重新审视我国天文学研究与教育

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作者/ 杨永田 郝晋新
    为了发展我国天文事业和重塑天文文明古国的历史辉煌，在新世纪到来的２００１年１２月，由中国科学院国家天文台和国家自然科学基金委员会数理学部联合在京召开了由来自海内外的１００多位中国青年天文学者参加研讨“天文学与中国天文学的现实与未来”的大型学术会议。在开幕式上，全国人大常务委员会副委员长、全国科协主席周光召院士发表了重要的讲话：“历史上，有很多位天文学家，他们是敢于向神学挑战的、真正献身于科学和真理的科学家。以哥白尼为代表，好多位天文学家都做出了自己的贡献。所以，我认为，天文学在人类认识自然界、发展现代科学上起过非常重要的作用。那么，在科学发展到今天，当我们在进一步认识自然界客观规律的时候，数学与天文学又要面临一个非常重大的历史任务。大家知道，我是研究高能物理的。高能物理研究发展到现在之所以发展得比较缓慢，是因为科学家没有可能再造或者至少说会很慢地建造更大的加速器去研究物质的内部结构。因此，也就无疑要依靠自然的力量。由于物质的基本结构和天体的结构是完全关联在一起的，由此，将来最基本的物理学突破完全有可能是由于天文学的发现而逐步实现的。我个人认为，数学和天文学在今后的最基本的科学发展上将会担负非常重要的责任。”理论物理学家周光召院士又指出：“天文学虽然是纯粹的基础研究，但是，满足天文学研究所发展起来的技术有很多确实是当今世界的高技术，因为天文学家研究的是对非常微弱的信号进行探测和处理等等。这样的一些技术对现代社会的经济、科技和国家安全，特别是对国家安全有极大的作用。所以我也希望，在国家需要的时候，能有一批天文学家把自己的技术毫无保留地贡献给我们的祖国。只有祖国的繁荣和强大，天文学家才能得到更多的支持，我国的天文事业也才有可能得到更大的发展。”
    一石激起千层浪。
    大物理学家周光召院士一席掷地有声的讲话，引起了我国天文界同仁强烈的回应和深沉的思考。周光召院士平实地对近代天文学乃至科学发展史的回顾，振聋发聩地将我国的天文工作者从陷入狭义天文学研究工作小圈子里的桎梏中解脱了出来，以一种新的思路?曾被我们长期淡忘、忽视然而也是深深了解的?重新思考我们今后的工作。
    国家天文台首任台长艾国祥院士于２００２年１０月呈报给中国科学院党组的《中国天文学１０—１５年战略发展纲要》，就是这种思考的一个代表。
    周光召院士的关于天文学发展的真实而科学的诠释，我国天文工作者其实是完完全全清楚的，但被多年来“科学的细化”所障目而几乎是全盘漠视了。从某种意义上讲，这也是我国天文工作者的一个悲哀。
    事实上，多少仁人志士始终在关注并尊重天文学发展的历史地位与不可替代的作用。
    全国人大常务委员会副委员长、中国科学院院长路甬祥院士今年初指出：“文艺复兴使人得到解放，从而也催生了以观察和实验为基础的近代科学。哥白尼的‘日心说’第一次动摇了以地球为中心的宇宙观，从而逐渐将人类从宗教的桎梏中解放出来，科学创新活动才成为人类探索、了解宇宙万物规律的最有力武器。”
    大物理学家吴大猷先生曾讲过：欧洲的科学革命发端于天文学。
    启蒙运动最重要的思想家、历史上最伟大的哲学家之一康德也曾说：“世界上有两样东西能够深深地震撼人们的心灵，一个是我们心中崇高的道德准则，另一个是我们头顶上灿烂的星空。”
