黑洞究竟是什么？對(duì)它的研究因何而起？怎么能夠證實(shí)它是真實(shí)存在于宇宙中的？同時(shí)，黑洞研究到目前為止有哪些新進(jìn)展？對(duì)科學(xué)的發(fā)展又有哪些作用？就這些問(wèn)題，中科院物理所研究員曹則賢、中科院高能所首席科學(xué)家張雙南和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)首席研究員劉繼峰進(jìn)行了解讀。

　　黑洞是宇宙空間內(nèi)存在的一種超高密度天體，即使光也無(wú)法逃脫它的引力束縛，儀器和肉眼都無(wú)法直接觀測(cè)到

　　問(wèn)：黑洞是什么？它是如何形成的？

　　劉繼峰：黑洞是現(xiàn)代廣義相對(duì)論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種奇異天體，在其視界內(nèi)，即使光子也無(wú)法逃脫它的引力束縛。它完全不發(fā)射和反射任何電磁波，儀器和肉眼都無(wú)法直接觀測(cè)到。1967年美國(guó)物理學(xué)家約翰·惠勒正式開始使用“黑洞”一詞。

　　曹則賢：黑洞就是一個(gè)密度足夠大的天體，其周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)使得其發(fā)出的光也無(wú)法逃逸，因此這樣的天體是“黑”的。但是，“黑”的物體在亮的背景上能夠被“看見”。

　　當(dāng)一顆星的質(zhì)量足夠大時(shí)，它自身的引力能夠引起塌縮，塌縮后其密度更大。塌縮可以是分階段的。當(dāng)最后其密度超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)不允許光的逃逸，這里將成為黑洞。黑洞會(huì)吞噬臨近區(qū)域的任何物質(zhì)。

　　中國(guó)古代就有超新星爆發(fā)的記錄，說(shuō)哪一天突然天上冒出了一顆特別亮的星星。后來(lái)我們明白了，那顆星星是自己塌陷了，它在塌陷的時(shí)候會(huì)發(fā)出很亮的光。超新星爆發(fā)就是指某些恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的劇烈過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，星體在自身重力的作用下迅速地收縮、塌陷，同時(shí)伴隨著強(qiáng)烈的輻射。這些輻射能量來(lái)源于重力勢(shì)能的釋放。

　　張雙南：現(xiàn)在大家認(rèn)識(shí)最普遍、最明確并且可以精確計(jì)算出來(lái)的一個(gè)形成機(jī)制是：黑洞是宇宙中恒星自身能量耗盡時(shí)所演變成的一個(gè)天體。恒星原始質(zhì)量不同，它最終的結(jié)果就不同。質(zhì)量比較大的恒星，當(dāng)其能量耗盡就會(huì)變成一個(gè)黑洞，小一點(diǎn)的就會(huì)變成中子星，再小點(diǎn)的就會(huì)變成白矮星。

　　黑洞研究已有100年歷史，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，科學(xué)界開始了對(duì)黑洞的嚴(yán)肅研究

　　問(wèn)：對(duì)黑洞的研究始于何時(shí)？是什么原因觸發(fā)了科學(xué)家去研究黑洞？

　　張雙南：黑洞的研究歷史很長(zhǎng)，而且詳細(xì)的研究也差不多有100年了。從愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，科學(xué)界對(duì)黑洞比較嚴(yán)肅的研究就開始了。1915年愛因斯坦廣義相對(duì)論正式發(fā)表后，大概過(guò)了幾個(gè)月的時(shí)間，黑洞作為廣義相對(duì)論的一個(gè)基本預(yù)言這件事就清楚了。

　　曹則賢：對(duì)黑洞的研究源于人們研究地球的行為。因?yàn)槲覀內(nèi)祟愂亲≡诘厍虮砻?，所以從一開始總是研究地球表面的東西。在研究的過(guò)程中，人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)我們從地面往天上扔的東西最終都會(huì)落回地面，這是因?yàn)榈厍蛞Φ淖饔谩?783年，一個(gè)叫約翰·米舍爾的人提出了一個(gè)問(wèn)題，會(huì)不會(huì)有那么一顆星，它的密度太大，產(chǎn)生的巨大引力讓任何東西都逃不出去，即使光也逃不出來(lái)。如果光也逃不出去，自然外面也看不見，那么它可能就是黑洞。可是，在當(dāng)時(shí)大家弄不清楚光和一個(gè)星體是怎么進(jìn)行引力作用的。因?yàn)楣庾邮菦]有質(zhì)量的，沒有質(zhì)量，星體怎么吸引它呢？于是米舍爾的說(shuō)法并沒有被嚴(yán)肅對(duì)待，也就沒成為科學(xué)研究的主題。

　　但是，等到1915年時(shí)事情就發(fā)生了改變。那一年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對(duì)論，其中就提出一個(gè)觀點(diǎn)：一個(gè)星球的引力實(shí)際上決定了它周圍時(shí)空的結(jié)構(gòu)。比方說(shuō)，有個(gè)質(zhì)量非常大的星球，它周圍的時(shí)空是扭曲了的。這里還要引出重要的概念，就是什么叫直？物理上最短就是直，光在時(shí)空中始終走最短的路徑。因此，愛因斯坦就提出了一個(gè)大膽想法，如果當(dāng)某個(gè)星球的吸引力特別特別強(qiáng)，光從它旁邊過(guò)的時(shí)候是彎曲的，光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)旁邊可能就是彎曲的，當(dāng)然這在我們看來(lái)是彎的。對(duì)于光來(lái)說(shuō)，它走的路徑就是直的。然后到了1919年，正好有日食，英國(guó)人就證明了愛因斯坦這個(gè)說(shuō)法是對(duì)的，他們觀測(cè)到遠(yuǎn)處一顆恒星的光在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近的時(shí)候，光線是彎曲的，愛因斯坦的廣義相對(duì)論被證明是正確的。

