人类能给黑洞拍视频吗？火星能改造成地球吗？

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人类能给黑洞拍视频吗？火星能改造成地球吗？



2020年1月12日， 第二届腾讯青少年科学小会在北京清华大学新清华学堂举办，新一届小会全新升级，专门定制亲子专场，让家长陪孩子一起，开启探索科学的精神之旅。
腾讯青少年科学小会是一年一度面向全国青少年的科学盛典。科学小会与权威科学杂志 Science 合作定制“年度青少年科学看点榜单”，并邀请全球知名科学家对年度科学事件进行权威有趣的专业解读，激发中国青少年对科学话题的关注，引导青少年以科学家为新偶像、以科学探索为新时尚，葆有“世界一定有答案”的探索精神。
本次小会嘉宾阵容强大：有拍摄全球首张黑洞照片的科学家艾弗里·布罗德里克（Aveary Broderick）；有中国天文台副台长刘继峰；有我们中国月球探测工程首席科学家欧阳致远院士；有清华大学生命科学院院长王宏伟教授；有“搞笑诺贝尔奖”之父马克·亚伯拉罕斯（Marc Abrahams）；有用中文讲了23年化学课的牛津洋博士戴伟（David G. Evans）；有腾讯杰出科学家、腾讯量子实验室负责人张胜誉；还有全球顶学术期刊Science主编蒂姆·阿彭策尔（Tim Appenzeller）。
下面让我们详细看看这些科学大佬演讲的精华内容：
艾弗里·布罗德里克：未来还可以给黑洞拍视频


本次科学小会，还请来了参与拍摄全球首张黑洞照片的科学家艾弗里·布罗德里克（Aveary Broderick）教授。
艾弗里表示，在过去一年多，他都沉浸在兴奋中。全球45亿人看到过这张照片，他感觉这是不可思议的成就。黑洞照片不但出现在各大报纸头版头条，而且还被做成各种表情包。
艾弗里告诉大家，黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的、听起来非常恐怖和躲在黑暗处的奇异天体。黑洞中心有一个奇点，理论上拥有无限高的密度。物理定律在奇点出实效，这只能依靠能够结合量子力学和广义相对论全新的物理理论出现。
黑洞在形成的时候，会生成一个围绕它的“视界”，这是一个单向的通道，在这个边界之外才是安全的。同时，光线会在这里发生弯曲，可以形成“引力透镜”效应。虽然太阳也能使遥远的星光发生弯曲，但偏折的角度非常小。
从另一个方面看，有些黑洞不仅仅吞噬光线，而且还是宇宙中最明亮的天体。这是因为黑洞周围通常有很多气体物质和磁场，物质在围绕黑洞旋转和落向黑洞的时候会释放大量的能量，产生热量，使吸积盘炽热发光。
如果黑洞还在高速旋转，那么会带动时空、磁场以及物质进行旋转，旋转就会在吸积盘的两侧产生接近光速的喷流。有些黑洞可以达到上百亿颗太阳的质量，这些黑洞甚至可以主宰其所在星系的命运。
艾弗里表示，有时候他在睡不着的时候就会想，爱因斯坦的理论到底对不对？黑洞的魔力到底从哪里来？最直接的寻找答案的方式就是去观测，去观测物质掉进黑洞中的情况，但这通常非常困难。
在我们银河系中心，有一颗质量是太阳400万倍黑洞，直径达2400万公里，但距离我们更加遥远，达24亿亿公里，要想给如此遥远的黑洞拍照片，难度是非常大的。就算目前直径达30米的光学望远镜分辨率仍然还差很远很远。如果用射电望远镜，那么要求这台望远镜的直径向地球一样大！这听起来不可思议，但我们通过把分布在全球的射电望远镜进行同步，就能得到相当于地球大小口径的望远镜，这就是我们设计事件视界望远镜（EHT）的初衷。就这样，把不同望远镜搜集到的数据通过超级计算机进行整合，在电脑上生成一张黑洞的照片。
其实，这样类似的一个数据处理过程，天文学家应用了很多年。EHT把这个技术做得更加登峰造极，不仅仅要观测，还要记录每一个望远镜所观测到的光波的变化，这意味着我们要有原子时钟，因为确保每一个望远镜（观测到的）时间是完美同步。
事件视界望远镜搜集的数据数量非常惊人，每一个望远镜每一秒的数据生成是32GB，每一秒就生成一部高清电影，观测了几天之后，把数据硬盘加在一起可以有半吨重。
EHT望远镜通常都在一些比较干燥、海拔比较高的地方，因为水蒸气会非常影响我们望远镜的分辨率。
2017年4月5日，所有的八个天文台、所有的望远镜对准一个方向，就是星座当中的室女星系M87黑洞，第一次拍摄到了黑洞的核心，看到了黑洞旁边的光圈，还有视界。不要抱怨还是太模糊，这已经是我们所能拍摄到的最清晰的照片了。这颗黑洞的质量是太阳质量的65亿倍，非常庞大的一个数字。
科学家花了很多时间来理解引力到底是怎么样？这中间的阴影有多大？这个阴影是不是就是史瓦西半径？此前，我们已经通过其他方式计算出了这颗黑洞的质量，现在通过给黑洞直接拍照，算出的质量和此前计算出的质量吻合得很好。这再一次证明了爱因斯坦的广义相对论的正确性。
目前，EHT项目只是一张照片，但科学家并不满足于只拍静止照片，未来还可以拍摄做成视频，进一步验证爱因斯坦广义相对论。
刘继峰：中国发现最大恒星级黑洞 打破恒星演化规律


