100年后，人类终于看到了黑洞

从天文学的角度来看， 2019年可谓是黑洞之年。

　　这一年，黑洞研究取得了多项突破性进展。4月10日，科学家发布首张全球唯一的黑洞照片；11月28日，中科院国家天文台的科研人员又发现了银河系当中最大的恒星级黑洞，除此之外，美国科学家还发现了宇宙中最小质量的黑洞。而这些发现中，毫无疑问首张黑洞照片是最激动人心的一件事。

银河系内最重的恒星级黑洞LB-1的艺术想象图（喻京川绘）

　　1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，几个月之后，身处德国战壕中的物理学家卡尔·史瓦西（K。 Schwarschild）求得了爱因斯坦方程的精确解，这个解就是现在我们所知道的黑洞解，没有转动的黑洞解，这也是第一次现代意义上对于黑洞的描述。

　　在接下来的近一百年里，人类对黑洞的研究仅仅停留在理论上，我们对于黑洞长什么样几乎一无所知。

　　一直到最近十多年，科技的发展让人类有机会去追寻、去探究黑洞真实的模样。终于在2019年4月份，全球20个国家的300多位科学家联合发布了第一张黑洞照片。

　　通过黑洞探寻的历史，我们可以窥探整个科学发展的漫长历史。

　　说到黑洞，或许我们会有一些恐惧感，因为在很多电影中把黑洞都描述成无所不“吃”，甚至连光和时间都能够停止的“巨人”，但是在一些物理学家的眼中，它又是非常神奇的，因为它或许在未来会充当时间之门的角色，带领人类快速地进行宇宙穿越。

　　总体来说，黑洞是既神秘又神奇的天体。黑洞引力非常强，所以要认识它，我们就得从引力的发展历史去探究。

　　万有引力发展史

　　谈到引力，自然而然我们就会想到17世纪伟大的物理学家–牛顿，他坐在树下，看到下落的苹果，就意识到在宇宙中应该存在一种普遍的力，现在我们称之为万有引力。

　　牛顿是一位非常伟大的物理学家，他不仅仅想到了这一点，他还让这个想法“落地”了，他根据这个想法写下了一个非常经典的公式：万有引力表达式。通过这个公式，我们知道，他认为引力是因为物体有质量而存在的。

　　他把这一理论总结在经典的《自然哲学的数学原理》一书中。这一理论发表后得到了很多人的推崇，因为它不仅可以很好地解释天体在空间当中的运动，而且可以完美地预测天体未来的运动状态。

　　在接下来的几百年中，他的理论不断被验证，而且被更为广泛的应用，不仅在物理学中，还应用在其他非常多的学科中。牛顿理论可以说是现代科学的起源，但是到了19世纪，更多观测的发现，让科学家对牛顿理论提出了挑战。20世纪初的时候，爱因斯坦首先提出了狭义相对论，十年之后又提出了广义相对论。在这个新型的理论当中，他提出了一种对引力全新的看法，他认为引力并非由质量直接产生，而是由有质量的天体导致了宇宙时空的弯曲，弯曲的时空呈现出一种引力的效应。

　　在爱因斯坦提出广义相对论的几个月后，德国物理学家卡尔·史瓦西（K。 Schwarschild）就得到了这个复杂方程的精确解，但很遗憾的是，这个精确解虽然是黑洞的精确解，但是这个黑洞是没有转动的黑洞，而在宇宙当中几乎所有的天体都是转动的，包括地球。所以，爱因斯坦看到这个精确解的时候，虽然很惊奇，但他并不相信这个解是真实存在的。

　　在接下来的几十年中，由于战乱、科技的限制，对于黑洞的研究可以说是停滞的。仅仅在1939年，奥本海默和他的学生发现了大质量恒星坍缩有可能会形成一个奇点，这就是我们现在所知道的黑洞，除此之外，对于黑洞的研究并没有太大的进展。

　　因为观测从来没有发现过黑洞的踪迹，所以直到1955年爱因斯坦去世，他都没有相信黑洞这类神秘的天体是存在的。

　　黑洞研究黄金三十年

钱德拉X射线天文台拍摄的天鹅座X-1照片。 来源维基百科

　　时间到了60年代，1963年新西兰的数学家科尔得到了广义相对论方程另外一个精确解，这一次的黑洞解是转动的。而在一年之后的1964年，美国科学家通过发射探空火箭，第一次发现了黑洞的踪迹，人类历史上第一个恒星量级的黑洞就此被发现，这就是我们现在熟知的天鹅座X1。

