首張黑洞照片打開全新“視”界

薛亮

4月10日，世界首幅黑洞照片在上海天文臺揭開面紗。該照片由“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（以下稱EHT）項目組織實施獲得，全球另外五個城市也在同一時間公布。雖然此前在恒星層次和星系的核心已經(jīng)觀測到一些可能是黑洞的候選體，但這次是人類首次捕捉到黑洞的直接視覺證據(jù)，進(jìn)一步證實了黑洞的存在。

黑洞是什么？

所謂“黑洞（black hole）”，指的是一種密度極高且質(zhì)量極大，由于超強(qiáng)引力使得不僅是物質(zhì)甚至連光都無法逃逸出去的天體。在“黑洞”成為這種天體的固定稱謂之前，也曾一度被稱之為“崩塌星（collapsar）”，意為崩塌的恒星。“黑洞”一詞最早見諸報端是在1964年，當(dāng)時科學(xué)記者安·尤因在《科學(xué)新聞》雜志上報道美國科學(xué)振興協(xié)會一次聚會時首次使用《太空中的“黑洞”》作標(biāo)題來稱謂這種連光也無法逃逸的退化星。黑洞因其自身特點(diǎn)，很難進(jìn)行直接觀測，但是可以借由其與其他天體之間的相互作用來間接進(jìn)行觀測。通過對X射線源的精密觀測和質(zhì)量推定，目前已有好幾個天體被認(rèn)為可能是黑洞。

想要了解黑洞，繞不開黑洞的幾個結(jié)構(gòu)特性：一是事件視界。事件視界在物理學(xué)和相對論的概念中指的是信息傳達(dá)的境界面。黑洞周圍由于非常強(qiáng)大的引力，時空顯著地被歪曲，自某個半徑內(nèi)側(cè)逃逸速度超過光速。該半徑被稱為史瓦西半徑，以該半徑形成的球面就是事件視界，也被稱為史瓦西面。二是引力奇點(diǎn)。一般認(rèn)為在黑洞中有一個密度和引力都無限大的引力奇點(diǎn)。不帶有角動量的史瓦西黑洞引力奇點(diǎn)位于中心，而旋轉(zhuǎn)的帶有角動量的克爾黑洞則擁有環(huán)狀引力奇點(diǎn)。三是吸積盤。形成聯(lián)星的黑洞有形成吸積盤的情況。吸積盤輻射龐大的熱能和X射線。多數(shù)情況伴隨宇宙噴射，不過科學(xué)界尚不清楚噴射的生成機(jī)制。但這一點(diǎn)對于黑洞的觀測非常重要。

黑洞的理論史

科學(xué)界關(guān)于黑洞理論的探索，早在18世紀(jì)后半葉就初現(xiàn)端倪。法國天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯是推測出黑洞存在和重力崩塌概念的先驅(qū)者之一。他從牛頓所提倡的光的微粒說和牛頓力學(xué)出發(fā)，思索光也會受到萬有引力的影響，一直將理論推至極限，推測出假如天體質(zhì)量和密度足夠大的話，那么其引力肯定能讓光速也無法逃脫。此外，還有英國的約翰·米歇爾也發(fā)表了類似的論文。米歇爾1783年在致朋友的信中稱可能存在巨大質(zhì)量的“暗星”，一切從這樣一種天體發(fā)射出的光都會因為其自身的引力而回返。但是此后，由于光的波動說一度占據(jù)上風(fēng)，在很長一段時間內(nèi)這些探索都被人遺忘了。

1915年，愛因斯坦提出廣義相對論，為現(xiàn)代黑洞理論奠定了基礎(chǔ)。其后德國物理學(xué)家、天文學(xué)家卡爾·史瓦西首次算出愛因斯坦方程式的一個特殊解：對于質(zhì)量M相當(dāng)于一個太陽的天體，其半徑坍縮到3公里以內(nèi)時，就會形成黑洞。愛因斯坦本人雖然勉勉強(qiáng)強(qiáng)承認(rèn)通過廣義相對論算出可能存在黑洞，但是考慮到那只是徹底的數(shù)學(xué)行為，仍然覺得現(xiàn)實中不大可能存在。

