计算如何感知天文？一位顶级科学家的科研科普之路

2007 年，在澳洲东南部的帕克斯天文台（Parkes Observatory），天文学家马修·贝尔斯（Matthew Bailes）教授刚刚申请到这座天文台中射电望远镜的额外使用权限，他即将度过人生中最漫长也是最紧张的 90 个小时，因为就在几天之前，同样是在帕克斯天文台，来自西弗吉尼亚大学的研究人员在检查过往的观测数据档案时，有了一个很不寻常的发现。

那是一个异常耀眼且急促的射电脉冲信号，它拥有惊人的亮度，在射电波段上转瞬即逝，如烟火在漆黑的夜空中瞬间的璀璨爆发，后来的天文学家证明，这个信号在一闪即逝间爆发出了太阳 1 到 10 年的辐射总能量。这个强烈的信号令人联想起科幻小说《三体》中，地外文明发给人类的那串急促的讯息。它来自于哪里？起初，研究人员按照惯例认为它一定来自银河系内部，但通过数据分析，它的来源被判定为数十亿光年之外的宇宙深处——甚至比三体世界所处的半人马座 α 星还要远上一亿倍。

这个判断让刚加入发现团队的马修·贝尔斯一度激动到睡不着。“我非常希望能够再花 90 个小时用望远镜瞄准信号出现的方向，观测它是否会再次出现”，马修向我们讲述道，“我既希望它再次出现，这样我就可以进一步研究它，但另一方面，我又希望它不要重复，来证明它确实是一次爆炸或者一种全新的现象。”然而在 90 个小时的观测过后，什么都没有发生，甚至在梳理了接下来一周的信号之后，他和团队成员也没能找到任何有价值的发现，但马修或许没有想到，这个彼时方兴未艾，后来被称为快速射电暴（Fast Radio Bursts，FRB）的信号，后来在射电天文学界引起了持续至今的震颤。

11 月 7 日，杭州，这座被称为中国科创新高地的城市在岁末依然蓬勃而忙碌，恰逢之江实验室主办的计算天文（杭州）国际会议期间，来自澳大利亚、法国、德国、日本、中国等五个国家的 300 余名天文界学者到访杭州，共话智能计算和天文学如何实现更好的融合发展，以推动科学发现和技术创新，FRB 也是其中讨论的热点话题。在会议间隙，马修·贝尔斯接受了我们的采访，我们从宇宙中神秘的信号聊开去，聊到人类揭秘 FRB 的最新进展，儿时的科学启蒙以及他持之以恒的科普事业。

在那漫长的 90 个小时过去后，甚至此后的几年间，第二个类似的信号迟迟没有现身，“但这并不意味着它不曾出现，只是我们可能没有捕捉到。”马修说道，在耐心地检索帕克斯望远镜的巡天数据后，他再次发现了 4 次爆发的数据，“我们在《科学》杂志上发表了一篇论文，将这类信号正式命名为“宇宙距离上的快速射电暴”，在论文的摘要中，他特别点明了 FRB 在帮助人类“称量宇宙”方面的巨大潜力。“那时我们知道一个新的天文学领域诞生了。”时隔多年后的 2023 年，包括马修·贝尔斯、邓肯•洛里默、莫拉•迈克劳克林在内的首个 FRB 发现团队终于收获了享有“东方诺贝尔奖”之称的邵逸夫天文奖。

随着全世界大量射电望远镜的拔地而起，搜寻其他 FRB 信号的国际竞赛开始了。“在澳大利亚，我们开发了名为 ASKAP 的射电望远镜阵列，它非常擅长发现快速射电暴，同时也能分辨出它们来自哪个星系，最近，我们得到了政府的拨款来升级这个仪器，它每年能够找到大约 50 到 100 次 FRB，并识别它们的宿主星系，这将有助于称量宇宙。”马修介绍道，“在美国，则设置了一个叫做深度天气阵列（DSA）的射电望远镜阵列，它与 ASKAP 的作用相似；而’中国天眼（FAST）’是复现 FRB 最好的跟踪和研究仪器，如果你将它指向 FRB 发生过的方向，会得到惊人的丰富信息量，并取得大量突破。”

