博科園-科學(xué)科普｜求贊、求關(guān)注、求評(píng)論、發(fā)想法、發(fā)見解、發(fā)建議?(^?^*)

Mario Juri?曾說正如數(shù)學(xué)將物理學(xué)從哲學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)一樣，數(shù)據(jù)和計(jì)算正在轉(zhuǎn)變當(dāng)今科學(xué)， Juri?正在領(lǐng)導(dǎo)推動(dòng)天文學(xué)為即將到來的數(shù)據(jù)流做好準(zhǔn)備。在南斯拉夫時(shí)Juri?會(huì)翻閱祖父的物理學(xué)書，他了解到恒星不同的顏色，代表了不同溫度。八年級(jí)科學(xué)展覽項(xiàng)目時(shí)，Juri?想捕捉光譜光；于是他向老師借了一個(gè)三棱鏡，使用紙板廁紙管和膠帶將棱鏡和老式相機(jī)連接起來，然后打開快門幾分鐘，讓星光穿過棱鏡，在膠片上捕捉光線。他居住的薩格勒布大約有100萬人，在一般情況下，城市的光污染會(huì)淹沒他的測量值。然而在南斯拉夫解體的殘酷戰(zhàn)爭中，Juri?正在中學(xué)讀書，在爆炸的影響下，城市已經(jīng)停止供電了。

博科園-科學(xué)科普：整個(gè)城市都陷入一片黑暗?；叵肫饋恚菚r(shí)父親對我已經(jīng)非常寬容，因?yàn)樵跊]有電的情況下，他還讓我在后院安裝設(shè)備，拍攝天空的照片，科學(xué)計(jì)劃成功使他有信心繼續(xù)研究恒星。壞事也有可能變成好事，在談話中Juri?多次提及這句話。高中時(shí)當(dāng)?shù)氐囊慌_(tái)40厘米的望遠(yuǎn)鏡在他眼里變成了一臺(tái)小行星探測機(jī)。2002年對天文學(xué)的強(qiáng)烈熱愛將他帶到了美國，當(dāng)時(shí)他在普林斯頓大學(xué)(Princeton University)讀物理研究生。現(xiàn)在他已經(jīng)是西雅圖華盛頓大學(xué)的教授，并且花費(fèi)大量時(shí)間來弄清楚如何管理大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將很快從大型天氣測量望遠(yuǎn)鏡（LSST）流入。LSST是一種寬視場望遠(yuǎn)鏡，是世界上最大的具有32億像素的相機(jī)，該望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)每晚能產(chǎn)生約20兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。Quiqa與Juri?交談數(shù)據(jù)膨脹將如何改變成為天文學(xué)家的意義如下：

圖中顯示的是Juri?在茲威基瞬態(tài)設(shè)施（ZTF）的警戒流前面。ZTF是一個(gè)觀測臺(tái)，用來觀察小行星或超新星等移動(dòng)或亮度變化的物體。如果有所發(fā)現(xiàn)，ZTF會(huì)在20分鐘內(nèi)向天文學(xué)家發(fā)出警報(bào)，并每晚發(fā)送100萬個(gè)警報(bào)。大型巡天望遠(yuǎn)鏡將在一分鐘內(nèi)向檢測點(diǎn)發(fā)送警報(bào)，并預(yù)計(jì)每晚將產(chǎn)生約1000萬個(gè)警報(bào)。圖片：Chona Kasinger?for Quanta Magazine

1、數(shù)據(jù)變化如何改變天文學(xué)？

從古希臘開始，我們面臨的最大挑戰(zhàn)就是收集數(shù)據(jù)。天文學(xué)是一種數(shù)據(jù)有限的科學(xué)?，F(xiàn)在具有代表性的研究調(diào)查會(huì)產(chǎn)生數(shù)億恒星信息。通過使用LSST將進(jìn)入某一制度體系內(nèi)，觀察大約400億個(gè)物體。突然間大量數(shù)據(jù)涌入了一個(gè)信息非常有限的科學(xué)領(lǐng)域?；诶碚摵蛯τ钪娴睦斫?，應(yīng)該面對的是幾百個(gè)研究對象，然而現(xiàn)在卻要處理幾百萬的對象。數(shù)據(jù)量急劇上升給數(shù)據(jù)處理帶來了巨大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在我們必須想出辦法把這些東西轉(zhuǎn)化成一些有用的東西來構(gòu)建理論，從而進(jìn)行推論。如果我不能用代碼來表達(dá)我需要計(jì)算機(jī)為我做什么，或者為我測量什么，那么我就沒有辦法把收集到的任何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以用來推理理論的形式。

