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专业|天文学就是拿望远镜看星星吗?
发布时间:2019-09-08
 
专业|天文学就是拿望远镜看星星吗?

每个男孩小的时候都有一颗太空梦。仰望星空,常常激起人们天马行空的想象;外星人的存在,黑洞的深邃,星系的绚烂,星座的浪漫,宇宙的无限未知一直牵动着我们的心弦。


什么是天文学

课本上定义:天文学是研究广袤无垠的宇宙中各类天体及其系统的科学,是研究它的位置、分布、运动、形态、结构、物理状况、化学组成、相互关系及其起源演化的科学。

太过拗口?一言以蔽之,现代天文学就是用物理的办法研究天文现象。

作为七大基础自然科学之一,天文学细分下有三个分支,天体测量学,天体力学,天体物理学

天体测量学研究和测量天体的位置及其变化。

天体力学研究太阳系天体的力学形状和运动规律。

天体物理学应用现代科学(尤其是物理学)的先进技术和理论来探讨各类天体的本质-形态、内部结构、物理状态、化学组成、相互关系、起源、演化规律等。

很显然,前两个方面在牛顿他们那个年代就已经研究的很透彻了。所以天体物理学是当代天文学的主流方向,这是天文越来越“物理”的原因。

在这里,斯民教育想向大家区别一个听起来名字比较像的专业——空间科学与技术。空间科学与技术属于地球物理学类,其研究的往往是太阳系以内或者地月系以内的空间天体现象,这一学科涉及到的不仅仅有物理现象,还有遥感等一些空间技术。而天文研究的尺度更大更广,研究手段主要是物理学。

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天文学学什么课程

天文学本科阶段的具体课程80%与物理系没有太大差别,主要专业课有数学(高等数学,线性代数,概率与统计、数学物理方法),计算机(编程语言、数据结构与算法、计算方法),普通物理(力学,光学、电磁学、热学、原子物理),四大力学(理论力学、电动力学、热力学与统计物理、量子力学),以及一些难度更高的物理课程(广义相对论、量子场论、群论)以及普通物理学实验等(听到这些名字估计你已经知道他们的难度了)。

所以说你可能要读这些书:

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可能要会这些编程语言:

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天文和物理专业的课程差别主要在于天文学不需要修近代物理实验等一些难度更大的实验课程,以及一些偏材料的课程如固体物理;但是需要修一些天文方面的专业课,如天体物理,天文技术与方法,恒星大气物理、光谱学、宇宙学等。就笔者所在的北京大学而言,物理和天文在课程设置上区别并不明显。天文学专业的天文必修课都是物理专业的选修课程,物理系的大多数课程也都是天文系的选修课程。

你以为只学了这些课程就OK了?

NO!你会发现大学期间课上学的东西往往是考完试就忘的差不多了,真正有用的东西是在科研中学到的


天文学做什么科研

天文学是一门基础科学,只讲课程而不谈科研确实有些偏颇,现在天文学研究工作主要分两大类:观测工作和理论工作。天文研究上没有实验,只能把现有的事实结果当作实验结果,所以对实验结果的采集就显得十分重要,这一部分工作就是观测。做观测的天文学家就要想办法找观测源,降低观测噪声得到更加准确的结果,然后分析观测结果,发现里面的物理现象。另一类工作是理论工作,它是在现有的科研成果上,利用各种物理定律和计算机模拟技术,来分析出宇宙当中这些物理现象的原因,并且给出合理的解释和推测。具体的研究内容上,比较活跃的几个研究方向有活动星系核、暗物质暗能量、黑洞、宇宙的演化等等。

在国内,天文学专业仍属于小众专业,本科阶段只有少数理科实力比较顶尖的学校开设,如北京大学,北京师范大学,中国科学院大学,南京大学,中国科学技术大学,厦门大学等。研究生阶段具有天文学方向的学校比较普遍,很多大学如清华大学、复旦大学、上海交通大学虽然没有开始天文学本科专业,但是研究生阶段的教育和科研实力仍然比较强。笔者对于北大,清华,南大三个学校天文学实力比较熟悉,清华大学偏重于理论研究,北京大学偏重于观测,南京大学则是学科设置、研究方向比较齐全。根据教育部全国第四轮学科评估结果,天文学科的排名顺序是南京大学、中国科学技术大学、北京大学、上海交通大学、北京师范大学。而据笔者了解,根据科研实力、教学水平、国际化程度和就业竞争力来看,业界公认的国内排名前三的应该是北京大学、清华大学和中科院。

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天文学就业前景

由于开设天文学专业的院校大多是国内比较好的学校,毕业生的就业质量都比较高。最主要的就业升学方向是国内外的高校和天文研究机构,同时会有接近一半的学生选择转行。有的学生转变研究方向,转到物理、工程学等方面继续进行学习研究。由于良好的数学和计算机基础,很多天文毕业生之后会选择进入IT业、金融业等行业从事编程和量化分析方面的工作。其他方面,教育行业、国家公务人员也是主流的就业方向。

