天文学是最美丽的“无用”之学 科学人

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本文整理自科学人线上沙龙分享会——天文学有什么用？

怎样带爱的人看一场流星雨？

古代的“夜观星象”和现代天文学研究有何不同？

如何真切的感受到宇宙之美?

听到“引力波”、“暗物质”不再一脸懵逼？
……
科学人上周邀请到两位天文学者与大家共同分享天文学方向的知识。

高爽，北京师范大学天文系讲师热爱天文学，反对法西斯，自由人引导人民，冥王星不是大行星


最“奇葩”的学科


天文学有什么用？我在上课学期开了一门叫“天文学史”的课程，在这门课上我一直和学生们探讨着天文学的发展历程。谈及天文学，我首先声明天文学是一个奇葩的学科。在天文学中，我们至少能看到三种很矛盾的情况。


第一种矛盾是，有天文系的学校不多，且天文系规模很小，但天文学所研究的领域却是最大的，我们聚焦于空间和时间，宇宙和星河。第二种矛盾，很多人对天文学感兴趣，很想了解，但很少有人把天文学能够作为自己的专业和职业。第三种矛盾，天文学涉及到很多数理等基础知识，但同时，恰恰在探讨天文学时，我们会发现很多的伪科学在里面，混淆视听。

这到底是为什么呢？

经常在问答的一些网站上，我会收到一些问题，比如“白羊男和射手女在一起是怎样的一种体验?” 我的回答是，呵呵……


我们可以看到，天文学很容易被大家所关注，但我们真的了解天文学么，了解背后真正的科学知识么？先自我安利下，我的一本书，《天文之书》这本书用250个词条讲述了天文学史上250个里程碑一样的事件。也欢迎大家关注我的微信公众号“我们是星尘”。



说到天文学有什么用，我们自然的会和其他学科进行比较：


联合国所定义的6大自然科学基础学科，数理化天地生，这6门学科中，我们都能直接给数理化地生找到直接的用途，但天文学呢？真的是用来算命和找对象（误

说到找对象呢，本次活动的主持人Steed老师就是受益于此。在日全食下求婚，我也是非常激动，作为一个天文人，天文学能有这样的用途我是非常自豪的。我们现在开始从头开始梳理下，在天文学刚刚兴起时，人们是如何学习和使用这门科学的呢？


好奇、宗教、生活


第一种起源：满足人类的好奇心

从历史的角度来说天文学的起源，第一种起源：天文学是为了满足人类的好奇心，对于好奇心的追求和满足是所有科学起源的一个重要因素，这一点和其他学科的起源相同。但天文学又不同于其他科学，有着独到的思维方式，有着自身的性格。最初人类对天文学的探索就是为了解释问题，天上到底有什么东西？日出日落那些规律到底是什么？一切探索，都是为了满足那份纯粹的好奇心。在古希腊，天文学包括数学都是有至高无上的地位的，但当时人们只注意的是，这个圆的面积是否是可以计算的，但圆周率小数点后取到几，当时的人们是不关心的。谁在关心圆周率小数点后取到几呢，古希腊人认为这是下等人才需要这些，而研究学术的高等阶级人士，是不需要了解这些的。我经常会问国内外的天文学家，为什么选择做天文学作为自己的工作，大部人都表示是因为好奇，因为小时候就对窗外的这片星空充满了好奇。

第二种起源：为政治和宗教服务

在今天，我们说一门科学为政治和宗教服务，你一定会觉得很荒诞。但在古代，这一点是至关重要的。举一个例子，很多人是天蝎座，天蝎座最亮的那颗星中文名叫心宿二，通用名叫天蝎座α，这颗星是大红色的，红彤彤的。中国的古人在上古时期，就发现每当傍晚黄昏的时候，如果天蝎座在东方地平线上上升，这个时刻特别适合进行农业生产。我们想象一下，在五千年前，没有天气预报，没有科学种田，我们特别依赖于风调雨顺，粮食怎样种的好是关系到整个民族的大事。所有农业活动在播种之前要做的事情是烧田，把荒芜的杂草除尽，烧后的杂草会形成草木灰，是非常好的肥料。所以如果我们在黄昏时，发现天蝎座这颗亮星，就提醒我们应该烧田了，所以古人就相信这里面存在着某种暗示，并且这颗星还是大红色的，所以我们又给其起名为大火星。假如在一个部落中，有一个人他善于观测这些，掌握了这种规律，这个人就拥有了权威，如果你想吃饱饭把粮食种好，你就要服从于这个人，所以懂得观测大火星的人就有了至高无上的地位，所有人都成了他的脑残粉，更大的范围内他就成了王。



