怎样拍摄一张黑洞的图片
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0:01 - 0:03在电影《星际穿越》中,
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0:03 - 0:07我们得以近距离观察一个超级黑洞。
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0:07 - 0:09在明亮气体构成的背景下,
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0:09 - 0:11黑洞的巨大引力
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0:11 - 0:12将光线弯曲成环形。
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0:12 - 0:14但是,(电影中的)这一幕
并不是一张真正的照片, -
0:14 - 0:16而是电脑合成的效果——
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0:16 - 0:20它只是一个对于黑洞
可能样子的艺术表现。 -
0:20 - 0:21一百多年前,
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0:21 - 0:25阿尔伯特·爱因斯坦
第一次发表了广义相对论学说。 -
0:25 - 0:27在之后的数年里,
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0:27 - 0:30科学家们又对此提供了许多佐证。
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0:30 - 0:33但相对论中所预测的一点,黑洞,
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0:33 - 0:35却始终无法被直接观察到。
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0:35 - 0:38尽管我们大致知道一个黑洞
看起来应该是什么样, -
0:38 - 0:41却从未真正拍摄过它。
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0:41 - 0:45不过,这个现状可能很快就会改变。
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0:45 - 0:50在接下来几年内,我们或许就能
见到第一张黑洞的图片。 -
0:50 - 0:54这一重任会落在一个由
各国科学家组成的团队上, -
0:54 - 0:55同时需要一个
地球大小的天文望远镜, -
0:55 - 0:58以及一个可以让我们合成出
最终图片的算法。 -
0:58 - 1:02尽管今天我不能让你们
见到真正的黑洞图片, -
1:02 - 1:04我还是想让你们大致了解一下
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1:04 - 1:06得到第一张(黑洞)图片
所需要的努力。 -
1:07 - 1:09我叫凯蒂·伯曼,
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1:09 - 1:11是麻省理工学院的一名博士生。
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1:11 - 1:14我在计算机科学实验室中进行
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1:14 - 1:17让电脑解析图片和视频信息的研究。
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1:17 - 1:19尽管我并不是个天文学家,
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1:19 - 1:20今天我还是想向大家展示
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1:20 - 1:23我是怎样在这个项目中贡献
自己的一份力量的。 -
1:23 - 1:26如果你远离城市的灯光,
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1:26 - 1:28你可能有幸看到银河系
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1:28 - 1:30那令人震撼的美景。
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1:30 - 1:33而如果你可以穿过百万星辰,
将镜头放大到 -
1:33 - 1:362.6万光年以外的银河系中心,
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1:36 - 1:40我们就能抵达(银河系)中央的
一群恒星。 -
1:40 - 1:43天文学家们已经穿过星尘,使用红外望远镜
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1:43 - 1:47观察了这些恒星整整十六年。
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1:47 - 1:51但是天文学家们所看不到的东西
才是最为壮观的。 -
1:51 - 1:54这些恒星似乎是在围绕一个
隐形的物体旋转。 -
1:54 - 1:56通过观测这些星星的移动路径,
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1:56 - 1:57天文学家们得出结论,
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1:57 - 2:00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 -
2:00 - 2:03就是超级黑洞——
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2:03 - 2:07它的密度极大,高到它能吸进
周围所有东西, -
2:07 - 2:08甚至光。
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2:08 - 2:11那么,如果我们继续放大下去,
会发生什么? -
2:11 - 2:16是不是就可能看见一些,
理论上不可能看到的东西呢? -
2:17 - 2:20事实上,如果我们以
无线电波长放大, -
2:20 - 2:22我们会看到一圈光线,
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2:22 - 2:24是由围绕着黑洞的
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2:24 - 2:26等离子体引力透镜产生的。
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2:26 - 2:27换句话说,
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2:27 - 2:30这个黑洞,在背后明亮物质的衬托下,
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2:30 - 2:32留下一个圆形的暗影。
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2:32 - 2:36而它周围那明亮的光环
指示了黑洞边境的位置。 -
2:36 - 2:38在这里,引力作用变得无比巨大,
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2:38 - 2:40大到就连光线都无法逃离。
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2:40 - 2:42爱因斯坦用公式推测了
这个环的大小和形状, -
2:42 - 2:46所以,给光环拍照不仅很酷,
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2:46 - 2:48还能帮助我们检验这些公式在
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2:48 - 2:51黑洞周围的极端环境下是否成立。
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2:51 - 2:53不过,这个黑洞离我们太过遥远,
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2:53 - 2:57从地球上看,它非常,非常小——
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2:57 - 3:00大概就和月球上的一个橘子一样大。
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3:01 - 3:04这导致给它拍照变得无比艰难。
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3:05 - 3:06为什么呢?
