天文学论文

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浅论天文


天文学历史
天文学的起源可以追溯到人类文化的萌芽时代。远古时代，人们为了指示方向、确定时间和季节，而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法。从这一点上来说，天文学是最古老的自然科学学科之一。
古时候，人们通过用肉眼观察太阳、月亮、星星来确定时间和方向，制定历法，指导农业生产，这是天体测量学最早的开端。早期天文学的内容就其本质来说就是天体测量学。从十六世纪中期哥白尼提出日心体系学说开始，天文学的发展进入了全新的阶段。此前包括天文学在内的自然科学，受到宗教神学的严重束缚。哥白尼的学说使天文学摆脱宗教的束缚，并在此后的一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。
十八、十九世纪，经典天体力学达到了鼎盛时期。同时，由于分光学、光度学和照相术的广泛应用，天文学开始朝着深入研究天体的物理结构和物理过程发展，诞生了天体物理学。
二十世纪现代物理学和技术高度发展，并在天文学观测研究中找到了广阔的用武之地，使天体物理学成为天文学中的主流学科，同时促使经典的天体力学和天体测量学也有了新的发展，人们对宇宙及宇宙中各类天体和天文现象的认识达到了前所未有的深度和广度。
天文学就本质上说是一门观测科学。天文学上的一切发现和研究成果，离不开天文观测工具——望远镜及其后端接收设备。在十七世纪之前，人们尽管已制作了不少天文观测仪器，如中国的浑仪、简仪，但观测工作只能靠肉眼。1608年，荷兰人李波尔赛发明了望远镜，1609年伽里略制成第一架天文望远镜，并作出许多重要发现，从此天文学跨入了用望远镜时代。在此后人们对望远镜的性能不断加以改进，以期观测到更暗的天体和取得更高的分辨率。1932年美国人央斯基用他的旋转天线阵观测到了来自天体的射电波，开创了射电天文学。1937年诞生第一台抛物反射面射电望远镜。之后，随着射电望远镜在口径和接收波长、灵敏度等性能上的不断扩展、提高，射电天文观测技术为天文学的发展作出了重要的贡献。二十世纪后50年中，随着探测器和空间技术的发展以及研究工作的深入，天文观测进一步从可见光、射电波段扩展到包括红外、紫外、X射线和γ射线在内的电磁波各个波段，形成了多波段天文学，并为探索各类天体和天文现象的物理本质提供了强有力的观测手段，天文学发展到了一个全新的阶段。而在望远镜后端的接收设备方面，十九世纪中叶，照相、分光和光度技术广泛应用于天文观测，对于探索天体的运动、结构、化学组成和物理状态起了极大的推动作用，可以说天体物理学正是在这些技术得以应用后才逐步发展成为天文学的主流学科。
人类很早以前就想到太空畅游一番了。1903年人类在地球上开设了第一家月亮公园。花50美分就能登上一个雪茄状、带翼的车，然后车身剧烈摇晃，最后登上一个月亮模型。
同一年，莱特兄弟在空中哒哒作响地飞行了59秒，同时一位名为康斯坦丁·焦乌科夫斯基、自学成才的俄罗斯人发表了题为《利用反作用仪器进行太空探索》的文章。他在文内演算，一枚导弹要克服地球引力就必须以1．8万英里的时速飞行。他还建议建造一枚液体驱动的多级火箭。
50年代，有一个公认的基本思想是，哪个国家第一个成功地建立永久性宇宙空间站，它迟早就能控制整个地球。冯·布劳恩向美国人描述了洲际导弹、潜艇导弹、太空镜和可能的登月旅行。他曾设想建立一个经常载人的、并能发射核导弹的宇宙空间站。他说：“如果考虑到空间站在地球上所有有人居住的地区上空飞行，那么人们就能认识到，这种核战争技术会使卫星制造者在战争中处于绝对优势地位。
1961年，加加林成为进入太空的第一人。俄国人用他说明，在天上飞来飞去的并不是天使，也不是上帝。美国约翰·肯尼迪竞选的口号是“新边疆”。他解释说：“我们又一次生活在一个充满发现的时代。宇宙空间是我们无法估量的新边疆。”对肯尼迪来说，苏联人首先进入宇宙空间是“多年来美国经历的最惨痛的失败”。唯一的出路是以攻为守。1958年美国成立了国家航空航天局，并于同年发射了第一颗卫星“探险者”号。1962年约翰·格伦成为进入地球轨道的第一位美国人。
许多科学家本来就对危险的载人太空飞行表示怀疑，他们更愿意用飞行器来探测太阳系。
而美国人当时实现了突破：三名宇航员乘“阿波罗号”飞船绕月球飞行。在这种背景下，计划在1969年1月实现的两艘载人飞船的首次对接具有特殊的意义。
20世纪的80年代，苏联的第三代空间站“和平”号轨道站使其航天活动达到高峰，都让美国人感到眼热。“和平”号被誉为“人造天宫”，1986年2月20日发射上天，是迄今人类在近地空间能够长期运行的唯一载人空间轨道站。它与其相对接的“量子1号”、“量子2号”、“晶体”舱、“光谱”舱、“自然”舱等舱室形成一个重达140吨、工作容积400立方米的庞大空间轨道联合体。在这一“太空小工厂”相继考察的俄罗斯和外国宇航员有106名，进行的科考项目多达2.2万个，重点项目600个。
在“和平”号进行的最吸引人的实验是延长人在太空的逗留时间。延长人在空间的逗留时间是人类飞出自己的摇篮地球、迈向火星等天体最为关键的一步，要解决这一难题需克服失重、宇宙辐射及人在太空所产生的心理障碍等。俄宇航员在这方面取得重大进展，其中宇航员波利亚科夫在“和平”号上创造了单次连续飞行438天的纪录，这不能不被视为20世纪航天史上的一项重要成果。在轨道站上进行了诸如培养鹌鹑、蝾螈和种植小麦等大量的生命科学实验。
如果将和平号空间站看作人类的第三代空间站，国际空间站则属于第四代空间站了。国际空间站工程耗资600多亿美元，是人类迄今为止规模最大的载人航天工程。它从最初的构想和最后开始实施既是当年美苏竞争的产物，又是当前美俄合作的结果，从侧面折射出历史的一段进程。
国际空间站计划的实施分3个阶段进行。第一阶段是从1994年开始的准备阶段，现已完成。这期间，美俄主要进行了一系列联合载人航天活动。美国航天飞机与俄罗斯“和平”号轨道站8次对接与共同飞行，训练了美国宇航员在空间站上生活和工作的能力；第二阶段从1998年11月开始：俄罗斯使用“质子－K”火箭把空间站主舱——功能货物舱送入了轨道。它还担负着一些军事实验任务，因此该舱只允许美国宇航员使用。实验舱的发射和对接的完成，将标志着第二阶段的结束，那时空间站已初具规模，可供3名宇航员长期居住；第三阶段则是要把美国的居住舱、欧洲航天局和日本制造的实验舱和加拿大的移动服务系统等送上太空。当这些舱室与空间站对接后，则标志着国际空间站装配最终完成，这时站上的宇航员可增至7人。
美、俄等15国联手建造国际空间站，预示着一个各国共同探索和和平开发宇宙空间的时代即将到来。不过，几十年来载人航天活动的成果还远未满足他们对太空的渴求。“路漫漫其休远兮，吾将上下而求索”，人类一直都心怀征服太空的欲望和和平利用太空资源的决心。1998年11月，人类第一个进入地球轨道的美国宇航员、77岁的老格伦带着他未泯的雄心再次踏上了太空征程，这似乎在告诉人类：照此下去，征服太空不是梦。
[编辑本段]天文学概况
天文和气象不同，它的研究对象是地球大气层外各类天体的性质和天体上发生的各种现象——天象，而气象研究的对象是地球大气层内发生的各种现象——气象。
天文学所研究的对象涉及宇宙空间的各种物体，大到月球、太阳、行星、恒星、银河系、河外星系以至整个宇宙，小到小行星、流星体以至分布在广袤宇宙空间中的大大小小尘埃粒子。天文学家把所有这些物体统称为天体。地球也是一个天体，不过天文学只研究地球的总体性质而一般不讨论它的细节。另外，人造卫星、宇宙飞船、空间站等人造飞行器的运动性质也属于天文学的研究范围，可以称之为人造天体。
宇宙中的天体由近及远可分为几个层次：(1)太阳系天体：包括太阳、行星（包括地球）、行星的卫星（包括月球）、小行星、彗星、流星体及行星际介质等。(2)银河系中的各类恒星和恒星集团：包括变星、双星、聚星、星团、星云和星际介质。(3)河外星系，简称星系，指位于我们银河系之外、与我们银河系相似的庞大的恒星系统，以及由星系组成的更大的天体集团，如双星系、多重星系、星系团、超星系团等。此外还有分布在星系与星系之间的星系际介质。
天文学还从总体上探索目前我们所观测到的整个宇宙的起源、结构、演化和未来的结局，这是天文学的一门分支学科——宇宙学的研究内容。天文学按照研究的内容还可分为天体测量学、天体力学和天体物理学三门分支学科。
天文学始终是哲学的先导，它总是站在争论的最前列。作为一门基础研究学科，天文学在不少方面是同人类社会密切相关的。时间、昼夜交替、四季变化的严格规律都须由天文学的方法来确定。人类已进入空间时代，天文学为各类空间探测的成功进行发挥着不可替代的作用。天文学也为人类和地球的防灾、减灾作着自己的贡献。天文学家也将密切关注灾难性天文事件——如彗星与地球可能发生的相撞，及时作出预防，并作出相应的对策。
[编辑本段]太阳系
