專(zhuān)訪天文奇才James Gunn：為何能在觀測(cè)、理論、儀器同時(shí)取得矚目成就 | 賽先生天文
普林斯頓大學(xué)的天文學(xué)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(lè)乎，工作間隙還要給家里洗衣機(jī)通下水道的科學(xué)家，是天文界公認(rèn)的奇才。研究天文的人，能同時(shí)涉足觀測(cè)、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(gè)人，可謂天文界的“大三通”。
1965年，他和加州理工的研究生同學(xué)Bruce Peterson共同預(yù)言了Gunn-Peterson效應(yīng)的存在，用遙遠(yuǎn)類(lèi)星體光譜中缺失的中性氫譜線來(lái)限定宇宙第一絲曙光的出現(xiàn)。后來(lái)，Gunn主持設(shè)計(jì)和建造了斯隆數(shù)字巡天項(xiàng)目，用圖像和光譜觀測(cè)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(duì)應(yīng)的類(lèi)星體。
2020年9月，他通過(guò)Zoom接受了《賽先生》特約記者辛玲的專(zhuān)訪。采訪文字分上下兩篇 ，上篇主要談他的成長(zhǎng)經(jīng)歷和斯隆巡天的由來(lái)與趣事，下篇?jiǎng)t聚焦中國(guó)天文及天文學(xué)未來(lái)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。此為上篇。
普林斯頓大學(xué)天文學(xué)家James E. Gunn (2019年攝)
撰 文 | 辛 玲
責(zé) 編 | 韓越揚(yáng) 呂浩然
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Q
您是如何在天文理論、觀測(cè)和儀器這三個(gè)領(lǐng)域都做得如此出色的？
Gunn：大家都喜歡問(wèn)我這個(gè)問(wèn)題，但我一般回答不好（笑）。我覺(jué)得主要應(yīng)該感謝我父親。他是個(gè)常年出野外的地質(zhì)學(xué)家，為一家石油公司工作，二戰(zhàn)期間帶著幾個(gè)人用重力計(jì)四處找石油。哪里顯示重力有異常，就說(shuō)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(dāng)時(shí)是高度復(fù)雜的，戰(zhàn)爭(zhēng)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(jī)修工，既要造儀器，又要做所有的地質(zhì)觀測(cè)。我是他的親兒子（笑），因?yàn)樗?，我從小就?duì)儀器和制造特別感興趣。后來(lái)的發(fā)展就是自然而然了，我覺(jué)得自己沒(méi)在這方面特別努力過(guò)。
Q
除了父親，還有哪些人對(duì)您影響比較深？
Gunn：現(xiàn)在回想起來(lái)主要是老師們的影響。高中數(shù)學(xué)老師沙利文（Ed Sullivan）可能是對(duì)我影響最大的一個(gè)。上大學(xué)以后，我們學(xué)校（譯者注：萊斯大學(xué)，美國(guó)頂尖私立大學(xué)之一，位于德州休斯頓市郊）應(yīng)用數(shù)學(xué)教授道格拉斯（Jim Douglas）對(duì)數(shù)值方法感興趣，對(duì)我影響很深。當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)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(guó)劍橋天文研究所訪學(xué)時(shí)對(duì)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(shí)我一直不知道天文學(xué)家究竟做些什么?；粢翣柕臅?shū)清楚地告訴我天文研究具體要做哪些工作。
我還想提一點(diǎn)，就是我們高中有個(gè)女老師教新聞寫(xiě)作教得特別好。那門(mén)課我學(xué)得還挺好的，但估計(jì)沒(méi)你好。當(dāng)時(shí)真是猶豫了很久要不要走寫(xiě)作這條路。這位女老師對(duì)我的影響也挺大。
Q
您在普林斯頓大學(xué)和加州理工學(xué)院的同事呢？您有一篇弱引力透鏡的文章特別感謝了費(fèi)曼。這背后有什么有趣的故事嗎？
Gunn：確實(shí)有個(gè)好玩的故事。我在加州理工讀博士時(shí)，物理系和天文系的人走得很近。我對(duì)相對(duì)論和引力透鏡很感興趣，而引力透鏡在當(dāng)時(shí)是個(gè)新的研究領(lǐng)域。我聽(tīng)說(shuō)費(fèi)曼（Richard Feynman）最近也在搞相對(duì)論，就想去找他聊一聊。
到了我們約好的見(jiàn)面時(shí)間，我敲開(kāi)了他辦公室的門(mén)。我手臂下面夾著一疊計(jì)算機(jī)打印紙，那個(gè)時(shí)候的打印紙?zhí)貏e大，我很喜歡用它們來(lái)做計(jì)算，因?yàn)槊娣e夠大不用老換頁(yè)。結(jié)果費(fèi)曼看到了，差點(diǎn)直接把我扔出去。因?yàn)樗麉拹河?jì)算機(jī)，認(rèn)為計(jì)算機(jī)會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)不再思考。他還以為我要跟他討論計(jì)算機(jī)程序！其實(shí)我是要給他看紙上的筆記。解釋清楚后就好了，我們進(jìn)行了愉快的討論。后來(lái)我還去找過(guò)費(fèi)曼幾次，他還是我博士畢業(yè)考試委員會(huì)的成員。他問(wèn)的問(wèn)題都很有水平，還好我都答上來(lái)了。
