宇宙中的“洞”

陈若颖

谁发现的“黑洞”？

我们知道，牛顿通过对生活现象的归纳和推理，于1687年在《自然哲学的数学原理》一书中首次发表了著名的万有引力定律。简单来说，万有引力定律，就是任意两个物体之间都存在一个相互吸引的力，这个力被称为“引力”。但这个力有大有小，比如太阳和地球之间的引力，就恰好能让地球在现在这个轨道上稳定地运行、享受太阳的光和热、孕育我们已知的所有生命。但如果太阳的引力不断增大，地球就会被“吸”得越来越靠近太阳，直到被吸入太阳内部。也就是说，如果其他条件不变，一个物体的引力越大，就能使物体越靠近自己。那么，我们又是靠什么来确定引力大小的呢？这就要提到著名的万有引力定律：

公式中，F表示引力，M和m分别表示两个物体的质量，r表示两个物体间的距离。G是万有引力常数，它的数值等于6.67×10^-11N·m²/kg²，最早是由一位名叫卡文迪许的英国科学家用一杆扭秤测量出来的。这个公式说明，引力和这两个物体的质量还有它们之间的距离有关。无论是增加太阳的质量，或者是减小太阳和地球之间的距离，都能让太阳对地球的引力增大。

看着这个公式，有人就突发奇想，如果宇宙中出现一个质量特别大的天体，其引力能够大到连宇宙中质量最轻的物质——光都没办法逃脱，只能绕着它旋转，那么会发生什么呢？据记载，历史上第一个想到这个问题的人是英国的科学家约翰·米歇尔。米歇尔在1783年写给他的友人卡文迪许的一封信中提出了这样的想法：“如果有一个和太阳一样重的天体，其半径只有3千米，那么它的引力就能大到让光无法逃离它的表面，这样这个天体对我们来说就是看不见的，因为它发出的光永远都无法到达我们的眼睛。”到了1796年，法国物理学家拉普拉斯也做出这样的预言：“一个质量比太阳大250倍的恒星，如果其直径只有地球那么大，那么它自身的引力会使任何光线都无法离开它。由于这个原因，我们是看不到宇宙中最大的发光天体的。”一个物体逃离恒星表面所需要的最小速度被称为这颗恒星的表面逃逸速度，因为光是宇宙中运动速度最快也是最轻的物质，所以如果从一颗恒星逃逸的速度需要大于光速，那就意味着根本没有任何物体能够从这颗恒星的内部逃离出去。米歇尔和拉普拉斯这两位科学家都利用万有引力定律粗略地算出了引力极大、表面逃逸速度大于光速的天体所需的质量和半径比例。到了1915年，爱因斯坦发表了著名的相对论，其中做出了许多预言。相对论在当时并没有得到科学界的广泛认可，甚至还有些人写了联名书来反对这个“奇怪”的理论，但这些预言却在后来的一百年内，一个接一个地得到了验证。在相对论发表一个月后，德国天文学家卡尔·史瓦西计算了爱因斯坦的“场方程”，得到了一个精确的解，这个精确解能够对很小的物体的引力场进行分析，并算出了一个很小的“引力半径”。如果一个天体的全部质量都被压缩到这个引力半径之内，那么所有的物质和能量都会被引力囚禁在半径内，从外面看，这个天体就是绝对的黑暗，也就是黑洞。这个引力半径又被称为史瓦西半径。也就是说，无论是你、我，还是手边的这本书，世界上的任何东西都有可能变成黑洞，只要我們有办法将它缩小到一个非常小的尺度里，比如要是我们有能力把地球缩小到一粒花生米大小，那么我们的地球就可能变成黑洞。虽然一直到1968年“黑洞”（Black Hole）这个词才被美国天体物理学家约翰·惠勒提出来，但这个概念早在三百年前就已经被几位科学家想到了。

黑洞是什么？

那么黑洞到底是什么？为什么它能够让光线都无法逃离？它到底长什么样呢？首先，我们要明确一件事情，黑洞之所以叫黑洞，只是因为它发出的光无法到达我们的眼睛，我们没有办法用眼睛直接“看”到它，所以它看起来是黑的，才有了“黑洞”这个名字。但黑洞本身并不是黑色的，它的内部甚至还有可能十分明亮，而且黑洞并不是“一出生”就是这个样子的，它也是经过了漫长的演化才成为今天这个吞噬一切的模样。

