程茂蘭(物理學家)

程茂蘭，天體物理學家，中國近代實測天體物理學奠基人。畢生從事實測天體物理研究，發現和證認了不少新譜線及它們的變化規律。在恆星的照相紅外分光光度研究獵父座氣體星雲的光譜研究和夜天光譜研究中取得重要成果。發展了用照相分光光度法確定大氣中臭氧層厚度的方法。主持北京天文台光學觀測基地的選址和興隆觀測站的建設，促成了2.16m望遠鏡的研製工作。提出並促成北京大學天體物理專業的設定、支持北京師範大學天文系的設定，為北京天文台和全國天文學界培養了一批優秀的骨幹人才。

基本介紹

• 中文名：程茂蘭
• 國籍：中國
• 出生地：河北省博野縣
• 出生日期：1905年9月18日
• 逝世日期：1978年12月31日
• 畢業院校：河北北安河留法預備學校

個人簡歷

1905年9月18日 出生於河北省博野縣。

1924年 畢業於河北省立保定第六中學。

1925年秋 畢業於河北北安河留法預備學校。

1926年 在查爾中學補習班學習，半工半讀。1927～1929年 在拉爾斯綜合工科學校學習，半工半讀。

1929～1932年 獲中法大學資助進入雷蒙大學數理系學習。

1932年 獲得學士學位後，在法國國立科學研究中心獎學金資助下進入里昂大學數理系攻讀碩士學位。

1934年 獲得碩士學位後跟隨迪費（Jean Dufay）攻讀天體物理學。

1939年 獲得法國國家數學科學博士學位。

1939～1957年 在法國里昂和上普羅旺斯天文台工作，任副研究員、研究員和研究生導師等職務。

1957年7月 回國任北京天文台籌備處主任，一級研究員。

1965年 兼任北京天文台恆星物理研究室主任。

1977年 任北京天文台台長。

1978年12月31日 病逝於北京。

生平簡介

程茂蘭(字畹九)是天體物理學家。父程三連務農間作木工。母宋氏操持家務。1924年畢業於河北省保定第六中學。1925年秋畢業於北京北安河留法預備班，旋即赴法勤工儉學。1932年獲雷蒙大學學士學位。1934年獲里昂大學數理碩士學位。1939 年獲法國國家博士學位。1942年任里昂和上普羅旺斯天文台副研究員（Chargeur de Recherche）。1945年任研究員（Maitre de Recherche）。1949年10月成為法國國家研究中心的研究導師（Grade Premier de Maitre de Recherche）。1956年獲法國教育部騎士勳章。1957年7月繞道瑞士回國。1958年2月被任命為北京天文台籌備處主任，後改任北京天文台第一任台長。1962年任中國科學院數理學部天文委員會副主任委員。1962年8月至1978年任中國天文學會第二和第三屆理事會副理事長。第二和第三屆全國人民代表大會代表。程茂蘭在“文化大革命”期間被強加上“反動學術權威”和“裡通外國”兩頂帽子，受到了不公正的折磨。但他並未灰心失望，不僅默默地適應著身邊發生的一切，還盡力幫助同樣受到衝擊的年輕人渡過難關。在“文化大革命”後期，重新擔起了領導北京天文台的重任，參加制定各種規劃和接待法國與美國的天文學訪問團。這些活動恢復了中斷多年的中外合作交流，並對恢復我國在國際天文學聯合會中的合法席位起到了積極的促進作用。1978年10月，程茂蘭因舊病復發而住院治療。在病中他最關心的是2.16m望遠鏡的研製工作。遺憾的是他在當年的12月31日與世長辭，沒有能夠看到望遠鏡的落成。程茂蘭畢生從事實測天體物理研究，主要從事天體的光譜分析研究，發表論文百餘篇，其中重要學術論文68篇。對Be星γCas和共生星T CrB，Z And，AX per，AG peg，BF Cyg，CI Cyg，R Aqr和RY Sct等進行了長期的監測研究。發現和證認了不少的新譜線及它們的變化規律，並據之提出過許多成功而合理的解釋。較早地進行了恆星的照相紅外分光光度研究，並首次給出了各光譜型恆星的帕邢躍變值以及帕邢躍變與巴爾末躍變的相關關係。對獵父座氣體星雲進行過光譜研究，在370到670納米間首次找到62條發射線。還對夜天光譜進行過成功的研究，發展了用照相分光光度法確定大氣中臭氧層厚度的方法。回國後主持了北京天文台光學觀測基地的選址和興隆觀測站的建設，促成了2.16m望遠鏡的研製工作。