上图右侧的为圭表，圭表是中国古代根据日影长度变化测定季节、划分四季和推算历法的工具。圭表由“圭”和“表”组成，表是一根垂直立于地面的杆或柱；圭是地面一根垂直于立杆或立柱的水平标尺，指向正北。夏至时，太阳最高，那天中午圭表的影子就是最短的指向北边。什么样的人才能掌握权威呢，他一定是能够修建出高大的天文台来观测大火星，并能够修建圭表。古人并用这样的方式制定出首都所在地，权威者规定在某地圭表的影子才能达到要求长度，所以把该地作为首都。

第三种起源：为了生产与生活

我们要搞清楚昼夜怎样交替，四季如何轮回，这直接决定了动植物的生长，不只是种粮食，人类还有摄取动物蛋白的需要，也需要了解动物的生长周期。这些都需要天文学的知识，来了解太阳的变化，星座的变化，这些都直接的影响着我们的生活。甚至很多古人会利用天文学来研究气象，比如什么时候刮风下雨，地震暴雪，虽然很多在我们现在看来是不科学的，但那时古人相信这是有某种神奇的联系的。

天文学因为这三个动机而起源，在西方经过古希腊古罗马到中世纪到阿拉伯到文艺复兴，一步一步，天文学变成了我们现在所看到的西方科学的样子。那么，天文学在人类发展历程中又起到了什么样的作用呢？


探索世界的本源


很多人感兴趣于天文学，是由于天文学能够树立一些世界观。首先，天文学能够帮助我们探索世界的本源，我们存在的世界本质是如何的。还有就是在三观上去定义外部的边界，人们会设想世界是否有边界，对我们人类的影响又是如何。大家在看大刘的《三体》会发现里面经常有这样的故事，在天文学上的一些重大发现会影响人类的宗教和三观，让有些人失去或重拾生活的勇气。

其次，天文学让我们知晓了更为精准的时间。人类对时间的概念是不精准的，很难理性的，需要外界环境，需要天文学的观测来帮助我们。在历史上，阿拉伯这个民族对时间非常敏感，在伊斯兰教教义中要求穆斯林一昼夜要进行５次礼拜，这５次礼拜有严格的时间规定，时间不能错过，次数不能缺少，这就要求穆斯林对时间十分敏感。在古代，判定时间其实就是判定太阳的位置，穆斯林能够准确的定位太阳的位置，也给整个人类时间的定位带来帮助。



在朝拜中朝拜者面对的方向也十分有讲究，穆斯林礼拜必须要面向圣城麦加的方向，面向天房所在的方向（上图图右）。但当你并不是居住在麦加附近时，怎样判断麦加的方位？这同样也是天文学所要解决的课题，需要知道麦加的位置，我现在此时此刻的位置，我的面向方向。

我们可以用天文学的知识来计算一颗小行星的轨道，当然也可以计算人造卫星的轨道。第三，天文学的另一个作用就是定轨，随着天体力学的蓬勃发展，天文学帮助我们确定了大行星的位置。如果我们要从地球到月亮上去，就需要通过天文学知识来计算什么样的轨道距离最短，耗损能量最少。包括发卫星，扔炮弹，都是天体力学发展出来的，是天文学的一个很好的应用。

最后，天文学还有一个作用就是占卜。通俗的说，占卜就是算命，但算谁就不一定了。占卜从古巴比伦时期就出现了，伴随着天文学一起发展，而随着东西方发展不同，占卜和天文学的发展慢慢开始走向不同的方向。我们今天很感兴趣的星座，就属于西方的占星学，占星学比较关心的是个人性格个人命运，所以我们给其起名为命理占星术。而中国的占卜就很不一样了，中国很少进行个人的占卜，多是关系国家命运的占卜，比如皇帝是否要驾崩了，打仗能不能打赢，有没有全国性的自然灾害出现，所以起名为军国占星术。比如水星凌日、金星凌日，（当水星运行至地球和太阳之间，如果三者能够连成直线，便会产生水星凌日现象，金星凌日同理。）把太阳挡住，这在占星术中都不是什么好事。

