【視頻·街采】

”

“時空穿梭?！?/p>

“時光倒流?！?/p>

“讓自己青春永駐可不可以。”

【視頻短片】

【主旨演講】

袁峰：大家好，我是中國科學院上海天文臺的袁峰。

解說：袁峰，天體物理學家，中科院上海天文臺副臺長，上海天文臺學術委員會主任，中國科技大學理學博士。

黑洞是連光都無法“逃逸”的天體

袁峰：今天我給大家講一講黑洞的事情。首先什么是黑洞？黑洞是宇宙中一種非常特殊的天體，它的時空曲率非常大，大到連光都無法逃脫。這句話不是太好懂，我給大家打兩個簡單的比方。我想在座的人很多都有站在地面上扔石頭的一個經歷，無論你用多大的力氣，石頭都會落回到地面，原因是因為石頭的速度不夠大，沒有超過地球的一個叫“逃逸速度”。這個“逃逸速度”指的是描述一個天體引力強弱的一種量，它是取決于這一個天體的質量以及它的大小。設想宇宙里邊有一種天體，它的質量非常的大，但是大小又非常的小，那么這就意味著它的引力就非常的強，它的逃逸速度如果是大于或者等于光速的話，那么即使天體本來是發(fā)光的，光子也逃脫不出這個天體對它的引力的束縛，所以這個天體看起來就是黑的，這就是黑洞。

1980年科學家首次“計算”出黑洞圖像

對于黑洞的嚴格意義上的研究，應該是從1915年算起，那一年愛因斯坦提出來了他的著名的廣義相對論。那么第二年一位德國的物理學家叫卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild），他就第一次得到了愛因斯坦提出的場方程的一個嚴格解，發(fā)現(xiàn)了黑洞的一個存在，從那以后科學家們就一直對這個問題進行不斷的研究。這張圖片就是科學家們計算出來的黑洞的一個照片。這是發(fā)表在1980年左右天體物理學的一本雜志上的一個著名結果。

其實遠遠不止是科學家，很多藝術家們，比方說我們的電影導演們，對黑洞這個話題也是非常感興趣的。那么現(xiàn)在屏幕上的兩張照片就是從著名的《星際穿越》里邊拿到的兩個關于黑洞的鏡頭。這兩個鏡頭跟我們現(xiàn)在理解的黑洞已經非常相像了，但是所有這些都僅僅是我們的想象。

觀測5500萬光年以外的黑洞，相當于在北京看清巴黎一張報紙上的文字

直到最近我們人類才首次得到了黑洞的一張照片。那么再給大家展示這張照片之前，我想首先強調一下，我們科學家對得到這張照片付出了多大的努力。我們這一次觀測到的黑洞，它的半徑大概有幾十億公里，聽起來已經非常大了，但是這個黑洞距離我們地球非常的遙遠——5500萬光年，意思是什么呢？光每秒鐘的速度是30萬公里，即使是光也要跑5500萬年才能夠到達我們的地球，所以距離是非常的遙遠。那么我們在地球上觀測這一個黑洞的話，差不多就相當于我們在北京要看清楚放在巴黎的一張報紙上的文字，所以你可以想象是非常難的。

“虛擬望遠鏡”的口徑相當于地球直徑

科學家們要想給黑洞拍照的話，那么首先需要解決的一個問題就是分辨率。能夠看清楚非常遙遠的一個天體細節(jié)的一個能力，主要是取決于兩個量，一個是你觀測的波長；另外一個就是望遠鏡的口徑，就是說望遠鏡有多大，那么這兩個因素綜合起來考慮，目前我們在地球上的科學家能夠達到的最好的分辨率是通過射電望遠鏡獲得的。那么具體到這一次黑洞的觀測，我們的觀測波長是一毫米左右，然后我們用到的望遠鏡是把地球上位于不同地方的八個望遠鏡聯(lián)合起來一起組成的，那么實際上形成的虛擬的望遠鏡，它的大小相當于地球的直徑，所以非常非常大的一個望遠鏡。

說到這個射電干涉，我還要提一下，射電干涉觀測非常的困難。其中一條，它要求位于地球上不同地方的八臺望遠鏡它們的時間必須要足夠的精確，這樣的話才能夠把不同的望遠鏡得到的信息信號放到計算機里進行一個叫干涉的處理。那么這些望遠鏡的時間精確度要高到什么程度？我們必須要用一個叫原子鐘的一種儀器來對不同的望遠鏡進行計時，這個原子鐘的精確度相當于幾億年時間，它的誤差還不到一秒鐘，非常非常精密的一個儀器。

“沖洗”第一張黑洞照片為什么用了兩年時間？

第二個難度是拍完了照片以后，要想洗照片也是非常非常的困難。首先它的數(shù)據(jù)量非常的大，每一臺望遠鏡每一秒鐘觀測，它得到的數(shù)據(jù)是4個GB。那么你可以想象這一次是用了八臺望遠鏡，觀測了五天的時間，它的數(shù)據(jù)量有多大，大到什么程度呢？這些數(shù)據(jù)已經無法通過網絡傳輸?shù)轿覀兊挠嬎銠C中心對它們進行合成分析了。

