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黑洞,让我们生于凡尘,归于星辰

日期:2019-04-17 【 来源 : 新民周刊 】 阅读数:0
阅读提示:从量子力学的提出、引力波的发现,到此番黑洞“照片”……不难发现,科研进入群体力量时代已成大势,依靠一个天才改变整个科学局面的情况越来越少。
作者|应 琛

  2019年4月10日这一天注定会成为人类文明进程的一个重要日子。

  这一天,人类第一次真正意义上“看”到了传说中的“黑洞”。虽然公布的照片看上去仍带着一股迷幻的“混沌”,但这次窥探注定是人类史上一块耀眼的丰碑,或者说探索宇宙空间奥秘里程碑式的时间点。

  普通人之所以为一张照片心潮澎湃,或许还是因为对宇宙心存敬畏。

  更重要的是,这张黑洞的照片就像一壶暖过的烧酒,浇醒了我们胃肠里隐隐发作的想念——城市明亮的夜晚,物理地割断我们与夜晚的部分联系,我们常常忘记,那个一抬头就是满天星斗的日子,不过才过了一百多年。

  我们为什么要关心太空?如果用1968年的科幻神作《2001:太空漫游》里的话来解释,那就是:“征服可能会受挫,但好奇从未停息。”如今,随着所有好奇不断被实践验证,“生于凡尘,归于星辰”,或许将不再只是想象中的美好结局。


兴奋到模糊



  北京时间4月10日21时左右,人类成功拍摄到的首张黑洞照片,在上海和台北、华盛顿、布鲁塞尔、圣地亚哥、东京六地同时发布。

  早在两百多年前,就有科研人员设想宇宙中存在一种质量巨大、引力强到连光也无法逃脱的天体。爱因斯坦在一百多年前提出的广义相对论,可用于计算出这种天体的若干性质。而“黑洞”作为一个科学术语,直到20世纪60年代才由美国天体物理学家约翰·惠勒提出。

  长久以来,黑洞只不过是广义相对论的预言、爱因斯坦的方程、模拟电脑图像、引力波等项目的间接证据,或者科幻小说的想象。

  正因为没有人知道它的真正模样,第一张黑洞照片才备受期待。当“事件视界望远镜(EHT)”项目主任谢泼德·多尔曼在中国上海向全球宣布“我们捕获到了黑洞的首张照片”,当黑洞的“芳容”出现在各个平台直播中的那一刻,各种屏幕前守候的人,为之激动。

  科学界说,这一张照片是“非凡的科研成果”,是天文学上的“重要里程碑”“具有历史性意义”。

  公开资料显示,这项研究是由“事件视界望远镜”(EHT)项目实施的,该项目始于2012年,旨在利用一个全球地面望远镜网络直接观测黑洞的周围环境。照片显示的是位于星系M87中心的黑洞。它的质量是太阳的65亿倍,与我们的距离达到5500万光年。

  要拍摄这么远的对象,科学家模拟出口径像地球一样大的望远镜,即“事件视界望远镜”,它集合了分布在全球各地的多个射电望远镜——从智利阿塔卡马沙漠到南极冰原,从西班牙的高山到夏威夷的海岛,8个射电望远镜通过“甚长基线干涉测量技术”联合起来。

  按科学家的说法,给黑洞拍照的难度就差不多等于“给月球表面的一个苹果拍照”。而项目协作委员会主席、德国马克斯·普朗克射电天文研究所所长安东·岑苏斯则打了这样一个比方:“如果地球是平的,那使用这一技术可以从波恩看清纽约街头报纸上的字。”

  不止“拍”照难,“洗”照更难。面对记录的庞大数据量,进行复杂的数据后期处理和分析,研究人员花了两年多的时间获取最终的黑洞图像。

  除了再次证明爱因斯坦广义相对论的正确性外,黑洞照片的问世,最直接的意义就在于人类第一次直接确认了黑洞的存在。中科院天文学教授苟利军此前在接受媒体采访时解释说:“此前有很多间接证据证明黑洞的存在,但不排除还有一丝是其他星体的可能性,这次的发现就能直接说明黑洞的存在。”

  这一照片令学界兴奋的另一个原因还在于,它将使我们对宇宙的看法从想象转向理性和真实,或许还将重新定义宇宙。

  项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授海诺·法尔克告诉新华社记者,黑洞涉及人类对宇宙的根本了解,“我们的宇宙中有两大理论,爱因斯坦的相对论描述了宏观,量子力学描述了微观,但是在黑洞的边缘,相对论与量子力学无法协调,在那里可能会发现新的东西”。

