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写在人类首张黑洞照片发布之际

-----地球上还有很多问题没有解决,为什么要去研究不着边际的黑洞

时间:2019-04-28 08:56:51     高宏

事件背景:北京时间2019 41021时,包括中国科学家在内的全球多国科研人员合作的“事件视界望远镜”项目发布了人类有史以来首张黑洞照片,这张黑洞照片来自于室女座星系团中一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年,质量约为太阳的65亿倍。

一时间朋友圈被这张照片刷屏了,大家都在转载来自各个门户网站的消息。一周时间过去了,我发现这件事在逐步的降温。很多曾经转发的人也早已忘记还有这么一件事,实际他们转发时也仅仅是为了蹭个热度。关于这件事在科学上有多大的意义,相关专家们已经说得非常清楚非常好了,作为一个业余天文爱好者笔者没有兴趣也没有能力再去解读。笔者是一位教育工作者,写这篇小文的目的就是想用高中生可以理解的语言,从更大的视角以及更长的时间维度上向学生们普及一下这件事的意义,正如文章的副标题---地球上还有很多问题没有解决,为什么要去研究不着边际的黑洞。

一、推动人类科学和技术进步的最底层逻辑就是源自内心深处的好奇心和想象力。

在大英博物馆收藏着一件距今200万年前的石头--奥杜威砍砸器,这是大英博物馆800万件文物中历史最久远的一件,这块石头的主人是非洲大陆上最早期的一群人类,这或许可以看成人类最早期的科技成果了。

从这块石头开始人类不断发展科技,造出了埃及金字塔、万里长城,发明了各种各样的新奇工具,又天才的提出了牛顿力学、量子力学、相对论等各种稀奇古怪的理论,而且这些理论最终都被一一验证。    

但是如果我们深究一下的话,这些技术和科学理论最初发明或者提出时都没有明确的目的。比如400年前有一个叫伽利略·伽利雷的意大利人,用自制的望远镜观察月球、木星、土星环等天体的运行规律,还发现木星土星都有卫星;然而当时的伽利略并不知道这些观察会导致后来牛顿力学的诞生,而且因为强调真理源自实验和观察(这是赤裸裸的对神的否定),伽利略晚年受到教会的迫害在贫病交加中死去。今天无论我们如何强调伽利略的贡献和成果都无法掩盖一个事实,就是在当时大多数人认识不到伽利略研究的意义,甚至伽利略本人也不知道他的研究会对后世产生如此巨大的影响,伽利略所做的仅仅是对真理的坚守,而这一切的出发点也仅仅是对未知世界的好奇心而已。再比如,爱因斯坦的相对论提出后,有人据此就推论出黑洞的存在,但是爱因斯坦自己也不相信黑洞这种神奇天体的存在,如果爱因斯坦有幸活到今天的话,不知老人家作何感想呢?

今天人类首张黑洞照片公布后,大家最常见的一个问题是:研究这玩意有什么用?其实研究的人也不知道有什么具体的用途,但根据过往的经验我们知道这件事一定会触发基础物理学理论的进一步深化和完善,这将会在未来创造出不可思议的技术带领人类迈上一个更高级的文明形态。

所以就这个意义上讲,科学研究是一种只管耕耘不问收获的活动,驱动它前进的动力就是源自人类骨子里的对未知世界的无穷无尽的好奇心。而反过来如果我们只在意科学研究活动是不是能带来眼前利益和现实场景中的应用的话,很多前沿的科学研究都是不能创造现实价值的,如果全体人类都这么短视的话人类的科技就不可能进步,最终就会出现技术停滞,受害的也将是全体人类。

二、发展科技是解决人类所有问题的唯一途径。

今天的地球上有70亿人口,很多人担心人口越来越多,总有一天地球母亲会养活不了这么多人口,可是仅仅在2万年以前人类还像今天的大熊猫一样是一个濒危物种。这2万年期间人类到底做了什么,成为了今天地球上无可争议的霸主,其实只做了一件事就是发展科技,不断解决人类面临的各种问题。

大约10000--6000年前,人类发展出了农业的各种技术,成功解决了人类的吃饭问题。后来又发展出了各种生物医药技术,消灭了很多严重威胁人类生命的疾病(例如天花、黑死病等)。人类历史上这样的成就不胜枚举,但有一点是共同的,就是这些成就的取得都是靠科学技术的进步。自工业革命之后这条脉络就更加清晰了。哥白尼、伽利略、惠更斯等人对天体运行规律的观察直接启发了牛顿对世界本质的认知,牛顿天才的提出了牛顿力学,后来的科学家又不断的往这座大厦上舔砖加瓦,最终构成了经典物理学体系,直到今天我们的大多数生产生活活动都离不开经典物理学的指导。这里我们可以假设一下,如果没有牛顿力学,人们也可以造出一些小桥梁,但绝对造不出港珠澳大桥这样的桥梁。在没有现代科学的年代,一些好奇心强的人也捣鼓出了火药这样的东西,也能发明出早期的火枪火炮,火枪火炮相对弓箭威力巨大,但是在现代的核武器面前简直不值一提,而如果没有现代科学做基础人们绝对造不出原子弹、氢弹这样的核武器。

