问世间,“美”为何物,竟让这位科学家用30年去探寻

本文为2018年10月21日“我是科学家“特别专场「借你一双“慧眼”,去看宇宙之美」 | 张双南 演讲实录:

作为“慧眼”天文卫星首席科学家,张双南除了研究黑洞、中子星这些奇异的天体,也饶有兴趣地研究美学。他对美的研究比研制卫星的历史还要长。发现美有什么判断条件吗?张双南用六个字来总结:“没缺陷”“不常见”。今天,张双南将要给大家展示“慧眼”卫星的科学之美以及它如何给我们带来宇宙之美。本文根据有意思博物馆演讲剧场——我是科学家特别专场「借你一双“慧眼”,去看宇宙之美」现场演讲整理。

大家好,非常高兴今天有机会跟大家交流。随着刚才的合唱,我们团队的成员已经把“慧眼”卫星激动人心的时刻展示给大家了,今天我还要给大家展示“慧眼”卫星如何给我们带来宇宙之美。

中科院高能物理所的年轻科学家们表演的合唱《慧眼星愿》

我从艺术、科幻和科学讲起。

什么是艺术?大家平常都说艺术来源于生活高于生活。简单地讲,艺术是对生活的审美创造。

什么是科幻?科幻来源于科技,但是又高于科技,所以我把科幻叫做对科技的审美创造。

科学来源于自然,是我们对自然的观察,但是高于自然——我们从自然里面总结、发现科学规律,科学是对自然的审美发现。

这里有共同的两个字叫做:审美。什么是审美?怎么审美?我们先从这个问题谈起,讲讲我们的“慧眼”卫星是怎么给大家带来宇宙之美。

我们先看看怎么审美。

人工智能非常火,有一家公司造了一个人工智能,让它们取代评委进行选美。具体怎么做的呢?如果你想成为女神或者男神,就把你觉得最好的照片寄给它,人工智读取这些照片之后选出来它认为的男神和女神。

这是它选出来18到29岁年龄段的男神女神,大家都知道这个年龄段是最美的时候。从结果看人工智能显然不会审美,至少不像我们大部分正常人的审美。

那到底怎么审美?

有一篇科学研究论文,叫做‘基于大脑的审美理论’(Toward A Brain-Based Theory of Beauty),研究我们大脑的审美判断。这篇论文被引用134次,被阅读5万余次,属于非常高引用的论文,影响力很大。

这篇论文研究的是艺术、音乐和景观的审美有什么共性,这是我们生活中经常出现的几种审美——刚才的合唱给大家带来的是艺术的审美,我的口琴演奏给大家带来的是音乐的审美,秋天来了,我们会看到美丽的秋色,是景观审美。

这些审美有什么共性吗?在我们大脑里面产生什么样的情况呢?

演讲嘉宾张双南:《借你一双‘慧眼’,去看宇宙之美》

他们研究的结果是:不管哪一类的审美,都和我们大脑里面一个叫做“情绪大脑”的地方非常有关系。做脑科学研究的人早就知道“情绪大脑”了:它负责快乐和奖赏,大家笑得很开心的时候,你大脑里面这个地方就活动起来。他们研究的结果是,用眼睛看到的视觉美和用耳朵听到的听觉美,都会在大脑里的同一个地方发生反应。

还有一篇论文也非常重要,由神经科学家、物理学家、数学家一起写的交叉学科论文。这里强调一下,其中的数学家是菲尔兹奖获得者,是在世的最有影响的数学家。这几个科学家研究了另外一类的审美,我们把它叫做“通过理智或者理性的一种审美”—-对科学的审美。他们发表的这篇论文,阅读引用和社会关注度更高。非常著名的数学家阿提亚自己说:他发表的所有论文,包括他的数学论文中,这是阅读量最大的一篇论文。

在这篇论文里面,他们研究的是在数学家眼中哪个方程是最美或者最丑的。他们选取了伦敦地区的几十位数学家,对60个数学方程进行美或者丑的排序。

这张图是数学家们眼中公式的“颜值”分布。中间的部分是比较平庸的,不美也不丑;最左边的和最右边分别是最丑和最美的。他们首先得到一个结论:极美和极丑的数学方程很少。

他们又在这些数学家们审美的时候,同时扫描他们大脑里面的活动,发现就在视觉美和音乐美活动的那个区域发生了活动——仍然是“情绪大脑”在活动。

视觉、听觉和数学美的活动区域都是“情绪大脑”。因此他们的结论是:第一,审美是情感的活动,没有情感不会带来审美;第二,这个区域负责快乐和奖赏,美感给我们带来快乐是奖赏;第三,极美和极丑的比例都非常低,中庸的比例比较高。

