如何在家裡完成科學探索

科技 04-07

本文選自《天文愛好者》雜誌2017年4月號

原文作者：Thijs

翻譯：程思淼

科學工作的劃分

在古代，哲學家對他們周圍世界的各方面都進行研究。他們研究天象，創作音樂和詩歌，解剖動物，又解釋宗教文獻。例如古希臘哲學家亞里士多德就精通這些，甚至更多的領域。隨著人類知識的增長，哲學家開始分化：一些專心於人文和宗教方面，另一些則研究自然。例如，艾薩克·牛頓主要在物理學、數學、天文學和化學領域工作。阿爾伯特·愛因斯坦的工作則集中在物理學，加上一點天文學。而更多近來的諾貝爾獎得主，他們的研究領域就更要小得多了，比如宇宙學或者粒子物理。今天，無數的信息包圍著我們，研究領域也因此變得高度分化。很多「從觀測方面研究恆星形成」的天文學家如果去參加「恆星演化模型」的會議，會完全聽得一頭霧水。每個領域的研究者都需要經過多年的學習，才能在自己的專業開展前沿研究。而在未來幾十年里，專業化程度無疑只會有增無減。

愛因斯坦、牛頓和亞里士多德圖源：網路

這個超級專家的世界競爭十分激烈。兩位在同一領域工作的天文學家，各自都在這個位置有15到20年的經驗，為了可能做出的每一個發現，他們調動地球上最好的望遠鏡和超級計算機，相互展開競爭。在這樣一個競爭激烈的世界，像每位讀者這樣的業餘人士還有可能做出新的發現嗎？也許令人驚訝，但答案確實是肯定的。你可能沒有世界上最大的望遠鏡和計算機，也沒有20年的研究經驗。但你卻有世界上最珍貴的兩樣東西：熱情和時間。這兩項寶貴的資源可以為天文新發現服務：或者是一個人單幹，或者在一個團體中。

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在家裡發現超新星的Nathan 圖源：universetoday.com

專業天文學家和業餘天文學家

如果一位科學家在大學或者科學院受過某個研究領域的正式教育，並且通過研究工作得到報酬，我們就稱他們為「專業科學家」。專業天文學家的工作就是在天文學領域開展研究工作，通常也伴隨著教育的任務。而「業餘天文學家」（或稱天文愛好者）則是在業餘時間從事無薪天文工作的人。專業和業餘天文學家都對科學的進步做出貢獻。專業天文學家的巨大優勢在於擁有幾十年的教育經歷和工作經驗、研究經費以及地球上和太空中各種大型望遠鏡的觀測時間。同時，他們也是將整個生活，而不僅是業餘時間投入到研究宇宙中去的人。因此，大多數天文學新發現是由專業天文學家做出的。相比之下，業餘天文學家不可能使用哈勃太空望遠鏡，而且本身自己還有繁忙的本職工作。不過，業餘天文學家仍然可以做出重要的發現，他們不僅人數眾多，而且熱情高漲。有的業餘天文學家通過譬如持之以恆地對某顆雙星或變星進行研究，使自己成長為某些領域的專家。通過培養自己的專長，他們可以發現那些被專業天文學家略過的東西。

業餘科學家在科學的各個領域都存在著。業餘地質學家和隕石學家擁有豐富的岩石知識：一塊在我這樣的普通人看來沒什麼特別的石頭，他們能一口氣講上幾個鐘頭。業餘生物學家可以日復一日、年復一年地觀察並記錄鳥類的活動，還有的人能分辨出幾千種蝴蝶。在社會科學界，譜系學（研究家族的譜系）是西方世界裡業餘學者最活躍的領域。例如，今年春節我回家的時候參觀了家鄉的博物館，發現有人已經把我家的家譜追溯到了公元1200年。不過，在所有這些業餘科學家當中，業餘天文學家實在是人數最多也最活躍的群體。業餘天文學家活躍在全世界各個國家，他們為天文學和天體物理學的很多發現做出了自己的貢獻。

來自業餘天文學家的發現

來自業餘天文學家的發現是羅列不完的。在很多情況下，業餘天文學家是作為某個巨大項目的一部分貢獻自己力量的。比如，某顆雙星的數以千計的軌道測量數據為我們算出它的性質提供了基礎。但這數千次測量，其實是由包括專業和業餘天文學家在內的很多不同的觀測者完成的。無法指出誰是獨立的發現者。不過，來自業餘天文學家的著名發現仍然不少。

