如今，我们为什么要保护暗夜和星空？-新京报专栏

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如今，我们为什么要保护暗夜和星空？-新京报专栏

新西兰小镇特卡波，世界第一个星空保护区，为什么星空还能成为保护区？

为什么我们现在晚上很难看到星空？

科学家验证“平行时空”：科幻情节真要走入现实世界？｜新京报专栏

一、如今，我们为什么要保护暗夜和星空？-新京报专栏

位于青海省海西州冷湖镇的天文观测设备。图/新华社

据新华社报道，10月13日，青海省海西蒙古族藏族自治州人民代表大会常务委员会发布公告，《海西蒙古族藏族自治州冷湖天文观测环境保护条例》（以下简称《条例》）经青海省第十三届人民代表大会常务委员会第三十五次会审查批准。

划重点：这是我国出台的首部暗夜星空保护地方性法规。

暗夜星空是人类共同的资源

暗夜和星空需要保护，这可能是很多人没有想到的。当人类发明火，发明光，发明电灯、探照灯和五光十色的LED灯，把城市和乡村的夜晚都照耀得如同白昼一样之时，大多数人都会为科技带来的这种成就和生活的便利而感到自豪。

成就是成就，方便是方便，但殊不知，这也在破坏环境和生态，破坏人和生物在演化中形成的生物和生理功能，如昼夜节律。

仅从环境而言，黑夜也是自然环境的一部分，它的存在是自然现象和规律的一部分，不容破坏。保护它的自然存在，就如同保护我们的眼睛和心灵，因为人和生物拥有眼睛不只是来寻找光明，也需要用来适应在黑暗中的生活。

但人类发明的各种光照和彻夜照明已经形成了光污染，使人不能像过去，至少是工业革命以前一样适应夜晚，观察星空。

有人说，星空不仅是一种深邃广渺的自然之美，更是一个民族精神形成的自然素养，人类几千年仰望星空的历史和文化不应在我们这一代失去。

不过，观察星空只是暗夜保护的一部分，而早在2007年4月，联合国教科文组织、 国际天文学联合会等机构联合组织召开的首届世界“星光大会”上，就将暗夜保护的意义进行了全面阐述。

暗夜星空是人类共同的、普遍的自然与文化资源和遗产，是生态环境不可分割的组成部分；全球需重视应对日益严重的光污染，使各类动植物赖以生存的夜间环境得以维系，使人类世世代代能够观测和享受星空的魅力。

在保护环境和生态，观察星空之外，还有科学研究，也即天文学的研究，也需要暗夜的观察才能实现。这既需要天文台的天文望远镜的帮助，也可以有裸眼的观察，当然也需要与人类送上太空的各类科学卫星的观察结合起来。

1988年，天文学家大卫·克劳福德和身为医生的业余天文学家提摩西·杭特成立了非赢利的国际暗夜协会，并在后来逐步明确了暗夜如何保护，以及暗夜保护对地球、人类和其他生物的益处。

2014年10月国际暗夜协会发布了《暗夜保护区项目指南》，指出暗夜保护区（DSR）是一处拥有特别或杰出星空和夜间自然环境的大面积公共或者私人地域（700 平方千米以上），应受到专门保护，用于科学、自然、教育、文化遗产保护和公共分享。这都明确了暗夜保护的必要性与价值。

摄影师在西藏一神山处拍摄的星空。图/IC photo

如何进行暗夜保护？

暗夜保护区由两部分构成，一是核心区，天空质量和自然黑夜应达到最低标准，二是外围区或缓冲区，支持核心区暗夜价值并获得同等效益。设立暗夜保护区的益处是，促进生态和星空旅游；促进夜间栖息地的保护、夜空及其遗产的公共分享，满足专业和业余天文学区域的要求；鼓励土地管理人员、周边的社区以及私人所有者承认暗夜作为一种需要积极保护的有价值的资源等。

现在，世界上已经有北美、欧洲和非洲的10多个暗夜保护区成立并获得了认证。中国也发布了《暗夜保护地项目标准》，并建立了西藏阿里暗夜保护区。现在，青海省海西州发布我国第一部暗夜星空保护地方性法规表明，中国的暗夜保护行动不仅纳入议事日程和体现在行动上，而且有了法律依据。