当然最坏的事还是和天蝎座有关系，火星呢在西方被视作战神，而在中国古代被视为混乱之星，叫做荧惑。代表混乱，代表瘟疫，代表不安逸。如果火星出现在天蝎座的大火星附近，我们叫做心宿，火星如果在心宿附近出现停留一段时间甚至逆行，这个天相叫做荧惑守心。发生荧惑守心意味着短时间内皇帝要驾崩的。我们不展开说历史上人们是怎么应对荧惑守心这样的天象，有趣的是在今年的上半年，短短的两三个月的时间先后发生了日全食，大黑子，水星凌日，荧惑守心这些天象，当然这些现象什么也不代表。我们今天知道占卜是不靠谱的，在科学是站不住脚的，人类总是过于自大，认为我们人类的活动和整个宇宙有关系。


最美丽的“无用”之学


以上所说的是天文学在历史上的各种作用，有些作用对我们人类的发展有着重要的意义，而有些作用在今天看来伪科学是不正确的。随着天文学的发展，到了近代出现了新的分支，叫天体物理学。



天体物理学诞生前，我们只是用望远镜去研究太阳的东升西落等等，但天体物理学的出现打开了新的世界。知名物理学家古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫和化学家罗伯特·威廉·本生一同创立光谱化学分析法，我们开始用光谱来分析不同星体的化学成分，不再单纯用肉眼来观测其外观。比如我们在不同波段下观测太阳，见下图：



下图还是太阳，是太阳的光谱，把太阳光分解成不同颜色后，就是这张图看到的这样。



天文学关心的事情好像离我们越来越远了，我们关心银河系，关系宇宙有多少星系，关心宇宙的年龄，关心宇宙中还有没有像地球一样的行星，上面有没有生命的存在。

我们都知道在生物进化上，地球曾经出现过好几次大灭绝，每一次灭绝让90左右的物种消失，之后再出现新的物种，这里面发生了什么。有一位学者做了一个研究，他认为太阳以前并不在现在的位置，而是在银河系更靠近中间的位置，在太阳慢慢移动的过程中，穿越一些星云，让太阳系变得不太稳定。就会有特别多的彗星，小行星撞击地球，历史上的７次大灭绝可能与太阳的这些移动有关系。



所以天文学到底有没有用？似乎看起来和我们的生活没有太大的关联，但其实天文学往往是和生活有着深层次的联系。天文学本身自己关心的有自己的力量和价值，不需要借助别的应用别的技术来抬高自己的价值。

今天的天文学，其实越来越像一个纯粹的无用之学，它因为深刻，它因为在解决更深层次的问题而没有用，它因为无用所以能够轻松解决深刻的问题不背负技术的包袱，因为无用而变得特别的美丽。我们喜欢天文学，源于对宇宙的好奇，我们更好奇更深处，最远方，好奇宇宙的终点，未知的景象。天文学是最美丽的无用之学。


陈学雷：国家天文台科学家心怀宇宙天地宽
首先，很赞同高爽老师的观点。谈到天文学有什么用，就随便举出几个例子来证明，这完全没有说到天文学的本质，展现天文学的美好。读《庄子》时，有一个故事让我很受启发。有一些人讽刺庄子，说你有一颗大树，树是很大，但是它弯弯曲曲又有什么用？庄子回答：直的树呢被砍掉，留下了弯弯曲曲的树，你在下面乘凉这不是很好么。我记得我刚读到庄子这一段的时候，我不是很认可，在树下乘凉是什么值得炫耀的用处呢？但有了一些人生体验后，我才明白，有的时候你过于追求有用，你会做一些当时看起来有用但最后其实毫无意义的事情。反过来不应该抱着功利的态度去看待一个事物，包括天文学，这样下来反而你的所作所为，意义才是最大的。对于科学来说，我们不能说今天要发卫星我们来研究下天文学，明天要打井，我们要研究下地质学，这样的话整个科学界都会是混乱的。

高爽：有学者发现，研究一窝蚂蚁，好多蚂蚁都在忙活，而有几只很懒散似乎不干什么正事。学者就研究这些懒蚂蚁到底是怎么回事，当把全部懒蚂蚁合并在一起时，他们开始有了分工，开始做事。为什么总是有一些懒蚂蚁，原来是蚂蚁长期进化知道，全部的蚂蚁都在找食物，工作，总有一天食物会被吃完。那些懒蚂蚁不是在为着今天的工作而忙碌，他们在为明天，未来而忙碌着。


精彩答疑


科学人网友：请问对于非专业人士，有什么能够特别推荐的天文学书籍？

高爽：我先解释下，因为天文学的发展非常快，所以我建议大家不要局限于哪一本书，我建议大家去多看些天文学方面的杂志，比如《天文爱好者》、《博物》、《中国国家天文》等等，这些杂志会很及时的更新一些新的消息，天文学研究的新进展。

