诺奖大热的天文学，中国如何分一杯羹？

*以下根据高山书院与荔枝播客联合制作播出的播客栏目《科学相对论》节选整理而成，经老师审核后公开发布。

全文字数 | 3036字

阅读时间 | 7分钟（高效速读，可选1分钟精华版）

本期主播

	蔡峥 清华大学天文系副教授 哈勃冠名博士后学者 纪录电影《大学》被记录者之一
	程巍William 高山书院2019级学员 火箭派航天 达尔文细胞创始人 深潜技潜极限运动员 登山运动员，2017年登顶珠峰 美国FAA飞行员

* 注：全文共2篇，本文为第1篇

天体物理是人类发现新自然规律的重要手段。观测手段在探索中起了非常重要的作用，为什么哈勃能发现宇宙膨胀，发现河外星系？一个重要原因是哈勃当时所在的威尔逊山拥有当时世界上最大的望远镜。包括后来引力波的发现，也是因为观测设备有了一次又一次新的突破。很多天文学突破取决于我们是否拥有先进的观测设备。

在最近大火的科学纪录电影《大学》中，蔡峥老师是被记录的主角之一。他正在积极为中国建设一个世界领先的宽视场光谱巡天望远镜。

在未来10年，欧美发展的世界主流望远镜大概有两个方向，一个是广域巡天望远镜，它是二维成像；一个是精测型望远镜，视场比较小，盯着一个点狂拍，主要拍光谱，它带来的信息相当于把二维平面变成了三维立体图。在这两个方向上，欧美已经在布局，即使我们再做也很难有竞争优势。

我们发现了一个欧美过去没有涉足过的望远镜参数空间：如果望远镜口径在6米以上、视场大于5平方度，一次曝光就可以捕捉到上万个天体的光谱。也就是宽视场光谱巡天望远镜，最后呈现“点面体”的联合，共同发现宇宙的新规律。未来一旦成功，就能与欧美望远镜形成协同互补效应。如果这个机会抓不住，落于人后，我们就很难做到世界领先水平。

William：

新一期《科学相对论》，我们请到了清华大学天文系副教授、哈勃冠名博士后学者——蔡峥老师。他也是现在很火热的高分纪录片《大学》的被记录者之一，目前正在积极建设一个世界领先的宽视场光谱巡天望远镜。

您有一个非常有意思的头衔，什么是“哈勃冠名博士后学者”？

蔡峥：

哈勃学者是美国国家航空航天局（NASA）冠名的一个项目，它面向全世界博士毕业三年之内的天文学家，每年评选出10-15名优秀学者给予基金支持。拿到这个之后，哈勃学者相当于自带研究基金，可以在美国任何一个大学做研究，所以深受大学的欢迎。

美国著名的太空望远镜也叫哈勃，其实都来源于一个人——爱德文·哈勃。

他是观测宇宙学的开山鼻祖，对天文学的贡献很大：一是发现了河外星系，也就是宇宙中存在很多和银河系类似的星系；二是他发现离得越远的星系就会以越快的速度远离我们，它们的光谱谱线发生红移，由此证实了宇宙并不是静态的，而是在不断地膨胀。爱因斯坦在和他交谈后认为自己的宇宙观都被改变了。

哈勃虽然没有获得诺贝尔奖，但他应该可以被称为“无冕之王”，就像爱因斯坦并没有因为相对论而获得诺贝尔奖一样，他们的发现在当时太超前了！

后来，美国把最大的巡天望远镜命名为哈勃望远镜，冠名了哈勃学者奖金，用来鼓励年轻一代的天文学者们。

William：

在我看来，早期天文学脱胎于物理学，像牛顿、哥白尼是天文学家同时也是物理学家。从什么时候开始，天文学开始成为一个独立的学科？

蔡峥：

天文学中最重要的一个分支是天体物理学，但是天体物理学到底是从谁开始的，还存在争论。

我认为牛顿应该是伟大的先驱之一，他从理论物理学的角度，用第一原理解释了开普勒三定律，行星为什么运动等现象；

基尔霍夫应该也是先驱之一，他开创了光谱学，提出了光谱分析法，他从光谱里发现，太阳的化学元素跟地球上的某些元素是一样的，这也是天体物理学的开端之一。

天文学历史其实比天体物理学的历史要长得多，它几乎可以追溯到人类诞生那一刻起。

天文学在很早时候就应用于导航定位、计算山体高度、测量地球半径等，那时天文学与几何学关系密切。经过几千年的发展，从牛顿、基尔霍夫到现在，天文学与物理学密切联系了起来。目前有一种趋势，就是计算机技术如AI越来越多地应用于天文学研究中。

我认为天文学是人类认知自然的基本学科，从古至今一直推动着人类的发展。

William：

天文学在高速发展，我们的观测手段和工具也在发展，宇宙就像一个大试验场，我们的先进工具都将应用到其中。

蔡峥：

对。宇宙的时空尺度太大，内容太多，我们总能发现新东西。仅仅在地球上就有很多新发现，更不用说当我们把目光投向整个宇宙了。在宇宙中，任何理论都是难以想象的，一切的物理定律都可以在这个巨大的时空场中得到检验。