Q
您好像沒(méi)有發(fā)表過(guò)您的博士論文？
Gunn：是的。大概在我寫(xiě)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(jiǎng)得主）發(fā)表了他第一篇關(guān)于星系兩點(diǎn)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(gè)問(wèn)題：“如果宇宙中某個(gè)位置有個(gè)星系，那么在附近發(fā)現(xiàn)另一個(gè)星系的可能性有多大？”這個(gè)函數(shù)叫做兩點(diǎn)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(wèn)題。當(dāng)時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我假設(shè)它是一個(gè)高斯函數(shù)（Gaussian）或幾個(gè)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(shí)到，把我的高斯函數(shù)疊加起來(lái)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(xiàng)目（Sloan Digital Sky Survey, SDSS）做出了極其關(guān)鍵的貢獻(xiàn)。您的靈感來(lái)自于何處？
Gunn：CCD相機(jī)被引入天文學(xué)后我就一直關(guān)注它們。它們尺寸很小，只能對(duì)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(gè)巡天項(xiàng)目，比如和荷蘭人施密德（Maarten Schmidt）合作的高紅移類(lèi)星體巡天，但當(dāng)時(shí)的設(shè)備明顯還是太小了。
1983年，James Gunn與荷蘭天文學(xué)家施密德（Maarten Schmidt）在海爾望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)室用四攝像頭的相機(jī)通過(guò)巡天尋找高紅移類(lèi)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(lái)用在哈勃望遠(yuǎn)鏡上的寬視場(chǎng)相機(jī)。其中最重要的部分之一就是CCD相機(jī)，而CCD相機(jī)技術(shù)此前從來(lái)沒(méi)有在空間使用過(guò)。為此，我和韋斯特法爾鉆研了很多技術(shù)，也認(rèn)識(shí)了一些工業(yè)界的人。有一次，泰克公司一個(gè)叫布勞克（Morley Blouke）的人來(lái)到韋斯特法爾的辦公室，向我倆展示了他最新研制的邊長(zhǎng)為2.5英寸（6.35厘米）的CCD相機(jī)，我立刻意識(shí)到這種技術(shù)要火。布勞克后來(lái)研發(fā)了哈勃上的CCD相機(jī)。
我開(kāi)始想怎么能把這種CCD用到巡天上，因?yàn)樗鼘?duì)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(shí)開(kāi)始形成。不久后，基特峰天文臺(tái)（Kitt Peak Observatory）舉辦了一場(chǎng)研討會(huì)，請(qǐng)大家商量來(lái)怎么使用他們新買(mǎi)的3.5米口徑的望遠(yuǎn)鏡。在開(kāi)會(huì)時(shí)，我意識(shí)到這種輕型高技術(shù)望遠(yuǎn)鏡與CCD相機(jī)簡(jiǎn)直是為了巡天而生的天作之合。然后我花了整整一年時(shí)間思考怎么進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)、光譜儀設(shè)計(jì)等，斯隆的想法也逐漸成熟起來(lái)。
Q
開(kāi)始時(shí)，您把斯隆的成本低估了至少一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是為什么？
Gunn：因?yàn)槲液苌?span style="color: rgb(136, 136, 136); box-sizing: border-box;">（大笑）！科學(xué)家做成本預(yù)測(cè)都不太靠譜，因?yàn)闆](méi)有接受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練。斯隆的每一項(xiàng)成本都比我們估計(jì)的要高。比如CCD相機(jī)，泰克公司本來(lái)估了一個(gè)成本價(jià)，但后來(lái)研發(fā)投入大大增加，我們最終購(gòu)買(mǎi)時(shí)的價(jià)格是估算的三倍。望遠(yuǎn)鏡的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格是估算價(jià)的兩倍。最傻的一點(diǎn)是我們以為一些關(guān)鍵工作，包括軟件開(kāi)發(fā)、文檔處理等，都會(huì)由參加斯隆研發(fā)的大學(xué)科研人員和研究生們免費(fèi)完成。我們天真地以為斯隆的工作這么有趣，大家肯定會(huì)去做——現(xiàn)在想想挺好笑。后來(lái)我們必須花錢(qián)雇人去做這些事，而人力是很貴的。還有一點(diǎn)，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(gè)前所未有的項(xiàng)目，所以很容易在資金和時(shí)間上做出錯(cuò)誤估計(jì)。
