天文学是最“保守”的科学，天文学家却最爱“打群架”

创新2017

作为一门没办法做实验的科学，天文学凭什么让人相信它的理论是对的？和过去认为的天文学总是在革命、在推翻不同，它其实是一门最“保守”的科学：总是在拉拢其他模型为自己的模型说话。所以，天文学家们其实都不喜欢单打独斗，反而更爱“打群架”……

出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）

以下内容为自由撰稿人、天文学传播者高爽演讲实录：

大家好，我是高爽，我曾经在国家天文台和北京师范大学做天文学的研究。但是现在我成为了一名全职的科普工作者，进行科学传播的工作。

那您可能就要问了，我为什么离开了科研岗位，全身心地去做科普了呢？

这是因为在我看来，公众对天文学的误会实在是太深了，我管它叫做“刻板印象”。

天文学——“无用之学”？


说到天文学，可能首先会想到刮风下雨、阴阳五行、星座迷信、算命占卜、亲密关系等等。

对不起，这些跟天文学一点儿关系都没有。

你可能还会想到外星人。外星人跟天文学有关系，但是现在还没发现。

那天文学是干嘛的呢？

天文学研究的是我们这个宇宙本身。我们要研究地球和月亮如何形成，太阳系为什么九大行星变成了八个，银河系里面还有多少个恒星像太阳这样发光发热，宇宙里还有多少个像银河系这样星系，宇宙如何诞生、如何演化成今天这个样子，还有没有像地球这样适合生命存在的行星、有多少、它们在哪。

你看所有这些问题听上去都是特别高大上的问题，也就是不接地气的问题。

什么叫不接地气呢？就是天文学所研究的所有这些课题都跟咱们生活没有什么关系。

天文学这么看起来，他是纯粹的“无用之学”，他好像只能满足我们一点好奇心，而且他满足的还是很少一部分人的一点点好奇心。

天文学没有办法帮国王和将军攻城略地，不可能让农作物更好的生长，不能帮猪马牛羊更快的繁殖，他也不可能让铁路提速，让房价下降，更不可能促进商品销售。

就是这样一个“无用之学”发展到今天，它靠的是什么呢？

天文学——最不像科学的科学


天文学最奇怪的地方在于它是最不像科学的科学。

咱们提到科学这个概念，头脑当中会浮现什么印象呢？可能是一个头发也白了、胡子也白了、眉毛也白了、穿个白大褂的人，在一尘不染的实验室里面做实验。

的确，科学跟实验密不可分。就是因为有实验的存在，让科学和胡说八道分成两件事。

物理科学怎么研究呢？它当然要做实验，它在实验室里面可能靠电路、靠小车对撞或者靠激光来做实验，还有地下的更大幅度的对撞机、加速器，这都是物理实验。

化学更不用说了，试管烧杯里面各种试剂兑到一块儿，对吧？

生命科学怎么研究呢？解剖兔子、老鼠，在显微镜下面观察细胞、病毒或者细菌，这都是做实验。

地质科学怎么研究呢？要到野外去，甚至到南极去找一块石头回来做实验。

唯独天文学它同样是基础的自然科学，但是它不能做实验。

你不可能跑到太阳附近切一刀，取一小块太阳回来分析一下。你也不可能在咱们地下建一个大实验室，然后一拍开关就生产出一个黑洞，制造出一个星系，甚至弄一个宇宙2.0。

这都是不可能实现的事儿。

天文学家是最保守的一群人


天文学作为科学，却不能做实验，凭什么让你相信它的理论就是对的？

或者我换一个问法：天文学通过什么方式让它自己站得住脚，让它能自圆其说？

靠天文学独特的思维方式，也就是天文学家独特的思维方式；靠这些理论、模型之间相互商量。

怎么商量呢？

我举个例子。比如咱们说到天文学、说到宇宙，你可能知道一个名词儿，叫宇宙大爆炸。我们的宇宙起源于一次大爆炸，现在还在继续膨胀。

最早提出这个概念的人是一百多年前的比利时天文学家勒梅特。

勒梅特除了是天文学家以外，他的第二职业是基督教的神职人员，是一位神父。他一边研究天文，还一边跟人传教，那问题就严重了啊。所以在科学界大家都怀疑他，都不相信他。

“你看你勒梅特啊，你非说宇宙起源于一次大爆炸，那宇宙有个起点，宇宙竟然有开始的那一天。那宇宙开始那一天之前的时间和空间呢，你是想留给上帝吗？”

