为什么要研究黑洞？

黑洞是宇宙中最秘密的天体之一，也是物理学、天文学的告急研究对象，更是公众关心的热门话题。看似与一样平常生存绝不干系的黑洞研究，现实上深远地影响了科学、技能以致人类生产生存方式的进步。“宇宙中的黑洞是怎样形成和演化的？”入选2022年度中国科协“巨大科学题目”，北京大学陈弦老师在《科学转达》发表文章，通过梳理黑洞研究所履历的部门关键节点，对此题目举行相识读。

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“黑洞”这一概念劈头于18世纪。其时，英国的自然哲学家米歇尔（John Michell）和法国的数学家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace）都从牛顿万有引力定律的数学情势出发，得到宇宙中最大的天体大概是“暗星”的结论。颠末200多年的发展，黑洞研究已经从单纯的思辨演变为既有理论又有实证的“硬核”科学。究竟上，20世纪的多项诺贝尔物理学奖都与黑洞研究有着深厚的渊源。进入21世纪，更是有3次诺贝尔物理学奖被授予了与黑洞直接干系的研究结果。

黑洞这种看似与生产生存绝不干系的事物，为什么会成为物理学和天文学的研究核心，而且受到科学界的广泛承认与关注呢？借着“宇宙中的黑洞是怎样形成和演化的？”入选中国科协2022年度“巨大科学题目、工程技能困难和产业技能题目”这个契机，笔者将通过梳理黑洞研究所履历的部门关键节点，实验对上述题目作一些解答，目的是让更多的科技工作者相识黑洞研究的盼望和意义，并能找到机遇到场到这项前沿的底子科学研究中。

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塑造时空观

时空观是人类熟悉天下的底子，它深刻地影响着人类改造天下的本领。最质朴的时空观以为时间和空间是相互独立且一连厘革的。在此底子上创建起来的牛顿力学直接导致了第一次科学革命，而且引发了厥后的第一次技能和工业革命。到了20世纪初，狭义相对论扬弃了牛顿力学体系所依赖的绝对时空观，以为时间和空间会由于参照系的选择而发生厘革，只有它们构成的四维时空团体才是更根本的物理存在。这种时空观预言了新的质量与能量关系，导致了20世纪中叶对原子能的使用。广义相对论将引力也纳入到时空团体中一并思量，从而显现了时空弯曲与质量之间深刻的接洽。本日，广义相对论已经成为环球定位体系和太空探索的理论底子。量子力学的创建让人们对时空的一连性也产生了猜疑。只管由此引发的争论还在继承，但我们已经在质料、通讯、能源等范畴享受到了这场科学论战带来的丰硕结果。

黑洞使我们的当代时空观遇到了真正的贫苦，这分析人类对时空的明确还远没有到止境。我们如今对黑洞的明确劈头于1916年。广义相对论提出仅一年以后，德国物理学家史瓦西（Karl Schwarzschild）[1]根据爱因斯坦的场方程求得了点质量外部时空布局的准确表达式。奇怪的是，这个数学效果在某一特别半径——史瓦西半径处是发散的。数学上的发散性每每意味着物理理论的不自洽大概不完备，以致于爱因斯坦[2]在20多年后仍对此效果耿耿于怀，以为这只是点质量假设造成的数学上的偶合，不是“物理着实”。厥后，爱丁顿（ArthurEddington）和勒梅特（Georges Henri Josephdouard Lematre）发现史瓦西半径处的发散性是坐标选取不适当造成的，可以通过坐标变动去除，肯定水平上为广义相对论解了围。但是，这里的时空仍有某种奇异性，由于进一步的研究表明，物质乃至光到了这里都只能进不能出。纵然思量到天体大概在自转大概带有电荷，我们仍可以在天体外部的时空中找到如许一个（超）曲面，该曲面具有上述“单向膜”一样的性子。这个曲面就是各人常说的“视界面”，它标记着黑洞的存在。

视界面固然特别，但终究没有违背物理学根本定律。真正的危急来自视界内部。有一个地方的发散性无论怎样也无法消除，那就是黑洞的“中心”。在这里，已知的物理定律都将失效，因此这个地方被叫作“奇点”。黑洞中肯定有奇点吗？20世纪60年代，英国数学家、物理学家彭罗斯(Roger Penrose，获2020年诺贝尔物理学奖)[3]在广义相对论框架下最早证实了（我们宇宙中的）黑洞中奇点肯定形成。“广义相对论宣判了本身的极刑！”这让很多物理学家熟悉到，要办理奇点题目，必须寻求广义相对论之外的出路。