　　因为理论和观测的双重突破，一下子吸引了大批的天文学家、物理学家投入到这个领域中，所以在接下来的二三十年中，黑洞的研究进入了黄金时期。我们现在知道几乎所有的黑洞知识，都是在这二三十年中获得的。

　　在这期间，有一位非常突出的学者：普林斯顿大学的惠勒教授。我们现在知道的黑洞这一词，尽管不是他发明的，但经过他的广泛推广，最终被大众所熟悉。

　　除了惠勒之外，另外一位需要重点介绍的物理学家就是霍金。霍金在70年代，当大家还认为黑洞没有任何辐射的时候，他就提出黑洞应该会产生辐射，这就是我们现在所知道的霍金辐射。这个辐射尽管非常微弱，但是0和1的差别却是天壤之别。

　　在接下来的几十年当中，尽管人类在理论上已经取得了非常多的知识，但是黑洞究竟长什么模样，我们还是不知道。所以，最近一次对于黑洞最为震撼的描述，应该是2014年上映的《星际穿越》电影。

　　这部电影中对于黑洞的展现也震撼到了我。不仅仅是我，作为电影科学顾问的诺奖得主–基普·索恩，他第一次看到高清旋转黑洞的时候，同样欣喜若狂。为了得到高清黑洞的展现，英国双重否定公司利用30个人的团队，花费了将近一年的时间，得到了8000TB的数据，最终呈现给影迷如此高清的黑洞渲染特效，并且他们发表了相关文章，来展现他们的计算技术。

　　从科学角度对于黑洞探测，一直没有停止。十年前，科学技术发展到一定阶段，我们可以把全球望远镜联网，来自于全球很多国家的科学家就试图对一些黑洞进行真正的成像，他们把这个项目叫做视界面望远镜项目。

　　他们想看的两个黑洞，一个是来自于银河系中心的黑洞，另外一个位于大约5500万光年之外的M87黑洞，上图右侧展示的就是M87光学波段的黑洞。

　　需要多大的望远镜才能真正看清楚中心黑洞的模样？上图就是非常好的说明。蓝色代表是哈勃望远镜所拍摄到的图像，而最中间的圆环就是我们所想拍摄的黑洞的尺度。这两者之间相差至少几千倍。所以，如果我们要利用目前最先进的望远镜，望远镜的口径要达到几公里左右，才能分清中心黑洞的模样。

　　科学家没有办法去制造如此巨大的光学望远镜，他们发展出了一套称之为VLBI联网的技术，把全球几乎所有的亚毫米波望远镜连成一个庞大的网络。这个望远镜口径可以达到1万多公里，就可以对中心黑洞进行成像，这些望远镜通常都位于海拔非常高的地方，这是为了减少大气对于电磁波的吸收。

　　除了观测设备需要不断改进之外，理论方面也需要做大量模拟，因为黑洞周围非常复杂。利用简单的纸和笔，科学家已经很难对气体在黑洞周围的运动状态做出描述，这时需要相对论型的磁流体力学，每一次计算都需要上千个CPU，运算好几个月。

　　视界面望远镜团队对于各种不同情形做出了最终计算，上图展示了其中计算得到的部分结果。终于一切准备就绪，2017年4月10日到15日，他们利用全球8个不同地方的望远镜，对这两个黑洞进行了观测，最终得到了大约5 PB的数据。

　　因为数据量非常大，而且有一个望远镜位于南极。利用现有的网络很难将数据传输回来，或许未来5G技术成熟以后，我们可以直接进行传输，科学家采用的方法是将数据拷贝到磁盘上，用飞机运回到数据中心。

　　数据中心有两个，一个位于美国的MIT，另一个在德国。得到数据以后，科学家进行相关分析，采用不同的方式对图像进行确认。确认以后，进行重构，最终得到我们所看到的黑洞照片。在得到黑洞照片的同时，科学家已经做了数值的模拟，与数值模拟库相比较，从而可以推断黑洞的性质。这就是2019年4月10日晚上9时在全球发布的第一张黑洞照片。

