這是一個研究霍金異塵餘生的射電工程師，沒能探測到黑洞回音，卻陰差陽錯解鎖了Wi-Fi關鍵技術的故事。
（圖源：ufoholic.com）
撰文 | 鄭曉晨 毛淑德（清華大學）
編輯 | 韓越揚
如今這個年代，也許是最好的時代。
我們只需手機在手，無論地鐵、公交、打的、共享單車，都能做到出行無憂。同樣的，購物看片遊戲，聊天語音視頻，每個人與方便快捷、多姿多彩的生活之間，也不過是一部智能手機的距離。
現代人，似乎已經很少因現金不足而惶恐。他們轉向因手機電量不足而焦慮暴躁，因流量告罄而捶胸頓足，因免費Wi-Fi而歡欣雀躍。
不過，在我們理所當然地享受著現代科技的累累碩果之餘，有沒有想過，這種種便捷的背後離不開那些在應用前沿添磚加瓦的工程師，以及那些築建基石的基礎研究者。
今天的故事就是關於奧蘇利文博士，以及他和黑洞、Wi-Fi那些不得不提的往事。
有心栽花之霍金異塵餘生
約翰·奧蘇利文（John O’Sullivan）博士是一名電力工程師，也是一名射電天文學家。他和天文的不解之緣可以追溯到20世紀70年代初，英國物理學家史蒂芬·霍金提出了學術生涯中里程碑式的成就——霍金異塵餘生，一時間引無數天文學家競折腰。
傳統意義上講，黑洞之所以被稱為黑洞，正是由於其巨大的引力勢，可以捕獲其周圍的所有物質，包括光子，是一個隻吞不吐，類似神獸貔貅的存在。但根據霍金的理論，黑洞不僅不黑，相反還可能會蒸發，異塵餘生能量，甚至損失質量，這便是霍金異塵餘生。
圖1. 霍金異塵餘生概念圖（圖片由作者提供）
霍金異塵餘生的提出源於物理學家對真空更為深刻的認識。根據海森堡測不準原理，能量是有漲落的，真空也並非是完全的虛空，裡面充斥著許許多多正反虛擬粒子對，不過存在時間極短，堪稱轉瞬即逝（見圖1）。
同樣的，黑洞的視界邊緣也存在虛擬粒子對。如果某些虛粒子對中的負能量粒子掉入黑洞，而正能量粒子逃逸到遠方，則對應黑洞能量降低，質量減輕，黑洞就好像在蒸發一樣[1]。
霍金證明了黑洞蒸發過程中所產生的異塵餘生接近黑體異塵餘生，且異塵餘生溫度與其質量成反比。換言之，黑洞質量越大，其異塵餘生溫度越低。
對於一個太陽質量的黑洞來說，霍金異塵餘生溫度很低，大概隻比絕對零度高那麽一點點，約為6.2億分之一開爾文（水的沸點是373開爾文）。
這麽低的異塵餘生溫度，意味著幾乎可以忽略不計的低能耗，其異塵餘生峰值對應的波長長達48 千米。也就是說，這一類型的黑洞將經歷漫長悠久的歲月才可能蒸發殆盡，保守估計也得10的67次方年（1千億億億億億億億億年）。要知道，我們的宇宙年齡也不過區區138億年。
不過，一個誕生於太陽系之初的迷你黑洞（10的12次方千克=1兆千克），倒有可能在宇宙的有生之年內蒸發完畢。
霍金預言，在這個迷你黑洞壽終正寢之前，它將在0.1秒之內釋放高達1023焦耳的能量，產生一個集中在伽馬射線段的爆炸[1]。這和現今大家熟知的伽馬射線暴有些類似，不過總能量小很多（雖然依然很強大），約為百萬個百萬噸級氫彈爆炸所釋放的能量。
不過，鑒於大氣層良好的屏蔽效果，即使迷你黑洞產生的伽馬異塵餘生（暴）真實存在，彼時的地面望遠鏡設備也很難探測到。
即使如此，科學家依舊沒有放棄對於這個理論預言的探測。在2008年6月，美國的費米衛星就探測到了一個可疑的伽馬閃，可能來自於蒸發的微型黑洞。
對於黑洞蒸發最後所產生的粒子是光子還是其它奇異粒子，科學家們並沒有統一的認識，不同的理論給出不同的結果。不過，儘管這些理論在小尺度上所預言的粒子類別有差異，等到這些原有的粒子膨脹到宏觀大尺度時，主要成分都將會是正負電子對。