最大恒星级黑洞的发现者，中国天文台副台长刘继峰上台后，接着Avery Broderick的话题继续讲有关黑洞的故事，他讲的不是研究已经黑洞性质的故事，而是一个发现黑洞的故事。
刘台长首先讲了从米歇尔到奥本海默，从奥本海默到惠勒，从惠勒到霍金等这些人定义、命名和发现黑洞的故事。
刘台长告诉我们，黑洞其实是一个极端简单的东西，只需要三个物理量：质量、角动量、电荷，就可以完整描述黑洞。
天文学家对观测到的黑洞进行了分类。按照质量的大小，首先是那些恒星死亡形成几个太阳质量，十几个太阳质量，几十个太阳质量的黑洞，这是黑洞家族中婴儿级别的；每一个大星系的中间，几十个星系质量的黑洞家族的巨人。中间还有中等质量黑洞，但是目前还没有真正证实。
刘台长今天重点讨论的是恒星级黑洞，他告诉大家，恒星级黑洞是缺失的，银河系内才确定了20多颗！他说：“我们知道，宇宙中到处都有恒星，我们设想大质量恒星死亡形成的黑洞到处都是，理论预测，在银河系里有几千万到上亿的黑洞。现实是什么情况？研究了那么多年，我们在银河系仅仅找到近黑洞侯选体，真正确认的只有20多颗，这是一个恒星级黑洞缺失的问题。”
如何寻找黑洞？刘台长总结得很好：一听、二看、三找伙伴。
听，这个情形是什么？当有两个黑洞离的特别近的时候，他们会合并，会释放出来巨大的引力波。
看，你可以设想一个恒星当它离一个黑洞过近，黑洞巨大引力会把恒星的物质吸到它身上，形成一个吸积盘，这个温度非常高，可以发射非常明亮的射线吸引天文学家注意。
找伙伴，通过看伴星的运动来推知旁边有一个天体可以运动这个测量天体的质量，你就可以得知这个大于三个太阳质量的天体是一个黑洞。
刘台长借助国家的重大科学装置LAMOST，全称是大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，这是世界上光谱获取率最高的望远镜。2016年对开普勒一个天区中的3000多颗恒星进行了为期两年的光谱监测，发现了一颗非常特别的恒星，这颗恒星的质量是太阳的8.3倍。光谱观测发现，从这个恒星周围还可以看到一个神秘的“Hα发射线”，这个发射线不来自恒星本身，也不来自前景恒星和背景恒星，最终锁定这个发射线来自一颗看不见的黑洞的吸积盘。通过这个发射线的运动情况，就能定出黑洞与可见恒星的质量比，从而得知看不见黑洞的质量为70颗太阳！这是目前为止，人类发现的最大质量的恒星级黑洞。发现70颗质量的黑洞，对大质量恒星的演化提出了挑战。
刘台长告诉大家，这个工作说明：除了少数释放X射线量的那些面目狰狞的黑洞，还有很多深藏不露的黑洞。他们的下一步任务是找到更多藏不漏的黑洞，这就是他们提出的“黑洞猎手计划”，希望将来可以发现上百颗恒星级质量的黑洞。
欧阳致远：火星可以逐步改造成第二颗地球


