染雾天文学现象论文 篇一
太阳黑子的研究与意义
摘要：太阳黑子是太阳表面上的一种暗斑，其出现与太阳活动周期密切相关。本文通过对太阳黑子的观测和研究，探讨了太阳黑子的形成机制以及对地球气候和通信系统的影响。研究发现，太阳黑子的活动与太阳的磁场变化密切相关，其活动周期大致为11年。太阳黑子活动的增强会引发太阳风和太阳耀斑等强烈的太阳活动，对地球上的电离层和大气层产生重要影响。此外，太阳黑子活动也与地球的气候变化有关，其与地球气候的关系尚需进一步研究。
关键词：太阳黑子，太阳活动周期，磁场变化，太阳风，太阳耀斑，电离层，气候变化
1. 引言
太阳是我们的星球系中最重要的恒星之一，其活动对地球上的生命和环境产生深远影响。太阳黑子作为太阳表面上的一种暗斑，一直以来引起了天文学家和地球科学家的兴趣。本文将通过对太阳黑子的研究，探讨其形成机制和对地球的影响。
2. 太阳黑子的形成机制
太阳黑子的形成与太阳的磁场变化密切相关。研究表明，太阳黑子是由太阳表面磁场的局部增强区域形成的。这些局部增强区域的磁场线相对密集，导致该区域的温度较低，从而形成了黑子。太阳黑子的形成机制仍然存在许多未解之谜，需要进一步研究。
3. 太阳黑子的活动周期
太阳黑子的活动周期大致为11年，这是由太阳磁场的周期变化所决定的。太阳黑子的活动周期对太阳活动的预测和研究具有重要意义。太阳黑子活动的增强会引发太阳风和太阳耀斑等强烈的太阳活动，对地球上的电离层和大气层产生重要影响。研究太阳黑子活动周期的变化可以帮助我们更好地理解太阳活动的规律。
4. 太阳黑子与地球气候的关系
太阳黑子活动与地球气候的关系尚需进一步研究。一些研究表明，太阳黑子活动的增强会导致地球气候的变化，例如引发更频繁的极地涡旋和更强烈的风暴等。然而，太阳黑子活动与地球气候的关系还存在许多未解之谜，需要进一步观测和模拟研究。
5. 结论
太阳黑子作为太阳活动的一种重要现象，对地球的气候和通信系统产生重要影响。通过对太阳黑子的研究，可以更好地理解太阳活动的规律和对地球的影响。然而，太阳黑子的形成机制和与地球气候的关系还需要进一步研究。相信随着科技的不断发展，我们对太阳黑子的认识将会更加深入，为我们理解太阳和地球之间的关系提供更多的线索。
天文学现象论文 篇二
超新星的发现与研究
摘要：超新星是宇宙中一种极为明亮的爆发现象，其发现和研究对于理解宇宙的演化和物质的起源具有重要意义。本文通过对超新星的观测和研究，探讨了超新星的分类、形成机制以及对宇宙的影响。研究发现，超新星的爆发释放出巨大的能量，产生新的化学元素，并对周围空间产生强烈的冲击波。此外，超新星的观测也为宇宙的扩张和黑暗能量的研究提供了重要数据。
关键词：超新星，宇宙的演化，物质的起源，能量释放，化学元素，冲击波，宇宙的扩张，黑暗能量
1. 引言
超新星是宇宙中一种极为明亮的爆发现象，其能量释放和物质的产生对于理解宇宙的演化和物质的起源具有重要意义。本文将通过对超新星的研究，探讨其分类、形成机制以及对宇宙的影响。
2. 超新星的分类
超新星可以分为两种基本类型：核心坍缩型超新星和热核反应型超新星。核心坍缩型超新星是由于恒星在核燃料耗尽后，核心坍缩而引发的爆发。热核反应型超新星则是由于恒星中心的核融合反应产生的能量超过自身重力而引发的爆发。超新星的分类对于理解宇宙中恒星的演化和物质的起源具有重要意义。
3. 超新星的形成机制
超新星的形成机制与恒星的演化密切相关。当恒星的核燃料耗尽后，其核心会坍缩，释放出巨大的能量，形成一个超新星爆发。超新星爆发的能量释放和物质的产生对于宇宙中的化学元素形成和演化具有重要意义。
4. 超新星对宇宙的影响
超新星的爆发释放出巨大的能量，产生新的化学元素，并对周围空间产生强烈的冲击波。这些新产生的化学元素会进一步参与宇宙的演化和形成新的恒星。超新星的观测也为宇宙的扩张和黑暗能量的研究提供了重要数据，帮助我们更好地理解宇宙的起源和演化。
5. 结论
超新星的发现和研究对于理解宇宙的演化和物质的起源具有重要意义。通过对超新星的观测和研究，我们可以更好地了解宇宙中恒星的演化和化学元素的形成。此外，超新星的观测也为宇宙的扩张和黑暗能量的研究提供了重要数据，为我们揭示宇宙的奥秘提供了重要线索。相信随着科技的不断进步，我们对超新星的认识会更加深入，为我们理解宇宙的演化和物质的起源提供更多的启示。
天文学现象论文 篇三
摘要：
长城是中国古代重要的边防工程，在两千多年长城的修建过程中，天文科技发挥着重要的指导作用。在本文的论述中，笔者从长城修建的天文学背景出发，将秦、明时期的长城形体分别与北斗七星和银河进行比对，揭示了一系列长城在设计过程中可能蕴含的天文特征，这些特征充分反映出中国传统宇宙现在建筑工程方面的深刻影响。
关键词：
长城；天文学；星宿；银河
中国长城是人类文明史上最伟大的建筑工程之一，自春秋战国至明清时期在中国北方疆域发挥着重要的战略防御功能。历史上对长城有两次大规模的修筑时期，一是秦统一后连各国长城为一体所形成的秦长城；一是明朝在原长城基础上重新规划后修筑的如今之格局的明万里长城。历代长城工程之浩繁，气势之雄伟，堪称世界奇迹。
长城的防御作用是毋庸置疑的，但从战略发展角度看，长城位于崇山峻岭及不毛之地，仅仅出于防御的需要来修建这样的庞然大物的理由似乎过于单一。翻开历史志书就会发现，中国历代城池、建筑在动土开工前无不仰观天文、考察星象后进行全方位的规划布局，使城市、建筑与天体之间形成某种特殊关联。长城是历代耗费巨资建造的重大的建筑工程，它在建造之前是否考察天象并按照天体特征进行规划与布局呢?长城还有其他的天文特征么?文章将做如下探讨。
一、长城修建的天文学背景
中国人对天象的观察由来已久，人们在天文观测中了解了星辰起落、日月阴晴圆缺的奥秘，揭示了宇宙的一般运行规律，建立了指导日常生活的天文历法。我国古代有世界上最丰富、最系统的天文观测记录。五帝之一的黄帝依靠对天象的观察确定了阴阳、五行、十方和十二宫完整的天文体系，并在公元前2637年确定了中国历法的开端，这些天文成就奠定了他崛起中原号令天下的基础。商代甲骨文记录着世界上最早的日食、月食和新星，并已采用干支纪年法。《周礼》对天体星象亦有记载，分设天、地、春、夏、秋、冬六官。西周时我国已用二十八星宿划分周天。春秋时期的星官们创立“上天变异，州国受殃”说法，以天空中的星象变化来预测不同地区将要发生的吉、凶、祸、福，将各州、国与星空的区域互相匹配对应形成分野。其所载“保章氏”：“以星土辨九州岛之地，所封封域皆有分星，以观妖祥”即按分野来预卜各地吉凶。再如《论衡变虚篇》中“荧惑守心。荧惑，天罚也；心，宋分野也，祸当君”亦提到“宋”分野。《晋书天文志》载诸侯国分野如下表：
这些将天文与各州县祸福相关联的做法在历代政策管理中起着重要的指导作用。河南马王堆三号汉墓出土的公元前170年左右的帛书《五星占》载有公元前246年至前177年间土星、金星、木星的空间位置以及金星的会合周期，充分反映了秦汉时期高度发达的天文观测水平。
