梁文道:“看见”黑洞,看见科学的诗意
2019-04-12 17:10

梁文道:“看见”黑洞,看见科学的诗意

本文来自微信公众号:看理想(ID:ikanlixiang),作者:梁文道


人类发布首张黑洞照片©️Event Horizon Telescope Collaboration


“We have seen what we thought was unseeable.”


我们看到了原以为无法看见的景象。


这无疑是一次科学的里程碑,也是一次对公众的巨大震撼。


但更重要的是,它让我们意识到——


原来,即使身处黑暗,我们依然可以看见科学的诗意。


(文字经编辑整理)


这几天你可能已经看过无数次那张黑洞的照片了,许多朋友很兴奋地说:总算看到黑洞的样子了;也有人说:总算看到黑洞的照片了。


不知你是否注意到,这两句话实际上是完全不同的意思。


首先需要澄清的一点:严格意义上说,黑洞是无法被看见的


1. 吞噬光的黑洞,是如何被“拍摄”出来的?


如果你仔细观察这次“冲洗”出黑洞照片的整个跨国性项目,它的完整名称叫做the Event Horizon Telescope(事件视界望远镜项目),这里的“视界”翻译自horizon,也就是我们平常所说的“地平线”。


全球共同协作的事件视界望远镜项目©️Event Horizon Telescope Collaboration


要知道,我们人类平常在这个世界上观看任何事物其实都需要horizon(视界或者地平线)的,也就是需要有一条遥远的模糊的边界。这条边界比我们想象得更重要,如果没有这样一个基本的定位、定向的框架,我们其实是无法观看或者理解我们眼前所呈现的图像的。


所以很多学者,尤其是从事哲学研究的人都会说,horizon是我们看待事情的一个基本条件和前提。


而黑洞的事件视界,指的就是围绕黑洞的时空边界,任何物质,包括光线,一旦到达黑洞,都会到达一个临界点,越过之后就将吞噬不见,再也无法返回。当然理论上黑洞还会放射出所谓的霍金辐射,但这是另一个问题了,暂时不在这里作更多科普。


电影《星际穿越》中展现的黑洞事件视界 © Paramount Pictures


如果根据这种讲法,可以理解,连光都无法逃离黑洞,而失去光线,我们人类是无法观测任何事物的,所以理论上黑洞是不可能被“看见”的。


可是,拍摄照片同样也是需要光线的,如果黑洞会吞噬光,那我们又是如何拍到黑洞照片的呢?


准确地说,这次拍摄到的并不是黑洞本身,而是利用黑洞边界上的物质所发出的辐射,勾勒出的黑洞的轮廓。


仔细看这张照片,我们看到的是一个很符合我们想象中的黑洞的样子,一个黑色的圆环状物体或者一个暗影位于中部,围绕着它的是一圈橙色的光圈。


而我们其实也是透过光圈看到了中间的暗影,用一个不恰当的比喻,我们看到的不是直接的物体,而是这个物体的投影。


实际上,那些光源只不过是被黑洞吸入的星际物质,甚至有可能是被黑洞无比强大的重力拉扯而产生的恒星碎片,这些碎片加速到了极高的速度,掉进黑洞之中,构成了一个温度非常高的围绕着黑洞的“盘”,这个盘状结构就是学者们所说的“吸积盘”。


它在落入黑洞之前释放出了大量的辐射,我们所看到的光圈其实就是这些辐射。可问题在于,其实人类肉眼的可见光范围也无法观测到这些辐射,它们处于微波范围内。


©️ EHT collaboration, (2019) ApJ.


所以,黑洞照片上呈现的光圈,其实也是科学家为了让我们能够更清晰地理解和观看,通过计算机复杂的处理过程,修制出来的。


而且橙色部分也是科学家们染上的,因为这些光由于无法看见,也就基本没有颜色可言,但是橙色很接近于我们直观的印象,那一圈光是温度极高的吸积盘,用橙色更能够体现这种感觉。


2. 黑洞照片,用直观证据让科学更具有说服力


你现在可以理解了,这张照片是经过修饰的,而且是用了长达两年的时间通过极其复杂的计算和处理而“冲洗”出来的。


尽管这张“照片”和我们通常理解的照片有不小的出入,但这一次拍摄在科学史上依然非常具有意义,比如很多人说这张照片再一次验证了广义相对论,更精确地说,它是再次验证了广义相对论关于黑洞的说法。


