人民政協(xié)網(wǎng)北京4月17日電 （記者 照寧 孫萌萌）北京時(shí)間2019年4月10日21：00，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EventHorizonTelescope;EHT）項(xiàng)目和中國科學(xué)院在比利時(shí)布魯塞爾、智利圣地亞哥、中國上海和臺北、日本東京和美國華盛頓全球六大城市同步舉行新聞發(fā)布會(huì)，公布人類獲得的首張黑洞照片。

這張照片攝自梅西耶87（M87）星系中心的黑洞，重約65億個(gè)太陽質(zhì)量，距離地球5500萬光年，由全世界橫跨幾大洲8臺毫米波望遠(yuǎn)鏡（或陣列）組成ETH進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)觀測。

近日，黑洞一詞被刷屏，再度引發(fā)民眾對宇宙太空探索的熱度。究竟什么是黑洞？為什么要研究黑洞？本期邀請全國政協(xié)委員、中科院院士蔡榮根給我們科普黑洞相關(guān)知識。

黑洞的由來

記者：您能為大家科普一下什么是黑洞嗎？

蔡榮根：所謂黑洞，雖然看起來是這樣一個(gè)簡簡單單的名字，但蘊(yùn)含的含義是很多的。天文上的黑洞、物理上的黑洞、數(shù)學(xué)上的黑洞含義也不盡相同。

簡單地說，黑洞是一類非常特殊的致密天體，它的引力非常強(qiáng)，連光也無法逃逸，我們看不見它，所以叫做黑洞。它是愛因斯坦廣義相對論的一個(gè)預(yù)言。

數(shù)學(xué)上的黑洞，指的是一個(gè)時(shí)空區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的邊界叫做事件視界。這個(gè)名字大家可能聽說過，這次觀測到它的望遠(yuǎn)鏡就叫事件視界望遠(yuǎn)鏡。

物理上，一方面黑洞是恒星的最終命運(yùn)之一，我們知道像太陽這樣的恒星，它是一個(gè)大號的氫彈，它進(jìn)行核聚變來產(chǎn)生壓強(qiáng)以維持引力平衡，但是核聚變反應(yīng)結(jié)束之后，引力占據(jù)主導(dǎo)作用，恒星就會(huì)向內(nèi)塌縮，根據(jù)原來恒星的質(zhì)量的不同，恒星的命運(yùn)就會(huì)有白矮星、中子星和黑洞這幾種情況。

一個(gè)恒星要是變成黑洞的話，至少需要3倍的太陽質(zhì)量。它是非常小且非常致密的。地球半徑6371公里，我們要把它變成黑洞的話，那么它的半徑就只有幾毫米了。如果太陽變成一個(gè)黑洞的話，那么它就會(huì)被壓縮成一個(gè)半徑只有3公里的黑洞。

歷史上黑洞的發(fā)現(xiàn)其實(shí)經(jīng)歷了不少曲折，在廣義相對論提出很長時(shí)間之前，拉普拉斯就曾基于牛頓力學(xué)作出過一個(gè)預(yù)言，當(dāng)一個(gè)星體的質(zhì)量大到一定程度的時(shí)候，光都無法逃脫，這個(gè)星體叫暗星。但是他的計(jì)算是有問題的，牛頓力學(xué)里，并沒有一個(gè)速度的上限，因此黑洞不會(huì)存在牛頓力學(xué)中，理解黑洞需要廣義相對論。

1915年，愛因斯坦提出廣義相對論。1916年，基于愛因斯坦的廣義相對論，德國天文學(xué)家史瓦西得出了愛因斯坦方程的第一個(gè)精確解，但理解這個(gè)解的物理意義花了很長時(shí)間。在1939年，奧本海默和斯奈德通過對球?qū)ΨQ星體塌縮做計(jì)算，發(fā)現(xiàn)最終恒星可以塌縮成一個(gè)點(diǎn)，但是這個(gè)發(fā)現(xiàn)被擱置了很多年。直到1968年，“黑洞”這個(gè)詞才被著名的理論物理學(xué)家惠勒所提出。

所以可以看到，在當(dāng)時(shí)的研究中，大家都以為這樣的一個(gè)天體完全是不應(yīng)該存在的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)完全是依據(jù)數(shù)學(xué)解釋的。而事實(shí)上現(xiàn)在許多證據(jù)表明黑洞在宇宙當(dāng)中是大量存在的，比如銀河系中心就有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，也叫做人馬座黑洞，它離地球有2.6萬光年，它的質(zhì)量大概是400萬倍太陽質(zhì)量。不得不說這是一件非常了不起的事情。