1930年，英國年僅19歲的印度留學(xué)生蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡從理論上推導(dǎo)出白矮星（演化到末期的恒星）的質(zhì)量是有上限的，質(zhì)量大的恒星會崩塌成為黑洞，首次從理論上指出黑洞的存在，卻遭到當(dāng)時科學(xué)界重要人物亞瑟·愛丁頓的強(qiáng)烈抵制。

1939年，美籍猶太裔物理學(xué)家羅伯特·奧本海默及其研究生哈特蘭·史奈德發(fā)表《論持續(xù)不停的引力相吸》，預(yù)測黑洞的存在。當(dāng)時瑞士天文學(xué)家弗里茨·茲威基和德國天文學(xué)家沃爾特·巴德正在建立假說認(rèn)為，像太陽一樣輕的恒星會收縮至地球尺寸達(dá)到鐵的密度為止，更重的星會進(jìn)一步持續(xù)收縮至直徑為10英里（16km）左右的球體。奧本海默等在物理學(xué)界熱議中子星存在問題時，預(yù)言在恒星崩塌后出現(xiàn)的中子星質(zhì)量也是有上限的，超新星爆炸后生成的中子核質(zhì)量超過該上限的話，不會停留在中子星的階段，而會進(jìn)一步崩塌，形成引力坍縮現(xiàn)象。

英國天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾進(jìn)一步提出假說，認(rèn)為比太陽大幾百萬倍的超星不是靠熱核反應(yīng)而是通過引力為射電星系供應(yīng)著能量，并且指出，如果像超星那樣巨大的物質(zhì)集合會由于自身重量而崩塌，將其90%的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化為能源，成為類星體的燃料。

美國物理學(xué)家約翰·惠勒也進(jìn)一步拓展了引力奇點(diǎn)和引力坍縮的研究。他根據(jù)計算的結(jié)果，確信物質(zhì)及成為其本質(zhì)的種種屬性會由于引力奇點(diǎn)單純地消失。后來惠勒提出“無毛定理”，指出黑洞具備攪亂能力，其吞下的對象不管是什么，都會將有關(guān)信息破壞，從那里出來都將成為一樣的東西。這一定理日后引發(fā)黑洞物理學(xué)的革命。此外，惠勒還于1967年首次在學(xué)術(shù)上使用“黑洞”一詞，進(jìn)一步推廣了“黑洞”的概念。

1963年，新西蘭數(shù)學(xué)家羅伊·克爾求得關(guān)于沿軸以一定角速度旋轉(zhuǎn)的黑洞的嚴(yán)密解。1965年，英國數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·潘洛斯證明了恒星崩塌最終以引力奇點(diǎn)結(jié)束，此外還證明了不管在哪里時空都有可能終結(jié)，哪怕是物質(zhì)和能源充分集中的地方，被英國物理學(xué)家丹尼斯·夏默評價為“對廣義相對論最為重要的貢獻(xiàn)”。

從20世紀(jì)60年代后半葉開始，英國的理論物理學(xué)家們異軍突起，常常互相刺激拋出驚人理論，如潘洛斯和夏默團(tuán)隊誕生出許多有關(guān)引力奇點(diǎn)、時空結(jié)構(gòu)、物質(zhì)末路的定理。

此外，白洞這一概念也誕生于20世紀(jì)60年代，其性質(zhì)與黑洞正好相反，物質(zhì)與光線無法進(jìn)入這個區(qū)域中，但是可以從這個區(qū)域中向外出現(xiàn)。但到現(xiàn)在還沒有任何證據(jù)表明白洞存在，因此白洞仍然只是一種由理論推導(dǎo)而出的假想天體。有些理論家假設(shè)黑洞和白洞彼此連接，在其中連接的通道叫蟲洞，這成為許多科幻小說的主題。

