张双南:仰望星空如何改变世界?

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知识分子
0.1 2016.01.04 08:41* 字数 9682

文 | 张双南(中国科学院高能物理研究所研究员)

导 读

自1609年伽利略发明天文望远镜以来,天文学的观测和研究对现代自然科学的发展做出了巨大贡献,包括建立现代科学研究的方法、奠定基础物理学的基础、促进人类宇宙观的七次飞跃等。

在刚刚过去的2015年,人类太空探索达到了前所未有的深度与广度,一项项突破激动人心。

在Nature最近盘点的2016值得期待的科学事件中,中国太空探索备受瞩目。除了刚刚于2015年12月发射升空的暗物质粒子探测器“悟空”外,2016年中国将发射第二和第三个空间科学探测器:2016年6月发射全世界第一个量子通讯测试卫星;年底, 硬X射线调制望远镜将升入太空 ,在天空搜寻和观测黑洞和中子星等高能辐射极端天体。9月,中国将完成500米口径球面射电望远镜(FAST)的建设,超越波多黎各的阿雷希波天文台,成为世界上最大单口径射电望远镜。

中国在太空探索和天文学研究领域正在迎头赶上,这无疑走在发展科学事业正确的道路上。中国科学院高能物理研究所研究员张双南仔细梳理了天文学与现代自然科学的深刻联系,或将在中国开启天文科学研究新时代之际,给人们留下深邃的思考。

自从1609年伽利略发明天文望远镜以来,天文学的观测和理论研究使得人类在探索宇宙奥秘的漫长道路上取得了辉煌的成就,带来了人类宇宙观的数次重大飞跃,促进了基础物理学理论的建立, 并确立了“恒星的内部结构与演化”和“宇宙大爆炸标准模型”两大理论框架。

在此过程中,天文学的研究还获得了超过十个诺贝尔物理学奖。(诺贝尔本人并没有设立诺贝尔天文学奖,因此天文学的研究成果只能根据其对其它学科的重要程度获得其它学科的诺贝尔奖。)其中最近的三次分别为2002年、2006年和2011年,这显示了天文学这一古老学科的强大生命力。

随着观测和探测能力的进步,在人类永无止境地探索宇宙的进程中,新的天文发现有着井喷般的趋势,比如暗物质、暗能量、黑洞、类星体、脉冲星、星际有机分子、宇宙伽马射线暴、引力波、引力透镜、太阳系外行星等的发现,有力地刺激并推动了天文学自身及相关学科的发展。

艺术家笔下的伽马射线暴


目前天文学的重大问题可以被概括为“一黑、两暗、三起源”, 也就是黑洞、暗物质和暗能量、宇宙和天体以及生命的起源,其中“一黑和两暗”构成了宇宙的“骨架”,而“三起源”则构成了宇宙的“血肉”。同时黑洞、暗物质和暗能量也是基础物理学的重大研究问题,而“地外生命”的探索则涉及了包括化学、生命科学和哲学在内的多个学科。因此天文学再度成为新现象、新思想和新概念的源泉。

中国的古代天文学曾经世界领先,但是中国天文学对于现代天文学的发展却贡献甚微。同样,中国古代的技术和生产力曾经世界领先,比如直到鸦片战争时期,清王朝统治下的中国GDP还是世界第一,但是中国对现代科学与技术的贡献却非常之少。一个几乎人所共知、但最令人不愿接受的事实,就是几乎从中学到研究生的所有理工科教科书的知识都来自于西方。因此从鸦片战争至今,中国一直是科学和技术的知识“消费”国,而不是“贡献”国。

现代科学和技术是人类文明的重要组成部分,中国作为世界上现存最大的文明古国,在这个方面对人类文明的贡献却可谓微不足道,这很值得我们深刻反省。造成中国在现代科学和技术上全面落后于西方的原因是多方面的,但我本人认为中国文化中缺乏基本的科学精神是一个重要原因。

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天文学研究促成了现代科学研究方法

天体运动定律的发现

由于地球的自传,地球上看起来日月和其它所有的天体似乎都是绕地球转动的,因此古希腊人的宇宙观很自然就是地心说,该学说的代表人物是毕达哥拉斯(公元前572年~497年)和亚里士多德(公元前384年~322年)。

