人類首張黑洞照片背後的科學與審美

摘要：從審美的角度來看《星際穿越》的表現是沒有缺陷的，用的是正科學，提到的黑洞、蟲洞、5維時空等等，都是科學研究最前沿、最重要的主題。不同人的審美觀、受的教育、見識各方面都很不一樣，所以要說科學跟美學的關係，這需要從科學角度去理解我們的審美到底是怎麼來的。

出品| 新浪科技《科學大家》

撰文| 張雙南中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心主任、中國科學院大學教授、“慧眼”天文衛星首席科學家

我們經常聽到的一句話：“藝術來源於生活高於生活”。藝術是什麼？我簡單下個定義：藝術是對生活的審美創造，與生活有關再進行創造，我們才能欣賞。

科幻是什麼？科幻來自於科技但高於科技。今天的科技做不到的事情，科幻可以做到，以什麼方式做到呢？以審美的方式做到，所以我認爲科幻是對科技的審美創造。

什麼是美？

談到藝術和科幻的時候，我用了共同的兩個詞，審美、創造，尤其是審美。既然談到審美，不可避免的會提到一個問題，到底什麼是美？這個問題可以追溯到兩千多年前蘇格拉底、柏拉圖和亞里士多德，師徒孫三賢一直在思考：什麼是美？直到現在依然沒有很好的回答。

如何回答這個問題？我認爲“沒缺陷、不常見”就是美，大腦審美需要有兩個要素：

第一，價值觀的判斷。審美對象是否符合你的價值觀，如果符合，就可以貼上“沒缺陷”的標籤，用語言描述就是自然、合理、真善愛，還有正能量，這些都符合正常人的價值觀。

第二，見識的判斷。如果我們的見識識別出審美對象是不常見的，我們就給它貼上“不常見”標籤，用什麼語言描述不常見呢？通常用的語言是別樣、不一樣、突出、出色、有個性、有氣質，還有最後一條洋氣，對中國人來講，洋氣是很正面的詞。

這兩個條件都滿足了，這個審美對象就是美的。

你可能會問到底有沒有“有缺陷”的“美”？我相信很多朋友的腦海裏面已經浮現出一個美麗的圖像。

斷臂維納斯，在美學理論上被認爲是殘缺美和缺陷美的代表。我請教過一些藝術家：爲什麼斷臂維納斯美？他們說因爲少了一隻胳膊。我接着問，那爲什麼沒有人追求殘缺美而弄掉一直胳臂呢？就沒有回答了！斷臂維納斯並不反映殘缺之美，因爲雕塑沒有實用功能，雕塑少了一隻胳膊不是缺陷，人少了一隻胳膊纔是真的缺陷。我們審美審的是藝術品，而不是藝術品的對象。有的作品描述戰爭，有的作品描述死亡，有的作品描述疾病，這些作品都可以很美，但我們都不會認爲死亡美、戰爭美、疾病美！所以別把審美的對象混淆了。

我們建立了大腦審美的兩個判斷條件後，是否能對所有的審美做統一的描述呢？沒缺陷、不常見的叫做美，如果沒缺陷很常見怎麼辦？我們做出的審美判斷就是“俗”。“俗”的東西沒有什麼毛病但因爲看的太多了，就會覺得它“俗”。

如果審美對象有缺陷，但這個缺陷也很常見，並沒什麼了不得的，你會給出一個什麼樣的審美判斷呢？這個審美判斷就是“醜”。

如果審美對象有缺陷，但這個缺陷以前從來沒見過，第一次見到這個缺陷，給你帶來的審美體驗你會這樣形容：“醜哭”，因爲太可怕了。同樣，如果審美對象一點毛病也挑不出來，從未見過如此完美，你會做出一個什麼樣的審美判斷？這就是常說的“美哭”，或者會用“美爆了”、“美炸了”，這是因爲你第一次經歷這種美。

接下來，我會結合科幻的經典之作《星際穿越》來講講審美創造是如何完成的。

這是這部電影中我特別喜歡的一張照片，父女相擁，仰望星空，背後是破爛不堪的農場，父女在思考人類未來在哪裏，下面兩張照片是男一號庫珀要出發做星際穿越任務時與女兒告別的場景，父女相擁難捨難分。

