观看体育比赛和亲自上场, 哪个让你更快乐、更有成就感？
享受科技的成果和参与到科学探索中来一起创造历史, 哪个更动人心魄？
本文将以天体物理学为例，为你打开亲身参与科学发现的大门，带你在一个新的层面上享受科技的乐趣。
撰文 | 李楠
编辑 | 韩越扬 金庄维
科学一直被认为是人类智慧金字塔尖的明珠，科学探索则被认为是人类中最聪明的那一群人的独享技能。阿基米德、哥白尼、伽利略、牛顿、爱因斯坦等等这些如雷贯耳的名字，留下了无数让我们耳熟能详的故事。这些故事激励着一代又一代仰望星空的人们，脚踏实地地推动着科学的进步。
还记得那张集合着二十世纪人类最聪明大脑的合影么（图1）？这几十个人奠定并推动了现代物理学的发展。但如果你不是物理学工作者，那么看到这张照片时，也许除了崇敬之情并不会有其他的感受。毕竟大众的刻板印象是：科学探索离现实生活还是比较遥远的，享受科技发展带来的成果可以有效地提高我们的生活品质，科学发现则是那些专业的科学家们的工作。
但是随着大数据时代的到来，一切都开始变得不同了。
在以前数据量还不是很大的时候，科学家们会先寻找有意思的研究对象，然后再仔细研究所选对象的性质。由于数据量有限，从母样本中寻找特定的研究对象不是特别困难的事情。
然而，随着科学数据的不断增加，例如未来在天体物理学领域里的大尺度巡天设备会带来数以PetaByte (PB, 1PB=10242GB）计的数据，使得科学家们在浩瀚的数据海洋中寻找自己感兴趣的研究对象变得越来越困难。甚至很多时候，对于天文学家来说，寻找目标天体都成了一个科研项目的主要工作量所在。
上世纪二三十年代时代，爱德文?哈勃博士（Dr. Edwin Hubble）只靠自己团组的力量就能把所有既有星系的形状进行分类，并创建了哈勃星系图谱（图2）；过去的几十年里，已观测星系的数目增长到了几十万甚至几百万，只靠一个人或者一个团组去分类这些星系就显得十分不易了。
图2. 哈勃星系分类图表（图源：astro.u-szeged.hu）
如果说这样的工作量还可以接受的话，那当下一代大尺度巡天开展时，星系的数目将会激增到几十亿，如果要求几个科学家用传统方法（人眼识别）进行星系形状分类，也许耗尽其整个职业生涯都不见得能完成。
而且要知道，星系形状分类只是研究星系形成与演化的开始，科学家们还要花大量时间去收集其他资料，诸如各种形状星系的占比、个体星系离我的距离、质量以及光度等高阶的数据。随着大数据时代的到来，科学家们应用传统方法研究天体物理学已经越来越力不从心了。
为了解决科学家们在大数据时代所面临的问题，经过多年的实践，人们选择了机器学习（Machine Learning）和公众科学（Citizen Science）两个方法。
机器学习的方法就是通过应用最新的机器学习的算法帮助科学家实现数据处理的自动化和高速化。但是目前已有的机器学的方法（尤其是监督学习）还无法做到联想和自动扩展，因此在普适性和灵活性方面存在明显的短板。
公众科学是指通过合理地设计用户界面，让大众参与到海量科学数据的处理中来。这个过程不需要志愿者有很多的数学物理背景，只需要志愿者通过数据的可视化和软件的互动操作来实现科学数据预处理的并行化。也就是说，众多志愿者同时且独立地处理数据，类似于电脑的多线程。然后，专业的科学家们会对预处理的数据进行更进一步的科学分析来得到相应的科学成果。
由于人脑在灵活性上要远超目前机器学习的算法，所以公众科学不但能在某种程度上独立地解决大数据问题，而且还可以与机器学习的方法结合起来，让科研工作变得更加高效灵活。
本文会为读者介绍公众科学在天体物理中的应用，包括公众科学的定义、现状、以及公众科学在中国的机遇和挑战。希望能为您带来一些启发。
什么是公众科学？
