科学家苟利军讲述黑洞研究：花费100年终于看见

12月18日下午消息，“2019科技风云榜”年度盛典今日在北京香格里拉酒店开幕。本次科技风云榜以“重构新科技 赋能新生活”为主题，与众多行业领袖、业内大佬共话科技时代。中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学教授苟利军在盛典上发表《100年后，我们终于看见黑洞》的主题演讲。

苟利军表示，1915年爱因斯坦提出了广义相对论，几个月后，身处德国的物理学家卡尔什瓦希得到了爱因斯坦方程解，这个解就是我们现在所知道的黑洞的精确解，这是第一次现代意义上对于黑洞的描述。

在接下来的将近一百年间，人类对于黑洞的研究仅仅停留在理论的研究之上。对于黑洞长的什么样，几乎是一无所知。

而2019年从天文学的角度来说是黑洞之年，人类的黑洞研究取得了多项突破性的进展。今年4月，全球20个国家的300的位科学家联合发布了第一张全球唯一的黑洞照片；日前，中国科学院国家天文台的科研人员又发现了银河系当中最大的恒星级黑洞；除此之外，美国的科学家还发现了宇宙当中最小质量的黑洞。“所有这些发现中，毫无疑问，黑洞照片是最激动人心的一件事情。”他说。

苟利军表示，纵观整个人类科学史的发展，现代科学的发展得益于天文学的观测。过去的几十年，天文学又从现代科学受益无数。现代科学技术帮助科学家可以去发现一个更广阔和更神奇的宇宙。“基础科学是一个非常辛苦的严谨的和缓慢的，又是一个非常震撼性、革命性和催化性的研究。只有随着基础科学的进步，我们整个社会才能够取得进步。”苟利军最后说道。

以下为苟利军主题演讲《100年后，我们终于看见黑洞》实录：

各位嘉宾、各位朋友，下午好！很高兴能有这样一个机会和大家分享一些有关于天文分析的知识。

刚刚刘畅女士跟我们分享了一些航空方面的知识，接下来我带领大家走的更远一点，让我们去太空里面看一下，尤其是科学家是怎么认识遥远的黑洞的。2019年从天文学的角度来说可以说是黑洞之年，因为我们黑洞研究取得了多项突破性的进展。比如今年4月10号我们发布了第一张全球唯一的黑洞照片。而在前几天，中国科学院国家天文台的科研人员又发现了银河系当中最大的恒星级黑洞。除此之外，美国的科学家还发现了宇宙当中最小质量的黑洞。所有这些发现中，毫无疑问，黑洞照片是最激动人心的一件事情。

1915年爱因斯坦11月份提出了广义相对论，几个月之后，身处德国展现的物理学家卡尔什瓦希得到了爱因斯坦方程解，这个解就是我们现在所知道的黑洞的精确解，这是第一次现代意义上对于黑洞的描述。

在接下来的将近一百年间，我们对于黑洞的研究仅仅停留在理论的研究之上。我们对于黑洞长的什么样，几乎是一无所知。一直到最近的十多 年之内，科技的发展让我们能够有机会去追寻、去探究黑洞真实的模样。终于在今年，2019年4月份的时候，全球20个国家的300的位科学家联合发布了第一张黑洞照片。接下来就让我们看一下黑洞探寻的历史。

通过黑洞探寻的历史，我们也可以去窥探整个科学发展漫长的经历。说到黑洞，我们首先或许会有一些恐惧感，因为在很多电影中把黑洞都描述成无所不吃，甚至能够连光和时间都能够停止的巨人，庞然大物。所以，它具有非常强的引力。但是在一些物理学家的眼中，它又是非常神奇的。为什么？因为它或许可以在未来中档时间之门的角色，带领我们快速地进行宇宙的穿越。总体来说，黑洞是既神秘又神气的物种。黑洞是引力非常强的天体，所以要认识它，我们就得从引力的发展历史去探究。

谈到引力，自然而然我们就会想到17世纪伟大的物理学家牛顿，有一天他坐在苹果树下，看到下落的苹果，就意识到在宇宙当中应该存在着一种普遍存在的力，现在我们称之为万有引力。牛顿是一个非常伟大的物理学家，他不仅仅想到了这一点，他还让这个想法让我们现在非常流行的说法落地了。也就是说，他根据这个想法写下了一个非常经典的公式，数学表达式，这就是万有引力的表达式。通过这个公式，我们知道，他认为的引力是因为物体有质量而存在的。

他把这一理论总结在非常经典的自然哲学的数学原理一书中。在这一理论发表之后就得到了很多人的推崇，因为它不仅仅可以很好地解释天体在空间当中的运动，而且可以完美地预测天体未来的运动状态。在接下来的几百年中，他的理论不断地被验证，而且被更为广泛的应用。不仅仅应用在物理学当中，而且应用在非常多的其他的学科当中。牛顿的理论可以说是我们现代科学的起源。但是到了19世纪更多观测的发现，对于牛顿理论就提出了挑战。所以到20世纪初的时候，德国籍的物理学家爱因斯坦首先提出了狭义相对论，十年之后又提出了广义相对论。在这个新型的理论当中，他提出了一种对引力全新的看法，他认为引力并非由质量直接所产生，而是由有质量的天体导致了宇宙时空的弯曲，弯曲的时空呈现出一种引力的效应。