这个《条例》同时也说明了，当地已经建立了暗夜保护区，这就是冷湖天文观测环境区域，而且划分为暗夜保护核心区和暗夜保护缓冲区。

《条例》规定，在青海冷湖天文观测环境暗夜保护核心区内，严格控制光源种类和亮度，所有户外固定夜间照明设施的照射方向应当低于水平线向下30度，禁止规划建设对当地天文观测环境产生影响的项目，禁止开展影响天文观测环境的活动。在冷湖天文观测环境暗夜保护缓冲区内，所有户外固定夜间照明设施的照射方向应当控制在水平线以下。

这可以简单总结为：在夜晚，户外光照的照射方向控制在水平线下，不许射向天空。这样做的好处首先是有利于科学研究。

实际上，国内很多大城市已经在陆续探索“暗夜保护”并提出相应发展“暗夜经济”。成都2019年9月发布《成都市中心城区景观照明专项规划（2017—2025）》，提出“城市景观照明将采取亮灯分时控制等六大节能措施，重点针对住宅区及周边进行专门研究，减少光污染。其中针对亮灯分时控制，分为‘节假日、平时、深夜’三种模式……”；深圳2021年9月也发布实施了《深圳市城市照明专项规划（2021-2035）》，提出“将建设大鹏星空公园，打造深圳市暗夜保护示范区”。

暗夜保护，在国内正逐渐成为生态保护共识。

中国天眼FAST观测基地的星空。图/中国科学院国家天文台官网

研究星空只靠天眼FAST还不够

从2018年1月起，中国科学院国家天文台研究团队对青海省海西州冷湖地区进行连续3年科研调查，发现这是一个高海拔、地域辽阔、大气透明度高、云量覆盖和温湿度偏低的好地方，光学观测条件比肩国际一流大型天文台，特别适宜布局世界一流大型天文台。

建设世界一流大型天文台就是要利用暗夜保护区对星空进行观察和研究。虽然中国已建立了世界上最大、最灵敏的射电望远镜——天眼FAST，但研究星空只靠射电望远镜还不够，还需要光学望远镜来观察和了解宇宙中更多的物质。

因为，射电波段是无线电低频波段，只能发现和观察到一些天文问题，不能观察和了解所有的天体物理问题。有的天体必须靠地面的光学天文仪器去了解和研究。因此需要建立优质光学天文观测台，这是极其宝贵的国家战略性稀缺资源，目前国际公认的最佳光学天文台址只有智利北部山区、美国夏威夷莫那卡亚峰以及南极内陆冰穹地区。

既然青海省海西州冷湖地区是建立国际一流大型天文台的好地方，与此相关的就是要建立世界一流的暗夜保护区，才能让科学研究得以顺利进行。

而且冷湖地区已经建立了光学天文望远镜项目9个，总投资近20亿元，包括国家天文台(SONG)望远镜项目、中红外观测系统望远镜(AIMS)项目、DIMM—MASS望远镜建设项目、紫金山天文台多应用巡天望远镜阵列(MASTA)等。

当然，《条例》的发布也创造了另外的条件，为光污染治理探索和积累经验，发展生态旅游，让人们能在暗夜保护区观察原生态的星空。

在西藏阿里暗夜公园，安装了6台800毫米天文望远镜，其中折射镜4台，反射镜2台，游客可以参观海拔5100米的专业天文台。这也让“天上阿里，最美的星空”成为当地新的亮点和名片。

青海省海西《条例》的出台更意味着中国的暗夜保护走上法治轨道，既利于保护环境和生态，也让白昼和黑夜交替的自然规律得到尊重和守护。

撰稿 / 张田勘（科普作者）

编辑 / 马小龙

校对 / 陈荻雁

一、新西兰小镇特卡波，世界第一个星空保护区，为什么星空还能成为保护区？

一、首个“国际黑暗天空保护区”

也许初次听闻你会感到好奇，为什么星空都可以成为保护区呢？答案是：特卡波的星空实在是太美了，美得像是在童话中。现在世界上受污染很严重的景点越来越多，我们自然要保护这样一个仅剩不多的美丽星空。

二、肉眼赏绝美星空最佳之地

不知道从何时开始，仰头就能见到满天星星早已变成我们生活中可遇不可求的事情。到了新西兰南岛，在一众“必游必玩”的计划当中最期待的还是去那有着“国际黑暗天空保护区”之名的小镇特卡波去。不错，当城市明亮的灯光和不再纯净的空气使得让我们看到星星变成一件很奢侈的事，要是能只用肉眼就可以观看到星空中的繁星，一定是最为感动的事。

