天文專欄：與英皇家學院院士詹姆斯·賓尼「談天說地」

詹姆斯·賓尼（James Binney），牛津大學物理學教授，英國皇家學院院士，1975年獲在牛津大學博士學位。1981年回到牛津任教之前，賓尼院士曾在普林斯頓大學工作。他在星系動力學等方向做出了傑出貢獻，並撰寫了兩本星系天文學的經典教材《星系天文學》及《星系動力學》。

編者按：

如何評價一個人的學術貢獻？劍橋、牛津和普林斯頓的文化有何不同？銀河系的命運是什麼？外星人存在嗎？星際旅行的可能性有多大？且看《天問》專欄與英國皇家學院院士（Fellow of the Royal Society）詹姆斯·賓尼（James Binney）「談天說地」。

採訪 | 李穎

轉錄 | Anna Mao翻譯 | 錢磊責編 | 呂浩然

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

《天問》：你之前來過中國么？

賓尼：來過。2010年，我曾在北京大學科維里研究所的一個暑期學校講課；2013年，我在北京做了一個報告，並參加了在麗江舉辦的一個國際天文聯合會研討會。

《天問》：你對中國的整體印象如何？

賓尼：令人驚嘆！按照轉變的速度和程度，從任何真正意義上來講，她都不是如我們過去所認為的那樣，是一個第三世界國家。我記得我上中學的時候，午間在學校用收音機收聽關於文化大革命最新進展的新聞，很顯然，她有過非常嚴重的經濟問題。但她現在看起來非常像西方世界。不知道我這麼說，人們會不會高興，但確實是這樣的。而且，現今有那麼多中國人，這是一個可畏的事實。

《天問》：你指的是人口？

賓尼：這是我們那個時代和我子女這個時代的事實。我女兒現在在（浙江）諸暨教英語，以便提高她的中文水平。她一直在學中文，我想她是對的，她認識到在她這一代，中國會變得重要。

《天問》：學習中文？

賓尼：她和她男朋友一起學中文。是的，這很難，就像學英語對於中國人很難一樣，但是我想，或許（學中文）要更難一點，因為中文的書寫系統很難。

《天問》：你是怎麼對天文學產生興趣的？

賓尼：實際上，我並沒有（對天文學感興趣），而是對物理感興趣。我在劍橋大學的本科生學業導師（director of studies）是托尼·休伊什（Tony Hewish，1974年諾貝爾獎獲得者，譯者注）。他發現了脈衝星，但他卻是一位物理學家，戰後進入射電天文學領域。

1970年前後，射電天文學似乎是一個激動人心的領域。我在1971年畢業，這（射電天文學）看起來是應該進入的領域或者說應該前進的方向，而粒子物理學看起來陷入了死胡同：有一個問題太難解決——我完全錯了，這個問題當時正在被標準模型解決，但本科生不知道所有他們應該知道的內容，所以托尼·休伊什讓我去找丹尼斯·席艾瑪（Dennis Sciama, 圖1），他成為了我的導師。

正因如此，我可以說是一個進入了天體物理領域的物理學家，這是一個使用物理的好地方，有很多你可以研究的、有趣的問題。我（現在）仍然這麼認為，我不是天文學家，而是對天體系統感興趣的物理學家，因為這是你可以玩物理（play with physics）的地方。

圖1. 丹尼斯·席艾瑪（Dennis Sciama, 1926年11月18日-1999年12月18/19日），詹姆斯·賓尼教授以及斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、馬丁·瑞斯 （Martin Rees）的導師。

《天問》：所以，你的主要興趣是物理？

賓尼：是的，而且顯然，如果你做這顆行星上能做的物理，那麼它只是物理學的子集。宇宙中有更多的物理，那對物理學家而言是個好地方，而且顯然，這種立場，這種對天文學的思考方法已經完全成為標準，在我自己的職業生涯中尤其如此。

當我開始（研究生涯）時，天文系通常是和物理系分離的，並不是物理系的一部分。但當高能物理學家意識到宇宙學是嚴肅的高能物理學的用武之地時，情況就變了：所有物理系都必須有很強的天文研究組，而且這些研究組中不是只有幾個人；很多物理系的天文研究組是最大的研究組，這些物理系的組成完全改變了。我想，我在大學院系（university departments）的這些年間，天文和物理的關係完全改變了。

