首张黑洞照片打开全新“视”界

薛亮

4月10日，世界首幅黑洞照片在上海天文台揭开面纱。该照片由“事件视界望远镜”（以下称EHT）项目组织实施获得，全球另外五个城市也在同一时间公布。虽然此前在恒星层次和星系的核心已经观测到一些可能是黑洞的候选体，但这次是人类首次捕捉到黑洞的直接视觉证据，进一步证实了黑洞的存在。

黑洞是什么？

所谓“黑洞（black hole）”，指的是一种密度极高且质量极大，由于超强引力使得不仅是物质甚至连光都无法逃逸出去的天体。在“黑洞”成为这种天体的固定称谓之前，也曾一度被称之为“崩塌星（collapsar）”，意为崩塌的恒星。“黑洞”一词最早见诸报端是在1964年，当时科学记者安·尤因在《科学新闻》杂志上报道美国科学振兴协会一次聚会时首次使用《太空中的“黑洞”》作标题来称谓这种连光也无法逃逸的退化星。黑洞因其自身特点，很难进行直接观测，但是可以借由其与其他天体之间的相互作用来间接进行观测。通过对X射线源的精密观测和质量推定，目前已有好几个天体被认为可能是黑洞。

想要了解黑洞，绕不开黑洞的几个结构特性：一是事件视界。事件视界在物理学和相对论的概念中指的是信息传达的境界面。黑洞周围由于非常强大的引力，时空显著地被歪曲，自某个半径内侧逃逸速度超过光速。该半径被称为史瓦西半径，以该半径形成的球面就是事件视界，也被称为史瓦西面。二是引力奇点。一般认为在黑洞中有一个密度和引力都无限大的引力奇点。不带有角动量的史瓦西黑洞引力奇点位于中心，而旋转的带有角动量的克尔黑洞则拥有环状引力奇点。三是吸积盘。形成联星的黑洞有形成吸积盘的情况。吸积盘辐射庞大的热能和X射线。多数情况伴随宇宙喷射，不过科学界尚不清楚喷射的生成机制。但这一点对于黑洞的观测非常重要。

黑洞的理论史

科学界关于黑洞理论的探索，早在18世纪后半叶就初现端倪。法国天文学家和数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯是推测出黑洞存在和重力崩塌概念的先驅者之一。他从牛顿所提倡的光的微粒说和牛顿力学出发，思索光也会受到万有引力的影响，一直将理论推至极限，推测出假如天体质量和密度足够大的话，那么其引力肯定能让光速也无法逃脱。此外，还有英国的约翰·米歇尔也发表了类似的论文。米歇尔1783年在致朋友的信中称可能存在巨大质量的“暗星”，一切从这样一种天体发射出的光都会因为其自身的引力而回返。但是此后，由于光的波动说一度占据上风，在很长一段时间内这些探索都被人遗忘了。

1915年，爱因斯坦提出广义相对论，为现代黑洞理论奠定了基础。其后德国物理学家、天文学家卡尔·史瓦西首次算出爱因斯坦方程式的一个特殊解：对于质量M相当于一个太阳的天体，其半径坍缩到3公里以内时，就会形成黑洞。爱因斯坦本人虽然勉勉强强承认通过广义相对论算出可能存在黑洞，但是考虑到那只是彻底的数学行为，仍然觉得现实中不大可能存在。

1930年，英国年仅19岁的印度留学生苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡从理论上推导出白矮星（演化到末期的恒星）的质量是有上限的，质量大的恒星会崩塌成为黑洞，首次从理论上指出黑洞的存在，却遭到当时科学界重要人物亚瑟·爱丁顿的强烈抵制。

1939年，美籍犹太裔物理学家罗伯特·奥本海默及其研究生哈特兰·史奈德发表《论持续不停的引力相吸》，预测黑洞的存在。当时瑞士天文学家弗里茨·兹威基和德国天文学家沃尔特·巴德正在建立假说认为，像太阳一样轻的恒星会收缩至地球尺寸达到铁的密度为止，更重的星会进一步持续收缩至直径为10英里（16km）左右的球体。奥本海默等在物理学界热议中子星存在问题时，预言在恒星崩塌后出现的中子星质量也是有上限的，超新星爆炸后生成的中子核质量超过该上限的话，不会停留在中子星的阶段，而会进一步崩塌，形成引力坍缩现象。

英国天文学家弗雷德·霍伊尔进一步提出假说，认为比太阳大几百万倍的超星不是靠热核反应而是通过引力为射电星系供应着能量，并且指出，如果像超星那样巨大的物质集合会由于自身重量而崩塌，将其90%的质量都转化为能源，成为类星体的燃料。

