視頻文字摘錄：

在電影《星際穿越》中，我們得以近距離觀察一個(gè)超級(jí)黑洞。在明亮氣體構(gòu)成的背景下，黑洞的巨大引力將光線彎曲成環(huán)形。但是，（電影中的）這一幕并不是一張真正的照片，而是電腦合成的效果——它只是一個(gè)對(duì)于黑洞可能樣子的藝術(shù)表現(xiàn)。

一百多年前，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦第一次發(fā)表了廣義相對(duì)論學(xué)說(shuō)。在之后的數(shù)年里，科學(xué)家們又對(duì)此提供了許多佐證。但相對(duì)論中所預(yù)測(cè)的一點(diǎn)，黑洞，卻始終無(wú)法被直接觀察到。盡管我們大致知道一個(gè)黑洞看起來(lái)應(yīng)該是什么樣，卻從未真正拍攝過(guò)它。不過(guò)，這個(gè)現(xiàn)狀可能很快就會(huì)改變。在接下來(lái)幾年內(nèi)，我們或許就能見(jiàn)到第一張黑洞的圖片。這一重任會(huì)落在一個(gè)由各國(guó)科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)上，同時(shí)需要一個(gè)地球大小的天文望遠(yuǎn)鏡，以及一個(gè)可以讓我們合成出最終圖片的算法。盡管今天我不能讓你們見(jiàn)到真正的黑洞圖片，我還是想讓你們大致了解一下得到第一張（黑洞）圖片所需要的努力。

如果你遠(yuǎn)離城市的燈光，你可能有幸看到銀河系那令人震撼的美景。而如果你可以穿過(guò)百萬(wàn)星辰，將鏡頭放大到2.6萬(wàn)光年以外的銀河系中心，我們就能抵達(dá)（銀河系）中央的一群恒星。天文學(xué)家們已經(jīng)穿過(guò)星塵，使用紅外望遠(yuǎn)鏡觀察了這些恒星整整十六年。但是天文學(xué)家們所看不到的東西才是最為壯觀的。這些恒星似乎是在圍繞一個(gè)隱形的物體旋轉(zhuǎn)。通過(guò)觀測(cè)這些星星的移動(dòng)路徑，天文學(xué)家們得出結(jié)論，體積足夠小，而質(zhì)量又大到能導(dǎo)致恒星們?nèi)绱诉\(yùn)動(dòng)的唯一物體就是超級(jí)黑洞——它的密度極大，高到它能吸進(jìn)周?chē)袞|西，甚至光。

編者注：光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡無(wú)法直接觀察到黑洞。但它會(huì)周?chē)目臻g產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場(chǎng)。若然科學(xué)家看到某些天體環(huán)繞著一個(gè)隱形物體（或者空間區(qū)域）旋轉(zhuǎn)，那可以考慮這個(gè)區(qū)域有可能存在黑洞。

那么，如果我們繼續(xù)放大下去，會(huì)發(fā)生什么？是不是就可能看見(jiàn)一些，理論上不可能看到的東西呢？事實(shí)上，如果我們以無(wú)線電波長(zhǎng)放大，我們會(huì)看到一圈光線，是由圍繞著黑洞的等離子體引力透鏡產(chǎn)生的。換句話說(shuō)，這個(gè)黑洞，在背后明亮物質(zhì)的襯托下，留下一個(gè)圓形的暗影。而它周?chē)敲髁恋墓猸h(huán)指示了黑洞邊境的位置。在這里，引力作用變得無(wú)比巨大，大到就連光線都無(wú)法逃離。愛(ài)因斯坦用公式推測(cè)了這個(gè)環(huán)的大小和形狀，所以，給光環(huán)拍照不僅很酷，還能幫助我們檢驗(yàn)這些公式在黑洞周?chē)臉O端環(huán)境下是否成立。

不過(guò)，這個(gè)黑洞離我們太過(guò)遙遠(yuǎn)，從地球上看，它非常，非常小——大概就和月球上的一個(gè)橘子一樣大。這導(dǎo)致給它拍照變得無(wú)比艱難。

