NASA科學(xué)家聯(lián)名求撤稿：金星有生命跡象是大烏龍，12階多項(xiàng)式擬合不靠譜

魚(yú)羊 蕭簫 2020-11-07 12:57:46 來(lái)源：量子位

蕭簫 魚(yú)羊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

還記得9月14號(hào)那篇“金星上有生命”的Nature子刊論文嗎？

天文學(xué)家在金星“大氣層”中觀測(cè)到了磷化氫的跡象，這是金星上有生命的有力證據(jù)。

這可是轟動(dòng)天文界的大新聞，很多人不敢相信：磷化氫和生命也不見(jiàn)得有必然聯(lián)系吧？

然而，科學(xué)家們?cè)谧屑?xì)研讀論文后，一個(gè)個(gè)都坐不住了：這論文，從數(shù)據(jù)處理開(kāi)始就有問(wèn)題啊！

質(zhì)疑接踵而至，全球多個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)這篇論文表示懷疑，也包括NASA在內(nèi)。

NASA研究生命、行星等各領(lǐng)域的科學(xué)家們“聯(lián)名上書(shū)”Nature：請(qǐng)作者考慮更正或撤稿。

所有的質(zhì)疑都指向一個(gè)問(wèn)題：所謂的磷化氫信號(hào)過(guò)擬合了。

提出質(zhì)疑的三個(gè)團(tuán)隊(duì)，從驗(yàn)證結(jié)論時(shí)所用的12階多項(xiàng)式，到觀測(cè)數(shù)據(jù)處理的方式，全都“炮轟”了一遍。

他們表示，自己對(duì)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果與這篇論文并不一致。

也就是說(shuō)，在金星大氣中發(fā)現(xiàn)磷化氫的結(jié)論可能根本就是錯(cuò)誤的。

究竟怎么回事？我們一起來(lái)捋一捋。

金星上的磷化氫是怎么觀測(cè)到的？

首先，來(lái)看這篇引起轟動(dòng)的Nature Astronomy論文本身。

天文學(xué)家Jane Greaves領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作研究團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始是使用夏威夷的James Clerk Maxwell望遠(yuǎn)鏡（JCMT）發(fā)現(xiàn)了金星大氣中的磷化氫。

此后，他們又在智利的Atacama毫米/亞毫米陣列（ALMA）射電望遠(yuǎn)鏡上確認(rèn)了這一結(jié)果。

相隔上億公里的地球人是如何知道金星上有磷化氫的呢？

原來(lái)化學(xué)分子會(huì)吸收某些特定波長(zhǎng)的電磁波，就像是這種物質(zhì)的“身份證”。如果我們把從行星上穿過(guò)的電波分析一下，發(fā)現(xiàn)哪些被吸收了，就可以推測(cè)行星上存在某種氣體。

比如磷化氫會(huì)吸收頻率為267GHz的電磁波。

結(jié)果，科學(xué)家們?cè)贘CMT和ALMA接受的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)頻率上有凹陷，因此認(rèn)為金星上存在著磷化氫。

而且他們根據(jù)吸收這個(gè)凹陷的大小算出，金星大氣中磷化氫濃度是一億分之二。

然而想從觀測(cè)數(shù)據(jù)中得出結(jié)論，并不是像上面說(shuō)得那樣容易。

由于地球大氣層、望遠(yuǎn)鏡本身結(jié)構(gòu)等等原因，電磁波難免會(huì)受到噪聲的影響，自帶抖動(dòng)。如果抖動(dòng)幅度過(guò)大，噪聲甚至?xí)研盘?hào)淹沒(méi)。

NASA戈達(dá)德太空飛行中心的天體化學(xué)家Martin Cordiner就指出，使用ALMA這樣強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)金星這樣明亮的天體時(shí)，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得尤其嚴(yán)重。

對(duì)此，Greaves團(tuán)隊(duì)首先在ALMA數(shù)據(jù)成像之前，排除了所有長(zhǎng)度小于33m的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量結(jié)果。因?yàn)楦缮婊€越短，信號(hào)中的噪聲影響就越大。

另外，NASA還發(fā)現(xiàn)，Greaves的研究團(tuán)隊(duì)用多項(xiàng)式方程擬合噪聲，然后將其從數(shù)據(jù)中剔除。

最簡(jiǎn)單的可以是一階多項(xiàng)式方程，即 y=mx+b。二階多項(xiàng)式方程則是 y=m0x^2+m1x+b的形式，n階多項(xiàng)式方程以此類推。

本來(lái)多項(xiàng)式擬合是常規(guī)操作，沒(méi)有什么。但是Greaves團(tuán)隊(duì)用了8階多項(xiàng)式擬合JCMT望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，而ALMA望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，他們居然用到了12階多項(xiàng)式！

數(shù)據(jù)擬合方式太“瘋狂”？

簡(jiǎn)單總結(jié)一下論文的內(nèi)容，金星上可能存在生命的推斷過(guò)程是這樣的：①通過(guò)JCMT望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了磷化氫；②再通過(guò)ALMA望遠(yuǎn)鏡，確認(rèn)了這次觀測(cè)結(jié)果。

最早是4名來(lái)自荷蘭萊頓大學(xué)的天文學(xué)家，他們發(fā)現(xiàn)ALMA觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理方式有問(wèn)題。

