薛亮
4月10日,世界首幅黑洞照片在上海天文臺揭開面紗。該照片由“事件視界望遠鏡”(以下稱EHT)項目組織實施獲得,全球另外五個城市也在同一時間公布。雖然此前在恒星層次和星系的核心已經觀測到一些可能是黑洞的候選體,但這次是人類首次捕捉到黑洞的直接視覺證據,進一步證實了黑洞的存在。
黑洞是什么?
所謂“黑洞(black hole)”,指的是一種密度極高且質量極大,由于超強引力使得不僅是物質甚至連光都無法逃逸出去的天體。在“黑洞”成為這種天體的固定稱謂之前,也曾一度被稱之為“崩塌星(collapsar)”,意為崩塌的恒星?!昂诙础币辉~最早見諸報端是在1964年,當時科學記者安·尤因在《科學新聞》雜志上報道美國科學振興協(xié)會一次聚會時首次使用《太空中的“黑洞”》作標題來稱謂這種連光也無法逃逸的退化星。黑洞因其自身特點,很難進行直接觀測,但是可以借由其與其他天體之間的相互作用來間接進行觀測。通過對X射線源的精密觀測和質量推定,目前已有好幾個天體被認為可能是黑洞。
想要了解黑洞,繞不開黑洞的幾個結構特性:一是事件視界。事件視界在物理學和相對論的概念中指的是信息傳達的境界面。黑洞周圍由于非常強大的引力,時空顯著地被歪曲,自某個半徑內側逃逸速度超過光速。該半徑被稱為史瓦西半徑,以該半徑形成的球面就是事件視界,也被稱為史瓦西面。二是引力奇點。一般認為在黑洞中有一個密度和引力都無限大的引力奇點。不帶有角動量的史瓦西黑洞引力奇點位于中心,而旋轉的帶有角動量的克爾黑洞則擁有環(huán)狀引力奇點。三是吸積盤。形成聯(lián)星的黑洞有形成吸積盤的情況。吸積盤輻射龐大的熱能和X射線。多數(shù)情況伴隨宇宙噴射,不過科學界尚不清楚噴射的生成機制。但這一點對于黑洞的觀測非常重要。
黑洞的理論史
科學界關于黑洞理論的探索,早在18世紀后半葉就初現(xiàn)端倪。法國天文學家和數(shù)學家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯是推測出黑洞存在和重力崩塌概念的先驅者之一。他從牛頓所提倡的光的微粒說和牛頓力學出發(fā),思索光也會受到萬有引力的影響,一直將理論推至極限,推測出假如天體質量和密度足夠大的話,那么其引力肯定能讓光速也無法逃脫。此外,還有英國的約翰·米歇爾也發(fā)表了類似的論文。米歇爾1783年在致朋友的信中稱可能存在巨大質量的“暗星”,一切從這樣一種天體發(fā)射出的光都會因為其自身的引力而回返。但是此后,由于光的波動說一度占據上風,在很長一段時間內這些探索都被人遺忘了。
1915年,愛因斯坦提出廣義相對論,為現(xiàn)代黑洞理論奠定了基礎。其后德國物理學家、天文學家卡爾·史瓦西首次算出愛因斯坦方程式的一個特殊解:對于質量M相當于一個太陽的天體,其半徑坍縮到3公里以內時,就會形成黑洞。愛因斯坦本人雖然勉勉強強承認通過廣義相對論算出可能存在黑洞,但是考慮到那只是徹底的數(shù)學行為,仍然覺得現(xiàn)實中不大可能存在。
1930年,英國年僅19歲的印度留學生蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡從理論上推導出白矮星(演化到末期的恒星)的質量是有上限的,質量大的恒星會崩塌成為黑洞,首次從理論上指出黑洞的存在,卻遭到當時科學界重要人物亞瑟·愛丁頓的強烈抵制。
1939年,美籍猶太裔物理學家羅伯特·奧本海默及其研究生哈特蘭·史奈德發(fā)表《論持續(xù)不停的引力相吸》,預測黑洞的存在。當時瑞士天文學家弗里茨·茲威基和德國天文學家沃爾特·巴德正在建立假說認為,像太陽一樣輕的恒星會收縮至地球尺寸達到鐵的密度為止,更重的星會進一步持續(xù)收縮至直徑為10英里(16km)左右的球體。奧本海默等在物理學界熱議中子星存在問題時,預言在恒星崩塌后出現(xiàn)的中子星質量也是有上限的,超新星爆炸后生成的中子核質量超過該上限的話,不會停留在中子星的階段,而會進一步崩塌,形成引力坍縮現(xiàn)象。
英國天文學家弗雷德·霍伊爾進一步提出假說,認為比太陽大幾百萬倍的超星不是靠熱核反應而是通過引力為射電星系供應著能量,并且指出,如果像超星那樣巨大的物質集合會由于自身重量而崩塌,將其90%的質量都轉化為能源,成為類星體的燃料。
