人民政協網北京4月17日電 （記者 照寧 孫萌萌）北京時間2019年4月10日21：00，事件視界望遠鏡（EventHorizonTelescope;EHT）項目和中國科學院在比利時布魯塞爾、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布會，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65億個太陽質量，距離地球5500萬光年，由全世界橫跨幾大洲8臺毫米波望遠鏡（或陣列）組成ETH進行聯網觀測。

近日，黑洞一詞被刷屏，再度引發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？本期邀請全國政協委員、中科院院士蔡榮根給我們科普黑洞相關知識。

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簡簡單單的名字，但蘊含的含義是很多的。天文上的黑洞、物理上的黑洞、數學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，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預言。

數學上的黑洞，指的是一個時空區域，這個區域的邊界叫做事件視界。這個名字大家可能聽說過，這次觀測到它的望遠鏡就叫事件視界望遠鏡。

物理上，一方面黑洞是恒星的最終命運之一，我們知道像太陽這樣的恒星，它是一個大號的氫彈，它進行核聚變來產生壓強以維持引力平衡，但是核聚變反應結束之后，引力占據主導作用，恒星就會向內塌縮，根據原來恒星的質量的不同，恒星的命運就會有白矮星、中子星和黑洞這幾種情況。

一個恒星要是變成黑洞的話，至少需要3倍的太陽質量。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。如果太陽變成一個黑洞的話，那么它就會被壓縮成一個半徑只有3公里的黑洞。

歷史上黑洞的發現其實經歷了不少曲折，在廣義相對論提出很長時間之前，拉普拉斯就曾基于牛頓力學作出過一個預言，當一個星體的質量大到一定程度的時候，光都無法逃脫，這個星體叫暗星。但是他的計算是有問題的，牛頓力學里，并沒有一個速度的上限，因此黑洞不會存在牛頓力學中，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，德國天文學家史瓦西得出了愛因斯坦方程的第一個精確解，但理解這個解的物理意義花了很長時間。在1939年，奧本海默和斯奈德通過對球對稱星體塌縮做計算，發現最終恒星可以塌縮成一個點，但是這個發現被擱置了很多年。直到1968年，“黑洞”這個詞才被著名的理論物理學家惠勒所提出。

所以可以看到，在當時的研究中，大家都以為這樣的一個天體完全是不應該存在的，因為當時完全是依據數學解釋的。而事實上現在許多證據表明黑洞在宇宙當中是大量存在的，比如銀河系中心就有一個超大質量黑洞，也叫做人馬座黑洞，它離地球有2.6萬光年，它的質量大概是400萬倍太陽質量。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星系里面的一個超大質量黑洞，離我們有5500萬光年。它的質量非常巨大，是65億倍的太陽質量。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，它的質量就是3到100倍的太陽質量。銀河系中心的黑洞，或者說這次發現的黑洞，這叫超大質量黑洞，它是10的5次方到10的10次方個太陽質量，這叫超大質量黑洞。

還有一類叫中間質量黑洞，大概就是1000倍到1萬倍的太陽質量。

第四類是原初黑洞，這是在宇宙極早期的時候密度漲落形成的黑洞。

2016年我們發現了引力波，其波源是由兩個黑洞撞在一起產生的，2016年引力波的發現，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，因為黑洞的引力非常強，從物理的語言說就是時空的扭曲非常厲害，所以它會吸引氣體，這個氣體在里面運動的話，由于引力作用和受到的摩擦力，它會被迅速加熱并發出很強烈的光！這就是為什么能夠拍照片的原因。你看到的事實上并不是黑洞本身，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，現在黑洞研究有哪些方向？

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

與此同時，黑洞的研究還有更豐富、更重要的理論方面的意義。黑洞作為一個強引力場，本身就會有很豐富的量子引力的效應。我們知道，上個世紀最重要的兩個發現是，愛因斯坦的廣義相對論理論和海森堡、薛定諤、狄拉克等人發展的量子物理理論。但是這兩個理論在某種程度上卻無法統一在一起。所以物理學家們都希望能夠統一二者，建立一個量子引力理論，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帶來的漲落的話，1974年霍金發現黑洞并不是黑的，而是具有溫度的，會向外輻射物質，這叫霍金輻射。霍金輻射和之前已經建立的幾個黑洞力學定律結合起來，大家發現黑洞其實是一個熱力學系統，這叫黑洞熱力學，是一個很前沿的研究領域。這個領域就是看看黑洞作為一個有溫度、有熵的熱力學系統，它會有什么奇特的性質。

而之后，霍金又發現如果黑洞有霍金輻射的話，會破壞量子力學里面的一個根本性的定律，叫做幺正性。通俗地來講，就是黑洞會破壞信息的守恒。在日常生活中，信息其實是守恒的，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，如果有足夠復雜的計算機，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，如何解決這個信息丟失的問題也是黑洞物理研究中的一個核心問題。

