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[ 文章分享 ] 算出黑洞照片的科學家 凱蒂.包曼:「僅管未知,還是要踏出第一步。」

2019-04-12
包曼與所使用的硬碟合照。照片來源:BBC

4 月 10 日,人們首次看見黑洞,像宇宙裡的甜甜圈。團隊重要人物是來自麻省理工學院的研究員凱蒂·包曼(Katie Bouman)。 前年,她已在 TED 分享這個拍黑洞的故事。 她說:「宇宙裡最壯觀的事物,是肉眼看不見的。」而她的熱忱,就是讓看不見的事物被看見。

2019 年 4 月 10 日,人們第一次看見黑洞的樣子,就像宇宙裡的甜甜圈

很多人好奇,這張照片是怎麼拍出來的。團隊中的一位重要人物,是 29 歲的電腦科學家凱蒂.包曼(Katie Bouman)。她所負責的是拍攝黑洞所需的演算法。BBC 將她喻為「黑洞影像背後的女性推手」不過,早在前年,包曼就已公開在 TED 分享團隊的經驗。在計畫進行當時,她還是博士生。

“ 「我的名字叫做凱蒂.包曼,我是麻省理工的電腦科學博士生,專長是電腦視覺(computer vision),這是一門研究讓電腦透過影像,能夠看見、識別事物的科學。雖然我不是一個天文學者,但我還是想告訴你們,我如何參與了這個找到黑洞的專案。」 ”

故事的起點,發生在六年前。那時人們對黑洞的想像,還只存在於研究室裡。

「先讓我們看看滿天星斗,沿著銀河螺旋,往前 26000 光年,你會在中心點,找到一群星星。科學家們已經研究了這群星星長達十六年。科學家們發現,它們都繞著某個又小又重、卻看不見的事物轉。」

宇宙裡最壯觀的事物,往往是肉眼看不見的

它就是所謂的「超大質量黑洞(supermassive black hole)」。它的密度極大,也會將身旁的一切東西都吸進去,連光線也是。

因此,當時的科學家推測黑洞所在之處,應該會有一個光環,能「照出」黑洞的輪廓。不過,包曼指出,這個黑洞離地球實在太遙遠了,從地球看過去,光環非常微小,就像我們要用肉眼辨識月球上的一顆橘子。拍攝黑洞照片是極其困難的。

“ 因此,我們必須打造一個更巨大的望遠鏡,才能夠看清楚黑洞的模樣。經過計算,我們需要的大小,是「整個地球」那麼大(群眾笑聲)。 ”

這是現階段任何一座電波望遠鏡都遠遠達不到的程度。怎麼辦呢?

包曼:我們把地球變成一顆迪斯可球

包曼說,就像滾石樂團主唱 Mick Jagger 的名曲:「你不能總是得到你要的(You can't always get what you want),但如果你嘗試,你就會發現,你還是能得到你所需要的。」

“ 於是,我們串聯了全球的電波望遠鏡。 ”

國際組織「事件視界望遠鏡計畫」(event horizon telescope,簡稱EHT)就是於此背景下誕生。計畫內容,就是由串聯世界各地電波望遠鏡、並經由原子鐘校時,全球同步連線,打造出一個幾乎是地球大小規模的望遠鏡計畫。聽起來很壯觀,每個地點的研究團隊,都收集了數千兆字節的數據,將光線的數據收集起來。

“ 換句話說,其實我們就是把地球變成一顆超大迪斯可舞廳球。 ”

當世上不同地點分布了望遠鏡,隨著地球自轉,就能透過折射鏡面,收集到黑洞所在位置的不同數據。而沒有望遠鏡的地方,再透過電腦演算法,教導電腦把這些空隙補起來。如此,就能夠得到一張完整的黑洞照片。

我的工作,是讓看不見的事物被看見

包曼的工作,其實主要在於教導電腦辨識「這是一張黑洞照片」。聽起來很簡單?不過最重要的是,整個計畫在成像時遇到了一個問題。就是符合描述的圖片會有成千上萬張。包曼說,但人們的問題是,沒人能夠教導電腦如何判斷出「這是一張黑洞的照片」。