陈学雷：我推荐两本书，国外作者基普·索恩的两本书，一本是《黑洞与时间弯曲》还有一本是《<星际穿越>的科学》这两本书我认为是非常精彩的科普书。另外我还想推荐我的好朋友卢昌海博士的一本书，《那颗星星不在星图上：寻找太阳系的疆界》。

科学人网友：在光污染的城市里有什么方法能获得更好的观星体验？

Steed：城市里确实光污染比较严重。推荐大家最好离开城市，到郊外一些光害比较小的地方。只要你离开市中心五六十公里，都是可以观星的，包括银河这种比较暗的天体都可以看得到了。

科学人网友：话说，漠河真的可以看见极光么？国内有机会看得见极光的地方会在哪里呢？

高爽：首先允许我吐槽下，黑龙江省漠河县宣传部对外公布说，他们要在夏至这一天搞一个极光节，欢迎大家都去那里看极光。这简直就是科学的闹剧。首先我们要知道极光是什么，什么时候才能看到极光？我们要在冬天，在北极极夜的时候才能看到极光。极光是围绕这地球的磁极周围的，而不是地理的北极，而磁极偏向于美洲，美国加拿大那边。所以到冰岛，到北欧，到加拿大看到极光的几率会更高些。当然在漠河看到极光的几率也是有的，但一定是要在冬天看，而不是夏至。

Steed：我补充一下，因为地理位置的关系，北半球的磁极是偏向于西半球的，我们中国的地理位置是很不利于看极光的，除非太阳活动有大的爆发，比如极光的活动指数超过8、9甚至10。但在我国的北方地区还是有机会看到很微弱的极光的。比如我知道北京天文馆的朱进老师在新疆北部曾经看到过极光，但也非常微弱的极光。所以如果大家想看极光，还是推荐大家去北欧，阿拉斯加，冰岛等地区去看极光。当然南半球有些地方也是可以看极光的，比如说澳大利亚的最南端，新西兰南岛的南端，在中国看极光确实机会比较少。

科学人网友：有人认为暗物质和暗能量的概念和以太有些许相似，都有些为了解释某些问题而被假设出来的感觉，请问您对此有何看法‘？

陈学雷：确实是有相似性，今天我们认为以太是一个被抛弃的过时的概念，以太是科学史上的一个大胆的假设，但关于这个假设是不是正确的，还是有待于我们科学的进一步研究。（以太是古希腊哲学家亚里士多德所设想的一种物质，为五元素之一。19世纪的物理学家，认为它是一种曾被假想的电磁波的传播媒质。但后来的实验和理论表明，如果不假定“以太”的存在，很多物理现象可以有更为简单的解释。也就是说，没有任何观测证据表明“以太”存在，因此“以太”理论被科学界抛弃。）就我个人的理解，暗物质确实是我们现在所共识的那样，而暗能量可能还有疑惑存在。当你提出一个科学理论时，要与其他科学理论要协调，不能与其他矛盾。不能仅仅是为了解释一个事情，没有其他的预言能力，那么这个理论就没有生命力。当然也有可能，在以后的研究中我们发现暗物质和暗能量和我们现在理解的完全不同。

科学人网友：如何在夏日找出天上的具体星座？

Steed：首先你要认识这些星座，所以问题转化为怎样能够很快的认识星座，现在我建议大家在你的智能手机里安装一个星图软件。安卓手机你可以下载一个谷歌星空地图，苹果手机可以安装一个starwalk。这两款软件应用起来都很方便，你把手机直接举向天空，这些软件都可以识别你现在看的这片天空中有哪些星座，很容易就在手机的指导下认识星座。在城市里你可能因为光害，看不到太完整的星空，所以还是建议你去远离城市的地方去观星。

科学人网友：平行宇宙是否是假设，它真实存在么？

陈学雷：平行宇宙呢是近年来比较流行的一个概念，这个概念有很多不同的含义。在天文上说的最多的一种，平行宇宙是我们视界以外的一种宇宙。在相对论中，光传播速度是有限的，任何时刻你收到的光有一定的范围，如果说宇宙是个很简单平直的空间，无限长的存在，虽然某一时刻你看到一个范围，随着时间推演下去，你可以看到越来越大的范围。但随着宇宙在膨胀，而且膨胀的速度有可能在不断的变化，这样从某些距离以外传播过来的光线可能永远也到达不了我们所在的这个宇宙，传播有一定的距离，而且宇宙也有可能在不断变大。这种情况下就会形成很多物理上互相之间没有联系的宇宙，就被称为平行宇宙。

