时间：2022-04-21 15:02:46
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇天文学论文，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
闻名于世的“诺贝尔奖”，每年一次授予在物理学、化学、生理学或医学，以及一些人文领域做出卓越贡献的人，至今已有100多年的历史。然而，诺贝尔并没有设立专门的天文学奖项，这导致了20世纪前70年天文学的成就与诺贝尔奖无缘。由于天体物理学的发展，特别是天文观测所发现的许多物理特性和物理过程是地面上的物理学实验所无法实现的，宇宙及各种天体已成为物理学的超级实验室。天体物理学的一些突出成果有力地推进了物理学的发展，这样，天文学成就获得“诺贝尔物理学奖”就成为很自然的事了。
诺贝尔奖与天文学的尴尬
诺贝尔奖是以瑞典著名化学家阿尔弗雷德·贝恩哈德·诺贝尔（Alfred Bemhard Nobel，1833年10月21日～1896年12月10日）的部分遗产作为基金创立的。诺贝尔奖包括金质奖章、证书和奖金支票。诺贝尔在他的遗嘱中提出，将部分遗产（920万美元）作为基金，以其利息分设物理、化学、生理或医学、文学及和平5种奖金，授予世界各国在这些领域内对人类做出重大贡献的学者。1968年，瑞典中央银行于建行300周年之际，提供资金增设诺贝尔经济学奖，并于1969年开始与其它5种奖同时颁发。诺贝尔奖还有一个规定，即只有先前的诺贝尔奖获得者、诺贝尔奖评委会委员、特别指定的大学教授、诺贝尔奖评委会特邀教授才有资格推荐获奖的候选人。
由于没有设立诺贝尔天文学奖，在很多年里，天文学家既没有推荐权，也不会被人推荐。在这个世界公认的科学界最高奖面前，天文学和天文学家的处境不免有些尴尬。
天文学与物理学相互促进
天文学是研究地球之外天体和宇宙整体的性质、结构、运动和演化的科学，物理学是研究物质世界基本规律的科学。研究各种物质形态都会形成相应的物理学分支，其中包括研究天体形态和特性的天体物理学。很显然，天文学与物理学的关系十分密切，相互关联，密不可分。天文学成就可以归入诺贝尔物理学奖的范围是在情理之中的，但是要使这个道理得到公认很不容易，花费了好几十年的时间。
20世纪初，物理学家根据物理学规律提出了许多天文学预言：如广义相对论预言星光在太阳引力场中的弯曲、水星近日点的运动规律和引力场中的光谱红移现象；预言中子星、微波背景辐射、星际分子和黑洞的存在等。这些预言在证实的过程中曾走过艰难的历程甚至弯路，这些伟大的预言推动着天文学家和物理学家们为之奋斗，并且发展了一个个新的分支学科。
天文观测为物理学基本理论提供了认识地球上实验室无法得到的物理现象和物理过程的条件。开普勒发现了行星运动三定律以后，牛顿为解释这些经验规律才导出万有引力定律，而在地球上的物理实验室中是总结不出万有引力定律的。此后，从对太阳及恒星内部结构和能量来源的研究中获得了热核聚变反应的概念；对星云谱线的分析提供了原子禁线理论的线索；从恒星演化理论发展出了元素形成理论。天文学观测的新发现也给物理学以巨大的刺激和桃战：中子星的发现推动了致密态物理学的发展，而类星体、星系核、Y射线暴等现象的能量来源迄今还很难从现有的物理学规律中找到答案。
随着物理学的发展，物理学家必然要把宇宙及各种天体作为物理学的实验室。物理学家涉足天文学领域的研究成为一种必然。而天文学家也会密切地注视着物理学的发展，以期用物理学原理来解释宇宙的过去、现在和将来。
一批历史性天文学成就无缘诺贝尔奖
在1901年开始颁发诺贝尔奖以后，天文学上有很多重大的发现，其科学价值可与获得诺贝尔物理学奖的一些项目媲美。1912年，美国女天文学家勒维特（Henrietta Swan Leavitt）发现造父变星的周光关系，从而得出一种估计天体距离的方法，这直接导致了河外星系的发现；1911年～1913年，丹麦天文学家赫茨普龙（Ejnar Hertzsprung）和美国天文学家罗素（Henry Norris Russell）各自独立地得到了恒星光度和光谱型的关系图，即赫罗图，赫罗图在恒星起源和演化的研究中起到了举足轻重的作用；1918年，美国天文学家沙普利（Harlow Shapley）发现银河系中心在人马座方向，纠正了太阳是银河系中心的错误看法；1924年，美国天文学家哈勃（Edwin P.Hubble）确认“仙女座大星云”是银河系之外的恒星系统，继而在1929年发现了著名的哈勃定律，证明宇宙在膨胀；1926年，英国天文学家爱丁顿（ArthurStanley Eddington）出版专著《恒星内部结构》，这本书成为恒星结构理论的经典著作。然而，这些成果无一例外地被诺贝尔物理学奖拒之门外。
就像1927年诺贝尔物理学奖得主威尔逊发明的云雾室成为研究微观粒子的重要仪器一样，望远镜的发展使我们能够观测到更遥远、更暗弱的天体及天体现象。但是没有一项光学望远镜的成就获奖。其中如美国天文学家海尔（Alan Hale）研制的口径1.53米、2.54米和5.08米三架大型反射望远镜，1930年施密特研制的折反射望远镜，以及20世纪90年代研制完成的10米口径凯克Ⅰ号和Ⅱ号望远镜等，它们都代表了天文学观测手段的历史性成就。获诺贝尔物理学奖的与天文相关的课题
随着物理学的发展，物理学家必然要把宇宙及各种天体作为物理学的实验室。在宇宙中所发生的物理过程比地球上所能发生的多得多，条件往往更为典型或极端。在地球上做不到的物理实验，在宇宙中可以观测到。物理学家涉足天文学领域的研究成为必然。
赫斯发现宇宙线191 1年～1912年，奥地利物理学家赫斯（Victor Francis Hess）用气球把“电离室”送到距离地面5000多米的高空进行大气导电和电离的实验，发现了来自地球之外的宇宙线。1936年，赫斯因此获得诺贝尔物理学奖。实际上，宇宙线的发现既是一项物理学实验，更是天文学观测成果。
贝特提出太阳的能源机制1938年美国物理学家贝特（Hans Bethe）研究核反应理论的过程中，提出太阳和恒星的能量来源于核心的氢核聚变所释放出的巨大能量。1967年，他因此项研究成果获得诺贝尔物理学奖。
汤斯开创分子谱线天文学美国物理学家汤斯（Charles Townes）利用氨分子受激发射的方式代替传统的电子线路放大，研制出了波长为1，25厘米的氨分子振荡器，简称为脉泽。他由地球上的“脉泽”联想到太空中的分子，预言星际分子的存在。并计算出羟基（-OH）、一氧化碳（CO）等17种星际分子谱线频率。1963年，年轻的博士后巴瑞特观测到了预言中的羟基分子谱线，成为轰动全球的20世纪60年代四大发现之一。汤斯由此成为分子谱线天文学的拓荒人和首创者。1964年，他因氨分子振荡器成功研制而获该年度的诺贝尔物理学奖，而这项研究的副产品开创了一门新兴的天文学科，其科学意义不逊于氨分子振荡器的研制成功。
物理学家涉足天文学的研究所取得的成果能够登上诺贝尔奖的大雅之堂，那么天文学家的研究成果，自然也应该被诺贝尔物理学奖容纳。
天文学理论首先与诺贝尔奖结缘
天文学家们密切注视着物理学的发展，并在天文学的研究过程中发展了物理学。瑞典天文学家阿尔文首先于1970年用他的“太阳磁流体力学”的出色成果叩开了诺贝尔物理学奖的大门，接着又有钱德拉塞卡的“恒星结构和演化”和福勒等几人合作的“恒星演化元素形成理论”的获奖。这三项诺贝尔物理学奖的理论性很强，但都是建立在深入细致的天文观测基础上的。光学望远镜的长期观测提供了极其宝贵的资料，所获得的统计规律给理论研究指明了方向，提供了解决问题的线索。这三个项目也体现了物理学理论和天文学最完美的结合。
首次获诺贝尔奖的天文学家在太阳上发生的一切物理过程都与磁场和等离子体有关。磁流体力学成为太阳物理最重要的理论基础。瑞典的阿尔文（Hannes Alfv6n）是磁流体力学的奠基人，他首先应用这个理论研究太阳，因此也称为太阳磁流体力学。由于这一理论也适用于宇宙中其它天体和星际介质，因而也就成为宇宙磁流体力学。阿尔文因为对宇宙磁流体动力学的建立和发展所做出的卓越贡献而荣获1970年度诺贝尔物理学奖，这是历史上第一次以天文学研究成果获诺贝尔物理学奖。
印度裔美国天文学家钱德拉塞卡奋斗终生的成就在钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）还是剑桥大学研究生的时候，就获得了“白矮星质量上限”这一研究成果。这一成果意味着超过白矮星质量极限的老年恒星的演化归宿可能是密度比白矮星更大的中子星或者黑洞，其意义不同寻常。但由于受到权威学者错误的压制，这一成果未能得到进一步深入研究。在这之后，他仍几十年如一日地研究恒星结构和演化理论。1983年，他在73岁高龄时以特别丰硕的成就获得该年度的诺贝尔物理学奖。
B2FH元素形成理论宇宙中存在的各种元素是怎样来的？这是个天文学家应该回答、却很难回答的问题。但是由天文学家霍伊尔（Fred Hoyle）、伯比奇（G.Geoffrey Burbidge）夫妇和核物理学家福勒（William Fowler）合作完成的研究课题却揭示了这个自然之谜。人们按论文作者姓氏字母顺序称之为B2FH元素形成理论。这篇论文解决了在恒星中产生各种天然元素的难题，被视为经典科学论文。这是天文学家和核物理学家合作研究天文学重大课题的典型例子。
1983年，上述论文的第三作者福勒获得了诺贝尔物理学奖，这个结果显得很不公平，备受质疑。福勒的贡献的确很大，但是另外三位天文学家的贡献也不是可有可无的，特别是霍伊尔作为这个研究课题的提出者和组织者，其前期的研究已经提出“恒星内部聚变产生元素”的创新思想，把他排除在诺奖之外很有些匪夷所思。
射电天文学成为诺贝尔奖的摇篮
射电天文学是20世纪30年展起来的天文学新分支，其特点是利用射电天文望远镜观测天体的无线电波段的辐射。和光学望远镜400多年的历史相比，它仅有几十年历史，但却很快就步入了鼎盛时期。20世纪60年代射电天文学的“四大发现”，即脉冲星、星际分子、微波背景辐射、类星体，成为20世纪中最耀眼的天文学成就。射电天文已成为重大天文发现的发祥地和诺贝尔物理学奖的摇篮。
