大數據技術對天文物理學發展的影響

劉峻良

【摘 要】現代大數據技術的發展對于各個學科的貢獻都非常顯著，本文以開普勒定律的發展歷史為例，探究大數據技術在天文物理學的發展史中所造成的影響。

【關鍵詞】大數據技術；天體物理學；開普勒定律；發展史

中圖分類號： P11 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）33-0177-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.33.080

1 研究背景

在當今大數據時代的背景下，科學技術保持著飛速發展的勢頭，隨著時代的改變，科學技術的發展方式也隨之變化。從最為古老的心算、紙算、口口相傳到現代的大數據庫整理，從個人研究到現在的全球思維風暴，科學技術的發展速度得到了質的飛躍，但飛速發展的同時又有其弊端。本文以開普勒三定律的發展進程為例，探究大數據技術對天文物理學發展的影響。

2 大數據技術對開普勒三定律發展的影響

2.1 大數據技術簡介

“大數據（big data），指無法在一定時間范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理的數據集合”。過去人們理解的數據在很大程度上指的是數字，是一種方便處理、能夠計算的數字數據，而如今的“大數據”不僅僅是數字，還囊括了包含文本、圖片、音頻、視頻等在內的一系列形式和格式，涵蓋的內容十分豐富。大數據技術包括對數據的采集、存儲、管理、處理、分析、隱私、安全等各個方面。

另外，大數據在當今時代還具有非常豐富的載體類型，例如現在的博客、論壇、音視頻分享、新聞播報、互動信息等等，都是現代主流的載體形式，也正是這些載體形式讓大數據保持流動，讓大量的數據進行不停歇的交互，從而對知識進行反復印證。大數據的作用是收集、分析大量信息，目的在于從復雜的數據里找到過去從未昭示的規律。

2.2 大數據在開普勒三定律發展中的影響

2.2.1 開普勒研究三大定律的原始數據的獲取及積累

16世紀后半葉，第谷對于天文物理學的研究為開普勒提出三大定律提供了堅實的基礎，這也正是開普勒三定律研究的最原始“數據庫”。第谷于1572年發現仙后座中的一顆新星，受丹麥國王腓特烈二世的邀請在汶島建造天堡觀象臺，20年的觀測、積累使第谷擁有了第一手的觀測數據積累，并依此提出了一種介于地心說和日心說之間的宇宙結構體系，第谷編制的恒星表也流傳至今，仍然對天文物理學的研究有很大的價值，恒星表的保存及流傳也是大數據技術中數據留存功能的體現。

1601年第谷逝世后，開普勒接替第谷的工作編制魯道夫星表，同時也繼承了第谷的數據積累資料，這其中體現了一手數據的傳遞。“但開普勒的興趣和注意力卻更多的放在改進和完善哥白尼的日心說上，在探討行星軌道性質的研究上。他發現第谷的觀測數據，與哥白尼體系、托勒密體系都不符合。他決心尋找這種不一致的原因和行星運行的真實軌道”。開普勒通過對前人觀測數據的整理和研究發現了疑點，并因之確定了自身的研究方向，這是大數據在文本模式下的雛形對于科學研究的影響體現。

2.2.2 開普勒研究三大定律的原始數據發展與創新

確定了研究方向后他以火星為例運用統治人類思想達2000余年的勻速圓周運動加偏心圓來計算，通過長達4年對各種行星軌道形狀設計方案的計算，開普勒認識到哥白尼體系的勻速圓周運動和偏心圓的軌道模式與火星的實際運動軌道不符，于是他嘗試用別的幾何曲線來描述火星軌道的形狀。這里可以把“勻速圓周運動加偏心圓的軌道模式”這種已被當時物理學界接受的概念認為是一種數據信息，而由于這種數據本身就是錯誤的，所以對它再分析的整個過程就是白費功夫。這表明數據在傳遞過程中會出現錯誤，所以數據的質量把控在學術研究和應用領域影響著分析結果的有效性和真實性，對沒有質量保證的數據作出相關預測可能會出現虛假信息，這種信息會直接導致偏離原本預期的決策。開普勒堅信看似雜亂無章的數據背后一定隱藏著某種數學關系，通過使用新的計算模型對數據進行推演的過程就是數據分析的過程。在開普勒第一和第二定律的發現過程中，其理論體系中摻雜著許多的猜想和假設甚至是錯誤的內容，例如在面積定律的推導使用了距離定律，在橢圓軌道定律的建立中使用了擺動理論，開普勒通過不斷地澄清這些錯誤，最后終于得到了正確的行星運動定律，可見對一堆雜亂無章的大數據要通過分析發現其規律的絕非一蹴而就，需要借助正確的數據分析方法才能有所創新發現，正如布拉赫在在天文學上的觀察到的數據只有通過開普勒的分析處理技術才能點石成金，從而成為推動天體物理學發展的革命因素。

