2009年12月28日星期一

科学松鼠会

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[小红猪]愚蠢在科学研究中的重要性

Mon, 28 Dec 2009 16:00:11 +0800

1译者:Fima

此文被小红猪们评定为五朵小红花

马丁·施瓦茨(Martin A. Schwartz)

弗吉尼亚大学卫生系统微生物系

我最近碰到一位多年未见的老朋友。我们曾同时攻读博士学位,都学习科学,只不过领域不同。她后来从研究生院退学,进入哈佛大学法学院,现在是一家大型环境组织的资深律师。聊着聊着,话题转到了她当年退学的原因上。让我非常震惊的是,她说那是因为博士学习让她觉得自己很愚蠢。每天都有这样的感觉,这样的生活持续一两年后,她决定改行。

我当初认为她是我认识的最聪明的人之一,她后来的职业发展能够证实我的观点。她和我的谈话让我感到不安。我一直在想这件事;第二天的某个时刻,我突然想明白了。科学也让我觉得自己愚蠢,只是我对此已经习以为常了。事实上,我对此已经习惯到积极寻找新机会好让自己产生愚蠢感的地步。要是没有这样的感觉,我简直不知道如何是好。我甚至认为,本来就应该这样。让我慢慢道来。

对大部分人来说,我们在高中和大学阶段喜好科学的原因之一是我们学得好。这当然不是唯一的原因——对理解物质世界的着迷以及对于发现新事物的情感需求也是部分原因。但高中和大学的科学学习就是修课,而课业出色意味着在考试中给出正确答案。如果你知道答案,你就能学好,并且觉得自己挺聪明。

攻读博士时情况却完全不同了,你必须要做一个研究项目。对我来说,那是一个非常令人生畏的任务。我要怎样设计问题才能导致重要的发现;怎样设计和解释一个实验才能使其结论完全令人信服;怎样预见到困难并设法绕开,或者,如果绕不开的话,怎样解决它们?我的博士研究项目某种程度上属于跨领域课题,有一段时间,我一遇到问题,就跑去纠缠我们系里相关领域专家级的老师们。我还记得有一天,亨利·陶布(Henry Taube)(他两年后获得了诺贝尔奖)告诉我,他不知道怎样解决我在他的专业领域碰到的问题。我当时是一个三年级研究生,我觉得保守估计,陶布知道的比我要多一千倍。如果他不知道答案,那就没人知道了。

这就是我恍然大悟的时刻:没人知道。这就是为什么它是一个研究问题。而且,作为我的研究问题,得由我来解决。在我意识到了这个事实后,我在一两天后就解决了这个问题。(它事实上不怎么难;我只需要做些尝试罢了。)我从中获得的关键一课就是:我所不知道的事物的范围何止是广袤,它简直无边无际。这样的觉醒非但不令我沮丧,反而让我如释重负。如果我们的无知没有边际,那我们唯一可能的做法就是尽最大的努力去应付。

我觉得我们的博士培养项目本应为学生提供应有的帮助,但是在两方面有所欠缺。第一,我觉得我们没有让学生明白做研究有多么难,而做重要的研究又是如何难上加难。那可比修一些要求严苛的课程难多了。其难点在于做研究是沉浸到未知之中。我们不知道自己在干什么。在得到答案或结果之前,我们无法确定自己是否在提出正确的问题,或者是否在做正确的试验。诚然,对研究经费和顶级刊物发表机会的竞争增加了搞科研的难度,但除此之外,做重要的研究在本质上就很难,不断变化的院系或国家政策并不会减少这种固有的难度。

第二,我们在教导学生如何蠢得有成效方面做得还不够好,也就是说,应当让学生明白,如果我们不觉得愚蠢,那说明我们并没有真的在努力。我说的不是"相对愚蠢"——那种班上其他学生认真阅读材料、思考并且在考试中得优而你没做到的情况。我说的也不是那些本来挺聪明,却在和他们天赋不相符的领域工作的人。科学涉及到直面我们的"绝对愚蠢"。这种愚蠢是客观存在的事实,是我们在努力向着未知推进过程中所固有的。教师委员会步步紧逼,直到学生开始给出错误的答案,或者干脆放弃,直接说"我不知道",像这样的预备考试和学位考试的思路才是正确的。考试的意义并不在于考查学生是否能答对所有的问题,如果他们真的都答对了,那意味着他们的老师才是没通过考试的人。考试的目的是找出学生的弱点,一方面考查学生在� �些方面还需要付出努力,一方面考验学生掌握的知识是否能够让他们在足够高的层面上才出现失败,从而说明他们已经有能力开展一个研究项目。

