说说天文学家们到底在干什么

似是故人来517

这篇文章和后续的一些关于科学科普的文章,阅读受众锁定在高中水平为基础(因为大学已经开始分不同学科,高中水准比较有代表性.) 因为如果再低了,就没太大意义。如果高了，又只能锁定理工科读者了，也没有意义。
前一篇谈人造肉的文章,反响很不错,这篇来谈谈天文学,话说我其实算是个很懒的天文爱好者吧,最早对天文感兴趣是小时候看哈雷彗星。
一、天文学的历史
人类最久远的科学估计就是数学和天文学了,甚至在原始人的时候,人类就通过记录太阳的变化，月亮的变化、各种星座变化，来作为农业生产等的依据。
早期原始人，通过观察天空中明亮星体的变化，慢慢总结出一年、一月、四季等各种时间变化等。可以这么说，天文学，是人类文明起步的基础科学。
从公元前6世纪就有详细的天文记录，在17世纪西方天文学和望远镜的介入之前，中国天文学家已经纪录彗星、太阳黑子,中国人很早就能预测月食。
不过遗憾的是，中国人在记录天象上遥遥领先，但对宇宙本质规律的探索却停滞不前。中国人从未发现大地是球形的，亦未能提出一个基于逻辑、数学的宇宙体系。



有分析指出，这跟中国古代天文学被皇权垄断有关，为了防止民众借天象造反，中国一直禁止民众私习天文，如有犯者，罪同造反，将被斩首。
天文学的突飞猛进，是在望远镜出现之后。关于望远镜，现存的最早纪录是荷兰的眼镜制造商汉斯·利普西在1608年向政府提交专利的折射望远镜。实际的发明者是谁不能确定。望远镜被发明得消息很快就传遍欧洲。伽利略在1609年6月听到了，就在一个月内做出自己的望远镜用来观测天体。
在折射望远镜发明之后不久，将物镜，也就是收集光的元件，用面镜来取代透镜的想法，就开始被研究。在1668年，牛顿制造了第一架实用的反射望远镜，现在就以他的名字称这种望远镜为牛顿反射镜。



有了望远镜，人类的视界一下子被打开。
伽利略在1604年观测开普勒超新星时作为天文学者而出名。
1610年1月7日，伽利略发现了木星四个卫星中的较大的三个。
伽利略观测土星时，将土星光环误判为行星。伽利略于1612年观测了海王星。在他书中将其记录为一个不起眼的、幽暗的天体。在最先发现太阳黑子的欧洲人中，伽利略算是其中的一位。伽利略绘制了月球的地形图表，估测这些山峰的高度。



伽利略观察了银河系，发现它是由许许多多恒星组成的集团。于1617年观测到了大熊星座中的开阳双子星。
还有，与其他自然科学不同，天文学是极少数把历史作为一个分支的自然科学。尤其是历史上记录的各种天文现象，更是当今某些天文研究领域的非常重要的资料。一直以来不断的资料积累，才使得后来的天文学有了相当大的发展。因此天文学史也就成了天文学的一个重要分支。
中国的西周断代工程，其实就跟天文学密不可分，通过史书上的天象记载，对比星座规律，确定古代历史发生的年代。


二、天文学有什么用
很多人经常提这个问题，天文学有什么用？
答：
你知道人类是怎么规定1秒钟的长度的吗？
你知道为什么一分钟有60秒吗？
为什么一个小时是60分钟吗？
为什么一天是12个时辰或者说24小时吗？
为什么一年会有365天吗？
知道为什么会有闰年吗？
好吧，这些，都是天文学来决定的！



其实天文学研究集中在这么几个方面：
第一、观察天体运行对人类生产的影响，比如一年四季等变化，观察记录时间，比如一年要精确到多少秒，甚至更细等等。
第二、观察各类星体对地球的威胁，比如小行星会不会撞地球啦，彗星尾巴会不会扫到地球上来、超新星爆发有没可能影响地球？比如太阳黑子会不会爆发？
第三、人类未来必然要进入太空，要移民到宇宙中，天文学就是探路的基础知识。
第四、研究宇宙中的各种物理现象、以及其应用（其实这个已经跨学科了）。
第五、研究宇宙的起源、发展、毁灭等。也许人类要跳出这个宇宙？（这个目前跟理论物理交叉了！）