梳理人类过往的科学技术的演进路线,我们会发现这样一条清晰的脉络:一群充满好奇心和想象力的人不断的提出一些看似不着边际的假设和稀奇古怪的问题以及一些脑洞大开的创意;然后有另一群同样充满好奇心和想象力的人不断的发明新的方法和技术来验证这些假设完成这些创意。在这个提出新问题解决新问题的过程中就诞生了各种理论工具和实用技术,这些理论工具和实用技术反过来就会重新改变我们的生活塑造我们的社会。这方面的例子比比皆是,比如为了解决航天员太空行走时的如厕问题而发明的纸尿裤,如今成了小宝宝们的标配;为了解决航天器上的食物加热问题而发明的微波炉,今天家家必备。如果说上边两个例子只能算是小打小闹的话,下边举的三个例子可就和人类的整体命运息息相关了。第一个例子是臭氧层空洞的发现,科学家在研究火星大气中的化学反应时,发现氟利昂会在紫外光线照射下分解,然后破坏臭氧层。而探测发现,火星表面缺少有机分子的原因,就是因为火星有一个巨大的臭氧层空洞,紫外光线直达星球表面,破坏了大多数有机物。如果火星上有空洞,那地球上呢?科学家马上观测,果然地球也有一个空洞。幸运的是,我们发现得还算早,这个空洞还远不及火星的大,我们还有时间进行补救。可以说,如果没有火星的研究,我们还要更长的时候,才能发现臭氧层的问题。第二个例子是“温室效应”的发现,科学家在研究金星时发现,金星就是个大火球,星球表面温度特别高。金星又不像恒星能自己发光发热,温度为什么会这么高呢?为了解释这个现象,科学家们提出了好几个假设,其中就包括“温室效应”。一开始,“温室效应”假设并没有得到广泛的认同。但随着探测器逐渐深入金星的大气层,探测数据最终证实了“温室效应”假设。金星残酷的环境不仅是对温室效应最有效的例证,同时也是对人类最有效的警告。它告诉我们,如果放任温室效应发展,那地球的表面,很可能就会变得像金星那么恐怖。第三个例子也许会让你感到意外,那就是:“核冬天”理论的提出。没错,“核冬天”理论也是在对行星的研究中提出的。科学家在研究火星时,发现在一场全球性的风暴期间,火星的地表温度比预期得要低,而高层大气的温度比预期的要高。这是为什么呢?科学家解释说,风暴的沙尘阻挡了阳光,导致了火星表面的降温。那类似的,几位科学家预言,大规模的核弹爆炸也会产生大量烟尘,阻挡阳光。根据计算,烟尘会在大气中存在十年以上,地球表面温度将会降低数十度。在这样的环境中,人类和地球上的其他动植物,都有可能濒临灭绝。“核冬天”理论的提出有效避免了超级大国之间可能出现的核战争,维护了全体人类的共同利益。

看完这些例子,大家就明白了研究地球外的各种天体,看似不着边际,实际却有很重大的科学意义和现实价值。在这个意义上我们再来看2019年410日发布的这张黑洞照片就会有不同的感受了。这张照片完美的验证了爱因斯坦的广义相对论,根据上述逻辑我们坚信将来人类在广义相对论的指导下一定会诞生出更多更牛的新技术,创造更加灿烂的文明。

三、地球资源终将耗尽,星际移民是人类的必然选择。

位于东南太平洋上的复活节岛,在南纬27度和西经109度交会点附近,面积约117平方公里,现属智利共和国的瓦尔帕莱索地区。复活节岛上遍布近千尊巨大的石雕人像,石像一般高5-10米,重几十吨,最高的一尊有22米,重300多吨,有些石像头顶还带着红色的石帽,重达10吨。这些石像的存在说明复活节岛上曾经有相对比较高级的人类文明,但后来随着岛上资源的枯竭,文明也就随之衰落了。

1990年214日,正当时旅行者1号太空船刚完成其首要任务之际,美国国家航天总署发出指令指示太空船向后看以拍摄它所探访过的行星。 美国国家航天总署最终从这个动作中编译出60帧照片,辑成了一幅太阳系全家福。当中一张照片刚好把地球摄于镜内。地球在这张从40亿英里外(64亿公里外)拍摄的照片中,只是粒状的一个渺小"暗淡蓝点"

