主题：195-Priya Natarajan：绘制天堂的地图 -- 万年看客

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感谢大家前来听讲，非常有幸有此殊荣与大家分享一些激励我写这本书的理念。我还会谈到我做的研究工作。我写这本书是因为目前的科学否认主义在社会大兴其道，令我非常不安。我个人认为，科学否认主义之所以如此大行其道，关键原因之一是因为科学过程没有得到好奇公众的真正理解。所以我个人认为应当尝试披露并且去魅科学研究的过程，尤其要关注科学的两大特点，也是让我们科学从业者感到如此兴奋的特点。对于并不参与科学的人们来说这两个特点或许非常令人困惑。即科学从本质上是临时性的，我们的科学知识永远都是最新的，要基于目前的数据与证据的质量；如果有更好的数据，更多的证据能够支持目前的理解，我们就将目前的理解加以改良，得到更详细更细致的自然图景。我们不断地改进我们的理解，所以身为科学家必须灵活，必须准备好改变观点。这就是科学之美，因为它促使我们不断前进，不断打开心胸。了解科学的这个方面对于好奇公众来说非常有益。

我写这本书的部分动机在于揭露科学理念，尤其是宇宙学领域的激进理念通过怎样的途径得到了接受。我着重关注这些理念遭遇的各种阻力与挑战，而且这些阻力往往来自科学家。这是为了让科学家更人性化，揭示科学家与科学是一项人类事业，充满了主观性并且燃烧着激情。对于科学与科学探索的陈述往往不考虑科学家的激情，因为我们本应身穿白大褂客观观察自然事实。这实在不是对于科学家工作的精确描述，尤其不是今天的科学家的工作方式。本书当中我想讨论科学工作如何通过关键理念在过去一百年改变了宇宙学。之所以要选择过去一百年，是因为直到1914年我们还相信宇宙当中只有银河系，没有其他星系。我们不知道其他星系的存在。与那时相比我们已经取得了长足进展。我们今天直到还有几十亿个其他星系。我们不仅知道其他星系以及宇宙的整体结构，我们还非常详细地理解了宇宙结构的形成历史。我们还直到有许多许多恒星与我们的恒星一样分布在其他的星系当中。因此就有了非常吊诡的一点：我们意义重大，却又无足轻重。我们并不特别，但是作为我们这颗行星养育的特定智能生命形式又很特别。我们必须承担起更大的宇宙责任，保护地球，保护资源，过上可持续的生活。今天我想为大家提供宇宙视角。我认为抱有宇宙视角有助于我们作为人类寻找我们在宇宙当中的位置。

我关注一个理念从提倡到接受的过程。作为一名生在德里的小女孩，我第一次尝到研究的滋味就是看地图。小时候我痴迷于地图与天文图，因此我的作品全都与制图学有关系，包括现在绘制暗物质地图。我将地图作为文学与比喻工具。地图代表了我们的知识，绘图学就是了解知识。看看我们在历史上对于宇宙的概念，看看地图的进化，就会理解我们的观点如何改变。所以我用了几张旧地图来讲述关于宇宙观进化的故事。如我所说，我想人性化科学过程，所以我想讨论科学家群体内部对于新概念的抵制。尽管我们受训要开放心态，但我们毕竟是人类。我关注各种知识争议以及社会争议与个人抱负的冲突，还有科学家尤其是宇宙学家之间面对刚刚提出的新观点明争暗斗争名夺利的情节。我进行了很多案例研究，观察了在过去一百年提出的许多伟大理念，这其中包括爱德文.哈勃发现的宇宙扩张，暗物质与暗能量，黑洞，地外行星，等等。我将书中每一章都献给了一个激进理念，深入分析了这些理念的创始，最早提出以及最终得到接受的过程。我的许多同事都在写书。很多人都觉得他们想说的很多，必须要写书。对我来说最令人兴奋的是作为一名积极从业的科学家，面对天体物理学领域令人兴奋的最前沿问题。我们想要理解暗物质与黑洞的构成。这是个非常特殊的时代，我非常感恩能够生活在现在这个时代，因为目前的理论与实践正在发生极大的交汇，我们对于宇宙的理论理解的复杂程度，我们为了从宇宙获取证据用来验证理论而发明的设备，以及允许我们分析所得数据的计算能力，这三者已经发展到了极端同步的程度。甚至仅仅在二十年前我们还没有现在这样可以扫描整个波谱的探测器，我们拥有二十年前不能比拟的数据。过去十年是宇宙学的黄金时代，对于我来说尤其如此。因为现在作为年轻科学家，在宇宙学领域可以提出激进的新理论，然后在你生平期间就能得到检测，要么证实，要么证伪。这是个非常特殊的时代。