記者：天文上的黑洞，作為一種天體，黑洞有很多種分類嗎？

蔡榮根：這次看到的是M87星系里面的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，離我們有5500萬光年。它的質(zhì)量非常巨大，是65億倍的太陽質(zhì)量。黑洞基本上可以分成四類，我剛才講的叫做恒星塌縮形成的黑洞，這叫恒星級的黑洞，它的質(zhì)量就是3到100倍的太陽質(zhì)量。銀河系中心的黑洞，或者說這次發(fā)現(xiàn)的黑洞，這叫超大質(zhì)量黑洞，它是10的5次方到10的10次方個(gè)太陽質(zhì)量，這叫超大質(zhì)量黑洞。

還有一類叫中間質(zhì)量黑洞，大概就是1000倍到1萬倍的太陽質(zhì)量。

第四類是原初黑洞，這是在宇宙極早期的時(shí)候密度漲落形成的黑洞。

2016年我們發(fā)現(xiàn)了引力波，其波源是由兩個(gè)黑洞撞在一起產(chǎn)生的，2016年引力波的發(fā)現(xiàn)，可以說是我們第一次聽到了黑洞，聽到了黑洞碰撞的聲音。這次是看到了黑洞。黑洞是黑的，本來是看不見的，但是黑洞周圍有氣體的話，因?yàn)楹诙吹囊Ψ浅?qiáng)，從物理的語言說就是時(shí)空的扭曲非常厲害，所以它會(huì)吸引氣體，這個(gè)氣體在里面運(yùn)動(dòng)的話，由于引力作用和受到的摩擦力，它會(huì)被迅速加熱并發(fā)出很強(qiáng)烈的光！這就是為什么能夠拍照片的原因。你看到的事實(shí)上并不是黑洞本身，而是黑洞外面的光。咱們看到的光都是在黑洞外面，黑洞里面的光是看不到的，所以我們看到的是黑洞的影子。

研究黑洞有哪些方向

記者：能否請您為大家科普一下，現(xiàn)在黑洞研究有哪些方向？

蔡榮根：黑洞的研究方向，一個(gè)是從天體物理的角度，研究黑洞的形成機(jī)制。比如星系里面的超大質(zhì)量黑洞的形成機(jī)制是什么等？黑洞外面激烈的物理過程，比如黑洞的吸積盤、噴流等是怎么產(chǎn)生的？而與最近新近發(fā)現(xiàn)的引力波相關(guān)的研究方向，則有雙黑洞并合產(chǎn)生引力波這一過程是如何發(fā)生的，如何通過計(jì)算機(jī)模擬出兩個(gè)黑洞并合的過程？產(chǎn)生引力波的雙黑洞是原初黑洞還是恒星塌縮產(chǎn)生的黑洞等等。

與此同時(shí)，黑洞的研究還有更豐富、更重要的理論方面的意義。黑洞作為一個(gè)強(qiáng)引力場，本身就會(huì)有很豐富的量子引力的效應(yīng)。我們知道，上個(gè)世紀(jì)最重要的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)是，愛因斯坦的廣義相對論理論和海森堡、薛定諤、狄拉克等人發(fā)展的量子物理理論。但是這兩個(gè)理論在某種程度上卻無法統(tǒng)一在一起。所以物理學(xué)家們都希望能夠統(tǒng)一二者，建立一個(gè)量子引力理論，而無論是什么量子引力理論，黑洞都是最好的一塊試金石。如果考慮黑洞外部的量子效應(yīng)帶來的漲落的話，1974年霍金發(fā)現(xiàn)黑洞并不是黑的，而是具有溫度的，會(huì)向外輻射物質(zhì)，這叫霍金輻射。霍金輻射和之前已經(jīng)建立的幾個(gè)黑洞力學(xué)定律結(jié)合起來，大家發(fā)現(xiàn)黑洞其實(shí)是一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)，這叫黑洞熱力學(xué)，是一個(gè)很前沿的研究領(lǐng)域。這個(gè)領(lǐng)域就是看看黑洞作為一個(gè)有溫度、有熵的熱力學(xué)系統(tǒng)，它會(huì)有什么奇特的性質(zhì)。