為什么呢？一切都源于一個(gè)簡(jiǎn)單的等式。由于衍射現(xiàn)象，我們所能看到的最小物體是有限制的。這個(gè)等式指出，當(dāng)想要看到的東西越來(lái)越小時(shí)，望遠(yuǎn)鏡需要變得更大。但即使是地球上功能最強(qiáng)大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，其分辨率甚至不足以讓我們得到月球表面的圖片。事實(shí)上，這里是一張有史以來(lái)從地球上拍攝的最高清的月球圖片。它包含約1.3萬(wàn)個(gè)像素，而每一個(gè)像素里包含超過(guò)150萬(wàn)個(gè)橘子。

所以，我們需要多大的望遠(yuǎn)鏡才能看到月球表面的橘子，以及，那個(gè)黑洞呢？事實(shí)上，通過(guò)計(jì)算，我們可以輕易得出所需的望遠(yuǎn)鏡的大小，就和整個(gè)地球一樣大。

而如果我們能夠建造出這個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡，就能夠分辨出那指示著視界線的獨(dú)特的光環(huán)。盡管在這張照片上，我們無(wú)法看到電腦合成圖上的那些細(xì)節(jié)，它仍可以讓我們對(duì)于黑洞周?chē)沫h(huán)境有個(gè)大致的了解。

但是，正如你預(yù)料，想建造一個(gè)地球大小的射電望遠(yuǎn)鏡是不可能的。不過(guò)，米克·賈格爾有一句名言：“你不可能永遠(yuǎn)心想事成，但如果你嘗試了，說(shuō)不定就正好能找到你所需要的東西?！蓖ㄟ^(guò)將遍布全世界的望遠(yuǎn)鏡連接起來(lái)，“視界線望遠(yuǎn)鏡”，一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，誕生了。

編者注：全球多個(gè)望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合對(duì)目標(biāo)天體（黑洞）同時(shí)觀測(cè)采集數(shù)據(jù)。

這個(gè)項(xiàng)目通過(guò)電腦制作一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡，能夠幫助我們找到黑洞視界線的結(jié)構(gòu)。這個(gè)由無(wú)數(shù)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在明年拍下它的第一張黑洞圖片。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)望遠(yuǎn)鏡都與其他所有望遠(yuǎn)鏡一同工作。通過(guò)原子鐘的準(zhǔn)確時(shí)間相連，各地的研究團(tuán)隊(duì)們通過(guò)收集上萬(wàn)千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)來(lái)定位光線。接下來(lái)，這份數(shù)據(jù)會(huì)在麻省的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理。

那么，這一項(xiàng)目到底是怎么運(yùn)作的呢？大家是否記得，如果要看到銀河系中心的那個(gè)黑洞，我們需要一個(gè)地球大小的望遠(yuǎn)鏡？現(xiàn)在，先假設(shè)我們可以將這個(gè)望遠(yuǎn)鏡建造出來(lái)。這可能有點(diǎn)像是把地球變成一個(gè)巨大的球形迪斯科燈。每一面鏡子都會(huì)收集光線，然后，我們就可以將這些光線組合成圖片。但是，現(xiàn)在，假設(shè)我們將大多數(shù)鏡子移走，只有幾片留了下來(lái)。我們?nèi)钥梢試L試將信息合成圖片，但現(xiàn)在，圖片中有很多洞。這幾片留下來(lái)的鏡子就代表了地球上的幾處天文望遠(yuǎn)鏡。

這對(duì)于制成一張圖片來(lái)說(shuō)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不過(guò)，盡管我們只在寥寥幾處地方收集光線，每當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時(shí)，我們便可以得到新的信息。換言之，當(dāng)?shù)纤箍魄蛐D(zhuǎn)時(shí)，鏡子會(huì)改變位置，而我們就可以看到圖片的各個(gè)部分。我們開(kāi)發(fā)的生成圖片的算法可以將迪斯科球上的空缺部分填滿(mǎn)，從而建造出隱藏的黑洞圖片。如果我們能在地球上每一處都裝上望遠(yuǎn)鏡，或者說(shuō)能有整個(gè)迪斯科球，那么這個(gè)算法并不算重要。