欧阳致远院士大家都很熟悉了，他是中国月球探测工程首席科学家。他今天演讲的题目是：中国要飞得更远，要探索太阳系的星辰大海。作为探月首席科学家，他回顾了中国嫦娥四号着陆月球背面，展望了2020年中国的火星探测。
你之前有没有想过，我们为什么要到月球背面去？欧阳院士告诉我们，这是因为月球背面生活在地球上的人类永远看不到。此前，人类已经在月球成功着陆20次，但在嫦娥四号之前，全都是在月球正面。月球背面有很多独特的优势：1、能够进行低频射电观测活动；2、月球背面的岩石更加古老，能够研究月球更早的演化历史；3、人类探测器从来没去过月球背面，我们要去测出来月球背面的表面环境、近月空间环境，这些都是人类的未知领域。
随后，欧阳院士给大家介绍了如何在月球背面进行与地球通讯，利用的是一颗位于地-月拉格朗日2（L2）点的中继卫星做接力。他强调，月球背面不光没有外星人，甚至没有任何生命迹象。
欧阳院士提到，由于长征五号火箭的原因，嫦娥五号采样返回探测器推迟到了2020年年底发射，届时将会把月球的土壤样本带回地球。
2020年6、7月份，中国要向火星发射自己的探测器，这个探测器包含三个部分：首先有一个绕火星的卫星，还有着陆器，另外还有一个在火星表面行走的火星车。
他表示，全世界的科学家都有一个共同的认识，改造火星，让它变为第二个地球，月亮没有办法改造，太糟糕了，所以这是大家的共同认识。
他透露到，中国载人登月马上开始筹备了，另外还要建设月球基地，开发利用月球的资源。
我们都知道，6500万年前，一颗小行星撞击地球使恐龙灭绝，欧阳院士也提到了这一点，他表示，如果人类要想避免和恐龙一样的命运，就要去研究小行星。
除了研究月球、火星和小行星之外，我们还将进行木星的探测，甚至对其卫星进行探测。
探测太空除了能够满足人类对未知的好奇，当然还有更实用的一方面，例如太空采矿。欧阳院士告诉我们，小行星上有大量的矿产资源，有些小行星的产值可以超过全人类一年的GDP。另外，月球上有大量的氦3资源，嫦娥一号的调查表明，月球上的氦3资源至少能够保证全人类一万年的能源需求。
我们能否改造火星？欧阳院士表示，通过精细地探测火星当前的环境，人类一定能够把火星逐步改造成为青山绿水，环境美化的火星，变为人类第二个栖息地。人类也许要通过不止一个世纪的努力，可以将这个贫瘠的行星改造成人类第二个栖息地。未来我们人类将有两个栖息地，一个是地球，一个是火星，这样的话地球和火星将成为人类未来发展的姐妹共同体。这是科学家的梦想，但是所有这些寄托在年轻的孩子们的身上。
王宏伟：窥视生命的精细结构


