看不见的光芒

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＃科技史 ＃技术史 ＃物理学

人眼只能看到宇宙光的一小部分。但今天，我们瞥见了看不见的事物

人眼是艺术和行动的重要推动者，但有一些令人毛骨悚然的设计局限性。我们的视觉紧紧地适应阳光的峰值颜色，使我们对几乎所有其他形式的辐射都视而不见。如果你用声音的频率来类比光的频率，自然界中发现了大约 80 个可检测的电磁辐射。我们能够准确地看到其中的一个：从紫色延伸到彩虹红色末端的八度音程。宇宙一直在用其他 79 个八度音阶轰炸我们，但我们却对它们视而不见。

另一方面，人类的思想则没有这样的限制。就此而言，技术可以制造出对人眼或生物世界中发现的任何其他类型的眼睛完全无法接近的射线做出反应的传感器。即使稍微越过彩虹的红色边缘，进入未被发现的红外线国家，也是一种变革性的体验：它揭示了一个完整的隐藏宇宙，一个以前被围墙隔绝的现实层，我们现在每天都在探索，因为詹姆斯韦伯太空望远镜 （JWST） 的结果涌入。

拍摄者： Diego Augusto Lima

JWST 在距离地球 100 万英里的栖息地上，在过去三年里一直在用红外辐射扫描天空，感应到的光波比我们人类能看到的最红的红光长 40 倍。望远镜发回的所有壮丽照片——星系碰撞的场景和婴儿恒星喷出的气体流——与其说是摄影快照，不如说是数据解释。JWST 感知的天体形状和颜色仅存在于其数字探测器的电路中。然后，天文学家使用软件和想象力将探测器的电脉冲转化为我们可以理解的图像。

因此，JWST 的每一个新鲜结果都是我们物种技术进化的展示。有史以来最大、最复杂的天文台也是有史以来最大、最复杂的仿生眼连接到我们的意识中。这是两个世纪努力的结晶，旨在撕掉我们的进化盲点，赋予智人在物理定律允许的范围内尽可能广阔的感官。

我是斜杠青年，一个PE背景的杂食性学者！♥致力于剖析如何解决我们这个时代的重大问题！♥使用数据和研究来了解真正有所作为的因素！

JWST 是一个浮动目录，收录了天文学家所学到的关于望远镜制造的一切。它遵循了美国国家研究委员会 1988 年一份报告中提出的蓝图，该报告支持建造一座巨大的新型太空望远镜，该望远镜“将导致我们对天文学中一些最基本问题的理解发生巨大飞跃”，并得到了 100 亿美元的后续资金支持。

由此产生的仪器使用一面 6.5 米宽的镜子凝视宇宙，镜子由 18 个互锁的六边形组成，由轻质铍金属制成，并涂有 48 克超反光纯金。这些镜子加在一起吸收的光是你眼睛瞳孔的一百万倍。然后，收集到的光线聚焦在 15 个汞-镉-碲化物探测器和 3 个由掺砷硅制成的探测器上，它们充当 JWST 的红外调谐电子视网膜。整个望远镜挤在 21 米宽的 Kapton 遮阳伞后面，使其保持低温至零下 233 度;即使是一滴太阳热量也会破坏它过敏的视力。

JWST 的 very thing 是最新的。但底层技术，以及激发它的整个“在黑暗中看见”的议程，直接遵循两个多世纪前英国天文学家威廉·赫歇尔 （William Herschel） 的工作。特别是，它遵循一个革命性但看似简单的实验，赫歇尔只用了一个棱镜、一个盒子和三个水银球温度计就完成了这个实验。

威廉·赫歇尔 （William Herschel） 作者：Lemuel Francis Abbott 约1785 年。由 NPG London 提供

今天，Herschel 最令人难忘的是 1781 年发现天王星的人。仅凭这一成就就足以为他在天文学史上的星光大道上赢得一颗星。不过，他还有更多。他是一位多才多艺的仪器制造商，建造了他那个时代最大的望远镜。他进行了第一次认真的尝试，绘制了我们的家乡星系——银河系的地图。他推测了其他世界（甚至他认为在太阳上）的生命本质。而且，从 1800 年初开始，他进行了一系列实验，最终检测到了带有变暖效果的射线，即使它们对肉眼不可见。

用现代术语来说，赫歇尔发现了红外线，以及它们所代表的整个看不见的宇宙。

这个全面的发现源于简单而顽固的挫败感。由于不得不注销一半的潜在观测时间，Herschel 感到恼火，他想将他的天体研究扩展到白天并研究太阳表面。但他的巨大望远镜非常适合在夜间观看昏暗的星星，但太强大了，无法处理太阳光线的光芒。

