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丁源森 | 天文的新家要盖好咯

詹姆斯·韦伯望远镜将是历史上最大的太空望远镜（6.5米）。这个面积可是比目前的哈勃望远镜的面积要大了个6倍。什么概念？这个望远镜大到没有火箭能直接装上它，而必须透过日式褶纸的概念，先把它“褶”起来，等到了太空再机械地“打开”。 2020年这么晦气，到了年末的最后一期，我们今天来说说天文界2021年有什么好值得期待的事。学术里的《我是歌手》这几年上班族流行一个词“996”，即每天从9点工作到9点，一周6天。最近和同学吃饭，我的同学就开玩笑说，11月这种非常时候，做学术怎么可能“996”，基本都“007”了。作者本身必须说明，学术是一个非常需要想像力的工作，所以生活和工作确实需要拿捏一个平衡点，所以不鼓吹996或007。就像运动员一样，一直盲目练习没有意义，可是11月真心忙。忙什么？忙着写企划书呗。 [nonvip_content_start] 这里就要解释一下教授除了教书，更多时候都在干什么呢？一般上，比如说在美国（其他国家都大同小异），政府会固定拨款给国家科学基金会（National Science Foundation，简称NSF）和NASA 。要知道大学给的钱，一般就是教授本身的薪水，但是这不足以支撑他的科研团队。这时候学校的科研人员就必须写企划书向NSF和NASA要钱做研究。而审核的过程里，NSF和NASA会邀请其他外面的科研人员对这些企划书进行双盲的评估（即双方都是匿名的，确保完全公正公平）。但问题是全球对于科学的投入最近几十年都乏善可陈。虽然每次科研人员都需要洋洋洒洒写数十页的企划书，不过真正能拿到钱的企划书大概就是15至20％。这个比起比如1990年代的40至50％，差别是显而易见的。虽然说15至20％听起来感觉还可以，但是要知道投这些企划书的都是相关领域的万里挑一佼佼者。简单来说就像中国湖南卫视的《歌手》（之前又名《我是歌手》）。作者也常担任审核人员，所以对这情况也略知一二。大部分时候其实很多科研对于人类的福祉作用是显而易见的，但政府拨给科研的钱就这么多，评审有时候确实也就只可以“挑刺”。在《歌手》的语境就是“嗯，这个歌手唱得挺好的，可是就是没有打动我”，或是“嗯，有那么一个句子，pitch有点不准” 。詹姆斯·韦伯望远镜要发射了除了申请研究经费（主要用来付学生的薪水），天文科研工作者写的企划书常常是为了申请大望远镜的时间。要知道世界最前沿的望远镜其实就那么几台，一年却只有365天，所以大家都抢破头，希望每年能分到一两天的时间。而这个秋季，更是出大事情了，因为千呼万唤的詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）终于要在明年底发射了，所以詹姆斯·韦伯太空望远镜在今年11月首次招募了第一轮的企划书（也是双盲评选），很多人11月于是都在忙这个企划书。詹姆斯·韦伯太空望远镜主要的任务是替代已经运行了30年的哈勃太空望远镜。简单来说，就是等了30年，天文界终于要搬新家咯！然而，不是每个人都能马上入住新家，要知道申请哈勃望远镜的时间本来就比申请研究经费还难，一般成功率也就10至15％左右。而詹姆斯·韦伯望远镜，作者估测成功率大概是5至7％。什么概念？百分之五相当于电影《饥饿游戏》里的主角存活率，而且还不是第一季的存活率，是第三季的情况。这些“参赛者”之前都是从一波人中脱颖而出的佼佼者，然后再放在一起死磕。詹姆斯·韦伯太空望远镜那为什么大家都想要争取詹姆斯·韦伯太空望远镜的时间呢？简单的说，就是詹姆斯·韦伯望远镜将是历史上最大的太空望远镜（6.5米）。