（注：在2006年8月24日于布拉格举行的第26界国际天文联会中通过的第5号决议中,冥王星被划为矮行星，并命名为小行星134340号，从太阳系九大行星中被除名。所以现在太阳系只有八大行星。文中所有涉及“九大行星”的都已改为“八大行星”。）
太阳系（solar system）是由太阳、8颗大行星、66颗卫星以及无数的小行星、彗星及陨星组成的。
行星由太阳起往外的顺序是：水星（mercury）、金星（venus）、地球（earth）、火星（mars）、木星（jupiter）、土星（saturn）、天王星（uranus）和海王星（neptune）。
离太阳较近的水星、金星、地球及火星称为类地行星（terrestrial planets）。宇宙飞船对它们都进行了探测，还曾在火星与金星上着陆，获得了重要成果。它们的共同特征是密度大（大于3.0克/立方厘米）、体积小、自转慢、卫星少、主要由石质和铁质构成、内部成分主要为硅酸盐（silicate）并且具有固体外壳。
离太阳较远的木星、土星、天王星及海王星称为类木行星（jovian planets）。宇宙飞船也都对它们进行了探测，但未曾着陆。它们都有很厚的大气圈、主要由氢、氦、冰、甲烷、氨等构成、质量和半径均远大于地球，但密度却较低，其表面特征很难了解，一般推断，它们都具有与类地行星相似的固体内核。
在火星与木星之间有100000个以上的小行星（asteroid）（即由岩石组成的不规则的小星体）。推测它们可能是由位置界于火星与木星之间的某一颗行星碎裂而成的，或者是一些未能聚积成为统一行星的石质碎块。陨星存在于行星之间，成分是石质或者铁质。
星，距离(AU)，半径(地球)，质量(地球)，轨道倾角(度)，轨道偏心率，倾斜度，密度(g/cm3)
太 阳，0 ，109 ，332,800 ，--- ，--- ，--- ，1.410
水 星 ，0.39 ，0.38 ，0.05 ，7 ，0.2056 ，0.1° ，5.43
金 星 ，0.72 ，0.95 ，0.89 ，3.394 ，0.0068 ，177.4° ，5.25
地 球 ，1.0 ，1.00 ，1.00， 0.000 ，0.0167 ，23.45° ，5.52
火 星 ，1.5， 0.53， 0.11 ，1.850 ，0.0934， 25.19° ，3.95
木 星 ，5.2 ，11.0 ，318 ，1.308 ，0.0483 ，3.12° ，1.33
土 星 ，9.5， 9.5 ，95 ，2.488 ，0.0560 ，26.73° ，0.69
天王星 ，19.2， 4.0 ，17 ，0.774 ，0.0461 ，97.86° ，1.29
海王星 ，30.1 ，3.9 ，17 ，1.774 ，0.0097 ，29.56° ，1.64
行星离太阳的距离具有规律性，即从离太阳由近到远计算，行星到太阳的距离（用a表示）a=0.4+0.3*2n-2（天文单位）其中n表示由近到远第n个行星（详见上表） 地球、火星、木星、土星、天王星、海王星的自转周期为12小时到一天左右，但水星、金星自转周期很长，分别为58.65天和243天，多数行星的自转方向和公转方向相同，但金星则相反。 除了水星和金星，其它行星都有卫星绕转，构成卫星系。
在太阳系中，现已发现1600多颗彗星，大致一半彗星是朝同一方向绕太阳公转，另一半逆向公转的。彗星绕太阳运行中呈现奇特的形状变化。 太阳系中还有数量众多的大小流星体，有些流星体是成群的，这些流星群是彗星瓦解的产物。大流星体降落到地面成为陨石。 太阳系是银河系的极微小部分，太阳只是银河系中上千亿个恒星中的一个，它离银河系中心约8.5千秒差距,即不到3万光年。太阳带着整个太阳系绕银河系中心转动。可见，太阳系不在宇宙中心，也不在银河系中心。 太阳是50亿年前由星际云瓦解后的一团小云塌缩而成的，它的寿命约为100亿年。
[编辑本段]宇宙航天
宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。 宇宙是物质世界，它处于不断的运动和发展中。 千百年来，科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。直到今天，科学家们才确信，宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。 在爆炸发生之前，宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起，并浓缩成很小的体积，温度极高，密度极大，之后发生了大爆炸。 大爆炸使物质四散出击，宇宙空间不断膨胀，温度也相应下降，后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命，都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。 然而，大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释，“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西？ “大爆炸理论”是伽莫夫于1946年创建的。
大爆炸理论
（big-bang cosmology）现代宇宙系中最有影响的一种学说，又称大爆炸宇宙学。与其他宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束（见元素合成理论）。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实：
（1）大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
（2）观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。
（3）在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。
（4）根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言，今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度约为3K。

数学论文三角学与天文学

三角学与天文学
早期三角学不是一门独立的学科，而是依附于天文学，是天文观测结果推算的一种方法，因而最先发展起来的是球面三角学．希腊、印度、阿拉伯数学中都有三角学的内容，可大都是天文观测的副产品．测量天体之间的距离不是一件容易的事. 天文学家把需要测量的天体按远近不同分成好几个等级.离我们比较近的天体，它们离我们最远不超过100光年（1光年＝9.46万亿1012公里），天文学家用三角视差法测量它们的距离.三角视差法是把被测的那个天体置于一个特大三角形的顶点，地球绕太阳公转的轨道直径的两端是这个三角形的另外二个顶点，通过测量地球到那个天体的视角，再用到已知的地球绕太阳公转轨道的直径，依靠三角公式就能推算出那个天体到我们的距离了.稍远一点的天体我们无法用三角视差法测量它和地球之间的距离，因为在地球上再也不能精确地测定它们的视差了. 〔河内天体的距离又称为视差，恒星对日地平均距离（a）的张角叫做恒星的三角视差(p)，则较近的恒星的距离D可表示为：sinπ＝a/D〕
若π很小，π以角秒表示，且单位取秒差距(pc)，则有：D=1/π
用周年视差法测定恒星距离，有一定的局限性，因为恒星离我们愈远，π就愈小，实际观测中很难测定.三角视差是一切天体距离测量的基础，至今用这种方法测量了约10，000多颗恒星.因此从天文学中又衍生出了三角学,而三角学则为天文研究奠定了基础.
三角学起源于古希腊。为了预报天体运行路线、计算日历、航海等需要，古希腊人已研究球面三角形的边角关系，掌握了球面三角形两边之和大于第三边，球面三角形内角之和大于两个直角，等边对等角等定理。印度人和阿拉伯人对三角学也有研究和推进，但主要是应用在天文学方面。15、16世纪三角学的研究转入平面三角，以达到测量上应用的目的。16世纪法国数学家韦达系统地研究了平面三角。他出版了应用于三角形的数学定律的书。此后，平面三角从天文学中分离出来，成了一个独立的分支。平面三角学的内容主要有三角函数、解三角形和三角方程。
而三角学的发展历程又是十分漫长的．
最早，古希腊门纳劳斯（Menelaus of Alexandria）著《球面学》，提出了三角学的基础问题和基本概念，特别是提出了球面三角学的门纳劳斯定理；50年后，另一个古希腊学者托勒密（Ptolemy）著《天文学大成》，初步发展了三角学．而在公元499年，印度数学家阿耶波多（ryabhata I）也表述出古代印度的三角学思想；其后的瓦拉哈米希拉（Varahamihira）最早引入正弦概念，并给出最早的正弦表；公元10世纪的一些阿拉伯学者进一步探讨了三角学．当然，所有这些工作都是天文学研究的组成部分．直到纳西尔丁（Nasir ed-Din al Tusi，1201～1274）的《横截线原理书》才开始使三角学脱离天文学，成为纯粹数学的一个独立分支．而在欧洲，最早将三角学从天文学独立出来的数学家是德国人雷格蒙塔努斯（J•Regiomontanus，1436～1476）．
