近日，好萊塢科幻大片《星際穿越》熱映，讓看過的影迷們都直呼過癮，進而也成為街頭巷尾熱議的話題。電影中反復(fù)出現(xiàn)的黑洞、蟲洞等概念，讓我們對深奧的宇宙知識多了一分了解，也使得本來浩瀚的宇宙又增添了更多的神秘感。
在影片結(jié)尾部分，男主人公欲返回地球，途中他選擇墜入黑洞，結(jié)果在黑洞奇點附近被未來人類拉進一個五維時空，掀起了全劇高潮。相比還處于未被驗證的理論階段的“蟲洞”概念，科學家們對于黑洞研究的歷史頗為久遠，并已得到了驗證。
黑洞究竟是什么？對它的研究因何而起？怎么能夠證實它是真實存在于宇宙中的？同時，黑洞研究到目前為止有哪些新進展？對科學的發(fā)展又有哪些作用？就這些問題，中國科學院物理所研究員曹則賢、中國科學院國家天文臺科學研究部首席科學家張雙南和中國科學院國家天文臺首席研究員劉繼峰進行了解讀。
黑洞是宇宙空間內(nèi)存在的一種超高密度天體，即使光也無法逃脫它的引力束縛，儀器和肉眼都無法直接觀測到
問：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，儀器和肉眼都無法直接觀測到。1967年美國物理學家約翰·惠勒正式開始使用“黑洞”一詞。
曹則賢：黑洞就是一個密度足夠大的天體，其周圍的時空結(jié)構(gòu)使得其發(fā)出的光也無法逃逸，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”。
當一顆星的質(zhì)量足夠大時，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。當最后其密度超過某個臨界值時，周圍的時空結(jié)構(gòu)不允許光的逃逸，這里將成為黑洞。黑洞會吞噬臨近區(qū)域的任何物質(zhì)。
中國古代就有超新星爆發(fā)的記錄，說哪一天突然天上冒出了一顆特別亮的星星。后來我們明白了，那顆星星是自己塌陷了，它在塌陷的時候會發(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經(jīng)歷的劇烈過程。在這個過程中，星體在自身重力的作用下迅速地收縮、塌陷，同時伴隨著強烈的輻射。這些輻射能量來源于重力勢能的釋放。
張雙南：現(xiàn)在大家認識最普遍、最明確并且可以精確計算出來的一個形成機制是：黑洞是宇宙中恒星自身能量耗盡時所演變成的一個天體。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，當其能量耗盡就會變成一個黑洞，小一點的就會變成中子星，再小點的就會變成白矮星。
黑洞研究已有100年歷史，愛因斯坦提出廣義相對論后，科學界開始了對黑洞的嚴肅研究
問：對黑洞的研究始于何時？是什么原因觸發(fā)了科學家去研究黑洞？
張雙南：黑洞的研究歷史很長，而且詳細的研究也差不多有100年了。從愛因斯坦提出廣義相對論后，科學界對黑洞比較嚴肅的研究就開始了。1915年愛因斯坦廣義相對論正式發(fā)表后，大概過了幾個月的時間，黑洞作為廣義相對論的一個基本預(yù)言這件事就清楚了。
曹則賢：對黑洞的研究源于人們研究地球的行為。因為我們?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。在研究的過程中，人們就會發(fā)現(xiàn)我們從地面往天上扔的東西最終都會落回地面，這是因為地球引力的作用。1783年，一個叫約翰·米舍爾的人提出了一個問題，會不會有那么一顆星，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。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?？墒牵诋敃r大家弄不清楚光和一個星體是怎么進行引力作用的。因為光子是沒有質(zhì)量的，沒有質(zhì)量，星體怎么吸引它呢？于是米舍爾的說法并沒有被嚴肅對待，也就沒成為科學研究的主題。
