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作者：楊承霖
校對：牧夫天文校對組
後期：庫特莉亞芙卡 李子琦
責任編輯：王啟儒
引言
在天文學界內，芝加哥大學是全世界的領跑者之一。一百多年來它一直是天文學最重大發現的搖籃。在這裡，哈勃發現了宇宙膨脹，錢德拉理論預測了中子星和黑洞，克羅寧開創了反物質研究，施拉姆為大爆炸理論提供關鍵證據…
直到今天，芝加哥大學仍然走在天體物理的最前沿。本文的採訪者兼攝影師楊承霖，就在芝加哥大學本科就讀大一。而在這裡擔任系主任的便是Joshua Frieman（約書亞·弗里曼），也是我們的採訪物件。本文他對很多重要問題發表了見解，例如天文學的重點研究領域，人工智慧在天文學的應用，以及本科生的科研參與等。
Joshua Frieman（約書亞·弗里曼）
Joshua Frieman（約書亞·弗里曼）是芝加哥大學天文學與天體物理學系教授兼系主任，費米實驗室粒子物理部門負責人，美國國家科學院院士。Joshua以其研究暗能量和宇宙學的工作而聞名，他是600多篇出版物的合著者，是暗能量調查（DES）的聯合創始人，該組織由來自7個國家的25個機構共500多名科學家組成，其目標是繪製暗能量地圖。
2023年12月，我發了一封郵件給Joshua，解釋了我想寫一篇介紹芝加哥大學天體物理部門的文章，並請求採訪他。Joshua爽快的答應了。因為我寒假放假不在學校，只能透過影片採訪--Joshua和Julia（本科部門負責人）準時出現在zoom會議裡
以下是與美國科學院院士對話的主要內容：
Q：現代天文學研究重點有有哪些？芝加哥大學在其中如何參與天文系？
Joshua：
與一些大的州立大學相比，芝加哥大學天文系並不龐大，但與其他一些私立大學相比，我們系的體量還是在這兒的。我們並不是全範圍研究，重點更偏向於某些重點的前沿領域。我可以給你舉幾個例子。我們之前談到了宇宙學，其實在40年前，宇宙學單指理論宇宙學。我們幾乎沒有資料，如今，我們在宇宙學理論方面有了真正的實力，尤其是透過大型望遠鏡的觀測帶來的資料支撐。
再就是對宇宙微波背景輻射的研究，芝加哥是研究宇宙微波背景輻射的世界中心。我們現在已經建立了一個由理論學者和觀測員組成的團隊。例如，幾個人正在使用韋布空間望遠鏡來探索外太陽系。同時我們在智利使用這兩個麥哲倫望遠鏡，這是非常大的望遠鏡，有許多儀器非常適合研究遙遠的星系。芝加哥大學還是巨型麥哲倫望遠鏡（正在建造世界上最大的望遠鏡）聯盟的成員之一，我們希望它在2030年代開始進行新的測量。
剛才介紹的只是一方面，另一方面，我們系對高能天體物理學也有所研究，也就是人們所熟知的宇宙射線、X射線、伽馬射線，這些天文事件通常是在非常暴力或密集或非常熱的環境中產生的。我們正在試圖瞭解這些能量粒子來自何處以及它們告訴我們它們發射源的資訊。所以我會說那是系裡另一個感興趣和關注的領域。
天體物理系窗外的芝加哥天際線
芝加哥的天體物理系排名全美第二，但總共就三十多名教員，佔地兩層樓，還有一塊區域被樓下的分子工程系侵吞了。但它一直是天文學重大發現的搖籃：哈勃發現了宇宙膨脹，錢德拉理論預測了中子星和黑洞，克羅寧開創了反物質研究，施拉姆為大爆炸理論提供關鍵證據…
Q：奇異的衛星人工智慧在研究方面的貢獻？芝加哥大學對人工智慧在天文學研究的應用？
Joshua：
我們學校在天文系人工智慧的應用水平還不能說是全美國最領先的地位，不過我們中的一些人正在努力使之成為現實……是的，我當學生的時候，宇宙學是一個小得多的學科，當時芝加哥大學有幾名最好的宇宙學家，我們就是全世界宇宙學研究的中心了。如今宇宙學是一個大得多的領域。雖然人工智慧正在成為我們專案中一個越來越大的部分，有許多其他大學的教授也正在使用和開發這些人工智慧以輔助研究。總之，我對人工智慧的發展前景還是看好的，我們也會在這方面做很多投入。
三樓是科維理宇宙學研究所（Kavli Institute for Cosmology）這裡的研究者繪製了宇宙網，詳細勘測了微波背景輻射。未來，AI在類似的研究中將可以大顯身手。例如，傳統方法需要560小時來完成一個包含134百萬顆粒的宇宙區域的高解析度模擬，而使用AI技術只需要36分鐘。芝加哥大學正在努力將AI融入它的傳統強項宇宙學研究中。