以太阳系为例，宇宙中有比太阳大几百倍的恒星，银河系里就有2000多亿个“太阳”，而宇宙又有2000多亿个“银河系”。以密度极大的中子星为例，若是在地球中，半个指甲盖大小的中子星质量，就需要几十艘万吨巨轮才能运载起来。

宇宙总能在这种人类无法达到的极端条件下检验定律的可靠性。在这么极端的条件下，很多定律依然遵循人类在地球上的发现，但它也一次次挑战着这些发现，激励着我们发现新的定律。

这可能是人类来源于基因的最原始的特点。我们跟动物最大的区别是什么？就是我们对未知的好奇心和探索精神。如果我们真正走在世界前列，以人类命运共同体为理念，我们一定要在人类共同关心的重大问题上，给出我们自己的解答。

William：

我非常同意您的说法。人类科学的进步实际上就是一次次发现自己渺小的过程。这是我们在认知上的进步。

您现在正在积极地参与建设宽视场光谱巡天望远镜，请您介绍下这是个什么项目，为什么要做这样一件事？

蔡峥：

实际上， 天体物理是人类发现新自然规律的重要手段。观测手段在探索中起了非常重要的作用，为什么哈勃能发现宇宙膨胀，发现河外星系？一个重要原因是哈勃当时所在的威尔逊山拥有当时世界上最大的望远镜。包括后来引力波的发现，也是因为观测设备有了一次又一次新的突破。很多天文学突破取决于我们是否拥有先进的观测设备。

为什么我们想做一个宽视场光谱巡天望远镜？我们分析在未来10年，欧美发展的世界主流望远镜大概有两个方向，一个是广域巡天望远镜，它是二维成像；一个是精测型望远镜，视场比较小，盯着一个点狂拍，主要拍光谱，它带来的信息比二维成像增加了一个维度，相当于把二维平面变成了三维立体图，并且能够揭示化学组成、动力学等信息。在这两个方向上，欧美已经在布局，即使我们再做也很难有竞争优势。

我们发现了一个欧美过去没有涉足过的望远镜参数空间：如果望远镜口径在6米以上、视场大于5平方度，一次曝光就可以捕捉到上万个天体的光谱。从点（精测）到面（成像）最后到体，就是我们在做的宽视场光谱巡天望远镜，最后呈现“点面体”的联合，共同发现宇宙的新规律。未来一旦成功，就能与欧美望远镜形成协同互补效应。

毛淑德教授曾讲过我国望远镜的现状，他讲得非常正确也非常严峻，在一些领域如天眼、LAMOST等望远镜世界领先，但中国的光学红外望远镜跟主流国家的差距还很大。

宽视场光谱巡天望远镜是我们的一次机会，是我们踮踮脚可能够到的目标，宇宙这么大，只要我们在空白参数空间深入研究，就一定能发现新规律。如果这个机会抓不住，落于人后，我们就很难做到世界领先水平。

William：

在最近大火的科学纪录电影《大学》中，您也是被记录的主角之一，讲述了您的这段故事，您能不能讲一讲这段电影经历？

纪录电影《大学》官方

蔡峥：

这部电影是献礼清华大学110年校庆的。为了这件事情，导演组提前三年就开始了筹备，选择了几个比较有代表性的清华新生、毕业生、青年教师以及退休老院士，讲述各自的故事。

他们在2018年通过清华大学人事处找到了我，当时我还在美国，正在筹备这个特别重要的项目——宽视场巡天望远镜。

关于电影，我们从构思到拍摄记录，大概用了两年多的时间，后期制作大概半年多。电影团队跟我在美国待了几个月，记录了我从美国回到中国的这段时间的经历，讲述了我们为什么要发起这个项目，以及其中遇到的无数困难等等，他们记录我，也是因为我的故事充满跌宕起伏。

纪录电影《大学》蔡峥预告片

William：

电影中有一个经典的桥段，您带着吉他，牵着拿望远镜的女儿，走在一片草地上坐下来弹吉他唱歌，叫《带你一起丢手绢》。您很喜欢音乐？喜欢什么音乐？

蔡峥：

我自己平时弹弹吉他，小时候拉手风琴。我也让我女儿学音乐学钢琴。我认为如果音乐学得好，对数字是有感觉的。我小时候受到的音乐训练让我能够判断出两个音准间隔多少数字，实际上数字的感觉可以在音乐上得到训练。

开普勒在发现天体运动规律时就是在巴赫的音乐中寻找到的灵感，所以，世界上总有些简单而合拍的旋律听起来很舒服，它是契合的。我也特别喜欢音乐，喜欢唱歌。

《带你一起丢手绢》是一首非常温暖的歌，希望给大家忙碌的生活带来一点心安。

音频剪辑 | 荔枝、向桃整理丨李嘉

编辑丨朱珍

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