等，他幼儿园起就喜欢看这些。”

小学三年级和父亲第一次参加云南省天文爱好者协会的活动后，吴思哲便开始观测各类大小天象：日食月食、金星凌日、行星冲日……“小时候我最热衷的事，便是用自己那台小小的米德ETX90（一款适用于初学者的天文望远镜），去看月球表面的沟壑、土星美丽的光环、木星淡淡的条纹与金星细小的相位变化。”吴思哲回忆道。天文的神秘令吴思哲着迷，宇宙中的现象千奇百怪、壮阔而美丽，却又是真实地存在于这个世界上的。“我想要了解浩瀚的星空，了解这个世界。”

到了高中，吴思哲成了更资深的天文爱好者。“随着更多的知识积累，我渐渐感受到了隐藏在天文中的科学精神——天空中相互绕转的双星与下坠的苹果竟然遵循着相同的规律；天文学家仅靠观察空中暗弱星点的光谱，便可以知道遥远恒星的温度与大气元素，知晓它的过去与未来；宇宙中无数光陆怪离的现象正在被理论一一解释……”吴思哲在某次观测记录中写道，美丽的行星、缥缈的星云、壮阔的星系是天文外显的、感性的美，而天文最吸引他的地方，在于现实与规律、感性与理性的完美融合。

在云南师大附中的大观天文社，吴思哲遇到了两位非常志同道合的伙伴。三人一起筹办社内的理论课和日常观测，一起备考天文学竞赛，一起从零开始学习深空摄影，跑遍了云南省内的羊街镇、螃蟹箐、轿子雪山等地“出摊”拍摄。

大观天文社第16届社长熊浩宇介绍，云南师大附中的大观天文社成立于2006年，是师大附中众多社团中成立时间较早、规模较大的老牌社团。传统设有天文理论课、日常观测、石林观星、天文台参观等活动。

大观天文社曾有天文摄影这一专业性极强的活动，但未能延续。吴思哲三人从最开始的系统适配、设备接线、拍摄及后期流程开始学，把坑都踩过了一遍，重启了大观天文社的这项活动。吴思哲说，“每三月一次的‘出摊’是我高中生活中最期待的事。当远离光污染，抬头望见城市中阔别的灿烂星空，实在是人生不可多得的震撼与感触。而天文摄影能将隐藏在星点中暗弱的星云、星系解析在你的眼前，并将这一份感触记录、保存下来，更是不可多得的幸运。”

社团活动坚定了吴思哲学习天文的信念，历任社员中也有许多人走上了天文科研的道路。第15届天文社社长蒋昊昌表示，由于2015年国内大学天文系发展进入一个高速期，天文社从13届开始每年都有社员报考天文专业。

如今，被南京大学录取的吴思哲回想起高考，仍记得自己进入考场前的最后几分钟，再望了一眼师大附中天台上的天象蛋的身影。今年7月拿到南京大学的录取通知书时，吴思哲感慨道，“中学时立下的目标终于实现了。我想为天文学的发展奉献自己的一生。”

“天文科研不只是看星星，也要写代码”

事实上，天文学作为爱好和专业有很大区别。南京大学天文与空间科学学院副教授罗新炼对澎湃新闻表示，从天文爱好者转变为天文科研人员，需要把兴趣转变为志趣，这样才会乐在其中。

“大家以为天文学家是看星星，其实两百年前的天文学家才是这样的。近一百年来随着相对论和量子力学的发展，天文学已经变成了一个非常严肃、非常精确的科学。我们的日常工作就是公式计算、论文和代码。”在中国科学技术大学天体物理研究生马潇汉看来，天文作为研究是一件快乐的事情，但并不是作为爱好的低门槛和纯粹的享受。“它可能是一种折磨，折磨之后再给你一种无与伦比的享受。”

今年毕业于南京大学天文学的邓云未也将自己大学期间的专业学习总结划分成三等份：看文献，写代码和写论文、项目申请书。邓云未说，“天文学科研主要分做观测、做模拟和做理论。除非是专门负责运行望远镜的人员，否则实际观测的时间并不多。”

在中国科学技术大学天文系教授蔡一夫看来，我国的天文学教育还需要增加更多的实践活动，让同学们不局限于公式的推演和数据的模拟分析。马潇汉称，自己本科期间有很多次观测的机会，但大多是出于兴趣参与而非研究需要。邓云未也提到，自己主要负责对观测数据的处理分析和理论模型的构建，很少亲自操作观测，“一个为期几十个小时的项目，我只需要花一个下午把观测设计好并提交到天文台，专门运行望远镜的人员会负责把数据拍好给我。”