這時候我們必須要回到了一個原始的辦法，就是每一臺望遠鏡它的觀測數(shù)據(jù)用一個硬盤存起來，然后用飛機運到了分別位于德國馬普射電天文所以及美國MIT麻省理工學院的兩個地方，用超級計算機對它們進行數(shù)據(jù)處理。

這些數(shù)據(jù)處理起來難度非常的大，我們這一次國際合作一共有200多個科學家，已經是一個非常大的團隊了。處理這個數(shù)據(jù)用超級計算機也用了兩年的時間，這就是為什么直到最近我們才能夠得到第一張黑洞的照片。

也許在座的會問，我們?yōu)槭裁匆ㄟ@么大力氣來拍攝黑洞這個照片？我想第一個答案是滿足人類的好奇心，而且好奇心正是我們進行自然科學研究的一個最原始的驅動力。宇宙里邊存在這種黑洞，黑洞又是這么奇特的一種天體，難道你不想看一看它的真實面貌嗎？難道你不想看看它到底長什么樣嗎？

首張黑洞照片如何檢驗廣義相對論的正確與否？

給黑洞拍照還有它很重要的科學意義，那么第一個意義就是為了檢驗愛因斯坦的廣義相對論是否正確。通過把望遠鏡拍到的真實黑洞照片跟廣義相對論預言的黑洞照片進行對比，我們來看一看一致不一致，就能夠檢驗愛因斯坦的廣義相對論正確與否。

好，說到這里，我想我們可以一起來看一下首次得到的黑洞照片到底是個什么樣子。這就是我們得到的黑洞照片，從這張照片上我們可以看到兩個特別明顯的結構，第一是在它的中心部位是一個黑色的，我們把它叫陰影的一種結構，光度非常的低；另外環(huán)繞中心的黑色陰影有一圈發(fā)亮的結構，我們把它叫亮環(huán)，這個亮環(huán)我們可以看到它是不對稱的，上面那一部分相對來說不是很亮，而下面這部分相對來說更加亮一些。中心的黑色陰影，它并不是黑洞的大小，它的黑色區(qū)域要比黑洞的半徑要大兩倍以上。

黑洞連光都無法逃脫，為什么周圍卻有發(fā)光的圓環(huán)？

黑洞既然引力這么強，我們強調了連光都無法逃脫，為什么周圍還有一個發(fā)光的圓環(huán)？這個發(fā)光的圓環(huán)就跟我剛才給大家介紹的黑洞吸積有關。我們學過物理都知道能量是要守恒的，氣體隨著往黑洞下落的過程，從遠到近，它的溫度變得越來越高，到了黑洞附近的時候，達到非常非常高的一個溫度，那么這樣的一個高溫氣體就必然發(fā)出非常強的輻射，這個輻射就是我們看到的亮環(huán)的來源。

那么為什么這個亮環(huán)不對稱？上邊一部分相對比較暗，下邊一部分相對比較亮？主要的原因就是一種叫多普勒效應的現(xiàn)象，據(jù)說發(fā)光的這些氣體往黑洞下落的過程中它是有旋轉的，一部分氣體旋轉是朝著黑洞，另外一部分是遠離黑洞。那么這種情況下就會有一種叫多普勒效應，朝著我們來的氣體發(fā)出來的光就會變強變亮，而遠離我們的就會變得比較暗淡。

在得到黑洞照片的過程中，我們的科學家實際上還是付出了很多的努力。另外一方面這也是科學研究作為一種職業(yè)它最吸引人的一個地方，對于科學家來說，他每天面對的問題都是從來沒有被解決過的一些問題，都是宇宙里邊的一些奧秘。

在這里我想給大家分享一下我個人的一個例子。1999年，整整20年前，科學家們首次得到了黑洞吸積過程的一個超級計算機做出來的模擬結果，那個模擬的結果跟我們原先預想的非常的不一樣。那么原因是什么呢？

“吾愛吾師 吾更愛真理”