而當父親完成任務回到地球見到了女兒時，女兒已經比父親老了很多，再次相見時發生了天翻地覆的變化，電影對父女之愛的情懷詮釋讓我潸然淚下。

電影開始的時候，老布蘭德設計的任務是讓他的女兒，即女主女布蘭德到黑洞裏去獲取黑洞數據，爲什麼讓女兒去呢？不是因爲父親不愛女兒，而是因爲女兒是一個訓練有素的科學家，她能更好地完成任務。但是在女布蘭德接近黑洞的一瞬間，男主庫珀一把把她推開，自己義無反顧地進入黑洞。儘管他完成這個任務的可能性小得多，但是他仍不忍心讓他心愛的美女進去，因爲進入黑洞基本上意味着一去不復返，所以英雄救美的情懷讓愛穿越時空。電影最後的一幕，仍然是男主再一次出發去另外一個星球尋找女主。

電影的中心主題是要“進入黑洞”，爲什麼要到黑洞的中心去獲取數據呢？男主掉進黑洞後，進入一個5維時空，通過引力與地球傳遞數據。爲什麼要完成這麼危險的任務？原因在於黑洞中心處，科學崩潰了，現今最好的科學理論是廣義相對論和量子力學，而廣義相對論和量子力學在黑洞中心不可調和，兩個理論同時都失敗了。

爲了尋找能統一廣義相對論和量子力學的理論，需要找到檢驗統一理論的數據，這個數據就在黑洞中心，因此要到黑洞獲取數據裏探尋統一引力和量子的理論。這個科學的情懷讓我們高山仰止。電影的科學顧問把他的科學理想放到了電影中，這同樣是很多科學家的科學夢想：統一廣義相對論和量子力學。

從審美的角度來看《星際穿越》的表現是沒有缺陷的，用的是正科學，提到的黑洞、蟲洞、5維時空等等，都是科學研究最前沿、最重要的主題。人類的命運、父女之愛、英雄救美、英雄不死、還有大團圓，人類成功星際移民等等都傳遞的都是正能量，價值觀是人類共同的價值觀，表現的特別完美。

電影中各種懸念和包袱非常多，有人聽我講了《星際穿越》背後的科學之後，說張老師我看了好幾遍都沒搞明白，很多懸念到最後也沒弄清楚，電影一開始父女經歷的各種怪事，以及到最後隔空傳遞信息等等，這些橋段都很出乎意料，所以非常不常見。

這部電影的科學顧問基普·索恩做得非常好：利用黑科技，利用蟲洞穿越，引力傳遞信息等等，他是研究引力波的專家，他領導的團隊在地球上建了最大的引力波天文臺，《星際穿越》電影2014年公映，2015年他的團隊真的用他設計的儀器探測到引力波，2017年他獲得了諾貝爾物理學獎。

計算出來的黑洞Vs 現實的黑洞照片

《星際穿越》中的黑洞照片是通過計算機計算出來的，中途還發表了論文。這張黑洞照片是否真的沒有缺陷嗎？很多人會問：“這張黑洞照片並不黑啊，挺亮的，黑洞不是光都不發嗎？怎麼還會亮呢？”原因在於黑洞附近的引力太強了，空間完全扭曲，光線到了黑洞附近以後，光子不是一頭扎到黑洞裏面，也不是從黑洞穿過去，而是繞着黑洞轉圈，轉圈的過程就形成了亞穩態的光子暈，這些光子有可能掉到黑洞裏面，也有可能逃出去。因此如果我們離黑洞比較近，就會看到黑洞其實挺亮。

從這個角度講，這張照片是科學的。電影顧問基普·索恩帶領他的團隊，根據廣義相對論用超級計算機嚴格計算的黑洞的圖像，加了視覺的渲染，還因此發表了學術論文，團隊在電影製作的過程中同樣在科學研究上有收穫。

然而宇宙當中真的有黑洞嗎？上圖展示的是銀河系中心的恆星被拍下來的運動照片，標星星的位置處是就是一個黑洞，銀河系中心的恆星圍繞它做運動，根據恆星的運動可以計算出銀河系中心的黑洞質量是太陽的400萬倍，黑洞是真實存在的。