“ 因為即使是我們自己也沒見過黑洞。難道我們要拿《星際效應》的模擬照片來用嗎?因為我們甚至也不確定愛因斯坦的相對論在黑洞周邊是否仍成立。這樣我們得到的只會是期望的圖片,而非真相。 ”

包曼說,她負責的工作,就是藉由導入不同類型影像的特徵,讓演算法得以重建出黑洞影像。

「也就是說,我們將許多不同照片,都拆成碎片(puzzle pieces),然後交給演算法,將它們拼湊還原。」如果越來越多的照片,拼湊結果都漸趨一致,那就表示,演算法描述的數據,與真相不會有太大差異。

CNN 報導指出,包曼的角色其重要性幾乎等同於讓黑洞成像中原先看不見的事物,能被世人看到。

「儘管像黑洞一樣未知,還是要踏出第一步啊」

《時代雜誌》報導,她的研究熱忱,在於「『想出方法』,讓我們看見那些看不見的事物。」這也讓她成為研究黑洞最適合的人選之一。這是一個任何東西都能夠被吞噬的地方。雖然專業領域與航太無關,但包曼仍然貢獻自己的專業,並將實際的計算方法,帶進黑洞的計畫中。

如果沒有她與她的團隊,很可能我們對黑洞的知識,仍只是想像中的模樣,包曼回憶,當團隊拍攝到畫面時,她很興奮。

“ 「即使我們已經嘗試了這麼多年,我實在也沒預料到我們能得到整個黑洞環照片,我原本只期待得到一小塊畫面(a bolb)就好了」 ”

一張她坐在研究室的照片在網路上廣為流傳。她不是研究助理、不是研究員伴侶。她是計畫的成員,正在用電腦連線,觀看自己參與的研究成果,順利得出黑洞畫面。

打開整個宇宙的秘密,就在小小研究室螢幕裡。

包曼與「事件視界望遠鏡」的合作仍在繼續,未來他們將會將更多太空中的衛星天線也納入望遠鏡網絡中,之後也會著手進行黑洞的動態影像錄製,人們將有機會能看到吞噬中的黑洞影片。與此同時,包曼並於加州理工學院(Caltech)擔任助理教授。

歷史還短,未來很長

根據《時代雜誌》報導,全世界的工程師中,目前仍只有百分之三十是女性。而在歷史上,被記載下來的女性工程師或電腦科學家,更是稀少。不過,她們真的從未對電腦科學產生貢獻嗎?事實上,極有可能只是我們將這些女性的名字從茫茫歷史海中消除了。

1946 年,二次大戰孕育出被譽為「世界第一台電腦」的電子數值積分計算機(ENIAC),它的程式正是由女性工程師撰寫的,她的名字是簡.傑寧斯(Jean Jennings)。

1969 年,女性工程師瑪格麗特.漢密爾頓(Margaret Hamilton)替阿波羅 11 號編寫程式,以最大程度預防了可能發生的危險,確保人類史上第一個登月計畫成功。

2019 年,我們也見到麻省理工的博士生凱蒂.包曼與她的團隊,透過編寫新的電腦演算法,讓世人能夠第一次看見真實黑洞樣貌。

這份女性工程史看似很短,還有許多缺漏名字,無人去補。我們找出散佚的名字,重新說出被歷史遺忘的女性故事。而未來的那些新名字呢?我們希望越來越多女性,能在各領域寫下歷史。半世紀前,漢密爾頓幫助我們登上月球;半世紀後,包曼讓我們看見黑洞。誰說女性就是不適合科學呢。

“ 正如包曼鼓勵人們跨出第一步:「我完全不是天文背景,但還是參加了這個跨領域的專案,並做出貢獻。即使第一步可能像黑洞一樣神秘,也還是要繼續往前。」 ”

【本文章轉載自女人迷-性別編輯佳琦】