这个面积可是比目前的哈勃望远镜的面积要大了个6倍。什么概念？这个望远镜大到没有火箭能直接装上它，而必须透过日式褶纸的概念，先把它“褶”起来，等到了太空再机械地“打开”。这里先解释几个概念。一、为什么要建大望远镜呢？这个其实很好理解。请想像天空中下着微雨，宇宙里的光就像这些雨滴。你有越大的桶，同时间里就能盛到更多的雨水。而詹姆斯·韦伯就是一个6倍大的大桶，所以收集光的能力和速度将是原本哈勃望远镜的6倍。以前要看10年的东西，现在不到两年就可以完成。而有越大的望远镜就能看到越暗的天体，同理也能看到越远的天体。二、可能大家又要问了，为什么要花这么大的力气把望远镜发射到太空里？好好地在地球上建望远镜不是很好吗？当然，地上的大望远镜也很重要，而且确实也大得多，目前地球上建的光学望远镜最大是30米左右（等于半个足球场），这个以后再说，但是太空望远镜重要的地方有两点，而这两点都和地球那“该死”的大气层有关。首先，大气会使得光线变得模糊，这也是为什么从地面上看星星，星星会“眨眼”。而有些天文观测需要非常精准的定位和追踪，比如说前几期聊到的那种可以跨过一个南中国海看一根头发的晃动，就只能在太空里实现。其次，地球大气当然是个好东西。大气挡住大部分有害的紫外线、X—射线等，但是也因为这样，地球的大气也“过滤”掉了很多有用的信息，导致地面上的望远镜只看到能透过大气的光。比如说除了看不见的紫外线，地球的水气也吸收了部分的红外线。你看到的太阳是8分钟之前的？那詹姆斯·韦伯望远镜能给天文带来什么突破呢？这里可从以上的两点来展开。关于第一点，即能看到更远的东西，这里就要说到其实宇宙本身就是一个时光机。怎么说？光的速度是有限的（约30万公里每秒）。比如说太阳的光从太阳发射到地球需要约8分钟。也就是说，我们现在看到的太阳，并不是当前的太阳，而是太阳8分钟前的影像。要知道宇宙的宽广可要比这个距离大得太多。而天体物理一个很重要的分支就是去看一些非常遥远的星系，这些星系非常远，它们的光是经过几百万亿年才跨过宇宙到达地球。就好像说，你给自己寄一封信，如果这封信需要20年后才收到，那你20年后收到的时候，就可以透过信件了解到20年前的自己。这也是为什么，我们常常说我们可以了解宇宙早期的情况。因为宇宙大到，只要我们可以看得更远，这些“信件”都是百亿年前“寄出的”。詹姆斯·韦伯望远镜能够做到的，就是比哈勃望远镜看得更远，收集一些更久远的早期宇宙给地球人捎来的信件，所以也就让我们更能窥探到宇宙早期的情况。而关于第二点，能看到一些其他波段的光，那就要说到另一个天文的热点，也就是寻找太阳系以外的外星文明。要知道天文从业员都不是直接去“找”外星人（因为太远，臣妾真心做不到），所有的努力都是在找一些有类似与地球大气一样的行星。可以想像一下，如果外星人要发现地球，最好的方式还真不是电影里那些开着飞船乱闯的笨蛋外星人。最佳的方式，是看看比如说太阳的光透过地球以后，有没有一部分的光被地球的大气吸收掉。而通过了解这些被吸收掉的光，就可以推算地球大气的成分，进而知道这个行星存不存在生命体征。而这也是詹姆斯·韦伯望远镜的一个重点，看看有没有一些星星的光透过他们的行星时，有这些被水分（和其他有机气体）吸收过的痕迹。暂时说再见詹姆斯·韦伯望远镜明年发射固然是科学界的一大盛事（如果万一发射失败，天文要往前进步恐怕就要再等个30年），不过另一方面我们这30年来还一直用着老旧的哈勃望远镜却侧面的反映了一个问题。常常别人会问为什么要花钱在基础科学上，可是大家可能比较不知道的是，科研的经费相对于政府其他花钱的领域简直是九牛一毛。政府以外，随便一个跨国企业的财力如果愿意在指缝中漏一点给科研人员，就可以让科学上有质的飞跃（大家可以脑洞一下，如果我们的疫苗科技比现在强个10倍，也许我们就不会有今天的窘况）。