事实上,直到今天仍然有很多人认为所有的天体都是绕地球转动的,因为这是由朴素的经验得到的很自然的结果。我多年前在美国看到一个抽样调査的结果,大约一半被调査的美国人仍然相信地心说。有人在回答调査的问卷时甚至写道,尽管学校老师教的是地球围绕太阳运动,但是地心说更加符合他们的经验。

这告诉我们,尽管经验对于我们认识世界很重要,但是经验的直接外推并不一定能够反映世界的本质,从经验得到的结论必须经受进一步的检验(也就是观测或者实验的检验)。

天文学家通过仔细的天文观测逐步发现,行星在天空中的运动轨迹会发生逆行。这个观测发现挑战了当时流行的地心说宇宙观。因此需要建立新的理论模型解释这个新的天文观测现象。

托勒密(公元90年~168年)提出的模型是“地心说+本轮”, 也就是对地心说的一次修正,他认为行星的逆行是真实运动,每一个行星在绕地球运动的同时,也绕着自己的一个“本轮”进行转动。只要赋予每一个行星一组参数,就可以精确描述当时获得的每一个行星的观测结果。

但是天文学家哥白尼(公元1473 年~1543年)认为需要彻底推翻旧的地心说模型而建立一个全新的日心说模型。哥白尼认为,行星的逆行是行星和地球都绕太阳运动的相对运动所产生的视运动,这个模型也可以精确描述当时的观测结果。从解释当时已有观测结果这个角度,无法判别这两个模型哪个正确,因此需要新的观测数据来检验这两个模型。

第谷(1546年~1601年)的大量天文观测发现地心说和日心说都不能完全解释观测结果。他发现日心说不能解释为什么恒星没有视差。(实际上第谷非常英明地预言了视差现象。今天我们知道,当时没有观测到恒星视差的原因是恒星太远,视差小于当时的观测精度所致。)尽管进一步人为地修改地心说的“本轮”能够和数据相符,但是地心说的 “本轮”太过复杂。于是第谷提出了一种介于地心说和日心说之间的宇宙体系,简称第谷体系,这一体系认为地球静居宇宙的中心,行星绕日运动,而太阳则率行星绕地球运行。

和第谷同时代的开普勒(1571年~1630年)相信日心说,但是开普勒当时并没有掌握最好的观测资料,因此在第谷去世之前无法验证和发展日心说。第谷尽管和开普勒的学术观点不同,但在去世前还是把观测资料都交给了他。开普勒仔细分析了第谷的观测资料,发现只需要把日心说的圆轨道修改成椭圆轨道,而太阳处于所有行星的椭圆轨道的一个焦点(开普勒第一定律),这样就能够解释行星运动的全部观测资料,并根据观测资料建立了行星运动的另外两个定律,第一次用简洁的数学公式描述了行星的运动。

开普勒三大定律的发现确立了日心说基本思想的正确性,并且对日心说进行了重要的修改,能够精确描述当时对行星的所有观测结果,是人类认识宇宙的重大突破,使得人类明确地认识到人类居住的地球不是宇宙的中心。

牛顿和爱因斯坦理论的诞生

尽管开普勒定律能够很好地描述当时的天文观测,但是就严格的意义上讲,开普勒定律仍然不是科学规律,因为开普勒并没有说明为什么会有开普勒定律,也不能通过更加基本的规律推导出开普勒定律,因此开普勒定律只能是基于当时的经验数据所整理归纳出的经验规律。

牛顿(1643年~1727年)在他的力学三大定律的基础上,可以用万有引力定律解释和推导出开普勒定律。开普勒第一定律表明行星和太阳之间必须有引力作用(也就是万有引力的体现),开普勒第二定律就是牛顿第三定律(相当于动量守恒)的表现,而开普勒第三定律则可以使用牛顿第二定律加上万有引力定律定量地推导出来。因此牛顿的万有引力定律上升到了科学规律的层面,能够清楚地解释已有的经验规律。既然是科学规律,就必须能够做出预言,并经受新的经验(观测或者实验)检验和验证。

开普勒定律。开普勒第一定律,每一个行星都绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行。开普勒第二定律,行星从A点到B点、从C点到D点的时间间隔相等,则太阳和运动的行星的连线(向量半径)所扫过的面积相等,即“单位时间行星扫过的轨道面积恒定”。开普勒第三定律,行星的椭圆轨道的半长轴a和周期t之间满足以下关系:a3/t2=k,k为开普勒常数。


