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科学驱动人类文明,黑洞视频不再遥远,一文读懂腾讯科学小会

新闻资讯 文/乔辉

2020年1月12日, 第二届腾讯青少年科学小会在北京清华大学新清华学堂举办,新一届小会全新升级,专门定制亲子专场,让家长陪孩子一起,开启探索科学的精神之旅。

腾讯青少年科学小会由腾讯公司主办、清华大学合办、中国科学技术协会作为指导单位,是一年一度面向全国青少年的科学盛典。科学小会与权威科学杂志 Science 合作定制“年度青少年科学看点榜单”,并邀请全球知名科学家对年度科学事件进行权威有趣的专业解读,激发中国青少年对科学话题的关注,引导青少年以科学家为新偶像、以科学探索为新时尚,葆有“世界一定有答案”的探索精神。

2019年11月3日,腾讯还成功了举办新一届“腾讯WE大会”,也是一场科学的大会,该大会已经连续举办了7年,每年邀请全球顶尖科学家,来讲解当年最前沿、最重要的科学突破,面向的对象是全体大众。科学小会与WE大会不同,是专门为青少年举办一场科学活动。

本次小会嘉宾阵容强大:有全球顶学术期刊Science主编蒂姆·阿彭策尔(Tim Appenzeller);有拍摄全球首张黑洞照片的科学家艾弗里·布罗德里克(Aveary Broderick);有中国天文台副台长刘继峰;有清华大学生命科学院院长王宏伟;有“搞笑诺贝尔奖”之父马克·亚伯拉罕斯(Marc Abrahams);有腾讯杰出科学家、腾讯量子实验室负责人张胜誉;有用中文讲了23年化学课的牛津洋博士戴伟(David G. Evans);还有我们中国月球探测工程首席科学家欧阳致远院士。

下面让我们详细看看这些科学大佬演讲的精华内容(嘉宾演讲内容在持续更新中ing)

蒂姆·阿彭策尔:科学是人类文明进步的基础动力

科学驱动人类文明,黑洞视频不再遥远,一文读懂腾讯科学小会

Science主编蒂姆·阿彭策尔(Tim Appenzeller)登台演讲。他首先向大家介绍了Science杂志的特点。他表示,大部分科学相关的杂志或期刊都是选择一个比较小的主题,比如只写关于细胞的信号,或者关于鸟类的文章等等,但Science不太一样,Science覆盖科学的方方面面。

Science每年年末都会选出年度重大科学发现,每年都可以看到非常多的新工具、新科技出现,这给了科学家新的方式探索自然界。还可以看到来自不同领域的专家,来自不同国家的科学家彼此合作,他们的新想法进一步推动了科学进步。

蒂姆给大家举了人类起源相关进展的例子,他表示,我们是从哪儿来的?以前科学家只能依据化石零零碎碎拼凑出来我们祖先的故事,这些大部分化石来自于非洲以及欧洲。

十年前,科学家在西伯利亚山洞中发现丹尼索瓦人化石,通过DNA分析这块化石,可以生成丹尼索瓦人的样子,他们脸孔比较空,牙齿比较大,下颌比较大,古人类脸庞的重现,靠几个分子就可以做出来了。这让我们看到了全新古人类起源的故事。

稍后,蒂姆探讨了基础科学与技术进步的关系。他表示,科学驱动经济,但科学回报不一定会来得非常快,现在的AI让智能手机变得非常智能,但这并不是来自于工程师,是来自于基础科研的结果。

今天,锂电池在生活中非常重要,不但每天点亮着我们的手机,更能驱动长续航电动汽车,其实锂电池来自于70、80年代基础科学对材料的研究。

2013年,癌症免疫疗法取得了突破,所谓的免疫疗法是指,通过我们自身的免疫系统,不做手术、不吃药来抗击癌症。这在当时是一个非常前沿的领域,没过几年,现在已经进入了临床实验阶段,甚至有一些癌症已经能够被免疫疗法所治愈了。

最后,蒂姆讲到大家都比较熟悉的“人类直接探测到引力波”的故事。他表示,人类利用激光引力波干涉仪(LIGO)探测到13亿光年之外的双黑洞合并事件,这表明了基础科学不仅仅是为了治病救人和现实应用,还能够用于探索宇宙。

