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人类首张黑洞照片背后的科学与审美

2019-08-26     来源:



  出品| 新浪红黑大战《科学大家》

  撰文| 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?科幻来自于红黑大战但高于红黑大战。今天的红黑大战做不到的事情,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红黑大战的审美创造。

  什么是美?

  谈到艺术和科幻的时候,我用了共同的两个词,审美、创造,尤其是审美。既然谈到审美,不可避免的会提到一个问题,到底什么是美?这个问题可以追溯到两千多年前苏格拉底、柏拉图和亚里士多德,师徒孙三贤一直在思考:什么是美?直到现在依然没有很好的回答。

  如何回答这个问题?我认为“没缺陷、不常见”就是美,大脑审美需要有两个要素:

  第一,价值观的判断。审美对象是否符合你的价值观,如果符合,就可以贴上“没缺陷”的标签,用语言描述就是自然、合理、真善爱,还有正能量,这些都符合正常人的价值观。

  第二,见识的判断。如果我们的见识识别出审美对象是不常见的,我们就给它贴上“不常见”标签,用什么语言描述不常见呢?通常用的语言是别样、不一样、突出、出色、有个性、有气质,还有最后一条洋气,对中国人来讲,洋气是很正面的词。

  这两个条件都满足了,这个审美对象就是美的。

  你可能会问到底有没有“有缺陷”的“美”?我相信很多朋友的脑海里面已经浮现出一个美丽的图像。



  断臂维纳斯,在美学理论上被认为是残缺美和缺陷美的代表。我请教过一些艺术家:为什么断臂维纳斯美?他们说因为少了一只胳膊。我接着问,那为什么没有人追求残缺美而弄掉一直胳臂呢?就没有回答了!断臂维纳斯并不反映残缺之美,因为雕塑没有实用功能,雕塑少了一只胳膊不是缺陷,人少了一只胳膊才是真的缺陷。我们审美审的是艺术品,而不是艺术品的对象。有的作品描述战争,有的作品描述死亡,有的作品描述疾病,这些作品都可以很美,但我们都不会认为死亡美、战争美、疾病美!所以别把审美的对象混淆了。

  我们建立了大脑审美的两个判断条件后,是否能对所有的审美做统一的描述呢?没缺陷、不常见的叫做美,如果没缺陷很常见怎么办?我们做出的审美判断就是“俗”。“俗”的东西没有什么毛病但因为看的太多了,就会觉得它“俗”。

  如果审美对象有缺陷,但这个缺陷也很常见,并没什么了不得的,你会给出一个什么样的审美判断呢?这个审美判断就是“丑”。

  如果审美对象有缺陷,但这个缺陷以前从来没见过,第一次见到这个缺陷,给你带来的审美体验你会这样形容:“丑哭”,因为太可怕了。同样,如果审美对象一点毛病也挑不出来,从未见过如此完美,你会做出一个什么样的审美判断?这就是常说的“美哭”,或者会用“美爆了”、“美炸了”,这是因为你第一次经历这种美。

  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:利用黑红黑大战,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。

  计算出来的黑洞Vs 现实的黑洞照片


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?”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。


来源:张双南提供

  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。


来源:张双南提供

  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。

  在GMIC会场,新浪红黑大战就外太空探索、科学的美学价值等问题采访了张双南教授。

  新浪红黑大战: 7月20日是美国登月50周年,前段时间,中国也宣布已做好火星车,印度也发射了月船二号探测器,各国都开始展开新一轮太空探索,从科学家角度来说,您认为为什么各国都如此关注外太空探索?

  张双南:人类共同面临的问题就是被束缚在这个星球上,从现有的条件来看,在太阳系里地球是非常好的家园,但是地球上的资源有限,终究人类还是希望能够走出这个摇篮,这是人类集体的梦想。至于在这个时间点上,大家都同时提出重返月球也好,探测其他的天体,或者是早期提到的探索太阳系以外其他的星球,这实际是体现了人类整体的好奇心与梦想。

  人类的好奇心就是:除了地球以外,其他星球人类到底能不能生存,太阳的外星球有没有生命的迹象。实际上我们探索宇宙,探索其他的家园,未来离我们最近的、人类有可能生存的星球是火星,所以要探索火星。更远一点的未来肯定还是希望能够走出火星,走出太阳系,在更广阔的宇宙空间中探索。

  目前我们对宇宙空间的了解就是通过天文望眼镜,但是获得的信息有限,所以我们特别希望真正能到那个地方去,不仅仅通过望眼镜来看,还可以实际探索。应该说人类在地球上仍然处于婴儿期,我们仍然是以地球作为人类的一个摇篮,所以将来我们一定是要走出去的。

  新浪红黑大战:您觉得科学跟美学之间的联系点在哪?