在爱因斯坦提出广义相对论的几个月中，身处德国展现的物理学家史瓦西就得到了这个复杂方程的精确解，但是很遗憾的是这个精确解虽然是我们所说的黑洞的精确解，但是这个黑洞是没有转动的黑洞。在宇宙当中几乎所有的天体都是转动的，包括地球。所以，当爱因斯坦看到这个精确解的时候，他虽然很惊奇，史瓦西能够快速地得到精确解，但是他并不相信这个解在宇宙当中是真实存在的。在接下来的几十年当中，由于战乱，由于科技的限制，对于黑洞的研究可以说是停滞的，只不过在1935年美国的原子弹之后，奥本海默和他的学生发现了宇宙有可能会形成一个起点，这就是我们现在所知道的黑洞。除此之外，对于黑洞的研究并没有太大的进展。爱因斯坦1955年去世之前，因为观测从来没有发现过黑洞的踪迹，所以爱因斯坦从来就没有相信黑洞这类神秘的天体在宇宙当中应该是存在的。但是时间到了60年代的时候，1963年，新西兰的数学家科尔得到了另外一个精确解，这一次这个黑洞是转动的。而且1964年，美国科学家通过发射探空火箭的方式，第一次发现了黑洞的踪迹，人类历史上第一个恒星量级的黑洞就此被发现了，这就是我们现在熟知的天鹅座X1。

因为理论和观测的双重突破，一下子吸引了大批的天文学家、物理学家投入到这个领域中，所以在接下来的二三十年中，关于黑洞的研究就进入了黄金时期。几乎我们现在所有知道的黑洞的知识，都是在接下来的二三十年当中取得的。在这期间，有一位非常突出的学者，他就是来自于普林斯顿大学的惠勒教授。比如我们现在知道的黑洞这一词，尽管不是他发明的，但是经过他的广泛推广，最终被大众所熟悉。除了惠勒之外，另外一位需要重点介绍的物理学家就是霍金。霍金在70年代的时候，当大家还认为黑洞没有任何辐射的时候，他就提出来黑洞应该会产生辐射。这就是我们现在所知道的霍金辐射。这个辐射尽管非常微弱，但是0和1的差别却是天壤之别。

在接下来的几十年当中，尽管我们在理论上已经取得了非常多的有关于黑洞的知识或者说认识，但是黑洞究竟长什么模样，我们还是不知道。所以，最近的一次对于黑洞最为震撼的描述，可以说是2014年的《星际穿越》电影。当时我在电影院看到这部电影中描述的黑洞的时候是被震撼到了的。不仅仅是我，作为电影科学医古文的基普索恩，当他第一次看到旋转黑洞高清描述的时候，他同样有着欣喜若狂的经历。为了得到高清黑洞的展现，英国公司利用30个团队人员，花费了将近一年的时间，得到了8000TB的数据，最终呈现给我们如此高清的黑洞，并且他们发表了相关的文章，来展现他们计算的技术。

对于黑洞探测从科学的角度一直没有停止，大约从十多年之前，科学技术发展到一定阶段，我们可以进行全球望远镜联网支持，来自于全球很多国家的科学家就试图对一些黑洞真正的进行成像。他们把这个项目叫做视界面望远镜项目。他们想看的两个黑洞，一个是来自于银河系中心的黑洞，另外一个是位于大约5500万光年之外的称之为M87的黑洞。右面展示的是M87光学波段的黑洞。需要多大的望远镜才能真正看清楚中心黑洞的模样？这幅图就是非常好的对比。蓝色代表的是哈勃望远镜所拍摄到的图像，而最中间的圆环就是我们所想拍摄的黑洞的尺度。这两者之间相差至少几千倍的差别。所以，如果我们要利用目前最先进的哈勃望远镜，未来超级哈勃望远镜的视物要达到几公里左右，才能分清中心黑洞的模样。

科学家没有办法去制造如此巨大的光学望远镜，他们发展出了一套称之为VR、AI联网的技术，把全球几乎所有的亚毫米波望远镜连成一个庞大的网络。这个望远镜口径可以达到1万多公里，这时候我们就可以对中心的黑洞进行成像，这些望远镜通常都是位于海拔非常高的地方，为什么？最重要的是减少大气对于电磁波的吸收。

