大數(shù)據(jù)技術(shù)對天文物理學(xué)發(fā)展的影響

劉峻良

【摘 要】現(xiàn)代大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展對于各個學(xué)科的貢獻都非常顯著，本文以開普勒定律的發(fā)展歷史為例，探究大數(shù)據(jù)技術(shù)在天文物理學(xué)的發(fā)展史中所造成的影響。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù)技術(shù)；天體物理學(xué)；開普勒定律；發(fā)展史

中圖分類號： P11 文獻標(biāo)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(dāng)今大數(shù)據(jù)時代的背景下，科學(xué)技術(shù)保持著飛速發(fā)展的勢頭，隨著時代的改變，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方式也隨之變化。從最為古老的心算、紙算、口口相傳到現(xiàn)代的大數(shù)據(jù)庫整理，從個人研究到現(xiàn)在的全球思維風(fēng)暴，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展速度得到了質(zhì)的飛躍，但飛速發(fā)展的同時又有其弊端。本文以開普勒三定律的發(fā)展進程為例，探究大數(shù)據(jù)技術(shù)對天文物理學(xué)發(fā)展的影響。

2 大數(shù)據(jù)技術(shù)對開普勒三定律發(fā)展的影響

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)簡介

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

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

2.2 大數(shù)據(jù)在開普勒三定律發(fā)展中的影響

2.2.1 開普勒研究三大定律的原始數(shù)據(jù)的獲取及積累

16世紀后半葉，第谷對于天文物理學(xué)的研究為開普勒提出三大定律提供了堅實的基礎(chǔ)，這也正是開普勒三定律研究的最原始“數(shù)據(jù)庫”。第谷于1572年發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)體系，第谷編制的恒星表也流傳至今，仍然對天文物理學(xué)的研究有很大的價值，恒星表的保存及流傳也是大數(shù)據(jù)技術(shù)中數(shù)據(jù)留存功能的體現(xiàn)。

1601年第谷逝世后，開普勒接替第谷的工作編制魯?shù)婪蛐潜恚瑫r也繼承了第谷的數(shù)據(jù)積累資料，這其中體現(xiàn)了一手數(shù)據(jù)的傳遞?！暗_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(zhì)的研究上。他發(fā)現(xiàn)第谷的觀測數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的整理和研究發(fā)現(xiàn)了疑點，并因之確定了自身的研究方向，這是大數(shù)據(jù)在文本模式下的雛形對于科學(xué)研究的影響體現(xiàn)。

2.2.2 開普勒研究三大定律的原始數(shù)據(jù)發(fā)展與創(chuàng)新

確定了研究方向后他以火星為例運用統(tǒng)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(shè)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(dāng)時物理學(xué)界接受的概念認為是一種數(shù)據(jù)信息，而由于這種數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在傳遞過程中會出現(xiàn)錯誤，所以數(shù)據(jù)的質(zhì)量把控在學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用領(lǐng)域影響著分析結(jié)果的有效性和真實性，對沒有質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)作出相關(guān)預(yù)測可能會出現(xiàn)虛假信息，這種信息會直接導(dǎo)致偏離原本預(yù)期的決策。開普勒堅信看似雜亂無章的數(shù)據(jù)背后一定隱藏著某種數(shù)學(xué)關(guān)系，通過使用新的計算模型對數(shù)據(jù)進行推演的過程就是數(shù)據(jù)分析的過程。在開普勒第一和第二定律的發(fā)現(xiàn)過程中，其理論體系中摻雜著許多的猜想和假設(shè)甚至是錯誤的內(nèi)容，例如在面積定律的推導(dǎo)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(shù)據(jù)要通過分析發(fā)現(xiàn)其規(guī)律的絕非一蹴而就，需要借助正確的數(shù)據(jù)分析方法才能有所創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，正如布拉赫在在天文學(xué)上的觀察到的數(shù)據(jù)只有通過開普勒的分析處理技術(shù)才能點石成金，從而成為推動天體物理學(xué)發(fā)展的革命因素。

在發(fā)現(xiàn)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(nèi)在聯(lián)系。經(jīng)過九年的反復(fù)計算和假設(shè)，終于1618年找到在大量觀測數(shù)據(jù)后面隱匿的數(shù)的和諧性：行星公轉(zhuǎn)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(shù)和對數(shù)表還沒有發(fā)明，只能采取嘗試的方法尋找觀測數(shù)據(jù)背后所隱藏的規(guī)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(shù)據(jù)分析技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新的今天，我們可以利用先進的數(shù)據(jù)處理軟件如EXCEL、SPSS等對數(shù)據(jù)進行分析，從而快速準確的挖掘數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律。為了加強對數(shù)據(jù)分析技術(shù)軟件優(yōu)越性的理解，我以開普勒第三定律為例設(shè)計了如下一個探究過程：

邀請20名高一同學(xué)參與實驗，給予表一的2列數(shù)據(jù)，要求找出第1，2列數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在規(guī)律：

結(jié)果：經(jīng)過40分鐘的嘗試，同學(xué)們嘗試了根式、加、減、乘、除等各種運算后毫無所獲，同學(xué)們從最初的躍躍欲試到后面開始放棄尋找。

