首張黑洞圖像沒(méi)有回答的三大問(wèn)題

劉霞

4月10日，整個(gè)物理學(xué)界陷入一場(chǎng)集體狂歡中——位于全球各地的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）拍攝的首張黑洞特寫(xiě)照片終于面世，這張照片是黑洞存在的直接證據(jù)，拉開(kāi)了黑洞天文學(xué)新時(shí)代的序幕。盡管如此，據(jù)美國(guó)趣味科學(xué)網(wǎng)站4月10日?qǐng)?bào)道，英國(guó)埃默里大學(xué)黑洞研究專(zhuān)家艾琳·邦寧說(shuō)，黑洞的故事遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，狂歡之后，我們應(yīng)該明白，有幾個(gè)與黑洞有關(guān)的重要問(wèn)題仍懸而未決。

黑洞巨大的熱、快物質(zhì)噴流如何產(chǎn)生？

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員陸由俊對(duì)筆者介紹說(shuō)：“所有超大質(zhì)量黑洞都能吞噬附近物質(zhì)，吸收穿過(guò)黑洞事件視界的物質(zhì)，并以接近光速的速度將其余物質(zhì)噴射到太空中，天體物理學(xué)家稱(chēng)之為‘相對(duì)論性噴流。”

比如，此次事件視界望遠(yuǎn)鏡的拍照“模特”M87星系中心黑洞就因其令人印象深刻的噴射而聲名顯赫，它噴射的物質(zhì)和輻射遍布整個(gè)太空。它的“相對(duì)論性噴流”如此龐大，以至于它們可以完全逃離周?chē)男窍怠?/p>

物理學(xué)家知道這種情況是如何發(fā)生的：在物質(zhì)落入黑洞的引力井時(shí)，物質(zhì)被加速到極快速度，然后其中一些物質(zhì)“逃之夭夭”。但他們對(duì)這種情況發(fā)生的細(xì)節(jié)持不同意見(jiàn)，而最新“出爐”的這張圖像及相關(guān)文件尚未提供任何詳細(xì)信息。

邦寧說(shuō)，要想弄清楚這些細(xì)節(jié)，需要將覆蓋相當(dāng)小范圍的事件視界望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)結(jié)果與更大的相對(duì)論性噴射圖像結(jié)合在一起考慮。而且，她認(rèn)為，隨著位于銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞的圖像問(wèn)世，我們可能會(huì)獲得不少答案。因?yàn)殂y河系中心超大質(zhì)量黑洞不像M87星系中心黑洞那樣產(chǎn)生噴流，所以，比較兩張圖像可能會(huì)厘清一些問(wèn)題。

廣義相對(duì)論和量子力學(xué)如何統(tǒng)一？

每當(dāng)物理學(xué)家聚在一起談?wù)撘粋€(gè)真正令人激動(dòng)的新發(fā)現(xiàn)時(shí)，可能都會(huì)有人說(shuō)：這一新發(fā)現(xiàn)或許有助于解釋“量子引力”。量子引力是物理學(xué)領(lǐng)域最大的未解之謎，是物理學(xué)江湖中的屠龍刀——得之可得天下。

陸由俊解釋稱(chēng)，大約一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家使用兩套不同的規(guī)則來(lái)解釋萬(wàn)事萬(wàn)物：他們用廣義相對(duì)論來(lái)解釋諸如引力這樣的大事;用量子理論來(lái)解釋非常小的事物。問(wèn)題是，這兩套規(guī)則難以統(tǒng)一。因?yàn)榱孔恿W(xué)無(wú)法解釋引力;而相對(duì)論無(wú)法解釋量子行為。

那萬(wàn)有引力和量子理論彼此之間就真的“水火不容”嗎？物理學(xué)家們可不這么想，他們希望未來(lái)有一天，創(chuàng)建出一個(gè)大一統(tǒng)理論，將這兩者囊括其中，而這個(gè)未問(wèn)世的大一統(tǒng)理論可能涉及某種量子引力。

在首張黑洞圖像宣布之前，有科學(xué)家猜測(cè)，它可能會(huì)在此問(wèn)題上取得些許突破。但邦寧對(duì)此持不同意見(jiàn)。她解釋說(shuō)，新圖像沒(méi)有提供可能縮小兩個(gè)領(lǐng)域之間差距的新物理學(xué)。但她同時(shí)表示，人們希望從新圖像中獲得答案這一想法合情合理，因?yàn)楹诙搓幱暗倪吘墝⒁胛⑿〉牧孔涌臻g。她說(shuō)：“我們有望在非常非常接近事件視界的地方，或者在宇宙非常非常早期之時(shí)，看到量子引力。”

霍金的理論和愛(ài)因斯坦的理論一樣正確嗎？

據(jù)陸由俊介紹，在物理學(xué)家職業(yè)生涯的早期，斯蒂芬·霍金對(duì)物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)是“霍金輻射”理論。該理論認(rèn)為，黑洞實(shí)際上不是黑色的，隨著時(shí)間的推移，它會(huì)發(fā)出少量輻射。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)樗砻鳎坏┖诙赐Ｖ股L(zhǎng)，它將開(kāi)始因?yàn)槟芰繐p失而非常緩慢地收縮。

邦寧說(shuō)，事件視界望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有證實(shí)或否認(rèn)這一理論。

她說(shuō)，像M87星系中心黑洞那樣的巨型黑洞，與其龐大的體型相比，其發(fā)出的霍金輻射可謂“九牛一毛”。雖然我們目前所擁有的最先進(jìn)的設(shè)備可以探測(cè)到這些黑洞事件視界的明亮光線，但幾乎無(wú)法看清超大質(zhì)量黑洞表面的超暗閃光，因此，也很難發(fā)現(xiàn)其輻射。

她說(shuō)，最微小的黑洞可能是獲得這一答案的關(guān)鍵。這些最微小黑洞是一些“短命”的天體，其體型小到你可將其整個(gè)事件視界握在手中。而且，與這種微小黑洞的體型相比，其輻射相對(duì)較多。

邦寧認(rèn)為，人類(lèi)最終有可能會(huì)弄清楚如何制造或找到一個(gè)這樣的黑洞并且檢測(cè)到其輻射，從而驗(yàn)證霍金理論的正確性。

黑洞恍如一位遁世的隱者，身上背負(fù)著諸多有關(guān)宇宙的奧秘，在對(duì)其驚鴻一瞥后，對(duì)其進(jìn)行深入研究，將揭示更多秘密，讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。