《天問》：你在劍橋獲得本科學位，又在牛津拿到了博士學位，進而在那任教。您怎麼比較這兩所學校呢？

賓尼：牛津相對而言是社會主義計劃經濟，而劍橋相對而言是資本主義自由市場經濟。換句話說，牛津有一個更集中的、更受控的系統，就像你在中國會發現的那樣；而劍橋則更隨意、更自由。我想，在零級近似上可以說是這是二者之間的不同。它們非常相似，但是在部分和整體的關係中有微妙的不同。當我剛到牛津時，我感覺有點受打擊：牛津的建築和劍橋的相比是如此死板。

《天問》：你能否簡短介紹您在星系天文學中的研究？

賓尼：我們試圖理解星系如何能存在：為什麼有星系？為什麼當你觀察宇宙時你看到的是星系，而不是無盡的恆星？這個問題與星系實際如何產生結構（structured）、如何形成、如何像機器一樣運行等問題是緊密聯繫的。如果你理解一個星系是如何形成（put together）以及如何像機器一樣運行的，那麼你也會理解它是如何組建（assembled）的。

現在，我和我的研究組正致力於理解我們自己的星系（銀河系）是如何形成（built）的。我們的星系是一部非常複雜的機器，由不同部分組成。而其中最重要的部分是我們不能直接看見的暗物質，我們只能間接探測到它。理解它如何產生結構就已經是一個難題了，而之後我們還必須理解它如何像機器一樣運行，這可以告訴我們它是如何隨時間演化的，隨後向我們闡釋它如何形成（put together）的問題。

我研究的題目是星系形成，這將我帶到了河外星系的動力學領域，我想這是我首先產生了影響的領域。在過去十年，我回過頭來研究我們自己的銀河系。不過我所有的工作都和星系以及它們如何形成有關。

《天問》：你認為有趣么？

賓尼：我成為牛津大學教員是在三十六年前，而我的第一篇文章則發表於1974年，那已經是四十三年前的事情了。所以，我寫了四十三年的文章，已經寫了數百篇。顯然，我仍然覺得這有趣。

因為，我覺得物理是美妙的。因為，通過物理研究你可以理解那些完全在人類經驗之外的事物，在巨大時空尺度上運行的事物，你可以理解它們是如何運行的。你可以計算，可以精確預測那些你能測量的事物，而且這些預測通常很好。

在現代世界中我們對技術奇蹟和科學的力量見得太多（very blasé）。驚人的是，用數學你能預測會發生什麼、某人會測量到什麼，這件事是行得通的，並且很優美！人們談論藝術，我只是覺得藝術是好的，我一點也不反對它，我也時不時去畫廊觀摩，偶爾去看戲劇，但和科學相比，藝術是沒意思的（feeble），科學要比藝術美妙得多。

《天問》：你認為星系碰撞是否有可能？

賓尼：是的，這是真實發生的。實際上，銀河系未來將會與我們最大的鄰居——仙女座星系碰撞，在大約三十億年內，兩個星系將會運動到一起。目前，我們對於這在多久之後會發生必然是有點模糊的，因為我們並不能準確知道仙女座星系垂直於我們視線方向的運動速度，但我們知道銀河系正在向仙女座星系運動，且在三十億年內二者會運動到一起，並且與其合併。

《天問》：你的意思是，我們的銀河系星系會和另外一個星系合併？

賓尼：是的，銀河系將不復存在，在短於我們星系年齡的時標內。

《天問》：那太可怕了！

賓尼：不！可能與你的想像的合併有些不同，我們星系中的一千億顆恆星會向仙女座星系下落，與仙女座星系中的一千億顆恆星混在一起，其中大約僅有一兩顆恆星會和其它恆星碰撞。這會類似一種行進隊列表演，一個單元隊列穿過另一個。但兩個星系會被完全摧毀並重構為一個新的星系，這會是一個橢圓星系，它會慢慢死去，因為新的恆星形成或多或少會停止。

《天問》：兩個臨近的星系可能會合併，那麼所有的星系最終也會合併成一個星系么？

賓尼：不會，因為宇宙膨脹足夠快，能保持星系彼此分開。但是，如果宇宙膨脹加速像超新星數據表明的那樣（我完全不確定是否如此，但科學界相信是這樣的），未來就是極端孤立（extreme isolation）的，我們本星系群的星系會聚到一起，變成一個大星系，我們將可能會變得孤立於宇宙中大部分其它星系，因為它們被推開了——在大尺度上，（由於暗能量）力是具有排斥性、而不是吸引性的，其它星系會被越來越快地推離我們，我們在觀察它們時，它們也會變得越來越紅，最終我們會和它們失去聯繫。

