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天體物理學通常不被認為是人文學科的一部分。然而，我在大學四年級時選修的一門課卻提出了不同的看法。它讓我對人類的思想感到敬畏。
由於我自己的背景植根於人文學科，我發現自己專注於教授們描述宇宙的方式。雖然黑洞、白矮星和暗物質等奇幻環境經常佔據中心舞臺，但每次發現的核心都是人類試圖理解未知事物的心智。
他們的發現故事清楚地表明，我們常常認為自己對宇宙的瞭解是理所當然的。畢竟，宇宙並非為人類的心智而建。當我們仰望夜空時，我們看到的只是宇宙中極小的一部分。天體物理學家的任務是，儘管我們存在巨大的盲點，也要描繪出宇宙的圖景。
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我想更好地理解人類的身份如何塑造我們對宇宙的理解。在與普林斯頓大學的一些頂尖天體物理學家交談後，有一件事變得清晰：這門學科要求人類的心智不僅要意識到宇宙，還要意識到自身（除非另有說明，所有引語均來自這些科學家）。
宇宙中只有 5% 是正常的、可觀測的物質。在這小部分中，人眼只能感知在電磁頻譜中特定頻率範圍內發光的物質。雖然鳥類可以感知磁場，蛇類可以進行紅外成像，但我們只能探測到可見光。亞當·伯rows解釋說，這個範圍決定了我們對空間的印象。從這個意義上說，我們對空間的印象是人類心智的直接產物。
喬·鄧克利說，天體物理學家並沒有假定我們的印象完全捕捉到了宇宙，而是“開始想知道是否可能有其他我們看不見的東西填充著我們的星系和宇宙”。他們設計瞭望遠鏡來探測超出人類感知的頻率的光，例如 X 射線和無線電波。藉助這些儀器，我們對宇宙的印象變得完整了 5%。
然後，天體物理學家的任務變成了利用可見的東西來探測剩餘的 95%。愛因斯坦的引力定律為探索晦澀難懂的事物提供了一種手段。由於引力完全取決於質量，因此無論是否發光，都可以看到它的影響。正如鄧克利解釋的那樣，一個巨大的、不可見的天體，例如黑洞，會吸引一個可見的天體，例如恆星。
雖然事件視界望遠鏡拍攝的黑洞影像是最近的一個例子，但該策略可以追溯到 1933 年。瑞士天文學家弗裡茨·茲威基在檢查星系團的行為時不經意地首次使用了該技術。他發現星系團的質量遠超出了根據可見物質的預期。他將缺失的質量稱為“暗物質”。近 40 年後，美國天文學家維拉·魯賓證實了它的存在。在測量星系的徑向速度時，她觀察到的速度與引力定律預測的速度不符。之前的預期是，距離星系中心較遠的天體比靠近中心的天體軌道速度更慢。但魯賓觀察到的卻是恆定速度，這意味著星系邊緣的速度並沒有下降。鄧克利解釋說，為了使這在物理定律範圍內成為可能，太空一定“不僅僅是我們肉眼所見”。質量確實存在，只是尚未被探測到。
內塔·巴赫卡爾解釋說，正是引力定律使暗物質能夠被間接觀測到。它們使天體物理學家能夠確定宇宙中有多少是不可見的，而無需確切知道黑暗是什麼。詹姆斯·金斯曾將這種情況比作柏拉圖著名的寓言，其中“我們被囚禁在洞穴中，背對著光，只能觀看牆壁上的陰影”。這個比喻很貼切。與直覺相反，“陰影”在這裡代表可見的東西，而“光”代表我們無法看到甚至無法想象的東西。藉助這項技術，暗物質貢獻了我們宇宙洞穴壁畫的 27%。
我們壁畫中缺失的 68% 宇宙仍然未知。但是，在 1998 年，這個未知數被賦予了一個名稱：暗能量。它的出現是為了解釋宇宙的反常膨脹。在 20 世紀 90 年代，天體物理學家認為宇宙的膨脹速度會逐漸減慢。引力定律預測，隨著時間的推移，填充宇宙的物質會開始相互吸引，從而減緩宇宙的膨脹。然而，事實證明並非如此。膨脹正在加速。關於暗能量知之甚少，因此我們對宇宙的印象仍然遠未完整。
我們對宇宙印象的問題不僅限於我們能感知到的東西。正如埃德·特納解釋的那樣，“我們的思想以及塑造它的文化會影響我們探索宇宙的方式。” 由於這種特殊的制約，我們對違反人類直覺和理解的宇宙現象存在心智盲點。例如，特納聲稱，當事物可能不具有統計學意義時，心智“傾向於將事物視為具有統計學意義”。我們錯誤地感知到恆星和太陽系行星之間間距的模式，認為它們好像是排列好的。