在霍金提出霍金蒸發理論之後，來自英國天文學會的著名天體物理學家馬丁·裡斯（Martin Rees）就另辟蹊徑。他於1977年發表在《自然》雜誌上的文章，就假設所有能量都轉換成為正負電子對，然後考慮電子對所產生的觀測效應。
在這樣的背景下，如果黑洞周圍的星際物質（interstellar medium）存在磁場，這些以接近光速運動的高能正負電子生成的“火球”（fireball；注：後來伽馬射線暴的火球模型也是來自於此）在磁場中運動時，將進一步觸發短時間大規模的射電異塵餘生（射電暴）[2]。
基於這一想法，天文學們轉而將探測黑洞異塵餘生的一腔熱情重點轉移到對射電暴的探尋上去。
彼時的奧蘇利文（見圖2）剛剛從雪梨大學畢業，懷揣著新鮮出爐的電氣工程學博士學位，在荷蘭謀得了一份射電望遠鏡設備相關的工作，光榮地成為了一名仰望星空的天文從業人員。作為霍金異塵餘生的追隨者之一，奧蘇利文也磨刀霍霍地加入了探尋射電暴的浩蕩大軍。
然而，他出師不利。一方面，宇宙中的迷你黑洞距離遙遠，信號微弱。另一方面，這些微弱的信號跨過星際穿越塵埃，風塵仆仆而來時，早已面目全非，夾雜在鋪天蓋地的射電噪聲中難以辨別[3]。
如何才能從嘈雜的背景音中提取到真實但微弱的黑洞信號呢？這個問題成為橫亙在奧蘇利文等一眾天文觀測者心中的巨石，難以解決。
圖2. 約翰.奧蘇利文（左3）和他的團隊（圖源：參考資料[4]）
古語有雲：世上無難事，隻怕有心人。結果證明，奧蘇利文恰恰就是這樣一位有心人，而且，他還是一位數理背景強大的有心人。
經過一段時間的摸索，奧蘇利文和他的合作者開始嘗試利用快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform, FFT），更有效地分離這些魚龍混雜的觀測數據。FFT即離散傅立葉變換的快速算法，是一項複雜的數學計算過程。具體多複雜無需贅述，簡而言之，這一算法可以將信號由時域空間變換到頻域空間，從而提取信號的特徵頻譜。
這一通操作下來，大家驚喜地發現，原本淹沒在嘈雜背景音中泯然眾人矣的信號，在變換到頻域空間後，變得遺世而獨立。
據此，奧蘇利文團隊進一步掌握了進行高效圖像傳輸的方法，即將輸出信號拆分成不同的頻段，由接受器接受之後再逐一提取、重新組合。這套技術可以極大地規避傳輸過程中的各項干擾，提高傳輸效率，增強射電天文圖像的清晰度[5]。
同年，奧蘇利文及其合作者總結了此番數據處理的技術心得，並且發表在《美國光學學會》雜誌上[6]，為後文埋下伏筆。
然而，天不遂人願，即便他們提升了圖像清晰度，選取了包括球狀星團、類星體在內的大量目標天體，仍未能成功探測到任何一個來自迷你黑洞的射電暴[7]。
此番铩羽而歸，雖然順便發了篇《自然》文章，卻也難免失望。但奧蘇利文明白，這就是科研的常態。就如同薛定諤的那隻不知是死是活的貓一樣，不到打開盒子的那一刻，誰知道自己辛苦耕耘的領域是顆粒無收還是碩果累累？
無心插柳之解鎖Wi-Fi
時光如水，歲月如梭。轉眼間，十幾年過去了，人屆中年的奧蘇利文早已離開荷蘭，搬到了澳洲，供職於國家科學及工業研究機構（CSIRO），繼續從事射電設備相關的工作。
時值九十年代初期，隨著個人電腦的普及，通訊業巨頭競相在無線領域展開廝殺，試圖尋找一種可靠、高效、價格低廉的無線通信技術，應用於個人電子設備。
無線通信（Wireless Communication），顧名思義就是利用電磁波信號的自由傳播來進行信息交換的一種通信方式。雖然原理簡單，但實現起來困難重重。比如在室內環境下，如何規避無線信號因遇障礙物不斷反射而出現的嘈雜混音，從而提高傳輸效率，就是其中一個久久難以攻克的壁壘。