伽利略(1564年~1641年)于1609年发明了天文望远镜,从此天文学家对宇宙的观测进入到了一个全新的时代,对行星运动观测的精度也大大提髙。他们发现有些行星的运动轨道并不是严格地遵循牛顿万有引力定律的预言,这些偏离被称为轨道的“摄动”。如果相信牛顿万有引力定律的正确性,那么观测到的摄动就只能解释为尚未发现的行星引力造成的。

伽利略正在为教皇展示他的望远镜(油画)


天文学家们根据牛顿定律计算天王星轨道的摄动,于1843~ 1846年预言了海王星的位置。海王星于1846年9月23日被发现(此时牛顿已经逝世一个多世纪了),这是牛顿定律的伟大胜利,也从此彻底确立了牛顿定律的正确性。因此牛顿的 万有引力定律就成为了广为接受的科学规律,也是现代自然科学的第一个理论体系。

当然,伽利略对科学的贡献远远不只是发明了天文望远镜,他也是早期显微镜的重要研究者。实际上牛顿第一定律(也就是惯性定律)就源于伽利略的相对性原理,也就是在封闭的匀速直线运动的车里无法知道自己在运动。牛顿第二定律的基本思想来源于伽利略的假想斜坡滚动实验(假设一个球在一个斜坡上往下滚,那么斜坡的坡度越小,球滚动的加速度就越小。如果斜坡没有任何阻力,当斜坡完全变平时,球就会一直匀速滚下去)。

而万有引力定律的灵感很可能不是来自于牛顿被树上落下的苹果砸中,而是传说中的伽利略比萨斜塔实验,或者在其它某个塔的实验,或者伽利略的假想斜坡实验。所以伽利略才是真正意义上的科学研究鼻祖。但是牛顿并不是一个拿来主义者,更不是今天我们经常见到的学术剽窃者。恰恰相反,牛顿是一个集大成者,他把当时的经验知识进行了系统的归纳和大幅度的提升,从而发现了新的科学规律并形成了一套理论体系。

尽管牛顿的万有引力定律取得了巨大的成功,可以说建立了现代自然科学,但是牛顿的理论不能完全解释更加精确的天文观测所发现的水星近日点的进动,因此牛顿的理论需要进行修正。事实上,牛顿的理论并不能回答引力的本质这一深刻的问题,也不能解释为什么引力的作用是瞬时发生的。

爱因斯坦(1879年~1955年)的广义相对论认为引力的本质是质量引起时空弯曲,任何物体(包括没有质量的光子)在弯曲的时空中的运动就等同于受引力作用的运动,而引力作用不是瞬时的,而是以光速传播的,牛顿定律仅仅是极低速和极弱引力场的近似。广义相对论的精确计算不仅能够完全解释水星近日点的进动,而且预言了遥远恒星的光线经过太阳附近时的引力偏折。

引力导致的光线弯曲


引力导致的时空弯曲


爱丁顿于1919年在日全食时观测的结果和广义相对论的预言一致,而比牛顿理论的预言大了一倍,这证明了爱因斯坦理论的正确性。此外,在此之后大量的天文观测和实验室的实验,都验证了广义相对论的正确性。因此广义相对论是比牛顿定律更加基本,当然也更加精确的科学规律。

现代自然科学研究方法的建立

通过太阳系行星运动的研究,可以总结出天文学研究方法的几个阶段:

1、 经验模型。古希腊人的宇宙观,也就是地心说,是当时经验的总结。而行星的逆行表明经验模型存在谬误。

2、 唯象模型。托勒密的本轮说和哥白尼的日心说基于一定的观测结果,但行星运动的精确观测逐渐发现唯象模型存在问题,这个模型与第谷的观测数据不能完全符合。

3、 经验规律。开普勒三定律是哥白尼唯象模型的改进,把哥白尼的唯象模型提升为数学规律,但是仍然不能回答为什么是这样。

4、 科学规律。牛顿的万有引力定律,将开普勒定律提升为科学规律。天文学家在牛顿定律的指导下发现了新的行星,这也验证了这一规律的正确性。牛顿定律能够回答为什么天体是这样运动的,但仍然不能解释引力的本质,也同样不能解释水星近日点的反常进动。

