專訪天文奇才James Gunn：為何能在觀測、理論、儀器同時取得矚目成就 | 賽先生天文
普林斯頓大學的天文學家James Gunn今年82歲了。黑框眼鏡，花白胡須，思維敏捷，談吐謙遜。這位每天忙得不亦樂乎，工作間隙還要給家里洗衣機通下水道的科學家，是天文界公認的奇才。研究天文的人，能同時涉足觀測、理論、儀器的已經(jīng)不多，在三大領(lǐng)域里都取得矚目成就的就更是鳳毛麟角了。而Gunn就是這樣的一個人，可謂天文界的“大三通”。
1965年，他和加州理工的研究生同學Bruce Peterson共同預言了Gunn-Peterson效應(yīng)的存在，用遙遠類星體光譜中缺失的中性氫譜線來限定宇宙第一絲曙光的出現(xiàn)。后來，Gunn主持設(shè)計和建造了斯隆數(shù)字巡天項目，用圖像和光譜觀測精確繪制了星系世界的整體面貌，并在2001年首次用斯隆巡天找到了與Gunn-Peterson效應(yīng)對應(yīng)的類星體。
2020年9月，他通過Zoom接受了《賽先生》特約記者辛玲的專訪。采訪文字分上下兩篇 ，上篇主要談他的成長經(jīng)歷和斯隆巡天的由來與趣事，下篇則聚焦中國天文及天文學未來發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。此為上篇。
普林斯頓大學天文學家James E. Gunn (2019年攝)
撰 文 | 辛 玲
責 編 | 韓越揚 呂浩然
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Q
您是如何在天文理論、觀測和儀器這三個領(lǐng)域都做得如此出色的？
Gunn：大家都喜歡問我這個問題，但我一般回答不好（笑）。我覺得主要應(yīng)該感謝我父親。他是個常年出野外的地質(zhì)學家，為一家石油公司工作，二戰(zhàn)期間帶著幾個人用重力計四處找石油。哪里顯示重力有異常，就說明腳下的巖石密度不一樣，那里就可能埋著石油。他們用的儀器在當時是高度復雜的，戰(zhàn)爭期間也弄不到配件，壞了只能自己修。所以我父親既是理論家，又是機修工，既要造儀器，又要做所有的地質(zhì)觀測。我是他的親兒子（笑），因為他，我從小就對儀器和制造特別感興趣。后來的發(fā)展就是自然而然了，我覺得自己沒在這方面特別努力過。
Q
除了父親，還有哪些人對您影響比較深？
Gunn：現(xiàn)在回想起來主要是老師們的影響。高中數(shù)學老師沙利文（Ed Sullivan）可能是對我影響最大的一個。上大學以后，我們學校（譯者注：萊斯大學，美國頂尖私立大學之一，位于德州休斯頓市郊）應(yīng)用數(shù)學教授道格拉斯（Jim Douglas）對數(shù)值方法感興趣，對我影響很深。當時的計算機是極其原始的那種。還有就是大一教我們物理課的羅夏老師（Bud Rorschach）。這兩位老師看我多少有些潛力，都很支持我。
還有就是著作的影響。比如我在英國劍橋天文研究所訪學時對弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle）有了初步了解。雖然從小就喜歡天文，其實我一直不知道天文學家究竟做些什么。霍伊爾的書清楚地告訴我天文研究具體要做哪些工作。
我還想提一點，就是我們高中有個女老師教新聞寫作教得特別好。那門課我學得還挺好的，但估計沒你好。當時真是猶豫了很久要不要走寫作這條路。這位女老師對我的影響也挺大。
Q
您在普林斯頓大學和加州理工學院的同事呢？您有一篇弱引力透鏡的文章特別感謝了費曼。這背后有什么有趣的故事嗎？
Gunn：確實有個好玩的故事。我在加州理工讀博士時，物理系和天文系的人走得很近。我對相對論和引力透鏡很感興趣，而引力透鏡在當時是個新的研究領(lǐng)域。我聽說費曼（Richard Feynman）最近也在搞相對論，就想去找他聊一聊。
到了我們約好的見面時間，我敲開了他辦公室的門。我手臂下面夾著一疊計算機打印紙，那個時候的打印紙?zhí)貏e大，我很喜歡用它們來做計算，因為面積夠大不用老換頁。結(jié)果費曼看到了，差點直接把我扔出去。因為他厭惡計算機，認為計算機會導致人類不再思考。他還以為我要跟他討論計算機程序！其實我是要給他看紙上的筆記。解釋清楚后就好了，我們進行了愉快的討論。后來我還去找過費曼幾次，他還是我博士畢業(yè)考試委員會的成員。他問的問題都很有水平，還好我都答上來了。
