天文學方法論，主要研究天文學基本性質及其發展規律。
基本介紹
- 中文名：天文學方法論
- 適用領域：天文學
當代天文學各分支的框架圖，輪廓性地展示了20世紀和21世紀之交天文研究的概貌。
三角形框架的三條邊代表當前普遍採用的三種不同的學科分類：
①按研究對象分類。
②按“觀測工具”分類。
③按“理性工具”分類。三類學科的目標研究，得力於“觀測工具”和“理性工具”的發展。而這兩類工具的發展，又分別藉助於同時代的技術進步和同時代的基礎科學，體現為與天文學交叉並套用於天文研究的技術，以及與天文學交叉並套用於天文研究的基礎科學。兩類“工具”在天文研究中相互結合（圖中為虛線連線）。
此外，在圖1中也給實用天文學設立了位置，它的每一項內容均可視為天文學中某一分支與一項實用研究的交叉。框架結構反映了天文學的發展規律，而學科的進展則反映在分支所設的條目及其內容的改變上。遠古文明時期，天文研究的對象僅僅限於幾個太陽系天體以及作為“天空背景”的幾千個恆星，觀測工具主要是人的眼睛，而理論工具則僅是萌芽時期的天體測量學。這三個方面一開始就各就各位，並隨著時代的發展而不斷充實、發展、變化，記載著天文學走過的古代科學漫長的旅程，直到17世紀前夕。天文學的發展中17世紀是劃時代的。牛頓運動定律和萬有引力定律的發現，宣告了現代科學的誕生。而天文學研究，從此越過了幾千年來單純追求太陽系天體運行的“唯象解釋”，進入藉助力學規律對包括太陽系天體在內的一切天體機械運動的“本質探明”。
17世紀的另一個突破性事件發生在1609年，當時伽利略首次以手制望遠鏡觀測天文目標，使得天文視野越過了肉眼聚光能力的局限，開始伸展向更加幽微因而也是更深、更廣的宇宙空間。這次突破賦予了上述框架上的“光學天文實測手段”以新的意義：開始了世世求大、求精而且永不停息的各類天文望遠鏡的研製。這兩次大突破啟動了現代天文學憑藉“觀測工具”和“理性工具”發展的“兩條腿走路”，開始以更快的節奏深入到天文世界各個層次的不同領域，展開了各類科學目標的探索。這一進程歷時400年，而這張框架圖也就隨著逐步擴展成了今日的組成。天文學的基本內容 這是一個很難用一二句話就能夠概括說明的問題，不妨通過以下幾個小節予以敘述。作為一門自然科學的天文學 自然科學旨在認識自然，以發現和研究自然現象，探索和解讀自然規律為目的。它的成果可套用於技術科學和技術的發展。天文學作為一門自然科學，同樣也具有這樣的基本性質。認識自然按深度可分為三個層次。第一是認識自然事物的表象；第二是認識自然事物表象的經驗規律；第三是認識自然事物存在與發展的本質。對此，現代天文學發展的“第谷–克卜勒–牛頓三部曲”可視為典型。歷史上，太陽系天體運行的研究歷2 000年到了第谷，第一層次的認識達到了相當高的精度；而克卜勒定律所體現的第二層次上的認識，到現在仍堪稱登峰造極。
這兩個層次的認識雖然跨越了歷史的認知，但它還只能是“知其然而不知其所以然”，基本上是對一事一物(即對於描述太陽系天體運行)有效。只有到了牛頓時代，才把研究從物體之間相對運動的表象深入到這種運動的物理本質。牛頓這時的工作起了雙重作用：首先是牛頓把太陽系天體運動看成是大自然在太空中演示的力學實驗，並使之成為建立力學理論的依據（力學是物理學中最先被開拓的分支），他所發現的萬有引力定律和力學規律，適用範圍遍及自然界萬事萬物的力學關係。在這個過程中，牛頓把所建立的力學理論套用於解釋太陽系的天體運動，使這個解釋達到了“知其所以然”，也就是達到了第三層次的認識。這種三個層次的認識達成了現代意義上的科學認識。為了強調這一性質，在後面的內容中以“第谷–克卜勒–牛頓三部曲”為典型，採取如下表述：第谷型研究（第一層次）：實測發現——獲取基本信息。克卜勒型研究（第二層次）：信息發掘——創造經驗模型（描述表象）。牛頓型研究（第三層次）：理論解釋——創造理論模型（描述本質）。