专访邵逸夫奖得主约翰·皮考克教授：宇宙是美的吗？| 赛先生天文

赛先生 · 公众号 · 科学 · 2016-10-14 07:22

正文

约翰·皮考克在苏格兰高地：金泰尔五姐妹山顶峰，2010年4月

宇宙有无美丑之分？

暗能量和宇宙大尺度结构的未来研究方向是什么？

人择原理是否意味着多重宇宙的存在？

脱欧对英国科学家有什么影响？

且听2014年邵逸夫天文奖得主约翰·皮考克教授娓娓道来。

采访毛淑德（清华大学；国家天文台）

翻译钱磊（国家天文台）

2016年9月，约翰·皮考克教授第一次访问中国，我们有幸采访了他。

（毛）问： 您是怎么对天文学产生兴趣的？

（皮考克）答：在我年轻时，我对天文学的兴趣只是对科学的普遍兴趣的一部分。阿波罗登月时我13岁，这是最易于被这样一件事激励的年龄。我读科幻小说，也受到伊萨克·阿西莫夫基于实际科学的作品的影响。但老实说，相比在我的后花园花几个小时使用望远镜，我更为太空探索的浪漫所打动。在中学学习原子结构及元素按周期排布的原理时，我感受到大自然的魅力，因此深深地迷上了化学。我上了大学，打算成为一名化学家。但是在剑桥，你学习“自然科学”，这迫使学化学的学生在第一年同时学习完整的物理课程。在这一年末，我意识到我更适合学习物理和数学。在我本科阶段快结束时，我查看了一下工作机会，发现没有一个是令人鼓舞的——所以我决定读博士。物理系的大部分项目看起来是非常专业化的，但射电天文研究组的工作更加开放。所以我最终成为了一名天文学家，但这从来就不是一个目标——我只是在选择了它之后才产生了真正的热情。关键事件是1977年夏天，我在开始读博士前阅读了麦克·贝里的书《宇宙学和引力的原理》（Principles of cosmology and gravitation）。用数学描述整个宇宙的思路启发了我（现在仍然如此），我决心找到一个和宇宙学相关的项目。

图1. 刚刚在剑桥获得博士学位（从左到右：约翰·皮考克的母亲、父亲、女友（自1982年起成为他的妻子）和约翰·皮考克），1981年拍摄。

问：在剑桥读博士期间，您学到了什么？

答：我加入了马丁·赖尔的射电天文研究组，所以在很大程度上重点是理解射电干涉仪是如何运行的。其数学基础是傅里叶分析（将一切想象为波的叠加），这在物理中无论如何都是重要的，但在射电天文中你所有的思考过程都要习惯于使用这个工具。我认为，学习自然而然地用傅里叶分析思考一切问题对我后来从事大尺度结构的工作很有帮助。赖尔的研究组中和宇宙学有关的工作是统计性的：进行射电源巡天。故我获得了很有用的统计学基础。但在这个系统中读博士真正最有用的是，我有机会通过本科教学完善和深化我所受的整个物理教育。剑桥体系基于“督导”（supervision），意思是或许只有两个学生的一个小组每周花几个小时和一位专家一起学习。但是因为有太多的本科生，所以博士生必须承担大部分这种教学工作。于是我去了。在我（本科毕业）期末考试后仅仅几个月，我不得不假装可以回答来自这些学生的任何关于物理的问题。这是苦差事，但它让我对自己的知识有了更多的信心。

