天文学:理解这个宇宙

作者:北京师范大学 高爽

       如果你选择了天文这个专业,会是怎样一种体验呢?

       天文学是一门非常高端大气上档次的学科,开设这个专业的大学如凤毛麟角,如果不来天文系,基本上你在生活中很难碰上一个学天文的小伙伴。天文系是一个非常小的单位,但却在学习世界上最大的内容——字宙。仰望星空不光是一种情怀,也是科学的一部分。学习这门科学与其他专业一样是需要付出一定艰辛的, 但却能获得无与伦比的美妙体验。

       多年以前,英国有一位男青年,和我们一样准备高考上大学。在选择专业的时候,他发现了天文学(astronomy)这个专业,顿时好感爆棚,结合自己儿时读过的书,抬头看看星空,“嗯,这是一个完美的专业——浪漫与科学共存,冷艳与情怀同在”,他一边这么想着,就一边决定了进入天文系学习。可是好景不长,入学之后的男青年被一连串的高深课程打蒙了。《数学分析》和《理论物理》还能将就,《实测天文学》和《天文数据处理》麻烦可大了,等到了《射电天文》和《宇宙学》青年基本上已经崩溃了。说好的看星星呢?说好的白天睡觉晚上学呢?说好的一边晒月亮一边弄论文呢?学了太多的数学和物理,做了大量的计算和推导,编了一个又一个计算机程序,还没晒过月亮,终于,男青年决定退学了。从此专心玩乐队,一发不可收拾,他所组建的皇后乐队(QUEEN)一举成为西方流行音乐的领袖,几张专辑霸占着金榜首位迟迟不肯退位。这位男青年就是皇后乐队的创始人和主音吉他手布莱恩•梅(Brian May)。如果你爱好音乐,应该还能哼几句布莱恩•梅作曲的We will rock you。

       就是这位音乐领域的高富帅,在放弃天文学36年之后——在他已经59岁的时候——重新回到学校,认认真真地观测,计算,模拟,论证,研究,学习,再学习,写论文,终于通过毕业答辩,拿到了天体物理学博士学位。我们在感叹这位文艺男青年,哦不,文艺男中老年的有趣之余,不禁得问个问题。

       天文学这个专业,究竟是什么样呢?

       若说有趣,为啥能让人绝望到退学?若说无趣,又为啥能让人在放弃36年之后重回天文学怀抱?

布莱恩•梅

       天文学,是数理化天地生这六大基础学科之一。作为基础科学,天文学要面对的问题就是探索我们的未知世界,具体来说,这个未知世界有宇宙这么大。天文学是研究宇宙空间和天体的运动、起源、演化、化学组成的科学。为了实现探索宇宙的宏大目标,天文学就必须借助于数学、物理、计算机辅助等工具。越好得掌握这些工具,就越能理解天文学的现象,越容易探索天文学的规律。这就是为什么天文学专业在入门阶段要学大量的数学和物理方面的基础课。另一个方面,作为一门科学,数学是它的标准化语言。所以天文学的现象、规律、行为、假设、结论、方法,实际上都要通过数学的形式表达出来。

       传统上说天文学有三大分支,分别是天体物理学、天体力学、天体测量学。今天的实际情况是,天体物理学高度发展,已经普遍地采用天体物理学的方法来做天体力学和天体测量学要做的事情。北京师范大学和南京大学仍有天体力学的研究方向。主流上说,大部分天文学工作者工作在天体物理学方面。更细地划分,天体物理学又包括太阳系和行星研究、太阳物理、恒星物理、银河系、宇宙学等诸多研究领域。一般来说,天文学的本科学习阶段并不需要明确区分这些研究领域,所有领域涉及到的专业知识基础是一致的。举例来说,研究太阳和其他恒星,都需要学习恒星的演化理论;研究恒星、银河系和宇宙学都需要最基本的测量距离的知识和方法。计算能量,模拟运动,分析受力,归纳化学……所有这些基础理论,都需要在本科阶段统一学习。所以,从这个角度来说,天文学专业需要学习大量高等数学和物理,并且所要求的难度,比很多理科专业都要高一些。