雷格蒙塔努斯的主要著作是1464年完成的《论各种三角形》．这是欧洲第一部独立于天文学的三角学著作．全书共5卷，前2卷论述平面三角学，后3卷讨论球面三角学，是欧洲传播三角学的源泉．雷格蒙塔努斯还较早地制成了一些三角函数表．
雷格蒙塔努斯的工作为三角学在平面和球面几何中的应用建立了牢固的基础．他去世以后，其著作手稿在学者中广为传阅，并最终出版，对16世纪的数学家产生了相当大的影响，也对哥白尼等一批天文学家产生了直接或间接的影响．
最先使用三角学一词的是文艺复兴时期的德国数学家皮蒂斯楚斯（B．Pitiscus，1561～1613），他在1595年出版的《三角学：解三角形的简明处理》中创造这个词．其构成法是由三角形（tuiangulum）和测量（metuicus）两字凑合而成．要测量计算离不开三角函数表和三角学公式，它们是作为三角学的主要内容而发展的．
三角测量在中国也很早出现，公元前一百多年的《周髀算经》就有较详细的说明，例如它的首章记录“周公曰，大哉言数，请问用矩之道。商高曰，平矩以正绳，偃矩以望高，复矩以测深，卧矩以知远。”（商高说的矩就是今天工人用的两边互相垂直的曲尺，商高说的大意是将曲尺置于不同的位置可以测目标物的高度、深度与广度）1世纪时的《九章算术》中有专门研究测量问题的篇章．
16世纪三角函数表的制作首推奥地利数学家雷蒂库斯（G．J．Rhetucus，1514～1574）．他1536年毕业于滕贝格（Wittenbery）大学，留校讲授算术和几何．1539年赴波兰跟随著名天文学家哥白尼学习天文学，1542年受聘为莱比锡大学数学教授．雷蒂库斯首次编制出全部6种三角函数的数表，包括第一张详尽的正切表和第一张印刷的正割表．
17世纪初对数发明后大大简化了三角函数的计算，制作三角函数表已不再是很难的事，人们的注意力转向了三角学的理论研究．不过三角函数表的应用却一直占据重要地位，在科学研究与生产生活中发挥着不可替代的作用．
三角公式是三角形的边与角、边与边或角与角之间的关系式．三角函数的定义已体现了一定的关系，一些简单的关系式在古希腊人以及后来的阿拉伯人中已有研究．
文艺复兴后期，法国数学家韦达（F．Vieta）成为三角公式的集大成者．他的《应用于三角形的数学定律》（1579）是较早系统论述平面和球面三角学的专著之一．其中第一部分列出6种三角函数表，有些以分和度为间隔．给出精确到5位和10位小数的三角函数值，还附有与三角值有关的乘法表、商表等．第二部分给出造表的方法，解释了三角形中诸三角线量值关系的运算公式．除汇总前人的成果外，还补充了自己发现的新公式．如正切定律、和差化积公式等等．他将这些公式列在一个总表中，使得任意给出某些已知量后，可以从表中得出未知量的值．该书以直角三角形为基础．对斜三角形，韦达仿效古人的方法化为直角三角形来解决．对球面直角三角形，给出计算的完整公式及其记忆法则，如余弦定理，1591年韦达又得到多倍角关系式，1593年又用三角方法推导出余弦定理．
1722年英国数学家棣莫弗（A．De Meiver）得到以他的名字命名的三角学定理
�（cosθ±isinθ）n＝cosnθ＋isinnθ，
并证明了n是正有理数时公式成立；1748年欧拉（L．Euler）证明了n是任意实数时公式也成立，他还给出另一个著名公式
�eiθ＝cosθ＋isinθ，
对三角学的发展起到了重要的推动作用．
近代三角学是从欧拉的《无穷分析引论》开始的．他定义了单位圆，并以函数线与半径的比值定义三角函数，他还创用小写拉丁字母a、b、c表示三角形三条边，大写拉丁字母A、B、C表示三角形三个角，从而简化了三角公式．使三角学从研究三角形解法进一步转化为研究三角函数及其应用，成为一个比较完整的数学分支学科．而由于上述诸人及19世纪许多数学家的努力，形成了现代的三角函数符号和三角学的完整的理论．
如今，人们从更高、更深的角度来认识“三角学”，是由于复数的引入。人们对复数的思考由来已久，例如对方程x2＋1=0的根的思考，但人们认真地将虚数=i引入数学则是16世纪的事了。之后欧拉建立了著名的欧拉公式：eiθ=cosθ＋isinθ，使得三角学中的问题都可以化归为复数来讨论，于是三角学中一大批问题得以轻松地解决。有了复数与欧拉公式，使人们对三角学的已有理论的理解更为深刻，并可以把一些原始的、复杂的处理三角学的方法与工具“抛到一边”。
事实上，三角学是一门实用的数学分支，尽管源自于天文学，但在很多其他学科中都有用。
百年前，希尔伯特在他那著名的讲演中，用以下这段话作为结束语：“数学的有机统一，是这门科学固有的特点，因为它是一切精确自然科学知识的基础，为了圆满实现这个崇高的目标，让新世纪给这门科学带来天才的大师和无数热诚的信徒吧！”我深信，只要我们从现在开始，学好数学，用好数学，21世纪一定会“给这门科学带来天才的大师”，而且其中肯定有许多来自我们90后！


注：简单的将网上的排了一下序，仍需修改！！

《自然》（20220407出版）一周论文导读

编译 | 李言 Nature , 7 April 2022, Volume 604 Issue 7904 《自然》 2022年4月7日，第604卷，7904期 天文学 Astronomy UV absorption by silicate cloud precursors in ultra-hot Jupiter WASP-178b 木星大小的高温行星WASP-178b中硅酸盐云前驱体对紫外线的吸收 作者：Joshua D. Lothringer, David K. Sing, Zafar Rustamkulov, Hannah R. Wakeford, Kevin B. Stevenson, Nikolay Nikolov, Panayotis Lavvas, Jessica J. Spake & Autumn T. Winch 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04453-2 摘要： 在此，我们报道了木星大小的高温行星WASP-178b（约2450 K）的近紫外透射光谱，它显示了大量的吸收。贝叶斯反演表明存在含硅和镁的气态耐火物质，它们是低温下凝结云的前兆。 据先前研究，一氧化硅此前未曾在系外行星中探测到，但WASP-178b中一氧化硅的含量与理论预期一致，即高温下的主要硅元素来源。这些使我们能重新解释HAT-P-41b和WASP-121b此前没有考虑一氧化硅的观测结果，表明硅酸盐云的形成开始于1950到2450 K之间的平衡温度的系外行星。 Abstract： Here we report the near-ultraviolet transmission spectrum of the ultra-hot Jupiter WASP-178b (approximately 2,450 K), which exhibits substantial absorption. Bayesian retrievals indicate the presence of gaseous refractory species containing silicon and magnesium, which are the precursors to condensate clouds at lower temperatures. SiO, in particular, has not previously, to our knowledge, been detected in exoplanets, but the presence of SiO in WASP-178b is consistent with theoretical expectations as the dominant Si-bearing species at high temperatures. These observations allow us to re-interpret previous observations of HAT-P-41b and WASP-121b that did not consider SiO, to suggest that silicate cloud formation begins on exoplanets with equilibrium temperatures between 1,950 and 2,450 K. 物理学 Physics Search for Majorana neutrinos exploiting millikelvin cryogenics with CUORE 利用极低温环境晶体寻找马约拉纳中微子 作者：The CUORE Collaboration 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04497-4 摘要 在此，我们展示了最新的低温器和CUORE实验对130Te晶体中无中微子双贝塔衰变的搜索结果。