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人类,最终,还是想看透天上宫阙

脑极体 2019-09-21
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原标题:人类,最终,还是想看透天上宫阙

中秋节了,又到了一年中一定要抬头看看夜空的日子。平日我们奔忙于尘世俗务,这天我们用节日和月色提醒自己,应该去关注一下遥远的宇宙。

在赏月时,我们能看到什么?对于中国人来说,其中有佳节的温暖,有飘散在远方的乡愁,此外,还有一丝味道——是好奇!苏轼提醒我们“不知天上宫阙,今夕是何年”,但我们还是想知道月亮上,宇宙里,到底隐藏着什么。

或许可以这样说,这份关于宇宙和天文的野心,是人之所以为人的重要见证。面对浩瀚星海,日升月落,人类最开始如兽如鸟,都是蒙昧与畏惧的。但是人类的区别在于,我们会发现规律,发明技术,然后再用这些技术去追寻头顶的真相。

从这个角度看,技术是人类的眼睛,宇宙是人类的始终想要仔细欣赏的画卷。

值此佳节,或许我们可以回顾这样一段历史:人类是如何一步步磨练技术,创造“眼睛”,然后渺小却强壮地仰望宇宙。

然后我们更不妨理顺着历史,来猜测一下:未来呢?接下来我们要用什么,去一窥宇宙之缘,群星之外,天上的宫阙?

砖与石:人类窥视宇宙源起

天文,是人类不知自何时而起的念头。

《尚书·胤征》记载了夏朝羲、和两位天官记录天时与天象的故事,到西汉,马王堆汉墓已经出土了完整的彗星图。

古希腊已经产生了能够绘测日食的爱奥尼亚学派、发现黄道和赤道的毕达哥拉斯学派。

在人类窥视宇宙之初,其实已经用到了当时最巅峰的技术——虽然这个技术今天听来不算什么——站得更高,需要砖和石头。

我们都知道古埃及金字塔的宗教和政治意义,知道它是法老的陵墓。同时大家应该也听说过,今天天文学已经证实,吉萨金字塔群的北面主隧道,正对着天龙座α星。这颗星在5400年前,正是先民能观察到的极星。这个巧合有很多种解释,但毫无疑问古埃及人民是在努力凝视着极星和宇宙的。因此,金字塔极大概率同时也是一座天文台。用石头,这门当时最高科技建立的天文台。

用砖石来仰望和定位宇宙,不是埃及人的专利。凯尔特人的巨石阵,玛雅人和印加人的太阳庙都与金字塔如出一辙。石头是人类的第一门技术,已经被用于天文。

镜与船:给太阳“量身高”的17世纪

让我们把时针快速拨动,直接来到所有天文学爱好者都为之激动的17世纪。当时日心说已经确立,大航海时代汹涌而至。这是一个天文学家叱咤风云的时代。伽利略、开普勒、哈雷,那些耳熟能详的名字都诞生于这样的时代舞台上。

但或许很少有人注意,这样一个时代的到来,其实也得益于技术爆炸的红利。当时所有天文学家的发现和研究,都无法离开两件技术利器:船和凸透镜。

大航海之船,带着天文学家们到达了南北半球那些荒芜人迹的“天文观测点”,比如1676年,20岁的哈雷已经航行到圣赫勒纳岛,开启了天文观测生涯;凸透镜变成了天文望远镜。从1609年伽利略制作了4.2厘米口径天文望远镜开始,一个新的天文时代宣告到来。

这个时代具有里程碑意义的事件,是人类用一百多年的努力,基本搞清楚了地球到太阳的距离。当时普遍的测量方法,是以一颗行星作为参照,在北半球和南半球分别记录这颗行星对于恒星的视位移,从而得出星体间的距离。经过百年间无数努力,到1761年哈雷已经通过对金星和日冕的观测,得到了相对精准的太阳视差。法国天文学家潘格雷在1775年给出了相对精准的太阳测距。

(行星测距法的原理)

随后,地球质量的得出、发现天王星、天体力学体系确立,一系列人类窥探宇宙的“大事件”先后到来。而其起源,是人类对航海技术与凸透镜技术的应用。

追光者:人类终于看清了宇宙结构

事实上在19世纪后半期,人类还是不知道星系、恒星、行星之间到底处在怎样的位置关系。理解宇宙,更多依靠的是哲学玄想,而非真实的观测和数据。

直到19世纪末,一场声势浩大的天文学革新打碎了人类对宇宙的胡思乱想,在天文学中,这场运动被称为“天体物理学”,或者“新天文学”。

此后,人类真正开始了对恒星的观测和研究,发现了月球表面的真实情况、首次观测到星云的存在。

而如果没有现代光学体系的技术进步,这场跨越式发展就无从谈起。事实上,无论是大型天文望远镜,还是恒星光度计,都是建立在这一时期光学技术基础上。具体来说,德国光学家朗德费创建的分光学、布盖开创的光度学,以及改变人类进程的照相技术,这三者直接导致了天体物理学的建立。

(利用光谱原理,首次拍到织女星、双子座α星进行照相的哈佛天文台大型天文望远镜)

