2023年諾貝爾物理學獎預測：首張黑洞照片？ | 周思益、柳俊含_風聞

2022年諾貝爾物理學獎頒給了Alain Aspect, John F. Clauser 和 Anton Zeilinger 三位物理學家，以表彰他們“利用糾纏光子進行的實驗，證偽了貝爾不等式，並開創了量子信息這個領域”。馬上就要到今年的諾貝爾獎公佈的時間了，每年諾獎公佈前，都會有很多人預測諾獎將要頒給的領域（有的人甚至直接大膽猜測會頒給哪個科學家），這個話題通常會受到很多人的關注，各種觀點眾説芸芸，我們看到有一部分人認為今年會頒給量子光學，一部分人認為今年會頒給凝聚態，理由竟是“21世紀是凝聚態的世紀”，這也非常有意思，還有各種各樣的觀點將討論推向高潮。作為物理學者，我們也選擇發表一下自己的觀點和猜測，加入大家的討論中。

首先先説下我們的猜測，再説想法和理由，最後説這項工作的原理。我們認為今年的物理諾獎可能會頒給拍攝黑洞的工作，具體來説是2019年Event Horizon Telescope（EHT） 事件視界望遠鏡拍攝了人類首張黑洞照片。

這項工作與2015年LIGO團隊首次探測到引力波都是在天體物理中非常具有標誌性的工作，而2017年的諾貝爾物理學獎頒給了引力波探測的工作，所以我們認為今年的諾貝爾物理學獎有非常大的可能頒給拍攝第一張黑洞照片的工作。至於具體會頒給哪個科學家，這個很難説，因為這是一項集許多科學家之力取得的成果，給每個參與的科學家都頒獎是不現實的，如果諾獎真的頒給這個工作，那麼得獎的應該是團隊中的一些核心人物（參與這項工作的關鍵人物），就像 LIGO 引力波探測成果一樣，頒給了Rainer Weiss、Kip Thorne和Barry Barish 三位物理學家，而這三位都是 LIGO 團隊中的核心人物。

黑洞是愛因斯坦廣義相對論中預言的一種極端天體，它的引力大到光都無法逃脱，那既然連光都無法從中逃脱，我們是怎麼拍到它的照片的？實際上，説光無法逃出黑洞，是指光線無法逃出黑洞的事件視界（Event Horizon），事件視界之外的光線並不會全部被黑洞吸收，有一部分是可以逃逸的，另外，黑洞強大的引力會使得靠近它的物質在被它吸入前圍繞它高速旋轉，形成吸積盤（Accretion disk），在形成吸積盤的過程中，這些物質因為引力勢能和各種機制的緣故會進行摩擦，被加熱到很高的温度，發出強烈的光，這是我們可以看到的，這張黑洞圖片剛公佈的時候，很多人吐槽拍的太糊，質疑 EHT 的科學家偷懶不好好工作，這是錯誤的，實際上這張圖片耗費了 EHT 諸多科學家非常多的精力和心血，為了“沖洗”這張圖片（這裏的沖洗主要指計算成像，就是給黑洞洗照片，簡單來説，用計算機算法，每次提取一張可能滿足觀測數據的圖片，然後用觀測到的數據與之進行對比，如果這張圖片達到標準，就放到圖片集合中，達不到標準就丟掉，反覆地重複這個過程，直到找到一組能夠達到標準的圖像的集合，最後就得到了一組可以表示圖像概率分佈的圖片，從而就能夠精確理解這個圖像具體是什麼樣的）他們花費了兩年多的時間，不僅要考慮各方因素，為了拍攝這張圖片，他們的望遠鏡被建到了地球上的各個地方，甚至是寒冷的南極洲處，他們們製造了一個口徑和地球一般大的望遠鏡。準確來説，是一個遍佈全球的射電望遠鏡網絡，那為什麼這麼大的望遠鏡，卻拍不清一個黑洞呢？這個黑洞雖然體積很大，但是距離我們非常遠，足足有 5500 萬光年，要知道，銀河系的直徑也才介於 10 萬到 20 萬光年之間，5500 萬光年幾乎相當於500倍的銀河系直徑了，可想而知是多麼的遠。

拍攝黑洞需要用到射電望遠鏡，而不是常規的光學望遠鏡，需要利用一種計算成像技術，簡單來説，就是通過測得的黑洞附近輻射分佈的數據，整合成一個深度生成模型，利用深度學習的技術，生成我們想要的圖像（符合事實的圖像），不過如何得到這些數據，是一個問題，這個黑洞是距離我們是如此之遠，想要觀測關於它的數據，需要建一個口徑特別大的望遠鏡，利用一種名為“甚長基線干涉技術”的技術，可以實現望遠鏡之間的數據互聯，具體原理是通過運用電磁波的干涉原理（射電干涉），用多面天線組成射電望遠鏡陣（我們上文稱之為“射電望遠鏡網絡”），並同時觀測同一個目標，則觀測結果為多面鏡的干涉結果，就相當於擴展瞭望遠鏡的總口徑，從而得到很高的分辨率，簡單來説雖然不能用一個小口徑的望遠鏡代替大口徑的望遠鏡，但是可以用多個小口徑望遠鏡同時觀測一個天體，以此來模擬一個大小相當於望遠鏡之間最大間隔距離的大口徑望遠鏡的觀測效果，所以幾乎可以看做我們建了一個口徑與地球差不多的射電望遠鏡網絡，有了合適的射電望遠鏡，我們就可以測黑洞的數據，然後將觀測到的數據傳給計算機進行數據處理，就可以提取出一個有效的黑洞圖像，也就是我們看到的那張黑洞照片。