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3:07 - 3:10一切都源于一个简单的等式。
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3:10 - 3:12由于衍射现象,
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3:12 - 3:13我们所能看到的
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3:13 - 3:16最小物体是有限制的。
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3:17 - 3:20这个等式指出,当想要看到的
东西越来越小时, -
3:20 - 3:23望远镜需要变得更大。
-
3:23 - 3:26但即使是地球上功能最强大的
光学望远镜, -
3:26 - 3:29其分辨率甚至不足以
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3:29 - 3:31让我们得到月球表面的图片。
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3:31 - 3:34事实上,这里是一张有史以来
从地球上拍摄的最高清的 -
3:34 - 3:36月球图片。
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3:36 - 3:38它包含约1.3万个像素,
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3:38 - 3:43而每一个像素里包含超过150万个橘子。
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3:43 - 3:45所以,我们需要多大的望远镜
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3:45 - 3:48才能看到月球表面的橘子,
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3:48 - 3:50以及,那个黑洞呢?
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3:50 - 3:52事实上,通过计算,
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3:52 - 3:55我们可以轻易得出所需的
望远镜的大小, -
3:55 - 3:56就和整个地球一样大。
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3:56 - 3:57(笑声)
-
3:57 - 3:59而如果我们能够建造出这个
地球大小的望远镜, -
3:59 - 4:02就能够分辨出那指示着视界线的
-
4:02 - 4:05独特的光环。
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4:05 - 4:07尽管在这张照片上,我们无法看到
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4:07 - 4:09电脑合成图上的那些细节,
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4:09 - 4:12它仍可以让我们对于
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4:12 - 4:14黑洞周围的环境有个大致的了解。
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4:14 - 4:16但是,正如你预料,
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4:16 - 4:20想建造一个地球大小的射电望远镜
是不可能的。 -
4:20 - 4:22不过,米克·贾格尔有一句名言:
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4:22 - 4:23“你不可能永远心想事成,
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4:23 - 4:25但如果你尝试了,说不定就
正好能找到 -
4:25 - 4:27你所需要的东西。”
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4:27 - 4:29通过将遍布全世界的望远镜
连接起来, -
4:29 - 4:33“视界线望远镜”,
一个国际合作项目,诞生了。 -
4:33 - 4:36这个项目通过电脑制作一个
地球大小的望远镜, -
4:36 - 4:38能够帮助我们找到
-
4:38 - 4:40黑洞视界线的结构。
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4:40 - 4:43这个由无数小望远镜构成的网络
将会在明年拍下它的 -
4:43 - 4:45第一张黑洞图片。
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4:45 - 4:48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。 -
4:48 - 4:51通过原子钟的准确时间相连,
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4:51 - 4:54各地的研究团队们通过收集
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4:54 - 4:57上万千兆字节的数据来定位光线。
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4:57 - 5:02接下来,这份数据会在
麻省的实验室进行处理。 -
5:02 - 5:04那么,这一项目到底是
怎么运作的呢? -
5:04 - 5:07大家是否记得,如果要看到
银河系中心的那个黑洞, -
5:07 - 5:10我们需要一个地球大小的望远镜?