自古以来，那些掌握天文科技的星官们成为历代政治中重要的决策者和参政者。考察天象并遵照天象旨意行事不但是中国传统文化中最重要的一部分，还关系着人们对日常生活的安排，甚至左右着国家领导对重大事务的决策。“观天象”成为古人作出重大决定时必须例行的公事。如古人行军打仗前往往用天象预测吉凶后方才出军；建造建筑前亦要按天文现象来布局或决策动土日期。至秦汉时期，观天之风更加弥漫，最具有参考价值的史实书籍《史记》中多次提到天象与祸福、行军等重大事件相关联的事实，为便于观察天象和有效地将天文原理加以利用，与之相关的观天建筑便应运而生。
中国古代至迟在周代以前形成了以北极星(帝星)为中心，四周三垣、四象、二十八星宿相环绕的古代天宫系统，这个系统深深地影响了历代王室的营国计划。春秋时期各国都城建筑布局多以“象天”为指导思想，其都城形象多反映以帝星为中心的天体系统。秦人发展了“象天法地”和“象天立宫”的思想，使城市布局真正反映了上天的宫阙形态。经学者实地调研发现：秦朝曾修建数量甚众的“完全式全天星台，这些星台分布面积甚广，遍及甘肃、陕西、山西、内蒙等多个省区，反映出秦长城修建时观天现象的普遍性。基于以上背景笔者认为，长城的大规模修建正是在宫殿“象天法地”、民间“观星”与“星运”说极为昌盛的秦朝时期，为强化皇权及满足皇帝对国家长久统治的需求，在秦长城修建过程中，极有可能将“星象”文化融入到长城的建设中。至明朝初期，天文科技已经相当发达，与天文相关的数学、物理学、堪舆学成为社会重要的科技支柱，明长城的修建具备着更加雄厚的天文学和科技基础。
二、秦长城天文学特征设想
1.秦长城用来观测天文
秦长城大多在甘肃、宁夏、陕西与沿北岸边界一带，经历了自秦厉公至秦统一前修建的长城和统一后秦始皇命蒙恬将战国诸侯国长城相接连形成万里长城的两个历史时期。关于秦河西长城，据《史记秦本纪》载，厉公“十六年，堑河旁。以兵二万伐大荔，取其王城。简公六年，堑洛。城重泉”。秦昭王长城见《史记匈奴列传》：“秦昭王时，筑长城以拒胡。”秦统一后将北部长城连接起来，形成一道天然屏障。
秦长城兼有天文台的观测功能。天文台一般具有两大功能，一是祭天，二是观象，中国早期的高台建筑都具有观象性质。长城是高台建筑，它所包括的关城、城墙、墙台、敌台、烟墩、营、寨和城堡等均具有高空望功能，可以作为观察天文现象的场所。长城每隔一段距离便设置相应的关城、营寨、堡寨等，这些为那些时刻准备出征或等待敌情的决策者们提供了观察星象变化的绝佳场所。据《全天星台遗址及其源流考(考证分册)》记载：“秦统一之初与后期，置星、祭星之制大变，全国郡、县、军城、亭障乃至长城遍置星台。郡、县多置心宿。军城、亭障多置天枪、平星，角宿台也较普遍，龙文化更进一步体现在星台文化中”。可见在长城的各个区域“遍置星台”已成为秦王朝极为普遍的事情。由此可知，在战争频繁的秦朝，长城不但承担着重要的防御功能，还为决策者们提供观察星象以对重大事物做出重要决策的场所，同时兼具举行祭天、祭星、祈神等宗教活动场所的功能。
2.秦长城象北斗而建
体现秦长城星台文化较突出的一段为临洮与上郡所在的秦南段长城(秦上郡塞)。为进一步了解秦长城可能存在的天文内涵，笔者将南段长城与历代星图作了详细对比。在对比中笔者发现，秦南段长城与咸阳城、渭水三者之间形成了美妙的天宫图：南段长城极有可能模拟北斗七星之形与位置建造，咸阳城正是帝星所在，而渭水则代表了银河(见图1)。秦长城、咸阳、渭水三位一体确立了北斗星、帝星与银河的相对位置，它们共同营造了北天极区最完美的天宫图，而地上的郡、县或星台也可能与天体星辰相对位，共同完善着这幅巨大的天宫图的其他部位。(见图1与图2)
秦南段长城原本只有上郡这一段(原称上郡塞)，秦统一后增加了斗形部分，使得南段长城从形体上满足了北斗形。从司马迁《史记》中描述秦皇陵“上具天文，下具地理”便知秦始皇十分重视天象，他既然可以动用数以百万计的人力打造他死后的人间天堂，也可以在他的国土中创造现世中的天上宫阙。
(1)成阳城象帝居，渭水象天汉
咸阳城的规划是法天象地的结果。秦王朝强大后，咸阳城成为秦朝经济、政治和文化中心。为标榜前所未有的帝王成就，秦始皇将自己比拟为不可一世的玉皇大帝，在总结并继承前人经验的基础上，将咸阳城用“象天法地”手法重新规划和调整，使咸阳城的整体布局与天象呈现一一对应关系。据《史记秦始皇本纪》载，秦始皇建咸阳“为复道，自阿房渡渭，属之咸阳，以象天极阁道绝汉抵营室也”。《三辅黄图》亦描绘秦始皇“筑咸阳宫，因北陵营殿，端门四达，以则紫宫，象帝居。渭水贯都，以象天汉；横桥南渡，以法牵牛”。文字中的“紫宫”即紫微垣，象征天帝居所。咸阳自营建之初象“帝居”而建，并以其为中心，各宫殿环列周围，形成拱卫之势。渭水则被视为“天汉”即银河。
秦始皇建宫殿“象天极”的手法不仅体现在咸阳城，公元前220年秦始皇“作信宫，已而更命信宫为极庙，象天极”；阿房宫也营造了非常完美的天官体系：“表山南之巅以为阙，并为复道，自阿房宫渡渭，属之咸阳，以象天极绝汉抵营室也”，表明咸阳象征北天极的北极星，阿房宫象征营室星，咸阳宫与阿房宫之间的复道，象征天桥。由此可知，秦始皇在国土规划中将城市、河流作为基本要素与天体星座相对应：咸阳以“帝居”身份建造，渭水象征银河，阿房宫为营室星，三者相联系确立了完美的人间天宫图。秦朝的这种做法深刻影响了汉长安的规划布局，汉承秦制，在建设工程方面“非壮丽无以重威”。根据《三辅黄图》记载，汉长安“城南为南斗形，城北为北斗形，至今人呼京城为斗城是也”。
(2)北斗为帝车
为使“象天极”的宏伟计划得以呼应，秦咸阳将周边更大的宏观地域纳入到整个城市的规划范围内。秦始皇以咸阳为中心修建了二百七十多个宫观，并通过复道、甬道将这些宫殿聚集在“天极”咸阳城周围，犹如众星拱极一般，突出了帝都成阳的核心地位。而秦南段长城模拟北斗星形态和位置而建，最终成为北斗星的象征。
《史记天官书》说：“北斗七星，所谓‘旋、玑、玉衡、以齐七政’。斗为帝车，运于中央，临制四乡。分阴阳，建四时，均五行，移节度，定诸纪，皆系于斗。”《尚书纬》认为：“七星在人为七瑞。北斗居天之中，当昆仑之上，运转所指，随二十四气，正十二辰，建十二月，又州国分野、年命，莫不政之，故为七政。”《甘石星经》：“北斗星谓之七政，天之诸侯，亦为帝车。”《冠子》记载：“斗杓东指，天下皆春；斗杓南指，天下皆夏；斗杓西指，天下皆秋；斗杓北指，天下皆冬。”由此可见，北斗七星不但是协助君王治理天下的“齐政”法宝和辅助辨方正位的重要星辰，还是天帝巡游各地的帝车，象征君王巡游天下所乘坐的御辇，其重要性可见一斑。秦始皇这个自视功高堪比玉皇大帝的一代帝王，在咸阳、渭水已经具备的前提下，只要将长城之形略作改动便可以使自己居住的咸阳稳如天宫，而自己则足以比拟伟大的天帝之布政与施德，何乐而不为呢?