接下来请允许我讨论一点点我们理解宇宙的历史。自从尼安德特人首次抬头看向夜空，他们或许就在思考头顶这出每天晚上都会上演的宇宙大戏。我们的第一幅宇宙地图是这块内布拉星盘，出土于德国的萨克森-安哈尔特地区，质地为青铜，上面有太阳，月亮和星星。我们不理解这件物品用来干什么，但是我们知道这是最早对于夜空的描述。然后来到公元前七世纪，我们又发现了几千块泥版，源自我最喜欢的美索不达米亚古文明，他们是绘制夜空的老手。这些铭文也被解密，所以我们知道上面写的是什么。画面上这一块是金星泥版，描述了金星的运动轨迹。这些人公元前700年就知道了行星和恒星的区别。

然后是我最喜欢的一张地图。来自十四世纪后期。就算是美索不达米亚人绘制夜空的时候也并未寻求解释。他们并不寻找因果关系，他们不想理解夜空正在发生什么，是什么导致了夜空的景象。他们只想——我说“只想”，但是这已经是很伟大的理念了——他们只想建立天体世界与地面世界的关系。他们想要将洪水、降雨与夜空联系起来。最早试图理解天文因果的尝试来自下面这一类亚里士多德—托勒密式星图。我们可以看到图上绘制着地球与天球，两名天使正在旋转曲轴驱动日夜交替与四季轮回。这是试图解释夜空现象的最早描述。你们都知道，此时的宇宙观是托勒密宇宙观，要记得此时宇宙的范围还仅限于我们的太阳系。既然我们的理解仅限于太阳系，那么我们当然位于太阳系的中心，各大行星以及太阳都围着我们转。这一观点在1651年发生了根本性的变化，哥白尼提出了最激进的理念，将太阳系的中心从地球改成了太阳，主张太阳才是太阳系的中心，地球围着太阳转。这是极其激进的理念，以至于哥白尼被迫将自己的观点隐藏了很多年，直到死后才发表。

事实上对于今天我们要谈到的所有激进观点来说——我接下来要讨论其中两个观点以及它们得到接受的过程，分别是暗物质与黑洞——足以导致宇宙观彻底变化的激进观点总是很难得到接受。所以我们经常能看到半吊子激进观点，只比原来激进一点点。画面上这幅画是利奇奥里对于太阳系的描述。此人与第谷.布拉赫构建了这种所谓中间模式：地球依然是太阳系的中心，但是其他行星会环绕太阳运转。一步到位太困难了，所以只走了一半。这幅画非常有趣地体现了当时人们的宇宙观。首先是独眼巨人阿格斯正在举着望远镜——此时伽利略已经发明了望远镜——指向夜空观察各种现象。在他的对面，司掌天文的缪斯女神乌拉尼娅正在用天平衡量哥白尼模型与布拉赫模型孰轻孰重。托勒密模型已经被扔在了地上，不再流行了。这就是我所谓的将地图作为比喻手段，利用图像手段传达直观信息。在大家阅读科学论文、接受同行审议、衡量证据与论点之前，可以先看看这种描述。这样做能允许人们慢慢地改变对于宇宙的看法。现在画面上是布拉赫模型的动画展示，地球依然是太阳系的中心，太阳要绕着地球运动。我们最终接受的是哥白尼的模式，终于将太阳系的中心从地球转换成了太阳。

我们可以想象，1543年的哥白尼大概想不到人类到了公元两千年左右将会发射旅行者1号与2号卫星，彻底离开太阳系的限制。我在这里提一句是为了提醒大家，科学的未来路径无法预测。哥白尼肯定想象不到我们能发射卫星离开太阳系。这是我们目前对宇宙的理解。目前我们知道我们的宇宙起始于非常高热高密度的状态，我们将这一状态所处的时间点标志为时间的起源，这一事件被称作大爆炸。大爆炸之后不久宇宙处于高热高密度的状态，然后宇宙经历了一段非常短暂但是非常迅速的指数式膨胀。在大膨胀之后，宇宙变成了一锅原始汤，物质在其中凝结，然后形成了最早的结构——第一批恒星，第一批星系。但是根据我们所知的宇宙结构形成顺序，暗物质才是宇宙的基本构架。我们有大量独立且无可争辩的观察结果证据来表明，宇宙的年龄从大爆炸至今是137亿年，我们很清楚宇宙演化的时间线。此外我们还有来自宇宙婴儿时期的直接数据，也就是宇宙只有40万年的时候留下的宇宙微波背景辐射，这些辐射包含大爆炸留下的光子，向我们发射而来，今天被我们检测到时能量已经弱了，很多因为从大爆炸射向我们的光线在这137亿年间遇到了各种结构的阻隔。与此同时宇宙一直在扩张。不仅如此，而且我们知道扩张还在加速。今天我们在微波辐射当中发现了这些光子，并且绘制了一幅宇宙背景微波地图，图上有热点也有冷点。这张地图实际上包含了大量的信息，因为这些麻点记录了背景辐射开始向我们发射以来遭遇到第一批成形的恒星与星系之后留下的痕迹。

