导读：
1916年，爱因斯坦在正式发表的广义相对中就预言了黑洞的存在。但一百多年来，人类始终无法直接观测到它真实存在的证据。
      2019年4月10日，全球同步发布的首张黑洞照片，是人类宇宙探索史上的一大标志性事件，但隐匿在这张照片背后的艰辛历程和相关科学家，却一直不为公众所知。
龙年伊始，《赛先生》向您推荐这本关于人类历史上第一张黑洞照片诞生背后的故事——《黑洞之影》，感受这一令人难以置信的冒险。
湘科君丨撰文
《黑洞之影》（Einstein's Shadow），讲述了人类有史以来最重要照片之一——2019年4月10号全球同步发布的首张黑洞照片的诞生全过程。
2019年4月10日发布的人类首张黑洞照片M87*
资深科学作家塞斯·弗莱彻有着一种历史学家的远见，从2012年开始，便深入黑洞照片拍摄科研团队，以近乎贴身采访的方式跟踪采访了6年，写成了细节感极其丰富的《黑洞之影》。
英文原版获得了顶级学术期刊《自然》、著名科技期刊《连线》的联合推荐。
塞斯·弗莱彻的另一重身份，是有着179年历史的顶级科普杂志《科学美国人》的首席特写编辑，由他亲自操刀的这本《黑洞之影》的分量可见一斑。
这本书的中文翻译团队同样强大，由三位中国黑洞研究领域的专业人士组成：
赵雪杉，中国科学院国家天文台博士，研究方向为黑洞吸积盘和高能天体物理。
冯叶，中国科学院国家天文台博士，研究方向为黑洞基础物理。
苟利军，中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学天文学教授，曾于哈佛大学哈佛史密森天体物理中心任博士后和研究人员。
而为《黑洞之影》写推荐序的，则是在书中刻画的黑洞研究科学家群体中的一员——现为中国科学院上海天文台台长、研究员，事件视界望远镜合作组织中国大陆协调人沈志强。
可以说，这本《黑洞之影》无论是作者、译者，还是推荐人，某种程度上都是黑洞研究，尤其是黑洞拍摄的前沿亲历者，没有一个门外汉。
塞斯·弗莱彻
拍摄黑洞照片，可以说是人类智识领域最前沿的探索之一，但它似乎带不来任何即时的经济效益，靠的是一群凭借对科学、对宇宙保持着纯粹好奇心的科学家推动，他们是那群真正替全人类仰望星空的人。

从1919年阿瑟·爱丁顿领导的日全食观测拉开了验证广义相对论的序幕，到2019年首张黑洞照片发布，中间经历整整100年，可以说，人类在这个问题上经历了100年的失败。
但正如《黑洞之影》所说，从另一个角度来阐释，也恰恰说明了这样一个古老而纯粹的道理——“纯粹的失败似乎极不可能”，每一次失败，都是向成功又近了一步。
这本书不是一本干巴巴的科普著作，作者几乎对每位重要的参与者都写下了一篇人物小传，还原了那些如今高居人类知识领域顶端的科学家的真实面貌。

