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论文中如何证伪一个理论

在银河系中,类似地球的行星可能有110亿颗。但是科学家是如何发现这些“新大陆”呢,宇宙学家皮布尔斯创建了一套模型,为发现系外行星提供了方便,也因此获得2019诺贝尔物理学奖。上周末,文津奖获得者、宇宙学家、科普作家、中山大学物理与天文学院副教授王爽带着自己的新作,以“解读2019诺贝尔物理学奖”为题,为羊城读者分享人类是如何发现宇宙中的新大陆以及人类如何揭开宇宙起源之谜。作为一名有200万粉丝的科普大V,王爽说,做科普和做科研是完全不同的两个行当,做科普丝毫不比做科研容易。

文、图 广州日报全媒体记者肖欢欢实习生徐紫棋

71年前,一篇愚人节的论文,首次提出了大名鼎鼎的宇宙大爆炸理论。55年前,两位科学家因为在射电望远镜的天线中总是听到鸽子排粪便的刺耳噪音,进而发现了宇宙微波辐射。台上的王爽语言风趣,语调抑扬顿挫,讲座一开始,台下就不时爆出阵阵笑声。

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王爽

宇宙大爆炸理论来源于一篇愚人节论文

王爽给先给大家讲了一个有趣的故事。在1948年4月1日,也就是愚人节的那天,《物理评论》杂志刊发了一篇伽莫夫团队写的论文,这是一篇极具愚人节色彩的论文。在作者列表中,伽莫夫强行添加了一个对这篇论文没有任何贡献的人,那就是1967年诺贝尔物理学奖得主贝特。伽莫夫之所以要添加贝特,并不是因为他名气大,而是因为阿尔菲、贝特、伽莫夫,三个名字的谐音合起来恰好能凑成αβγ。伽莫夫也向赫尔曼提出了一个建议,让他起一个笔名,叫德尔塔,这样,这篇论文的作者就能凑成αβγδ,结果赫尔曼没同意这个荒谬的提议。

“但这个事情到最后,赫尔曼肯定肠子都悔青了。”王爽打趣地说,“因为正是这篇发表在愚人节、颇有搞笑意味的αβγ论文,首次提出了大名鼎鼎的宇宙大爆炸理论。此外值得一提的是宇宙大爆炸这个名字,不是刚才那篇任何一个作者起的,起这个名字的人是伽莫夫的一个死对头叫霍伊尔。”那么宇宙大爆炸是什么?王爽简单解释了一下:创生之初的宇宙,是一个体积极小、密度极大、温度极高的火球。由于温度太高,火球内的光子具有极高的能量,高到可以把原子核直接打碎。所以那时整个宇宙就是个混沌的“汤”,根本没有原子核,也没有原子。不过随着时间的推移,这个火球会不断地向外膨胀,从而让它的密度不断减小,温度也不断降低。经过130多亿年,这个大火球就膨胀成了我们今天看到的宇宙,这就是宇宙大爆炸。

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王爽在做讲座

受“鸽子屎”启发科学家发现了宇宙微波

王爽介绍,1964年,贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯和威尔逊,建造了一个大型的射电望远镜。但从建好望远镜的第一天起,就遇到了一个巨大的麻烦:喇叭口里的接收天线总会发出“烧开水”般的刺耳噪音。而且不管他们怎样调整天线的方向,这种噪声都不会消失。一开始他们还以为是咕咕叫的鸽子在拉屎。他们当时想的是把这个鸽子抓到离他们的这个望远镜几十公里以外的地方放生,但是很遗憾失败了。为什么?因为鸽子认路能自己回去。折腾好几次没有办法,他们只好找个猎人解决了鸽子,然后对望远镜清理了一番。就在他们志得意满地觉得自己终于解决问题的时候,打开望远镜却发现折腾了他们差不多一整年的噪音依然存在。

在这两个工程师快要被折腾疯的时候,其中一位工程师彭齐亚斯的一个在麻省理工学院工作的朋友帮了他,给他寄去了一篇论文,那篇论文是物理学家迪克与皮布尔斯(2019年诺奖获得者)合写的预言宇宙微波背景辐射的论文。“看完这篇文章以后,他发现困扰了他们整整一年的那个烧开水的噪音,其实并不是生活的诅咒,而是命运的眷顾。”王爽感慨地说。

之后彭齐亚斯和威尔逊给迪克打了一通电话,他们告诉迪克,自己已经发现了迪克想找的东西。放下电话以后,迪克沮丧地对团队成员说到:“各位,我们已经被人抢先了。”随后这两组人合作,在《天体物理学期刊》上发表了两篇划时代的论文。在第一篇论文中,彭齐亚斯和威尔逊仅用几百字的篇幅报告了他们发现的无处不在的微波噪音,当然这个曾经讨人厌噪音已然变为了福音。“有意思的是,在写论文的时候,为了文雅,他们没有直接写鸽子屎,而是改成了白色介电材料。”

而在第二篇文章里,迪克等人把彭齐亚斯和威尔逊的发现,与大爆炸理论的终极预言,也就是宇宙微波背景,联系在了一起。正是由于这个发现,原本一直打入冷宫,沉寂了整整15年的宇宙大爆炸理论,一夜之间登上科学的神坛。该理论认为,现在主流的宇宙起源理论,宇宙起源于一场137亿年前的超级大爆炸,而我们熟悉的所有物质仅占宇宙中物质总量的5%。时至今日这一理论已远远超越科学界的范畴,开始进入流行文化界。“比如说有一个美剧就叫做生活大爆炸。”

