我们凭什么预测未来?

摘要: 站在巨人的肩膀上你才能看得更远

11-12 22:23 首页 中科院物理所

哈勃太空望远镜于1990年4月发射升空以来,它不断地在拓宽我们的视野。但是,哈勃太空望远镜的运行并不是从一开始就是一帆风顺的。在发射升空后,哈勃太空望远镜传回来的图片有严重的问题,画质全是模糊的。问题主要源自于主镜的形状被磨错了,虽然看起来只有微不足道的差异,却能造成灾难性的球面像差。


○ 图一:哈勃太空望远镜经过修复的前后拍摄图片对比。


在那段期间,哈勃太空望远镜成了各大媒体争相嘲笑的对象。为了挽回声誉,NASA很快就成功地对望远镜进行了维修和升级(这是一个复杂且艰难的过程,详情可以参考这里。在那之后,从行星到恒星,从星云到星系,哈勃太空望远镜拍摄到的图片不仅惊艳了所有人,而且极大的推动了天文学的发展。


通常,天文学家运用哈勃太空望远镜来观测某个特定已知的天体。如果你想要研究某颗恒星或星系,那么只要把望远镜对准它进行观测就可以了。但是,有一个人的出现,打破了这个局面。他就是Robert Williams,在1993年成为了哈勃太空望远镜的主任。Williams做了一个大胆且富有争议的决定,准备把哈勃太空望远镜对准一片没有任何已知存在的恒星、星系或物质的空白区域。


我们在尝试做的事情恰恰相反,我们要把望远镜对准从未被观测过的天空区域。 —— Robert Williams


1995年12月开始,在为期11天的观测时间后,得到的结果就是“哈勃深空”,这张图片彻底地改变了我们的宇宙观:


○ 图二:哈勃深空,包含了上千个新发现的星系。| 图片来源:R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA


尽管有许多的天文学家担心这次观测对于宝贵的观测时间的来说完全是一种浪费,不会有任何的东西出现,但是理论天体物理学家却深信哈勃望远镜将会观测到深空天体。他们知道凭借哈勃望远镜的观测能力将能看到多少深空天体,以及他们的亮度又会是多少。这张经典图片出现的超过3000个星系确认了我们的宇宙图景。


宇宙大爆炸、广义相对论、大尺度结构的形成和宇宙的恒星形成历史都和我们所观测到的一致。


而这些都在意料之中。这并非是意外的发现,也不是运气好,又或是仅仅是种巧合。这一切都归功于高质量的理论工作,使我们在进行任何观测之前就已经猜到了结果。而这也是理论科学能力最强之处:对我们完全不熟悉的情况下应该看到、遇到或体验到的事情进行预测当所有其他途径都行不通,而偏偏我们又成功地做到这一点时,都是因为已经有几代科学家兢兢业业搭建起的科学框架。


如果你发现自己处在一个或许没人曾遇到过的新境地,要知道的是你并不是完全处于黑暗之中。只要你懂得一些支配这个宇宙万物的基本法则,只要你能识别系统中重要的相关的力,你就有机会成功地突出困境的重围,并了解你的系统将会如何运行。我们首次发现合并的黑洞时就对其发出的信号做出了正确的预测,这都是基于我们对广义相对论以及旋进质量的物理行为的理解,尽管之前我们从未见过这样的信号。


当我们要在前所未有高的能量下让高能粒子发生碰撞时,我们确切地知道碰撞过程中会产生的一切,如横截面,散射振幅,分支比和衰变产物。如果出现任何偏差,那就是新物理学、新粒子、或标准模型扩展的证据。大型强子对撞机能执行这样复杂的科学实验,且扩展我们对宇宙的了解的原因,并不仅是因为我们能在惊人的高能下将粒子撞在一起;而是因为我们理解这些粒子背后的物理,及其它们在不同能量下的相互作用,从而推断出它们在未知领域下的状态。当新的东西出现时,我们已做好准备面对了。


这不仅适用于物理学,也适用于任何科学里的情况。如果你能正确地识别出支配系统的重要法则,并为其设定正确的初始条件,那么你应该可以预测系统在任何情况下会表现出的行为,即使这一情形是你之前从未遇到过的。它还适用于化学、生物学、大气科学,地质学以及许多物理科学、生命科学的分支学科,有时甚至还可用于社会科学。这些重要的时刻就发生在当理论模型中忽略了某一重要的相关效果,导致你的预测与实际发生的情况表现不一致时。


在科学上,不知道一切并不意味着我们已知的没有意义,这与其他许多事情一样。相反,一个理论若是没能准确地预测在特定情况会发生的事,往往是可以突破现有理解的一个预示,它为未来打开了一扇可能创建更好模型的大门。我们已有的知识为预测未知提供了坚实的基础。如果你想知道将来会发生什么,那么求助于最好的科学理论所做出的预测,会是迄今为止人类探索到的最佳途径。


来源:原理



编辑:太阳骑士07


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