既然有黑洞，黑洞被拍出來是什麼樣子呢？上今年4月11號所公佈的黑洞照片引起了全世界的關注，照片一公佈出來就被很多朋友玩壞了。

這張黑洞照片告訴了我們什麼信息呢？這張照片花了兩年的時間，很不容易，照片中我畫黑圈的部分是黑洞所在的位置，那麼問題來了，黑洞不是黑的嗎？剛纔看到黑洞照片的周圍雖然是亮的，但是中心區域還是黑的，這爲什麼這張照片裏不黑呢？原因在於這是一個真實的黑洞，我們看黑洞照片的望遠鏡並不是理想的望眼鏡，有一定的模糊度，把本來黑洞周圍的光線模糊之後，就不會全黑。

這張黑洞照片通過視界望遠鏡拍攝，當然這不止一個望遠鏡，而是“攢”出來的望遠鏡，一堆望遠鏡一起配合。用多個望遠鏡組合起來變成一個大望遠鏡，組合的結果等效於一個地球大小口徑的望遠鏡，所以視界望遠鏡非常大。

我們中國有一個望遠鏡FAST：500米口徑球面射電望遠鏡，也被人叫做天眼望遠鏡，有的人問爲什麼不用天眼去看？天眼不是世界上最大望遠鏡嗎？最大的望遠鏡看的不是最清楚嗎？並不是。

我們比較一下天眼望遠鏡和分辨率和視界望遠鏡的分辨率，天眼望遠鏡的口徑是500米，視界望遠鏡的口徑卻是整個地球的大小，因此要大得多。另外一個原因是，天眼望遠鏡根本沒有參加這一次的觀測，爲什麼沒有參加？因爲它接收的頻率不對，它的波長比較長，而視界望遠鏡所用的波長短。結果是天眼望遠鏡的角分辨率比世界望遠鏡的角分辨率差了600萬倍，所以用天眼望遠鏡根本不可能看到黑洞的模樣。

哈勃望遠鏡是大家以前聽說過的角分辨率最高的，如果和視界望遠鏡的角分辨率比一下，也差了500倍，這就是爲什麼要用“攢”出來的視界望遠鏡來觀測黑洞，因爲它的分辨率是目前最高的。

我們有了用計算機計算出的理想中黑洞照片，也有了用望遠鏡觀察到現實中的黑洞照片，這兩張黑洞照片有多大的區別？上圖中左邊的黑洞完全是計算出來的，沒有分辨率的問題，後者受分辨率的限制，看着並不是那麼清楚。另一個區別是視角不同，理想中的黑洞照片是沿着赤道面的方向看過來，這時黑洞比較漂亮。現實中的黑洞是從頂部看過來，是俯視圖，黑洞沒有辦法讓我們“擺拍”，所以我們只能拍出這樣的照片。

在GMIC會場，新浪科技就外太空探索、科學的美學價值等問題採訪了張雙南教授。

新浪科技： 7月20日是美國登月50週年，前段時間，中國也宣佈已做好火星車，印度也發射了月船二號探測器，各國都開始展開新一輪太空探索，從科學家角度來說，您認爲爲什麼各國都如此關注外太空探索？

張雙南：人類共同面臨的問題就是被束縛在這個星球上，從現有的條件來看，在太陽系裏地球是非常好的家園，但是地球上的資源有限，終究人類還是希望能夠走出這個搖籃，這是人類集體的夢想。至於在這個時間點上，大家都同時提出重返月球也好，探測其他的天體，或者是早期提到的探索太陽系以外其他的星球，這實際是體現了人類整體的好奇心與夢想。

人類的好奇心就是：除了地球以外，其他星球人類到底能不能生存，太陽的外星球有沒有生命的跡象。實際上我們探索宇宙，探索其他的家園，未來離我們最近的、人類有可能生存的星球是火星，所以要探索火星。更遠一點的未來肯定還是希望能夠走出火星，走出太陽系，在更廣闊的宇宙空間中探索。

目前我們對宇宙空間的瞭解就是通過天文望眼鏡，但是獲得的信息有限，所以我們特別希望真正能到那個地方去，不僅僅通過望眼鏡來看，還可以實際探索。應該說人類在地球上仍然處於嬰兒期，我們仍然是以地球作爲人類的一個搖籃，所以將來我們一定是要走出去的。