5、科学规律。广义相对论是在牛顿定律的基础上改进的科学规律,能够解释引力的本质就是“质量”导致的时空弯曲,和几乎所有的观测以及实验都没有根本矛盾。由广义相对论预言的光线的引力偏折得到了观测验证,证明了这一规律的正确性。

上面的天文学研究方法一从经验模型到唯象模型,再到经验规律,最后到科学规律,实际上建立了现代自然科学研究的一般方法:首先是积累资料,包括经验知识、观测资料或者实验数据等等。然后对积累的资料进行归纳和总结,能够得到经验规律。

对经验规律的演绎就是建立模型的过程。但是建立的模型能够解释已有的数据并不能证明模型的正确性,模型必须能够做出预言,接受新的观测或者实验的检验。该模型最终或者被推翻、或者得到验证、或者被修改形成新的模型,最终的目的是希望发现科学规律。

而每一次得到的科学规律一般都不是终极和普适的规律,往往需要通过上述过程反复循环,不断得到修改和推广。“数据+归纳+演绎+预言+数据……”这个链条就构成了现代自然科学研究方法的核心。

2

天文学研究奠基了现代自然科学两大理论体系

开普勒三大定律是通过对大量的天文观测结果进行归纳后,对当时的哥白尼日心说进行修正而产生的,可以说完全是一个天文学的研究成果。开普勒三定律对于牛顿力学理论体系的建立起到了决定性的作用,而牛顿力学是当时自然科学的第一个完整的理论体系。

爱因斯坦通过著名的电梯假想实验,明确提出了万有引力定律中的引力质量和牛顿第二定律中的惯性质量的等效性,也就是著名的等效原理,而这是广义相对论的基石。牛顿的引力理论建立在平直的欧几里得空间,而爱因斯坦在利用等效原理找到了局部惯性系之后,使用相对论原理并且加上当时已经成功发展的描述弯曲时空的非欧几何(黎曼几何),建立了广义相对论理论。

爱因斯坦的电梯假想实验图。乘客在自由下落的电梯(左一)里面扔一个球出来,发现球和乘客一起运动,也就是在乘客的坐标系中既没有引力也没有加速度,和在没有引力的自由空间漂浮的电梯(左二)里面的情况一样。乘客在静止的电梯(右二)里面扔一个球,球会因重力加速度下落,和在自由空间以同样加速度上升的电梯(右一)中的情况一样。这两种情况都说明了引力和加速度的等效性,也就是引力质量和惯性质量的等效性。


使用广义相对论能够精确地解释水星近日点的进动,所以广义相对论的第一次验证就是通过天文观测进行的。广义相对论的一个重要预言就是引力场中的光线偏折,而这个预言第一次得到验证就是通过日全食的观测,这个观测确立了广义相对论的正确性。

1666年,牛顿把通过玻璃棱镜的太阳光分解成了从红光到紫光的各种颜色的光谱,而这就是物理光学的基础。在1814 年~ 1815年之间,天文学家夫琅和费在太阳光谱中发现了很多谱线。1885年,天文学家巴耳末发现了符合已知氢原子谱线位置的经验公式。随后对原子光谱的进一步观测又发现了更多的谱线序列和经验公式。

原子光谱


1913年,为了解释氢原子谱线位置的经验公式,玻尔建立了原子光谱的量子模型,成功解释了原子谱线的经验公式,奠定了原子物理的基础,量子力学也从此诞生。波尔作为量子力学的奠基人,于1922年获得了诺贝尔物理学奖。

波尔的氢原子能级和跃迁模型。电子只能处于某些轨道处,因此原子的能量是分立(量子化)的,当电子在两个能级之间跃迁时,就发出能量为两个能级差的光量子。


因此天文学的观测研究对于建立牛顿力学、验证广义相对论和奠基量子力学的实验基础都功不可没,也可以说天文学研究奠基了包含牛顿力学的广义相对论量子力学这两个现代自然科学的最重要的理论体系。

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天文学研究促进了人类宇宙观的七次飞跃

天文学研究对于人类的宇宙观(或者世界观) 具有不可替代的重要作用,促进了人类宇宙观的七次飞跃。

在世界科学史上占有重要地位的科学家(从左至右):哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿和哈勃。