70年代之前的黑洞理论都从广义相对论出发，讨论黑洞的多少大概物理，而且得到了“形貌黑洞仅需质量、角动量、电荷三个物理量”如许闻名的“黑洞无毛定理”。1971年是黑洞研究的分水岭。这一年，霍金（Stephen WilliamHawking）提出了黑洞面积定理，这让贝肯斯坦（Jocob D. Bekenstein）[4]意识到黑洞物理与热力学有着诸多相似性，并于1973年提出了黑洞熵的概念，由此开启了黑洞研究的新纪元。1974年，霍金[5]因利乘便，提出黑洞假如有熵就会有温度、有温度就会有辐射（“霍金辐射”）的大胆意料。霍金的天才体如今他试图从量子场论这个差异以往的角度重新审视时空弯曲的效果，因此得到了极新的发现。

霍金辐射提出后，黑洞便成了量子力学和广义相对论共同的试验场。两个范畴的头脑和理论在这里交织碰撞，大大拓宽了底子物理研究的思绪和内在。尤其是霍金辐射引发的“黑洞信息丢失题目”，更是凸显了广义相对论和量子力学之间的告急关系，鼓励物理学家不停提出新的想法，探求同一理论[6,7]。

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启示新发现

假如仅从理论物理和数学的角度去研究，黑洞有大概会变成仅供少少数物理学家和数学家把玩的冷门知识。本日的黑洞研究之以是受到科学界和公众的广泛关注，要归功于20世纪后半叶开始的黑洞天文学研究。天文学方法的引入，让黑洞研究从理论走向实证，不但让我昧攴斧找到了黑洞存在的证据，更是开创了黑洞理论与天文观测相互促进、瓜代进步的极新局面。

宇宙中要形成黑洞，就必须在肯定的体积内积聚富足多的物质。广义相对论刚刚提出时，其时已知的最致密的天体照旧白矮星。和太阳差不多大的恒星在核燃烧竣过后会留下白矮星，其密度比太阳的密度高100万倍左右。在白矮星内部，电子被牢牢地压在一起，形成的电子简并压可以抗衡强大的引力。但20世纪30年代印度裔天文学家钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar，获1983年诺贝尔物理学奖）[8]发现，在电子简并状态下，物质的压强是有上限的。这个发现预示着一旦白矮星的质量凌驾某一极限——钱德拉塞卡极限，电子简并压将无法与引力抗衡，白矮星就会塌缩。

钱德拉塞卡[8]并没有在论文中讨论凌驾钱德拉塞卡极限的星体是什么，但是星体塌缩会造成密度发散是显而易见的。这个题目的存在，导致钱德拉塞卡的观点遭到了包罗他的导师爱丁顿在内的多个物理学家的反对。爱丁顿的公开反对特别令人深思。他是第一批研究黑洞的科学家，而且在黑洞的数学和多少布局方面作出过突出贡献。连如许“先锋”的科学家都不能继承白矮星塌缩的物理效果，从一个侧面反映出黑洞对其时物理学体系的打击有多大。

爱丁顿等人的反对也并不是完全没有原理的。1932年，查德威克(James Chadwick，获1935年诺贝尔物理学奖)发现中子后，朗道（LevDavidovich Landau，获1962年诺贝尔物理学奖）就提出了完全由中子构成的“中子星”的概念。两年后，天文学家巴德（Wilhelm Heinrich Walter Baade）和兹威基（Fritz Zwicky）就意识到中子星可以在大质量恒星闭幕时将电子和质子挤压成中子而形成。特别是牢牢挨在一起的中子会提供一种比电子简并压大得多的中子简并压，如许纵然中子星质量凌驾钱德拉塞卡极限，也一样可以维持稳固而不塌缩。但是好景不长，1939年，奥本海默（Julius Robert Oppenheimer）等人[9]证实中子星质量凌驾某一极限——奥本海默极限后，连中子简并压也无法反抗引力，中子星也要塌缩。至此，似乎再也没有什么理论可以或许克制黑洞的形成了。接下来必要一个令人佩服的观测证据。