三、业余天文学家
天文学有一个很有意思的地方，就是承认业余人员存在的价值。
我们知道，国内一些专业研究人员非常鄙视业余科学爱好者，把他们称为“民科”，这里面固然有这些科学爱好者本身理论水平低，又缺乏专业导师指导，大多没有经过严格的科学训练的缘故，他们提出的很多东西，大部分是错误的或者没有经过严格的论证。但是在天文学领域，专门有个称呼叫“业余天文学家”，维基百科里面是这样描述的：
“业余天文学，是对观察天体有兴趣且乐在其中的人所从事的行为。也就是通常意义上的天文爱好者所从事的夜空或白天观测目标或摄影活动，通常使用可移动式望远镜、双筒望远镜和肉眼进行观察。一些天文爱好者常进行大型的集体观星活动（连续数天），借此互相观摩经验和聚会，使用望远镜心得等。”
“不同于专业天文学，许多业余天文学家都不以科学的研究作为主要的目标。但是有助于科学工作是无庸置疑的，许多业余天文学家的工作对专业天文学家的数据库贡献良多。天文学经常被宣传为少数科学当中业余人士仍能贡献有用的资料的一个。业余天文学家的贡献主要是资料的搜集，明确的说，为数众多的业余天文学家使用数量庞大的小望远镜的成效，远比少数专业天文学家使用少量的大望远镜有效得多。”


比如大伙看看中国的业余天文学家们，他们可不是单纯只是观测：
周兴明，1980年代起，独立以小口径望远目视在新疆发现多颗彗星，亦为多颗SOHO彗星发现者。为了表彰他在业余天文界做出的卓越贡献，国际天文学联合会将4730号小行星命名为“周兴明星”。
欧阳天晶：武汉教师，1980年代最先引进外国流星观测方法，如目视与收音机长波段调频监听观测，为提升大陆的天文观测水平作出贡献
高兴：曾发现陈高彗星，杨高彗星，斯万-星明彗星，两届埃格·威尔逊彗星奖获得者，新疆星明天文台（私人天文台）创始人，204710号小行星以他的名字命名，他也是世界上发现新天体种类最多的天文爱好者之一。
陈韬：陈高彗星发现者，2008年度埃格·威尔逊彗星奖获得者，为了表彰他在业余天文界做出的卓越贡献，国际天文学联合会将19873号的小行星命名为“陈韬星”
张大庆：“池谷张彗星”发现者，埃格·威尔逊彗星奖获得者，张钰哲彗星奖获得者
孙国佑：斯万-星明彗星发现者，中国首颗银河系新星V5582 SGR发现者，他的天文发现囊括了彗星，超新星，新星，小行星，矮新星等，是世界上发现新天体种类最多的天文爱好者之一。
杨睿：杨高彗星发现者，2009年度埃格·威尔逊彗星奖获者
阮建高：中国首位发现系外新星的爱好者，STEREO彗星中国第一人，他还曾发现过数十颗SOHO彗星
金彰：资深天文爱好者，周杰伦小行星发现者。曾发现过13颗超新星，数百颗NEAT小行星。
陈栋华：福建业余天文学家，为了表彰他在业余天文界做出的卓越贡献，国际天文学联合会将19872号的小行星命名为“陈栋华星”
苏华：著名彗星猎手，他发现过200多颗SOHO彗星，是世界上发现彗星最多的人之一。
徐智坚：资深天文爱好者，发现过十颗超新星，数十颗小行星，上百颗SOHO彗星。
孙霈源：资深天文爱好者，发现过一颗超新星，上百颗SOHO彗星。
袁凤芳：华南农业大学天文爱好者协会发起人之一，高雄星发现者，国际天文学联合会将263906号的小行星命名为“袁凤芳星”。
看了这些你是不是也比较激动呢?
想想吧，天空上有一颗星星是用你的名字命名的！

四、现代天文学研究的主要领域
天文学具体的研究领域，大致上可以分为这些小的领域：
1、我们身边的：太阳系
2、我们的近邻：银河系等
3、我们的远亲：深空
4、特殊的亲戚：黑洞、类星体等
5、我们怎么来的：宇宙的起源
4、5这两块很多跟理论物理有非常大重合，已经无法严格区分了。


天文学家的日常工作，就是下面这几步：
第一步，通过观察获取数据（现在观测和分析工作已经有很大程度的分离了）
第二步，对数据进行整理发现规律。
第三步，用现有理论去分析，看看能否解释，如果不能，意味有新的科学理论出现。
第四步，把规律提炼出新的数学表达公式，或者得出某个新的结论。
第五步，发表论文、评定职称（哈哈哈哈）