    迄今为止，“宇宙是如何起源的”仍是人类尚未攻克的第一大科学之谜。多少年来，人类在求解这一最大科学之谜的过程中，推动了自然科学的发展与进步、孕育并诞生了科学的宇宙观、倚重并催生了一系列高新技术……在一定意义上讲，是天文学和高新技术手段两只轮子的完美配合才推动历史的长足进步。也就是说，几乎所有的高新技术成果都会在天文学发展的进程中找到更大的用武之地；而天文学的触角也因为有了日新月异的高新技术手段才得以延伸到宇宙的更深处，直至逼近人类第一大科学之谜的最终破译！
    天文学与高新技术
    众所周知，天文学是研究地球以外的天体及其毗邻环境的科学，它的研究对象包括太阳系天体、恒星、银河系、河外星系、行星际和星际物质，直至整个宇宙。
    人们还知道，天文学是依赖于观测的基础研究科学。因此，观测设备的先进程度就决定了天文学的发展水平。这种依赖，也就决定了它们间正相关的不断进步。美国著名天体物理学家罗素曾说过：“整个光谱最有意义的波长处在我们研究能力、地面天文观测所能及的范围之外，因为大部分臭氧居于很高的上空。”这里所指的“最有意义的波长”是指红外线、紫外线、χ射线和γ射线等，而由于地球上大气的屏障，地面上的望远镜是观测不到它们的。于是，自上世纪６０年代，空间天文学应运而生，由此洞开了探索宇宙的四个窗口：电磁辐射、宇宙射线、中微子和引力波。
    也正是缘于空间天文学的崛起，天文学的进步更是以前所未有的速度前行。譬如，２００２年诺贝尔物理学奖的一半授给美国科学家卡尔多·贾科尼，主要奖励他发现宇宙χ射线源的贡献。为了揭示宇宙χ射线之谜，贾科尼领导并研制了世界第一个宇宙χ射线探测器一爱因斯坦χ射线天文望远镜，并于１９７８年将其发射升空，首次观测到并绘制了精确的宇宙ｘ射线图像。在此基础上，科学家还获得了大量新的发现。
    其实，历史上天文学划时代的进步，完全仰仗观测手段的出新。
    １６０９年，天文学家伽利略?意大利人?研制出世界第一台光学望远镜并进行了天文观测，从而开创了光学天文观测时代，取得了一系列的新的发现，并以这些真实而科学的观测强劲地支持和宣传了哥白尼?波兰人?的日心说。同样缘于光学望远镜的诞生，才把同时代的开普勒（法国人）造就成为伟大的天文学家、行星运动三大定律发现者、近代光学奠基人和将古代天文几何描述学过渡到近代动力天文学承上启下的人物。同时，在开普勒的“肩膀”上诞生了伟大的现代物理学之父—牛顿的力学三定律和万有引力定律。
    ７０年前，世界上第一台射电望远镜诞生了，以其“全天候”的特色而成为天文观测新的重要手段之一，并在２０世纪７０年代一举获得类星体、脉冲星、星际分子和微波辐射等２０世纪四大天文新发现。迄今，在１１项获诺贝尔物理奖的天文学成果中，就有５项或直接或主要是射电天文学的成就。
    由上述描述可以看出，光学望远镜的诞生不仅强力地支持并传播哥白尼的科学的日心说。而且开创了近代天文的光学天文时代，树立了天文史上的第一个里程碑；射电望远镜的研制成功与运用诞生了射电天文时代，即建立了第二个里程碑；而世纪之交的空间天文学热，则为天文学研究建立起第三个里程碑。因此，我们不难看出高新技术的创新对天文学的发展是何其至关重要，反之依然。
    天文学与自然科学
    文艺复兴时期以哥白尼、伽利略和开普勒为代表的欧洲天文学家不仅创立了科学的哥白尼日心说体系，为唯物的辩证的宇宙观的诞生奠定了坚实的基础，而且实现了天文学的发展由古代天文几何描述学向近代动力天文学的跨越，建立起天文学的第一个里程碑。还有一点不能忽视的是，正是这个里程碑为日后１７世纪的科学革命乃至１８世纪兴起的工业革命做了不可或缺的科学铺垫。
    １．定位基准
    空间，宇也。随着动力天文学的诞生与发展，大大提高了由古代天文几何描述学建立起来的方位识别的精度，给人类逐步提供出一个与时俱进的更加精确的空间坐标基准——星表，为人类的航天、航空、航海和大地坐标的建立奠定了基础，使人们能方便地寻找到空间的或地面的目标。“点击星海，网络乾坤”，讲的就是这个道理。