主要論著

1 Tcheng Mao-Lin.Le Spectre de gamma Gassiopeiae, publ. Del' Observatoire de Lyon,1941(2):1～74

2 Tcheng Mao-Lin.Etude Spectrophotometrique des minima d' Algol,Annales d' Astrophysique, 1941(4):97～117

3 程茂蘭.特殊變星的光譜研究.天文學報，1955，3（1）：59～67

4 程茂蘭，瑪麗·布洛什.1952年和1955年天鵝BF共生星的光譜.天文學報，1956，4（2）：273～285

5 程茂蘭，瑪麗·布洛什.盾牌座FR星的光譜觀測.天文學報，1958，6(1):43～48

6 Tcheng Mao-Lin. Mesures de la Quantite d' Ozone Contenue dansl' Atmosphere par Spectrophotometre photographique du Ciel Bleu auzenith, Annales de Geophysique, 1951(7):45～58

7 M.Bloch et Tcheng Mao-Lin. Observations Recentes de Quelques Etoiles Symbiotiques. Memoires Soc. R. Sc. liege, quatrieme serie,1957, 20(1):458～473

8 Tcheng Mao-Lin et M. Bloch. Etude Spectrophotometrique de AX persei. Annales d' Astrophysique, 1957, 20(2):86～101

9 Tcheng Mao-Lin et Jean Dufay. Les raies interdites du fer doublementet simplement ionize dans le spectr e de la nebuleuse d' Orion. Comptesrendus des Seances de 1' Academie des Sciences, 1945(220):583～585

10 M. Bloch et Tcheng Mao-Lin. Mesures de Spectrophotometries Stellairedans le Rouge et le proche Infrarouge. Publ. de 1' Observatoire de Lyon,1953,3(24):75～80

主要貢獻

程茂蘭回國後沒有發表過專業學術論文。他把全部精力放在了建設北京天文台和發展中國的實測天體物理學研究上。

北京天文台建設

北京天文台的觀測基地的勘選

程茂蘭是第一個把近代國際天文選址概念和方法引進中國的天文學家。他把帶回國的一些法文和英文選址文獻交給李啟斌和李競等年輕人，並帶領他們在北京周圍按照國際標準進行選址工作。在北京地區建設天文台的規劃始於1956年制定的“1956～1967年十二年科學技術發展規劃”。當時國內的天文學家把台址想像在香山附近。程茂蘭回國後提出香山離開北京市中心太近，更要命的是離開石景山鋼鐵廠的距離太近，將招受嚴重的光塵污染。他建議必須在北京市中心向外劃出若干同心圓：50km、70km、100km。按照國際標準，天文台最好建在離開百萬人口大城市中心100km之外的高山上。考慮到北京的燈火不如西方發達的大城市，為了節省投資，可以把這個標準適當降低到50～70km之外。但是絕對不應小於50km。而台址的高度應當在海拔2000m以上，至少也應當在1000m左右。經過1957～1958年10月之間的踏勘，選定了海拔1300多米的離開北京市中心大約80km的門頭溝區齋堂公社的杜家莊南坨和海拔1600多米的黃草梁仙人洞作為台址候選地。在候選地上要進行全面的氣象觀測和天文大氣寧靜度的觀測。限於交通不便和缺電等實際情況，只能使用落後的不夠客觀的衍射環評分法和目視雙星視解析度法。經過大約一年的對比觀測，綜合分析交通和投資等因素，選定了海拔較低、交通較為方便的杜家莊作為北京天文台光學實測基地的台址。可是有關方面不同意把必須國際公開的天文台建在具有軍事設施的北京西郊山區。於是他又帶領年輕人轉向西南方向的河北省保定地區和東北方向的河北省承德地區尋找台址。直到1964年10月，最後選定河北省興隆縣的連營寨，建設了北京天文台的光學觀測基地。目前它仍然是中國最主要的光學實測天體物理觀測基地。

