人類(lèi)，最終，還是想看透天上宮闕

中秋節(jié)了，又到了一年中一定要抬頭看看夜空的日子。平日我們奔忙于塵世俗務(wù)，這天我們用節(jié)日和月色提醒自己，應(yīng)該去關(guān)注一下遙遠(yuǎn)的宇宙。

在賞月時(shí)，我們能看到什么？對(duì)于中國(guó)人來(lái)說(shuō)，其中有佳節(jié)的溫暖，有飄散在遠(yuǎn)方的鄉(xiāng)愁，此外，還有一絲味道——是好奇！蘇軾提醒我們“不知天上宮闕,今夕是何年”，但我們還是想知道月亮上,宇宙里，到底隱藏著什么。

或許可以這樣說(shuō)，這份關(guān)于宇宙和天文的野心，是人之所以為人的重要見(jiàn)證。面對(duì)浩瀚星海，日升月落，人類(lèi)最開(kāi)始如獸如鳥(niǎo)，都是蒙昧與畏懼的。但是人類(lèi)的區(qū)別在于，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，發(fā)明技術(shù)，然后再用這些技術(shù)去追尋頭頂?shù)恼嫦唷?/p>

從這個(gè)角度看，技術(shù)是人類(lèi)的眼睛，宇宙是人類(lèi)的始終想要仔細(xì)欣賞的畫(huà)卷。

值此佳節(jié)，或許我們可以回顧這樣一段歷史：人類(lèi)是如何一步步磨練技術(shù)，創(chuàng)造“眼睛”，然后渺小卻強(qiáng)壯地仰望宇宙。

然后我們更不妨理順著歷史，來(lái)猜測(cè)一下：未來(lái)呢？接下來(lái)我們要用什么，去一窺宇宙之緣，群星之外，天上的宮闕？

磚與石：人類(lèi)窺視宇宙源起

天文，是人類(lèi)不知自何時(shí)而起的念頭。

《尚書(shū)·胤征》記載了夏朝羲、和兩位天官記錄天時(shí)與天象的故事，到西漢，馬王堆漢墓已經(jīng)出土了完整的彗星圖。

古希臘已經(jīng)產(chǎn)生了能夠繪測(cè)日食的愛(ài)奧尼亞學(xué)派、發(fā)現(xiàn)黃道和赤道的畢達(dá)哥拉斯學(xué)派。

在人類(lèi)窺視宇宙之初，其實(shí)已經(jīng)用到了當(dāng)時(shí)最巔峰的技術(shù)——雖然這個(gè)技術(shù)今天聽(tīng)來(lái)不算什么——站得更高，需要磚和石頭。

我們都知道古埃及金字塔的宗教和政治意義，知道它是法老的陵墓。同時(shí)大家應(yīng)該也聽(tīng)說(shuō)過(guò)，今天天文學(xué)已經(jīng)證實(shí)，吉薩金字塔群的北面主隧道，正對(duì)著天龍座α星。這顆星在5400年前，正是先民能觀(guān)察到的極星。這個(gè)巧合有很多種解釋?zhuān)翢o(wú)疑問(wèn)古埃及人民是在努力凝視著極星和宇宙的。因此，金字塔極大概率同時(shí)也是一座天文臺(tái)。用石頭，這門(mén)當(dāng)時(shí)最高科技建立的天文臺(tái)。

用磚石來(lái)仰望和定位宇宙，不是埃及人的專(zhuān)利。凱爾特人的巨石陣，瑪雅人和印加人的太陽(yáng)廟都與金字塔如出一轍。石頭是人類(lèi)的第一門(mén)技術(shù)，已經(jīng)被用于天文。

鏡與船：給太陽(yáng)“量身高”的17世紀(jì)

讓我們把時(shí)針快速撥動(dòng)，直接來(lái)到所有天文學(xué)愛(ài)好者都為之激動(dòng)的17世紀(jì)。當(dāng)時(shí)日心說(shuō)已經(jīng)確立，大航海時(shí)代洶涌而至。這是一個(gè)天文學(xué)家叱咤風(fēng)云的時(shí)代。伽利略、開(kāi)普勒、哈雷，那些耳熟能詳?shù)拿侄颊Q生于這樣的時(shí)代舞臺(tái)上。