黑洞在最开始的时候，只是一个像太阳一样的恒星，它也会发光发热，只不过比太阳要重很多。我们知道，恒星会发光和发热都是因为它的内部在进行剧烈的核聚变反应——从氢聚变成氦，氦聚变成碳，碳聚变成氧……当聚变反应进行到铁的时候，就从放热反应转变为吸热反应，而且由于铁原子的特殊结构，无论恒星提供多少热量都无法使铁原子继续聚变下去。所以恒星的生命若不是因为它的燃料耗尽无法进行更高级的核聚变而死亡，就是因为聚变到铁原子无法继续进行核聚变而终结。科学家推测，随着燃料耗尽，太阳的生命将会在50亿年后终结。到时候太阳会在一次爆炸中变成红巨星，地球甚至有可能在爆炸中受到波及，人类可能被来自太阳的炽热气体“热死”。而太阳的内核将会因为无法抵抗强大的引力而坍缩成一颗与地球大小相当的致密的白矮星，最后在漫长的时光中冷却成一颗不发光也不发热的黑矮星。与太阳不同，能成为黑洞的恒星，其质量至少是太阳的8倍，拥有极强的引力，这类恒星会因为产生了铁原子而无法继续进行更高级的核聚变最终走向死亡。它们的生命将会终结于一次剧烈的超新星爆炸，在爆炸时抛射出外壳的大部分气体会形成巨大的星云，而它的内核会在极端的高温高压下剧烈向内坍缩。目前科学界普遍认同的观点是，在高温高压下，内核所有的物质都会被压缩到中心一个极小的点上，我们称它为“奇（qí）点”。奇点的体积无限小，质量和密度无限大，目前我们知道的所有物理定律都不适用于它。但是奇点是否存在，奇点还有什么其他的性质，科学家们至今还未找到一个能够被普遍认同的答案。

不过，科学家认为光线之所以无法逃脱黑洞的束缚就是与奇点有关。科学家把黑洞想象成了一个四维空间，光就被锁在这个空间内。具体来说，我们是生活在三维空间里的，身边的物体都具有长、宽、高这三个维度。而二维空间就是一个平面，只有长和宽，没有高，就像一张纸。一维空间则是一条线，只有“长”这一个维度。四维空间其实就是在三维空间长、宽、高的基础上又增加了一个“时间”维度。想象不出来四维空间是什么样的没关系，我们只需要了解在四维空间中，三维空间就像一张名为“时空”的纸，就像我们在三维空间看二维空间一样，三维空间中的所有物体在四维空间里也都在那张“纸”上。我们往纸上放东西，纸会向下凹陷，而三维空间中的天体，也会使四维空间里那张名为时空的“纸”向下凹陷，而且越重的天体凹得越深。科学家把这个向下凹的程度称为“时空曲率”，也就是时空弯曲的程度，时空曲率越大表示时空弯曲程度越大，天体的重量也越大。奇点就是一个时空曲率无限大的点。

时空曲率大会让本来理应沿着直线前进的光线，因为时空的弯曲而走起了曲线，于是光就偏折了。就像在瓶子里面的蚂蚁一样，蚂蚁以为自己走的是直线，但其实一直在瓶子里面绕圈打转。那么在一定条件下，大的时空曲率就不仅仅只是让光线偏折，它能直接让光线走的路“折成一个圆”，如此一来光线就永远也逃不出这个时空了。光逃不出去，自然也到达不了我们的眼睛，所以黑洞对我们来说就是无法观测到的黑暗。简单来说，由于奇点将时空弯曲，弯曲形成的空洞即为黑洞。