艾弗里·布罗德里克:未来还可以给黑洞拍视频

科学驱动人类文明,黑洞视频不再遥远,一文读懂腾讯科学小会

本次科学小会,还请来了参与拍摄全球首张黑洞照片的科学家艾弗里·布罗德里克(Aveary Broderick)教授。

艾弗里表示,在过去一年多,他都沉浸在兴奋中。全球45亿人看到过这张照片,他感觉这是不可思议的成就。黑洞照片不但出现在各大报纸头版头条,而且还被做成各种表情包。

艾弗里告诉大家,黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的、听起来非常恐怖和躲在黑暗处的奇异天体。黑洞中心有一个奇点,理论上拥有无限高的密度。物理定律在奇点出实效,这只能依靠能够结合量子力学和广义相对论全新的物理理论出现。

黑洞在形成的时候,会生成一个围绕它的“视界”,这是一个单向的通道,在这个边界之外才是安全的。同时,光线会在这里发生弯曲,可以形成“引力透镜”效应。虽然太阳也能使遥远的星光发生弯曲,但偏折的角度非常小。

从另一个方面看,有些黑洞不仅仅吞噬光线,而且还是宇宙中最明亮的天体。这是因为黑洞周围通常有很多气体物质和磁场,物质在围绕黑洞旋转和落向黑洞的时候会释放大量的能量,产生热量,使吸积盘炽热发光。

如果黑洞还在高速旋转,那么会带动时空、磁场以及物质进行旋转,旋转就会在吸积盘的两侧产生接近光速的喷流。有些黑洞可以达到上百亿颗太阳的质量,这些黑洞甚至可以主宰其所在星系的命运。

艾弗里表示,有时候他在睡不着的时候就会想,爱因斯坦的理论到底对不对?黑洞的魔力到底从哪里来?最直接的寻找答案的方式就是去观测,去观测物质掉进黑洞中的情况,但这通常非常困难。

在我们银河系中心,有一颗质量是太阳400万倍黑洞,直径达2400万公里,但距离我们更加遥远,达24亿亿公里,要想给如此遥远的黑洞拍照片,难度是非常大的。就算目前直径达30米的光学望远镜分辨率仍然还差很远很远。如果用射电望远镜,那么要求这台望远镜的直径向地球一样大!这听起来不可思议,但我们通过把分布在全球的射电望远镜进行同步,就能得到相当于地球大小口径的望远镜,这就是我们设计事件视界望远镜(EHT)的初衷。就这样,把不同望远镜搜集到的数据通过超级计算机进行整合,在电脑上生成一张黑洞的照片。

其实,这样类似的一个数据处理过程,天文学家应用了很多年。EHT把这个技术做得更加登峰造极,不仅仅要观测,还要记录每一个望远镜所观测到的光波的变化,这意味着我们要有原子时钟,因为确保每一个望远镜(观测到的)时间是完美同步。

事件视界望远镜搜集的数据数量非常惊人,每一个望远镜每一秒的数据生成是32GB,每一秒就生成一部高清电影,观测了几天之后,把数据硬盘加在一起可以有半吨这么重

EHT望远镜通常都在一些比较干燥、海拔比较高的地方,因为水蒸气会非常影响我们望远镜的分辨率。

2017年4月5日,所有的八个天文台、所有的望远镜对准一个方向,就是星座当中的室女星系M87黑洞,第一次拍摄到了黑洞的核心,看到了黑洞旁边的光圈,还有视界。不要抱怨还是太模糊,这已经是我们所能拍摄到的最清晰的照片了。这颗黑洞的质量是太阳质量的65亿倍,非常庞大的一个数字。

科学家花了很多时间来理解引力到底是怎么样?这中间的阴影有多大?这个阴影是不是就是史瓦西半径?此前,我们已经通过其他方式计算出了这颗黑洞的质量,现在通过给黑洞直接拍照,算出的质量和此前计算出的质量吻合得很好。这再一次证明了爱因斯坦的广义相对论的正确性。

目前,EHT项目只是一张照片,但科学家并不满足于只拍静止照片,未来还可以拍摄做成视频,进一步验证爱因斯坦广义相对论。

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