对于光的理解和对光学技术的应用,让天文学家可以捕捉宇宙之光。而人类对宇宙空间的迷蒙与猜测,也终于迎来了一盏光亮。

无线电里的宇宙噪声:射电天文学的惊艳时刻

光学天文望远镜,推动人类天文学来到了天文台和大型天文望远镜的时代。但奇妙的是,当人类以为光就是宇宙唯一答案时,近50年的天文学却被另一项技术所改写——那就是今天所有人都无法离开的无线电。

1931年,美国无线电工程师扬斯基在研究收音机时,意外发现当天线指向特定天体时,能够收到特别响亮的噪声。尤其当天线指向人马座——银河系中心时,这种噪声能达到尖锐的程度。

“宇宙噪声”的发现,证明了恒星辐射理论,直接改变了我们今天的生活。同时借助无线电技术,美国工程师瑞伯率先发明了射电天文望远镜,为射电天文学时代奠定了基础。

借助观测宇宙中不同恒星发出的无线电干扰,人类成功观测到了太阳黑子的存在、实现了预测流星群、发现了银河系外星云以及星际间的氢气团。这些发现奠定了我们此刻的宇宙观,比如宇宙大爆炸、黑洞、类地行星和宇宙辐射。

而究其根源,惊艳人类历史的射电天文学时代,是来自人类对应用技术的努力探索——甚至可以说,如果没有收音机,人类就无从验证宇宙起源。

其实在20世纪初,英法两国天文学家已经尝试探寻太阳射电波,但当时的无线电接收器灵敏度太差,关于宇宙的众多猜想都无法进行验证。

无线电与探索宇宙的联系,再一次证明了这样一个真理:技术迭代,是人类透视宇宙的力量之源。

计算,计算:引力波与黑洞的大时代

今天,人类不断利用技术进步,透视宇宙深处的脚步依旧没有停止。

或许在地理学、光谱学和无线电理论的数百年滋养下,人类观测宇宙的方案已经齐备(也许吧?),但是人类观测和记录来的海量数据到底如何分析和计算,这在今天变成了考验天文学的最大问题。

可能大家还记得,2017年度诺贝尔物理学奖,授予了美国麻省理工学院教授雷纳·韦斯、加州理工学院教授基普·索恩和巴里·巴里什,以表彰他们构思和设计了引力波天文台LIGO,并对直接探测引力波做出的杰出贡献。

近两年,连续捕捉到引力波可能是天文学界最大的成果之一,它验证了广义相对论,将人类对时空深层法则的认识推向了新的高度。但可能很多人不知道,这背后隐藏着一场典型的“天文算力极限试探”。

探测引力波的LIGO,全称是“激光干涉引力波天文台”,这种设备是由两条4公里长的手臂组成的L型仪器,可以测量万分之一个质子直径尺度上的变化,堪称人类精度最高的仪器之一。其捕捉到引力波经过地球时,会通知全球的天文机构一起观测。在2014年4月的观测中,LIGO极短速度通知了1000多家天文机构,调动70多台大型天文望远镜对1.2万光年外进行了观测,堪称天文界的全球狂欢。

但是这样的“一夜狂欢”后,首先留下的是难以想象的,需要用大型计算机验证数年的数据量。某种程度上来说,我们今天正在等待天文学界对引力波的解析,就是在耐心等候人类算力的瓶颈。

更著名的案例,大概是不久前刷屏的“黑洞照片”。为了拍摄这张照片,相关团队从2019-09-21起,用8座射电望远镜连续进行了数天的联合观测。这直接产生了4PB的数据,用了两年时间才解析完成。

在解析天文数据进程中,处在瓶颈中的不仅是算力,还有智能解析能力。几年前,美国宇航局NASA提出了前沿发展实验室FDL系列计划。其中重要组成部分,是用深度学习技术来解析回传的月球图像。如今NASA有大量卫星、探月车、空间站向地球回传月球数据。数据量多到了人类已经无法完成处理,所以转而希望借助AI来完成对月球的认知探索。

神话里是嫦娥奔月,现实里是AI探月。

从HC,到未来

不难看出,今天人类认识宇宙进程中,却迫切需要的新技术、新工具就是算力与智能。

纵观整个人类天文史,或许可以得出这样的结论:每一次人类透视宇宙的伟大进化,都得益于这一时代人类最擅长、最自豪的技术创造。天文学的进化,始终是不断向其他学科借用理论工具与技术工具的过程。

而20世纪末到21世纪,人类最伟大的发明是信息技术与电子计算。这个工具的“天文化”,当然是今天人类用来看透天上宫阙的最新一双“技术之眼”。

用于窥探浩渺宇宙的算力与智能之眼,需要我们等待很久吗?这里或许可以做个剧透。探测宇宙“新的工具”并不在遥远的未来,而就在5天之后,Philip Diamond,国际组织SKA(平方公里阵列射电望远镜)总干事将来到2019华为全联接大会现场,与我们一起揭晓宇宙探索的最新“技术之眼”;它也不像过去数百年一样诞生于欧美,而是就来自中国这片勇于仰望星空的土地上——2019年华为全联接大会,正在酝酿某个跟探索宇宙相关的东西。

是什么呢?让我们保持好奇,先期待一下——数千年历史证明,好奇心,是能让人类在宇宙面前,显得不那么渺小的东西。

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