这些研究都支持一个很可能的结论:我们大脑做审美判断的时候,判断的条件存在而且唯一。否则不会几类完全不同的审美最后导致大脑同一区域产生活动。

但是他们没有告诉我们这个条件到底是什么。我们用标准的三段式的科学方法来进行研究,首先要进行归纳,把各种视觉美、听觉美、科学美放在一起总结共性。总结好的话,就有可能得到了大脑做审美判断的条件。如果你认为这个条件是对的,就进一步开展科学的实证,科学很重要的一点就是要实证。

实证包括两个方面:证实和证伪。

第一步是证实,找更多你认为美的例子,逐一检验是不是符合你前面归纳总结出来的条件,如果发现有一些例子不满足的话,说明这个条件还不是很完善,你要回去修改这个条件。

第二步是证伪,是要找出不符合美的条件。你前面找了大脑审美判断的时候需要的条件,然后找不符合判断条件的审美对象,逐一检验它是不是美。不符合条件如果你觉得仍然美,就说明这个条件并不合适,要修改。经过很长时间的修改之后——比如说我,做了30来年这件事情——就有可能发现我们大脑对美的判断条件。

我发现了两个条件,用六个字来总结:“没缺陷”“不常见”。我需要做一下解释,什么叫做“没缺陷”“不常见”。

“没缺陷”是用“你的”价值观来判断的,和别人没有关系。什么叫做“没缺陷”?通常用来表达的有可能是实用的事情,但是更多的是精神层面的。比如我说这个剧场是“没缺陷”的剧场,为什么呢?满足我演讲的条件,大家坐在里面听得也挺好。但是这个剧场美不美是另外一回事,我们还不知道。精神方面经常讲的是某件事情很自然、很合理、很完整、很真、甚至很善良,符合我们价值观,我们就说是“没缺陷”。

“不常见”是由于“你”个人的经历导致的“你”个人的见识所决定的。如果这个审美对象或者这个审美对象的某个特质对你来讲是“不常见”,就满足了“你的”审美判断的第二个条件。我们日常用什么样的语言来表达“不常见”?通常我们用别样、不一样、特别、出色、出众、清新、不俗、个性等等,“洋气”对中国人来讲是特别重要的一个“不常见”。和这个相反的是什么?是“常见”:土气、市侩、平常、山寨等等。

很显然,我们能够举出所有我们认为“美”的例子都符合“没缺陷”“不常见”,这是“证实”。但是我刚才讲了,科学研究很重要的一步要做“证伪”,也就是举反例,问有没有不符合这个条件的情况出现,也就是有不符合“没缺陷”“不常见”的美吗?

相信当我说“没缺陷”作为美的判断标准的时候,在座的很多人尤其是学过艺术的都会想到,美学理论很重要的研究对象就是“断臂维纳斯”,“断臂维纳斯”被称为“残缺美”的代表作。“残缺”就有缺陷呀,所以大家都觉得缺陷会带来美。

真的是这样吗?

“断臂维纳斯”真的给我们带来“缺陷之美”吗?并没有。它是雕塑,雕塑没有实用功能,雕塑的断臂不是缺陷,哪个女孩子为了追求更美去断臂的?艺术家没有人干这个事儿,普通人也没有干这个事,在人类历史上就从来没有发生过一次为了追求美而故意断掉一只手臂的。所以,雕塑的断臂是因为雕塑没有实用功能,并不是缺陷。

有人说距离产生美。距离的确产生美,我有时候把眼镜摘下来看到周围都是美女。为什么距离产生美,因为距离掩盖了缺陷。我进来之前化妆师坚持要给我化妆,哪怕稍微化一点也要化,为什么呢?她要把我的缺陷给掩盖住。

有人说有爱就有美。中国人都知道“情人眼里出西施”这句话,我经常在朋友圈里面看到年轻的父母们晒孩子的照片,长牙了站起来了会笑了,谁家的孩子不长牙谁家的孩子不站起来谁家的孩子不会笑?但是在你的眼里,你的孩子所发生的每一件事情都是极端“不常见”,因为你爱你的孩子,你会发现他的“不常见”。你的孩子很调皮,到人家家里搞得鸡飞狗跳,朋友烦的不得了,你却很开心:我孩子调皮是因为聪明。你的爱就会使你忽略他的缺陷,这是原因。

