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茍利軍:花費100年終于看見黑洞

2019-12-19 10:53:14  來源:北京商報

12月18日下午消息,新浪“2019科技風云榜”年度盛典今日在北京香格里拉酒店開幕。本次科技風云榜以“重構新科技 賦能新生活”為主題,與眾多行業領袖、業內大佬共話科技時代。中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學教授茍利軍在盛典上發表《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,身處德國的物理學家卡爾什瓦希得到了愛因斯坦方程解,這個解就是我們現在所知道的黑洞的精確解,這是第一次現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展。今年4月,全球20個國家的300的位科學家聯合發布了第一張全球唯一的黑洞照片;日前,中國科學院國家天文臺的科研人員又發現了銀河系當中最大的恒星級黑洞;除此之外,美國的科學家還發現了宇宙當中最小質量的黑洞。“所有這些發現中,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,縱觀整個人類科學史的發展,現代科學的發展得益于天文學的觀測。過去的幾十年,天文學又從現代科學受益無數。現代科學技術幫助科學家可以去發現一個更廣闊和更神奇的宇宙。“基礎科學是一個非常辛苦的嚴謹的和緩慢的,又是一個非常震撼性、革命性和催化性的研究。只有隨著基礎科學的進步,我們整個社會才能夠取得進步。”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會和大家分享一些有關于天文分析的知識。

剛剛劉暢女士跟我們分享了一些航空方面的知識,接下來我帶領大家走的更遠一點,讓我們去太空里面看一下,尤其是科學家是怎么認識遙遠的黑洞的。2019年從天文學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展。比如今年4月10號我們發布了第一張全球唯一的黑洞照片。而在前幾天,中國科學院國家天文臺的科研人員又發現了銀河系當中最大的恒星級黑洞。除此之外,美國的科學家還發現了宇宙當中最小質量的黑洞。所有這些發現中,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,身處德國展現的物理學家卡爾什瓦希得到了愛因斯坦方程解,這個解就是我們現在所知道的黑洞的精確解,這是第一次現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,科技的發展讓我們能夠有機會去追尋、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的位科學家聯合發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發展漫長的經歷。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,它具有非常強的引力。但是在一些物理學家的眼中,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,帶領我們快速地進行宇宙的穿越。總體來說,黑洞是既神秘又神氣的物種。黑洞是引力非常強的天體,所以要認識它,我們就得從引力的發展歷史去探究。

談到引力,自然而然我們就會想到17世紀偉大的物理學家牛頓,有一天他坐在蘋果樹下,看到下落的蘋果,就意識到在宇宙當中應該存在著一種普遍存在的力,現在我們稱之為萬有引力。牛頓是一個非常偉大的物理學家,他不僅僅想到了這一點,他還讓這個想法讓我們現在非常流行的說法落地了。也就是說,他根據這個想法寫下了一個非常經典的公式,數學表達式,這就是萬有引力的表達式。通過這個公式,我們知道,他認為的引力是因為物體有質量而存在的。

他把這一理論總結在非常經典的自然哲學的數學原理一書中。在這一理論發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中的運動,而且可以完美地預測天體未來的運動狀態。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用。不僅僅應用在物理學當中,而且應用在非常多的其他的學科當中。牛頓的理論可以說是我們現代科學的起源。但是到了19世紀更多觀測的發現,對于牛頓理論就提出了挑戰。所以到20世紀初的時候,德國籍的物理學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中,他提出了一種對引力全新的看法,他認為引力并非由質量直接所產生,而是由有質量的天體導致了宇宙時空的彎曲,彎曲的時空呈現出一種引力的效應。

在愛因斯坦提出廣義相對論的幾個月中,身處德國展現的物理學家史瓦西就得到了這個復雜方程的精確解,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動的黑洞。在宇宙當中幾乎所有的天體都是轉動的,包括地球。所以,當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中是真實存在的。在接下來的幾十年當中,由于戰亂,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,奧本海默和他的學生發現了宇宙有可能會形成一個起點,這就是我們現在所知道的黑洞。除此之外,對于黑洞的研究并沒有太大的進展。愛因斯坦1955年去世之前,因為觀測從來沒有發現過黑洞的蹤跡,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中應該是存在的。但是時間到了60年代的時候,1963年,新西蘭的數學家科爾得到了另外一個精確解,這一次這個黑洞是轉動的。而且1964年,美國科學家通過發射探空火箭的方式,第一次發現了黑洞的蹤跡,人類歷史上第一個恒星量級的黑洞就此被發現了,這就是我們現在熟知的天鵝座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家、物理學家投入到這個領域中,所以在接下來的二三十年中,關于黑洞的研究就進入了黃金時期。幾乎我們現在所有知道的黑洞的知識,都是在接下來的二三十年當中取得的。在這期間,有一位非常突出的學者,他就是來自于普林斯頓大學的惠勒教授。比如我們現在知道的黑洞這一詞,盡管不是他發明的,但是經過他的廣泛推廣,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家就是霍金。霍金在70年代的時候,當大家還認為黑洞沒有任何輻射的時候,他就提出來黑洞應該會產生輻射。這就是我們現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中,盡管我們在理論上已經取得了非常多的有關于黑洞的知識或者說認識,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,作為電影科學醫古文的基普索恩,當他第一次看到旋轉黑洞高清描述的時候,他同樣有著欣喜若狂的經歷。為了得到高清黑洞的展現,英國公司利用30個團隊人員,花費了將近一年的時間,得到了8000TB的數據,最終呈現給我們如此高清的黑洞,并且他們發表了相關的文章,來展現他們計算的技術。

