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如何自学天体物理从高中到博士

本文转载自豆瓣原作者方和斐原文链接如何自学天体物理从高中到博士

经常听到人说我对天文简直太好奇了天文学家简直就是我的梦想职业啊但可惜时不我待岁不我与当年上学时只想着追求荣华富贵了留下了一辈子的遗憾

假设说这话的你已经具有高中的知识水平对神秘的宇宙充满了好奇感受到了洪荒之力在体内不断涌动预感到了天体物理冥冥中的召唤这时候你想你能不能借助万能的互联网自学成一个天体物理学专家呢

Well在这个知识共享的时代自己修炼成专家虽然不可能但学好基础知识做个合格的pre-doc还是可以的这个教程就是为这样的自我训练而准备的按顺序学完这个教程你就达到天体物理博士的预备水平了

“学完”的意思是提起任何一个知识点你都能在不查阅的情况下讲出来

大学低年级

你现在高中毕业拥有了初等数学的简单知识大概知道立体几何圆锥曲线导数和排列组合是怎么回事了但是——当然——这些都和科研用的数学没什么关系

你需要高等数学

  1. 微积分

作为高等数学入门先来点微积分吧微积分一般是两个学期的量正常教学大概一周68个小时按照一学期18个教学周计算需要250个小时学习时间

美式教材叙述不厌其烦细节满满厚厚的一大本太适合自学了

托马斯微积分9.4[美] Joel Hass [美] Maurice Weir [美] Christopher Heil / 2003 / 高等教育出版社

用另外一套也差不多原作者数学家通过卖这套书成为了亿万富翁

微积分上册8.9James Stewart / 2004 / 高等教育出版社

微积分下册评价人数不足史迪沃特 / 2004 / 高等教育出版社

如果美式教材太简单不能满足你的征服欲那么试试俄式教材它的难度高于天文本科的要求刷完这三本你可以自信地说自己“学完了”微积分

微积分学教程19.4Г.М.菲赫金哥尔茨 / 2006 / 高等教育出版社

微积分学教程29.5F.M.菲赫金哥尔茨 / 2006 / 高等教育出版社

微积分学教程39.5Г.М.菲赫金哥尔 / 2006 / 高等教育出版社

  1. 线性代数

古典的微积分结束之后再来点近一百年根据自然科学需要才发展出的数学一周6小时一个学期18大约100小时

既然是自学再来点讲解详细生动的美式教材

线性代数及其应用原书第59.6[美] David C. Lay [美] Steven R. Lay [美] Judi J. McDonald / 2018 / 机械工业出版社

另一本美式教材也行

线性代数原书第99.2[美] 史蒂文 J.利昂 著 / 2015 / 机械工业出版社

稍微进阶些的线性代数教材则有

线性代数应该这样学9.0Sheldon Axler / 2009 / 人民邮电出版社

  1. 编程语言

未来的科研无法离开编程从事模拟计算方向当然需要编程能力即便不需要计算机做繁重的工作编程画个图建个网站也是很常见的需求

在编程之前你需要先认识计算机是怎么回事计算机我们很常用但你可能对它各个部分的原理还没有具体了解这时候可以把这本书当科普浏览着看大约3050小时

深入理解计算机系统原书第39.7Randal E.Bryant David O’Hallaron / 2016 / 机械工业出版社

编程训练最好和线性代数并行因为线性代数里面有很多内容很符合编程思路低年级的编程是打基础型的训练所以要选一个“经典”的语言一门语言大约一周46课时一个学期18但可能要花一倍的课余时间写代码总共大约200小时你可以选一门学习比如C语言

C程序设计语言9.4Brian W. Kernighan Dennis M. Ritchie / 2004 / 机械工业出版社

或者C++

C++ 程序设计语言第 1 - 3 部分原书第 4 版9.4Bjarne Stroustrup / 2016 / 机械工业出版社

编程以实践为主通常来说这门课需要独立完成一个小项目比如贪吃蛇之类的小游戏

  1. 大学物理

你在高中里已经接触了一点物理了但那些物理定律基本没有提供过证明因为你没有学过微积分现在有了强大的数学工具你终于可以了解那些著名的物理名词了大学物理一周8课时两个学期各18共计约300小时

大学物理可以用一套合集性质的书来学习比如

费恩曼物理学讲义19.5Richard P. Feynman Robert B. Leighton Matthew Sands / 2005 / 上海科学技术出版社

费恩曼物理学讲义29.5Richard P.Feynman,Robert B.Leighton,Matthew Sands 莱顿 Matthew Sands / 2006 / 上海科学技术出版社

费恩曼物理学讲义 第39.6Richard P. Feynman Robert B. Leighton Matthew Sands / 2006 / 上海科学技术出版社

