研究天文学的人整天在干嘛? 易博士专栏

环球科学ScientificAmerican2019-11-15 13:26:31



当你见到多年不见的同学,亲切地问一句:“你现在在做什么?”的时候,如果对方深沉而羞涩地吐出一句:“我在研究天文”,通常你会经历两三秒无话可说的尴尬,然后不得不瞪大眼睛,由衷地赞叹一句:“好高深!” 本文旨在避免类似情景的发生,为你和天文学书呆子之间创造话题(如果你还愿意和他聊天的话)


撰文 易疏序(香港大学物理系博士后)



《生活大爆炸》中的Raj就是一位天体物理学家。图片来源:Youtube


问题1: 天文学和天体物理有什么区别?


老实说,对于这个问题,我至今还说不出一个所以然。早年间我曾经半开玩笑地说:“天文是文,天体物理是理。”然而我后来发现,那些天文系的学生和我这个物理系天体物理专业的学生学的是一样的课,做的是相似的课题,参加的是同一个会议,水的是同几个期刊。更重要的是,几乎我问过的所有天文学/天体物理学的学生、老师都对这个问题的答案莫衷一是,于是我只能说:“这个问题不重要。呐,人呢,开心就好。


问题2:天文学在研究什么?(你的同学心里都在想啥?)


按照我博士导师张双南教授的说法,地球大气层以上的部分都归天文学研究。如此说来的话,整个宇宙中只有极小部分是天文学家不研究的,而天文学家自己恰恰生活在他们不研究的那部分世界里。他们还真是会找重点呢。


天文学研究的对象,按照尺度,可以分成这么几类:一类是和恒星相关的。包括了恒星的一生:恒星的前世——原恒星、分子云;恒星的壮年生活——主序星;恒星的老年——巨星、行星状星云;恒星的“尸体”——白矮星、中子星、黑洞。每一个阶段又可以衍生出无数的课题,比如八卦一些恒星和他的妻子之间的恋爱史——双星系统,恒星的子女们——行星、小行星、彗星等,恒星的家族——星团,黑洞和恒星的互动、中子星和恒星的互动、中子星和周围环境的互动、中子星的内部结构、恒星的内部结构......相信你已经看出来了,我可以一直写下去。


尺度再大一点的一类,就是研究星系。如果恒星是一个人,那么星系就是一个国家。国家的疆域里面不仅有人、还有动植物、山川河岳、沙漠戈壁等等丰富多彩的东西。同样,星系里也不止有恒星,还有致密天体、宇宙射线、气体、暗物质、尘埃、星系核黑洞、卫星星系等各种有意思的东西。国与国之间会发生战争、联姻,星系与星系也会有碰撞、并合。如果特洛伊战争可以写成《伊利亚特》的话,那么星系之间的合并将是多么恢弘的史诗!


有了国家,就会有国家联盟。星系也会聚集成团,形成星系团。星系团里除了有星系之外,还有大量的暗物质和热气体。研究星系团里星系的形状、星系团和星系团的碰撞,这些都是研究暗物质性质的好方法。目前为止,关于暗物质的线索,人类只有从天文学家这里获知。


最后,至大无外,天文学家也研究整个宇宙。研究它如何从一个点膨胀成现在这样、宇宙如今有没有在加速膨胀、未来宇宙会与会继续膨胀、宇宙中的元素如何形成、宇宙中的星系如何形成.....


问题3:天文学怎么研究?(你的同学每天都在干啥?)


有一个成语叫“窥一斑而知全豹”,特别适合形容天文学研究,如果用更接地气的比喻就是“盲人摸象”。因为天文研究的目标不是太大,就是太远。人们坐在地球上,永远都只能获得零星的关于天体的信息,然后要根据这些信息猜出那“象”究竟长什么样。根据分工不同,有人负责“摸”,有人负责“猜”。那些负责摸的人就叫“观测家”,负责猜的人就叫“理论家”。


1、观测


观测分很多种观测方法。最容易想到的就是从望远镜里看天体的图像,比如研究弥散星云、星团、星系、星系团、都可以用这种方法。人去检查身体,看皮肤就用眼睛看就好了。如果是内脏就要做B超,如果看骨头就要X光。看天体也是这样,你要看到同一个天体不同深度的东西,就要换用不同波段的望远镜。这些望远镜造价昂贵,有的还在太空,所以全世界的科学家们都共享他们的望远镜。 望远镜的主人会把观测好的图像转换成数据,然后放在网站上供其他科学家们下载使用。所以你的天文学同学可能永远也没见过他所用的望远镜,只是每天对着电脑噼里啪啦地敲击。



画家笔下的伽利略。天文学家的经典形象就是在夜晚对着望远镜观察天空,然而,现代的很多天文学工作者压根就没见过他正在用的望远镜。图片来源: The Galileo Project


说到这里有人问了,人家花了那么多钱建好的望远镜,凭啥免费地给别人用数据呢?难道科学家都是雷锋?对此我只能说,是的,科学家就是雷锋......当然你也可以说,那些发表的成果都可以计入望远镜项目的成果,以此可以换取更多的项目经费。这么说来,资助这个项目的人/政府部门是雷锋。反正总之,科学研究这件事里,如果不加入“雷锋”这个元素,那是解释不通的。