但是，等到1915年時事情就發(fā)生了改變。那一年，愛因斯坦發(fā)表了廣義相對論，其中就提出一個觀點：一個星球的引力實際上決定了它周圍時空的結(jié)構(gòu)。比方說，有個質(zhì)量非常大的星球，它周圍的時空是扭曲了的。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，光在時空中始終走最短的路徑。因此，愛因斯坦就提出了一個大膽想法，如果當某個星球的吸引力特別特別強，光從它旁邊過的時候是彎曲的，光線經(jīng)過太陽旁邊可能就是彎曲的，當然這在我們看來是彎的。對于光來說，它走的路徑就是直的。然后到了1919年，正好有日食，英國人就證明了愛因斯坦這個說法是對的，他們觀測到遠處一顆恒星的光在經(jīng)過太陽附近的時候，光線是彎曲的，愛因斯坦的廣義相對論被證明是正確的。
愛因斯坦廣義相對論的主體是引力場方程，即時空的結(jié)構(gòu)同時空中質(zhì)量—動量密度之間的關(guān)系。在研究過程中，有人就解廣義相對論里的場方程，解什么呢？最直觀的問題包括解假設(shè)有一個點質(zhì)量特別大，旁邊引力場是什么樣？或者一個有一定半徑的球，它旁邊的引力場該是什么樣的？于是，科學家們發(fā)現(xiàn)，確實存在著這種周圍的時空結(jié)構(gòu)是它自己發(fā)出的光也逃不出來的，這就是黑洞了。一位德國學者最早給出了廣義相對論場方程的一個精確解，提出了黑洞視界的概念，當然了，此后出現(xiàn)了更多的關(guān)于不同性質(zhì)黑洞的研究。
黑洞確實存在，在宇宙中為數(shù)眾多，可以用多種方式探測到。目前，人類在銀河系已發(fā)現(xiàn)20個恒星級黑洞
問：理論上已經(jīng)預(yù)測黑洞存在，那事實是這樣嗎？如何能證實黑洞的真實存在？
劉繼峰：黑洞確實存在，且在宇宙中為數(shù)眾多，可以用多種方式探測到。每個星系都存在幾百萬個小黑洞，每個星系中心都存在一個超大黑洞。
曹則賢：科學家是如何證實黑洞真實存在呢？我們知道，黑洞自己的光是逃不出來的，所以不指望能直接觀測到它。那么，科學家們只能通過它的行為或者與背景的比照來判斷哪個地方有黑洞。首先，一個黑洞可能和另外一個星星組成一個雙星系統(tǒng)。這樣，通過觀測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。另外一個判斷依據(jù)就是黑洞的引力透鏡效應(yīng)，這就有些像通過鏡頭的光的路徑了。一個黑洞對于遠道而來經(jīng)過它的光可能會有透鏡效應(yīng)。如果觀測到這個透鏡效應(yīng)，就可以判斷出是否有黑洞存在。這就是所謂的間接觀測，因為黑洞不能直接看到(你不可以把黑的區(qū)域都歸結(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：黑洞研究到目前為止有什么新進展？人們對黑洞有哪些科學認識？
劉繼峰：40年來科學家在銀河系中共發(fā)現(xiàn)了近20個恒星級黑洞，離我們最近的黑洞在1600光年之外。銀河系中預(yù)計共有1000萬個黑洞。我國科學家目前正在利用我國的重大科學裝置郭守敬望遠鏡（大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，即LAMOST）去發(fā)現(xiàn)銀河系中更多的黑洞。
黑洞并不是萬能吸塵器。只有黑洞視界以內(nèi)，物質(zhì)才會無法阻止地落入中心，無法逃脫。遠離黑洞，跟任何其他具有相同質(zhì)量的物體沒有任何不同。比如，若將我們的太陽換成黑洞，太陽系內(nèi)的行星、衛(wèi)星、小行星等的軌道不會發(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，盤中氣體的引力勢能以很高效率轉(zhuǎn)變成了熱能進而轉(zhuǎn)變成輻射能。此外，黑洞還與其他天體物理問題如“星系如何形成”密切相關(guān)。
問：黑洞研究對科學的發(fā)展有何意義？
張雙南：科學研究的目的就是理解各種規(guī)律，對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。也不是說黑洞比其他現(xiàn)象重要，只是很多人對這個感興趣，而很多東西我們又還不理解，所以進行研究。至于弄清楚后，能否實現(xiàn)時空旅行等就都是應(yīng)用問題了，跟科學研究的目的本身是毫無關(guān)系的。
?。ㄔd于《人民日報》 2014-12-08 20版）
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