研究天文學的人整天在幹嘛？

序

當你見到多年不見的同學，親切地問一句：「你現在在做什麼？」的時候，如果對方深沉而羞澀地吐出一句：「我在研究天文」，通常你會經歷兩三秒無話可說的尷尬，然後不得不瞪大眼睛，由衷地讚歎一句：「好高深！」 本文旨在避免類似情景的發生，為你和天文學書獃子之間創造話題（如果你還願意和他聊天的話）。

撰文易疏序（香港大學物理系博士後）

《生活大爆炸》中的Raj就是一位天體物理學家。圖片來源：Youtube

問題1： 天文學和天體物理有什麼區別？

老實說，對於這個問題，我至今還說不出一個所以然。早年間我曾經半開玩笑地說：「天文是文，天體物理是理。」然而我後來發現，那些天文系的學生和我這個物理系天體物理專業的學生學的是一樣的課，做的是相似的課題，參加的是同一個會議，水的是同幾個期刊。更重要的是，幾乎我問過的所有天文學／天體物理學的學生、老師都對這個問題的答案莫衷一是，於是我只能說：「這個問題不重要。吶，人呢，開心就好。」

問題2：天文學在研究什麼？（你的同學心裡都在想啥？）

按照我博士導師張雙南教授的說法，地球大氣層以上的部分都歸天文學研究。如此說來的話，整個宇宙中只有極小部分是天文學家不研究的，而天文學家自己恰恰生活在他們不研究的那部分世界裡。他們還真是會找重點呢。

天文學研究的對象，按照尺度，可以分成這麼幾類：一類是和恆星相關的。包括了恆星的一生：恆星的前世——原恆星、分子雲；恆星的壯年生活——主序星；恆星的老年——巨星、行星狀星雲；恆星的「屍體」——白矮星、中子星、黑洞。每一個階段又可以衍生出無數的課題，比如八卦一些恆星和他的妻子之間的戀愛史——雙星系統，恆星的子女們——行星、小行星、彗星等，恆星的家族——星團，黑洞和恆星的互動、中子星和恆星的互動、中子星和周圍環境的互動、中子星的內部結構、恆星的內部結構......相信你已經看出來了，我可以一直寫下去。

尺度再大一點的一類，就是研究星系。如果恆星是一個人，那麼星系就是一個國家。國家的疆域裡面不僅有人、還有動植物、山川河嶽、沙漠戈壁等等豐富多彩的東西。同樣，星系裡也不止有恆星，還有緻密天體、宇宙射線、氣體、暗物質、塵埃、星系核黑洞、衛星星系等各種有意思的東西。國與國之間會發生戰爭、聯姻，星系與星系也會有碰撞、併合。如果特洛伊戰爭可以寫成《伊利亞特》的話，那麼星系之間的合并將是多麼恢弘的史詩！

有了國家，就會有國家聯盟。星系也會聚集成團，形成星系團。星系團里除了有星系之外，還有大量的暗物質和熱氣體。研究星系團里星系的形狀、星系團和星系團的碰撞，這些都是研究暗物質性質的好方法。目前為止，關於暗物質的線索，人類只有從天文學家這裡獲知。

最後，至大無外，天文學家也研究整個宇宙。研究它如何從一個點膨脹成現在這樣、宇宙如今有沒有在加速膨脹、未來宇宙會與會繼續膨脹、宇宙中的元素如何形成、宇宙中的星系如何形成.....

問題3：天文學怎麼研究？（你的同學每天都在幹啥？）

有一個成語叫「窺一斑而知全豹」，特別適合形容天文學研究，如果用更接地氣的比喻就是「盲人摸象」。因為天文研究的目標不是太大，就是太遠。人們坐在地球上，永遠都只能獲得零星的關於天體的信息，然後要根據這些信息猜出那「象」究竟長什麼樣。根據分工不同，有人負責「摸」，有人負責「猜」。那些負責摸的人就叫「觀測家」，負責猜的人就叫「理論家」。

1、觀測

觀測分很多種觀測方法。最容易想到的就是從望遠鏡里看天體的圖像，比如研究彌散星雲、星團、星系、星系團、都可以用這種方法。人去檢查身體，看皮膚就用眼睛看就好了。如果是內臟就要做B超，如果看骨頭就要X光。看天體也是這樣，你要看到同一個天體不同深度的東西，就要換用不同波段的望遠鏡。這些望遠鏡造價昂貴，有的還在太空，所以全世界的科學家們都共享他們的望遠鏡。 望遠鏡的主人會把觀測好的圖像轉換成數據，然後放在網站上供其他科學家們下載使用。所以你的天文學同學可能永遠也沒見過他所用的望遠鏡，只是每天對著電腦噼里啪啦地敲擊。

畫家筆下的伽利略。天文學家的經典形象就是在夜晚對著望遠鏡觀察天空，然而，現代的很多天文學工作者壓根就沒見過他正在用的望遠鏡。圖片來源： The Galileo Project

說到這裡有人問了，人家花了那麼多錢建好的望遠鏡，憑啥免費地給別人用數據呢？難道科學家都是雷鋒？對此我只能說，是的，科學家就是雷鋒......當然你也可以說，那些發表的成果都可以計入望遠鏡項目的成果，以此可以換取更多的項目經費。這麼說來，資助這個項目的人／政府部門是雷鋒。反正總之，科學研究這件事里，如果不加入「雷鋒」這個元素，那是解釋不通的。

