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? 银河系，摄影：王卓骁 天体很远，而天文很近。以现如今人手一部的手机为例，其中便利的GPS导航少不了广义相对论的修正， WiFi中的一些关键技术也需归功于射电天文学家，而经常“没电”的锂电池则蕴含了宇宙大爆炸最初三分钟的遗迹。甚至，连我们自己，也来自星尘之中，毕竟人体中的诸多元素都是恒星演化和超新星爆炸的产物。对于大多数天文学家来说，探索宇宙不仅仅是一份工作，更源于大家对超脱世俗、浩瀚无垠的宇宙的热爱。 感谢《知识分子》给予我这个组织天文专栏的机会，我将继续诚邀各个领域众多优秀的天文学家参与撰写。本专栏取名“天问”，源自屈原的《楚辞》。古时，中国天文曾有过辉煌灿烂的历史，拥有世界上最完美的彗星以及超新星记录。四百多年前，随着望远镜的诞生，中国天文、科技反而逐渐落后于人，令人痛心遗憾。如今，随着一代代天文人的努力，中国天文正努力向前，走上世界舞台。未来，中国天文的崛起少不了大批新鲜血液的注入，这也是我们创办天问专栏的初衷。 本专栏将重点向公众普及天文学的各个前沿领域，包括一些科学热点跟踪、人物采访、科研笔记以及公众报告讲演稿等，争取每两周一篇。衷心希望“天问”专栏能够成为中国天文学家开展科普、推广天文的一方净土！ ——毛淑德 撰文 | 毛淑德 编辑 | 郑晓晨 ● ● ● 空气，看不见，摸不着，却关乎存亡。 学术气氛，对一个一流的研究所来说，从某种意义上讲，就如同空气之于人类的重要性一样。但学术气氛这一科研要素，却很难定量评估，不如基金项目和发表论文的多寡那么直观、定量可比，往往不得重视。 ? 图1：普林斯顿大学天体物理系 Peyton Hall：典雅的两层建筑（地上和地下各一层）。这里有我敬仰的教授和四年的美好回忆，摄于2015年7月17号。 这些年来，我访问过众多国内外研究所、天文机构，可以很明显的感觉到两种截然不同的状态，有些研究所内门庭紧闭，大家互不交流往来，沉闷感油然而生，有些则不然。拿我曾多次访问的英国剑桥大学天文研究所为例，该所在国际上享有很高的声誉，第一任所长是工作比肩诺贝尔奖的Fred Hoyle教授[1]。天文所每天上、下午各有一次茶歇，大家自发地聚集在一个开放空间进行学术讨论，其中不乏皇家学会会员[2]，那种沸沸扬扬的讨论场面足以震撼每一位访客，浓郁的学术气氛扑面而来。 我的母校普林斯顿大学天体物理系也是一个学术气氛相当浓厚的地方。1988-1992年，我在那里攻读博士学位，当时博士还是四年学制（现已改为五年）。彼时，系里不过只有15名教授，与学生总数相当。四年下来，每位教授平均指导一名学生。研究生前两年主修基础课，课程倒是不多，不过五门（恒星物理、星际间界质、星系动力学、高能天体物理、河外天文学/宇宙学）。 除此之外，每名研究生每年还需要准备两次前沿报告，分别关于理论天体物理和观测天文学。其余时间，学生们每学期将在不同导师的指导下开展研究，完成相应课题并发表。如此两年下来，学生们往往能够深入了解天文学各领域知识和进展，明确自己的兴趣与特长，从而选定合适的博士论文题目，最终完成自己的博士学业。 与英国剑桥大学天文研究所一样，普林斯顿天体物理系里每天下午三点也有个茶歇，少不了众多教授和学生的参与，大家习惯于一边惬意的喝茶，一边严谨地讨论科学问题。这些年过去，很多事很多人渐渐在脑海中淡去，唯有茶歇时的某些讨论仍令我记忆犹新，比如某次关于1987A超新星的讨论。当时，有人声称1987A超新星产生了一个周期为半秒的脉冲星信号[3]，但理论上讲，转速如此快的脉冲星不应或很难存在，因为巨大的离心力会将中子星撕地粉碎（见附录）。 大家对发表的观测结果很是困惑，茶歇时议论纷纷，系主任Jerry Ostriker教授也加入了讨论，面对大家的问询，他想也没想地回道：“应该是噪音，”他顿了顿，又补充道，“如果不是噪音，我还有三个理论解释”。有意思的是，这个所谓的“半秒脉冲星信号”，最终被证明确实是假的。 