为什么“没缺陷”“不常见”会带来美感?因为审美是以自我为中心的感性行为,“没缺陷”符合我的价值观,符合我的价值观就是对我的奖赏,“不常见”又体现自我优越感,自我优越感给我带来快乐。我常常见到朋友圈里大家发很多照片,都是这两个原因。奖赏和快乐使我们大脑里面“情绪大脑”这部分活跃起来,给我们带来美感。这就很容易理解发朋友圈的行为了。

我也一样,到各个地方旅游的时候会拍照片发朋友圈,特别希望朋友说照片很美。晒照片的目的是什么?是得瑟,不是分享。我问过曾经到过喜马拉雅山顶的一些朋友:你到山顶最想干的是什么?他说我最想拍一张照片发朋友圈,可惜没信号。白乎乎的一片,有啥美的?啥也看不见,不就是得瑟吗?得瑟我到了那个地方你没去,自我优越感。

刚才讲了“没缺陷”“不常见”就是美,这是审美两个要素的一种组合。但我们大脑还会做各种其他判断:审美对象“没缺陷”,但是“很常见”,这就是俗;如果有一点缺陷,但是这个缺陷也很常见,这就是丑;如果有缺陷,但这个缺陷很“不常见”,那你第一次看到这个缺陷的时候,你会被“丑哭”,因为太可怕了;如果完全没有缺陷完全不常见,那你会有美哭的感觉。当你第一次看到这样“美哭”的事物时,可能你也会用“美爆”“美炸”等等,反正就是美的不得了的东西。“不得了”体现在哪?体现在你第一次看到。

我们可以看到大脑审美的这两个要素的各种组合,就告诉我们平时所做出的各种审美的判断:美、俗、丑、丑哭和美哭。

2017年的诺贝尔物理学奖授予了对激光干涉引力波天文台和发现引力波作出了决定性贡献的三位物理学家,这三位物理学家是韦斯、索恩和巴里什。

索恩这个人很有意思,前一段时间有一个电影《星际穿越》非常火爆,他就是这个电影的科学顾问。我一开始讲科幻就是对科技的“审美创造”,这里我要讲一点《星际穿越》这个电影,让大家看看“审美创造”在这个电影里怎么实现的。

这是这部电影里面我特别喜欢用的一幅照片。这是一个什么场景呢?父女深情相拥仰望太空,他们在想什么?看看身后荒凉的情况,人类对地球已经折腾成这样子了,人类是否永远在地球上生存下去?如果不能的话,茫茫的宇宙当中有没有我们人类新的家园?这个思考促使父亲做了“星际穿越”,到了黑洞里面去,最终拯救了人类。这一切都是从这个照片开始的。

旁边两张照片分别是父亲要出发的时候与女儿告别的场景,以及父亲完成任务回到地球之后找到他女儿的情景。由于穿越的原因,他仍然很年轻。但是女儿已经比他老得多了,他们再一次深情相拥。电影里父女之爱的情怀让我潸然泪下,我特别喜欢讲电影里这个地方,世界上所有的父女之爱都是这样的。

电影另外一个主题是关乎人类的未来——地球已经不适于人类继续生存下去了,要找人类未来的家园。这个主题让我心潮澎湃。

作为美国的大片,英雄救美是少不了的:教授布兰德让他的女儿到黑洞里面去获得黑洞的量子数据并传递给地面上的科学家父亲,父亲就可以把这个理论搞对从而拯救人类了。在所有的美国大片里面,当女一号遇到危险的时候,男一号必须要挺身而出。所以当女一号女布兰德准备到黑洞里面去的时候,男一号库珀一把把她推开,自己一头扎到黑洞里面去了。英雄救美的情节让爱穿越时空,他到黑洞里面去了,他们的爱仍然在宇宙当中回响。我们知道电影的最后一个场景是男一号再一次出发去找女一号。

这个电影还有一个更重要的情怀—-科学的情怀。电影最主要的场景是穿越了黑洞视界之后,在黑洞的中心获得量子数据。为什么冒着这么大的危险还要到黑洞中心去获得量子数据?因为科学在黑洞中心是崩溃的。为什么崩溃呢?我们今天最好的科学理论是相对论和量子力学,尤其是广义相对论和量子力学,在黑洞中心,统统失效。这个地方密度无穷大、引力无穷大,所有的物理量都是无穷大,现有的科学理论不能使用。但是要想拯救人类,让人类离开地球到另外一个地方去,必须要有办法操纵引力,而要实现操纵引力,就必须把量子力学和广义相对论统一,这就必须要获得那个地方的数据,再和科学理论去对比,才能发现正确的科学理论。