也可以用分册的书来学习比如

新概念物理教程.力学8.7赵凯华 罗蔚茵 / 20047月 / 高等教育出版社

新概念物理教程·热学8.8赵凯华 / 2005 / 高等教育出版社

新概念物理教程 电磁学(第二版)8.4赵凯华 陈熙谋 / 2006 / 高等教育出版社

光学/新概念物理教程8.2赵凯华 / 2004 / 高等教育出版社

新概念物理教程――量子物理8.1赵凯华 罗蔚茵 / 2008 / 高等教育出版社

大学物理按理来说需要配套实验课程那主要是为了培养规范的实验意识但自学没有实验室设备所以只能不做了——正好以后搞天体物理也基本不进实验室

  1. 英语

英语是科研界的通用语言尤其天文还是一个国际化的学科学英语的目标是能自如地用英语进行学术对话用英语进行论文和公文写作熟练地阅读英语教材和论文

这基本就是托福考试的目标所以可以直接使用托福教材一般来说备考托福高分的推荐学习时长是600小时跨度13

有时候英语会分成好几门不同的课散布在大学不同阶段省事起见下面一次性推荐完最具深度的参考书如果能背过全部的内容基本可以达到同龄母语者的学术语言水平

Oxford Guide to English Grammar评价人数不足John Eastwood / 1994 / Oxford University Press

Merriam-Webster’s Collegiate Dictio9.6Inc. Merriam-Webster / 2003 / Merriam-Webster

On Writing Well9.1William Zinsser / 2008 / HarperCollins Publishers, New

为未来去小语种国家做科研而准备的话还得再背一本小语种比如

THE OXFORD-DUDEN PICTORIAL SPANISH目前无人评价/ 1995 / 未定义出版社

  1. 天文学概论

这时候你对天文学只有个朦胧的意识对于未来能干什么还不是很了解所以你需要建立起一堆天文学的基本概念这时候概论类的课本登场了它们通常需要2学期36一周4个课时总共大约150小时比如

Fundamental Astronomy评价人数不足2017 / Springer

或者

Astronomy Today9.1Eric Chaisson Steve McMillan / 2007 / Pearson Addison Wesley

这套书有中译版按照章节分成了一册一册

今日天文 太阳系和地外生命探索9.5[美] 埃里克.蔡森 [美] 史蒂夫.麦克米伦 / 2016 / 机械工业出版社

今日天文 恒星从诞生到死亡9.5[美] 埃里克.蔡森 [美] 史蒂夫.麦克米伦 / 2016 / 机械工业出版社

今日天文 星系世界和宇宙的一生8.4[美] 埃里克.蔡森 [美] 史蒂夫.麦克米伦 / 2016 / 机械工业出版社

就这样在轻松愉快的氛围中我们不费吹灰之力只用不到1700小时就把低年级的课程给学完了

要知道在很多优秀大学低年级的大学生基本上也靠自学通过考试如果你想未来有资格申请一流大学的博士除了在上面说明的时间内完成学习之外你还需要找配套的习题集来做付出大约0.51倍课程时间以保证至少90%的课后习题正确率

学完基础课程具有了学习天文专业课的门槛资格后下面我们再学真正有专业意义的课程

大学中年级

和许多其它理工科一样天体物理也需要学习四大力学但这里说的四大力学和偏工程的专业有很大不同它们分别是

  1. 理论力学

理论力学是基于牛顿理论的经典力学和工科开设的这门课不同天文方向主要关注点不在刚体运动而在于哈密顿体系下的动力学学习这门课是未来学习天体力学星系动力学的基石课程安排是一学期18每周8小时共约150小时比较常用的教材有

经典力学8.7Herbert Goldstein / 2005 / 高等教育出版社

另外有两册深入浅出的德式教材我比较喜欢

经典力学9.5Walter Greiner / 2007 / 世界图书出版公司

经典力学评价人数不足Walter Greiner / 2008 / 世界图书出版公司

还有一册教材也可以参考着看看

经典力学 第5评价人数不足T.W.B.基布尔F.H.波克夏 / 2018 / 世界图书出版公司

如果想挑战一下难度可以用

力学9.6П.Д.朗道 Е.М.栗弗席兹 / 2007 / 高等教育出版社

  1. 热力学与统计力学

这门课可以和理论力学同期学习这是一门优雅而完善的学科它的框架自从创立后几乎不再改变未来在恒星物理中应用价值很大课时和理论力学一样是150小时

国内的教材一般分成两部分前半部分纯热力学视角后半部分纯统计物理视角所以这门课对应的教材也比较杂比较适合自学的教材有

Thermodynamics and an Introduction9.6Herbert B. Callen / 1985 / Wiley

还有从统计物理方面入手的

Statistical Physics of Particles8.7Mehran Kardar / 2007 / Cambridge University Press

Statistical Physics of Fields10.0Mehran Kardar / 2007 / Cambridge University Press

有一本中文课本也被广泛推荐

热力学9.5王竹溪 / 2014 / 北京大学出版社

我个人用德式教材很顺手这一套书是连续的

热力学和统计力学8.3Walter Greiner Ludwig Neise Horst Stöcker / 2004 / 世界图书出版公司

当然追求深度的话永远可以看看朗道

统计物理学 I第五版9.8Л.Д.朗道 Е.М.栗弗席兹 / 2011 / 高等教育出版社

  1. 数学物理方法

学完前两门力学后还要插入一门数学课这门课讲的是解物理题使用的数学技巧物理问题常常产生一些特殊函数和情景这些情景仅仅用微积分和线性代数是解决不了的物理学家需要借用前人数学家的求解办法如果不掌握这门课后续学习其它力学课会很吃力

