大學想讀天文和天體物理？高中 AP/IB 該如何選課？

大家好，之前有幫老師做過一個(ge) 暑期的助教。這周一，我還在學校寫(xie) 作業(ye) 時，收到老師發的微信，他給我發了幾條科普短視頻，講的是近期成功發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。

“這些科普短視頻，靠譜不？幫我學生家長問一下。他們(men) 的孩子想在大學讀天體(ti) 物理和天文學。”

“有一些用詞不是很準確，但是大部分是靠譜的，可以作為(wei) 天文學入門學習(xi) 資料。”

“聽說你以後博士論文，打算寫(xie) 詹姆斯·韋伯望太空遠鏡？”

“差不多可以這麽(me) 說。確切地說是，我博士階段打算做與(yu) 星係有關(guan) 的課題，所以詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope，簡稱 JWST）會(hui) 對我的研究很有幫助。”

“我看這次 JWST 發射，在你們(men) 天文學界以及天文愛好者群體(ti) 裏，產(chan) 生了很大的影響。許多媒體(ti) 還說，JWST 比哈勃望遠鏡要強大很多。是真的麽(me) ？你用通俗的語言給大家講講，JWST 對天文學有什麽(me) 意義(yi) ？”“你定義(yi) 一下「通俗的語言」。”

“就是不能出現數學公式，以及盡量少用術語。”

“好的，難不倒我。讓我先從(cong) 一個(ge) 重要知識點，太空望遠鏡的太空開始講。”

“你高中也是讀國際學校的，那你順便也詳細講講，如果讀美本時想讀天文學或天體(ti) 物理專(zhuan) 業(ye) ，高中應該怎麽(me) 選課——尤其是 AP 和 IB 課程體(ti) 係的選課，家長們(men) 很關(guan) 心這個(ge) 話題。”“好的，包在我身上。”

發射前的 JWST
為(wei) 什麽(me) 要把望遠鏡，發射到天上？就放地上，放高山上，不好嗎？

不那麽(me) 好。

因為(wei) ，地球大氣層會(hui) 影響天文觀測。所以，我們(men) 要把望遠鏡發射到大氣層以上，以外。也就是說，將望遠鏡發射到天上，最主要的原因，是讓望遠鏡擺脫地球大氣層對天文觀測的影響。

先說第一個(ge) 影響。你肯定看過天上的星星吧？我們(men) 看到夜空中的星星，像眨眼睛一樣一閃一閃。這是因為(wei) ，空氣流動對穿過大氣層的光線產(chan) 生了擾動——這樣的擾動會(hui) 模糊望遠鏡中的成像，從(cong) 而導致分辨率的降低（也就是看不清觀測對象的細節）。

相比之下，如果望遠鏡“上了天”，“掙脫了”大氣層，那麽(me) ，它所觀測的光，就不需要穿過大氣層，大氣擾動也就不存在了，分辨率便可以提升上來。

用最通俗的語言來講，對於(yu) 同一個(ge) 望遠鏡來說，太空中的，要比地麵上的，看得更清楚（“站”得更高，“視力”更好）。

再說第二個(ge) 影響。這裏，你需要回憶一些簡單的初中物理學知識。

關(guan) 於(yu) 光的知識。

按照波長來分類的話，光大致可以分為(wei) 伽馬射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波這七個(ge) 波段。

source：https://imagine.gsfc.nasa.gov

對於(yu) 我們(men) 觀測者來說，肯定希望這些波段，我們(men) 都能“捕捉”到。

但是，地球的大氣層還是會(hui) 來搗亂(luan) 。具體(ti) 來說，大氣層會(hui) 吸收其中一些波段的光，阻止它們(men) 到達地麵。

比如，JWST 所觀測的紅外波段中的一些光，因為(wei) 大氣層中水蒸氣的存在，就無法到達地麵。

所以，我們(men) 就隻能將 JWST 望遠鏡發射到大氣層外（也就是讓它“上天”），才有機會(hui) 收集到這些波長的光。

當然了，地球表麵也有很多望遠鏡（地基望遠鏡）。我剛剛介紹太空望遠鏡時說的那些話，會(hui) 讓人覺得地基望遠鏡似乎是“次品”，似乎作用不大。

並不是這樣的。太空望遠鏡（比如 JWST 望遠鏡和哈勃望遠鏡）和地基望遠鏡，這兩(liang) 類望遠鏡的工作任務，除剛剛提過的波長影響外，沒有很大的區別。

這兩(liang) 類望遠鏡可以互相配合地工作，從(cong) 而確定（“交叉驗證”）某個(ge) 天文觀測結果的可信度。

 JWST 和哈勃望遠鏡，誰更強？

老師說，他第一次聽說哈勃望遠鏡，是在一部好萊塢科幻片裏。的確是這樣的。我們(men) 在很多好萊塢大片裏，都能看到編劇和導演們(men) 酷愛的各種科技符號，比如麻省理工學院和哈勃望遠鏡。

似乎什麽(me) 劇情裏有什麽(me) 科研問題解決(jue) 不了，丟(diu) 給麻省理工 (MIT) 的某個(ge) 科學怪傑，這人靈機一動，棘手的科研問題就解決(jue) 了，劇情也得以發展。