赫歇尔发现了一种新型光线：肉眼无法察觉，比可见光更暖，比红色更红

Herschel 开始测试各种类型的滤镜，这些滤镜可以让他看着太阳而不会炸伤眼睛，这时他注意到了一个令人困惑的断开连接。“当我使用其中一些时，我感到一阵热感，尽管我只有一点点光线;而其他的则给了我很多光照，几乎没有任何热的感觉，“他于 1800 年 3 月 27 日在伦敦萨默塞特宫向皇家学会宣读的一篇论文中写道。他认识到，他的发现具有两个巨大而有趣的含义：某些类型的光线能够传递热量，其中一些光线与刺激眼睛视觉的光线类型有所不同。

现在 Herschel 有一个有趣的谜团需要解开：这些看不见的射线是什么？他们是否像普通光一样通过棱镜弯曲？如果是这样，它们是否以某种方式对应于光的颜色？赫歇尔就是赫歇尔，他让阳光穿过他的棱镜，投下彩虹，并测量不同颜色的温度。当他从紫色移动到棱镜光谱的红色端时，一个清晰的模式出现了。绿光比蓝光产生更多的暖色;红色比绿色产生更多的变暖。

这让 Herschel 想知道：如果呢？如果他继续超越根本没有可见光的红色呢？他会在那里找到什么？

Herschel 最初进入看不见的宇宙的旅程在他的桌面设备上延伸了 4 英寸（10 厘米），但它们是极其重要的 4 英寸。他更新了他的太阳滤光片实验，将温度计重新定位到看似黑暗的区域，越过从他的棱镜射出的彩虹的红色边缘。在那里，令他高兴的是，他发现仪器继续记录热量，即使他的眼睛什么也没记录到。

当 Herschel 从他的温度计中读取读数时，他确定太阳光线引起的变暖不仅持续到红区之外，而且随着他冒险深入到彩虹边缘的黑暗中，这种影响实际上会加剧。他不得不在变暖效应达到顶峰然后逐渐减弱之前将温度计移到可见光谱之外。显然，他正在测量存在于人类感官之外的某种现象的上升和下降分布。就好像他的手在一只看不见的猫的拱形背上滑过。

为了有条不紊地讲解，Herschel 还在光谱的另一端四处探查，越过了紫罗兰色的边缘。在那里，他没有发现变暖效应，证实了他的推论：他发现了一种由太阳发出的新型光线，一种肉眼无法察觉的光线，比可见光更暖和，而且（听起来不合逻辑）比红色更红。1800 年 4 月 24 日，他将调查结果转达给了他的皇家学会同事。

我们不可能知道赫歇尔当时的感受，但在 225 年历史的《皇家学会哲学汇刊》（Philosophical Transactions of the Royal Society） 泛黄的书页中，他似乎充满了兴奋。通常，他将自己局限于对实证观察的冷静注释，并回避夸张的猜测。不过，在这种情况下，他似乎无法抑制想法的涌现。

在他向英国皇家学会提交的两次演讲中，Herschel 引入了一个全新的科学词汇。3 月 27 日，他创造了“辐射热”一词。一个月后，他区分了他能看到的可见颜色和他只能根据它们的温暖感受到的不可见的“颜色”，将前者称为“棱柱光谱”，后者称为“测温光谱”。

最敏锐的是，Herschel 意识到他正在研究的两种射线必须具有相同的基本性质。他应用简洁原则，拒绝了“两个不同的原因来解释某些结果，如果它们可以用一个来解释的话”的存在。他推断，这两种射线之间的区别仅仅在于人眼可以感知一种类型的射线，而不能感知另一种。他得出结论说，“如果允许我这样说的话，辐射热至少部分地（如果不是主要的话）由不可见的光组成。

我们有限的人类动物只看到我们生存所需要的东西

不可见的光。这是一个概念！望远镜的发明证明，有些物体太暗了，肉眼无法看到——但当它们的光线集中时，它们就会突然出现在视野中。显微镜的发明同样证明了太小而无法看到的物体的存在——但当它们被放大时，它们也会突然出现在视野中。赫歇尔揭示了人类感知的一个更根本的局限性。他的“测温光谱”表明，我们看不到现实的某些部分，不是因为它缺乏数量（比如说大小或强度），而是因为它的基本品质。鉴于实现这一突破的技术的简陋，赫歇尔的智力突破的范围就显得尤为引人注目。如果您想自己重现赫歇尔实验，您可以在网上找到简单的分步说明。

在 1800 年 11 月 6 日提交给英国皇家学会的赫歇尔的最终实验中，他产生了一个“热谱”，显示了他测得的温度如何随着与可见光谱红色端的距离而变化。从本质上讲，这是他那只看不见的猫的线条图。在早期的一篇论文中，他甚至提出了现代科学家可能称之为进化论的解释，解释了为什么宇宙的大部分对我们来说是看不见的：