黑洞是什么样子的？

1973年，霍金和卡特尔等人证明了“黑洞无毛定理”，就是说，无论是什么样的黑洞，最终都可以只用三个物理量来描述它。科学家们形象地把这三个物理量比喻成黑洞头上仅有的三根头发，于是这个理论就被称为“黑洞无毛定理”。我们知道，太阳拥有质量、体积、温度等好几种可以用来描述它的物理量，但黑洞只能由质量、电荷数和角动量（简单来说就是黑洞自转的速度）来确定它的性质。任何黑洞，我们只要知道这三个关于它的物理量，就能知道它的一切。我们从之前的描述可以知道，黑洞并不黑，也不是空间中的一个大洞。要描述黑洞的模样，我们首先要知道一个概念——事件视界。前面我们说到，时空弯曲到一定程度就能让光线围绕黑洞旋转，而恰好绕着黑洞旋转不至于逃离的那束光线的旋转半径所构成的一个球形边界，就叫事件视界。事件视界是黑洞最外层的边界，事件视界之内就是黑洞的内部，而且事件视界并不是一成不变的，它会随着黑洞质量的增大而变大。需要注意的是，事件视界并不是一个真实存在的球形边界，而是人们想象出来的，你并不能真正触摸到这个边界。而且在事件视界之外的人是没有办法利用任何物理方法得到事件视界之内的任何信息，也没有办法受到事件视界之内发生的事情的影响。

那如果你想从外面进入黑洞看一看，你会看到什么呢？幸运的是，你不会立刻进入事件视界，而是会先进入光子层。光子层是位于事件视界之外的一块不稳定的区域，大约是事件视界的1.5倍大。在这个区域，光可能不会被拉进黑洞中，但是黑洞强大的引力也能让部分光绕着黑洞旋转。在这里，如果你稍作停留并四处观察，理论上你甚至有可能看到自己的后脑勺儿，因为在这里光能够绕着黑洞旋转，那么从你后脑勺儿发出的光，能够绕着黑洞旋转一圈然后到达你的眼睛而被你看到。接下来，你就要到达事件视界了，一旦到了这里，你就再也没有回头路可走了。科学家形象地利用“意大利面”来比喻掉进事件视界里的人，因为在掉进黑洞的过程中，人的头和脚所受到的引力是不一样的，接近黑洞的那一端受到的引力会更大一些，并且越靠近黑洞，这个引力差就越大。因为引力差，人的身体会被无限拉长，就像一根意大利面一样，直到整个人被撕裂。又因为在事件视界之外的人无法看到事件视界之内的任何信息，所以对于事件视界之外的人来说，正在掉进黑洞的你将永远处于“正在掉进黑洞”的过程中，观察者只能看到你进入黑洞的速度越来越慢，但永远看不到你掉进黑洞的那一瞬间。因为事件视界之外的光虽然可以逃出黑洞，但是越靠近黑洞的光线受到的引力越强，逃出的速度也就越慢。所以当你越靠近黑洞时，身上发出的光到达观察者的眼睛的速度就越慢。

1974年，因宇宙大爆炸和黑洞研究而闻名于世的英国著名理论物理学家斯蒂芬-霍金和他的好友索恩就“黑洞是否存在”立下了一个赌约。当时的天文学家们发现了银河系内位于天鹅座的一个双星系统，因为这个双星系统是在地球上所能观测到的极强的x射线源之一，所以被称为天鹅座X-1。天文学家怀疑天鹅座X-1中的一个天体有可能是黑洞，于是霍金和索恩就打了个赌，霍金认为天鹅座X-1不是黑洞，如果霍金赢了，索恩就给他订四年的杂志，反之，霍金就要给索恩订一年的杂志。有人可能会问，为什么霍金一个研究黑洞的人卻要和索恩打赌黑洞不存在呢？其实霍金的小算盘打得可精明了，他想着万一打赌输了，那他多年的学术研究就有了意义;如果赢了，他还能获得四年的杂志聊以慰藉。最终霍金输了，但他开心地给索恩订了一年的杂志。

黑洞有多少种？

我们在前文说到，黑洞只有三个物理特征：质量、带电量和角动量，那么按照这三个特征，我们就可以对黑洞进行分类。首先按照质量大小，黑洞可以被分为量子黑洞（微型黑洞）、恒星型黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞四种类型，它们按照质量大小逐渐递增。而按照带电量和角动量的不同，我们又可以将黑洞分为带电量和角动量都为0的史瓦西黑洞、仅带电量为0的克尔黑洞（或旋转黑洞）、角动量为0的带电黑洞、带电量和角动量都不为0的旋转带电黑洞。其中，史瓦西黑洞是一个静止的、完全对称的、理想状态下的黑洞，是研究黑洞最简单也最常用的模型。