赖尔的突破物理学中因发明新器件而获诺贝尔物理学奖的事例屡见不鲜。然而在20世纪前几十年当中，光学天文望远镜的发展很快，导致了不少重要的天文发现，但却没有一项得奖。1974年，英国剑桥大学的赖尔（Martin Ryle）教授因发明综合孔径射电望远镜而获得了诺贝尔物理学奖，这是天文学家终于实现因研制天文观测设备而获诺奖的突破。射电望远镜开辟了观测的新波段，但是刚刚发展起来的射电天文十分幼稚，最大的问题是空间分辨率很低，且不能给出射电源的图像。1952年，赖尔提出综合孔径望远镜理论，这是一种化整为零的射电望远镜，用两面或多面小天线进行多次观测就可以达到大天线所具有的分辨率和灵敏度。而且，还能得到所观测的天区的射电图像。1971年，剑桥大学建成的等效直径为5千米的综合孔径望远镜，其分辨率已和大型光学望远镜相当，获得了一大批射电源的图像资料。
休伊什和贝尔发现脉冲星脉冲星的发现证实了中子星的存在。中子星具有和太阳相当的质量，但半径只有约10千米。因此具有非常高的密度，是一种典型的致密星。中子星还具有超高压、超高温、超强磁场和超强辐射的物理特性，成为地球上不可能有的极端物理条件下的空间实验室。它不仅为天文学开辟了一个新的领域，而且对现代物理学发展也产生了重大影响，导致了致密物质物理学的诞生。英国剑桥大学的天文学教授休伊什（AntonyHewish）和他的研究生乔丝琳·贝尔（Jocelyn BellBurnell）女士一起发现了脉冲星。休伊什因发现脉冲星并证认其为中子星而荣获1974年的诺贝尔物理奖是当之无愧的，但贝尔博士未能和休伊什一起获得诺贝尔奖却是一件憾事，目前天文学家公认她是发现脉冲星的第一人。
彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射1963年初，彭齐亚斯（Arno Allan Penzias）和威尔逊（Robert Woodrow Wilson）把一台卫星通讯接收设备改造为射电望远镜进行射电天文学研究。在观测过程中意外发现了多余的3.5开温度的辐射。这种辐射被确认是宇宙大爆炸时的辐射残余，成为宇宙大爆炸理论的重要观测证据。由此，他们获得了1978年度的诺贝尔物理学奖。彭齐亚斯和威尔逊发现宇宙微波背景辐射，所获得的黑体谱并不精确，而且他们得到的微波背景辐射的空间分布是各向同性的，这与大爆炸宇宙学的理论有着明显的差别。
赫尔斯和泰勒发现射电脉冲双星继1974年休伊什教授因发现脉冲星而获得诺贝尔物理学奖之后，1993年美国普林斯顿大学的赫尔斯（RussellA.Hulse）和泰勒（Joseph H.Taylor）两位教授又因发现射电脉冲双星而共同获得该年度诺贝尔物理学奖，引起了全世界的轰动。他们发现的脉冲双星系统之所以重要，不仅因为是第一个，还因为它是轨道椭率很大的双中子星系统，成为验证引力辐射存在的空间实验室。他们经过近20年坚持不懈的努力，上千次的观测，终于以无可争辩的观测事实，间接证实了引力波的存在，开辟了引力波天文学的新领域。
新世纪天文观测再续辉煌
观测是天文学研究的主要方法。观测手段越多、越好，所能得到的信息就越丰富。进入21世纪仅仅10余年，已有4个天文项目获得了诺贝尔物理学奖，分别属于X射线、中微子、射电和光学观测研究领域。
贾科尼创立x射线天文学
1901年，伦琴（Wilhelm Conrad R6ntgen）因为发现X射线荣获诺贝尔物理学奖。时隔102年，X射线天文学的创始人里卡尔多·贾科尼（Rieeardo Giaeeoni）又获诺奖殊荣。由于地球大气对X射线和Y射线的强烈吸收，只能把探测器送到大气层外才能接收天体的X射线和Y射线辐射。20世纪30年代以后，特别是到了90年代，空间探测的发展使得X射线天文学得到了发展，实现了天文学观测研究的又一次飞跃。美国天文学家贾科尼由于对X射线天文学的突出贡献荣获2002年度诺贝尔物理学奖。
贾科尼对X射线天文学的贡献是全面的，瑞典皇家科学院发表的新闻公报把他的贡献归纳为“发明了一种可以放置在太空中的探测器，从而第一次探测到了太阳系以外的X射线源，第一次证实宇宙中存在着隐蔽的X射线背景辐射，发现了可能来自黑洞的X射线，他还主持建造了第一台X射线天文望远镜，为观察宇宙提供了新的手段，为x射线天文学奠定了基础”。贾科尼被称为“X射线天文学之父”当之无愧。
戴维斯和小柴昌俊发现太阳中微子中微子是组成自然界的最基本的粒子之一，中微子不带电，质量只有电子的百万分之一，几乎不与任何物质发生作用，因此极难探测。理论推测，在太阳核心发生的氢核聚变为氦的反应中，每形成一个氦原子核就会释放出2个中微子。太阳每秒钟消耗5，6亿吨氢，要释放1.4×1038个中微子。太阳究竟会不会发射如此多的中微子？只能由观测来回答。
美国物理学家戴维斯（Raymond Davis）是20世纪50年代唯一敢于探测太阳中微子的科学家。他领导研制的中微子氯探测器，放置在地下深1500米的一个废弃金矿里。在30年漫长的探测中，他们共发现了来自太阳的约2000个中微子，平均每个月才探测到几个中微子。而日本东京大学的小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）教授创造了另一种中微子探测器。探测器放在很深的矿井中，并于1983年开始探测，1996年扩建，探测到了来自太阳的中微子。1987年，在邻近星系大麦哲伦云中出现了一次超新星爆发（SNl987A），理论预测在超新星爆发过程中会产生数量惊人的中微子。令人兴奋不已的是，他们成功地探测到了12个中微子。戴维斯和小柴昌俊因为成功地探测到中微子而荣获2002年度的诺贝尔物理学奖。
天文学家已经在我们太阳的邻近区域中，发现了一个独特的“褐矮星”。这个罕见的天体距离地球仅12.7光年，围绕着一颗主星旋转。
这颗主星也是最近才在南天的孔雀座中被发现的，质量只有太阳的1/10。这是天文学家第一次在一颗如此低质量的恒星周围，发现一颗寒冷的褐矮星。
这颗褐矮星距离主星4.5天文单位，也就是说，它到主星的距离是地球到太阳距离的4.5倍。天文学家估计，这颗褐矮星的质量为木星的9倍-65倍。
褐矮星既不是行星，也不是恒星。它们的质量虽然是木星的几十倍，但却仍然太小，不足以像恒星那样引发自身的氢核聚变。
“最令人兴奋的是，我们发现的这个褐矮星围绕着距离太阳最近的25个恒星系统之一旋转，”这项研究的领导者克洛斯说，“这些邻近恒星中的大部分已经被人了解了好几十年，只是最近才又有一些新的天体在我们的邻近区域内被发现。”
“对于科学界来说，这还是一颗颇有价值的天体，因为它的距离是非常确定的。”欧洲南方天文台的马库斯·卡斯珀说，“这将使得天文学家能够精确测量这颗褐矮星的光度，并最终计算出它的轨道运动。这些性质对于理解褐矮星的本质来说，是至关重要的。”
克洛斯认为，这颗褐矮星的发现暗示，处于双星系统中的寒冷褐矮星可能会比自由地飘荡在太阳系邻域的单颗褐矮星更多。这里的“双星系统”指的是褐矮星围绕着一颗恒星或者另一颗褐矮星旋转。
在太阳周围20光年的范围内，天文学家现在已经在双星系统中找到了5颗寒冷的褐矮星，但单独、孤立的寒冷褐矮星只有2颗。克洛斯指出，他们预期可以在太阳系周围33光年内新发现的恒星系统中，找到更多的T型矮星伴星。
研究小组将这项发现公布在《天体物理杂志通讯》上，论文的题目是《一颗非常靠近太阳的褐矮星的发现：低质量恒星SCR 1845-6357的一颗富含甲烷的褐矮星伴星》。除了比勒、卡斯珀和克洛斯以外，小组的其他成员还包括德国马普研究所的沃尔夫冈·布兰德纳和夏威夷W.M.凯克天文台的史提芬·凯尔纳。
图为SCR 1845-6357恒星系统的艺术想象画。左侧的红色恒星就是这个系统的主星，新发现的褐矮星处于画面的右侧。
英文名称：Annals of Shanghai Observatory Academia Sinica
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主办单位：中国科学院上海天文台
出版周期：年刊
出版地址：上海市
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种：中文
开
本：16开
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创刊时间：1954
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这一突破性发现仰仗于干涉测量法：天文学家将来自大间距分布望远镜的光进行组合，以产生直径等同该间距的虚拟望远镜。这种技术可以分解标准望远镜无法辨别的小细节。
20世纪20年代，天文学家在威尔逊山首次采用干涉测量法观测恒星。使用一个6米的干涉仪（两个小镜子被间隔6米安装在胡克反射器上，有效地使其成为一个直径6米的望远镜），阿尔伯特・A.迈克尔逊和弗朗西斯・G.皮斯首次成功测量到了除太阳以外的数颗恒星的角距大小。不过，他们的干涉仪只能测量到最近的几颗恒星，建造更大型的O备在当时是不可能的。此后，该项研究沉寂了数十年。
1950年，天文学家杰拉尔德・E.克朗开始研究分析其他恒星表面的可能性，但最终得出结论，“它们过于遥远，现有的光学设备乃至日后所有的光学设备都无法分解观测”。（随后，他设法间接地推断出其他恒星上存在暗表面特征。）
如今，随着光学干涉测量的重新兴起，这项技术的进步远远超出了克朗当时的想象。威尔逊山拥有世界上最长的光干涉仪：高角度分辨率天文学中心（CHARA）阵列。CHARA阵列正在分解邻近恒星的表面，使大家以前所未有的角度窥见太阳的“邻居”们。
CHARA阵列是由六个组合成Y 形结构的1米望远镜组成，这些望远镜具有长度各异的基线，最长的为331米。它们可以组合成15个望远镜对，每对望远镜各司其职，共同组成331米的虚拟望远镜。约翰・D.莫尼耶及其领导的密歇根大学的团队研发了一种仪器――密歇根红外组合器（MIRC）。该仪器可以同时组合所有六个望远镜的光，以充分利用阵列。MIRC先前已被用于快速旋转星体的扁平表面、环绕恒星的气盘和新星爆炸的膨胀壳的成像。
现在，研究者将CHARA阵列和MIRC组合使用，便实现了当初克朗认为不可能的事情：直接成像遥远恒星布满斑点、活跃的表面。
然而，这项工作仍然是费力的。大多数恒星因为过小而无法利用当前最先进的技术来分解，创建分解的图像需要选择正确的目标。首先，目标恒星必须在天空中显得明亮和相对较大；其次，它们必须有恒星黑子（磁性活动的区域，与太阳上的黑子类似），才能具备观察所需的黑暗特征；最后，恒星必须足够快地旋转，以便可以通过完整的旋转观察它们，而不会演化出太多的斑点。