這裡借用大師的名字表明各個層次的分量，用“模型”的創建來代表對科學信息的梳理和解釋。模型體現為理論構思與實測數據的擬合。但理論構思允許選擇，而實測數據則受到技術方法的制約，具有不確定性。因此，一個科學模型實質的確立上是在具體條件下理論和實測的一種“最佳擬合”。擬合是用數學語言來表述的，因而能夠作出推論以擴大認識，作出預測以接受驗證。推論和預測，使科學認識在“理論模型”的層次上接受新的挑戰。由於科技進步不斷牽動理論能力和實測條件的提高，所以任何時候所建立的模型都會不斷地面臨著新的理論的挑戰和實測的檢驗。
歷史表明，在科學發展中，不管什麼樣的挑戰都能激勵科學的奮進，而且每次“強挑戰”的突破都會顯著提高理論模型的權威性，還可能預示著科學的革命性進展。天體力學建立之後遇到的一次“強挑戰”是1846年海王星的搜尋，這次“強挑戰”的突破，顯示出牛頓力學體系的“威力”。另一次是1882年水星近日點進動超差值的確定，這是一次“不能解決的強挑戰”，現在知道，它預兆著引力理論的大變革。天文學與地學的分工及“第谷型研究” 自然科學中，天文學與地學在實測研究層次上有所分工。廣義的“天”通常代表了宇宙的巨觀總體，“地”指的是地球，它是“天”中一個極其微小然而也是極其特殊的部分。“地”的特殊在於它的外殼上居住著人類——宇宙的研究者，從而成為得以進行最詳盡、最縝密研究的一個“天體”，也就形成了地學在宇宙研究中的獨特地位。地學研究可身歷其境、實地勘察，可“主動地”採集樣品，“主動地”布置實驗。這是“地”以外的天體研究所不能實現的。天文學家面對的是“天上”遙遠乃至極其遙遠的、為數眾多往往又是非常暗弱的天體，現在他們所能做的僅限於遠遠地“觀”和遠遠地“測”。這與地學以及其他的科學相比，無疑是一種欠缺。正是因為這種欠缺，天文學家才不遺餘力地研究和發展“觀”和“測”的手段和技術，“致廣大、盡精微”，使天文學被喻為一門“觀測的科學”。“觀”和“測”的能力跟同時代的技術發展息息相關。歷史上“觀”的能力從17世紀伽利略望遠鏡的問世開始，經歷將近400年的技術改革和創新，到20世紀末，光學望遠鏡的聚光口徑已經達到了10米級，功力為伽利略望遠鏡的十幾萬倍。光學以外的波段，隨著同代技術的步伐，首先是20世紀後半葉射電望遠鏡和干涉儀的發展，繼而是各個波段的空間望遠鏡——紅外、紫外、X射線、γ射線等天文衛星的運轉，到了跨世紀時期，所有這些設施都經歷了兩代以至更多的更迭，使天文觀測進入全(電磁)波段、巨信息量、大設施聯合運作的時代。“測”的能力，同樣在20世紀出現巨大的飛躍，突出的如各類光敏器件的發展，已經使一些波段的天文探測器做到了“噪聲”接近於零的理想水平;一些干涉儀系統分辨的能力達到了萬分之一角秒，相當於能夠分辨出200千米遠處並排的兩根頭髮絲。
20世紀下半葉航天技術的發展，把人類或人類派遣的“使者”（各類遙感探測器或機器人）送到月球、太陽系空間以及幾個行星上，把地學研究手段套用到地球以外的這些天體。這樣屬於“地”的範圍有所擴大。而天文學研究則從此在太陽系範圍內增加了幾個得以精測、細測的珍貴樣本。儘管如此，天文學的實測研究面對的仍然是無際宇宙中無數的暗弱天體，並不因此改變它作為一門“觀測的科學”的性質。天文觀測由於是極遼闊的空間中的目標，而且愈遠就愈多、愈暗、愈難以分辨，因此對所有的天文研究領域（行星世界，恆星世界，星系世界等）來說，更深、更廣、更精的觀測都是永遠迫切的需求。即是說，天文學的發展對於提高觀測設備能力的要求是無止境的。實際的制約只是來自技術上的可能性和經濟上的可行性。與此同時，來自天文學本身的挑戰則會經常激勵技術和方法上的革新及專用性小型設備的創造。總起來說，在大方向上按現在的發展趨勢，十年內空間天文各個波段的設備可望再得到一代更新;地面設備將加速向巨型化發展，除了1平方千米射電望遠鏡計畫外，30米級的光學、紅外望遠鏡和干涉儀當能初步實現，10米級光譜巡天設備也應當能夠進入議程。