有成效的愚蠢意味着主动选择无知。对于重要问题的关注将我们置于无知的尴尬境地。科学的一个美妙之处在于,它允许我们跌跌撞撞,不时出些差错,不过只要我们每次都学到点儿东西,就会觉得好的不得了。毫无疑问,这对于那些习惯于总是答对问题的学生们来说可能难以适应。毫无疑问,合理的自信和情感韧性会有帮助,但我认为,科学教育应当付出更多的努力来帮助学生们实现一个非常大的转变:从学习别人已经发现的转向自己去发现。我们对于愚蠢越是觉得自在,我们对未知领域的探索就越深入,我们就越有可能做出重大的发现。

图片出处:asheley

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斯皮策空间望远镜5年之科学成就

Mon, 28 Dec 2009 10:59:34 +0800

Michael Werner 文 Shea 编译

2009年5月15日,美国宇航局的主力红外空间望远镜"斯皮策"终于耗尽了它最后一滴用于制冷的液氦,结束了为期五年的"低温"使命。让我们跟随它一起去探访那些宇宙隐藏的角落……

[图片说明]:斯皮策空间望远镜拍摄的反射星云NGC7129中的恒星形成区。版权:NASA/JPL-Caltech/T. Megeath (Harvard-Smithsonian CfA)。

  在通过望远镜目镜所能看到的宇宙之外,还平行存在着另一个宇宙。那就是红外宇宙。在这个宇宙中,光线的波长要比人类肉眼所能看到的最红的光波还要长。从2003年8月发射至今,美国宇航局(NASA)的斯皮策空间望远镜就以前所未有的灵敏度和成像清晰度探索着这个隐藏的宇宙。

  使用"斯皮策"天文学家就可以在其他的恒星系统中看到诸如行星这样相对较"冷"的天体,而它们无法在可见光波段发出足够能被看到的辐射。"斯皮策"还能穿透笼罩着银河系大多数地方的浓密星际尘埃,揭示出先前看不到的结构。科学家们还用它来探测被尘埃所覆盖的星系中央黑洞。

  "斯皮策"所能触及的最遥远地方是第一代恒星和星系形成的早期宇宙。它们所发出的光离开这些天体的时候都在可见光和紫外波段,但是在传播的过程中由于宇宙的膨胀被拉伸到了红外波段。"斯皮策"上的仪器可以探测到这些来自远古的光线,让天文学可以研究128亿年前星系的样子,而当时的宇宙只有现在的1/7大。

[图片说明]:斯皮策空间望远镜的5个侧面。它的特殊设计使得它具有了非凡的红外灵敏度。太阳防护照/电池板使得"斯皮策"始终处于阴影中。而"斯皮策"背向太阳的一侧也被漆成了黑色,以此来向宇宙空间辐射热量。版权:NASA/JPL-Caltech。

  现在"斯皮策"已经进入了它工作的第六个年头。它在众多领域所做出的发现充分展现了红外天文学所带来的科学力量。即使在"斯皮策"耗尽了为保证所有探测器都达到高灵敏度的液氦之后,它也依然可以继续探测红外波段下的宇宙。而新的更强大的红外空间望远镜不久就会接替"斯皮策"的工作。

冰冻三尺

  "斯皮策"成功的秘密在于它的设计。它可以把望远镜的照相机和摄谱仪都维持在-272℃的低温,这样一来这些电子探测器在红外波段就可以达到它们的最大灵敏度。为此,"斯皮策"上的仪器都被安放在了一个装有液氦冷却剂的容器之上。同时"斯皮策"所采用的新技术也使得它与会干扰观测的外界热源隔绝了开来。

  例如,"斯皮策"装在一侧的太阳能电池板和绝热罩总是对准太阳的,保证望远镜时刻都在阴影之中。"斯皮策"尾随地球的轨道也使得它与地球散发出的热量保持了一定的距离。而望远镜的物理设计也利用了空间环境天然的制冷作用。由此"斯皮策"每天只需要使用28克的液氦就能维持仪器所需的工作温度。


