WEBVTT

00:00:01.436 --> 00:00:02.990
在电影《星际穿越》中，

00:00:02.990 --> 00:00:06.601
我们得以近距离观察一个超级黑洞。

00:00:06.601 --> 00:00:08.728
在明亮气体构成的背景下，

00:00:08.728 --> 00:00:10.770
黑洞的巨大引力

00:00:10.770 --> 00:00:12.309
将光线弯曲成环形。

00:00:12.309 --> 00:00:14.382
但是，（电影中的）这一幕
并不是一张真正的照片，

00:00:14.382 --> 00:00:16.202
而是电脑合成的效果——

00:00:16.202 --> 00:00:19.772
它只是一个对于黑洞
可能样子的艺术表现。

NOTE Paragraph

00:00:20.401 --> 00:00:21.451
一百多年前，

00:00:21.451 --> 00:00:25.086
阿尔伯特·爱因斯坦
第一次发表了广义相对论学说。

00:00:25.086 --> 00:00:26.519
在之后的数年里，

00:00:26.519 --> 00:00:29.636
科学家们又对此提供了许多佐证。

00:00:29.636 --> 00:00:32.684
但相对论中所预测的一点，黑洞，

00:00:32.684 --> 00:00:35.134
却始终无法被直接观察到。

00:00:35.138 --> 00:00:38.048
尽管我们大致知道一个黑洞
看起来应该是什么样，

00:00:38.048 --> 00:00:41.151
却从未真正拍摄过它。

00:00:41.151 --> 00:00:45.454
不过，这个现状可能很快就会改变。

00:00:45.454 --> 00:00:49.642
在接下来几年内，我们或许就能
见到第一张黑洞的图片。

00:00:49.642 --> 00:00:53.524
这一重任会落在一个由
各国科学家组成的团队上，

00:00:53.524 --> 00:00:55.215
同时需要一个
地球大小的天文望远镜，

00:00:55.215 --> 00:00:58.071
以及一个可以让我们合成出
最终图片的算法。

00:00:58.071 --> 00:01:01.623
尽管今天我不能让你们
见到真正的黑洞图片，

00:01:01.623 --> 00:01:04.258
我还是想让你们大致了解一下

00:01:04.258 --> 00:01:06.211
得到第一张（黑洞）图片
所需要的努力。

NOTE Paragraph

00:01:07.247 --> 00:01:08.748
我叫凯蒂·伯曼，

00:01:08.748 --> 00:01:11.488
是麻省理工学院的一名博士生。

00:01:11.488 --> 00:01:13.539
我在计算机科学实验室中进行

00:01:13.539 --> 00:01:16.861
让电脑解析图片和视频信息的研究。

00:01:16.861 --> 00:01:19.007
尽管我并不是个天文学家，

00:01:19.007 --> 00:01:20.026
今天我还是想向大家展示

00:01:20.026 --> 00:01:23.263
我是怎样在这个项目中贡献
自己的一份力量的。

NOTE Paragraph

00:01:23.263 --> 00:01:26.138
如果你远离城市的灯光，

00:01:26.138 --> 00:01:28.368
你可能有幸看到银河系

00:01:28.368 --> 00:01:30.131
那令人震撼的美景。

00:01:30.135 --> 00:01:32.601
而如果你可以穿过百万星辰，
将镜头放大到

00:01:32.601 --> 00:01:36.380
2.6万光年以外的银河系中心，

00:01:36.380 --> 00:01:39.925
我们就能抵达（银河系）中央的
一群恒星。

00:01:39.925 --> 00:01:43.175
天文学家们已经穿过星尘，使用红外望远镜

00:01:43.175 --> 00:01:47.046
观察了这些恒星整整十六年。

00:01:47.046 --> 00:01:50.639
但是天文学家们所看不到的东西
才是最为壮观的。

00:01:50.639 --> 00:01:53.749
这些恒星似乎是在围绕一个
隐形的物体旋转。

00:01:53.749 --> 00:01:56.076
通过观测这些星星的移动路径，

00:01:56.076 --> 00:01:57.414
天文学家们得出结论，

00:01:57.414 --> 00:02:00.487
体积足够小，而质量又大到能导致
恒星们如此运动的唯一物体

00:02:00.487 --> 00:02:02.549
就是超级黑洞——

00:02:02.549 --> 00:02:06.761
它的密度极大，高到它能吸进
周围所有东西，

00:02:06.761 --> 00:02:08.279
甚至光。

NOTE Paragraph

00:02:08.279 --> 00:02:11.364
那么，如果我们继续放大下去，
会发生什么？

00:02:11.364 --> 00:02:16.137
是不是就可能看见一些，
理论上不可能看到的东西呢？