值得注意的是，霍金也曾經給出過這個問題的一個回答。黑洞看上去很復雜，但事實上黑洞是很簡單的，它只有三個參數——質量、自旋和電荷，這叫黑洞的無毛定理。但這個是經典物理下的結果，考慮量子物理下，黑洞還會帶有軟毛，霍金曾經認為這個軟毛對于解決黑洞信息的問題至關重要。

還有一件值得一提的事情。在2012年，科學家們考慮到量子糾纏的效應（量子糾纏是指在兩個不同地方的兩個量子狀態之間存在神秘關聯，這事實上是量子力學的一個基本性質），甚至預言了黑洞的內部并不存在，事件視界附近其實是不光滑的，而是存在一個火墻。一切掉進黑洞的物質都會被火墻燃燒殆盡。火墻是否一定會存在，有沒有辦法避免這個火墻也是大家關注的重點。火墻激發了一系列的討論，甚至有人為了解決火墻提出了一個所謂的ER＝EPR理論。這里解釋一下，愛因斯坦在1935年同時發表了兩篇論文，一篇是關于時空的蟲洞結構，叫做愛因斯坦－羅森橋。一篇是對于量子力學的質疑，叫做EPR佯謬，它說明量子力學的一些奇怪的地方。而現在，人們甚至發現了這兩個似乎毫不相關的問題居然存在某種關聯。在此之后，量子信息學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用研究，比如制造量子計算機，它很厲害，可能會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，黑洞是一個有熵的熱力學系統，但是根據統計物理，熵是描述物體的微觀狀態數目的。那么黑洞熵相應的微觀自由度是什么呢？這也是一個有意思的問題，這方面著名的超弦理論，可以給出一個計算，它算的是一類特殊的黑洞，可以給出黑洞熵的一個起源。

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：首先是因為黑洞是一種天體，研究黑洞是對自然規律的探索。既然這個是客觀的存在，我們就需要把它弄清楚、弄明白。因為它對宇宙的結構的形成，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預言，在牛頓的萬有引力定律里面，事實上是沒有黑洞這個概念的。黑洞的存在提供了一個證據，證明愛因斯坦廣義相對論是對的。第三，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。人們從黑洞物理中，可以問出很多非常好的問題，這些問題就像是會下金蛋的母雞，總是能夠帶來人們對于物理學理解上的飛躍。

記者：這次拍攝到人類歷史上第一張黑洞照片，為什么說這個照片非常難拍攝？

蔡榮根：因為這個黑洞離我們很遠，足足有5500萬光年，因此從地球上看它是很微小的。有一個很形象的比喻，就是拍攝這個黑洞的難度就像在地球上面看月球上面一個硬幣大小的東西，可想而知難度是非常巨大的。而且，因為黑洞周圍吸積了很多物質，它們都會對于電磁波有很強的阻礙，另外從黑洞到我們地球之間有很多的星際塵埃，這些都會阻礙我們看到黑洞發出的信號。這次也是將分布在全球各處的八臺射電望遠鏡聯合起來觀測，形成一個如地球般大小的射電望遠鏡才看到了黑洞的蹤跡。其實，這個照片是結合觀測到的海量數據處理得到的，小小的照片背后蘊涵了無數人艱苦的努力。

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言會有一些不一樣，看到黑洞的影子可以直接來檢驗這些不同的理論，這是一個很重要的方面。第二可以弄清楚黑洞外面的這些氣體的運動行為，看看它的理論計算跟實驗的觀測是不是相符？第三，它也可以驗證無毛定理，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。

記者：在很多電影里面，黑洞都是作為一個時空穿越的蟲洞，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？

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

前幾年不剛好有個叫《星際穿越》的電影嘛，這個電影中就通過電腦模擬描繪出了一個比較準確的黑洞的圖像，這部電影的科學顧問KipThorne，是2017年的諾貝爾獎獲得者，他就是在引力波探測方面做了很大貢獻。2017年底他應邀來中科院，白春禮院長親自給他頒發了中國科學院大學榮譽教授證書，他在中科院理論物理所彭桓武科學前沿論壇上作了學術報告。我們現在看到的是黑洞的外部結構，它的內部結構到底是什么？能不能夠作為蟲洞穿越到另外一個宇宙當中去？現在從理論上來說是可以的，但實際上來說能不能做到這個星際穿越還是沒有一個定論。因為我們對黑洞的內部結構，現在可以說是一無所知。但以后黑洞內部結構的研究，在基礎研究領域會變成一個非常重要的研究課題。

（蔡榮根：中國科學院理論物理研究所副所長，全國政協委員。2016年入選中組部萬人計劃百千萬人才工程領軍人才，2017年當選為中國科學院院士，2019年當選國際廣義相對論和引力學會會士。現兼任中國物理學會理事，中國物理學會引力和相對論天體物理分會主任，國際廣義相對論和引力學會理事，亞太物理學會天體物理、引力和宇宙學分會副理事長，金磚國家引力、天體物理和宇宙學學會理事長。研究領域：引力理論和宇宙學，在黑洞物理、引力性質、宇宙學和引力波物理等方面發表論文240余篇，論文被他引1.2萬余次，曾獲國家自然科學獎二等獎，湯森路透全球高被引科學家獎。）