天文學家看紅岸基地是什麼體驗？【科幻V計劃3】_風聞

原創：中科院物理所

直播間現場：從左至右分別是主持人白睿，嘉賓苟利軍、劉茜、上官子糧、劉東宇

2023年3月12號，我們邀請到了《三體》電視劇天文組科學顧問、國家天文台研究員苟利軍做客直播間。另外，我們還特別邀請了國家天文台沙河科普基地科普主管劉東宇，北京天文館研究員劉茜，北京航天自動控制研究所軟件室副主任上官子糧，為我們一同解讀電視劇中的天文學知識。

苟利軍在《三體》電視劇中參與天文組顧問工作

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嘉賓們對科幻文化有什麼看法？

**苟利軍：**我很喜歡科幻文化，在這種興趣愛好的引導下我考入了南京大學的天文系，後來也出國繼續深造天文。

苟利軍參與《三體》科學顧問會

**劉茜：**我在北京天文館工作，本職工作是做科普。我覺得科幻作品對科學普及很有作用，有時候比我們正兒八經講課還有效。比如我小時候就很喜歡波蘭科幻作家萊姆的作品。科幻小説在某種意義上是為我們人類設想一個未來的方案，比如科技應該朝哪些方向進化，我們的一些觀念也應該如何演變。

**上官子糧：**我從小就擁有一個典型男孩子的夢想——當科學家。我在高一的時候參加了一個PPT製作的比賽，我做了一個講太陽系的。在這個過程中，我第一次認識到太陽系如此之大，太陽足足有地球的130萬倍大，這個數據讓我很震驚。從那時候起我堅定了對科學的熱愛。

我後來進入了北京航空航天大學，也就是《三體》中雲天明和程心的母校。畢業後我進入航天領域，在同事的推薦下讀了《球狀閃電》和《三體》。那時候我還有個同事，他的父親在娘子關發電廠，跟劉慈欣是同事，他跟我講了很多劉慈欣的故事。我覺得真的很奇妙。

**劉東宇：**我從小就關注劉慈欣的作品，在我讀小學的時候（90年代中葉）就開始看《科幻世界》雜誌，在劉慈欣還沒有破圈的時候我就是他的忠實粉絲。那個時候科幻還是個小圈子，我想去跟同學朋友們分享的時候，大家都不知道科幻是什麼。現在過了十幾年的發展，我很自豪能夠看到國產科幻作品越來越多地進入到公眾話題中。我在國家天文台沙河科普基地做科普工作的時候，發現很多公眾瞭解天文的切入點也是科幻小説。

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現實中的天文學家是怎麼用望遠鏡做觀測的？

**苟利軍：**望遠鏡接收的信號在天文學中叫射電，當然大眾點的説法也叫無線電波。首先它的頻譜非常寬，這導致有的望遠鏡孔徑很大，有的很小，因為它們所觀測的波段不同。其次，有些望遠鏡是單個的，而有些會是陣列的，共同組成一個大的望遠鏡。比如FAST，它是一個大的單口徑望遠鏡，又比如EHT（事件視界望遠鏡），它可以通過聯網的方式組成一個口徑相當於地球直徑級別的望遠鏡。

由66台天線組成的ALMA（阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡）

事件視界望遠鏡2017年成員 | 圖源：NRAO/AUI/NSF

**劉茜：**望遠鏡陣列的綜合口徑相當於構成陣列的望遠鏡的最遠距離，這項技術獲得了1974年的諾貝爾獎，能大幅提高望遠鏡的分辨率。還有一個指標就是這些望遠鏡的總面積，總面積越大，接收到的信號就越多，照片的亮度也就越大。分辨率和亮度兩者結合，才能得到一張好的照片。

**劉東宇：**説到天文觀測，我想補充一下。中國的射電天文學起步於1958年，當時海南島附近有一次日全食，我們中科院北京天文台籌備組和蘇聯專家就去搞了一次聯合觀測。觀測結束後，蘇聯專家留下了兩台射電望遠鏡的天線，我們就運回北京的沙河工作站，隨後也舉辦了國內的第一次射電天文觀測培訓班。這可以説是我們當代中國射電天文學的開端之一。

在1978年改革開放後，國家開始招收天文系研究生，南仁東就是其中之一，他在我們的沙河站完成了研究生的學習，並開始構思中國天眼這麼一個偉大的計劃。

中國天眼FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）

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劇中沙瑞山説地面觀測設備都是“聾子的耳朵”，因為觀測設備被現代通訊網絡干擾了，現實中我們有什麼手段能避免這種干擾？