00:02:16.719 --> 00:02:19.947
事实上，如果我们以
无线电波长放大，

00:02:19.947 --> 00:02:21.563
我们会看到一圈光线，

00:02:21.563 --> 00:02:23.848
是由围绕着黑洞的

00:02:23.848 --> 00:02:25.941
等离子体引力透镜产生的。

00:02:25.941 --> 00:02:27.065
换句话说，

00:02:27.065 --> 00:02:30.040
这个黑洞，在背后明亮物质的衬托下，

00:02:30.040 --> 00:02:32.186
留下一个圆形的暗影。

00:02:32.186 --> 00:02:35.559
而它周围那明亮的光环
指示了黑洞边境的位置。

00:02:35.559 --> 00:02:37.993
在这里，引力作用变得无比巨大，

00:02:37.993 --> 00:02:39.649
大到就连光线都无法逃离。

00:02:39.649 --> 00:02:42.476
爱因斯坦用公式推测了
这个环的大小和形状，

00:02:42.476 --> 00:02:45.708
所以，给光环拍照不仅很酷，

00:02:45.708 --> 00:02:48.250
还能帮助我们检验这些公式在

00:02:48.250 --> 00:02:50.870
黑洞周围的极端环境下是否成立。

NOTE Paragraph

00:02:50.870 --> 00:02:53.452
不过，这个黑洞离我们太过遥远，

00:02:53.452 --> 00:02:56.554
从地球上看，它非常，非常小——

00:02:56.554 --> 00:03:00.204
大概就和月球上的一个橘子一样大。

00:03:00.668 --> 00:03:03.582
这导致给它拍照变得无比艰难。

00:03:04.645 --> 00:03:05.947
为什么呢？

00:03:06.512 --> 00:03:09.694
一切都源于一个简单的等式。

00:03:09.694 --> 00:03:12.134
由于衍射现象，

00:03:12.134 --> 00:03:13.433
我们所能看到的

00:03:13.433 --> 00:03:16.213
最小物体是有限制的。

00:03:16.789 --> 00:03:20.455
这个等式指出，当想要看到的
东西越来越小时，

00:03:20.455 --> 00:03:23.066
望远镜需要变得更大。

00:03:23.066 --> 00:03:26.149
但即使是地球上功能最强大的
光学望远镜，

00:03:26.149 --> 00:03:28.592
其分辨率甚至不足以

00:03:28.592 --> 00:03:30.804
让我们得到月球表面的图片。

00:03:30.804 --> 00:03:34.455
事实上，这里是一张有史以来
从地球上拍摄的最高清的

00:03:34.455 --> 00:03:35.866
月球图片。

00:03:35.866 --> 00:03:38.457
它包含约1.3万个像素，

00:03:38.457 --> 00:03:42.547
而每一个像素里包含超过150万个橘子。

NOTE Paragraph

00:03:43.396 --> 00:03:45.413
所以，我们需要多大的望远镜

00:03:45.413 --> 00:03:48.100
才能看到月球表面的橘子，

00:03:48.100 --> 00:03:50.381
以及，那个黑洞呢？

00:03:50.381 --> 00:03:52.155
事实上，通过计算，

00:03:52.155 --> 00:03:54.717
我们可以轻易得出所需的
望远镜的大小，

00:03:54.717 --> 00:03:56.164
就和整个地球一样大。

NOTE Paragraph

00:03:56.164 --> 00:03:57.062
（笑声）

NOTE Paragraph

00:03:57.062 --> 00:03:59.245
而如果我们能够建造出这个
地球大小的望远镜，

00:03:59.245 --> 00:04:02.074
就能够分辨出那指示着视界线的

00:04:02.074 --> 00:04:04.511
独特的光环。

00:04:04.511 --> 00:04:07.453
尽管在这张照片上，我们无法看到

00:04:07.453 --> 00:04:09.103
电脑合成图上的那些细节，

00:04:09.103 --> 00:04:11.586
它仍可以让我们对于

00:04:11.586 --> 00:04:14.447
黑洞周围的环境有个大致的了解。

NOTE Paragraph

00:04:14.447 --> 00:04:16.100
但是，正如你预料，

00:04:16.104 --> 00:04:19.732
想建造一个地球大小的射电望远镜
是不可能的。

00:04:19.732 --> 00:04:21.643
不过，米克·贾格尔有一句名言：

00:04:21.643 --> 00:04:23.258
“你不可能永远心想事成，

00:04:23.258 --> 00:04:25.449
但如果你尝试了，说不定就
正好能找到

00:04:25.449 --> 00:04:26.908
你所需要的东西。”