CUORE实验的运行温度仅比绝对零度高10毫微，它在三个方面提高了将技术前沿：超低温度下的质量、运行寿命和低温基础设施产生的低水平电离辐射。 结果表明，无中微子双贝塔在90%的可信区间内没有出现衰变现象，且其半衰期下限为2.2 1025年。我们讨论了CUORE在其他领域的潜在应用进展，如直接暗物质、中微子和核物理搜索以及大规模量子计算，这得益于在低放射性、超低温低温环境中持续运行的大规模有效载荷。 Abstract Here we show results from the search for 0νββ decay of130Te, using the latest advanced cryogenic calorimeters with the CUORE experiment. CUORE, operating just 10 millikelvin above absolute zero, has pushed the state of the art on three frontiers: the sheer mass held at such ultralow temperatures, operational longevity, and the low levels of ionizing radiation emanating from the cryogenic infrastructure. We find no evidence for 0νββ decay and set a lower bound of the process half-life as 2.2 1025years at a 90 per cent credibility interval. We discuss potential applications of the advances made with CUORE to other fields such as direct dark matter, neutrino and nuclear physics searches and large-scale quantum computing, which can benefit from sustained operation of large payloads in a low-radioactivity, ultralow-temperature cryogenic environment. 材料科学 Material Science Charge-density-wave-driven electronic nematicity in a kagome superconductor 笼目超导体中发现新型电子向列相 作者：Linpeng Nie, Kuanglv Sun, Wanru Ma, Dianwu Song, Lixuan Zheng et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04493-8 摘要 我们通过弹性电阻、核磁共振（NMR）和扫描隧道显微镜/光谱（STM/S）三种技术的结合，发现了笼目超导体CsV3Sb5中存在电子向列相的证据。随温度变化的弹性电阻系数（m11 - m12和核磁共振谱表明，2a0   2a0超级单体由于面外调制而产生 C2 结构畸变，在电荷密度波跃迁（约94开尔文）下方会出现相当大的向列波动，最后在35开尔文以下会出现向列跃迁。 STM实验实现了 C2 -结构固定的长程向列向转变温度以下的向列相，提出了一种由three state Potts模型描述的新型向列相。 Abstract Here we report evidence for the existence of electronic nematicity in CsV3Sb5, using a combination of elastoresistance measurements, nuclear magnetic resonance (NMR) and scanning tunnelling microscopy/spectroscopy (STM/S). The temperature-dependent elastoresistance coefficient (m11 minus m12) and NMR spectra demonstrate that, besides a C2 structural distortion of the 2a0   2a0 supercell owing to out-of-plane modulation, considerable nematic fluctuations emerge immediately below the CDW transition (approximately 94 kelvin) and finally a nematic transition occurs below about 35 kelvin. The STM experiment directly visualizes the C2 -structure-pinned long-range nematic order below the nematic transition temperature, suggesting a novel nematicity described by a three-state Potts model. Ultrathin ferroic HfO2–ZrO2 superlattice gate stack for advanced transistors 可用于先进晶体管的超薄铁质HfO2–ZrO2 超晶格栅叠层 作者：Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Li-Chen Wang, Cheng-Hsiang Hsu et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04425-6 摘要 在此，我们报告HfO2–ZrO2超晶格异质结构作为栅叠层，通过混合铁电性-反铁电性顺序稳定，直接集成到Si晶体管上，并缩小到大约20埃，与高性能晶体管所需的栅极氧化厚度相同。金属氧化物半导体电容器的整体等效氧化层厚度相当于6.5埃的二氧化硅有效厚度。 在传统的HfO2基高介电常数栅极堆中，如果不清除表面的二氧化硅，就无法获得如此低的有效氧化层厚度和由此产生的大电容，这对电子传输和栅极漏电流有不利影响。因此，我们的栅极堆栈不需要这样清除即可提供更低的泄漏电流和无迁移率退化。 Abstract Here we report HfO2–ZrO2 superlattice heterostructures as a gate stack, stabilized with mixed ferroelectric–antiferroelectric order, directly integrated onto Si transistors, and scaled down to approximately 20 ångströms , the same gate oxide thickness required for high-performance transistors. The overall equivalent oxide thickness in metal–oxide–semiconductor capacitors is equivalent to an effective SiO2 thickness of approximately 6.5angstroms. Such a low effective oxide thickness and the resulting large capacitance cannot be achieved in conventional HfO2-based high-dielectric-constant gate stacks without scavenging the interfacial SiO2, which has adverse effects on the electron transport and gate leakage current. Accordingly, our gate stacks, which do not require such scavenging, provide substantially lower leakage current and no mobility degradation. 