人類首張黑洞照片背後的科學與審美_風聞

張雙南，中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中國科學院大學教授、“慧眼”天文衞星首席科學家

我們經常聽到的一句話：“藝術來源於生活高於生活”。藝術是什麼？我簡單下個定義：藝術是對生活的審美創造，與生活有關再進行創造，我們才能欣賞。

科幻是什麼？科幻來自於科技但高於科技。今天的科技做不到的事情，科幻可以做到，以什麼方式做到呢？以審美的方式做到，所以我認為科幻是對科技的審美創造。

接下來，我會結合科幻的經典之作《星際穿越》來講講審美創造是如何完成的。

這是這部電影中我特別喜歡的一張照片，父女相擁，仰望星空，背後是破爛不堪的農場，父女在思考人類未來在哪裏，下面兩張照片是男一號庫珀要出發做星際穿越任務時與女兒告別的場景，父女相擁難捨難分。

而當父親完成任務回到地球見到了女兒時，女兒已經比父親老了很多，再次相見時發生了天翻地覆的變化，電影對父女之愛的情懷詮釋讓我潸然淚下。

電影開始的時候，老布蘭德設計的任務是讓他的女兒，即女主女布蘭德到黑洞裏去獲取黑洞數據，為什麼讓女兒去呢？不是因為父親不愛女兒，而是因為女兒是一個訓練有素的科學家，她能更好地完成任務。但是在女布蘭德接近黑洞的一瞬間，男主庫珀一把把她推開，自己義無反顧地進入黑洞。儘管他完成這個任務的可能性小得多，但是他仍不忍心讓他心愛的美女進去，因為進入黑洞基本上意味着一去不復返，所以英雄救美的情懷讓愛穿越時空。電影最後的一幕，仍然是男主再一次出發去另外一個星球尋找女主。

電影的中心主題是要“進入黑洞”，為什麼要到黑洞的中心去獲取數據呢？男主掉進黑洞後，進入一個5維時空，通過引力與地球傳遞數據。為什麼要完成這麼危險的任務？原因在於黑洞中心處，科學崩潰了，現今最好的科學理論是廣義相對論和量子力學，而廣義相對論和量子力學在黑洞中心不可調和，兩個理論同時都失敗了。

為了尋找能統一廣義相對論和量子力學的理論，需要找到檢驗統一理論的數據，這個數據就在黑洞中心，因此要到黑洞獲取數據裏探尋統一引力和量子的理論。這個科學的情懷讓我們高山仰止。電影的科學顧問把他的科學理想放到了電影中，這同樣是很多科學家的科學夢想：統一廣義相對論和量子力學。

從審美的角度來看《星際穿越》的表現是沒有缺陷的，用的是正科學，提到的黑洞、蟲洞、5維時空等等，都是科學研究最前沿、最重要的主題。人類的命運、父女之愛、英雄救美、英雄不死、還有大團圓，人類成功星際移民等等都傳遞的都是正能量，價值觀是人類共同的價值觀，表現的特別完美。

電影中各種懸念和包袱非常多，有人聽我講了《星際穿越》背後的科學之後，説張老師我看了好幾遍都沒搞明白，很多懸念到最後也沒弄清楚，電影一開始父女經歷的各種怪事，以及到最後隔空傳遞信息等等，這些橋段都很出乎意料，所以非常不常見。

這部電影的科學顧問基普·索恩做得非常好：利用黑科技，利用蟲洞穿越，引力傳遞信息等等，他是研究引力波的專家，他領導的團隊在地球上建了最大的引力波天文台，《星際穿越》電影2014年公映，2015年他的團隊真的用他設計的儀器探測到引力波，2017年他獲得了諾貝爾物理學獎。

計算出的黑洞 Vs 現實黑洞照片

來源：張雙南提供

《星際穿越》中的黑洞照片是通過計算機計算出來的，中途還發表了論文。這張黑洞照片是否真的沒有缺陷嗎？很多人會問：“這張黑洞照片並不黑啊，挺亮的，黑洞不是光都不發嗎？怎麼還會亮呢？”