人類首張黑洞照片的意義

科學(xué)意義：樹立天文學(xué)上又一個重要里程碑

EHT項目科學(xué)委員會主席、荷蘭奈梅亨大學(xué)教授法爾克表示，黑洞涉及人類對宇宙的根本了解。美國亞利桑那大學(xué)天文學(xué)副教授馬羅內(nèi)認(rèn)為，黑洞之所以重要，是因為它在長時間尺度上會影響宇宙演化。但人們并沒有完全了解黑洞如何吞噬物質(zhì)，然后又將其中一部分以接近光速向外噴射，影響其所在星系。黑洞照片不僅將為廣義相對論提供新信息，也有助于了解黑洞噴流的形成過程。

中國科學(xué)院理論物理研究所副所長蔡榮根也認(rèn)為，人類首張黑洞照片對研究黑洞意義非凡。一是可以檢驗愛因斯坦的廣義相對論和其他許多修正的引力理論，看黑洞影子的形狀跟理論的預(yù)言是否相符;二是可以弄清楚黑洞外部氣體的運(yùn)動行為，看理論計算跟實驗的觀測是否相符;三是可以驗證“無毛定理”，這是一個廣義相對論黑洞物理中很關(guān)鍵的定理，并且在此之前仍然是一個有待驗證的假設(shè)。此外他還認(rèn)為，黑洞作為一個量子引力效應(yīng)顯著的地方，是檢驗量子引力理論最好的平臺。

社會意義：構(gòu)建全球科研共同體，中國將發(fā)揮更多作用

人類首張黑洞照片也體現(xiàn)了“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”的重要精神。EHT項目主任杜勒曼認(rèn)為，項目完成了上代人認(rèn)為不可能做到的事情，技術(shù)突破、世界上最好射電望遠(yuǎn)鏡之間的合作、創(chuàng)新算法全都匯聚一道，打開了了解黑洞的全新窗口。

正是全球同步的努力，才讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。科學(xué)探索正讓整個世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起，不僅讓地球，也讓人類成為一個共同體。

此次，中國科學(xué)家全程參與了黑洞圖像的觀測與研究工作。中國科學(xué)家長期關(guān)注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究，在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關(guān)工作。在此次EHT合作中，中國科學(xué)家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠(yuǎn)鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠(yuǎn)鏡的觀測、后期的數(shù)據(jù)處理和結(jié)果理論分析等方面均作出了中國貢獻(xiàn)。

生活意義：既要仰望星空，也要腳踏實地

隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，在關(guān)于宇宙、地球、生命和人類性質(zhì)方面，那些似乎最牢固的觀念都被推翻了。黑洞探索這一革命性的進(jìn)步證明了樹立“構(gòu)建人類命運(yùn)共同體”意識的必要性和正確性。黑洞研究在天文學(xué)、物理學(xué)所展現(xiàn)出的新景象也為進(jìn)一步充實辯證唯物主義哲學(xué)提供了嶄新證據(jù)。

關(guān)于黑洞的新知識向人們揭示了地球的命運(yùn)，同時又把人們帶向了新的無知領(lǐng)域。我們的宇宙既不平淡，也不規(guī)范。任何存在都只能在混沌和紊流中產(chǎn)生，并需抵抗龐大的破壞力。宇宙在自體分化中實現(xiàn)了自組織?，F(xiàn)在全球各地相連相通，人類的命運(yùn)越來越緊密地聯(lián)系在一起。

所有的仰望星空都是為了更好地審視自己。人類對于黑洞探索的執(zhí)著也是對自己內(nèi)心探索的執(zhí)著。從某種程度上，人類首張黑洞照片也讓我們從視覺上看到了科學(xué)的詩意。正如德國詩人荷爾德林所寫的那樣，“充滿勞績，但人詩意地，棲居在這片大地上”。 〔作者系上海圖書館（上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所）副研究員〕