这门课和四大力学需求的课时量相同一共150小时常用的课本有

Mathematical Physics9.6Sadri Hassani / 1999 / Springer

还有一本中文课本也适合自学可惜没有复变函数

数学物理方法9.7顾樵 / 2012 / 科学出版社

最后追求深度的话还有一套大厚书

Methods of Mathematical Physics (2评价人数不足Richard Courant D. Hilbert / 1989 / Wiley-Interscience

注意数学系也开这门课但和天体物理的侧重点是不一样的数理方法包含若干子领域如果你有特殊需求还得去学其中某个领域比如偏控制方法的领域可能需要学习傅立叶变换

Fourier Analysis9.7Elias M. Stein Rami Shakarchi / 2003 / Princeton University Press

  1. 电动力学

接下来是四大力学里相对略简单的一门——电动力学包含狭义相对论也就是电场磁场相关的科学因为天体的光就是电磁场这门课未来在天体辐射中应用很广课时安排依然是150小时这本教材被用得最多

电动力学导论8.4David J. Griffiths / 2014 / 机械工业出版社

德式教材也是有的

经典电动力学评价人数不足Walter Greiner / 2005 / 世界图书出版公司

在啃厚书之前可以先浏览一本薄薄的中文教材建立概念

电动力学简明教程8.0俞允强 / 2000 / 北京大学出版社

  1. 量子力学

四大力学只剩下最难的一门也是最为著名的一门说实话除非做某个特定的小领域比如极为理论化的高能天体物理量子力学在天体物理中应用很少这门课在未来主要作笑谈风生之用学的时候不关注哲学而关注数学技巧课时仍然是150小时用得最多的教材是

量子力学概论9.2大卫·J·格里菲斯 / 2009 / 机械工业出版社

另外一本有名的教材是

现代量子力学9.6J.J.Sakurai Jim Napolitano / 2011 / 世界图书出版公司

朗道也可以看但最好是用别的书大致学过第一遍后再来看

量子力学 非相对论理论 第六版9.6Л.Д.朗道 E.A.栗弗席兹 / 2008 / 高等教育出版社

德式教材也有

Quantum Mechanics评价人数不足Walter Greiner / 2000 / Springer

四大力学学完后可以用这本书再复习巩固一遍它是我国上世纪为突击培训恢复高考后第一批研究生而写的一册书串联了四大力学的所有内容

理论物理基础8.8彭桓武 / 2011 / 北京大学出版社

  1. 流体力学

四大力学结束了但物理部分的训练还没有结束流体力学在现代天体物理中应用很广从恒星到星系很多天体物理系统都可以作为流体看待课时比四大力学略少一点一周6课时一学期18大约100小时

个人觉得适合入门物理理念清晰流畅的课本有

普朗特流体力学基础8.6H.欧特尔 等 / 2015 / 科学出版社

中文的课本也可以用不过注意不要学成工科的流体力学了找教材的时候要找物理系的比如

流体力学(上册)8.4吴望一 / 198208月 / 北京大学出版社

流体力学下册8.4吴望一 / 1983 / 北京大学出版社

另外朗道也可以看

流体动力学 (第5版)9.6Л.Д.朗道 Е.М.栗弗席兹 / 2012 / 高等教育出版社

  1. 原子物理

你也许觉得既然学过了“高级”的量子力学就没必要学原子物理了这种思想其实是不对的这门课虽然从唯象的玻尔定律出发并未像量子力学那样追溯到最本质的底层过程但是却因此更为实用提供了简洁的计算方法课时安排和流体力学一样都是100小时

推荐的教材有

Atomic Physics9.1Christopher J. Foot / 2005 / Oxford University Press

还有一本祖师爷写的教材也适合入门

Atomic Physics评价人数不足Born, Max / 1989 / Dover Pubns

如果对特定的方向感兴趣也可以再看看相关的书比如核物理

Nuclear Physics in a Nutshell评价人数不足Carlos A. Bertulani / 2007 / Princeton University Press

如果你特别想搞清楚原子物理和量子物理之间是什么关系还可以看看这本书

原子和量子物理学7目前无人评价H.Haken H.C. Wolf / 2015 / 世界图书出版公司

  1. 光学

和摄影一样天文也是一门用光的艺术为了未来和望远镜这种光学仪器打交道你需要学一点比大学物理更深入的光学光学并不是一门难课课时安排同样是100小时难度略高的经典课本有

光学原理9.6马科斯·玻恩Born.M. 埃米尔·沃耳夫Wolf.E. / 2009 / 电子工业出版社

另外一本比较详尽的教材是

Optics9.0Hecht, Eugene / 2001 / Addison-Wesley

原子物理流体力学光学可以和四大力学并行学习

  1. 概率论与统计学

和四大力学并行还得加两门数学课如果要评出一个天文学家使用最广的数学工具那恐怕是概统无疑了天文常常和大数据打交道这类现实问题都需要用统计方法来分析未来会不断地重提所以打下一个好基础很重要一个周大约3课时一学期18大约50小时自学适合的课本有

