首页>专题>第二时间 第二时间

蔡荣根院士:你真的看到黑洞了吗?

2019年05月22日 16:24 | 作者:照宁 孙萌萌 | 来源:人民政协网
分享到: 

昨天,一张照片火了。一个国际科学团队宣布了一条“爆炸新闻”(字面意思):有史以来的第一张黑洞照片。人类又在天体物理学领域get到了“新技能”。那么,什么是黑洞,我们为什么要研究黑洞?今天,本报本网记者独家采访了黑洞物理领域的权威研究学者——全国政协委员、中国科学院院士、中国科学院理论物理所研究员蔡荣根。

你看到的并不是黑洞本身,而是黑洞外面的光

记者:您能否为大家科普下什么是黑洞?

蔡荣根:所谓黑洞,简单的说是一类非常特殊的天体,它的引力非常强,连光也无法逃逸,我们看不见它,所以叫做黑洞。它是爱因斯坦广义相对论的一个预言。数学上指的是一个时空区域,这个区域的边界叫做事件视界。这次观测到它的望远镜就叫事件视界望远镜。它也是非常致密的一类天体。

黑洞也是恒星的最终命运之一,我们知道像太阳这样的恒星,它是一个大号的氢弹,它进行核聚变来产生压强以维持引力平衡,但是核聚变反应结束之后,引力占据主导作用,恒星就会向内坍缩,根据原来恒星的质量的不同,恒星的命运就会有白矮星、中子星和黑洞这几种情况。

一个恒星要是变成黑洞的话,至少需要3倍的太阳质量。所以它是非常小且非常致密的。地球半径6371公里,我们要把它变成黑洞的话,那么它的半径就只有几毫米了。如果太阳变成一个黑洞的话,那么他就会被压缩成一个半径只有3公里的黑洞。1915年,爱因斯坦的广义相对论首次提出黑洞的概念。1916年,基于爱因斯坦的广义相对论,德国天文学家史瓦西得出了爱因斯坦方程的第一个精确解。直到1968年,“黑洞”这个词才被著名的理论物理学家惠勒所提出。

在当时的研究中,大家都以为这样的一个天体完全是不应该存在的,因为当时完全是依据数学解释。事实上黑洞在宇宙当中是大量存在的,比如银河系中心就有一个超大质量黑洞,也叫做人马座黑洞,它离地球有26000光年,它的质量大概是400万倍太阳质量。

这次看到的是M87星系里面的一个超大质量黑洞,离我们有5500万光年。它的质量非常巨大的,应该是65亿倍的太阳质量。黑洞基本上可以分成四类,我刚才讲的叫做恒星坍缩形成的黑洞,这叫恒星级的黑洞,那么它的质量就是3到100倍的太阳质量,这是属于恒星级黑洞。银河系中心的黑洞,或者说这次发现的黑洞,这叫超大质量黑洞,他是10的5次方到10的10次方的太阳质量,这叫超大质量黑洞。

还有一类叫中间质量黑洞,大概就是1000倍到1万倍的太阳质量。

第四类是原初黑洞,这是在宇宙极早期的时候密度涨落形成的黑洞,2016年我们发现了引力波,引力波是由两个黑洞撞在一起产生的,当时2016年引力波的发现,可以说是第一次听到了黑洞,这次是看到了黑洞。黑洞是黑的,本来是看不见的,但是黑洞周围有气体的话,因为黑洞的引力非常强,从物理的语言说就是时空的扭曲非常厉害,所以这个气体在里面运动的话,由于引力作用,它会发出很强烈的光!这就是为什么能够拍照片的原因。你看到的事实上并不是黑洞本身,而是黑洞外面的光。 咱们看到的光都是在黑洞外面,所以也就是黑洞的影子。这就是黑洞的一个基本概念。

记者:人类研究黑洞的意义是什么?

蔡荣根:我想有两个原因:因为黑洞是一种天体,首先,研究黑洞是对自然规律的探索。既然这个是客观的存在,我们就需要把它弄清楚、弄细致。因为它对宇宙的结构的形成,天体的演化,对天体物理的研究是具有非常重要的意义。第二,黑洞是爱因斯坦广义相对论的一个预言,在牛顿的万有引力定律里面,事实上是没有黑洞这个概念的。 黑洞的存在提供了一个证据,证明爱因斯坦广义相对论是对的。

这个黑洞很小,就像在地球上看月球上的一个硬币

记者:这是人类历史上第一张黑洞的照片,为什么说这个照片非常难拍摄?

蔡荣根:这个黑洞很小,比如一般的恒星,因为它体积很大,又发光,所以就能拍出来。很小的话你就很难拍,因为像这样的黑洞的拍摄,有一个很形象的比喻,就是在地球上面看月球上面一个硬币大小的一个东西,难度是非常巨大的,而且这个黑洞又离我们很远。

记者:这次拍到的黑洞照片,对研究黑洞有何意义呢?

蔡荣根:有意义,一来它可以检验爱因斯坦的广义相对论,就是证明黑洞影子的形状跟理论的预言是不是相符的问题,这是一个很重要的方面。第二可以弄清楚黑洞外面的这些气体的运动,这些气体入到黑洞里面去,它理论的计算跟实验的观测是不是相符?

真能实现星际穿越吗?

还没有定论

记者:在很多电影里面,黑洞都是作为一个空间折跃的一个虫洞,这回真正拍到它了,对利用黑洞做一些星际穿越星际旅行理论研究有没有一些帮助或者一些启发?

蔡荣根:你这个问题非常好,黑洞以前都是科幻小说中的一种东西,那么现在引力波的探测,与黑洞的拍照把黑洞确确实实变成了一个客观存在。以前很多做研究引力的人是不相信黑洞的存在,现在变成了科学研究的主要前沿。

前几年不刚好有个叫《星际穿越》的电影,这部电影的科学顾问Kip Thorne,是2017年的诺贝尔奖获得者,他就是在引力波探测方面做了很大贡献。我们现在看到的是黑洞的外部结构,它的内部结构到底是什么?能不能够作为虫洞穿越到另外一个宇宙当中去?现在是从理论上来说是可以的,但实际上来说能不能做到这个星际穿越还是没有一个定论。 因为我们对黑洞的内部结构,现在可以说是一无所知。但以后黑洞内部结构的研究,在基础研究领域会变成一个非常重要的研究课题。

记者:能否请您为大家科普一下,现在黑洞研究有哪些方向? 能否向大家简单介绍一下您所研究的内容?

蔡荣根:黑洞的研究方向,一个是从天体物理的角度,研究黑洞的形成机制。黑洞是怎么形成的?黑洞外面的这些物理过程非常激烈,这叫极端条件下的物理过程。这是天体物理角度,因为黑洞的形成,它比如说星系里面是怎么演化的。比如说引力波发现?双黑洞是怎么形成的? 在宇宙的形成过程中,这些黑洞是怎么形成的?还有一个很重要的理论方面的意义,因为1974年霍金发现黑洞并不是黑的,会向外辐射物质,这叫霍金辐射,它可以用来检验量子引力效应。引力是自然界中的四种基本相互作用。我主要研究的是黑洞的量子性,霍金辐射、引力的本质、黑洞看上去很复杂,事实上黑洞也是很简单,它只有三个参数,叫黑洞的无毛定理。

编辑:李敏杰

关键词:黑洞 引力 质量 研究

更多

更多