給黑洞拍照

2019年4月10日晚上，天文學家公布了人類獲得的第一張黑洞照片（圖1）。該黑洞位于距離銀河系5500萬光年，與銀河系相鄰的M87星系中心，它的質量比太陽的質量大65億倍！

什么是黑洞

電影《星際穿越》里提到了人類可以通過黑洞—蟲洞—白洞這樣的時空機器實現星系間的快速穿越，通俗地說，就是在宇宙中抄近道（圖2）。

如圖3所示，靠近A處有個黑洞，靠近B處有個白洞，它們之間通過蟲洞相連接。假設我們位于宇宙中的A處，想通過星際旅行，到達宇宙中的B處，我們就可以直接穿過蟲洞實現從A處快速穿越到宇宙中遙遠的B處。那什么是黑洞呢？

我們先從萬有引力談起。小朋友們都知道，其實我們的地球是漂浮在宇宙中的一個半徑約為6000千米的淡藍色星球。人類為什么不能從地球表面掉入宇宙空間呢？因為地球的引力。任何具有質量的物體都會對其他有質量的物體產生吸引力，這種力叫萬有引力。萬有引力定律告訴我們，天體的質量越大，它產生的引力就越強；另外，物體離天體越近，受到該天體的引力也越強。如果想脫離地球的引力，地球表面的物體必須獲得較大的速度，用于克服地球的引力。

光的速度約為30萬千米／秒，根據偉大的物理學家愛因斯坦的狹義相對論，光速是宇宙中最快的速度。宇宙中如果存在一種天體，質量大但半徑小，也就是它足夠致密，導致該天體表面的逃逸速度達到甚至超過了光速，那從它表面發出的光將無法到達地球，我們就無法看到。根據牛頓的萬有引力理論，在不改變地球質量的前提下，將地球的半徑壓縮到原來的1／100，地球表面的逃逸速度就要增加10倍。繼續壓縮到約9毫米大的時候，地球表面的逃逸速度就達到了光速，它就變成了一顆暗星。

暗星非常致密，它周圍的引力實在是太強大了，在引力場非常強的時候，牛頓的萬有引力理論就要升級為愛因斯坦的廣義相對論。根據愛因斯坦的廣義相對論，理論上還真的存在光也無法從它附近逃逸的天體，稱之為黑洞。黑洞是宇宙中最簡單的天體，它的質量都集中在中心的一點，稱之為奇點。黑洞與其他天體最本質的區別就是它存在視界，物質（包括光）一旦落入黑洞視界，最終將不可避免地落入中心的奇點（圖4）。之所以稱之為黑洞，就是因為它存在視界，光一旦落入黑洞視界就無法逃逸出來，我們就無法看到來自黑洞視界之內的光，因此它是黑的。類似地，根據廣義相對論，理論上還存在白洞，白洞存在反視界，反視界之內的物體只出不進。目前還沒有任何跡象表明宇宙中存在白洞。

（圖4 黑洞的本質特征是存在奇點和視界）

黑洞首先是根據愛因斯坦的廣義相對論，理論上預言有可能存在的天體。那現實宇宙中到底有沒有黑洞呢？它們是如何產生的呢？根據天文學家對恒星一生演化歷史的研究，大質量恒星死亡之后，很可能在其中心形成一顆黑洞。

萬物生長靠太陽，太陽發光放熱。我們很自然地會提出這樣的問題：恒星的能源從哪兒來？現在我們已經弄清楚了，恒星的能源來自內部的熱核反應——氫的燃燒：4個氫原子核經過核燃燒之后變成一個氦原子核，并釋放大量的能量。當核區的氫燒完之后，恒星就會死亡。太陽大概還能繼續燃燒50～60億年。這就是電影《流浪地球》的科學背景。恒星死亡的時候，外殼層膨脹，在觀測上表現為超新星爆發（圖5），同時核區核反應停止，在引力的作用下塌縮，核區塌縮可能形成一顆黑洞。

（圖5 蟹狀星云照片與《宋史志》中記錄的超新星爆炸）

左邊是當代天文學家觀測到的蟹狀星云的照片，它是一顆超新星爆炸之后留下來的遺跡；右邊是中國古代《宋史志》，其中清楚地記錄了發生在公元1054年的超新星爆炸。

給黑洞拍照的意義

黑洞是愛因斯坦的廣義相對論的理論預言，黑洞的發現證明愛因斯坦又一次對了！1905年愛因斯坦創立了狹義相對論，統一了時間和空間，也就是說時空是四維的，包括三維的空間加一維的時間。1915年愛因斯坦創立了廣義相對論，統一了時空和物質，萬物都存在于時空中，時空的性質會影響物質運動。反過來，物質也影響時空，決定了時空的彎曲程度。

（圖6 引力幾何化）

黑洞存在視界，也就是說存在一個單向膜，物質只進不出，這反映了黑洞周圍時空彎曲程度，是由黑洞周圍奇特的時空性質決定的。之前我們基本上只是在太陽系內對廣義相對論進行了檢驗，比如光線經過太陽表面會彎曲。問題是，太陽系內的時空彎曲程度非常小。那宇宙中存不存在時空彎曲程度非常大的地方呢？在時空彎曲程度非常大的環境中，時空性質和物體運動是否遵循愛因斯坦的廣義相對論？這都需要我們通過天文觀測去驗證。黑洞照片清晰顯示了黑洞視界的存在，證明宇宙中的確存在怪獸般的黑洞。根據廣義相對論，黑洞的質量越大，它的視界就越大，我們可以根據M87中心黑洞照片中中心陰影的大小，計算得到該黑洞的質量約為太陽質量的65倍，這個結果與我們通過其他動力學的方法，即黑洞的引力大小測量到的黑洞質量完全一致！