他被质疑不是科学家，怎么办？这就是一个摆在勒梅特这位天文学家面前的实际挑战。

他的办法就是用模型跟其它模型来建立联系。

第一步，从广义相对论推导出宇宙大爆炸的结论。但是提出广义相对论的爱因斯坦就不相信这个结论，他觉得宁愿承认自己错了，修改修改那个公式，也得避免宇宙大爆炸这个结论。

如果到这儿就完了，那宇宙大爆炸充其量只能算一种科学假设、假想、假说，还得继续商量、继续建立联系。

第二环，这个时候有一位天文学家叫爱德文·哈勃，他用望远镜去观测遥远的星系时发现了一个重要结论，即大量的星系全都在往远处跑、在远离我们，而且计算结果显示星系离得越远，往远处跑的就越快。

如果现在星系是在往远处跑，要是把时间倒推回去，那就是星系在逐渐靠近。如果时间倒推回到某一个起点，那所有的东西就都聚到一个点上，聚成一团了，这不就是宇宙大爆炸、宇宙膨胀嘛。

说到这儿要稍微解释一下：宇宙大爆炸不仅仅是与哈勃观测的模型建立了联系，还嵌入了光谱的红移模型和特殊恒星亮度变化的模型。

哈勃怎么观测呢？用望远镜是不能直接看出来一个星系在跑的，而是观测到它的光谱谱线整体上朝着红色、也就是长波那端位移，偏移的越多，速度越快。

那怎么知道距离远近呢？测量宇宙里某些特殊的恒星。这种恒星的亮度是有规律的，所以我们就能知道它是更远还是更近一些。

所以宇宙大爆炸理论背后跟着一群模型，但是还没完。

有了宇宙大爆炸这个模型，我们可以预言恒星到底是什么时候开始形成的，恒星里边有什么样的化学成分，于是它又嵌套了恒星结构的模型。

如果有了宇宙爆炸，大爆炸一瞬间的能量现在去哪儿了呢？是不是留下了什么遗迹？所以它又嵌套的一些热辐射的模型、宇宙微波背景辐射的模型。

说到这儿可能听出一点意思了。宇宙大爆炸这样一个全新的事物、一种被质疑的模型，它要想站得住脚，就拉拢了一大堆模型替它说话，这就是天文学家的工作方式。

简单概括一下，其实天文学不是靠提出一个全新的、没听说过的、革命性的东西来打败别人，而是尽可能地把自己嵌套到那些传统的事物当中去，这也是天文学的一种基本特征。

所有的天文学家都不喜欢单打独斗，我们喜欢打群架、喜欢抱团取暖。

那由此我们也推导出一个结论，天文学不是我们过去刻板印象的那种总是在革命、在推翻，它反而是最保守的科学，天文学家是最保守的一群人。

超出想象的天文学


说过了天文学这么大的困难，还有别的困难吗？当然有，这才刚刚开始。

除了不能做实验，天文学的尺度太大了，不是一般的大，他的尺度远远超过了我们人自身的生活经验能够理解的尺度。

前几年听说过这么一个笑话：有一个小学老师给同学们留了一个家庭作业，可能是为了锻炼孩子的耐心，让学生回家跟爸爸妈妈一起数一亿颗大米，然后拿个小塑料袋儿装进去，第二天带到学校来完成作业。