我很荣幸可以将此作为自己博士论文的一部分。我选择将二元体系的主要成员奎宿二――一颗在秋日天空用肉眼依稀可见的恒星――作为目标。奎宿二十分接近我们（181光年），其直径是太阳的16倍。它呈扁球状，与美式足球的形状类似――这是由其密切“伴侣”的重力引起。通过对宿主暗斑间接成像，它已被清晰地观测到。因此，对我的论文来说，这是一个完美的目标。我们的团队由14人组成，包括我的顾问（MIRC的创建者）莫尼耶。2013年9月，我们用了18个夜
晚，借助CHARA阵列对奎宿二的旋转做了观察。组合所有数据并将其在旋转表面上呈现出来花费了我们大量的时间和精力。
2016年5月，我们了胜利成果：奎宿二的最高分辨率图像。我们能够检测到它极点上的斑点，以及表面上看似没有图案形成的黑子。它的情况与太阳不同，在太阳表面上，只有特定的纬度才能形成黑子。存在这种差异的部分原因在于奎宿二是一颗更加古老、有不同内部结构的恒星。
理论模型表明，奎宿二的大部分核心以外的内部是对流的，较热的物质上升，较冷的物质下沉，如同炉子上沸腾的水壶一般。相比之下，太阳只有最外层有这样的运动。奎宿二18天的旋转周期也明显快于太阳27天的旋转周期。
进化模型表明，太阳在“年轻时”也有类似的厚厚的对流层，并且旋转周期也短。通过研究奎宿二的斑点表面，我们认为太阳早期的某些剧烈变化可能影响过45亿年前太阳系的形成，以及随后地球上生命的发展。
中科院上海天文台研究员、博士生导师，星系动力学团组首席，中国科学院“百人计划”入选者沈俊太就志在解开谜团，努力带给更多人对宇宙的神秘向往，吸引越来越多的星空探秘人不断探索未知领域。科研脚步绕地球一圈，回到祖国后的沈俊太，喜人成绩接踵而来，而他却总是说，需要继续努力才能不断前进。走近宇宙
自幼成长于普通农村家庭的沈俊太，尽管当时的教育条件非常落后，但他依然以优异的成绩考取了山西省重点中学临汾一中，并在那里逐渐对物理科学产生了浓厚的兴趣。高考那年，他以优异的成绩考入中国科学技术大学。在大学校园浓厚的科研氛围中，沈俊太不仅增长了知识，也开阔了自己的视野。
本科毕业后，沈俊太踏上了东行的航班，飞抵大西洋彼岸的美国。此后，他的学术之路便越走越远，而身后留下的是一串星光熠熠的印记。1999年，他在美国西北大学物理与天文系获得硕士学位；2005年，在美国罗格斯大学获得天体物理博士学位。值得一提的是，沈俊太的博士论文荣获2006年度罗格斯大学Richard J.Piano博士论文奖。同年，29岁的沈俊太作为Harlan Smith冠名博士后，开始了在德克萨斯大学奥斯汀分校的科研工作。无论是“博士论文奖”，还是“Harlan Smith冠名博士后”，都是这两所著名大学里中国留学生首次获得的荣誉。
遨游在神秘的宇宙，沈俊太主要从事星系结构及动力学研究。在银河系的动力学结构中，他在棒旋星系，超大质量黑洞的测量，星系翘曲等诸多领域都做出了重要贡献。首次用无碰撞多体模拟的方法产生出了接近现实的p棒星系，并首次发现了双棒转动速度的波动性，此模型可成功解释双棒星系的众多观测特征；通过对星系建立基于轨道迭加的自洽动力学模型，精确测量出了超大黑洞的质量和星系暗物质晕的质量分布。
4年后，沈俊太入选中科院“百人计划”，作为杰出海外人才回到了祖国的怀抱。落户中科院上海天文台的他，继续从事着星系动力学的前沿研究。
其实早在回国之初，沈俊太还在学习重新适应国内的新环境，甚至比在美国时还要加倍努力。“因为竞争激烈，在天文学领域，国内最近几年发展迅猛。”沈俊太解释道。他说，走得很快，是因为自己在一艘走得比其他船都要快的大船上。他所指的“大船”，无疑是正在飞速发展的中国。
经过自己的不懈努力，沈俊太陆续获得了国家自然科学基金等各项项目的资助，并作为科研骨干参与了自然科学基金委重点项目。他也参与了两项国家“973”重大科学研究计划，并取得了令人瞩目的良好成绩。他还为陆琰院士组织编写的《现代天体物理》一书撰写了“银河系结构与动力学”等章节。他发表的多篇第一作者或通讯作者论文已经被国际天文学权威教科书《星系动力学》《星系的形成与演化》及剑桥大学Gilmore教授主编、Springer科学出版社出版的最新国际天文百科全书“Planets，Stars and Stellar Systems”等著作多次引述。
这些科研成果也让沈俊太逐步跻身于天文学国际专家行列。
探秘银河动力学
多年来，银河系的演化一直是天文学研究的热点领域。银河系是一个巨大的旋涡星系，学界通常认为它由星系盘、中心核球以及暗物质晕组成。近年来，沈俊太团队对银河系的核球结构做出了崭新的全面认识，提出了银河系核球是个“伪核球”，并不包含一个显著的经典核球。
2010年，沈俊太基于高精度多体模拟研究了银河系核球的动力学结构，发现一个棒旋星系模型与核球的众多观测数据吻合得极好，这表明银河系核球其实就是侧面看到的棒；它主要是由原初的星系盘通过自身动力学不稳定性增厚而产生的“伪核球”。所谓“伪”，是相对于经典核球而言――经典的星系形成理论预言核球应该是在星系并合过后产生的。
目前的星系形成理论认为，像银河系这样大质量的棒旋星系的形成，必须经过若干次星系并合的过程，而星系并合不可避免地会在星系中心形成显著的经典核球。所以根据沈俊太的这项研究，现有的星系形成模型必须在星系尺度上有大的改进以解释众多类似银河系的大质量纯盘星系，这也是目前研究星系形成和演化的一个尚未解决的重要难题，而沈俊太领导的该研究无疑为解决此难题开辟了新的窗口和思路。
沈俊太团队的研究很快引起了国际天文学界诸多国外专家的高度关注，美国国家光学天文台的网站首页报道了沈俊太参与完成的银河系核球区恒星巡天工作及他主导的动力学模型工作。而沈俊太的这项研究并没有止步。在他的指导下，上海天文台博士后李兆聿在银河系结构研究中也取得了新的进展：在分析沈俊太给出的银河系高精度模型的基础上，他们发现银河系核球区存在一个奇特的垂向X型结构，并对其做出了令人信服的动力学解释。他们对银河系核球模型进行了更仔细的分析，发现模型中也存在一个显著的X型结构，其与银河系的观测数据符合得很好。这一重要发现使利用数值模拟来“观测”盒状核球的形成过程成为可能。
紧接着，星系动力学团组进一步探究了核球的X型结构。他们验证了带有X型结构的盒状核球确实有规可循――源于棒结构中的恒星运动.指出先前理论工作推测的“香蕉型”轨道家族可能并非X型结构的主要组成部分.并提出了可供未来的银河系巡天观测验证的理论预言。此外.他们还发现恒星视向速度与银经方向的自行也存在明显的相关性。
上海天文台星系动力学团组的核球系列论文在短短几年内已被国际同行引用两百余次，并且被众多权威综述论文以及剑桥大学主编的国际参考书收入并配发原图。与此同时，沈俊太的工作得到了国内外同行的极大关注，他多次受邀在知名国际会议上阐述自己的研究成果，例如国际天文学联合会会议的特邀综述报告，第五届东亚数值天体物理会议的一小时特邀讲座，纪念林家翘先生创立密度波理论五十周年的国际研讨会的邀请报告等，他也是国际专业会议“盘星系动力学”的两个共同主席之一，并担任国际天文联合学会会议“Galaxy evolution through secular processes”的科学委员会成员。鉴于沈俊太取得的这些突出学术成绩，他还应邀成为了美国自然科学基金委的会议评审专家，负责评审星系结构领域的申请书，并且在2016年获得英国皇家学会的牛顿高级学者基金资助。
揭秘双棒星系
沈俊太关于银河动力学的研究无疑是他近年来重要的学术成果，并让他蜚声国际。而在其他研究方向上，他也丝毫没有减慢脚步，同样取得了令人瞩目的成果。
“我们生活在银河系之中，曾经我们以为银河系是一个普通的旋涡星系，现在已知道它原来是一个棒旋星系。”沈俊太娓娓道来。其实，大部分旋涡星系都像银河系一样，因为星系盘自身的不稳定性而在星系中心形成由大量恒星聚集而成的“棒”状结构，这一类星系被称为“棒旋星系”。其中，还有一个子类的棒旋星系很特殊，它们包含两个棒，小棒嵌在大棒中.因其“二”而被称为双棒星系。
特殊不意味着它们很罕见，其实光学和红外的观测发现双棒星系相对比较常见――约四分之一的早型棒旋星系是双棒星系。由于通常这两个星系棒的转动速度和尺度都不相同，它们之间也进行相互作用，因此此类星系有诸多非常奇特的动力学特性。
然而，天文界对此类特殊棒旋星系的形成条件和过程一直没有定论。此前一些理论认为，大量气体的存在是形成中心小棒并同主棒解耦的必要条件。沈俊太与英国中央兰开夏大学教授Debattista共同指导中国科学院上海天文台博士研究生杜敏，在双棒星系的形成与演化理论研究中取得了新进展。他们通过不含气体的多体数值模拟方法研究棒旋星系的形成和演化，并通过系统探索参数空间，发现在纯盘星系中心加入以有序运动为主导的动力学冷盘可以成功产生这种奇特的双棒结构。“当小棒与大棒平行时，小棒的强度比较弱但转动更快些，而当二者垂直时，小棒的强度比较强但转动比较慢。”沈俊太讲述着双棒星系在形成后呈现出的有趣的动力学特性。
目前该工作已经于近期发表在国际核心期刊《天体物理杂志》上，并且已经得到国际同行的关注。
阐明核环形成机制
在棒旋星系的长期演化过程中，
“棒”扮演了很重要的角色。其中最主要的一个方面就是星系棒可以驱动气体内流至星系中心区域，从而形成新的恒星。因而棒被认为可以重新分布星系的物质、角动量及能量。
在棒旋星系中，科学家经常可以观测到很多由棒产生的气体子结构，例如在棒旋转方向的前侧会出现高密度尘埃带，以及在星系中心附近具有很强恒星形成率的核环。显然这些结构的特征和产生条件与寄主星系特别是星系棒的性质息息相关，但学术界此前对核环的形成条件、形状、及大小等重要问题都没有进行系统地解决。
沈俊太说：“之前的研究通常认为核环的位置接近于星系的某一特定半径――内林德布拉德共振（ILR）半径，或在两个ILR半径之间，然而这些共振半径严格来讲仅在星系棒扰动较弱时才有意义。”
上海天文台博士研究生李智在沈俊太与韩国首尔国立大学金雄泰教授的指导下，对棒旋星系中的核环进行了系统细致的数值模拟研究。他们利用高精度流体数值模拟，通过系统探索参数空间，发现模拟中的棒旋星系可以产生两种核环，一种近似圆形并在棒的短轴方向轻微拉伸，另一种具有很高的椭率并和棒的主轴方向平行。
