唐尚明:黑洞,我要超越时空见到你论文

唐尚明:黑洞,我要超越时空见到你论文

本文主人公及“黑洞”照片

北京时间2019年4月10日晚上9点,人类历史上第一张黑洞照片横空出世。

陈桥驿著《水经注研究》(天津古籍出版社,1985年)一书,收集了他的系列论文:《〈水经注〉与地名学》《〈水经注〉记载的同国异名》《〈水经注〉记载的一地多名》《〈水经注〉记载的异地同名》《〈水经注〉记载中的有地无名》 《〈水经注〉地名错误举例》;

这张照片震撼了全世界。随着这张照片的公布,90后小姐姐凯蒂·布曼的名字和她青春靓丽的笑脸被推特、脸书和全球新闻网站疯传,刷爆了中国网友的朋友圈。是她开发了一种关键算法,也是她带领算法团队历时两年,处理了由两百多名科研人员历时十余年、从四大洲8个观测点“捕获”到的重达半吨的硬盘数据,“洗”出了这张照片。

与阳光下的影子有一个时空差

凯蒂·布曼从小生活在一个知识分子家庭,父亲是普渡大学的工程学教授。受父亲的影响,她从小就对科学有着浓厚的兴趣。

小凯蒂最喜欢玩的,是和爸爸妈妈一起在阳光下追影子的游戏。可不管是空手徒步追赶,还是挥舞棍子骑车追赶,小凯蒂总是追不上。爸爸面对气喘吁吁的凯蒂说:“凯蒂,你瞧,不管你跑得有多快,你和阳光下的影子总有一个时空差,你怎样才能赶上这个时空差呢,能不能想想办法?”凯蒂停止了追赶,大眼睛一眨一眨的。忽然她掏出了身上的小镜子,然后利用太阳的反光开始追影子,这下该轮到爸爸妈妈气喘吁吁了,凯蒂却站在原地转动着小镜子,乐得哈哈大笑。

不仅太空情况复杂,而且地球有厚重的大气层,无线电波穿过大气层的时候,速度也会变慢,于是各条电波便有了时空差,时空的测定也就不够准确了。重建黑洞照片,最重要的就是消除这个时空差。凯蒂团队被这个问题困扰着,她又想起了和爸爸在太浩湖边抛石子玩的场景,她想:“像三颗石子激起的三圈涟漪相碰撞一样,如果每一个测量值,都是三台望远镜(而不是两台)相乘的结果,大气带来的误差不就能相互抵消吗?”

“爸爸,光跑得这么快,那没有什么能捕捉到它了吧?”凯蒂的问题立马就来。

2007年,也就是凯蒂上高中的时候,她首次听说了视界望远镜,听说了地平线望远镜计划(EHT)小组,这个国际研究小组利用一个“虚拟如地球一般大的望远镜”对室女座一个名为M87的黑洞进行探测。于是,她申请加入了普渡大学的计算机成像研究,正式开始了她探索黑洞的科学之旅。

“哦,不!凯蒂,宇宙中还有一种天体,叫黑洞,黑洞就是光的克星。”

“黑洞,什么是黑洞?”凯蒂好奇地问。

用料:新的浓缩橙汁、白砂糖各150 g,榄角、吉士粉各30 g,君度酒、李锦记叉烧酱各50 g,白醋250 g。

Can Dory find her family? You can find the answer in the movie Finding Dory.

“黑洞是恒星在核聚变光能耗尽后,发生坍缩而形成的。黑洞的引力极大,连宇宙中速度最快的光都无法逃脱。”

连光都无法逃脱的黑洞到底是什么样的呢?凯蒂真的很想看一看。于是,一颗梦想的种子便植入了小凯蒂幼小心灵的深处。

同宇宙黑洞打了一个时空差

截至2017年底,我国已有超过8万多家高新技术民企,产值超亿元的有1500多家[2],并且部分企业在新材料、电子、信息等众多领域技术水平和研发能力均达到或超过了军工标准,而目前能够参与装备科研生产的尚不足1%。进入军品科研生产市场的民营企业普遍经营规模较小,主要从事机械产品和低级别元器件制造,科技含量不高。

《会稽志》嵊县条下又记:“丹池山在县东七十二里。旧桐柏山,唐天宝六载改为丹池。……南岳真人云:‘越有桐柏、金庭,与四明、天台相连,神仙之宫也。’《真诰》曰:‘桐柏山,高一万五千丈,周回八百里,四面视之如一。其一头在会稽东海际,其一头入海中,是金庭不死之乡……树则苏纡珠碧,泉则石髓金精。其山台尽五色金也。经丹水而行,有洞天从中过,在剡、临海二县之境。”[2]1828