三五個十年之後當可能在月球上建立起第一個天文觀測基地。天文學與物理學的關係及“牛頓型研究” 在“牛頓型研究”的層次上，天文學可看成是以物理學為基礎的自然科學。物理學的基礎研究，涉及物質的基本結構和相互作用的基本規律，屬物質世界認識的最深層，因而也是最基礎的理論。天文學在“牛頓型研究”中，正是利用物理學的基礎理論對實測現象作出解釋，或用前面的說法：構建“理論模型”。“第谷–克卜勒–牛頓三部曲”中，力學定律和萬有引力定律的奠定，建立了天體力學。它在歷史上首次從物理學（當時為力學）的成就中獲得理論工具。
在這以後，天文學不斷地吸收同時代物理學的成就：實測上建立了包括以天文光度學和光譜學為主的技術和方法；信息上相應地包括了天體的各種物理內容（溫度、密度、電場、磁場、視向速度、化學組成等）；理論上不斷隨著物理學的發展充實自己的“理論工具庫”，順理成章地發展了理論天體物理學。到20世紀，天體物理學的套用遍及各類天體的結構和演化，成為天文學研究常規的手段。牛頓當時在奠定力學定律和萬有引力定律的過程中，既將天文學實測套用於物理學理論的探討，又使物理學理論套用於天文實測的解釋。當時，牛頓繼承了伽利略力學實驗的結果，但伽利略實驗的精度受到了條件的嚴重限制。而與此對照，天文學上行星的軌道運動作為一種“力學實驗”，既不受摩擦阻力的影響，周期又很長，能有效解決計時技術的不足，正是一種理想的狀態。牛頓力學研究的突破，很大程度上得力於這一“天文實驗”的利用。
這種天文實測的套用，300多年裡還出現過幾次，其中的兩次分別發生在20世紀上半葉的核物理領域和當今的粒子物理領域，它們都是在前沿研究中依靠了只有天文世界中才能找到的那種極端環境和條件。這兩次事件將在後面討論。一般，天文觀測套用於物理學研究的實例亦間有所見，如日全食時測量太陽邊緣上的星光位移以檢驗廣義相對論推論中光線彎曲以及測量脈衝雙星的周期變化以驗證引力輻射等。可以想像，一切天文現象都有它的物理起因，天文世界中隨時隨處都在“表演”各種“物理實驗”，其中在現有條件下可供利用的“物理實驗”應當很多，而且隨著天文觀測能力的發展還將不斷增多。但是，要能夠從中發現所需要的“實驗”並加以利用，則只能依靠科學工作者的匠心和努力。天文學“模型”的幾個先驗條件
建構天文學“模型”普遍認同的幾條先驗原則如下述，但不涉及哲學討論。
①認定宇宙間物質及所遵循的規律的統一性。這種統一性決定了可把發生在“天”上和發生在“地”上的自然現象視為一個整體互相印證；決定了可用自然科學規律來解釋極其遙遠的天文現象;決定了可用所掌握的天文知識來探索物理學和其他自然科學的基本規律。任何原則都要接受實測的考驗。但當實測與已有的認識矛盾時，首先要檢查、修正或改建“模型”，應把矛盾視為促使科學進步的挑戰，統一性原則不要輕易放棄。
②認定地球、太陽系、銀河系在宇宙中不具有特殊優越的地位。這是“地心論”被拋棄後形成的觀念，可將它推論到任何天區，即宇宙中的一切事物都不占有特殊的地位。這種觀念符合宇宙學原理。進一步還可認為任何一類天文現象，不論在宇宙間什麼場合，只要環境條件相似，演化時期相近，都會遵循相似的產生和發展的途徑。人們可通過這種信念大規模測量和比較各類天體（恆星、星系）不同時期的樣本，驗證長以百萬年乃至百億年計的演化歷程。近數十年來探索“地外文明”之舉，同樣也是基於這種“信念”。
③認定宇宙間物質的存在、組合和演變的無限性。這種認定的內涵是，任何時候在已被認識的天文現象之外，仍存在著需要人們去發現或深入了解的現象和規律（至少在可預見到的將來是如此）。這決定了天文觀測手段的發展已成為天文學進步的原始推動，它往往超前於學科的發展。
天文學的發展規律