在将长城成功地对比北斗星位置建造之后，秦南段长城、咸阳城与渭水三者形成的空间关系与当时北斗七星、帝星、银河在天体宫阙的位置相一致(见图3)，三者正反映出秦始皇将自己比拟为坐守帝居(咸阳)并可随时乘坐帝车(南段长城)在银河星汉遨游的玉皇大帝之本身。
3.秦长城修建的科技背景
前文已经阐述，秦长城修建前秦朝的天文学已十分发达，这为秦长城进行天文布局提供了良好的基础。与此同时，秦朝高超的大地测量水平、建筑施工技术和数学运算能力是确保长城与天体相对位的技术条件。我国大地测量技术的历史很早，相传大禹时期已开始使用“准、绳、矩”等原始工具进行测量，春秋以后水准测量已较为普遍。战国时期的漳水渠、都江堰、郑国渠能够建成，表明当时的测量技术和建筑施工已具有相当高的水平。数学测算方面也有很大进步，《九章算术》中记载了勾股定理和立表法、连索法、参直法等先进的测量方法。在堪舆方面，秦朝朱仙桃所著的《搜山记》，是至今流传下来的最早的风水学著作。可见，秦朝修建长城时具备良好的技术基础，它们保证了长城得以顺利的进行天文规划布局和实际工程建造的条件。
三、明长城天文特征的可能性
明朝为加强北方边防于洪武元年(1368年)开始修建长城，一直持续了近两百年。虽然修建之初存有一些北魏、北齐、隋长城，但大多残损严重且不可用。为实现宏伟的防御体系，明帝王重新设定了长城的走向，向东将长城延长至鸭绿江畔的辽东境内，向西修建至甘肃的嘉峪关。明朝的天文学十分发达，明初营建的南京故宫、北京紫禁城、北京十三陵均依天象布局，紫禁城以模拟天体宫阙布局和命名而著称于世。作为国内最重要的建筑工程，明长城既然经历了重新规划，就有可能将之与天象相联系以达到最佳的防御与象征功能。
1.明长城沿银河走向布局
有国外学者研究认为明长城蕴含了中国“龙”的概念，除了在文化上将长城比拟为“巨龙”外，还在形体上与龙的体征相契合，如山海关为龙头，嘉峪关为龙尾，长城重镇、军堡则对应龙身其他部位，以展示出中国龙应有的特征。根据多方对比分析笔者认为：明长城可能与银河系建立了多种关联，具体表现为：
第一，从象征主义出发，明长城与银河具有相似的防御功能。
明长城与银河是人间与天上两道不可逾越的屏障，具有阻隔之功能。长城用以防御北方民族入侵，已成为一道人工防御体系；银河被认为是天空中无法逾越的天然屏障，其将天体星空划分两大部分，彼此之间不能逾越，是阻隔彼此相爱的牛郎与织女的天堑。《诗小雅大东》“维天有汉，监亦有光。跛彼织女，终日七襄。虽则七襄，不成报章。皖彼牵牛，不以服箱”，《诗经周南汉广》中述“汉有游女，不可求思”，及明代孙仁孺的《东郭记钻穴隙》：“到而今可是难依傍，只落得一水银河隔两厢”，均表达了银河作为屏障让人求之不得的心理。基于对银河“阻隔”含义的深刻理解，明帝王极有可能将长城的防御功能比喻为银河的阻隔作用来设计建造，明长城因此在文化语义上与银河具有一定相似性。
第二，从形态模拟角度，明长城沿银河走向布局。
在比对明长城与银河走向时发现，明长城与银河系的走向表现出惊人的一致性(见图4)，这种一致性不但体现在整体走向上，其拐弯处、分支结构也几乎相同。历史上各时期的长城形态与明长城有许多不同，明长城的起点、终点、蜿蜒走势、波折点都作了重新调整，而这些调整却使明长城的外形与银河系的固有形态相一致(见图5)。
从建造的角度，明长城与其他时期长城的修建过程略显不同。在修建长城之初，明廷已推翻了蒙古政权，实现了全国统一。尽管边防战事不断，但国内已经开始大面积的兴复工作。建造长城是兴复工作的重要内容，如何合理规划并保证长治久安是明廷在建造长城前必须思考的，这使得明长城并非在原长城基址上的“重建”，而是重新规划后的“再建”，由此设置了九边重镇。因此我们有理由相信在最初的规划中，设计者将银河象征纳入到长城设计中的假设。
2.明长城的重镇与天上明星位置相对
明长城沿线的一些重镇与银河系个别亮星的位置相一致(见图4)。每到夏季，银河系中部的天津四、牛郎(河鼓二)、织女三星在周天中最亮，即使在城市灯红酒绿之夜也可肉眼相见，形成了著名的“夏季大三角”现象。对于这三颗亮星史书上有数不尽的语言在赞美，还有凄婉的故事与之相连，故此它们在中国的天文史上享有重要地位。这些特殊的亮星与重镇不但在位置上相对应，在文化寓意上也表现出相似性，表现如下：
(1)大同市对位天津四
大同府对应着天津四这颗明星。大同北据元蒙，地处西域与中原的交同要塞，明初被列为九边重镇之一，有“大同士马甲天下”之说，大将军徐达镇守于此。朱元璋在洪武二十四年(公元1391年)改封他的第十三子豫王朱桂为代王，坐镇大同(封藩于大同)，可见大同的地位不一般。天津四是全天第19亮星，在银河中部的渡口之处，我国古代把天津四所在的星座天鹅座看成渡船，具有轮渡之意，因而有“天津”这个名字。由于大同是蒙古通往晋冀鲁豫的咽喉要道，也有隘口、交通要道之意。无论从天津四的明亮程度和显赫的咽喉位置来讲，它都与大同十分接近。
(2)宣化市对位织女星
宣化市于1394年在原宣德府的基础上扩建为宣府，明朱元璋次子朱穗受封谷王，就藩宣府，宣府由此成为重要的边防重地。《说文》：“宣，天子宣室也”可知宣府意为皇家宫室。朱元璋之所以将“宣德府”改为“宣府”，并将皇子朱穗派封于此，源于在对宣府的整体规划上体现了“皇家”二字。与此意义相同，织女星正为天帝之子“织女”之宫室。以天子之“宣府”对位天帝之子的“织女星”应该说有足够的理由。
(3)北京城对位牛郎星(河鼓二)
明朝的北京城无疑是在北方防御战线上最重要的城市，从拥有重兵的燕王朱棣的藩府再到后来的国都，它都是最重要的城市之一。牛郎星不但是排名全天第十二的明星，在我国古代的星象术数学领域又是很重要的天象星。《说文解字》中说：“物，万物也；牛为大物，天地之数起于牵牛，故从牛，勿声。”古人认为，日月起于牵牛星，从牵牛星左转，止于北斗。日月起于此，则天地间一切术数皆起于此。因此，天地万物之“物”的部首从牛。北京意味着万物之中心，一切事物从此衍生并发展，有着同心脏一样重要的地位。于是把重要的北京城与牵牛星相对位规划便可知其原因了。
(4)山海关对位心宿二
山海关是在明朝洪武十四年(公元1381年)由中山王徐达所创建。山海关有着特殊的地理位置和文化背景，它锁住海陆交通口，是万里长城之源，亦是万里长龙之“龙首”。龙首及龙头是皇帝的象征，代表着尊贵和显赫。另外，山海关属于秦皇岛辖区，秦始皇多次驻跸于此成为佳话。《大清一统志永平府临榆县》中记载：“秦皇岛，在临榆县西南二十五里，人海一里，四面皆水。相传秦始皇尝驻跸于此。”秦始皇是统一中国历史上最伟大的帝王之一，亦是秦长城的集大成者，与之相关的山海关和秦皇岛成为帝王的代名词。居于以上两种原因，山海关暗示着“龙首”与“帝居”的帝王之意。与之相对应的是天蝎座的心宿二。心宿有三颗星，分别代表了皇帝和皇子。心宿二居中，古时又叫大火，属东方苍龙七宿的心宿，是帝王的象征。心宿二为夏季第一个月应候之星宿，常用来论述“中央支配四方”。山海关与此相对，皇帝统筹天下之意。
(5)千百军堡对应闪闪明星
如果做进一步考证会发现，长城周边上百千个军堡、营寨、关口等或许与天体星辰是对应设置的(见图6)。这些布于不同时期的战争产物体现了中国古代传统文化的深厚内涵。目前已知建于隋末山西张壁古堡就是与天文结合紧密的最好例证，其古堡外围堡墙、堡内东面三口水井、西面八口水井、南斗六星槐、北斗七星槐、奎星楼、真武庙、张壁村村名来历、德星聚门、联辉门、金墓等均显示出与天文学的重要关联。作为军事文化产物的长城堡寨，也有可能在某些或大部分建筑中将建筑设计与天文科技相结合。由于数量众多，工程浩大，笔者未能一一考证，希望日后能有所进展。
四、结语
中国古代建筑无论从外部形体还是内部空间都深受古代宇宙观的影响，长城作为中国历史上最伟大的建筑工程之一也不例外。自周朝末年开始，人们修建长城时尽管主要出于防御目的，但受中国传统文化的制约与影响，长城通过形体变化和文化象征等手法使其与象天法地、星象论、宿命论等天文思想相结合，使长城因特殊的形体和所富含的象征含义而备受人们尊重。秦南段长城与咸阳、渭水相结合，在形体上形成了中国古代天宫形态；而明长城则循银河之走向进行宏大的银河系布图，体现了中国传统宇宙观在建筑工程方面的深刻影响。
天文学现象论文 篇四
摘要:
《崇祯历书》是由徐光启等人历时五年编撰而成，是介绍欧洲天文学知识的文学著作。《崇祯历书》分为基本五目和节次六目两部分。基本五目主要介绍欧洲天文学中的天文仪器、天文数学和天文学相关理论，节次六目主要介绍历法方面的知识。本文将对《崇祯历书》中的数学和天文学知识基础进行探讨。
关键词:
《崇祯历书》；数学基础；天文学基础