但或許很少有人注意，這樣一個(gè)時(shí)代的到來(lái)，其實(shí)也得益于技術(shù)爆炸的紅利。當(dāng)時(shí)所有天文學(xué)家的發(fā)現(xiàn)和研究，都無(wú)法離開(kāi)兩件技術(shù)利器：船和凸透鏡。

大航海之船，帶著天文學(xué)家們到達(dá)了南北半球那些荒蕪人跡的“天文觀(guān)測(cè)點(diǎn)”，比如1676年，20歲的哈雷已經(jīng)航行到圣赫勒納島，開(kāi)啟了天文觀(guān)測(cè)生涯；凸透鏡變成了天文望遠(yuǎn)鏡。從1609年伽利略制作了4.2厘米口徑天文望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始，一個(gè)新的天文時(shí)代宣告到來(lái)。

這個(gè)時(shí)代具有里程碑意義的事件，是人類(lèi)用一百多年的努力，基本搞清楚了地球到太陽(yáng)的距離。當(dāng)時(shí)普遍的測(cè)量方法，是以一顆行星作為參照，在北半球和南半球分別記錄這顆行星對(duì)于恒星的視位移，從而得出星體間的距離。經(jīng)過(guò)百年間無(wú)數(shù)努力，到1761年哈雷已經(jīng)通過(guò)對(duì)金星和日冕的觀(guān)測(cè)，得到了相對(duì)精準(zhǔn)的太陽(yáng)視差。法國(guó)天文學(xué)家潘格雷在1775年給出了相對(duì)精準(zhǔn)的太陽(yáng)測(cè)距。

(行星測(cè)距法的原理)

隨后，地球質(zhì)量的得出、發(fā)現(xiàn)天王星、天體力學(xué)體系確立，一系列人類(lèi)窺探宇宙的“大事件”先后到來(lái)。而其起源，是人類(lèi)對(duì)航海技術(shù)與凸透鏡技術(shù)的應(yīng)用。

追光者：人類(lèi)終于看清了宇宙結(jié)構(gòu)

事實(shí)上在19世紀(jì)后半期，人類(lèi)還是不知道星系、恒星、行星之間到底處在怎樣的位置關(guān)系。理解宇宙，更多依靠的是哲學(xué)玄想，而非真實(shí)的觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)。

直到19世紀(jì)末，一場(chǎng)聲勢(shì)浩大的天文學(xué)革新打碎了人類(lèi)對(duì)宇宙的胡思亂想，在天文學(xué)中，這場(chǎng)運(yùn)動(dòng)被稱(chēng)為“天體物理學(xué)”，或者“新天文學(xué)”。

此后，人類(lèi)真正開(kāi)始了對(duì)恒星的觀(guān)測(cè)和研究，發(fā)現(xiàn)了月球表面的真實(shí)情況、首次觀(guān)測(cè)到星云的存在。

而如果沒(méi)有現(xiàn)代光學(xué)體系的技術(shù)進(jìn)步，這場(chǎng)跨越式發(fā)展就無(wú)從談起。事實(shí)上，無(wú)論是大型天文望遠(yuǎn)鏡，還是恒星光度計(jì)，都是建立在這一時(shí)期光學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上。具體來(lái)說(shuō)，德國(guó)光學(xué)家朗德費(fèi)創(chuàng)建的分光學(xué)、布蓋開(kāi)創(chuàng)的光度學(xué)，以及改變?nèi)祟?lèi)進(jìn)程的照相技術(shù)，這三者直接導(dǎo)致了天體物理學(xué)的建立。

（利用光譜原理，首次拍到織女星、雙子座α星進(jìn)行照相的哈佛天文臺(tái)大型天文望遠(yuǎn)鏡）

對(duì)于光的理解和對(duì)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，讓天文學(xué)家可以捕捉宇宙之光。而人類(lèi)對(duì)宇宙空間的迷蒙與猜測(cè)，也終于迎來(lái)了一盞光亮。