后来，Jerry在一次喝茶时调侃，称自己在《自然》杂志上发表的所有文章也都是有错误的，因为《自然》杂志往往过于追求新闻效应而缺乏足够考证，并不能盲信。喝茶时能听到教授们对那些尚无定论的课题展开激烈讨论，这一过程往往比上课还要获益良多。 ? 图2：普林斯顿幽静的研究生宿舍（graduate college，笔者摄于2017年7月） 提及Jerry Ostriker教授，他的思维敏捷、能言善辩（有人说是诡辩）在天文圈里是出了名的。我曾担任过他半年的研究助理，不时找他讨论，往往进门前坚信他的错漏，出来时却已被他说服。如此反复，最终常常难以达成共识（不过，后来的观测表明，由他提出的“BL Lac天体是由于微引力透镜效应造成的”这一理论确实不对）。犹记得第一次见到Jerry Ostriker教授是在1988年的一个秋天，我怀着忐忑不安的心情拜访他，希望可以在他的指导下开展一些课题研究。他问我：“你想做什么？”，“量子宇宙学。”我答道。他愣了足足半分钟才道：“这个比较难，除了这个，你可以在我的一百多篇文章中任意挑选一个题目”。我研读了半年文献后，选择了一个有关微波背景辐射的课题。 时值天文学家通过火箭实验发现，微波背景辐射的能谱偏离黑体辐射（见图3左），而Jerry Ostriker教授恰巧有个理论可以解释这一偏离，于是他建议我计算一下。可惜，当时我初到美国，迷上了计算机，在课题上花的时间寥寥，进展缓慢。更不幸的是，这个课题尚未完成，就在1990年被 COBE卫星发现之前的观测结果是错误的，微波背景辐射能谱明明是完美的普朗克黑体谱（见图3右）。这次并不成功的合作，有部分原因可归于科学的不可预见性，但却令我深以为憾。直到2004年，我以及另外两名天文学家终于和他一起合作完成了一篇关于引力透镜和暗物质子结构的文章，总算是了了遗憾，达成了与他合作的心愿！ ? 图3：左）Matsumoto et al. （1988）用火箭观测到的微波背景辐射能谱。其中黑点2，3明显偏离温度为2.74K（摄氏零下270.26度）的黑体辐射谱。右）COBE 卫星观测到的能谱是完美的普朗克黑体曲线；黑点为数据点，红线为普朗克曲线。 除了Jerry Ostriker 教授，系里的其他教授也都是天文界的翘楚，包括我的导师，Bohdan Paczynski 教授（我已另有撰文纪念他 [4]）、James Gunn教授、Richard Gott等。其中，James Gunn教授是天文界唯一一位能够同时兼顾理论、观测和仪器制造的全能科学家。据我所知，在仪器制造方面，他曾参与设计了Palomar天文台的双色光谱仪和哈勃望远镜上的仪器（WFPC），也正是他所制造的五色相机保证了SLOAN数字巡天计划能在2000年顺利开展。 目前，基于SLOAN数字巡天计划的文章、引文成千上万，这一计划也成为天文史上最成功的巡天计划，将在几十年内对天文学领域产生极其深远的影响。另一位教授Richard Gott对James Gunn教授的评价非常贴切, “如若末日降临，世间只剩Gunn教授一名天文学家，他也能恢复重建整个天文学”。James Gunn教授的夫人Jill Knapp也是系里的教授，且在观测方面颇有建树。我申请普林斯顿研究生时，她恰好负责系里的招生，曾警告我美国官僚主义的严重，早早的打破了我的美好幻想。他们夫妻伉俪情深，几乎每天都同时上、下班，有一次还见他们肩并肩坐在系所楼前的石阶上，仰望星空，真是无尽的浪漫！ Richard Gott也是一位颇具传奇色彩的教授。他非常健谈，且能畅聊数个小时不休，这一点曾让许多学生很是无奈。所以，如若必须见他，大家都会选择即将下班的时间点，或者提前和其他学生约好，定点‘驰援’。他是相对论和宇宙大尺度结构领域的专家，我曾有幸和他一起合作完成了一篇关于宇宙拓扑结构的论文。也正是他，与北大的李立新教授联合发现了利用宇宙弦或可实现时空穿越。 有人玩笑说，时空穿越对其他人来讲或许不可能，但Gott 不同，他是万能的上帝（Gott原为德文，有“上帝”之意）。