作為一門沒辦法做實驗的科學，天文學憑什麼讓人相信它的理論是對的？和過去認為的天文學總是在革命、在推翻不同，它其實是一門最「保守」的科學：總是在拉攏其他模型為自己的模型說話。所以，天文學家們其實都不喜歡單打獨鬥，反而更愛「打群架」……

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為自由撰稿人、天文學傳播者高爽演講實錄：

大家好，我是高爽，我曾經在國家天文台和北京師範大學做天文學的研究。但是現在我成為了一名全職的科普工作者，進行科學傳播的工作。

那您可能就要問了，我為什麼離開了科研崗位，全身心地去做科普了呢？

這是因為在我看來，公眾對天文學的誤會實在是太深了，我管它叫做「刻板印象」。

天文學——「無用之學」？

說到天文學，可能首先會想到颳風下雨、陰陽五行、星座迷信、算命占卜、親密關係等等。

對不起，這些跟天文學一點兒關係都沒有。

你可能還會想到外星人。外星人跟天文學有關係，但是現在還沒發現。

那天文學是幹嘛的呢？

天文學研究的是我們這個宇宙本身。我們要研究地球和月亮如何形成，太陽係為什麼九大行星變成了八個，銀河系裡面還有多少個恆星像太陽這樣發光發熱，宇宙里還有多少個像銀河系這樣星系，宇宙如何誕生、如何演化成今天這個樣子，還有沒有像地球這樣適合生命存在的行星、有多少、它們在哪。

你看所有這些問題聽上去都是特別高大上的問題，也就是不接地氣的問題。

什麼叫不接地氣呢？就是天文學所研究的所有這些課題都跟咱們生活沒有什麼關係。

天文學這麼看起來，他是純粹的「無用之學」，他好像只能滿足我們一點好奇心，而且他滿足的還是很少一部分人的一點點好奇心。

天文學沒有辦法幫國王和將軍攻城略地，不可能讓農作物更好的生長，不能幫豬馬牛羊更快的繁殖，他也不可能讓鐵路提速，讓房價下降，更不可能促進商品銷售。

就是這樣一個「無用之學」發展到今天，它靠的是什麼呢？

天文學——最不像科學的科學

天文學最奇怪的地方在於它是最不像科學的科學。

咱們提到科學這個概念，頭腦當中會浮現什麼印象呢？可能是一個頭髮也白了、鬍子也白了、眉毛也白了、穿個白大褂的人，在一塵不染的實驗室裡面做實驗。

的確，科學跟實驗密不可分。就是因為有實驗的存在，讓科學和胡說八道分成兩件事。

物理科學怎麼研究呢？它當然要做實驗，它在實驗室裡面可能靠電路、靠小車對撞或者靠雷射來做實驗，還有地下的更大幅度的對撞機、加速器，這都是物理實驗。

化學更不用說了，試管燒杯裡面各種試劑兌到一塊兒，對吧？

生命科學怎麼研究呢？解剖兔子、老鼠，在顯微鏡下面觀察細胞、病毒或者細菌，這都是做實驗。

地質科學怎麼研究呢？要到野外去，甚至到南極去找一塊石頭回來做實驗。

唯獨天文學它同樣是基礎的自然科學，但是它不能做實驗。

你不可能跑到太陽附近切一刀，取一小塊太陽回來分析一下。你也不可能在咱們地下建一個大實驗室，然後一拍開關就生產出一個黑洞，製造出一個星系，甚至弄一個宇宙2.0。

這都是不可能實現的事兒。

天文學家是最保守的一群人

天文學作為科學，卻不能做實驗，憑什麼讓你相信它的理論就是對的？

或者我換一個問法：天文學通過什麼方式讓它自己站得住腳，讓它能自圓其說？

靠天文學獨特的思維方式，也就是天文學家獨特的思維方式；靠這些理論、模型之間相互商量。

怎麼商量呢？

我舉個例子。比如咱們說到天文學、說到宇宙，你可能知道一個名詞兒，叫宇宙大爆炸。我們的宇宙起源於一次大爆炸，現在還在繼續膨脹。

最早提出這個概念的人是一百多年前的比利時天文學家勒梅特。

勒梅特除了是天文學家以外，他的第二職業是基督教的神職人員，是一位神父。他一邊研究天文，還一邊跟人傳教，那問題就嚴重了啊。所以在科學界大家都懷疑他，都不相信他。

「你看你勒梅特啊，你非說宇宙起源於一次大爆炸，那宇宙有個起點，宇宙竟然有開始的那一天。那宇宙開始那一天之前的時間和空間呢，你是想留給上帝嗎？」

他被質疑不是科學家，怎麼辦？這就是一個擺在勒梅特這位天文學家面前的實際挑戰。

他的辦法就是用模型跟其它模型來建立聯繫。

第一步，從廣義相對論推導出宇宙大爆炸的結論。但是提出廣義相對論的愛因斯坦就不相信這個結論，他覺得寧願承認自己錯了，修改修改那個公式，也得避免宇宙大爆炸這個結論。

如果到這兒就完了，那宇宙大爆炸充其量只能算一種科學假設、假想、假說，還得繼續商量、繼續建立聯繫。

第二環，這個時候有一位天文學家叫愛德文·哈勃，他用望遠鏡去觀測遙遠的星系時發現了一個重要結論，即大量的星系全都在往遠處跑、在遠離我們，而且計算結果顯示星系離得越遠，往遠處跑的就越快。

