科學(xué)家黑洞研究曝光：100年終于看見(jiàn)黑洞！

 12月18日，新浪“2019科技風(fēng)云榜”年度盛典今日在北京香格里拉酒店開(kāi)幕。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授茍利軍在盛典上發(fā)表《100年后，我們終于看見(jiàn)黑洞》的主題演講。

茍利軍表示，1915年愛(ài)因斯坦提出了廣義相對(duì)論，幾個(gè)月后，身處德國(guó)的物理學(xué)家卡爾什瓦希得到了愛(ài)因斯坦方程解，這個(gè)解就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞的精確解，這是第一次現(xiàn)代意義上對(duì)于黑洞的描述。

在接下來(lái)的將近一百年間，人類對(duì)于黑洞的研究?jī)H僅停留在理論的研究之上。對(duì)于黑洞長(zhǎng)的什么樣，幾乎是一無(wú)所知。

而2019年從天文學(xué)的角度來(lái)說(shuō)是黑洞之年，人類的黑洞研究取得了多項(xiàng)突破性的進(jìn)展。今年4月，全球20個(gè)國(guó)家的300的位科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了第一張全球唯一的黑洞照片;日前，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的科研人員又發(fā)現(xiàn)了銀河系當(dāng)中最大的恒星級(jí)黑洞;除此之外，美國(guó)的科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了宇宙當(dāng)中最小質(zhì)量的黑洞。“所有這些發(fā)現(xiàn)中，毫無(wú)疑問(wèn)，黑洞照片是最激動(dòng)人心的一件事情。”他說(shuō)。

茍利軍表示，縱觀整個(gè)人類科學(xué)史的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展得益于天文學(xué)的觀測(cè)。過(guò)去的幾十年，天文學(xué)又從現(xiàn)代科學(xué)受益無(wú)數(shù)。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)幫助科學(xué)家可以去發(fā)現(xiàn)一個(gè)更廣闊和更神奇的宇宙。“基礎(chǔ)科學(xué)是一個(gè)非常辛苦的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛?，又是一個(gè)非常震撼性、革命性和催化性的研究。只有隨著基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，我們整個(gè)社會(huì)才能夠取得進(jìn)步。”茍利軍最后說(shuō)道。

以下為茍利軍主題演講《100年后，我們終于看見(jiàn)黑洞》實(shí)錄：

各位嘉賓、各位朋友，下午好!很高興能有這樣一個(gè)機(jī)會(huì)和大家分享一些有關(guān)于天文分析的知識(shí)。

剛剛劉暢女士跟我們分享了一些航空方面的知識(shí)，接下來(lái)我?guī)ьI(lǐng)大家走的更遠(yuǎn)一點(diǎn)，讓我們?nèi)ヌ绽锩婵匆幌?，尤其是科學(xué)家是怎么認(rèn)識(shí)遙遠(yuǎn)的黑洞的。2019年從天文學(xué)的角度來(lái)說(shuō)可以說(shuō)是黑洞之年，因?yàn)槲覀兒诙囱芯咳〉昧硕囗?xiàng)突破性的進(jìn)展。比如今年4月10號(hào)我們發(fā)布了第一張全球唯一的黑洞照片。而在前幾天，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的科研人員又發(fā)現(xiàn)了銀河系當(dāng)中最大的恒星級(jí)黑洞。除此之外，美國(guó)的科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了宇宙當(dāng)中最小質(zhì)量的黑洞。所有這些發(fā)現(xiàn)中，毫無(wú)疑問(wèn)，黑洞照片是最激動(dòng)人心的一件事情。

1915年愛(ài)因斯坦11月份提出了廣義相對(duì)論，幾個(gè)月之后，身處德國(guó)展現(xiàn)的物理學(xué)家卡爾什瓦希得到了愛(ài)因斯坦方程解，這個(gè)解就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞的精確解，這是第一次現(xiàn)代意義上對(duì)于黑洞的描述。

在接下來(lái)的將近一百年間，我們對(duì)于黑洞的研究?jī)H僅停留在理論的研究之上。我們對(duì)于黑洞長(zhǎng)的什么樣，幾乎是一無(wú)所知。一直到最近的十多 年之內(nèi)，科技的發(fā)展讓我們能夠有機(jī)會(huì)去追尋、去探究黑洞真實(shí)的模樣。終于在今年，2019年4月份的時(shí)候，全球20個(gè)國(guó)家的300的位科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了第一張黑洞照片。接下來(lái)就讓我們看一下黑洞探尋的歷史。