概率导论 (第2·修订版)9.2[美] Dimitri P. Bertsekas [美] John N. Tsitsiklis / 2016 / 人民邮电出版社

或者

概率论导论翻译版9.2Joseph K.Blitzstein Jessica Hwang / 2019 / 机械工业出版社

以及麻省理工用的课本

概率统计9.3Morris HDeGroot Mark JSchervish / 2012 / 机械工业出版社

还有一本例子特别多的美式教材

概率论基础教程原书第99.1Sheldon M. Ross / 2014 / 机械工业出版社

国内有本特别针对天文的教材从概率论向外拓展了很多内容但似乎绝版了

天文测量数据的处理方法评价人数不足丁月蓉 郑大伟 / 1990 / 南京大学出版社

  1. 数值分析

如何使用计算机来处理数学问题也是一门学问叫做数值分析或者数值方法数值计算有很多物理问题不能解析解决必须要靠计算机来逼近解几乎所有现在还没解决的物理问题都是如此这门课在数学系也有开设基本内容差不多课时仍然是50小时常用的课本有

数值分析9.3索尔 (Timothy Sauer) / 2010 / 人民邮电出版社

还有一本内容不错但翻译不佳的教材

数值方法设计分析和算法实现8.1[美] 安妮·戈林鲍姆 [美] 蒂莫西 P.夏蒂埃 / 2016 / 机械工业出版社

这门课学习的时候要记得写程序来实现习题中的功能不要只停留在纸笔阶段

  1. Python编程

说到写程序你需要再学一门实用的编程语言天文界用的最多的是Python其次是IDL还有少数人用FortranPython的好处是现成的包很多社区支持很丰富而且有很多天文软件也是用Python写的有了C或者C++的基础学起来应该易如反掌课时大约一周3小时一学期1850小时

你需要先快速地翻一本入门教材搞清楚这门语言怎么讲

Python编程9.3[美]埃里克·马瑟斯Eric Matthes / 2020 / 人民邮电出版社

然后针对性地进行数据处理学习

利用Python进行数据分析8.6Wes McKinney / 2013 / 机械工业出版社

和学习任何一门编程语言一样Python一定要做一些实际的项目比如爬虫等天文里面常用的库如AstropyScipy最好也尽早熟悉起来

这门课是天文系提供的最后一段编程训练也许你觉得这样的基础太浅层了——我还不会算法网络机器学习等一大堆东西呢那么恭喜你悟到了一个世界的残酷真相——天文学家写的代码都是垃圾计算机科学第二专业欢迎你

  1. 实测天体物理

天文是观测的学科实测方法就是搞懂望远镜是如何得到数据并最终处理出天文观测结果的这里所说的望远镜观测不是爱好者的那种商用级别拍摄而是使用配备CCD激光导星自适应光学狭缝光谱仪甚至原子钟和杜瓦瓶的现代大型地基和空间望远镜有复杂的数据处理流程

这门课大约100小时一周6节课一学期18个周国内引入的好教材有

天体物理方法8.8基钦 / 2009 / 科学出版社

另一本书覆盖范围更广可以用作辅助

观测天体物理学评价人数不足皮埃尔·莱纳 丹尼尔·鲁昂 弗朗索瓦·勒布伦 弗朗索瓦·米尼亚尔 / 2015 / 中国科学技术出版社

这门课按理说需要和实测同步进行即去学校里的天文台进行实际观测然后处理数据写实验报告主要目的是建立天文观测的感觉但自学没有观测条件好在许多国外网站公布了观测数据拿来玩一下也可以

这样仅使用不到1300小时我们就学完了大学中段的课程不过这个阶段大部分课程需要比较多课后反刍大概相当于1-1.5倍课程时间

你也许感受到了这部分学习安排的进度要比一开始学微积分时快很多这是因为我们必须要求自己学习的效率随着训练量不断提升不能一直停留在同样的水平

大学高年级

也许你有些纳闷儿我们接触的天文课怎么这么少别着急剩下的都在本科高年级才教呢打下物理基础之后我们终于可以进入天体物理的广泛领域了

在大部分学校本科高年级可以选修一些研究生课程不过其中只有一部分适合本科学习比如

  1. 天体力学

天体力学是天文的经典分支它把天体当作力学系统看待从而求解其运行轨道的规律这门课程是研究人造卫星小行星彗星的必备知识这门课一周6课时一学期18共计大约100小时

高年级阶段许多老师都倾向于自己制作课件成熟的教材比较难找自学入门可以阅读这本书

Fundamentals of Astrodynamics评价人数不足Roger R. Bate Donald D. Mueller Jerry E. White / 1971 / Dover Publications

还有一本内容较深的教材供参考

Fundamentals of Astrodynamics and A评价人数不足David A. Vallado Wayne D. McClain / 2007 / Microcosm Press/Springer

这门课的中文课本不多只能挑拣着看比如这本书缺少证明过程但可以作为提纲挈领之用

现代天体力学导论评价人数不足孙义燧周济林 / 2008 / 高等教育出版社

  1. 球面天文学

从地面上看起来天体就像附着在天球上运动球面天文学研究的正是观测天体的视觉效应也就是天文参考系的问题这是一门古老的学科我国至少在春秋时期就已经建立起了成熟的天球参考系