00:04:26.908 --> 00:04:29.436
通过将遍布全世界的望远镜
连接起来，

00:04:29.436 --> 00:04:32.958
“视界线望远镜”，
一个国际合作项目，诞生了。

00:04:32.958 --> 00:04:36.091
这个项目通过电脑制作一个
地球大小的望远镜，

00:04:36.091 --> 00:04:37.652
能够帮助我们找到

00:04:37.652 --> 00:04:39.585
黑洞视界线的结构。

00:04:39.585 --> 00:04:43.226
这个由无数小望远镜构成的网络
将会在明年拍下它的

00:04:43.226 --> 00:04:45.125
第一张黑洞图片。

00:04:45.125 --> 00:04:48.487
在这个网络中，每一个望远镜
都与其他所有望远镜一同工作。

00:04:48.487 --> 00:04:51.223
通过原子钟的准确时间相连，

00:04:51.223 --> 00:04:53.904
各地的研究团队们通过收集

00:04:53.904 --> 00:04:56.890
上万千兆字节的数据来定位光线。

00:04:56.890 --> 00:05:01.911
接下来，这份数据会在
麻省的实验室进行处理。

NOTE Paragraph

00:05:01.911 --> 00:05:03.749
那么，这一项目到底是
怎么运作的呢？

00:05:03.749 --> 00:05:06.656
大家是否记得，如果要看到
银河系中心的那个黑洞，

00:05:06.656 --> 00:05:09.822
我们需要一个地球大小的望远镜？

00:05:09.822 --> 00:05:12.438
现在，先假设我们可以

00:05:12.438 --> 00:05:14.304
将这个望远镜建造出来。

00:05:14.304 --> 00:05:16.153
这可能有点像是把地球变成

00:05:16.153 --> 00:05:18.534
一个巨大的球形迪斯科灯。

00:05:18.534 --> 00:05:20.518
每一面镜子都会收集光线，

00:05:20.518 --> 00:05:23.399
然后，我们就可以将这些光线
组合成图片。

00:05:23.399 --> 00:05:26.100
但是，现在，假设我们将
大多数镜子移走，

00:05:26.104 --> 00:05:28.080
只有几片留了下来。

00:05:28.080 --> 00:05:30.981
我们仍可以尝试将信息合成图片，

00:05:30.981 --> 00:05:32.978
但现在，图片中有很多洞。

00:05:32.978 --> 00:05:37.395
这几片留下来的镜子就代表了
地球上的几处天文望远镜。

00:05:37.395 --> 00:05:41.478
这对于制成一张图片来说，
还远远不够。

00:05:41.478 --> 00:05:45.340
不过，尽管我们只在寥寥几处
地方收集光线，

00:05:45.340 --> 00:05:48.807
每当地球旋转时，我们便可以
得到新的信息。

00:05:48.807 --> 00:05:52.650
换言之，当迪斯科球旋转时，
镜子会改变位置，

00:05:52.650 --> 00:05:55.573
而我们就可以看到图片的各个部分。

00:05:55.573 --> 00:05:59.635
我们开发的生成图片的算法
可以将迪斯科球上的空缺部分填满，

00:05:59.635 --> 00:06:02.692
从而建造出隐藏的黑洞图片。

00:06:02.692 --> 00:06:05.082
如果我们能在地球上每一处
都装上望远镜，

00:06:05.082 --> 00:06:07.087
或者说能有整个迪斯科球，

00:06:07.087 --> 00:06:08.605
那么这个算法并不算重要。

00:06:08.605 --> 00:06:11.951
但现在我们只有少量的样本，

00:06:11.951 --> 00:06:14.343
所以，可能有无数张图像

00:06:14.343 --> 00:06:17.367
符合望远镜所测量到的信息。

00:06:17.371 --> 00:06:20.729
但并不是每一张图片都一样。

00:06:20.729 --> 00:06:25.291
有些图片，比其他一些
看起来更像我们想象中的图片。

00:06:25.291 --> 00:06:28.327
所以我在拍摄黑洞
这一项目中的任务是，

00:06:28.327 --> 00:06:31.473
开发一种既可以找到最合理图像，