而之后，霍金又發(fā)現(xiàn)如果黑洞有霍金輻射的話，會(huì)破壞量子力學(xué)里面的一個(gè)根本性的定律，叫做幺正性。通俗地來講，就是黑洞會(huì)破壞信息的守恒。在日常生活中，信息其實(shí)是守恒的，比如我們燒掉一本書，看起來書上的信息是消失了的，但是理論上，信息只是被擾亂了，如果有足夠復(fù)雜的計(jì)算機(jī)，是能夠從灰燼中重新還原這本書的。但是黑洞不同，掉入黑洞的信息，通過霍金輻射變成一些光子之后，信息是完全丟掉的。所以，如何解決這個(gè)信息丟失的問題也是黑洞物理研究中的一個(gè)核心問題。

值得注意的是，霍金也曾經(jīng)給出過這個(gè)問題的一個(gè)回答。黑洞看上去很復(fù)雜，但事實(shí)上黑洞是很簡單的，它只有三個(gè)參數(shù)——質(zhì)量、自旋和電荷，這叫黑洞的無毛定理。但這個(gè)是經(jīng)典物理下的結(jié)果，考慮量子物理下，黑洞還會(huì)帶有軟毛，霍金曾經(jīng)認(rèn)為這個(gè)軟毛對于解決黑洞信息的問題至關(guān)重要。

還有一件值得一提的事情。在2012年，科學(xué)家們考慮到量子糾纏的效應(yīng)（量子糾纏是指在兩個(gè)不同地方的兩個(gè)量子狀態(tài)之間存在神秘關(guān)聯(lián)，這事實(shí)上是量子力學(xué)的一個(gè)基本性質(zhì)），甚至預(yù)言了黑洞的內(nèi)部并不存在，事件視界附近其實(shí)是不光滑的，而是存在一個(gè)火墻。一切掉進(jìn)黑洞的物質(zhì)都會(huì)被火墻燃燒殆盡。火墻是否一定會(huì)存在，有沒有辦法避免這個(gè)火墻也是大家關(guān)注的重點(diǎn)?；饓ぐl(fā)了一系列的討論，甚至有人為了解決火墻提出了一個(gè)所謂的ER＝EPR理論。這里解釋一下，愛因斯坦在1935年同時(shí)發(fā)表了兩篇論文，一篇是關(guān)于時(shí)空的蟲洞結(jié)構(gòu)，叫做愛因斯坦－羅森橋。一篇是對于量子力學(xué)的質(zhì)疑，叫做EPR佯謬，它說明量子力學(xué)的一些奇怪的地方。而現(xiàn)在，人們甚至發(fā)現(xiàn)了這兩個(gè)似乎毫不相關(guān)的問題居然存在某種關(guān)聯(lián)。在此之后，量子信息學(xué)里面的很多東西也都逐漸地被用來研究黑洞物理，這是最近才有的發(fā)展，許多人都在致力于通過量子信息更好地理解黑洞。大家可能聽說過量子信息的應(yīng)用研究，比如制造量子計(jì)算機(jī)，它很厲害，可能會(huì)深刻地改變我們的生活。但是量子信息的一些理論概念同樣重要，它甚至可以幫助我們理解黑洞。

其實(shí)，黑洞是一個(gè)有熵的熱力學(xué)系統(tǒng)，但是根據(jù)統(tǒng)計(jì)物理，熵是描述物體的微觀狀態(tài)數(shù)目的。那么黑洞熵相應(yīng)的微觀自由度是什么呢？這也是一個(gè)有意思的問題，這方面著名的超弦理論，可以給出一個(gè)計(jì)算，它算的是一類特殊的黑洞，可以給出黑洞熵的一個(gè)起源。

研究黑洞的意義

記者：請您介紹一下人類研究黑洞的意義是什么？

蔡榮根：首先是因?yàn)楹诙词且环N天體，研究黑洞是對自然規(guī)律的探索。既然這個(gè)是客觀的存在，我們就需要把它弄清楚、弄明白。因?yàn)樗鼘τ钪娴慕Y(jié)構(gòu)的形成，天體的演化，對天體物理的研究具有非常重要的意義。第二，黑洞是愛因斯坦廣義相對論的一個(gè)預(yù)言，在牛頓的萬有引力定律里面，事實(shí)上是沒有黑洞這個(gè)概念的。黑洞的存在提供了一個(gè)證據(jù)，證明愛因斯坦廣義相對論是對的。第三，黑洞作為一個(gè)量子引力效應(yīng)顯著的地方，是檢驗(yàn)量子引力理論最好的平臺。人們從黑洞物理中，可以問出很多非常好的問題，這些問題就像是會(huì)下金蛋的母雞，總是能夠帶來人們對于物理學(xué)理解上的飛躍。