告訴同學(xué)們以上為開普勒發(fā)現(xiàn)行星運動第三定律所使用的原始數(shù)據(jù)，反映的是行星的公轉(zhuǎn)周期T和軌道半徑R之間的關(guān)系（如表2），讓他們查閱資料后了解第三定律的內(nèi)容，然后將同學(xué)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(shù)字進行運算，最后通過繪制圖表的方式找出兩組數(shù)據(jù)之間的規(guī)律。

結(jié)果：經(jīng)過15分鐘的運算，A小組得出了計算結(jié)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(shù)據(jù)的計算階段。

通過以上實驗環(huán)節(jié)我們可以看出借助現(xiàn)代數(shù)據(jù)分析工具，可以方便的對實驗數(shù)據(jù)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(guān)系并為進一步的數(shù)據(jù)整理奠定基礎(chǔ)。科學(xué)家們在用實驗探究物理規(guī)律的過程中，為后人留下了大量寶貴的觀測數(shù)據(jù)，但由于數(shù)學(xué)發(fā)展水平的限制，大量數(shù)據(jù)都需要經(jīng)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(xiàn)今的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)和先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)手段，人類可以提前認識數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在規(guī)律從而推動物理學(xué)的發(fā)展。

2.2.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在當(dāng)今天文物理學(xué)中的發(fā)展與運用

半個世紀以來，隨著計算機技術(shù)全面融入社會生活，信息爆炸已經(jīng)積累到了一個開始引發(fā)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(xué)科如天文學(xué)、基因?qū)W等，創(chuàng)造出了“大數(shù)據(jù)”這個概念。大數(shù)據(jù)環(huán)境下，天文物理實驗數(shù)據(jù)大多數(shù)是依賴觀測電磁輻射獲得，天文物理學(xué)家的工具包括分析模型和計算機模擬。要充分發(fā)掘天文大數(shù)據(jù)的科學(xué)價值，需要在數(shù)據(jù)存儲、管理、檢索、分析、計算等方面突破一系列關(guān)鍵技術(shù)屏障，還要優(yōu)化大數(shù)據(jù)下的天文研究工作流程。為適應(yīng)天文物理發(fā)展的需要，虛擬天文臺和云計算等技術(shù)應(yīng)運而生，構(gòu)建了一個完整的科研信息化平臺，意味著我國天文學(xué)研究領(lǐng)域從傳統(tǒng)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(shù)據(jù)與云計算技術(shù)有機地結(jié)合起來，設(shè)計開發(fā)了我國天文科技領(lǐng)域云系統(tǒng)。虛擬天文臺的誕生，消除了各個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)訪問標(biāo)準不統(tǒng)一的問題，使得天文學(xué)家可以避免一些重復(fù)性工作，節(jié)省寶貴的時間。同時，如果未來的天文數(shù)據(jù)都在虛擬天文臺的管理之下，進行整理，那么天文學(xué)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(shù)據(jù)來進行科研工作，這將大大加快研究的速度。

2.3 大數(shù)據(jù)在未來天文學(xué)物理學(xué)發(fā)展的應(yīng)用展望

通過虛擬天文臺連通起來的全球天文數(shù)據(jù)網(wǎng)格讓天文數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)和訪問變得空前便捷，但這其中缺乏的一個使用方便、適應(yīng)性強、可以從海量數(shù)據(jù)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(jié)量級數(shù)據(jù)集上開展數(shù)據(jù)挖掘和分析的工具，這是當(dāng)代“大數(shù)據(jù)”科學(xué)所面臨的一個共同挑戰(zhàn)。探測器、傳感器、高性能計算集群等快速積累著各種數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡(luò)、存儲、計算等信息化基礎(chǔ)設(shè)施不斷提出新的需求。數(shù)據(jù)挖掘、知識發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)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(jié)與分析

“大數(shù)據(jù)”這一概念最早來自于1997年，自其出現(xiàn)以來，它在物理學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)等各個學(xué)科及情報學(xué)、金融學(xué)等各個行業(yè)有著極為重要的作用。其中，大數(shù)據(jù)集是指在決策的過程中所可能遇到的數(shù)量，它的數(shù)據(jù)量非常的大，而且來源、類型都是多種多樣的。對大數(shù)據(jù)這個整體而言，數(shù)據(jù)越多越好，它能讓不同行業(yè)的人從中尋找到解決某一相關(guān)問題的方法。但是對于大數(shù)據(jù)的具體應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)量未必越大越好。因為在大數(shù)據(jù)的實際應(yīng)用中，如果用以分析的數(shù)據(jù)量越大，則得到的東西就越多，而至于那些結(jié)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(shù)據(jù)，換言之，大數(shù)據(jù)必須往下細化，針對不同行業(yè)不同領(lǐng)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(xù)學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)技術(shù)，運用大數(shù)據(jù)算法對天文物理學(xué)方面繼續(xù)挖掘?qū)W習(xí)，另一方面由天文物理學(xué)科運用到其他方面去，如將大數(shù)據(jù)技術(shù)與生活聯(lián)系起來，如進行共享單車使用、廢棄情況的大數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論，幫助更好的進行共享單車行業(yè)管理。

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