無(wú)線(xiàn)電里的宇宙噪聲：射電天文學(xué)的驚艷時(shí)刻

光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，推動(dòng)人類(lèi)天文學(xué)來(lái)到了天文臺(tái)和大型天文望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代。但奇妙的是，當(dāng)人類(lèi)以為光就是宇宙唯一答案時(shí)，近50年的天文學(xué)卻被另一項(xiàng)技術(shù)所改寫(xiě)——那就是今天所有人都無(wú)法離開(kāi)的無(wú)線(xiàn)電。

1931年，美國(guó)無(wú)線(xiàn)電工程師揚(yáng)斯基在研究收音機(jī)時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)當(dāng)天線(xiàn)指向特定天體時(shí)，能夠收到特別響亮的噪聲。尤其當(dāng)天線(xiàn)指向人馬座——銀河系中心時(shí)，這種噪聲能達(dá)到尖銳的程度。

“宇宙噪聲”的發(fā)現(xiàn)，證明了恒星輻射理論，直接改變了我們今天的生活。同時(shí)借助無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，美國(guó)工程師瑞伯率先發(fā)明了射電天文望遠(yuǎn)鏡，為射電天文學(xué)時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。

借助觀(guān)測(cè)宇宙中不同恒星發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電干擾，人類(lèi)成功觀(guān)測(cè)到了太陽(yáng)黑子的存在、實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)流星群、發(fā)現(xiàn)了銀河系外星云以及星際間的氫氣團(tuán)。這些發(fā)現(xiàn)奠定了我們此刻的宇宙觀(guān)，比如宇宙大爆炸、黑洞、類(lèi)地行星和宇宙輻射。

而究其根源，驚艷人類(lèi)歷史的射電天文學(xué)時(shí)代，是來(lái)自人類(lèi)對(duì)應(yīng)用技術(shù)的努力探索——甚至可以說(shuō)，如果沒(méi)有收音機(jī)，人類(lèi)就無(wú)從驗(yàn)證宇宙起源。

其實(shí)在20世紀(jì)初，英法兩國(guó)天文學(xué)家已經(jīng)嘗試探尋太陽(yáng)射電波，但當(dāng)時(shí)的無(wú)線(xiàn)電接收器靈敏度太差，關(guān)于宇宙的眾多猜想都無(wú)法進(jìn)行驗(yàn)證。

無(wú)線(xiàn)電與探索宇宙的聯(lián)系，再一次證明了這樣一個(gè)真理：技術(shù)迭代，是人類(lèi)透視宇宙的力量之源。

計(jì)算，計(jì)算：引力波與黑洞的大時(shí)代

今天，人類(lèi)不斷利用技術(shù)進(jìn)步，透視宇宙深處的腳步依舊沒(méi)有停止。

或許在地理學(xué)、光譜學(xué)和無(wú)線(xiàn)電理論的數(shù)百年滋養(yǎng)下，人類(lèi)觀(guān)測(cè)宇宙的方案已經(jīng)齊備（也許吧？），但是人類(lèi)觀(guān)測(cè)和記錄來(lái)的海量數(shù)據(jù)到底如何分析和計(jì)算，這在今天變成了考驗(yàn)天文學(xué)的最大問(wèn)題。

可能大家還記得，2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了美國(guó)麻省理工學(xué)院教授雷納·韋斯、加州理工學(xué)院教授基普·索恩和巴里·巴里什，以表彰他們構(gòu)思和設(shè)計(jì)了引力波天文臺(tái)LIGO，并對(duì)直接探測(cè)引力波做出的杰出貢獻(xiàn)。

近兩年，連續(xù)捕捉到引力波可能是天文學(xué)界最大的成果之一，它驗(yàn)證了廣義相對(duì)論，將人類(lèi)對(duì)時(shí)空深層法則的認(rèn)識(shí)推向了新的高度。但可能很多人不知道，這背后隱藏著一場(chǎng)典型的“天文算力極限試探”。