  美国亚利桑那大学天文学副教授丹尼尔·马罗内认为,黑洞之所以重要,是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质,然后又将其中一部分以接近光速向外喷射,影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息,也有助于了解黑洞喷流的形成过程。

  正如霍金在最后一本著作《十问:霍金沉思录》写道:“事实有时候比小说更奇怪,黑洞最能真实体现这一点,它比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪。”

  黑洞之所以能让霍金如此着迷,是因为探索它的存在与否,可以间接推论宇宙是何时产生又是如何产生的,由此也能了解宇宙出现之后的地球如何产生。有了地球,才有了生物和人类。而孤独地生活在地球上的人类也许能有机会解决这个“我从哪里来”的终极哲学问题。

  同样具有现实意义的是,了解黑洞也可以知道宇宙大爆炸、星系演化以及黑洞存在是否会影响到地球上的生物多样性等一系列物质问题。

  科学家信心满满,接下来,更多的谜团一定会被揭开。

  然而,在外行看热闹的网友们眼中,第一反应往往是“原来黑洞,不是一个黑色的洞”,它看起来“最像甜甜圈”,也有人说“像肚脐眼”……

  在一条“关于黑洞你知道多少呢”的新闻下,短短1小时,就已经收到了1971条评论。网友还自发开始了“首届黑洞P图大赛”,灵魂段子手纷纷登场。有人以黑洞的口吻发了朋友圈,表示“兴奋到模糊”。


人类科学共同体



  这场研究也让我们欣喜地发现,《流浪地球》里的设定——在地球生死存亡之际,人类放下了偏见和分歧,为拯救家园的共同目标团结一心——不再只属于电影里,人类也可以因为一个共同的关注而携手。

  正如项目科学委员会主席法尔克说的:“不同文化、不同机构、不同国家和大洲的科研人员走到一起合作并不容易,但如果有共同愿景的驱动,有首次看到黑洞的共同梦想,合作就变得可能。”

  据了解,“事件视界望远镜”的建设和如今宣布的观测结果源于数十年观测、技术和理论工作的坚持和积累。为了这张黑洞照片,科学家们可谓同心协力,它是全球团队合作的典范。

  数十个研究机构共同创建了“事件视界望远镜”,使用了既有的基础设施并获得了各种机构的支持。其主要资金由美国国家科学基金会(NSF)、欧盟欧洲研究理事会(ERC)和东亚资助机构提供。而此次合作汇集了全球超过200名研究人员。

  同一个世界,同一个梦想。最终,来自世界各国的科学家,把由世界各地共八个天文台组成的“事件视界望远镜”拍出来的信息统筹整合成了一张完整的黑洞照片,使我们对黑洞这种连任何物质和光都无法逃逸的拥有巨大引力场的天体有了进一步了解。

  在整个项目中,中国科学院天文大科学研究中心(国家天文台、紫金山天文台和上海天文台)参与了位于美国夏威夷的东亚JCMT望远镜对黑洞的观测,多名中国学者是此次黑洞照片相关论文的作者。同时,为达到此次拍摄的极高分辨率,包括中国科学院下属的天文台机构和高校等全球 13 个研究机构都参与研究、校准工作。

  不过,中国天文学界清醒地认识到目前的“参与者”角色。中国科学院国家天文台副台长薛随建直言这次“算是重在参与”,但为在相关科研领域“机制性参与国际合作组织、逐渐发挥越来越重要的作用,作出了良好的示范”。

  太空可能是中国未来能发挥更多作用的地方。法尔克表示,今后要拍摄更好的黑洞照片,就需要比地球还大的望远镜,这就需要走向太空,“中国在射电干涉测量技术和太空探索方面的能力正快速增长,我期待未来中国能成为这个领域的重要一员”。

  2月20日,习近平总书记在北京人民大会堂会见探月工程嫦娥四号任务参研参试人员代表时曾表示,伟大事业都始于梦想,梦想是激发活力的源泉。他还强调:“太空探索永无止境。”

  回顾与国际同行共同拍出人类首张黑洞照片的经历,中国科学院上海天文台研究员路如森说:“作为长期深度参与‘事件视界望远镜’国际合作的中国研究人员,我觉得这张黑洞照片是科学共同体的努力结果。科学对人类发展至关重要,人类的科学共同体也是人类命运共同体的重要组成部分。”