《崇祯历书》中采用了几何算法和天体系统，清晰地引入了地球与地理经纬度的概念，同时采用了西方的计量单位，对欧洲天文学的基本理论、天文学仪器和必要的数学知识进行了详细的阐述，是我国较为全面的介绍欧洲天文学的著作，对天文学在我国的传播具有重要的意义。其中《测量全义》作为《崇祯历书》的基础文献，记载了西方球面天文学和三角学的相关知识，是《崇祯历书》数学和天文学研究的基础。
一、《崇祯历书》的天文学基础
（一）崇祯改历与天文学知识
在十七世纪的中国天文学逐渐出现改革。在封建社会里，历法的作用不仅在于告知民众时间，更是王权得以确立的条件。在明朝末期，由于钦天监采用的元朝郭守敬等人编制的《大统历》进行的日食推测，屡次不能够得到验证，使明朝官员对《大统历》中的天文学知识产生质疑，因而上书请博访知历人员对天文学知识进行改革。徐光启通过崇祯二年发生的日食现象，将传教士预推的时间和食分与《大统历》预推的时间与食分进行比较，得到传教士预推的时间和食分比较精准，而钦天监使用的《大统历》预推结果则出现偏差。长期参与历法编纂工作的钦天监五官正戈如实将情况汇报给了崇祯帝，崇祯帝这才同意了改历的申请，并命令徐光启、李天经和李之藻等人以及入华的耶稣会天文学家进行西法改历的工作。在徐光启、李天经等人的支持下，从崇祯二年到崇祯七年，中西学者共同努力编译了长达137卷的长篇巨著《崇祯历书》，促使了明清之际的西学东渐渐趋高潮。
《崇祯历书》中五目指的是：法原，即天文学基本理论，包括球面天文学原理；法数，即天文数表，附有使用说明；法算，即天文计算必备的数学知识，包括平面和球面三角学几何学；法器，天文仪器知识；会通，指中国传统方法和西历度量单位的换算。六次指的是：日躔历、恒星历、月离历、日月交会历、五纬星历、五星交会历六种。包括日月五星运动，恒星方位，日月交食，节气，朔望等的中西换算。徐光启为了介绍一些基本的天文学理论，还特意在基本五目中设立了法原一目，在法原中着重介绍了哥白尼和第谷的天文学体系，还涉及到更早一些的托勒密体系的内容。这些传教士在中国采取了科学传教的策略，在传播天主教的同时，也将西方天文、历算等科学知识输入中国。在《崇祯历书》的天文学知识部分有大量与开普勒天文学相关的内容。在改历的过程中，欧洲传教士金妮阁曾奉命返回欧洲搜集与天文学相关的研究著作和寻找西方优秀的天文学家，最终其带回了七千多部著作回到中国，对《崇祯历书》的编撰工作产生了重大的影响。此外，开普勒在《崇祯历书》的编纂工作中与中国的传教士进行过大量的书信往来，详细回答了邓玉函在编纂工作中所出现的问题。
（二）《崇祯历书》中的天文学思想
《崇祯历书》中开普勒对天文学的主要贡献在于他对天体机械运动现象进行描述，并通过机械运动的知识来对天体运动现象进行解释，之后分析天体运动的原因，通过数学假设解释天体物理运动的本质。在《崇祯历书》中的观点认为天文学与物理知识是有一定的界限的。例如，书中认为天体实际的薄厚实际上是天体之间的距离，而脱离的距离及无法表述其与速度之间的关系，因此，其在开普勒天文学中是一个很重要的概念，同时也反映了当时的西方主流天文学的思想，即认为数学天文学与物理天文学之间没有必然的联系。
《崇祯历书》系列历法采用的是第谷体系，这一点很多文献已经证明。《崇祯历书》系列历法中的日躔也是参考了第谷的理论。《崇祯历书》中强调了太阳在天体中的中心位置，认为太阳是万光之源，其他所有的天体都在或多或少地接受太阳的光源，太阳的地位就像君主在群臣中的地位一样。这样的观点与托勒密在《至大论》、哥白尼在《天体运行论》以及开普勒在《天文光学》中所阐述的观点是相一致的。然而，在具体的论述中托勒密、哥白尼与开普勒对太阳中心位置的具体论述是不尽相同的。托勒密在论述中采用midpart一词，强调太阳是在天体的中间部分，而哥白尼则是采用nearcenter一词，强调太阳是在中心位置附近，这两位天文学家都是在数学意义上强调太阳的中心位置，而开普勒不仅认识到了太阳在天体中数学上的中心位置，而且认识到太阳在天体中物理上的中心位置。他阐述，太阳是天体光与热的直接来源。
从物理力源的角度强调了太阳是天体运动的中心，认为太阳为天体的运动提供了动力来源，并提出天体的运动是由于太阳的旋转，太阳是一个巨大的磁体，吸引天体围绕其运动。《崇祯历书》融入了欧洲天文学的基本思想，尤其是开普勒的天文学物理思想，对《崇祯历书》的编撰工作产生了重要的影响。
（三）《崇祯历书》与天文仪器
16世纪末，欧洲传教士开始在中国开拓宗教事业。同时将欧洲科学和技术传入中国，导致某些中国科技领域一定程度上的欧洲化。其中，天文学和天文仪器的变化在社会上引起了很大反响。1600年前后，耶酥会士利玛窦,在肇庆、南昌、南京等地传教期间，经常在他的住所展示天球仪、象限仪、罗盘、日晷、地球仪、星盘、等天文仪器，并以此作为礼物送给当地政府官员。1629年起，邓玉函、汤若望、罗雅谷等传教士应徐光启的邀请供职皇家天文机构，在《崇祯历书》比较全面地介绍了17世纪初以前的欧洲天文学和天文仪器。这本书中既解说了发明不久的新仪器，又描述了若干已经或即将被淘汰的古典仪器，内容包括仪器的几何学理论、基本构造、安装和使用方法等。
传教士所造仪器与同时期的欧洲产品相比是落伍的，但在中国历史上是先进的。它们之中的大多数未能广泛传播，因为对于中国人来说属于新知识，有些技术仅停留在书本描绘阶段，有些仪器只是御用品，也没能在天象观测上得到较好地应用。
二、《崇祯历书》的数学基础
天文学的研究离不开数学基础的支持，《崇祯历书》采用了丹麦的天文学家第谷所创立的几何学计算方法，将几何学、三角学用于天文学预测与研究中。其中《测量全义》是《崇祯历书》中的基础，汇集了平面三角和球面三角的相关知识以及测绘仪器的制造等知识，其内容丰富，是当时先进的天文学数学知识的总结。《测量全义》详细讲述了平面几何、立体几何、圆锥曲线、球面三角以及球面天文等数学知识。
在平面几何相关知识中主要对直线三角形、面上、面下、线上和线下等公式和测量方法进行了总结。通过举例的方式对定理进行阐述和证明。具体方式都是通过文字论述。例如在论证圆面积计算公式中，通过先给出命题，之后以解曰为标志将抽象的命题以具体的题目的方式将其具体化，然后通过论曰、再论曰等词汇，对具体题目进行具体的论证。《测量全义》中公式与理论的论证体现了西方数学中所蕴含的严格的逻辑性和确定性，在论证的过程中使每个环节环环相扣，这与我国传统数学中寓理于注和注重算法的形式形成了鲜明的对比。
此外，在命题的证明过程中采用了反证法开拓了中国数学家的思维。立体几何主要论述了柱、台、球和锥的一些性质以及其计算公式。《测量全义》对例题几何的论述，其内容较为零碎、讨论也不尽充分，但其完善了我国数学家的几何体系，对我国数学的发展产生了深远的影响。在圆锥曲线、球面三角和球面天文部分对圆锥、球面以及球面与天文的知识进行了更加详细的介绍，丰富了我国数学和天文学研究的内容。
三、总结
徐光启以翻译求会通，以会通求超胜为目的编译了《崇祯历书》，这具有非常重要的意义。《崇祯历书》的编纂对我国数学和天文学的发展具有重要的影响，一方面，它刺激中国学者整理中国传统文献，另一方面，将中国数学与天文学知识与西方知识相融合，并进行一定的创新研究，推动了中国数学和天文学的发展。
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天文学现象论文 篇五
摘 要：
空间物理学日趋成熟，既丰富了人类对地球和行星空间的认识，也引申出更具挑战性的问题。一些涉及行星演化问题的解决倚赖与其他学科的交叉探索，要求研究者从行星地球的视角出发，把地球视为一个从地核到磁层的多圈层耦合系统。作为系统外层环节的空间环境，其中的问题可通过比较行星研究的思路找到突破口。基于学科交叉的比较行星空间物理研究将是未来空间物理学的一个重要发展方向。阐述比较行星空间物理研究的思路和必要性，梳理研究现状，并展望研究前景。
关 键 词：
空间物理; 磁层; 电离层; 行星; 比较行星学
1 空间物理研究的挑战和机遇
空间物理学主要研究空间环境中的物理过程，其发展得益于人们对于空间中各种现象的好奇心所驱动的探索行为。纵观数千年来世界各地文明流传下来的史料，围绕极光、气辉、慧尾、黑子等具有视觉冲击力的空间现象，观测记录数量愈益丰富，认知思辨水平逐渐提高，衍生出多种具有地域特色的人与自然文化体系，并以神话、传说、礼仪、哲学等形式传承至今。尤其是封建时代的中华文明，长期推崇“天人合一”的理念，使得包括空间现象在内的各种“天象”成为影响文明进程的一个重要因素。例如，极光和慧尾等现象往往与民族兴衰、王朝更迭、邦交征伐等重大历史事件联系起来。[1].由于观测和记录行为具有政治严肃性，许多较为显着的现象被详细记录下来，成为了解空间环境长期变化的重要参考资料。例如，公元 1645-1715 年欧洲和亚洲的极光观测记录同时大幅减少，成为孟德尔极小期存在的重要佐证。[2].