有一次，办公楼前的一棵树被闪电击中而拦腰折断，大家调侃道：“这大概是来自上帝的警告，因为我们弄错了宇宙学。” 普林斯顿天体物理系除了这些声名赫赫的教授外，每周三还会邀请一位国际知名学者前来做学术报告（colloquium），这是拓宽知识面的宝贵机会，几乎每个教授和学生都会自发参加。高年级学长甚至曾告诫我，一定要去参加学术报告，哪怕在那里睡觉。实际上，曾被费曼在书中多次提及的天体物理系第一任系主任——大名鼎鼎的Henry Russell教授，他就是逢报告必睡的典型[5]。这一优良传统显然得到了很好的传承，据我博士生期间观察，当时的系主任Jerry Ostriker教授听报告时也几乎场场入睡，不过令人拍案称奇的是，报告一结束，他便能立马醒来提问，且问题往往犀利而正中要害。 ? 图4: 普林斯顿Nassau街上的Hoagie Haven 小店（来源：twitter.com/hoagiehaven） 学术报告之外，物理系的学生们常邀请报告人共进午餐（Wednesday Lunch，Wunch），餐点通常是采购于普林斯顿人尽皆知的小餐馆Hoagie Haven[6]中的三明治。大家不遗余力地利用午餐时间，一方面向报告人宣传自己的工作，一方面打听物理系之外的讯息。这样的餐会，我参加过多次，其中印象最深的是S.Chardrasekhar，James Binney 和 Peter Goldreich三位教授。 ? 图5：Subrahmanyan Chandrasekhar 教授 （1910.10.19-1995.8.21；照片来源：芝加哥大学） Chandrasekhar教授供职于芝加哥大学，他是Jerry Ostriker教授的导师，曾因发现白矮星的质量上限而获得1983年的诺贝尔物理学奖。据说，他授课时，曾创造了班内所有成员（李政道和杨振宁，包括他自己）都获得诺贝尔奖的“奇迹”[7]。他一生涉猎极广[8]，且工作方式奇特：某一时期只专注于一个领域的工作，解决问题发表专著后，进入下一个领域，并从此再不涉足上一个领域。 某次，Chandrasekhar教授前往普林斯顿高等研究院访问期间，两位印度研究生费了九牛二虎之力将他请来参加我们的午餐会，大家都非常激动。按照惯例，大家依次介绍自己的工作，期待他的评价，结果他仅说了一句“你们做的东西我都不清楚”，便开始重点描述他自己手头的工作，当时他正在研究牛顿的《自然哲学的数学原理》, 对牛顿推崇备至[9]。不得不说，他的言行中处处透露出一名学者的清高与孤傲，给我留下了极深的印象，他的一句话让我牢记至今—— 科学追求，永无止境（the endless pursuit of science）。 ? 图6：牛津大学James Binney 教授 （笔者摄于2017年3月30日） 另一位来自加州理工学院的Peter Goldreich教授也对我影响深远，他曾在行星形成、动力学以及脉冲星原理等方面都做出了杰出的贡献。午餐会时，他坦率地提及，科研往往会碰壁（run into a brick wall）,碰壁时也无需泄气，不过是换一个课题或改变一下研究方式，仅此而已。此后几十年漫漫科研路，我每每碰到困难时，不时忆起他的话，方能保持初心坚持至今。 我们的午餐会也曾邀请过牛津大学的James Binney教授，他撰写的《星系天文学》和《星系动力学》颇为流行，天文界几乎人手一册。James Binney教授知识面极广，午餐会时能够对每一个学生的工作做出详细评点。后来，我应邀前往牛津去参加一位博士生的毕业答辩，再次与James Binney教授相遇。英国的博士毕业答辩（viva）委员会通常由一个校外考官和一个校内考官组成。答辩前，由每个教授各自撰写评语。答辩时，学生可以在5-10分钟内做一个简短的工作总结，重点是提问环节，教授可就论文中的任何内容提问，时间不限，（往往）问到学生答不出来为止。答辩结束后，两位教授将一起撰写答辩和综合评语。 在英国，参加一位学生的博士论文答辩，从论文研读到评语撰写，往往需要花费很长的时间，报酬却很少，大约150英镑左右。