但是在目前的严峻情况下，当政府要砍经费，科学往往就首当其冲。这结果是一个无限往下坠的死循环。科研人员花了好大力气申请一些可能其他领域都看不上的经费，但竭尽全力挣扎求存却也导致认真做科研的人，再也没有力气去和大众做交流。缺乏交流导致大众对于科学意兴阑珊，也导致居心不良的人有机可乘。而这之后，政府就更觉得可以向科学经费开刀，然后这个恶性循环就造成了今天很多科研的种种困境。而这一点也是作者这么多期以来希望能尽一点微薄之力改变的现状。当初【新教育】找上我的时候，我一直想，我作为一个理工男，文笔上想当然非常一般，说起科学来也肯定没有那些职业做科普的YouTube达人说得清楚（我自己很喜欢看的频道叫Veritasium，向大家推荐一下）。不过唯一可以提供作为参考的就是我作为一个科研从业员的所思所想，不只分享一些科研的乐，也希望大家看到科研的苦。最后，由于最近被申请经费，兼顾科研，同时带学生做研究搞得身心俱疲，所以会休笔一段时间。期待往后有机会再与大家分享。更多文章：丁源森 | 黑洞与咸煎饼丁源森 | 吐槽一下好莱坞科幻电影丁源森 | 聊一聊暗物质

4年前

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丁源森 | 黑洞与咸煎饼

肯定的是，你、我和黑洞都是星星的孩子。而我们之所以研究黑洞其实也是在研究我们地球上的元素，乃至我们本身，到底从何而来，而我们将往哪里去。最近几年，黑洞可以说是频频刷屏，其中包括在2015年，因一对约30倍太阳质量的黑洞合并而探测到的引力波信号。当时这两个黑洞不仅仅在时空里泛起了涟漪，更是在科学界掀起大地震。就在探测到引力波的短短两年内，诺贝尔科学委员会就以极其罕有的速度，在2017年颁发诺贝尔物理学奖给这方面的3个先驱。而去年2019年，我们和黑洞的那个酷似甜甜圈的首次亲密“照相”，再次引爆了朋友圈。都还来不及反应过来，就在这篇稿发表的前夕，黑洞又在今年诺贝尔物理学奖再下一城。（作者注：作者段位太低，并没有诺贝尔奖的任何小道消息。纯属巧合。）来自星星的你（和黑洞）黑洞听起来感觉很玄乎，其实简单来说就是星星们的“残骸”。虽然2019年那张照片的黑洞看起来像个甜甜圈，但其实黑洞的生成过程更像是个“咸煎饼”。既然说黑洞是星星们的坟墓，那么要了解黑洞就绕不过我来唠叨一下到底什么是星星了。 [nonvip_content_start] 宇宙初期原是空无一物，主要成分也就只有氢气和氦气而已。但是由于引力（就是地心引力的引力），这些简单的气体会慢慢聚集起来。这时候如果没有相对应的抗力，万事万物就会因互相吸引而无止境的坍塌。这个过程会一直持续到星星的形成。而星星的形成，就是当气体坍塌到了一定的程度时，气体在压缩中被诱发了“核聚变”。核聚变是物理过程。在这过程中，小的元素会“合并”形成大的元素，就像买了一包棉花糖，我们可以取出多个棉花糖揉成任意的大小。这里重点来了，这个“揉”的过程常常会“掉渣”，而这些星星丢失部分的质量就会转换成能量。这也是爱因斯坦那出名的方程E=mc^2，简单来说，就是星星在揉“氢气”的过程中“卖掉”了一点质量，然后“兑现”了一些新能量。而这新能量也是为什么星星们（比如说太阳）之所以能发光的原因，同时这能量也暂停了星星自身气体的坍塌。这就像把咸煎饼的面团丢到油里去炸，由于额外的热量，所以咸煎饼会发胖发胀。当然了，星星能进行核聚变的原料是有限的。当能源耗尽“熄火”后，咸煎饼再也没有能量去抵御引力的诱惑，星星内的气体就会继续坍塌。而这结局有两个。质量较小的星星，本身的一些内在潜能其实还是可以hold得住的，这些星星就成为了所谓的白矮星。