在諸多科幻小說(shuō)和電影中，黑洞都是一個(gè)超級(jí)神奇的存在，它是實(shí)現(xiàn)時(shí)空旅行的“基礎(chǔ)設(shè)施”，也是有著吞噬一切物質(zhì)力量的神秘天體。在現(xiàn)實(shí)中，雖然人類尚未利用黑洞實(shí)現(xiàn)“時(shí)間旅行”，但也在一步步通過(guò)科學(xué)觀測(cè)和研究，揭開黑洞神秘的面紗。
北京時(shí)間5月12日晚，包括中國(guó)在內(nèi)的全球多地天文學(xué)家，同步公布了銀河系中心超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*（Sgr A*）的照片。這是人類“看見”的第二個(gè)黑洞，也是銀河系中心超大質(zhì)量黑洞真實(shí)存在的首個(gè)直接視覺證據(jù)。這個(gè)黑洞距離太陽(yáng)系約2.7萬(wàn)光年，質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍。它是目前人類所知距離地球最近的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。
什么是黑洞？黑洞里有什么？黑洞是怎么產(chǎn)生的？走在地球上，我們會(huì)迎面撞上一個(gè)黑洞嗎？人類既然已經(jīng)能給黑洞拍照，那么離利用黑洞進(jìn)行“時(shí)間旅行”還遠(yuǎn)嗎？帶著這些問(wèn)題，《環(huán)球》雜志記者近日與清華大學(xué)天文系副教授、美國(guó)亞利桑那大學(xué)天體物理學(xué)博士蔡崢進(jìn)行對(duì)談，一起在黑洞里“腦洞大開”。
黑洞是“空”的？
《環(huán)球》雜志：什么是黑洞？
蔡崢：黑洞是宇宙的一個(gè)起點(diǎn)，它的引力足夠大，以至于光都跑不出去。黑洞有大有小，如果我們把太陽(yáng)壓縮成地球這么大，太陽(yáng)就會(huì)成為一個(gè)黑洞；如果我們把地球壓縮成一個(gè)小拇指蓋大的小球，地球也會(huì)變成黑洞。在黑洞中會(huì)發(fā)生極端時(shí)空扭曲。
《環(huán)球》雜志：黑洞到底是由什么物質(zhì)組成的？
蔡崢：所謂黑洞就是質(zhì)量壓縮到不能再壓縮、密度極大的一種東西。但它里邊到底是什么我們不得而知，因?yàn)槿魏我阎奈镔|(zhì)都無(wú)法承受黑洞引力造成的壓強(qiáng)。換一種說(shuō)法，也許黑洞只可被稱作“空”，因?yàn)槿魏挝镔|(zhì)或者說(shuō)“實(shí)在”都承受不住黑洞引力。有趣的是，宇宙從某種意義上來(lái)說(shuō)也是一種“空”。因?yàn)?，絕大多數(shù)的物質(zhì)內(nèi)部空間都是“空”的。比如你可能覺得原子很實(shí)在，但如果用電子去轟擊原子，很多電子會(huì)直接穿過(guò)原子，而不受任何影響，因?yàn)樵觾?nèi)部大部分空間是空的。
有科學(xué)家甚至懷疑，我們的宇宙會(huì)不會(huì)就處在一個(gè)超大黑洞的內(nèi)部，因?yàn)楣庖矡o(wú)法逃逸出我們的宇宙。所以黑洞到底由什么組成，是一個(gè)科學(xué)至今都無(wú)法回答的、非常深刻的問(wèn)題。
起點(diǎn)還是終點(diǎn)？
《環(huán)球》雜志：為什么說(shuō)宇宙的起點(diǎn)是黑洞？宇宙起點(diǎn)不是大爆炸嗎？
蔡崢：大爆炸是宇宙的起點(diǎn)，黑洞也是。我們現(xiàn)在通過(guò)確定的觀測(cè)得知黑洞在宇宙大爆炸初期就已經(jīng)形成。由于黑洞中心的密度大到無(wú)限，它成為了一種奇點(diǎn)，“奇”是奇異的奇，即無(wú)法用我們已知的物理學(xué)去描述的存在。因?yàn)檠芯亢诙吹捏w積，需要用到量子力學(xué)，但如果研究黑洞質(zhì)量又屬于廣義相對(duì)論的范疇。量子力學(xué)與廣義相對(duì)論先天就是矛盾的，但在黑洞和宇宙大爆炸早期，這兩種理論又必須統(tǒng)一，只是這種統(tǒng)一的理論我們現(xiàn)在還不知道。黑洞與宇宙大爆炸的起點(diǎn)確實(shí)有很多相似之處。