电影里面男一号在快要到黑洞中心的时候掉入了一个五维时空,在五维时空里把他和仍然在地球上等待父亲回来的女儿进行通讯,用引力波的形式把黑洞里获取的数据传递到地球上,让女儿可以探寻最终统一引力和量子理论的最终的理论,这样就可以操纵引力,实现人类大转移。

《星际穿越》里的这个科学情怀让我“量子纠缠”。

《星际穿越》的审美创造到底是怎么做到的?

首先一个原则就是科学顾问索恩教授和电影的导演之间做了一个约定,约定电影的任何内容都不能违反物理学规律和我们对宇宙的知识。因为我们在认识物理学和宇宙方面有了很大的进步,这就确保了电影在科学上面是严谨的。当然,我们还有很多物理规律和宇宙的知识不理解,不理解可以发挥,但是发挥必须来自真正的科学,不能随便乱编。这就给艺术创造留下了合理的空间,既确保了电影的科学严谨又给艺术创造留下来空间,这是这个电影的审美创造原则。

演讲嘉宾张双南:《借你一双‘慧眼’,去看宇宙之美》

回到大脑审美的两个要素,第一个要素是“没缺陷”,《星际穿越》在哪个方面是“没缺陷”的?

第一它传递的是正科学。黑洞、虫洞、五维时空、引力波、量子引力、终极科学理论、潮汐力、相对时间等等,是正确的科学理论,或者是科学正在探索的部分,虽然不知道它是正确还是错误,但是基于坚实的科学传递的正科学,不是胡编的东西。

第二传递的是正能量。是什么正能量?关于人类的命运、关于父女之爱、关于英雄救美、英雄不死、大团圆、人类最终成功星际移民,传递的是正能量。

正科学和正能量就是《星际穿越》的“没缺陷”。

《星际穿越》还有“不常见”。它的“不常见”体现在各种悬念和包袱,悬念从一开始就有,包袱从一开始就有,甚至电影结束了,有些包袱已经抖出来了,我们还没有理解。这就是为什么从2014年后一两年,我到处去解读《星际穿越》——它给你设了很多悬念、很多包袱,这些都是它的“不常见”,包括父女经历的各种怪事,如何去黑洞如何从黑洞逃出来如何隔空传递信息,在五维时空里面信息到底怎么传到地球上来的——很多悬念和很多包袱。

另外,电影里有很多黑科技对我们来讲也是“很不常见”的,比如说利用虫洞发现引力波,利用虫洞进行穿越,非常高的巨浪,用引力波传递信息,还有漂亮的不得了的绚丽的黑洞等等。各种黑科技给我们带来了“不常见”的体验。这部电影非常的成功,是科幻电影审美创造的典范,它在科学和人文情怀做到了极致,做到极致当然就是“不常见”。

它最终给我们带来的是“完全没缺陷”“极端不常见”的审美体验,可以说这个电影是一个美哭的电影。这就是为什么这部电影创造了当时全球票房的第一,能够跨越文化跨越地域,在哪里都得到非常高的赞美。

在电影当中是怎么“发现”的引力波?他们听到了引力波的信号,在天文观测设备上发现时空发生了畸变。他们发现48年前出现了一个虫洞,引力波的信号通过那个虫洞传递过来,引力波就是时空的畸变,通过虫洞发现了引力波。穿过这个虫洞,电影上面飞船瞬时可以到达遥远的黑洞,瞬时回来,实现穿越。这就是为什么男一号回来之后还很年轻,地球上的人们已经非常老了,他女儿已经老得在病房里面了。然而现实里,天文学家还没有发现虫洞,所以科学研究不能依靠科幻。

索恩2017年获得诺贝尔物理学奖,他到底是怎么探测到引力波的?给大家做一个简单的介绍。

科学家们用的是激光干涉引力波天文台,简称LIGO,来探测引力波。这个探测器是在沙漠的两条四公里长的管道,当引力波到达的时候,两个真空管道一个变长一个变短,如果探测到了这个变化就探测到了引力波。在真空管道里面,激光来回地反射,用激光测距。激光测距是今天人类常用的一个测距手段,原理上并不复杂。