白矮星就像把木材烧完后的灰烬，这些灰烬会在持续很长的一段时间里继续在宇宙中发出微弱的光芒，直到余温慢慢褪去。但是一些质量较大的星星在熄火后是完全hold不住的。星星引爆的结果是镜像在极速的坍塌下，这些星星被引爆了。爆炸中星星们挤出了之前通过核聚变生成的元素（大棉花糖），且在这爆炸的高热中也加工生成了其他的元素。这就像咸煎饼在被挤压下，馅料被挤得到处都是。这就包含了我们呼吸的氧和地球组成的主要成分，比如镁（magnesium）、硅（silicon）等等。同时星星的核心则坍塌成了黑洞（有的也成了“中子星”，不过这里就不细分了）。星星引爆的结果是一个镜像，往内一面是无底的黑洞深渊，但是往外的一面却促成了一个更绚丽和终于拥有不同元素的宇宙，这些元素一部分后来就形成了地球。肯定的是，你、我和黑洞都是星星的孩子。而我们之所以研究黑洞其实也是在研究我们地球上的元素，乃至我们本身，到底从何而来，而我们将往哪里去。黑洞的研究和展望既然黑洞不外乎是星星的残骸，就不难估算在银河系里理应有上亿个黑洞。那问题来了：它们都在哪里呢？黑洞确实是在天体物理中一直让人比较一筹莫展的问题，毕竟黑洞最为人熟知的就是它的引力大到连光都逃不出去。既然黑洞本身不发光，所以是不可能被直接观测的。尽管如此，侧面研究和印证黑洞的方式还是有的。比如说，黑洞在形成后会依然吸积周围（比如说邻近的星星）的气体。而这些气体在被黑洞“吸魂大法”后会被加热到非常高温，并辐射出X-射线，这就是我们研究黑洞的主要途径之一。通过探测X-射线，其实在引力波之前，就早已找到了二十来个黑洞。这里插个小细节。说了这么多，我们只是聊到了个体星星坍塌成的黑洞，但除了这种不到数十个太阳质量的“恒星黑洞”外，每个星系的中心都有所谓的“超大质量黑洞”，例如我们银河系中心就有个比太阳重400百万倍的黑洞（其发现就是今年的诺贝尔物理奖其中两个得主得奖的工作）！与其把这种超大质量黑洞想像成是星星的残骸，不如把每个星系的中心都想像成有个大型的“乱葬岗”是比较恰当的比喻（虽然它们的形成还没有定论）。2019年照相拍到的是黑洞“乱葬岗”（约数十亿倍太阳的质量），而2015年引力波探测到的是黑洞“残骸”（30倍太阳质量），不能混为一谈。简单的说 2017 年诺贝尔物理学奖颁给了小黑洞，今年的诺贝尔奖颁给了大黑洞。黑洞有星星“粉丝” 比起恒星黑洞，超大质量黑洞是比较好观测的。所以对于它们的研究在这二三十年一直都是如火如荼，但是与之不同的是恒星黑洞的研究才刚刚起步。除了文章开头说到的引力波，我们上几期聊到的那个能同时追踪数十亿颗星星的Gaia探测器，也将产生巨大作用。虽然黑洞自己不发光，但往往有一些普通的星星“粉丝”伴随它们。这有点像是在一个不开灯的探戈舞会里，只要其中一个舞伴是荧光的，即使另一个舞伴一身漆黑，我们也可以通过荧光舞伴的舞步英姿得知另一个人的存在。而伴随着对于引力波的探索和对于银河系大量星星的监控，恒星黑洞终于拉开帷幕，估计未来10年还会不断刷屏，习惯就好。（作者再注：真是说时迟那时快，小伙伴们的脸书估计要被今年诺贝尔物理学奖刷屏了。）最后要说的是，不说你不知道，一说可能就要吓一跳了。很多天文数据是完全公开的，Gaia在往后几年也会把那数亿颗星星的具体“舞步”完全对外公开，意思是只要你有足够的物理知识，在家上网也可以找黑洞。研究天体有用吗？现在又到本专栏固有的闷骚环节。常常有人问我：“天体研究有用吗？”这问题我确实答不上来（注：就是拿诺贝尔拿到手软），不过我觉得其他事情其实也挺没用的。宇宙形成之初本来空无一物，而结局也会是如此。在遥远的未来，当所有宇宙的能源都被耗尽后，剩下的就是无数黑洞和一些烛火残存的白矮星。而那又有谁能定义何为有用呢？也许人类唯一能做的就是《三体》的那句“给岁月以文明”吧。作者简介：丁源森是吉隆坡中华独中毕业生，2017年从美国哈佛大学毕业，2018年获得美国NASA哈勃奖学金，现于美国普林斯顿高等研究院（IAS）研究天体物理。本文英文版链接：Black holes and souffles 更多文章：丁源森 | 吐槽一下好莱坞科幻电影丁源森 | 聊一聊暗物质丁源森 | 一个世界两个夜空，科技背后的折叠星空