公众科学的维基百科上的定义是[1]：不以科学研究为职业的科学爱好者（citizens）通过脑力劳动为科学研究做出贡献的活动。图3是公众科学中心网站对公众科学更直观的解释。简单来说，公众科学是专业科研人员和业余爱好者之间的一种合作。此类合作包括且不限于：协同观测、数据分析、分布式计算、民众科学家主导的问询等等。
图3. 公众科学的定义（图源：citizensciencecenter.com）
公众科学并不是什么新颖的想法。历史记载的最早的民众科学家（citizen scientists），也就是参与到公众科学项目里的志愿者，可能是一群美洲的殖民者[2]。例如，一个叫约翰?霍尔姆（John Holm）的殖民者记录了十七世纪中期的北美风暴数据，而后来这些数据被专业的科学家们用来研究北美洲的气象学。
另一个例子同样发生在北美，1804年，十九岁的约翰?奥都彭（John Audubon）只不过是个好奇的年轻人，他喜欢观察鸟类并记录下它们的特征，最终他的笔记在其合伙人的帮助下在英国出版并命名为《鸟类分类学图谱》，成为了北美洲鸟类学的奠基之作。
但是公众科学的真正兴起却是在本世纪之初。随着科技的发展，人类的未知边界在不断的扩展，科学研究的方式也逐渐地发生了变化。科学家们需要民众科学家帮助他们收集数据、查缺补漏、发现盲点等等。
另一方面，公众科学不仅可以帮助科学家完成科学研究，反过来还可以提高大众的科学素质。例如，美国学者米勒（Jon D. Miller）于1983年提出的界定大众科学素质的三个维度：
（1）对重要的科学术语和概念的理解。
（2）对科学方法和研究过程的理解。
（3）对科学技术的社会影响的认知和理解。
毫无疑问，大众在参与公众科学，以及与科学家互动的过程中，其自身在这三个方面的素养都将有着显著的提升。
公众科学的现状
随着互联网技术的突飞猛进，数据的共享和传输变得越来越便捷，今天的公众科学可以说迎来了一个黄金时代[3]。几乎在各个科学领域里都有公众科学的身影。
中国虚拟天文台由中国科学院国家天文台的崔辰洲研究员的团组推进，专注于变星查找（例如超新星、类星体等）、星系标注、以及为大众提供望远镜观测时间申请的网络平台。据虚拟天文台的最新报道，中国的大众天文学家们已经通过虚拟天文台发现了24颗超新星和新星候选体，其中的17颗已经得到了光谱确认。
除了技术上的便捷，人们对科学的兴趣也在不断提高，公众科学参与的志愿者数目的不断增加以及公众科学所涵盖的领域不断地扩展就是最好的证明。2015年宇宙动物园的官方数据显示：网站上的项目涵盖了几十个学科，参与人数达到了百万的量级，正在进行的项目则接近一百个。
另一方面，公众科学的全球化趋势越来越明显，以上面提到国际虚拟天文台联盟为例，截止到2018年9月，IVOA已经拥有了21个项目成员，分别来自中国、阿根廷、爱美尼亚、英国、澳大利亚、巴西、加拿大、智利、德国、匈牙利、日本、法国、俄罗斯、南非、西班牙、意大利、乌克兰、美国、印度等国家，以及欧洲空间局、欧盟等组织。
这些数据都说明，公众科学正处在一个比较成熟的阶段，并且在技术和人文发展的催化下，依然在高速的发展中。
公众科学在天体物理中的应用
天体物理应该是公众科学发展最繁荣的领域之一。这一章里，我会介绍几种有代表性的公众科学在天体物理学中的应用，以便读者能够理解公众科学是如何工作的，从而让大家能更好地参与到其中来。
协同观测中比较新颖的一个项目叫做“淡水鳌虾（CrayFish，Cosmic RAYs Found In Smartphones）”。这个项目的科学目的是探测高能宇宙射线。其基本想法是以全球所有智能手机摄像头的感光元件为观测单元，志愿者可以通过安装他们开发的智能手机应用CrayFis，把自己手机的感光元件连接到一个观测网络上，然后在志愿者的手机闲置的时候，CrayFis会开启手机的观测宇宙射线的模式，并将观测到的数据传回到CrayFis团队的服务器上。该团组的天体物理学家们会对这些数据进行更复杂的筛选和建模来研究高能宇宙线的性质。