相比而言，国内的答辩往往流于形式。但即便如此，还是有不少教授反映，英国的博士文凭含金量正在逐年下降。当时，我担任那位博士生的校外考官，而James Binney教授恰好是那场博士答辩的校内考官。 答辩时还发生了一个小插曲，当时我们正聊的高兴，他突然一拍脑袋，“糟了，我忘了穿学位袍（academic gown）”，立马带着我大步流星地前往他的Merton学院去取学位袍，总算是保证了答辩的合规有效。答辩时，他精力充沛，不停发问，三个小时后仍没有任何停止的迹象，我最后不得不打断他，算是解救了那位答辩的学生——Vaslily Belokurov, 现已成为剑桥大学教授。2017年3月末，James Binney教授作为中科院的国际杰出学者，应邀访问了国内多所大学及研究机构。在受邀在清华大学作报告时，快到报告时间，才见他自远处大步流星的走来，与三十年前匆忙取学位袍的他殊无二致。 前些年，我在加州理工学院偶遇了Jill Knapp教授，她对我说，“讨论才是我们天文学家必须要做的事情（all we astronomers do is talk）”，令我颇为触动，毕竟，我们这些天文人都不是急功近利的商人，平生所愿不过是能留下一些可传于世，可表于书的工作，周围良好的学术气氛，专业互补的讨论至关重要。但愿不久的未来，大多数天文研究院所、机构都能敞开大门，以开放的胸襟让每一位访客都能感受到其由内而外散发出的浓郁学术气氛，虽然，这本应是一个科研单位永葆活力的根本，却也正是跻身世界一流的关键之所在！
参考文献和注释： 1.http://en./wiki/B2FH_paper 2.Martin Rees (皇家学会前会长), Richard Ellis, Max Pettini, Andy Fabian, Robert Kennicutt 和 Donald Lynden-Bell. 3.Murdin, P. 1990, Nature, 347, 511. www.nature.com/nature/journal/v347/n6293/pdf/347511a0.pdf 4.赛先生天文，“Bohdan Paczynski教授去世十周年祭”，毛淑德 5.“If Professor Russell falls asleep -- and he will undoubtedly fall asleep -- it doesn't mean that the seminar is bad; …” 摘自费曼 “Surely, you are Joking, Mr. Feynman” 6.http://www. 7.后来发现这是个误传，其实另一位著名天天物理学家，Donald Osterbrock 其实也在班上。 8.详见 http://en./wiki/Subrahmanyan_Chandrasekhar；他的研究领域涉及：恒星结构，星系动力学，辐射转移，等离子体物理，流体和磁流体不稳定性，椭球体的平衡态（ellipsoidal figures of equilibrium），黑洞的数学理论，还有下面提到的对牛顿的研究。 9.S. Chandrasekhar, “Newton's Principia for the Common Reader” 附录： 让我们考虑一个恒星（见图），其质量为M, 半径为R，转动角频率为ω。在旋转坐标系下，处于恒星表面的粒子上将受到两个力：万有引力和离心力。为了保证脉冲星不被撕碎，则万有引力（F）必须大于离心力（F’）：F=mGM/R2 ≥ F’=mω2R ， ω=2π/T ，其中T为周期。据此，我们可得出 : 对于一个脉冲星，M≈1.4太阳质量=2.8*1030kg，R≈10km，则T≥1ms。除非质量很大，或半径很小 （这需要比较特殊的状态方程），旋转周期很难小于1毫秒。  作者简介 |
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