他们也有七情六欲，他们也会被老师嫌弃，甚至多次改换门庭，深陷毕不了业的窘境，他们也会抱怨体制、抱怨领导，为了谁的名字该出现在诺贝尔奖上而争吵不休……

《黑洞之影》是一本有血有肉的书，不仅仅在于反映了人类前沿探索的知识成果，更在于透过这群顶尖科学家的成长轨迹，我们可以抽象出科学家养成的一般规律和具有的独特品性。
无论是成年人还是孩子，都能从书中收获到一股强大的精神力量，书虽新，却早已具有了一切经典作品的特质。
SAIXIANSHENG
“黑洞”的发明史
在我们生活的银河系中心，有一个超大质量黑洞。它是我们这个缓慢旋转的星系的静止点，其直径与水星绕转太阳的轨道一样宽。
如今，我们叫它人马座A*，银河系内的每个天体都围绕着这个黑洞运行，太阳绕行一圈大约需要两亿年。
《黑洞之影》描述的是文学家们拍摄人类第一张黑洞照片的诞生过程，而他们把自己的项目叫做“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，简称为EHT），目标对准的正是人马座A*。
阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列（ALMA）正在仰望银河系，图中标明了人马座A*的位置，它是我们银河系中心的超大质量黑洞。图：EHT
不过在正式讲述黑洞照片的故事之前，我们还是有必要回顾一下“黑洞”这个概念的历史。
当爱因斯坦发表了广义相对论之后，他的方程就开始传达奇特的信息。卡尔·史瓦西是第一个接收到这些信息的人。
史瓦西给出了爱因斯坦方程式的“精确解”，如今被叫做“史瓦西度规”，它预测，对于任何给定的质量，都存在着一个“临界周长”，在那里奇异的事情发生了。
但史瓦西和爱因斯坦都合理地将“史瓦西奇点”视为与物理世界无关的数学上的人工产物。
直到1939 年，伯克利物理学教授罗伯特·奥本海默和他的学生哈特兰德·斯奈德一起空前细致地模拟了最重恒星的死亡。
他们总结说，“当所有热核能源都耗尽时……一颗足够重的恒星将坍塌”，并且这种收缩极有可能“无限期地继续”。一颗坍缩的恒星将收缩到一个无限小、无限致密的点，即另一个奇点。
哪怕将这项研究再往前推进一步，奥本海默就将成为第一个发现黑洞的人，亲手摘得一枚诺贝尔奖牌，但可惜的是他随后就受到了曼哈顿计划的召唤，成为了原子弹之父。
奥本海默与爱因斯坦
二战后，在和平时期找工作的军用雷达工程师将多余的雷达天线改造成了科学仪器，并开始搜寻天空，射电天文学家迎来了“自伽利略时代以来天文学史上最异彩纷呈的时代”。
射电天文学家将他们同事的注意力引向一类十分奇异的天体⸺类星体。
3C 273是人类发现的第一个类星体，距离地球20亿到30亿光年，比天空中其他任何天体都要明亮100倍以上，它的骇人能量让科学家们陷入了困境，不得不将目光转向被物理学家们忽略了40年的爱因斯坦引力理论。
1963年科学家们聚在一起召开了首届得克萨斯相对论天体物理学研讨会，但答案直到几年后才变得清晰起来。
运用新的数学工具的新一代理论物理学家表明，当质量超过某一极限的恒星死亡时，正如约翰·惠勒所描述的那样，坍缩“逐渐变得越来越昏暗……在不到一秒钟的时间内，就暗到看不见了。曾经是恒星核的东西不再可见”。
这就是爱因斯坦的方程式试图传达的内容。首次出现在史瓦西的笔记中的那些奇点具有真实的物理意义。我们称之为——黑洞，这个名字是约翰·惠勒在1967 年的一次演讲中提出的。
20世纪60年代，当第一次由类星体推动的工作成果大爆发之后，黑洞研究走上了两条主要的轨道，一条研究理论，一条则研究天体物理学。
而后者的主要目标就是寻找真实存在的黑洞，而这也正是《黑洞之影》要叙述的范围。
SAIXIANSHENG
一个差一点毕不了业的天才少年
拍摄黑洞照片的科研项目成立于2012年，被叫做“事件视界望远镜”，参与EHT的科学家有数百位之多。
其中的中心人物，无疑就是EHT的主任，谢珀德·S. 多尔曼，他有一个更广为人知的名字——谢普（Shep）。
谢珀德·S. 多尔曼
谢普的前半生无疑属于那种顺风顺水的天才少年，15岁高中毕业，18岁被麻省理工学院录取准备攻读物理学博士学位。
不过年轻气盛的他不想按部就班地升学读书，转而报名一个为期一年的南极科学实验项目，19 岁成为美国南极计划历史上最年轻的过冬人。
在离开南极后，他继续四处游荡。但麻省理工不允许他再一次推迟申请，因此他第二次申请了麻省理工，并再次被录取。
谢普的兴趣广泛而抽象，但他的天赋在于手工和实物，被指派的导师却是世界上最重要的几个核聚变研究项目之一的负责人，经常给他布置那种需要三十页的计算才能解决的理论性问题。
在一群纯粹的数学天才和痴迷于理论物理学的人中，谢普显得格格不入。
他转而加入X射线天文学小组，并在一个在集成电路上培养哺乳动物神经细胞的实验室里表现得不错，但领导这个团组的教授在另一所大学找到了工作，谢普就这样失去了这个实验室。
此后，谢普被默认加入了一个由射电天文学家伯尼·伯克领导的研究团组，并在一位高年级研究生的指导下进行研究。
谢普磕磕绊绊地继续着他的学业。他两次未能通过他的第二次口试，在第三次尝试中，他通过了口试，但导师已经对他失去了信心。
导师希望谢普能退出他的团组，因此他在波士顿以北的麻省理工学院天文台——海斯塔克天文台为谢普安排了一些面试。
截至1992年谢普步入海斯塔克天文台的大厅的那天，它已经成为世界领先的射电天文学新技术的孵化器之一。
艾伦·罗杰斯是海斯塔克的创建人之一，也是谢普新的学术领路人，20世纪60―70年代他与其他科学家一道开发了一种被称为甚长基线干涉（简称 VLBI）的技术。
这是迄今为止所有天文学领域中分辨率最高的技术，十分适合研究非常遥远和微小的天体。
央斯基甚大阵。图：NASA
谢普对VLBI了解并不多，但他对使用VLBI进行大地测量的项目很感兴趣。
罗杰斯说，这项实验的科学动机是相当吸引人的，其中一个目标是深入星系核心研究黑洞，包括研究银河系中心的黑洞。