哦，有點扯遠了。剛才說到看天體的圖像。有大量的天體，他們離地球太遠了，他們的圖像就是一個亮點，你就是放大再多倍，還是一個亮點，有啥可看的呢？這時候就要用別的手段去觀測了。比如看它的譜線去了解它有那些化學成分，看連續譜和偏振去了解它上面發生了哪些物理過程。還可以看它的光是如何隨時間變化的，也就是所謂的時變信息。

2、理論

這些錯綜複雜的觀測結果發表出來了，就如同一堆兇案現場勘查報告擺到了福爾摩斯的辦公桌前，他就需要解釋這一個問題：「現場究竟發生過什麼？」比如現場拍到了腳印的照片，那麼偵探如何知道這腳印的主人的身高體重呢？他可以做一個和真人比例相同的機器人模型，讓他穿上鞋在房間里走，留下腳印，然後不斷地調整機器人的身高和體重，使機器人留下的腳印儘可能地接近現場拍回來的腳印。這就是理論家的「建模」過程。與建立一個實體的假人模型不同，理論家用物理和數學的公式建立起一個虛擬的現場模型，然後調整模型的輸入參數，比如在系統里放入一個黑洞，修改黑洞的質量等等，然後計算出應該觀測到的結果。看看這個模型給出的結果和真正的觀測結果是否一致，如果不一致，則修改模型或者調整參數。後面這一步叫「擬合」。擬者，揣度也。合者，一致也。擬合即通過使預測結果和觀測結果一致來猜測。

理論家僅僅「擬合」還不夠，還要做出預言。就是說一些類似於「如果現場真的發生了我所猜測的情況，那麼你們再去現場的草叢裡應該能找到彈殼」之類的話。觀測家們覺得你的話有道理，他們就會乖乖地回到「現場」去找「彈殼」。現如今無論是建模還是擬合，一般大家都離不開計算機編程了。這一方面是因為簡單的模型已經無法解釋越來越多的數據，所以模型越來越複雜；另一方面可能是人們越來越懶，不再願意為了得到一個漂亮的解析公式去費許多周章地去做近似，湊特殊積分函數，而寧願把完整的模型丟給計算機去跑（反正計算機也不累）。但這樣做的壞處就是，人們讀你的文章時很難理解你的模型里各個成分到底如何起作用的；以及別人想重複和改進你的工作，除了自己重新編程以外就只能找你要代碼，而你一般情況下都不給，因為你想用它來發更多的文章。即使你發揚了科學界的雷鋒精神，把代碼公開了，很多情況下閱讀理解這個代碼的難度不亞於自己重新寫一個。

3、高屋建瓴的天文學家（boss）

研究生/博士後：「我今年才寫了一篇文章，我得多加努力了。」 老闆：「我今年才發了16篇文章，我得雇點更好的研究生和博後了。」 圖片來源：phdcomics.com

每個行業里都有小弟和老闆，天文學界也不例外。這裡並不只是地位和薪資的不同，而是眼界、經驗、以及隨之而來的分工不同。簡單的說：小弟之於老闆，如同計算機之於小弟。計算機可以理解它每一步的四則運算，但它不理解整個模型，或者整條光譜。同樣，小弟可能理解了這個天體，但他不理解研究這個天體對整個領域有什麼意義，他也就不會知道下一個應該去研究誰。一個老闆，手下可能既有做觀測的、又有做理論的。就像交響樂團里的指揮，他可以小提琴拉得生疏了，長笛完全不會吹，這都沒關係，重要的是一定要能看得懂總譜，並且聽得出來每一個樂器有沒有演奏錯。

綜上，從事天文學研究的人每天做的事可能有：

1、觀測者：

寫觀測提案（敲電腦）-處理數據（敲電腦）-發郵件（敲電腦）-寫文章（敲電腦）-看文章-聽報告-作報告

2、理論：

讀文章-讀教科書-推導公式-討論-編程（敲電腦）-寫文章（敲電腦）-作報告-聽報告

3、boss：

開會-開會-開會-看文章-發郵件-發郵件-開會-......

問題4：天文學研究有什麼用？（你的同學有前途嗎？）

這個問題可以分成兩方面來談。一是天文學研究本身對人類社會有什麼用；二是從事天文學研究的人能做什麼樣的工作。

對於第一個問題，已經是老生常談了。人類從事的任何一項活動都是對慾望的滿足。農業是滿足食慾、工商業是滿足物慾、國家和軍隊滿足安全生活的慾望；科學研究也不例外，是滿足人類的求知慾。人們滿足了前幾種慾望，自然就會追求後面的慾望。

從事天文學研究的人能做什麼樣的工作？如果留在學術界，最終的目標就變成一個科研boss，指揮著自己的團隊去滿足自己和全人類的求知慾；優秀的科研人員如果想離開學術界，以他們的英文、計算機、數學、邏輯思維和表達能力（和學歷），他們可以進入任何行業成為可怕的競爭對手。他們唯一弱點就是對學術界的眷戀和對自己夢想的不舍。

本文作者：易疏序是《環球科學》資深譯者和老朋友，中科院高能物理研究所粒子天體物理學博士，目前在香港大學物理系做博士後研究，研究雙星系統。易博士偶爾給我球寫寫文章，如果有問題想問他，可以在下面留言。

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