此外，他们还对核环的形成机制提供了新的解释：由于核环是由气体损失角动量（旋转的能力）而落入星系中心堆积而成的，所以核环的位置取决于气体的总角动量损失，以及星系中心的势场分布。前者受星系中非轴对称结构的特性控制.如棒的强度、轴比和转动速度；而后者取决于星系中心轴对称结构，如核球的大小，质量分布。
“共振半径解释仅仅提供了一个核环形成的宽泛范围，而我们的核环形成机制则可以更准确地预言核环的大小及形状，因此适用面更广，可以V泛应用于具有核环的棒旋星系样本中限制星系的物理参数，从而使我们更好地理解棒旋星系的演化规律。”沈俊太总结道。目前该工作已经发表在国际核心期刊《天体物理杂志》上。
桃李满天下
沈俊太在忘我工作的同时并没有忘记培养新人的重任，他不仅是一个对事业孜孜不倦的学者、一个精益求精的科学家，更是一名诲人不倦的师长。
本着报效祖国的初衷，沈俊太认为应该把自己毕生所学传授给自己的学生。他甘当人梯，致力于让自己的学生也能够逐渐成长为比自己更加优秀的科学工作者。自2009年回国并担任博士生导师以来，沈俊太就开始积极招收对科学研究兴趣浓厚的学生和博士后，一支强有力的科研团队也逐渐发展壮大。
人类知识体系的形成根植于三种最古老的科学，即天文学、数学和力学。这三种科学之所以古老，原因就在于其直接服务于先民的生产和生活。如果说力学的产生是人类为从事农业生产而适应定居生活的需要的话，那么天文学则是作为农业生产的基础而存在的。当先民摆脱了原始的采集狩猎经济，而以人工栽培农业的生产方式为氏族提供有保障的食物来源的时候，天文学就应运而生了。众所周知，气候条件对于农业的起源具有直接的影响，这意味着原始农业一定首先发生在寒暑季节变化分明的纬度地区，而在这样的地区从事农耕生产，一年中真正适合播种和收获的时间非常有限，有时甚至只有短短几天②，显然，了解并掌握时间――农时――对农作的丰歉至为关键。因此就农业的起源而言，古人对于时间的认识已成为其不可或缺的首要前提。事实上，没有古人对时间的掌握便不会有人工栽培农业的出现，我们不能想象，一个对时间茫然无知的民族可以创造出发达的农业文明，这种情况是根本不可能发生的。而对早期先民而言，解决时间问题的唯一方法只能到天上去寻找，这个工作就是观象授时。显然，原始农业时间服务的需要促使天文学最早发展了起来。
为解决农业生产所遇到的时间问题，粗略地仰观天象显然毫无意义，人们需要将对星象的观测尽量精确，通过了解星象的运行周期以建立时间的周期。在这个使星象观测逐渐精确化的过程中，数学知识及相应的计算工作必须被引入，从而使数学作为早期天文学不可分割的部分同时得到了发展。中国古人素以天数不分，正是基于这样的传统。
在人类创造的三大古典科学之中，天文学不仅出现最早，而且具有特殊的价值。如果说这三大古典科学构筑了人类知识体系的基础的话，那么天文学则不仅是这一知识体系的核心，而且更成为古代制度与思想之渊薮。尽管探索天象的初衷只是为农业生产提供准确的时间服务，但随着人类文明的进步，天文学则对中国古代文明与传统文化的形成产生了深刻影响。具体地说，天文学不仅是古人赖以建立时空体系的重要手段，而且直接促进了传统政治观、宗教观、祭祀观、礼仪制度、哲学观与科学观的形成，这些观念在构建中国传统文化核心内涵的同时，也形成了独具特色的传统字宙观，体现了古人对于天、地、人相互关系的深刻思考。这意味着如果我们探求中国文化，就不能不首先研究作为这一文化背景的天文学及字宙观。事实上，如果我们不了解古代的天文学以及相应的宇宙观，我们就无法从根本上把握文明诞生和发展的脉络。显然，天文学作为中国传统文明之源的事实相当清楚。
一、“文明”考原
何谓文明，澄清这一问题对正确认识中国文化及字宙观非常重要。文明的诞生源自先民对于天人关系的独特理解，体现了天文作为文明之源的固有思考。《易・乾・文言》云：
见龙在田，天下文明。
“见龙在田”为《乾》卦之九二爻辞。孔颖达《正义》：“阳气在田，始生万物，故天下有文章而光明也。”龙本为上古时代观象授时的重要星象，其由二十八宿东宫七宿中的六宿所组成。每当黄昏日没后苍龙之角宿初现于东方的时候，这一天象便被称为“见龙在田”。古人又以东方属阳，故龙星自东方地平线上升起的天象也就是所谓“阳气在田”，而传统则以阳气主生，所以初民根据龙星东升天象的观测以行农事，便会“始生万物”而享有丰年，终致天下有文章而光明。很明显，天文作为文明之源的思想于此表述得清楚而明确。
“天下有文章而光明”的思想，其本质所强调的实为人文之彰著，这里的“文”也就是“文明”之“文”。先民对于“文”的推崇反映了一种根深蒂固的文化思考与文明传统。商周古文字的“文”本作，象人形而特彰明其心，所以“文”的原始内涵实相对于“质”，如果说“质”的思想乃在表现人天生所具有的动物的本能，那么“文”显然已是经德养之后所表现的文雅，这种通过内心修养所获得的文雅自然是对初民本能之质的修饰，这种修养的文雅由内而外，以德容的形式彰显出来，这便是古人所称的“文明”的本义。
传统的文明观念其实体现的是初民经过内心的德行修养而表现出的文德，从而将人从以质为本能的动物世界中分离出来的精神追求，所以“文明”之“文”的义涵就是文德。这种文质思想后来被儒家哲学所继承，而在传统的礼仪制度中则更多地以文武的思想加以阐释。当然，不论文、质相对还是文、武相对，“文”所具有的文德的本义都是明确的。
文德修养不足，自然不可能彰明显著，于是文德之修养又关系到另一个重要观念――郁。“文明”之“文”于《说文》别作两字，一作“文”，训为错画；一作“踅”，训为碱。许慎的这种做法实不可取，“文”训错画实际乃是其本引申。显然，“文”、“踅”本为一字，唯作“文”。春秋以前的古文字有“文”而无“ā保知“ā弊治后起，是为明证。《说文・有部》：“磁，有文章也。从有，或声。”段注本改“文章”作“踅彰”，并云：哺戒古多隈或字为之。或者戒之隶变。今本《论语》‘郁郁乎文哉’，古多作或或。是以苟或字文若，《宋书》王或字景文。《大戴・公冠篇》‘遵并大道邻或’，郐或即彬或，谓彬彬或或也。《小雅》‘黍稷或或’，《传》云：‘或或，茂盛兑。’即有踅彰之义之引申也”。“碱”今通作“郁”，其本义即为文德彰明。《论语・八佾》引孔子曰：“周监于二代，郁郁乎文哉！吾从周。”既见文盛德厚则可彰明的思想。《礼记・表记》引孔子曰：“虞、夏之质，殷、周之文，至矣。虞、夏之文不胜其质，殷、周之质不胜其文。”朱彬《训纂》引方性夫曰：“加乎虞、夏之质，则为上古之洪荒；加乎殷、周之文，则为后世之虚华。”虞、夏近古，其民始修文德而未郁，故文不掩其质。
人何以需要修养文德？因为人必须要与动物相区别，这一点在后世的儒家思想中反复被强调。然而最早的文德是什么？先民根据怎样的标准建立并规范人类的文德？他们又从观象授时的活动中体会出怎样的朴素德行的认知呢？这些思考充分体现了古人对于天人关系的理解。
观象授时的活动使先民首先完成了对时间与空间的规划，而人们对时间的认识则是通过对主授农时的标准星象的运行变化实现的，这个标准星象就是东宫苍龙星象以及位于其中心部位的大火。初民视龙星及大火之昏见以建时，久之而不爽，从而形成时间为信的思想，并由此产生了以信为德的观念。《礼记・乐记》：“天则不言而信。”即此之谓。显然，诚信思想是先民从对时间的观测与规划中感悟并懂得的，人们与时间虽无约守，但其每每如期而至，从无差误，初民据此指导农业生产，致屡获丰稔，故时间便具有了诚信不欺的鲜明特点。郭店楚竹书《忠信之道》云：“至信如时，必至而不结。”讲的就是这个道理。先民以测影计时之圭为瑞信之物，也体现了同样的思考。而古代盟誓将约守诚信之盟辞书写于玉圭，或又以圭臬赠与妇人以显妇德之忠信，也都是这一思想的反映。事实上，西周金文所见时人之道德观正体现为信与孝，而信更是构建孝信之德的基础。事实上，在原始思维的背景下，“至信如时”的思想必然蕴育出时间乃由神灵所司掌的朴素认识，而由此产生的信的本质内涵也一定体现为人神之间的诚信约守。显然，信的思想不仅源于远古的观象授时活动，而且集中体现了中国传统道德观的核心价值。这便是“见龙在田”与“天下文明”所呈现的因果脉络。
以信实为德而构成文明的本质内涵，这种思想在早期文献中反映得非常清楚。《尚书・舜典》云：
日若稽古帝舜，日重华，协于帝。溶哲文明，温恭允塞。玄德升闻，乃命以位。
伪孔《传》：“溶，深；哲，智。舜有深智，文明温恭之德，信允塞上下。”孔颖达《正义》：“舜有深智，言其智之深，所知不浅近也。经纬天地日文，照临四方日明。既有深远之智，又有文明温恭之德，信能充实上下也。”所论未逮本义。实“温恭允塞”四字同在阐释文明之德的基本内涵。“温”，德容也。《诗・秦风・小戎》：“言念君子，温其如玉。”《论语・季氏》：“君子有九思，……色思温。”是以“温”即德容，其犹《诗》以修德之善之作称“颂”，“颂”也德容之谓。“恭”，敬肃也。《礼记・曲礼上》：“是以君子恭敬撙节退让以明礼。”孔颖达《正义》引何胤日：“在貌为恭，在心为敬。”“允”，诚信也。《尚书・尧典》：“允恭克让。”伪孔《传》：“允，信也。”伪《古文尚书・太甲上》：“克终允德。”蔡沈《集传》：“允，信也。”《左传・文公十八年》：“明允笃诚。”杜预《集解》：“允，信也。”“塞”，诚实也。《诗・邶风・燕燕》：“仲氏任只，其心塞渊。”孔颖达《正义》：“其心诚实而深远。”《孟子・公孙丑上》：“以直养而无害，则塞于天地之间。”《诗・大雅・常武》：“王猫允塞。”郑玄《笺》：“允，信也。尚守信自实满。”王先谦《诗三家义集疏》：“言王道诚信充实。”知经文实言舜有温恭允塞之德。《尚书・皋陶谟》论九德而有“愿而恭，直而温，刚而塞”，伪孔《传》解云“憨愿而恭恪，行正直而气温和，刚断而实塞”，实“塞”即“允塞”，乃言诚实。此与《舜典》所论正合。
德的观念的产生源自于观象，这一思想根深蒂固。《易・大有・彖》云
其德刚健而文明，应乎天而时行，是以元亨。
又《象》云：
火在天上，大有，君子以遏恶扬善，顺天休命。
王弼《注》：“德应于天则行，不失时矣。”尚不失本义。文明来源于古人对天象的掌握，观象以知时，则文德渐成。天行健而不止，故德刚健而不息，其文彰著，遂有享大祀――元亨――之位。“火在天上”之“火”即为大火星，乃位于苍龙星象中心的授时主星心宿二。古人观火星以授时而“大有”，“其德刚健而文明”亦“大有”而享祀，皆所谓“顺天休命”，故上九爻辞言“白天祜之”。文明源白天文，于此表述得同样明晰。