而此时，大多数天文学家都接受了人马座A*是一个超大质量黑洞的观点，谢普没有想到，他日后所有工作的目标，就是用高频VLBI 穿透那些横亘在我们与人马座A*之间的面纱，并拍下它的照片。
SAIXIANSHENG
从EHT的建立到第一张黑洞照片的诞生
谢普在海斯塔克天文台的学业进行得相对顺利，当1998年结束博士后职位时，他在这里谋取了全职研究科学家的固定工作。
之后，谢普开始接替导师艾伦·罗杰斯负责海斯塔克的高频VLBI研究工作。
但在崭新的千禧年的头几年，天文学家们似乎都异常谨慎地围绕着“黑洞”这个新猎物盘旋。
直到2002年，谢普才在论文和讲座中展示了一些图表，描绘了如何将地球大小的射电望远镜阵列集合在一起拍摄人马座A* 的照片。CNN.com在新闻头条上写道：“新望远镜本身与地球一样大。”
不过真正的观测，要到2006年才能付诸实现。这一年谢普和他的团队在加州理工学院的亚毫米波天文台获取了观测时间。他们的合作伙伴在亚利桑那州格雷厄姆山的海因里希·赫兹望远镜工作。
他们花了3 个月的时间试图将加州理工和亚利桑那州的记录进行关联。他们进行了很多猜测。直到有人拆除了加州理工望远镜上的接收器，他们才知道电路板上的一个部件坏了，这导致整个观测失败。

利用计算机模拟出的一个非旋转黑洞及其吸积盘不同角度样貌的图像。
2009 年，谢普向美国国家科学院的十年调查委员会提交了一篇论文，称“几乎可以肯定”，“天体物理学的长期目标”是“在未来10年内实现对黑洞的直接成像”。
委员会将EHT列入了未来十年的国家优先资助的项目清单里，并且每年都有更多志同道合的科学家加入这个团队。
为了展现他们对于项目的热情，2012 年1 月，亚利桑那大学在图森市为EHT举行了一次正式的启动会议。
EHT计划在3年时间里将望远镜阵列从3个台站扩大到8个，将后端电子和数据记录仪带宽从1千兆赫提升到16千兆赫，使EHT的灵敏度提高40倍以上。
有了这个阵列，他们相信能够得到人马座A*阴影的首张图像。2017年，EHT举行了第一次大型观测，对象是人马座A*和M87。
2017年EHT观测时用到的望远镜分布
2018年6月5日，天文学家们向负责制作图像的四个工作组正式发布了最终校准后的人马座A*和M87数据。而到此时，《黑洞之影》的采访也基本结束。
之后，便是我们看到的那一幕盛况，正如事件视界望远镜合作组织中国大陆协调人沈志强在推荐序的开头所补充的那样：
2019 年4 月10 日，这一天在人类认识宇宙的历史上注定会是极不寻常的一天。
这是我们人类第一次“看见”黑洞。
两张黑洞照片的对比：左为2019年人类首张黑洞照片，展示了M87星系中心的超大质量黑洞；右为2022年公布的银河系中心半人马A*。
第一张黑洞照片的发布是来自数十个研究机构的数百位科学家共同努力的结晶，其中中国科学家也做出了重要的贡献。
有16位中国大陆科研人员参与了第一张黑洞照片的合作研究，其中有10 位科学家在2019 年来到了上海发布会的现场。
但黑洞第一张照片的诞生并不是故事的结束，《黑洞之影》写道：“图像和所有相关的数据将会从不同的角度被挑剔和攻击。”

根据其他最近的实验和理论进展，它可能会被重新进行解释。虽然这幅图像能够告诉我们什么，没有人能够立马达成一致。
但是，如果它能够产生，在当它产生的时候，它的到来可能会标志着一个新时代的开始。
幸运的是，在这个新的时代里，人们将会在漫长而令人费解的探索中获得新的动力，从而理解那些时空终结的黑暗地方究竟发生了什么事情。
《黑洞之影》
[美]赛斯·弗莱彻
赵雪杉 冯叶 苟利军 翻译
 湖南科学技术出版社
 2023年11月 出版
 点击封面，即可下单
拍摄黑洞听起来不可能，甚至是自相矛盾的，但天文学家谢普•多尔曼和一个全球科学家联盟正在实现这个梦想。他们组装了事件视界望远镜系统，这是一个地球大小的虚拟射电天文台。作者赛斯•弗莱彻花了五年时间跟踪科学家们的工作，见证了他们的努力、挫折和突破。作者带我们进行了一次令人难以置信的冒险，我们将了解银河系的复杂性、人类感知和知识的边界，以及现实的科学事业是如何运作的。
特别提示：赛先生书店所购图书可开发票，请在购书备注中留下开票信息（单位、税号和邮箱），确认收货后，由出版社开具。

欢迎关注我们，投稿、授权等请联系
[email protected]
继续阅读
阅读原文