通過(guò)黑洞探尋的歷史，我們也可以去窺探整個(gè)科學(xué)發(fā)展漫長(zhǎng)的經(jīng)歷。說(shuō)到黑洞，我們首先或許會(huì)有一些恐懼感，因?yàn)樵诤芏嚯娪爸邪押诙炊济枋龀蔁o(wú)所不吃，甚至能夠連光和時(shí)間都能夠停止的巨人，龐然大物。所以，它具有非常強(qiáng)的引力。但是在一些物理學(xué)家的眼中，它又是非常神奇的。為什么?因?yàn)樗蛟S可以在未來(lái)中檔時(shí)間之門的角色，帶領(lǐng)我們快速地進(jìn)行宇宙的穿越。總體來(lái)說(shuō)，黑洞是既神秘又神氣的物種。黑洞是引力非常強(qiáng)的天體，所以要認(rèn)識(shí)它，我們就得從引力的發(fā)展歷史去探究。

談到引力，自然而然我們就會(huì)想到17世紀(jì)偉大的物理學(xué)家牛頓，有一天他坐在蘋果樹(shù)下，看到下落的蘋果，就意識(shí)到在宇宙當(dāng)中應(yīng)該存在著一種普遍存在的力，現(xiàn)在我們稱之為萬(wàn)有引力。牛頓是一個(gè)非常偉大的物理學(xué)家，他不僅僅想到了這一點(diǎn)，他還讓這個(gè)想法讓我們現(xiàn)在非常流行的說(shuō)法落地了。也就是說(shuō)，他根據(jù)這個(gè)想法寫(xiě)下了一個(gè)非常經(jīng)典的公式，數(shù)學(xué)表達(dá)式，這就是萬(wàn)有引力的表達(dá)式。通過(guò)這個(gè)公式，我們知道，他認(rèn)為的引力是因?yàn)槲矬w有質(zhì)量而存在的。

他把這一理論總結(jié)在非常經(jīng)典的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理一書(shū)中。在這一理論發(fā)表之后就得到了很多人的推崇，因?yàn)樗粌H僅可以很好地解釋天體在空間當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)，而且可以完美地預(yù)測(cè)天體未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在接下來(lái)的幾百年中，他的理論不斷地被驗(yàn)證，而且被更為廣泛的應(yīng)用。不僅僅應(yīng)用在物理學(xué)當(dāng)中，而且應(yīng)用在非常多的其他的學(xué)科當(dāng)中。牛頓的理論可以說(shuō)是我們現(xiàn)代科學(xué)的起源。但是到了19世紀(jì)更多觀測(cè)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)于牛頓理論就提出了挑戰(zhàn)。所以到20世紀(jì)初的時(shí)候，德國(guó)籍的物理學(xué)家愛(ài)因斯坦首先提出了狹義相對(duì)論，十年之后又提出了廣義相對(duì)論。在這個(gè)新型的理論當(dāng)中，他提出了一種對(duì)引力全新的看法，他認(rèn)為引力并非由質(zhì)量直接所產(chǎn)生，而是由有質(zhì)量的天體導(dǎo)致了宇宙時(shí)空的彎曲，彎曲的時(shí)空呈現(xiàn)出一種引力的效應(yīng)。

在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論的幾個(gè)月中，身處德國(guó)展現(xiàn)的物理學(xué)家史瓦西就得到了這個(gè)復(fù)雜方程的精確解，但是很遺憾的是這個(gè)精確解雖然是我們所說(shuō)的黑洞的精確解，但是這個(gè)黑洞是沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的黑洞。在宇宙當(dāng)中幾乎所有的天體都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，包括地球。所以，當(dāng)愛(ài)因斯坦看到這個(gè)精確解的時(shí)候，他雖然很驚奇，史瓦西能夠快速地得到精確解，但是他并不相信這個(gè)解在宇宙當(dāng)中是真實(shí)存在的。在接下來(lái)的幾十年當(dāng)中，由于戰(zhàn)亂，由于科技的限制，對(duì)于黑洞的研究可以說(shuō)是停滯的，只不過(guò)在1935年美國(guó)的原子彈之后，奧本海默和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了宇宙有可能會(huì)形成一個(gè)起點(diǎn)，這就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞。除此之外，對(duì)于黑洞的研究并沒(méi)有太大的進(jìn)展。愛(ài)因斯坦1955年去世之前，因?yàn)橛^測(cè)從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)黑洞的蹤跡，所以愛(ài)因斯坦從來(lái)就沒(méi)有相信黑洞這類神秘的天體在宇宙當(dāng)中應(yīng)該是存在的。但是時(shí)間到了60年代的時(shí)候，1963年，新西蘭的數(shù)學(xué)家科爾得到了另外一個(gè)精確解，這一次這個(gè)黑洞是轉(zhuǎn)動(dòng)的。而且1964年，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)發(fā)射探空火箭的方式，第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞的蹤跡，人類歷史上第一個(gè)恒星量級(jí)的黑洞就此被發(fā)現(xiàn)了，這就是我們現(xiàn)在熟知的天鵝座X1。

