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玛雅天文学的启示:好数据并不一定能带来好科学

时间: 2017年04月05日 | 作者: Avi Loeb | 来源: Nature
玛雅人的天文学成就令人叹为观止,但仍然认为地球是宇宙的中心,什么因素使玛雅科学误入歧途?

 

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今年夏天,我参观了位于墨西哥尤卡坦半岛的奇琴伊察玛雅古城。城里有一处古天文台:公元600~1200年左右,玛雅祭司天文学家就在那里进行详细的天文观测。金字塔、庙宇、圆柱拱廊,还有其他石结构建筑,种种遗迹显示出天文学曾是这个高度发达的社会的中心。玛雅人的天文观测台是一组建筑群。从一座金字塔上的观测点往东方的庙宇望去,就是春分、秋分日出的方向;往东北方的庙宇望去,就是夏至日出的方向;往东南方庙宇望去,就是冬至日出的方向。

 

玛雅人精确地追踪了太阳、月亮和星星的位置以及相对亮度的变化,他们将天文数据记录在古抄本中,数据的详细程度远在当时的其他文明之上。玛雅祭司-天文学家通过观测数据和高等数学计算预测日食和月食,并且设计出一年365天的太阳历,这种历法每100年的偏差只有1个月。

 

然而我很疑惑:为什么玛雅人没能更进一步,推理出现代天文学的一些基本规律?他们确定了金星、火星和水星围绕太阳的公转周期,却仍然认为地球是宇宙的中心。

 

我逐渐意识到原因在于玛雅文化中流行的世界观局限性很大。玛雅人将精确的天文数据用于支持占星术,就像人们在19世纪前因为与圣经历史不符而拒绝承认地球年龄的地质学和其他证据。玛雅人还将天体的周期运动和人类历史联系在一起。他们没有为这些数据寻找物理解释,却以此为借口发起战争或是举行活人献祭之类的宗教仪式。

 

我们从中吸取教训了吗?现在科学是否同样受制于文化和社会?在分配大部分研究经费时,大家认为从高质量的数据必将获得有用的科学解释和理论概念,而这些解释和概念又能由将来的数据进行检验和完善。例如,美国国家科学基金会的天文学部就将大部分经费投入到大型设施和大规模巡天计划中。大团队执行这些项目,在主流范式中收集更好的数据。其他领域也是如此,从粒子物理到基因组学,无一例外。

 

封闭的科学文化导致资源浪费和误入歧途的“进步”——苏联的进化生物学就曾走入死胡同。鼓励主流范式外的自由想法,支持对已有数据的多角度理解和收集新数据的其他动机,科学才能真正前进。

 

坐井观天

 

玛雅的宇宙学家拥有很高的社会地位。由于能够预言未来,他们得到了大量支持。而今天,宇宙学家花了几十亿美元在巡天项目中收集大量精确的数据。

 

宇宙大尺度结构的项目包括美国重子振荡光谱巡天和国际暗能量巡天,未来还有美国暗能量光谱仪、欧空局的“欧几里德”计划、美国航空航天局的广域红外巡天望远镜和智利的大型综合巡天望远镜等。而测绘大尺度结构的原初“种子”——微波背景辐射的项目包括欧空局的普朗克卫星、美国南极望远镜,还有阿塔卡马宇宙学望远镜和西蒙斯阵列等国际合作项目。

 

这些项目的目标都很单一——确定理论模型中的参数。这个理论模型称为宇宙学标准模型,它包括由普通物质、暗物质和暗能量组成的膨胀宇宙,模型的初始条件由宇宙早期的极速膨胀阶段——暴胀决定。科学家往往只关心从大量数据中提炼出的几个参数,而对意外发现弃置不顾。

 

我最近在评阅一篇博士论文时意识到了这种偏见。那位博士生被要求检验来自某个大型巡天项目的数据是否与宇宙学标准模型相符。他在发现某处不一致后,却转而论述为什么这组数据不完备。在这样的文化中,现有模型永远不可能被排除,即使每个人都知道我们对暗物质、暗能量和暴胀所知甚少。

 

实验组应以理论中立的方式呈现观测结果:实验观测应当寻找异常现象而不是反复证明某个模型的有效性。对于暗物质、暗能量的本质和宇宙初始条件,这些异常也许能够带来线索。而进一步观测的动机应当是检验异常现象的非常规解释,比如非主流的暗物质形式、修改引力理论。大量数据中也许包括着始料未及的证据。如果所有结果都与预期一致,“宝宝”和“洗澡水”很可能被一起泼掉了。