三、精心守候 摄下美丽星河

夜晚来临之时，小镇最美丽的一面就随着天空渐黑而展现出来。在天气不错的夜晚，在特卡波镇一抬起头就能观看到天上密密麻麻的繁星，使得人们在第一眼看到时，就已经被震撼得五体投地。

四、驴友感受分享星空下睡觉的地方

Tekapo小镇的这个名字源自毛利语，它有“晚上的草席”的意思，也有很多人将它说成“星空下睡觉的地方”。每当仰望特卡波的天空，看银河在头顶流淌而过，看星团在夜空中明亮地闪烁的时候，相信大家一定会有不一样的感触。

二、为什么我们现在晚上很难看到星空？

我们都应该有这样的记忆：每到晚上，抬头仰望星空，美丽的银河清晰可见，但是，不知道从什么时候开始，晚上再抬头事已经很难再看到相同的情景了。科学家认为，天上的星辰数目不是减少，也不是消失了，而是被遮挡住了，而人们看不见星星的主要原因有三个。

第一个原因科学家认为这和宇宙膨胀有关，宇宙膨胀听上去和人类的关系不大，毕竟，在太阳系诞生的50亿年来，宇宙膨胀并没有改变地球和太阳之间的距离。但实际上，木星和土星等星球在太阳系轨道上的位置已经发生了多次的改变，而相比起以前，木星和土星离太阳更远了。而科学家大胆地猜想，人类所处的地球和宇宙中的其它星系之间的距离都在不断的被拉大，宇宙就像一只不断膨胀的气球一样。

其次，城市的光污染超乎了人们的想象，在过去，人们可以享受夜晚带来的宁静，但现在，无论你深处在地球的哪一个角落，除了极地地区以外，人们都能看见刺眼的灯光。而在城市灯光的影响下，天空中的星辰的亮度看起来似乎“变弱”了，这就是人们看不见星辰的原因了。针对光污染造成的巨大影响，我国也是采取了各种解决措施，在公园以及道路设立感应灯，并且对路灯做了一个全遮蔽式的改造，力求将光污染造成的影响降低到最低，所以是不是很难猜到阻拦我们看到星星的，居然是身边最常用到的光。

最后，星辰“消失”的原因其实和人类发展的科技有关。随着航天领域的飞速发展，各国都在争先恐后地将卫星发射到地球的轨道上。而如今，从太空看向地球，地球的样子已不再是过去那样一片蔚蓝色了，无数的卫星以及太空垃圾紧紧地包裹着地球，而更可怕的是，科学家计算，按照人类目前发射卫星的频率，100年后，人类将看不见一颗星星。

三、科学家验证“平行时空”：科幻情节真要走入现实世界？｜新京报专栏

自由中子有百分之一的可能性穿越到镜像宇宙？科学界不拒绝哪怕最离奇的猜想，但要通过检验之后才能成为科学理论。实际上，科学家们也不抱乐观态度。

电影《降临》剧照

文 |孙正凡

在科幻小说和影视文化里，网友们有一句吐槽非常生动形象：逻辑不通，平行时空；编不下去，量子战衣。就像灭霸打一个响指就能毁灭世界，重新loading进程一样，平行时空、量子不确定性，这些令人难以捉摸的科幻设定，让科幻故事主角拥有了“超能力”。

可是你知道吗？平时严谨到一丝不苟的科学家们，被科学难题逼到百般无奈之时，也会祭出“平行时空”这样不那么靠谱的设定，希望能解释在前沿科学里困扰科学家们数十年的不解之谜。

近日，据《新科学家》杂志（New Scientist）报道，田纳西州橡树岭国家实验室（橡树岭是人类 历史 上第一枚原子弹的诞生之地）的物理学家利娅•布鲁萨尔（Leah Broussard）和她的团队，试图在实验室里检测镜像平行宇宙是否存在，来解决在中子衰变研究领域已经存在了40年的一个难题。

用科幻设定来解决科学问题，这究竟是怎么一回事儿呢？

什么是镜像平行宇宙

其实，所谓科幻设定，本来就是用来进行科学发现。比如镜像平行宇宙，实际上涉及两个基础量子物理学概念，宇称（镜像对称），以及概率解释延伸出来的“平行时空”。

在我们生活里，可以看到很多简单镜像，也就是左右对称的图形。经典物理学领域，左右方向也是完全一致的，镜子里的世界跟镜子外的世界都可以完美地存在。但在量子力学领域里，这种对称性被杨振宁和李政道发现的“宇称不守恒”打破了，从而揭开了当时著名的“θ-τ之谜”，即在弱作 用力 （四种基础作 用力 之一）参与的核反应过程中，宇称是不守恒的。