空间物理学的形成与发展依赖观测技术的进步。尽管地面观测已持续数千年，人们始终无法知晓空间中物理过程的触发、发展和变化机理。直到最近 100 多年，磁强计、电离层测高仪等地面观测设备的持续运行，探空气球、火箭和大功率雷达技术的不断进步，使得人们终于告别裸眼观测的时代，本质上提高了认知空间的能力。20 世纪 50 年代末期，人造卫星及其搭载的场和粒子探测仪器实现了空间实地探测，促成了空间物理研究的飞跃，使其能够从地球物理、大气物理、天文等学科的交叉状态中发展起来，形成一门独立的学科[3].时至今日，空间物理研究者已经掌握了地球空间环境中各个区域的电磁场和粒子的平均特征及其最主要的变化规律，并在一定程度上理解了背后的主要物理过程; 对行星际空间的平静和扰动状态也有了全局性的了解，并具备了初步的预报能力; 对太阳系其他行星的空间环境有了基本认识，并能够归纳出其与地球空间环境的主要异同之处。如果把理论体系架构的基本完善作为学科成熟的标志，那么可以认为空间物理学正处在一个接近成熟的阶段。
当前空间物理发展阶段具有与其他学科同阶段的类似特征。表面上看，经过数十年的观测数据和相关知识的积累，论文产出量加速增长，研究似乎变得越来越容易。实际上是研究难度持续增加，“瓶颈效应”越来越明显。可以从空间探测和研究行为两方面来理解这一特征。
从空间探测来看，主要体现在从基于单卫星计划的“普查”式研究过渡到基于多卫星计划的针对性研究。20 世纪 60 年代前后属于早期探索阶段，地球空间的广袤区域中充满了未知，单颗卫星在运行过程中通常可以产生多个重要发现，甚至包括意外发现。借助单颗卫星探测的方法基本实现了空间大尺度电磁场和等离子体状态的普查，确定了各区域的标志性特征，并勾勒出其基本变化规律。同时也了解到，空间中的场和粒子存在各种尺度的时间和空间变化，而单卫星探测并不能对其进行区分，于是不得不引入各种假设来简化问题。为了突破这一瓶颈，必须采用多卫星同时探测的方式。欧洲太空局在 2000 年发射了Cluster 卫星簇，4 颗卫星联合观测将以亚暴为代表的全球尺度问题和以磁场重联为代表的微小尺度问题的研究向前推进了一大步。中国在 2003-2004 年实施了“双星计划”,并与 Cluster 联合形成 6 星联测。美国航空航天局 2007 年发射包含 5 颗卫星的 THE-MIS 计划，针对亚暴问题进行研究; 2015 发射包含 4颗卫星的 MMS 计划对磁场重联问题进行研究。不难看出，这些多卫星探测计划通常设计用来解决较为具体的重要科学问题。
从研究行为来看，主要体现在对研究者的能力要求越来越高。研究能力受限于研究者的知识宽度、理论架构、逻辑思辨力、思维习惯、数据敏感度、工作经验等方面。早期探索时期的工作方式注重于在解读数据的基础上建立理论，其难点在于太阳风-磁层-电离层-中高层大气耦合链中单个因果关系的猜测与识别; 而现阶段科学发现的产出方式则更倾向于从理论出发，锁定证实或证伪的关键环节，然后有目的地寻找对应的观测数据，其难点不仅包括因果关系的猜测与识别，更在于对现有理论的深刻认识和对观测数据的精准理解。这些特征对研究者和研究者共同体的时间和精力构成挑战，其最优选择必然是根据自己的研究兴趣，清楚认识研究特长，选择最有可能在较短时间内取得重大进展的研究方向。
进一步讲，空间物理现阶段的本质特征可以概括为投入产出比的持续下降。就空间探测而言，卫星平台和载荷的造价越来越高昂，却旨在解决少数关键科学问题; 就研究行为而言，研究者的入门专业训练内容逐渐增加，研究思路和研究方法的创新难度加大，而做出重要科学发现的几率却不如以前。当然，这仅仅是从学科发展共性的角度来论述。从科学发展的角度来讲则很不同，关键科学问题的解决正是量变到质变的转折点，例如，磁场重联的解决不仅有助于理解整个太阳系乃至宇宙中磁化等离子体中的能量转化方式，还可能帮助缓解未来能源危机。持续增加对传统研究的投入始终是主流之策。
研究人员认为，当前一些重要的空间物理学前沿问题必须通过突破学科壁垒来取得进展。传统的空间物理研究着眼于空间环境中所发生的过程，但一些重要过程的驱动因素或控制因素来自于空间环境之外。例如，空间环境参数长期变化问题。众所周知，地磁场与太阳风相互作用形成磁层，同时地磁场也是控制磁层和电离层等离子体运动的基本物理场之一。现代地磁观测显示，自 1840 年以来地磁场偶极矩持续衰减了约 10%[4]; 对电离层近百年的观测数据分析发现，偶极矩的衰减引起了电离层的变化[5].而古地磁学研究进一步表明，地磁发电机至少已存在了 42 亿年[6],在此期间偶极矩存在各种时间尺度和各种幅度的涨落[7].尤为引人注目的是，地磁极性倒转期间，偶极矩强度可下降 1 个量级或更甚，且平均持续时间近万年。这种地磁场变化会对空间环境造成怎样的变化? 空间环境的变化是否又影响了地球的演化? 对于这些重大问题，依赖于观测数据的传统空间物理研究方法不再适用，因为空间环境的主要参数，如磁层的尺度、电离层 F2 层峰高等不会在岩石、树轮等常见介质中记录下来，且目前也未发现其他任何可以记录下这些信息的介质。这些属于空间物理学的问题实际上挑战了空间物理学自身，惟有打破学科壁垒，借助与其他学科的交叉研究才有可能找到答案。
空间物理学现阶段的难题给学科本身的发展形成挑战，同时也带来机遇。现代科学史反复证明，一个学科的日趋成熟能够对邻近学科产生促进作用，而被促进的学科亦可加速该学科的发展，学科间交叉融合，互相促进，形成了现代科学的发展脉络。如今学科分支繁杂程度达到历史顶峰，任何一个领域的研究者都必须通过自身的彻底专业化才能开展有效研究。因此，学科交叉和研究者跨领域合作，是科学发展的内在需求，也必然是未来的主要趋势。空间环境是地球多圈层系统的最外层，又是日地关系链的中间环节，其在地球科学中的重要性不言而喻。空间物理学的日渐成熟为理解地球系统的运行和演化规律提供了必要条件，其与地球科学其他分支学科的交叉融合也必然会推动自身和整个地球科学的发展。
2 “行星地球”视角下的空间物理学
“行星地球”视角在本质上是地球系统科学的思路，即将地球视为一个多圈层耦合的复杂系统，各圈层通过物理、化学和动力学过程实现物质和能量的交换、转化和循环，并作为一个整体系统，与外界保持物质和能量的交换和转化。这一看似自然的观点并非研究者头脑里固有，而是经过了长期的发展形成，且当前并没有得到研究者的普遍重视。正如早期地质学家出于研究方便考虑，倾向于在距离居住地较近的区域采样，早期空间物理学家也倾向于在工作地附近建立观测台站，研究当地的空间环境特征。这种选址方式显然在经费支持、能源供给、设备维护等方面具有优势，为长期持续观测创造了便利条件。由于 1600 年 Gilbert 就在《De Magnete》一书中指出地磁场是一个全球性现象，组织全球台站联测成为一些研究者的选择。例如，1882-1883 年和1932-1933 年2 次国际极地年，1957-1958 年国际地球物理年，都产生了丰硕成果。全球协作催生和强化了将地球空间作为一个整体来研究的观点。时至今日，研究者已普遍接受，空间物理中的许多现象，比如中低纬电离层等离子体分布特征和南大西洋异常区的内磁层结构，由于受到局地地磁场强度、倾角和偏角的控制，确实具有十分明显的地域特性。但是，长期的知识积累也让研究者认识到，整个空间环境是一个全球尺度的结构，其中等离子体的分布状态和运动规律也主要受地磁场全球位形的影响。“全球化”视角早已成为空间物理研究的一个基本出发点。简言之，对地球的认识和研究是一个从“局部到整体”的过程。
人们对行星的研究则是从“整体到局部”.当1609 年伽利略把 10 倍放大能力的望远镜对准天空时，行星才从一个亮点变成有表面细节的天体。20世纪下半叶，人造飞船对行星空间的实地探测和遥感探测使得行星空间环境最先被详细了解。截至目前，人造飞行器仅在月球、火星、金星、土卫六和彗星67P / C-G 5 个地外天体上进行过表面实地勘测，而地质学常用的人工采样只在月球上实现过。由于观测能力的限制，对行星的研究不得不从一开始就试图从整体上理解，特别是其与地球的异同之处。随着系外行星不断被发现，天文学研究者已经习惯于将系外行星与太阳系行星做对比，尤其是与地球对比来评估系外行星的宜居性。