突破发生在近30年后。1967年，贝尔（Jocelyn Bell）在老师休伊什（Antony Hewish，获1974年诺贝尔物理学奖）的引导下从事射电天文研究，偶尔发现了脉冲星。从脉冲周期推测，这种星体在高速自转，但它们竟然没有被巨大的离心力瓦解，分析其密度相称高。休伊什和贝尔[10]因此大胆地提出，脉冲星就是中子星。这个发现对黑洞研究的促进作用是巨大的：既然宇宙中真的存在中子星，那么黑洞的存在也不是不大概的了。因此，当20世纪60~70年代贾科尼（Riccardo Giacconi，获2002年诺贝尔物理学奖）[11]领导的X射线卫星项目探测到一批X射线源，而且从X射线强度的快速厘革推测出这种天体比太阳的尺寸小很多后，人们已经能很自然地猜到它们大概是中子星大概黑洞了。针对天鹅座X-1这个比力亮的对象，天文学家还采取了射电、光学等其他望远镜对其举行了多波段观测，发现此中的致密天体凌驾了奥本海默极限[12,13]。究竟上，最新的X射线观测将这个黑洞的质量限定在了21倍太阳质量左右[14]。只管没有直接探测到视界面，很多天文学家照旧承认这个致密天体就是黑洞，由于中子星塌缩成黑洞的图景已经被广泛继承了。厥后，人们把这种由大质量恒星演化形成的、比太阳重好几倍到几十倍的黑洞称为“恒星级黑洞”。

天文学家机动的观测本领和务实的行事作风一扫以往纯理论研究深邃艰涩的风格，给20世纪60年代之后的黑洞研究注入了新的活力，干系的天文发现层出不穷。二战后射电技能在天文上的应用，除了导致脉冲星的发现，还导致了大量类星体的发现。类星体是看上去像恒星一样的点源，但有着较强的射电辐射和光学发射线。1963年，施密特（Maarten Schmidt）[15]证认出类星体3C273的宽发射线着实就是红移后氢和氧的电离谱线。谱线的红移分析类星体处在迢遥的宇宙中。这么远的天体仍能被望远镜探测到，分析一个类星体必须如整个星系一样豁亮。但云云剧烈的能量开释与观测上类星体的致密水平格格不入。进入70年代以后，越来越多的天文观测证据表明，类星体的能源来自气体落入黑洞前开释的引力势能[16]。与恒星级黑洞差异，类星体中的黑洞要比太阳重几百万乃至几十亿倍，因此被称为“超大质量黑洞”。

类星体的能源题目固然办理了，但超大质量黑洞的劈头又成了新的谜团。不外天文学家似乎并不在意，反而广泛继承了类星体中存在超大质量黑洞这一观点。理论天体物理学家林登贝尔（Donald Lynden-Bell）[17]由此得出了一个惊人的推论，那就是类星体熄灭后会留在星系核心，以是星系中心广泛存在超大质量黑洞。进入80年代，类星体的观测资料更加丰富。天文学家佐尔坦（Andrezej Soltan）[18]据此推算出了近邻星系中超大质量黑洞的总数和总质量。

林登贝尔[17]的意料激起了天文学家在近邻星系中心探求超大质量黑洞的爱好。这是一项困难的使命，由于黑洞的视界太小了，其时的望远镜无法直接探测到，以是天文学家采取了折中的方案，去探测超大质量黑洞对附近恒星和睦体的动力学影响。即便云云，其难度也不亚于我们在20 m开外看清针尖巨细的物体。固然天文学家从20世纪70年代末就开始使用地面最大口径的望远镜，并共同先辈的电荷耦合器件（CCD）对近邻星系的中心举行成像观测，但距探测到超大质量黑洞引力势阱内的恒星和睦体另有一步之遥。

终于在20世纪90年代末，哈勃太空望远镜以其亘古未有的空间分辨率，探测到了近邻星系核心恒星和睦体的高速运动速率。这种征象分析星系核心很小的地域内会合了大量的质量，从而佐证了林登贝尔的推测[19]。进入21世纪，地面十米级望远镜的建成以及红外成像技能在天文观测中的应用，使得我们可以看透银河系的灰尘，证实银河系中心也存在一个超大质量黑洞，而且丈量出它的质量是太阳的400万倍[20,21]（该结果被授予2020年度诺贝尔物理学奖）。

