在德軍東線陣地上，炮兵中尉卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）計(jì)算出了愛因斯坦場方程的精確解。史瓦西是一名天文學(xué)家、物理學(xué)家，當(dāng)選普魯士科學(xué)院院士不久后，他加入了德國陸軍。1916年，史瓦西在寄給愛因斯坦的論文中給出的解表明，如果一個(gè)球狀對稱、不自轉(zhuǎn)的物體實(shí)際半徑小于一個(gè)定值，其周圍就會產(chǎn)生奇異的現(xiàn)象，連光和粒子都無法從中逃脫。后人稱其史瓦西半徑（事件視界），被美國物理學(xué)家約翰·阿奇博爾德·惠勒命名為“黑洞”。
圖片：諾貝爾獎官網(wǎng)
1916年5?，史瓦西因感染了天皰瘡去世。但史瓦西開始的探索在持續(xù)?個(gè)世紀(jì)后，獲得了2020年的諾?爾物理學(xué)獎。該獎授予給三位科學(xué)家，他們是：英國物理學(xué)家羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）、德國天體物理學(xué)家賴因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和美國天文學(xué)家安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez），表彰他們揭露了“黑洞和銀河系最黑暗的秘密?！边@是第?個(gè)專?頒發(fā)的黑洞研究的諾?爾獎——承認(rèn)了?洞的存在?！艾F(xiàn)在，我們認(rèn)為這些事是理所當(dāng)然的，"密西西比大學(xué)的物理學(xué)家利奧·斯坦（Leo Stein）說?！拔覀円呀?jīng)走了這么遠(yuǎn)。至少在天體物理學(xué)界，我們認(rèn)為，‘當(dāng)然有黑洞?！比欢聦?shí)并?如此。在最初幾十年里，黑洞一直被認(rèn)為只是愛因斯坦理論的數(shù)學(xué)產(chǎn)物。
“幻想”黑洞
1916年之后的幾年，史瓦西解引發(fā)了數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家的興趣，同時(shí)也讓他們感到驚愕。史瓦西預(yù)?的"史瓦西半徑"—— 一個(gè)球狀對稱、不自轉(zhuǎn)的物體的重力場的精確解。理論上，一個(gè)物體的史瓦西半徑與其質(zhì)量成正比，比如太陽的史瓦西半徑約為3公里，地球的史瓦西半徑只有約9毫米。若物體的實(shí)際半徑小于其史瓦西半徑，那么它被稱為“黑洞”。
對一個(gè)已經(jīng)形成的黑洞而言，若把史瓦西半徑內(nèi)的物質(zhì)看作一個(gè)系統(tǒng)，那么這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的所有物質(zhì)都應(yīng)該坍縮到一個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域要小于質(zhì)子、電子，或者物質(zhì)的任何常規(guī)部分。也就是說，一旦掉入到史瓦西半徑內(nèi)，即所謂的“事件視界”——黑洞周圍連光都無法逃逸的區(qū)域，任何物質(zhì)都無法逃脫，在事件視界之內(nèi)發(fā)生的事情，都會留在事件視界之內(nèi)。而這些進(jìn)入黑洞的物質(zhì)，它們的最終歸宿都是奇點(diǎn)。
幸運(yùn)的是，事件視界“包住”了奇點(diǎn)，從而將我們所在的宇宙空間與其分隔開來。這也是“黑洞”令科學(xué)家們著迷的原因，他們想看到“黑洞”的事件視界附近究竟發(fā)生了什么？這是無法在實(shí)驗(yàn)室里模擬的，科學(xué)家們只能寄希望于觀察宇宙中的黑洞。
因此，直到20世紀(jì)50年代，“黑洞”還是天方夜譚。在這幾十年里，“黑洞”研究取得了一些進(jìn)展，但大多是數(shù)學(xué)上的消遣?！爱?dāng)時(shí)人們認(rèn)為，‘好吧，這只是幻想?！?yàn)橥耆隽宋锢砝碚撨m?的領(lǐng)域。"普林斯頓?學(xué)的物理學(xué)家弗朗斯·普里托里厄斯（Frans Pretorius ）說。