未来发展来看,学天文的前景还是比较好的。首先,专业出国率比较高,在北大几乎半数的继续从事天文研究的学生都能拿到国外顶尖大学的offer。其次,天文学扎实的数理计算机的专业训练能够确保你有很大的转行空间,去金融和计算机干的很好的师兄师姐大有人在。并且中国每年天文本科生不超过200人,天文人才一直稀缺;国内这几年天文发展很快,很多大学正在筹建天文系,并且有几个大型的科研项目已经落实了,未来的教研职位空间非常大。如果你真的感兴趣,并且数学物理基础比较好的话,斯民教育建议您可以把天文当作一个未来的专业方向。但是学天文的周期是比较长的,一般来说真正能够独挡一面、小有成绩至少要到30岁以后,如果你忍受不了长期的枯燥工作和并不富裕的生活条件,天文或许不是一个比较好的选择。


学习的心得和体会

首先重要的事情说三遍:我们不会看星座!我们不会看星座!我们不会看星座!

由于一些刻板印象,当别人听说你是学天文的,一定会问你是不是什么星座、星表都特别熟悉。事实上,天文学根本不学这些,我现在唯一认识的星座就只有北斗七星。

一个天文学系本科生的学习状态实际上是这样:大二之前会有比较多的专业课,每天都埋头在数学物理公式当中,夜晚熬夜写代码编程序。大二大三阶段开始进入实验室跟着老师做科研,一开始主要是阅读大量的英文论文,帮助老师编写程序,处理数据,拟合模型。有一定基础之后可以进行一些比较有探索性的工作。大三下学期之后往往就开始为升学就业做打算,准备各种出国英语考试,参加保研的各种活动和面试等等。这里可以给一些在学习上比较实用性的建议。一方面本科阶段重在知识的积累和打基础,不要过分追求高分数和排名,注意力应该放在掌握扎扎实实的理论基础和科研技巧,因为未来工作要求的是你真正的科研实力,而不是刷题和突击考试得高分的能力。另一方面是和老师的交流很重要。多和老师进行一些学术上的探讨,参加一些讲座,听一些报告,不仅能够增长你的知识面,更重要的他们的经验是能够帮助你确定未来的科研方向,往往确定一个有前景的、好的科研课题比真正的科研投入对于你未来在科研方面的成功更加重要。

其实学天文并没有太多的诗意和远方,不是一件看上去那么有趣的事情。

你想象的天文学可能是这样的:

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或者这样的:

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但是实际上是这样的:

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和这样的:

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首先你不会整天拿望远镜看星星。一般人能想象到的望远镜都是爱好者望远镜,科研上根本用不上,真正的望远镜都在高山上,比如之前非常火的“天眼”FAST就位于云贵高原当中。我曾经去河北兴隆国家天文台观测站实习,天文台真的是在隔绝人世的山上(因为要排除人造光源的干扰),事实上这些仪器都是极其复杂和庞大的,并且由很多专业人员操纵,科研工作者得到的只是观测数据。

其次,天文在学习工作上也是及其艰涩的。你日常面对的是复杂的数学公式和海量的观测数据,你的工作往往是分析公式、数据或者编写程序,这需要极强的耐心和热情,还要时时刻刻担心自己的发际线。并且,和数理类专业一样,专业内女生极少,比例往往是8:1或者9:1。反过来看,由于女性的稀缺,天文学的女生往往在班里受到各方面的呵护,并且在留学申请和保研方面受到比较大的优待,所以我一直是推荐女生来学天文。

既然天文如此艰涩和枯燥,那么它如何吸引这么多人为之孜孜不倦呢?

天文学是一门自然科学,和所有其他自然科学一样,它能够加深你对这个世界的认识,使人变得更加深邃,你能够从真正发现和创造中得到成就感和求知欲的满足感。并且,它在形式上和思维上都是美的。形式上美在哪里呢?美在理论上自洽性(这里可能比较难以理解)。同一个天体物理现象,用出发点完全不同的物理理论来推演能够得到同样的结果,甚至在小数点后很多位都是相同的,从更深层的数学理论来论证竟然可以发现这两种理论在数学上是完全等价的,令人惊叹这种自洽性!思维上美在哪里?基于一点点事实和数据,你可以探知数千光年外的宇宙,描绘出宇宙诞生之初的景象,将你的思维从空间和时间两个维度扩展到最大。产生一种对于科学工作深深的敬畏和科研工作者创造力的赞叹,这是我认为大学四年得到的最大收获。

天文的意义是什么?往大了说天文学是人类存在的终极意义之一——探索,满足人类最原始那种求知欲。往小了说当代天文学是为了人类几百年之后的生存而考虑。几乎所有人都有这样一种共识,地球终有一天将无法承受整个人类的发展,那么未来在哪里?或许只有天文学能够给出答案。

(作者:李方闻)

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