    当然，这样的坐标体系的精度是很有限的，２０世纪末由美国海军天文台建立起的ＧＰＳ体系，则大大提高了定位精度和使用便捷，更受人们的欢迎，但它依据的基本原理没有变。
    ２．基本物理量
    时间，宙也。近代动力天文学的诞生与发展，给人类提供了更加精确的时间尺度，平太阳时、世界时的相继建立不仅为人类有序的生活与工作提供了参考基准，也为近代科学的建立提供了一个必不可缺的基本的物理量——秒。
    时间概念包含时间起点和时间长度两个要素。最基本的时间长度单位——秒则是基本的物理量。没有这个基本的精确的时间物理量，牛顿三定律就无从谈起和应用，近代物理学大厦的基础?包括诸如速度、加速度、力、重量、动量、能量、功和功率等概念?的准确定义及精确计算也就不复存在，那么，还会有力学、物理学和与此有关的科学今天的进步吗？
    ３．数学
    古代数学的发展同天文学有着不可分离的关系，而天文学的发展是由农业和畜牧的需要所引起的。在世界各民族文化发展的过程中，天文学总是发达较早的科学，而天文学又推动了数学的发展。正如恩格斯指出的那样：“必须研究自然科学各个部门的顺序的发展，首先是天文学——游牧民族为了定季节，就已经绝对需要它。天文学只有借助于数学才能发展。因此也开始了数学的研究。”
    ４．空间科学
    天体力学的诞生，向人类揭示了宇宙天体间相关联的科学规律。有了第一宇宙速度的实现与应用，才有人造卫星的升空；有了第二宇宙速度的实现与应用，才有了驶往太阳系其他天体的探测器的升空；有了第三宇宙速度的实现与应用，才有了哈勃天文望远镜远离太阳系向宇宙深处的遨游。
    也正因为有了上述科学事件的成功，才决定了世纪之交时空间科学、空间天文学的兴起。
    此前的近代科学，都是建立在地球引力场条件下和“厘米·克·秒”制框架基础之上的。而到了空间领域，由于地球引力约束的消失，现有的科学结论受到了挑战，自然就不足为奇了；由于这个挑战而推动科学的迅猛发展也就顺理成章了。周光召院士希冀借助天文学的进步而引发理论物理领域的巨大突破依据的也主要就是这样的一点。
    时至今日，微重力生物学、微重力材料学等空间科学分支学科的相继诞生把科学发展大大推进向前，天体力学功不可没。
    ５．物理学
    自２０世纪７０年代后半期，天体物理学成为天文学的主流领域。以宇宙为研究目标不再只是天文学家青睐的对象，而且也成为物理学家热衷的话题。在１１项天文学成就获诺贝尔物理学奖的１４位科学家中，就有２位无线电?属于物理学范畴?工程师和６位物理学家，物理学家与天文学家平分秋色。此外，越来越多的物理学家取得共识，宇宙空间是个天然的实验室，具有很多地面实验室难以达到或根本达不到的实验条件，因此，“宇宙，是物理学最大的研究对象”。周光召院士的讲话不就是个明证吗？此时，并且只有在此时，我们才终于明白了为什么早在２０世纪９０年代之初，时任中国科学院院长的周光召院士就核批１２００万元人民币经费??相当于原北京天文台当时２年半的经费?支持由艾国祥院士提出并领导的“空间太阳望远镜（ＳＳＴ）”项目预研工作的个中道理。
    ６．科学前沿
    远不止于此，今天的天文学成就越来越为世界瞩目，已经成为科学前沿的一个新的亮点。
    美国《科学》杂志公布了２００３年世界科技领域值得关注的六大热点，其中“太阳活动与气候变化的关系”和“多个天文探测卫星的发射与观测结果传回”两个天文项目榜上有名，占据三分之一的比重。
    美国《科学》杂志还一年一度评出当年的“世界十大科技突破”，在１９９７年至２００２年的六年时间内总共评出的６０项“科技突破”中，天文成就竟多达１５项之多，占据四分之一份额，足以令世界惊诧?