　　愛因斯坦廣義相對(duì)論的主體是引力場(chǎng)方程，即時(shí)空的結(jié)構(gòu)同時(shí)空中質(zhì)量—?jiǎng)恿棵芏戎g的關(guān)系。在研究過(guò)程中，有人就解廣義相對(duì)論里的場(chǎng)方程，解什么呢？最直觀的問(wèn)題包括解假設(shè)有一個(gè)點(diǎn)質(zhì)量特別大，旁邊引力場(chǎng)是什么樣？或者一個(gè)有一定半徑的球，它旁邊的引力場(chǎng)該是什么樣的？于是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，確實(shí)存在著這種周圍的時(shí)空結(jié)構(gòu)是它自己發(fā)出的光也逃不出來(lái)的，這就是黑洞了。一位德國(guó)學(xué)者最早給出了廣義相對(duì)論場(chǎng)方程的一個(gè)精確解，提出了黑洞視界的概念，當(dāng)然了，此后出現(xiàn)了更多的關(guān)于不同性質(zhì)黑洞的研究。

　　黑洞確實(shí)存在，在宇宙中為數(shù)眾多，可以用多種方式探測(cè)到。目前，人類在銀河系已發(fā)現(xiàn)20個(gè)恒星級(jí)黑洞

　　問(wèn)：理論上已經(jīng)預(yù)測(cè)黑洞存在，那事實(shí)是這樣嗎？如何能證實(shí)黑洞的真實(shí)存在？

　　劉繼峰：黑洞確實(shí)存在，且在宇宙中為數(shù)眾多，可以用多種方式探測(cè)到。每個(gè)星系都存在幾百萬(wàn)個(gè)小黑洞，每個(gè)星系中心都存在一個(gè)超大黑洞。

　　曹則賢：科學(xué)家是如何證實(shí)黑洞真實(shí)存在呢？我們知道，黑洞自己的光是逃不出來(lái)的，所以不指望能直接觀測(cè)到它。那么，科學(xué)家們只能通過(guò)它的行為或者與背景的比照來(lái)判斷哪個(gè)地方有黑洞。首先，一個(gè)黑洞可能和另外一個(gè)星星組成一個(gè)雙星系統(tǒng)。這樣，通過(guò)觀測(cè)黑洞旁邊那顆星星的行為就能判斷出旁邊是否有大質(zhì)量的吸引中心，也就是黑洞。另外一個(gè)判斷依據(jù)就是黑洞的引力透鏡效應(yīng)，這就有些像通過(guò)鏡頭的光的路徑了。一個(gè)黑洞對(duì)于遠(yuǎn)道而來(lái)經(jīng)過(guò)它的光可能會(huì)有透鏡效應(yīng)。如果觀測(cè)到這個(gè)透鏡效應(yīng)，就可以判斷出是否有黑洞存在。這就是所謂的間接觀測(cè)，因?yàn)楹诙床荒苤苯涌吹?你不可以把黑的區(qū)域都?xì)w結(jié)為存在黑洞），但可以從大范圍內(nèi)的一些行為判斷它存在不存在。

　　問(wèn)：黑洞研究到目前為止有什么新進(jìn)展？人們對(duì)黑洞有哪些科學(xué)認(rèn)識(shí)？

　　劉繼峰：40年來(lái)科學(xué)家在銀河系中共發(fā)現(xiàn)了近20個(gè)恒星級(jí)黑洞，離我們最近的黑洞在1600光年之外。銀河系中預(yù)計(jì)共有1000萬(wàn)個(gè)黑洞。我國(guó)科學(xué)家目前正在利用我國(guó)的重大科學(xué)裝置郭守敬望遠(yuǎn)鏡（大天區(qū)面積多目標(biāo)光纖光譜天文望遠(yuǎn)鏡，即LAMOST）去發(fā)現(xiàn)銀河系中更多的黑洞。

　　黑洞并不是萬(wàn)能吸塵器。只有黑洞視界以內(nèi)，物質(zhì)才會(huì)無(wú)法阻止地落入中心，無(wú)法逃脫。遠(yuǎn)離黑洞，跟任何其他具有相同質(zhì)量的物體沒有任何不同。比如，若將我們的太陽(yáng)換成黑洞，太陽(yáng)系內(nèi)的行星、衛(wèi)星、小行星等的軌道不會(huì)發(fā)生任何變化。黑洞是我們看到的宇宙中最劇烈的各種天文現(xiàn)象起因。這是由于周圍氣體在黑洞引力作用下形成吸積盤，盤中氣體的引力勢(shì)能以很高效率轉(zhuǎn)變成了熱能進(jìn)而轉(zhuǎn)變成輻射能。此外，黑洞還與其他天體物理問(wèn)題如“星系如何形成”密切相關(guān)。

　　問(wèn)：黑洞研究對(duì)科學(xué)的發(fā)展有何意義？

　　張雙南：科學(xué)研究的目的就是理解各種規(guī)律，對(duì)黑洞的研究就是我們要理解這方面自然規(guī)律，其中重要的方面就是理解量子力學(xué)和引力理論的關(guān)系以及黑洞在宇宙演化中的作用。也不是說(shuō)黑洞比其他現(xiàn)象重要，只是很多人對(duì)這個(gè)感興趣，而很多東西我們又還不理解，所以進(jìn)行研究。至于弄清楚后，能否實(shí)現(xiàn)時(shí)空旅行等就都是應(yīng)用問(wèn)題了，跟科學(xué)研究的目的本身是毫無(wú)關(guān)系的。