严格说，现代天文学研究的东西，其实都可以算入物理学的一个分支，而且还是理论物理学的分支（反正那么远，你也看不到），至少一大半都是理论物理的东西了。而理论物理我们知道，能不能出成果，很大程度就看你数学水平如何了，像德布罗意那种千年难遇的奇葩是罕见的。
所以说关于一个现代天文学家需要具备的专业素质包括：
非常扎实的数学功底（这个关系到你成就多大，你是想当一个只会观测的“民科级别”天文学家，还是想当一个能数学唬人的“霍金”霍大爷级别的理论物理级天文学家）


比较丰富的物理知识（力学、电磁学、热学、光学、原子物理、量子力学等等）
比较熟悉的天文知识：有了前两个作为基础，这个真的只是知识点了，什么天体力学、天体物理、天体测量，然后给你单独加个广义相对论之类等等
其他的还有英语（交流必须啊）、编程啊……
反正作为一个正在努力争取混个数学博士唬人的正一派道士，贫道我看天文专业理论书籍没任何压力，实话说我是把它们当数学物理教材看的。
在网络和电子技术没有发展起来的时候，天文学家是非常辛苦的。因为看星空，通常都是晚上。晚上别人睡觉的时候，你去天文台跟望远镜和相机一起。而天文台通常也是在远离市区的高山上。没有空调就更残酷了。
想想过去的天文学家，爬个山上，冬天能冻死你，夏天蚊子咬死你，最关键是一到晚上就跟老婆分居，保不准隔壁老王……


现在有了网络和摄像相机、有了远程控制技术。理论上讲，天文学家们可以远隔万里，申请望远镜的使用。甚至可以把要观测的目标发给管理望远镜的技术人员，技术人员按要求观测完，发数据给天文学家就是了。
所以说，现代的天文学家，是幸福的。
有人问，如果我想当个业余天文学家怎么做
想当一个业余天文学家，大致上可以按三步走吧
第一步：买一本天文学常识，和一本星图，也就是“天空的地图”，上面标明了天空里面各种星星的位置。然后，买一架天文望远镜，刚入门的时候，价格不要太低，也不要买太贵的，看你经济实力，一般来说，买1-3万的天文望远镜，带自动寻星的，效果最好了，最好还花几千块钱配个专门的天文相机，个人经验，单反拍天文，效果不是那么好，而且用天文相机连接笔记本电脑，不停留下照片。整个投入约3-5万块钱。（那种几千块的天文望远镜就不要买了，浪费钱，话说你都想当业余摄影师了，还去买个两千块的傻瓜相机？）
然后加入一些天文论坛，比如中国天文科普网、牧夫天文社区，看看大家都在观测什么，不懂问题，可以向大家请教。实话说，国内的天文网站不多，水平也很差。（我看到国内的一些天文公众号和自媒体号，大多都是拷贝外国天文网站论坛上的。）
一开始可以从看月亮开始，看看环球山，拍几张照片，发朋友圈里面，可以显摆一下：“人生啊，仰望星空，是多么的寂寞！”
也可以带上女朋友，跟她说一起去看流星雨、数星星，准备个帐篷……此次省略三百字！
看完月亮，就可以找金星、火星、土星、木星等。别低估你手上的望远镜，两三万的望远镜，比当年伽利略的好多了。



第二步，感觉你真的有兴趣，也不差钱，建议你可以投入30-50万元。其中花20-30万买一台好的望远镜，比如买一套12英寸、14英寸、甚至16、18英寸的望远镜，准备一辆越野车，有时间，就开车出去，到山区、海岛上，甚至可以开车去西藏，观察星空。
如果你住在乡下，或者在乡下有房子，就可以在楼顶上搭建一个天文台了。
如果你真想进入第二步，实话说，学好英语是必须的了，因为目前世界上大部分天文网站，都是英文的。
美国《天空和望远镜》杂志
美国《天文学》杂志
英国《现在天文》杂志
日本《天文指南》杂志
德国《星和太空》杂志
太平洋天文学会
国际流星组织
美国变星观测者协会
国际天文联合会
国际黑夜协会
行星学会
英国天文协会
英国皇家天文学会
知名星空聚会
美国Stellafane
美国图森星空聚会
美国亚特兰大星空聚会
美国云特星空聚会
美国俄克拉荷马星空聚会
美国塔布莱山星空聚会
美国俄勒冈星空聚会
美国斯普林星空聚会
美国得克萨斯星空聚会
美国内布拉斯加星空聚会

