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幕。中國科學(xué)院國家天文臺研究員、中國科學(xué)院大學(xué)教授茍利軍在盛典上發(fā)表《100年后，我們終于看見黑洞》的主題演講。
茍利軍表示，1915年愛因斯坦提出了廣義相對論，幾個月后，身處德國的物理學(xué)家卡爾什瓦希得到了愛因斯坦方程解，這個解就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞的精確解，這是第一次現(xiàn)代意義上對于黑洞的描述。
在接下來的將近一百年間，人類對于黑洞的研究僅僅停留在理論的研究之上。對于黑洞長的什么樣，幾乎是一無所知。
而2019年從天文學(xué)的角度來說是黑洞之年，人類的黑洞研究取得了多項突破性的進(jìn)展。今年4月，全球20個國家的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，中國科學(xué)院國家天文臺的科研人員又發(fā)現(xiàn)了銀河系當(dāng)中最大的恒星級黑洞;除此之外，美國的科學(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，毫無疑問，黑洞照片是最激動人心的一件事情。”他說。
茍利軍表示，縱觀整個人類科學(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。過去的幾十年，天文學(xué)又從現(xiàn)代科學(xué)受益無數(shù)?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)幫助科學(xué)家可以去發(fā)現(xiàn)一個更廣闊和更神奇的宇宙。“基礎(chǔ)科學(xué)是一個非常辛苦的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛模质且粋€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，我們整個社會才能夠取得進(jìn)步。”茍利軍最后說道。
以下為茍利軍主題演講《100年后，我們終于看見黑洞》實錄：
各位嘉賓、各位朋友，下午好!很高興能有這樣一個機(jī)會和大家分享一些有關(guān)于天文分析的知識。
剛剛劉暢女士跟我們分享了一些航空方面的知識，接下來我?guī)ьI(lǐng)大家走的更遠(yuǎn)一點，讓我們?nèi)ヌ绽锩婵匆幌拢绕涫强茖W(xué)家是怎么認(rèn)識遙遠(yuǎn)的黑洞的。2019年從天文學(xué)的角度來說可以說是黑洞之年，因為我們黑洞研究取得了多項突破性的進(jìn)展。比如今年4月10號我們發(fā)布了第一張全球唯一的黑洞照片。而在前幾天，中國科學(xué)院國家天文臺的科研人員又發(fā)現(xiàn)了銀河系當(dāng)中最大的恒星級黑洞。除此之外，美國的科學(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，毫無疑問，黑洞照片是最激動人心的一件事情。
1915年愛因斯坦11月份提出了廣義相對論，幾個月之后，身處德國展現(xiàn)的物理學(xué)家卡爾什瓦希得到了愛因斯坦方程解，這個解就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞的精確解，這是第一次現(xiàn)代意義上對于黑洞的描述。
在接下來的將近一百年間，我們對于黑洞的研究僅僅停留在理論的研究之上。我們對于黑洞長的什么樣，幾乎是一無所知。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)會去追尋、去探究黑洞真實的模樣。終于在今年，2019年4月份的時候，全球20個國家的300的位科學(xué)家聯(lián)合發(fā)布了第一張黑洞照片。接下來就讓我們看一下黑洞探尋的歷史。
通過黑洞探尋的歷史，我們也可以去窺探整個科學(xué)發(fā)展漫長的經(jīng)歷。說到黑洞，我們首先或許會有一些恐懼感，因為在很多電影中把黑洞都描述成無所不吃，甚至能夠連光和時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?因為它或許可以在未來中檔時間之門的角色，帶領(lǐng)我們快速地進(jìn)行宇宙的穿越?？傮w來說，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下，看到下落的蘋果，就意識到在宇宙當(dāng)中應(yīng)該存在著一種普遍存在的力，現(xiàn)在我們稱之為萬有引力。牛頓是一個非常偉大的物理學(xué)家，他不僅僅想到了這一點，他還讓這個想法讓我們現(xiàn)在非常流行的說法落地了。也就是說，他根據(jù)這個想法寫下了一個非常經(jīng)典的公式，數(shù)學(xué)表達(dá)式，這就是萬有引力的表達(dá)式。通過這個公式，我們知道，他認(rèn)為的引力是因為物體有質(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)原理一書中。在這一理論發(fā)表之后就得到了很多人的推崇，因為它不僅僅可以很好地解釋天體在空間當(dāng)中的運動，而且可以完美地預(yù)測天體未來的運動狀態(tài)。在接下來的幾百年中，他的理論不斷地被驗證，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。牛頓的理論可以說是我們現(xiàn)代科學(xué)的起源。但是到了19世紀(jì)更多觀測的發(fā)現(xiàn)，對于牛頓理論就提出了挑戰(zhàn)。所以到20世紀(jì)初的時候，德國籍的物理學(xué)家愛因斯坦首先提出了狹義相對論，十年之后又提出了廣義相對論。在這個新型的理論當(dāng)中，他提出了一種對引力全新的看法，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)致了宇宙時空的彎曲，彎曲的時空呈現(xiàn)出一種引力的效應(yīng)。