因?yàn)槔碚摵陀^測(cè)的雙重突破，一下子吸引了大批的天文學(xué)家、物理學(xué)家投入到這個(gè)領(lǐng)域中，所以在接下來(lái)的二三十年中，關(guān)于黑洞的研究就進(jìn)入了黃金時(shí)期。幾乎我們現(xiàn)在所有知道的黑洞的知識(shí)，都是在接下來(lái)的二三十年當(dāng)中取得的。在這期間，有一位非常突出的學(xué)者，他就是來(lái)自于普林斯頓大學(xué)的惠勒教授。比如我們現(xiàn)在知道的黑洞這一詞，盡管不是他發(fā)明的，但是經(jīng)過(guò)他的廣泛推廣，最終被大眾所熟悉。除了惠勒之外，另外一位需要重點(diǎn)介紹的物理學(xué)家就是霍金?；艚鹪?0年代的時(shí)候，當(dāng)大家還認(rèn)為黑洞沒(méi)有任何輻射的時(shí)候，他就提出來(lái)黑洞應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生輻射。這就是我們現(xiàn)在所知道的霍金輻射。這個(gè)輻射盡管非常微弱，但是0和1的差別卻是天壤之別。

在接下來(lái)的幾十年當(dāng)中，盡管我們?cè)诶碚撋弦呀?jīng)取得了非常多的有關(guān)于黑洞的知識(shí)或者說(shuō)認(rèn)識(shí)，但是黑洞究竟長(zhǎng)什么模樣，我們還是不知道。所以，最近的一次對(duì)于黑洞最為震撼的描述，可以說(shuō)是2014年的《星際穿越》電影。當(dāng)時(shí)我在電影院看到這部電影中描述的黑洞的時(shí)候是被震撼到了的。不僅僅是我，作為電影科學(xué)醫(yī)古文的基普索恩，當(dāng)他第一次看到旋轉(zhuǎn)黑洞高清描述的時(shí)候，他同樣有著欣喜若狂的經(jīng)歷。為了得到高清黑洞的展現(xiàn)，英國(guó)公司利用30個(gè)團(tuán)隊(duì)人員，花費(fèi)了將近一年的時(shí)間，得到了8000TB的數(shù)據(jù)，最終呈現(xiàn)給我們?nèi)绱烁咔宓暮诙?，并且他們發(fā)表了相關(guān)的文章，來(lái)展現(xiàn)他們計(jì)算的技術(shù)。

對(duì)于黑洞探測(cè)從科學(xué)的角度一直沒(méi)有停止，大約從十多年之前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段，我們可以進(jìn)行全球望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)支持，來(lái)自于全球很多國(guó)家的科學(xué)家就試圖對(duì)一些黑洞真正的進(jìn)行成像。他們把這個(gè)項(xiàng)目叫做視界面望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目。他們想看的兩個(gè)黑洞，一個(gè)是來(lái)自于銀河系中心的黑洞，另外一個(gè)是位于大約5500萬(wàn)光年之外的稱之為M87的黑洞。右面展示的是M87光學(xué)波段的黑洞。需要多大的望遠(yuǎn)鏡才能真正看清楚中心黑洞的模樣?這幅圖就是非常好的對(duì)比。藍(lán)色代表的是哈勃望遠(yuǎn)鏡所拍攝到的圖像，而最中間的圓環(huán)就是我們所想拍攝的黑洞的尺度。這兩者之間相差至少幾千倍的差別。所以，如果我們要利用目前最先進(jìn)的哈勃望遠(yuǎn)鏡，未來(lái)超級(jí)哈勃望遠(yuǎn)鏡的視物要達(dá)到幾公里左右，才能分清中心黑洞的模樣。