美国物理学家约翰·惠勒也进一步拓展了引力奇点和引力坍缩的研究。他根据计算的结果，确信物质及成为其本质的种种属性会由于引力奇点单纯地消失。后来惠勒提出“无毛定理”，指出黑洞具备搅乱能力，其吞下的对象不管是什么，都会将有关信息破坏，从那里出来都将成为一样的东西。这一定理日后引发黑洞物理学的革命。此外，惠勒还于1967年首次在学术上使用“黑洞”一词，进一步推广了“黑洞”的概念。

1963年，新西兰数学家罗伊·克尔求得关于沿轴以一定角速度旋转的黑洞的严密解。1965年，英国数学物理学家罗杰·潘洛斯证明了恒星崩塌最终以引力奇点结束，此外还证明了不管在哪里时空都有可能终结，哪怕是物质和能源充分集中的地方，被英国物理学家丹尼斯·夏默评价为“对广义相对论最为重要的贡献”。

从20世纪60年代后半叶开始，英国的理论物理学家们异军突起，常常互相刺激抛出惊人理论，如潘洛斯和夏默团队诞生出许多有关引力奇点、时空结构、物质末路的定理。

此外，白洞这一概念也诞生于20世纪60年代，其性质与黑洞正好相反，物质与光线无法进入这个区域中，但是可以从这个区域中向外出现。但到现在还没有任何证据表明白洞存在，因此白洞仍然只是一种由理论推导而出的假想天体。有些理论家假设黑洞和白洞彼此连接，在其中连接的通道叫虫洞，这成为许多科幻小说的主题。

人类首张黑洞照片的意义

科学意义：树立天文学上又一个重要里程碑

EHT项目科学委员会主席、荷兰奈梅亨大学教授法尔克表示，黑洞涉及人类对宇宙的根本了解。美国亚利桑那大学天文学副教授马罗内认为，黑洞之所以重要，是因为它在长时间尺度上会影响宇宙演化。但人们并没有完全了解黑洞如何吞噬物质，然后又将其中一部分以接近光速向外喷射，影响其所在星系。黑洞照片不仅将为广义相对论提供新信息，也有助于了解黑洞喷流的形成过程。

中国科学院理论物理研究所副所长蔡荣根也认为，人类首张黑洞照片对研究黑洞意义非凡。一是可以检验爱因斯坦的广义相对论和其他许多修正的引力理论，看黑洞影子的形状跟理论的预言是否相符;二是可以弄清楚黑洞外部气体的运动行为，看理论计算跟实验的观测是否相符;三是可以验证“无毛定理”，这是一个广义相对论黑洞物理中很关键的定理，并且在此之前仍然是一个有待验证的假设。此外他还认为，黑洞作为一个量子引力效应显著的地方，是检验量子引力理论最好的平台。

社会意义：构建全球科研共同体，中国将发挥更多作用

人类首张黑洞照片也体现了“构建人类命运共同体”的重要精神。EHT项目主任杜勒曼认为，项目完成了上代人认为不可能做到的事情，技术突破、世界上最好射电望远镜之间的合作、创新算法全都汇聚一道，打开了了解黑洞的全新窗口。

正是全球同步的努力，才讓人类拍摄到有史以来首张黑洞照片。科学探索正让整个世界以不同寻常的方式更紧密地连接在一起，不仅让地球，也让人类成为一个共同体。

此次，中国科学家全程参与了黑洞图像的观测与研究工作。中国科学家长期关注高分辨率黑洞观测和黑洞物理的理论与数值模拟研究，在EHT国际合作形成之前就已开展了多方面具有国际显示度的相关工作。在此次EHT合作中，中国科学家在早期EHT国际合作的推动、EHT望远镜观测时间的申请、夏威夷JCMT望远镜的观测、后期的数据处理和结果理论分析等方面均作出了中国贡献。

生活意义：既要仰望星空，也要脚踏实地

随着科学的不断进步，在关于宇宙、地球、生命和人类性质方面，那些似乎最牢固的观念都被推翻了。黑洞探索这一革命性的进步证明了树立“构建人类命运共同体”意识的必要性和正确性。黑洞研究在天文学、物理学所展现出的新景象也为进一步充实辩证唯物主义哲学提供了崭新证据。

关于黑洞的新知识向人们揭示了地球的命运，同时又把人们带向了新的无知领域。我们的宇宙既不平淡，也不规范。任何存在都只能在混沌和紊流中产生，并需抵抗庞大的破坏力。宇宙在自体分化中实现了自组织。现在全球各地相连相通，人类的命运越来越紧密地联系在一起。

所有的仰望星空都是为了更好地审视自己。人类对于黑洞探索的执著也是对自己内心探索的执著。从某种程度上，人类首张黑洞照片也让我们从视觉上看到了科学的诗意。正如德国诗人荷尔德林所写的那样，“充满劳绩，但人诗意地，栖居在这片大地上”。 〔作者系上海图书馆（上海科学技术情报研究所）副研究员〕