探測(cè)引力波的LIGO，全稱(chēng)是“激光干涉引力波天文臺(tái)”，這種設(shè)備是由兩條4公里長(zhǎng)的手臂組成的L型儀器，可以測(cè)量萬(wàn)分之一個(gè)質(zhì)子直徑尺度上的變化，堪稱(chēng)人類(lèi)精度最高的儀器之一。其捕捉到引力波經(jīng)過(guò)地球時(shí)，會(huì)通知全球的天文機(jī)構(gòu)一起觀(guān)測(cè)。在2014年4月的觀(guān)測(cè)中，LIGO極短速度通知了1000多家天文機(jī)構(gòu)，調(diào)動(dòng)70多臺(tái)大型天文望遠(yuǎn)鏡對(duì)1.2萬(wàn)光年外進(jìn)行了觀(guān)測(cè)，堪稱(chēng)天文界的全球狂歡。

但是這樣的“一夜狂歡”后，首先留下的是難以想象的，需要用大型計(jì)算機(jī)驗(yàn)證數(shù)年的數(shù)據(jù)量。某種程度上來(lái)說(shuō)，我們今天正在等待天文學(xué)界對(duì)引力波的解析，就是在耐心等候人類(lèi)算力的瓶頸。

更著名的案例，大概是不久前刷屏的“黑洞照片”。為了拍攝這張照片，相關(guān)團(tuán)隊(duì)從2017年4月5日起，用8座射電望遠(yuǎn)鏡連續(xù)進(jìn)行了數(shù)天的聯(lián)合觀(guān)測(cè)。這直接產(chǎn)生了4PB的數(shù)據(jù)，用了兩年時(shí)間才解析完成。

在解析天文數(shù)據(jù)進(jìn)程中，處在瓶頸中的不僅是算力，還有智能解析能力。幾年前，美國(guó)宇航局NASA提出了前沿發(fā)展實(shí)驗(yàn)室FDL系列計(jì)劃。其中重要組成部分，是用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)解析回傳的月球圖像。如今NASA有大量衛(wèi)星、探月車(chē)、空間站向地球回傳月球數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量多到了人類(lèi)已經(jīng)無(wú)法完成處理，所以轉(zhuǎn)而希望借助AI來(lái)完成對(duì)月球的認(rèn)知探索。

神話(huà)里是嫦娥奔月，現(xiàn)實(shí)里是AI探月。

從HC，到未來(lái)

不難看出，今天人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙進(jìn)程中，卻迫切需要的新技術(shù)、新工具就是算力與智能。

縱觀(guān)整個(gè)人類(lèi)天文史，或許可以得出這樣的結(jié)論：每一次人類(lèi)透視宇宙的偉大進(jìn)化，都得益于這一時(shí)代人類(lèi)最擅長(zhǎng)、最自豪的技術(shù)創(chuàng)造。天文學(xué)的進(jìn)化，始終是不斷向其他學(xué)科借用理論工具與技術(shù)工具的過(guò)程。

而20世紀(jì)末到21世紀(jì)，人類(lèi)最偉大的發(fā)明是信息技術(shù)與電子計(jì)算。這個(gè)工具的“天文化”，當(dāng)然是今天人類(lèi)用來(lái)看透天上宮闕的最新一雙“技術(shù)之眼”。

用于窺探浩渺宇宙的算力與智能之眼，需要我們等待很久嗎？這里或許可以做個(gè)劇透。探測(cè)宇宙“新的工具”并不在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，而就在5天之后，Philip Diamond，國(guó)際組織SKA（平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡）總干事將來(lái)到2019華為全聯(lián)接大會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，與我們一起揭曉宇宙探索的最新“技術(shù)之眼”；它也不像過(guò)去數(shù)百年一樣誕生于歐美，而是就來(lái)自中國(guó)這片勇于仰望星空的土地上——2019年華為全聯(lián)接大會(huì)，正在醞釀某個(gè)跟探索宇宙相關(guān)的東西。

是什么呢？讓我們保持好奇，先期待一下——數(shù)千年歷史證明，好奇心，是能讓人類(lèi)在宇宙面前，顯得不那么渺小的東西。

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