《趣谈天体物理》的内容,最先来自于2007年春季我在美国访学时给研究生开设的研讨课程,当时美国相对论引力物理学界资深教授Richard Price对此给予了极高评价。从2007年开始,将该内容加入到南京大学天文学院研究生核心课程《恒星结构与演化》中。从2010年秋季结合中学生的理解力将内容重新整合,加入到天文学院一年级本科专业选修课程《天文学漫谈》和《初等数理天文》课程中。
课程是对部分天体物理内容的高度浓缩,充分运用了量纲分析的方法。
经历十年课堂教学锤炼,课程有以下特点:
1.知识高度浓缩,信息量大:覆盖了从planck尺度,到原子、行星、恒星、星系、宇宙不同层次的天文学研究对象,涉及部分经典物理、量子力学、相对论、宇宙学的知识,能够让学习者快速对天体物理学中的一些问题产生感性认识。
2.注重趣味性和严谨性:配有大量精美图片,内容绝非仅限于科普的层次,涉及较深的物理学和天文学知识,能够帮助学习者抓住某些天体物理问题背后的本质。
3.适合不同层次学习者的要求:以问题为导向,尽量用直观、浅显的方式讲解知识和解答问题,并将结合学习者的反馈,通过富文本或录屏方式增加相应内容。
4.注重培养探索精神:试图帮助学习者形成一定的去伪存真的科学评判力,以批判地眼光看待前人的工作,并尽量结合部分天体物理问题帮助学习者初步养成科学的思维方式,融会贯通地运用知识去解决问题。
本课程是对物质世界的尺度的旅行,希望让学习者感受自然科学的魅力,感受“Physics is simple but subtle”,为提高科学素养服务。
面向对天体物理学有兴趣,并试图去深度了解的学习者。
希望通过这门课程的学习,让学习者能体会科学的精神,感受自然科学的魅力,并初步尝试用科学的方法来解答部分天体物理问题。
每章节学习完成后,需要完成相应的测试题,共70题,总计70分。
最终课程学习结束后,需完成期末考试,共20题,总计20分。
随堂布置的课程讨论的参与表现情况,总计10分。
最终成绩即为每章节测试题与期末考试得分与课程讨论的参与表现情况成绩之和,60分及以上为合格,80分及以上为优秀。
第一周
第一讲:认识宇宙的历史
1) 趣谈天体物理总纲
2) 认识宇宙的历史
第二讲:“最小”与“最大”
1)德布罗意的波粒二象性给出Planck尺度
2)蚂蚁与橡皮绳悖论与可见宇宙
3)物理学的极大与极小
第二周
第三讲:稳定的结构
1) 稳定的结构
2) 氢原子
第四讲:行星
1) 自然界的物态
2) 行星上最高的山有多高?
3) 行星王国
第三周
第五讲:恒星
1) 星光由哪儿来
2) 恒星的质量限
3) 热核聚变反应
4) 恒星演化
5) 元素起源
第四周
第六讲:致密星
1) 恒星演化的残留
2) 白矮星
3) 中子星
4) 黑洞
第五周
第七讲:相对论简介
1) 狭义相对论
2) 广义相对论
3) 何时需要考虑相对论效应?
4) 几何
第六周
第八讲:星系
1) 银河系
2) 距离的测量
3) 宇宙岛,星系的国度
第七周
第九讲:宇宙
1) 奥伯斯佯谬
2) Hubble定律
3) 可见宇宙由多少物质构成?
4) 宇宙的将来
5) 宇宙的几何
6) 宇宙学红移
第八周
第十讲:漫漫长路
现有物理框架下的未知,21世纪的两朵乌云,暗物质与暗能量
具备高中以上数学、物理基础。
会根据学习者在学习过程中遇到的困难适当做些相应补充。
V. F. Weisskopf, Of atoms, mountains, and stars: A study in qualitative physics, Science, 187, 605, 1975
B.J.Carr & M. J. Rees, The anthropic principle, and the structure of the physical word, Nature 278, 605, 1979
W. H. Press & A. P. Lightman, Dependence of macrophysical phenomena on the value of the fundamental constants, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 310, 323, 1983,
T. Padmanabhan, Theoretical Astrophysics, V 1, Chap. 1 Order of magnitude estimates.
《千亿个太阳》,鲁道夫·基彭哈恩,湖南科学技术出版社,2018
《六个数-塑造宇宙的深层力》,马丁·里斯,上海科学技术出版社,2009