从宇宙视角看来,地球就像星辰大海之中的复活节岛一样,如果人类固守在地球这个“孤岛”之上,总有一天地球资源会耗尽,地球上的人类文明也会像复活节岛的文明一样陷入消亡的境地。因此人类必须发展出更高级的文明形态,储备好星际移民的所有技术。最终飞出地球飞出太阳系飞出银河系找到新的家园,延续和发展人类文明。

即使不从离开地球这个角度看,努力发展先进科技也有现实的紧迫感。太阳在宇宙众多恒星中非常的普通,构成地球和地球生态系统的化学元素在宇宙中也随处可见;因此,像人类这样的高等级智能生物在宇宙中应该不会是个孤例,只是我们目前没有发现他们而已。如果宇宙中真有大量高等级智能生物存在的话,这些生物应该是竞争的关系,不管地球上的人类愿意与否,所有的高等级生物应该都在发展自己的科技。如果人类在这场竞争中处于劣势的话,等待人类的或许是一场灾难。几百年前来自欧洲大陆的殖民者登上美洲大陆后,依靠枪炮、钢铁、病菌几乎把这片大陆上的数千万印第安原住民消灭殆尽,面对殖民者的枪炮,美洲印第安原住民毫无还手之力。如果人类不努力发展自己的科技,真的有一天来自外星的先进文明来袭,人类就只能束手就擒、任人宰割。当然,文明形态越高暴力倾向越低,也许到来的外星文明是来帮助我们的,但我们依然要有足够高级的科技水平才能接受他们的帮助。这就好比要教会一群印第安人高等数学是有可能的,但要教会一群猴子高等数学是绝无可能的。如果我们和某一个前来帮助我们的地外文明差距太大的话,有可能连被帮助的资格都没有。

四、未来一定属于那些有冒险精神和开拓精神的勇敢者。

500年前开始的大航海,开启了人类的新纪元,一群富有冒险精神的人,冒着生命危险漂洋过海来到新大陆,建设新的家园,正是这群人后来开创了美国。沿着这群人的足迹,人类后来又登陆了南极,登陆了澳洲,登上了月球,向火星发射了探测器,不久的将来还会登陆火星。

所以当埃隆∙马斯克提出要在火星上过退休生活的时候,我们可以不相信,但绝不要嘲笑这种人,因为无论今天看起来多不靠谱的想法在未来的某一天会可能就会变得稀松平常。哥伦布发现新大陆的时候,绝不会想到这里会诞生一个方方面超越欧洲的美国。

今天在中国的网络上有很多人质疑我们的探月工程、FAST(中国天眼)、量子通信等高科技项目。最常见的理由就是研究这些有什么用,为什么不能把这些项目花的钱发给贫困户。看完这篇文章大家应该可以理解,持这些观点的人要么是见识短浅,要么就是别有用心。因为历史的原因中国人已经错失了前几次科技革命,现如今在中华民族即将实现全面复兴的历史关头,中国人必须要站在人类科技的最前沿,大力发展科学技术,这既可以解决中国自身面临的问题,也可以把人类的整体科技水平提升到一个更高的档次。

2020年国际空间站将到期退役,与此同时中国的天宫二号空间站正在有条不紊的建设之中,届时中国将成为唯一一个拥有空间站的国家。2030年前后中国航天员的足迹将踏上月球,虽然美国宣布2033年前后将派人登陆火星,但中国人一定会紧随其后登陆火星。也许在我们的有生之年就可以见证第一批勇敢者移民火星的壮举,如果你对此表示怀疑的话,请回望一下500年前的哥伦布。火星与木星之间的小行星带蕴藏着大量的宝贵资源,很多小行星是由一些地球上非常稀缺的贵金属等元素构成的,第一批移民火星的先民可以捕获小行星加工成原材料卖给地球,展开轰轰烈烈的星际贸易。就像当年五月花号上的先民到达美洲大陆后,种植棉花饲养绵羊,然后把棉花和羊毛卖给欧洲大陆一样。展望一下人类漫长的星际移民历程,移民火星仅仅是个开端而已。

结语2015年中国科学家提出的“天琴计划”开始实施,该计划设想在距地面10万公里的轨道上发射三颗等距的卫星,构成一个臂长17万公里的巨大引力波探测器,这个引力波探测器也可以虚拟成照相机,“兼职”为黑洞拍照片,而且拍出的清晰度会远高于上周发布的这张,相信在不久的将来我们就会看到属于中国人自己的也属于全人类的黑洞照片,甚至是关于黑洞的有声电影。人类的发展史就是一部不断开拓创新的历史,固步自封只关心眼前利益是没有出路的,发展科技进行星际移民更好的利用全宇宙的资源是所有高等级文明的必然选择,这就是我要告诉你的人类首张黑洞照片背后蕴藏的道理。