《環(huán)球》雜志：黑洞的存在對(duì)于周邊天體有什么意義，它是不可或缺的存在嗎？
蔡崢：萬(wàn)事萬(wàn)物，大到星系的形成，小到生命的誕生，都跟星系中心的超大黑洞有很大關(guān)系。實(shí)際上，黑洞是一個(gè)星系生長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于它巨大的吸積作用，巨量的引力能被轉(zhuǎn)化為光能。這些能量則把一些在黑洞周圍吸積盤（是一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞中心體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，它是包圍黑洞或中子星的氣體盤）上，且尚未掉到黑洞里的重元素推到星系的各個(gè)角落。黑洞不斷把周邊天體吸進(jìn)來(lái)，其吸積盤通過(guò)高密度旋轉(zhuǎn)、核反應(yīng)等，不停制造重元素，一些重元素又被巨大的光壓推到整個(gè)星系。這些重元素最終冷卻了整個(gè)星系的溫度，讓恒星、行星得以形成。所以對(duì)部分物質(zhì)來(lái)說(shuō)，黑洞是個(gè)終結(jié)者，但對(duì)另一部分物質(zhì)來(lái)說(shuō)，黑洞也是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)。
《環(huán)球》雜志：什么是重元素？它對(duì)天體很重要嗎？
蔡崢：比氫、氦、鋰等輕元素重的元素在天文學(xué)中都叫做重元素。氫、氦和少量的鋰是在宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的，比鋰重的元素跟大爆炸之外的一些天體物理過(guò)程緊密相關(guān)。比如銀河系有了重元素，整個(gè)星系里的氣體冷卻才能加速，進(jìn)而形成太陽(yáng)等恒星，以及原初行星盤，并孵化出地球。所以說(shuō)黑洞是星系形成的發(fā)動(dòng)機(jī)，它讓星系形成變得更快、更有效率。只要黑洞存在，這個(gè)過(guò)程就一直持續(xù)。
《環(huán)球》雜志：黑洞自身會(huì)發(fā)生什么變化？比如銀河系黑洞會(huì)不會(huì)越來(lái)越大，最后把整個(gè)銀河系都吞噬進(jìn)去？
蔡崢：如果銀河系一直這么演化下去，黑洞是不會(huì)把所有物質(zhì)都吸進(jìn)去的。因?yàn)殂y河系是有角動(dòng)量的，比如說(shuō)太陽(yáng)圍著黑洞轉(zhuǎn)，只要一直保持這個(gè)速度，它就不會(huì)被就吸進(jìn)去。但一旦與別的星系發(fā)生碰撞，角動(dòng)量發(fā)生損失，銀河系就會(huì)全部掉進(jìn)黑洞。當(dāng)然，外部星系碰撞是極小概率事件，可能幾十億年才發(fā)生一次。
黑洞是黑的，如何成像？
《環(huán)球》雜志：這次的銀河系中心黑洞照片，與人類“拍到”的第一張黑洞“照片”——室女座巨橢圓星系M87中心黑洞，都是由“事件視界望遠(yuǎn)鏡”（EHT）合作組織于2017年拍攝的，兩次黑洞照片有何不同？為什么銀河系中心黑洞距離地球更近，照片卻比遙遠(yuǎn)的M87中心黑洞“沖洗”出來(lái)晚了3年？
蔡崢：人類首次拍到的M87黑洞是銀河系外的一個(gè)質(zhì)量很大的黑洞，其質(zhì)量是太陽(yáng)的65億倍。這次的人馬座A*黑洞是銀河系內(nèi)的黑洞，離我們更近，質(zhì)量相對(duì)較小，超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍，兩個(gè)黑洞旋轉(zhuǎn)的速度也不一樣。