除此之外，罗新炼表示，学习作为“长线”学科的天文学，学生在物理、计算机、数学、英语方面的基础十分重要，且需要在本科及以后经过长期的学习及科研训练才能成为一个非常优秀的职业天文工作者。

以南京大学天文与空间科学学院本科人才培养方案为例，方案指出天文学专业下设天体物理、天体测量与天体力学两个学科方向，核心课程有天体力学基础、理论天体物理、球面天文等。方案也提到，数学和物理课程是天文学专业的重要知识基础，计算机知识是必不可少的重要工具。另外，因为当前天文学研究的国际化程度很高，本专业对学生的英语能力也有较高的要求。

马潇汉也介绍，事实上，本科期间天文学与物理学有很多相同的课程，且天文学本科生的计算机能力要求并不会比计算机专业的学生低太多。

经历了大学期间的计算机、数学课程等各方面的训练，也有不少天文学的毕业生最终选择成为程序员或金融分析师。根据《2021年南京大学天文与空间科学学院就业质量报告》，南京大学的天文与空间学院的2021年毕业生数据显示，本科毕业生境内外升学深造占比超七成，毕业研究生签约就业占比超六成，总体来说选择升学深造的约一半左右。选择就业的毕业生中多选择事业单位（含高等教育单位、中初教育单位、科研设计单位）和企业单位。

国内天文学教育发展，“长线学科”逐渐升温

天文学与数学、物理学相比，尽管都属于基础学科，但是存在感一直较低。

我国天文学教育起步较晚，尤其在天文技术与仪器方面与国外尚有差距。马潇汉表示，基础学科的发展需要一代一代的学术传承、百年尺度的学术环境积累。我国第一批自主培养的博士毕业于1983年，研究生培养也较为年轻。目前，我国开设天文学本科专业或成立了天文系的高校仍不足二十所，大部分学校专业开设不全。

同时，天文学作为一门以观测为基础的学科，需要研究者了解并参与到实测中，因此教育、科研的发展非常依赖于观测设备和仪器。“早期中国的天文学研究者要靠申请使用其他国家的望远镜，或者从网上下载别国望远镜公开的观测数据。我国近些年才有两米级口径的光学望远镜，在天上的望远镜目前也还只有‘悟空’号一个。”中国科学技术大学天文系教授袁业飞对澎湃新闻表示，“有了自己的世界领先的望远镜，就能够做出世界领先的成果。比如现在‘天眼’不断地有世界领先的成果发表。”

除了“天眼”，诸如“羲和号”、大视场巡天望远镜等更多天文和空间项目的建成，也进一步增加了对天文学人才的需求。2014年郭守敬望远镜、500米射电望远镜FAST等大科学装置的建设和深空探测工作不断推进，科研人才的缺口初步凸显。随后几年，更多大科学装置收集的海量数据也亟需大批优秀天文学家、物理学家去分析。

近几年，国内对教育的投入持续加大，新的学校如雨后春笋一样涌现出来，许多国际青年学者也选择回到国内高校任职，基础科学领域发展的速度很快。南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞于《中国国家天文》撰文称，从1999年至2020年，国内平均每年增加一所高校成立天文系，全国天文专业本科招生数从1994年的28人增长到了2018年的208人。2018年的基础学科拔尖学生培养计划在原有五个学科（数学、物理学、化学、生物科学、计算机科学）的基础上，增加了天文学等12个学科，让作为基础学科之一的天文学更加受到了重视。

同时，部分高校通过与天文台合作的方式实现科教融合，如紫金山天文台挂牌成为中国科技大学的人才培养单位，使得中国科技大学能够与其共享天文设备与天文技术方面的人才。

另外，袁业飞谈到，过去，天文学作为一门“长线学科”，掣肘其发展的一直是资金问题。“天文是一个非常基础、非常‘没有用’的学科，短期内没有明显的经济效益。”相较而言，应用性学科的科研成果转化率更高，能从企业获得投资，更多吸纳社会资金，而基础学科则几乎完全依靠政府资金支持。

但在袁业飞看来，这并不表示天文是一个真的“无用”的学科，天文学的发展能够带动许多有用的技术。蔡一夫也举例介绍，目前手机数码相机的核心成像部件CMOS的前身CCD，最早是因为天文学的光学成像需求而发展出来的，因相机镜头而知名的蔡司公司最早也是做天文望远镜的。袁业飞补充，建造天眼所用的拉索技术也应用于港珠澳大桥的建造。“由于天文对技术的要求极高，其技术成果能很容易地转化于民用领域。”

从科学回报的角度，袁业飞表示，天文学是一门可以带动革命性变化发展的基础学科。历史上，天文学家第谷对行星的观测带来了开普勒定律和牛顿力学，如今，天文观测对物理理论的验证和发展新物理也将有极大帮助。

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