特别是在有一些宇宙起源理论中，这样的平行宇宙有非常多，而且在形成的过程中，是在能量非常高的情况下形成的，在能量由高变低的过程中，因为一些偶然的因素，会有一些差异。在我们的宇宙中有质子和电子，质子要比电子质量大很多。但别的宇宙中可能就不是这样，存在着某些物理差异。

还有一种目前有争议的观点，认为在量子力学中，每一种演化的可能性都可能出现一个平行宇宙。但这个观点很难印证，存在着争议。关于平行宇宙不单纯是物理问题，也与哲学有一定的关联性。平行宇宙是不是只是假设，由定义出发，就很难验证，因为它不在我们这个宇宙了。唯一一个验证方法，我们通过对我们现在所在的宇宙的物理规律有更深层次的认识，也许有机会能够验证平行宇宙的存在。

高爽：我推荐给大家一本关于平行宇宙的书《隐藏的现实——平行宇宙是什么？》人民邮电出版社出版。书里面非常详细的科普了现在流行的几种不同的平行宇宙理论，来龙去脉说的很清楚。另外给大家分享一个故事，我在读天文系本科的时候，我是学渣，我的一个学霸朋友，我有一天去他的宿舍串门。这个同学在缝被子，他在他的被子上每扎一针就说，又一个平行宇宙诞生了。

科学人网友：到底有没有外星人的存在？

陈学雷：我个人的看法，从物理规律的普遍率来讲，肯定存在外星人，既然在地球上存在人类，同样的物理规律实用于宇宙其他星球上，是会有外星人存在的。但这就涉及到费米悖论（阐述的是对地外文明存在性的过高估计和缺少相关证据之间的矛盾），如果有外星人，他们之前有很多年的发展，有的文明早些，有的文明晚些，先发展的那些外星人是不是早就到达了我们星球，为什么我们还没遇到外星人？我想，很有可能，文明能够存在的时间或者技术发展的程度没有我们想象中那么高，这也警示我们要珍惜在地球上的时光。

另外呢，我们也一直在检测来自外星人的信号，其中一个比较有名的信号就是ＷＯＷ信号。1998年，俄亥俄州立大学一直运行硕耳射电望远镜，世界上最大和使用时间最长的用于搜索外星智慧的射电望远镜，该望远镜于1977年8月16日发现著名的WOW信号。但这个信号到底是不是外星人发过来的，还有待考证。

科学人网友：印度的古代天文学是怎样发展的？

高爽：印度的情况非常特殊，因为他在历史上有很多时期被其他文明所左右。被巴比伦影响过，古希腊影响过，自己的印度教和佛教斗争也很多，印度被称为人种博物馆，非常复杂。说到印度的天文学呢，也有过非常鼎盛的时候，在公元大概500年的时候，印度有一位著名的天文学家，阿里亚哈塔。首先他提出了地心说，比哥白尼早了很多年，并发现日月食的成因。

科学人网友：宇宙中的恒星数量如此多又是如此亮，那为什么太空还是黑的？

Steed：这是一个非常著名的问题，如果宇宙是无限的话，我们朝着任何方向去看，我们最终都会看到一颗恒星，而恒星的亮度我们知道是和太阳一样的亮的。这是一个悖论，可能的原因就是，我们这个宇宙并不是无限的，在有限的宇宙中其实我们做不到朝任何方向望去都能看到一颗恒星。

科学人网友：印度为什么是27个心宿？而中国是28个心宿？

高爽：月亮围绕地球转一圈的时间为27天到28天之间，中国古人就把天空分为28份，月亮每一晚（宿）经过天空的一个部分，因此分为28个星宿，但印度把它分成为27个星宿也是可以的。

科学人网友：十二星座是什么时候传到中国的？

高爽：很早的时候，在上古先秦时代十二星座可能就已经进入到了中国的文化体系中了。所以我们去看历史典籍的时候，韩愈说自己的月亮星座是摩羯座，苏轼说自己的太阳星座是摩羯座。而且苏轼说的非常清楚，因为政治上不得志，可能就是摩羯座导致的。苏轼后的很多文人，生活不如意，都猜测我是不是和苏轼一样是摩羯座导致的。但其实他们都不是，而苏轼是真的摩羯座。

（整理、排版：Sol_阳阳）本文图片由高爽提供

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