随着观测资料的丰富，另一个新的题目活着纪之交徐徐凸显出来。天文学家发现，超大质量黑洞的尺寸固然不及星系的几亿到几十亿分之一，但它的质量却和星系的团体性子（形态、质量以及恒星的随机运动速率等）密切干系[22]。这意味着在凌驾8~9个数目级的空间标准上（近似一颗沙粒与一座都会的比例关系），超大质量黑洞能通过某种未知的机制与其宿主星系相互作用，协同演化。这个发现也分析不能把超大质量黑洞看成孤立的体系来研究，而要把它放在星系这个大“生态体系”中去明确。

为了查明超大质量黑洞与星系的演化汗青，天文学家将眼光越来越多地投向宇宙早期。但面临可观测宇宙中数以千亿计的星系，各人最初也只能望洋兴叹。进入21世纪后，大样本全主动光谱巡天望远镜（SDSS）的建成使得天文学家有本领对比力亮的星系和类星体举行普查。很快人们就在红移大于6的宇宙中发现了一批豁亮的类星体[23]，分析比太阳重几十亿倍的超大质量黑洞已经存在于130亿年前的宇宙（其时宇宙年岁约10亿年）。但根据传统的恒星形成演化理论，宇宙早期第一代恒星形成的黑洞是很难在这么短的时间内通过吸积气体增长到观测到的质量的。我们如今所知的物理在表明超大质量黑洞的形成演化时遇到了很大的困难，对这个题目的理论和观测研究很大概孕育偏巨大的科学突破。

固然，也有很多与黑洞干系的题目随着天文观测本领的进步得到了办理。比如时域天文学的开启（研究天体随时间的厘革），让我们可以或许通过光变证认出更多的黑洞，尤其是找到了介于恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的“中等质量黑洞”[24,25]，弥补了“黑洞家谱”中的空缺。又如X射线成像技能和射电综合孔径技能的成熟，让X射线和射电望远镜的空间分辨率进一步进步，有利于我们看清星系核心的布局，乃至能分辨出在某些发生归并的星系中存在不止一个超大质量黑洞[26]。这末了一项发现一方面支持了超大质量黑洞可以通过归并而增长的观点，为引力波探测提供了理论依据，另一方面也将超大质量黑洞的增长与星系归并接洽起来，构成了明确两者干系性的告急一环。

进入21世纪的第二个十年，广义相对论预言的引力波终于被地基引力波天文台探测到[27]。如今探测到的变乱多数是双黑洞归并变乱，因此可以说引力波的发现掀起了黑洞研究的又一个高潮。令人始料不及的是，通过引力波探测到的黑洞大多比太阳重30~40倍，有的在归并前乃至到达了太阳质量的100倍，远远重于银河系内探测到的恒星级黑洞。这种超重黑洞对现有的黑洞形成演化理论提出了更加严肃的挑衅。因此，也有物理学家以为这些黑洞不是恒星演化的产物，而是宇宙极早期由量子涨落造成的原初黑洞，它们大概构成了暗物质的一部门。为了辨别这种黑洞的劈头，科学家已经开始操持建立技能更加先辈、性能更加良好的下一代地基引力波探测器了（如美国的Cosmic Explorer和欧洲的Einstein Telescope）。

另一项黑洞天文学的突破发生在2019年。由环球多台射电望远镜组网构成的“变乱视界望远镜”发布了近邻星系M87中心超大质量黑洞的照片。这是人类第一次以靠近黑洞视界的分辨率看清晰了黑洞附近的环境。本年，该望远镜又公布了银河系中心超大质量黑洞的照片。通过这些照片，科学家可以或许进一步研究强引力场中物质与光的活动，验证视界是否存在，而且查验其他根本的黑洞物理过程。

假如说黑洞与天文学有着自然的接洽，那么黑洞研究对物质科学的促进作用大概是大多数科学家没有想到的。在办理黑洞信息丢失题目的过程中，物理学家提出了一种“全息对偶”理论，将低维量子体系与高维引力理论相对应起来研究。受这种理论的启发，凝结态、核物理、冷原子物理和量子盘算等范畴的科学家都睁开了新的盘算和实验，来重新明确他们在各自范畴遇到的题目[28]。这种跨界研究显现了量子信息与时空多少更加深刻的接洽，也反过促进了黑洞物理学家对黑洞信息熵的明确。

