人类首张黑洞照片背后的科学与审美_风闻

张双南，中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心主任、中国科学院大学教授、“慧眼”天文卫星首席科学家

我们经常听到的一句话：“艺术来源于生活高于生活”。艺术是什么？我简单下个定义：艺术是对生活的审美创造，与生活有关再进行创造，我们才能欣赏。

科幻是什么？科幻来自于科技但高于科技。今天的科技做不到的事情，科幻可以做到，以什么方式做到呢？以审美的方式做到，所以我认为科幻是对科技的审美创造。

接下来，我会结合科幻的经典之作《星际穿越》来讲讲审美创造是如何完成的。

这是这部电影中我特别喜欢的一张照片，父女相拥，仰望星空，背后是破烂不堪的农场，父女在思考人类未来在哪里，下面两张照片是男一号库珀要出发做星际穿越任务时与女儿告别的场景，父女相拥难舍难分。

而当父亲完成任务回到地球见到了女儿时，女儿已经比父亲老了很多，再次相见时发生了天翻地覆的变化，电影对父女之爱的情怀诠释让我潸然泪下。

电影开始的时候，老布兰德设计的任务是让他的女儿，即女主女布兰德到黑洞里去获取黑洞数据，为什么让女儿去呢？不是因为父亲不爱女儿，而是因为女儿是一个训练有素的科学家，她能更好地完成任务。但是在女布兰德接近黑洞的一瞬间，男主库珀一把把她推开，自己义无反顾地进入黑洞。尽管他完成这个任务的可能性小得多，但是他仍不忍心让他心爱的美女进去，因为进入黑洞基本上意味着一去不复返，所以英雄救美的情怀让爱穿越时空。电影最后的一幕，仍然是男主再一次出发去另外一个星球寻找女主。

电影的中心主题是要“进入黑洞”，为什么要到黑洞的中心去获取数据呢？男主掉进黑洞后，进入一个5维时空，通过引力与地球传递数据。为什么要完成这么危险的任务？原因在于黑洞中心处，科学崩溃了，现今最好的科学理论是广义相对论和量子力学，而广义相对论和量子力学在黑洞中心不可调和，两个理论同时都失败了。

为了寻找能统一广义相对论和量子力学的理论，需要找到检验统一理论的数据，这个数据就在黑洞中心，因此要到黑洞获取数据里探寻统一引力和量子的理论。这个科学的情怀让我们高山仰止。电影的科学顾问把他的科学理想放到了电影中，这同样是很多科学家的科学梦想：统一广义相对论和量子力学。

从审美的角度来看《星际穿越》的表现是没有缺陷的，用的是正科学，提到的黑洞、虫洞、5维时空等等，都是科学研究最前沿、最重要的主题。人类的命运、父女之爱、英雄救美、英雄不死、还有大团圆，人类成功星际移民等等都传递的都是正能量，价值观是人类共同的价值观，表现的特别完美。

电影中各种悬念和包袱非常多，有人听我讲了《星际穿越》背后的科学之后，说张老师我看了好几遍都没搞明白，很多悬念到最后也没弄清楚，电影一开始父女经历的各种怪事，以及到最后隔空传递信息等等，这些桥段都很出乎意料，所以非常不常见。

这部电影的科学顾问基普·索恩做得非常好：利用黑科技，利用虫洞穿越，引力传递信息等等，他是研究引力波的专家，他领导的团队在地球上建了最大的引力波天文台，《星际穿越》电影2014年公映，2015年他的团队真的用他设计的仪器探测到引力波，2017年他获得了诺贝尔物理学奖。

计算出的黑洞 Vs 现实黑洞照片

来源：张双南提供

《星际穿越》中的黑洞照片是通过计算机计算出来的，中途还发表了论文。这张黑洞照片是否真的没有缺陷吗？很多人会问：“这张黑洞照片并不黑啊，挺亮的，黑洞不是光都不发吗？怎么还会亮呢？”

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原因在于黑洞附近的引力太强了，空间完全扭曲，光线到了黑洞附近以后，光子不是一头扎到黑洞里面，也不是从黑洞穿过去，而是绕着黑洞转圈，转圈的过程就形成了亚稳态的光子晕，这些光子有可能掉到黑洞里面，也有可能逃出去。因此如果我们离黑洞比较近，就会看到黑洞其实挺亮。

从这个角度讲，这张照片是科学的。电影顾问基普·索恩带领他的团队，根据广义相对论用超级计算机严格计算的黑洞的图像，加了视觉的渲染，还因此发表了学术论文，团队在电影制作的过程中同样在科学研究上有收获。

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然而宇宙当中真的有黑洞吗？上图展示的是银河系中心的恒星被拍下来的运动照片，标星星的位置处是就是一个黑洞，银河系中心的恒星围绕它做运动，根据恒星的运动可以计算出银河系中心的黑洞质量是太阳的400万倍，黑洞是真实存在的。

来源：张双南提供

既然有黑洞，黑洞被拍出来是什么样子呢？上今年4月11号所公布的黑洞照片引起了全世界的关注，照片一公布出来就被很多朋友玩坏了。

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这张黑洞照片告诉了我们什么信息呢？这张照片花了两年的时间，很不容易，照片中我画黑圈的部分是黑洞所在的位置，那么问题来了，黑洞不是黑的吗？刚才看到黑洞照片的周围虽然是亮的，但是中心区域还是黑的，这为什么这张照片里不黑呢？原因在于这是一个真实的黑洞，我们看黑洞照片的望远镜并不是理想的望眼镜，有一定的模糊度，把本来黑洞周围的光线模糊之后，就不会全黑。

来源：张双南提供

这张黑洞照片通过视界望远镜拍摄，当然这不止一个望远镜，而是“攒”出来的望远镜，一堆望远镜一起配合。用多个望远镜组合起来变成一个大望远镜，组合的结果等效于一个地球大小口径的望远镜，所以视界望远镜非常大。

我们中国有一个望远镜FAST：500米口径球面射电望远镜，也被人叫做天眼望远镜，有的人问为什么不用天眼去看？天眼不是世界上最大望远镜吗？最大的望远镜看的不是最清楚吗？并不是。

我们比较一下天眼望远镜和分辨率和视界望远镜的分辨率，天眼望远镜的口径是500米，视界望远镜的口径却是整个地球的大小，因此要大得多。另外一个原因是，天眼望远镜根本没有参加这一次的观测，为什么没有参加？因为它接收的频率不对，它的波长比较长，而视界望远镜所用的波长短。结果是天眼望远镜的角分辨率比世界望远镜的角分辨率差了600万倍，所以用天眼望远镜根本不可能看到黑洞的模样。

哈勃望远镜是大家以前听说过的角分辨率最高的，如果和视界望远镜的角分辨率比一下，也差了500倍，这就是为什么要用“攒”出来的视界望远镜来观测黑洞，因为它的分辨率是目前最高的。

来源：张双南提供

我们有了用计算机计算出的理想中黑洞照片，也有了用望远镜观察到现实中的黑洞照片，这两张黑洞照片有多大的区别？上图中左边的黑洞完全是计算出来的，没有分辨率的问题，后者受分辨率的限制，看着并不是那么清楚。另一个区别是视角不同，理想中的黑洞照片是沿着赤道面的方向看过来，这时黑洞比较漂亮。现实中的黑洞是从顶部看过来，是俯视图，黑洞没有办法让我们“摆拍”，所以我们只能拍出这样的照片。