**苟利軍：**這種影響還是蠻大的，比如美國的星鏈衞星，就對射電波段和光學波段都有很大幹擾，國際天文學聯合會已經在正視這類問題了。

**劉茜：**空間資源是屬於全人類的，但是資源具體是怎麼分配和使用，這是需要討論的問題。

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劇中沙瑞山説他的觀測不用地面望遠鏡，而是用空間衞星。現實中我們有這方面的應用嗎？

**苟利軍：**地面除了通訊干擾還有大氣，現在的地面望遠鏡可以使用自適應光學系統來矯正大氣擾動，但做起來很複雜。

**劉茜：**地球大氣會阻礙一些電磁波來到地面，這些被吸收的波段我們就沒法在地面觀測。另外，如果我們把視角侷限在地面的話，那麼由於地球和其他天體的相互位置關係，有一些角度是看不到的，比如我想看月球的極區，就必須要用探測器從另一個角度觀察。

**上官子糧：**我們國家早期航天還沒發展起來的時候，就已經在嘗試用高空探測氣球去大氣層邊緣觀測。隨着我們國家越來越強大，我們發射衞星的頻率越來越高，90年代我們就已經將望遠鏡搭載到衞星上做輔助天文觀測，之後像夸父一號、慧眼號、悟空號等等，都能擴大我們的觀測視野。未來我們將看到更多的太空觀測衞星在中國航天的幫助下順利升空。

夸父一號

**劉東宇：**剛剛我們聊到地面觀測噪聲，其實我們可以把望遠鏡搬到月球背面。那裏是相當好的電磁寧靜區，地球上發出的電磁波會被月球擋掉，這樣信噪比會有很大的提升。

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嘉賓們對劇中所展現的宇宙閃爍和3K眼鏡有什麼解讀？

**劉茜：**電視劇中設定汪淼觀測宇宙閃爍的道具是從北京天文館借的，但我想説的是，北京天文館確實沒有3K眼鏡。但是我們確實有3K宇宙微波背景輻射的展館，未來我們也會引進AR眼鏡給大家更豐富的體驗。不過這種將不可見的3K微波轉換成可見的紅光，很像天文學家將引力波轉換成聲波讓大家聽到一樣。

宇宙微波背景輻射是宇宙第一次能被我們看到的那個瞬間留下的一張快照，然後經過上百億年的膨脹，被拉伸成了我們現在所看到的模樣。我們有一個球幕天文電影叫《宇宙大爆炸》，宇宙早期所有的物質都是等離子態，光子在裏面會被無數的帶電粒子反彈，所以看起來是不透明的，然後當它膨脹冷卻到光子可以自由穿行時，我們就能看到了。

**苟利軍：**我再做點補充，我們的宇宙誕生於一次大爆炸，在大爆炸後38萬年，宇宙從光學厚的狀態變成光學薄的狀態，裏面的光子一下都逃了出來，這個時候光的波長是近紅外波段的，隨着宇宙膨脹它被逐漸拉伸到微波波段。

宇宙微波背景輻射頻譜

**劉東宇：**其實以前接收天線信號的收音機或電視機，它所收到的白噪聲和白雪花，有一部分就來自於宇宙微波背景輻射。

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電視劇對紅岸基地的展現符合我們早期天文台的樣貌嗎？

劉東宇：劇中葉文潔用到了1979年的《中國天文年曆》，今天我帶了兩本過來，我們用得更多的是中國天文年曆測繪專用版。

我們比較了劇裏的數據表和書裏的數據表，發現劇中所查的木星位置的數據是專門被特別調整過的，能夠貼合劇情設定，所以劇組還是相當用心的。

《三體》電視劇劇照

另外劇中的打孔紙帶也是很還原的，那個年代數據的存儲方式就是這種打孔紙帶。包括那時候也是用打孔紙帶來輸入觀測目標的座標。紙帶如果斷了的話，也有專門的設備去把它接回去。

劇中紅岸基地的望遠鏡也很像我們興隆觀測站的2.16米望遠鏡，它是一個通用的光學望遠鏡。

**苟利軍：**它曾今是國內口徑最大的光學望遠鏡。目前國內最大的光學望遠鏡是位於雲南麗江觀測站的2.4米口徑望遠鏡。而早在上個世紀，美國的胡克望遠鏡就已經能達到2.5米口徑了，目前國際最大的已經達到了10米口徑。國內的紅外望遠鏡目前也是一個空白，所以我們還有很大的空間去追趕。