黑洞在哪里？

那么宇宙中哪里可能会有黑洞呢？星系中央还是超新星遗迹的中心？类星体中央还是吸积盘中心？这些不过是较大质量黑洞可能存在的几个地方，而实际上，宇宙中任何一个地方都有可能存在黑洞，只不过大小有别而已。我们普通认知上的黑洞应该都是一个庞然大物，掌握着整个星系的生死。然而，黑洞其实并没有质量下限，原则上一粒尘埃都有可能成为一个黑洞，并且因为更易于形成，理论上小质量黑洞应该比大质量黑洞的数量多得多。那么既然宇宙中随处都可能存在黑洞，为什么我们至今没有遇上一个黑洞呢？在大家的印象中，黑洞应该是一个“饕餮（tao tiè）”天体，所有的物质都只进不出。然而，霍金在1974年提出的一个理论却揭示了黑洞的另一面。霍金发现，黑洞并不是只一味地“吞噬”物质，它的一部分质量会以热辐射的形式向外蒸发，这种黑洞辐射后来被称为霍金辐射。霍金辐射说明了黑洞也会损失质量，那么当损失的质量大于它所吸收的质量时，黑洞就会缩小。按比例来说，小质量黑洞的蒸发量会比大质量黑洞要大得多，这就造成了小质量黑洞的寿命会比大质量黑洞要短。所以并不是因为我们附近没有黑洞，而是更寻常的小质量黑洞在我们观测到它们的存在之前就已经消亡了。

如何探测黑洞？

既然我们无法直接通过光来观察黑洞，那么科学家们是怎么确定黑洞存在的呢？第一种也是最简单的方法就是通过其他绕着黑洞旋转的恒星来确定。比如一个双星系统，我们只看到一颗恒星莫名其妙地绕着一个看起来“虚无”的地方旋转，那么我们就可以猜测那个“虚无”的地方可能存在着一个黑洞。比如我们能够观测到靠近银河系中心的一些恒星，都绕着中心一个看不见的东西在旋转，并且转得非常快。科学家通过计算这些恒星的速度和质量，判断出银河系中心很可能存在着一个超大质量的黑洞。第二种方法，我们还可以通过吸积盘来判断。如果有一颗恒星和黑洞靠得太近，黑洞的引力就会把它撕碎，被撕碎的物质会因引力而逐渐被吸入黑洞中。在这个过程中，就会形成一个物质盘，我们称之为吸积盘。第三种方法是利用引力透镜现象来推测黑洞的信息。我们知道，黑洞能够让光线偏折。比如我们在电影《星际穿越》中看到的那个黑洞，为什么看起来它的周围会有两个对称的半圆环呢？实际上，黑洞只是平行于我们视线的能够让我们看到它身后的天体。

那么如果在黑洞后面恰好有一个星系呢？由于黑洞的引力透镜现象，那个星系发出的本来将会被黑洞遮挡的光，却被偏折进入我们的眼中。但这时我们看到的星系已经不是一个完整的星系了，而是一个围绕着黑洞边缘的光圈。科学家们就是通过分析看到的光圈得到那个星系的信息，从而推测出黑洞的信息。当然，除了这三种方法之外，还有霍金辐射、引力波等方法可以用来探测黑洞。

黑洞“首秀”

科学家们曾经设想过用超大型天文望远镜对黑洞进行观测，据推算这台天文望远镜的口径要与地球半径相当，但这显然很难实现。2012年，一个联合世界各地射电望远镜观测星系中心超大质量黑洞的计划——事件视界望远镜计划（Event Horizon Telescope，简称EHT）让人们看到了希望。科学家将位于美国、墨西哥、智利、法国、格陵兰岛和南极的射电望远镜联合起来，组成观测阵列，同时对同一目标源进行观测和数据记录，再根据海量的数据，经过各种误差分析、背景前景扣除、算法改進等数据重建方法，最终得到黑洞的“真容”。2019年4月10日，世界首张黑洞照片发布，这次观测的目标是银河系中心的人马座A*和室女座星云的M87中心，它们都是各自星系中心的超大质量黑洞。