當時國際上就產生了兩個學派，這兩個學派的領頭人都是美國科學院的院士，都是國際上非常頂尖的天體物理學家。一派認為氣體沒有落到黑洞視界里，是因為一種叫對流的一種物理過程在起作用；另外一派認為它在下落的過程中都變成外流變成風、損失掉了。這兩派他們當時誰都沒有說服誰，爭論了差不多有十幾年的時間。2012年我們上海天文臺的課題組，就對這個問題做了詳細的一個研究，最終我們發(fā)現(xiàn)，哈佛大學學派可能是不對的，斯坦福那個學派可能是對的。在這里我想插一句，哈佛大學學派的領頭人是我當年在哈佛大學做博士后的導師，所以從這個意義上來說，我把自己導師的理論給推翻了。當然了他畢竟是一個非常正直嚴謹?shù)?、真正的科學家，他當時當然對這個問題非常的重視，特地從美國飛到了上海跟我專門當面討論。最后我終于把他給說服了，他承認了我的結果的正確性，然后后來我們還一起，在三年以后又聯(lián)合發(fā)表了一篇文章說明這個問題是怎么回事。所以通過這件事，我想說明的是這些年來我們國家的天文學確實是發(fā)展的比較好，我們終于能夠至少在個別問題上，真正地登上了國際舞臺，能夠有自己的一席之地。

中國天文學研究登上國際舞臺 占有一席之地

另外一個例子就是天文和天體物理學界，國際上有一個很著名的一個綜述性期刊叫《天文和天體物理學年評》。這個期刊是國際上公認的最權威的一個綜述性的期刊，一年只發(fā)表1期，每一期只有十幾篇文章，它都是邀請國際上對某一個領域最頂尖的科學家，對這個領域近一二十年甚至更長一個時間的發(fā)展做一個綜述性的評述。到目前為止，我們中國的天文學工作者已經在這個雜志上發(fā)表了三篇文章。所以至少在這三個領域，我們中國的天文學工作者可以說是走在了國際前列。

我想說也正是因為這些年來我們中國天文學工作者不懈努力，所以在這一次給黑洞拍攝第一張照片的重大國際合作中，我們才能夠有幸成為國際合作團隊的一員。中國（大陸）這一次一共有16個科學家參與了這次國際合作，而且還有一位科學家最終進入了一個由五位科學家組成的論文發(fā)表小組。我們通過這次國際合作能夠進入國際舞臺，究其根本也是我們國家科技進步、國家強盛的一個標志。

70年來，我們建成哪些重要天文觀測儀器？

天文學是一個觀測的學科，重大的觀測儀器的建造是非常重要的。新中國成立這些年來，我們先后有好幾個非常重要的觀測儀器已經建成。比方說從早期的位于河北興隆的一個2.16米光學望遠鏡；比方說在射電波段，我們有非常著名的中國天眼，位于貴州的500米口徑的FAST；在光學波段，我們有LAMOST，大視場的光譜的一個巡天的望遠鏡；然后在伽馬射線波段，我們有暗物質探測衛(wèi)星望遠鏡——悟空；還有在X射線波段，我們有一個X射線調制望遠鏡——HXMT，所有這些都標志著我們中國天文學的一個發(fā)展。

正如習近平總書記指出的，中國要強盛、要復興，就一定要大力發(fā)展科學技術，努力成為世界主要科學中心和創(chuàng)新高地。達成這一目標是我們科技工作者的一個使命和擔當，也希望通過自己的不懈努力，最終實現(xiàn)把我們的國家建設成世界科技強國，實現(xiàn)這一偉大目標，同時也為整個人類的科學發(fā)展作出我們中國的貢獻。

謝謝大家！

【互動訪談】

主持人：謝謝袁臺長精彩的演講，同時我們要感謝袁臺長和所有天文工作者的辛勤付出。通過您剛才的演講，我們看到了中國人在建設科技強國的進程當中，正在邁出自己堅實的步伐，我們每一個人都為之自豪。接下來有請袁臺長。

您好，袁臺長，歡迎。剛才您在演講當中，我看到黑洞的照片，這張照片應該是全球同步發(fā)布的，我知道我們中國的發(fā)布地點就是您所在的上海天文臺，是這樣嗎？

袁峰：是的。

主持人：您跟我們大家聊聊這張照片背后的故事吧。

袁峰：這一次全球的國際合作，中國（大陸）一共有16位科學家參與，其中有8位是從上海天文臺，所以上海天文臺是這一次國際合作在中國這一部分參與的牽頭者、組織者，也是參與人數(shù)最多的，這就是為什么這次新聞發(fā)布會放在了上海。

主持人：其實我們也看到隨著中國綜合國力的提升，我們中國科學家的貢獻也是日益凸顯出來，我想這張黑洞照片的發(fā)布也是充分說明了這一點。

今天我們演播室還為大家請到了兩位特別的嘉賓，他們一位是中國科學技術館副研究員、科技史博士趙洋，另外一位是獲得中國科幻最高獎——銀河獎的青年科幻作家江波，掌聲有請二位。

趙洋：你好，主持人！你好，袁臺長。

江波：主持人好！

【下期看點】

袁峰：黑洞不斷地吞噬各種氣體恒星，甚至把整個銀河系都吞掉，不是說沒有這個可能的。

主持人：我們以前《西游記》里面的地上一年、天上一天，這個是真的。

袁峰：如果發(fā)生了星際戰(zhàn)爭，人類就可以躲到蟲洞里去，等到結束以后，再跑出來。