问：您对2度视场巡天（two degree field survey; 2dF）做出了关键贡献，这让您获得了邵逸夫奖。这个巡天是怎么开始的？

答：2dF（2度视场巡天，按字母排序的英文缩写见文末）星系红移巡天对我来说大约开始于1993年。但促成它的事件是决定在英澳望远镜上建造2度视场仪器。这发生在20世纪80年代末，是由这台望远镜发展的多光纤光谱仪的专业技术所推动的。很明显，这场革命将受益于更宽的视场以及控制这台望远镜的英国-澳大利亚联合董事会对这个项目的推动。我后来成为了这个机构的成员。我发现它对于独立行动有很大的权力和能力。20世纪80年代末的英国成员是理查德·埃利斯和麦克·罗恩-罗宾斯基，我认为他们对2dF项目的启动有很大功劳。但大部分天文学家不知道所来何物，而英澳望远镜（AAT）想培训他们——所以我派斯图尔特·鲁斯登到英国去引起大家（对2dF巡天）的兴趣。斯图尔特曾是我的博士生。我早期就了解了2dF，并且得以参加最初关于形成一个巡天委员会的讨论。这个委员会最初由理查德·埃利斯领导，在1999年他离开英国时，我接替了理查德的位置。

图2. 约翰·皮考克和位于英澳望远镜（AAT）主焦的2dF光纤定位器（2012年拍摄）。这台设备可以同时测量400个目标天体，它打开了通向星系分布大规模统计巡天的大门。

问：当时人们普遍认为（2dF巡天所用）感光板(photographic plates)的测光精度对于推断大尺度结构将是一个严重的问题，为什么后来发现不是如此？

答：这是一个潜在的问题。如果巡天的深度在天空中以你不知道的方式变化，那么三维星系巡天的统计威力就会减弱。开始时，没有太多数字化资料用于校准感光板。所以我们依靠感光板之间的重叠试图得到均匀的测光标准。但在巡天开始后，我们意识到这不太成功。新的信息来自2MASS，这个巡天在近红外波段对全天进行了成像。他们最短的波段是1500纳米，而我们工作在大约450纳米，但我们可以看到不同感光板之间平均的光学-红外颜色的变化。这给了我们改正我们的测光所需的信息，我和肖恩·科尔花了很多精力做这件事。所以，2度天区星系巡天是不均匀的——但是我们知道这种不均匀，所以我们可以容忍。

问：就宇宙的大尺度结构而言，你了解到了什么？

答：2度天区星系巡天首次精确测量了很多量。我们测量了星系偏袒（galaxy bias）如何依赖于颜色和光度（换句话说，我们测量了星系光度函数如何随环境变化）。但最根本的影响来自对星系成团形式的测量：功率谱和相关函数。功率谱的大尺度形状对总的物质密度敏感。总物质密度在我们开始巡天时还知之甚少。2001年我们的第一篇功率谱的文章和当时有限的宇宙微波背景辐射结合起来，支持现在的 Ω_m=0.3 的模型。同样在2001年，我们发表了重子声波振荡（Baryon Acoustic Oscillations）的第一个证据。第一次看到这个现象的证据是非常令人兴奋的。我记得2000年12月在德克萨斯相对论天体物理会议上报告这个结果：人们那时非常怀疑，但我们是对的。2005年我们用最终的数据得到了改进的测量，与美国的斯隆数字巡天(SDSS)同时探测到了重子声波的振荡。很多人认为斯隆数字巡天是首个探测，但事实不是这样的。在2001年的另一篇文章中，我们也通过与结构形成相伴的速度首次精确测量了红移-空间畸变（Redshift-Space Distortions；RSD）。这也依赖于物质密度，同样支持较小的值。今天，由于WMAP卫星和普朗克卫星，我们熟知这个红移-空间畸变，现在被用作判断正确的引力理论的探针。故2度天区星系巡天率先发展的两个工具——重子声波振荡和红移-空间畸变真正主导了现代宇宙学。

图3. 2度天区星系巡天揭示的两个扇形区域（它们依赖于距离（以十亿光年为单位））壮丽的星系丝状分布。这个巡天在1997年和2003年间测量了大约200000个星系的三维位置。这些图案是微小的原初涨落的遗迹，或许是由整个宇宙还处于围观尺度时的量子涨落产生的。这些原初（涨落的）种子的引力塌缩产生了宇宙中所有的复杂结构——最终形成了行星和人类。