新浪科技：您覺得科學跟美學之間的聯繫點在哪？

張雙南：談到科學跟美學的聯繫，我的業餘愛好也經常研究這個問題。我們做審美的時候，本質是做兩個判斷，一個就是價值觀的判斷，價值觀不同導致審美觀不同是很主要的一個原因；第二個思路就是是否能給我帶來驚喜，能夠帶來驚喜的是我們沒見過這個東西，這是我們的見識決定的，所以有些人看電影就覺得很精彩，有些人看了覺得很無聊，這是個人的見識不同所帶來的，所以有不同的審美觀。

一個是價值觀的判斷，一個是見識的判斷，這兩個判斷決定了你審美的時候能不能給你帶來美感。不同人的審美觀、受的教育、見識各方面都很不一樣，所以要說科學跟美學的關係，這需要從科學角度去理解我們的審美到底是怎麼來的。

從做科學的角度來說，有的科學家做科學研究的時候，常常有很多選擇，選擇哪個方向，哪種方法，哪些問題做研究，這是跟他的價值觀是有關係的，比如楊先生（編者注：楊振寧先生），他就特別追崇對稱性，所以在他的科學審美觀裏，對稱性特別重要，所以他常常選擇以對稱性爲主的研究。

也有很多人選擇不對稱性做研究，所以不同的審美觀可以帶來不同的科學觀，對選擇科學研究都會有一些指導性的作用。正是審美觀的多樣化，才帶來世界的多樣化，也帶來科學研究的多樣化，否則審美觀都是一樣的，那這個世界都是沒有美的東西，都是千篇一律的審美觀。多樣化給我們帶來世界觀的多樣化，本身就給我們帶來了美感。

新浪科技： 2016年，關於大型強子對撞機是否要建設，有一場比較有意思的爭吵，當時爭吵雙方討論比較充分，三年過去了，回頭看這次爭吵，您是如何看待這次事件呢？

張雙南：三年的時間並不算很長，三年的時間中，爭吵的雙方應該說都有了進一步的思考，雙方的觀點也沒有改變，反對的還是反對，支持的還是支持，所以雙方又進行了思考，觀念還是不一致。

在這種比較大的事件上，大家有不同的看法也並不奇怪，科學界經常對同一個問題有不同的看法，這既反映了對科學前沿的認識，也反映了不同的科學價值觀。所以這種爭議，從更多的角度來說，是把科學界的觀點讓公衆瞭解。其實科學界內部爭議一直都是有的，這一次建設大型強子對撞機爭吵事件，讓公衆瞭解了存在這種爭議，也讓政府在做大項目決策的時候，能夠聽到更多不同的聲音。從這個角度來說，我並不覺得這個爭論是不好的事情，應該是一件好的事情。

最終這個對撞機建或者不建，應該說雙方的觀點都擺得比較清楚，所以在這種情況下，我覺得將來政府做決策的時候，應該建立在信息比較透明、比較慎重的基礎上，這個決策現在已經有了一個比較好的基礎，雙方該說的都說得很明白了：有經濟的原因，有科學價值觀的原因，還有技術回報各方面的原因，雙方在幾個重要的方面都把觀念擺得比較成熟，所以現在如果要做決策，我認爲是比較合適的時間。

新浪科技：對於已經選擇天文專業的大學生來說，以後想在天文學繼續從事學術研究，您有何建議？

張雙南：從以前數據看，選擇天文學專業，本科畢業或者是碩博畢業不再從事天文研究的，也有一些，但比例不是那麼大，畢竟首先天文專業的學生比較少。最近二十年，中國的天文發展速度非常快，即使所有天文專業的學生畢業以後都從事天文，還遠遠不夠。這跟很多家長的理解不一樣，家長覺得學了天文以後，就是披着軍大衣，晚上在山上看星星值班，其實幾乎沒有這樣的，這樣人數可能佔天文學研究總體人數不到1%，這是大家對天文的誤解。

對於國外天文行業早就飽和了，所以國外學天文專業，無論本科也好，研究生也好，畢業以後，做天文學研究的比例不是太高，可能不到30%，大部分都到其他的領域，據我所知，學物理、天文和數學，去的最多是華爾街，因爲這個地方需要人有很強的關注力、解析分析的能力，建模型的能力。這些方面做得最好就是學天文、物理、數學這幾個專業。當然去互聯網公司，IT行業比例也是非常大，將來不管做不做天文研究，基本的科學素養對人一生都是有幫助的。