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超級黑洞。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——它只是一個對于黑洞可能樣子的藝術(shù)表現(xiàn)。
一百多年前，阿爾伯特·愛因斯坦第一次發(fā)表了廣義相對論學(xué)說。在之后的數(shù)年里，科學(xué)家們又對此提供了許多佐證。但相對論中所預(yù)測的一點，黑洞，卻始終無法被直接觀察到。盡管我們大致知道一個黑洞看起來應(yīng)該是什么樣，卻從未真正拍攝過它。不過，這個現(xiàn)狀可能很快就會改變。在接下來幾年內(nèi)，我們或許就能見到第一張黑洞的圖片。這一重任會落在一個由各國科學(xué)家組成的團(tuán)隊上，同時需要一個地球大小的天文望遠(yuǎn)鏡，以及一個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。而如果你可以穿過百萬星辰，將鏡頭放大到2.6萬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隱形的物體旋轉(zhuǎn)。通過觀測這些星星的移動路徑，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\動的唯一物體就是超級黑洞——它的密度極大，高到它能吸進(jìn)周圍所有東西，甚至光。
編者注：光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡無法直接觀察到黑洞。但它會周圍的空間產(chǎn)生強(qiáng)大的引力場。若然科學(xué)家看到某些天體環(huán)繞著一個隱形物體（或者空間區(qū)域）旋轉(zhuǎn)，那可以考慮這個區(qū)域有可能存在黑洞。
那么，如果我們繼續(xù)放大下去，會發(fā)生什么？是不是就可能看見一些，理論上不可能看到的東西呢？事實上，如果我們以無線電波長放大，我們會看到一圈光線，是由圍繞著黑洞的等離子體引力透鏡產(chǎn)生的。換句話說，這個黑洞，在背后明亮物質(zhì)的襯托下，留下一個圓形的暗影。而它周圍那明亮的光環(huán)指示了黑洞邊境的位置。在這里，引力作用變得無比巨大，大到就連光線都無法逃離。愛因斯坦用公式推測了這個環(huán)的大小和形狀，所以，給光環(huán)拍照不僅很酷，還能幫助我們檢驗這些公式在黑洞周圍的極端環(huán)境下是否成立。
不過，這個黑洞離我們太過遙遠(yuǎn)，從地球上看，它非常，非常小——大概就和月球上的一個橘子一樣大。這導(dǎo)致給它拍照變得無比艱難。
為什么呢？一切都源于一個簡單的等式。由于衍射現(xiàn)象，我們所能看到的最小物體是有限制的。這個等式指出，當(dāng)想要看到的東西越來越小時，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。事實上，這里是一張有史以來從地球上拍攝的最高清的月球圖片。它包含約1.3萬個像素，而每一個像素里包含超過150萬個橘子。
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，那個黑洞呢？事實上，通過計算，我們可以輕易得出所需的望遠(yuǎn)鏡的大小，就和整個地球一樣大。
而如果我們能夠建造出這個地球大小的望遠(yuǎn)鏡，就能夠分辨出那指示著視界線的獨特的光環(huán)。盡管在這張照片上，我們無法看到電腦合成圖上的那些細(xì)節(jié)，它仍可以讓我們對于黑洞周圍的環(huán)境有個大致的了解。
但是，正如你預(yù)料，想建造一個地球大小的射電望遠(yuǎn)鏡是不可能的。不過，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，說不定就正好能找到你所需要的東西?！蓖ㄟ^將遍布全世界的望遠(yuǎn)鏡連接起來，“視界線望遠(yuǎn)鏡”，一個國際合作項目，誕生了。
編者注：全球多個望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合對目標(biāo)天體（黑洞）同時觀測采集數(shù)據(jù)。
這個項目通過電腦制作一個地球大小的望遠(yuǎn)鏡，能夠幫助我們找到黑洞視界線的結(jié)構(gòu)。這個由無數(shù)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)將會在明年拍下它的第一張黑洞圖片。在這個網(wǎng)絡(luò)中，每一個望遠(yuǎn)鏡都與其他所有望遠(yuǎn)鏡一同工作。通過原子鐘的準(zhǔn)確時間相連，各地的研究團(tuán)隊們通過收集上萬千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)來定位光線。接下來，這份數(shù)據(jù)會在麻省的實驗室進(jìn)行處理。
那么，這一項目到底是怎么運作的呢？大家是否記得，如果要看到銀河系中心的那個黑洞，我們需要一個地球大小的望遠(yuǎn)鏡？現(xiàn)在，先假設(shè)我們可以將這個望遠(yuǎn)鏡建造出來。這可能有點像是把地球變成一個巨大的球形迪斯科燈。每一面鏡子都會收集光線，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。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。這幾片留下來的鏡子就代表了地球上的幾處天文望遠(yuǎn)鏡。
這對于制成一張圖片來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。不過，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，我們便可以得到新的信息。換言之，當(dāng)?shù)纤箍魄蛐D(zhuǎn)時，鏡子會改變位置，而我們就可以看到圖片的各個部分。我們開發(fā)的生成圖片的算法可以將迪斯科球上的空缺部分填滿，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，或者說能有整個迪斯科球，那么這個算法并不算重要。