问：在暗能量研究方面，您认为未来的主要方向是什么？暗能量的本质会如何被揭示？

答：我不知道了解暗能量的本质是否会那么简单。我们将尝试测量它是否随时间变化，以及它是否确实支持不均匀性。到目前为止，这些都是零结果：在红移~1，暗能量密度在大约10%之内和今天相同。如果暗能量（dark energy）和宇宙学常数无法区分，那么就难以知道它是什么：很多量子过程会增加一个“裸”宇宙学常数，而你只得到一个数。即使我们看到一些动力学过程，它可能也不会告诉我们很多：如果我们看到自红移1以来暗能量减少了，比如说3%，我们在10σ精度上进行了探测，这也没有告诉我们很多关于这个现象的信息——仅仅是某种过程在进行而已。我认为很多人的偏见（我的，当然）是宇宙学常数与数据符合，但是最好还是进行检验。未来的实验将使用重子声波振荡作为标准尺测量距离-红移关系，我们将使用红移-空间畸变和引力透镜测量扰动的增长。这将由花费超过1亿美元、上千名天文学家参与的大型实验开展：DES、LSST、Euclid、WFIRST。我希望事情可以做得更简单，但是暗能量变化的效应很小，我不知道其他能达到小于1%精度的方法。但确实感觉下一代实验可能就到头了——特别是如果没有探测到演化的话。

问：有理论家信誓旦旦地告诉我，宇宙（平均）物质密度必然是临界的，因为那是最简单而优美的宇宙。现在我们发现宇宙虽然是平坦的，但物质密度只有临界值的30%,而其余70%是暗能量。我们的宇宙是不是有些丑陋？

答：当我第一次读到吉姆·皮波斯提出（相对于临界密度）物质密度为30%（Ω_m=0.3），宇宙学常数为70%的文章（1983年）时，我确实认为这是丑陋的。很长一段时间，我都确信真空能密度应该为零（由于下一个问题中解释的原因）。所以那时 Ω_m=1 是一个有吸引力的简单模型。但自大约1990年以来，看起来证据实际上都是否定它的。于是我觉得弯曲的低密度模型是最有吸引力的，尽管有观点从宇宙微波背景辐射在小尺度上缺乏扰动这一点对此表示反对。但在那时只有少数人有计算宇宙微波背景辐射的程序，所以难以检验这些观点。当第一批超新星文章（1996年）错误地宣称排除了真空主导的模型时，事情又进一步变得困惑了。所以仅当研究超新星的人修改了他们的结论（一个他们不想让人们记住的事件）时我才确定有太多的证据支持宇宙学常数，所以必须接受它——这是1998年。这个结果，不说丑陋也肯定是复杂的。存在一个独特的时刻，宇宙从物质主导变为真空主导，现在，理解这个转变为什么发生成了一个挑战。

图5. 想象中的多重宇宙（图片来自http://msnlv.com/multiverse.html）

问：您对多重宇宙（multiverse）有什么看法？随着数学的优美变得越来越重要，经验的检验是否变得不再必要？

答：如我前面所说，宇宙学常数或非零的真空能密度有几个问题。问题不是要理解密度为什么能不为零，而是要理解它为什么那么小。量子修正会导致一个物理的真空密度，如果允许存在无限高能的虚粒子，那么这个真空密度会发散。所以新物理必须截断这个发散：在至少10 TeV 的能标，因为大型强子对撞机（LHC）没有看到新物理。但是宇宙学常数的能标是 meV，小了10^-16。你可以争论说，各种对真空密度的贡献恰好抵消，或者某种原理禁止大的值。因为我们也必须解释为什么真空刚好在我们观测宇宙的时候变得重要，所以一个强烈的暗示是，观测者的选择可能是重要的：所谓的"人择"原理。这个漂亮的论证是1987年斯蒂芬·温伯格提出的：大的真空密度抑制结构增长，导致更少的星系和更少的观测者。在这个框架中，可以计算一个典型观测者看到的真空密度的概率分布，实际值和从这个分布得到的值一致。故人择原理的预测受经验检验支配——尽管难以让这个检验更精确。现在来说一说，这个推理是否要求存在多重宇宙？我们谈论一个给定真空密度的概率，如果确实存在实际的具有不同真空的宇宙的系综（ensemble），其意义容易理解。但是贝叶斯统计允许你不依赖系综来讨论概率：给定一个假想硬币，不需要抛硬币你就可以说 P(正面)=0.5。所以，如果你相信人择论证是对的，那么难以从此就说你证明了存在多重宇宙。但是，对于一枚硬币，你知道正面和反面都是可能的。所以同样地，必须存在允许不同真空密度值的物理。面临的挑战将是发现和探索这种物理——这可以在这个宇宙中进行，无论其他宇宙是否存在。

