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商務咨詢/顧問/請@yellowscholar?作者：黃先生斜杠青年

＃科技史 ＃技術史 ＃物理學

人眼只能看到宇宙光的一小部分。但今天，我們瞥見了看不見的事物

人眼是藝術和行動的重要推動者，但有一些令人毛骨悚然的設計局限性。我們的視覺緊緊地適應陽光的峰值顏色，使我們對幾乎所有其他形式的輻射都視而不見。如果你用聲音的頻率來類比光的頻率，自然界中發現了大約 80 個可檢測的電磁輻射。我們能夠準確地看到其中的一個：從紫色延伸到彩虹紅色末端的八度音程。宇宙一直在用其他 79 個八度音階轟炸我們，但我們卻對它們視而不見。

另一方面，人類的思想則沒有這樣的限制。就此而言，技術可以制造出對人眼或生物世界中發現的任何其他類型的眼睛完全無法接近的射線做出反應的傳感器。即使稍微越過彩虹的紅色邊緣，進入未被發現的紅外線國家，也是一種變革性的體驗：它揭示了一個完整的隱藏宇宙，一個以前被圍墻隔絕的現實層，我們現在每天都在探索，因為詹姆斯韋伯太空望遠鏡 （JWST） 的結果涌入。

拍攝者： Diego Augusto Lima

JWST 在距離地球 100 萬英里的棲息地上，在過去三年里一直在用紅外輻射掃描天空，感應到的光波比我們人類能看到的最紅的紅光長 40 倍。望遠鏡發回的所有壯麗照片——星系碰撞的場景和嬰兒恒星噴出的氣體流——與其說是攝影快照，不如說是數據解釋。JWST 感知的天體形狀和顏色僅存在于其數字探測器的電路中。然后，天文學家使用軟件和想象力將探測器的電脈沖轉化為我們可以理解的圖像。

因此，JWST 的每一個新鮮結果都是我們物種技術進化的展示。有史以來最大、最復雜的天文臺也是有史以來最大、最復雜的仿生眼連接到我們的意識中。這是兩個世紀努力的結晶，旨在撕掉我們的進化盲點，賦予智人在物理定律允許的范圍內盡可能廣闊的感官。

我是斜杠青年，一個PE背景的雜食性學者！?致力于剖析如何解決我們這個時代的重大問題！?使用數據和研究來了解真正有所作為的因素！

JWST 是一個浮動目錄，收錄了天文學家所學到的關于望遠鏡制造的一切。它遵循了美國國家研究委員會 1988 年一份報告中提出的藍圖，該報告支持建造一座巨大的新型太空望遠鏡，該望遠鏡“將導致我們對天文學中一些最基本問題的理解發生巨大飛躍”，并得到了 100 億美元的后續資金支持。

由此產生的儀器使用一面 6.5 米寬的鏡子凝視宇宙，鏡子由 18 個互鎖的六邊形組成，由輕質鈹金屬制成，并涂有 48 克超反光純金。這些鏡子加在一起吸收的光是你眼睛瞳孔的一百萬倍。然后，收集到的光線聚焦在 15 個汞-鎘-碲化物探測器和 3 個由摻砷硅制成的探測器上，它們充當 JWST 的紅外調諧電子視網膜。整個望遠鏡擠在 21 米寬的 Kapton 遮陽傘后面，使其保持低溫至零下 233 度;即使是一滴太陽熱量也會破壞它過敏的視力。

JWST 的 very thing 是最新的。但底層技術，以及激發它的整個“在黑暗中看見”的議程，直接遵循兩個多世紀前英國天文學家威廉·赫歇爾 （William Herschel） 的工作。特別是，它遵循一個革命性但看似簡單的實驗，赫歇爾只用了一個棱鏡、一個盒子和三個水銀球溫度計就完成了這個實驗。