  从量子力学的提出、引力波的发现,到此番黑洞“照片”……不难发现,科研进入群体力量时代已成大势,依靠一个天才改变整个科学局面的情况越来越少。


好奇从未停息


  事实上,自诩是宇宙之子的人类,从洪荒时代起,就从未停止过对头顶神秘星空的眺望。

  1968 年 12 月 24 日,阿波罗 8 号的三位宇航员在月球轨道中向地球进行了电视直播。在那场电视直播中,人类拍摄到了第一张 “地出” 照片。

  这是人类第一次在太空,看到自己的星球升起。资料显示,在那场轰动世界的电视直播上,被数次提及到的一个词是 “我们”。

  而“我们”指的是全体地球人。只有站在地球之外的角度回看时,“我们”才深刻意识到——原来在这个星球上纷争不断的所有人是一个整体。

  当年 NASA 太空航行中心的科学副总监斯图林格博士后来这样说:“在这幅照片第一次对外公布之后,号召人们警惕人类面临的各种严峻问题和挑战的呼声越来越高,例如污染、饥荒、贫困、城市生活、粮食生产、水资源管理和人口过度增长。这不能说是没有关联的。”

  如今,微信启动页面上那一张“孤独小人面对巨大地球”的照片,其原图来自于 1972 年最后一次的阿波罗登月计划。

  在此后的很长一段时间,人类都没有飞船再能如此近距离地对地球进行拍照,所有从外太空拍摄的地球 “全身照” 其实都是拼贴组合之作。究其原因,是20世纪各国经济的动荡以及冷战落幕,航天大国纷纷削减了航天资金,人类太空探索的目光已经更多由星空转向地面。

  但脚步其实从未停止。

  2015 年,与地球相似程度极高的类地行星——“地球大表哥” 开普勒 452B 被观测发现,一年后人类发现了另外一个 “地球孪生哥哥” 比邻星 b。同年,历时五载,朱诺号探测器终于抵达木星。之后特斯拉CEO马斯克公布了详细的火星移民方案。

  霍金在晚年时期对人类的未来忧心忡忡。他认为地球和人类正面临着严峻的内忧外患,除了人工智能和气候问题将导致人类灭亡地球毁灭,外星人还可能随时入侵地球……他曾在 2016 年在剑桥大学的一次演讲中表示:“为了人类的未来,我们必须进入太空。在不离开这个脆弱的星球的情况下,我不认为我们能活过下一个 1000 年。”

  今天,黑洞照片的公布无疑会是另一个新的开始,项目的成果让我们进入了一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野,让我们再次意识到:地球不该是人类归宿的唯一答案。无论是星际旅行,还是移居火星。

  目前地球资源开始一步步走向枯竭,用环保和技术来延长地球寿命必不可少。但也许这恰好是个完美的过渡时期,人类借此将更重要的思维和力量投向群星璀璨的太空之中。


链接:还有这些事,全球科学家一起干


  人类基因组图谱

  2001年2月12日,由6国的科学家共同参与的国际人类基因组公布了人类基因组图谱及初步分析结果。这个被誉为生命科学“登月计划”的研究项目取得重大进展,为人类揭开自身奥秘奠定了坚实的基础。美、英、法、德、日和中国6国先后参加人类基因组对23对染色体DNA大规模测序的国际合作,最终绘制了一张类似化学元素周期表的人类基因组精确图谱。


  国际空间站

  国际空间站是一个由六个国际主要太空机构联合推进的国际合作计划。这六个太空机构分别是美国国家航空航天局、俄罗斯联邦航天局、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大国家航天局和巴西航天局。参与该计划的共有16个国家或地区组织,除美国、俄罗斯外其他4个重要成员是欧空局、日本、加拿大和巴西。

  国际空间站的设想是1983年由美国总统里根首先提出的,经过近十年的探索和多次重新设计,直到苏联解体、俄罗斯加盟,国际空间站才于1993年完成设计,开始实施。2018年8月30日,国际空间站出现轻微漏气,初步查找发现可能是太空微陨石撞击空间站上对接的俄飞船出现微小裂缝所致。站内6名宇航员已开始修补工作。


  引力波

  从爱因斯坦在1916年预测出引力波,到2015年LIGO获得直接观测证据,整整跨越了一百年。2016年2月,在引力波宣布被首次成功探测之后,麻省理工学院校长L.Rafael Reif指出,LIGO一直以来是数千大学生和数百博士生艰苦的训练场,这项研究吸引了全世界上千名科学家以及高校大学生参与其中。因此,引力波的伟大科学发现,是一个由全球科研团队完成的。而其中对该项学术研究的推动贡献最大的3位科学家:雷纳·韦斯,巴里·巴里什和基普·索恩被授予2017年诺贝尔物理学奖。

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