王宏伟院长首先感慨天文学家非常了不起，能够用望远镜看到如此遥远的距离，但话锋一转，他对大家说，他今天给大家要讲的是从另外一个小尺度去看我们身体。
人类在过去几百万年一直用肉眼观察周边世界，但也一直对在更加微小的尺度上生命现象是如何展现的很感兴趣。
王院长向大家介绍，在越来越小的尺度上，我们可以看见越来越精细的结构，可以看到细胞，可以看到细胞核，核里面的DNA以及DNA更加精细的结构。但我们希望可以看得更加仔细，这样就能够对生命奥秘有更加精细的了解。
大约三百多年前，列文虎克他们开始研究光学显微镜，希望用光学显微镜的放大能力看到非常精细的结构，首次让我们得以看到细胞的存在。
今天的光学显微镜，经过几百年的发展已经越来越强有力，可以看到越来越精细的结构，还可以看到我们细胞里面非常多、非常有趣的现象。我们甚至能够看到一个细胞是如何分裂成两个细胞的，还可以看到白细胞是如何追逐细菌的。
如果我们想看到更加精细的结构，我们需要用透射电子显微镜，投射电子显微镜的原理和光学望远镜类似，只是把光换成了波长更短的电子束，发明电子显微镜的科学家还荣获了1986年诺贝尔物理学奖。
更上一层楼，科学家利用冷冻电子显微镜，可以看到更加精细的细胞结构。冷冻电子显微镜简称冷冻电镜，三位研究冷冻电镜的科学家曾获得2017年诺贝尔化学奖。冷冻电镜在过去几年间成为结构生物学的重要工具。
什么是冷冻电子显微镜？王院长给大家做了解释：冷冻电镜，是指生物大分子或者蛋白质分子起先呈溶液状态，每一个分子在溶液里做运动，把这样的一小滴蛋白质溶液放到电镜载网上，两个轻轻一夹，在夹层薄薄的水膜非常快碰到液氮的情况下，就形成了玻璃态的冰，刚刚蛋白质的分子被固定到薄薄的冰里面了。这样的样品我们把它叫为冷冻样品。这样一个样品放到投射电子显微镜中观察这叫做冷冻电镜。
冷冻电子显微镜加上计算机信息处理技术，就可以建立分子的三维模型，当模型细节足够丰富，就可以把蛋白质里每一个氨基酸怎么样摆放，某一个原子怎么样摆放到这个模拟里面，解析到这个蛋白质模拟对三维结构，冷冻电镜三维重构解析，这个方法叫做结构生物学。
除此之外，冷冻电镜可以帮助我们了解很多很有意思的生物学现象。
王院长给大家举了个例子，他告诉大家，辣椒之所以可以很辣，是因为辣椒里面有一种小分子叫做辣椒素，这些辣椒素与神经末梢的蛋白质TRPV1结合在我们细胞膜上面之后，让这个膜蛋白的通道打开，让细胞膜内部离子向内部流动，这个流动会产生电流，这个电流通过神经纤维传递到大脑里面让我们感觉到辣。同样的蛋白也可以对温度非常敏感，当温度很高的时候也会打开。我们在英文里面说感觉到这个东西非常辣（hot），其实这个说法是很正确的。
此外，王院长还列举了清华施一公团队对老年痴呆症蛋白质的结构解析，清华隋教授对光合作用中的捕光蛋白复合体的结构解析。还提到2019年中国利用冷冻电镜技术解析了世界上目前解析到最高分辨率、最大的猪瘟病毒的结构。
中国过去十多年里，建成了世界上最大冷冻电镜的设施，在冷冻电镜领域这些年取得了很多的举世瞩目的成就，引起世界的广泛关注。
马克·亚伯拉罕斯：好笑是搞笑诺贝尔奖的唯一标准


除了诺贝尔奖，大家也都听说过”搞笑诺贝尔“奖吧？今天，搞笑诺贝尔奖的创立者马克·亚伯拉罕斯也来到腾讯科学小会，做了精彩的演讲。
他在30年前就开创了搞笑诺贝尔奖，还有一本杂志叫做《不可思议研究》，去搜集那些让我们意外的东西，以及让我们一开始为之发笑、后来又让我们思考的东西，也就是乍看令人发笑，之后又发人深省的一些研究。
搞笑诺贝尔奖的评判标准不在乎是好是坏，也不在乎可能还是不可能，评判的标准就是这个研究是否能够让人发笑，让人感到有意思。
他举了获得搞笑诺贝尔奖的一些例子：企鹅排泄的时候会喷射出一股白色的线，有时候在照片当中可以看到这样的情景，有专家因研究企鹅排泄压力荣获搞笑诺贝尔物理奖。另一个例子是，有专家研究为什么端着接满咖啡的杯子容易洒出来，结果发现手、杯子和咖啡处于一种共同的节奏中，然后就容易洒出来。还有人因突发奇想，想让孕妇躺在高速旋转的桌子上进行分娩，这样能够让孩子在出生的时候甩出来，并且被一个网接住。甚至还有人研究“把羊拖过不同地形表面所费的力气”这样无聊的研究。
搞笑诺贝尔奖颁奖典礼是在美国哈佛大学，每年会从一万个提名当中选出十个。如果赢了搞笑诺贝尔奖，就会得到一个奖杯，每年奖杯都是不同的设计，可以看出共同点是都由非常便宜的东西打造而成。值得一提的是，当赢得搞笑诺贝尔奖在台上合照的时候，去握手、去拿奖杯的时候，颁奖人都是货真价实的诺奖得奖者哦。
他们也给一组来自中国、美国、澳大利亚的科学家颁了物理学奖。这些科学家测试了一个生物学原理：几乎所有的哺乳动作尿尿都是在20秒之内，从大象到小老鼠都是差不多的时间。他们说身体的大小不会影响排尿的时长。
这个团队还获得了另外一个奖项，他们去探讨了一下袋熊这种非常小，看起来非常奇特的澳大利亚的生物，为什么大便是方形的？他们搞清楚了其中的原理。此外，马克还举了其他一些获得搞笑诺贝尔奖的例子。
最后，他告诉大家，一年一度的搞笑诺贝尔奖每年9月颁奖，颁奖地点在哈佛，欢迎大家参加现场大会。如果你有让他搞笑的研究，也可以告诉他们，说不定下一个获得搞笑诺奖的人就是你。
戴伟：不懂化学的人容易被忽悠