随着现代天文学步入了“计算感知宇宙”的新纪元，更多新技术被运用到 FRB 的观测与研究中，“人类在第一次使用计算机对脉冲星的调查中发现了双星脉冲星，这一发现获得了诺贝尔物理学奖，尽管以今天的标准来看，这是一台非常原始的计算机，但它带来了巨大的进步，所以科学家有责任使用现有的最佳工具来加速研究。”马修说道，智能计算同样在他的 FRB 探测工作中发挥着不可替代的作用：“我们最新的发现 FRB 的项目每秒钟必须处理一万亿比特的信息，而在以前这个数字只有几百万，数据量在飞涨，事实已经证明，比起大脑，人类的科研进步更受机器计算能力的限制。”

对于马修来说，使用前沿技术不意味着对于科技的完全依赖，在计算天文国际会议上，神经网络和机器学习被用来加速天文学家发现之路的话题令他印象深刻。“这些工具目前变得非常强大，但是我想，过度使用它们是否会让天文学家丧失一些基本的专业技能？”他发出了自己的疑问。“我认为好的科学家会对现象和数据保有一种难以解释的直觉，然后也许还有一台电脑的帮助。现在，我不知道是希望机器能够进化出更好的直觉，还是为人类天文学家在未来仍有存在的价值而感到庆幸。”他感叹。

是什么引发了 FRB？这至今是一个谜，从恒星的碰撞到过度活跃的磁星，天文学家们展开了一系列的猜想，在媒体的报道中，FRB 一度被传为来自遥远外星文明的广播，事实上，在现代天文学确立以来，人类从未停止过寻找外星智慧的努力，而马修本人也是突破倾听基金会 （Breakthrough Listen Foundation）的科学顾问，“突破倾听”计划是一个耗资一亿美元的天文观测和分析项目，它实时扫描着天空，寻找着“技术签名（Techno Signatures）”，也就是其他技术文明存在的证据。

“你相信地外文明的存在吗？”我们想知道他对于这种推测的看法，于是问道。“我的一些朋友们甚至把一生都奉献给了寻找所谓的技术签名，不过迄今为止还没有任何有价值的发现。”他停顿了一下继续说道：“但我认为外星文明存在的可能性很大，不过我们之间的交流和进一步的互访非常难，所以我从不相信任何外星人来访的事。”不过，用今天的技术把信号传送到最近的恒星已经成为了可能，“所以或许可以传输一个非常窄频率的信号，它只占光谱的很小一部分，在那里发出的无线电波看起来会很像快速射电爆发，这就是我想传送给其他文明的信号，我希望他们也正在研究 FRB。”他笑着说道。

马修对宇宙的热爱始于儿时，“在客厅里，挂着我的纸板登月舱，我的小学同学还给我起了一个‘教授’的昵称。”他在邵奖自传中这样写道。六岁的时候，他电视前见证了人类历史上的首次登月，“我们家为此买了第一台电视机，它是黑白的，不过对当时我们家来说已是一笔不菲的开销。”他说道，他至今记得妈妈过来让他坐下来看人类进入太空登陆月球的兴奋时刻，“从那时起，人类的太空竞赛开始了。”

进入高中，马修对物理学科表现出高涨的兴趣，他阅读科学史，尤其喜欢看爱因斯坦的思想实验，后来，一位在大学主修物理的表兄为他打开了科学事业的大门。但是马修依然亲身体会到公众获取科学信息的途径实际非常有限，也因此并没有在长大后一帆风顺地步入科研的轨道，“部分原因是我的家庭并没有很高的教育水平，这导致我想成为一名科学家，却不知道如何去做。”他坦诚的说。

在认真考虑是否要真正成为一名科学家时，深夜的国家广播频道上播放着的《宇宙》系列片唤醒了他，这部纪录片由著名的天文科普大师卡尔·萨根（Carl Sagan）编导，“卡尔介绍了天文科学史和研究宇宙的科学方法，还在片中幻想了一艘虚拟的宇宙飞船，使用 80 年代时最简单的计算机图形来表现天体的样子。”他还对一部名为《超时空接触》的电影情有独钟：“你知道，它也是由卡尔·萨根的小说改编而来的，所以当我还是大学生的时候，卡尔就是我的英雄。”对于专业天文学家来说，卡尔·萨根是一个要么爱，要么恨的对象，“很显然，我属于爱他的那群人。”马修笑着说道。

在 1998 年，马修进入了墨尔本的斯威本科技大学，这是一座刚刚起步的年轻学校，有人问他是否愿意在这里建立一个新的研究中心，“我说我愿意，前提是公众科普将会成为中心的主要目标，因为我喜欢和大家讨论太空。”他的科普事业从此起步。在过去十年间，由他创办斯威本天体物理和超级计算中心制作了三部 Imax 电影，其中一部讲述射电天文学，名为《隐藏的宇宙（ Hidden universe）》的影片一度在澳洲纪录片票房排行中榜上有名。也许是个巧合，当马修决定在科普领域更进一步的时候，他自然地联想到到了卡尔幻想中的宇宙飞船：“卡尔用他的工具成功说服我成为了一名科学家，那么我也可以用我的工具来说服别人，传递科学。”