这门课同样需要100小时也同样没有丰富的教材可供挑选几乎唯一一本中文本科教材是

球面天文学评价人数不足夏一飞 黄天衣 / 1995 / 南京大学出版社

国外的教材有两本推荐一本比较新近的教材是

Spherical Astronomy目前无人评价Green, Robin M. 编 / 1985

还有一本较老但是内容更丰富

Textbook on Spherical Astronomy评价人数不足Smart, W. M.; Green, Robin Michael; / 1977

从研究天文的角度来说这些书中航海定位的部分是不太重要的反而篇幅更少的银道坐标系变换更加重要

因为缺乏这方面的教师大部分物理系下属的天体物理方向并不会专门开设天力和球面课程而是挑出其中的基础内容放到天文学概论或者理论力学课程中在高年级课程中不同课程之间略有重合很正常

  1. 理论天体物理

原则上来说理论天体物理提供的是比“天文概论”更深一层的天文知识不过天体物理这个领域非常宽广单单一堂课显然不足以涵盖因此这门课具体讲什么往往就由讲授者的专长决定这在教材中也有所体现比如这本教材偏重致密星

天体物理导论8.1徐仁新 / 2006 / 北京大学出版社

要想学好这门课大约需要一周8小时一学期18也就是总共150小时另一本常见教材是中科院曾经的考研教材各章节分布均匀你会发现书中同时用到了四大力学的知识

天体物理学第二版评价人数不足李宗伟 肖兴华 / 2012 / 高等教育出版社

如果上面两本书对你来说太难可以先用另一本过渡一下

天体物理学评价人数不足Dan Maoz / 2013 / 世界图书出版公司

从自学的角度来说教材越详细越好比如这本书难度介于概论和专著之间很值得从头到尾看一遍

An Introduction to Modern Astrophys9.5Bradley W. Carroll Dale A. Ostlie / 2006 / Benjamin Cummings

硬要挑战难度的话可以钻研印度人写的这套大全集这套书显然超出了本科的水平但浑然一体角度独特

Theoretical Astrophysics目前无人评价Padmanabhan, T. / 2002

Theoretical Astrophysics目前无人评价T. Padmanabhan / 2001 / Cambridge University Press

Theoretical Astrophysics目前无人评价Padmanabhan, T. / 2000

  1. 广义相对论

学完了理论天体物理你就已经了解一点儿广相了但再学一门单独的课会更扎实些通常来说天文系开设的广相比数学系或者物理系简单适合初步自学的教材有

Einstein Gravity in a Nutshell9.5A. Zee [美国] 徐一鸿 / 2013 / Princeton University Press

另外一本也适合入门的薄书

广义相对论引论(第二版)8.2俞允强 / 2004 / 北京大学出版社

还有一本祖师爷写的小册子

广义相对论9.4狄拉克 / 2011 / 世界图书出版公司

还有一本亲切的小书值得一看它采取讲稿的形式更着重思维方式的说明

广义相对论入门评价人数不足Robert Geroch / 2019 / 世界图书出版公司

入门之后真正的学习需要一周6课时一学期18总共大概100小时常用的教材有

Gravity9.6James B. Hartle / 2003 / Addison-Wesley

或者稍微深一点的

引力和宇宙学——广义相对论的原理和应用9.8[美]S. 温伯格 / 2018 / 高等教育出版社

抑或

General Relativity9.3Robert M. Wald / 1984 / University of Chicago Press

此外还有一本书对数学工具的介绍比较全面

Introducing Einstein’s Relativity评价人数不足Ray d’Inverno / 1992 / Clarendon Press

另一本书在场方程之前的部分铺垫很充分

广义相对论基础教程9.0Bernard F.Schutz / 2011 / 世界图书出版公司

现在的热点物理方向则可以看

引力:基础与前沿评价人数不足帕德马纳班 (T.Padmanabhan) / 2013 / 北京大学出版社

在天文里广义相对论常常与宇宙学黑洞致密星结合起来讲比如这本较新的书里面特别提到了引力波

General Relativity and its Applicat评价人数不足Valeria Ferrari Leonardo Gualtieri Paolo Pani / 2020 / CRC Press

以上这些书不是每本都要看2-3本对照着学就可以

  1. 宇宙学

熟悉了广义相对论宇宙学就学了一半了所谓宇宙学就是研究宇宙整体的诞生和演化以及大尺度结构的形成问题这门课大约也需要100小时

上面提到的一些广相教材其实已经可以算作宇宙学参考书不过还有更专门的

宇宙学8.9[美]Steven Weinberg / 2013 / 中国科学技术大学出版社

如果需要从简单入手可以先浏览这部书它的三分之一篇幅都是历史和科普

宇宙学9.1爱德华·哈里森 / 2008 / 湖南科学技术出版社

稍深入一点的

Introduction to Cosmology9.6Barbara Ryden / 2002 / Benjamin Cummings

然后用这本书作为难度适中的主要学习资料

现代宇宙学9.0Scott Dodelson / 2008 / 世界图书出版公司

关于大尺度结构问题还可以看这本更详细的教材

宇宙大尺度结构的形成评价人数不足向守平 冯珑珑 / 2010 / 中国科学技术出版社

如果你对某个特殊的问题感兴趣还可以看看对应的教材比如暗能量

Dark Energy评价人数不足Luca Amendola Shinji Tsujikawa / 2010 / Cambridge University Press

