费文绪 |
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法国古生物学家、地质学家、哲学家、天主教耶稣会神父德日进（Pierre Teilhard de Chardin）曾写道：
“人类世界的历史是人类通过日臻完美的眼睛去深入、细致观察宇宙的过程中形成，而在这个过程中，不断有奇妙发现。”
德日进描述了人类对理解自然世界的渴望，也可以说是人类对科学的本能追求。
今天，科学必须继续蓬勃发展，因为社会迫切需要科学来应对气候变化导致的日益严峻的问题——海平面上升、破坏性风暴、森林火灾、干旱，以及首当其冲的是，对新能源的需要。
但是，社会也迫切需要
“不专注于解决某一现实问题但是至关重要”的科学
。我们瞥一眼现代科学发展历程，就可看出其中缘由。
德日进的措辞“日臻完美的眼睛”准确地描绘了望远镜演变史——从17世纪初的简易光学器件到今天的太空望远镜。
这种神奇的发展是由人类对宇宙本质的好奇心所驱动，是基础研究的产物。
总而言之，基础研究是由人类理解自然世界的快乐所驱动，与应用研究形成鲜明对比，应用研究的动机是解决特定问题的需要。
爱因斯坦对引力理论的探索，即他的广义相对论，是基础研究的标志性例子。
他致力于创建一个新理论来避免牛顿引力理论中的一些不自洽之处。但是你知道么？
在当时，他的这项工作几乎没有引起别人的注意，因为没有任何可预见的用途，至少在当时没有。
万万没想到，爱因斯坦广义相对论的一个惊人的后果是——“引力影响时间”——山顶上的时钟比海平面上的相同时钟走得更快，尽管不是快很多；在珠穆朗玛峰顶，时钟每个月只快了几百万分之一秒。
爱因斯坦关于引力影响时间的预言，激发了一类实验研究。
1945年1月21日，《纽约时报》刊登了一篇题为“新时钟的‘宇宙摆’”（“Cosmic pendulum” for clock planned）的文章，这篇文章报道了美国物理学会会议上一篇演讲，演讲者是哥伦比亚大学物理学家伊西多•拉比（I. I. Rabi）——1944年获得诺贝尔物理学奖获得者。
伊西多•拉比提议创造一种新时钟，其指针的“嘀嗒”不是由钟摆的摆动控制，而是由原子的某种自然频率的振动控制，
原子的自然频率
可以通过他发明的技术来测量，称为“原子钟”。这种原子钟的精确度高得令人难以置信。
《纽约时报》报道：“拉比教授表示，他希望看到有人建造一个原子钟，能够首次在地球上检验爱因斯坦的假设——引力场会使辐射频率发生变化。”
因此，原子钟的诞生直接源于科学家对“引力是否影响时钟速率，即引力是否影响时间”的好奇心。
值得注意的是，
这样一种精确的时钟
在当时缺乏任何可预见的应用，这种探索就是基础研究的完美范例。
科研机构在第二次世界大战中处于混乱状态，而且建造原子钟存在一些技术障碍。
关于原子钟的认真工作始于1950年左右，首个原子钟于1954年在英国诞生，后来被称为铯束原子钟。
1956年，拉比曾经的学生诺曼•拉姆齐（Norman Ramsey）提出了一种不同类型的原子钟，能够研究爱因斯坦关于引力和时间的预测。这种装置被称为氢微波激射器（hydrogen maser），诞生于1960年。（今天，大多数主要的计时实验室都用氢微波激射器以及其他原子钟来设定国际时间。）
尽管氢微波激射器被创造出来是为了验证爱因斯坦关于时间和引力的猜想，但其意外应用值得注意：
例如，它使甚长基线干涉测量（VLBI，即把几个小望远镜联合起来，达到一架大望远镜的观测效果）这种射电天文技术成为可能。
在每个射电天文台，附近的微波激射器提供时间戳信号，允许远程实验室同步其观测。
利用VLBI，天文学家可以创造出相当于地球大小的虚拟射电望远镜，使天文学家能够创建非常详细的整个宇宙的氢图谱，用于探究早期宇宙。
最近，媒体报道了引力研究新进展。
在我们银河系的中心，一个巨大的黑洞正在吞噬附近的物质。落入黑洞的物质永远消失，但是当物质穿过一个称为“事件视界”（event horizon）的边界时会光芒四射。
格陵兰望远镜是全球黑洞事件视界望远镜（EHT）阵列（包括不止8个望远镜）中的一个，EHT旨在观察黑洞周围环境
事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）是先进的VLBI阵列，通过综合世界各地射电望远镜的信号，让我们看见物质穿过事件视界的这一过程。
2019年4月，EHT团队发布了首张举世瞩目的黑洞照片（参见刚刚，黑洞照片发布了！惊得我不小心滑到了黑洞里），是M87星系中心黑洞的图片。
EHT使得科学家研究广义相对论所预言的前所未见的现象——物质在超强引力场中的运动变得可能。
你知道么？
我们日常使用的全球定位系统（GPS）也得益于原子钟！
GPS从根本上说是一个计时系统，原子钟是其核心。在原子钟成为现实之前，未曾有人设想过这样的系统，也未曾有人能想象到它的威力。如今，GPS的应用大家有目共睹：
GPS是引导飞机飞行的空中控制系统，以及智能手机和汽车中的地面导航系统；
GPS使我们的通信网络和电网保持同步，对医疗急救系统至关重要；
最重要的是，GPS对于理解气候变化对文明的存在威胁至关重要。就拿气候变化来说，了解全球气候需要收集一系列变量的数据，
包括：流向和来自地球的辐射能，气温的垂直分布和水平分布，云层覆盖和温度，海洋和陆地地形剖面图，海洋表面温度和风速，全球降水，大气含水量等，而且收集的数据是海量的。
地球气候数据的主要来源于极地轨道上的一群气象卫星，这些气象卫星每天扫描地球的整个表面4次。气象卫星通常成对地工作，交换雷达和激光雷达信号，从而测量大气层最高区域的含水量。这种特殊的测量至关重要，因为大部分大气水都储存在那里。
这些全球气候测量几乎不可以在没有GPS的情况下进行。再次提醒，GPS的发明仅仅是出于对广义相对论的好奇。
GPS是一种源于基础研究的变革性技术。
人们还可以举出基础研究推动技术变革进步的很多其他例子。
例如，在物理学中，查尔斯•汤斯（Charles Townes）对空间中的分子的研究导致了激光的发明，爱德华•珀塞尔（Edward Purcell）和费利克斯•布洛赫（Felix Bloch）对原子核的研究导致了磁共振成像（MRI）的发明。
是的，社会迫切需要新方法来应对日益严峻的发展危机（能源、疾病、人口过剩、气候变化等），而基础研究是新方法产生的源泉。
资料来源：
Commentary: Basic research in a time of crisis