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5:10 - 5:12现在,先假设我们可以
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5:12 - 5:14将这个望远镜建造出来。
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5:14 - 5:16这可能有点像是把地球变成
-
5:16 - 5:19一个巨大的球形迪斯科灯。
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5:19 - 5:21每一面镜子都会收集光线,
-
5:21 - 5:23然后,我们就可以将这些光线
组合成图片。 -
5:23 - 5:26但是,现在,假设我们将
大多数镜子移走, -
5:26 - 5:28只有几片留了下来。
-
5:28 - 5:31我们仍可以尝试将信息合成图片,
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5:31 - 5:33但现在,图片中有很多洞。
-
5:33 - 5:37这几片留下来的镜子就代表了
地球上的几处天文望远镜。 -
5:37 - 5:41这对于制成一张图片来说,
还远远不够。 -
5:41 - 5:45不过,尽管我们只在寥寥几处
地方收集光线, -
5:45 - 5:49每当地球旋转时,我们便可以
得到新的信息。 -
5:49 - 5:53换言之,当迪斯科球旋转时,
镜子会改变位置, -
5:53 - 5:56而我们就可以看到图片的各个部分。
-
5:56 - 6:00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, -
6:00 - 6:03从而建造出隐藏的黑洞图片。
-
6:03 - 6:05如果我们能在地球上每一处
都装上望远镜, -
6:05 - 6:07或者说能有整个迪斯科球,
-
6:07 - 6:09那么这个算法并不算重要。
-
6:09 - 6:12但现在我们只有少量的样本,
-
6:12 - 6:14所以,可能有无数张图像
-
6:14 - 6:17符合望远镜所测量到的信息。
-
6:17 - 6:21但并不是每一张图片都一样。
-
6:21 - 6:25有些图片,比其他一些
看起来更像我们想象中的图片。 -
6:25 - 6:28所以我在拍摄黑洞
这一项目中的任务是, -
6:28 - 6:31开发一种既可以找到最合理图像,
-
6:31 - 6:35又能使图像符合望远镜
所测量到的信息的算法。 -
6:35 - 6:39就像法医素描师通过有限的信息,
-
6:39 - 6:42结合自己对于人脸结构的认知
画出一张画像一样, -
6:42 - 6:46我正在开发的图片算法,
是使用望远镜提供的有限数据 -
6:46 - 6:50来生成一张看起来像是
宇宙里的东西的图片。 -
6:50 - 6:54通过这些算法,我们能从散乱
而充满干扰的数据中 -
6:54 - 6:56合成一张图片。
-
6:56 - 7:00这里是一个用模拟数据
进行重现的例子: -
7:00 - 7:02我们假设将望远镜指向
-
7:02 - 7:05银河系中心的黑洞。
-
7:05 - 7:09尽管这只是一个模拟,像这样的
重建工作给了我们 -
7:09 - 7:13真正给黑洞拍摄可行照片的希望,
-
7:13 - 7:16之后便可以决定其光环的大小。
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7:16 - 7:19虽然我很想继续描绘
这个算法的细节, -
7:19 - 7:21但你们很幸运,我没有这个时间。
-
7:21 - 7:24可我仍然想大概让你们了解一下
-
7:24 - 7:26我们是怎样定义宇宙的样子,
-
7:26 - 7:30以及是怎样以此来重建
和校验我们的结果的。 -
7:30 - 7:33由于有无数种可以完美解释
-
7:33 - 7:35望远镜测量结果的图片,
-
7:35 - 7:38我们需要找到一个方式进行挑选。
-
7:38 - 7:40我们会按照这些图片是
-
7:40 - 7:43真正黑洞图片的可能性进行排序,
-
7:43 - 7:45然后选出可能性最高的那一张。
-
7:45 - 7:47我这话到底是什么意思呢?
