你想預測未來嗎？
【博科園-科學科普】1993年哈勃太空望遠鏡剛剛得到維修和升級，最終拍攝了它所設計的令人難以置信的圖像。從行星到恆星，再到星雲和星系，最終宇宙最深處的秘密正屈從於我們新發現的觀測能力。
在海豚座中Zw II 96是一個星系合併的例子，它位於大約5億光年之外。恆星的形成，新造恆星的數量，超新星的爆發速度以及最終形成的橢圓星系的最終狀態都是可以預測的，這要歸功於我們科學建立的理論框架。圖片版權：NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)
然而有一個巨大的邊界被預言存在，但從未被探索過：遙遠的宇宙超越了任何望遠鏡能所見的範圍。一項雄心勃勃的計劃試圖將一片空白的區域——一個沒有已知恆星、星系或物質的天空連續多日拍攝，在一個非常有爭議的決定中，望遠鏡的主任在1995年12月觀測到的情況下將11天的觀測時間給了這個提議。結果「哈勃深場」徹底改變了我們對宇宙的看法。
最初的哈勃深場，在深空的深域中發現了數以千計的新星系。圖片版權：R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA
儘管許多天文學家擔心這將完全浪費寶貴的觀測時間，在這幅圖像中沒有任何東西會顯示出來，理論天體物理學家知道這些物體一定在那裡。他們知道應該有多豐富，有多少人應該出現在哈勃望遠鏡的觀察能力上。當幾乎所有的星系都顯示超過3000個星系出現在這個經典的圖像中，證實並驗證了我們的宇宙圖像。大爆炸，廣義相對論，大尺度結構的形成以及宇宙的恆星形成史都與我們所看到的一致。
就像人類在宇宙中所看到的那樣，在宇宙大爆炸後的幾億年後，我們仍然知道最初的恆星和星系應該在那之前就已經存在了。我們的宇宙大爆炸，廣義相對論，結構形成的種子以及更多的都形成了一幅連貫的圖畫，告訴我們還沒有開始。圖片版權：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
這一點也不奇怪！這也不是偶然的，好運的或者僅僅是巧合。由於一些非常高質量的理論工作，我們清楚地知道在做觀測之前應該看到什麼。這是理論科學的最大力量：預測我們在完全不熟悉的情況下應該看到什麼，遇到什麼或經歷什麼。我們之所以能成功地做到這一點，是因為其他所有的途徑都失敗了，原因是由於科學框架的建立，這是由於科學家們的工作已經提前完成的。
兩個黑洞合併的例子，與LIGO所見的質量相當。儘管引力波已經被預測了將近一個世紀，而合併黑洞的理論卻提供了人類能夠首次探測到的最強信號，我們完全依賴於理論工作，在第一個信號之前對信號進行建模。圖片版權：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project
如果你發現自己處於一種新的情況，也許沒有人曾經去過，你也不是完全處於黑暗之中。只要你能掌握宇宙的基本規律，只要你能識別出系統中重要的、相關的力量，你就有機會成功地穿過這些未知並了解系統的運行方式。當我們第一次探測到黑洞合併的時候，我們對廣義相對論的認識以及我們對靈感的理解是如何讓我們成功地預測出信號會是什麼樣子的，儘管我們以前從未見過。
從第一對探測到的引力波信號，LIGO原始數據和理論模板在如何匹配上是不可思議的。圖片版權：B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)
當我們在從未達到的能量中碰撞高能粒子時，我們確切地知道碰撞中產生的所有東西的橫截面、散射振幅、分支比和衰變產物，如果有任何偏差那就是新物理粒子或標準模型的擴展的證據。我們之所以能夠進行如此複雜的科學實驗，並在大型強子對撞機上了解宇宙，並不僅僅是因為我們在如此高能量的環境下進行了猛烈的撞擊;這是因為我們理解這些粒子的物理規律以及它們在各種能量中的相互作用，並能推斷出未知的狀態，當有新事物出現時就準備好了。
在 CMS 的 di 光子 (γγ) 通道中發現希格斯玻色子, 在理論上的曲線上的 "凹凸" (在黃色/綠色) 中展示了顯示新粒子存在的數據。
這不僅適用於物理學也適用於任何科學情況。如果你能夠正確地識別管理系統的重要法律和規則，並正確地建模您的初始條件應該能夠預測您的系統在遇到的任何情況下的行為，即使這是你以前從未遇到過的情況。這適用於化學、生物學、大氣科學、地質學以及許多其他物理、生命和甚至社會科學的分支。只有當一個重要的、相關的影響被排除在你的理論模型之外時，你的預測才會與實際發生的事情相一致。
理論預測往往只有在錯誤的假設前提下才會失敗。在2008年金融危機之後，艾倫·格林斯潘(Alan Greenspan)指出了他失敗的假設，他說：我犯了一個錯誤，假定組織的自我利益，特別是銀行和其他機構是這樣的，他們最好能夠保護自己的股東和公司的權益。圖片來源:馬克·威爾遜/蓋蒂圖片社。
在科學上就像在所有的事情中一樣，不知道所有的事情並不意味著我們已經知道的東西是沒有任何意義的。相反一個理論不能準確地預測在特定情況下會發生什麼，這通常是推進我們理解的一個徵兆，在未來我們將為創造一個更好的模型打開大門。我們已經知道的是重要的，充實的，並為預測接下來會發生什麼提供了基礎。如果你想知道未來會發生什麼，展望我們最好的科學理論的預測是人類迄今為止發現的最成功的途徑，它只會從這裡變得更好！
作者：Ethan Siegel（天體物理學家）
來自：Forbes science
編譯：中子星
審校：博科園
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