火眼金睛的他們，一眼就相中了處理（頻譜通帶部分）噪聲的12階多項(xiàng)式。

12階多項(xiàng)式，為什么這么離譜？這就要說(shuō)到實(shí)驗(yàn)曲線的擬合問(wèn)題。

為了讓曲線能夠盡可能靠近所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇越高階的多項(xiàng)式來(lái)擬合，就越容易實(shí)現(xiàn)。但是多項(xiàng)式的階數(shù)越高，曲線振蕩得也會(huì)越厲害，偏離真實(shí)的情況。

比如下面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本來(lái)都在一條直線附近，如果用高階多項(xiàng)式擬合，則會(huì)出現(xiàn)多處峰谷。

著名數(shù)學(xué)家馮·諾依曼說(shuō)過(guò)一句名言：

給我四個(gè)參數(shù)，我能擬合出一頭大象，給我五個(gè)參數(shù)，我能讓大象鼻子晃起來(lái)。

雖然聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)不可思議，但這確實(shí)是真的，也已經(jīng)有人用論文實(shí)現(xiàn)過(guò)了（下面那幅圖，是表示用一個(gè)參數(shù)就能擺動(dòng)大象的鼻子）：

4個(gè)參數(shù)已經(jīng)能達(dá)成這樣的效果，12階多項(xiàng)式聽(tīng)起來(lái)jo離譜……但天文學(xué)家們還是動(dòng)手又驗(yàn)證了一遍，主要通過(guò)兩種方法：

①對(duì)ALMA收集到的金星數(shù)據(jù)，重新應(yīng)用相同的降噪方法

②用這種降噪方法，對(duì)金星光譜的其他部分進(jìn)行噪聲過(guò)濾

從結(jié)果來(lái)看，得到的光譜數(shù)據(jù)不僅不符合高斯分布，而且差得還有點(diǎn)大……

而且，如果基線選得不同，統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能就會(huì)不一樣。

萊頓大學(xué)的天文學(xué)家又處理了一遍數(shù)據(jù)，磷化氫吸收頻率附近的特征為2σ，低于具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的通用閾值，因此不能說(shuō)明金星大氣中有異常含量的磷化氫。

此外，這篇論文中所發(fā)現(xiàn)的磷化氫，有個(gè)前提條件：是在金星的大氣層中發(fā)現(xiàn)的。

巴黎天文臺(tái)的Thérèse Encrenaz記錄了2012-2015年金星三年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明，大氣層中并沒(méi)有磷化氫的跡象。

雖然這并不意味著更高的地方?jīng)]有磷化氫，但Encrenaz認(rèn)為，論文這種說(shuō)法值得商榷。

而且，ALMA還只是第一步。

很快又有天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，JCMT的數(shù)據(jù)處理，好像也有點(diǎn)問(wèn)題？

一位來(lái)自英國(guó)的天文學(xué)家，他在對(duì)JCMT數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，與ALMA一樣，相似的情況也同樣出現(xiàn)在JCMT中，也就是所謂的“假陽(yáng)性”。

此前，Villanueva的論文表明，JCMT的吸收線同樣可能是二氧化硫，但這篇論文則認(rèn)為，金星的檢測(cè)光譜無(wú)法證明是否吸收了二氧化硫或是磷化氫。

這件事情，目前仍在發(fā)酵中。

真理越辯越明

NASA在發(fā)表“誠(chéng)邀撤稿”聲明的后一天，忽然去掉了論文中要求撤稿的部分，而是改成了更冷靜的“我們所測(cè)量的數(shù)據(jù)，與論文中所展示的數(shù)據(jù)不符”。

不過(guò)，對(duì)于此事，網(wǎng)友們已經(jīng)熱議開(kāi)來(lái)。

有網(wǎng)友調(diào)侃這個(gè)12階多項(xiàng)式時(shí)表示：我做畢業(yè)論文的時(shí)候，5階就已經(jīng)蒙混過(guò)關(guān)了……

還有網(wǎng)友想到了NASA在Nature發(fā)表過(guò)的主題為“砷可以在DNA中取代磷”的論文，然而最后也是被打臉了。

但也有網(wǎng)友認(rèn)為，統(tǒng)計(jì)學(xué)的確是個(gè)充滿玄學(xué)的問(wèn)題。

而NASA金星研究組的成員Byrne則認(rèn)為，這篇論文再一次激起了人們對(duì)于金星的熱情，而它的存在也說(shuō)明，人們對(duì)金星的了解還很匱乏。他認(rèn)為：

“獲得這些答案的唯一途徑，就是到金星上去?！?/p>

如果說(shuō)早前的討論是，大氣中磷化氫的存在是否能證明金星存在生命，那么現(xiàn)在，連磷化氫存在本身都需要更多的探測(cè)結(jié)果來(lái)證明。

不過(guò)，也有觀點(diǎn)認(rèn)為，合理質(zhì)疑是好事，“這就是科學(xué)真實(shí)的樣子”。

不斷地探索發(fā)現(xiàn)，才會(huì)讓真理越辯越明。

你的論文不也是在一步步的質(zhì)疑修改中逐步完善的嗎？

傳送門(mén)：

Nature原論文：
https://www.nature.com/articles/s41550-020-1174-4

三篇質(zhì)疑：
https://arxiv.org/abs/2010.09761
https://arxiv.org/abs/2010.14305
https://arxiv.org/abs/2010.15188

參考鏈接：
https://news.ycombinator.com/item?id=24980449
https://weibo.com/1144755982/JrBBErHaC
https://fermatslibrary.com/s/drawing-an-elephant-with-four-complex-parameters

— 完 —