如果現在星系是在往遠處跑，要是把時間倒推回去，那就是星系在逐漸靠近。如果時間倒推回到某一個起點，那所有的東西就都聚到一個點上，聚成一團了，這不就是宇宙大爆炸、宇宙膨脹嘛。

說到這兒要稍微解釋一下：宇宙大爆炸不僅僅是與哈勃觀測的模型建立了聯繫，還嵌入了光譜的紅移模型和特殊恆星亮度變化的模型。

哈勃怎麼觀測呢？用望遠鏡是不能直接看出來一個星系在跑的，而是觀測到它的光譜譜線整體上朝著紅色、也就是長波那端位移，偏移的越多，速度越快。

那怎麼知道距離遠近呢？測量宇宙里某些特殊的恆星。這種恆星的亮度是有規律的，所以我們就能知道它是更遠還是更近一些。

所以宇宙大爆炸理論背後跟著一群模型，但是還沒完。

有了宇宙大爆炸這個模型，我們可以預言恆星到底是什麼時候開始形成的，恆星裡邊有什麼樣的化學成分，於是它又嵌套了恆星結構的模型。

如果有了宇宙爆炸，大爆炸一瞬間的能量現在去哪兒了呢？是不是留下了什麼遺蹟？所以它又嵌套的一些熱輻射的模型、宇宙微波背景輻射的模型。

說到這兒可能聽出一點意思了。宇宙大爆炸這樣一個全新的事物、一種被質疑的模型，它要想站得住腳，就拉攏了一大堆模型替它說話，這就是天文學家的工作方式。

簡單概括一下，其實天文學不是靠提出一個全新的、沒聽說過的、革命性的東西來打敗別人，而是儘可能地把自己嵌套到那些傳統的事物當中去，這也是天文學的一種基本特徵。

所有的天文學家都不喜歡單打獨鬥，我們喜歡打群架、喜歡抱團取暖。

那由此我們也推導出一個結論，天文學不是我們過去刻板印象的那種總是在革命、在推翻，它反而是最保守的科學，天文學家是最保守的一群人。

超出想像的天文學

說過了天文學這麼大的困難，還有別的困難嗎？當然有，這才剛剛開始。

除了不能做實驗，天文學的尺度太大了，不是一般的大，他的尺度遠遠超過了我們人自身的生活經驗能夠理解的尺度。

前幾年聽說過這麼一個笑話：有一個小學老師給同學們留了一個家庭作業，可能是為了鍛鍊孩子的耐心，讓學生回家跟爸爸媽媽一起數一億顆大米，然後拿個小塑料袋兒裝進去，第二天帶到學校來完成作業。

