本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者观点，不一定代表《大众科学》的观点
天体物理学通常不被认为是人文学科的一部分。然而，我在大学四年级时选修的一门课却提出了不同的看法。它让我对人类的思想感到敬畏。
由于我自己的背景植根于人文学科，我发现自己专注于教授们描述宇宙的方式。虽然黑洞、白矮星和暗物质等奇幻环境经常占据中心舞台，但每次发现的核心都是人类试图理解未知事物的心智。
他们的发现故事清楚地表明，我们常常认为自己对宇宙的了解是理所当然的。毕竟，宇宙并非为人类的心智而建。当我们仰望夜空时，我们看到的只是宇宙中极小的一部分。天体物理学家的任务是，尽管我们存在巨大的盲点，也要描绘出宇宙的图景。
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我想更好地理解人类的身份如何塑造我们对宇宙的理解。在与普林斯顿大学的一些顶尖天体物理学家交谈后，有一件事变得清晰：这门学科要求人类的心智不仅要意识到宇宙，还要意识到自身（除非另有说明，所有引语均来自这些科学家）。
宇宙中只有 5% 是正常的、可观测的物质。在这小部分中，人眼只能感知在电磁频谱中特定频率范围内发光的物质。虽然鸟类可以感知磁场，蛇类可以进行红外成像，但我们只能探测到可见光。亚当·伯rows解释说，这个范围决定了我们对空间的印象。从这个意义上说，我们对空间的印象是人类心智的直接产物。
乔·邓克利说，天体物理学家并没有假定我们的印象完全捕捉到了宇宙，而是“开始想知道是否可能有其他我们看不见的东西填充着我们的星系和宇宙”。他们设计了望远镜来探测超出人类感知的频率的光，例如 X 射线和无线电波。借助这些仪器，我们对宇宙的印象变得完整了 5%。
然后，天体物理学家的任务变成了利用可见的东西来探测剩余的 95%。爱因斯坦的引力定律为探索晦涩难懂的事物提供了一种手段。由于引力完全取决于质量，因此无论是否发光，都可以看到它的影响。正如邓克利解释的那样，一个巨大的、不可见的天体，例如黑洞，会吸引一个可见的天体，例如恒星。
虽然事件视界望远镜拍摄的黑洞图像是最近的一个例子，但该策略可以追溯到 1933 年。瑞士天文学家弗里茨·兹威基在检查星系团的行为时不经意地首次使用了该技术。他发现星系团的质量远超出了根据可见物质的预期。他将缺失的质量称为“暗物质”。近 40 年后，美国天文学家维拉·鲁宾证实了它的存在。在测量星系的径向速度时，她观察到的速度与引力定律预测的速度不符。之前的预期是，距离星系中心较远的天体比靠近中心的天体轨道速度更慢。但鲁宾观察到的却是恒定速度，这意味着星系边缘的速度并没有下降。邓克利解释说，为了使这在物理定律范围内成为可能，太空一定“不仅仅是我们肉眼所见”。质量确实存在，只是尚未被探测到。
内塔·巴赫卡尔解释说，正是引力定律使暗物质能够被间接观测到。它们使天体物理学家能够确定宇宙中有多少是不可见的，而无需确切知道黑暗是什么。詹姆斯·金斯曾将这种情况比作柏拉图著名的寓言，其中“我们被囚禁在洞穴中，背对着光，只能观看墙壁上的阴影”。这个比喻很贴切。与直觉相反，“阴影”在这里代表可见的东西，而“光”代表我们无法看到甚至无法想象的东西。借助这项技术，暗物质贡献了我们宇宙洞穴壁画的 27%。
我们壁画中缺失的 68% 宇宙仍然未知。但是，在 1998 年，这个未知数被赋予了一个名称：暗能量。它的出现是为了解释宇宙的反常膨胀。在 20 世纪 90 年代，天体物理学家认为宇宙的膨胀速度会逐渐减慢。引力定律预测，随着时间的推移，填充宇宙的物质会开始相互吸引，从而减缓宇宙的膨胀。然而，事实证明并非如此。膨胀正在加速。关于暗能量知之甚少，因此我们对宇宙的印象仍然远未完整。
我们对宇宙印象的问题不仅限于我们能感知到的东西。正如埃德·特纳解释的那样，“我们的思想以及塑造它的文化会影响我们探索宇宙的方式。” 由于这种特殊的制约，我们对违反人类直觉和理解的宇宙现象存在心智盲点。例如，特纳声称，当事物可能不具有统计学意义时，心智“倾向于将事物视为具有统计学意义”。我们错误地感知到恒星和太阳系行星之间间距的模式，认为它们好像是排列好的。