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

今天，Herschel 最令人難忘的是 1781 年發現天王星的人。僅憑這一成就就足以為他在天文學史上的星光大道上贏得一顆星。不過，他還有更多。他是一位多才多藝的儀器制造商，建造了他那個時代最大的望遠鏡。他進行了第一次認真的嘗試，繪制了我們的家鄉星系——銀河系的地圖。他推測了其他世界（甚至他認為在太陽上）的生命本質。而且，從 1800 年初開始，他進行了一系列實驗，最終檢測到了帶有變暖效果的射線，即使它們對肉眼不可見。

用現代術語來說，赫歇爾發現了紅外線，以及它們所代表的整個看不見的宇宙。

這個全面的發現源于簡單而頑固的挫敗感。由于不得不注銷一半的潛在觀測時間，Herschel 感到惱火，他想將他的天體研究擴展到白天并研究太陽表面。但他的巨大望遠鏡非常適合在夜間觀看昏暗的星星，但太強大了，無法處理太陽光線的光芒。

赫歇爾發現了一種新型光線：肉眼無法察覺，比可見光更暖，比紅色更紅

Herschel 開始測試各種類型的濾鏡，這些濾鏡可以讓他看著太陽而不會炸傷眼睛，這時他注意到了一個令人困惑的斷開連接。“當我使用其中一些時，我感到一陣熱感，盡管我只有一點點光線;而其他的則給了我很多光照，幾乎沒有任何熱的感覺，“他于 1800 年 3 月 27 日在倫敦薩默塞特宮向皇家學會宣讀的一篇論文中寫道。他認識到，他的發現具有兩個巨大而有趣的含義：某些類型的光線能夠傳遞熱量，其中一些光線與刺激眼睛視覺的光線類型有所不同。

現在 Herschel 有一個有趣的謎團需要解開：這些看不見的射線是什么？他們是否像普通光一樣通過棱鏡彎曲？如果是這樣，它們是否以某種方式對應于光的顏色？赫歇爾就是赫歇爾，他讓陽光穿過他的棱鏡，投下彩虹，并測量不同顏色的溫度。當他從紫色移動到棱鏡光譜的紅色端時，一個清晰的模式出現了。綠光比藍光產生更多的暖色;紅色比綠色產生更多的變暖。

這讓 Herschel 想知道：如果呢？如果他繼續超越根本沒有可見光的紅色呢？他會在那里找到什么？

Herschel 最初進入看不見的宇宙的旅程在他的桌面設備上延伸了 4 英寸（10 厘米），但它們是極其重要的 4 英寸。他更新了他的太陽濾光片實驗，將溫度計重新定位到看似黑暗的區域，越過從他的棱鏡射出的彩虹的紅色邊緣。在那里，令他高興的是，他發現儀器繼續記錄熱量，即使他的眼睛什么也沒記錄到。

當 Herschel 從他的溫度計中讀取讀數時，他確定太陽光線引起的變暖不僅持續到紅區之外，而且隨著他冒險深入到彩虹邊緣的黑暗中，這種影響實際上會加劇。他不得不在變暖效應達到頂峰然后逐漸減弱之前將溫度計移到可見光譜之外。顯然，他正在測量存在于人類感官之外的某種現象的上升和下降分布。就好像他的手在一只看不見的貓的拱形背上滑過。

為了有條不紊地講解，Herschel 還在光譜的另一端四處探查，越過了紫羅蘭色的邊緣。在那里，他沒有發現變暖效應，證實了他的推論：他發現了一種由太陽發出的新型光線，一種肉眼無法察覺的光線，比可見光更暖和，而且（聽起來不合邏輯）比紅色更紅。1800 年 4 月 24 日，他將調查結果轉達給了他的皇家學會同事。

我們不可能知道赫歇爾當時的感受，但在 225 年歷史的《皇家學會哲學匯刊》（Philosophical Transactions of the Royal Society） 泛黃的書頁中，他似乎充滿了興奮。通常，他將自己局限于對實證觀察的冷靜注釋，并回避夸張的猜測。不過，在這種情況下，他似乎無法抑制想法的涌現。