第一次飞跃:日心说取代了地心说

日心说代替地心说,是人类认识宇宙的第一次飞跃,日心说中行星绕太阳运动这一基本思想的正确性完全得到了验证。这一次飞跃的重要性在于,地心说隐含地支持了基督教(包括天主教)等宗教的基本教义,也就是神创造的人类和地球在宇宙中具有重要的中心位置。日心说代替地心说,则从科学上挑战了这些宗教教义。

第二次飞跃:太阳系也不是宇宙的中心

人类认识宇宙的第二次飞跃是通过天文观测得到的,不但地球不是宇宙的中心,就连太阳也不是宇宙的中心。那时人类认识的宇宙就是银河系,卡普坦(Jacobus Cornelius Kapteyn,1851年~ 1922 年)通过测量超过45万颗恒星的距离,得到了银河系的结构,这就是卡普坦的“岛宇宙”,这个“岛宇宙”说明银河系有着明确的边界,而太阳系在稍微偏离银河系中心的位置。而沙普利(Harlow Shapley,1885年~1972年),通过测量69个球状星团的距离,得到的银河系结构显示,太阳系处于银河系比较边缘的地方。

岛宇宙棒旋星系NGC 1300


尽管这两个结果的细节有所不同,而且和现代的结果也有出入,但它们有一个共同的重要结果,就是太阳系不是银河系的中心, 当然也就不是宇宙的中心。

第三次飞跃:银河系不是整个宇宙

海外星系NGC 253细部


在20世纪初,关于观测到的众多“星云”的性质,科学界有两种截然不同的观点。以沙普利为代表的多数派认为星云就是银河系内的天体, 银河系就是整个宇宙。

而以柯蒂斯(Heber Doust Curtis,1872年~1942年)为代表的少数派,则认为星云实际上是和银河系一样的“岛宇宙”,处于银河系以外很远的地方,而整个宇宙则是由无数个这样的“岛宇宙”组成。为此,1920年4月26日, 在位于华盛顿美国国家科学院史密松学会的自然史博物馆里,这两个派系举行了一次激烈的沙普利——柯蒂斯世纪大辩论。但是这场辩论并没有解决这个问题,因为辩论本身并不能解决科学问题,科学问题的解决只能通过科学研究来实现。

紫外波段的岛宇宙——仙女星系


此后不久,哈勃(1889年~1953年)就通过进一步的观测确认了这些星云实际上是众多遥远的、但是形态各异的星系,很多都和银河系类似,这有力地支持了柯蒂斯的基本观点。到此时为止,人类认识的宇宙尺度突然变得极度地广阔无涯,这是人类认识宇宙的第三次飞跃。

哈勃观测发现原来认为的很多银河系内星云实际上是形态各异的河外星系,并把这些星系分类,认为它们之间具有演化的联系。


第四次飞跃:宇宙是膨胀的、非永恒的

由于哈勃观测到的很多星系都非常暗,因此距离银河系应该很远。把哈勃的观测结果直接外推,就会得到宇宙是无限的、永恒的,物质分布是均匀的。但是奥伯斯(Heinrich Wilhelm Matth us Olbers,1758年~1840年)佯谬(奥伯斯佯谬实际上是现代宇宙学的发端,第一次定量地考虑了整个宇宙的行为)告诉我们,这样的宇宙中,即使没有太阳光,但是由于永恒宇宙中的每一个天体的光都会照到地球,黑夜也应该像白昼一样明亮。(实际上在永恒和物质均匀分布的无限大宇宙中,宇宙中任何一处接收到的光流强都是无穷大。)但是这个推论显然和我们的常识不符,我们见到的黑夜是黑暗的,所以一定是什么地方有重大问题!

到了1929 年,哈勃发现远处的星系在退行,退行速度和距离成正比,因此宇宙在膨胀,反推回去就得到宇宙的年龄是有限的,更远的光来不及到达地球,所以存在“视界”(称为宇宙的视界)。宇宙空间相对于地球的巨大退行速度使得该距离以外的天体发出的光尚未到达地球,这就自然地解决了奥伯斯佯谬。 因此我们可见的宇宙必须是有边界的,这是人类认识宇宙的第四次飞跃。