美國物理學家約翰·惠勒也進一步拓展了引力奇點和引力坍縮的研究。他根據計算的結果,確信物質及成為其本質的種種屬性會由于引力奇點單純地消失。后來惠勒提出“無毛定理”,指出黑洞具備攪亂能力,其吞下的對象不管是什么,都會將有關信息破壞,從那里出來都將成為一樣的東西。這一定理日后引發(fā)黑洞物理學的革命。此外,惠勒還于1967年首次在學術上使用“黑洞”一詞,進一步推廣了“黑洞”的概念。
1963年,新西蘭數(shù)學家羅伊·克爾求得關于沿軸以一定角速度旋轉的黑洞的嚴密解。1965年,英國數(shù)學物理學家羅杰·潘洛斯證明了恒星崩塌最終以引力奇點結束,此外還證明了不管在哪里時空都有可能終結,哪怕是物質和能源充分集中的地方,被英國物理學家丹尼斯·夏默評價為“對廣義相對論最為重要的貢獻”。
從20世紀60年代后半葉開始,英國的理論物理學家們異軍突起,常?;ハ啻碳伋鲶@人理論,如潘洛斯和夏默團隊誕生出許多有關引力奇點、時空結構、物質末路的定理。
此外,白洞這一概念也誕生于20世紀60年代,其性質與黑洞正好相反,物質與光線無法進入這個區(qū)域中,但是可以從這個區(qū)域中向外出現(xiàn)。但到現(xiàn)在還沒有任何證據表明白洞存在,因此白洞仍然只是一種由理論推導而出的假想天體。有些理論家假設黑洞和白洞彼此連接,在其中連接的通道叫蟲洞,這成為許多科幻小說的主題。
人類首張黑洞照片的意義
科學意義:樹立天文學上又一個重要里程碑
EHT項目科學委員會主席、荷蘭奈梅亨大學教授法爾克表示,黑洞涉及人類對宇宙的根本了解。美國亞利桑那大學天文學副教授馬羅內認為,黑洞之所以重要,是因為它在長時間尺度上會影響宇宙演化。但人們并沒有完全了解黑洞如何吞噬物質,然后又將其中一部分以接近光速向外噴射,影響其所在星系。黑洞照片不僅將為廣義相對論提供新信息,也有助于了解黑洞噴流的形成過程。
中國科學院理論物理研究所副所長蔡榮根也認為,人類首張黑洞照片對研究黑洞意義非凡。一是可以檢驗愛因斯坦的廣義相對論和其他許多修正的引力理論,看黑洞影子的形狀跟理論的預言是否相符;二是可以弄清楚黑洞外部氣體的運動行為,看理論計算跟實驗的觀測是否相符;三是可以驗證“無毛定理”,這是一個廣義相對論黑洞物理中很關鍵的定理,并且在此之前仍然是一個有待驗證的假設。此外他還認為,黑洞作為一個量子引力效應顯著的地方,是檢驗量子引力理論最好的平臺。
社會意義:構建全球科研共同體,中國將發(fā)揮更多作用
人類首張黑洞照片也體現(xiàn)了“構建人類命運共同體”的重要精神。EHT項目主任杜勒曼認為,項目完成了上代人認為不可能做到的事情,技術突破、世界上最好射電望遠鏡之間的合作、創(chuàng)新算法全都匯聚一道,打開了了解黑洞的全新窗口。
正是全球同步的努力,才讓人類拍攝到有史以來首張黑洞照片。科學探索正讓整個世界以不同尋常的方式更緊密地連接在一起,不僅讓地球,也讓人類成為一個共同體。
此次,中國科學家全程參與了黑洞圖像的觀測與研究工作。中國科學家長期關注高分辨率黑洞觀測和黑洞物理的理論與數(shù)值模擬研究,在EHT國際合作形成之前就已開展了多方面具有國際顯示度的相關工作。在此次EHT合作中,中國科學家在早期EHT國際合作的推動、EHT望遠鏡觀測時間的申請、夏威夷JCMT望遠鏡的觀測、后期的數(shù)據處理和結果理論分析等方面均作出了中國貢獻。
生活意義:既要仰望星空,也要腳踏實地
隨著科學的不斷進步,在關于宇宙、地球、生命和人類性質方面,那些似乎最牢固的觀念都被推翻了。黑洞探索這一革命性的進步證明了樹立“構建人類命運共同體”意識的必要性和正確性。黑洞研究在天文學、物理學所展現(xiàn)出的新景象也為進一步充實辯證唯物主義哲學提供了嶄新證據。
關于黑洞的新知識向人們揭示了地球的命運,同時又把人們帶向了新的無知領域。我們的宇宙既不平淡,也不規(guī)范。任何存在都只能在混沌和紊流中產生,并需抵抗龐大的破壞力。宇宙在自體分化中實現(xiàn)了自組織。現(xiàn)在全球各地相連相通,人類的命運越來越緊密地聯(lián)系在一起。
所有的仰望星空都是為了更好地審視自己。人類對于黑洞探索的執(zhí)著也是對自己內心探索的執(zhí)著。從某種程度上,人類首張黑洞照片也讓我們從視覺上看到了科學的詩意。正如德國詩人荷爾德林所寫的那樣,“充滿勞績,但人詩意地,棲居在這片大地上”。 〔作者系上海圖書館(上??茖W技術情報研究所)副研究員〕