2.16m望遠鏡的建設

要發展實測天體物理，就必須有聚光本領足夠強大的光學望遠鏡。程茂蘭回國後就建議向英國的一家工廠訂購口徑1.8m左右的光學望遠鏡。可是談判不夠成功。在1958年的“大躍進”氣氛下，南京紫金山天文台的初毓華等提出自力更生研製2m級的光學望遠鏡。1959年3月，全部設計圖紙已由當時的南京工業學院（現東南大學）農機系的師生們完成。於是在南京雞鳴寺中國科學院江蘇分院內由中國科學院領導主持召開了一次會議。程茂蘭和肖光甲為領隊的小組（洪斯溢、李競、蔣世仰、韓念國和李煥榮等）參加了該會。會上決定把圖紙送長春和昆明的有關光學和精密機械研究和製造單位進行審查。同時借龔祖同去前蘇聯訪問的機會，帶一套圖紙去前蘇聯徵求意見。由於設計過分粗糙，審查的結論是不能用。同年7月科學院領導又在長春召開了一次會議，決定成立216聯合工作組，設在南京，由紫金山天文台領導，長春的機械研究所和光機所各抽調若干工程技術人員作為骨幹力量，再向各有關大學要一些有關專業的畢業生。為了積累經驗，採納王大珩的意見，先研製一台口徑60cm的望遠鏡，作為中間試驗。程茂蘭積極支持自力更生的做法。並在人民代表大會上提議建設研製大口徑玻璃鏡坯基地。他親自考察了北京九龍山玻璃廠和成都玻璃廠，後來又積極支持在上海新滬玻璃廠研製大口徑微晶玻璃鏡坯。1968年60cm望遠鏡建成後，“文化大革命”形勢下的極左思潮延誤了2.16m望遠鏡的研製。直到1972年底才又重新提上日程。在任何情況下，程茂蘭都盡力給予支持。可惜他的身體日見衰弱，1978年就過早地離開了為之奮鬥了多年的天文學事業，沒有能夠看到2.16m望遠鏡的落成和投入使用。

人才培養

程茂蘭十分重視人才培養。除了積極向南京大學天文系爭取畢業生外，又在北京支持北京師範大學設立天文系。同時尋求在北京大學地球物理系設立天體物理專業，還設法在北京天文台籌備處以中國科技大學二部的名義開辦天體物理訓練班，招收武漢測繪學院三年級肄業生32名和北台在職學生李煥榮、郭子和、韓念國、杜柏田、蘭松竹、徐登里、馮淑玲和張桂燕8人，學期二年。李競、黃磷等參與授課。畢業後有張煥志、王順德、高為是、孫益禮、郭子和及杜柏田等分配在天體物理組，並且把數學成績優異的韓念國介紹給熊慶來，後又讓他轉到北京大學數學系讀研究生。這些措施對於中國天文學的發展是非常必要的。大約在1935年，程茂蘭開始涉及天文研究。在獲得博士學位後，開始正式從事天文研究。到1957年回國，總共進行了20 年的實際觀測研究，其中還有將近4年的第二次世界大戰，發表了68篇重要的學術論文，平均每年3.5篇。在那個年代，對於使用資料處理相對麻煩而困難的天體光譜觀測研究者來說，已經是相當勤奮而高產的了。由於當時法國的天文儀器也並不十分先進，他能夠使用的最大望遠鏡是口徑1.2m的，比美國天文學家能夠使用的2.5m望遠鏡小了許多，因此他能夠做出這種成績實不容易。正因為這樣，他在當時是一個少有的經驗豐富的光譜研究工作者。

技術成就

程茂蘭從事的天文研究工作中最重要的方面是對恆星的光譜進行細緻的研究。由於恆星非常遙遠而暗弱，而光譜研究又必須將望遠鏡聚集的能量沿波長展開，所以光譜研究在20世紀50年代之前，局限於照相底片的低靈敏度，只能研究不多的亮恆星。程茂蘭把自己的研究對象集中於一些特殊變星。根據研究階段和內容的不同，可以分成以下三組。

早期的分光研究

程茂蘭最有代表性的論文是他在1941年發表在法國巴黎出版的“Revue D’Optique Theorique et Instrumentale（光學理論和儀器述評）”第152期上的他向里昂大學自然科學學院（La Faculte des Sciences de L’Universite de Lyon）提交的博士論文。為的是獲得法國國家數學科學博士學位（POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCESMATHEMATIQUES）。該論文分兩部分，第一部分是關於γCas星的光譜研究，第二部分是關於大陵五（βPer）星的分光光度測量和“契訶夫·諾爾德曼效應”的研究。該論文是1939年通過答辯的。其中的照相光譜觀測資料是在1936～1939年之間取得的。使用的光譜儀器十分簡單，但在當時已很不容易了。仙后座γ是北天的一個2等B型發射線恆星。1866年，塞齊（Secchi）就觀測到了它的發射線。1916年有人開始對它進行了系統的觀測，迄今它仍然是很多研究者感興趣的對象。通常它是一顆3等星，可是在最亮時可以達到1.5等。程茂蘭自1937年10月15日至1939年8月16日，對γCas星共使用了四台光譜儀，工作波段界於375～587.8nm間，最高色散在Hβ處為7.82nm/mm。在上述波段內共測量了348條發射線的波長，新發現3條氦線、13條FeⅡ線、4條TiⅢ線、6條SⅡ線、4條Cr Ⅱ線、1條CⅡ線和1條NⅡ線。同時發現可能存在SrⅡ、Ba Ⅱ、YⅡ、AⅡ、[FeⅡ]和[FeⅢ]的發射線。此外他還對該星自1932年以來的光譜變化進行了研究，指出該星的電離勢能在1937～1938年間達到30.5電子伏特的最高值。他還對一些光譜片進行了分光光度測量，這種測量在當時是不多見的。在測量中還進行了大氣的分光吸收改正。最後還與Huffer，C.M.的光變曲線進行了比較，得出當恆星的總光度變亮時，色溫度降低，因此發射線強度變弱。而恆星的總光度變暗時，色溫度增加，因此發射線強度增加。在1938年2月至3月間，光度到達一個極小值，發射線強度到達一個極大值。這一發現既支持了O.斯特魯維（O.Struve）提出、經麥克勞林（D.B. Mc Laughlin）和鮑德溫（R.B.Baldwin）等改進了的脈動模型，又表明該模型尚存在必須進一步完善的地方。因此，有助於對這類變星物理特性的深入研究。