索恩从80年代就开始带领团队做引力波的探测,直到2017年才获得诺贝尔奖,他们用了30多年的时间才终于实现了引力波探测,原因就在于需要建造一个地球上有史以来最精密的距离测量仪器。

当1916年爱因斯坦预言引力波应该存在的时候,爱因斯坦同时说:人类永远也不可能探测到引力波,因为要探测引力波需要仪器的精密程度,人类永远也不能做到的。不是说今年做不到50年做不到100年做不到,爱因斯坦说永远也做不到。但是这批天文学家们表示不服,坚决不信这个邪。他们坚持做了几十年,做成了地球上最精密的仪器,可以测量到极小的距离的变化。

我刚才给大家讲引力波到达时LIGO的两个管道一个变长一个变短,到底变了多少?变了米。我们头发丝是米,比头发丝小1万倍是原子的大小,比原子再小10万倍是原子核的大小,比原子核再小1000倍,才是米。他们要的是米,要探测的是比原子核还小1000倍的这么点距离的变化。

这个团队花了几十年的时间,一千名科学家用了美国科学基金会历史上最大的一笔钱,建造了这个探测器,终于达到了这个精度。2016年2月11日,团队当时的负责人(索恩教授多年前已经退休)宣布爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类听到了。

那我们“听到”的引力波到底是什么?

这件事发生在13亿年之前,13亿年之前产生的引力波一直向地球旅行,最近终于到达了我们的地球,让地球有了一点点的变化。实际上变化是非常小的,在这个探测器里面,人们终于“听到”了引力波的信号。

我为什么用“听”?大家可以看到这种距离的变化是振动,非常类似于声音的传播。我说话的声音各位听到了,并不是我的吐沫星子跑到你的耳朵里面去了,而是我说话的时候推动了我附近的空气振动,我附近空气分子的振动推动了它前面分子的振动,这个振动传到了你的耳朵里面,让你的耳膜发生了振动,你就听到声音了。刚才给大家看的那个视频也是一样,是引力波让空间有了一个振动,这个振动最终传到了引力波探测器上面,被探测到了。所以引力波探测器是人类的助听器,可以听到宇宙的声音。

2016年2月11日美国这个团队宣布发现引力波的时候,我非常地激动,在朋友圈里连续两天分别发了两个东西,第一个是一首诗《引力波和纠缠态》,第二个就是一篇文章叫做《美猴王驾到引力波的八卦终于可以说了》。我在这个题目上把引力波的探测叫做“美猴王驾到”,而这个“美”就是我们审美的“美”,我把它叫做美猴王,美猴王的意思是猴年当年最“美”的科学事件。

探测到引力波怎么会变成很“美”的一个科学事件了,这跟审美又有什么关系呢?为什么发现引力波我把它称为美猴王?

再看看我们审美的两个要素,从科学家的角度,当我们知道引力波被探测到时候,我们觉得非常的美。

演讲嘉宾张双南:《借你一双‘慧眼’,去看宇宙之美》

审美第一个要素“完全没缺陷”,看看它是怎么体现出来的。它验证了引力波的探测原理,这点非常地重要。当引力波终于被发现之后,这个团队的另外一个负责人,麻省理工学院的教授韦斯,他是最早的发起人,最后他和索恩合作做了引力波的探测。他说:我终于可以睡着觉了!这么多年我真的睡不着觉,我不知道这个探测原理对还是不对,我忽悠了一千多个人跟着我干了30多年,如果这个原理是不对的,怎么给别人交代?他终于可以睡着觉了,说明这个探测原理是对的。同时,它验证了广义相对论的引力波预言。爱因斯坦1916年根据他的广义相对论预言了引力波,100年之后终于被探测到了。据我所知,这是人类历史第一个科学发现距离他的预言时间这么长,用了一个世纪的时间。

审美第二个要素,“极端不常见”。几十年的努力,地球上最精密的距离变化测量仪器,几十年来发表的第一篇正式的有科学结果的论文,我从来没有见过任何一个科学团队,搞了几十年还没有解散,也没发表什么像样的论文,第一篇科学论文就获得了诺贝尔物理学奖,而且这篇论文有上百个单位参与,上千位作者。当时是春节期间,所有人的手机大概都被这个事件刷屏了。还创造了五个“第一次”,是不是非常“不常见”?第一次直接听到引力波;第一次利用一种从来没有被探测到的信号探测宇宙;第一次真正发现了两个黑洞在一起的系统;第一次听到了两个黑洞的并合;第一次发现了两个大约30倍太阳质量的黑洞,这也是完全的意外。