“行星地球”视角是将地球内部和空间的各个圈层都视为一个耦合的整体系统。事实上，空间环境中的多圈层耦合思想在最近 20~30 年已深入人心。电离层-中高层大气耦合、磁层-电离层耦合、太阳风-磁层-电离层耦合等名词不仅成为许多学术论文的关键词，也经常被用来命名论文专辑、学术会议、会议专辑、学术团体、探测项目、研究计划等。但是，磁层、电离层、中高层大气等诸多圈层的耦合发生在同一个背景物理场中，即地磁场。地磁场起源于液态地球外核中的地磁发电机过程，而发电机过程又受到其外侧的地幔和其内侧的内核状态的影响。换言之，地球的内部过程决定了地磁场的状态。地磁场不仅定义了地球空间环境的时空范围，调控绝大部分空间等离子体运动过程，决定太阳风能量输入效率以及磁层内能量的存储和释放，并且其本身也能通过磁场重联的方式实现磁能向粒子动能和热能的转化。在空间物理学发展历史中，研究者关注的物理过程的时间尺度通常较短，如磁重联过程的时间尺度为秒，亚暴过程的为小时，磁暴过程的为天，涉及到太阳活动水平的为年。在这种时间尺度下，地磁场被默认为是稳定的背景场，地磁发电机过程的变化确实可不予考虑。但在面对前述的空间环境参数长期变化问题时，即在百年或更长的时间尺度上，发电机过程必须被考虑进来。于是，地球内部和外部空间环境应当被视为一个耦合的整体系统，内部的发电机和太阳是决定空间过程的最主要的 2个因素。从空间环境中的多圈层耦合到整个地球系统的多圈层耦合，是地球科学发展的内在要求。
实际上，包含空间环境在内的地球多圈层耦合的思想已有比较长的历史。早在 1963 年，加拿大地球物理学家 Uffen[8]发表了一篇题为《Influence ofthe Earths core on the origin and evolution of life》的论文，指出地核发电机会通过空间物理过程对生命的起源与演化造成影响。他从 1959 年地球辐射带的发现得到启发，提出了大胆的猜想： 在地磁倒转时期，地球磁场减弱为零并持续几千年，于是被捕获在辐射带中的高能粒子被“倾倒”于地面，造成生物灭绝。文中他又进一步引申推测道： 在地核形成之前，地磁场不可能存在，太阳高能粒子对地面的轰击将第 1 期 魏 勇等： 比较行星空间物理17阻止生命形成。这一猜想引发了持续十多年的研究热潮，但随着小行星撞击说的提出而式微[9].同时期空间物理学处于探索发现期，研究者们大多被空间中各区域的新颖的观测数据所吸引，虽然也有少量探索性工作发表[9],但多圈层耦合的思想并未被广泛重视。当然，这并非是一件令人遗憾的事情，因为当时空间物理学需要解决的主要问题是探明空间各区域的磁场和等离子体状态以及建立基本理论体系，而非我们现在所遇到的空间环境参数长期变化等问题，且古地磁学等其他相关学科也远未成熟，尚不具备开展大规模交叉研究的必要条件。当前“行星地球”视角之所以显得重要和必要，也正是空间物理学现阶段特征和所面临的重大问题所决定的。
3 比较行星空间物理
比较行星空间物理是指基于“行星地球”视角的空间物理学的对比和交叉研究。把地球视为一颗行星，而非我们的“家园”; 把太阳系中所有行星及其卫星，甚至系外行星，视为同等重要的研究样本，是比较行星空间物理研究思路的基本出发点。比较行星空间物理主要关注以下 2 个方面：
3.1 行星空间环境多样性比较行星空间物理研究方法曾在行星空间探索中起到了极为重要的作用。地球空间物理研究起步较早，知识积累远多于行星空间，借助地球空间的知识来对比理解行星空间，是行星空间研究的重要方法。相比地球，行星探测计划的技术难度大、造价高，并且远距离数据传输效率低，造成观测数据少且质量较差。使用少量数据研究全球尺度结构比较困难，研究者通常希望通过与地球或其他行星空间物理的知识框架对比来增加可用信息量，并以此为根据做理论假设。例如，地球电离层的 Chapman理论比较成熟，金星和火星的电离层的观测特征大致符合这一理论，研究者对 Chapman理论加以调整，使之能更好地描述观测特征，形成了金星和火星电离层的理论框架[10]。这种研究思路也同样用于不同行星、行星卫星和彗星之间，尤其在20世纪80年代，极大促进了对彗星、金星和火星3种无磁星体的空间探索。事实上，这种比较研究的思路，暗含了一个假设，即被对比研究的对象存在明显共性。
经过数十年的探索，研究人员已经知道，太阳系各行星的空间环境的确存在许多共性。对于共性的认识不仅提升了行星空间物理本身的知识水平，更构成了理解深时和深空问题的重要基础。近年来，对于地球生命和宜居性的思考让研究者们对各行星的特性的研究兴趣快速升温。相应地，空间环境多样性也成为空间物理学的关注热点。根据演绎逻辑所主张的思维规律，如果想要找出某种现象产生的原因，较为有效的方法是对比该特性出现和不出现2 种情况下与之同步变化的控制参量。因此，通过多行星对比研究，才有望探知各行星空间环境特性的成因及效应。
对于行星科学研究者而言，在掌握了共性的基础上，研究空间环境多样性不仅有助于研究人员把握太阳系各行星空间环境的形成和变化规律，还能帮助探索和理解系外行星。对于地球科学研究者而言，共性研究提供了理解地球空间环境演化的知识框架，而对多样性的准确把握则能进一步促进理解。如第 1 部分所述及，地磁场存在各种时间尺度的变化。初步研究表明，地磁场的变化能够引发空间环境变化。例如，自 1840 年人们开始对地磁场进行连续的常规观测以来，地磁偶极磁场强度平均每百年衰减6个点。理论研究发现地磁场的快速衰减直接导致向阳面磁层顶每百年收缩约 2 000 km[11].而发生在时间更为久远的地磁场大幅度变化，如地磁倒转、磁极漂移等情况，并没有空间观测资料记录下来，无从得知当时的空间环境，更无法推测其对地球演化的影响。对于这些困难问题，比较行星空间物理研究方法则提供了有效解决途径。例如，水星的内禀偶极磁场偶极距仅为地球的万分之五，“信使号”卫星对水星空间环境的探测表明弱磁层空间环境更容易受太阳风及行星际磁场的控制，辐射带和等离子层等区域明显消失，动力学特征及磁层结构显着区别于当前地球空间环境特征。水星空间环境的研究为理解弱地磁时期空间环境提供了坚实的理论基础和观测依据，而对大磁矩外行星，如土星和木星的空间环境观测研究又为理解历史上强地磁时期空间环境提供了另一个极端情况。再例如，在地磁倒转期间，对于非偶极位形时期的地球空间环境既无实际观测，又缺乏理论支持。而火星空间模型研究和实地观测为理解该时期地球空间环境提供了重要的依据。通过火星空间模型的研究应用到地球，发现在地磁倒转期间太阳风能够驱使更多的氧离子逃逸，较当前地球磁层氧离子逃逸率上升 3~4 个量级，因而有学者提出猜想认为这会导致地球空间环境的恶化并最终降至诱发生物大灭绝的阈值[12]
3.2 行星空间与内部的关联及协同演化过程今天所看到的行星空间环境的多样性，无疑是历经数十亿年演化而来的。磁层起源于内部的发电机，电离层是由高层大气电离而来，而大气又是行星去气过程的结果。随着发电机与去气过程的演化，行星空间环境必然随之改变。行星的表面水经由空间过程逃逸损失，可能造成行星整体水储量显着减少。而地球内部含水量减少则会对板块俯冲、岩浆活动、地幔对流、岩石圈地幔与克拉通演化、成矿作用、深源地震等一系列地球化学和地球动力学过程都产生重要影响[13].所以，行星空间与内部可视为一个整体，具有协同演化的特点。
行星空间受到内部过程的影响，通过对空间磁场、电离层和中高层大气的探测和研究有可能推测出行星内部的活动过程，甚至演化历史。这些研究一方面可围绕磁场展开。对太阳系内行星空间环境磁场的测量，发现存在内部发电机过程的天体有水星、地球、土星、木星、天王星、海王星、木卫三等。而火星虽不存在全球磁场，但其表面存在的剩余岩石磁场表明，其历史上很可能存在过发电机活动过程[14].也有学者类比地磁倒转，大胆假设火星当前正处于磁极倒转过程中[15].金星不存在全球磁场，表面剩余岩石磁场目前还没有确切的观测证据，至少表明金星当前并不存在发电机。另一方面可围绕空间物质成分展开。例如，通过对金星高层大气成分的探测，有学者发现金星目前仍然存在火山活动[16].由于水对行星内部动力学过程和演化具有至关重要的作用[17],行星总体水储量的增损为理解行星演化提供了关键线索。水分子在电离层离解并逃逸的过程具有明显的质量分馏效应，通过对金星、火星和地球大气中氢同位素比例( D/H) 的测定和对比，发现金星和火星大气中的 D/H 比例相比地球要高得多，这成为金星和火星曾经发生剧烈水逃逸过程的最有力证据[18].