这张饼状图也反映了我们目前理解的宇宙图景。除了理解宇宙形成的动态之外，我们还通过宇宙背景微波以及许多其他独立证据非常详细地得知了宇宙的物质内容。宇宙当中的大部分物质都是所谓暗物质的奇特粒子，宇宙当中的能量密度也由所谓的暗能量主导。我们相信这种暗能量驱动着目前测量出来的宇宙加速膨胀，就像踩一脚油门汽车会加速一样。但是暗能量很弱，我们还不知道这究竟是什么。我们认为暗能量对应了某种空间自身的能量，导致了扩张的加速。这是目前宇宙的基本组成。奇怪且令人警醒的是，形成我们的普通原子，元素周期表上的所有物质，在宇宙当中只占4.6%。我刚才说宇宙当中的大部分物质都是暗物质，不仅无处不在，不仅是最主导性的物质，而且性质非常奇怪。首先暗物质不在元素周期表上，其次我们相信它们是宇宙大爆炸之后不久产生的粒子，因为它构成了宇宙的结构。暗物质构成了宇宙的手脚架，催生了最早的恒星。此外目前的证据表明暗物质是一种非常奇怪的粒子，这种粒子的移动速度与光速相比非常慢，与自身的互动极弱，而且不会与任何其他任何物质互动。暗物质能够感受到以及能够施加的唯一作用力就是引力。因为引力，暗物质可以相互聚集成一团，但是它的成团方式同样非常奇怪。与我们对于气体或者其他原子的理解不同。两个类似的普通原子相互接触会碰撞在一起。以气体原子为例，两个原子会相互碰撞，会与容器内壁碰撞，因此气体有压力。暗物质的数据则表明两个暗物质粒子不会碰撞，这意味着两个暗物质粒子会相互穿过，然后引力会让它们再次相互接近，然后再次聚集成团，但是它们不会产生压力。

听上去已经很奇怪了，那么证据都包括什么？自古以来我们就设想过各种不可见的奇怪物质。例如瘴气，据说可以导致疾病，后来我们发现了病原体；例如燃素，后来我们发现了氧气；当然还有以太。那么暗物质会不会踏上同样的道路？我希望说服大家：不。暗物质不会走上这条路。至少根据我们目前的证据并不会，因为目前有两套完全独立的证据表明暗物质大量存在且性质奇特。我分别介绍一下这两套证据。首先，由于暗物质产生引力，它会显著影响附近恒星、星系以及其他天体的运行；其次，暗物质的存在也会影响光在宇宙距离当中的偏转与发散。我之所以要区分开这两类证据，是因为两者的理论基础不同。通过引力影响物质运动可以通过牛顿的引力理论来预测，自从十七世纪以来我们就充分理解了引力的运作机制。牛顿告诉我们两个有质量的物体之间会相互吸引，引力大小与物体之间距离的平方成反比。我们还知道牛顿的引力观念被爱因斯坦的广义相对论颠覆了，因为相对论解释了，为什么引力如此表现，不仅解释如何计算引力，还解释了为什么。因此第二类证据，也就是光的偏转，是由爱因斯坦的理论预测的。你尽管可以选择继续坚持牛顿时代的宇宙观，但是其实我们并没有选择。我们都有能够显示定位的GPS电话，没有爱因斯坦的广义相对论这些设备全都不能用。所以我们知道广义相对论肯定正确，而广义相对论预测了引力会造成光线偏转。根据这两套完全不同的宇宙世界观，我们都可以确信存在着大量暗物质，还能探测其分布情况。你用两种方法都能侦测到暗物质。

但是暗物质的发现却是经验性的，并不是某种认识论层面上的数学理念，而是来自观察结果。最早提到暗物质的人是弗里茨.兹威基，他在1937年的一篇论文中指出，他在观察后发座星系团的时候——所谓星系团就是一大团上千个星系，也就是图片中这些暗淡黄点，聚拢在一起，星系之间距离均等，由引力相互维系，而且这个结构非常稳定。兹威基衡量了这些星系的速度，发现它们的速度远远高于预测。这意味着这些星系本应相互分离，除非星系团内部的物质总质量比我们在照片上能看到的还要更多。仅仅由照片上的可见恒星提供的引力比起在观测速度下维持星系团所需的引力差了一个数量级。这些星系本来应该四分五裂，除非还有大量看不到的暗物质提供了额外的引力，使得星系团保持一体。所以他率先提出了Dunkle Materi的概念。

