你想预测未来吗？那么你需要理论科学

【博科园-科学科普】1993年哈勃太空望远镜刚刚得到维修和升级，最终拍摄了它所设计的令人难以置信的图像。从行星到恒星，再到星云和星系，最终宇宙最深处的秘密正屈从于我们新发现的观测能力。

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在海豚座中Zw II 96是一个星系合并的例子，它位于大约5亿光年之外。恒星的形成，新造恒星的数量，超新星的爆发速度以及最终形成的椭圆星系的最终状态都是可以预测的，这要归功于我们科学建立的理论框架。图片版权：NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

然而有一个巨大的边界被预言存在，但从未被探索过：遥远的宇宙超越了任何望远镜能所见的范围。一项雄心勃勃的计划试图将一片空白的区域——一个没有已知恒星、星系或物质的天空连续多日拍摄，在一个非常有争议的决定中，望远镜的主任在1995年12月观测到的情况下将11天的观测时间给了这个提议。结果“哈勃深场”彻底改变了我们对宇宙的看法。

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最初的哈勃深场，在深空的深域中发现了数以千计的新星系。图片版权：R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA

尽管许多天文学家担心这将完全浪费宝贵的观测时间，在这幅图像中没有任何东西会显示出来，理论天体物理学家知道这些物体一定在那里。他们知道应该有多丰富，有多少人应该出现在哈勃望远镜的观察能力上。当几乎所有的星系都显示超过3000个星系出现在这个经典的图像中，证实并验证了我们的宇宙图像。大爆炸，广义相对论，大尺度结构的形成以及宇宙的恒星形成史都与我们所看到的一致。

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就像人类在宇宙中所看到的那样，在宇宙大爆炸后的几亿年后，我们仍然知道最初的恒星和星系应该在那之前就已经存在了。我们的宇宙大爆炸，广义相对论，结构形成的种子以及更多的都形成了一幅连贯的图画，告诉我们还没有开始。图片版权：NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

这一点也不奇怪！这也不是偶然的，好运的或者仅仅是巧合。由于一些非常高质量的理论工作，我们清楚地知道在做观测之前应该看到什么。这是理论科学的最大力量：预测我们在完全不熟悉的情况下应该看到什么，遇到什么或经历什么。我们之所以能成功地做到这一点，是因为其他所有的途径都失败了，原因是由于科学框架的建立，这是由于科学家们的工作已经提前完成的。

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两个黑洞合并的例子，与LIGO所见的质量相当。尽管引力波已经被预测了将近一个世纪，而合并黑洞的理论却提供了人类能够首次探测到的最强信号，我们完全依赖于理论工作，在第一个信号之前对信号进行建模。图片版权：SXS, the Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) project

如果你发现自己处于一种新的情况，也许没有人曾经去过，你也不是完全处于黑暗之中。只要你能掌握宇宙的基本规律，只要你能识别出系统中重要的、相关的力量，你就有机会成功地穿过这些未知并了解系统的运行方式。当我们第一次探测到黑洞合并的时候，我们对广义相对论的认识以及我们对灵感的理解是如何让我们成功地预测出信号会是什么样子的，尽管我们以前从未见过。

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从第一对探测到的引力波信号，LIGO原始数据和理论模板在如何匹配上是不可思议的。图片版权：B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration)

当我们在从未达到的能量中碰撞高能粒子时，我们确切地知道碰撞中产生的所有东西的横截面、散射振幅、分支比和衰变产物，如果有任何偏差那就是新物理粒子或标准模型的扩展的证据。我们之所以能够进行如此复杂的科学实验，并在大型强子对撞机上了解宇宙，并不仅仅是因为我们在如此高能量的环境下进行了猛烈的撞击;这是因为我们理解这些粒子的物理规律以及它们在各种能量中的相互作用，并能推断出未知的状态，当有新事物出现时就准备好了。

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在 CMS 的 di 光子 (γγ) 通道中发现希格斯玻色子, 在理论上的曲线上的 "凹凸" (在黄色/绿色) 中展示了显示新粒子存在的数据。

这不仅适用于物理学也适用于任何科学情况。如果你能够正确地识别管理系统的重要法律和规则，并正确地建模您的初始条件应该能够预测您的系统在遇到的任何情况下的行为，即使这是你以前从未遇到过的情况。这适用于化学、生物学、大气科学、地质学以及许多其他物理、生命和甚至社会科学的分支。只有当一个重要的、相关的影响被排除在你的理论模型之外时，你的预测才会与实际发生的事情相一致。

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理论预测往往只有在错误的假设前提下才会失败。在2008年金融危机之后，艾伦·格林斯潘(Alan Greenspan)指出了他失败的假设，他说：我犯了一个错误，假定组织的自我利益，特别是银行和其他机构是这样的，他们最好能够保护自己的股东和公司的权益。图片来源:马克·威尔逊/盖蒂图片社。

在科学上就像在所有的事情中一样，不知道所有的事情并不意味着我们已经知道的东西是没有任何意义的。相反一个理论不能准确地预测在特定情况下会发生什么，这通常是推进我们理解的一个征兆，在未来我们将为创造一个更好的模型打开大门。我们已经知道的是重要的，充实的，并为预测接下来会发生什么提供了基础。如果你想知道未来会发生什么，展望我们最好的科学理论的预测是人类迄今为止发现的最成功的途径，它只会从这里变得更好！

作者：Ethan Siegel（天体物理学家）

来自：Forbes science

编译：中子星

审校：博科园

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