在他向英國皇家學會提交的兩次演講中，Herschel 引入了一個全新的科學詞匯。3 月 27 日，他創造了“輻射熱”一詞。一個月后，他區分了他能看到的可見顏色和他只能根據它們的溫暖感受到的不可見的“顏色”，將前者稱為“棱柱光譜”，后者稱為“測溫光譜”。

最敏銳的是，Herschel 意識到他正在研究的兩種射線必須具有相同的基本性質。他應用簡潔原則，拒絕了“兩個不同的原因來解釋某些結果，如果它們可以用一個來解釋的話”的存在。他推斷，這兩種射線之間的區別僅僅在于人眼可以感知一種類型的射線，而不能感知另一種。他得出結論說，“如果允許我這樣說的話，輻射熱至少部分地（如果不是主要的話）由不可見的光組成。

我們有限的人類動物只看到我們生存所需要的東西

不可見的光。這是一個概念！望遠鏡的發明證明，有些物體太暗了，肉眼無法看到——但當它們的光線集中時，它們就會突然出現在視野中。顯微鏡的發明同樣證明了太小而無法看到的物體的存在——但當它們被放大時，它們也會突然出現在視野中。赫歇爾揭示了人類感知的一個更根本的局限性。他的“測溫光譜”表明，我們看不到現實的某些部分，不是因為它缺乏數量（比如說大小或強度），而是因為它的基本品質。鑒于實現這一突破的技術的簡陋，赫歇爾的智力突破的范圍就顯得尤為引人注目。如果您想自己重現赫歇爾實驗，您可以在網上找到簡單的分步說明。

在 1800 年 11 月 6 日提交給英國皇家學會的赫歇爾的最終實驗中，他產生了一個“熱譜”，顯示了他測得的溫度如何隨著與可見光譜紅色端的距離而變化。從本質上講，這是他那只看不見的貓的線條圖。在早期的一篇論文中，他甚至提出了現代科學家可能稱之為進化論的解釋，解釋了為什么宇宙的大部分對我們來說是看不見的：

承認，視覺器官很可能只適應于接收來自特定動量粒子的印記，這解釋了為什么最大的照明應該在可折射光線的中間;因為那些具有較大或較小動量的 Momenta 可能變得同樣不適合視覺印象。

簡而言之，我們有限的人類動物只能看到我們生存所需的東西。

赫歇爾隨后開始對超越光的光進行更廣泛的研究似乎是不可避免的，或者至少其他研究人員會承擔這樣的議程。實際上，Herschel 的調查很快就受到了他可用的粗糙溫度計的阻礙，這些溫度計的精度只有大約一半。使用如此簡單的設備創建超越紅色領域的任何類型的圖像或快照是不可能的。赫歇爾也受到當時流行理論的限制。在 19 世紀初，大多數科學家認為光是粒子雨，而熱是一種稱為“卡路里”的可移動流體。

Herschel 在 1800 年之前向皇家學會提交的一系列論文中聽起來越來越失敗。到那年 5 月，他酸溜溜地承認，“棱柱光譜的終止無法準確確定”。他不想卷入關于熱量本質的爭論中。赫歇爾天生就是一個經驗主義者，他的偉大抱負是成為至高無上的天文制圖師。當他意識到他無法繪制新的不可見景觀的邊界時，他又回到了更容易接受的挑戰，即繪制星星和星云的地圖。

一個在那里，看不見的宇宙的故事停滯了很長很長一段時間。赫歇爾所取得的成就與其說是一場科學革命，不如說是一場規模更大、定義更不明確的事物：一場緩慢移動的感知轉變。窺視紅外世界需要開發完全不同的傳感技術，這些技術可以使我們遠遠超出我們的視覺器官所能看到的范圍。

蘇格蘭皇家天文學家查爾斯·皮亞齊·史密斯 （Charles Piazzi Smyth） 在 1856 年，也就是赫歇爾去世三十多年后，取得了漸進但有意義的進步。他使用熱電偶探測到來自月球的紅外線，熱電偶是當時一種新型溫度計，根據電流流過兩個相鄰導體的方式來測量溫度。月球必須反射來自太陽的不可見熱射線，這似乎是合乎邏輯的，但史密斯提供了確鑿的證據。更深刻的是，當他在西班牙瓜哈拉山的各個點進行測量時，他發現紅外月亮在低空看起來更暗。無論這些超紅射線是什么，它們顯然都被地球大氣層吸收了。