[图片说明]:斯皮策空间望远镜在一条尾随地球的轨道上绕太阳转动。版权:NASA/JPL-Caltech。

  不过,即便是望远镜使用了诸多创新型的设计它也只能减缓而非阻止液氦无情地蒸发。2009年5月15日"斯皮策"上360升的制冷剂终于蒸发殆尽,这一个刻的到来标志着从2003年开始这5年多来"斯皮策"氦制冷"低温任务"的结束。

太阳系外行星天气报告

  "斯皮策"的低温任务中包含了令人激动的对太阳系外行星的探测。到2009年3月已经发现并确认了344颗太阳系外行星,而后续的发现也正在快速地涌现。

  这些已知的太阳系外行星中有许多是被称为"热类木星"的大质量气态行星,它们都在非常靠近恒星的轨道上公转。在这其中有一颗被称为HD189733b的行星,它正围绕着一颗距离地球63光年的恒星转动。这颗行星所发出的绝大部分光都在红外波段,使得"斯皮策"可以探测它的温度和组成。


[图片说明]:艺术家想象中的非常靠近宿主恒星的热类木星。版权:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)。

  HD189733b相对较弱的辐射使得它淹没在了宿主恒星的光芒之中。不过幸亏HD189733b公转的轨道是侧向对着地球的,因此"斯皮策"还是有办法能把它和恒星分开。

  在HD189733b绕恒星转动的过程中,它都会从恒星的前方经过(凌星),然后绕到一侧,接着再运动到恒星的后方。当行星被恒星遮挡消失在视场中的时候,"斯皮策"上灵敏的探测器就会测量此时由于缺少了行星所造成的红外辐射降低。这一降低所对应的正是这颗行星的大气温度。

  除此之外,"斯皮策"的科学家还能探测这颗行星表面温度随着其经度的变化。因为HD189733b的轨道非常靠近恒星,因此恒星强大的引力会将行星"锁住"并且使它始终只有一侧冲着恒星——就像月亮只有一面朝着地球一样。

  当HD189733b凌星的时候,"斯皮策"就能观测它处于夜晚的一侧。当凌星结束HD189733b开始向恒星后方运动的时候,"斯皮策"就能不断地观测到它大气中不同的部分。当行星运动到恒星后方的时候,"斯皮策"就能测量它整个大气圈的红外辐射,并且揭示出温度是如何随着经度变化的。

[图片说明]:处在不同轨道位置的行星,观测者就能看到它大气的不同部分。版权:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)。

  这一研究发现,尽管HD189733b的自转被"锁定"了,但是朝向恒星的一侧和背向恒星一侧的温度差距其实并不大——从927℃到649℃。同时,朝向恒星一侧温度最高的也不是恒星正好位于头顶方向的地方,而是在这个基础上还要向东偏30°。

  向东30°的偏差以及白天和夜晚间不大的温差说明了风把热量从白天一侧带到了夜晚的一侧。但是为了要解释观测到的温度分布,风的速度就要达到每小时1,610千米以上。

探测银河系

  "斯皮策"的观测也大大推动了对我们所在银河系的认识。现在对河外旋涡星系中富含气体和尘埃的旋臂所拍摄的照片足可以装满好几本相册,但是对于我们自己身处的银河系却做不到。不过红外天文学为我们提供了一个解决办法。

[图片说明]:"斯皮策"分别在24、8.0和3.6微米的波段上拍摄了旋涡星系M81(底图),中间为这三个波段的合成照片。左上角的可见光波段照片来自美国基特峰国家天文台。版权:NASA/JPL-Caltech/K. Gordon (University of Arizona) & S. Willner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics), N.A. Sharp (NOAO/AURA/NSF)。

  在可见光波段,很难在大距离上通过恒星计数来描绘银河系的旋臂以及其他的主要结构。银河系中绝大部分的恒星都位于一个平面(银盘)中,但是绝大多数的尘埃也是如此。那些距离地球超过3,000光年的恒星所发出的可见光因此就无法穿透由尘埃所组成的"幕墙"。而银河系中心到我们的距离则达到了27,000光年。幸运的是,绝大部分的红外辐射都可以穿透尘埃,使得"斯皮策"可以一览银盘无遗。

  对银河系探测所取得的重要进展来自"斯皮策"的红外中银道面非常巡天(GLIMPSE)。GLIMPSE观测了位于银道面上、下130°长、1°宽的长条形天区,这一宽度差不多正好是4个满月摞起来的高度。