这是基于引力影响运动的牛顿描述。接下来到了1937年——此前早在1916年爱因斯坦已经提出了相对论，其中一项预测就是引力对于光的偏转效果。1937年兹威基认为如果有大量看不到的暗物质，那么根据爱因斯坦的广义相对论就会有大量的光偏转现象，1937年的时候我们还没有相应的设备来观察宇宙当中的光偏转，因此他的主张没有得到重视。此外另一个原因在于兹威基是一个极其富有创意的人。他说对过几件事，但是说错的事情远远更多。当他提出这个想法的时候，人们都说这太疯狂了。因此可惜的是没有人重视他的想法。

我在书中谈到的另一个现象是，有时激进的科学理念必须被反复发现好几次才能真正被人接受。对于暗物质来说的确如此，到了二十世纪七十年代，维拉.罗宾与肯特.福特发现了一个略微不同的问题。他们衡量的是远离螺旋星系中心的恒星的速度。一开始他们不知道兹威基的工作。他们观察的对象是星系而不是星系团。然后他们发现，根据我们能观测到的所有恒星的引力来进行计算恒星的运动，应当符合图表上的红色轨迹。随着我们逐渐来到星系边缘，物质逐渐稀少，恒星的运动速度也应该降低。但是他们却观察到了高于红色轨迹之上的白色轨迹。这一点非常奇怪。为了提醒大家为什么如此奇怪，请允许我介绍一下太阳系。太阳是太阳系当中质量最大的天体，它的引力控制着整个太阳系。距离太阳越远，引力越小，行星的公转速度也越来越慢。这里我要揭示我的盲点：对于我来说冥王星依然是行星。我不想放弃它，因为这毁灭了我小时候对于太阳系的印象。这条曲线描绘了太阳系当中所有可能存在的行星围绕太阳公转的速度以及该行星与太阳距离之间的关系。当你将太阳系的行星描绘在曲线上，就会立刻发现太阳系中的最大引力位于中心，随着我们距离中心越来越远，引力也越来越小。我们回头来看看罗宾及其合作者的观测结果。我们不能从上而下观测一个星系，所以他们观测的是从星系中心向外的不同恒星的速度，这条曲线就是她的观测结果，曲线的后半截基本上是水平直线。换句话说在星系当中产生引力的主导物体分散在星系的各个部分，远比太阳系分布得更加广泛，引力的分布范围远远超过了光线暗淡下去的范围。这个证据证明了存在某种不可见的物质，不仅聚集在星系中心，同时也到处分散在星系各处。这不是一次性的观测结果，而是在所有星系都能观察到这样的现象。这意味着有大量的不可见暗物质分布在星系当中。你所观测到的物质只是宇宙星系当中所有物质的冰山一角，在光线不存在的地方依然存在着大量物质。

再来看看第二项关于暗物质存在的证据，也就是光的偏转。在牛顿提出引力理论的时代，人们相信光是粒子构成的。如果有质量极大的物质，那么光的粒子就会因为引力在轨道上遭到偏转。牛顿与索尔德纳计算了偏转角度有多大。实际上爱因斯坦对于引力的再诠释同样解释了光的偏转。两个理论的计算结果仅仅差了二倍。这个二倍非常重要，因为隐含着我们对于引力的彻底重新认识。待会儿我给大家介绍一下这个理论的基础概念。我们之所以都是爱因斯坦的粉丝，是因为他凭空提出了广义相对论，一开始并不打算用这个理论解释任何异常现象。相对论源自爱因斯坦对于物理、几何与数学之间关系的深刻见解。有趣的一点在于这个理论预测了光的偏转并且在1919年得到了测量证实。所以爱因斯坦预测了什么？在日全食期间太阳，地球，月亮构成一线——今年8月就可以在美国看到——看看星星在三者对齐时的位置，星星似乎会出现在与他们的实际位置不同的地方。这样的位移正是爱因斯坦理论的预测之一。他预测了两颗星星的位置偏移。为什么星星的位置会偏移？因为正如我说过，爱因斯坦重新理解了引力，认为可以将宇宙视作四维空间或者说时空结构，而物质的存在在时空结构创造了各种凹坑。宇宙就像是一块四维结构，一切有质量的物质都嵌在宇宙当中，有质量的物质就会将宇宙结构压下去一块。这个坑的深度与坡度取决于物质的质量有多少，以及这个物体多么紧凑，其质量是紧密排列还是非常蓬松。