理論上，外界觀察者無法直接觀測到黑洞內(nèi)部的現(xiàn)象，因?yàn)橐粋€(gè)黑洞是由奇點(diǎn)與包圍住它的事件視界所構(gòu)成，速度最快的光也無法逃脫到事件視界之外，而裸奇點(diǎn)則與之相反。如果裸奇點(diǎn)真的存在，那么在我們所處的時(shí)空中，現(xiàn)有的物理定律也將失效，我們將失去利用廣義相對論預(yù)測未來事件的能力。
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為了解決廣義相對論的復(fù)雜性，即時(shí)在空彎曲到極限的情況下也能不受困擾，彭羅斯設(shè)計(jì)了一套數(shù)學(xué)工具。他特別引入了數(shù)學(xué)概念“被困表面”，通過引入“被困表面”的概念以及現(xiàn)在著名的用于分析表面如何在時(shí)空中定位的圖解法來說明這一點(diǎn)。不同于可以使光線沿任何方向射出的普通表面，“被困表面”是封閉的二維表面，即使扭曲使其不再是球體，也只允許光線向一個(gè)方向射出，即朝向中心點(diǎn)，使物理學(xué)家得以準(zhǔn)確地確定黑洞的邊界。在邊界上，即使是光也無法逃脫被萬有引力無情拖拽的命運(yùn)。（非旋轉(zhuǎn)黑洞的邊界位于其史瓦西半徑處。）
“我們真的不喜歡奇點(diǎn)，”斯坦說?！笆聦?shí)上，我們可以切掉黑洞時(shí)空的內(nèi)部，用…粉紅色的大象或你擁有的東西代替。從外部看，你永遠(yuǎn)無法分辨出差異，因?yàn)樗鼈兌茧[藏在視界之后?！?969年，彭羅斯又提出了宇宙監(jiān)督理論（the cosmic censorship hypothesis），這一理論推測，宇宙中存在一位“監(jiān)督”，它禁止裸奇點(diǎn)的出現(xiàn)。如果這一理論成立，所有這些奇點(diǎn)都擁有一個(gè)黑洞邊界。即使當(dāng)黑洞相互碰撞并融合時(shí)，奇點(diǎn)（或粉紅色的大象）仍會被其邊界所隱藏，阻止其存在將外宇宙陷入混亂。
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而在此之前，研究人員一直試圖弄清像愛因斯坦方程式的“史瓦西解”（1916年卡爾·史瓦西在紙上計(jì)算出的最簡單的黑洞種類）在自然界中是否真的存在。這些理論解的研究只是在簡化假設(shè)下進(jìn)行的，即假設(shè)重力坍縮的物質(zhì)是一個(gè)完美的球體。問題是，由此產(chǎn)生的奇點(diǎn)是否僅僅是完美球面對稱性的產(chǎn)物——這在紙上確實(shí)有可能，但其本質(zhì)上是荒謬的。正如彭羅斯在1965年的論文中所說，“偏離球面對稱性不能阻止時(shí)空奇點(diǎn)的產(chǎn)生。”換句話說，即使恒星扭曲了，它仍然會坍縮到某個(gè)點(diǎn)。
彭羅斯發(fā)現(xiàn)，空間和時(shí)間的維度會在一個(gè)“被困表面”內(nèi)轉(zhuǎn)換角色。時(shí)間是指向中心的方向，因此逃離黑洞就像回到過去一樣不現(xiàn)實(shí)。彭羅斯和史蒂芬·霍金合力論證，類似的分析適用于整個(gè)宇宙：當(dāng)物質(zhì)和能量在大爆炸中密集聚集在一起時(shí)，奇點(diǎn)不可避免地存在。
“（物理學(xué)家）會爭論不休。他們會得到彼此不?致的答案，”美國阿肯??學(xué)的天體物理學(xué)家丹尼爾·肯尼菲克（Daniel Kennefick）說。“原來他們沒有真正理解?窮?的結(jié)構(gòu)，?彭羅斯解決了這個(gè)問題?！背鲇趯缀螌W(xué)和藝術(shù)家（例如M. C. 埃舍爾）的迷戀，彭羅斯還開發(fā)出了功能強(qiáng)大且直觀的圖表，用于捕捉以前無法觸及的時(shí)空動態(tài)。他的圖表壓縮了空間和時(shí)間，將無窮大放于頁面，而不是讓其延伸至遠(yuǎn)處?！耙坏┧挥陧撁嫔希憔涂梢匝芯克?，”進(jìn)肯尼菲克說。“ 彭羅斯是優(yōu)秀的工具制造者。他發(fā)明了許多當(dāng)時(shí)用來研究黑洞的工具，我們至今仍在使用。”