《天問》：你是說我們的星系？

賓尼：我們的星系還會在它原來的位置。但如果你一千億年（a hundred gigayears）後再往外看，可能會真正看到黑暗，除非你有台巨大的望遠鏡，也僅可以看到一些非常少的、非常紅的天體，除此之外基本上什麼也看不到，除了我們自己星系中的恆星。

圖2. 詹姆斯·賓尼教授撰寫的兩本經典著作《星系天文學》（左）和《星系動力學》（右），皆由普林斯頓大學出版社出版。

《天問》：你寫了很多本書，其中一些成為了大學教科書，比如《星系天文學》和《星系動力學》。你是否把這些書看作您最偉大的成就？

賓尼：我不知道。雖然寫這些書可能耗時超過十年之久，但它們只是講述人們已經知道的知識和信息，我只是傳播而已。

而做研究則必須做出新的貢獻，我的小小願望是：我的一些研究並不是很顯然——如果沒有我，這些結果其他人並不會馬上做出（但我不知道是不是真的如此）。這涉及到如何判斷一個人的研究水平和學術貢獻的問題。首先，你是否說過正確的、之前不知道的東西？如果答案為是，進一步的判斷標準是不管你說了沒有，會不會有其他人在很短的時間內提出？如果是，那你的貢獻其實無足輕重。

但我仍希望我做的東西中的一些，如果沒有我其他人會花相當一段時間才能發現：因為這些問題人們長時間沒有關注，然後才意識到需要嚴肅對待。這些我和其他人在認識上的時間延遲使我認為這些結果並不是完全明顯的。所以雖然我寫的一些書確實有用，但我還是更希望我的一些文章有比書重要的貢獻，但我不知道是不是真的如此。

《天問》：公眾通常對「是否有外星人？」感興趣，你的意見是什麼？

賓尼：我認為地外文明顯然會遍地開花。我們的星系盤中的大多數恆星都有有行星繞行。並且，在類似太陽系這樣的行星系統中有處於橢圓軌道中的類似木星的天體，這對生命是不好的。但我們知道類似太陽的恆星有很多，在我們的星系盤中有大約一千億顆與太陽類似的恆星，所以即使它們中的1%有類似我們的行星系統（可能實際要高一些），也會有十億顆，我們的星系是我們所在宇宙區域可見的十億個類似星系中的一個，而最好的科學證據表明宇宙是無限的，我們只能看見它的一部分。

綜上所述，宇宙中必然有百億億個類似我們的行星系統。為什麼生命的出現不是一個普通過程？或許需要運氣，或許一千顆合適的行星只有一顆擁有細菌，然後是恐龍等等。（即使這樣）我們仍然留下了驚人的巨大數目。有人會問：如果這些文明存在，為什麼它們還沒有來過這裡，為什麼我們不知道他們？

這個問題，某次我和一個本科生一起思考，我們研究了在太陽系之間星際旅行的前景，遊戲規則是假設所有物理所允許的事都可以做，工程師可以非常高效。所以，如果你說我們想進行星際旅行，有足夠多的錢和合理數量的時間，我們還是有很大可能會做到，當然，除非被物理禁止。如果物理不允許，比如反引力或其它違背物理的事物，那麼無論花多少錢，也什麼都不會發生。

於是，我們坐下來想想這種情況下的星際旅行。隨後，我非常驚訝於它看起來是多麼不可能。我們認為看起來基本上被物理禁止的每件事，都有足夠的物理原因，為什麼它行不通，它令人驚奇。

我們都坐在我們的椅子上，受到重力（無論什麼物體，重力加速度g都是9.8m/s2 ）的束縛，如果你以重力加速度（g）在你的火箭里加速一年，你會達到相對論性運動，而持續兩三年，你就達到很高的相對論性運動了。其優美之處在於，相對論預言的時間膨脹或空間收縮（依賴於你怎麼看待它）使得我們和一些近鄰星系之間的距離減小。

所以，如果你能建造一顆火箭以1g或g/2加速，那麼在這顆火箭中你會非常舒服，悠閑地喝著咖啡，感覺完全正常；一兩年之內，你會發現到目的地恆星的距離會小得可以忽略：按你自己的表，你一定可以在十年之內到達那裡。這些是對星際旅行的可行性論證，聽上去沒有問題，對吧？你只需要去實施，讓工程師參與，把活兒幹了。