2.4米望遠鏡 | 圖源：中科院雲南天文台

**劉東宇：**劇中的示波器也很像我們七八十年代沙河站用的設備，那時候基本上都已經國產化了，現在都已經數字化了。

左右為實拍，中間為劇照

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劇中葉文潔用太陽作為信號放大器向外星文明發送信號，現實中有這種可能性嗎？

**苟利軍：**我覺得可能性很小。

**劉東宇：**所有的科幻作品都有些技術設定，是真真假假摻和在一起的。如果完全真實的話，那就不叫科幻了，沒有這個設定的話故事也很難開展。

**上官子糧：**但這裏頭的設定還是蠻詳細的，包括太陽有對流層和輻射層，每個層都對電波有什麼樣的作用，這就給人帶來一種真實感。很多人評價劉慈欣，説他的小説寫得像新聞報道一樣。

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現實中的天文學家對太陽做了哪些研究？我們瞭解到國家天文台懷柔觀測基地是專門做太陽觀測的，能為我們解讀下它的觀測數據嗎？

**劉茜：**太陽內部是高温等離子態，它就像早期宇宙一樣是不透明的，我們能夠看到的是它表面的光球層、色球層和日冕層。

然後在懷柔觀測基地的網站我們可以看到近5天的觀測結果，上下兩行是太陽磁場，中間一行是對太陽表面氣體的氫的656.2nm發光譜線的觀測。太陽磁場磁力線扭結的地方會阻礙熱量從內向外的傳輸，這就會形成一塊低温區，也就是太陽黑子。

近5天對太陽的觀測結果 | 圖源：國家天文台懷柔觀測基地

太陽活動會對我們人類的生活產生巨大影響，較輕的會干擾衞星通訊，嚴重的話就是日冕物質拋射，如果拋射的方向正朝着地球，那就電子元件可能都會損壞。

**苟利軍：**我們的太陽觀測裝置一般都位於水邊，比如懷柔觀測基地就在懷柔水庫邊上。因為它可以起到穩定大氣的作用，提高視寧度。然後國內也發射了很多專門觀測太陽的衞星，比如剛剛提到的夸父一號。

懷柔觀測基地

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紅岸基地能觀測到半人馬座α三星系統嗎？

**白睿：**劇中的三體星在現實中其實是有照應的，就是半人馬座α三星系統，它距離地球確實4.2光年。但這個三星系統位於赤緯60°S~63°S。如果我們站在40°N的北京觀測它，會發現它只在南天極附近打轉而無法從地平線上升起。那麼位於大興安嶺的紅岸基地是不是就更不能看到它了？如果要修改這個bug，嘉賓們會怎麼做？