記者：這次拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片，為什么說這個(gè)照片非常難拍攝？

蔡榮根：因?yàn)檫@個(gè)黑洞離我們很遠(yuǎn)，足足有5500萬光年，因此從地球上看它是很微小的。有一個(gè)很形象的比喻，就是拍攝這個(gè)黑洞的難度就像在地球上面看月球上面一個(gè)硬幣大小的東西，可想而知難度是非常巨大的。而且，因?yàn)楹诙粗車e了很多物質(zhì)，它們都會(huì)對于電磁波有很強(qiáng)的阻礙，另外從黑洞到我們地球之間有很多的星際塵埃，這些都會(huì)阻礙我們看到黑洞發(fā)出的信號。這次也是將分布在全球各處的八臺射電望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來觀測，形成一個(gè)如地球般大小的射電望遠(yuǎn)鏡才看到了黑洞的蹤跡。其實(shí)，這個(gè)照片是結(jié)合觀測到的海量數(shù)據(jù)處理得到的，小小的照片背后蘊(yùn)涵了無數(shù)人艱苦的努力。

記者：這次拍到的黑洞照片，對研究黑洞有何意義呢？

蔡榮根：有意義，一來它可以檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對論，就是看黑洞影子的形狀跟理論的預(yù)言是不是相符。除了廣義相對論，還有很多修正的引力理論，這些理論都可以給出黑洞影子的形狀，并且和廣義相對論的預(yù)言會(huì)有一些不一樣，看到黑洞的影子可以直接來檢驗(yàn)這些不同的理論，這是一個(gè)很重要的方面。第二可以弄清楚黑洞外面的這些氣體的運(yùn)動(dòng)行為，看看它的理論計(jì)算跟實(shí)驗(yàn)的觀測是不是相符？第三，它也可以驗(yàn)證無毛定理，這是一個(gè)廣義相對論黑洞物理中很關(guān)鍵的定理，并且在此之前仍然是一個(gè)有待驗(yàn)證的假設(shè)。

記者：在很多電影里面，黑洞都是作為一個(gè)時(shí)空穿越的蟲洞，這回真正拍到它了，對利用黑洞做一些星際穿越或星際旅行理論研究有沒有幫助或啟發(fā)？

蔡榮根：這個(gè)問題非常好，黑洞以前都是科幻小說中的一種東西，那么現(xiàn)在引力波的探測和這次對于黑洞的拍照把黑洞確確實(shí)實(shí)變成了一個(gè)客觀存在。以前很多做引力研究的人不相信黑洞的存在，現(xiàn)在變成了科學(xué)研究的主要前沿。

前幾年不剛好有個(gè)叫《星際穿越》的電影嘛，這個(gè)電影中就通過電腦模擬描繪出了一個(gè)比較準(zhǔn)確的黑洞的圖像，這部電影的科學(xué)顧問KipThorne，是2017年的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，他就是在引力波探測方面做了很大貢獻(xiàn)。2017年底他應(yīng)邀來中科院，白春禮院長親自給他頒發(fā)了中國科學(xué)院大學(xué)榮譽(yù)教授證書，他在中科院理論物理所彭桓武科學(xué)前沿論壇上作了學(xué)術(shù)報(bào)告。我們現(xiàn)在看到的是黑洞的外部結(jié)構(gòu)，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到底是什么？能不能夠作為蟲洞穿越到另外一個(gè)宇宙當(dāng)中去？現(xiàn)在從理論上來說是可以的，但實(shí)際上來說能不能做到這個(gè)星際穿越還是沒有一個(gè)定論。因?yàn)槲覀儗诙吹膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在可以說是一無所知。但以后黑洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域會(huì)變成一個(gè)非常重要的研究課題。

（蔡榮根：中國科學(xué)院理論物理研究所副所長，全國政協(xié)委員。2016年入選中組部萬人計(jì)劃百千萬人才工程領(lǐng)軍人才，2017年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士，2019年當(dāng)選國際廣義相對論和引力學(xué)會(huì)會(huì)士?，F(xiàn)兼任中國物理學(xué)會(huì)理事，中國物理學(xué)會(huì)引力和相對論天體物理分會(huì)主任，國際廣義相對論和引力學(xué)會(huì)理事，亞太物理學(xué)會(huì)天體物理、引力和宇宙學(xué)分會(huì)副理事長，金磚國家引力、天體物理和宇宙學(xué)學(xué)會(huì)理事長。研究領(lǐng)域：引力理論和宇宙學(xué)，在黑洞物理、引力性質(zhì)、宇宙學(xué)和引力波物理等方面發(fā)表論文240余篇，論文被他引1.2萬余次，曾獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，湯森路透全球高被引科學(xué)家獎(jiǎng)。）