00:06:31.473 --> 00:06:34.735
又能使图像符合望远镜
所测量到的信息的算法。

NOTE Paragraph

00:06:34.735 --> 00:06:38.563
就像法医素描师通过有限的信息，

00:06:38.563 --> 00:06:42.073
结合自己对于人脸结构的认知
画出一张画像一样，

00:06:42.073 --> 00:06:45.530
我正在开发的图片算法，
是使用望远镜提供的有限数据

00:06:45.530 --> 00:06:49.892
来生成一张看起来像是
宇宙里的东西的图片。

00:06:49.896 --> 00:06:53.551
通过这些算法，我们能从散乱
而充满干扰的数据中

00:06:53.551 --> 00:06:55.771
合成一张图片。

00:06:55.775 --> 00:07:00.268
这里是一个用模拟数据
进行重现的例子：

00:07:00.268 --> 00:07:02.145
我们假设将望远镜指向

00:07:02.145 --> 00:07:04.854
银河系中心的黑洞。

00:07:04.854 --> 00:07:09.293
尽管这只是一个模拟，像这样的
重建工作给了我们

00:07:09.293 --> 00:07:12.850
真正给黑洞拍摄可行照片的希望，

00:07:12.850 --> 00:07:15.885
之后便可以决定其光环的大小。

00:07:15.885 --> 00:07:19.357
虽然我很想继续描绘
这个算法的细节，

00:07:19.357 --> 00:07:21.499
但你们很幸运，我没有这个时间。

NOTE Paragraph

00:07:21.499 --> 00:07:23.540
可我仍然想大概让你们了解一下

00:07:23.544 --> 00:07:25.850
我们是怎样定义宇宙的样子，

00:07:25.850 --> 00:07:30.340
以及是怎样以此来重建
和校验我们的结果的。

00:07:30.340 --> 00:07:32.860
由于有无数种可以完美解释

00:07:32.860 --> 00:07:35.249
望远镜测量结果的图片，

00:07:35.249 --> 00:07:37.894
我们需要找到一个方式进行挑选。

00:07:37.898 --> 00:07:39.700
我们会按照这些图片是

00:07:39.700 --> 00:07:42.614
真正黑洞图片的可能性进行排序，

00:07:42.618 --> 00:07:45.104
然后选出可能性最高的那一张。

NOTE Paragraph

00:07:45.104 --> 00:07:47.339
我这话到底是什么意思呢？

00:07:47.862 --> 00:07:49.774
假设我们正在建立一个能够

00:07:49.774 --> 00:07:53.011
指出一张图出现在脸书上的
可能性的模型。

00:07:53.011 --> 00:07:54.996
我们希望这个模型能指出

00:07:54.996 --> 00:07:58.017
不太可能有人会上传最左边的图像，

00:07:58.017 --> 00:08:00.457
而像右边那样的自拍照

00:08:00.457 --> 00:08:01.988
画出一张图片一样，

00:08:01.988 --> 00:08:03.591
中间那张图有点模糊，

00:08:03.591 --> 00:08:05.904
所以它被发表的可能性

00:08:05.904 --> 00:08:07.358
比左边的噪点图像大，

00:08:07.358 --> 00:08:10.422
但比右边自拍发表的可能性要小。

NOTE Paragraph

00:08:10.422 --> 00:08:12.726
但是当模型的主角变成
黑洞的照片时，

00:08:12.726 --> 00:08:16.672
一个难题出现了：我们从未
见过真正的黑洞。

00:08:16.672 --> 00:08:18.887
在这样的情况下，
什么样的图才更像黑洞，

00:08:18.887 --> 00:08:21.409
而我们又该怎样假设黑洞的结构呢？

00:08:21.409 --> 00:08:24.305
我们或许能够使用模拟试验
得出的图片，

00:08:24.305 --> 00:08:26.769
比如《星际穿越》里的那张黑洞图。

00:08:26.769 --> 00:08:30.101
但这样做可能会引起
一些严重的问题。

00:08:30.101 --> 00:08:33.525
如果爱因斯坦的理论是错的怎么办？