生物学 Biology A stable hippocampal code in freely flying bats 自由飞行蝙蝠体内稳定的海马编码 作者：William A. Liberti III, Tobias A. Schmid, Angelo Forli, Madeleine Snyder & Michael M. Yartsev 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04560-0 摘要 在此，我们使用无线钙成像技术来纵向监测自由飞行的蝙蝠背部CA1海马神经元的活动，它们在熟悉的环境中进行高度可重复性的飞行。我们发现大多数神经元的参与和空间选择性在数天和数周内保持稳定。我们还发现，调谐的明显变化在很大程度上可以归因于蝙蝠飞行行为的变化。 最后，我们发现，在相同的环境中，蝙蝠在不同的房间照明条件下（开灯和关灯）飞行时，飞行行为发生了巨大的变化，这可能会给人一种神经元不稳定的错觉。 然而，在不同条件下比较相似的飞行路径时，海马编码的稳定性持续存在。综上所述，我们发现如果把行为考虑在内，潜在的海马编码在几天内和跨环境中都是高度稳定的。 Abstract Here we used wireless calcium imaging to longitudinally monitor the activity of dorsal CA1 hippocampal neurons in freely flying bats performing highly reproducible flights in a familiar environment. We find that both the participation and the spatial selectivity of most neurons remain stable over days and weeks. We also find that apparent changes in tuning can be largely attributed to variations in the flight behaviour of the bats. Finally, we show that bats navigating in the same environment under different room lighting conditions (lights on versus lights off) exhibit substantial changes in flight behaviour that can give the illusion of neuronal instability. However, when similar flight paths are compared across conditions, the stability of the hippocampal code persists. Taken together, we show that the underlying hippocampal code is highly stable over days and across contexts if behaviour is taken into account. 神经科学 Neurosciences Entropy of city street networks linked to future spatial navigation ability 与未来空间导航能力相关的城市街道网络熵 作者：A. Coutrot, E. Manley, S. Goodroe, C. Gahnstrom, G. Filomena, D. Yesiltepe, R. C. Dalton, J. M. Wiener, C. Hlscher, M. Hornberger & H. J. Spiers 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-022-04486-7 摘要 在此，我们使用一个嵌入在电子 游戏 中的认知任务来测量来自世界38个国家的397162人的非语言空间导航能力。总的来说，我们发现在非城市地区长大的人更擅长导航。更具体地说，人们更善于在与他们成长的地方拓扑相似的环境中导航。 生长在较低的城市街道网络熵（如芝加哥）的人在布局规则的电子 游戏 中有较好表现，而成长在城市以外地区或更高的街道网络熵（如布拉格）的人在熵值较高的视频 游戏 上表现更好。 这为环境在全球范围内对人类认知的影响提供了证据，并强调了城市设计在人类认知和大脑功能中的重要性。 Abstract Here we used a cognitive task embedded in a video game to measure non-verbal spatial navigation ability in 397,162 people from 38 countries across the world. Overall, we found that people who grew up outside cities were better at navigation. More specifically, people were better at navigating in environments that were topologically similar to where they grew up. Growing up in cities with a low street network entropy (for example, Chicago) led to better results at video game levels with a regular layout, whereas growing up outside cities or in cities with a higher street network entropy (for example, Prague) led to better results at more entropic video game levels. This provides evidence of the effect of the environment on human cognition on a global scale, and highlights the importance of urban design in human cognition and brain function

《自然》（20210527出版）一周论文导读

编译 | 未玖 Nature , 27 May 2021, VOL 593, ISSUE 7860 《自然》 2021年5月27日，第593卷，7860期 天文学 Astronomy Evidence of hydrogen helium immiscibility at Jupiter-interior conditions 木星内部条件下氢-氦不混溶的证据 作者：S. Brygoo, P. Loubeyre, M. Millot, J. R. Rygg, P. M. Celliers, J. H. Eggert, et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03516-0 摘要 温致密氢 氦（H-He）混合物的相行为影响了人们对木星和土星及其内部结构演化的理解。然而，尽管H-He相具有重要意义，但在相关的行星条件下，它的相行为仍然很难约束，因为通过计算来确定它极具挑战性，且极端温度和压力也难以通过实验达到。 研究组报道了通过激光驱动的冲击压缩已在钻石砧电池中预压缩的H2 He样品，可以达到适当的温度和压力。这使研究组能够探测木星内部条件下H-He混合物的性质，揭示了沿雨贡纽曲线的一个不混溶区域。 样品反射率的明显不连续变化表明，在10200 K时，该区域结束于150吉帕以上；在4700 K时，93吉帕以上的反射率发生了更细微的变化。考虑到木星的压力-温度分布，这些近原太阳混合物的实验不混溶约束表明H-He相分离影响了木星内部的很大一部分，研究组估计该部分大约占木星半径的15%。 这一发现为木星模型提供了微物理支持，该模型利用分层内部来解释朱诺号和伽利略号航天器的观测。 