       除了基础理论的学习以外,还有一些专业技能的学习。天文学是一门以观测为基础的科学。一切理论都必须建立在观测事实的基础上。所以对头顶星空(当然还有太阳)的观测是很基础的技术。这就要求学习如何操作望远镜(那可都是几吨重的大家伙),学习如何探测和记录观测到的结果,学习如何用计算机辅助分析这些结果。这里面就涉及到了天文专业的4到5门的相关课程。在这个过程中,你要跟口径几米甚至几十米的望远镜打交道,要住在山上追踪星空,要倒腾几百个G的大数据。

       天文学专业是一个特别好的国际合作的事业。因为无论阿拉伯人还是日耳曼人,星空都是一样的。在宇宙面前,人与人之间的差别变得渺小了。要学习、传播、与世界上其他地方的学生、学者分享天文的知识,就必须用统一的学术语言,即撰写英语论文。所以天文学专业还要求较高的英语水平,至少需要很好地阅读专业论文和写作。从本科到研究生阶段,至少还有2到3门课要解决这方面的问题。

       为了更有效的学习,为了更容易掌握那些抽象的知识和技能,其实今天的天文学专业学习是非常鼓励实践的。从大学一年级开始,每年暑假都会有专门的机会让学生深入到各个天文台的前沿研究课题中去,从基础做起,真刀真枪地见识真问题、真数据,培养天文学研究的能力。学习书本知识之余,能在导师的辅导下通过自己的努力发现一点宇宙的新规律,是多么美好的事啊!甚至,近年来,我们已经把看星星和实践课题的触手伸到国外去了,韩国、日本、澳大利亚等地都留下了学生们的足迹。从这一点来说,今天的学习环境要比布莱恩•梅年轻的时候好了不知多少倍呀。

       天文学是一门利用科学研究探索宇宙未知规律的基础学科。所以天文学专业的就业,核心就是围绕着科学研究进行的。本科毕业继续读研究生(这个比例是50%以上),直到博士毕业(出国的比例是很高的,大约30%)。在这个求学的过程中会逐渐确定自己的兴趣和研究方向,积累一些自己的心得。然后,要在全世界范围寻找与你的研究方向相关的科研单位,天文台或者大学天文系。申请去那里做上两三年博士后。在此期间需要很专注地进行专业研究,之后,凭借自己的能力考虑下一步的职业发展。或找到天文台和大学的固定研究职位,或当一名老师从事高等教育和天文学研究。这是一条艰难的学者之路,这条路并不好走,往往下班时间脑海中也在拼命思考着很多问题。同时,这又是一条能见识到大风景的路,有多少宇宙的秘密在那一瞬间只有你一个人洞悉?或是在下班的路上抬头看见星空觉得十分熟悉?

       当然,并不是每个人都必须选择天文学研究和高等教育的路子发展下去。除此之外,还可以凭借天文学学习的基本功,转移到物理学研究或数学研究等领域。如果不做科研和教学,还可以从事科学传播方面的工作,或是基础教育。比如天文馆和中学,从事面向社会公众和中学生的基础教育工作。

  • 天文专业在每所大学中的培养方案略有差异,但基本上的课程都是大体相同的。
  • 数学类:《大学数学》、《数学物理方法》、《计算方法》
  • 物理类:《力学》、《光学》、《热学》、《电磁学》、《量子物理》、《理论力学》、《电动力学》、《量子力学》、《热力学与统计物理》、《近代物理实验》
  • 天文类:《天文学导论》及实验、《实测天文学》及实验、《天文学前沿》、《天文数据处理》、《文献选读》、《恒星大气》、《球面天文学》、《天体力学》、《星系天文学》、《恒星结构与演化》、《太阳物理》、《宇宙学》
  • 计算机类:《天文软件程序》、《Linux》

本文首刊于《天文爱好者》杂志2015年第5期,经高爽老师(河马老师)及北京天文馆朱进老师授权转载自《天文爱好者》杂志微信公众号,特此感谢!

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