但現(xiàn)在我們只有少量的樣本，所以，可能有無(wú)數(shù)張圖像符合望遠(yuǎn)鏡所測(cè)量到的信息。但并不是每一張圖片都一樣。有些圖片，比其他一些看起來(lái)更像我們想象中的圖片。所以我在拍攝黑洞這一項(xiàng)目中的任務(wù)是，開(kāi)發(fā)一種既可以找到最合理圖像，又能使圖像符合望遠(yuǎn)鏡所測(cè)量到的信息的算法。

就像法醫(yī)素描師通過(guò)有限的信息，結(jié)合自己對(duì)于人臉結(jié)構(gòu)的認(rèn)知畫(huà)出一張畫(huà)像一樣，我正在開(kāi)發(fā)的圖片算法，是使用望遠(yuǎn)鏡提供的有限數(shù)據(jù)來(lái)生成一張看起來(lái)像是宇宙里的東西的圖片。通過(guò)這些算法，我們能從散亂而充滿(mǎn)干擾的數(shù)據(jù)中合成一張圖片。這里是一個(gè)用模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行重現(xiàn)的例子：我們假設(shè)將望遠(yuǎn)鏡指向銀河系中心的黑洞。盡管這只是一個(gè)模擬，像這樣的重建工作給了我們真正給黑洞拍攝可行照片的希望，之后便可以決定其光環(huán)的大小。雖然我很想繼續(xù)描繪這個(gè)算法的細(xì)節(jié)，但你們很幸運(yùn)，我沒(méi)有這個(gè)時(shí)間。

可我仍然想大概讓你們了解一下我們是怎樣定義宇宙的樣子，以及是怎樣以此來(lái)重建和校驗(yàn)我們的結(jié)果的。由于有無(wú)數(shù)種可以完美解釋望遠(yuǎn)鏡測(cè)量結(jié)果的圖片，我們需要找到一個(gè)方式進(jìn)行挑選。我們會(huì)按照這些圖片是真正黑洞圖片的可能性進(jìn)行排序，然后選出可能性最高的那一張。

我這話到底是什么意思呢？假設(shè)我們正在建立一個(gè)能夠指出一張圖出現(xiàn)在臉書(shū)上的可能性的模型。我們希望這個(gè)模型能指出不太可能有人會(huì)上傳最左邊的圖像，而像右邊那樣的自拍照畫(huà)出一張圖片一樣，中間那張圖有點(diǎn)模糊，所以它被發(fā)表的可能性比左邊的噪點(diǎn)圖像大，但比右邊自拍發(fā)表的可能性要小。

但是當(dāng)模型的主角變成黑洞的照片時(shí)，一個(gè)難題出現(xiàn)了：我們從未見(jiàn)過(guò)真正的黑洞。在這樣的情況下，什么樣的圖才更像黑洞，而我們又該怎樣假設(shè)黑洞的結(jié)構(gòu)呢？我們或許能夠使用模擬試驗(yàn)得出的圖片，比如《星際穿越》里的那張黑洞圖。但這樣做可能會(huì)引起一些嚴(yán)重的問(wèn)題。如果愛(ài)因斯坦的理論是錯(cuò)的怎么辦？我們?nèi)匀幌胍玫揭粡垳?zhǔn)確而真實(shí)的圖片。而如果我們?cè)谒惴ㄖ袚饺胩鄲?ài)因斯坦的公式，最終只會(huì)看到我們所希望看到的。換句話說(shuō)，我們想保留在銀河系中心看到一頭大象這樣的可能性。

不同類(lèi)型的照片擁有完全不同的特征。我們可以輕松分辨出一張黑洞模擬圖和我們?nèi)粘Ｅ牡恼掌牟顒e。我們需要在不過(guò)度提供某類(lèi)圖片特征的情況下，告訴我們的算法，一張正常的圖片應(yīng)該是什么樣。做到這一點(diǎn)的一種方法是，向算法展示擁有不同特征的圖片，然后看看這些圖片會(huì)怎樣影響重建的結(jié)果。如果不同類(lèi)型的圖片都產(chǎn)生出了差不多的圖像，那么我們便可以更有信心了，我們對(duì)圖片的假設(shè)并沒(méi)有導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)太大偏差。