2、所以計(jì)算和編程變得至關(guān)重要？

我認(rèn)為當(dāng)物理學(xué)從哲學(xué)中分支出來時(shí)，是數(shù)學(xué)讓兩者產(chǎn)生區(qū)別，用一組方程和嚴(yán)格的規(guī)則寫下邏輯，這些規(guī)則會(huì)以一種自洽方式把你從A點(diǎn)帶到B點(diǎn) 。如果物理要邁出下一步，就必須這樣做，這樣物理學(xué)就與數(shù)學(xué)聯(lián)系在一起，數(shù)學(xué)也就成為物理學(xué)的語言?，F(xiàn)在我們也正在面臨相同的事情，我們要用這些大數(shù)據(jù)集來說明，軟件工程必須在這方面做同樣的事情，它正成為我們需要的語言，為了推想周圍的世界。我們正處于自然科學(xué)發(fā)展的另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，編程真的和數(shù)學(xué)做科學(xué)一樣重要。

3、如何將大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有用數(shù)據(jù)？

現(xiàn)在我們必須開始學(xué)習(xí)如何指導(dǎo)計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種測量。比如觀測一張圖像時(shí)，計(jì)算機(jī)可以輕而易舉觀測到人眼難以看到的星系。我們已經(jīng)花費(fèi)幾十年時(shí)間來研究如何做到這一點(diǎn)——如何指導(dǎo)計(jì)算機(jī)看天文圖像，正確識(shí)別所有物體，并在沒有任何人類幫助的情況下也可以正確測量所有物體。我認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)過渡到現(xiàn)在計(jì)算機(jī)可以處理這些數(shù)據(jù)并給我們目錄的領(lǐng)域。在大數(shù)據(jù)的下一步演化中，將要指導(dǎo)計(jì)算機(jī)獲取圖像輸出，編錄所有目錄，然后為我們找到一系列有意義的事物。計(jì)算機(jī)甚至可能根據(jù)事物的趣味程度為我們排列一份表格。

4、有什么例子呢？

在天體物理學(xué)的許多領(lǐng)域，物體可能會(huì)改變亮度等，但它們不會(huì)移動(dòng)。然而，太陽系卻表現(xiàn)出了獨(dú)一無二的特性——太陽系的物體會(huì)移動(dòng)。當(dāng)你拍攝天空的圖像時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)一顆小行星，但它看起來又像一顆恒星；當(dāng)你再拍另一張照片時(shí)，你會(huì)注意到它移動(dòng)了。所以現(xiàn)在你需要想出一些算法來真正地連接這些點(diǎn)。利用LSST，黃道上的每個(gè)圖像中包含著像5000個(gè)小行星一樣的東西。這轉(zhuǎn)化每晚發(fā)生幾百萬次，每晚上都有一百萬個(gè)點(diǎn)在移動(dòng)，然后你要知道哪一個(gè)與哪一個(gè)互相匹配。因此現(xiàn)在關(guān)注的是確保我們知道如何構(gòu)建正確連接的DOTS算法。

5、你怎樣才能找到你不知道的東西，如果你還沒有把這個(gè)程序?qū)戇M(jìn)你的算法里，那個(gè)發(fā)現(xiàn)會(huì)丟失嗎？

這取決于算法如何構(gòu)建，根據(jù)我們今天掌握的知識(shí)，很認(rèn)真地思考，對于那些具有本不應(yīng)該具有屬性的對象，這將會(huì)如何表現(xiàn)。我們試圖使算法盡可能廣泛地捕捉所有這些對象，并且試圖理解算法的盲點(diǎn)。