所以,这个引力波的探测事件是“完全没缺陷”、“极端不常见”,把它称为“美哭”的科学事件是完全可以的。

截止到2017年8月14号,这个团队已经“听”到了五例黑洞并合的引力波的优美声音。但是,其他的天文学家,包括造望远镜的这些人,没有“看”到这两个黑洞并合在一起产生引力波——没有看到任何的光信号产生或者电磁波信号产生,一个也没有。他们在那里听,我们这些人死活看不到东西。

在LIGO “听”到引力波之前,天文学家们建了很多天文望远镜,中国也有很多。但望远镜是看宇宙的,看到的是非常安静的、一点声音都没有的宇宙,不能听。以前天文学家都是聋子,他们从来没有给你们听过宇宙的声音,只是给你们看照片,说这个漂亮那个漂亮,因为我们听不到,我们是聋子。

终于,LIGO可以听到引力波的雷鸣了,两个黑洞并合在一起的雷鸣。但是我们把望远镜指过去,什么信号也看不到。难道我们就是看不到引力波并合在一起的闪电吗?听到了雷鸣看不到闪电,难道天文学家又变成瞎子了?

天文学家是非聋即瞎吗?

这就是有缺陷,所以不能称我们做的事情是完美的。这个情况好像在傍晚的沙滩上听到了美妙的歌声,每一位都想看到她,特别想看到发出这样美妙歌声的女神到底长得什么样。

2017年10月16日有一个全球大新闻,这个新闻说:终于看到了。

这张图是“我是科学家”发的一篇文章,介绍天文学家为什么那么开心。当时全球各地同步做了新闻发布,在美国马里兰地区甚至一天做了两次新闻发布。我记得当时“我是科学家”的吴欧主编问我了一句话,说你们天文学家不就是看到信号了吗,咋这么开心咋这么激动?我们非常开心非常激动。原因在于这是人类第一次同时听到和看到一次宇宙深处的剧烈爆发现象。任何时候第一次都是不得了的,在那之前是非聋即瞎,而这次我们耳聪目明了,终于证明了我们看到的两个中子星相爱结合迸发出的雷鸣的电闪。

这个事件被评为2017年的头号科学突破,叫做“中子星并合宇宙大会合”。全球天文学家狂欢,参加了这件事情的科学家都在狂欢。有多少人参加了呢?这是一个创记录的全球空间和地面望远镜的大联测。三组引力波探测器,美国的两个欧洲的一个,三个都听到引力波信号的声音。成堆的天文望远镜加入了对这个事情的观测。

从去年8月17号开始观测,发现了这两个中子星并合产生的引力波信号,全球的天文学家就开始观测。中国干什么了?中国处于北半球。这个现象发生在南半天球,所以我们北半球的望远镜看不到它。中国在南极有一个望远镜,南极望远镜加入了观测,也看到了。中国在空间还有一个望远镜,就是中国的“慧眼”天文卫星。当时天上一共有七个空间天文望远镜对这个引力波事件进行了观测,我们中国的“慧眼”卫星是其中一个。

我给大家介绍一下“慧眼”卫星的历史。

上世纪70年代到80年代的时候,我们希望能够在太空中观测宇宙、研究宇宙,但是我们国家当时还没有条件造天文卫星。那时候的科学家们就自己造了非常大的气球,把天文仪器带到大气层的顶部做观测。我在1984年的时候开始参加这样的实验。

很多年之后,1993年科学家们提出来我们国家应该造一个天文卫星来做这件事情,因为在气球上做观测非常的困难。从1993年提出,经历了18年,到2011年这个项目才得到了国家的支持才正式开始研究,经历了非常长的时间。在这个过程中,有二、三代科学家的努力。当时提出这个项目的科学家是我研究生的导师李惕碚院士。

2011年这个项目被国家批准。同一年,我们国家非常重要的科学家、物理学家,也是我们国家这个领域的奠基人何泽慧院士去世了,她也是我在高能所的指导老师。因此,这个卫星就命名为“慧眼”卫星,这个“慧”就是何泽慧的慧。何泽慧先生去世了,她的眼睛留在太空中,给我们带来宇宙之美。我把何泽慧称为“四高”女神:高颜值,大家可以看到她年轻的时候的照片,高智商,高情商,你如果和她谈话非常地愉快,还有高品德。她的各个方面都完美无瑕,是“四高”女神,美的极致!