對于黑洞探測從科學的角度一直沒有停止,大約從十多年之前,科學技術發展到一定階段,我們可以進行全球望遠鏡聯網支持,來自于全球很多國家的科學家就試圖對一些黑洞真正的進行成像。他們把這個項目叫做視界面望遠鏡項目。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光學波段的黑洞。需要多大的望遠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。藍色代表的是哈勃望遠鏡所拍攝到的圖像,而最中間的圓環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的哈勃望遠鏡,未來超級哈勃望遠鏡的視物要達到幾公里左右,才能分清中心黑洞的模樣。

科學家沒有辦法去制造如此巨大的光學望遠鏡,他們發展出了一套稱之為VR、AI聯網的技術,把全球幾乎所有的亞毫米波望遠鏡連成一個龐大的網絡。這個望遠鏡口徑可以達到1萬多公里,這時候我們就可以對中心的黑洞進行成像,這些望遠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。

除了觀測的設備需要不斷改進之外,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雜的。所以,利用簡單的紙和筆我們已經很難對氣體在黑洞周圍的運動狀態做出一番描述,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。每一次計算都需要上千個CPU,而且好幾個月的計算時間。視界面望遠鏡團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果。終于一切準備就緒以后,在2017年4月10日到15日之間,他們利用全球8個不同地方的望遠鏡,對這兩個黑洞進行了觀測,最終得到了大約5個PB的數據。因為數據量非常大,而且有一個望遠鏡按它是位于南極的。所以,利用我們現有的網絡很難將數據傳輸回來。或許未來5G技術成熟以后,我們可以直接進行傳輸,但是目前非常困難。所以,他們采用的方法是將數據拷貝到磁盤之上,再用飛機運回到數據中心。

有兩個數據中心,一個是在美國的MIT,另外一個位于德國。最終得到數據以后,他們進行相關分析,采用不同的方式對圖像進行確認。確認以后,進行重構,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,我們已經做了數值的模擬,與我們的數值模擬庫相比較,從而我們可以推斷黑洞的性質。這就是2019年4月10日晚上9時在全球發布的第一張黑洞照片。

有了黑洞照片,與我們先前已經得到的數值結果相比較,就可以推斷出有關于黑洞的性質。或許大家會對《星際穿越》電影當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》電影當中的照片竟然差別如此之大。當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代性能非常發達的計算機來模擬整個過程。

主要的原因是因為我們去看的黑洞視角不太一樣,這次M87是沿著黑洞轉動的方向去看的,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。現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中的唯一,它是一些致密天體在宇宙當中碰撞或者爆發時釋放出來的巨大能量,對我們時空所產生的一種波動。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。當年前蘇聯所嘗試的氫彈當量達到了5000萬可以說是所有氫彈當中破壞力最大的一次。如果我們能夠站在氫彈爆發的最中心,去測量它對時空的干擾,它的干擾僅僅大約10個負27次方。一個原子核的大小是10個負8次方米,一個頭發絲的大小是10的負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無損。假如有一天一個非常強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。當然這是一種非常夸張的方式,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,這次引力波的效應僅僅只使得一個原子的尺度發生了變化,只有10的負8次方米。所以,我們現代的科技已經能夠做到如此精密的測量。1915年提出廣義相對論,1916年引力波被預測,到2015年引力波第一次被直接探測到,我們整整經歷了一個世紀的探索。我們可以看到整個科學的精神其實是非常非常漫長的。當然引力波也幫助我們發現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中會存在著很多質量非常大的黑洞。紫色的原點就是代表我們在傳統的望遠鏡當中所看到的黑洞的質量,藍色的是引力波幫助我們發現的這些質量非常大的黑洞。所以,它成為我們探索黑洞的一個新的窗口。

在接下來的很多年內,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。我們現在所看到的很多宇宙都是一個靜態的宇宙,比如我們會看到一幅非常漂亮的圖畫,這個望遠鏡的目的就是要制作宇宙的一幅動畫圖。它的數據量每天晚上可以達到15個TB,這對于目前的處理能力來說已經是一個挑戰。當然還有更大的挑戰在等待著我們,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到一平方公里以上,包含的望遠鏡的數目達到2萬多個小型的望遠鏡,每秒鐘產生的數據量達到2個TB。所以,對于我們如何去處理這么龐大的數據,的確是一個非常大的挑戰。

縱觀整個人類科學史的發展,現代科學的發展得益于天文學的觀測。過去的幾十年,天文學又從現代科學受益無數。現代科學技術幫助科學家可以去發現一個更廣闊和更神奇的宇宙。最后,我想以麻省理工大學當時在探測到引力波之后的那句話作為結尾,基礎科學是一個非常辛苦的嚴謹的和緩慢的,又是一個非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果沒有基礎學科最好的設想就無法得到改進創新也只是小打小鬧,只有隨著基礎科學的進步,我們整個社會才能夠取得進步。謝謝大家!

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