  1. 星系物理

接下来我们关注稍微小些的尺度宇宙的组成单元——星系这门课主要讲解星系的演化和形成包括恒星在星系内部是怎么运动的星系如何分类等等星系宇宙学是现代天体物理的显学大约占全部研究力量的一半接触这门学问之前可以先看看科普

星系与星际边缘8.0[美]威廉·H.沃勒 [美]保罗·W.霍奇 / 2009 / 外语教学与研究出版社

在这门100小时的课上经常用的本科教材是

宇宙中的星系7.0L.S. Sparke J.S. Gallagher / 2010 / 中国科学技术出版社

但这本书写得有些混乱翻译也一般还有本教材也不错但现在用的学校较少

星系天文学8.3宾尼Binney,J. 梅里菲尔德Merrifield,M. / 2004 / 中国科学技术出版社

学这门课的同时最好用另一本更难更厚的书来做参考这本书称得上大名鼎鼎

Galaxy Formation and Evolution9.3Houjon Mo Frank van den Bosch Simon White / 2010 / Cambridge University Press

另外一本参考书也不错相比于上一本更简洁些

Galaxies and Cosmology目前无人评价Combes, Francoise; Boisse, Patrick; Mazure, Alain

  1. 行星科学

行星科学研究的是行星和其它小天体有时候特指太阳系内是天文学里唯一“摸得着”的门类这门课大约也需要100小时

行星科学日新月异有很多新鲜进展特别是近几十年内宇航探测器得到的结果这本参考书被国外广泛使用前面有一小部分和天体力学重合

Planetary Sciences目前无人评价Imke de Pater Jack J. Lissauer / 2010 / Cambridge University Press

另一本经典教材则关注天体的物理化学性质出版日期更老一些是麻省理工曾经的本科课本

太阳系物理与化学目前无人评价刘易斯 (J.S.Lewis) / 2014 / 北京大学出版社

  1. 射电天文学

射电天文讲授的是使用波长在毫米级以上的射电波段观测宇宙这是二战后兴起的前沿方向总共需要大约100课时这门课会不会成为一门独立的课程往往取决于学校的师资力量有时候作为实测天体物理的后半部分常用的课本有

Essential Radio Astronomy评价人数不足James J. Condon Scott M. Ransom / 2016 / Princeton University Press

或者

An Introduction to Radio Astronomy评价人数不足Burke, Bernard F.; Graham-Smith, Francis; / 2009

还有一本同样常见但更适合用来查阅的教材

射电天文工具评价人数不足K.Rohlfs T.L.Wilson / 2008 / 北京师范大学出版社

目前最强大的射电观测方法是干涉阵列以上书中对这部分介绍都很少需要看这套专门教材

射电天文干涉测量与综合孔径上册目前无人评价科学出版社

射电天文干涉测量与综合孔径下册目前无人评价科学出版社

射电课程最好也结合观测实操但有自己射电望远镜的大学不多更别说自学了好在射电望远镜可以自己搭建和无线电爱好者搞的小电台有点类似

  1. 天体物理前沿

大部分学校在高年级会开设一门讲座性质的课程不同学者轮番介绍自己领域的情况方便学生挑选以后的研究方向这需要讲者很熟悉近十年内的领域发展总共讲大约50小时一周3小时一学期18

自学情况下当然没有这个条件但有一套中文书可以起到类似作用它以论文综述的形式大致介绍了国内不同课题组的专攻方向

现代天体物理评价人数不足陆埮 / 2014 / 北京大学出版社

现代天体物理评价人数不足陆埮 / 2014 / 北京大学出版社

  1. 天文学史

天文学史在国内是个小众的学科比天体物理还要小众很多从业人数只有不到后者百分之一大部分学校很难开起来这门大约50学时的课程没人学但如果开设用的书往往有

中国天文学史9.3陈遵妫 / 2006 / 上海人民出版社

剑桥插图天文学史8.7米歇尔·霍斯金 / 2003 / 山东画报出版社

有时候这门课程会成为科学史课程的一部分同时要学一些更社科哲学的著作比如

科学史与科学哲学导论9.0约翰·A. 舒斯特 / 2013 / 上海科技教育出版社

或者更专门的

科学革命的结构9.0[美]托马斯·库恩 [美]伊安·哈金 (导读) / 2012 / 北京大学出版社

你可能会觉得和前面的数理类课程相比这些书籍的难度简直相当于消遣不过它通常有很大的阅读量要求天文方面的课外书比如

哥白尼革命9.3托马斯·库恩 / 2020 / 北京大学出版社

还有相关会议研讨集

中外物理学精品书系·天文学革命评价人数不足唐纳德·G·约克 (Donald G.York) / 2013 / 北京大学出版社

以及故事性更强的

宇宙的世纪8.0(英) 朗盖尔 / 2010 / 湖南科学技术出版社

常见的本科课程到这里就画上句号了

不到1000小时我们就学完了大学高年级的课程四年加起来我们一共学习了4000个小时折合每年1000小时一天只要3个钟头

当然这些课程实际还需要至少等长于上述时间的课后训练所以总时间还要翻一倍

现实来说在所有这些数理课程里你需要一直维持85%以上的考试正确率才能保障未来拥有科研机会但是自学不需要考虑那么多繁文缛节假设我们一眨眼就通过了申请毕业流程成为了一名光荣的天文学学士下面迎来的是更依赖自学的研究生课程