音樂家威廉·赫歇爾（William Herschel），一次偶然遇到了業餘小提琴家約翰·米歇爾（John Michell）先生。米歇爾先生是一位數學教授和地質學家，並且把天文當作愛好。他後來發表了自己對「黑星」（我們現在稱為「黑洞」）理論的研究，並且擁有一架30英寸的望遠鏡，赫歇爾在他去世後買下了它。受米歇爾先生和皇家天文學家奈維爾·馬斯克林（Nevil Maskelyne）的影響，威廉·赫歇爾開始對天文學大感興趣。次年，他以土星光環和獵戶座星雲（M42）開始了自己的巡星之旅。赫歇爾是天王星的發現者。這是人類有史以來第一次發現新的行星。赫歇爾立志把一生獻給天文工作，他現在以火星自轉、火星極冠、土星的若干衛星和天王星以及紅外線的發現者而為人所知。

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弗里德里希·威爾海姆·赫歇爾（Friedrich Wilhelm Herschel，1738-1822），德裔英國音樂家（William是Wilhelm在英語中的叫法，由於赫歇爾主要在英國活動，故一般按英語譯作「威廉·赫歇爾」）。作為一名業餘天文學家，他觀測過土星環和獵戶座星雲（M42）。後來，他追隨自己的興趣和熱情，把天文學作為終生的工作。此後他做出了很多新發現，包括一顆新行星：天王星。圖源：Wikipedia

工廠工人托馬斯·波普（Thomas Bopp）和失業的物理學家艾倫·海爾（Alen Hale）發現了最著名的彗星之一：海爾-波普彗星。這兩位業餘天文學家都是從小就對科學產生了濃厚的興趣。（對孩子們來說，科學就是恐龍和行星！我小時候就是這樣。讀者們大概也是吧^-^）1995年，他們在各自的天文愛好者俱樂部活動時，相互獨立地發現了這顆彗星。海爾-波普彗星於1997年達到近地點，它是20世紀可見的最亮的彗星。

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由托馬斯·波普和艾倫·海爾各自獨立發現的海爾波普彗星圖源：Wikipedia

修士約翰·道布森（John Dobson）發明了著名的「道布森式望遠鏡」。這是一種便攜的牛頓式反射系統。道布森於1914年生於北京，1927年移居美國。在那裡他成了一名修士和業餘天文學家，並在修道院中製作小型望遠鏡。不過他對天文的熱情太強烈了，最終不得不離開修道院。儘管很失落，但約翰·道布森終於可以自由地發揮自己的熱情。他建立了旨在促進公眾天文意識的「舊金山路邊天文人」（San Francisco Sidewalk Astronomers）協會，在路邊天文的活動中他發明了便攜又便宜的「道布森式望遠鏡」。

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各種大小的道布森式望遠鏡圖源：網路

羅伯特·歐文·伊文斯（Robert Owen Evans）是澳洲聯合教會的一位牧師。伊文斯1937年生於悉尼，從小熱愛天文。他從1955年開始搜尋超新星，至今已發現了47顆。他是目視發現超新星紀錄的保持者。伊文斯現在依然健在，並且幾乎每天觀測星空。

愛德華·哈爾巴赫（Edward Halbach，1909-2011），美國天文愛好者，對食變星感興趣。1933年他加入當地天文俱樂部，開始了觀測生涯。通過自己高質量的觀測數據，他為專業天文學家提供了很大的幫助：他為天文界貢獻了近10萬份變星觀測數據，幫助專業天文學家加深了對變星和雙星的理解。作為一名柴油機車工程師，這實在是非常了不起的成就。

喜劇演員和電影導演威爾·哈伊（Will Hay）因於1933年發現土星大白斑而著名。大白斑是土星北半球每28.5年左右出現一次的現象，它是一種原因未明的大型風暴。1933年的那次大白斑最為著名，後來包括「卡西尼號」在內的太空飛船也觀測到了幾次。

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2011年卡西尼飛船拍攝的土星大白斑圖源：NASA/JPL-Caltech/SSI

家庭婦女卡洛琳·舒梅克（Carolyn Shoemaker）和她的地質學家丈夫歐根·M·舒梅克（Eugene Shoemaker），與科學作家大衛·列維（David Levy）共同發現了舒梅克-列維9號（以及其他若干顆）彗星。1994年，舒梅克-列維9號彗星撞向木星，天文學家第一次在地球之外觀測到天體相撞。這使它成為最著名的彗星之一。

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由三位業餘天文學家發現的舒梅克-列維9號彗星於1994年與木星相撞。這是天文學家觀測到的第一次地外撞擊事件。圖中顯示的是撞擊的序幕：彗星在撞向木星之前，在潮汐作用下碎成幾塊。圖片來源：Wikipedia

格羅特·雷柏（Grote Reber，1911-2002）白天在一家無線電製造公司工作，晚上則是一名射電天文學的先驅。憑藉自己在電子工程方面的知識，他於1937年建成了自己的射電望遠鏡。這架望遠鏡已經比卡爾·央斯基（Karl Jansky）五年前開創射電天文學時的那架要先進得多了。