　　有了黑洞照片，与先前已经得到的数值结果相比较，科学家就可以推断出有关于黑洞的性质。或许大家会对《星际穿越》电影当中的黑洞印象非常深刻，当然，我们没有办法飞到M87周围去做一直接比较，但是我们可以借助现代性能非常发达的计算机来模拟整个过程。你可能会问：“为什么我们这次看到的第一张黑洞照片和《星际穿越》电影当中的照片竟然差别如此之大？”

　　主要的原因是我们看的黑洞视角不一样， 拍摄M87是沿着黑洞转动的方向去看的，但是《星际穿越》电影中是沿着赤道方向展示的黑洞模样。这是两者之间最大的差别。

　　现代科技不仅仅给黑洞研究带来了非常大的便利，而且在讲述科技对天文研究所带来影响时，引力波是一个非常值得一讲的话题。引力波可以说是时空当中的涟漪，它是致密天体在宇宙中碰撞或者爆发时释放出来的巨大能量，对时空所产生的一种波动。

　　这个波动非常微弱，我们知道，氢弹是地球上破坏力最大的一种武器。当年前苏联所尝试的氢弹达到了5000万吨当量，可以说是所有氢弹当中破坏力最大的一次。如果我们能够站在氢弹爆发的最中心，去测量它对时空的干扰，干扰仅仅为10的负27次方。一个原子核的大小是10个负18次方米，一个头发丝的大小是10的负5次方米。一比较我们就可以看出，这个氢弹尽管对周围的物体造成了极大破坏，但是对于时空几乎是毫发无损。

　　假如有一天，一个非常强大的引力波穿越地球的时候，会对地球上的人类造成什么影响？它会不断地拉伸人类。

　　上图是以一种夸张的方式展示了引力波对人的影响，一个人会突然变瘦，或突然变胖。但实际上，引力波带来的人体的变化都没有一个原子核大。

　　2015年9月，人类第一次探到引力波，是由美国的引力波激光天文台探测到的，这次引力波的效应仅仅只使得一个原子的尺度发生了变化，只有10的负18次方米。

　　由此也说明，我们现代的科技已经能够做到如此精密的测量。

　　从1915年提出广义相对论，1916年引力波被预测，到2015年引力波第一次被直接探测到，人类整整经历了一个世纪的探索。

　　引力波也帮助人类发现了很多意想不到的事情，原来我们根本没有想到在宇宙中，会存在着很多质量非常大的黑洞。紫色的原点就是代表传统望远镜所看到的黑洞质量，蓝色是引力波帮助我们发现的质量非常大的黑洞。所以，引力波成为人类探索黑洞的一个新窗口。

　　下一步：拍摄黑洞动态照

　　在接下来的很多年内，还有一些其他更大的项目正在进行。比如美国的LSST项目（即：Large Synoptic Survey Telescope，大型综合巡天望远镜）。我们现在所看到的很多宇宙都是一个静态的宇宙，比如我们会看到一幅非常漂亮的图画，而这个望远镜的目的就是要制作宇宙的一幅动画图。它的数据量每晚上可以达到15TB，这对于目前的计算处理能力来说是非常大的挑战。

　　当然还有更大的挑战在等待着我们，中国参与的另外一个大型项目平方公里阵射电望远镜（Square Kilometre Array， SKA）。它的尺度可以达到一平方公里以上，包含2万多个小型望远镜，每秒钟产生的数据量达到2TB。所以，如何去处理这么庞大的数据，的确是一个非常大的挑战。

　　纵观整个人类科学史的发展，现代科学的发展得益于天文学的观测。过去的几十年，天文学又从现代科技中受益无数，现代科学技术帮助科学家可以去发现一个更广阔和更神奇的宇宙。天文学作为一门基础学科，我对麻省理工学院的校长在引力波发现之后所说的一段话深表赞同，他说道：“基础科学是非常辛苦、严谨和缓慢的，又是非常震撼性、革命性和催化性的研究。如果没有基础学科，最好的设想就无法得到改进，创新也只能是小打小闹，只有随着基础科学的进步，我们整个社会才能够取得进步。”