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7:48 - 7:50假设我们正在建立一个能够
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7:50 - 7:53指出一张图出现在脸书上的
可能性的模型。 -
7:53 - 7:55我们希望这个模型能指出
-
7:55 - 7:58不太可能有人会上传最左边的图像,
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7:58 - 8:00而像右边那样的自拍照
-
8:00 - 8:02画出一张图片一样,
-
8:02 - 8:04中间那张图有点模糊,
-
8:04 - 8:06所以它被发表的可能性
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8:06 - 8:07比左边的噪点图像大,
-
8:07 - 8:10但比右边自拍发表的可能性要小。
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8:10 - 8:13但是当模型的主角变成
黑洞的照片时, -
8:13 - 8:17一个难题出现了:我们从未
见过真正的黑洞。 -
8:17 - 8:19在这样的情况下,
什么样的图才更像黑洞, -
8:19 - 8:21而我们又该怎样假设黑洞的结构呢?
-
8:21 - 8:24我们或许能够使用模拟试验
得出的图片, -
8:24 - 8:27比如《星际穿越》里的那张黑洞图。
-
8:27 - 8:30但这样做可能会引起
一些严重的问题。 -
8:30 - 8:34如果爱因斯坦的理论是错的怎么办?
-
8:34 - 8:38我们仍然想要得到一张
准确而真实的图片。 -
8:38 - 8:41而如果我们在算法中掺入太多
爱因斯坦的公式, -
8:41 - 8:44最终只会看到我们所希望看到的。
-
8:44 - 8:46换句话说,我们想保留在银河系中心
-
8:46 - 8:49看到一头大象这样的可能性。
-
8:49 - 8:50(笑声)
-
8:50 - 8:53不同类型的照片拥有
完全不同的特征。 -
8:53 - 8:56我们可以轻松分辨出
一张黑洞模拟图 -
8:56 - 8:59和我们日常拍的照片的差别。
-
8:59 - 9:02我们需要在不过度提供某类图片
特征的情况下, -
9:02 - 9:05告诉我们的算法,一张正常的图片
应该是什么样。 -
9:06 - 9:08做到这一点的一种方法是,
-
9:08 - 9:11向算法展示拥有不同特征的图片,
-
9:11 - 9:15然后看看这些图片会怎样
影响重建的结果。 -
9:16 - 9:19如果不同类型的图片都产生出了
差不多的图像, -
9:19 - 9:21那么我们便可以更有信心了,
-
9:21 - 9:25我们对图片的假设并没有
导致结果出现太大偏差。 -
9:25 - 9:28这就有点像让来自不同国家的
三个法医素描师 -
9:28 - 9:31根据同样的文字描述来作画。
-
9:31 - 9:34如果他们画出的脸都差不多,
-
9:34 - 9:36那么我们就能比较确信,
-
9:36 - 9:40他们各自的文化背景
并没有影响到他们的画。 -
9:40 - 9:43将不同图片的特征赋予
(算法)的一个方法 -
9:43 - 9:46就是使用现有的图片的碎片特征。
-
9:46 - 9:48所以,我们将大量的图像
-
9:48 - 9:51分解成无数小图片,
-
9:51 - 9:55然后像拼图一样处理这些小图片。
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9:55 - 10:00我们用其中常见的拼图碎片
来组合成一张 -
10:00 - 10:02符合望远镜所测量数据的完整图片。
-
10:03 - 10:07不同类型的图片拥有
完全不同的拼图碎片。 -
10:07 - 10:10所以,当我们使用相同的数据和
-
10:10 - 10:14截然不同的拼图类型来
重现图像时,会发生什么呢? -
10:14 - 10:19我们先从黑洞模拟类的拼图开始。
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10:19 - 10:20这张图看起来还比较合理。
-
10:20 - 10:23它比较符合我们预料中黑洞的样子。
-