而到20世紀(jì)60年代末，“黑洞”一詞已成為公認(rèn)的術(shù)語。
現(xiàn)實(shí)“黑洞”
20世紀(jì)50年代時(shí)，人們開始以一種完全不同的方式來觀察宇宙。也是這時(shí)，天?學(xué)家開始觀測到一系列前所未見的光源，能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常恒星。但這不是唯一讓科學(xué)家們驚訝的，人們開始意識到，雖然這些小的星狀物的外表看起來就像恒星，但實(shí)際上凝聚了銀河系百倍的能量，而且看起來也不像星系。究竟是什么能產(chǎn)生相當(dāng)于一萬億個(gè)太陽的能量？科學(xué)家們把這類天體不可能達(dá)到的稱為"類星體"——"準(zhǔn)恒星體"的簡稱。
大多數(shù)物理學(xué)家是什么時(shí)候相信黑洞存在的，這確實(shí)很難準(zhǔn)確地指出來，但在90年代中期，即使人們沒能直接觀察到黑洞，但認(rèn)可了黑洞的存在。蓋茲和根澤爾對人馬座A *的獨(dú)立研究為此提供了具體的證據(jù)。
根據(jù)理論，銀河系中央必定藏著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，但天文學(xué)家更注重觀察和證據(jù)。這意味著要實(shí)際找到黑洞，并觀察到處于運(yùn)轉(zhuǎn)之中的黑洞。人馬座A *當(dāng)時(shí)被懷疑是銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞?！巴ǔ．?dāng)我們解釋天文觀測時(shí)，會留下更多的解釋空間，” 馬里蘭大學(xué)帕克分校的天文學(xué)家蘇維·格扎里說道?！般y河系中心之所以如此美麗，在于測量結(jié)果顯示人馬座A *是一個(gè)擁有400萬太陽質(zhì)量的黑洞之外，是沒有別的可能性的?！币?yàn)槿笋R座A*若只是一個(gè)擴(kuò)展的星團(tuán)，那么經(jīng)過的恒星會被從多個(gè)方向拉過來，它們產(chǎn)生的軌道其實(shí)是不起眼的。只有當(dāng)它是一個(gè)緊湊的超大質(zhì)量黑洞，恒星才會以高速掠過。
圖片：諾貝爾官網(wǎng)獎
此時(shí)的黑洞研究，幸運(yùn)的是，科學(xué)家們知道觀察它的確切位置，知道望遠(yuǎn)鏡應(yīng)該瞄在哪里。但不幸的是，我們星系的中央是一個(gè)極其擁擠、繁忙的地方，聚集在銀河系中央遠(yuǎn)比我們所處的位置要大得多，并且環(huán)境也是極為混亂嘈雜，要想從中找到無形的黑洞，好比在一個(gè)車水馬龍的大城市中找一個(gè)人，周圍是各種事物穿梭著。塵埃和氣體構(gòu)成的龐大云團(tuán)漩渦阻擋了星系中央的可見光，讓這一切全都消失在人們的視線中，就好像我們想要觀察的物體全都被一張大毛毯籠罩著，周圍縈繞著一層厚厚的迷霧，只有特定波長的光線能夠穿過，由于沒有穿透塵埃視物的方法，銀河系中央的理論將仍然只是一個(gè)未經(jīng)證實(shí)的大膽推測，但希望尚存。
這一代天文學(xué)家已經(jīng)意識到，要解決這個(gè)問題，需要的是新一代的望遠(yuǎn)鏡。蓋茲說自己幸運(yùn)，她所處的年代正好擁有可以處理這個(gè)問題的科技，“就好像我正好拿著適當(dāng)?shù)腻N子去找配套的釘子一樣?！痹谏w茲和根澤爾之前，人們?nèi)狈梢愿欉@些軌道所需的精確空間分辨率的望遠(yuǎn)鏡。他們的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都率先采用了消除地球大氣層模糊的方法。第一種技術(shù)被稱為散斑成像，涉及將多次短時(shí)曝光組合在一起，每次曝光都足夠短暫，以避免大范圍的大氣失真。然后，被稱為自適應(yīng)光學(xué)的更先進(jìn)方法使得人們可以進(jìn)行更細(xì)粒度的觀測。在自適應(yīng)光學(xué)中，激光被發(fā)射到夜空中，形成一個(gè)“人造恒星”，并由望遠(yuǎn)鏡同時(shí)對其成像。（蓋茲的小組使用了夏威夷的凱克天文臺，而根澤爾則使用了智利的超大望遠(yuǎn)鏡。）這顆人造恒星準(zhǔn)確地揭示了大氣如何是如何扭曲圖象的。一種算法找出了如何抵消這些影響的方法，然后小型執(zhí)行器使望遠(yuǎn)鏡鏡的鏡面變形，從而實(shí)時(shí)消除畸變。