……

這份清單當然還可以一直開列下去，不過讀者大概已經窺得其中的樞機。這份清單中的業餘天文學家大體上可以分為兩種：1.投入了驚人的時間與熱情；2.掌握了可以用於天文學的專業知識。當然，談到發現，總會涉及運氣的因素。但在我看來，他們付出的時間、熱情和擁有的專長遠比運氣重要得多。

現時代的新型業餘天文學

直到上世紀90年代，業餘天文學幾乎就等於用小望遠鏡觀測夜空。今天，計算機和互聯網已經成為我們生活中不可或缺的一部分，業餘天文學也隨之發生了變化。除了獨自在夜裡進行觀測之外，與成千上萬的人們一起參與大項目的工作也成為可能。現在，這樣的大項目已經遍及科學的各個領域：天文學、生物學、社會科學等等。這些大項目可分成三類：

第一類：需要使用大量的計算機來解決科學問題。

要參與這類項目，你可以把項目所需的計算機程序下載到自己的電腦上。當你不在使用電腦（比如晚上睡覺）的時候，項目程序就會安靜地進行運算，然後把結果傳回去。著名的例子有SETI@Home（searching for extraterrestrialsignals in radio observations，「在射電觀測中搜尋地外信號」）以及模擬蛋白質的新醫學項目等。

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這是SETI@Home程序的一幅典型的屏幕保護視圖。在電腦上安裝這個程序，你就能協助天文學家搜尋地外智慧生命：你的電腦將在來自外太空的射電雜訊中努力找出值得注意的信號。

第二類：需要人腦進行判斷（因為在這些領域計算機還不夠聰明）。

要參與這類項目，你可以經常到項目的網站上完成在線工作，或者也可以下載應用程序到電腦或者手機上。天文學裡著名的例子是「星系動物園」（GalaxyZoo），參與者需要對「斯隆數字巡天」項目拍攝的星系進行分類。相比之下，人們更喜歡參與第一類項目，畢竟只要讓電腦在你睡覺的時候工作就好了，而不用親自握著滑鼠在屏幕前一連點擊幾個小時。因此，第二類項目有時會被做成電腦遊戲。例如，「EyeWire」就是一款由麻省理工學院用來研究腦神經科學的遊戲。最後，網站上經常會出現「請填寫您看到的文字」或者「點擊樹的圖片」之類的提示，有時候這不只是一個安全問題：你可能正在參與一項科學研究（有名的例子是Google CAPTCHA）。

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融入遊戲中的Eyewire腦神經科學研究

第三類：需要業餘人士走出家門，記錄數據，然後把數據發給項目的組織者。

在歐洲有一個著名的項目叫iNaturalist，人們把自己身邊的生物多樣性數據（如每月鳥類數量的變化等）報告給它。傳統的業餘天文學家實際上也是這樣一種項目的參與者：超新星觀測、彗星搜尋、微引力透鏡事件、雙星觀測都屬於這個範疇。另一個例子是EuroCosmics：歐洲各高校在自己的屋頂修建宇宙線探測器，以得到全歐洲聯合的宇宙線觀測數據。

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藉助微引力透鏡事件OGLE-2005-BLG-071發現一顆木星質量的行星。這是專業天文學家與業餘天文學家合作的一次完美範例。通過日夜不停地（也就是說，由全球各地的合作者接力）仔細研究一顆恆星發出的光，一個天文學家團隊得到了這次微引力透鏡事件的完美數據。因此，數據質量很高，人們也就能夠精確地確定行星的質量。沒有業餘天文學家鼎力協助，要做出這樣的發現是根本不可能的。圖片來源：The Astrophysical Journal, 628, L109

這些大項目有很多優勢。比起一名科學家在大學裡獨自承擔全部工作，現在工作可以由成千上萬的志願者來分擔。科學家並不需要一台比普通電腦快一千倍的超級計算機——幾萬名志願者家裡的電腦分擔了這項工作。以前要花上幾千個不眠之夜的星系分類工作，現在成了幾千名學生用來娛樂的遊戲。換句話說，現在開展科學研究，速度比以前更快，也更便宜了。

有的人批評這些大項目。他們認為，科學家這是在指使別人做本應由他們自己完成的工作，而一旦有了發現，科學家又獨佔全部榮譽，或者只是簡單地提到那一位正是在他電腦上做出了發現的業餘人士。另一些人警告科學家注意那些提供假數據的搗亂分子。一些環境學家提出，如果每個人都讓自己的電腦整夜整夜地工作，將會耗費大量的能源。（能源可不是「免費」的！）另一方面，擁護者則認為，這一切畢竟是為了更大的善。藉助業餘人士（和他們電腦）的力量做出更多發現，對整個世界是有益的。

想像一下，DrugDiscovery@Home項目在你的電腦上發現了治療癌症的新葯，或者SETI@Home項目在你的電腦上發現了地外文明的第一個信號！想像一下，你發現了一顆新彗星或新行星！這還不夠驚喜嗎？

去嘗試吧！宇宙是屬於你的！

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