人类以修养文德而彰明，而社会则得有制度的建设而彰明，事实上，文德与制度的形成皆有赖于一个根本工作，这就是观象授时。“见龙在田”所呈现的是苍龙星象的起始宿角宿昏见于东方地平之上的天象，这既是新的农作周期开始的标志，当然也体现着先民对于空间与时间的规划。事实上，人类知识体系的形成是从他们对空间与时间有意识地规划开始的，而在时空体系完善的基础之上，一切人文制度及形上思想才可能最终建立。《礼记・大传》云：
立权度量，考文章，改正朔，易服色，殊徽号，异器械，别衣服。此其所得与民变革者也。
郑玄《注》：“文章，礼法也。”即以“文章”所言为礼仪制度。《左传・隐公五年》云：
昭文章，明贵贱，辨等列，顺少长，习威仪也。
杜预《集解》谓“文章”日：“车服旌旗。”皆以文章为礼仪典章，其属人文制度自明。人文制度包括一系列的礼乐制度与典章制度，这不仅是人类社会区别于动物世界的重要标志，而且也同德行观念的推行一样，是维系社会正常秩序的根本保证，故光大昭明，可见其与野蛮的不同。
毋庸置疑，中国古人对文明的阐释充分体现了中国文化的独有特点，其所强调的其实是“文”字所具有的形上思想与制度义涵，而相关思想与制度的形成则直接导源于观象授时以及先民对于天人关系的思考。物质的创造尽管可以满足先民生活的需要，但以器载道，借器物以完成思想的表达及制度的昭明才是他们追求的根本目的。很明显，基于天文作为文明之源的事实，对于早期文明与文明史的研究而言，仅仅关注物质文明而忽略上古形上思想与礼仪制度的探索是极不全面的，忽略对上古天文学与字宇宙观的探索同样也难中肯綮。
二、“文化”考原
中国古代天文与人文的关系问题始终是中国文化的根本问题，先民对这一问题的思考和论述精审而深刻。《易・责・彖》云：
刚柔交错，天文也。文明以止，人文也。关乎天文，以察时变。关乎人文，以化成天下。
王弼《注》：“观天之文则时变可知也，观人之文则化成可为也。”“文明”之“文”所体现的由人之心斋而致文雅，到社会制度的完善而有秩序，都呈现出郁郁乎文的彰著。这使“文”具有了碱文的本训。人有文德则德容昭显，其犹以文绘饰之而掩其质：社会有制度礼仪则秩序井然，其犹以文绘饰而掩其野。故“文”又引申有错画之训，此即《彖传》所谓“天文”、“人文”之义。对天之绘饰错画即为天文，其本指天上由不同星辰所组成的图像：而对人类社会之绘饰错画则为人文，所指乃人之形上思想与社会制度。孔颖达《正义》：“言圣人观察人文，则《诗》、《书》、《礼》、《乐》之谓，当法此教而化成天下也。”所论虽不全面，然尚得人文之旨。
“刚柔交错”意即阴阳迭运，其所描述的是天文星象的回天变化。星象之运行时刻在变，或东升西落，或天渊两别，这种星象运行的位置变化不仅可以象征阴阳的变化，同时更预示着时间的变化。古人以“刚柔”表述阴阳，既有时间的意义，也有空间的意义，而天象的特征乃在于变，这一点恰好可以借助阴阳思想而加以表现。故先民观测天象，其目的即重在掌握其变化规律，唯知其变，时间系统才可能建立。而与随时变化的天象不同，“文明以止”之“止”则在强调思想与制度的相对不变。如果说变是天象的基本特征，那么因人文制度与思想观念重在传承，其所表现的必然是恒守不移的不变传统。因此对于制度与思想而言，古人更怕其变，而希望其不变，如此才能完成对人类创造的一切知识、思想与制度的有序继承。天文不变则无以知时，人文若变则无以成传统。《易传》以变与不变的对比，准确地阐释了天文与人文的本质特征，这对客观理解上古文明是极为重要的。显然，先民求天文之变以建立时间，求人文之不变以形成传统，这些思想既体现了天文作为文明之源的思考，也揭示了天文与人文的本质内涵。
源于天文的人文制度与思想的形成，由于其内涵不同于天文所具有的时间意义，而重在强调人及社会之郁文，因此其作用则在于“化成天下”。这里的“化”意即以文明或人文教化，实际也就是以文治化，这当然涉及了古人对“文化”的理解。
是故先王之制礼乐也，非以极口腹耳目之欲也，将以教民平好恶而反人道之正也。……是故君子反情以和其志，比类以成其行。轰声乱色不留聪明，乐慝礼不接心术，惰慢邪辟之气不设于身体，使耳目鼻口心知百体皆由顺正以行其义。
即在强调人之身体与思想都须以顺正之方向行乎道德，这便是“化”字以正人之象以喻德化的本旨。《荀子・正论》：“尧、舜，至天下之善教化者也，南面而听天下，生民之属莫不振动从服以化顺之。”同样表达了教化以顺正的思想。德化实在于端正人心，端正之心即为化成以正人。故“化”字所体现的文治教化的本义极为鲜明。而《易传》以人文化成天下，表述的正是这一思想。
准此可知，古人所谓之文化同文明一样，也不是指人类技术的进步与物质的丰足，而在强调文德教化之尚德追求。《说苑・指武》：“圣人之治天下也，先文德而后武力。凡武之兴，为不服也，文化不改，然后加诛。夫下愚不移，纯德之所不能化，而后武力加焉。”所言“文化”本即以文德教化为义甚明。《文选・束广微补亡诗由仪》：“文化内辑，武功外悠。”李善《注》：“言以文化辑和于内，用武德加于外远也。”其以文化与武功相对，以文德与武德并举，以内和以外远互称，皆明文化本即以文德治化于心，此文明、文治之谓也。
三、中国原始文明的基本内涵
中国的传统文明体现着一种独具特色的字宙观。我们所说的广义的宇宙观是指中国古代先民对于天、地、人之间相互关系的独特思考，这种思考虽然源出于一种最朴素的观象活动，但却是以古人对于时空的规划、政治制度与宗教观念的形成、祭祀及典章制度的完善，以及哲学思辨与科学证认的形式呈现的，显示出天文对于人文的深刻影响。
东西方文明的本质差异即在于两种字宙观的不同。中国传统的字宙观博大而包容，和而不同，这个特点不仅来自于古人对于天人关系的认识，而且也造就了独具特色的传统文明。很明显，对中国上古文明的研究不可以抛弃其赖以建立的宇宙观背景。
中国原始文明的诞生是从初民有意识地对空间与时间的规划开始的，事实上在他们创造出独具特色的时空知识体系的同时，也完成了对时空关系的思考，而时空体系的建立以及时空关系的思考都必须基于相应的天文观测才可能完成。中国传统的时空关系表现为空间决定时间，这不仅意味着辨方正位成为一切用事的基础，从而决定了古人对于子午线的重视以及诸如都邑、茔域等的方正布局，而且对于传统文化中有关时空问题的理解，也都需要首先建立这种时空关系的背景。先民通过对时空的规划建立起一整套有关空间、时间的基本概念及表现形式，而且将时空体系与阴阳哲学彼此结合，建构了独具特色的文化传统。
阴阳的思辨虽然是对万物生养原因的哲学解释，但其本质却同观象授时的工作一样重在祈生，这使以观象为基础的时间体系成为表述阴阳的最理想的形式，从而形成传统的阴阳合历以及以阴阳为核心的时空传统与原始宗教传统。
空间方位的精确辨正显然得益于染表的发明，这种天文仪器的出现成为天文观测精确化的必然结果。在中国传统的五方观念中，中的位置不仅是立表的位置，而且在早期文明社会，立表的活动由于被统治者所垄断，从而导致时空体系、政治制度与宗教思想的结合，使居中而治的传统政治观逐渐形成。
上古王权的基础当然在于对观象授时的掌握，由此则逐渐发展出君权天授的政治思想。因此根据传统的政治观，人君治民实受天命而为，故其配帝在下，所居之位也必依近于天。《逸周书・度邑》言武王治民作邑“其惟依天”，何尊谓武王定天保而直告于天，且宅中域以义民，都体现了这一根本思想⑨。古人以为，授命之帝居于天之中央――北极，则人王若要依天而立政，就必须居于地之中央。故王庭的选建首先就要解决以圭表求测地中的问题⑩，从而形成以地中为中心的中域、中土、中国、中原的政治地理概念，以及相应的居中而治的传统政治观。《论语・尧日》：“天之历数在尔躬，允执其中。”即是这种观念的反映。
王庭选建于天地之中意味着建筑于观象授时基础上的政教合一的王权具有了政治和宗教上的合法性，所以，居于中央的王庭对四方的统治必须通过于王庭所在的内服周围分封诸侯而实现。外服诸侯所建立的实体为“国”，而由王庭及其所统御的侯国所形成的内外服政治实体则称为“邦”，国对于中央王庭首先具有的就是拱卫的义务，同时通过贡纳的形式以表现其对王庭的臣服。西周大盂鼎称武王嗣文王之业而“作邦”，即此之谓。而外服侯国以外的“方”则对王庭时叛时服，所以王所巡守之邦本及四国――四方之诸侯国，形成早期家天下王朝的基本政治格局。而王更以耀德使四方荒服之“方”归附宾服，形成更广大的内外服政治实体。西周昭王世之作册令方彝铭云周舍命于“三事四方”，即是这种政治格局的真实反映。
由立表测影而产生的“中”的观念事实上包括三方面的内涵。其一，因立表测定空间方位所获得的“中”具有“中央”的内涵，这是居中而治的传统政治观的基础，对中国传统政治制度及都邑制度的形成具有深刻的影响。其二，立表测影的工作必须以校正表的垂直为前提，由此获得的“中”则具有“中正”的内涵，从而直接影响着“中庸”哲学观的形成。其三，表所居的位置在中央，其又以中正的状态呈现，这个位置显然是最为和谐且不偏不倚的，由此又引申出“中和”的内涵，从而使“中”最终具有了阴阳哲学的义涵。
由于观象授时的工作始终为统治者所垄断，这使天文学从其诞生的那天起即具有了强烈的政治倾向。很明显，在生产力水平相当低下的远古社会，如果有人通过自己的智慧与实践掌握了在多数人看来神秘莫测的天象规律，并通过敬授人时维系着氏族的生存，那么这种知识本身也就具有了权力的意义。事实上，当观象授时作为王权政治的基础存在的时候，人王的权力源于天授的认知便自然产生了。基于这样的认知，至上神上帝开始被创造，帝廷组织得以建构，帝与人王的直接血缘关系得到确认，以祖配天的观念由此形成，进而对天地、天象、祖先、社稷的祭祀及相应的典章制度与礼器制度，以及有关阴阳、刑德的哲学思考相伴而出现。不仅如此，政治观的形成必须创造出王权的象征形象，而龙星以其授时主星的地位具有了这种资格。畿服的规划与王庭的建制必须体现出尊卑的差异，古人对于时空的认识最终解决了这个问题。人居于天地之间如何才能合于天地之道而永续恒久，这种思考使先民选择了顺时施政的用事法则。而宗教观的建立则又需要首先确定上帝的居所以及帝与人王的关系，于是有关天极、极星、璇玑的认识相继完成，而在确立帝作为天子嫡系祖先的同时，也创造出了帝的世俗形象。显然，天文学不仅导致了君权神授、天命观念的形成，而且直接关系到原始宗教观、古代祭祀制度及礼仪制度的建立。而就古典哲学而言，如果说儒家哲学的天命、中庸、道德等核心思想乃是对传统宇宙观的继承的话，那么道家的思辨哲学简直就是借助天文学的研究完成的⑩。
The Large Hadron Collider
Unraveling the Mysteries of the Universe
2010,218 p.