兩組團(tuán)隊(duì)都瞄準(zhǔn)了一顆名為S2的特殊恒星，S2是圍繞人馬座A *的短橢圓軌道運(yùn)行的一顆恒星。在S2環(huán)繞銀河系中心運(yùn)行的16年中，研究人員利用一種被稱為自適應(yīng)光學(xué)的技術(shù)極大地改進(jìn)了望遠(yuǎn)鏡的測量結(jié)果，該技術(shù)使用激光來校正光線通過地球大氣層時(shí)造成的模糊。在21世紀(jì)初，S2的軌跡以及其他幾顆近距離恒星的軌跡表明，人馬座A *測量值不到地球與太陽之間的距離的125倍，即使它擁有400萬個(gè)太陽質(zhì)量，所以它只能是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。從這時(shí)起，天文學(xué)家對黑洞進(jìn)行了直接觀測，為幾十年來一直被認(rèn)為只是愛因斯坦理論的數(shù)學(xué)產(chǎn)物的“黑洞”提供了實(shí)際證據(jù)。
2012年，格扎里領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)披露了觀察到的一次潮汐破壞事件。潮汐破壞是委婉的說法，其實(shí)是指黑洞撕開一顆距離太近的恒星內(nèi)部。另一個(gè)星系中的恒星破壞事件看起來有點(diǎn)像一顆更亮更長的超新星，這要?dú)w因于恒星的其余部分被拋散。格扎里說：“我曾經(jīng)稱它為受害者的'指紋'，但在這種情況下，它就是恒星?！?/span>
圖片：人類首張黑洞圖片
兩個(gè)黑洞的融合，激光干涉儀引力波天文臺（LIGO），以及處女座實(shí)驗(yàn)捕獲的引力波等事件則進(jìn)一步證明了這些天體的存在。但迄今為止最令人震驚的證據(jù)，非那張由事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）拍攝的超大質(zhì)量黑洞圖像莫屬。這個(gè)黑洞位于銀河系梅西耶87（M87）星系中心，具有數(shù)十億個(gè)太陽質(zhì)量。在這張略顯模糊的照片上，一個(gè)塵埃和氣體構(gòu)成的光環(huán)勾勒出了巨大的黑洞輪廓，這些塵埃和氣體正在“投喂”M87 星系中心的超大黑洞。這一圖象讓黑洞從幻想成為現(xiàn)實(shí)。
亞利桑那大學(xué)和EHT的天體物理學(xué)家費(fèi)亞爾·厄澤爾說：“黑洞陰影是一個(gè)很好的測試，因?yàn)槠渌碚擃A(yù)測的結(jié)果與廣義相對論的預(yù)測有所不同?！痹鲁酰驖蔂柤捌渫伦屑?xì)觀察了EHT所見陰影的形狀，對廣義相對論進(jìn)行了一些最精確的測量。到目前為止，這些測量結(jié)果與預(yù)測相符，但有可能隨著更高的精度，與廣義相對論的偏差會顯現(xiàn)出來，這些偏差暗示著更深層的基礎(chǔ)理論。
對于天文學(xué)家、天體物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家來說，“黑洞”迷人又危險(xiǎn)，它持續(xù)吸引著希望解鎖宇宙新秘密的研究人員，并且對旁觀者來說，也有著致命的吸引力?？夏岱瓶苏f：“斯蒂芬·杰伊·古爾德曾想知道，為什么恐龍變得如此受歡迎？認(rèn)為它們不應(yīng)該獲得如此多的關(guān)注?！彼硎?，黑洞具有與恐龍相同的特征：它們看上去很大，它們會吃東西，而且有些恐怖，但離人類很遙遠(yuǎn)。
如果你回到過去，問身處2000年的蓋茲有什么想法，她會告訴你，是“懷疑和興奮。就是那種身處研究前沿的感覺，你必須不斷質(zhì)疑你看到了什么?！?/span>
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