这个项目的优点是避免了建设昂贵的观测宇宙射线的望远镜的成本，CrayFis可以整合大量的可用设备为其所用。
这个项目是移动互联网时代公众科学的一次新颖的尝试，如果大家感兴趣可以去这个项目的官方网站（https://crayfis.io）下载CrayFis来尝试参与这个项目。图4展示了截至九月，各个国家和地区的民众科学家对该项目的累计贡献。
图4. 记录对“淡水鳌虾”项目贡献的世界地图（图源：crayfis.io）
这是一个非常成功的公众科学项目，NASA的天体物理学数据库显示：与星系动物园相关的学术论文（发发表的学术论文还是什么文章？）有五百篇左右。
基于星系动物园还衍生出很多相关的子项目，例如射电星系动物园（https://radio.galaxyzoo.org/）和空间卷曲（www.spacewarps.org），前者是对射电波段观测到的星系进行形状分类，后者则是寻找强引力透镜系统。这些项目的基本想法都是利用人眼对复杂结构的天然敏感性来实现海量星系图片的快速分类，且不需要志愿者有任何的数理基础。
由于观测数据的不断的更新，上述项目会一直进行着。如果想尝试如何只用鼠标点击和拖拽就能为科学研究做贡献，你可以访问上述网站一探究竟（图5）。
图5. 星系动物园项目主页（图源：galaxyzoo.org）
民众科学家问询是又一个有代表性的应用，这种方式存在的原因是：科学工作者的精力有限，他们不可能详细观察并思考每一个已观测到的天体，但大众可以帮助科学家仔细观察大量样本并给予反馈。
另一方面，科学工作者们在选择研究对象时，会强烈地依赖自己的科研兴趣，这样很多有用的数据也许在初期筛选时就被忽略掉了。统计上讲，民众科学家在选择样本时不带有明显的兴趣偏向性，所以他们会帮忙挖掘那些被科学家忽略掉的但很有意思的系统。
汉妮天体（Hanny’s Voorwerp）的发现是这类应用的典型案例（图6）。汉妮天体是由荷兰的一位中学老师——汉妮?范阿科尔（Hanny van Arkel）——在作为星系动物园的志愿者时发现的。当她给星系进行形状分类时，惊奇地发现几个特殊的旋涡星系：在这些星系的附近存在着颜色与本星系不一致的云状结构。汉妮把这个发现提交给了专业的天体物理学家以寻求帮助，希望了解这个天体背后的物理原理。谁知解释汉妮天体竟成为当时科学家们研究的热点题目。
图 6. 汉妮天体的天体物理学解释（图源：wikipedia）
事后证明这个现象是很罕见的“类星体电离回声现象”（Quasar Ionization Echo）， 此类天体可以帮助我们更好地研究星系中心的超大质量黑洞、星系合并以及恒星形成等前沿课题。汉妮也因此得到了一份回报丰厚的广告合同，并与多位知名天体物理学家合作撰写了数篇科研文章，这些文章都发表在了国际主流天文学和天体物理学期刊上[5]。
当然，也许汉妮的例子只是个低概率事件，但不可否认，公众科学家主导的问询行为确实帮助科学家重拾了一些沧海遗珠。
限于篇幅，本章只介绍了诸多成功的公众天体物理学项目中比较有代表性的几个，目的是帮助大家更好地理解大众科学的工作模式。至于最近比较火的天体物理学相关的公众科学项目，例如引力波查找（https://einsteinathome.org）和地外文明搜索（https://setiathome.berkeley.edu），就留给大家自己去一探究竟了。
此外，随着下一代的数据分享技术（例如云计算和物联网）以及可视化技术（例如虚拟现实和增强现实）的成熟，更多新奇的全民天体物理学项目会陆续呈现在大家的面前[6]。对公众科学的未来，我们有理由期待更多。
公众科学在中国的机遇和挑战
相对而言，中国公众科学的发展并不如欧美来的迅猛，规模也没有那么可观。然而，幸好我们并不是零基础。虽然追赶的路上机遇和挑战并存，但我乐观地认为：机遇远远大于挑战。