    天文教育、
    普及与诺贝尔奖
    美、欧洲、俄、日四大天文巨头的发展，有一个共同的鲜明的特点，那就是人才梯次队伍的培养与储备。没有人才，即使有巨大的投资也是徒劳的。而人才的培养，依靠的是持久的天文教育与普及工作的开展。
    以美国为例，除了医学之外，没有任何一个学科的最新成就能像天文学的最新成就那样频繁地出现在各种媒体的显要位置上。
    在有许多专业天文学家任教的大学，天文学是最流行的选修课之一，每年有２０多万大学生参加入门班的学习。对许多大学生而言，天文学是他们接触到的唯一一门自然科学知识。此外，凭借天文学同包括物理学、数学和地理学等在内的其他学科的综合关系，使之成为向国民传授自然科学的特别恰当的载体。从许多方面看，天文学在大学中的一般教育中起着至关重要的积极作用。
    美国目前正在把天文普及教育向中小学延伸。这是因为，尽管天文学界的规模相对而言比较小，但却有强化科学教育和提高公众科学素养所需要的巨大潜力，天文学知识具有普遍的吸引力，它能极大地激发人们刨根问底的热情，极大地引发人们对自己在宇宙中的位置及本质等问题的思索。这种普遍存在的兴趣不仅增加了学生和公众对天文知识的了解，还有助于科学本质的阐明和面对未来科学的能力、局限的理解和丰富的想象力。这种想象力是极其重要的，正如爱因斯坦所说的那样：“想象力比知识更重要。因为知识是有限的，而想象力却是无限的。”除此之外，天文学学科的特质及它与技术和仪器的天然不可分的联系，都决定了这门学科将为２１世纪培养一支强大的技术劳动力做出特殊的贡献。
    ２００２年诺贝尔物理学奖颁给天文学成果。这一物理学奖的一半被世界四大巨头独占鳌头的美国学者雷·戴维斯和四大巨头新责日本的学者小柴昌俊获取，另一半是美国天文学家卡·贾科尼的战利品。
    这样的“巧合”，一方面反映出美国天文学研究霸主地位的牢固，另一方面也充分说明了新贵日本实力的不俗。
    戴维斯和小柴昌俊是因为在“探测宇宙中微子”方面所取得的成就，贾科尼则是由于在“发现宇宙Ｘ射线源”方面的成就而分享诺贝尔物理学奖的。
    迄今，已有１１项天文学成就获取诺贝尔物理学奖，共有１４位科学家分享了这些殊荣，而其中的１０项是自１９６７年至２００２年的３５年之间取得的。在获奖的１４位科学家中，有９位美国科学家、２位英国科学家，奥地利、瑞典和日本各有一位科学家名列其中。需要强调的是，他们均是属于世界四大天文巨头成员中的科学家。
    不仅如此，在与天文学近相关的物理学成就获取的诺贝尔奖者中，就有７９位为美国的科学家。这也是足以说明天文学研究水平是与获取诺贝尔奖息息相关的最好佐证。
    新世纪的天文学
    进入新世纪，世界天文学研究形成了美、欧洲、俄罗斯和日本四大巨头，大大地把世界其他国家和地区的天文研究甩在了身后。
    欧洲集团作为近代天文学的发祥地仍排在这一方阵。
    俄罗斯作为昔日的两霸之一和美国长期角逐的领域也大都是天文和与其相关的空间科学领域，还葆有些元气。
    然而美国却异军突起，执世界天文学研究之牛耳，遥遥领先。
    我们暂不罗列美国近５０年天文发展的突出事例，只是想了解一下他们开展这些研究的初衷与目的何在。这里就以《ＮＡＳＡ战略计划１９９６—２０２０》如何大力发展天文事业的有关内容摘录如下，回答我们的不解。
    远景：
    ＮＡＳＡ是对美国未来的投资；
    作为探索者、先锋和革新家，我们大胆地开拓航天的前沿，鼓舞并服务于美国，把利益贡献给地球上的人民。
    使命：
    促进、传播科学知识，认识地球、太阳系和宇宙，利用太空环境进行研究；
    探索、开发太空为人类利益服务；
    研究、发展、验证、转换先进的航空与航天及相关技术。
    战略成果：
    对完成国家的科学技术目标和重点有重大贡献；
    与工业、学术界和其他联邦机构共同进行研究和开发，保证美国的竞争力和领先地位；
    将地球作为行星中的一个体系来研究，认识其总体变化，考虑全球环境保护问题；
    为学生创造学习研究的机会，启发他们的探索精神；