Q
您好像沒有發(fā)表過您的博士論文？
Gunn：是的。大概在我寫完博士論文后一年半，吉姆·皮布爾斯（譯者注：Jim Peebles，2019年諾貝爾物理獎得主）發(fā)表了他第一篇關(guān)于星系兩點相關(guān)函數(shù)（two-point correlation function of galaxies）的論文。他的文章回答了這樣一個問題：“如果宇宙中某個位置有個星系，那么在附近發(fā)現(xiàn)另一個星系的可能性有多大？”這個函數(shù)叫做兩點相關(guān)函數(shù)，符合冪次定律。而這也正是我博士論文研究的問題。當時為了簡化計算，我假設(shè)它是一個高斯函數(shù)（Gaussian）或幾個高斯函數(shù)之和。直到皮布爾斯發(fā)表了論文以后我才意識到，把我的高斯函數(shù)疊加起來就構(gòu)成了冪次定律，和皮布爾斯的結(jié)論一模一樣。這是皮布爾斯最著名的成果之一，而我本可以在他之前發(fā)表。
Q
您為斯隆數(shù)字巡天項目（Sloan Digital Sky Survey, SDSS）做出了極其關(guān)鍵的貢獻。您的靈感來自于何處？
Gunn：CCD相機被引入天文學后我就一直關(guān)注它們。它們尺寸很小，只能對很小的一片天區(qū)成像，而我始終想做巡天。我們也試了幾個巡天項目，比如和荷蘭人施密德（Maarten Schmidt）合作的高紅移類星體巡天，但當時的設(shè)備明顯還是太小了。
1983年，James Gunn與荷蘭天文學家施密德（Maarten Schmidt）在海爾望遠鏡的觀測室用四攝像頭的相機通過巡天尋找高紅移類星體。
1986年，我跟加州理工的同事韋斯特法爾（Jim Westphal）一起研究后來用在哈勃望遠鏡上的寬視場相機。其中最重要的部分之一就是CCD相機，而CCD相機技術(shù)此前從來沒有在空間使用過。為此，我和韋斯特法爾鉆研了很多技術(shù)，也認識了一些工業(yè)界的人。有一次，泰克公司一個叫布勞克（Morley Blouke）的人來到韋斯特法爾的辦公室，向我倆展示了他最新研制的邊長為2.5英寸（6.35厘米）的CCD相機，我立刻意識到這種技術(shù)要火。布勞克后來研發(fā)了哈勃上的CCD相機。
我開始想怎么能把這種CCD用到巡天上，因為它對大天區(qū)成像和光譜成像都是非常理想的器材。斯隆的想法從那時開始形成。不久后，基特峰天文臺（Kitt Peak Observatory）舉辦了一場研討會，請大家商量來怎么使用他們新買的3.5米口徑的望遠鏡。在開會時，我意識到這種輕型高技術(shù)望遠鏡與CCD相機簡直是為了巡天而生的天作之合。然后我花了整整一年時間思考怎么進行光學設(shè)計、光譜儀設(shè)計等，斯隆的想法也逐漸成熟起來。
Q
開始時，您把斯隆的成本低估了至少一個數(shù)量級。這是為什么？
Gunn：因為我很傻（大笑）！科學家做成本預測都不太靠譜，因為沒有接受過專業(yè)訓練。斯隆的每一項成本都比我們估計的要高。比如CCD相機，泰克公司本來估了一個成本價，但后來研發(fā)投入大大增加，我們最終購買時的價格是估算的三倍。望遠鏡的購買價格是估算價的兩倍。最傻的一點是我們以為一些關(guān)鍵工作，包括軟件開發(fā)、文檔處理等，都會由參加斯隆研發(fā)的大學科研人員和研究生們免費完成。我們天真地以為斯隆的工作這么有趣，大家肯定會去做——現(xiàn)在想想挺好笑。后來我們必須花錢雇人去做這些事，而人力是很貴的。還有一點，就是斯隆的研發(fā)周期大大超出我們的想象。我們以為兩三年就可以上天了，結(jié)果花了十年。斯隆是個前所未有的項目，所以很容易在資金和時間上做出錯誤估計。
但是我覺得算錯成本有一點好處。要是一開始就知道要花那么多錢，估計這項目也不會得到資助了（笑）！
Q
在斯隆的設(shè)計過程中，科學家和工程師們有沒有矛盾？