在發現行星運動的軌道定律和面積定律后，開普勒渴望找到一種能適合所有行星的總體模式，找到各行星之間的內在聯系。經過九年的反復計算和假設，終于1618年找到在大量觀測數據后面隱匿的數的和諧性：行星公轉周期（T）的平方與它們到太陽的平均距離（R）的立方成正比，這就是周期定律。在開普勒的所處的時代，對數和對數表還沒有發明，只能采取嘗試的方法尋找觀測數據背后所隱藏的規律，這樣就可能在花費大量時間的同時一無所獲，其研究的周期之長、付出的勞動之艱辛是令人難以想象的，其成功具有偶然性，很有可能終其一生也會一無所獲。而在數據分析技術不斷發展創新的今天，我們可以利用先進的數據處理軟件如EXCEL、SPSS等對數據進行分析，從而快速準確的挖掘數據的內在規律。為了加強對數據分析技術軟件優越性的理解，我以開普勒第三定律為例設計了如下一個探究過程：

邀請20名高一同學參與實驗，給予表一的2列數據，要求找出第1，2列數據之間的內在規律：

結果：經過40分鐘的嘗試，同學們嘗試了根式、加、減、乘、除等各種運算后毫無所獲，同學們從最初的躍躍欲試到后面開始放棄尋找。

告訴同學們以上為開普勒發現行星運動第三定律所使用的原始數據，反映的是行星的公轉周期T和軌道半徑R之間的關系（如表2），讓他們查閱資料后了解第三定律的內容，然后將同學分成A、B兩組，A族可以借助計算器、EXCEL等工具，B組單純使用紙和筆分別對數字進行運算，最后通過繪制圖表的方式找出兩組數據之間的規律。

結果：經過15分鐘的運算，A小組得出了計算結果，并繪制了表3，運用EXCEL的繪圖功能畫出了如下圖表，而B組仍停留在數據的計算階段。

通過以上實驗環節我們可以看出借助現代數據分析工具，可以方便的對實驗數據進行運算并整理成合理的表格，通過圖表可以直觀的觀察變量之間的關系并為進一步的數據整理奠定基礎。科學家們在用實驗探究物理規律的過程中，為后人留下了大量寶貴的觀測數據，但由于數學發展水平的限制，大量數據都需要經過后人去探索甚至在傳遞中隨著時代的變遷而湮滅，但如果有現今的數學理論基礎和先進的數據處理技術手段，人類可以提前認識數據之間的內在規律從而推動物理學的發展。

2.2.3 大數據技術在當今天文物理學中的發展與運用

半個世紀以來，隨著計算機技術全面融入社會生活，信息爆炸已經積累到了一個開始引發變革的程度。它不僅使世界充斥著比以往更多的信息，而且其增長速度也在加快。信息爆炸的學科如天文學、基因學等，創造出了“大數據”這個概念。大數據環境下，天文物理實驗數據大多數是依賴觀測電磁輻射獲得，天文物理學家的工具包括分析模型和計算機模擬。要充分發掘天文大數據的科學價值，需要在數據存儲、管理、檢索、分析、計算等方面突破一系列關鍵技術屏障，還要優化大數據下的天文研究工作流程。為適應天文物理發展的需要，虛擬天文臺和云計算等技術應運而生，構建了一個完整的科研信息化平臺，意味著我國天文學研究領域從傳統的工作模式走向泛在融合的信息化時代的到來。

中國虛擬天文臺將大數據與云計算技術有機地結合起來，設計開發了我國天文科技領域云系統。虛擬天文臺的誕生，消除了各個數據庫系統訪問標準不統一的問題，使得天文學家可以避免一些重復性工作，節省寶貴的時間。同時，如果未來的天文數據都在虛擬天文臺的管理之下，進行整理，那么天文學家只需要掌握虛擬天文臺的一些工具，就可以使用所有的天文數據來進行科研工作，這將大大加快研究的速度。

2.3 大數據在未來天文學物理學發展的應用展望

通過虛擬天文臺連通起來的全球天文數據網格讓天文數據的發現和訪問變得空前便捷，但這其中缺乏的一個使用方便、適應性強、可以從海量數據集中提取信息和知識的工具庫，特別是那些可以在萬億字節量級數據集上開展數據挖掘和分析的工具，這是當代“大數據”科學所面臨的一個共同挑戰。探測器、傳感器、高性能計算集群等快速積累著各種數據，對網絡、存儲、計算等信息化基礎設施不斷提出新的需求。數據挖掘、知識發現、數據可視化專家需要不停地思考如何讓研究工具更加強壯。

3 總結與分析

“大數據”這一概念最早來自于1997年，自其出現以來，它在物理學、天文學、生物學等各個學科及情報學、金融學等各個行業有著極為重要的作用。其中，大數據集是指在決策的過程中所可能遇到的數量，它的數據量非常的大，而且來源、類型都是多種多樣的。對大數據這個整體而言，數據越多越好，它能讓不同行業的人從中尋找到解決某一相關問題的方法。但是對于大數據的具體應用而言，數據量未必越大越好。因為在大數據的實際應用中，如果用以分析的數據量越大，則得到的東西就越多，而至于那些結論是否正確則難以保證。因此，我們必須帶著目的性的去搜索整理數據，換言之，大數據必須往下細化，針對不同行業不同領域的特定問題制定不同的解決方法。

4 下一步研究計劃

我將在接下來的研究中，一方面，繼續學習大數據技術，運用大數據算法對天文物理學方面繼續挖掘學習，另一方面由天文物理學科運用到其他方面去，如將大數據技術與生活聯系起來，如進行共享單車使用、廢棄情況的大數據分析，得出結論，幫助更好的進行共享單車行業管理。

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