承认，视觉器官很可能只适应于接收来自特定动量粒子的印记，这解释了为什么最大的照明应该在可折射光线的中间;因为那些具有较大或较小动量的 Momenta 可能变得同样不适合视觉印象。

简而言之，我们有限的人类动物只能看到我们生存所需的东西。

赫歇尔随后开始对超越光的光进行更广泛的研究似乎是不可避免的，或者至少其他研究人员会承担这样的议程。实际上，Herschel 的调查很快就受到了他可用的粗糙温度计的阻碍，这些温度计的精度只有大约一半。使用如此简单的设备创建超越红色领域的任何类型的图像或快照是不可能的。赫歇尔也受到当时流行理论的限制。在 19 世纪初，大多数科学家认为光是粒子雨，而热是一种称为“卡路里”的可移动流体。

Herschel 在 1800 年之前向皇家学会提交的一系列论文中听起来越来越失败。到那年 5 月，他酸溜溜地承认，“棱柱光谱的终止无法准确确定”。他不想卷入关于热量本质的争论中。赫歇尔天生就是一个经验主义者，他的伟大抱负是成为至高无上的天文制图师。当他意识到他无法绘制新的不可见景观的边界时，他又回到了更容易接受的挑战，即绘制星星和星云的地图。

一个在那里，看不见的宇宙的故事停滞了很长很长一段时间。赫歇尔所取得的成就与其说是一场科学革命，不如说是一场规模更大、定义更不明确的事物：一场缓慢移动的感知转变。窥视红外世界需要开发完全不同的传感技术，这些技术可以使我们远远超出我们的视觉器官所能看到的范围。

苏格兰皇家天文学家查尔斯·皮亚齐·史密斯 （Charles Piazzi Smyth） 在 1856 年，也就是赫歇尔去世三十多年后，取得了渐进但有意义的进步。他使用热电偶探测到来自月球的红外线，热电偶是当时一种新型温度计，根据电流流过两个相邻导体的方式来测量温度。月球必须反射来自太阳的不可见热射线，这似乎是合乎逻辑的，但史密斯提供了确凿的证据。更深刻的是，当他在西班牙瓜哈拉山的各个点进行测量时，他发现红外月亮在低空看起来更暗。无论这些超红射线是什么，它们显然都被地球大气层吸收了。

伍德的技术揭示了赫歇尔的鬼魂领域，一个天空黑暗的地方，树木发出诡异的红外反射

随后的每一次感官进步都同样来之不易。从 1870 年代开始，天文学家和航空先驱塞缪尔·皮尔庞特·兰利 （Samuel Pierpont Langley） 发明了辐射热计（一种更精确的电子温度计），并首次用它来绘制太阳的红外光谱图。在 1910 年代，物理学家威廉·科布伦茨 （William Coblentz） 将多个热电偶串在一起，创造了一个“热电堆”，能够检测来自恒星、行星和星云的红外线。同一十年，发明家罗伯特·威廉姆斯·伍德 （Robert Williams Wood） 将最近开发的红外敏感胶片与一种特殊的滤光片（“伍德玻璃”）相结合，可以完全遮挡可见光。通过这种方式，他设法用红外线拍摄陆地景观。

伍德的技术只在光天化日之下起作用，使用了极长的曝光时间，但最终揭示了赫歇尔的鬼境。它暴露了红外世界的风景，一个天空黑暗的地方，树木发出诡异的红外反射。

为了将红外视觉扩展到深空，研究人员跋涉到山顶，在地球大气层的大部分之上，挥舞着比胶片敏感得多的新型电子硫化铅探测器。天文学家 Gerry Neugebauer 和 Eric Becklin 在 1966 年实现了下一个伟大的感知飞跃。两人使用位于加利福尼亚州威尔逊山顶的定制望远镜，勘测了红外天空。在猎户座中，他们发现了一种不明的光芒——这种光在红外线中很亮，但对传统光望远镜来说完全不可见。

“贝克林-诺伊格鲍尔天体”现在被认为是一颗巨大的婴儿恒星，它被包裹在尘埃气体的茧中，阻挡了所有的可见光，但不会阻挡更穿透力的红外线。这是有史以来第一个仅靠红外辐射发现的天体。

因此，对来自太空的红外线的研究仍然是一个乏味的边缘研究领域。所有早期的无形探索者都面临着同样的限制：他们可以跋涉到山顶，放飞气球，甚至通过 C-141A 喷气式运输机机身上的一个孔向外窥视（说真的，他们做到了），但他们仍然受到我们星球红外线吸收大气层的厚厚的阴影的阻碍。红外天文学直到真正能够使用太空时代的火箭才开始飞行。