去年6月15号,这个卫星在酒泉卫星发射中心发射成功,这是我猴年的第二个愿望。我猴年有三个愿望,一个愿望是发现引力波,另外一个愿望是我们的“慧眼”卫星发射。当然“慧眼”卫星没有在猴年发射,推迟了一点,不是我们的错,因为本来要在猴年发射的,但是猴年的时候我们国家的运载火箭出了一点问题,推迟了。猴年我的另外一个愿望,我们的团队所做的另外一个空间仪器—-“天极”望远镜,昵称“小蜜蜂”,成功地发射运行了。我猴年的三个愿望,两个在猴年实现了,第三个去年也实现了。

今年新年贺词,习主席在提到我们国家科技创新成就的时候,第一句话讲的就是“慧眼”卫星遨游太空。“慧眼”卫星不仅仅是我们团队也是我们国家非常重要的进步。

给大家讲了那么多,“慧眼”卫星真实的情况怎么样?

这是“慧眼”卫星,全称是硬X射线调制望远镜卫星,英文就是Hard X-ray Modulation Telescope,缩写HXMT。大家看到下面是我们团队的成员,排成的“HXMT”字形,刚才给大家唱歌的姑娘和小孩子们好多在阵列里面,他们参加了卫星的研制也参加了卫星在发射场的调试和发射过程。

这个卫星上面没有你熟悉的天文望远镜,你看到的天文望远镜通常有个圆顶,圆顶打开之后有一个镜筒。我们这个望远镜是个不拍照片的X射线望远镜。不拍照片怎么带来宇宙之美?如果按照我前面给大家讲的审美判断,没有照片你也可以欣赏宇宙之美了。

演讲嘉宾张双南:《借你一双‘慧眼’,去看宇宙之美》

首先给大家介绍一下“慧眼”卫星可以干的几件事情,比方说可以探测宇宙最剧烈的爆发,不是我们所熟悉的超新星爆发,超新星爆发的总能量不到伽马射线暴的0.1‰。

慧眼卫星在伽马射线暴探测方面有很大的能力。一个大质量的恒星演化形成黑洞,形成黑洞的过程中产生剧烈的伽马射线爆发。或者两个中子星并合在一起,产生一个剧烈爆发,都会产生伽马射线暴,比超新星爆发亮至少一千倍。我们卫星已经确认探测到了100多个伽马射线暴。这个能力在我们研制这个卫星的时候并不知道,是卫星已经研制结束,仪器已经装到卫星上准备要运走的时候,我带领团队才开发出来的新能力,完全是一个意外。

利用这个能力,我们参加了引力波的闪电探测,不仅仅参加了刚才讲的那个大新闻,之前我们已经参加过好几次了,只不过有时候被LIGO这个团队忽悠了而已。为了保证你一直在跟着他的步调在有了引力波的时候立刻去观测,这个团队有一个秘密的四人小组,他们会在信号里面注入一些人造的信号并且不告诉其他人,这个团队另外一些人探测到引力波之后会告诉我们又发现引力波在哪赶紧去看,我们跟着去看了,过后,他们说这是演习。这一次双中子星爆发是真的,我们也参加了,这个仪器是国际上伽马射线能区灵敏度最好的,完整地监测了引力波爆发过程。尽管我们没有探测到明显的信号,但是我们对于伽马射线能区的辐射给了最严格的限制,也是重要的科学成果。

科学研究,看到了信号是结果,没看到信号也是结果。有时候没有看到信号可能结果更加重要。因此,我们参加了全球的大联测。

这上面的图给大家看的左边是引力波的信号,右边是别人的仪器探测到的伽马射线的信号。我们这个仪器的名字,大家看底下Insight-HXMT(“慧眼”卫星的英文名字)也在上面。我们虽然对这张图上的数据没有贡献,但是对于它的限制给出了贡献。

“慧眼”卫星参加了这么一个历史性的文章,这篇文章非常有意思。见过学术论文就知道,学术论文一般的题目下面是作者名字,作者名字下面是作者单位。这篇论文不是这样,题目下面是70个合作团队,其中一个合作团队就是我们“慧眼”卫星(Insight-HXMT),另外还有一个合作团队是南极上面的中国的望远镜团队。我们“慧眼”卫星排第七,还是非常靠前的。这篇论文将近一千个研究单位3000多个作者。我们团队的创始人,也是这个卫星的前任首席科学家李惕碚院士带领我们团队110位作者参加了这篇论文。