好，當你開始思考質-能守恆和加速過程的影響時，你可以得出結論：顯然，用現有的任何自攜燃料的火箭都無法實現。在這個過程中，你不得不被來自地球的能量束推動，隨後就有各種與衍射有關的問題產生，這些都使得星際旅行非常、非常難以實現。

即使你能加速，即使你可以被推動達到相對論性速度並在合理的時間內到達另外的恆星，你也會遇到需要減速以（實現）順利造訪的問題，你必須以加速度g減速數年。這意味著這麼做沒有希望，因為我們關於火箭原理的結論會不起作用。你可能必須通過這類能量束使你減速，這再次碰到衍射的問題。

同時可以想見：某些外星人（可能）已經以相對論性速度經過地球，拍了一些漂亮的照片，但它們不可能造訪地球。沒有我們的幫助，它們確實無法造訪。所以我認為SETI研究、尋找地外智慧生命重要，因為這些文明就在那兒，但它們不可能造訪過地球。

但這是否意味著我們永遠無法知道外星人的任何事情？不，我們會知道它們的一些事情，我們必須傾聽它們的信號，也必須發射我們的信號。我們的信號還沒有走得非常遠，也有一些人在收聽外星信號。以目前的技術來看，接收外星信號極端困難，因為設備對非常遠的信號沒有足夠的靈敏度，但我仍認為我們會在接下來數百年內和這些文明進行聯繫。

在接下來幾百年，如果我們沒有獲知其他文明的存在我才會感到非常奇怪，這甚至很有可能發生在未來五年。顯然，這對於人類可能是變革性的，但情況是，這些文明可能會在數光年之外，信號從我們傳到它們會花費數年、數十年，這意味著對話會是一個非常緩慢的過程，但仍會有對話。這要花費時間——文明不總是以建造北京的速度產生。

圖3. 詹姆斯·賓尼教授在一塊巨型黑板前講量子力學，圖片來源：牛津大學

《天問》：像《星際穿越》、《地心歷險記》這類電影中的場景又是否會發生呢？

賓尼：像《星球大戰》那樣的事不會發生。我做這個本科課題是因為我認為像《星球大戰》這種事在兩千年後的社會學中（the sociology of two thousand years forwards）缺少了一個必要的元素。因為，如果人們進行相對論性旅行，那麼他們可能會完全把時序搞亂：如果你進入這顆以1g 加速的卓越的火箭，花了十年訪問某顆近鄰恆星然後返程，你將變老二十歲，或者變老十歲，無論如何會是一個合理的數。

但地球上的人則會變老幾百歲，回到未來數百年的地球，這應該很有趣，對吧？在《星球大戰》中，他們完全沒有涉及相對論性旅行這個方面的內容，事實上，他們的飛行速度甚至比光速還快，但他們對於人們的鐘以不同速率運動沒有任何疑問。所以，我認為我們應該了解什麼樣的旅行速度可能是合理的。實際上，物理並不允許相對論性旅行，和同時性有關的事都沒有實際意義。

《天問》：回到教育方面，在你看來，教學的本質是什麼？

賓尼：我參與教學已經超過四十年，我不知道自己是否非常擅長教學（圖3和圖4），但是我感覺強烈的是用現在的知識重寫一切的重要性。我認為課程和人們教授核心物理內容的方法太傳統了，是基於歷史的。人類發展知識的速度令人困惑，自十七世紀末的科學革命（可以說始於牛津）以來，對物質世界理解的發展速度不僅快，而且還以令人畏懼的速度加速發展，我們掌握的知識如雨後春筍般出現。

有一個真正的問題：要保持這個過程一直持續下去，我們必須讓年輕人站上知識的舞台，使他們可以開始做自己的工作，在合理的時間內消除無知，到那時他們有差不多二十五歲，仍然年輕充滿活力，如果你一直堅持用過去的誤解和混亂的思考、看待事物的糟糕方式浪費他們的時間，你就無法做到這一點。

每一代人都要重新分析和重寫他們繼承下來的知識以使它們儘可能精簡而高效。這就是我嘗試做的事，但同時，科學革命的核心原理是任何事情都不應依賴於權威，每件事都應該被質疑，每個論斷都應該最終被某些實驗演示證明。所以，我相信對於教育，不能犧牲嚴謹、不能含糊和毛躁、不能把物理變成講故事是非常重要的。這是非常有紀律的，基於數學、實驗和定量論斷的不講情面類型的學科。我認為在教學的時候，更不應該偷工減料。