研究生阶段

这个阶段寻找教材方便了许多因为天文台的图书馆也对你开放里面都是天文的专业书籍比如下面这几座美丽的天文图书馆

匹兹堡大学Allegheny天文台图书馆

美国海军天文台图书馆

意大利Arcetri天文台图书馆钢琴是爱因斯坦所赠

雅典天文台图书馆

哈佛Haveford学院天文图书馆

英国皇家天文学会图书馆

不过普遍来说研究生课程无关紧要在这个阶段重要的是科研而不是分数开设的课程也随学校不同而有很大区别下面这些算是常见的课程

  1. 辐射过程

天体的辐射光芒从何而来如何在宇宙空间中传播这门课是研究天体物理的基本功因为必须知道星光在传播途中的变化才能从看到的结果推测天体的本质一周8个课时一学期18大约150小时

课程中大量用到电动力学和狭义相对论常用的课本为哈佛的研究生教材

Radiative Processes in Astrophysics8.7George B. Rybicki Alan P. Lightman / 1985 / Wiley-Interscience

有本中文课本和它类似可以参考着看

天体物理辐射机制7.6尤峻汉 / 1998 / 科学出版社

如果对轫致辐射特别感兴趣可以看看这本书对应天文的章节

轫致辐射基本过程目前无人评价2012 / 北京大学出版社

  1. 星系动力学

这门课是研究生阶段公认的难课讲的是星系内部的物质分布以及它们如何运动大量涉及理论力学授课大约150个小时可用的教材只有一本

星系动力学8.9詹姆斯.宾尼 / 2005 / 上海科学技术出版社

  1. 恒星物理

这门课有时候放在本科高年级同样是一周8课时一学期18共约150小时严格来说恒星物理分为恒星内部结构和恒星大气两部分应该分成两门课这门课可选的教材很多最齐全的是华盛顿大学教授写的三卷本包含恒星的观测结构演化

Introduction to Stellar Astrophysic目前无人评价Bohm-Vitense, Erika / 1989

Introduction to Stellar Astrophysic目前无人评价Bohm-Vitense, Erika / 1989

Introduction to Stellar Astrophysic目前无人评价Bohm-Vitense, Erika / 1992

另一本书也较有名是三体电视剧里叶文洁推荐给李淼的

恒星结构与演化(第2版)(英文影印版)评价人数不足基彭汉 (R.Kippenhahn) 魏格特 (A.Weigert) 魏斯 (A.Weiss) / 2014 / 北京大学出版社

恒星结构应当和恒星大气结合起来看下面这本书介绍了不少观测手段尽管少数技术已经过时但瑕不掩瑜

The Observation and Analysis of Ste评价人数不足David F. Gray / 1992 / Cambridge University Press

国内用得较多的教材是云南天文台老院士写的公式推导思路不同寻常可以带来很多启发

恒星物理8.4黄润乾 / 2006 / 中国科学技术出版社

下面这本和上面相似但语言描述丰富颇有文采

恒星结构演化引论评价人数不足李焱 / 2014 / 北京大学出版社

南大院士夫妻写的这本可以参考其中重复的辐射转移部分可以省略

恒星大气物理评价人数不足汪珍如 曲钦岳 / 1993 / 高等教育出版社

还有一本祖师爷的书也值得一看

Introduction to the Study of Stella评价人数不足Subrahmanyan Chandrasekhar / 1973 / Dover Publications

  1. 高能天体物理

这门课的特殊之处其实是探测手段因为X射线和伽马射线不能用普通的望远镜探测它包含了很多不同的领域小至宇宙线双星大至类星体以及高能辐射的观测技术所以相关的著述也相当多在这门100个小时的课程里常用的课本有

High Energy Astrophysics评价人数不足Malcolm S. Longair / 2011 / Cambridge University Press

还要再加上这本活动星系核领域著作

The Physics and Evolution of Active评价人数不足Netzer, Hagai

在中文领域有几本书可圈可点一本是AGN领域先驱之一写的教材他是爱丁顿的徒孙

类星体与活动星系核评价人数不足黄克谅 / 2005 / 中国科学技术出版社

另一本是由命名了小行星的老科学家写的

X射线天体物理学评价人数不足周又元 / 199901月 / 科学出版社

另外一本引进教材也可参考着看看

甚高能宇宙伽马辐射目前无人评价阿哈隆尼安 / 2012 / 北京大学出版社

  1. 星际介质

国内很少有学校开这门课这实在是一种缺憾星际介质是现在十分热闹的方向为未来科研考虑应该花100课时学一下这个领域一本必读书是

Physics of the Interstellar and Int评价人数不足Bruce T. Draine / 2011 / Princeton University Press