Softcover
ISBN9781441956675
Martin Beech著
欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高、最昂贵的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，英文名称为LHC(Large Hadron Collider)，坐落于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN。大型强子对撞机将两束质子分别加速到7万亿电子伏特的极高能量状态，并使之对撞。其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比。粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物探索物理现象，例如，寻找标准模型预言的希格斯粒子、探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理。
本书回答了以下问题：为什么世界各地的物理学家对大型强子对撞机的产生如此兴奋？人们希望通过这台庞大的机器揭示宇宙的什么秘密？操作这台机器有什么危险？碰撞中产生的处在次原子微粒之间的包括微型黑洞在内的奇异微子对人类和地球会不会造成危险？读过这本内容详尽且具有吸引力的书，读者会了解到为什么要建设对撞机以及它是怎么工作的、科学家们想通过它找到什么以及现有的标准模型需要做哪些修改。读者甚至会从本书中学会识别普遍认为组成我们绝大部分宇宙的所谓暗物质和暗能量。这是一段包含若干陌生而奇怪区域的旅程，但是它绝对值得花费时间去探索，因为大型强子对撞机会改变我们认识宇宙的一些基本概念，从最小的粒子到最大的。
本书分为7章，1.物质的故事；2.世界上最复杂的机器；3.标准模型、希格斯粒子和超对称；4.宇宙大爆炸和最开始的38万年；5.暗物质；6.暗能量和膨胀中的宇宙；7.接下来的计划。
本书写给物理学家、天文学家及对大型强子对撞机感兴趣的人。
本书作者Martin Beech是加拿大萨斯客彻温省里贾纳大学的天文学教授，他在恒星结构和演化方向已发表了多篇研究论文，出版了数本天文学书籍。作为他在流星和陨星方面研究的酬劳，小行星12343已经用他的名字命名。
孙培培，博士生
(中国科学院力学研究所)
现在人们已普遍接受了宇宙大爆炸的理论，尽管很多人一时还难以想象，但一般都知道，今天这个丰富多彩的大千世界乃是100～170亿年前一次“大爆炸”的结果。
宇宙大爆炸的理论最有力的证据之一，是1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊于无意中发现的“宇宙微波背景辐射”。因为他们用射电望远镜(一种只接收天体发出的无线电波的望远镜)观测时，发现在波长为7.35厘米处，星空背景上的辐射强度比理论值要略略高上2.5～4.5度而已。当初，对于这个结论有多少意义，连他们自己也不清楚，因为二人只是美国贝尔电话实验室的工程师，对于天文学与宇宙学关心甚少。
然而天文学家和物理学家却高兴得几乎跳了起来。因为“大爆炸”理论自问世后，虽然能说明许多天文学上的许多难题，但一直苦于缺少观测依据。而这篇论文却送来了“及时雨”，因为按照大爆炸理论，100多亿年前的“原始火球”爆炸以后，冷却到今天，天上应当剩有一些“余热”，也就是说，在没有星体照耀的星空中(也称背景)，应该有2.7开(相当于－270℃)的温度，这与上述的平均值非常吻合。正因为得到了射电资料的支持，大爆炸假设在科学上也就有了立足之处。为此，彭齐亚斯和威尔逊的这项发现荣获了1978年的诺贝尔物理学奖。
彭齐亚斯和威尔逊发现的这种“余热”也应表现为“光辐射”(从科学上讲，无线电波、红外线、X光等等都是光――不可见光)。为了探测和研究这种100多亿年前的最古老的“光”，美国航宇局曾于1992年发射了一颗“宇宙背景探测卫星(COBE)”，当时它就发现，在不同的天区，它们还有着微小的区别，有的天区为2.7251度，有的天区却为2.7249度，这种各向异性反映了宇宙早期中的物质密度的波动状况，对其深入研究就可以了解宇宙结构形成的最初条件，弄清星系、星团等是如何形成的等重要问题。但由于仪器的限制，COBE并没有深入研究的能力。
经过9年的筹划，美国航宇局在2001年6月30日又发射了一颗“微波背景辐射探测器(MAP)”，这颗价值9500万美元的新型无人飞船宽5米，高3.8米，重840千克，上面装有两台背靠背的望远镜，虽然说，它的作用只相当于一支“温度计”，但这支温度计却远不是普通的温度计，因为它测定的温度是在零下270多摄氏度的万分之一度的变化!更胜前者“COBE”一筹的是，它将于9月间飞抵离地球160万千米的目的地(这是月球距离的4.2倍)。因为只有飞到那么远，才能使它不 会受到地球和太阳的干扰，因为它所测量的这种光只是地球所发出光的10亿分之一!同时为了不受阳光的影响，MAP采用了伞形的太阳能电池板，以把全部阳光都遮盖住，保证它本身始终处于零下185℃的低温状态。实际上，MAP所观测的是大爆炸后40万年的光，40万年与100多亿年相比，就像是一个70多岁的老人刚生下的第一个半天，所以也有些科学家把它戏称为“化石光”。
MAP计划用2年时间对于全天空进行逐一扫描，由于它同时具有极高的灵敏性和分辨率(COBE的分辨率只有7°)。因而科学家们对它寄予很高的期望，希望它能帮助人们弄清：宇宙会永远膨胀下去吗?膨胀是在加速还是在变慢?宇宙是什么形状?是否受到未知物质的支配?它形成的准确时间是100多少亿年?第一个星系是怎样形成的?何时形成的?……
当然，MAP实际上还是整个“宇宙化石光探测计划”的一部分，而此计划的全部投资高达1.45亿美元。
让我们静候MAP的佳音吧。
阿基米德（Archimedes，公元前287～公元前212），出生于西西里岛的叙拉古的一个贵族家庭，与叙拉古的赫农王（King Hieron）有亲戚关系，家庭十分富有，他和牛顿（IsaacNewton，1643～1727）、高斯（Carl FriedrichGauss，1777～1855）被誉为世界三大数学家，阿基米德的父亲是天文学家兼数学家，学识渊博，为人谦逊，阿基米德受家庭的影响，从小就对数学、天文学，特别是古希腊的几何学产生了浓厚的兴趣，当他刚满十一岁时，借助与王室的关系，被送到古埃及的亚历山大里亚城去学习，亚历山大位于尼罗河口，是当时文化贸易的中心之一，人才荟萃，被世人誉为“智慧之都”，阿基米德在这里学习和生活了许多年，曾跟很多学者密切交往，他兼收并蓄了东方和古希腊的优秀文化遗产，这些积淀为其后的科学生涯中作出了重大的贡献，
阿基米德是伟大的古希腊哲学家、数学家、物理学家，静态力学和流体静力学的奠基人，他从小就善于思考，喜欢辩论，早年游历过古埃及，曾在亚历山大城学习，后来阿基米德成为兼数学家与力学家的伟大学者，并且享有“力学之父”的美称，在数学方面，有《论球和圆柱》《抛物线的求积》《圆的度量》《论劈锥曲面体和球体》等论文和10余种著作流传于世，多为希腊文手稿，在《论螺线》一文中，他研究的等速螺线现称为阿基米德螺线，据说他就此发明了阿基米德式螺旋抽水机，在物理学方面，他还发现了杠杆定律和关于浮力的阿基米德定律，
在第二次布匿战争中，古罗马人进犯叙拉古，阿基米德应用机械技术来帮助防御，使来犯之敌闻风丧胆，这也使阿基米德有“数学之神”的美誉，但最终城被攻破，阿基米德被古罗马士兵杀害，终年75岁，阿基米德的遗体葬在西西里岛，墓碑上刻着一个圆柱内切球的图形，以纪念他在几何学上的卓越贡献，
二、阿基米德鉴别王冠真伪的故事
叙拉古（属古希腊管辖，古希腊的国王是托勒玫）的希罗王对阿基米德说：“阿基米德，我有一个问题要向您请教，”
“好，陛下，我能给您什么帮助吗？”
“有件事令我不满意，”国王详细地说，“我告诉了您，您可不要告诉任何人！”
“当然可以，请您相信我，”
“我的问题就在这里，丢奥森内斯为我造了个新王冠，用丝绒包着的，”
在人马座A黑洞的惊人引力拖拽下，巨型气体云螺旋飞向这个黑洞
靠近黑洞过程中，气体云被撕裂和拉伸，每小时的速度达到500万英里（约合每小时804万公里）
科学家认为银河系中央的人马座A黑洞可能将一颗年轻恒星及其行星形成盘拖出一个年轻恒星环
北京时间7月5日消息，一个巨型气体云将于2013年撞向银河系中央的超大质量黑洞人马座A，时速达到500万英里（约合每小时804万公里）。这将是迄今为止人类观测到的最猛烈的太空撞击事件之一。实际上，这个气体云并不会真正与人马座A黑洞相撞，在距离黑洞240亿英里（约合386亿公里，相当于光线36小时的穿行距离）时，黑洞的潮汐力将被这个气体云撕裂。
在人马座A黑洞巨大引力的拖拽下，气体云以每秒5000英里（约合每秒8046公里）的速度加速，将于2013年撞向这个黑洞
巨型气体云将于2013年撞向人马座A黑洞并被黑洞的巨大引力完全撕裂。这是科学家第一次观测到巨型气体云靠近超大质量黑洞
