黑洞：探索未来宇宙的大门

来源：互联网 2024-11-14 08:54:40 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们

当我们仰望星空，对行星，对银河系，对宇宙产生无限遐想的时候，觉得人类是如此的渺小，生命是如此的短暂，有些黯然神伤。但想到近百年来，无数伟大的科学家用尽一生去探索未知世界，造福人类的时候，又为我们生命的顽强而骄傲。

其中，人类发现黑洞的存在和对它有了较为清晰的认知，我认为是近百年来最伟大的科学发现之一。黑洞不仅让我们对时间和空间有了不一样的认知，也对宇宙的产生和未来存亡产生了新的思考，同时也打开了人们对于宇宙思考的禁锢，产生更多伟大的发现。

关于黑洞存在的理论概念的产生，最早源于1915年爱因斯坦在广义相对论中提出的引力场方程，在这一理论中提到了有质量就可以产生重力，也就是说，体积越小而质量越大的天体，其具备更强的引力。在体积越接近无限小，质量越接近无限重的时候，它的引力可以吸入所有物质，甚至是光，这些理论预言了黑洞这样一种天体的存在。

史瓦西从爱因斯坦的广义相对论的基础上研究出了自己的理论——史瓦西解，在史瓦西解中，对黑洞有了更进一步的结构性的论述，产生了史瓦西半径、事件视界、奇点等概念对黑洞有了更加详细的定义。

1974年，霍金发表了《黑洞在爆炸吗？》一文，这是20世纪引力物理在爱因斯坦之后的最伟大论文。在论文中，他把量子理论效应引进了黑洞研究，证明了从黑洞视界附近会蒸发出各种粒子，这种粒子的谱犹如来自黑体的辐射。随之黑洞质量降低，温度就会升高，最终导致黑洞的爆炸。在这被称为霍金辐射的场景中，量子理论、引力理论和统计物理得到了完美的统一。黑洞理论是科学史上非常罕见的例子，它首先在数学形式上被详尽的研究，后来才在天文学的许多观测上证实了它的普遍存在。现在，人们的共识是，每个星系的中心都是一颗极其巨大的黑洞。正因为霍金的研究和著作，让普通民众对黑洞有了一些了解，从而获得了更加广泛的关注。

要了解黑洞的基础特性光无法逃逸，其最关键的概念是史瓦西半径，史瓦西半径是指任何具有质量的物质都存在的一个临界半径特征值。如果特定质量的物质被压缩到该半径值之内，从而变成黑洞。对于一个已经形成的黑洞来说，若将史瓦西半径内的物质看作一个系统，则该系统内的任何物质都无法逃逸出该半径之外。太阳的史瓦西半径约为3公里，地球的史瓦西半径只有约9毫米。换句话说，如果将地球的质量压缩成一个半径只有9毫米的球体，那地球就变成了黑洞，光也无法逃离这个球体。

黑洞的另外一个特性是时空的弯曲，当前的理论推测，当一个物体落入黑洞里并趋近位于中心的奇点时，这物体会因不同部位受到增强的吸引力而被拉长，称为面条化，最终完全失去维度并无可挽回地消失于奇点。外界观测者在安全的距离外，对这事件的观测则会完全不同。根据相对论，外界观测者会看到物体随着趋近于黑洞而变得越来越慢，最终在事件视界完全停止，而从来没有真正落入黑洞。我们也可以简单地理解为，在黑洞外面，时间是单向的，空间是双向的，就是目前我们正常的认知，但是进入黑洞以后时间变成了双向的，可以去未来也可以回到过去，进入黑洞后的空间则变成了单向，只能往中间的奇点的方向前进，最终会因为质量的引力场而毁灭。看明白了这个逻辑，再去看《星际穿越》这部电影就很容易看懂了。

2019年4月10日晚，数百名科学家参与合作的“事件视界望远镜”项目在全球多地同时召开新闻发布会，发布了人类拍到的首张黑洞照片。该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”。

人类通过射电望远镜得到这样一张照片，结合爱因斯坦广义相对论和黑洞吸积理论进行预测，把观测到的图像和预测的图像对比，发现吻合得非常好，完美地验证了爱因斯坦的广义相对论。

目前由我国主导的天琴空间引力波探测器计划，预计在2030-2035年间发射，在10万公里高度的地球轨道上部署三颗绕地球运转的卫星，组成臂长17万公里的等边三角形，形成空间引力波探测器。天琴引力波探测器将可以探测到宇宙诞生初期第一代恒星或气体云塌缩形成的双大黑洞合并产生的引力波，这将帮助我们理解宇宙早期种子黑洞、黑洞的增长历史以及星系演化等重大天文与物理学问题。因此，天琴空间引力波计划必将成为下一个20年探测宇宙黑洞的利器，特别是可能会搜寻到大量的中等质量黑洞。

（作者系中国科普作家协会科普教育专业委员会副秘书长、科幻创作研究基地副秘书长）

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