画面上是爱因斯坦预测的宇宙时空结构，可以看到大量星系聚成一团。可以看到，由于星系团当中大量暗物质的存在而在宇宙时空压出了这个凹坑。假设某个遥远星系的光线射向我们，那么这束光线将会经过沿途当中时空结构的每一个凹坑，并且还会携带它所经历的每一个凹坑的信息。就像我的汽车驶过一辆路况极差的公路，碾过每一个凹坑，我的车况将会逐渐恶化。类似的是，这些光线在途径上也遭到了时空凹坑的偏转。问题在于我们看到了什么？什么叫做光线被偏转？可观测的结果就是当你观察遥远的星系时，假如你与星系之间存在质量非常巨大的物体导致了巨大的凹坑，那就需要暗物质的存在。画面上这个遥远星系看上去像一个毛茸茸的蓝点。我们与这个蓝色星系之间还隔着另一个星系，其中包含大量暗物质，就像贝拉，鲁宾和同事们看到的那样。光源发出光线被暗物质扭曲得完全变形，以至于蓝色星系成了圆弧的形状。这就是引力透镜的效果，这张照片是哈博望远镜的影像。我的研究团队与许多团队试图利用这张图像。我们知道没有被扭曲的星系形状应该是什么样，因为折射光线的引力透镜非常少见，绝大多数时候我们看到的都是未经扭曲的星系。因此我们看到扭曲的形状就能反推出需要多大质量才能将影像扭曲出如此显著的效果。

除了形状扭曲之外，偶尔还有更显著的现象。可以将光线想象一根管道，偶尔当凹坑太深的时候，通过凹坑的管道就会分裂。所谓分裂指的是同一个遥远星系在我们看来具有好几重影像，全都是虚像，实际上仅仅对应一个星系。决定扭曲图像的因素包括这个遥远星系的位置，引力透镜的位置【引力透镜就是大量聚集的暗物质，要么与这个星系相关，要么与其所属的星系团相关】，引力透镜的形状【也就是暗物质的分布】，以及所有这一切与我们的相对距离。这有点像我们在高中做过的光学实验，有镜片，有蜡烛作为光源，有屏幕。通过移动镜片，有时能得到上下颠倒的蜡烛图像，有时会得到放大缩小的图像。你可以通过图像来衡量镜片、屏幕与光源之间的相对距离。同理，我们也可以通过星系影像的扭曲程度来推断引力透镜暗物质的分布方式。我们可以模拟一下遥远星系的扭曲图像，如果暗物质是卵状分布会产生圆环状扭曲，如过是球状分布会产生五点十字状分布的扭曲，如果是呈一堆小球状散乱分布则会形成分散凌乱的扭曲图像——用来举例的这三张影像都是哈勃太空望远镜拍摄的。

为了让大家感受一下究竟能够看到形状范畴多么广泛的影像，我做了一段动画。背景的每一个蓝点都代表一个星系，然后我在前方放了一个引力透镜，其中90%都是暗物质，只有10%的普通物质。我想让大家看看可能出现的扭曲影像可以扭曲到怎样的程度，能看到大量的圆弧与半圆弧。请注意，没有任何一个蓝点看上去能维持原本的形状，一切都被拉扯变形了，因为光线通过这一大团暗物质造成的时空坑洞时遭到了扭曲，就好像你低头往下看到了坑洞的更深处。我要提醒大家，每一个单独星系都都具备大量暗物质形成的光环状外延结构。因此我们只要观察星系外围就可以看到成体系的遥远光源扭曲，越远的光源扭曲得越厉害。哈勃望远镜拍摄的某一张星系团影像显然经过了极深的时空坑洞，光线被扭曲得如此显著，以至于同一个遥远星系投下了五重影像。我们怎么知道这五个影像属于同一个星系？因为每一个天文物体都有自己的指纹，也就是光谱特征。测量可知，这五个图像的光谱特征完全一致，所以我们知道这是同一个物体的五个影像。现在大家看到了某个星系团透过引力透镜留下的非凡影像，这个星系团名叫Abell2218。现在大家都是专家了，应该可以在图中找出引力透镜的位置。这些都是位于星系丛之外的遥远星系，被扭曲得失去了形状。

所以你可能会问：那又怎么样？就算暗物质确实存在吧，可你为什么要关心如何绘制暗物质的地图？为什么关心引力透镜当中的暗物质究竟有多少？这个问题之所以意义重大，有一个非常有趣的原因。现在我向大家展示是某个宇宙区域的形成模拟，图中的光点都是暗物质，只是在模拟当中看上去像是在发光而已。暗物质不会附着在一起，也不会相撞，只会通过引力而聚集成一团。我们这里看到的正是宇宙结构形成的过程。暗物质通过引力形成形状，随着时间推移逐渐裹挟着普通物质形成团簇，就像我们看到的哈勃影像当中的结构。画面上的粉色光点都是成团的暗物质。如果暗物质真的像我们设想的那样是某种移动缓慢的粒子或者说冷粒子，那么这一类暗物质的首要候选人——我这里要道歉，因为天文学家喜欢用如此拗口的缩写——这种粒子被称为渺中子。我们目前还没有找到这种粒子，这让我们非常尴尬。我们知道暗物质如何分布的大量细节，但我们不知道暗物质的构成。所以我们要利用探测器。这是我的一位同事做的同一片宇宙区域的模拟。再说一遍，这些光点全都是暗物质，将它们标注成光点只是为了方便观看。如果暗物质是冷的而且不会相互碰撞，我们就该看到大量的聚集与结构；如果是另一种不同的、热的暗物质粒子，或者说运动速度没那么慢的粒子，那么暗物质就不会大量堆积，而是分布的更加平均。如果我们能够根据哈勃影像详细绘制暗物质的分布，那么我们就能区分这两种暗物质。这是我开始研究的问题。我们已经找了二十年还没找到暗物质粒子，但是我很乐观。与此同时我们也需要基于现有知识继续研究。我们目前的理论认为暗物质是冷的。