先说机遇：第一，中国的移动互联网基础设施，无论从硬件、软件还是生态上讲，都为公众科学提供了良好的基础支持。目前最大的公众科学项目的软硬件需求估计也只是“双十一”的百分之一。
第二，中国有天然的人口优势，并且正值新一轮的“消费升级”。而“消费升级”中的“消费”不单指的是花费金钱，也包括花费时间。现在，人们已经开始寻找新的区别于传统娱乐项目的休闲活动，希望公众科学可以成为他们的选择之一。更值得期待的是，如果公众科学可以燃起一批青少年的科学热情并愿意将来投身到科研事业中来，那将是功在当代利在千秋的大好事。
再说挑战：第一，破冰至关重要。目前来看公众科学在中国还属于受众偏小的亚文化范畴。如何打破目前的格局，让公众科学走进更多的人的生活，将是公众科学在中国得以发展的关键的第一步。
第二，推广则是破冰之后让公众科学真正在中国流行起来的主要任务。这个挑战需要有社会责任感和极客精神的大企业参与进来，利用其庞大的用户覆盖面和特有的用户群体性质来制造公众科学在中国的引爆点。
第三，虽然目前的公众科学的工作模式已经基本成熟了，但为了可持续地发展，创新运营模式是必要的。例如，更多样的互动和更丰富的回报。也许这样会偏离公众科学的原始定义，但定义不就是要随着时代发展而不断改变的么？
结语
“让每个人享受科技的乐趣1.0”，即每个人都能够享受科技的成果，在技术进步和制造成本降低的红利下已经基本快实现了。
“让每个人享受科技的乐趣2.0”，即每个人都能够享受参与到科学发现中的乐趣，将成为人们的下一个目标，公众科学则是我们实现这一步目标的最主要途径。
我相信，未来科学探索不再只是科学家独享的“游戏”，也将成为大众快乐的源泉。最后，借用一句网络用语来结束我的文章：朋友，想一起探索科学么？公众科学了解一下！
作者简介
李楠，现英国诺丁汉大学博士后研究员。2006年毕业于北京航空航天大学，2009年于中国科学院国家天文台获得天体物理学硕士学位，2013年于中国科学院国家天文台获得天体物理学博士学位，2013年至2017年就职于芝加哥大学及美国阿贡国家实验室任博士后研究员。研究领域是宇宙学，集中在引力透镜数值模拟、引力透镜限制星系及星系团的质量分布、机器学习以及公众科学在天体物理中的应用等课题。
参考资料
[1] “The definition of Citizen Science”,
https://en.wikipedia.org/wiki/Citizen_science
[2] “History of Citizen Science”,
https://cosmoquest.org/x/about-cosmoquest/history-of-citizen-science/
[3] “Citizen science: amateur experts”, Gura, Trisha (2013),Nature, 496, pages 259–261
[4] “Galaxy Zoo: morphologies derived from visual inspection of galaxies from the Sloan Digital Sky Survey”, Lintott et al，2008,MNRAS.389.1179L
[5] “Stars in their eyes: An armchair astronomer discovers something very odd”，The Economist，26 June 2008.
[6] “Ideas for Citizen Science in Astronomy”，Marshall et al，2015，ARA&A..53..247M
文章头图及封面图片来源：JENSINE ECKWALL/wired.com