4年前

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丁源森 | 吐槽一下好莱坞科幻电影

不过，我不能认同一些好莱坞大片，漠视博物馆的壮阔与历史，随手挑了个耀眼的小图腾，把其放大特写，再加特效，然后还硬要说这图腾是博物馆的精华。想像一下，你继承了曾祖母呕心沥血的画作，你穷极心思把它修复好了，并放在博物馆里展示。有一天，有个导演说要给这幅画拍个特辑，但他来到博物馆后二话不说，就只盯着画上的一个图腾拍局部特写，只字不提这幅画的壮阔与历史。大话星际穿越作为天体物理学家，我是不折不扣的科幻迷。2014年，大导演诺兰（Christopher Nolan）有一部有口皆碑的好莱坞大片——《星际穿越》（Interstellar），作为诺兰老粉的我，那时可是盼星星、盼月亮地期待这部电影上映。然而，盼到电影，却也盼到失望。话说在电影里，女主角的老爸掉进了黑洞，并意外获得操作时空的能力。当女主角叹到“啊，原来爱就是第五纬度”的时候，此处理应要热泪盈眶，可是不知道为什么我却一秒出戏。 [nonvip_content_start] 我是个科幻迷，所以了解科幻源于创作，不能事事较真。我后来也检讨了一下，毕竟诺兰的《盗梦空间》（Inception）是同等的不科学，却是我最喜爱的电影之一。而我小时候更是喜欢金庸的武侠小说，对于武侠的腾云驾雾，也不会戏谑这不符合牛顿力学，所以常反思自己对于好莱坞星际大片的一些偏见。星际类型电影的困境一直觉得所有文学的创作，包括电影，是作者和受众的一份契约。大家约定在一两个小时内，进入作者与受众达到共识的虚拟空间。而星际科幻的难点恰恰在于，常常星际科幻都是标榜着那虚幻空间是“在不太久远的将来”。这里问题就来了：既然标榜的是可能发生的将来，这份契约和武侠小说是截然不同的，毕竟大多数人不会认为武侠是可以在现实发生的，而星际的契约潜台词却是这是有可能发生的。所以当女主角说“爱是第五纬度”的时候，这句牛头不对马嘴的话，又如何叫人不觉得违和呢？那有没有好的星际科幻呢？我自己就非常推崇刘慈欣的《三体》（据说奥巴马也爱看），这是第一部以华文写作并获得雨果奖的小说，它棒的地方不在于科学上无可挑剔，而是在于它尝试把视角放高，纵观宇宙，不拘泥于滥情。 3块大钢板的故事说到视角，就要说到我最常被别人问及的问题之一——“作为天文学家，宇宙这么大，你会不会觉得人生观变得很‘豁达’？”而我一般都笑答：“才不呢。” 这样被问其实无可厚非，毕竟地球万物在宇宙都是沧海一粟，我做学术报告时，所有天体的时间单位都是以百万年为基数。我所在的普林斯顿大学天体物理系，系外有个美国极简雕塑大师里查·塞拉（Richard Serra）的作品。作品名叫《刺猬与狐狸》（The Hedgehog and The Fox），我们系里的同事都笑称那是“3块大钢板”。实际上，那作品确实就是竖着3块4米乘25米的大钢板（人家“极简”大师也不是浪得虚名的）。有趣的是，3块钢板外面是宽敞的，但是只要到了里面，视野立马就变得非常局限。古希腊诗人阿尔基罗库斯（Archilochus）这么说到：“狐狸诸事皆知，刺猬仅知一要事（A fox knows many things, but a hedgehog one important thing）。