第三步，如果你还有兴趣，那就是专业领域了。你得先把数学（数学分析、高等代数、概率统计、微分方程、复变函数与积分变换、泛函分析、高等几何、微分几何等等）、物理（力学、电磁学、光学、热学、量子力学、电动力学、广义相对论等等）、天文学（天体力学、天体测量、天体物理、宇宙学等等，你如果想研究下太阳，可以看看太阳物理等等）
还有，到这一步，英文必须过关。一些国际性的学术网站，你是必须去看的。比如http://phys.org等等。



五、那些奇奇怪怪的问题
1、有没有外星人？
严格说，是应该叫外星生命。目前人类还没有发现外星生命，但是推测，严格说是猜测，应该是有外星生命存在，要不然，宇宙这么大，光有人类岂不是太无聊了点。
一直以来有个观点，就是认为人类崇拜的很多神仙之类，其实就是外星生物。话说我加入道教就是想研究下神仙到底是啥，哈哈哈！





2、有反物质宇宙吗
目前也是一种猜想。
大家知道，我们的宇宙物质，是由带正电的质子和不带电的中子组成原子核、外面再围绕带负电的电子。构成原子的质子中子电子数量的不同，形成不同元素物质（去看化学元素表啊）。
后来科学家又发现了反质子、反中子和正电子。于是科学家们就提出一个设想，是否存在一个由反质子、反中子和正电子组成的世界？那里各种物质，跟我们现在这个宇宙相反。


要注意，反物质和暗物质，不是同一个概念。最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦于1922年被提出来。反物质概念是英国物理学家狄拉克在1928年最早提出的。
暗物质是目前技术无法探测，但是暗物质参与引力相互作用。而反物质与普通物质接触，会变成能量而消失。

3、有多个宇宙吗
依然是猜测，也许有。最少应该存在一个反物质宇宙。
还有研究人员提出宇宙球理论，也就是所谓宇宙泡泡，宇宙中有一堆宇宙，每个宇宙是一个泡泡。
我个人比较认同这个，但是没证据，我说了也不算啊，哈哈。



4、宇宙之外是什么？
目前科学界有两种观点，一种是既然是宇宙之外，那么就是什么也没有，没有物质、没有各种场、没有时间、什么也没有，连我们通常说的真空，都没有。
另一种观点，是认为多个宇宙都存在同一个空间里面，他们之间的空隙就是宇宙之外，也就是常规的真空，现代量子力学告诉我们，真空其实不空，存在真空涨落等现象。宇宙间的真空也就是跟我们现在宇宙的微观真空其实差不多。
第二种观点下，还有一种说法，认为我们这个宇宙其实就是个大黑洞。
5、引力波是什么
我们先看下引力波历史，千万别再闹出引力波是中国某小伙在电视上提出引力波的笑话。
1905年，昂利·庞加莱提出，就如同加速度中的电荷会生成电磁波一般，加速度中的质量也会生成引力波
爱因斯坦1916年论文《重力场方程组的近似积分》里，用广义相对论来推导出引力波，他并且给出三种不同的引力波。赫尔曼·外尔称它们为“纵纵波”、“纵横波”与“横横波”。
1922年，亚瑟·爱丁顿证实在爱因斯坦的三种引力波中，有两种是数学加工给出的成品，在现实中不存在。爱丁顿同时证实，不论采用哪种坐标系统，横横波都是以光速传播。
1974年，拉塞尔·赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现赫尔斯－泰勒脉冲双星。这现象为引力波的存在提供了首个间接证据。
2016年2月11日，LIGO科学团队与处女座干涉仪团队共同宣布，人类于2015年9月14日首次直接探测到引力波，其源自于双黑洞合并。
2017年，莱纳·魏斯、巴里·巴利许与基普·索恩因成功探测到引力波，而获得诺贝尔物理学奖。
理论上说，任何有质量的物体，产生运动，都会导致周围的时空发现变化，产生引力波。只是我们能看到的绝大部分物体，产生的引力波都是微弱到了目前科技无法检测的程度。
这篇实话说，写的很糙，接下来，天文方面，我会写写关于外星生命和一些星空里面的东西，还有其他如理论物理方面的一些介绍。