我从博士论文开始就开始研究引力透镜绘图的问题。我原本以为我会立刻出名，因为我会找到暗物质模型当中的危机，这意味着我会一夜成名。我一直努力工作了这么多年，都没有发现什么危机。这个模型确实非常好用，至少对于我们目前的测试精度来说非常好用。如果你能绘制暗物质的分布方式，我们就有机会分辨两种暗物质。现在我向大家展示一下目前我们绘制暗物质分布的成果。这张图是从上而下观看星系团造成的坑洞，你们看到像兔子一样的这部分形状，任何遥远星系的光线通过这片兔子形状都会形成多重影像。我们该怎么办？我们可以将其转换成暗物质地图。这就是暗物质分布图，可以看到图上有两个主要高点与其他许多小高点。我们真正想做的就好比绘制沙滩上的沙丘分布图，以此推导出单独一粒沙子的形状，这是我能想到的最好的比喻。但是目前我们还没有找到这样的暗物质粒子。

画面上是我们最新的成就，最前沿的领域，通过哈勃望远镜对于太空最深处的观察结果。这个观测项目的名称就叫做前沿领域项目（Frontier Fields）。我们观测到了一个非常巨大的星系团，导致了时空结构的极大凹陷，可以看到上千个背景星系都变形了。我们重构一下将光偏转到这种程度所需要的质量，就会留下这团蓝色物质，也就是看不到的暗物质。需要这么多暗物质才能导致哈勃望远镜观测到这样的影像。据此我们可以绘制一张地图，也就是我们上个月刚刚发布的，目前最详细的暗物质分布图。正如我刚才抖的那个包袱一样，这张地图显示的暗物质分布与冷暗物质模型的预测非常吻合。我刚才说过很多遍，我们依然没有找到暗物质粒子，所以目前关于暗物质探测有一项非常具有争议的主张，由一个意大利团体提出。科学成果必须接受重现测试，让独立团体采用同样的检测器与同样的研究方法进行分析，收集数据。三年之后我们就能知道他们的主张是否可靠。

许多不同的实验都没能得出结果，但是我依然很乐观，因为最近我们宣布发现了两个黑洞相撞产生的引力波，而引力波理论从提出到最终得到验证也只过了四十五年而已。话说至此，我们来谈谈另一个激进理念。这个理念与暗物质截然不同，因为最初并非通过经验方式提出。黑洞最早是个数学理念，是个对于爱因斯坦场公式的数学解答。所谓黑洞就是空间的形状围绕一个非常紧凑的质量点遭到扭曲，形成一个极其陡峭的坑洞。一开始谁也不相信黑洞是真的，爱因斯坦本人都不相信。他从来不相信自己的场公式可以得到准确解答，能有个近似解答就不错了。但是在爱因斯坦提出了广义相对论之后不出几个月，卡尔.史瓦西就得出了准确解答。不过此时人们依然相信这是个数学特例，谁也不相信符合数学描述的物体确实存在。早在将光视为粒子的牛顿经典理念时代，就有一位约翰.米切尔引申了牛顿的思想，主张或许会存在某种黑暗之星，这种恒星如此致密，足以吸引所有的光线而不释放出来。这并不是黑洞的本质，但的确是按照牛顿理论对黑洞本质提出的类比。至于黑洞这个天文学术语的提出最早可以追溯到1964年普林斯顿物理学家约翰.韦勒。再然后黑洞就成了真实存在的天体，我们真的发现了符合公式数学描述的宇宙天体。我在为写书做研究时意外发现黑洞这个名字来自印度，实际上出自一个非常悲哀的故事。这个名字来自一处监狱地点，当年有一位纳瓦布在这里监禁了一批东印度公司士兵。大量被俘士兵被强塞进极其狭窄的小房间里过了一夜，只有极少数人活下来，还有很多叙述主张一个人都没能活下来。所以所谓的黑洞就是一个有去无回的地方。这个故事早于爱因斯坦的理论以及数学解答，不过的确是对于黑洞非常恰当的描述。