对照这句话，这个雕塑设在举世闻名的普林斯顿理论物理系、天体物理系和数学系的中心位置，用意也就昭然若揭。做学术的悖论恰恰在于，你越往深处研究，你越是坐井观天。这雕塑一直是我对本身工作的一份警惕。天体物理学没有想像中的这么高大上，我更加愿意把我的工作比喻成博物馆里其中一幅画的修复师。确实，对于很多做学术的，我们都是穷其一生研究一个课题。我们汲汲营营地工作，为自己最感兴趣的一幅破损古画进行最大努力的修复。然后，把这幅画裱好，再进行最详细的注解。在这偌大的博物馆里，流淌这么多人的心血，而每一幅画的个体都是微不足道的，但是放在一起，那感觉就对了。有人会问，我会不会在意别人参观博物馆时不太留意注解，其实真的不会，因为总有人会像刘慈欣一样，受到这宇宙博物馆的感召而产生了创作的灵感，也有人会在宇宙博物馆沉思，并获得心灵的洗涤。不过，我不能认同一些好莱坞大片，漠视博物馆的壮阔与历史，随手挑了个耀眼的小图腾，把其放大特写，再加特效，然后还硬要说这图腾是博物馆的精华。堂堂好莱坞，何以把偌大的宇宙拍小了。本文英文版链接：Hollywood science fiction: Lost in Space 更多文章：丁源森 | 聊一聊暗物质丁源森 | 一个世界两个夜空，科技背后的折叠星空丁源森 | 黑洞与咸煎饼

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丁源森 | 聊一聊暗物质

暗物质到底是什么呢？这里是要让大家遗憾了。虽然现在我们知道它无所不在，方方面面地影响着天体的运作，不过它具体是由什么组成的目前还是个未解之谜。从小到大我都是一个不爱说话的小孩，所以平常交友会特别别扭。一般实况如下： “我是个会计，你呢？” “呃，我是个天体物理学家。” 一般说到这里，双方都可以感觉到气温骤降，空气凝固。所幸，作为天体物理学家的我有“破冰”三宝——外星人、黑洞、暗物质。在这千钧一发的时候，我一般都会使出杀手锏，一举扭转了整个局面。 “你有听说过暗物质吗？” 今天我们就先来聊聊暗物质。 [nonvip_content_start] 表象與本質骇客任务（The Matrix）是我最喜欢的电影之一。故事的大纲是主角尼欧（Neo）在坏人电脑为了驯服人类而生成的虚拟空间中，察觉到了事物的矛盾，从而看穿了感官的表象，进而认识到了现实的本质。电影里的慢动作打斗画面固然让人津津乐道，但骇客任务之所以能成为经典估计还是要归功于其所投影出的哲思。而与这哲思遥相呼应的是古希腊哲学家柏拉图的洞穴比喻。柏拉图在洞穴比喻里描绘了一群囚徒被困在一个黑漆漆的山洞里。他们的颈部和身体俱被镣铐在洞穴的一面墙上。而这面墙上的背后上方是洞穴的出口。虽然出口是明亮的，时而也有小动物路过，但是由于囚徒们的视野有限，只能看到小动物的投影，因此大部分囚徒都默认他们看到的影子即是现实，直到有像尼欧一样的囚犯打开了思想的枷锁，认识到了影子只是现实的表象，从而发掘了背后的广阔天地。而这，也是我们如何发现暗物质的。暗物质的发现话说约在1970年，天文望远镜开始能比较好地探测到星系里星星和气体的移动。而这科技的突破，对于天体物理学家来说是梦寐以求的。由于星星是受星系重力的影响，通过研究它们的轨迹，理论上就可以给星系量个“体重”。那时候大家的认知是，越在外围的星星，由于星系的重量开始下降，那么其运行的速度理应会比在内部的星星来得缓慢。这就如我们太阳系里，越往外的行星，比如说天王星等，绕太阳的速度都会比地球缓慢。可是那时候天体物学家却惊然发现，观测数据与理论预期刚好相反，外围的星星依然以飞速在绕行！星系含大量暗物质要知道这有点像在玩旋转木马，如果要转得飞快而不发生意外，那么安全绳就必须非常牢固。