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参与了首张黑洞照片拍摄的中国科学家,怎么解读这张照片? | 科技袁人plus 精选

已有 2759 次阅读 2019-10-30 14:06 |系统分类:观点评述

非常有干货的一期来啦!

本期PLUS节目,袁老师请来了中国科学技术大学天文系教授袁业飞老师,进行了一场两个袁老师之间的对话!

其实很早之前,黑洞照片的新闻刚出来不久,科技袁人节目里就提到过袁业飞老师了(袁岚峰解读世界第一张黑洞照片),这一次大家更是可以见到本尊!袁业飞老师是中国16位参与黑洞照片拍摄项目的科学家之一,由他来为我们进一步科普黑洞和中国天文方面的知识,实在是太适合不过了!

当然,关于黑洞照片,其实很多同学也或多或少了解过一些了,但是这一期节目里袁业飞老师更是讲到了非常深层的:黑洞照片对于整个物理学的意义。这是许多普通科普者很难讲清楚的问题。此外,袁业飞老师也为我们揭示了为什么中国没法使用自己的望远镜参与黑洞照片项目,而要与日本等其它国家的科学家一同租用美国的望远镜呢?答案是在天文观测方面,我们中国还是太落后了!一说到宇宙很多同学可能就想到卫星、火箭,可能还下意识地认为中国已经很先进了,但其实航天工业和天文观测是两种技术领域!而在后者这个领域,中国虽然已经有了FAST这样的设施,但也只能服务于某一个波段的研究,比起美国来还完全是小巫见大巫。袁业飞老师举例我们近年来才拥有的2米级望远镜,美国在100年前就有了!

所以看完这期节目,小猿也有点回过神了,上一期江俊老师讲材料把咱讲得有点飘了(中国在材料领域会被“卡脖子”吗?只要你脖子够粗…… | 科技袁人plus & 中国材料技术的未来,就来自于中国人的“智力红利”!| 科技袁人plus),现在正好需要我们也清醒清醒。就像袁业飞老师说的,知道差距是为了更好的追赶,在人类首次拍摄出黑洞照片的这项伟大科学事业中,中国至少现在已经做到了没有缺席,这本身何尝不是中国天文正奋起直追的象征?

顺便再说一句,袁业飞老师比较少出现在镜头前,所以在拍摄过程中稍显紧张,而他本人也确实是个非常温雅和蔼的人(不像咱自家袁老师那么滴奔放!)。不过,在黑洞照片项目中,袁业飞老师负责的是理论部分的工作,他在模型、公式中构建着这宇宙中最深邃的秘密,心中装着宇宙,脑子里想着黑洞,所以小猿想或许袁业飞老师根本不是紧张,而是不知道怎么和你们这些人类描述他所看到的壮丽景象吧

最后,本期结尾还有彩蛋哦,讨论黑洞,有袁业飞老师一位大咖不够,我们甚至还邀请到了“黑洞”概念的提出者之一……

访谈原文

袁岚峰:

2019年4月10日,人类拍摄的第一张黑洞照片公布了,这张照片像什么呢?很多人把它比喻成甜甜圈、电热器,甚至是蜂窝煤。那么这张照片到底反映了什么信息呢?有不少人表示“不明觉厉”,甚至还有人认为这压根就是个骗局,连“厉”都不觉得。那么,这个事情确实是急需专家的解读。这张黑洞照片到底是谁制作的呢?是一个国际合作的项目,叫做“事件视界望远镜”,Event Horizon Telescope,简称EHT。全世界有几百名科学家参与了这个项目,这其中有16位来自中国的科学家。这其中又有一位是我的科大同事,科大天文系的袁业飞教授!

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EHT项目拍摄的黑洞照片

袁业飞:

大家好。

袁岚峰:

袁业飞老师对于科普事业也非常热心。黑洞照片一出来之后,就很快跟我建立了联系,我向他请教了很多。那么我为了解读这个事情,我去大量读了很多关于广义相对论的资料。但是毕竟我对广义相对论只是一个科普级的了解,袁业飞老师是专家级的了解。所以我们今天非常高兴有袁业飞老师来向大家解读背后的科学原理。

袁业飞:

黑洞这个天体它有两个重要的特征。首先它有个奇点,也就是所有的质量都集中在这一个奇点。另外它有一个特征的势力范围,也就是视界,也就是说物质一旦落入到这个视界,它只有一个结局,就是落入到中心的黑洞,变成黑洞的一部分。哪怕光也是这样的结局,也就是光也就出不来了。

视界从字面意义上来说,就是我们能够看到黑洞最内区的边界,也就是说这就是从字面意义上,就可以理解视界的含义。

袁岚峰:

我想请问您是怎么进入天文学这个行业的?

袁业飞:

这个故事要从我的初中开始说起。初中的时候,我跟我父亲有一次从农村到县城里面,到书店里面买了一本科普书,叫《天体是怎样演化的》。在这本书里面它讲了恒星的形成,讲到星系的演化,等于打开了一扇窗户,让我了解这个宇宙是那么的浩瀚,那么的吸引人。这是我对天文感兴趣最早的这样一个启蒙。

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《天体是怎么演化的》,李启斌著

袁岚峰:

真是非常浪漫的一个故事啊!