伍德的技術揭示了赫歇爾的鬼魂領域，一個天空黑暗的地方，樹木發出詭異的紅外反射

隨后的每一次感官進步都同樣來之不易。從 1870 年代開始，天文學家和航空先驅塞繆爾·皮爾龐特·蘭利 （Samuel Pierpont Langley） 發明了輻射熱計（一種更精確的電子溫度計），并首次用它來繪制太陽的紅外光譜圖。在 1910 年代，物理學家威廉·科布倫茨 （William Coblentz） 將多個熱電偶串在一起，創造了一個“熱電堆”，能夠檢測來自恒星、行星和星云的紅外線。同一十年，發明家羅伯特·威廉姆斯·伍德 （Robert Williams Wood） 將最近開發的紅外敏感膠片與一種特殊的濾光片（“伍德玻璃”）相結合，可以完全遮擋可見光。通過這種方式，他設法用紅外線拍攝陸地景觀。

伍德的技術只在光天化日之下起作用，使用了極長的曝光時間，但最終揭示了赫歇爾的鬼境。它暴露了紅外世界的風景，一個天空黑暗的地方，樹木發出詭異的紅外反射。

為了將紅外視覺擴展到深空，研究人員跋涉到山頂，在地球大氣層的大部分之上，揮舞著比膠片敏感得多的新型電子硫化鉛探測器。天文學家 Gerry Neugebauer 和 Eric Becklin 在 1966 年實現了下一個偉大的感知飛躍。兩人使用位于加利福尼亞州威爾遜山頂的定制望遠鏡，勘測了紅外天空。在獵戶座中，他們發現了一種不明的光芒——這種光在紅外線中很亮，但對傳統光望遠鏡來說完全不可見。

“貝克林-諾伊格鮑爾天體”現在被認為是一顆巨大的嬰兒恒星，它被包裹在塵埃氣體的繭中，阻擋了所有的可見光，但不會阻擋更穿透力的紅外線。這是有史以來第一個僅靠紅外輻射發現的天體。

因此，對來自太空的紅外線的研究仍然是一個乏味的邊緣研究領域。所有早期的無形探索者都面臨著同樣的限制：他們可以跋涉到山頂，放飛氣球，甚至通過 C-141A 噴氣式運輸機機身上的一個孔向外窺視（說真的，他們做到了），但他們仍然受到我們星球紅外線吸收大氣層的厚厚的陰影的阻礙。紅外天文學直到真正能夠使用太空時代的火箭才開始飛行。

1983 年，美國、英國和荷蘭聯手發射了紅外天文衛星 （IRAS），這是第一臺真正的紅外太空望遠鏡。它在離地面 900 公里（560 英里）的近極軌道上繞地球飛行。在短短 10 個月的服務中，IRAS 檢測到了 350,000 個紅外源，讓我們看到了宇宙中完全未知的一面。它探測到恒星之間由氣體和塵埃組成的飄渺的“卷云”，以及年輕恒星周圍的溫暖圓盤，揭示了新行星的誕生地。

當 IRAS 記錄到一個可能潛伏在我們太陽系之外的木星大小的世界的神秘光芒時，記者們寫下了令人窒息的故事。“我只能告訴你，我們不知道它是什么，”當時是 IRAS 首席科學家的 Neugebauer 說。進一步的分析表明，這個天體并不是一顆威脅地球的行星，而是一個星光熠熠的星系：我們得以一窺以前未知的星系與新生恒星一起爆發的方式，當它們緩慢而有力地相互碰撞時。