过去20年时间里，德国慕尼黑马克斯-普朗克地外物理学研究所的天体物理学家史蒂芬-格里森一直对人马座A黑洞进行观测。2013年，他将继续进行观测。格里森表示：“迄今为止，只有两颗恒星与人马座A黑洞进行如此近距离接触，最后毫发无损地掠过地球。不过，气体云的情况不同，将被黑洞的潮汐力完全撕裂。”随着与人马座A黑洞之间的距离越来越近，气体云的速度不断加快。7年内，它的速度增加了一倍。
借助于欧洲南方天文台的甚大望远镜，天文学家能够对这个黑洞进行观测。在对人马座A黑洞进行观测时，马克斯-普朗克地外物理学研究所的莱恩哈德-格泽尔发现一个独特的新天体，正快速逼近这个黑洞。这个天体就是气体云。研究论文主执笔人格里森表示：“在科幻作品中，宇航员在靠近黑洞时身体会被拉伸，变得好似意大利面条。有趣的是，这个新发现的气体云便遭遇这种厄运。在与人马座A黑洞亲密接触时，这个气体云无法幸存下来。”
这个气体云将掠过人马座A黑洞的事件穹界，彼此间的距离大约在400亿公里左右，相当于光线36小时的穿行距离。在这个距离，气体云将被黑洞的潮汐力撕裂。逼近人马座A黑洞过程中，气体云将因为黑洞周围炙热恒星的强紫外辐射发光。随着进一步靠近这个黑洞，气体云承受的外部压力不断加大。人马座A黑洞的地心引力是太阳的400万倍，将加速气体云的内部运动并对其进行拉伸，使其变得好似意大利面。目前，这个气体云的边缘已开始崩溃，几年内，它将被黑洞的引力彻底撕碎。2008年至2011年，天文学家发现的气体云遭破坏的迹象越发强烈。
在2013年靠近人马座A黑洞时，气体云内物质的温度将不断升高，可能放射出X射线。目前，人马座A黑洞附近的天体很少，也就是说，这个新到的大餐将成为人马座A黑洞未来几年的主要食物。一种有关这个气体云形成的理论认为，气体云内的物质可能来自于附近的年轻大质量恒星，这颗恒星因强烈的恒星风迅速流失质量。人马座A黑洞周围轨道的一个已知双星的恒星风可能与这个气体云的形成有关。格泽尔表示：“未来两年，我们将发现非常有趣的现象并且获得异常宝贵的信息，帮助我们了解大质量黑洞周围物质的行为。”（孝文）
（来源：新华网）
【关键词】真空体密度抅造行星系统；行星系统淘汰机制；宇宙背景“透镜效应”
（1）首先说明真空体密度的数学推导过程，现有的物理学波速计算公式称为虎克定律：
V= （1－1） V、G、ρ各项分别表示：波速、弹性模量、体密度。
真空中的光速可用真空介电常数，真空磁导率导出，作者将原有的真空光速C公式作了如下推演，提请读者注意：真空中的光波速度是迄今为止物理学中唯一没有代入虎克定律的波速，也是本文的关键所在。
c===== （1－2）
真空介电常数，单位是法拉/米εo=8.85×10-12F/m。真空磁导率，单位是亨利/米μo=4π×10-7L/m。
根据上面（1－1）、（1－2）两式左边同为波速，让两式右边物理意义相同。
得到真空各向同性容变弹性模量，单位是牛顿/平方米G=1N/m2。
得到真空体密度，单位是千克/立方米ρc=1/c2=1×10-17kg/m3
（查资料：理想气体容变弹性模量＝101300牛顿/平方米，比较可知真空容变弹性模量是空气的十万分之一）。
真空体密度是否真实存在，可以用下述方法来求证：用激光切割钢板，钢板很快被切断，这是因为激光束可以达到溶化钢板的高温，此时将一块透明玻璃隔在中间会怎样？结果是钢板依旧被切断，而中间相隔的玻璃却完好无损。要知道，玻璃的溶点只有钢板的一半。
这种物理现象可以命名为“透镜效应”，该效应的语言表达是：有光线通过的空间不等于有温度，只有吸收光线的物质存在时才有温度显示出来。
到目前为止对宇宙真空的认知是这样的：“1965年，人们用射电望远镜对向光学望远镜看不到任何天体的空间，发现任何一个方向都有以连续形态出现的3K微波辐射。原来星际空间并不是漆黑一团，空无一物，而是有‘光’有‘热’，‘光’是肉眼看不见的光，即波长在微波波段的电磁波，‘热’是开尔文温度3度，即摄氏零下270度。这一下，大爆炸宇宙学好象找到了证据。你看，原始火球爆炸后的热辐射大部分已凝聚为各种天体，而今只存下3K这么一点儿余热,成了宇宙的一个均匀、统一的背景”。①
真空既然能透过光线，那么它也是一面透镜，考量宇宙广大真空区域的温度，除非有吸收光的其它物质存在，否则真空自己就必须是吸收光的物质。只有这样它才有温度可言。这种现象称作宇宙背景“透镜效应”。
那么真空中的物质有哪些？资料继续写道：“星系际空间物质的平均密度天文工作者还很不清楚。如果将目前看到的全部星系所包含的物质均匀散布于观测所及的宇宙空间，估计物质的密度约为十的负三十一次方·克·立方厘米，即10立方米的体积内只有一个原子。可见宇宙空间是何等宽敞”②。
显然，依靠星系之间可见物质吸收光线来造就宇宙背景达到3K的温度根本不可能，到目前为止天文学界是如何应对的呢？西方学术界提出宇宙空间有所谓的“暗物质、暗质量”，就象水中掺沙子一样地将暗质量掺进真空中，于是3k的微波辐射就是由它造就的。
但是问题出来了，既然这个“暗质量”遍布于宇宙所及空间，那么它对于地球及太阳系生存的影响是什么？人类用何种实验来证明身边暗物质的存在？天文学界沉默无语。
到目前为止的教书中、发表的论文中都看不到这个所谓的“暗物质、暗质量”对太阳系生成与行星系统的运行有何种影响的论述，这情形就如同当年托勒密给地心说加本轮一样，反正无须用实验证明本轮的存在，说什么就有什么。虽然计算暗物质的公式同当年多达70个本轮的公式一样繁琐，但是您根本无须让这些公式唬住。
而今中国研究者推演出的真空体密度也就是真空本身的质量造就宇宙背景3k微波辐射性质就不同了，公式表明真空本身就是一种有质量的物质，后面还要给出用实验证明真空体密度存在的方法。
（2）用真空体密度来构造太阳系的生成：关于目前的太阳系，角动量分布异常是天文学面临的难题，有资料说：“还有一个值得注意的事，便是太阳系角动量的分布。质量占整个太阳系99.85%的太阳，其角动量不到太阳系总角动量的1%；质量不到太阳系总质量的1%诸行星，角动量却占99%以上。在拉普拉斯假说中他没有论述太阳系角动量的这种异常分布的问题，按照该假说推论，冷却收缩的星云转动愈来愈加快，在中央凝聚而成的太阳应当占有最大的角动量，这与事实是不符的”③。
在有真空体密度存在的太阳系中行星的命运是这样的：围绕太阳旋转的行星的轨迹先是依照刻卜勒三定律形成一个椭圆，在真空体密度即真空质量产生的阻力作用下促使其短轴上升加长，近日点抬升远日点降低，轨道趋向正圆形。这同现在发射卫星以后在卫星的前面喷射气体产生后座力，卫星近地点就会随即抬升的原理一致，可以命名为“趋圆”过程。
当行星轨迹成为正圆形后，真空体密度产生的阻力将行星的线速度再降低时，太阳引力将行星拉向日面坠落，如果此时行星的轨迹足够远，在下坠过程中获得的加速度使其擦过日面而未坠落进太阳，那么这颗行星的寿命尚未完结，它会在一个新的更接近太阳的椭圆轨道上运行，可以命名为“变轨”过程，就如同电子的轨道跃迁一样。
一、旧《大统历》误差日显，徐光启
奉命修新历
明朝建立之后，在历法上开始采用的是《大统历》。这个《大统历》实际上是元朝天文学家郭守敬所发明的《授时历》的翻版，只是换了个名字而已。郭守敬的《授时历》发明之初，在当时国际上处于领先地位，其精度极高。比如他那时测定的每天的时间长度，与今天相比才仅差72秒，在当时的科技条件下，能做到如此精度，实在令人惊讶。
然而从发明《授时历》到明末，已经过了三百多年，各种误差日积月累越来越大。而明朝历局的官员们只知道依照已有的方法和数表推算节气、天象，甚至用象数法进行臆测，对于误差怎样解决大都束手无策，也没人考虑。此时，日食、月食、节令、朔望的预测和安排，已经混乱不堪，严重影响国家和社会管理。
在这种情况下，虽然当时外有满清叩关，内有李自成、张献忠问鼎，内外交困，国家形势危急。但崇祯皇帝考虑到历法是一个王朝实施其统治的制度象征，历法的混乱易导致国家的混乱，从社稷江山计，不得不腾出精力来过问这件事关重大的具体科技问题，便责成时任礼部侍郎的大科学家徐光启着手修历。
徐光启系进士出身，他学识渊博，学贯中西，一生致力于科学事业，著有巨著《农政全书》60卷。受到崇祯皇帝重视，被擢进入内阁，任礼部侍郎。在此期间，他为复兴大明，大力提倡以科学技术为“富强之术”，一方面操持政务，一方面继续研究天文、历算、农学、水利、军事等科学。还认真汲取当时新传入的西方自然科学，大量译介西方科技书籍。这在僵化保守的封建社会是极其难能可贵的。正因如此，他成了中国历史上学贯中西第一人，也是中国科技史上公认的泰斗级人物。
徐光启于崇祯元年（1628年）接受修历任务，此时他已是67岁的老人了。他不顾年迈，毅然上阵，立即组成了一个由中外科学家组成的庞大的科研班子，其中包括当时著名的意大利科学家龙华民、罗雅谷，德国科学家汤若望、邓玉函。他还制定了这次历法科研的最高目标：“上推远古，下验将来，必期一一无爽；日月交食，五星凌犯，必期事事密合。”并迅速展开了工作。