在今年的科学小会现场，来了一位有用中文讲了23年化学课的牛津洋博士戴伟（David G. Evans）。戴伟1996年9月到北京化工大学，2002年被北京化工大学聘为特聘教授。
一上场，戴伟就给观众做了一个用二氧化锰催化双氧水反应放出氧气和生成水的实验，他告诉大家，做实验首先要注意安全，要戴好护目镜。
紧接着，他介绍了化学的重要作用，他说，150年前，英国人出生时的预期寿命是50多岁，现在是接近80岁，有没有产生这种疑问？如果我们可以排除化学的不良作用，我们都可以活到100岁，是这样吗？为什么150年前这个寿命是40岁、50岁左右？首先是饮用水不干净、粮食不够、传染病没有办法治。这三个大问题怎么解决？就是靠的化学家。
1、饮用水不干净是由化学家解决，用漂白材料以及氯气等消毒过的水是干净的；2、营养不足谁解决呢？就是化学家。科学家把氮气想方设法变为氮肥，你们可以说，我不要你的化肥，我吃绿色食品就行，但是全球的人口七十亿人，如果都说我不要化肥就吃绿色食品，恐怕50%的人就饿死了，粮食根本不够；3、传染病谁解决？也是化学家来发明很多新型抗生素。
他向大家透露，北京化工大学国家重点实验室发明了很多有用的材料，其中一种三明治结构的材料用途非常广泛，从塑料大棚到电线的阻燃剂，从阻燃剂到沥青路面的保护等。
在生活中，不懂化学的人容易上当，戴维说，碱性水25块钱一瓶，普通的水1块钱一瓶，对你人体的效果一样。还有许多商家宣传不含化学成分的化妆品，这是不可能的，不用多花钱买很多所谓不含化学物质的化妆品。另外，戴维还纠正了我们一个错误的想法，那就是“天然的就是好的，人工的就是不好的”。他举例说，森林中的蘑菇都是纯天然的，没有化肥农药，但如果不是蘑菇方面的专家，你敢吃吗？有些纯天然蘑菇吃一口要死人的。
2011年开始，戴维跟小朋友们做实验，几十人跟他们一起做实验，然后跟几百个人演示实验。两年之前，他们开始用最先进的平台——短视频的平台传播化学，让更多的人了解化学。
张胜誉：“遇事不决，量子力学”？具体问题具体分析