去年6月的一天,数据处理进入决战阶段。因为失败过太多次了,大家也没怎么抱希望。凯蒂以为,可能跟以往一样,会在屏幕上看到一个黑斑。

临近毕业的一天,凯蒂身背相机陪全家人在太浩湖游玩,父亲随手捡起身边的一颗石子抛向湖里,平静的湖面顿时荡起了一圈圈美丽的涟漪,凯蒂对着湖面按下了快门。父亲开玩笑说:“拍下我们能看得见的涟漪不算本事,要是你能把那已经入水看不见的石子的模样拍出来就了不起了。”

“是吗?”凯蒂正在考虑撰写毕业论文,父亲的话引起了她的思考。她想:石子已经入水了,能否利用我们尚能看见的涟漪来重构石子的模样呢?于是,凯蒂利用自己学到的计算机成像知识,开始做起了研究,并成功地撰写了论文《动态观察评估物体的材料性状》。这篇论文获得了恩斯特·吉尔明奖,论文中提出的根据动态数据重构成像的CHIRP算法,引起了美国天文学界的注意。因为不同的天文望远镜收到的两股无线电波相遇,就起了涟漪,学名叫做“干涉”,而根据凯蒂提出的理论就可以依靠“干涉”来重建黑洞身影。

算法有了,但足有半吨重的硬盘数据处理起来,工程量还是太大了,凯蒂跟其他三名研究人员在逼仄的办公室里,夜以继日地工作了一年多。这个房间里的所有工作内容都是严格保密的,烦恼和压力不能向任何人倾诉,日复一日地敲键盘、写代码,枯燥、单调而又希望渺茫……

爸爸停下来说:“凯蒂,我们投降,光每秒钟能跑三十万公里,我们怎能跑得过它呢!”

凯蒂毕业后进入哈佛大学攻读博士后,也正式加入到地平线望远镜计划(EHT)团队,开始利用分布在全球各地的射电望远镜收集到的海量天文数据,来揭开黑洞神秘的面纱。但硬盘里的数据不仅仅是黑洞,还包含天空中各种复杂、凌乱的数据。

高中毕业后,她考入密歇根大学学习电气工程,并以最高荣誉身份毕业。之后她进入麻省理工学院,并相继攻读电气工程硕士与博士学位。

一行行代码在电脑上快速滚动着,凯蒂紧盯着计算机屏幕,按下“go”键,突然,一张清晰的黑洞照片出现在她的面前,她情不自禁地叫出声来:“真是难以置信!我们与黑洞打赢了这场时空差!”

这位年轻美丽的女科学家,这位算法团队的组织领导者,激动地十指交叉捂住自己的嘴巴。她是那样兴奋,旁边的同事被深深感染了,情不自禁地将这一刻抓拍定格。

2.2.2 乙醇体积分数 随乙醇体积分数增加,艾渣总黄酮提取率呈先升后降趋势。当乙醇体积分数从65%增至75%时,总黄酮提取率变化不明显;当乙醇体积分数为75%时提取率最高,为3.33%;之后提取率明显下降。原因可能是随乙醇体积分数的增大,一些醇溶性杂质溶出过多影响黄酮浸出量,从而导致总黄酮提取率降低。因此,乙醇体积分数选择75%为最佳。

和成功永远有一个时空差

喜讯正式公布后,凯蒂才在自己的推特上贴出了这张实验室工作照,旁边的电脑屏幕上,呈现的正是那张环绕着橘色光亮的黑洞照片。

以上海某轨道交通车辆段改扩建工程为例,该工程需要对车辆段和正线车站的既有信号系统进行改造升级。改造内容包括道岔、信号机、计算机联锁、微机监测、ATP/ATO(列车自动保护/列车自动运行)、ATS(列车自动监控)等室内外设备的迁改和扩容。改造要求在列车不停运的前提下进行工程施工,并完成新旧系统的过渡,既要确保行车运营安全,又要保证工程项目的顺利实施,因此对该项目进行了信号系统预评价。

全世界的目光立即聚焦,聚焦在那一幅之前被认为是看不见的黑洞照片上,凯蒂也以光一般的速度迅速走红。凯蒂的算法让全球人民得以一窥黑洞的真实面目,该图像在极端环境下进一步验证了爱因斯坦的广义相对论,这是世界天文学史上的一大奇迹,也是本世纪最重大的科学突破。

美国第一女儿伊万卡·特朗普分享了凯蒂的成就,她说:“今天,全世界第一次看到了黑洞的图像,这是科学家凯蒂·布曼创造的惊人成就。恭喜!”著名演员索菲亚·布什在推特上写道:“凯蒂·布曼,这一定会是一个家喻户晓的名字。让我们为STEM领域的女性欢呼吧!”

各大新闻媒体记者都要求采访这位年轻的90后科学家,但都被凯蒂一一谢绝了。她在脸书的一篇帖子中说:“这幅图像不是由一个算法或一个人完成的,它需要来自世界各地的科学家团队的惊人才能和多年的艰苦工作。仪器开发、数据处理、成像方法和技术分析,这些都是完成这一看似不可能的壮举所必需的。我只是很幸运,能有机会与我们团队所有人一起工作。”

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