科学家意外发现了距地球50光年的飞马座

王爽说,由于发现了宇宙微波背景,彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年的诺贝尔物理学奖。至于对宇宙学贡献更大的那5位理论家,全都没能摘得诺奖,直到本届诺贝尔物理学奖的揭晓。

2019年10月8日,2019年诺贝尔物理学奖授予了5人中最年轻、也是唯一在世的皮布尔斯。由于诺奖向来不颁给去世的人,这回没有任何争议。“热大爆炸宇宙之父,伽莫夫,没能得奖;最早预言宇宙微波背景的人,阿尔菲和赫尔曼,没能得奖;最早发明探测宇宙微波背景仪器的人,迪克,没能得奖。倒是最年轻的,皮布尔斯得奖了。”王爽惋惜地说。

王爽还向听众们讲解了除皮布尔斯之外的另两位诺奖获得者,瑞士师徒马约尔和奎洛斯的科研成果。如果一颗恒星的周围有一颗像地球这样的行星的话,行星在绕着恒星转,恒星就会像跳舞的人一样,它自己也开始围着行星转。当这颗恒星朝我们一边运动的时候,它发出来的光频率就会变短,这个现象叫做蓝移;如果这个恒星在进行远离我们的运动,它发出来的光频率就会变长,也就是向红光的方向移动,这个现象叫做红移。所以虽然我们和系外的行星非常遥远,我们没有办法看见被光芒遮挡住的其他的行星,但我们可以看到由这个行星所引起的恒星的光发出的周期性的蓝移和红移的交替,这个办法叫径向速度法。“正是用这么一个巧妙的方法,这对瑞士的师徒发现在离我们地球大概50光年,有一个叫做飞马座51b的行星,这是人类历史上找到的第一颗太阳系外的行星,这一成就帮助他们拿到了今年的诺贝尔物理学奖。”王爽说。

做科普丝毫不比做科研容易

作为粉丝数近200万的新浪微博知名科学科普博主, TEDx标准级大会演讲嘉宾,王爽常以其幽默风趣、浅显易懂的方式将天文知识科普大众。他讲起话来抑扬顿挫。“我在和其他人讲话时,有时也忍不住像讲故事一样,这可能跟我长期以来做科普有关。”他笑着说。王爽说,每次在做科普讲座前,他都要做大量准备工作,为了讲一个有趣的故事,他甚至要花一个星期的时间来做准备。

王爽著有《宇宙奥德赛:穿越银河系》《宇宙奥德赛:漫步太阳系》《给孩子讲宇宙》等图书,在00后的孩子们中间有很高的人气。他曾获得过包括“中国出版协会2017年度中国30本好书”和“国家新闻出版署2018年向全国青少年推荐百种优秀出版物”在内的一系列国家级科普图书大奖。

但王爽却表示,科普作家并不是好当的。科研和科普是两个截然不同的行当,科普丝毫不比做科研简单。在他看来,科普的第一点就是通俗易懂。通俗易懂意味着能让没受过任何科学训练的人,比如中小学生看懂。他举例说,著名宇宙学家保罗·斯泰恩哈特在《科学美国人》上发表了一篇文章,攻击“暴胀理论会产生10的500次方个宇宙是不可证伪的”。这个暴胀理论听起来让人头大,该如何理解呢?《哈利·波特》中有个伏地魔。他把自己的灵魂分裂了7次,然后封印在7种不同的事物中。他有7个不同的分身,只要这些分身不全部死掉,他就永远不会被杀死。类似地,暴胀理论产生了多达10的500次方个宇宙,相当于10的500次方个分身;这样一来,暴胀就无法被天文观测证伪,从而变成一个不可证伪的理论。在王爽看来,看来,所有生涩难懂的科学知识都可以通过这种类比而变得通俗易懂。

不过,做到通俗易懂只能算是一个合格的科普作者。要想变成一个优秀的作者,还需要做到生动有趣。游客之所以愿意坐缆车去山上游玩,是因为这个活动能给他们带来欢乐的体验;如果不能让游客产生快乐的体验,这个缆车公司就必垮无疑。同样的道理,读者之所以愿意看一部科普作品,是因为这部作品能让他们感受到精神上的愉悦;如果不能让读者觉得生动有趣,这部科普作品就无法逃避被人遗忘的命运。一般而言,生动有趣是通过讲故事的方式实现的。

在王爽看来,要成为优秀的科普作家,还必须具备第三个条件,那就是有个人特色。他举例说,在一些音乐选秀节目中,经常有导师评价参赛选手:“你唱歌很好听,但是没有自己的特点,没有辨识度。”这样的选手,往往都无法成为明星。同样的道理,如果一个科普作家没有自己的特色,他是不可能火起来的。王爽说,他最喜欢的科普作家是《万物简史》的作者比尔·布莱森。他虽然只有本科的学历,但他当上了美国艺术与科学学院的院士,以及英国杜伦大学的校长。这位作家最大的本事就是讲故事,他能将一件稀松平常的小事讲得妙趣横生。“在布莱森的魔法世界中,再平淡无奇的事物也会变得妙趣横生,让人大开眼界。在我看来,这种万花筒般的能力,就是布莱森最大的特色。”在王爽看来,这也是他最希望具备的一项能力之一。

“科普写作首先是写作,然后才是科普。要想写出好的作品,最需要的应该是写作的技巧,而不是科学的知识。”王爽说。

王爽,中山大学物理与天文学院副教授,博士生导师,多年致力于宇宙学方面的研究,主要研究方向包括暗能量、超新星、引力波等,除了研究工作之外他还热衷科普,是知名科普博主,科普作家,凤凰卫视、深圳卫视、TEDx标准级大会演讲嘉宾。新近出版著作:《宇宙奥德赛:穿越银河系》《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》。


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