    探索宇宙，激励求知欲，扩大了解新世界的机会；
    在探索中，团结其他国家，使人类生活更富裕。
    目的：
    立于探索科学的最前沿，最终实现人类在太空的长久生存；
    保持并扩大人类对太阳系内太空的探索与利用，使科学、技术和商业同时获益；
    为当代和后代人更美好的生活做贡献；
    促进太空事业的革命；
    促进已有航空与航天事业更加成熟，开发新的高技本产业；
    使人类能预报并评估地球的“健康“状况；
    实现人类在整个太阳系的生存。
    随着射电天文时代的发展和其他一些天文探测仪器的研制成功，２０世纪后期的天文学研究跨入天体物理学新阶段，天体物理学自此成为世界天文学研究的主要领域。正是光学望远镜、射电望远镜和空间望远镜的诞生与发展，才促进并实现了天文研究发展史上由天文几何描述学到动力天文学再到天体物理学的三个跨越，为人类最终揭示“宇宙是如何起源”之谜作了更直接的科学的准备。
    美国国家研究理事会在新世纪到来之前，制定出《新千年天文学和天体物理学》规划，此规划开宗明义的提出：
    “在寻求理解人类在宇宙中位置的进程中，许多秘密摆在面前，宇宙是怎样发端的？第一批恒星和星系是如何形成的？推断的银河系中存在恒星质量级的黑洞、星系核中存在超大质量的黑洞是如何形成的？行星系统是如何形成和演化的？宇宙中是否还有类似太阳系的行星系统？这些系统是否也栖息生命？是什么过程引起太阳活动能影响地球气候的微小变化？太阳活动影响地球空间大气变化的成因是什么？”
    为了回答这些问题，在新世纪之初的１０年，美国将按地面和空间项目，分大型和中型、小型项目投资４７亿多美元，新建一批诸如新一代空间望远镜?ＮＧＳＴ?、巨型拼接镜面望远镜?ＧＳＭＴ?、星座式Ｘ射线天文台?Ｃｏｎ。Ｘ?、扩展的甚大阵?ＥＶＬＡ?、大孔径概要巡天望远镜?ＬＳＳＴ?等大型设备，其中仅ＮＧＳＴ一项就投资达１０亿美元之巨。此外，还有１５项左右的中小型项目。
    除此之外，ＮＡＳＡ在２００４年美国财政年度中，用于诸如太阳系探测、火星探测、生命起源的天文学探索、宇宙的结构与演化和日地关系领域的经费预算总额高达４０亿美元。
    美国如此，世界四大天文巨头中的新贵日本也正是由于近２０多年的大力投资，天文研究才获得如今的殊荣地位。日本用时１０年、耗资１．７亿美元研制成功８米口径的光学望远镜，并且安装在大洋彼岸的夏威夷，藉以求得更加优秀的观测资料，为此每年不得不付出１５００万美元的运行费。
    １９９１年８月３０日，日本联合美国、英国共同发射了“阳光”卫星，主要用于研究第２２太阳活动周太阳耀斑高能现象。
    １９９３年３月，日本发射了“天文——４号”卫星，旨在高能量范围内同时进行Ｘ射线天体成像和分光研究。
    不到两年时间，日本就先后发射两颗天文卫星，并取得一系列新的发现。
    ２００４年夏，日本空间与航天科学研究所（ＩＳＡＳ）希望发射造价为１亿美元的Ｌｕｎａｖ－Ａ探测器，其任务是，在两个探测装置的帮助下探测月球的内部、起源和演化。２００５年，该研究所将发射造价为３亿美元的“月球与工程探测器”，探测地球的等离子层、月球的引力场和月球表面形状。成为跨世纪前后世界天文新发现的亮点。
    当代四大天文巨头之一的欧洲集团的重要成员德国，在世界物理学领域一直享有盛誉。在诺贝尔物理学奖设立的最初３０年中，诺贝尔物理学奖的得主就有１０位是德国科学家。其中拔得头筹的便是Ｘ射线的发现者、伟大的德国物理学家威·伦琴。由此可见，德国物理学研究卓越历史的悠久和成就的巨大。
    不仅如此，德国至今仍对天文学研究葆有极大的热情和强大的经费支持。
    比如，在德国马普学会所辖的７９个科研机构中，从事天文学研究的机构只有５个?占６．３％?，但用于天文学研究的科研经费却占总经费的２０％至２５％，即为平均水平的３—４倍。可见，德国是如何重视天文学研究的。
    综上所述，我们终于明白了它们何以成为天文巨头。也不难从中看出，只要有高投入，才可能有高产出；有耕耘，也必有收获。