天文學的發展規律蘊涵在天文學的歷史裡。自牛頓時期以來，現代天文學經過300多年的發展，學科的面貌發生了巨大的變化，包括又經歷了兩次歷史性的突破。這樣的歷史經驗，應當足以從中探究學科發展過程中的內外影響和主導取向，也就是學科的發展規律。
目標與手段
如前述天文學，以認識自然為目的。認識自然由淺入深，分為三個層次：獲取觀測信息（第谷型研究），創造經驗模型（克卜勒型研究），創造理論模型（牛頓型研究）。而不論哪個層次人們探索的都是自然界中真實的存在，因而他們需要隨時掌握學科發展的趨勢，選擇恰當的研究方法。研究方法首先體現為研究手段的設計。手段藉助於適當的“工具”來實現。“工具”指的是具體的工具的製造和運用的知識。它是廣義的，代表“觀測工具”和“理性工具”。作為一種知識，在相互借鑑的範疇內可推廣和繼承，因此可構想存在著一種把全部同類知識匯總起來的“全社會技術工具儲備”、“全社會數學工具儲備”和“全社會理性工具儲備”。天文學家根據自己的研究進行設計，從“工具儲備”中選取自己所需要的各項“工具”，用以組構成有針對性的手段，也就是創造出套用於具體研究的“工具”。圖2中的左邊標出了天文學研究涉及的“技術工具儲備、“數學工具儲備”和“理性工具儲備”。天文學家取出“工具”以創造新的“工具”，結果是完成了一項“工具創新”。這種新創的“工具”雖然是為特定的研究內容創造的，但由於工具適於廣泛的相似的套用，“新工具”作為一種知識的創新，會自動地進入相應的“全社會知識儲備”。這是一種“良性循環”，圖中左方用箭矢表出。三個認識層次與“大循環”階梯 圖2的中央部分表示按“第谷–克卜勒–牛頓三部曲”序次劃分的三個層次的科研目標和過程。具體的科學研究，圖里標為“源課題”，出自“當代天文學研究前沿”（圖2中右上角，代表對“當代天文世界整體的理性認識的前沿”）。“源課題”按性質可分為兩類：“實測主導”和“理論主導”。前者的根據是天文學對於更多、更深、更廣、更精的觀測要求，後者則主要基於“理論模型”所發動或所接受的實測的挑戰。“源課題”啟動的研究首先進入“第谷型研究”層次，獲得基本資料。然後依序晉入“克卜勒型研究”和“牛頓型研究”層次，分別提煉出經驗規律和作出理論解釋，最後得到的結果再“反饋”到“當代天文學研究前沿”，成為整體理性認識的新增部分。這個過程在圖2中表現為“大循環”，而且是一種“螺旋上升”的循環——終點回到起點的位置時升高了一級認識階梯。圖2中有兩類循環：一類為聯繫到了幾個方面的“社會儲備”，代表了研究進展的外部因素。
另一類，代表研究進展的內部程式。這些描述適用於天文學各個領域的大小課題，在很大程度上反映了學科的發展規律。三次歷史性突破 天文學研究上第一次歷史性突破是“第谷–克卜勒–牛頓三部曲”導致的天體力學的創立。這可以說是現代天文學的開始。它兩大特徵用圖2上（“大循環”）的語言表述：天文學前沿研究與物理學前沿研究在建立“理論模型”層次（“牛頓型研究”）上相互融合;“理論模型”的建立得到天文實測（“第谷型研究”）的驗證，特別是得到經提煉了天文實測結果的“經驗模型”（“克卜勒型研究”）的驗證。現代天文學研究的第二次重大突破發生在20世紀上葉，當時物理學上原子核物理研究的前沿與天文學上恆星內部結構和演化的研究前沿在理論研究層次上的融合，而由當時的觀測資料中提煉出來的表達恆星光度和表面溫度關係的“經驗模型”——赫羅圖，則提供了天文實測的驗證。這次突破發生在對恆星世界的認識上，成功地把星空中互不關聯的恆星的生命史及周期表上所有的化學元素的合成，一同納入一個演化理論模型里。