在愛因斯坦提出廣義相對論的幾個月中，身處德國展現(xiàn)的物理學(xué)家史瓦西就得到了這個復(fù)雜方程的精確解，但是很遺憾的是這個精確解雖然是我們所說的黑洞的精確解，但是這個黑洞是沒有轉(zhuǎn)動的黑洞。在宇宙當(dāng)中幾乎所有的天體都是轉(zhuǎn)動的，包括地球。所以，當(dāng)愛因斯坦看到這個精確解的時候，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解在宇宙當(dāng)中是真實存在的。在接下來的幾十年當(dāng)中，由于戰(zhàn)亂，由于科技的限制，對于黑洞的研究可以說是停滯的，只不過在1935年美國的原子彈之后，奧本海默和他的學(xué)生發(fā)現(xiàn)了宇宙有可能會形成一個起點，這就是我們現(xiàn)在所知道的黑洞。除此之外，對于黑洞的研究并沒有太大的進(jìn)展。愛因斯坦1955年去世之前，因為觀測從來沒有發(fā)現(xiàn)過黑洞的蹤跡，所以愛因斯坦從來就沒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。但是時間到了60年代的時候，1963年，新西蘭的數(shù)學(xué)家科爾得到了另外一個精確解，這一次這個黑洞是轉(zhuǎn)動的。而且1964年，美國科學(xué)家通過發(fā)射探空火箭的方式，第一次發(fā)現(xiàn)了黑洞的蹤跡，人類歷史上第一個恒星量級的黑洞就此被發(fā)現(xiàn)了，這就是我們現(xiàn)在熟知的天鵝座X1。
因為理論和觀測的雙重突破，一下子吸引了大批的天文學(xué)家、物理學(xué)家投入到這個領(lǐng)域中，所以在接下來的二三十年中，關(guān)于黑洞的研究就進(jìn)入了黃金時期。幾乎我們現(xiàn)在所有知道的黑洞的知識，都是在接下來的二三十年當(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，另外一位需要重點介紹的物理學(xué)家就是霍金。霍金在70年代的時候，當(dāng)大家還認(rèn)為黑洞沒有任何輻射的時候，他就提出來黑洞應(yīng)該會產(chǎn)生輻射。這就是我們現(xiàn)在所知道的霍金輻射。這個輻射盡管非常微弱，但是0和1的差別卻是天壤之別。
在接下來的幾十年當(dāng)中，盡管我們在理論上已經(jīng)取得了非常多的有關(guān)于黑洞的知識或者說認(rèn)識，但是黑洞究竟長什么模樣，我們還是不知道。所以，最近的一次對于黑洞最為震撼的描述，可以說是2014年的《星際穿越》電影。當(dāng)時我在電影院看到這部電影中描述的黑洞的時候是被震撼到了的。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)，英國公司利用30個團(tuán)隊人員，花費了將近一年的時間，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，來展現(xiàn)他們計算的技術(shù)。
對于黑洞探測從科學(xué)的角度一直沒有停止，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，來自于全球很多國家的科學(xué)家就試圖對一些黑洞真正的進(jìn)行成像。他們把這個項目叫做視界面望遠(yuǎn)鏡項目。他們想看的兩個黑洞，一個是來自于銀河系中心的黑洞，另外一個是位于大約5500萬光年之外的稱之為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，未來超級哈勃望遠(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)鏡連成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)。這個望遠(yuǎn)鏡口徑可以達(dá)到1萬多公里，這時候我們就可以對中心的黑洞進(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于電磁波的吸收。
除了觀測的設(shè)備需要不斷改進(jìn)之外，我們在理論方面也需要做大量的模擬，因為黑洞周圍是非常復(fù)雜的。所以，利用簡單的紙和筆我們已經(jīng)很難對氣體在黑洞周圍的運動狀態(tài)做出一番描述，這時候我們就需要計算量非常大的相對論型的磁流體力學(xué)。每一次計算都需要上千個CPU，而且好幾個月的計算時間。視界面望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊對于各種不同情形做出了最終的計算，這幅圖就展示了其中計算得到的部分結(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個不同地方的望遠(yuǎn)鏡，對這兩個黑洞進(jìn)行了觀測，最終得到了大約5個PB的數(shù)據(jù)。因為數(shù)據(jù)量非常大，而且有一個望遠(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。或許未來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)運回到數(shù)據(jù)中心。