00:08:33.525 --> 00:08:37.526
我们仍然想要得到一张
准确而真实的图片。

00:08:37.530 --> 00:08:40.905
而如果我们在算法中掺入太多
爱因斯坦的公式，

00:08:40.905 --> 00:08:43.684
最终只会看到我们所希望看到的。

00:08:43.684 --> 00:08:45.874
换句话说，我们想保留在银河系中心

00:08:45.874 --> 00:08:48.641
看到一头大象这样的可能性。

NOTE Paragraph

00:08:48.641 --> 00:08:50.012
（笑声）

NOTE Paragraph

00:08:50.012 --> 00:08:53.005
不同类型的照片拥有
完全不同的特征。

00:08:53.005 --> 00:08:56.257
我们可以轻松分辨出
一张黑洞模拟图

00:08:56.257 --> 00:08:58.897
和我们日常拍的照片的差别。

00:08:58.897 --> 00:09:02.025
我们需要在不过度提供某类图片
特征的情况下，

00:09:02.025 --> 00:09:05.265
告诉我们的算法，一张正常的图片
应该是什么样。

00:09:05.705 --> 00:09:07.742
做到这一点的一种方法是，

00:09:07.742 --> 00:09:10.828
向算法展示拥有不同特征的图片，

00:09:10.828 --> 00:09:14.638
然后看看这些图片会怎样
影响重建的结果。

00:09:15.712 --> 00:09:19.187
如果不同类型的图片都产生出了
差不多的图像，

00:09:19.187 --> 00:09:21.108
那么我们便可以更有信心了，

00:09:21.108 --> 00:09:25.465
我们对图片的假设并没有
导致结果出现太大偏差。

NOTE Paragraph

00:09:25.465 --> 00:09:28.479
这就有点像让来自不同国家的
三个法医素描师

00:09:28.479 --> 00:09:31.499
根据同样的文字描述来作画。

00:09:31.499 --> 00:09:34.323
如果他们画出的脸都差不多，

00:09:34.323 --> 00:09:36.120
那么我们就能比较确信，

00:09:36.120 --> 00:09:39.840
他们各自的文化背景
并没有影响到他们的画。

00:09:39.840 --> 00:09:43.179
将不同图片的特征赋予
（算法）的一个方法

00:09:43.179 --> 00:09:45.500
就是使用现有的图片的碎片特征。

00:09:46.214 --> 00:09:48.218
所以，我们将大量的图像

00:09:48.218 --> 00:09:51.080
分解成无数小图片，

00:09:51.080 --> 00:09:55.389
然后像拼图一样处理这些小图片。

00:09:55.389 --> 00:09:59.691
我们用其中常见的拼图碎片
来组合成一张

00:09:59.691 --> 00:10:02.203
符合望远镜所测量数据的完整图片。

NOTE Paragraph

00:10:03.040 --> 00:10:06.607
不同类型的图片拥有
完全不同的拼图碎片。

00:10:06.607 --> 00:10:09.567
所以，当我们使用相同的数据和

00:10:09.577 --> 00:10:13.751
截然不同的拼图类型来
重现图像时，会发生什么呢？

00:10:13.751 --> 00:10:18.521
我们先从黑洞模拟类的拼图开始。

00:10:18.521 --> 00:10:20.172
这张图看起来还比较合理。

00:10:20.176 --> 00:10:22.874
它比较符合我们预料中黑洞的样子。

00:10:22.874 --> 00:10:24.091
但我们得到这个结果

00:10:24.091 --> 00:10:27.409
是否仅仅是因为我们拿的是
黑洞模拟拼图呢？

00:10:27.409 --> 00:10:29.333
我们再来试试另一组拼图，

00:10:29.333 --> 00:10:31.882
这组拼图由宇宙中不是黑洞的
各种天体构成。

00:10:32.914 --> 00:10:35.024
很好，我们得到了一幅相似的图片。

00:10:35.024 --> 00:10:37.234
那如果我们拿日常照片的拼图
会怎么样呢，

00:10:37.234 --> 00:10:40.109
就像你每天拿自己的相机
拍的那种照片？