銀河系人馬座A*黑洞照片出來(lái)較晚，是因?yàn)槠洹皼_洗”難度遠(yuǎn)高于M87。銀河系的黑洞雖然小，但是很活躍，光變比較強(qiáng)烈，而M87的光變很穩(wěn)定。拍銀河系黑洞照片需要的空間分辨率，相當(dāng)于在北京拍攝位于上海的一根頭發(fā)絲。
《環(huán)球》雜志：什么樣的設(shè)備才能拍攝出黑洞照片？
蔡崢：EHT調(diào)動(dòng)全球8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行拍攝，無(wú)限逼近一臺(tái)鏡片直徑相當(dāng)于地球直徑的巨型望遠(yuǎn)鏡所拍攝到的結(jié)果。這8臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡主要分布在西半球，包括位于智利、夏威夷、墨西哥等地的多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡組成的超大射電陣，集中了人類最先進(jìn)的毫米波望遠(yuǎn)鏡。
其實(shí)拍攝一般只需要4到5天，難的是數(shù)據(jù)處理，需要很多年。這些望遠(yuǎn)鏡總共拍出的數(shù)據(jù)量大概有10PB（拍字節(jié)）。10PB有多大？假如一部2GB的高清電影需要2小時(shí)看完，那么要看完10PB的高清電影，則需要24小時(shí)不間斷地觀看近1200年。多虧有計(jì)算機(jī)輔助加快了數(shù)據(jù)處理速度，但依然動(dòng)用了200多人努力分析四五年，才完成它。
《環(huán)球》雜志：黑洞是黑的，那么拍攝黑洞的毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，是如何捕獲到黑洞照片的？
蔡崢：射電望遠(yuǎn)鏡捕獲到的其實(shí)是從黑洞吸積盤上逃逸出來(lái)的光子。我們并不是給黑洞成像，而是給快掉進(jìn)黑洞的那些物質(zhì)成像。就好比，我們拍攝一個(gè)山洞，照片里能看到的其實(shí)是山洞外部的山體，并非山洞本身。
普通望遠(yuǎn)鏡接收的是可見光，毫米波射電望遠(yuǎn)鏡接收的是天體發(fā)出的毫米波。毫米波的優(yōu)勢(shì)是波長(zhǎng)更長(zhǎng)，傳播距離更遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。比如遇到沙塵暴，可見光、紅外光都難以穿透，但毫米波可以穿過(guò)。銀河系就包裹在一團(tuán)巨大的塵埃里邊，只有毫米波才能穿過(guò)。不過(guò)用毫米波拍照和紅外成像有點(diǎn)像，最終的照片是沒(méi)有顏色的，因?yàn)轭伾强梢姽獾姆懂?。人們只能根?jù)波長(zhǎng)的不同給毫米波照片后期上色。
其實(shí)人體也在發(fā)射毫米波，只不過(guò)很弱。如果我們有一個(gè)毫米波相機(jī)，也可以拍出人類發(fā)出的毫米波。美國(guó)一些機(jī)場(chǎng)安檢用的就是毫米波設(shè)備，傳統(tǒng)X射線安檢是用光子穿透你的身體，對(duì)人有傷害，而毫米波穿透人的能量更低，對(duì)人基本無(wú)害。
《環(huán)球》雜志：通過(guò)黑洞照片，我們能夠得到哪些信息？
蔡崢：將這些實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，我們可以再次證明愛因斯坦的廣義相對(duì)論是對(duì)的。另外它也加深了人類對(duì)于黑洞本身的認(rèn)識(shí)，比如黑洞的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度等。
“時(shí)間旅行”會(huì)實(shí)現(xiàn)嗎？
《環(huán)球》雜志：美國(guó)導(dǎo)演克里斯托弗·諾蘭在電影《星際穿越》里實(shí)現(xiàn)了黑洞的諸多假說(shuō)，為全球觀眾建構(gòu)了令人驚艷的卡岡圖雅黑洞外部和內(nèi)部的影像。但感覺與這次拍到的黑洞不一樣？