而在星系里，这安全绳就是星系的重力，只是让大家不得其解的是，这星星高速移动所需要的安全绳，可是要比在星系里可见的物质的总重量还要大上个10倍！也就是说，星系明明看起来是个瘦小子，但称起来却是一个大胖子！而这表象的矛盾，迫使我们重新认清了事物本质。而唯一合理的解释就是星系里除了有可见的物质外，还必须有大量我们看不见的物质。而这就是所谓的暗物质。虽然说暗物质可以解释星星的运行，但科学精神要求的是如果暗物质是确确实实的存在，那它必须可以经得起推敲。而在目前庞大的天文研究体系中，无论是宇宙大爆炸里各元素的生成，还是星系的具体分布等，暗物质都已被反复证明是不可或缺的枢纽，它的存在是板上钉钉的事，我这里就不一一阐述这些其他实验。暗物质是个好帮手不过要说这其中比较有趣的，就必须说到暗物质的“引力透镜”效应。简单来说，爱因斯坦的广义相对论说明，当观察某星系时，如果这视野中刚好穿过一团大量的暗物质，那暗物质的巨大重力会引起时空扭曲，导致这星系在观测时变形且被放大。这有点像是透过一个玻璃瓶的底部去看一个光源，那光源透过玻璃的折射会产生变形。虽然说这种超大团的暗物质不常见，不过这有趣的现象也是经过哈勃望远镜反复核实，侧面再次印证了暗物质。更重要的是这透镜效应在研究宇宙里一些很古老的星系特别重要。一些非常古老的星系由于离我们太远，一般都是无法直接去研究的。而这时候暗物质偶尔会跑了个龙套，客串了一下放大镜，无心插柳地帮助了天体物理学家，从而让我们能窥探宇宙早期的情况。暗物質仍是個謎说了这么多，暗物质到底是什么呢？这里是要让大家遗憾了。虽然现在我们知道它无所不在，方方面面地影响着天体的运作，不过它具体是由什么组成的目前还是个未解之谜。但也许留个遗憾也不是什么坏事。这警惕着我们的渺小，像极了柏拉图笔下那一群被困在地球的囚徒。但是人类了不起的地方恰恰是，即使被束缚着，还是能透过无限的想像力不断窃取宇宙的秘密。我们是囚徒，也是尼欧。本文英文版链接：The Matrix, Plato and dark matter 更多文章：丁源森 | 吐槽一下好莱坞科幻电影丁源森 | 一个世界两个夜空，科技背后的折叠星空丁源森 | 黑洞与咸煎饼

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丁源森 | 一个世界两个夜空，科技背后的折叠星空

由于星星的运动是受银河系重力的影响，只要能测得星星的运动和轨迹，我们就可以窥探银河系的点点滴滴。话说在1994年，美国加利福尼亚州发生大地震，引发了洛杉矶全城大停电。当时人们惊慌失色地走到屋外，仰头一看，顿时震惊，简直不能相信自己的眼睛。惊慌中，有人打电话给邻近天文台，气喘吁吁地问：“先生，请您告诉我，那天上划过的大片银光，该不是什么噩耗吧？”电话另一头的天体物理学家，被这一问可是乐开了怀，然后缓缓说道：“不，先生，那是银河系，我们太阳所在的星系，它一直都在。” 有没有想像过，在没有电灯之前，是一个什么样的世界？ [nonvip_content_start] 我是一位天体物理学家，主要研究对象是我们太阳所在的星系——银河系。这事说来其实有一点奇葩，在吉隆坡长大的我，小时候所意识的夜空是黑压压的，什么都没有。即使回到了家乡诗巫，也只能非常零星地看到几个最亮的星座。天空有什么好研究的？不是都说什么“黑夜给了我黑色的眼睛”吗？我心里嘀咕着，说这话的诗人顾城一开口就暴露了自己是个现代人。我们往往只看到科技给人们带来了城市的绚丽，却忽略了光害也给天空泼上了永久挥之不去的黑漆。科技当然是个好东西，无需为之辩驳，但科技的飞速发展也确实使我们常忘了，这电光石火的发展史其实还不到150年。