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原因在於黑洞附近的引力太強了，空間完全扭曲，光線到了黑洞附近以後，光子不是一頭扎到黑洞裏面，也不是從黑洞穿過去，而是繞着黑洞轉圈，轉圈的過程就形成了亞穩態的光子暈，這些光子有可能掉到黑洞裏面，也有可能逃出去。因此如果我們離黑洞比較近，就會看到黑洞其實挺亮。

從這個角度講，這張照片是科學的。電影顧問基普·索恩帶領他的團隊，根據廣義相對論用超級計算機嚴格計算的黑洞的圖像，加了視覺的渲染，還因此發表了學術論文，團隊在電影製作的過程中同樣在科學研究上有收穫。

來源：張雙南提供

然而宇宙當中真的有黑洞嗎？上圖展示的是銀河系中心的恆星被拍下來的運動照片，標星星的位置處是就是一個黑洞，銀河系中心的恆星圍繞它做運動，根據恆星的運動可以計算出銀河系中心的黑洞質量是太陽的400萬倍，黑洞是真實存在的。

來源：張雙南提供

既然有黑洞，黑洞被拍出來是什麼樣子呢？上今年4月11號所公佈的黑洞照片引起了全世界的關注，照片一公佈出來就被很多朋友玩壞了。

來源：張雙南提供

這張黑洞照片告訴了我們什麼信息呢？這張照片花了兩年的時間，很不容易，照片中我畫黑圈的部分是黑洞所在的位置，那麼問題來了，黑洞不是黑的嗎？剛才看到黑洞照片的周圍雖然是亮的，但是中心區域還是黑的，這為什麼這張照片裏不黑呢？原因在於這是一個真實的黑洞，我們看黑洞照片的望遠鏡並不是理想的望眼鏡，有一定的模糊度，把本來黑洞周圍的光線模糊之後，就不會全黑。

來源：張雙南提供

這張黑洞照片通過視界望遠鏡拍攝，當然這不止一個望遠鏡，而是“攢”出來的望遠鏡，一堆望遠鏡一起配合。用多個望遠鏡組合起來變成一個大望遠鏡，組合的結果等效於一個地球大小口徑的望遠鏡，所以視界望遠鏡非常大。

我們中國有一個望遠鏡FAST：500米口徑球面射電望遠鏡，也被人叫做天眼望遠鏡，有的人問為什麼不用天眼去看？天眼不是世界上最大望遠鏡嗎？最大的望遠鏡看的不是最清楚嗎？並不是。

我們比較一下天眼望遠鏡和分辨率和視界望遠鏡的分辨率，天眼望遠鏡的口徑是500米，視界望遠鏡的口徑卻是整個地球的大小，因此要大得多。另外一個原因是，天眼望遠鏡根本沒有參加這一次的觀測，為什麼沒有參加？因為它接收的頻率不對，它的波長比較長，而視界望遠鏡所用的波長短。結果是天眼望遠鏡的角分辨率比世界望遠鏡的角分辨率差了600萬倍，所以用天眼望遠鏡根本不可能看到黑洞的模樣。

哈勃望遠鏡是大家以前聽説過的角分辨率最高的，如果和視界望遠鏡的角分辨率比一下，也差了500倍，這就是為什麼要用“攢”出來的視界望遠鏡來觀測黑洞，因為它的分辨率是目前最高的。

來源：張雙南提供

我們有了用計算機計算出的理想中黑洞照片，也有了用望遠鏡觀察到現實中的黑洞照片，這兩張黑洞照片有多大的區別？上圖中左邊的黑洞完全是計算出來的，沒有分辨率的問題，後者受分辨率的限制，看着並不是那麼清楚。另一個區別是視角不同，理想中的黑洞照片是沿着赤道面的方向看過來，這時黑洞比較漂亮。現實中的黑洞是從頂部看過來，是俯視圖，黑洞沒有辦法讓我們“擺拍”，所以我們只能拍出這樣的照片。