  GLIMPSE带来的大量新数据强烈地支持了先前关于银河系是一个棒状星系的结论。银河系中的棒状结构是由沿椭圆而非圆轨道绕银心转动的恒星以及气体所组成的,长度约为28,000光年。

  在GLIMPSE之前,观测发现银河系拥有4条主要的旋臂:矩尺臂、英仙臂、人马臂以及盾牌-半人马臂。由于旋臂的长度远大于宽度,因此当"斯皮策"沿着旋臂延伸方向观测的时候就能看到比横穿旋臂时多得多的恒星。


[图片说明]:"斯皮策"拍摄的银河系中心照片。版权:NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (SSC/Caltech)。

  根据GLIMPSE的结果,天文学家发现沿着矩尺臂和人马臂其中恒星的密度不存在跳变,即沿着旋臂恒星的数目增加不大。这些结构现在被归为"小旋臂",它们是由一块块的气体和一群群的年轻恒星所组成的。但是盾牌-半人马臂和英仙臂则是富含恒星的大旋臂,它们直接和银河系中心棒状结构的两端相连。

寻找隐藏的黑洞

  "斯皮策"能穿透星系中尘埃的能力也为回答另一些问题提供了机会,那就是什么样的星系会拥有超大质量黑洞。目前已知的几乎所有的超大质量黑洞都位于星系中央恒星高度聚集的核球之中。以银河系为例,它有一个中央核球,在核球中则有一个3-4百万个太阳质量的超大质量黑洞。与旋涡星系中心核球类似的椭圆星系也具有超大质量黑洞,且最大的可以大到几十亿个太阳质量。

[图片说明]:哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜拍摄的草帽星系(M104)可见光与红外合成照片(上图),"哈勃"所拍摄的可见光照片和"斯皮策"拍摄的红外照片分列于左下角和右下角。草帽星系是一个几乎侧向对着我们的星系,在它的中心具有超大质量黑洞。版权:红外照片:NASA/JPL-Caltech/R. Kennicutt (University of Arizona)/the SINGS Team;可见光照片:Hubble Space Telescope/Hubble Heritage Team。

  天文学家发现,中央黑洞和核球似乎是一起长起来的。核球的质量越大,黑洞的质量也就越大。它们之间有一个显著但却时至今日未能被解释的关系,那就是中央黑洞的质量大约是核球的0.2%。对于没有核球的星系,它们似乎应该不会拥有中央黑洞,但是"斯皮策"对无核球星系的观测却否定了这一点。

  在一项研究中,科学家使用"斯皮策"观测了32个核球较小或者没有核球的星系。意想不到的是,其中有7个拥有黑洞,且质量从3,000-150,000个太阳质量不等。因此,这说明了即使没有核球在星系的中央黑洞也能形成并且生长。

  而红外波段的观测在此起到了关键的作用。当气体盘旋着掉入黑洞的时候就会在它周围形成吸积盘,其中被激发的氖气体就会发出X射线和紫外辐射。这一过程可以产生能穿透周围尘埃的独特红外信号,进而被"斯皮策"观测到。

[图片说明]:侧向星系NGC 5907。天文学家曾经认为,扁平的旋涡星系因为没有核球进而其中央也不具有黑洞。但是"斯皮策"的观测结果挑战了这一核球-黑洞之间的联系。版权:NASA/JPL-Caltech/M.L.N. Ashby (Harvard-Smithsonian CfA)。

  "斯皮策"对黑洞的观测为我们留下了一个重要的未解之谜。如果黑洞不是由核球产生的,那么又是从哪儿来的呢?现在天文学家们只能对此进行猜测。将来"斯皮策"和其他的红外天文台通过更详尽地观测近距星系中的黑洞也许能帮助我们回答这个问题。

宇宙深处

  除了近距离的宇宙之外,"斯皮策"还向我们展现了早期第一代恒星和星系形成时宇宙深处的画面。虽然现在我们还无法回溯到137年前宇宙大爆炸的创生时刻,但是"斯皮策"已经将我们所能看到的范围向前推进了到宇宙历史中一个关键的阶段——再电离时期。

  大爆炸不久之后,宇宙中所有的物质就是一锅由质子、电子和光子等粒子组成的"热汤"。在38万年后,宇宙经过膨胀冷却到了足以能让电离的粒子重新组合到一起的温度。由此形成了中性的氢原子和氦原子,但是还没有形成恒星。这就是宇宙的"黑暗时期"。