“遇事不决，量子力学”，张胜誉以这句最近比较流行的段子开头，引大家会心一笑。他表示，当然不是什么搞不定的事情往量子上一靠就搞定了，但社会上确实出现了像“量子波动速读”这样的伪科学概念。
张胜誉告诉大家，量子力学主宰的领域和经典力学不一样，微观世界有很多有趣的现象。他分别给大家讲了量子叠加态、量子力学中的测量问题以及量子纠缠的原理。紧接着，他开始讲到量子计算，量子计算机在某些方面有普通计算机无法比拟的优势，例如，大数分解。量子计算机不到一分钟就能算出的东西，经典计算机算到天荒地老都未必能算得出来。这样的话，以大数分解为基础的密码就很容易破解。
他给大家划了一下重点，并不是所有问题量子计算机都可以迎刃而解，很多问题我们理论上知道，量子计算机没有帮助或者有帮助并不是特别大，我们明白有一些计算问题量子计算机有问题，有一些没有帮助，所以整个量子计算就是研究这样一些根本问题，就是哪些计算问题量子计算机有帮助，有多大帮助及我们如何实现这些帮助，这就是量子计算的根本性问题。
量子计算整个再往下发展，会有很多的方面远远不止密码学的影响，还有其他应用，人工智能、物理、化学、制药、材料等等，腾讯量子实验室也在刚才所说的这些方面一直努力的持续探索。
除了腾讯，有很多的国内外的大的企业都在这个方面持续一起携手发展。他举了一个例子就是AT&T贝尔实验室，30年代发明的晶体管、纠错码、信息论、太阳能电池、激光、CCD、Unix操作系统，你学习了编程就会熟悉“C++”这样的编程语言等等，整个历史有九项工作夺得了诺贝尔奖，四项工作夺得了图灵奖。
为什么有这样的现象？学术界到企业，企业做基础科研有没有自己的可能性，企业做科研有很大的优势，有自己的一些特点：
第一，从很多实际产业问题出发作为一个重要的而且是一个真实的推动力有很多的实际场景以及数据；
第二，可以有更多的专业背景人放在一起密切的交流。一些现实问题像撰写论文以及申请基因压力比小，日常的事务效率比较高。
最后，他表示，持续推动科学家前进的，不是说求名或者是求利，也不是说求说话有一言九鼎的权威感，更不是说得到生活上的特殊待遇。而是追求一种真，一种美，一种对万世万物更深刻的理解，一种对人类生活更有意的改变。
蒂姆·阿彭策尔：科学是人类文明进步的基础动力

Science主编蒂姆·阿彭策尔（Tim Appenzeller）登台演讲。他首先向大家介绍了Science杂志的特点。他表示，大部分科学相关的杂志或期刊都是选择一个比较小的主题，比如只写关于细胞的信号，或者关于鸟类的文章等等，但Science不太一样，Science覆盖科学的方方面面。
Science每年年末都会选出年度重大科学发现，每年都可以看到非常多的新工具、新科技出现，这给了科学家新的方式探索自然界。还可以看到来自不同领域的专家，来自不同国家的科学家彼此合作，他们的新想法进一步推动了科学进步。
蒂姆给大家举了人类起源相关进展的例子，他表示，我们是从哪儿来的？以前科学家只能依据化石零零碎碎拼凑出来我们祖先的故事，这些大部分化石来自于非洲以及欧洲。
十年前，科学家在西伯利亚山洞中发现丹尼索瓦人化石，通过DNA分析这块化石，可以生成丹尼索瓦人的样子，他们脸孔比较空，牙齿比较大，下颌比较大，古人类脸庞的重现，靠几个分子就可以做出来了。这让我们看到了全新古人类起源的故事。
稍后，蒂姆探讨了基础科学与技术进步的关系。他表示，科学驱动经济，但科学回报不一定会来得非常快，现在的AI让智能手机变得非常智能，但这并不是来自于工程师，是来自于基础科研的结果。
今天，锂电池在生活中非常重要，不但每天点亮着我们的手机，更能驱动长续航电动汽车，其实锂电池来自于70、80年代基础科学对材料的研究。
2013年，癌症免疫疗法取得了突破，所谓的免疫疗法是指，通过我们自身的免疫系统，不做手术、不吃药来抗击癌症。这在当时是一个非常前沿的领域，没过几年，现在已经进入了临床实验阶段，甚至有一些癌症已经能够被免疫疗法所治愈了。
最后，蒂姆讲到大家都比较熟悉的“人类直接探测到引力波”的故事。他表示，人类利用激光引力波干涉仪（LIGO）探测到13亿光年之外的双黑洞合并事件，这表明了基础科学不仅仅是为了治病救人和现实应用，还能够用于探索宇宙。

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这么大的吗，不太懂

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