但現(xiàn)在我們只有少量的樣本，所以，可能有無數(shù)張圖像符合望遠(yuǎn)鏡所測量到的信息。但并不是每一張圖片都一樣。有些圖片，比其他一些看起來更像我們想象中的圖片。所以我在拍攝黑洞這一項目中的任務(wù)是，開發(fā)一種既可以找到最合理圖像，又能使圖像符合望遠(yuǎn)鏡所測量到的信息的算法。
就像法醫(yī)素描師通過有限的信息，結(jié)合自己對于人臉結(jié)構(gòu)的認(rèn)知畫出一張畫像一樣，我正在開發(fā)的圖片算法，是使用望遠(yuǎn)鏡提供的有限數(shù)據(jù)來生成一張看起來像是宇宙里的東西的圖片。通過這些算法，我們能從散亂而充滿干擾的數(shù)據(jù)中合成一張圖片。這里是一個用模擬數(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)描繪這個算法的細(xì)節(jié)，但你們很幸運，我沒有這個時間。
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，以及是怎樣以此來重建和校驗我們的結(jié)果的。由于有無數(shù)種可以完美解釋望遠(yuǎn)鏡測量結(jié)果的圖片，我們需要找到一個方式進(jìn)行挑選。我們會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)我們正在建立一個能夠指出一張圖出現(xiàn)在臉書上的可能性的模型。我們希望這個模型能指出不太可能有人會上傳最左邊的圖像，而像右邊那樣的自拍照畫出一張圖片一樣，中間那張圖有點模糊，所以它被發(fā)表的可能性比左邊的噪點圖像大，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，一個難題出現(xiàn)了：我們從未見過真正的黑洞。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。但這樣做可能會引起一些嚴(yán)重的問題。如果愛因斯坦的理論是錯的怎么辦？我們?nèi)匀幌胍玫揭粡垳?zhǔn)確而真實的圖片。而如果我們在算法中摻入太多愛因斯坦的公式，最終只會看到我們所希望看到的。換句話說，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。我們需要在不過度提供某類圖片特征的情況下，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怎樣影響重建的結(jié)果。如果不同類型的圖片都產(chǎn)生出了差不多的圖像，那么我們便可以更有信心了，我們對圖片的假設(shè)并沒有導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)太大偏差。
這就有點像讓來自不同國家的三個法醫(yī)素描師根據(jù)同樣的文字描述來作畫。如果他們畫出的臉都差不多，那么我們就能比較確信，他們各自的文化背景并沒有影響到他們的畫。將不同圖片的特征賦予（算法）的一個方法就是使用現(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。我們用其中常見的拼圖碎片來組合成一張符合望遠(yuǎn)鏡所測量數(shù)據(jù)的完整圖片。
不同類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型來重現(xiàn)圖像時，會發(fā)生什么呢？我們先從黑洞模擬類的拼圖開始。這張圖看起來還比較合理。它比較符合我們預(yù)料中黑洞的樣子。但我們得到這個結(jié)果是否僅僅是因為我們拿的是黑洞模擬拼圖呢？我們再來試試另一組拼圖，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)我們通過不同類型的拼圖得出一樣的圖片時，我們就有充足的自信說我們對圖片進(jìn)行的推測，并沒有引起最終結(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，來得到不同類型的源圖片。所以，在我們的模擬試驗中，我們假設(shè)黑洞看起來像一個非黑洞天體，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和上面一排實際圖片十分相似時，我們就能對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，一張我們從未見過的黑洞的照片，最終卻可能由我們?nèi)粘Ｊ煜さ膱D片構(gòu)成：人，樓房，樹，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，同時使我們有望校驗科學(xué)家們每天所依靠的著名理論。
編者注：通過把全球多個（射電）望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把圖像拼合起來。
但是，要想讓如此充滿想象力的點子實際工作，離不開這些我有幸一同工作的出色的研究者團(tuán)隊。我仍然對此感到振奮：雖然在項目開始時我沒有任何天文學(xué)背景知識，我們通過這一獨特合作所達(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)鏡這樣大項目的成功是由來自不同學(xué)科的人們用他們各自的專業(yè)知識，一起創(chuàng)造的結(jié)果。我們是一個由天文學(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)成一個看起來不可能達(dá)成的成就的原因。
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