  然后在黑暗之中恒星和星系开始形成。当第一代恒星被点燃的时候,它们的辐射就会加热并且电离中性氢。到大爆炸之后大约10亿年,这一"再电离"过程基本完成。现在星系之间的绝大部分物质还依然是电离氢。但是天文学家并不清楚这一关键的过程到底是在什么时候开始的。

  通过观测宇宙中最遥远的天体——早期星系——并且检查它们是位于中性的还是电离的星系际介质中就可以回溯宇宙再电离的时期。这使得我们可以描绘出再电离的过程以及宇宙结构的演化。

  宇宙膨胀会拉伸遥远星系所发出的光线。当它们到达地球的时候,它们的波长已经红移到了红外波段。而探测这些辐射正是"斯皮策"的强项。一个天体所发出辐射红移的量越大,我们可以回溯的年代就越久远。

[图片说明]:"斯皮策"和"哈勃"联手捕捉高红移星系。左图:"哈勃"拍摄的超深空区,其中包含了大约1万个星系,这是人类目前在可见光和近红外波段所能看到的最远画面。右上:左图哈勃超深空区蓝色方框的放大图像。其中的蓝色圆圈圈出了一个在可见光波段不可见的遥远星系。右中:由"哈勃"的近红外照相机和多目标分光仪所拍摄到的这一遥远星系,但它在近红外波段下非常红且暗弱。右下:"斯皮策"的红外相机在波长更长的红外波段轻而易举地观测到了这一星系。它的红外亮度说明这是一个大质量星系。版权:NASA, ESA/JPL-Caltech/B. Mobasher (STScI/ESA)。

  高红移星系就像是远古的化石,可以向我们揭示出在早期宇宙中所发生的过程以及它们是如何影响未来宇宙的。"斯皮策"通常可以观测到红移为6的星系,这意味着这些光是在大爆炸之后9亿年离开星系的。这一时期正好和再电离重合。

  和哈勃空间望远镜以及地面大型天文台一起,"斯皮策"正在不断向前回溯着宇宙的过去。它已经观测到了红移可能高达7.6的星系,换句话说这些光是在大爆炸之后7亿年发出的。这些星系中的恒星可能早在大爆炸之后5亿年就形成了。

  但是要再电离宇宙还存在一个所需能量的短缺问题。观测到的高红移星系数量不足以产生电离早期宇宙中所有中性氢所需的辐射,少了大约1/3。

  一个可能的解释是,除了观测到的明亮大质量星系以外还存在着数量更多的小质量星系。尽管小质量星系所能产生的辐射远不如大质量星系,但是因为它们数量众多,因此综合起来还是可以产生再电离宇宙所需的能量。不过即使它们存在的话,也由于太暗弱而无法被观测到。

"斯皮策"升温的未来

  不久得益于红外天文学的帮助,我们就将会看到更遥远的宇宙。"斯皮策"的后继者NASA的詹姆斯·韦布空间望远镜计划于2013年发射。它的接收面积是"斯皮策"的50倍,可以看到比"斯皮策"所能看到的更早期的宇宙。

[图片说明]:三叶星云(M20)在可见光波段(左)和"斯皮策"可见的红外波段(中)下显现出了迥异的形状,揭示出了不同的特征和物理过程。在可见光照片中暗色的尘埃带非常醒目,而在红外波段下"斯皮策"可以穿透尘埃看见星云中新生的恒星。"斯皮策"所拍摄的这张照片由它的红外阵列照相机(右上)和多波段成像光度计(右下)所拍摄的影像合成而来。版权:NASA/JPL-Caltech/J. Rho (SSC/Caltech)。

  但是也不要忘了"斯皮策"。即使在它的液氦耗尽之后,由于太空中的低温它还能在两个红外波段上进行观测,而且不丧失任何灵敏度。在这些波段上,"斯皮策"还能观测太阳系外行星、研究银河系和我们的外太阳系以及遥远的星系。

  在这一情况下"斯皮策"至少还能工作2年。从"斯皮策"开始投入观测算起,对它探测、发现、分析以及认识的过程将持续到下一个十年。如果说"斯皮策"是为下一次红外天文飞跃所做的热身运动的话,那么整台大戏才刚刚开始。

(本文已刊载于《太空探索》杂志2009年第11期)

[Astronomy 2009年03月]

 
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