有兩個數(shù)據(jù)中心，一個是在美國的MIT，另外一個位于德國。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，我們已經(jīng)做了數(shù)值的模擬，與我們的數(shù)值模擬庫相比較，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大家會對《星際穿越》電影當(dāng)中的黑洞印象非常深刻，或許你會說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)的計算機(jī)來模擬整個過程。
主要的原因是因為我們?nèi)タ吹暮诙匆暯遣惶粯?，這次M87是沿著黑洞轉(zhuǎn)動的方向去看的，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了非常大的便利，而且在講述科技對天文研究所帶來的影響的時候，引力波又是一個非常值得一講的話題。引力波可以說是我們時空當(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)時釋放出來的巨大能量，對我們時空所產(chǎn)生的一種波動。這個被動非常微弱，微弱到多小?我們知道氫彈是這個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5000萬可以說是所有氫彈當(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，去測量它對時空的干擾，它的干擾僅僅大約10個負(fù)27次方。一個原子核的大小是10個負(fù)8次方米，一個頭發(fā)絲的大小是10的負(fù)5次方米。這個氫彈盡管對我們周圍的物體造成了極大的威脅或者破壞，但是對于時空幾乎是毫發(fā)無損。假如有一天一個非常強(qiáng)大的引力波穿越我們地球的時候，對于地球上的神淚會造成什么樣的影響?它會不斷地拉伸我們的人類。
比如在這幅圖畫中我們會看到以一種夸張的方式展示了引力波對人的影響，一個人會突然變瘦，或突然變胖。當(dāng)然這是一種非?？鋸埖姆绞?，真實中有多小。2015年人類第一次探到引力波的時候，是美國的引力波激光天文臺探測到的，這次引力波的效應(yīng)僅僅只使得一個原子的尺度發(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量。1915年提出廣義相對論，1916年引力波被預(yù)測，到2015年引力波第一次被直接探測到，我們整整經(jīng)歷了一個世紀(jì)的探索。我們可以看到整個科學(xué)的精神其實是非常非常漫長的。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，在原來我們根本沒有想到在宇宙當(dāng)中會存在著很多質(zhì)量非常大的黑洞。紫色的原點就是代表我們在傳統(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新的窗口。
縱觀整個人類科學(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。過去的幾十年，天文學(xué)又從現(xiàn)代科學(xué)受益無數(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)時在探測到引力波之后的那句話作為結(jié)尾，基礎(chǔ)科學(xué)是一個非常辛苦的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)暮途徛模质且粋€非常震撼性、革命性和催化性的研究。
在接下來的很多年內(nèi)，還有一些其他更大的項目。比如美國8.4米一個被稱之為LSST的項目。我們現(xiàn)在所看到的很多宇宙都是一個靜態(tài)的宇宙，比如我們會看到一幅非常漂亮的圖畫，這個望遠(yuǎn)鏡的目的就是要制作宇宙的一幅動畫圖。它的數(shù)據(jù)量每天晚上可以達(dá)到15個TB，這對于目前的處理能力來說已經(jīng)是一個挑戰(zhàn)。當(dāng)然還有更大的挑戰(zhàn)在等待著我們，中國參與的另外一個大型的項目平方公里陣。這個項目它的尺度可以達(dá)到一平方公里以上，包含的望遠(yuǎn)鏡的數(shù)目達(dá)到2萬多個小型的望遠(yuǎn)鏡，每秒鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到2個TB。
所以，對于我們?nèi)绾稳ヌ幚磉@么龐大的數(shù)據(jù)，的確是一個非常大的挑戰(zhàn)。如果沒有基礎(chǔ)學(xué)科最好的設(shè)想就無法得到改進(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，我們整個社會才能夠取得進(jìn)步。
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