10:23 - 10:24但我们得到这个结果
-
10:24 - 10:27是否仅仅是因为我们拿的是
黑洞模拟拼图呢? -
10:27 - 10:29我们再来试试另一组拼图,
-
10:29 - 10:32这组拼图由宇宙中不是黑洞的
各种天体构成。 -
10:33 - 10:35很好,我们得到了一幅相似的图片。
-
10:35 - 10:37那如果我们拿日常照片的拼图
会怎么样呢, -
10:37 - 10:40就像你每天拿自己的相机
拍的那种照片? -
10:41 - 10:43太好了,我们看到了和之前
一样的图像。 -
10:43 - 10:47当我们通过不同类型的拼图
得出一样的图片时, -
10:47 - 10:49我们就有充足的自信说
-
10:49 - 10:51我们对图片进行的推测,
-
10:51 - 10:54并没有引起最终结果的太大偏差。
-
10:54 - 10:57我们能做的另一件事是,
用同一组拼图, -
10:57 - 11:00比如源自日常图片的那一种,
-
11:00 - 11:03来得到不同类型的源图片。
-
11:03 - 11:05所以,在我们的模拟试验中,
-
11:05 - 11:08我们假设黑洞看起来像一个
非黑洞天体, -
11:08 - 11:12以及在银河系中心的一头大象。
-
11:12 - 11:15当下面一排算法算出的图片
-
11:15 - 11:17看起来和上面一排实际图片
十分相似时, -
11:17 - 11:21我们就能对我们的算法
有更多信心了。 -
11:21 - 11:23在这里我想强调,
-
11:23 - 11:25此处所有的图片都是由
-
11:25 - 11:28拼接日常照片而得出的,
-
11:28 - 11:30就像你自己用相机拍的照片一样。
-
11:30 - 11:33所以,一张我们从未见过的
黑洞的照片, -
11:33 - 11:37最终却可能由我们日常
熟悉的图片构成: -
11:37 - 11:40人,楼房,树,小猫,小狗……
-
11:40 - 11:43想象这样的想法使拍摄第一张
-
11:43 - 11:45黑洞的图片成为可能,
-
11:45 - 11:48同时使我们有望校验
-
11:48 - 11:50科学家们每天所依靠的著名理论。
-
11:50 - 11:53但是,要想让如此充满想象力的
点子实际工作, -
11:53 - 11:56离不开这些我有幸一同工作的
-
11:56 - 11:58出色的研究者团队。
-
11:58 - 11:59我仍然对此感到振奋:
-
11:59 - 12:03虽然在项目开始时我没有任何
天文学背景知识, -
12:03 - 12:05我们通过这一独特合作
所达成的成就, -
12:05 - 12:08可能导致世界上第一幅
黑洞照片的诞生。 -
12:08 - 12:11像视界线望远镜这样大项目的成功
-
12:11 - 12:14是由来自不同学科的人们
用他们各自的专业知识, -
12:14 - 12:15一起创造的结果。
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12:15 - 12:18我们是一个由天文学家,物理学家,
-
12:18 - 12:19数学家和工程学家构成的大熔炉。
-
12:19 - 12:22这就是我们能够很快达成
-
12:22 - 12:25一个看起来不可能达成的
成就的原因。 -
12:25 - 12:27在此我想鼓励你们所有人,走出去,
-
12:27 - 12:29推动科学的边际,
-
12:29 - 12:33尽管刚开始它看起来可能
和一个黑洞一样神秘。 -
12:33 - 12:34谢谢大家。
-
12:34 - 12:37(掌声)
- Title:
- 怎样拍摄一张黑洞的图片
- Speaker:
- 凯蒂·伯曼
- Description:
-
在银河系的中心,有一个靠吞噬高温气体为生的超级黑洞。它将一切接近它的东西吞噬殆尽——连光也不例外。我们看不见黑洞本身,但可以观察到黑洞表面视界线留下的投影,而一张黑洞影子的照片,可以帮助我们找到宇宙重要问题的答案。科学家们曾经认为,拍摄这样一张黑洞的照片需要地球大小的天文望远镜——直到凯蒂·伯曼和一支由天文学家组成的队伍想出了一个聪明的解决办法。
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 12:51
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