太阳系中的科学

周煦之，北京大学地球与空间科学学院副教授，博雅青年学者，博士生导师。北京大学常驻人口，少年入校，青年离校。赴美工作六年，归来后还是青年。主要研究领域为磁层物理和空间等离子体物理，发表SCI论文百余篇，但认为教学才是首要任务。开设《空间等离子体物理基础》、《空间物理前沿讨论班》、《太空探索》、《太阳系中的科学》等课程。曾获北京大学方正优秀教师奖、青年教师教学基本功比赛优秀教案奖、理工科类二等奖以及优秀班主任。向往活跃的课堂气氛，热衷于各种提问和互动，坚决鼓励学生主动思考。在本课程中基于简单物理化学模型，讨论“太阳系演化”、“移民火星前的改造”等有趣问题，喜提“木星杀我”等精彩评论。

课程说明

人类的现代科学启蒙很大程度上是从对太阳系的观测开始的。在牛顿运动方程及万有引力定律的提出过程中，开普勒的行星运动定律无疑起到了最为重要的启发作用。现代科学和技术的出现大大促进了人类对太阳系的进一步探索，解开了一个又一个的谜题。而另一方面，这些探索本身也为各学科的发展做出了巨大的贡献。

本课程面向各学科背景的同学（包括文科生和理科生），有针对性地选择一部分太阳系研究中引人入胜的观测现象。在介绍这些有趣现象的同时，本课程将引领同学们从逻辑出发，通过一系列追问，探寻其背后的科学原理。因此，本课程的目的绝不仅仅是展示多姿多彩的太阳系，更多的则是借助太阳系这个平台，展现现代科学研究的逻辑和批判性思维的力量：当遇到未解之谜的时候，我们应该如何去解决它？