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催生“黑”科技

黑洞研究从纯理论徐徐走向实证，末了成为理论物理和天文学的主流研究方向，这个飞跃很大水平上得益于20世纪发生的频频技能革命。与此同时，黑洞科学家们提出的科学目的和需求又反过来牵引了技能的发展，催生了一大批在生产生存中具有高度实用代价的颠覆性技能。

黑洞的发现与通讯技能的发展有着密切的接洽。比如，银河系中心的超大质量黑洞就是贝尔实验室的无线电通讯工程师央斯基（Karl Guthe Jansky）偶尔间发现的。二战后，天文学家改装闲置的雷达来观测天体，推动了无线电技能的进一步发展。究竟上，很多乐成的通讯技能公司都是由射电天文学家建立的。

二战后的类星体研究对射电望远镜的分辨率提出了更高的要求。为了办理单天线分辨率差的题目，天文学家和工程师开始实验射电干涉技能。尤其是赖尔（获1974年诺贝尔物理学奖）等人发展的综合孔径技能，使得制作一个口径相称于地球巨细的望远镜（如“变乱视界望远镜”）成为大概。值得一提的是，综合孔径技能所依赖的数据处置惩罚方法厥后被移植到了医疗成像技能中，促成了盘算机断层扫描（CT）和磁共振（MRI）的发明。

大型射电望远镜很告急的使命之一是跟踪多个脉冲星，使用它们稳固的自旋来计时，目的是探测超大质量黑洞旋近（inspiral）而辐射的引力波。为了实现这个科学目的而发展起来的一套理论和方法，已经可以创建比原子钟更加准确、稳固的时间基准，而且有望在将来应用于太空探索和导航。

很多黑洞体系都辐射X射线，因此探求黑洞的本领肯定水平上取决于X射线探测器的性能。天文学家探测单薄X射线天体的需求，催生了低照度高分辨率X射线成像技能。这种技能厥后被广泛应用于安检、质检等范畴。为了让望远镜可以或许准确丈量每个光子的能量，天文学家还率先定制了高分辨率的X射线衍射光谱仪。这种仪器在生物、制药等范畴也得到了广泛应用。要让X射线光谱仪在太空中也能运行，工程师还开发了一种低温磁铁技能。这种磁铁被应用在磁共振中，大大进步了磁共振的安全性和稳固性。

探测引力波的需求更是让浩繁技能范畴获益，包罗精密丈量、计量、光学、激光、质料、空间技能和高性能盘算等。为了使地基引力波探测器到达亚飞米丈量精度，科学家们举行了一系列旨在突破标准量子极限的理论研究和实验，发展了诸如quantum non-demolition、back-action evasion等概念，以及衡量光学机器体系的双光子方法等。这些理论和技能结果已经被本日的光学、量子等研究范畴广泛采取。

为了探测中等质量和超大质量黑洞的引力波，天文学家更是提出了在太空制作巨型激光干涉仪的操持。根据具体的科学目的，这些探测器必要在几十万到几百万公里的隔断上丈量出10 pm左右的位移厘革。要到达这一目的，就必须在皮米级丈量、激光稳频、微推进等技能范畴举行科研攻关。这些“将来技能”有大概改变激光通讯、太空探索、准确制造等行业的面目。

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中国的机遇

综上所述，对黑洞的进一步研究有望取得新的科学突破，而且带来观念和技能的革命。近些年来，中国经济力气的团体增长和对底子科研的加大投入，让中国科学家更有机遇、也更有本领在黑洞研究范畴率先取得突破性结果。尤其是在文学范畴，我国的郭守敬光纤光谱巡天望远镜、“慧眼”X射线望远镜、“天眼”射电望远镜阵列、“拉索”宇宙线和伽马射线观测站等，以及正在建立或规划中的中国空间站工程巡天望远镜、“爱因斯坦探针”X射线巡天望远镜、下一代X射线望远镜eXTP、大型光学红外望远镜、“太极”和“天琴”等空间引力波探测项目，都把黑洞作为它们告急的科学研究目的。不丢脸出，将来5~20年将成为中国以致天下黑洞天文学研究的下一个黄金期间。

陈弦北京大学物理学院天文学系助理传授，同时受聘于北京大学科维理天文与天体物理研究所。重要从事与黑洞有关的天体物理理论工作。