除了做伽马射线暴的探测之外,我们也做别的观测,比如说“活捉黑洞”就是我们的一个主要任务。

黑洞平时隐藏得很深,看不到它,中子星也是这样,平时很难看到。它们脾气很暴躁,一旦你给它扔东西的时候,物质到了黑洞或者中子星附近,立刻就会转化成X线和伽马射线辐射,这个时候看到它了,我们就要把它活捉住研究。

比如说黑洞附近有一个恒星,恒星是一个非常热的气体球,它的气体会在黑洞强烈的引力吸引下往黑洞跑,跑到黑洞附近产生X线和伽马射线。我们看银河系里面有很多黑洞和中子星经常都在干这个事情。平时看不到它,突然变得活动,我们就是要活捉它们,研究这些黑洞什么时候活动,怎么活动,怎么发脾气的,对于理解黑洞的性质甚至于检验广义相对论理论都非常有帮助,“慧眼”卫星就是做这个工作的。我们用卫星对整个银河系进行扫描,扫描的过程中如果这些黑洞和中子星发火了,我们就能看到。

“慧眼”是6月15号发射的,一个月之后我们对银河系中心进行了扫描,这是扫描到的原始数据,再利用李惕碚院士等发展的成像方法,把银河系中心的天图就做了出来。我们不断地做银河系各个区域的天图,就可以知道银河系里哪些黑洞什么时候在活动,哪些中子星什么时候做了什么奇怪的事情。

除了活捉它们之外,还要仔细地研究它的性质。

比如这是某一个中子星,它在活动时候被我们捉到了,捉到之后就研究中子星的磁场有多强。地球表面的磁场一般是1高斯,1特斯拉是10000高斯。地球人造实验室里面能造的最强的磁场是10特斯拉。这些中子星的磁场理论上能够达到上亿特斯拉,但是直接测量非常困难,我们利用它们产生的X射线信号直接测量到了宇宙中最强的磁场,这是“慧眼卫星”目前很重要的一个成果。

这是我们看到的黑洞吸积盘周围的一个新现象。我刚才讲到,物质往黑洞跑的时候,不是一头扎到黑洞里面,而是在黑洞附近形成一个盘状的结构,由于角动量守恒,这个盘就会发生振动,振动给我们带来黑洞的信息。以前测量到的振动只在比较低能的X射线测到,这一次我们把这个振动测量到了100千电子伏。最近我们团队研究发现,测量到的结果很难用以前的吸积盘振动模型来解释,很可能需要用相对论喷流的特殊进动来解释。黑洞附近会产生非常类似于产生伽马暴时候的相对论的喷流,这些喷流的速度基本上是光速。我们看到了这么有趣的现象。

最后给大家看一下“慧眼”天文卫星的“没缺陷”“不常见”体现在什么地方,为什么我们觉得“慧眼”天文卫星,以及它的科学成果非常地美。

去年6月15日发射,8月17日在我们还没有完成在轨测试,还在进行检测卫星的时候,“慧眼”就参加了双中子星并合引力波爆发的全球最大规模的多信使观测,这个时候“慧眼”卫星才第一次对外发布了结果——本来我们应该在一年之后发布结果的,由于这个事件发生了,提前发布了我们的结果。而且我们利用了“慧眼”卫星建造之后才发现的伽马暴的探测能力(在“慧眼”卫星建造之前我们不知道它有这个能力),对我们是一个惊喜,也是一个意外。

我们随时准备活捉银河系内的黑洞和中子星,这个方法是利用了中国科学家的科学思想设计的银河系的巡天能力,对我们来讲也是非常的“没缺陷”,对于国际上来讲也是一个“不常见”的行为。通过高精度的观测,直接测量到了宇宙当中最强的磁场,这是极端不常见的一件事情。利用这样强的磁场,可以研究在地球的实验室里面没有办法研究的一些科学现象。我们观察到了黑洞附近准周期震荡最高的X射线能量,也许这是第一次发现黑洞周围的喷流产生出来的极端相对论的喷流在进动,这很可能是第一次的科学发现。

还有一系列的科学发现正在排队新鲜出炉当中,我们的团队不断地在写科学论文,包括国际上一些团队也用我们的数据在写科学论文。因此,“慧眼卫星”是我心中最美的那颗星,因为这个原因,我才把那首歌改成了《慧眼星愿》,才有我们团队在开始的时候给大家做了精彩的合唱表演。

谢谢大家。

演讲嘉宾张双南:《借你一双‘慧眼’,去看宇宙之美》

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