袁业飞:

之后呢,我就对相对论非常感兴趣。相对论真正有用的地方就是强引力场,就是黑洞。所以说我的研究课题就主要集中在黑洞天体物理方面,也就是黑洞周围的强引力场下的一些物理过程和辐射。包括给黑洞拍照这个照片理论上应该长什么样子。

袁岚峰:

那您现在终于能够参与到这个工作,亲自参与到拍摄黑洞这张照片,心情应该是非常激动的。

袁业飞:

对,也就是说在参与EHT望远镜项目之前,其实我们已经做了一些理论工作。比方说我们从理论上计算过,我们银河系中心的这个黑洞的阴影,这个黑洞的照片应该像什么样子。但是这只是纯理论研究。那么现在通过参加EHT望远镜,我们就可以把我们的理论研究和观测得到的照片进行比对,能够更深刻地理解黑洞强引力场下的一些物理过程。

袁岚峰:

能不能向我们介绍一下EHT项目的情况?

袁业飞:

EHT它是一个VLBI(very long baseline interferometry,甚长基线干涉测量技术),毫米波的VLBI。VLBI的意思就是说是我把地球上不同地方的望远镜来组网观测。VLBI这个技术达到的一个效果,就是组成一个和地球半径等价的一个大的望远镜,这是从分辨率的角度。

袁岚峰:

是的,不是灵敏度,它不是把地球整个都给铺满。它只是说地球这儿有几个点,它们之间的距离就相当于它最大的分辨率。

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参与了EHT项目的望远镜

袁业飞:

对,就是说两个望远镜,因为随着地球的自转,它会扫出来一定的面积,相当于我像地球那么大口径的一部分。这叫综合孔径技术,本身就是获得诺贝尔奖的这样一个工作。我们国家在VLBI技术上面肯定是有积累的,包括我们的探月工程,也用到了这样一个VLBI的技术。

袁岚峰:

您说最近的嫦娥4号也用到了?

袁业飞:

对,这是EHT望远镜的基本原理。中国参与到EHT项目是因为我们和亚洲,东亚的几个国家组成一个虚拟的天文台,叫东亚天文台。东亚天文台负责运营维护美国在夏威夷的一台毫米波的望远镜,叫詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜(JCMT:James Clerk Maxwell Telescope)。因为我们参与运行维护麦克斯韦望远镜,所以我们中国的科学家就有机会参与到这样一个非常大的项目里面去。EHT只是其中一部分工作,我们还可以拿它来做,用这个望远镜做别的科学研究。

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詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜

袁岚峰:

具体是我们做了哪些事情?

袁业飞:

这个项目因为它本身它是一个大型的国际合作,有200多个科学家一起工作,它其实是分很多个工作组。比方说有观测、有设备的更新、设备技术改造、观测得到观测数据之后对数据的分析、处理,也就是所谓的“洗照片”。我是在这个下面要提到的理论组,就是说照片出来之后,我们怎么来建模、来解释,从物理上来解读这个照片,也就是这张照片反映了黑洞周围的气体的动力学、辐射等等一些。

袁岚峰:

从这当中得到什么有趣的结论呢?现在有没有能够跟大家分享一下的?

袁业飞:

就是大家所看到的,我们看到了黑洞的阴影,也就是说中心的shadow,就是黑洞视界的大小。这是一方面。

另外我们的确看到在黑洞周围的气体,它是接近于光速在运动的,这基本上和我们的理论预言是一致的。

袁岚峰:

很多人会问这个照片为什么不是对称的,你不是说黑洞是一个球吗?为什么看起来它的周围并不是完全对称的?

袁业飞:

黑洞周围的气体,它基本上是在一个盘状的几何结构,这个盘并不是完全垂直于我们的视线方向,它和我们的视线方向有一个倾角。有的物质它就会朝向你运动,有的物质是背离你运动。比较亮的部分,实际上是朝向你运动的,也就有更多的光子辐射到达地球,所以你看起来更亮一点。

袁岚峰:

意味着我们如果调整一下角度的话,我们这张照片就会显得更圆一点。

袁业飞:

对,但是天文学家只能忠实地观测,我不能够摆弄黑洞啊。

袁岚峰:

既然它是美国的望远镜,它为什么会让中国的科学家来操作呢?

袁业飞:

这是很好的一个问题。因为美国现在战线拉得很长,资源总是有限的。对它来说,这个望远镜已经做出了很多重要的工作,它现在已经没有足够的经费来运营、维护这台望远镜了。所以借此机会,我们东亚几个国家就合作运营维护这台望远镜。

袁岚峰:

这真是个很奇怪的景象,让我想到我们以前经常说的一句话:这个文明并不必然总是进步的,也是完全有可能退步的。哪怕你要维护一个已有的科学设施,也不是那么容易啊。

袁业飞:

很多的天文爱好者问我们这样一个问题:为什么不用我们自己国家的望远镜?

袁岚峰:

对啊,这是个好问题。我们国家现在有没有这样的水平?