你可能会问，全天存在黑洞的地点这么多，科学家为何选择了人马座A*以及室女座M87中心进行观测拍摄呢？我们要知道，人马座A*其实就是我们银河系中心的黑洞，它是距离我们最近、视面积最大，也是最便于我们观测的黑洞。但此次发布的黑洞照片却没有人马座A*，应该是因为银河系中心的气体尘埃干扰太多，科学家们还没有很好地处理完这些干扰。而室女座M87有一个巨大的标志性的喷流，这预示着其中心必定有黑洞存在，同时也会是距离我们较近且较大的黑洞之一。不仅如此，M87还是一个巨大的、年老的椭圆星系，它内部的气体基本都被消耗光了，这也利于后续的数据处理。

说到这里，我们究竟能从黑洞照片中获得哪些信息呢？首先，当然是验证了广义相对论的正确性，得到了黑洞真实存在的证据。其次，验证了黑洞阴影的存在。我们前面说到黑洞能够让光线弯曲，那么直着朝向黑洞视界前进的光线就会直接被黑洞吸收，而稍微靠外一些的光线则会被黑洞的引力弯曲，在围着黑洞转好几圈之后慢慢靠近视界，最终被黑洞吸收。科学家经过计算，得到能够不被吸收的光线大约需要距离黑洞约5倍史瓦西半径左右，这个半径之内由于没有光线能够逃离，被形象地称为“黑洞阴影”。此次拍摄到的黑洞照片，中间那个黑色的圆就是黑洞的阴影，且拍摄的照片显示其大小确实是5倍史瓦西半径左右，这也说明了现在黑洞模型的正确性。最后，得到了黑洞吸积盘的详细信息。大家看黑洞照片中橙色那圈吸积盘有一半明显亮于另外一半，这是因为光的多普勒效应。光绕着黑洞旋转，会有一边背离我们运动，而另一边则朝向我们运动，光的波长由此会发生变化，所以在我们看来吸积盘就会有一半明显亮于另一半。

白洞和虫洞

有了黑洞这样一个能够把物质全部吸进去的天体，是不是也可能有一种天体能够把物质全部吐出来呢？没错，真的有！爱因斯坦广义相对论的场方程能够得到两个解，其中一个解是黑洞，另一个解就是一种和黑洞完全相反的天体，科学家们形象地称其为“白洞”。白洞是宇宙中的另一种特殊天体，可以向外界喷射物质和能量，而且不吸收外界的任何物质和辐射。但是白洞到现在还处于理论模型阶段，没有被探测到过。

说完了黑洞和白洞，我们再来聊聊与它们有关的另一个猜想——虫洞。我们知道，黑洞里面可能有一个神奇的点，叫奇点，在这个点上一切的物理定律都会失效。从提出猜想到现在，关于奇点人们提出了很多奇思妙想，其中最吸引人的当数时空穿行了。人们觉得，既然奇点处的时空曲率无限大，那是否有可能利用奇点来穿梭时空呢？于是，虫洞这个概念就被提出来了。

虫洞，是宇宙中可以连接两个不同位置的时空的狭窄隧道，最早是由奥地利物理学家路德维希·福莱姆于1916年提出来的。1930年，爱因斯坦和纳森·罗森在研究场方程时做了一个假设，他们假设黑洞和白洞之间可以通过虫洞来连接，通过虫洞还可以进行瞬间的时空转移，因此虫洞又被称作爱因斯坦一罗森桥。那么，虫洞是怎样通过两个特殊天体来进行时空转移的呢？假设我们所在的时空是一张纸，如果我们要从这张纸的一端走向另一端，就只能老老实实在纸上走。但是如果我们转换一下思路，把纸对折一下，这两个点是不是就重合了？那么我们就可以很快地从一端走向另一端了！我们在前面说过，三维空间在四维空间中看起来就像一张纸，那么我们只需把这张纸对折一下，就可以实现在三维空间中的时空转移，这个连接纸上两个端点的隧道就是虫洞了。不过，科学家认为虫洞是无处不在且转瞬即逝的，它很难和黑洞区分开，所以科学家们至今也没有真正发现过虫洞。

在浩瀚的宇宙中，像黑洞这样神奇而美妙的天体还有很多，人类也在不断畅想着如白洞、虫洞这样的“未知天体”。宇宙就在不断的畅想和探索中，在人类的“视界”里变得热闹丰富起来。不過，即便如此，宇宙对于我们来说仍然是无限的，无限大，也无限丰富。亲爱的朋友，在繁忙的课业之外，抬起头来仰望一下星空吧，那里有无限的奥秘正等着你去发现！