00:10:41.312 --> 00:10:43.411
太好了，我们看到了和之前
一样的图像。

00:10:43.411 --> 00:10:46.781
当我们通过不同类型的拼图
得出一样的图片时，

00:10:46.781 --> 00:10:48.851
我们就有充足的自信说

00:10:48.851 --> 00:10:50.861
我们对图片进行的推测，

00:10:50.861 --> 00:10:53.806
并没有引起最终结果的太大偏差。

NOTE Paragraph

00:10:53.806 --> 00:10:57.083
我们能做的另一件事是，
用同一组拼图，

00:10:57.083 --> 00:10:59.596
比如源自日常图片的那一种，

00:10:59.596 --> 00:11:03.220
来得到不同类型的源图片。

00:11:03.220 --> 00:11:04.515
所以，在我们的模拟试验中，

00:11:04.515 --> 00:11:08.234
我们假设黑洞看起来像一个
非黑洞天体，

00:11:08.234 --> 00:11:12.167
以及在银河系中心的一头大象。

00:11:12.167 --> 00:11:15.379
当下面一排算法算出的图片

00:11:15.379 --> 00:11:17.499
看起来和上面一排实际图片
十分相似时，

00:11:17.499 --> 00:11:20.849
我们就能对我们的算法
有更多信心了。

00:11:20.849 --> 00:11:22.740
在这里我想强调，

00:11:22.740 --> 00:11:24.558
此处所有的图片都是由

00:11:24.558 --> 00:11:27.678
拼接日常照片而得出的，

00:11:27.678 --> 00:11:29.917
就像你自己用相机拍的照片一样。

00:11:29.917 --> 00:11:33.217
所以，一张我们从未见过的
黑洞的照片，

00:11:33.217 --> 00:11:37.200
最终却可能由我们日常
熟悉的图片构成：

00:11:37.204 --> 00:11:39.933
人，楼房，树，小猫，小狗……

00:11:39.933 --> 00:11:42.602
想象这样的想法使拍摄第一张

00:11:42.602 --> 00:11:45.265
黑洞的图片成为可能，

00:11:45.265 --> 00:11:47.736
同时使我们有望校验

00:11:47.736 --> 00:11:50.197
科学家们每天所依靠的著名理论。

NOTE Paragraph

00:11:50.201 --> 00:11:52.773
但是，要想让如此充满想象力的
点子实际工作，

00:11:52.773 --> 00:11:56.139
离不开这些我有幸一同工作的

00:11:56.139 --> 00:11:58.070
出色的研究者团队。

00:11:58.070 --> 00:11:59.237
我仍然对此感到振奋：

00:11:59.237 --> 00:12:02.542
虽然在项目开始时我没有任何
天文学背景知识，

00:12:02.542 --> 00:12:04.955
我们通过这一独特合作
所达成的成就，

00:12:04.955 --> 00:12:08.058
可能导致世界上第一幅
黑洞照片的诞生。

00:12:08.058 --> 00:12:10.780
像视界线望远镜这样大项目的成功

00:12:10.780 --> 00:12:13.588
是由来自不同学科的人们
用他们各自的专业知识，

00:12:13.588 --> 00:12:15.448
一起创造的结果。

00:12:15.452 --> 00:12:17.562
我们是一个由天文学家，物理学家，

00:12:17.562 --> 00:12:19.398
数学家和工程学家构成的大熔炉。

00:12:19.398 --> 00:12:21.976
这就是我们能够很快达成

00:12:21.976 --> 00:12:24.873
一个看起来不可能达成的
成就的原因。

NOTE Paragraph

00:12:24.873 --> 00:12:27.133
在此我想鼓励你们所有人，走出去，

00:12:27.133 --> 00:12:29.273
推动科学的边际，

00:12:29.273 --> 00:12:33.198
尽管刚开始它看起来可能
和一个黑洞一样神秘。

NOTE Paragraph

00:12:33.198 --> 00:12:34.416
谢谢大家。

NOTE Paragraph

00:12:34.416 --> 00:12:36.833
（掌声）