基本上涵盖了方方面面专门针对尘埃还有一本不厚的小书

宇宙尘埃目前无人评价斯瓦米 / 2012 / 北京大学出版社

从观测角度出发还有一本很实用的教材

天体物理中的微波谱线诊断评价人数不足曾琴 / 2006 / 中国科学技术出版社

理解星际介质研究需要结合原子物理这本书写得简洁清楚

天体光谱学评价人数不足Jonathan Tennyson / 2006 / 复旦大学出版社

最后如果你有志研究太阳系内的物理也许对等离子体有特别的兴趣

等离子体天体物理学,第一部分目前无人评价索莫夫 / 2012 / 北京大学出版社

等离子体天体物理学,第二部目前无人评价索莫夫 / 2012 / 北京大学出版社

  1. 天文望远镜

即便不是从事望远镜建设工作天文观测者也应该多少懂点望远镜这样才能更好地理解自己得到的数据并不至于在观测站一无所知这种了解无需太深大约50小时即可下面这本书是一部光学方面的煌煌巨著

天文望远镜原理和设计评价人数不足程景全 / 2020 / 南京大学出版社

可以结合这本书加深理解

天文望远镜光学系统目前无人评价王亚男 / 中国科学技术出版社

而在射电方面这本书稍微拓展了射电天文学的范畴

射电望远镜评价人数不足[澳] W. N. 克里斯琴森 [瑞典] J. A. 霍格玻姆 / 1977 / 科学出版社

这本书可以用来纵览

天文望远镜原理和设计——-射电红外光学X射线和R射线望远镜评价人数不足2003 / 中国科学技术出版社

有的学校会把空间天文作为一门专门的课程但它的特殊性其实也仅在于观测仪器飞在太空里而已这本书详尽叙述了世界历史上各个空间天文设备以及它们取得的成果

从太空看宇宙:空间天文学目前无人评价陕西人民教育出版社

  1. 天体测量学

另一个和实际应用密切相关的是天体测量学即测量天体位置的方法大约需要100小时学习基础教材和球面天文颇有些相似几乎可以通用

天体测量学导论评价人数不足赵铭 / 2012

更精确的天测则要考虑到相对论

相对论天体力学和天体测量学评价人数不足[德] 迈克尔·索菲 韩文标 / 2015 / 科学出版社

另外天体力学还有事关空间安全的用途

人造卫星与空间碎片的轨道和探测目前无人评价吴连大 / 2011

  1. 核天体物理

这门课有两个称呼核天体物理或粒子天体物理大约要花100小时本质上来说它关注发生在星体上的核物理过程那里是粒子物理的新实验室这个领域有一本非常经典的著作它诞生的年代还只有打字机后来经过了重版

Stellar Evolution, Nuclear Astrophy目前无人评价Cameron, A. G. W. / 2013

另一本重要的著作是

Cauldrons in the Cosmos评价人数不足Rolfs, Claus E./ Rodney, William S. / 1988 / Univ of Chicago Pr

以及

An Introduction to Nuclear Astrophy目前无人评价Boyd, Richard N. / 2008 / Univ of Chicago Pr

核物理可能会激起你对致密星的兴趣比如

Compact Stars目前无人评价Glendenning, Norman K. / 2000

在致密星方面国内有一本详尽描述脉冲星理论和实测的教材也很好

脉冲星物理评价人数不足吴鑫基 乔国俊 徐仁新 / 2018 / 北京大学出版社

  1. 计算天体物理

这门课有时候在本科开设关注的是怎么用计算机解决天体物理问题一周6课时一学期18总共大约100小时课程目标听起来可能和数值分析有点像但更专注于天体物理领域一本圣经一样的书是

Numerical Recipes 3rd Edition9.5William H. Press Saul A. Teukolsky / August 2007 / Cambridge University Press

学完之后可以用这本书练练手

Computational Physics评价人数不足Mark Newman / 2012 / CreateSpace Independent Publishing Platform

并看看天体物理里的实例

Astrophysics Through Computation评价人数不足Koberlein, Brian; Meisel, David; / 2013 / Cambridge University Press

  1. 贝叶斯分析

这个教程以一门数学课结束也许有些令人意外但毫无疑问贝叶斯分析在现代天体物理数据分析中极为常见已经成了所有研究生的必修课一周6课时一学期18总共大约100小时最常用的课本仍然是麻省理工的

贝叶斯数据分析9.0Andrew Gelman John B. Carlin Hal S. Stern David B. Dunson Aki Vehtari Donald B. Rubin / 2016 / 机械工业出版社

研究生阶段所有课程加起来大约1100个小时有个好处是这些课程大部分是了解性质的几乎不需要课后刷题这样算来从高中毕业水平一直念到研究生水平大约需要9000个小时的学习时间

必须要说明这些知识的学习仅仅是科研生活的一部分甚至是相对不重要的一部分但学习知识本身也能给我们带来深深的幸福

这个教程既是自学的指南也是半只脚踏入行业的知识复习提纲也许你觉得这个教程实在太长难以完成但相信我每个科学家都觉得自己还差太多没学就像温伯格说的我们不能等到在岸上学会了游泳再下水我们必须一边做科研一边挣扎着抓取新的知识重要的是开始行动