图6. 在2016年6月23日的一次公投中，英国投票决定离开欧盟。（图片来源：http://www.bbc.co.uk/news/uk-politics-32810887）

问：英国决定脱欧对您的研究有什么重大的影响么？

答：这是令人沮丧的情形，不是民主的好例子。英国人民被要求在不真正了解“离开”的决定可能意味着什么的情况下回答问题。这个问题不应该以这种模糊的方式提出，我希望（出于非科学的原因）在澄清含义后重新审视这个问题。这不是说我觉得这件事微不足道：不受限制的移民确实会导致很多问题，我想或许欧洲太轻易地采用了这个模式。然而，控制移民进入英国的代价可能太高了，一旦知道了这个代价，就应该允许人民决定做什么。但就科学而言，对我个人的直接影响微乎其微。我有一项可以执行到2020年末的ERC基金，即使英国能够在2020年离开欧盟（我对此表示怀疑），这些钱也是得到保证的。但二阶（2nd-order）风险仍然严峻：未来，优秀的欧盟研究者可能会认为英国不是他们想去的国家，所以我们能雇佣到的优秀博士后和研究人员会更少，我们未来的研究质量前景堪忧。在最坏的情况下，我们的经济可能会糟糕到我们无法参与国际望远镜项目。但到目前为止，脱欧事件对我们的影响很小，生活基本没什么变化——所以我预期这次公投的影响会缓慢到来，而且会和很多其他因素混合在一起，这意味着我们可能永远无法确定这次公投有什么影响。

问：关于目前中国的天文现状，您有什么样的印象？

答：我知道很多中国天文学家在宇宙学中非常活跃，我的访问让我碰到了这个领域中的一些新生代年轻研究者。在我熟知的天文学领域，看起来中国学者的研究兴趣覆盖了所有重要的领域，在理论、数值模拟和统计数据分析之间达到了平衡，这和西方没有太大不同，工作的质量也是有竞争力的。我很难进行更广泛的阐述，特别是关于我不活跃的领域。研究兴趣的平衡在一定程度上反映了对观测设备的使用情况，比如，研究高红移星系的中国研究者成比例地要少一些，或许仅仅是因为获得哈勃太空望远镜（HST）的观测时间更难。

问：最后您对中国读者还有什么要说的吗？

答：显然中国天文学仍然在快速发展。我知道备受瞩目的观测项目，比如LAMOST（郭守敬望远镜）和FAST（500米口径球面射电望远镜），后者受到了西方的很多特别关注，它给人们留下了深刻印象，让人们看到中国建造世界领先的特定类型的设备。我认为会有更多这种项目。在我这次访问之前，我还惊讶于中国在空间天文学中不太活跃，特别是考虑到已经有载人空间探索的情况下。但现在我已经听说了很多新提出的项目，可以看到，情况很可能会发生变化。但最重要的趋势是最简单的：我之前不知道中国正在创造庞大规模的新的大学教职。科学通过聪明的年轻人不断创新从而获得进步，你们对这些新思想的投入势必会在未来一些年产生令人兴奋的回报。

图4. 约翰·皮考克教授是一名专业级的单簧管演奏者。右边是他在排练理查德·施特劳斯的作品时领衔爱丁堡队员乐团（Edinburgh Player’s orchestra）的单簧管部。他也热衷于登山，他已经征服了苏格兰和其他地方的很多山峰。