Q：本科有必要開設天體物理學專業嗎？
（天文學和天體物理學作為面向本科生的專業，自2019年啟動以來，到現在已經五年了。您能和我們分享一下芝加哥大學設立天體物理學本科專業的願景和理由嗎？在其成立之初，主要的目標和考慮是什麼？）
Joshua & Julia：
在開設本科課程前，天體物理學在芝加哥大學一直是研究生和博士的課程，而且已有120餘年的歷史。近些年，我們觀察到許多本科生對天文學展現出熱愛，基於此我們先是增設了幾門天文學的選修課，後來發現效果不錯，我們便萌生了開設天體物理學本科課程的想法，目的是透過召集對天文學感興趣且有能力的學生，在本科期間打牢基礎知識，為開展進階研究進行儲備。與此同時，等他們升到三、四年級以後，就已經可以參與到前沿課題的研究中了，綜合來看，開設這門課程對我們系和學生來講是雙贏的。
425: 邁克爾·特納（Michael Turner）的辦公室；這個傳奇人物提出了暗能量（dark energy）這一術語，並且是Joshua在芝加哥大學的博士導師
Q：本科階段如何學好天體物理學？
Joshua：
學好天體物理學，最基本的是具備一定的數學功底，這樣在學習物理學和天體物理學概念的課程的時候不會吃力。此外，一定的計算機技能也是很重要的，因為我們在所有科學領域中所做的事情越來越多地涉及到計算機。我們專門開設了一門用於天文學和天體物理學應用的計算機程式設計課程。再就是，不同於本科階段的課堂學習，研究生應具備科研思維，也就是如何順暢的開展課題研究。研究與上課是完全不同的事情。在上課時，你學習的是別人已經發現的知識。在研究中，你則是試圖發現之前沒人知道的事物。在課程學習中，如果你在做家庭作業或考試，你回答的是別人提出的問題。在研究中，重要的不是答案，而是問題。所以當你面對一個新問題時，你是否有能力去處理這個問題。當然，隨著人工智慧和機器學習的發展，熟練操控AI也將成為本科階段必須掌握的技能。
以錢德拉命名的會議室
錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）在芝加哥大學任教了近40年。他提出了著名的“錢德拉塞卡極限”，這是一個理論上的質量上限，用於判斷一個恆星是否能夠成為白矮星。超過這個極限的恆星將繼續演化成中子星或黑洞。在1940年代，他在威斯康星州的耶基斯天文臺工作期間，每週驅車超過100英里來回，只為給兩名學生上課。這種投入在1957年得到了回報，當時這兩名學生——李政道和楊振寧——共同獲得了諾貝爾物理學獎。
Q：本科生參與科研最佳時間？如何看待科研的內卷現象？
（以往本科生們通常在第三、四年進組搞研究，現在時間線有所提前，有些學生在第二年甚至第一年就開始參與。您認為這是否是一個積極的變化，對學生的學術和職業成長有利嗎？此外，在您看來，本科生開始參與研究的理想時間是什麼，以最大化他們的學習和貢獻？）
Joshua：
關於是在大一、大二、大三還是大四開始參與研究，我認為這取決於學生的準備情況，以及他們有興趣參與的研究型別。有些研究型別，例如，如果你在實驗室用螺絲刀和焊槍之類的工具開展研究，可能需要的學術準備較少，參與的時間也相應較早。而如果你是與理論宇宙學家一起工作，最好在開始研究之前已經上過宇宙學課程。所以這可能需要額外的一兩年。因此這個問題我認為既取決於學生的學術準備，也取決於他們感興趣的研究型別。實際情況下，我最近也在跟一位大二的學生合作，共同開了一個宇宙學理論方面的課題。
還有一點需要補充的是，提前參與課題研究對你申請研究生院時有一些經驗上的幫助。所以我們通常在學生大二結束或進入大三的那個夏天前後與他們交流，那個時段學生們往往在考慮是否讀研。
鑑於Joshua院士的時間以及文章篇幅，本次對話到此就結束了。歡迎大家在留言區寫下你對本篇採訪的感悟以及其他問題。浩瀚星空，上下求索；星漢燦爛，期待著人類新的發現。
『天文溼刻』 牧夫出品
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公共休息室裡的學生正在解題
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