哦,有点扯远了。刚才说到看天体的图像。有大量的天体,他们离地球太远了,他们的图像就是一个亮点,你就是放大再多倍,还是一个亮点,有啥可看的呢?这时候就要用别的手段去观测了。比如看它的谱线去了解它有那些化学成分,看连续谱和偏振去了解它上面发生了哪些物理过程。还可以看它的光是如何随时间变化的,也就是所谓的时变信息。


2、理论


这些错综复杂的观测结果发表出来了,就如同一堆凶案现场勘查报告摆到了福尔摩斯的办公桌前,他就需要解释这一个问题:“现场究竟发生过什么?”比如现场拍到了脚印的照片,那么侦探如何知道这脚印的主人的身高体重呢?他可以做一个和真人比例相同的机器人模型,让他穿上鞋在房间里走,留下脚印,然后不断地调整机器人的身高和体重,使机器人留下的脚印尽可能地接近现场拍回来的脚印。这就是理论家的“建模”过程。与建立一个实体的假人模型不同,理论家用物理和数学的公式建立起一个虚拟的现场模型,然后调整模型的输入参数,比如在系统里放入一个黑洞,修改黑洞的质量等等,然后计算出应该观测到的结果。看看这个模型给出的结果和真正的观测结果是否一致,如果不一致,则修改模型或者调整参数。后面这一步叫“拟合”。拟者,揣度也。合者,一致也。拟合即通过使预测结果和观测结果一致来猜测。


理论家仅仅“拟合”还不够,还要做出预言。就是说一些类似于“如果现场真的发生了我所猜测的情况,那么你们再去现场的草丛里应该能找到弹壳”之类的话。观测家们觉得你的话有道理,他们就会乖乖地回到“现场”去找“弹壳”。现如今无论是建模还是拟合,一般大家都离不开计算机编程了。这一方面是因为简单的模型已经无法解释越来越多的数据,所以模型越来越复杂;另一方面可能是人们越来越懒,不再愿意为了得到一个漂亮的解析公式去费许多周章地去做近似,凑特殊积分函数,而宁愿把完整的模型丢给计算机去跑(反正计算机也不累)。但这样做的坏处就是,人们读你的文章时很难理解你的模型里各个成分到底如何起作用的;以及别人想重复和改进你的工作,除了自己重新编程以外就只能找你要代码,而你一般情况下都不给,因为你想用它来发更多的文章。即使你发扬了科学界的雷锋精神,把代码公开了,很多情况下阅读理解这个代码的难度不亚于自己重新写一个。


3、高屋建瓴的天文学家(boss



研究生/博士后:“我今年才写了一篇文章,我得多加努力了。” 老板:“我今年才发了16篇文章,我得雇点更好的研究生和博后了。” 图片来源:phdcomics.com


每个行业里都有小弟和老板,天文学界也不例外。这里并不只是地位和薪资的不同,而是眼界、经验、以及随之而来的分工不同。简单的说:小弟之于老板,如同计算机之于小弟。计算机可以理解它每一步的四则运算,但它不理解整个模型,或者整条光谱。同样,小弟可能理解了这个天体,但他不理解研究这个天体对整个领域有什么意义,他也就不会知道下一个应该去研究谁。一个老板,手下可能既有做观测的、又有做理论的。就像交响乐团里的指挥,他可以小提琴拉得生疏了,长笛完全不会吹,这都没关系,重要的是一定要能看得懂总谱,并且听得出来每一个乐器有没有演奏错。


综上,从事天文学研究的人每天做的事可能有:


1、观测者:


写观测提案(敲电脑)-处理数据(敲电脑)-发邮件(敲电脑)-写文章(敲电脑)-看文章-听报告-作报告


2、理论:


读文章-读教科书-推导公式-讨论-编程(敲电脑)-写文章(敲电脑)-作报告-听报告


3、boss:


开会-开会-开会-看文章-发邮件-发邮件-开会-......



问题4:天文学研究有什么用?(你的同学有前途吗?)


这个问题可以分成两方面来谈。一是天文学研究本身对人类社会有什么用;二是从事天文学研究的人能做什么样的工作。


对于第一个问题,已经是老生常谈了。人类从事的任何一项活动都是对欲望的满足。农业是满足食欲、工商业是满足物欲、国家和军队满足安全生活的欲望;科学研究也不例外,是满足人类的求知欲。人们满足了前几种欲望,自然就会追求后面的欲望。


从事天文学研究的人能做什么样的工作?如果留在学术界,最终的目标就变成一个科研boss,指挥着自己的团队去满足自己和全人类的求知欲;优秀的科研人员如果想离开学术界,以他们的英文、计算机、数学、逻辑思维和表达能力(和学历)他们可以进入任何行业成为可怕的竞争对手。他们唯一弱点就是对学术界的眷恋和对自己梦想的不舍。


本文作者:易疏序是《环球科学》资深译者和老朋友,中科院高能物理研究所粒子天体物理学博士,目前在香港大学物理系做博士后研究,研究双星系统。易博士偶尔给我球写写文章,如果有问题想问他,可以在下面留言。


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