Abstract The phase behaviour of warm dense hydrogen helium (H He) mixtures affects our understanding of the evolution of Jupiter and Saturn and their interior structures. But despite its importance, H He phase behaviour under relevant planetary conditions remains poorly constrained because it is challenging to determine computationally and because the extremes of temperature and pressure are difficult to reach experimentally. Here we report that appropriate temperatures and pressures can be reached through laser-driven shock compression of H2 He samples that have been pre-compressed in diamond-anvil cells. This allows us to probe the properties of H He mixtures under Jovian interior conditions, revealing a region of immiscibility along the Hugoniot. A clear discontinuous change in sample reflectivity indicates that this region ends above 150 gigapascals at 10,200 kelvin and that a more subtle reflectivity change occurs above 93 gigapascals at 4,700 kelvin. Considering pressure–temperature profiles for Jupiter, these experimental immiscibility constraints for a near-protosolar mixture suggest that H He phase separation affects a large fraction—we estimate about 15 per cent of the radius—of Jupiter’s interior. This finding provides microphysical support for Jupiter models that invoke a layered interior to explain Juno and Galileo spacecraft observations. 材料科学 Materials Science Long-range nontopological edge currents in charge-neutral graphene 电荷中性石墨烯中的长程非拓扑边缘电流 作者：A. Aharon-Steinberg, A. Marguerite, D. J. Perello, K. Bagani, T. Holder, Y. Myasoedov, et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03501-7 摘要 范德华异质结构显示出许多独特的电子性质。单层、双层和薄层石墨烯、过渡金属二卤化物和莫尔超晶格已被发现显示出明显的非局域效应。 然而，这些效应的起源却引起了激烈的争论。尤其是石墨烯，在电荷中性时表现出巨大的非局域性，这一惊人行为吸引了各种不同的解释。 利用尖端超导量子干涉装置（SQUID-on-tip）进行纳米尺度的热成像和扫描门成像，研究组证明了石墨烯边缘常见的电荷积累会导致巨大的非局域性，产生了支持长程电流的狭窄导电通道。 出乎意料的是，虽然边缘电导对零磁场中的电流流动影响不大，但在中等磁场下，它会导致边缘和体输运之间的场诱导解耦。由此产生的巨大非局域性在电荷中性和远离电荷时产生了对边缘无序敏感的奇异流型，在这种流型中电荷可以对抗全局电场流动。 所观察到的一维边缘输运是通用和非拓扑的，有望支持许多电子系统中的非局域输运，为深入研究众多争论提供了线索，并将它们与系统边缘的远程引导电子态联系起来。 Abstract Van der Waals heterostructures display numerous unique electronic properties. Monolayer, bilayer and few-layer graphene, transition-metal dichalcogenides and moiré superlattices have been found to display pronounced nonlocal effects. However, the origin of these effects is hotly debated. Graphene, in particular, exhibits giant nonlocality at charge neutrality, a striking behaviour that has attracted competing explanations. Using a superconducting quantum interference device on a tip (SQUID-on-tip) for nanoscale thermal and scanning gate imaging, here we demonstrate that the commonly occurring charge accumulation at graphene edges leads to giant nonlocality, producing narrow conductive channels that support long-range currents. Unexpectedly, although the edge conductance has little effect on the current flow in zero magnetic field, it leads to field-induced decoupling between edge and bulk transport at moderate fields. The resulting giant nonlocality at charge neutrality and away from it produces exotic flow patterns that are sensitive to edge disorder, in which charges can flow against the global electric field. The observed one-dimensional edge transport is generic and nontopological and is expected to support nonlocal transport in many electronic systems, offering insight into the numerous controversies and linking them to long-range guided electronic states at system edges. Perovskite-type superlattices from lead halide perovskite nanocubes 卤化铅钙钛矿纳米立方体的钙钛矿型超晶格 作者：Ihor Cherniukh, Gabriele Rainò, Thilo Stöferle, Max Burian, Alex Travesset, Denys Naumenko, et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03492-5 摘要 铯-铅卤化物钙钛矿型纳米晶体是长程有序超晶格很有前途的构建基块，因其明亮三重态激子的高振荡强度、缓慢失相（高达80皮秒的相干时间）和最小发射线不均匀展宽。到目前为止，人们从这些纳米晶体中仅设计出来单组分超晶格与简单立方堆积。 研究组提出了钙钛矿型（ABO3）二元和三元纳米晶超晶格，通过立体稳定、高发光的立方CsPbBr3纳米晶（占据B和/或O晶格位）、球形Fe3O4或NaGdF4纳米晶（A位）和截角立方PbS纳米晶（B位）的形状定向共组装而成。 这些ABO3超晶格，以及研究组展示的二元NaCl和AlB2超晶格结构，均表明了CsPbBr3纳米立方体的高度取向有序性。它们还表现出超荧光——一种集体发射，导致超快辐射衰减（22皮秒）的光子爆发，可用于定制超亮（量子）光源。 