“向公众解释我们的科学的关键是可视化”，他说道。很快，马修决定制作一个将高深的天文物理概念转化为动画影像的工具，它采用物理定律，用计算机模拟出天体运行轨道，他将其命名为“爱因斯坦的虚拟宇宙之旅 （A Virtual Tour of Einstein's Universe）”。“有一群人负责将它打造得与真实的天体世界别无二致。”他介绍道，“天文学家会用计算机来模拟我们所观测到的天体物理现象；同时有一位艺术家将这些物体设计得很漂亮，当然，我们还有专职程序员来写这个软件，然后就可以把这个程序用于我的演讲展示。”

事实证明，马修做出了一个颇具先见之明的尝试——现代科学必须借由艺术实现自身更好的传播。就在计算天文（杭州）国际会议上，由全球智能 IP 开发公司 Openverse 策划，中国“天眼”首席科学家担任科学总顾问的“望二十八”（Seeing 28）海报展，成为了此次创新型“策展式会议”的一大亮点，展览名称呼应着自战国开始古籍中对于“二十八星宿”的叙述，现代射电望远镜的观测成果与中国古人的肉眼观测记录被转化为颇具国风美学的画面，互为呼应，并置展出。

“这个工具的神奇之处远不止于此”，马修继续介绍道“我们还有另一名编程工程师负责展示星星在太空中的分布。”马修说道，“这意味着你可以加载出十万颗星星，毫不费力地绕着它们飞行，就像乘坐着卡尔·萨根的想象中的飞船，这就是我的目的——让大家了解天文物理的方式要比挥一挥手还要容易。”就在采访的前一夜，“爱因斯坦的虚拟宇宙之旅”在之江实验室的科普讲座上向数百名来自杭州高校的学生展示了原恒星盘的形成和脉冲星的高速旋转，“在过去的几周里，我一直用它来进行公众演讲，这真的是一种解释科学的非常简单的方式。”

正如《三体》电视剧中所展现的：从 20 世纪八十年代的寻呼台，到如今的移动通讯都对射电天文观测项目造成了难以忽视的干扰，甚至不少临近城市的射电天文台因此变成了“聋子的耳朵”，马修想做的另一件事正是建造可以屏蔽干扰的仪器来保护射电天文学研究。“所以，你用来通讯的手机，它会导致我们的射电望远镜无法正常工作。”他指了指放在桌子上的手机说道，因为与 FRB 相比，移动通讯在望远镜上显示的“音量”非常大。“不过理论上，有可能制造一种仪器来将人造信号与宇宙信号分离开，所以我想开发工具来实现它，这样我们就可以永远研究宇宙。”他继续说道。

“从一开始你说有很多来自天空的信息我们尚无法破解，到你认为成为一名伟大的科学家需要某种对现象数据的直觉，你真的会相信有一个至高无上的神主宰着宇宙吗？”我们向他发问，“这是一个深刻的问题，但我不相信任何神圣的存在影响着我的生活。”马修说道，“但我确实认同，是宇宙中的物理学导致了人类智慧以及思考这些问题的能力。如果改变质子的质量，电子的质量，或者原子之间的力，可以很容易地创造一个不能诞生生命的宇宙，这从哲学的角度看非常有趣。而我们现在生活在一个支持原子结构的宇宙中，正是这些东西会让像你我这样的人进行这些深奥的对话。”他最后说道。

随着整个电磁波谱，从无线电波到珈玛射线一一都被用来观测宇宙，天文学在过去五十年经历了巨大的进步及发展，无数像马修·贝尔斯这样优秀的天文学家持之以恒地将宇宙的帷幕徐徐拉开，试图揭示它隐藏最深的奥秘，而如同智能计算这样的革新技术与天文学的结合正在帮助加速着这个进程。如果要为人类对宇宙的好奇心和卖力地探索找到一个浪漫而颇具因果色彩的缘由，那就是：我们本来就是宇宙演化的造物，从血液中的铁到构成骨骼的钙，组成我们生命的所有元素都来自太空，向宇宙进发，是为神奇的诞生而感叹，也是一趟归家的旅途。