圖片：Chona Kasinger?for Quanta Magazine

6、你對天文學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)雙重的興趣來自哪里？

我是那種永遠(yuǎn)無法決定自己是想學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)還是天文學(xué)的人。電腦之所以美妙，是因?yàn)樗鼪]有創(chuàng)造邊界。當(dāng)你輸入一段代碼時(shí)，就好像是在電腦里建立一個(gè)新世界。對我來說，這幾乎是藝術(shù)創(chuàng)作。另一方面我想了解這個(gè)世界如何運(yùn)作。當(dāng)我到普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位時(shí)，斯隆數(shù)字天空調(diào)查才剛剛開始。我想：哇，大量數(shù)據(jù)襲來，并且人們很難理解這些數(shù)據(jù)；在那一刻，我意識(shí)到我的夢想成真了：我不需要再為學(xué)****相關(guān)還是與天文學(xué)相關(guān)的事情做出決定，因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，兩者皆需。

7、你所有的天體物理學(xué)工作都與算法和計(jì)算機(jī)編程有關(guān)嗎？

我認(rèn)為這是達(dá)到目的的一種手段，花了很多時(shí)間關(guān)注算法本身，但我更喜歡用這些東西來找到有趣的結(jié)果。我被天文學(xué)上的問題所驅(qū)使，但想確保我的方式可以讓下一個(gè)人在我所做的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究。

8、你提到了斯隆數(shù)字天空調(diào)查，LSST是如何建立的？

我認(rèn)為斯隆在它的歷史上總共產(chǎn)生了10到20兆字節(jié)的成像，LSST在一個(gè)晚上就能做到。就物體的數(shù)量而言，斯隆中有5億顆恒星。在LSST中大約有200億顆恒星，每顆都可能被看到825次。我們將要關(guān)注體積巨大的時(shí)域。另一個(gè)問題是，當(dāng)提及問題時(shí)只要把它想成是機(jī)遇LSST就會(huì)測量每個(gè)物體的幾十甚至上百個(gè)潛在的東西。

21世紀(jì)初人們意識(shí)到，與其建造一個(gè)單獨(dú)望遠(yuǎn)鏡來完成天文學(xué)的這一部分，不如為這一部分建造一個(gè)單獨(dú)望遠(yuǎn)鏡。我們要做的就是建造一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，來觀測整個(gè)天空。但你仍然需要將這些數(shù)據(jù)處理成一種形式，使太陽系的科學(xué)家們能夠?qū)Ｗ⒂谔栂档奈矬w，研究暗能量的人們做弱透鏡映射。數(shù)據(jù)處理成為LSST的頭等大事。這是天文學(xué)中罕見的項(xiàng)目之一，我負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)和望遠(yuǎn)鏡以及照相機(jī)一樣昂貴，一樣巨大。

9、雖然我們還沒有接觸到，但在天文測量中絕對重要的是統(tǒng)計(jì)學(xué)

當(dāng)你收集到所有需要收集的數(shù)據(jù)后，剩下的唯一事情就是更好地分析它。有一些統(tǒng)計(jì)方法允許進(jìn)行測試，以適應(yīng)模型。統(tǒng)計(jì)就是從數(shù)據(jù)中提取知識(shí)，根據(jù)擁有的數(shù)據(jù)對知識(shí)進(jìn)行量化。我們非常規(guī)范地使用統(tǒng)計(jì)學(xué)，比如這是一本統(tǒng)計(jì)學(xué)烹飪書。你必須查看配料，選擇正確的烹飪順序，正確的烹飪方法。如果一個(gè)數(shù)據(jù)集需要符合某些標(biāo)準(zhǔn)，而你能很好地應(yīng)用這個(gè)規(guī)則，好事就會(huì)發(fā)生。我們已經(jīng)達(dá)到了幾乎可以測量所有東西的程度，唯一要做的就是正確地分析數(shù)據(jù)。人們認(rèn)為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)很無聊，但它就是科學(xué)的基本要素，并且科學(xué)家能在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)知識(shí)。

10、你所說的大數(shù)據(jù)進(jìn)化不僅僅發(fā)生天文學(xué)領(lǐng)域，對嗎？

粒子物理學(xué)家研究它已經(jīng)有一段時(shí)間了，可能比我們早研究5到10年。海洋學(xué)、生態(tài)學(xué)現(xiàn)在也正在進(jìn)入同一區(qū)域，需要的基本工具僅僅是研究正在改變的科學(xué)。

博科園-科學(xué)科普｜文：Liz Kruesi/Quanta magazine/Quanta Newsletter

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