根據特納的說法，還有其他“妨礙我們看清真相的心智屬性”。例如，考慮一下我們認為大質量物體必須佔據空間的信念。這不是直接的關係：我們接受鉛塊比枕頭更重，即使枕頭更大。然而，在極端情況下，我們期望兩者之間存在某種正相關關係。中子星的極端物理環境隨後帶來了問題。正如邁克爾·斯特勞斯所說，這顆恆星非常緻密，以至於“一茶匙中子星物質的質量相當於 7000 萬頭大象”。我們不禁想知道：所有質量都在哪裡？
羅伯特·盧普頓解釋說，當我們“觀察大於人類經驗的事物時，我們會被人類的身份矇蔽雙眼”。當我們面對像白矮星和黑洞這樣違反直覺的現象時，這一點變得更加明顯。約書亞·溫恩說，白矮星的質量越大，體積越小，而對於黑洞，所有質量都被壓縮到零體積。雖然我們看不到黑洞，但給這些現象命名可以讓我們想象它們。鄧克利解釋說，暗物質和暗能量也是如此。與之前的類比一樣，語言提供了一種克服我們最初的盲點，與這些宇宙現象互動的方式。
在考慮空間的本質時，天體物理學家遇到了心智的另一個盲點：我們只能在三維空間中進行視覺化。鄧克利說，為了想象空間的幾何形狀——即它是平坦的還是彎曲的——我們需要能夠在四維空間中思考。例如，為了確定球體的曲率，我們首先在三維空間中描繪球體。因此，為了確定三維曲線，心智需要描繪四維物體。
當天體物理學家思考膨脹的宇宙和相對論時，就會出現這種需求。對於前者，任務是將一個存在於迴圈中的三維宇宙概念化——這是一種不可能的視覺化，因為連線每個維度都會建立一個四維物體。對於後者，為了探索時空的相對論行為，任務是想象一個被引力扭曲的三維空間——這又是另一種不可能。
在這兩種情況下，二維類比都有助於理解。鄧克利將宇宙比作一根兩端連線以形成環的繩子，然後依靠語言來彌合維度差距。她解釋說，我們將連線空間的每一側，這樣無論我們朝哪個方向移動，我們都將始終返回起點。同樣，愛因斯坦在他 1915 年關於廣義相對論的論文中，使用蹦床作為空間的二維類比。然後，他轉向語言來說明將一個大質量物體放在彈性表面上如何建立第三個垂直維度。他認為，同樣的原理也適用於更多維度：大質量物體會彎曲空間。雖然我們仍然無法視覺化四維現象，但鄧克利說，透過這些語言類比，“我們可以想象後果”。
特納說，透過這種方式，天體物理學家“拓展了心智，從外部視角看待宇宙”。伯rows談到透過開發一種更適合“宇宙與個體之間的對話”的新語言來重新訓練大腦。喬爾·哈特曼認為，宇宙環境與我們的日常環境截然不同，以至於我們常常無法想象它。例如，以宇宙的大小和其中恆星的數量為例。伯rows解釋說，以科學記數法、對數和數量級為基礎的數學語言使我們能夠應對語言無法企及的宇宙。
同樣，在考慮四維宇宙時，數學測量為天體物理學家提供了探索晦澀難懂事物的寶貴手段。“就像在二維空間中一樣，”鄧克利解釋說，“如果空間的幾何形狀是平坦的，那麼平行線（如光線）將始終保持平行。如果空間是彎曲的，那麼它們將在正彎曲的宇宙中相互靠近，或在負彎曲的宇宙中彼此分開。” 回到柏拉圖洞穴的語言，似乎透過測量我們面前的陰影，我們能夠在一定程度上概念化那些仍然看不見和無法想象的事物的本質。
即使有了這種通用的數學語言，天體物理學家仍然會借用生物學術語來描述某些宇宙現象。特納描述了天體物理學家如何談論恆星的誕生和死亡，就好像它們是活著的生物一樣。更極端的是為方便正確理解時間而設計的“雙生子悖論”。我們習慣於將時間視為嚴格線性和獨立的，但愛因斯坦的相對論表明情況可能並非如此。靠近大質量物體時，時間會過得更慢。
為了克服我們的直覺，天體物理學家想象“帶一對雙胞胎，並以某種方式將其中一個送到黑洞附近度過一段時間，[這樣]她的衰老速度實際上會比[她]在地球上的夥伴慢，”鄧克利解釋說。衰老的物理表現使心智慧夠應對時間的不均勻性，因為我們能夠想象兩個年齡不同的雙胞胎，儘管這看起來像是一個悖論。
正如特納所說，雖然肯定存在“妨礙我們看清真相的心智屬性”，但正是因為它是人類的心智，我們才能與宇宙互動。恆星的生命和雙生子悖論只是天體物理學家透過我們自身的生物學來理解陌生事物的兩個例子。畢竟，天體物理學家的心智必須首先識別出自身的盲點，然後設計出克服這些盲點的技術。從這個意義上說，天體物理學和人文學科以一種奇妙且出乎意料的方式結合在一起。正如文學評論家利奧·斯皮策曾經寫道，“人文主義者相信人類心智具有探索人類心智的力量。”
通常，對天體物理學的主要反應集中在宇宙有多麼浩瀚，以及我們在宇宙中佔據的位置有多麼微不足道。不如轉變敘事方式，去看看探索宇宙的心智的奇蹟，包括人類的視角和所有侷限性。