对于天文学研究,是广义相对论用得多还是量子力学?

对于天文学研究,是广义相对论用得多还是量子力学?

080617,当我说出“寂静”,我便将它打破

我可以明确回答,两者用得都不多。因为题主说的是天文学研究(或者细化一点,天体物理研究),而非物理学研究。天文中用得多的是下面这些

  • C、C++ 和 Python 语言编程
  • 专业程序,例如计算恒星演化的 MESA,宇宙学研究中常用的 CAMB 和 CLASS……
  • 数据处理方法:曲线拟合,快速傅里叶变换等
  • 数据可视化,例如用 Python 库 matplotlib 作图

天文和物理相差很大。拓扑空间、群、向量空间、流形和微分形式等抽象数学概念在天文研究中完全用不到。假如你去问研究黑洞的天体物理博士“黎曼曲率张量的定义是什么”“如何推导爱因斯坦方程的 RN 解”,他答不上来,其实很正常,因为这不在他的专业能力之内。要问“是否有必要深入学习基于微分几何语言的广义相对论”,答案自然是“没有必要”

天文研究一般关心天体的距离,质量,光度,电磁辐射谱,元素丰度等。这些工作用到的物理知识基本都在别人写好的程序里。我想,题主说的“用”应该是指学会原理性的物理知识(牛顿定律、薛定谔方程这种),然后推导一番,用于实际研究。在这个意义上,天文研究用的是别人的程序,而不是其中的物理知识。可能很多人被“天体物理”这个词的字面含义误导,认为它研究的是“天体蕴含的物理知识”。现在我们知道,天体物理的研究重点在“天体”,而不是物理本身,物理只起到辅助工具的作用。用其他答主的话说,“拿来主义”倾向明显。

如果去从事天体物理研究,那么你做的很可能是:下载别人的程序源码,编译、安装,然后试着运行,结合帮助文档慢慢把用法学会,最后用输出的数据画几张图,得到一些模型参数。有时你可能要修改 / 增加源代码,这需要良好的编程技术,否则会被各种编译器报错、调试程序修 bug 搞得焦头烂额。你会发现,编程是最实用的技能之前学了很多广义相对论、量子力学的高深知识,但它们在课题中无用武之地。不夸张地说,如果只是使用别人的程序,那么有高中物理知识就够了

不妨看个实例。下面这篇论文研究的是银河系中心的超大质量黑洞,发表在《天体物理学报》上。

文章主要做了两件事:测定黑洞的距离和质量。浏览正文,你只会看到大段的文字和令人眼花缭乱的表格和图片(数据散点 / 曲线图,概率分布图……)。整篇文章没有出现一个物理公式。我截取了几页,如下

只有大段的文字和图表,没有物理公式
只有大段的文字和图表,没有物理公式

对基础物理感兴趣的人应该不喜欢上面的画风(至少我是这么认为)。至于研究方法,文章假设黑洞周围恒星沿开普勒轨道运动,本质上还是牛顿力学那一套。另外它用到一些程序,比如 MultiNest(用于参数估计)。总之,天文研究者的日常就是在电脑屏幕前敲键盘(运行程序、编程和作图)

理论物理怎么研究黑洞呢?我随便找了一篇论文,截取几页如下

这是理论物理学习者熟悉的感觉
这是理论物理学习者熟悉的感觉

显然,天文学和物理学研究黑洞的画风完全不同。题主偏好哪一种呢?

  • 如果题主的兴趣重心是物理(黑洞与引力理论),以后想继续深造,就需要深入学习广义相对论和量子力学(量子场论),线性代数、微分几何等数学语言一定要学好。注意专业应该选理论物理。
  • 如果兴趣更偏向天文,应该重点练习编程,物理反而不那么重要。因为有本科物理知识(不需要到“精通”的程度)就足以应付大多数课题。若想做黑洞这块,专业建议选择天体物理中的“高能天体物理”方向。