根据特纳的说法，还有其他“妨碍我们看清真相的心智属性”。例如，考虑一下我们认为大质量物体必须占据空间的信念。这不是直接的关系：我们接受铅块比枕头更重，即使枕头更大。然而，在极端情况下，我们期望两者之间存在某种正相关关系。中子星的极端物理环境随后带来了问题。正如迈克尔·斯特劳斯所说，这颗恒星非常致密，以至于“一茶匙中子星物质的质量相当于 7000 万头大象”。我们不禁想知道：所有质量都在哪里？
罗伯特·卢普顿解释说，当我们“观察大于人类经验的事物时，我们会被人类的身份蒙蔽双眼”。当我们面对像白矮星和黑洞这样违反直觉的现象时，这一点变得更加明显。约书亚·温恩说，白矮星的质量越大，体积越小，而对于黑洞，所有质量都被压缩到零体积。虽然我们看不到黑洞，但给这些现象命名可以让我们想象它们。邓克利解释说，暗物质和暗能量也是如此。与之前的类比一样，语言提供了一种克服我们最初的盲点，与这些宇宙现象互动的方式。
在考虑空间的本质时，天体物理学家遇到了心智的另一个盲点：我们只能在三维空间中进行可视化。邓克利说，为了想象空间的几何形状——即它是平坦的还是弯曲的——我们需要能够在四维空间中思考。例如，为了确定球体的曲率，我们首先在三维空间中描绘球体。因此，为了确定三维曲线，心智需要描绘四维物体。
当天体物理学家思考膨胀的宇宙和相对论时，就会出现这种需求。对于前者，任务是将一个存在于循环中的三维宇宙概念化——这是一种不可能的可视化，因为连接每个维度都会创建一个四维物体。对于后者，为了探索时空的相对论行为，任务是想象一个被引力扭曲的三维空间——这又是另一种不可能。
在这两种情况下，二维类比都有助于理解。邓克利将宇宙比作一根两端连接以形成环的绳子，然后依靠语言来弥合维度差距。她解释说，我们将连接空间的每一侧，这样无论我们朝哪个方向移动，我们都将始终返回起点。同样，爱因斯坦在他 1915 年关于广义相对论的论文中，使用蹦床作为空间的二维类比。然后，他转向语言来说明将一个大质量物体放在弹性表面上如何创建第三个垂直维度。他认为，同样的原理也适用于更多维度：大质量物体会弯曲空间。虽然我们仍然无法可视化四维现象，但邓克利说，通过这些语言类比，“我们可以想象后果”。
特纳说，通过这种方式，天体物理学家“拓展了心智，从外部视角看待宇宙”。伯rows谈到通过开发一种更适合“宇宙与个体之间的对话”的新语言来重新训练大脑。乔尔·哈特曼认为，宇宙环境与我们的日常环境截然不同，以至于我们常常无法想象它。例如，以宇宙的大小和其中恒星的数量为例。伯rows解释说，以科学记数法、对数和数量级为基础的数学语言使我们能够应对语言无法企及的宇宙。
同样，在考虑四维宇宙时，数学测量为天体物理学家提供了探索晦涩难懂事物的宝贵手段。“就像在二维空间中一样，”邓克利解释说，“如果空间的几何形状是平坦的，那么平行线（如光线）将始终保持平行。如果空间是弯曲的，那么它们将在正弯曲的宇宙中相互靠近，或在负弯曲的宇宙中彼此分开。” 回到柏拉图洞穴的语言，似乎通过测量我们面前的阴影，我们能够在一定程度上概念化那些仍然看不见和无法想象的事物的本质。
即使有了这种通用的数学语言，天体物理学家仍然会借用生物学术语来描述某些宇宙现象。特纳描述了天体物理学家如何谈论恒星的诞生和死亡，就好像它们是活着的生物一样。更极端的是为方便正确理解时间而设计的“双生子悖论”。我们习惯于将时间视为严格线性和独立的，但爱因斯坦的相对论表明情况可能并非如此。靠近大质量物体时，时间会过得更慢。
为了克服我们的直觉，天体物理学家想象“带一对双胞胎，并以某种方式将其中一个送到黑洞附近度过一段时间，[这样]她的衰老速度实际上会比[她]在地球上的伙伴慢，”邓克利解释说。衰老的物理表现使心智能够应对时间的不均匀性，因为我们能够想象两个年龄不同的双胞胎，尽管这看起来像是一个悖论。
正如特纳所说，虽然肯定存在“妨碍我们看清真相的心智属性”，但正是因为它是人类的心智，我们才能与宇宙互动。恒星的生命和双生子悖论只是天体物理学家通过我们自身的生物学来理解陌生事物的两个例子。毕竟，天体物理学家的心智必须首先识别出自身的盲点，然后设计出克服这些盲点的技术。从这个意义上说，天体物理学和人文学科以一种奇妙且出乎意料的方式结合在一起。正如文学评论家利奥·斯皮策曾经写道，“人文主义者相信人类心智具有探索人类心智的力量。”
通常，对天体物理学的主要反应集中在宇宙有多么浩瀚，以及我们在宇宙中占据的位置有多么微不足道。不如转变叙事方式，去看看探索宇宙的心智的奇迹，包括人类的视角和所有局限性。