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作者、圖片來源：沙珮琦（文字工作者）

今（2025）年11月，「中央研究院講座」邀請美國哈佛大學彼得‧加里森（Peter Galison）教授發表專題演講。加里森為哈佛大學物理學與科學史雙博士，現任哈佛大學黑洞倡議（Black Hole Initiative, BHI）主任，研究領域涵蓋物理學、科學史及科學哲學，曾獲麥克阿瑟獎、馬克斯·普朗克洪堡研究獎、輝瑞獎等多項肯定。在演講中，加里森分享了第一張黑洞照片背後的拍攝故事，而後詳細梳理科學界對於「客觀性」影像的反思，並說明黑洞研究如何成為連結多個學科的重要樞紐。

矛盾而迷人的天體
黑洞是極具魅力的存在，啟發了無數民眾的好奇心。2019 年，本院曾於院區開放活動期間舉辦黑洞主題特展，吸引超過 20 萬人次參觀，足見其受關注程度。而黑洞之所以迷人，或許便在於它是極端矛盾的天體。

加里森分享了黑洞的四大「矛盾」：它可說是最明亮的天體，周圍的吸積盤會釋放強光，但本身卻不會反射或吸收光線。傳統上，黑洞的性質僅由質量、電荷和自旋決定，簡單得不可思議，但以量子理論來分析，它又複雜到近乎難以理解，就像是一個儲存了各尺度資訊的宇宙硬碟。此外，黑洞的質量雖然非常巨大，卻又不是真正的實體。最神奇的是，黑洞的存在顛覆了時間與空間的既有運作方式：在事件視界之外，時間為單向流逝，空間則可自由移動；但一旦跨越事件視界，一切便只能向著中心的奇異點前進，空間的流動變得像我們熟悉的時間一般，只能單向行進。

這種種顛覆認知、挑戰直覺的特性，讓黑洞成為需要結合眾人之力，方能解開的神祕謎團。

如何「看見」黑洞？
早在1915年，愛因斯坦（Albert Einstein）在第一次世界大戰期間發表了廣義相對論，但最初僅能求得重力場方程式的近似解。不久後，遠在德軍前線的卡爾・史瓦西（Karl Schwarzschild）成功在砲火間隙裡求出精確解，而後發現到一個神祕的現象：當天體小於它的臨界半徑，便會塌縮成奇異點。

人們如今已非常熟悉「史瓦西半徑」的存在，也知道奇異點便是黑洞，但在很長一段時間裡，許多學者認為黑洞不過是一種數學理論；加里森回憶起求學時期的老師，便曾表示自己根本不相信天空中真有黑洞存在。

那麼，該如何讓人們確信黑洞存在？或許仰賴「眼見為憑」。回顧天文學的發展脈絡，每一次望遠鏡的擴大，都伴隨著宇宙觀的劇烈轉變。伽利略用1英寸口徑的望遠鏡，看見了月球上的山脈並發現木星的衛星；威爾遜山天文台以100英寸口徑的望遠鏡，讓我們更了解銀河系外的星系；海爾望遠鏡將尺寸擴大一倍，拓展了人類所知的宇宙大小。

而想要看見Messier 87（M87）星系中間的黑洞，則需要像地球一樣大的望遠鏡。研究者無法以實體材料打造出如此巨大的儀器，卻能透過同步觀測與特長基線干涉技術（VLBI），將分布於全球各地的電波望遠鏡合成一個虛擬望遠鏡，而這正是「事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope, EHT）」國際合作計畫的初衷。

加里森表示，在2015年計畫最初，他便同步啟動紀錄片拍攝計畫，希望忠實記錄整個計畫歷程，不過，當時無論是計畫本身或是紀錄片都是一場豪賭，沒有人知道團隊是否能真正捕捉到黑洞的影像。而更關鍵的一個問題是：即使得到了影像，我們又該如何確認那是一張「客觀」的照片？