另一方面，你必須以最簡潔的方式寫出公式，你必須找到核心，這又是另外的事情。我的意思是，我變成物理學家，部分原因是因為我沒有很好的記憶力，我不喜歡那種你必須了解很多早期信息的學科。物理非常好，因為你需要知道的非常有限，你只需要掌握至關重要的知識點，然後由此你可以在需要的時候重構你所需要的一切。

所以教師的工作是找出重點——隨著知識增長，學生應該掌握的重點可能會變化——讓他們理解怎麼做。由這些重點，你需要開始解決一些特定問題，做一些特定的事。這是一種思維方式，由於其自身知識的原因，每一代人都要重做一遍。作為一名教師，我自己對物理的理解必然會牽涉到我的教學當中，在我教學的這些年，我的網站上有很多我長時間沒有教過的課程講義，如果我有時間和精力，我會重寫這些講義，因為我已經認為那些是垃圾：做得不好，低效，沒有好處。

《天問》：你曾在普林斯頓教過書？

賓尼：是的，但非常短暫。

《天問》：然後你又到牛津教學。你怎麼比較這兩座城市？或者說，如何看待英美之間的不同？

賓尼：普林斯頓是個很好玩的地方。它是一個非常小的鎮，完全被大學主導，我在普林斯頓的第一年，我討厭它，因為它太沉悶了。我在普林斯頓第一年沒有和任何人太熟，大西洋兩岸也存在著巨大文化差異。

在我來到普林斯頓之前，我住在德國，也暫住過瑞士，因為語言的差異，我感受到了它與英國的不同。但當我二十五歲第一次到美國時我發現，對於英國人來說，美國要比德國不同得多，因為在歐洲之內有文化相似性，有基本共識（assumptions），這在美國已經行不通了。

我還發現，沒受過良好教育的美國人甚至無法理解我說的話，當我第一次來到美國，我會問某人去某地的方向，或者我會在加油站和某人談論某事，我發現他們無法理解我的意思，即使我再次重複我的初衷，他們還是不能理解。

從某種意義上來講，這是一種奇特的恥辱：如果你試圖說德語或法語表達某事，儘管對方不理解你，你可能會理解為你沒有把德語或法語說得足夠好，你必須更努力地嘗試。但當你對一個人說自己的母語時，情況就有一些微妙的不同——辭彙有差異，就像當我想把我的衣服拿去洗的時候我會問洗衣店（the launderette），而在美國你必須問投幣機（coin-op，coin-operator），不管怎麼說，那是二十世紀70年代的情況。

美國人還非常嚴肅。我從沒覺得普林斯頓是家——在我去那裡時，我以為我會永遠待在那裡。英國在二十世紀70年代非常糟糕，這個國家似乎經濟上有點走下坡路，有災難的感覺，政府運行得不是太好，貿易聯盟讓每個人的生活變得艱難。所以在我去普林斯頓時，我想我會永遠待在美國。

但出乎意料的是，牛津有個工作職位，我得到了這個職位，我對這種回家的方式很高興，但也發現我很懷念普林斯頓，因為它在學術上是傑出的，我學到了很多。我也想念牛津的事物，儘管相比於美國的很多優質大學，它們在某些方面看起來是落伍和緩慢的。

圖4. 詹姆斯·賓尼教授在他清華大學的公共講座《了解我們的銀河系》的海報前，攝影：毛淑德，2017年3月30日。

《天問》：最後，你對可能對天文感興趣的學生有沒有什麼建議？

賓尼：學習更多的物理和更多的數學知識。對於我來說，在做物理時關鍵的事情總是思考真正發生的是什麼，並嘗試將其從數學中想像出來。你也需要掌握數學公式。學生沒有花足夠的時間想像他們嘗試討論的物理過程。

不僅如此，我確實認為，如果你想成為天文學家，你需要真正掌握物理，因為大多數天文學家其實並不是天文學家，而是天體物理學家，而且越來越是這樣（的情況），因為這些人得到了很多驚人的數據。另一方面，使得到這些數據成為可能的是那些儀器製造者，他們是物理學家或工程師。無論如何，他們不是天文學家。

另一方面，對觀測到的恆星、星系、宇宙，無論對於任何物理理解的梳理都是天體物理學的範疇，它是物理在數據分析、解釋中的應用。所以，以現今的視角來看經典天文學變成了廢話。我想說的是，對於只是經典天文學家的那些天文學家，幾無用武之地了。

註：本文系詹姆斯·賓尼於2017年3月底作為中國科學院特聘教授訪問中國期間採訪時所做。

製版編輯：呂浩然丨

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