不仅如此，杨、李还设计出了实验来证明这种不守恒导致的效应，华人科学家吴健雄女士很快做出了其中一个实验，从而证明杨、李的理论是对的，推翻了长期以来默认的“宇称守恒”，震惊了物理学界。——在量子力学里，镜子里面的世界，跟镜子外面的世界，竟然是不一样的。

所以，杨振宁和李政道在1956年10月发表了论文，吴健雄随后给了实验验证， 诺贝尔 奖委员会立刻在1957年把 诺贝尔 奖颁给了当时只有35岁的杨振宁和31岁的李政道。

至于平行宇宙，科幻迷已经很熟悉了。在量子的概率波解释里，关在箱子里那只可怜的“薛定谔的猫”，在被观测之前，既是死的，也是活的，是两种状态的叠加态。在被观测之后，把它理解变成只有一种状态，要么是死的，要么是活的。

那么，另一种状态哪里去了？有一种解释认为，另一种状态依然存在，是我们的宇宙发生了分裂，在平行时空里，那只猫变成了另一种状态。量子世界的这种变化和解释，跟我们生活经验、经典物理是完全不一致的。可量子世界的规律恰恰如此，对于这种“平行宇宙”解释，同意者无法证实，反对者也无法证伪。那就……随他去吧。看看，我们熟悉的科幻假定，竟然来自科学家最初的异想天开。

电影《星际穿越》剧照

中子衰变难题40年，逼出了“镜像平行宇宙实验”

报道中的主角利娅•布鲁萨尔（Leah Broussard）在著名的橡树岭国家实验室研究中子物理。中子，就是几乎所有原子核里都存在的那种不带电的粒子。它有一种奇特的性质，在原子核里它性质很稳定，可以长期存在，虽然有时候也不老实，会发生衰变，从中子变成质子，顺便扔出来一个电子和一个中微子（让杨、李替华人拿到第一个 诺贝尔 奖的，就是这样一种核衰变）。

可如果中子一旦获得了自由，它们立即进入衰老期，发生衰变，每过大约15分钟就会损失一半（这个时间叫做“半衰期”）。

问题就出在对自由中子“大约15分钟”的精确测量里。中子物理学家们有两种方法来测量它，一种方法是将它们隔离在一个“瓶子陷阱”中，让它安静地待着，自由衰变，过一定时间后在数一数剩余的数量；另一种方法是从核反应堆里取出一束奔跑的中子，在奔跑路线上设卡计数，数中子衰变之后产生的质子数。可这两种方式得到的半衰期结果总是大同小异——前者为14分39秒，后者为14分48秒。也就是说，大约900秒的时间，两个结果差了9秒钟。

无论是原子弹诞生地的科学家，还是其他国家的科学家们，无数次重复这两类实验，差异总是存在——不是哪个科学家粗心弄错了，或者是实验仪器的问题。40年来，中子物理学家们绞尽脑汁想弄清楚，究竟是哪里出了问题导致这种结果不一致——无论是牛顿还是爱因斯坦都向我们拍着胸脯保证过，无论是安静的、还是奔跑的粒子，它们的规律应该是一样的啊。

就像在科幻故事里那样，面对在我们这个世界，按照严谨的科学逻辑打死都无法圆上的“情节”，橡树岭国家实验室的利娅•布鲁萨尔和同事们被迫祭出了科幻作家常用的法宝：平行时空，而且是镜像的。

这个解释就是，可能真的存在镜像平行宇宙，在奔跑的中子束里有1%的中子，拥有穿越到镜像平行宇宙的能力，它们也发生了衰变，只是不是在我们这个宇宙发生的，那些衰变出来的质子就丢了，观测结果就“显得”半衰期长了一些。（这个猜想，是在2012年一篇论文里提到的。）

实验尚未展开，结果并不乐观

怎么证明“中子穿越到了镜像平行宇宙”呢？布鲁萨尔的实验设计看起来有些“异想天开”：她设想的是让中子重新穿越回来。为此，要设置一堵厚墙，这堵墙是我们这个宇宙里的中子无论如何无法穿透的。