每一種新型的天文臺都產生了一種新的人類熟悉感，即以前隱藏的另一層現實

JWST 是對 IRAS 成就的宏偉闡述，將我們的紅外目光延伸到宇宙的真正末端。它也詳細闡述了指導 Herschel 工作的動機。作為觀察者，他最大的目標是他所說的“測量天空”。他試圖對天空中每顆可見的恒星進行編目并估計它的距離，目的是繪制整個宇宙的地圖。JWST 的廣闊紅外視野現在使我們接近完成這項任務。

我們生活在一個膨脹的宇宙中，這意味著來自極遙遠星系的可見光被延伸到紅外線的深處。宇宙的早期歷史隱藏在那些隱藏的光線中，地面上的望遠鏡無法接近。JWST 的探測器經過專門設計，可將拉伸的紅外光帶入視野，回顧第一批星系亮起的歷史時刻。JWST 的目擊事件之一——一個被命名為 JADES-GS-z14-0 的星系——是人類已知的最遙遠的天體。我們從 134 億年前開始觀察這個星系，當時宇宙只有現在年齡的 1/50。

JADES-GS-z14-0 由詹姆斯韋伯太空望遠鏡觀測到，是目前已知最遙遠星系的記錄保持者。由 NASA、ESA、CSA、STScI、B Robertson（加州大學圣克魯斯分校）、B Johnson （CfA）、S Tacchella（劍橋）、P Cargile （CfA） 提供

令人驚奇的是，我們不僅能看到這樣的東西，而且能認出它是什么，并理解它。天文學家已經在分析這個新生星系的不可見光，研究它的組成，評估它年輕恒星的光芒。美國宇航局（NASA）和歐洲南方天文臺（European Southern Observatory）的團隊發布了新聞稿。世界各地的新聞媒體都注意到了這一發現。從已知宇宙的邊緣探測到不可見光，這是天文探索中一項令人興奮但又例行公事的進步。

1998 年，哲學家安迪·克拉克 （Andy Clark） 和大衛·查爾默斯 （David Chalmers） 提出了一種對認知的激進理解，可以將新領域考慮在內。在這篇文章中，他們認為人類的思想并不止于頭骨，而是延伸到我們周圍的工具和環境——包括我們的技術環境。他們稱這個框架為“擴展思維”。例如，他們描述了一個人與顯示幾何形狀的計算機屏幕交互。個人不僅感知形狀;他們在精神上縱它們 – 旋轉、移動、想象它們 – 就好像這些物體是物理存在的一樣。通過這種方式，人和機器形成了一個“耦合系統”，數字形狀成為個人認知景觀的一部分。

從這個角度來看，JWST 不僅僅是一個遙遠的觀察者。它捕獲的紅外數據流可以被認為是我們對宇宙不斷發展的認識的一部分。它的探測器擴大了我們的感官范圍;它對古老星系的描繪重塑了我們內心的心理世界;其龐大的檔案存儲在馬里蘭州巴爾的摩，其功能就像人類記憶的外部附件。即使人們不完全接受 Clark-Chalmers 假說，其含義仍然令人震驚：JWST 可以被理解為一種感覺假體——就像視網膜或人工耳蝸一樣——不僅可以增強感知，還可以成為我們認知方式的一部分。

接受這種植入物的患者會很快適應它們，他們的大腦會同化合成輸入和生物輸入。因此，難怪天文學家和非專業公眾都可以輕松識別像 JADES-GS-z14-0 這樣的天體的形狀和意義。我們的大腦很容易適應來自無形邊緣的傳輸信息的輸入，就像它們適應描述普通光和聲音的輸入一樣。人類感官的擴展始于 Herschel 從他不起眼的棱鏡和溫度計實驗開始，此后一直延伸到伽馬射線和無線電波，甚至超越了輻射，變成了中微子和引力波，這兩者都在我們的技術視野之內。每一種新型的天文臺都產生了一種新的人類熟悉感，即以前隱藏的另一層現實。

克拉克和查爾默斯尖銳地表達了隨著技術擴展我們的感官并打破人類感知障礙而發生的事情：“一旦皮膚和頭骨的霸權被篡奪，”他們寫道，“我們或許能夠更真實地將自己視為世界的生物。

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