袁业飞:

但实际上是我们国家还没有能够参与EHT的望远镜。因为它对望远镜的要求是比较高的,能够在毫米波波段工作。

袁岚峰:

我们国家是缺少毫米波的望远镜。

袁业飞:

对,没有到一个毫米,甚至于亚毫米的这样一个望远镜。

袁岚峰:

很多人会问:我们不是有FAST吗?不是有这个500米口径的射电望远镜吗?

袁业飞:

FAST望远镜,首先它的工作波段不在毫米波,这是一方面的原因。另外毫米波的望远镜一定要放在海拔高的地方,因为毫米波被我们地球大气的水汽、水分和氧气吸收是非常厉害的。所以你看FAST放在贵州的大窝凼(dàng),它的毫米波是被大气吸收、水汽吸收是非常厉害的。

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FAST望远镜

袁岚峰:

所以就是说这世界上有很多不同的望远镜,它是适合于不同的目的的。

袁业飞:

对,适合于不同目的。另外整体来说,我觉得我们国家的天文观测,和国际差距还是比较大的。

袁岚峰:

这个是大家其实非常关心的一个事情。

袁业飞:

对,我举个简单的例子,比方说我们国家现在目前通用型的光学望远镜,口径最大的是云南天文台,在丽江的2.4米望远镜。而美国在100年前,就有两米级的望远镜,比方哈勃就用两米级的望远镜,发现宇宙在加速膨胀,这是100年前。通用光学望远镜只是一个例子,因为望远镜有各种各样的望远镜,从这个例子上你可以看到我们在天文观测方面,和国外的差距是非常大的。

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云南天文台YF0SC望远镜

袁岚峰:

基础设施差距实在太大。所以明白我们这个宣传,为什么老是说FAST之类的,其实因为那是普遍的落后当中有少数几个亮点,所以老讲这个。但是你要认清落后是一个普遍状况。

袁业飞:

如果你说中国天文对世界天文的贡献的话,我觉得我们宋朝1054年是一个很大的贡献。

袁岚峰:

发现蟹状星云,一个超新星爆发。

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蟹状星云

袁业飞:

对,也就那个时候,中国的天文学家,当然了官方的就是那些观星学家。

袁岚峰:

钦天监。

袁业飞:

对,他们很详细地记录了1054年超新星爆发的方位、亮度,随着时间演化。这个对世界天文的研究是非常重要的。当然近代我们在这方面落后了。所以我想我们参加EHT望远镜的意义就是说,我们要奋起直追,我们通过这种国际合作来提升我们在天文观测,天文的研究方面的这样一个能力。

这张照片我觉得它最大的一个意义就是说,首先验证了广义相对论是正确的。那么广义相对论验证是正确的又有什么意义?

首先它是改变了我们的时空观,在经典的牛顿力学里面,我们的时空观是绝对的时空观,也就是时间和空间是独立的,而且它们都是绝对的。也就是说,时间和空间不依赖于物质,物质对时空没有影响。狭义相对论就是第一次改变了我们的时空观。狭义相对论里面把时间和空间统一了,也就是说,时空不是时间和空间,时空就是一个四维的。

袁岚峰:

实际上这是第一次出现“时空”这个词,以前这个“时空”是时间加空间,两个机械地在一块。但是这个狭义相对论里面,“时空”它始终变成一个密不可分的整体了,你再也不可能把它们分开了。

袁业飞:

对,那么狭义相对论创立之后,广义相对论又进一步地改变了我们的时空观。那么在狭义相对论里面,就是说时间和空间虽然统一了,但时间和物质是没有相互作用的,也就是时空仍然是绝对的。在广义相对论里面,时间和空间和物质就发生了相互作用,时空依然会影响物质的运动,但是我们的物质又会影响时空的性质,也就是物质和时空发生了相互的影响。这在哲学上面也是让我们很满意的。

我们现在物理学有两大支柱,一个是量子力学,一个是相对论。验证了相对论,也就是说验证了我们物理学大厦的两个支柱是牢固的。另外一个方面,从应用学的角度,因为我们的GPS定位实际上,是要考虑地球的引力场,甚至地球转动的影响。当然这个只是在弱场下,只是一个修正,但是这个修正非常重要。

黑洞照片的另外一个重大意义就是,它证明黑洞的确在宇宙中是存在的,也就是按你的话说黑洞的存在是“实锤”了。

袁岚峰:

事后我们才发现,以前那么多年,那么多人研究黑洞,其实大家都还是在一个不够坚实的基础上跳舞是吧?现在你终于可以把这块石头放下来。黑洞的存在至少是有一个直接证据了,以前全都是间接证据。

袁业飞:

之前人们对黑洞的了解比较少,你都没有证实它在宇宙中的存在,你可以不关心它,也就是说这个没什么用。

袁岚峰:

可以当成它是纯粹的一个哲学性的思辨,是吧?

袁业飞:

我们现在发现我们宇宙里面,的确存在黑洞,那么我们就不能够忽视它。


原文发布在【风云之声】公众号(2019年7月12号)



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