1983 年，美国、英国和荷兰联手发射了红外天文卫星 （IRAS），这是第一台真正的红外太空望远镜。它在离地面 900 公里（560 英里）的近极轨道上绕地球飞行。在短短 10 个月的服务中，IRAS 检测到了 350,000 个红外源，让我们看到了宇宙中完全未知的一面。它探测到恒星之间由气体和尘埃组成的飘渺的“卷云”，以及年轻恒星周围的温暖圆盘，揭示了新行星的诞生地。

当 IRAS 记录到一个可能潜伏在我们太阳系之外的木星大小的世界的神秘光芒时，记者们写下了令人窒息的故事。“我只能告诉你，我们不知道它是什么，”当时是 IRAS 首席科学家的 Neugebauer 说。进一步的分析表明，这个天体并不是一颗威胁地球的行星，而是一个星光熠熠的星系：我们得以一窥以前未知的星系与新生恒星一起爆发的方式，当它们缓慢而有力地相互碰撞时。

每一种新型的天文台都产生了一种新的人类熟悉感，即以前隐藏的另一层现实

JWST 是对 IRAS 成就的宏伟阐述，将我们的红外目光延伸到宇宙的真正末端。它也详细阐述了指导 Herschel 工作的动机。作为观察者，他最大的目标是他所说的“测量天空”。他试图对天空中每颗可见的恒星进行编目并估计它的距离，目的是绘制整个宇宙的地图。JWST 的广阔红外视野现在使我们接近完成这项任务。

我们生活在一个膨胀的宇宙中，这意味着来自极遥远星系的可见光被延伸到红外线的深处。宇宙的早期历史隐藏在那些隐藏的光线中，地面上的望远镜无法接近。JWST 的探测器经过专门设计，可将拉伸的红外光带入视野，回顾第一批星系亮起的历史时刻。JWST 的目击事件之一——一个被命名为 JADES-GS-z14-0 的星系——是人类已知的最遥远的天体。我们从 134 亿年前开始观察这个星系，当时宇宙只有现在年龄的 1/50。

JADES-GS-z14-0 由詹姆斯韦伯太空望远镜观测到，是目前已知最遥远星系的记录保持者。由 NASA、ESA、CSA、STScI、B Robertson（加州大学圣克鲁斯分校）、B Johnson （CfA）、S Tacchella（剑桥）、P Cargile （CfA） 提供

令人惊奇的是，我们不仅能看到这样的东西，而且能认出它是什么，并理解它。天文学家已经在分析这个新生星系的不可见光，研究它的组成，评估它年轻恒星的光芒。美国宇航局（NASA）和欧洲南方天文台（European Southern Observatory）的团队发布了新闻稿。世界各地的新闻媒体都注意到了这一发现。从已知宇宙的边缘探测到不可见光，这是天文探索中一项令人兴奋但又例行公事的进步。

1998 年，哲学家安迪·克拉克 （Andy Clark） 和大卫·查尔默斯 （David Chalmers） 提出了一种对认知的激进理解，可以将新领域考虑在内。在这篇文章中，他们认为人类的思想并不止于头骨，而是延伸到我们周围的工具和环境——包括我们的技术环境。他们称这个框架为“扩展思维”。例如，他们描述了一个人与显示几何形状的计算机屏幕交互。个人不仅感知形状;他们在精神上纵它们 – 旋转、移动、想象它们 – 就好像这些物体是物理存在的一样。通过这种方式，人和机器形成了一个“耦合系统”，数字形状成为个人认知景观的一部分。

从这个角度来看，JWST 不仅仅是一个遥远的观察者。它捕获的红外数据流可以被认为是我们对宇宙不断发展的认识的一部分。它的探测器扩大了我们的感官范围;它对古老星系的描绘重塑了我们内心的心理世界;其庞大的档案存储在马里兰州巴尔的摩，其功能就像人类记忆的外部附件。即使人们不完全接受 Clark-Chalmers 假说，其含义仍然令人震惊：JWST 可以被理解为一种感觉假体——就像视网膜或人工耳蜗一样——不仅可以增强感知，还可以成为我们认知方式的一部分。

接受这种植入物的患者会很快适应它们，他们的大脑会同化合成输入和生物输入。因此，难怪天文学家和非专业公众都可以轻松识别像 JADES-GS-z14-0 这样的天体的形状和意义。我们的大脑很容易适应来自无形边缘的传输信息的输入，就像它们适应描述普通光和声音的输入一样。人类感官的扩展始于 Herschel 从他不起眼的棱镜和温度计实验开始，此后一直延伸到伽马射线和无线电波，甚至超越了辐射，变成了中微子和引力波，这两者都在我们的技术视野之内。每一种新型的天文台都产生了一种新的人类熟悉感，即以前隐藏的另一层现实。

克拉克和查尔默斯尖锐地表达了随着技术扩展我们的感官并打破人类感知障碍而发生的事情：“一旦皮肤和头骨的霸权被篡夺，”他们写道，“我们或许能够更真实地将自己视为世界的生物。

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