为了理解黑洞是什么，有很多不同的理解方式，我喜欢借助逃逸速度来理解黑洞。逃逸速度就是脱离引力所需的速度。要想离开地球，需要让火箭的速度达到音速的300倍。对于黑洞这样的存在来说，逃逸速度必须等同于光速，换句话说就连光线也逃不出黑洞。回到爱因斯坦的时空概念，如果宇宙时空当中没有物质，时空将会是平的。恒星会导致时空凹坑，中子星也会导致时空凹坑。中子星远比恒星更加紧密，也包含更多的物质，而且密度极高，因此造成了更深的凹坑。而黑洞则会刺破时空结构。黑洞周围存在着可见与不可见的有趣边界，称之为事件视界，就连光线也无法穿透这道边界逃离黑洞。我再重申一遍，爱因斯坦广义相对论重新理解了物质与空间的关系。物质可以产生引力透镜，导致时空扭曲。我们可以这样认为：空间的曲度由物质的存在决定，而曲度的效果又决定了物质如何运动。

黑洞对于爱因斯坦的场公式来说是个非常有趣的解决方案。光线穿越了事件视界就出不来，物质就更不用说了。有趣的是，有些光线会绕着黑洞永远旋转，就像陷入但丁的林薄狱一样。如果往里推一把，光可能重新被黑洞捕获，如果往外推一把，光也有可能逃逸出来。在距离事件视界一定距离以外，光线或许只会偏转，然后继续前进。若是达到了被称作光子捕捉半径的距离，光就会永远围绕黑洞旋转。刚才我一直提到四维时空结构，黑洞的有趣一点在于时间的本质在黑洞附近也会遭到改变。从外界来看，如果物体掉进去，随着你掉入黑洞时间也会减慢。

这些说起来都很不错，但是黑洞实际存在吗？现在我们知道黑洞存在于每一个星系的中心，包括我们自己的星系。刚才我们看得都是真正的哈勃望远镜影像，现在我们进入了艺术家的想象领域，因为我们无法解像这些距离遥远的对象。这是艺术家关于星系中心黑洞的绘画。随着气体盘灌入黑洞，引力效果将会导致气体迅速运动，在这个过程中气体会被加热并且释放出X光。因此我们并非直接能看到黑洞，只能看到正在濒临死亡即将落入黑洞的气体以及其他物质。此外我们也知道黑洞会喷射出物质与能量。我们还知道黑洞在宇宙当中位于星系中心，这些是超级黑洞，它们的质量相当于太阳的100万倍。黑洞有两种存在状态。首先是进食状态，意味着气体正在落入黑洞，那么它就会发光，气体会发光显示黑洞的存在。这样的天体被称作脉冲星，这些非常闪亮的星体足以照亮宇宙的遥远距离。其次是绝食状态，就如同我们银河系中心的黑洞，附近并没有太多气体围绕，因此坐在那里什么都不做，只是偶尔捕获一颗恒星或者碰巧路过附近的其他。我刚才提到脉冲星是非常明亮正在增长的黑洞，可以比整个星系更明亮。现在画面上就是一颗脉冲星，假如我们移除脉冲星的光线就能看到容纳这颗脉冲星的星系。我本人的很多工作都涉及到如何理解最早的黑洞。宇宙当中的第一批恒星耗尽燃料之后很可能留下了黑洞。如果最早的恒星质量达到太阳的8到10倍就会变成小黑洞。问题在于如今的超级大黑洞比太阳沉重上百万到几十亿倍，从宇宙形成以来也没有足够的时间能让这些小种子长成这么大的黑洞，从而解释我们看到的脉冲星。我的许多同事以及我本人正在研究各种模式来看看巨型黑洞怎样能根据早期宇宙的条件而形成。

黑洞存在的最有说服力的证据来自于我们的星系附近。画面上是银河系中心黑洞附近的恒星，这个黑洞是太阳质量的400万倍。我们的数据展现了这些恒星的运动，可以看到它们的运行轨迹是完美的椭圆，像极了太阳系行星的运动。而大黑洞正是椭圆的一个焦点。这些都是加州大学洛杉矶分校的安德烈娅.盖兹团队取得的真正观测数据。目前关于如何理解黑洞的形成、生长以及黑洞对于附近的影响还有一些尚未解答的问题。我们正在寻找非直接的迹象，因为我们知道我们可以通过观测物质怎样落入并且喂食黑洞使其增长来获得黑洞存在的间接证据。这是我之前的一位学生做的模拟，可以看到气体落入黑洞，一个小黑洞正在此地成长起来，由红色像素标记。这个黑洞正在变得越来越致密。从侧面看它的气体盘，气体会逐渐涓滴落入黑洞。