研究组的工作为进一步 探索 复杂有序、功能有用的钙钛矿介观结构奠定了基础。 Abstract Caesium lead halide perovskite nanocrystals are promising building blocks for long-range-ordered superlattices, owing to the high oscillator strength of bright triplet excitons, slow dephasing (coherence times of up to 80 picoseconds) and minimal inhomogeneous broadening of emission lines. So far, only single-component superlattices with simple cubic packing have been devised from these nanocrystals. Here we present perovskite-type (ABO3) binary and ternary nanocrystal superlattices, created via the shape-directed co-assembly of steric-stabilized, highly luminescent cubic CsPbBr3 nanocrystals (which occupy the B and/or O lattice sites), spherical Fe3O4 or NaGdF4 nanocrystals (A sites) and truncated-cuboid PbS nanocrystals (B sites). These ABO3 superlattices, as well as the binary NaCl and AlB2 superlattice structures that we demonstrate, exhibit a high degree of orientational ordering of the CsPbBr3 nanocubes. They also exhibit superfluorescence—a collective emission that results in a burst of photons with ultrafast radiative decay (22 picoseconds) that could be tailored for use in ultrabright (quantum) light sources. Our work paves the way for further exploration of complex, ordered and functionally useful perovskite mesostructures. 地球科学 Earth Science A 10 per cent increase in global land evapotranspiration from 2003 to 2019 2003-2019年，全球陆地蒸散量增加10% 作者：Madeleine Pascolini-Campbell, John T. Reager, Hrishikesh A. Chandanpurkar & Matthew Rodell 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03503-5 摘要 准确量化全球陆地蒸散量对于理解全球水循环的变异性是必要的，在气候变化下，这种变异性预计将加剧。目前的全球蒸散量产品来源很多，包括模型、遥感和现场观测。 然而，现有的方法包含广泛不确定性；例如，与模型结构相关，或将观测值提升到全球水平。因此，全球蒸散量的变异性和趋势仍不清楚。 研究组表明，2003至2019年，全球陆地蒸散量增加了10 2%，陆地降水越来越多地被划分为蒸散量，而非径流。 该结果基于全球陆地蒸散量的独立水平衡集合时间序列和相应的不确定性分布，使用的数据来自重力恢复及气候实验（GRACE）和GRACE后续（GRACE-FO）卫星。 全球陆地蒸散量的变异性与厄尔尼诺-南方涛动正相关。然而，这种趋势的主要驱动力是不断升高的地表温度。 研究组的发现为全球陆地蒸散量提供了一个观测约束，且与全球蒸散量在气候变暖下增加的假设相一致。 Abstract Accurate quantification of global land evapotranspiration is necessary for understanding variability in the global water cycle, which is expected to intensify under climate change. Current global evapotranspiration products are derived from a variety of sources, including models, remote sensing and in situ observations. However, existing approaches contain extensive uncertainties; for example, relating to model structure or the upscaling of observations to a global level. As a result, variability and trends in global evapotranspiration remain unclear. Here we show that global land evapotranspiration increased by 10 2 per cent between 2003 and 2019, and that land precipitation is increasingly partitioned into evapotranspiration rather than runoff. Our results are based on an independent water-balance ensemble time series of global land evapotranspiration and the corresponding uncertainty distribution, using data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and GRACE-Follow On (GRACE-FO) satellites. Variability in global land evapotranspiration is positively correlated with El Niño–Southern Oscillation. The main driver of the trend, however, is increasing land temperature. Our findings provide an observational constraint on global land evapotranspiration, and are consistent with the hypothesis that global evapotranspiration should increase in a warming climate. Overriding water table control on managed peatland greenhouse gas emissions 地下水位控制泥炭地温室气体排放 作者：C. D. Evans, M. Peacock, A. J. Baird, R. R. E. Artz, A. Burden, N. Callaghan, et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03523-1 摘要 全球泥炭地储存的碳比大气中自然存在的还要多。然而，许多泥炭地受到基于排水的农业、种植开发和火灾的压力，仅相当于排水泥炭地排放的所有人为温室气体的3%左右。通过保护未排水的泥炭地和使排水系统再湿润，人们正加强努力来遏制此类排放。 研究组报道了来自16个地点的 CO2 涡流协方差数据和来自英国和爱尔兰41个地点的 CH4 静态室测量数据，并将这些数据与所有主要泥炭地生物群落公布的数据相结合。 结果表明，年平均有效地下水位（ WTDe ；即通气泥炭层的平均深度）超过了所有其他与温室气体排放相关的生态系统和管理控制。 