科學(xué)家沒(méi)有辦法去制造如此巨大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，他們發(fā)展出了一套稱之為VR、AI聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，把全球幾乎所有的亞毫米波望遠(yuǎn)鏡連成一個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡口徑可以達(dá)到1萬(wàn)多公里，這時(shí)候我們就可以對(duì)中心的黑洞進(jìn)行成像，這些望遠(yuǎn)鏡通常都是位于海拔非常高的地方，為什么?最重要的是減少大氣對(duì)于電磁波的吸收。

除了觀測(cè)的設(shè)備需要不斷改進(jìn)之外，我們?cè)诶碚摲矫嬉残枰龃罅康哪M，因?yàn)楹诙粗車欠浅?fù)雜的。所以，利用簡(jiǎn)單的紙和筆我們已經(jīng)很難對(duì)氣體在黑洞周圍的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做出一番描述，這時(shí)候我們就需要計(jì)算量非常大的相對(duì)論型的磁流體力學(xué)。每一次計(jì)算都需要上千個(gè)CPU，而且好幾個(gè)月的計(jì)算時(shí)間。視界面望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)對(duì)于各種不同情形做出了最終的計(jì)算，這幅圖就展示了其中計(jì)算得到的部分結(jié)果。終于一切準(zhǔn)備就緒以后，在2017年4月10日到15日之間，他們利用全球8個(gè)不同地方的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)這兩個(gè)黑洞進(jìn)行了觀測(cè)，最終得到了大約5個(gè)PB的數(shù)據(jù)。因?yàn)閿?shù)據(jù)量非常大，而且有一個(gè)望遠(yuǎn)鏡按它是位于南極的。所以，利用我們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)很難將數(shù)據(jù)傳輸回來(lái)?；蛟S未來(lái)5G技術(shù)成熟以后，我們可以直接進(jìn)行傳輸，但是目前非常困難。所以，他們采用的方法是將數(shù)據(jù)拷貝到磁盤之上，再用飛機(jī)運(yùn)回到數(shù)據(jù)中心。

有兩個(gè)數(shù)據(jù)中心，一個(gè)是在美國(guó)的MIT，另外一個(gè)位于德國(guó)。最終得到數(shù)據(jù)以后，他們進(jìn)行相關(guān)分析，采用不同的方式對(duì)圖像進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)以后，進(jìn)行重構(gòu)，最終得到我們所看到的黑洞照片。在得到黑洞照片的與此同時(shí)，我們已經(jīng)做了數(shù)值的模擬，與我們的數(shù)值模擬庫(kù)相比較，從而我們可以推斷黑洞的性質(zhì)。這就是2019年4月10日晚上9時(shí)在全球發(fā)布的第一張黑洞照片。

有了黑洞照片，與我們先前已經(jīng)得到的數(shù)值結(jié)果相比較，就可以推斷出有關(guān)于黑洞的性質(zhì)?；蛟S大家會(huì)對(duì)《星際穿越》電影當(dāng)中的黑洞印象非常深刻，或許你會(huì)說(shuō)為什么我們這次看到的第一張黑洞照片和《星際穿越》電影當(dāng)中的照片竟然差別如此之大。當(dāng)然我們沒(méi)有辦法飛到M87周圍去看清楚，但是我們可以借助現(xiàn)代性能非常發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)來(lái)模擬整個(gè)過(guò)程。

主要的原因是因?yàn)槲覀內(nèi)タ吹暮诙匆暯遣惶粯?，這次M87是沿著黑洞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向去看的，但是《星際穿越》電影是沿著赤道方向展示的黑洞的模樣。這是兩者之間最大的差別?，F(xiàn)代科技不僅僅給黑洞研究帶來(lái)了非常大的便利，而且在講述科技對(duì)天文研究所帶來(lái)的影響的時(shí)候，引力波又是一個(gè)非常值得一講的話題。引力波可以說(shuō)是我們時(shí)空當(dāng)中的唯一，它是一些致密天體在宇宙當(dāng)中碰撞或者爆發(fā)時(shí)釋放出來(lái)的巨大能量，對(duì)我們時(shí)空所產(chǎn)生的一種波動(dòng)。這個(gè)被動(dòng)非常微弱，微弱到多小?我們知道氫彈是這個(gè)地球上破壞力最大的一種武器。當(dāng)年前蘇聯(lián)所嘗試的氫彈當(dāng)量達(dá)到了5000萬(wàn)可以說(shuō)是所有氫彈當(dāng)中破壞力最大的一次。如果我們能夠站在氫彈爆發(fā)的最中心，去測(cè)量它對(duì)時(shí)空的干擾，它的干擾僅僅大約10個(gè)負(fù)27次方。一個(gè)原子核的大小是10個(gè)負(fù)8次方米，一個(gè)頭發(fā)絲的大小是10的負(fù)5次方米。這個(gè)氫彈盡管對(duì)我們周圍的物體造成了極大的威脅或者破壞，但是對(duì)于時(shí)空幾乎是毫發(fā)無(wú)損。假如有一天一個(gè)非常強(qiáng)大的引力波穿越我們地球的時(shí)候，對(duì)于地球上的神淚會(huì)造成什么樣的影響?它會(huì)不斷地拉伸我們的人類。