除了观测的设备需要不断改进之外，我们在理论方面也需要做大量的模拟，因为黑洞周围是非常复杂的。所以，利用简单的纸和笔我们已经很难对气体在黑洞周围的运动状态做出一番描述，这时候我们就需要计算量非常大的相对论型的磁流体力学。每一次计算都需要上千个CPU，而且好几个月的计算时间。视界面望远镜团队对于各种不同情形做出了最终的计算，这幅图就展示了其中计算得到的部分结果。终于一切准备就绪以后，在2017年4月10日到15日之间，他们利用全球8个不同地方的望远镜，对这两个黑洞进行了观测，最终得到了大约5个PB的数据。因为数据量非常大，而且有一个望远镜按它是位于南极的。所以，利用我们现有的网络很难将数据传输回来。或许未来5G技术成熟以后，我们可以直接进行传输，但是目前非常困难。所以，他们采用的方法是将数据拷贝到磁盘之上，再用飞机运回到数据中心。

有两个数据中心，一个是在美国的MIT，另外一个位于德国。最终得到数据以后，他们进行相关分析，采用不同的方式对图像进行确认。确认以后，进行重构，最终得到我们所看到的黑洞照片。在得到黑洞照片的与此同时，我们已经做了数值的模拟，与我们的数值模拟库相比较，从而我们可以推断黑洞的性质。这就是2019年4月10日晚上9时在全球发布的第一张黑洞照片。

有了黑洞照片，与我们先前已经得到的数值结果相比较，就可以推断出有关于黑洞的性质。或许大家会对《星际穿越》电影当中的黑洞印象非常深刻，或许你会说为什么我们这次看到的第一张黑洞照片和《星际穿越》电影当中的照片竟然差别如此之大。当然我们没有办法飞到M87周围去看清楚，但是我们可以借助现代性能非常发达的计算机来模拟整个过程。

主要的原因是因为我们去看的黑洞视角不太一样，这次M87是沿着黑洞转动的方向去看的，但是《星际穿越》电影是沿着赤道方向展示的黑洞的模样。这是两者之间最大的差别。现代科技不仅仅给黑洞研究带来了非常大的便利，而且在讲述科技对天文研究所带来的影响的时候，引力波又是一个非常值得一讲的话题。引力波可以说是我们时空当中的唯一，它是一些致密天体在宇宙当中碰撞或者爆发时释放出来的巨大能量，对我们时空所产生的一种波动。这个被动非常微弱，微弱到多小？我们知道氢弹是这个地球上破坏力最大的一种武器。当年前苏联所尝试的氢弹当量达到了5000万可以说是所有氢弹当中破坏力最大的一次。如果我们能够站在氢弹爆发的最中心，去测量它对时空的干扰，它的干扰仅仅大约10个负27次方。一个原子核的大小是10个负8次方米，一个头发丝的大小是10的负5次方米。这个氢弹尽管对我们周围的物体造成了极大的威胁或者破坏，但是对于时空几乎是毫发无损。假如有一天一个非常强大的引力波穿越我们地球的时候，对于地球上的神泪会造成什么样的影响？它会不断地拉伸我们的人类。

比如在这幅图画中我们会看到以一种夸张的方式展示了引力波对人的影响，一个人会突然变瘦，或突然变胖。当然这是一种非常夸张的方式，真实中有多小。2015年人类第一次探到引力波的时候，是美国的引力波激光天文台探测到的，这次引力波的效应仅仅只使得一个原子的尺度发生了变化，只有10的负8次方米。所以，我们现代的科技已经能够做到如此精密的测量。1915年提出广义相对论，1916年引力波被预测，到2015年引力波第一次被直接探测到，我们整整经历了一个世纪的探索。我们可以看到整个科学的精神其实是非常非常漫长的。当然引力波也帮助我们发现了很多意想不到的事情，在原来我们根本没有想到在宇宙当中会存在着很多质量非常大的黑洞。紫色的原点就是代表我们在传统的望远镜当中所看到的黑洞的质量，蓝色的是引力波帮助我们发现的这些质量非常大的黑洞。所以，它成为我们探索黑洞的一个新的窗口。

在接下来的很多年内，还有一些其他更大的项目。比如美国8.4米一个被称之为LSST的项目。我们现在所看到的很多宇宙都是一个静态的宇宙，比如我们会看到一幅非常漂亮的图画，这个望远镜的目的就是要制作宇宙的一幅动画图。它的数据量每天晚上可以达到15个TB，这对于目前的处理能力来说已经是一个挑战。当然还有更大的挑战在等待着我们，中国参与的另外一个大型的项目平方公里阵。这个项目它的尺度可以达到一平方公里以上，包含的望远镜的数目达到2万多个小型的望远镜，每秒钟产生的数据量达到2个TB。所以，对于我们如何去处理这么庞大的数据，的确是一个非常大的挑战。

纵观整个人类科学史的发展，现代科学的发展得益于天文学的观测。过去的几十年，天文学又从现代科学受益无数。现代科学技术帮助科学家可以去发现一个更广阔和更神奇的宇宙。最后，我想以麻省理工大学当时在探测到引力波之后的那句话作为结尾，基础科学是一个非常辛苦的严谨的和缓慢的，又是一个非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果没有基础学科最好的设想就无法得到改进创新也只是小打小闹，只有随着基础科学的进步，我们整个社会才能够取得进步。谢谢大家！