研究组估计， WTDe 每减少10 cm， CO2 和 CH4 排放（100年全球变暖潜势）的净变暖效应每年每公顷至少减少3吨 CO2 ，直到 WTDe 小于30 cm。进一步提高水位将继续产生净冷却效应，直到 WTDe 位于地表10 cm以内。 研究结果表明，农业泥炭地的温室气体排放可以大大减少，而不必停止其生产性使用。例如，将所有排干的农业泥炭地中的 WTDe 减半，可减少的排放量相当于全球人为排放的1%以上。 Abstract Global peatlands store more carbon than is naturally present in the atmosphere. However, many peatlands are under pressure from drainage-based agriculture, plantation development and fire, with the equivalent of around 3 per cent of all anthropogenic greenhouse gases emitted from drained peatland. Efforts to curb such emissions are intensifying through the conservation of undrained peatlands and re-wetting of drained systems. Here we report eddy covariance data for carbon dioxide from 16 locations and static chamber measurements for methane from 41 locations in the UK and Ireland. We combine these with published data from sites across all major peatland biomes. We find that the mean annual effective water table depth ( WTDe ; that is, the average depth of the aerated peat layer) overrides all other ecosystem- and management-related controls on greenhouse gas fluxes. We estimate that every 10 centimetres of reduction in WTDe could reduce the net warming impact of CO2 and CH4 emissions (100-year global warming potentials) by the equivalent of at least 3 tonnes of CO2 per hectare per year, until WTDe is less than 30 centimetres. Raising water levels further would continue to have a net cooling effect until WTDe is within 10 centimetres of the surface. Our results suggest that greenhouse gas emissions from peatlands drained for agriculture could be greatly reduced without necessarily halting their productive use. Halving WTDe in all drained agricultural peatlands, for example, could reduce emissions by the equivalent of over 1 per cent of global anthropogenic emissions. 社会 学 Sociology The universal visitation law of human mobility 人群流动的普遍访问规律 作者：Markus Schläpfer, Lei Dong, Kevin O’Keeffe, Paolo Santi, Michael Szell, Hadrien Salat, et al. 链接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-03480-9 摘要 人的流动性影响着城市的许多方面，从城市的空间结构到城市对流行病的反应。它最终也是 社会 互动、创新和生产力的关键。 研究组揭示了一个简单而稳健的标度律，它基于全球不同城市的人口大规模流动数据，来捕捉人口流动的时空谱。根据这一规律，任何地点的游客人数都会随着其访问频率和旅行距离乘积的平方反比而减少。 研究组进一步证明流向不同地点的时空流产生了显著的空间集群，其区域分布遵循齐夫定律。最后，研究组建立了一个基于 探索 和优先返回的个体流动模型，为所发现的标度律和新兴的空间结构提供了一个机制解释。 该研究结果证实了人文地理学中长期存在的猜想，并允许对人群重复流动进行预测，这为在城市规划、交通工程和减少流行病方面的应用提供了基础。 Abstract Human mobility impacts many aspects of a city, from its spatial structure to its response to an epidemic. It is also ultimately key to social interactions, innovation and productivity. However, our quantitative understanding of the aggregate movements of inpiduals remains incomplete. Existing models—such as the gravity law or the radiation model—concentrate on the purely spatial dependence of mobility flows and do not capture the varying frequencies of recurrent visits to the same locations. Here we reveal a simple and robust scaling law that captures the temporal and spatial spectrum of population movement on the basis of large-scale mobility data from perse cities around the globe. According to this law, the number of visitors to any location decreases as the inverse square of the product of their visiting frequency and travel distance. We further show that the spatio-temporal flows to different locations give rise to prominent spatial clusters with an area distribution that follows Zipf’s law. Finally, we build an inpidual mobility model based on exploration and preferential return to provide a mechanistic explanation for the discovered scaling law and the emerging spatial structure. Our findings corroborate long-standing conjectures in human geography and allow for predictions of recurrent flows, providing a basis for applications in urban planning, traffic engineering and the mitigation of epidemic diseases.