何謂「真實」影像？
客觀性一直是科學哲學探討的重要議題，其內涵也隨歷史不斷轉變。18世紀的學者認為，所謂客觀即是呈現出事物的「完美形式」，而科學家的任務在於展示出隱藏在表象之後的真實，應盡可能描繪萬物的原型及理想型態。然而，到了19世紀中期，人們開始期望科學家抑制自身的詮釋，忠實呈現出眼前所見的事物，即便觀測儀器造成失真也不加修正。直到20世紀，人們再次反思，認為在已知儀器存在誤差的情況下，學者應該運用自身的訓練進行判斷，藉由一定的主觀性來區辨事實。而現代科學中，由於大量運用到運算影像（computed image），數據科學家的角色成為影像生產過程中不可或缺的一環。

加里森以音叉共鳴來說明VLBI的技術原理，當擁有足夠的音叉，我們便可藉由測量各音叉的震動幅度，來重建隔壁房間所演奏的樂曲。換言之，研究者也能根據各地望遠鏡所接收到的訊號，重建黑洞的影像。

然而，即使取得了觀測數據，如何確保影像重建的正確性仍是一大挑戰。EHT觀測的波長有限，為了確保能精準地透過特定波長重建影像，團隊首先讓多組研究人員嘗試重現圖像，並刻意在其中置入特殊圖片，避免參與者透過猜測去調整重建結果。

當確定重建方法可行後，研究團隊區則分成四個完全獨立、不可互相交流的數據小組（中研院團隊屬於第四小組），分別進行影像重建。另一方面，為了避免人類無意識偏誤的影響，團隊也同步透過測試影像來訓練電腦的影像重建能力。兩相對照之後，可以發現人類團隊的重建影像與電腦運算所得的重建影像十分相近。最終，經過一系列辯論，計畫團隊決定以平均化處理的方式，生成一張強調共同特徵的黑洞影像。

加里森指出，這個為黑洞「拍照」的過程，跟人類追求客觀性的路徑基本相似，只是反向進行。人們在18世紀追求理想化(idealized)的生物繪圖、19世紀強調「機械性客觀(mechanical objectivity)」，20世紀則仰賴專家「訓練過的判斷(trained judgment)」。EHT計畫的黑洞影像重建則始於專家觀點，而後加入電腦工具，最終建構出平均過的理想影像。

黑洞研究的下一步？
這張人類史上的第一張黑洞照片帶來了劃時代的影響，不僅在消息發布後達到了數十億觸及，更喚起了一般大眾的關注。該甚至被紐約現代藝術博物館（Museum of Modern Art）收為館藏，而完整側錄研究歷程的紀錄片《黑洞：窮盡人類知識的極限》亦在串流平台熱播。

廣大的迴響促使團隊思考下一階段的研究方向，加里森透漏，從2019年開始，BHI嘗試進一步堆動「黑洞探測計畫」（Black Hole Explorer），透過太空望遠鏡，將既有的事件視界望遠鏡延伸至太空，打造出比地球更大的望遠鏡，來揭開「光子環」（photon ring）的秘密。

另一方面，團隊也持續探索量子全像術（Quantum Holography），並製作黑洞主題電影。在BHI運作的過程，越來越多歷史、哲學和社會學等跨領域專家投身其中，協助天文台選址的倫理及其他議題。加里森強調，黑洞研究起始於數學物理理論及天文觀測，進而引發哲學反思，並啟發藝術創作，更是機器學習與人工智慧重要應用領域；正是這種種領域的交會，讓黑洞成為了天空中最有趣的存在。

彼得‧加里森博士的演講生動而平易近人，展現自身作為跨域研究者的魅力。在問答環節中，加里森坦言黑洞研究對於人類的日常生活少有實際影響，卻能引發人們的好奇心、激發眾人的想像，如此特殊的挑戰，讓我們得以重新思考自己對於世界的理解。