其實這種編劇套路並不能反映真實的科研世界。

MIT 的確很強，但真正的科研並不是這樣的“單打獨鬥，一蹴而就”的故事。真正的科研，是某個(ge) 科學家在前人成果的基礎上，提出一個(ge) 好問題後，一大群科學家合作解決(jue) 問題的艱苦過程。

好萊塢電影裏還有一個(ge) 常客，就是哈勃太空望遠鏡，似乎隻要用它“照一照”，天文學家在鍵盤上隨便 sdfgasfjhg 按幾個(ge) 鍵，電腦就能迅速看到某個(ge) 遙遠星球的樣子。

哈勃望遠鏡沒有這麽(me) 強啦。

我不是說哈勃望遠鏡不強，我是說，它沒有電影裏那麽(me) 強。我們(men) 學天文學的各種知識，肯定得客觀，不能被電影劇情影響了判斷。

哈勃望遠鏡的“繼任者”是 JWST 望遠鏡。許多媒體(ti) 也在說，JWST “完爆”哈勃。

的確，JWST 的鏡麵半徑，要比哈勃的大3倍左右，這就意味著它可以看到哈勃所看不到的更暗（並且一般來講，更遠）的天體(ti) 。

但單從(cong) 這個(ge) 角度來看，就說 JWST 要比哈勃強大，是不準確的。為(wei) 什麽(me) 呢？因為(wei) 兩(liang) 者的工作波段不同。

哈勃的觀測波段為(wei) 近紫外，可見光，和近紅外（也就是人眼可以看到的光，加上一丟(diu) 丟(diu) 紫外線和一丟(diu) 丟(diu) 紅外線）。

相比之下，JWST 的觀測，全部在紅外波段。

在多波段觀測天文學盛行的今天，至少在哈勃退役之前，兩(liang) 者更是相輔相成的關(guan) 係。是的，哈勃望遠鏡還沒有退休。JWST 的成功發射，並不意味著哈勃望遠鏡的立即退休。

當然了，作為(wei) 哈勃望遠鏡的繼任者，JWST 自然有它的優(you) 勢。

通過更深入的紅外波段的觀測，JWST 讓人類有可能看到宇宙發出的第一縷光、形成的第一顆恒星、和第一個(ge) 星係。而這些，是哈勃所做不到的——這其實也是JWST最初被設計的原因：為(wei) 了看到更暗、更深、更古老的宇宙。

說了這麽(me) 久的哈勃望遠鏡和 JWST ，我還想邀請大家更多關(guan) 注中國的天文學發展。這些年，我們(men) 國家的射電天文學取得了許多不錯的成果。

但是，我們(men) 必須承認，國內(nei) 在光學望遠鏡和空間望遠鏡的研發領域，都還落後國外很多年。

在這些天文研發領域，國外擁有優(you) 勢，不僅(jin) 有光學儀(yi) 器上的，同時還有工程學上的，比如將望遠鏡和遮罩完全折疊，並完美展開，以及能夠準確將這台望遠鏡送入L2點（拉格朗日點）的絕對把握。

在這些天文學研發領域，我們(men) 國家正在迎頭趕上。我國預計在2024年發射的“巡天”空間望遠鏡，非常值得大家的期待。

當然了，中國天文學要想進一步縮小差距，還需要更多的資金投入，以及更多的天文學人才。

期待正在閱讀這篇文章的你，能考慮在大學加入天文學的大家庭。

如果想在大學讀天文學，高中需要做什麽(me) 準備？

國內(nei) 有許多大學，在天文學領域都是科研佼佼者，比如北京大學、南京大學、清華大學和廈門大學等。

如果你現在讀的是國際學校（比如 AP 或 IB 課程體(ti) 係），想去國外讀大學，再回國幫助推動天文學的發展，也是一個(ge) 不錯的人生規劃。

如果你想出國讀天文學，你在高中可以在選課和課外活動上，做這些側(ce) 重。

先說高中選課。以 AP 和 IB 體(ti) 係為(wei) 例，高中在選擇 AP 課程的時候，Calculus AB 和 BC 是一定要選的，Physics 1/2/C 也是要學一學的，如果可能的話 Chemistry 也去學習(xi) 一下。

如果是 IB 係統的話，Math HL，Physics HL 應該是最重要的兩(liang) 門課了，畢竟天文的基礎是物理和數學。

再說高中課外活動。我推薦參加些數學和物理的社團，還可以做一些博物館的誌願，甚至參與(yu) 一些天文類的活動，比如天文攝影，天文競賽。

另外，高中時如果有條件，學一學 Python 編程也是非常重要的，這樣對大學入門天文學的研究就很容易了。總的來說，高中主要培養(yang) 興(xing) 趣，我認為(wei) 沒有必要開始做科研。我是十歲左右就開始對天文感興(xing) 趣了，當時家裏有一台天文望遠鏡，還有照相機，我用它們(men) 開始了天文攝影——這個(ge) 興(xing) 趣保持至今，也使得我在大學時選擇了天文學。

好了，關(guan) 於(yu) JWST ，今天就寫(xie) 到這裏了，感謝大家的閱讀。