1992年，奧蘇利文組建了一個包括物理、數學、射電天文學等專家在內的跨學科研究團隊，加入無線混戰。他發現，這個困擾整個通訊業的室內信號反射問題，與自己當初絞盡腦汁研究的霍金異塵餘生有著異曲同工之妙——問題核心都是如何抽絲撥繭，於嘈雜的環境中，高效提取出高保真信號。而解決這一問題的答案，自己在十幾年前就總結發表了呀（詳見參考資料[6]）！
這也給我們廣大科研工作者提了個醒，一定要多讀書，廣涉獵，沒準你熬禿了頭都沒能琢磨明白的難題，早囊括在別人的論文裡。這些通訊巨頭們大概平時隻專注於自己的領域，興趣愛好不大廣泛，生生錯過了奧蘇利文的這篇好文，才平白耽誤了這麽些年的時光。
時不我待，奧蘇利文迅速帶領團隊，將當初自己處理黑洞異塵餘生的數據分析技術改進後應用到計算機的網絡傳輸上，利用無線電波實現了大數據的快速轉換，並巧妙地解決了多路徑無線電信號的相互干擾問題。這份新技術後來成了惠及千家萬戶的無線局域網——Wi-Fi的雛形。
我們現在耳熟能詳的Wi-Fi，實際上就是將有線網絡信號，通過無線路由器，轉換成可以高效傳輸的無線信號，從而允許電子設備連接到無線局域網，不受布線條件的限制。
目前，Wi-Fi信號頻率主要集中在2.4兆赫（12厘米）和5兆赫（6厘米）的超高頻，信號發射功率較低，相對安全。其接收半徑由數十米至百米不等，覆蓋範圍廣，傳輸速度高，已成為遠超其他無線連接方式（比如藍牙技術）的首選通訊手段。
所以，雖然奧蘇利文最終也沒能探聽到來自宇宙深處的黑洞“呢喃”，但他因對無線電通訊領域的貢獻而榮耀等身，一舉斬獲了包括澳洲的國家最高科學獎和歐洲發明者大獎在內的眾多獎項，他本人也被澳洲媒體稱為“Wi-Fi之父”[3]，同時給他所在的天文台帶來了數億美元的專利費。
當然，簡單地將奧蘇利文等人歸為Wi-Fi的發明者有失妥當，畢竟Wi-Fi的背後絕非一人一朝一夕之功可以言盡。但奧蘇利文對於射電天文學以及無線通訊的意義之深遠不言而喻，也算是一樁跨界佳話。
仰望星空與腳踏實地
基礎研究是水，應用研究是魚。不能只想吃魚，而忘了水的重要性。
李政道
對於普羅大眾來說，科學研究無外乎兩種類型：理論型和應用型。近年來，應用型科研似乎更受青睞，因為腳踏實地、目標明確、收效顯著。理論性研究，尤其是基礎性研究似乎日薄西山。
時間回溯到1905年，愛因斯坦石破天驚地提出狹義相對論，打破了時空永恆的慣常思維，指出時空耦合——對於一個移動的物體，不僅質量會增加，時間也將延長。這個理論後來成為築建二十世紀理論物理的基石。
但相信包括愛因斯坦本人在內的眾多理論物理學家不會想到，一百多年後GPS能夠準確定位出清華距離世界一流大學具體多少米的背後，相對論功不可沒[8]。而奧蘇利文團隊當年久尋迷你黑洞而不得，在萬般苦悶之時，大概也沒想到這套分析觀測數據的方法，有朝一日會成為破解Wi-Fi的密匙，書寫下改變人類通信方式的濃墨重彩的一筆。
所以，倘若在你仰望星空之時，還有人疑惑地問你：“研究這玩意能為現代化建設添磚加瓦嗎”，你不妨告訴他這個故事——
從前有一個探測黑洞的射電天文學家，後來，就有了Wi-Fi。
作者簡介
鄭曉晨，2010年畢業於華中師范大學，2010年至2016年就讀於北京大學天文系攻讀博士學位，現於清華大學天體物理中心工作。主要研究方向為行星形成和動力學演化。
毛淑德，清華大學教授，兼國家天文台研究員，主要研究領域為星系動力學、引力透鏡和系外行星搜尋。
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