**劉東宇：**是的，這説明半人馬座α三星系統應該在紅岸基地的恆隱圈裏。要修改它可以往南走，考慮到大型望遠鏡自身的仰角，這個觀測位置得到北緯20°左右，也就是北迴歸線南邊。

編輯注：這就好像北極熊永遠也看不見南十字座，澳大利亞的袋鼠也看不見北斗七星一樣。

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目前半人馬座α三星系統是恆紀元還是亂紀元？

**劉茜：**目前而言還算比較穩定，因為其中比鄰星（半人馬座αC）的質量比另外兩顆小，而且離另兩顆更遠，所以目前看起來是比鄰星圍繞着半人馬座αAB雙星系統做較規律的轉動。

黃色為A，橙色為B，紅色為C

但這個規律是以人類文明的尺度而言的，如果以宇宙尺度來看，它終歸是混亂的。其實太陽系在宇宙尺度上看也是混亂的，只是目前以人類文明的視角來看它是穩定的。

**白睿：**所以其實我們自己也可能處於一個亂紀元中，比如我們的天文曆法也是在不斷修正演化才能適應新的規律。

**苟利軍：**是的，比如月球目前在以每年4釐米的速度遠離我們，地球自轉也在不斷變慢，這在幾十億年的尺度下看也是相當可觀的變化。

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我們可以研發一個自解譯系統來聯繫外星文明嗎？

**劉東宇：**這在歷史上是有的，比如1974年美國就朝武仙座M13球狀星團發射了無線電波，因為發射信息用的是阿雷西博望遠鏡，所以它也稱為阿雷西博信息。它需要傳播上萬年才能抵達目標星系。

**劉茜：**其實阿雷西博信息我也看不懂，每次都得現查。但我想説的是，它是以電磁波的形式用二進制編碼發出去的，本身並不攜帶顏色信息，所以現在我們看到的這張圖其實已經是被解譯了一部分了。

**苟利軍：**我們看左邊和中間的兩幅圖，它們和阿雷西博信息不同，是以實體物質的形式承載信息的。再仔細看的話你會發現它們都有兩個小圈，代表氫分子的21cm特徵波長。然後15根輻射狀的線，代表地球附近的脈衝星，可以方便外星人定位我們。

**白睿：**也就是暴露我們的座標。我來揭曉一下阿雷西博信息——第一行十個白色塊的組合是用二進制的方式告訴外星人我們使用的是十進制；再下來的紫色是告訴外星人我們人體的五大元素H、C、N、O、P；再下來的12個綠塊代表構成我們DNA的四種鹼基、磷酸鹽和脱氧核糖，藍色部分代表雙螺旋結構，白色是一個二進制數，代表當時人類認識到的基因組的數目；再下來是人體的平均身高和當時的全球人口總數；再下來的黃色塊代表太陽系；最後的紫色塊代表阿雷西博望遠鏡，下面的白色塊也是二進制數，代表它的口徑有306米。

對這幅圖我和同學們一致評價都看不懂，外星人大概也看不懂。

**上官子糧：**圖中中間那個攜帶金唱片的有旅行者1號和旅行者2號，它們可以説是航天史上的奇蹟，因為在飛出太陽系的過程中用了四五次引力彈弓。以前我們嫦娥三號要到達月球，也需要藉助地球自身的引力彈弓效應甩到第二宇宙速度，現在我們有長征五號，可以直接把載荷運到地月轉移軌道。

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嘉賓們相信有外星人嗎？對德雷克所提出的綠岸公式有什麼看法？

綠岸公式（又稱德雷克公式）

苟利軍：它是把很多不確定因素都放到了一起，只能説我們可以預估有很多的地外文明，但到目前為止我們都沒有觀測到。另外，之所以它會被稱為綠岸公式，是因為有一台射電望遠鏡就叫綠岸望遠鏡。

剛剛提到的阿雷西博信息，德雷克也是設計者之一

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三星系統也有穩定解，比如拉格朗日點，它是其中一個天體的質量相對另兩個天體可以忽略不計的時候存在的一個穩定點。嘉賓們能講講這個特殊的穩定解嗎？

《三體》電視劇劇照

**苟利軍：**比如下圖中標的日地拉格朗日點，它一共有5個，小天體在這5個地方可以比較穩定地運轉。比如前年升空的韋布望遠鏡，就懸停在日地日地拉格朗日點L2。嫦娥四號的中繼衞星鵲橋，就懸停在地月拉格朗日點L2。

**劉茜：**在太陽和木星的拉格朗日點L4和L5附近也有兩個小行星羣，叫特洛伊小行星羣，這也説明拉格朗日點的穩定性。

特洛伊小行星羣，在木星前的叫“希臘羣”，在木星後的叫“純特洛伊羣”

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宇宙有邊界嗎？科學有邊界嗎？

**苟利軍：**我個人理解這個邊界更多的是一種工具手段的瓶頸，而每一次科學的爆發都是由突破了某個瓶頸引發的。所以我認為並不存在邊界，我們對於未知的探索是永無止境的。比如我想知道宇宙外有什麼，到底存不存在平行宇宙或者多重宇宙，那麼隨着工具的提升，我相信一定會有科學的手段去驗證這個猜想。

**劉茜：**但有一個問題，數學體系是不完備的，那麼以數學為工具的學科可能都會存在一種極限。

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對《三體》中的科學家形象有什麼看法？

**白睿：**相信大家本期節目聽下來，都會發現我們四位嘉賓是很健談的，不會像劇中的魏成那樣溝通上有障礙。嘉賓們對劇中其他科學家的形象有什麼感受？你們自己平時生活中又會是一個什麼樣的形象？

**劉茜：**我覺得在你以“科學家”稱呼一個人的時候，那個人一定會有一種旁若無人的工作狀態，也就是沉浸在心流中。但當他從工作中脱出來時，就還會是一個普通人的樣子。

**上官子糧：**是的，社會上有一種刻板印象，比如我是計算機專業，他們就説“你髮量一定很少”。（編輯注：讀者們可以倒回去看看上官老師濃密的秀髮）而且我讀《三體》的時候覺得大劉對老航天也有刻板印象，把他們設計成固執守舊的人，不願意發展無工質推進，還安排了章北海去刺殺。但其實我們是很鼓勵創新的。

**劉東宇：**其實苟利軍老師還喜歡踢足球，是我們國家天文台足球隊的主力。

**苟利軍：**我原來踢前鋒，現在踢中場。

本項目由北京市科學技術委員會、中關村科技園區管理委員會支持。