有的家長細心算了一下就崩潰了。一億粒大米是什麼意思呢？把附近超市的大米買空都不夠，這怎麼交作業呀。

這個笑話說明一個問題，就是我們在生活當中遇到這種極大尺度的東西時根本沒有概念，根本不知道它意味著什麼。

咱們先說個時間尺度的例子。

有一顆很著名的彗星，叫哈雷彗星，為什麼叫這個名字呢？是因為最早由天文學家哈雷發現它是周期性的彗星，過一段時間之後就會回來。

哈雷彗星上次回來是在一九八六年，所以我很多的同事、同學、老師都在那個時候看到過哈雷彗星，這也成為這一代天文學家點燃夢想的時候。

哈雷是怎麼知道這顆彗星會七十六年回來一次的呢？他沒看見，他靠的是猜。

他發現歷史上有兩次彗星的記錄，覺得這兩顆彗星的描述很像，所以就猜測兩顆彗星有沒有可能就是一顆彗星，隔了七十六年又回來了呢？

如果猜得對，那我們就再等這麼長時間，它不就又回來了嗎？

大家就等啊等啊等，可惜哈雷本人沒有等到這一天就離開了這個世界。這才七十六年呀，人的一生就耗盡了。

宇宙有更大的時間尺度，怎麼辦呢？

舉個例子，從去年冬天開始，天文愛好者很關注獵戶座左上角肩膀上的一顆恆星，顏色很紅，體積巨大，我們叫做紅超巨星。

為什麼這麼大、這麼紅呢？因為它已經走到了生命的終點，很快、即將、馬上就要超新星爆發，一爆炸就死掉了，就消失了，獵戶座就少一個肩膀。

天文學家說的很快、即將、馬上，從幾千年到幾十萬年都算馬上、都算立即、都算即將，所以天文愛好者可以放心，這顆星星明年肯定還能看得見。

這就是時間尺度已經遠遠沒有辦法用我們人的理解去理解了。

除了時間尺度，還有空間尺度、能量尺度。

宇宙可觀測的範圍超過九百億光年；太陽一個微不足道的小噴發釋放的能量就超過地球上所有武器的能量總和。

天文學尺度太大，一定會阻礙我們更深刻、更直覺地去理解它。

天文學家的終極武器——想像力

天文學獲取信息的渠道太有限了。

我們剛才說了不能做實驗，又不能製造另一個宇宙，所以我們只能被動地看。

拿啥看呢，拿望遠鏡看，望遠鏡看的是光，所以天文學長時間的發展就靠一件事，就是接收到那幾個光子。

最近可以看到一點點引力波，可以看到一點點中微子了，但是很少很少，絕大部分還是靠光。

那就有個問題，如果你想關心的那個事兒根本就不發光，或者它發的光現在還沒來得及被你看見，這對於天文學家來說一籌莫展，沒有辦法馬上接收到它的信息。

所以對天文學家來說，觀測到的那一點點數據、那一點點光子太珍貴了，怎麼辦？

天文學家解決這個問題靠的是想像力這樣一個終極武器。

你可能會說：「高老師，你沒開玩笑吧。科學啊，咱們今天研究的是嚴肅的科學，你說終極武器是想像力？」

沒錯，我想起一個故事。我讀大學的時候，旁邊宿舍住了一個也是學天文的同班同學，那天晚上我到他宿舍去串門，他正在床上縫被子，沒注意到我在旁邊站著。我就聽到了他自言自語說的內容，我一直記到現在，他每扎一針就說又一個宇宙、又一個宇宙、又一個宇宙。

後來我這個同學成了國家天文台專門研究宇宙學的研究員，做了非常傑出的成果。

這是天文學家的想像力呀。他覺得在某個微觀的尺度這一針下去可能會創造一個新的宇宙出來。

再舉個例子。大概在一百年以前，有一部非常著名的科幻小說叫《世界大戰》，寫的是火星人和地球人之間的戰爭，後來還被拍成了電影。

2007年這個電影被史匹柏翻拍的時候，天文學對火星有了更深刻的認識，知道火星上現在不適合生命存在，不會有那種長八隻腳的巨大怪獸出現了。所以翻拍的電影就改成了火星只是火星人的一個基地，火星人從更遙遠的地方來。

另外還有漫威動畫裡面會大量提到平行宇宙這樣的概念。

隨著天文學的發展，我們的想像力必須跟上，必須發展。

再舉一個例子，人類好不容易了解了引力是怎麼回事兒，在引力作用下軌道怎麼轉。

但是去觀測遙遠星系的時候，發現那個星系周圍的恆星圍著星系轉的狀態不對勁兒，照這麼轉下去，速度太快了，它應該飛開，應該散架。

事實上沒散架，說明那個星系裡面還藏著一些我們看不見的東西，它提供引力把大家給包裹住了。

怎麼解釋這件事兒呢？開動想像力。天文學家就為了這件事想像了一個概念叫暗物質。這裡得解釋一下，暗物質只是今天天文學主流的模型，還是有很多人不相信的，有另外的方式來解釋我剛才說的那件事兒。

我們好不容易適應了這個暗物質的想像，反正也不知道它是什麼，你也看不見，對它的本質一無所知，就適應了吧，接受了吧。

前兩年，又發現兩個星系不含暗物質，這咋辦？所以未來的發現會再刺激出我們什麼新的想像，我今天也不知道。

再說一個例子，我今天穿的這件衣服上畫了九大行星，寫著「當我是孩子的時候，我們還有九顆大行星」，但今天已經是八顆了。這是一件懷舊的衣服，也是一件暴露年齡的衣服。

在人類還沒有望遠鏡的時候，我們只知道五顆行星：金木水火土，後來發現九顆行星。但是很快我們又發現原來冥王星旁邊還有好多可能比冥王星還大的星體。

我們對行星的認識要更正，我們要重新想像太陽系行星意味著什麼，我們把它變成了八大行星。

很有可能未來某一天我們又有了新的觀測、新的發現、新的現象，我們的想像力必須進一步升級換代。我不知道未來這件衣服又會變成什麼樣子。

所以天文學就是這麼奇怪。如果人類要想繼續突破想像力，最好學天文學，因為天文學提供了最大的試驗場，我相信沒有人會否認天文學的研究對象是最龐大的吧。

如果你探索的腳步不想停下來，那天文學就是最吸引你的目的地。

「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。

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