可按照“镜像平行宇宙”假设，那一束奔跑的中子束里，有些中子无须陷在墙里，在其他中子迎头撞墙，陷落在墙里的时候，它们到另一个宇宙去逛了一圈，相当于绕过了墙，然后穿越回来，出现在了墙后面。

所以，科学家们的想法是在墙后面设置探测装置，抓住这些利用镜像平行宇宙成功翻墙的“狡猾”中子。这样一来，两种测量中子半衰期的实验就可以获得一致结果了。

不过目前来说，做出任何评价都还为时过早。因为这个实验设想虽然完成了，何时开展还需要等待另一个前期实验的结果分析。而主持那个实验、还在分析数据的科学家说：“尽管得到任何成果的可能性都很小，但这是一次简单且并不昂贵的实验，如果一场物理学革命中可能会产生好的结果，那么我们必须尝试。”

听听，取得成功的“可能性很小”，那么为什么还要做这些实验呢？因为“简单且并不昂贵”。也就是说，因为中子物理学家们对这个问题已经 探索 了40年，结果绝望地发现，其似乎在我们这个宇宙里根本找不到答案，所以，那些带有科幻色彩的想法就进入了科学家们的视野。又因为成本实在便宜，这样脑洞大开的设想才可能被付诸实施。

也就是说，它可能是一次改变科学进程的伟大实验，但概率实在太小，更可能是若干年后我们开科学家们的玩笑才会想起来的趣闻而已。

如何理解科学家检验“科幻设定”

爱因斯坦在他的科普著作《物理学的进化》里，曾把科学研究比作一个侦探在破案。但是，跟一般侦探小说不一样的是，科学家们不可能先翻到结尾去看最后答案。在破案过程当中，没有任何人能够事先知道最终答案是什么，什么时候才会出现。甚至更为尴尬的是，像霍金这样的科学家还认为，我们未必能够有最终答案。

然而，在一个所有人都束手无策的科学难题上，科学家们不会拒绝任何的可能性，哪怕是“镜像平行时空”这样连设计者都未必真正相信的解释。但是，科学家们也不会停留在科幻设想上，要想承认或者否定（证实或者证伪），就必须寻找能够说明问题的实验证据。

实际上，这个事也可以帮我们理解，科学里面的理论解释和实验验证之间的关系。在现代科学里，科学实验是为了检验（证实或者证伪）某种科学理论猜想。也就是说，任何科学实验在执行之前，都必须要有足够的依据说明，它才是有价值的。像这样的镜像平行时空的假设，从理论上而言，是并不太靠谱的，但是这个实验设计有一个好处，就是他的成本非常低，技术都是现成的，所以这个实验才得以顺利地进入到实施阶段。

另一个启发是，科学实验设计的结论必须是开放的，任何一位科学家都必须要接受科学实验所给出来的任何可能的结果：证实或者证伪。如果这个实验在“不可能穿透的墙”后面真的探测到了中子信号，那么，想必物理学家们会大吃一惊，会有更多的同类实验进行检验，也会有大批理论学者们对平行时空假设进行热烈的探讨，掀起一场物理学新革命。

当然还有一种可能性，也就是连设计者都认为的，就是这个实验并没有探测到任何中子信号。也就是说，至少这个实验会降低“镜像平行时空”这个假设存在的可能性——以后的科幻作家用起这个概念也会更谨慎吧？

当然，这种双重可能性恰恰是科学实验最具有魅力的地方。对于很多世界著名的大科学装置——比如，欧洲核子中心的大型强子对撞机，一些科学评论写道，如果它能够按照理论预期，做出一些科学发现，我们可以欢呼，这是现代物理学的伟大胜利。

但是，科学家们内心深处，可能更期待它们给出不一样的结果。这会让科学家们更为兴奋，因为这意味着实验指出了现在的科学物理模型存在的问题和缺陷，迫使物理学家们超越它，在更深层次上对现代物理进行革命。

但是，未来的答案究竟在什么方向？连最前沿的物理学家们也并不知道，所以人人欢迎哪怕是最神奇的想法。当然“谁主张谁举证”，提出想法的人必须像这位科学家一样，提出最好比较成本比较低的检验方案。我们也必须承认，最终答案在哪里，我们依然不知道。也可能在多少年之后，人们回过头来看 历史 ，发现即便是现在科学家们最狂野的想象，也显得过于保守了。

□孙正凡（天体物理学博士）

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