蔡崢：《星際穿越》用計(jì)算機(jī)模擬出的超高清卡岡圖雅黑洞，并不是真實(shí)存在的，它的質(zhì)量達(dá)到了太陽(yáng)的1億倍。在電影里，我們相當(dāng)于乘著宇宙飛船在超近距離觀看黑洞，它好像兩個(gè)扣在一起的草帽，巨大的“帽檐”就是黑洞的吸積盤。
《環(huán)球》雜志：在黑洞里，時(shí)間和空間尺度和現(xiàn)實(shí)中有什么不一樣？
蔡崢：有很大不一樣，在黑洞里時(shí)空概念是反的，即你在黑洞空間里行走，實(shí)際是在穿越時(shí)間，可以回到過(guò)去，也可以走到未來(lái)。比如，在黑洞里你有可能看到爺爺出生時(shí)的樣子。再比如，現(xiàn)實(shí)中我們給中國(guó)拍一張全景照片，照相機(jī)里是同一時(shí)刻中國(guó)不同地域的樣子，但如果在黑洞里也用這么大視場(chǎng)拍下照片，拍到的則是中國(guó)在不同歷史時(shí)期的樣子。
因此，如果人類掉進(jìn)一個(gè)黑洞，看到的可能和《星際穿越》主角庫(kù)珀看到的差不多。他在黑洞里走到不同“屋子”，看見女兒不同時(shí)期的樣子?！缎请H穿越》的科學(xué)顧問(wèn)是知名黑洞專家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主基普·索恩，所以電影對(duì)黑洞的呈現(xiàn)基本代表了人類對(duì)于黑洞認(rèn)知的最前沿。
《環(huán)球》雜志：那么我們真的可以利用黑洞實(shí)現(xiàn)“時(shí)間旅行”嗎？
蔡崢：利用黑洞進(jìn)行“時(shí)間旅行”在數(shù)學(xué)理論上看是可行的，但沒(méi)有被實(shí)際驗(yàn)證。理論上，只要有一個(gè)黑洞和白洞（一個(gè)只發(fā)射、不吸收的特殊宇宙天體，與黑洞正好相反）組成一個(gè)“蟲洞”就可以了。從黑洞進(jìn)去，白洞出來(lái)即可實(shí)現(xiàn)“時(shí)間旅行”。“蟲洞”就像多啦A夢(mèng)的抽屜，是進(jìn)行“時(shí)間旅行”的隧道。
《環(huán)球》雜志：《給忙碌者的天體物理》中有很有意思的細(xì)節(jié)，一個(gè)人在地球上走路的時(shí)候不太可能迎面遇到一個(gè)黑洞，為什么不可能？
蔡崢：其實(shí)在路上偶遇一種特別小的黑洞是有可能的，只是按照霍金的理論，特別小的黑洞蒸發(fā)很快，黑洞越小壽命越短。如果一個(gè)人在路上真的遇到黑洞，一種可能是他會(huì)被吸進(jìn)去，但也有可能在他被吸進(jìn)去之前，黑洞就已經(jīng)蒸發(fā)了。黑洞并不一定在星系空間形成，在地球上也有可能形成，但概率極小。
一些科學(xué)家反對(duì)在中國(guó)建造大型對(duì)撞機(jī)的理由之一，就是聲稱粒子在大型加速器中碰撞有可能制造出微小黑洞。在高能對(duì)撞機(jī)中，兩個(gè)質(zhì)子碰撞很可能造成局部極端的高密度，如果真碰撞出黑洞，目前沒(méi)人知道會(huì)發(fā)生什么。
《環(huán)球》雜志：如果我們掉進(jìn)黑洞會(huì)發(fā)生什么？
蔡崢：當(dāng)一個(gè)人往黑洞里掉，觀測(cè)者會(huì)看到這個(gè)人運(yùn)動(dòng)得越來(lái)越慢，最終永恒地定格在黑洞的視界面上，觀測(cè)者不會(huì)越過(guò)視界面看到這個(gè)人掉入黑洞的過(guò)程，因?yàn)楣鉄o(wú)法再?gòu)暮诙粗刑右荨?/p>
如果黑洞不太大，那么巨大的潮汐力，會(huì)把人拉成面條狀（“意大利面化”）。但如果是掉入像《星際穿越》里那樣超級(jí)巨大的黑洞，引力場(chǎng)會(huì)比較均勻，也許不會(huì)有這么大的潮汐力。
假如人類掉到黑洞里還能活著的話，說(shuō)不定真能看到《星際穿越》里的場(chǎng)景，我也很好奇。（完）（文章來(lái)源：《環(huán)球》雜志）
作者/彭茜
責(zé)任編輯：劉正然