也有很多人认为它证明了黑洞的存在,但是这个讲法依然不够精准,实际上我们先前就已经用多种方式多次证明了黑洞的存在,让它不再是一个理论上的概念。


在我看来,这张照片最有意义的部分,其实是对于我们公众而言的,或者说对于我这种科学的外行人——就如许多研究者所说,它向我们提供了一个直观证据


所谓“直观证据”,英文即Direct visual evidence,这种影像的直观对于我们平常人理解黑洞,其实是带有一定的说服功能的。


也就是说,通常我们仍然有一个根深蒂固的信条,那就是“眼见为实,眼见为凭”,即便我们都知道“黑洞”这个词,但由于我们根本无法肉眼看见,所以常常会认为它依然是遥远的、有距离的,甚至是带着可疑的。但一旦让普通人看到了一张明确的照片,就变得更具说服力了。


美剧《生活大爆炸》


其实,人类自古以来很多科学观测,都不是直接的,也不是由肉眼直接观测的。比如古人观测日食现象,也要透过水的倒影来观看,因为直接面对太阳会刺激而且伤害我们的眼睛。


在科学观测上,我们往往是间接地通过别的方法来进行,这就不免要说到伽利略与望远镜的关系。


伽利略做的非常重要的一件事,就是使用望远镜来观测月亮以及天体,他其实并不是第一个这样做的人,但只有从他开始,望远镜才真正变成一种全面观测星空,(并且更重要的是)证实了哥白尼学说的一种工具和仪器。


望远镜本身,成为了一个人的肉眼的延伸,通过它所看到的图像,在当时极具爆炸性,这正是因为它有很强的说服力。它也是提供了一种直观证据,由此证明了哥白尼的《天体运行论》——这部在1543年出版的不朽的科学著作。 


伽利略之所以后来被人认为是“近代科学之父”,就是因为他是利用了一种实际观测的方法来进行科学研究,这被视作是整个近代科学的基础。


3. 视觉图像,是科学产生说服力的一种重要修辞


需要特别强调一点,科学在这里包含两个层面:第一,观测及视觉上的元素,是我们用来进行科学研究、发现科学成果必不可少的一个工作,没有实证的观测就不称其为科学,这是近代对科学的理解。


而另一方面,它是科学在传布以及向公众产生说服力的一种重要的修辞要素。


伽利略所处的年代,开始注重观测,并把观测的结果通过绘图的方法表达出来,接受公众的观看。这样的做法在那个时代,是否有让你觉得跟另一件事好像很巧合?


没错,正是文艺复兴晚期,“透视法”已经全面推展开来。


所有绘画都会用上透视法,而透视法被认为是一种十分科学的观看方法,以及艺术上的一个必要的金科玉律。


文艺复兴时期的绘画透视法


其实后来很多科学史家及艺术史家在探讨这段过程的时候发现,文艺复兴时期采用的大量艺术上的透视法技巧,对于那个年代开始出现的近代科学精神,其实是有直接影响的,或者说这两者是有相互作用、相互影响的。 


相信观测应该是客观的,应该是越写实越好,而观测的结果是极端重要的——这样一种概念,无论在艺术表现上,还是在科学研究上,实际是双轨并进的一种想法。


为什么科学还要利用视觉元素去提高它对公众的说服力?这其实是非常自然的,很多现代的科学史家及科学研究者极力想说明这一点,就是这些科学图像是科学家交流和争论的基础,视觉图像有非常强大的说服和修辞的力量,能够使得科学家在种种论辩之中,获得一种更具优势的地位。


这也正是因为我们大部分人,依然还是会很直观地相信自己眼睛所看到的东西,哪怕那些看得到的图像,其实也是经过观测的仪器、经过人手绘画,乃至于经过计算机处理制作出来的。


而很多原来我们无法看到的东西,通过种种仪器和处理方式,让我们“看到”了,但那已经再也不是传统意义上的“看到”了。比如去医院照MRI,用雷达观测一架飞机,用声呐探测一艘潜艇,这里种种所谓“看到”都不再是传统上的含义,而是利用不同仪器间接创作出的一些图像,让我们掌握真实。


有一个很经典的例子,那就是科学史家史蒂芬·谢平(Steven Shapin)和赛门·夏佛(Simon J. Schaffer)合著过一本极具影响力的作品:《利维坦与空气泵浦:霍布斯、波以耳与实验生活》,他们就重新谈到当年霍布斯和波以耳关于真空泵浦的争论,那场争论最后的获胜者都被认为是波以耳,为什么?