我们知道在宇宙当中有些星系拥有广大的暗物质光晕，我们还相信每一个星系的核心都有一个黑洞。我们知道在宇宙的结构是层级形成的，首先形成小的星系，然后通过小星系的碰撞融合形成大的星系。两个小星系的融合不仅能形成一个更大星系，还会导致两个黑洞的相撞。这些闪光其实是黑洞正在进食。我们可以看到随着两个星系相互接近，黑洞不断进食，不断成长。最后两个星系完全相撞合二为一，恒星飞散得到处都是，两边的暗物质形成更大的光晕。问题在于两个黑洞会怎么样以及要花多久才能相互融合？这个问题之所以有趣，因为当两个黑洞融合时会发生非同寻常的事情。当两者最终融合时会产生某种撼动时空结构本身的震动。去年我们利用LIGO探测器第一次观察到了这种引力波，由两个质量相当于太阳30倍的黑洞相撞而产生。画面上展示的是两个超级黑洞的相撞，各自相当于太阳质量的上百万到几十亿倍。这种事件在宇宙当中或许发生得非常频繁，因为我们看到的一半星系都是通过较小星系相撞产生的。

这是我与合作者很久以前进行的计算，当时我们提出了较小的黑洞在两个星系相互融合的相撞过程中会如何旋转着接近、并且最终撞击较大的黑洞。大家可以看到这是俯视图，红色的部分就是黑洞的吸积盘。这个黑洞位于即将融合的两个星系其中之一的中心，附近堆积满了气体，现在我们即将投入一个较小黑洞，我们可以看到它旋转着冲入吸积盘，并且最终与一级黑洞相撞。

引力波非常难以监测，所以我们所以我们更希望能有某种释放光的迹象。不依靠时空结构的震颤，而是借助我们能够看到的光信号来告诉我们两个黑洞即将融合。光信号必须来自气体，正如我们所见，两个黑洞相互接近时搅动气体放出电磁波，这些电磁波指明了将要发出引力波的部位，因为两个黑洞即将接触。我刚才说过，我感兴趣的是位于星系中心的超级黑洞。多亏了十年之前我们在广义相对论计算方面取得的突破，现在我们可以预测这些信号看上去该是什么样子。我们知道引力波的频率大约是10到100赫兹。为了研究我感兴趣的超级黑洞，我们需要在太空当中构建LIGO级别的探测器，而目前我们还不可能探测这么低的频度。现在欧洲太空总署正在计划建造这一级别的探测器，代号LISA。我希望在我有生之年能够打开这扇窗户，让我们看到两个超级黑洞相撞产生的引力波。

你们可能会问，你花了一辈子的时间来研究以及证明这些不可见的天体的存在，你为什么对于这些看不见的东西如此痴迷？因为科学的进步方式是首先提出理论预测，然后进行测量来对照理论，然后发现两者不一致。我们的预期和理论预测与我们的观测结果之间不一致。这道鸿沟非常重要，而且我这样的人一直在寻找鸿沟。为什么？因为历史为我们上过非常有趣的一课。当初计算天王星的轨道时，结果与牛顿的计算有所偏差。当时还是十九世纪，一位法国数学家奥本.勒维耶指出这一点，导致了很大轰动，因为牛顿引力理论应当通用于全宇宙，神圣不可侵犯，怎么能够产生偏差？勒维耶指出，我们观察到异常应当是因为还有另一个天体，位于比天王星更远的地方，正在扰动天王星的运行。计算时要考虑到这个未知天体的影响。于是他预测了海王星的存在与位置。纳入海王星之后，天王星的运动得到了完全解释，牛顿定律依然完美无缺。类似的是，水星摄动的观测也与理论预测不太一致。同样偏离了牛顿的预测。于是勒维耶采用了同样的解决方案：还有另一颗行星，在太阳与水星之间，他称之为火神星。大家都在寻找火神星，但是火神星并不存在。你们现在都知道，这个非正常现象暗示着我们对于引力的理解存在着严重缺失，我们需要重新思考。要由爱因斯坦出手才能解释水星摄动问题。第一个案例当中鸿沟精炼了现有的理论，第二个案例则指明了崭新的理论。因此我这样的人试图找到鸿沟，看看目前我们是天王星的情况还是水星的情况。我们知道爱因斯坦的广义相对论在太阳系表现良好，在宇宙表现良好，因为光线偏转得到了准确测量。尽管如此，我们知道他的理论依然不完全，因为我们至今依然不能在量子层面上解释引力，不能从微观层面描述引力，因此我们的理论并不完全。目前的问题在于我们能不能找到鸿沟，指明全新理念的新道路。像我这样的人正在等待这样的鸿沟的出现。谢谢。