行星内部动力学过程也存在被空间过程影响的可能。例如，在所有太阳系行星中，水星弱磁场受太阳风压缩效应最为明显。较为直接的结果是变化的太阳风动压会导致行星内核产生感应电流[19].当前的水星空间环境研究已提供了内核感应电流的间接观测证据，并且该感应电流产生的感应磁场明显增强了对水星的保护[20].而该感应作用则能从一定程度上反映出水星内部介质的电导率。因此，利用行星空间观测研究结果能够为理解行星内部的动力学活动研究提供新的手段和研究思路。但是，这一方面的研究并未受到足够重视，探索性研究才刚刚开始。
如果将行星内部与空间视为一个协同演化的系统，那么行星的多样性体现了各行星演化路径和演化阶段的差异。对比研究不同行星内部-空间耦合系统的目的在于理解过去和预测未来。如果地磁发电机停止，地球会不会变成今天的火星，如果会，又需要多长时间? 类似的问题，只有通过多行星对比才有可能找到线索。
4 结 语
本文阐述了比较行星空间物理研究的发展背景、内容和意义。地球科学研究的重要目的是了解地球系统运行的规律。空间环境作为地球多圈层耦合系统的重要环节，目前尚未发现有介质能够记录其在地质时间尺度的变化。比较行星空间物理研究可以利用太阳系行星空间环境的多样性来解决这一问题，因而必然成为空间物理学的一个新的发展方向。
随着嫦娥系列计划的实施和首个火星探测计划的立项，我国行星科学研究将迎来新的发展契机。2016 年末中国地球物理学会行星物理专业委员会的成立标志着中国行星物理研究也进入了有组织和规模化的阶段。在此背景下，阐述对比较行星空间物理研究的思考和认识，期望能起到抛砖引玉之功效。
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天文学现象论文 篇六
〔摘要〕
刘子华1918年赴法就读于巴黎大学医学院时，业余爱好天文，将现代天文数据同《周易》宇宙论相合，以独特的易学象数思维方法，开展研究，从而预测太阳系存在有待发现的的第十大行星而轰动欧洲。本文着重研究刘子华如何运用《周易》的象数思维方法进行其科学预测，从而首创宇宙太极中心论，综观宇宙星系；阐发两仪配偶律，探索星际关系；营建八卦家族，编排星群结构；借重阴阳平衡律，测算木王星数据以及取象比类的直觉思维之妙用。
〔关键词〕
刘子华；《周易》象数原理；研究天文；预测太阳系；思维方法
中国近代易学史上，从象数易发展为科学易，杭辛斋开其先河，沈仲涛、薛学潜踵事增华，刘子华独获硕果。杭辛斋《易学笔谈》(1919)乃传统象数学向科学易过渡。沈仲涛《易卦与代数之定律》(1924)、《易卦与科学》(1934)、薛学潜《易与物质波量子力学》(1937)，是易学同现代数学、物理学结合的尝试。刘子华独辟蹊径，将易学象数原理用于研究天文，预测太阳系存在有待发现的第10大行星，轰动欧洲。
刘子华(1899-1992)四川成都洛带人。1918年中学毕业，官费赴法勤工俭学，就读于巴黎大学医学院。业余爱好天文，对《周易》情有独钟。
刘子华是客家人。客家人素有“东方犹太人”之美誉，具有敏锐的科学思维头脑。当时欧洲盛谈太阳系是否存在第10大行星。刘子华将现代天文数据同《周易》宇宙论结合，劳心苦思，以独特易学象数思维方法，开展研究，终于写成博士论文《八卦宇宙论与现代天文——一颗新行星的预测》，1940年获得博士学位。
刘子华流寓法国近20年，掌握西方天文学最新成果，了解天文研究的前沿课题。他查阅巴黎所能获得的近700种易学著作，对令人眼花缭乱的易图，特别感兴趣。终于从易图中找到科学研究的突破口，以易图为工具，进行创造性思维和精密数学运算，取得惊人成就。
他身居巴黎，有接受世界最新科学思想的优越条件。曾亲聆著名科学家居里夫人、爱因斯坦、郎之万等的学术讲演，打开了广阔胸襟。他手捧《周易》，仰望星空，独自沉吟：“天为帐蓬地为毡，日月星辰伴我眠。仰望北斗挂霄汉，俯察地形囊万千。”不难想象，用《周易》思维探索尚未发现的大行星，其难度不亚于凭一叶扁舟横渡大西洋。好学深思的“东方犹太人”，竟然横渡大西洋，凯旋而归，博得当时法国补日尔天文台台长摩尔的“高声祝贺”。
首创宇宙太极中心论，综观宇宙星系
公元1930年，冥王星被发现，人们已知太。阳系共有9大行星，绕太阳运转，月亮只是地球的卫星。刘子华把恒星、行星、卫星看作整体，以《周易》理论予以新解释，别出心裁创立宇宙太极中心论。这是他萌发的第一个中心论点。此论点受《周易·说卦传》中“坤为地，坎为月，离为日”的思想启发。他说：“《说卦传》既能明显的将上述三卦配太阳系中的三颗星球，则其余五卦未尝不可配合其余之五颗星球。”因此，他力图找出其余五星在八卦中的位置。他遍查易学书籍，“断然以伏羲先天卦位与易学对五星之排列相互对照，才能确定某一卦位应合某一星球。”在四川知名易学家明代来知德《易经来注图解》中，发现一幅《日月五星周天图》，对“合定”五星颇有参考价值。星与卦合定结果为：震合木星，兑合火星，乾合土星，巽合金星，艮合水星，加上离日、坎月、地坤，八卦已各与一星相合。星与卦相合，是刘子华一大创造。它打破太阳中心论，将太阳同行星并列；不取月球卫星说，将其与行星并重。尽管看似违背现代天文知识，却奠定了宇宙太极中心论的基石，迈出了科学预测第一步。刘子华说：“我国古人似乎已彻底明瞭，这万象的底蕴，综合在八卦之上，……我即从这些卦的各种排列或配合中，推演出本书的八卦宇宙论。”星同卦相联系，在中国传统文化中不无根据。《易纬·乾凿度》云：“天地灿明，日月星辰布设，八卦错序，律历调列。”刘子华论述其放弃太阳中心论的理由说：“哥白尼以太阳为中心，故需将地球与五星同列，而本书则更进一步，以太极为中心，故太阳亦应失其相对的主体而与五星同居客位。”
刘子华大胆创立宇宙太极中心论，基于他对易学思想的深刻认识。他说：“由无极而太极，由太极而阴阳，由阴阳而生万物。故在任何存在中，均无不含有太极与阴阳。”八卦宇宙论实以太极宇宙论为基础，从宏观角度，用易学整体思维方法，玄思宇宙，放眼六合，对浩渺星空作整体把握，超越现有天文视角，提出独到见解，绕开实证方法，直 扣科学殿堂大门。
阐发两仪配偶律，探索星际关系
八星与八卦合定后，刘子华进一步探讨卦与卦之间的关系。发现单卦(经卦)与双卦(别卦)都有男女(阴阳)区别，存在配偶关系。使他打开一条新思路。他说：“四象、八卦等等，无一不由阴阳之互相分化和交换而来。此即表明，太极与两仪为万有宇宙构成之基础。”又说：“伏羲除用阴阳记号表示卦爻以外，并将单卦列成圆形。这是宇宙论最重要的基础。”所指圆形图即《先天八卦图》，刘子华称之为“初期八位系”。
从而深入探讨八卦之间的配偶关系。他在图上加一条斜线，将图分为两半，对各卦附上男女长少之称。在图的中心加一“9”字。他解释其意义说：“可见卦一、二、三、四居图之左半周，卦五、六、七、八居图之右半周”。“男卦者有乾，震，坎，艮(单卦)……女卦者有坤、巽、离、兑(单卦)。……凡成直径相对之两卦，均属男女两性，并老少对称。……凡如此对应之两卦，即称为配偶。”这些配偶卦有三个特性：“一、每对卦均含有同数的阴爻及阳爻。二、每对卦之阴阳爻，均按照地位次序而相对。三、每对卦爻数之和为九划，此证明各对卦均有相同之平衡存在。”他将阳爻作一划，阴爻作二划。配偶卦均为9划，故图中设“9”字。《先天八卦图》是刘子华象数思维利用的基本图，图中加上斜线和9字，是他对此图的新认识，赋予新含义，对其行星预测有特殊作用，此为历代易学家所不及，显示刘子华象数思维的智慧。他将配偶卦的特性，称为阴阳平衡律，成为他进行科学预测的重要法宝。
刘子华将八卦配偶思想应用于观察天体，发现星球之间有某些相似现象。利用天文学家佛那马雍、爱斯克郎恭提供的研究成果，认为太阳同木星相似，月球同金星相似，地球同水星相似。刘子华把相似的星亦看作配偶，然后将各星球的天文数据代入，经过计算，证明它的确也构成平衡的常数。使他的行星预测工作又前进一大步。
刘子华进一步利用配偶律研究三个王星。从历学古籍《天原历理三书》(1682年徐发圃撰)，知有“四隅星”之说，盗星在西南，种陵在东南，天狗在西北，女帛在东北。刘子华将四隅星同三个王星配合，盗星合天王、种陵合冥王、天狗合海王、女帛无星与合。他预感莫非是未知的第10大行星。他继续从易图中探索，发现元代易学家张理《易象图说》内篇，有《先天八卦对待图》，(如图二)如获至宝。他对此图作了特殊解释。写道：“今按卦加上星球，则见太阳与木星同出于少阴，月球与金星同出于少阳，地球与水星同出于老阴，……以此证之日与木、金与月、水与地之成对相似，确有令人不能不诧异之符合。”据此图应有第4对双生卦，其对应之星球当为土与火。但刘子华考订，从星球看来，“土不似火而类木”。
