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## 天文学方法论

天文学方法论是人们认识自然和理解自然的方法的理论。如图是当代天文学各分支的框架图，轮廓性地展示了20世纪和21世纪之交天文研究的概貌。三角形框架的三条边代表当前普遍采用的三种不同的学科分类：①按研究对象分类。②按“观测工具”分类。③按“理性工具”分类。学科分类框架图三类学科的目标研究，得力于“观测工具”和“理性工具”的发展。而这两类工具的发展，又分别借助同时代的技术进步和同时代的基础科学，体现为与天文学交叉并应用于天文研究的技术，以及与天文学交叉并应用于天文研究的基础科学。两类“工具”在天文研究中相互结合（图中为虚线连接）。此外，在图中也给实用天文学设立了位置，它的每一项内容均可视为天文学中某一分支与一项实用研究的交叉。框架结构反映了天文学的发展规律，而学科的进展则反映在分支所设的条目及其内容的改变上。远古文明时期，天文研究的对象仅仅限于几个太阳系天体以及作为“天空背景”的几千个恒星，观测工具主要是人的眼睛，而理论工具则仅是萌芽时期的天体测量学。这三个方面一开始就各就各位，并随着时代的发展而不断充实、发展、变化，记载着天文学走过的古代科学漫长的旅程，直到17世纪前夕。天文学的发展中17世纪是划时代的。牛顿运动定律和万有引力定律的发现，宣告了现代科学的诞生。而天文学研究，从此越过了几千年来单纯追求太阳系天体运行的“唯象解释”，进入借助力学规律对包括太阳系天体在内的一切天体机械运动的“本质探明”。17世纪的另一个突破性事件发生在1609年，当时伽利略首次以手制望远镜观测天文目标，使得天文视野越过了肉眼聚光能力的局限，开始伸展向更加幽微因而也是更深、更广的宇宙空间。这次突破赋予了上述框架上的“光学天文实测手段”以新的意义：开始了世世求大、求精而且永不停息的各类天文望远镜的研制。这两次大突破启动了现代天文学凭借“观测工具”和“理性工具”发展的“两条腿走路”，开始以更快的节奏深入天文世界各个层次的不同领域，展开了各类科学目标的探索。这一进程历时400年，而这张框架图也就随着逐步扩展成了今日的组成。

### 作为一门自然科学的天文学

自然科学旨在认识自然，以发现和研究自然现象，探索和解读自然规律为目的。它的成果可应用于技术科学和技术的发展。天文学作为一门自然科学，同样也具有这样的基本性质。认识自然按深度可分为三个层次。第一是认识自然事物的表象；第二是认识自然事物表象的经验规律；第三是认识自然事物存在与发展的本质。对此，现代天文学发展的“第谷–开普勒–牛顿三部曲”可视为典型。历史上，太阳系天体运行的研究历2 000年到了第谷，第一层次的认识达到了相当高的精度；而开普勒定律所体现的第二层次上的认识，到现在仍堪称登峰造极。这两个层次的认识虽然跨越了历史的认知，但它还只能是“知其然而不知其所以然”，基本上是对一事一物（即对于描述太阳系天体运行）有效。只有到了牛顿时代，才把研究从物体之间相对运动的表象深入这种运动的物理本质。牛顿这时的工作起了双重作用：首先是牛顿把太阳系天体运动看成大自然在太空中演示的力学实验，并使之成为建立力学理论的依据（力学是物理学中最先被开拓的分支），他所发现的万有引力定律和力学规律，适用范围遍及自然界万事万物的力学关系。在这个过程中，牛顿把所建立的力学理论应用于解释太阳系的天体运动，使这个解释达到了“知其所以然”，也就是达到了第三层次的认识。这种三个层次的认识达成了现代意义上的科学认识。为了强调这一性质，以“第谷–开普勒–牛顿三部曲”为典型，采取如下表述：第谷型研究（第一层次）：实测发现——获取基本信息。开普勒型研究（第二层次）：信息发掘—— 创造经验模型（描述表象）。牛顿型研究（第三层次）：理论解释 —— 创造理论模型（描述本质）。这里借用大师的名字表明各个层次的分量，用“模型”的创建来代表对科学信息的梳理和解释。模型体现为理论构思与实测数据的拟合。但理论构思允许选择，而实测数据则受到技术方法的制约，具有不确定性。因此，一个科学模型实质的确立上是在具体条件下理论和实测的一种“最佳拟合”。拟合是用数学语言来表述的，因而能够作出推论以扩大认识，作出预测以接受验证。推论和预测，使科学认识在“理论模型”的层次上接受新的挑战。由于科技进步不断牵动理论能力和实测条件的提高，所以任何时候所建立的模型都会不断地面临着新的理论的挑战和实测的检验。历史表明，在科学发展中，不管什么样的挑战都能激励科学的奋进，而且每次“强挑战”的突破都会显著提高理论模型的权威性，还可能预示着科学的革命性进展。天体力学建立之后遇到的一次“强挑战”是1846年海王星的搜索，这次“强挑战”的突破，显示出牛顿力学体系的“威力”。另一次是1882年水星近日点进动超差值的确定，这是一次“不能解决的强挑战”，现在知道，它预兆着引力理论的大变革。

### 天文学“模型”的几个先验条件

建构天文学“模型”普遍认同的几条先验原则如下述，但不涉及哲学讨论。①认定宇宙间物质及所遵循的规律的统一性。这种统一性决定了可把发生在“天”上和发生在“地”上的自然现象视为一个整体互相印证；决定了可用自然科学规律来解释极其遥远的天文现象；决定了可用所掌握的天文知识来探索物理学和其他自然科学的基本规律。任何原则都要接受实测的考验。但当实测与已有的认识矛盾时，首先要检查、修正或改建“模型”，应把矛盾视为促使科学进步的挑战，统一性原则不要轻易放弃。②认定地球、太阳系、银河系在宇宙中不具有特殊优越的地位。这是“地心论”被抛弃后形成的观念，可将它推论到任何天区，即宇宙中的一切事物都不占有特殊的地位。这种观念符合宇宙学原理。进一步还可认为任何一类天文现象，不论在宇宙间什么场合，只要环境条件相似，演化时期相近，都会遵循相似的产生和发展的途径。人们可通过这种信念大规模测量和比较各类天体（恒星、星系）不同时期的样本，验证长以百万年乃至百亿年计的演化历程。数十年来探索“地外文明”之举，同样也是基于这种“信念”。③认定宇宙间物质的存在、组合和演变的无限性。这种认定的内涵是，任何时候在已被认识的天文现象之外，仍存在着需要人们去发现或深入了解的现象和规律（至少在可预见到的将来是如此）。这决定了天文观测手段的发展已成为天文学进步的原始推动，它往往超前于学科的发展。
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