也就是说，在漫漫人类的历史长河中，看见灿烂星空是常态，也就是到了近100年，夜空才被光害吞没，迎来了真正的黑暗。当然了，都说上帝把一扇门关了，还是会为你留一扇窗。想看到真正的星空，其实也不是不可能的事。但现在大多数的天文望远镜都是建在最荒无人烟的地方，而作为天文学家，这还真是有够折腾的。我每次前往智利阿他加马沙漠的天文台观测，从美国东岸普林斯顿的家出发都要转上3趟飞机，再加上两三个小时在沙漠中颠簸的车程才能到达。但即使如此，每每我看到那划过天际的银河系，一切都显得那么值得。我总是在想，人类有文字记载的历史就这么几千年。但是在没有文字，甚至没有语言的几十万年间，到底有多少人曾经住在山洞里，看着同一片天？测星星轨迹窥探银河系在古希腊神话中，银河是希拉女神的母乳，所以也有了银河系的英文名The Milky Way这个说法。但是我们现在知道这片银河其实不是什么神仙母乳，而是由我们太阳和它的星星邻居们所一起构成的。话说太阳其实也就是一颗貌不惊人的星星，而在银河系里就住着约一万亿颗这样的星星。要知道这星星的数量可比在地球上所存在过的人（把祖宗十八代都算上）还要再多个10倍。另外，银河系的跨度也是惊人的，从银河系的一端到另一端的距离约为10万光年，也就是说如果从银河系的一端发射一束光，这束光可要在10万年后才到达另一端（光一秒就可以在地球上绕7.5圈）。那天体物理学家又是怎么知道这些的呢？这其实又要算到科技的头上了。要给银河系量个“腰围”、称个重，理论上也不是什么难事。虽然我们够不着太阳，但是由于地球和其他行星的运行速度是受到太阳重力所吸引，所以只要能测得行星的运动轨迹，自然就能知道太阳的重量。同理的，由于星星的运动是受银河系重力的影响，只要能测得星星的运动和轨迹，我们就可以窥探银河系的点点滴滴。话虽如此，要测星星的运动轨迹可不是个易事。打个比喻，我小时候常愣愣地看飞机在天上缓缓地移动，要知道飞机飞行的速度可是比高速公路的限速还要快个10倍，那目测的缓慢主要是由于飞机离我们很远，所以即使它在高速的移动，在天空划过的投影距离还是微小的。而天体物理学要测的却是离我们好几千乃至好几万光年的星星的运动，那扰动更是微乎极微。超厉害的Gaia望远镜但是，就如美国前总统肯尼迪在〈我们选择登月〉的演讲所说，我们所做的事情“并非它们轻而易举，而正是因为它们困难重重……因为这个挑战我们乐于接受。”而恰恰就是为了了解银河系，欧洲太空总署在2013年发射了Gaia望远镜。你可能会问这Gaia有多厉害？要知道Gaia望远镜能分辨的精准度，相当于在吉隆坡隔着南中国海看诗巫一个阿伯其中一根头发的晃动。而Gaia的细致使得我们可探测到银河系10亿颗星星的运动与距离，从而永久地改变了我们对银河系的认知。当然了，这只是冰山一角，我们现在有的银河系数据不止于Gaia，也不限于给银河系量腰称重这么“肤浅”。能做的事情多的是，而银河系的研究这几年更是红红火火。这些由于文章长度有限，我就不赘述，以后若有机会再聊。后记：我住在离纽约不远的普林斯顿。这里和地球大部分的地方一样，看不到银河系，但是现代天文学所做之事，毕竟早已超越了我们所有的五官，甚至是想像力能及的地方。科技背后分化出的是两个夜空。一个，光害笼罩，大多数人都不会特意抬头去看一看的“黑”夜；另一个却是超越五官，不可肉眼观看的夜空。而我又何其荣幸能在这两个夜空中穿梭。 Yuan-Sen Ting: One world, two skies: The bifurcation of the sky by technology 更多文章：丁源森 | 吐槽一下好莱坞科幻电影丁源森 | 聊一聊暗物质丁源森 | 黑洞与咸煎饼

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