 

一叶障目

 

每种文化的宇宙观都遵循其信仰,例如数学美或是现实的结构。如果这些观念深植于文化之中,人们往往就会曲解数据——通过添加参数或是进行数学操作强行使数据符合他们的宇宙观。还记得本轮理论在地心说“指导”下的发展历史吗?这一理论由古希腊哲学家托勒密提出,尽管在数学上很优美,然而并不正确。

 

类似地,现代宇宙学也包含数学上非常精巧但未经证实的想法:多重宇宙、人择原理和弦论。这些想法并非凭空出现,科学家希望它们能够解决宇宙学中的棘手难题。例如,实验已经将标准模型中的宇宙学参数测得非常精确,但是我们并不清楚为什么参数要取这些值。“多重宇宙”假设时空中存在很多我们没有“访问权”的区域,而在这些区域中,宇宙学参数的取值很不一样。

 

那为什么我们恰好生活在现在这片区域?科学家常常利用人择原理进行解释。人择原理宣称我们之所以生活于此,是因为其他的参数取值方式不允许类似的生命出现。然而根据分析,在质量是太阳十分之一的恒星周围,10万亿年前存在生命的可能性比地球大1000倍。这意味着地球并非生命最可能出现的地方,即使在我们的宇宙中,生命也可能早已出现。

 

人择原理至今没有实证支持,却“打压”了迫切需要的新尝试:使用其他统一量子力学和引力的理论理解暗能量。别的物理学疑难也暗示着我们尚未找到正确的方向。例如,黑洞通过霍金辐射蒸发时,当初吞噬信息将一并丢失。这和量子力学基本前提——信息守恒相悖,称为“信息佯谬”。另外,现有的暴胀模型要求对宇宙的条件进行精细调节,这也极不自然。

 

发展其他方法才能避免止步不前、只在追逐“本轮”上进行投资。宇宙学标准模型毕竟只是精确地描述了我们的无知:我们不知道暴胀、暗物质和暗能量的本质。这个模型不能很好地解释星系中可见的发光气体和恒星;暗物质和暗能量虽易于计算却并不可见。这种情况显然不尽如人意。

 

建立大型项目、巩固主流观点的趋势是成熟学科的标志,因为唾手可得的成果早已被摘走。反对者争论说,当经费有限时,研究重点应该是可能得到预期结果的那些方法。这种提议没有意识到主流范式也许正朝着错误的方向前进。犯错误的机会比产生真正突破多得多。因此,正如每个风险投资人都知道的那样,进行部分有风险的投资是获取丰厚收益的必要条件。

 

另辟蹊径

 

我们是否走在错误道路上?知道答案的唯一方法是鼓励对已有数据的其他理解方式。

 

很多年来,我都认为资助机构应当提倡对非主流观点进行数据分析。如今改变更是迫在眉睫:对大质量弱相互作用粒子、已知粒子的超对称伴侣等暗物质预期形式的限制越来越严格;检验弦论的希望越来越渺茫。当经费紧缩时,研究前沿应当保持至少两种对数据的理解方式,这样新的实验就将致力于选出其中正确的一种:在处理新的宇宙学数据时,暴胀的替代理论应当得到检验;当主要由暗物质构成的星系的观测性质出现矛盾时,冷暗物质的替代理论也应当得到检验。

 

其他领域同样应该改变资金流向。LIGO 发现黑洞合并后,寻找引力波的全新来源应当受到鼓励。开普勒卫星发现银河系中大约1/4的恒星拥有地球大小的宜居行星,这应当引领新一轮寻找地外生命的努力,包括使用新方法寻找智慧文明。最近,科学家在距离太阳最近的恒星——比邻星附近发现宜居行星,这可以成为宇宙飞船未来的探索目标。

 

在多学科的学术会议上,不同观点间的健康对话应该得到鼓励:不仅仅是实验结果和现象,还有概念问题,这将推动科学健康发展。今年,我有幸参与了哈佛大学“黑洞倡议”的创办,一个让天文学家、物理学家、数学家和哲学家走到一起的跨学科中心。我们发现不同专业的学者互相合作能够培养创新、打破常规。他们已经在时空裸奇点本质、描绘黑洞轮廓和信息佯谬方面提出了一些精彩的见解。

 

这些简单的补救办法将帮助我们摆脱玛雅文明那样可悲的科学命运。

 

翻译 金庄维

审校 紫苏

 

原文链接:http://www.nature.com/news/good-data-are-not-enough-1.20906


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