第五次飞跃:宇宙大爆炸

宇宙大爆炸示意图


1965年彭基亚斯(Arno Allan Penzias,1933年 ~)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson,1936年 ~)发现了宇宙大爆炸残留的宇宙微波背景辐射,这和伽莫夫(George Gamow,1904年 ~ 1968年)的模型曾经预言的宇宙大爆炸留下的热辐射一致,证实了哈勃膨胀是宇宙大爆炸的结果,他们也因此于1978年获得了诺贝尔物理学奖。因此我们观测到的宇宙不仅是有边界的,而且也是有起点的,这是人类认识宇宙的第五次飞跃。

第六次飞跃:宇宙在加速膨胀

1998年,三位年轻的天文学家普尔穆特(Saul Perlmutter, 1959年 ~ )、施密特(Brian P . Schmidt,1967年~)和赖斯(Adam G.Riess, 1969年〜)通过观测一类特殊超新星(la型)的光度随宇宙红移的变化,发现了目前的宇宙在加速膨 胀,确定了宇宙由未知的暗能量主导,并于2011年 获得了诺贝尔物理学奖。

宇宙自大约140亿年之前的大爆炸直到今天的演化示意图。在大爆炸之后的初期,由于宇宙中暗物质主导,物质之间的引力导致宇宙减速膨胀。随着暗能量占的比例越来越大,暗能量的排斥力使得宇宙的膨胀变成加速膨胀。


把他们的结果和其它天文观测结果结合起来,可以得到宇宙从大爆炸开始 (约140亿年之前)到今天的演化过程,以及在不同时期宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量的比例的演化。今天宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量分别占宇宙总的物质一能量的比例为4%、23%和 73%,但是物理学中最成功的粒子物理标准模型只能解释其中仅仅占宇宙组成4%的普通物质,也就是说我们目前对今天宇宙成分的96%几乎毫无所知。这既是物理学和天文学共同面临的巨大挑战,当然也是人类认识宇宙的第六次飞跃。

宇宙中的物质和能量组成。今天宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量分别占宇宙总的物质—能量的比例为4%、23%和73%,但粒子物理的标准模型能够解释的普通物质只占今天宇宙物质和能量的约4%左右。


第七次飞跃:可能有其它世界和文明

尽管有大量的证据支持生命能够从低级到高级进化,但是地球生命“种子”的来源目前仍然未知:可能产生在地球,也可能来自于太阳系其它行 星,也完全可能来源于太阳系外的其它行星。科学家们于1992年在一个脉冲星(中子星)周围发现了第一颗太阳系外的行星,又于1995年在一个恒星周围发现了第一颗绕着另外一个恒星运动的行星,至今已经在太阳系外其它恒星周围共发现了超过700个行星。其中有些行星是“宜居”行星,很有可能存在生命,甚至髙级生命或者文明,这是人类认识宇宙的第七次飞跃。

目前,对于太阳系外行星的搜寻以及生命的探测已经成为天文学的重要研究前沿。我们有可能找到髙级生命能够存在的其它“地球”,使得外太空移民成为可能;有可能找到我们生命的“种子”, 使得地球上的生命最终可以“认祖归宗”;有可能回答人类在宇宙中是否孤独这个问题;甚至可能真的和“外星人”交流!如今,人类已经开始努力搜寻外星人的通讯信号了。因此,所有这些已经不是科学幻想,也不是哲学的探讨,而是实实在在的科学研究。

我想,人类认识宇宙的第八、九、十次飞跃是否都将来自于这里?

4

重大科学发现的偶然性和必然性

天文学的研究成果直接导致了人类认识宇宙的七次大飞跃,这是非常伟大的成就,也是天文学这门古老学科一再成为科学前沿的重要原因之一。回顾这些科学成就,我们有必要问一个问题:这些成果是计划的、规划的,还是从事这些研究的科学家个体在开展这些研究之前就预期了这些成果?

问这个问题的一个主要原因是:在我们论证一些重大科学项目的时候,我们必须回答项目的预期科学成果,越大规模的项目,我们越需要明确说明预期成果的重要性。这当然很有道理,因为重大项目需要投入的资金和人力很大,如果不能说清楚预期的成果,自然就难以得到资助来实施,任何政府或者其它资助方都会有这样的要求。

重大天文发现的偶然性

科学史明确地告诉我们,导致了人类认识宇宙七次大飞跃的重要科学成果的发现过程,都具有某种偶然性。在这些工作开展之前,无论是资助方还是科学家们,都没有预料到会获得这样的科学成果,更没有意识到这些成果会有如此重大的意义。尽管诺贝尔奖成果并不是每一个都直接导致了人类认识宇宙的大飞跃,而且也不一定是最重要的天文学成果,但是这些成果却对20世纪的物理学发展带来了重要的影响,也因此获得了诺贝尔物理学奖。

