2023年诺贝尔物理学奖预测：首张黑洞照片？ | 周思益、柳俊含

2022年诺贝尔物理学奖颁给了Alain Aspect, John F. Clauser 和 Anton Zeilinger 三位物理学家，以表彰他们“利用纠缠光子进行的实验，证伪了贝尔不等式，并开创了量子信息这个领域”。马上就要到今年的诺贝尔奖公布的时间了，每年诺奖公布前，都会有很多人预测诺奖将要颁给的领域（有的人甚至直接大胆猜测会颁给哪个科学家），这个话题通常会受到很多人的关注，各种观点众说芸芸，我们看到有一部分人认为今年会颁给量子光学，一部分人认为今年会颁给凝聚态，理由竟是“21世纪是凝聚态的世纪”，这也非常有意思，还有各种各样的观点将讨论推向高潮。作为物理学者，我们也选择发表一下自己的观点和猜测，加入大家的讨论中。

首先先说下我们的猜测，再说想法和理由，最后说这项工作的原理。我们认为今年的物理诺奖可能会颁给拍摄黑洞的工作，具体来说是2019年Event Horizon Telescope（EHT） 事件视界望远镜拍摄了人类首张黑洞照片。

这项工作与2015年LIGO团队首次探测到引力波都是在天体物理中非常具有标志性的工作，而2017年的诺贝尔物理学奖颁给了引力波探测的工作，所以我们认为今年的诺贝尔物理学奖有非常大的可能颁给拍摄第一张黑洞照片的工作。至于具体会颁给哪个科学家，这个很难说，因为这是一项集许多科学家之力取得的成果，给每个参与的科学家都颁奖是不现实的，如果诺奖真的颁给这个工作，那么得奖的应该是团队中的一些核心人物（参与这项工作的关键人物），就像 LIGO 引力波探测成果一样，颁给了Rainer Weiss、Kip Thorne和Barry Barish 三位物理学家，而这三位都是 LIGO 团队中的核心人物。

黑洞是爱因斯坦广义相对论中预言的一种极端天体，它的引力大到光都无法逃脱，那既然连光都无法从中逃脱，我们是怎么拍到它的照片的？实际上，说光无法逃出黑洞，是指光线无法逃出黑洞的事件视界（Event Horizon），事件视界之外的光线并不会全部被黑洞吸收，有一部分是可以逃逸的，另外，黑洞强大的引力会使得靠近它的物质在被它吸入前围绕它高速旋转，形成吸积盘（Accretion disk），在形成吸积盘的过程中，这些物质因为引力势能和各种机制的缘故会进行摩擦，被加热到很高的温度，发出强烈的光，这是我们可以看到的，这张黑洞图片刚公布的时候，很多人吐槽拍的太糊，质疑 EHT 的科学家偷懒不好好工作，这是错误的，实际上这张图片耗费了 EHT 诸多科学家非常多的精力和心血，为了“冲洗”这张图片（这里的冲洗主要指计算成像，就是给黑洞洗照片，简单来说，用计算机算法，每次提取一张可能满足观测数据的图片，然后用观测到的数据与之进行对比，如果这张图片达到标准，就放到图片集合中，达不到标准就丢掉，反复地重复这个过程，直到找到一组能够达到标准的图像的集合，最后就得到了一组可以表示图像概率分布的图片，从而就能够精确理解这个图像具体是什么样的）他们花费了两年多的时间，不仅要考虑各方因素，为了拍摄这张图片，他们的望远镜被建到了地球上的各个地方，甚至是寒冷的南极洲处，他们们制造了一个口径和地球一般大的望远镜。准确来说，是一个遍布全球的射电望远镜网络，那为什么这么大的望远镜，却拍不清一个黑洞呢？这个黑洞虽然体积很大，但是距离我们非常远，足足有 5500 万光年，要知道，银河系的直径也才介于 10 万到 20 万光年之间，5500 万光年几乎相当于500倍的银河系直径了，可想而知是多么的远。

拍摄黑洞需要用到射电望远镜，而不是常规的光学望远镜，需要利用一种计算成像技术，简单来说，就是通过测得的黑洞附近辐射分布的数据，整合成一个深度生成模型，利用深度学习的技术，生成我们想要的图像（符合事实的图像），不过如何得到这些数据，是一个问题，这个黑洞是距离我们是如此之远，想要观测关于它的数据，需要建一个口径特别大的望远镜，利用一种名为“甚长基线干涉技术”的技术，可以实现望远镜之间的数据互联，具体原理是通过运用电磁波的干涉原理（射电干涉），用多面天线组成射电望远镜阵（我们上文称之为“射电望远镜网络”），并同时观测同一个目标，则观测结果为多面镜的干涉结果，就相当于扩展了望远镜的总口径，从而得到很高的分辨率，简单来说虽然不能用一个小口径的望远镜代替大口径的望远镜，但是可以用多个小口径望远镜同时观测一个天体，以此来模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的大口径望远镜的观测效果，所以几乎可以看做我们建了一个口径与地球差不多的射电望远镜网络，有了合适的射电望远镜，我们就可以测黑洞的数据，然后将观测到的数据传给计算机进行数据处理，就可以提取出一个有效的黑洞图像，也就是我们看到的那张黑洞照片。