比如在這幅圖畫(huà)中我們會(huì)看到以一種夸張的方式展示了引力波對(duì)人的影響，一個(gè)人會(huì)突然變瘦，或突然變胖。當(dāng)然這是一種非?？鋸埖姆绞?，真實(shí)中有多小。2015年人類第一次探到引力波的時(shí)候，是美國(guó)的引力波激光天文臺(tái)探測(cè)到的，這次引力波的效應(yīng)僅僅只使得一個(gè)原子的尺度發(fā)生了變化，只有10的負(fù)8次方米。所以，我們現(xiàn)代的科技已經(jīng)能夠做到如此精密的測(cè)量。1915年提出廣義相對(duì)論，1916年引力波被預(yù)測(cè)，到2015年引力波第一次被直接探測(cè)到，我們整整經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)的探索。我們可以看到整個(gè)科學(xué)的精神其實(shí)是非常非常漫長(zhǎng)的。當(dāng)然引力波也幫助我們發(fā)現(xiàn)了很多意想不到的事情，在原來(lái)我們根本沒(méi)有想到在宇宙當(dāng)中會(huì)存在著很多質(zhì)量非常大的黑洞。紫色的原點(diǎn)就是代表我們?cè)趥鹘y(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡當(dāng)中所看到的黑洞的質(zhì)量，藍(lán)色的是引力波幫助我們發(fā)現(xiàn)的這些質(zhì)量非常大的黑洞。所以，它成為我們探索黑洞的一個(gè)新的窗口。

縱觀整個(gè)人類科學(xué)史的發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展得益于天文學(xué)的觀測(cè)。過(guò)去的幾十年，天文學(xué)又從現(xiàn)代科學(xué)受益無(wú)數(shù)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)幫助科學(xué)家可以去發(fā)現(xiàn)一個(gè)更廣闊和更神奇的宇宙。最后，我想以麻省理工大學(xué)當(dāng)時(shí)在探測(cè)到引力波之后的那句話作為結(jié)尾，基礎(chǔ)科學(xué)是一個(gè)非常辛苦的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛模质且粋€(gè)非常震撼性、革命性和催化性的研究。

在接下來(lái)的很多年內(nèi)，還有一些其他更大的項(xiàng)目。比如美國(guó)8.4米一個(gè)被稱之為L(zhǎng)SST的項(xiàng)目。我們現(xiàn)在所看到的很多宇宙都是一個(gè)靜態(tài)的宇宙，比如我們會(huì)看到一幅非常漂亮的圖畫(huà)，這個(gè)望遠(yuǎn)鏡的目的就是要制作宇宙的一幅動(dòng)畫(huà)圖。它的數(shù)據(jù)量每天晚上可以達(dá)到15個(gè)TB，這對(duì)于目前的處理能力來(lái)說(shuō)已經(jīng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)然還有更大的挑戰(zhàn)在等待著我們，中國(guó)參與的另外一個(gè)大型的項(xiàng)目平方公里陣。這個(gè)項(xiàng)目它的尺度可以達(dá)到一平方公里以上，包含的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)目達(dá)到2萬(wàn)多個(gè)小型的望遠(yuǎn)鏡，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到2個(gè)TB。

所以，對(duì)于我們?nèi)绾稳ヌ幚磉@么龐大的數(shù)據(jù)，的確是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。如果沒(méi)有基礎(chǔ)學(xué)科最好的設(shè)想就無(wú)法得到改進(jìn)創(chuàng)新也只是小打小鬧，只有隨著基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，我們整個(gè)社會(huì)才能夠取得進(jìn)步。