超新星SN1994D。超远距离超新星的观测结果为宇宙正在加速膨胀提供了证据。宇宙加速膨胀的幕后推手很可能是暗能量。相关研究于2011年获得了诺贝尔物理学奖。


事实上,除了2006年授予发现宇宙微波背景辐射各向异性的诺贝尔物理学奖之外,其它的天文学研究获得的诺贝尔物理学奖的最初研究目的和最后获奖的天文发现明显不一样,它们不但“不是”预期的结果,而且大部分的成果不是和预期结果“没有关 系”就是“完全相反”。从研究类型看获奖的理论研究成果数量远远少于观测研究,这表明天文学研究的重大而且是开创性的突破主要来自于观测研究,而这些突破大部分都不是预期的科学成果,也就是说大部分重大天文观测成果的获得,看起来都是偶然的。

科学发现的必然性

既然大部分重大天文观测成果的获得看起来都是偶然的,那么是否重大科学发现都是“瞎猫碰死耗子”?在总结了以往获得重大天文观测成果的研究项目后,我认为在这些看似偶然的成果背后,其实有三个要素构成了科学发现的必然性:1、项目提出,要求重要的目标加上可行的实现途径,确保项目不会一无所获;2、仪器设计,要求在某些参数空间必须有超越以前仪器的能力,确保具有新的科学发现能力;3、获取结果,要求有坚实的基础、宽广的知识和对领域的全面理解加上突破常规的新思想。

其中前两个要素是对项目本身的要求,也就是必须有“保底”的科学目标,同时应该具备做出新的科学发现的能力。而第三个要素则是对项目科学团队的研究水平、研究态度和研究文化的要求。

一个科学项目在满足了这三大要素的情况下,必然会做出新的科学发现,这是必然性。但是到底做出什么科学发现、尤其是在新的发现空间里面的预料之外的发现,则很有可能是偶然的,至少在天文学领域是这样的。这正是偶然性和必然性之间的辩证统一。

那么为什么在重大的开创性天文发现中,大部分都是事先没有预料或者计划的呢?这是因为宇宙 和自然界太复杂了,而人的智慧太有限,科学家能够预料或者计划的成果一般肯定都是普通的成果, 也就是满足第一要素的“保底”的科学成果。

爱因斯坦或许是人类历史上最聪明、最有远见和深刻洞察力的学者,但是他坚信宇宙中没有黑洞(而这恰恰是爱因斯坦的广义相对论的最重要预言之一)、 没有暗能量(当时被称为宇宙学常数,而这恰恰是爱因斯坦本人首先提出的),同时认为量子力学有基本错误(而他本人获得诺贝尔物理学奖的光电效应理论恰恰证明了量子力学是正确的)。

因此在宇宙和自然面前,我们只能保持谦卑,人类能够理解宇宙和自然已经非常了不起了。爱因斯坦曾经说过:“宇宙最令人费解的地方是她竟然可以被理解,试图预言宇宙和自然会发生什么则是可望而不可及的事情。”

艺术家笔下的地球


但是预料之外的成果往往是重大成果,这是科学研究、尤其是天文学研究最引人入胜的地方。 但是要“碰上”这样的成果,固然需要一点运气,但是满足后面两个要素则是必须的。第二个要素保证了该项目有取得预料之外的重大发现的机会。但是这并不能保证获得重大科学成果。我们知道很多历史上和重大科学成果“擦肩而过”的故事,也有人明明做出了重大发现,但是自己浑然不知或者没有胆量公布,没有做好“事后诸葛亮”,却成为了“事后诸葛亮”的“马后炮”,这都是缺乏第三个要素的后果。因此第三个要素是能够最终兑现重大科学发现的保证,而这就是科学家水平的体现。

注:本文参考了南京大学李向东教授和《中长期科学与技术规划战略规划研究》“第14专题组”的两个报告。在本文写作过程中得到了陈佳洱院士、闵乃本院士、苏定强院士、王建民研究员的很多批评和建议。

本文首发于《中国国家天文》杂志,原题为“天文学与现代自然科学”,《知识分子》获授权刊发,略有删节。


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