但是我覺(jué)得算錯(cuò)成本有一點(diǎn)好處。要是一開(kāi)始就知道要花那么多錢(qián)，估計(jì)這項(xiàng)目也不會(huì)得到資助了（笑）！
Q
在斯隆的設(shè)計(jì)過(guò)程中，科學(xué)家和工程師們有沒(méi)有矛盾？
Gunn：矛盾一直都有，需要尋找平衡。科學(xué)家們總想做更多更好的科學(xué)，而工程師們求穩(wěn)，只想做確定能做成的事。其實(shí)斯隆還有另外一個(gè)貫穿始終的問(wèn)題，就是大學(xué)和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室做事的方式非常不同，兩者的“文化沖突”不時(shí)上演，有時(shí)還到了相當(dāng)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(jī)包括8個(gè)CCD恒溫器（黑盒子）和54個(gè)由泰克公司研發(fā)的大型CCD。
Q
您主要在普林斯頓大學(xué)和加州理工學(xué)院工作，這兩所大學(xué)的天文系都是世界頂尖的。您覺(jué)得它們的主要區(qū)別在哪里？
Gunn：區(qū)別相當(dāng)大。很多年來(lái)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(yuǎn)鏡（Hale Telescope）而誕生的。大家都知道，天文學(xué)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(tái)。后來(lái)，他從洛克菲勒集團(tuán)籌到建設(shè)海爾望遠(yuǎn)鏡的錢(qián)，但因?yàn)榭▋?nèi)基和洛克菲勒這兩個(gè)有錢(qián)人互相不對(duì)付，所以海爾望遠(yuǎn)鏡不能在威爾遜天文臺(tái)安家。那時(shí)，離大名鼎鼎的威爾遜天文臺(tái)不遠(yuǎn)的帕薩迪納鎮(zhèn)上有個(gè)小小的、名不見(jiàn)經(jīng)傳的技術(shù)學(xué)院，叫加州理工學(xué)院。海爾決定在加州理工學(xué)院創(chuàng)建天文系，主持海爾望遠(yuǎn)鏡的建造工作。加州理工的天文系就是這樣來(lái)的，帶有一定政治色彩，也從一開(kāi)始就更注重觀測(cè)。當(dāng)然，后來(lái)普林斯頓的觀測(cè)也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中就有斯隆的功勞。另外我覺(jué)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(duì)近年來(lái)天文學(xué)的發(fā)展?jié)M意嗎？
Gunn：非常滿(mǎn)意。我對(duì)斯隆巡天取得的成就極其欣喜，天文學(xué)整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展也令人驚嘆。上世紀(jì)六十年代我剛開(kāi)始做天文的時(shí)候，我們對(duì)宇宙距離的認(rèn)識(shí)仍不確定，不同天文學(xué)家給的答案有兩倍的差別，宇宙的年齡也是如此?，F(xiàn)在呢？大家在為百分之一的精度而爭(zhēng)論不休 ?？梢?jiàn)我們對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)大大地進(jìn)步了。當(dāng)然，完全不懂的事情還是有很多。可以說(shuō)，我們每做出一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，就能問(wèn)出兩個(gè)新問(wèn)題，這個(gè)始終沒(méi)變。
另外一個(gè)巨大的進(jìn)步——我認(rèn)為斯隆是主要推動(dòng)力之一——就是天文研究的合作性大大加強(qiáng)了。我剛開(kāi)始做天文時(shí)，天文學(xué)家基本都是各自為政。找個(gè)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)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(gè)人合作，就像一個(gè)個(gè)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(lái)做，而且是越開(kāi)放越好，因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)保密的話(huà)別人就沒(méi)法幫助你了。從一開(kāi)始，斯隆就全力推動(dòng)這種開(kāi)放性和合作關(guān)系，取得了很好的效果。我想，這一點(diǎn)或許比斯隆數(shù)據(jù)本身對(duì)天文學(xué)的貢獻(xiàn)還要大。
本文圖片均由James Gunn提供。
參考文獻(xiàn)
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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