刘子华想到，既然八个相差很大的天文数据相加，可以得到相同的常数，将它们联结成三对配偶，也得出与之相应的恒数，若再进一步，将三个王星相配，则冥王星同海王星成双，天王星却等待着配偶。为天王星寻求配偶，成为强大驱动力。刘子华依已知三王星的速度、密度及其同太阳的距离，通过反复验算，得到天王星的配偶星的一些参数。他喜出望外，肯定他所要寻找的大行星必然存在。
营建“八卦家族”，编排星群结构
刘子华确定整个太阳系应是由12颗星构成的一大家族，其中有初期八大星球，加上已发现的三王星，还有尚待发现的新星。他用“家族”模式看待太阳系，是基于《周易》原理的认识。他说：“八卦为伏羲和文王之科学的、有结构而有系统的、有定规而有变易的一种特别而又具体的原理表示，亦即有关万有宇宙之发展的总模式。”这一表述有以下合理内涵：一、太极原理是关于宇宙万有的总模式；二、此原理的核心思想是系统结构；三、它不止具有规律性并有变易法则。这的确把握了太极原理的基本思想。
刘子华创立的“八卦家族”论，有以下基本内容：阴阳配偶是基本概念，乾坤父母，三男三女均成配偶；八卦与八星(日月五星加地球)合定，是家族中基本成员；临、复、姤、遯四双卦为兑、震、巽、艮四隅卦之子，故属乾坤二卦之孙辈、三王星及未知星正好同四隅卦之子合定，形成父母、六子、四孙三代共荣的八卦家族。而其中心动力总数则经过计算为198。(如图三)
刘子华用八卦原理概括中国特有的宇宙论，利用八卦组合及卦星合定方法，赋予八卦新涵义，使之利于联贯思索与运算操作。这种思维方法是传统象数易学难以做到的。刘子华做到了，取得预期效果。在已知八卦家族中11颗星的数据的前提下，依照配偶及母子关系，就可算出未知行星的数据。“八卦家族”模式，实为刘子华科学预测的桥梁。《周易》象数思维方法，在中国科学发展史上，的确曾经发挥过这种桥梁作用。刘子华巧妙地利用这一思维模式，获得硕果，再创易学史上的奇迹。
借重阴阳平衡律，测算木王星数据
刘子华十分清楚，现代科学依靠的是精确数据。他说：“人们常谓：无数量不成科学。因此举上述八卦宇宙论在性质上之证实，姑无论如何明显，均可认为偶然之巧合。所以必须有现代天文上测量与计算之证实，方有科学之意义。”为了进行数量计算，他再次乞灵于易图。朱熹《周易本义》卷首附有《河图》。刘子华说：“卦之男女两性，固已见诸《周易》。至男女性之价值，则吾人须求自《河图》。”原先的《河图》并未同八卦相联系，刘子华从宋元之际易学家胡方平《易学启蒙通释》(见《四库全书》)中意外地发现《河图与八卦相配图》。(如图四)正如欲横渡大西洋而觅得一叶扁舟，喜不自禁。他以河图之数称为八卦男女性价值，作为数量计算之基数。他说：“八卦男女性价值之发现，确在八卦宇宙论上展开一个新局面，因为由此可推演得到数量的规律。”刘子华对此图作了几点说明。一、河图与八卦联系，古已有之，孔安国云：“河图即八卦。”二、河图之数即八卦男女性价值，未来的计算以此为准。三、图中心的五与十两数，居太极位置，为绝对中心，绝对静止，故无卦与之相配。
八卦分男女两性，各有不同价值，是八卦宇宙论又一新观点。依上图，其男女性价值为：乾7、兑2、离8、震3、巽4、坎9、艮1、坤6。一般易学著作极少应用此数。刘子华化腐朽为神奇，赋予妙用，以之验证配偶星、母子星之间的平衡关系。刘子华解释母子星时说：“母子行星之说，虽为比喻，而确有实际之价值。因各个母星之速度，均约等于其子星速度的666倍。恰如某家庭分财产，凡子辈之所得，均各与其父母所得成相等比例。这种比例相等关系，毫无疑义的证明上述四个现代行星配偶之合理。”卦分男女性价值，亦旨在证明“配偶之合理”。
刘子华赋予太阳系12颗星球以男女性价值，组成三代共荣的八卦家族，实际上涉及太阳系各主要星球的平均进行速度和平均密度的恒数，十分完善的符合，实在令人惊异。前八星(日、月、地及五星)三对配偶星，其速度与密度的比例恒数，简直完全相同，均为60。
刘子华根据八卦家族的系统关系，经过复杂运算程序，终于得到未知木王星的几个基本数据，其平均轨道速度为每秒2公里，平均密度为每立方厘米0.424克，离太阳平均距离为74亿公里，后来算出运转周期为736年。运算程序虽出自卦理，其结果可脱离卦理而独立。刘子华对这一成果非常自信。他说：“以现代天文资料来证实宇宙的真面目能与八卦宇宙学理相吻合。本书所有引据，纯系现代天文学以优良之工具和最近数世纪若干科学家辛苦研究所得之科学知识，故其结果应毫无疑义地相当精确而完备。”
法国巴黎大学科技史学院院长、刘子华博士论文审查委员会主席阿伯海尔，不通八卦卦理，反复研究论文后说：“关于科学方面，其结果令人满意。”论文评审者法国著名汉学家马伯乐本已拒绝论文答辩，经反复考虑，收回成见，同意将论文印交答辩委员会。他对刘子华说：“你拿我们的数字，证明你们玄之又玄的八卦，再拒绝，就等于我们的数字错了。”论文获得一致通过，木王星的预测得到法国权威天文学家的认同，引起轰动，对八卦宇宙论的魅力大为震惊。
取象比类的直觉思维之妙用
刘子华的科学思维方法，十分古怪，天文学家难以认同，这只能从中国易学中得到解释。他所运用的是中国先哲常用的“取象比类”的象数思维方法。中国古代医学、天文、历法、乐律、内丹的发展，都得益于这一思维方法。《易传》说：“其称名也小，其取类也大。”取八卦、六十四卦的卦象(“象”)，触类旁通，比拟其他各类事物(“类”)。这种象数思维的特点，如王弼所说，可以“得鱼而忘筌”，“得意而忘象”。刘子华通过易图，运算天文数据，得到天文结果，是“得意忘象”的范例。取象比类思维方法，是理论思维的一种特殊形态，它将归纳法同演绎法统一，是分析与综合的灵活运用。它通过喜闻乐见的卦象联系，去探讨客观对象之间的实际联系。刘子华所运用的“先天八卦方位图”、“先天八卦对待图”、“河图与先天八卦对应图”，以及阴阳配偶，男女两家、母子卦、八卦家族、宇宙太极中心等形象描述，无非是把易图视为过河的桥梁。
象数思维方法在科学中的运用，更表现为利用直觉思维诱发灵感。正如刘子华所说：“我之所以能将八卦原理应用于太阳系，决不是偶然的.。因我发现现代科学家对宇宙的认识或论点，与我国相传甚久的太极八卦图象很有共通之处(均源于旋涡形状)。”又说：“我国常见之太极图，既显出螺旋形状，其象征必与宇宙有关，或与太阳系研究有密切联系。”正是通过易图形象，产生一种直觉，这种直觉导向科学探索的明确目标，针对目标，努力探索，果有理想结果。刘子华总结自己的探索过程道：“八卦宇宙学理固因科学而得完美的证实，但科学之对于宇宙，特如太阳系，亦以卦理而有更深切完整之认识。科学可以证实卦理，卦理亦可以补充科学，且同时又可以反证天文数字之正确。”
刘子华有勇于创新的精神。正如英国哲学家罗素所说：“创立近代科学的那些人有两种不一定并存的长处：作观察时万分耐心，设假说时有大无畏精神。”刘子华的大无畏精神，是人所公认的。他大胆利用直觉思维这一点，得到博士论文审查委员会继任主席、巴黎大学哲学系主任、哲学史教授爱米尔卜勒野的肯定。他公正地写道：“我对于刘子华先生在巴黎大学所提之论文，非常尊重。他费了许多考证与灵巧，来阐明近代科学与中国古代单凭直觉而构成之科学，有深奥的符合。……它(指论文)指出人类思想，乃同归而殊途，一致而百虑也。”法国哲学家、汉学家、天文学家们没有因为刘子华离开西方实证方法、依靠直觉思维而取得的成果，就置之不理或加以歧视，他们懂得：“科学的论断，却是在盖然性的基础上，按尝试的方法提出来的，认为随时难免修正。”物理学家普恩迦赫说得更直率：“科学大多数的创获——定律的发现和假设的成立——实有待于“灵机”和“顿悟”的洞见和直觉——一种超常的、创造性的想象力。”
刘子华的确富有“超常的、创造性的想象力”，同时富有精密计算的科学精神。在博士论文中，他用了31幅易图来帮助自己构思，更用了27张表格来精确计算各种参数，从而求得木王星的几个必要的基本数据，若没有这些易图作桥梁，所需要的数据无法求知；若没有无容挑剔的科学数据，其论文决不会让法国权威天文学家与哲学家们折服。刘子华无愧为：“把中华的古老文化与西方的现代科学结合起来的先驱者。”八卦宇宙论及第10大行星的预测，是中西文化结合的结晶，堪称中国易学史上的奇葩。