在1940年8月至10月間，程茂蘭又對仙后座γ進行了分光研究。在389和531.7nm間認證出342條吸收線，並認證出：

H I，HeⅡ，HeⅡ，OⅡ，FeⅢ，CⅡ，NⅡ，FeⅡ，Mg Ⅱ，CaⅡ，等原子和離子。

還看到了下列原子和離子的跡象：

TiⅡ，AlⅡ，OⅢ，TiⅢ，MnI，NiⅡ，AⅡ。因此，這個恆星在1937～1938年間有大量的發射線，而在1940年卻只是H。、Hβ和HeⅠ587.6nm等少數譜線是發射線。大陵五是周期2.867天、光度變化幅度約為1.2等的北天亮食變星。它由平時的2.1等變暗到3.4等只需要4.9h，因此很早就有人發現它很奇怪，且早在1669年就被蒙塔納里（Montanari）發現為變光星。1784年古德里克（Goodricke）認為它可能是交食雙星。後來它作為完全不相接密近食雙星的典型代表而為人們所熟知。程茂蘭研究它的目的是為了驗證光波在空間傳播時是否會發生色散現象。這個問題是牛頓第一次提出的（1691）。1908年季霍夫（C.A.Tikhov）和諾德曼（Ch.Nordmann）同時宣稱，許多食變星的光度極小時刻隨波長變短而推遲，從而引起爭論。1935年，程茂蘭用照相分光光度測量法來確定該星不同波長上光度最暗（極小）的發生時刻。如果實測得到的發生時刻在測量誤差範圍內對不同波長而言是相同的，則表明空間對光波無色散，反之則有。程茂蘭獲得了十分可信的結果，表明不存在“契訶夫·諾爾德曼效應”，從而結束了這一與愛因斯坦相對論的光速不變原理有關係的論戰，證明愛因斯坦是正確的。

對共生星的光譜研究

共生星（Symbiotic）是光譜中同時出現低溫分子吸收線和高溫電漿發射線的恆星。一般認為它們是由一個熱矮星子星和一個冷巨星子星組成的“光譜雙星”。但是，這類雙星的軌道周期很長，軌道速度很小。在那個較早的年代，局限於能夠使用的光譜儀的色散較低，無法獲得精確的視線速度，因此，很難證明它們就是雙星。也有人提出這類恆星是具有高溫包層的紅巨星。程茂蘭和他的合作者對北冕座T、仙女座Z、飛馬座AG、英仙座AX、天鵝座BF和盾牌座FB等著名共生星進行了長達11年的光譜觀測研究。在仙女座Z星光譜中發現了發射線561.9nm，並認證為六次電離鈣的3P2→1P2躍遷引起的。在天鵝座BF的光譜中發現[FeⅢ]和[OⅢ]的禁線有定期消失的現象，並認為該星的星周包層相應的定期消散。還發現光譜變化與色溫度和電子溫度及總光度的變化相關。的確這些恆星具有複雜的包層，同時也是“光譜雙星”。

恆星的帕邢躍變

程茂蘭和瑪麗布洛什（M.Bloch）利用紅外照相底片對各類光譜型恆星進行了分光光度研究。主要測定了恆星的帕邢躍變和650～820nm的相對梯度。第一次在天文界給出了不同光譜型恆星的帕邢躍變值和帕邢躍變與巴爾末躍變間的關係。D帕邢=0.32D巴爾末。