這個模型的“強挑戰”之一是對中子星的預言，並由60年代脈衝星的發現得到了驗證。這極大地加強了這一模型的權威性，並啟動了對天文學和物理學均屬意義重大的黑洞的搜尋和理論探討。現代天文學研究的第三次重大突破發生在對宇宙整體的認識上，現正進入高潮。這個過程肇始於20世紀上半葉，即哈勃定律發現時期，使廣義相對論得以與膨脹宇宙模型相結合，導致了大爆炸宇宙學模型的誕生。60年代宇宙微波背景輻射的發現，使這一理論模型獲得了廣泛的認同。隨後經歷幾次“強挑戰”，形成了今天的粒子物理的研究和宇宙極早期研究的融合，進展中所需要的實測驗證牽動著對當前所有重大天文設備的關注，針對性的幾項設施，包括用以探測宇宙背景微小起伏的衛星和大規模測量宇宙更深處的星系、類星體紅移的光譜巡天設施，均在持續發展中。“大設備戰略”與“小設備戰略” 天文學對於更深、更廣、更精觀測需求，使得歷代天文學家都以實現更大、更精的觀測設備為“永遠迫切的課題”。
為此，人們在完成一代重大設備創製的同時，就著手準備創製下一代的同類設備。這種“大設備戰略”，從幾個十年里地面和空間各種波段的天文望遠鏡的發展中就可以得到充分的說明。超過以往功能的大設備可引發天文學不同領域的拓展，是科研攻堅中的主力，但它有很大的局限性，如投資大，製造周期長，對專項研究適應性不強等。與此對照，“小設備”造價低，製造時間短，利於針對性研究做成專用裝置。重要的是，當遇有創新的概念需要摸索時，只有小設備才能夠適應反覆的試驗。因此“大設備”、“小設備”均應屬學科發展戰略。如哈勃空間望遠鏡，啟動後在行星、恆星、星系、宇宙學等領域的所有前沿的研究上均發揮了巨大作用，堪稱當代通用性“大設備”的代表。“小設備”方面如不久前投入工作的探測宇宙背景微小“各向異性”的專用衛星——WMAP。
它在天文衛星群中是小衛星，但受“理論主導”其探測直指當前宇宙學的“要害”目標，而且製造周期短，收效快。脈衝星和宇宙微波背景輻射的發現（兩者都獲得了諾貝爾物理學獎）均應歸功於投入甚小的“專用性小設備”。而20世紀天文觀測手段上的重大創新——30年代的施密特望遠鏡和60年代的“綜合孔徑”射電望遠鏡的早期實驗也都是由小型設施完成的。與技術科學的關係 技術科學旨在利用自然、改造自然，致力於技術的創新與材料的創造。技術科學創造技術，技術創造物質文明。人類文明，從遠古的石器時代到今天的資訊時代，就都是以技術為標誌，以技術的進步來劃分的。但利用自然、改造自然的前提是認識自然，所以技術科學的發展是與自然科學息息相關的。其含義應當是以下兩條：一是現代技術科學的形成溯源於自然科學對自然事物的認識；二是自然科學獲得新的認識（新的自然品物，新的經驗規律，新的理論結果），都存在著遲早被套用於某種技術研究的可能。在技術科學研究中，自然科學起了“理性工具”的作用，但並不是主體。主體是技術科學中所要研究的目標。這一推理有助於理解所說的“實用天文學”的實質。時間計量學是一門歷史悠久的技術科學，從一開始就是套用天文學的成果。首先是太陽相對於地面固定目標的運行周期被利用為計量時間長度的標準，即給出了“日”的定義，並發展成為時間服務的技術。後來，隨著天文學的進步，認識到這種周期運動是地球自轉的反映。
力學問世之後，對於地球巨大的慣性維持著自轉周期的穩定有了正確的理解，從而能夠從理論上探討各種導致地球自轉微小偏差的起因，並加以改正。這種進步使時間計量標準的精度不斷提高。這種情況從古代一直延續到20世紀上葉。但應當看到，這部分天文研究，即地球自轉研究（屬於地球動力學，但歷史上一直屬於天文學），只是天文學主流中的一個支流，匯入了時間計量科學的河道。對於天文學來說，這種學科交叉當然反過來也有利於地球動力學的發展。20世紀中葉原子頻標的啟用，結束了地球自轉作為計時標準的歷史。這門古老的實用天文研究至此告一終結。這是正常的，也是一種規律：學科交叉服從於研究的主題，利則合，無利則止。
在這之後，時間計量學按照自己的發展軌道繼續前進;而地球自轉的研究，作為地球動力學的一個部分，則套用更精確、更穩定的時間計量工具繼續發展。普遍地說，天文學發展過程中，每當一門技術科學的研究被套用時就會產生“實用天文”課題，有的甚至形成一門“實用天文學”。時間計量就是這種“實用”的例子。