他们就认为,主要由于波以耳尽可能栩栩如生地,非常真实地把他的整个实验过程描绘了出来,用写实版画的方法提供视觉辅助,让每一位读者和说明对象,都仿佛亲身见证了他的实验是多么清晰,非常直观的感受。


这就是所谓用图像来说服人的一种做法,所有这些图像,对公众而言就具有了这样一种证明和说服的魅力。


就像我们在没有看到黑洞的这张照片之前,公众对于黑洞的理解依然是非常疏远的、陌生的,但是现在加上了着色的黑洞照片,好像人人都知道黑洞是怎么一回事了。


4. 科学图像,多多少少都具有了美学的成分


有些比较激进的学者认为,所有科学图像其实都包含了一种矛盾,这个矛盾就是:一方面,我们必须借由这些图像来认识世界;但另一方面,我们又不一定能察觉到,这些图像其实已经是研究者为了符合使用者的心理预期,比如这张黑洞照片,进行了修改和再创作的。


因此,从这个意义上讲,所有的科学图像,好像都多少具有了美学的成分。这不禁引发一个问题:这是否会减少科学的客观性呢?


如果我从一个大众的角度,从一个完全科学研究外行的角度来看,我会认为,科学的诗意用这种方式来表达,其实也没什么不好。


这让我想起来一位香港诗人,莎拉·候(Sarah Howe)。她其实是一位在香港出生长大的英国人(父亲是英国人、母亲是广东人),在剑桥念完博士之后,目前继续从事文学研究。她写诗写得非常好,曾获得英国诗坛最重要的大奖之一,艾略特奖。


她从小就很崇拜霍金,还专门写了一首诗献给霍金。


Stephen Hawking


霍金收到这首诗后非常喜欢,还特地和莎拉·候会面,霍金甚至亲自朗读过这首诗。而这首诗跟我们今天谈论的“看见和看不见”,以及这种“看见和看不见的关系”与科学之间到底有什么关联,都具一定相关——这首诗的名字叫作:《相对》,中文译本如下:


相 对


致史蒂芬·霍金


当我们被黑暗中的惊慌抚醒


我们的学生正试图感知那些我们熟悉事物的形状。


裂口中渗出的光子就像小径上的灰狗


在它们投下的阴影中揭示了光的两面性


在昏暗的实验室墙上投射出条纹——不再是粒子——


在波浪中向确定性道别。


什么在宇宙中是确定的


是超声波仪发出的


像塞壬午夜哭喊般的声音吗?他们说


一列飞驰的火车发出的断断续续的亮光


将解释为什么时间膨胀得像一个完美的


下午;预言平行线在黑洞中


将相交,黑洞荒凉的地平线甚至星光,


在其轨迹上弯曲,不可避免。如果我们能想得


这么远,那我们的双眼难道还适应不了黑暗吗?


这首诗写得相当漂亮,尤其最后一句:


If we can think this far, might not our eyes adjust to the dark? 


这真的是很美很美的一句话。


如果你对科学稍有一定认知,或许可以察觉到,这首诗里其实包含了相当多科学史上各种各样的著名理论,比如光的波粒二重性。但为什么我会觉得最后那句话最美呢?


因为它好像在告诉我们,如果我们能够借助科学的想象力,即使身处黑暗之中,还是能够利用我们的心眼看得很远,看到一些其实我们无法肉眼看到,甚至无法用肉身感官去感受到的一些东西。 


以我自己为例,我记得我还在读小学的时候,第一次听说原来地球是一个球,它会自转,还会公转,这对当时的我简直是太震撼的一件事。


我相信无论你我,我们都无法看到地球究竟是怎么转动的,也无法感受到我们是站在一个球体上,而不是一个平面上,也感受不到这种球体的转动,但是你可以试着去想象、去感受。


当我知道地球在不停转动这件事之后,我还记得那时的我只是一个小学二年级的学生,结果那天晚上我失眠了。


我近乎整晚都在想着这件事,我一直在感受——床底下这颗地球,正在浩大地自转


电影《万物理论》


本文来自微信公众号:看理想(ID:ikanlixiang),作者:梁文道

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