教学安排

1.引言：回想对太阳系一无所知的时代，人们应该如何开始认识这个宇宙？

1.1. 从星空谈起（互动：星图app与Stellarium模拟星空软件）

1.2. 地心说的提出（互动：观察星空的演化规律，提出模型）

1.3. 从地心说到日心说（思考：观察行星与恒星运动的异同，行星的逆行等）

1.4. 从开普勒定律到牛顿力学（思考：如何测量太阳及行星的质量）

1.5. 各大行星的参数（思考：从参数中寻找规律，思索背后的原因）

2. 天体轨道漫谈

2.1. 谷神星的发现与升降级（互动：从轨道数据中发现提丢斯-博得定则）

2.2. 天王星与海王星的发现

2.3. 冥王星的发现与降级（课堂讨论：矮行星定义的科学价值何在）

2.4. 三体问题（互动：构建三体星系，观察天体的运动轨道）

2.5. 限制性三体问题：拉格朗日点与特洛伊小行星

3.潮汐的力量

3.1. 从涨潮与退潮谈起：潮汐力的本质

3.2. 洛希极限与土星环（课堂讨论：洛希极限的推导与适用条件）

3.3. 天体的潮汐锁定（互动：从月球上观察地球的运动）

3.4. 潮汐加速与减速（思考：月球的宿命、海卫一的历史与未来）

3.5. 潮汐加热与轨道共振：木卫系统中的冰与火

4.火星上的水

4.1. 火星的早期观测（互动：观察火星特征，判断火星自转周期，寻找极冠冰层）

4.2. 火星表面温度（互动：利用道具远程测量温度，建立黑体辐射与热平衡概念）

4.3. 火星大气层中的水（思考：如何在地球上测量火星大气成分）

4.4. 水的三相图（思考：在火星表面上，水以何种形式存在）

4.5. 火星的地下冰层

4.6. 远古的火星（互动：寻找火星峡谷与地球峡谷的异同）

5.温室效应与冰室效应

5.1. 从远古火星谈起（思考：为何在远古时期，液态水可在火星表面出现）

5.2. 温室气体对火星热平衡的影响

5.3. 金星大气层与表面温度

5.4. 类地行星的气候变迁（思考：在火星/金星大气中，CO2浓度何以发生巨变）

5.5. 类地行星大气的逃逸（互动：大气逃逸率与哪些因素相关）

5.6. 课堂讨论：火星地球化如何进行

6.行星磁层与辐射带

6.1. 电离辐射与宇宙射线（思考：如何判断地球表面电离辐射的起源）

6.2. 太空时代的第一个发现：范艾伦辐射带

6.3. 课堂讨论：带电粒子在地球磁场中的运动

6.4. 磁层——地球的保护盾（思考：火星大气逃逸的另一种机制）

6.5. 巨行星的磁层

6.6. 行星磁场的产生：发电机理论（思考：为什么金星/火星缺乏全球性磁场）

7.向外太阳系进发

7.1. 人造卫星的轨道设计（互动：设计前往火星的卫星轨道，发射窗口）

7.2. 齐奥尔科夫斯基火箭方程（互动：前往火星和土星分别需要携带多少燃料）

7.3. 引力助推：原理与实例

7.4. 光辉的历程——旅行者号飞船

7.5. 巨行星及其卫星巡礼

7.6. 日球层顶与终止激波（思考：太阳系的定义）

8.行星的内部结构

8.1. 从各大行星的密度谈起（互动：猜测各大行星的组成成分）

8.2. 类地行星的内部结构（思考：如何得知）

8.3. 流体静力学平衡

8.4. 状态方程（思考：如何推导地球大气层的密度分布）

8.5. 重构巨行星的内部结构（思考：如何验证）

8.6. 行星内部结构的暗示

9.太阳系的形成

9.1. 重力坍塌：原始太阳与原行星盘的形成

9.2. 尘埃颗粒的吸积与成长（互动：如何计算颗粒增长的速度）

9.3. 万有引力的作用

9.4. 冻结线与巨行星的形成 

9.5. 核心吸积理论小结（思考：如何检验这一理论，引出下一章节）

10.系外行星

10.1. 系外星系的形成：以太阳系为模板？

10.2. 系外行星的探测方法（思考：如何从太阳系外找到地球）

10.3. 课堂讨论：如何判断系外行星的质量与密度

10.4. 热木星的发现：意外与必然（思考：行星的迁徙）

10.5. 寻找宜居带中的系外行星

10.6. 系外行星的温度与大气成分（思考：如何探测）

11.太阳系中的小天体

11.1. 太阳系小天体巡礼

11.2. 小行星带与柯伊伯带的形成（思考：为什么小行星带中没能形成大行星）

11.3. 小行星的分布与轨道演化（思考：小行星族是如何产生的）

11.4. 近地小行星与陨石

11.5. 彗星与奥尔特云（互动：双曲型轨道的彗星的来源）

11.6. 寻找第九行星

12.太阳的命运

12.1. 从《流浪地球》谈起（思考：年轻的文明何以得知长达百亿年的太阳演变）

12.2. 星空的奥秘（互动：如何得知恒星的温度、距离、质量与光度）

12.3. 赫罗图与主序星

12.4. 恒星的寿命（思考：寿命与哪些参数相关，如何证明）

12.5. 太阳的归宿：红巨星与白矮星

12.6. 题外话：中子星与黑洞

13.外星生物之谜

13.1. 太阳系中的宜居星球（互动：生命的要素，尤里-米勒实验）

13.2. 系内与系外宜居带

13.3. 德雷克公式：科学与科幻

13.4. 搜寻外星文明（思考：如何从太阳系外找到地球文明）

13.5. 费米悖论（互动：大过滤器假说）

考核方式

为了达成课程目标，本课程将避免传统的教学方法（即对太阳系各大星球逐一进行“观光式”详细介绍），而更多地针对科学本质进行分类和组织。

在课程的进行过程中，互动性的提问、思考与回答也将成为课堂的主要部分。

最终的成绩评定将由考勤（10%），作业（30%，三次左右，开放式思考题）与期末考试（60%）组成。

由于人类对太阳系的探索仍在不断进行之中，在每个学期中，通常都会出现多次太阳系探测的热点报道。本课程将随时对课程内容进行修改与更新，或在合适的时间点安排专题讨论课。讨论课将以小组方式开展，计入期末成绩。

在本课程中，课堂作业题目将较为开放，不设标准答案。如果在作业中体现出较为深刻的原创性想法，或体现出对现有认知的批判性思维，则可获得额外的加分。

期末考试则以选择题与简答题为主，避免过多考察知识性内容，而更多地鼓励同学们利用逻辑思维获得答案。

课程材料

由于太阳系中的探索与研究仍是一个日新月异的过程，且现有的行星科学教材大多以对各行星的逐一介绍为主，与本课程设置初衷不一致，因此本课程不设固定教材。主要参考书目如下：

1、焦维新、邹鸿，《行星科学》，北京大学出版社

2、Beatty, Petersen, Chaikin, The new solar system, Cambridge University Press

3、De Pater, Lissauer, Planetary Sciences, Cambridge University Press

学生感言

1.《太阳系中的科学》这门课是我非常喜欢的一门公选课，周老师以轻松、愉悦的语言详细地介绍了太阳系中各种有趣的知识，科普性与趣味性共存，也有不少天文学研究前沿的干货，一学期下来收获满满。周老师在课程进行过程中设置的小问题我认为恰到好处，既能启发同学们的思考，又能在回顾课程内容时有更加深刻的理解。

——杜骏豪

2.如同许多同学一样，对于自己所处的太阳系，我一直希望去窥探其中的奥秘，而太阳系中的科学这门课，从科学的角度，严谨地介绍和阐释了太阳系中各类天文现象和天体运动，既充实了我的知识，也很好地满足了我的兴趣，让我收获颇多。

——李云隆

3.作为两校互通有无的第一批吃螃蟹者，我在北大周煦之老师“太阳系中的科学”一课里受益良多，得以在方寸荧幕之前，仰观浩瀚星空之神奇，俯察陨石尘埃之奥秘。虽迫于疫情，本人游览未名湖&探望故友的计划泡汤；但北大名师之渊博，学子之风采，开放之氛围，活跃之学风，无不让本人大开眼界。若有机会，希望下个学期还能来北大求教！

——魏何 (THU)

4.一开始选这门课完全是出于兴趣使然的，想了解一下太阳系的一些天体知识。大半个学期下来，老师上课的讲述确实可以用“有趣”形容，在顾及文科生知识范畴的情况下尽可能让大家都有更大的收获，一些理论讲述逻辑和条理也非常严谨清晰。作业量也适中，以增进同学们的知识理解为目的，也确实很有帮助。总体上是“有趣”和“科学”的一门课。

——詹子歆

上上 编辑 /  秦沅 校对