在修历的日子里，不管是凄风冷雨的秋夜，还是大雪纷飞的隆冬，徐光启都要登上观象台，亲临指挥或亲自动手观察天象。那期间，记录、整理笔记、查找资料，几乎成了他生活的全部。终于，经过他和这些中外科学家的共同努力，很快就推出了《日躔历指》等初步研究成果，接着又开始了卷帙浩繁的《崇祯历书》的编纂工作。
二、魏文魁上呈《历元》《历测》，
志在否定徐光启
使人想不到的是，此时远在京师满城县的乡下，竟有一个叫魏文魁的老百姓，也在为《大统历》的误差而苦恼着。他不顾天文历法历来是民间研究的，也不顾自己没有高深的数学知识和先进的观测设备，更顾不得自己生计的艰难，经年累月一直执拗地进行着自费天文历法的研究。
此时，魏文魁一定知道，西方的天文历法技术已经传入中国。但他的思想不像徐光启那样开放，而是有点保守和固执，对外来的思想和技术采取了拒绝的态度，认为依靠中国人自己的知识和文化完全可以解决此类问题。把先进的科技知识拒之门外，这就犯了科研的大忌。
那么他依据什么来进行研究呢？说来很有意思，魏文魁所采纳和依据的重要资料是宋朝人邵雍的那本《皇极经世》，而它依据的数学知识则是“周三径一，方五斜七”等圆周和勾股之类。作为一个普通百姓，承担如此艰巨的科研课题，依据的知识竟是这样的初级和粗疏，再加上资料和设备又不具备，又没有充裕的资金支持，可以想见，他的研究活动一定是异常艰难的。
比如，他所依据的《皇极经世》，是宋朝邵雍研究周易而自创的一门预测学，是不是科学一直被人大打问号。该书一个最基本的概念，便是把人类世界的历史寿命，根据易理象数的法则，规定出几个简单易记的字，这几个字是：“元、会、运、世、分。”他将此作为层级次序，来表示和解释天文、地理、人事发展变化，以此进行预测。
比如，从时间上来说，“元”可以认为是年，一“元”就是一年，一年之中有十二个月，每个月日月相会一次，因此便叫做“会”。所以一“元”之中，便包含了十二“会”。每个“会”之中，地球自转三十次，所以一“会”又包含三十“运”，即三十天。因一天之中又有十二个时辰，因此一“运”又包含十二“世”，即十二时辰。每个时辰又分三十“分”。
如果广而扩之，把最小的“分”代表年，便构成了“三十年为一世，三百六十年为一运，一万零八百年为一会，十二万九千六百年为一元”。邵雍认为，人类历史、朝代兴亡、世界分合、自然变化，都体现在这“元、会、运、世、分”之中了，不需要再用其他方法检测，皆可未卜先知。魏文魁对邵雍这方法顶礼膜拜，深信不疑，把这作为他的整个研究思路。显然这对需要十分精细的历法来说，太粗糙了。
按着邵雍的思路和理论框架，魏文魁毅然展开了工作。经过多年的努力，居然完成了两部洋洋洒洒的巨著：一部是天文理论著作《历元》，一部是历法知识著作《历测》。
也就是在这时候，从北京传来消息，由徐光启制定的明显西化远离我中华传统的新历法已经有了雏形，对此魏文魁怎能接受？他认为自己站出来的时机到了，便不顾一家老小的安危，当即让儿子魏象乾带上他刚刚脱稿的两部巨著，从满城火速赶到京城，将书送给通政司并转修历局。他还加了一份上疏，历数东方科技的优点和西方科技的缺点，以及徐光启引入西方科技做法的谬误。希望政府引起重视，并检验和采纳他的方法，企图以此阻止和取代徐光启的新历法。
三、徐光启虚怀若谷，魏文魁据理力争
徐光启闻知大吃一惊，但以多年形成的对不同学派的广纳博蓄习惯，以及对科学的严谨态度，他马上冷静下来。他本着“各家不同看法务求综合”的一贯思想，决定对魏文魁的著作进行一番公正的研判，以此也希望发现对手的价值所在。徐光启还表示，在没有通读完对方著作前，坚决不表态谁对谁错，也不发一句议论。别人问起，他总是说：“文魁之本，臣尚未通读，不敢言对错。”
可见徐光启很有风度，他对魏文魁的书看得非常认真仔细，将书中非常重要的七个问题一一摘录，逐个进行研究。通过仔细翻阅研究，他发现其中的谬误很多，推算方法也十分陈旧粗陋。不要说日月食和五星凌犯，就是立春、春分、立夏、夏至、立秋、秋分等二十四节气的划分都不准确。
但是，徐光启在研判魏文魁的著作中，也对魏文魁的刻苦研究精神进行了肯定，称他是“苦心力学之士”。徐光启对他的谬误一一进行记录，然后指出魏文魁的错误都在什么地方。与此同时，徐光启以宽广的胸怀传信给魏文魁，希望他进一步努力，争取在天文学上真正有所建树。还告诉他，若有疑义，可以当面讨论。实际上，徐光启对魏文魁的研究成果持了完全否定态度。
魏文魁当然不服输，决心进京与徐光启论难。他坚持认为中国传统方法推算的历法精度要高于西法，认为他的结果不准确是因为观测地点不同而造成的。他举例说，一样的日月食，京师所观测到的结果，与满城观测到的绝不会一样，与琼州观测到的更不一样，这怎么能说我的方法不准确呢？至于二十四节气的划分，中国南北差距很大，在北方认为准确的，在南方就不一定准确，武断地说哪种方法正确，哪种方法不正确，这是不能服人的。
由于涉及科学问题，徐光启没有让步，他认为魏文魁的做法是“混推”，科学研究仅靠“混推”是站不住脚的。可是，这时的徐光启仍然没有以居高临下的态度表现出对魏文魁这场争论的不屑，而是非常重视，每次辩论他都积极参加，还将辩论双方的观点都记录下来，最后形成了《历局与魏文魁辩论文稿》，保存备案。
一个是国家顶尖级科学家，还是个国家的重要官员；另一个是民间业余科学爱好者，还是个平民百姓。他们竟能够如此平起平坐地开展激辨，这在明末实在难能可贵，说明当时明政府有较浓的崇尚科学的气氛，以及徐光启的虚怀若谷。
四、崇祯提出用实践检验，
各家观象台上比高低
其实，徐光启在与魏文魁论战之前，徐光启的新历还受到了其他天文历法派别的猛烈攻击。一是以钦天监官员为首的一直对徐光启吸收西方科学不满，希望“祖宗之制不可变”的旧《大统历》派，二是从伊斯兰传来的《回回历》派。这两派都认为自己坚持的历法无可挑剔，而认为徐光启的历法是不纯正、不准确、不科学的。现在又增加了一个魏文魁派，四派混战，轰动朝野，震惊中外。
消息传到皇帝崇祯那儿，鉴于此时国家形势不妙，需要处理的事情很多，已不允许在这件事上这样久拖不决，需要快点拿出成果。崇祯帝便提出可以“广集众长，虚心采听，西洋方法不妨兼收，各家不同看法务求综合”的思想，希望大家不要再争。然而，在各家都互不服气的情况下，他的这一提议是无法实现的，激烈争吵仍没有平息。
事涉国家制度，崇祯帝又提出了另外一个办法，既不看理论，不看设计，也不论“课题组学术带头人”的身份，只用实践检验。指示寻找一个特殊天文现象，四家平等预测，谁家测准了，谁就正确，国家就采纳谁的方案。
崇祯所希望的可以进行实践检验的机会很快来了：据预测，崇祯五年（1632年）九月十五日，将有月食，至于几时几刻还不知道。崇祯帝提出，让大统、回回、魏文魁、徐光启四派分别提前提出各自预测结果，精确到时和分，然后等到那一天进行实际检验，看各家预测的准确性。
四家受命，遂摩拳擦掌，高速运转，精心准备，志在必得。然而各家预测的结果大相径庭，有的竟然相差达一、二个时辰。到底谁的正确呢？只等那一天见分晓。然而非常不巧，好不容易等到十五日夜间，结果那天天空阴云四合，使整个检验计划在大家的焦虑心情中落空了。
到崇祯六年（1633年）冬十月，徐光启因为积劳成疾，已经无法再主持修历工作而辞去历务。但是庞大的《崇祯历书》还没有彻底完成，四家的争论仍在胶着状态，为了完成自己未竟的事业，他提议让既懂天文、又不封闭保守、能够接受西方科技的山东参政李天经接替他的职务。工作交接后只一个月徐光启就病逝了，魏文魁失去了一个强有力的老对手。
崇祯七年（1634年），魏文魁再次上书，直言徐光启派历官所推所有交时节气全然不对，应该否掉，并采纳他的方案。其他几家也不示弱，天天争吵不休。崇祯皇帝还是主张采取老办法——实地检验，用事实说话。而且他此时变得更加开明，干脆由政府出资成立了四个天文局，分别为：大统局、回回局、西局和东局。这西局就是徐光启这一派，而东局则是专为魏文魁所设。可见崇祯皇帝没有因为魏文魁是一介布衣百姓而对他鄙夷不屑，相反也为他设一个局，作为封建皇帝这是难能可贵的。
四局成立之后，因为都受到了皇帝的平等对待，现在大家不分高下，争论更加激烈了。那些天，“言人人殊，纷若聚讼”，钦天监里，观象台上，天天吵吵嚷嚷，互相辩论讦难，争闹不休。
崇祯闻之，迅速决定，再次用实践检验，让各家在观象台上定高低。恰好这年李天经按西洋方法预测，从闰八月开始将有“五星凌犯”天象出现。崇祯皇帝很快下旨，让各家预测金、木、水、火、土五星凌犯准确时间，到时进行验证，然后定夺存废。
各家接旨，迅速行动，都动用了各自当时最具科技含量的高精尖设备。观象台上，日晷、星晷、壶漏、开隙暗室、测高仪、窥筒、图板、望远镜、水盆、圭表，遍地都是。试验场地，更是人来人往，忙忙碌碌，紧张异常。很显然，四家都极度紧张焦虑，因为大家都知道，这是各自理论和方案能否被政府采用的最后一次搏击。
这次检验从八月中旬开始，至九月中旬结束，历时一个月。皇帝所派官员，对照各家的预测，逐星进行检验。在这些时日里，四家科研工作者废寝忘食，夜以继日，经过了无尽的煎熬和焦虑，最终检验的结果是：西局的推算全部正确，其他各家均不准。至此崇祯无情宣布：大统、回回、魏文魁的方法废绌。