這就有點(diǎn)像讓來(lái)自不同國(guó)家的三個(gè)法醫(yī)素描師根據(jù)同樣的文字描述來(lái)作畫(huà)。如果他們畫(huà)出的臉都差不多，那么我們就能比較確信，他們各自的文化背景并沒(méi)有影響到他們的畫(huà)。將不同圖片的特征賦予（算法）的一個(gè)方法就是使用現(xiàn)有的圖片的碎片特征。所以，我們將大量的圖像分解成無(wú)數(shù)小圖片，然后像拼圖一樣處理這些小圖片。我們用其中常見(jiàn)的拼圖碎片來(lái)組合成一張符合望遠(yuǎn)鏡所測(cè)量數(shù)據(jù)的完整圖片。

不同類(lèi)型的圖片擁有完全不同的拼圖碎片。所以，當(dāng)我們使用相同的數(shù)據(jù)和截然不同的拼圖類(lèi)型來(lái)重現(xiàn)圖像時(shí)，會(huì)發(fā)生什么呢？我們先從黑洞模擬類(lèi)的拼圖開(kāi)始。這張圖看起來(lái)還比較合理。它比較符合我們預(yù)料中黑洞的樣子。但我們得到這個(gè)結(jié)果是否僅僅是因?yàn)槲覀兡玫氖呛诙茨M拼圖呢？我們?cè)賮?lái)試試另一組拼圖，這組拼圖由宇宙中不是黑洞的各種天體構(gòu)成。很好，我們得到了一幅相似的圖片。那如果我們拿日常照片的拼圖會(huì)怎么樣呢，就像你每天拿自己的相機(jī)拍的那種照片？太好了，我們看到了和之前一樣的圖像。當(dāng)我們通過(guò)不同類(lèi)型的拼圖得出一樣的圖片時(shí)，我們就有充足的自信說(shuō)我們對(duì)圖片進(jìn)行的推測(cè)，并沒(méi)有引起最終結(jié)果的太大偏差。

我們能做的另一件事是，用同一組拼圖，比如源自日常圖片的那一種，來(lái)得到不同類(lèi)型的源圖片。所以，在我們的模擬試驗(yàn)中，我們假設(shè)黑洞看起來(lái)像一個(gè)非黑洞天體，以及在銀河系中心的一頭大象。當(dāng)下面一排算法算出的圖片看起來(lái)和上面一排實(shí)際圖片十分相似時(shí)，我們就能對(duì)我們的算法有更多信心了。在這里我想強(qiáng)調(diào)，此處所有的圖片都是由拼接日常照片而得出的，就像你自己用相機(jī)拍的照片一樣。所以，一張我們從未見(jiàn)過(guò)的黑洞的照片，最終卻可能由我們?nèi)粘Ｊ煜さ膱D片構(gòu)成：人，樓房，樹(shù)，小貓，小狗……想象這樣的想法使拍攝第一張黑洞的圖片成為可能，同時(shí)使我們有望校驗(yàn)科學(xué)家們每天所依靠的著名理論。

編者注：通過(guò)把全球多個(gè)（射電）望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把圖像拼合起來(lái)。

但是，要想讓如此充滿(mǎn)想象力的點(diǎn)子實(shí)際工作，離不開(kāi)這些我有幸一同工作的出色的研究者團(tuán)隊(duì)。我仍然對(duì)此感到振奮：雖然在項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)我沒(méi)有任何天文學(xué)背景知識(shí)，我們通過(guò)這一獨(dú)特合作所達(dá)成的成就，可能導(dǎo)致世界上第一幅黑洞照片的誕生。像視界線望遠(yuǎn)鏡這樣大項(xiàng)目的成功是由來(lái)自不同學(xué)科的人們用他們各自的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，一起創(chuàng)造的結(jié)果。我們是一個(gè)由天文學(xué)家，物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家和工程學(xué)家構(gòu)成的大熔爐。這就是我們能夠很快達(dá)成一個(gè)看起來(lái)不可能達(dá)成的成就的原因。