Gunn：矛盾一直都有，需要尋找平衡?？茖W家們總想做更多更好的科學，而工程師們求穩(wěn)，只想做確定能做成的事。其實斯隆還有另外一個貫穿始終的問題，就是大學和國家實驗室做事的方式非常不同，兩者的“文化沖突”不時上演，有時還到了相當難看（nasty）的程度。好在我們克服了這些困難。
斯隆CCD研發(fā)組主要成員，左起：James Gunn, Connie Rockosi, Mike Carr。相機包括8個CCD恒溫器（黑盒子）和54個由泰克公司研發(fā)的大型CCD。
Q
您主要在普林斯頓大學和加州理工學院工作，這兩所大學的天文系都是世界頂尖的。您覺得它們的主要區(qū)別在哪里？
Gunn：區(qū)別相當大。很多年來普林斯頓天文系都是以理論研究為主。而加州理工的天文系是因建造海爾望遠鏡（Hale Telescope）而誕生的。大家都知道，天文學家海爾先是在卡內(nèi)基研究所的資助下建成了威爾遜天文臺。后來，他從洛克菲勒集團籌到建設(shè)海爾望遠鏡的錢，但因為卡內(nèi)基和洛克菲勒這兩個有錢人互相不對付，所以海爾望遠鏡不能在威爾遜天文臺安家。那時，離大名鼎鼎的威爾遜天文臺不遠的帕薩迪納鎮(zhèn)上有個小小的、名不見經(jīng)傳的技術(shù)學院，叫加州理工學院。海爾決定在加州理工學院創(chuàng)建天文系，主持海爾望遠鏡的建造工作。加州理工的天文系就是這樣來的，帶有一定政治色彩，也從一開始就更注重觀測。當然，后來普林斯頓的觀測也獲得了長足的進步，其中就有斯隆的功勞。另外我覺得加州理工的政治氣息和壓力都比普林斯頓大得多。
Q
您對近年來天文學的發(fā)展?jié)M意嗎？
Gunn：非常滿意。我對斯隆巡天取得的成就極其欣喜，天文學整個領(lǐng)域的發(fā)展也令人驚嘆。上世紀六十年代我剛開始做天文的時候，我們對宇宙距離的認識仍不確定，不同天文學家給的答案有兩倍的差別，宇宙的年齡也是如此。現(xiàn)在呢？大家在為百分之一的精度而爭論不休 。可見我們對問題的認識大大地進步了。當然，完全不懂的事情還是有很多?？梢哉f，我們每做出一個新發(fā)現(xiàn)，就能問出兩個新問題，這個始終沒變。
另外一個巨大的進步——我認為斯隆是主要推動力之一——就是天文研究的合作性大大加強了。我剛開始做天文時，天文學家基本都是各自為政。找個望遠鏡觀測若干晚上，獲得數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)帶回家自己慢慢分析。即使是合作，也最多和一兩個人合作，就像一個個孤島。而斯隆巡天表明：天文需要不同技術(shù)、不同視角、不同能力的人聚集到一起來做，而且是越開放越好，因為對數(shù)據(jù)保密的話別人就沒法幫助你了。從一開始，斯隆就全力推動這種開放性和合作關(guān)系，取得了很好的效果。我想，這一點或許比斯隆數(shù)據(jù)本身對天文學的貢獻還要大。
本文圖片均由James Gunn提供。
參考文獻
Finkbeiner, A. (2019). The Astronomer Who’d Rather Build Space Cameras. Quanta Magazine, retrieved on Oct. 3, 2020 from https://www.quantamagazine.org/jim-gunn-the-astronomer-whod-rather-build-space-cameras-20190418/#
Gunn, J. E. (2020). Jack of All. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 58: 1-25. Retrieved on Oct. 3, 2020 from https://www.annualreviews.org/doi/pdf/10.1146/annurev-astro-112119-041947
Wikipedia. James Gunn (astronomer). Retrieved on Oct. 3, 2020 from https://en.wikipedia.org/wiki/James_Gunn_(astronomer)
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