有的家长细心算了一下就崩溃了。一亿粒大米是什么意思呢？把附近超市的大米买空都不够，这怎么交作业呀。

这个笑话说明一个问题，就是我们在生活当中遇到这种极大尺度的东西时根本没有概念，根本不知道它意味着什么。

咱们先说个时间尺度的例子。

有一颗很著名的彗星，叫哈雷彗星，为什么叫这个名字呢？是因为最早由天文学家哈雷发现它是周期性的彗星，过一段时间之后就会回来。

哈雷彗星上次回来是在一九八六年，所以我很多的同事、同学、老师都在那个时候看到过哈雷彗星，这也成为这一代天文学家点燃梦想的时候。

哈雷是怎么知道这颗彗星会七十六年回来一次的呢？他没看见，他靠的是猜。

他发现历史上有两次彗星的记录，觉得这两颗彗星的描述很像，所以就猜测两颗彗星有没有可能就是一颗彗星，隔了七十六年又回来了呢？

如果猜得对，那我们就再等这么长时间，它不就又回来了吗？

大家就等啊等啊等，可惜哈雷本人没有等到这一天就离开了这个世界。这才七十六年呀，人的一生就耗尽了。

宇宙有更大的时间尺度，怎么办呢？

举个例子，从去年冬天开始，天文爱好者很关注猎户座左上角肩膀上的一颗恒星，颜色很红，体积巨大，我们叫做红超巨星。

为什么这么大、这么红呢？因为它已经走到了生命的终点，很快、即将、马上就要超新星爆发，一爆炸就死掉了，就消失了，猎户座就少一个肩膀。

天文学家说的很快、即将、马上，从几千年到几十万年都算马上、都算立即、都算即将，所以天文爱好者可以放心，这颗星星明年肯定还能看得见。

这就是时间尺度已经远远没有办法用我们人的理解去理解了。

除了时间尺度，还有空间尺度、能量尺度。

宇宙可观测的范围超过九百亿光年；太阳一个微不足道的小喷发释放的能量就超过地球上所有武器的能量总和。

天文学尺度太大，一定会阻碍我们更深刻、更直觉地去理解它。

天文学家的终极武器——想象力


天文学获取信息的渠道太有限了。

我们刚才说了不能做实验，又不能制造另一个宇宙，所以我们只能被动地看。

拿啥看呢，拿望远镜看，望远镜看的是光，所以天文学长时间的发展就靠一件事，就是接收到那几个光子。

最近可以看到一点点引力波，可以看到一点点中微子了，但是很少很少，绝大部分还是靠光。

那就有个问题，如果你想关心的那个事儿根本就不发光，或者它发的光现在还没来得及被你看见，这对于天文学家来说一筹莫展，没有办法马上接收到它的信息。

所以对天文学家来说，观测到的那一点点数据、那一点点光子太珍贵了，怎么办？

天文学家解决这个问题靠的是想象力这样一个终极武器。

你可能会说：“高老师，你没开玩笑吧。科学啊，咱们今天研究的是严肃的科学，你说终极武器是想象力？”

没错，我想起一个故事。我读大学的时候，旁边宿舍住了一个也是学天文的同班同学，那天晚上我到他宿舍去串门，他正在床上缝被子，没注意到我在旁边站着。我就听到了他自言自语说的内容，我一直记到现在，他每扎一针就说又一个宇宙、又一个宇宙、又一个宇宙。

后来我这个同学成了国家天文台专门研究宇宙学的研究员，做了非常杰出的成果。

这是天文学家的想象力呀。他觉得在某个微观的尺度这一针下去可能会创造一个新的宇宙出来。

再举个例子。大概在一百年以前，有一部非常著名的科幻小说叫《世界大战》，写的是火星人和地球人之间的战争，后来还被拍成了电影。

2007年这个电影被斯皮尔伯格翻拍的时候，天文学对火星有了更深刻的认识，知道火星上现在不适合生命存在，不会有那种长八只脚的巨大怪兽出现了。所以翻拍的电影就改成了火星只是火星人的一个基地，火星人从更遥远的地方来。

另外还有漫威动画里面会大量提到平行宇宙这样的概念。

随着天文学的发展，我们的想象力必须跟上，必须发展。

再举一个例子，人类好不容易了解了引力是怎么回事儿，在引力作用下轨道怎么转。

但是去观测遥远星系的时候，发现那个星系周围的恒星围着星系转的状态不对劲儿，照这么转下去，速度太快了，它应该飞开，应该散架。

事实上没散架，说明那个星系里面还藏着一些我们看不见的东西，它提供引力把大家给包裹住了。

怎么解释这件事儿呢？开动想象力。天文学家就为了这件事想象了一个概念叫暗物质。这里得解释一下，暗物质只是今天天文学主流的模型，还是有很多人不相信的，有另外的方式来解释我刚才说的那件事儿。

我们好不容易适应了这个暗物质的想象，反正也不知道它是什么，你也看不见，对它的本质一无所知，就适应了吧，接受了吧。

前两年，又发现两个星系不含暗物质，这咋办？所以未来的发现会再刺激出我们什么新的想象，我今天也不知道。

再说一个例子，我今天穿的这件衣服上画了九大行星，写着“当我是孩子的时候，我们还有九颗大行星”，但今天已经是八颗了。这是一件怀旧的衣服，也是一件暴露年龄的衣服。

在人类还没有望远镜的时候，我们只知道五颗行星：金木水火土，后来发现九颗行星。但是很快我们又发现原来冥王星旁边还有好多可能比冥王星还大的星体。

我们对行星的认识要更正，我们要重新想象太阳系行星意味着什么，我们把它变成了八大行星。

很有可能未来某一天我们又有了新的观测、新的发现、新的现象，我们的想象力必须进一步升级换代。我不知道未来这件衣服又会变成什么样子。

所以天文学就是这么奇怪。如果人类要想继续突破想象力，最好学天文学，因为天文学提供了最大的试验场，我相信没有人会否认天文学的研究对象是最庞大的吧。

如果你探索的脚步不想停下来，那天文学就是最吸引你的目的地。

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