  张双南:谈到科学跟美学的联系,我的业余爱好也经常研究这个问题。我们做审美的时候,本质是做两个判断,一个就是价值观的判断,价值观不同导致审美观不同是很主要的一个原因;第二个思路就是是否能给我带来惊喜,能够带来惊喜的是我们没见过这个东西,这是我们的见识决定的,所以有些人看电影就觉得很精彩,有些人看了觉得很无聊,这是个人的见识不同所带来的,所以有不同的审美观。

  一个是价值观的判断,一个是见识的判断,这两个判断决定了你审美的时候能不能给你带来美感。不同人的审美观、受的教育、见识各方面都很不一样,所以要说科学跟美学的关系,这需要从科学角度去理解我们的审美到底是怎么来的。

  从做科学的角度来说,有的科学家做科学研究的时候,常常有很多选择,选择哪个方向,哪种方法,哪些问题做研究,这是跟他的价值观是有关系的,比如杨先生(编者注:杨振宁先生),他就特别追崇对称性,所以在他的科学审美观里,对称性特别重要,所以他常常选择以对称性为主的研究。

  也有很多人选择不对称性做研究,所以不同的审美观可以带来不同的科学观,对选择科学研究都会有一些指导性的作用。正是审美观的多样化,才带来世界的多样化,也带来科学研究的多样化,否则审美观都是一样的,那这个世界都是没有美的东西,都是千篇一律的审美观。多样化给我们带来世界观的多样化,本身就给我们带来了美感。

  新浪红黑大战: 2016年,关于大型强子对撞机是否要建设,有一场比较有意思的争吵,当时争吵双方讨论比较充分,三年过去了,回头看这次争吵,您是如何看待这次事件呢?

  张双南:三年的时间并不算很长,三年的时间中,争吵的双方应该说都有了进一步的思考,双方的观点也没有改变,反对的还是反对,支持的还是支持,所以双方又进行了思考,观念还是不一致。

  在这种比较大的事件上,大家有不同的看法也并不奇怪,科学界经常对同一个问题有不同的看法,这既反映了对科学前沿的认识,也反映了不同的科学价值观。所以这种争议,从更多的角度来说,是把科学界的观点让公众了解。其实科学界内部争议一直都是有的,这一次建设大型强子对撞机争吵事件,让公众了解了存在这种争议,也让政府在做大项目决策的时候,能够听到更多不同的声音。从这个角度来说,我并不觉得这个争论是不好的事情,应该是一件好的事情。

  最终这个对撞机建或者不建,应该说双方的观点都摆得比较清楚,所以在这种情况下,我觉得将来政府做决策的时候,应该建立在信息比较透明、比较慎重的基础上,这个决策现在已经有了一个比较好的基础,双方该说的都说得很明白了:有经济的原因,有科学价值观的原因,还有技术回报各方面的原因,双方在几个重要的方面都把观念摆得比较成熟,所以现在如果要做决策,我认为是比较合适的时间。

  新浪红黑大战:对于已经选择天文专业的大学生来说,以后想在天文学继续从事学术研究,您有何建议?

  张双南:从以前数据看,选择天文学专业,本科毕业或者是硕博毕业不再从事天文研究的,也有一些,但比例不是那么大,毕竟首先天文专业的学生比较少。最近二十年,中国的天文发展速度非常快,即使所有天文专业的学生毕业以后都从事天文,还远远不够。这跟很多家长的理解不一样,家长觉得学了天文以后,就是披着军大衣,晚上在山上看星星值班,其实几乎没有这样的,这样人数可能占天文学研究总体人数不到1%,这是大家对天文的误解。

  对于国外天文行业早就饱和了,所以国外学天文专业,无论本科也好,研究生也好,毕业以后,做天文学研究的比例不是太高,可能不到30%,大部分都到其他的领域,据我所知,学物理、天文和数学,去的最多是华尔街,因为这个地方需要人有很强的关注力、解析分析的能力,建模型的能力。这些方面做得最好就是学天文、物理、数学这几个专业。当然去互联网公司,IT行业比例也是非常大,将来不管做不做天文研究,基本的科学素养对人一生都是有帮助的。

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