近日，好莱坞科幻大片《星际穿越》热映，让看过的影迷们都直呼过瘾，进而也成为街头巷尾热议的话题。电影中反复出现的黑洞、虫洞等概念，让我们对深奥的宇宙知识多了一分了解，也使得本来浩瀚的宇宙又增添了更多的神秘感。
在影片结尾部分，男主人公欲返回地球，途中他选择坠入黑洞，结果在黑洞奇点附近被未来人类拉进一个五维时空，掀起了全剧高潮。相比还处于未被验证的理论阶段的“虫洞”概念，科学家们对于黑洞研究的历史颇为久远，并已得到了验证。
黑洞究竟是什么？对它的研究因何而起？怎么能够证实它是真实存在于宇宙中的？同时，黑洞研究到目前为止有哪些新进展？对科学的发展又有哪些作用？就这些问题，中国科学院物理所研究员曹则贤、中国科学院国家天文台科学研究部首席科学家张双南和中国科学院国家天文台首席研究员刘继峰进行了解读。
黑洞是宇宙空间内存在的一种超高密度天体，即使光也无法逃脱它的引力束缚，仪器和肉眼都无法直接观测到
问：黑洞是什么？它是如何形成的？
刘继峰：黑洞是现代广义相对论中，宇宙空间内存在的一种奇异天体，在其视界内，即使光子也无法逃脱它的引力束缚。它完全不发射和反射任何电磁波，仪器和肉眼都无法直接观测到。1967年美国物理学家约翰·惠勒正式开始使用“黑洞”一词。
曹则贤：黑洞就是一个密度足够大的天体，其周围的时空结构使得其发出的光也无法逃逸，因此这样的天体是“黑”的。但是，“黑”的物体在亮的背景上能够被“看见”。
当一颗星的质量足够大时，它自身的引力能够引起塌缩，塌缩后其密度更大。塌缩可以是分阶段的。当最后其密度超过某个临界值时，周围的时空结构不允许光的逃逸，这里将成为黑洞。黑洞会吞噬临近区域的任何物质。
中国古代就有超新星爆发的记录，说哪一天突然天上冒出了一颗特别亮的星星。后来我们明白了，那颗星星是自己塌陷了，它在塌陷的时候会发出很亮的光。超新星爆发就是指某些恒星在演化接近末期时经历的剧烈过程。在这个过程中，星体在自身重力的作用下迅速地收缩、塌陷，同时伴随着强烈的辐射。这些辐射能量来源于重力势能的释放。
张双南：现在大家认识最普遍、最明确并且可以精确计算出来的一个形成机制是：黑洞是宇宙中恒星自身能量耗尽时所演变成的一个天体。恒星原始质量不同，它最终的结果就不同。质量比较大的恒星，当其能量耗尽就会变成一个黑洞，小一点的就会变成中子星，再小点的就会变成白矮星。
黑洞研究已有100年历史，爱因斯坦提出广义相对论后，科学界开始了对黑洞的严肃研究
问：对黑洞的研究始于何时？是什么原因触发了科学家去研究黑洞？
张双南：黑洞的研究历史很长，而且详细的研究也差不多有100年了。从爱因斯坦提出广义相对论后，科学界对黑洞比较严肃的研究就开始了。1915年爱因斯坦广义相对论正式发表后，大概过了几个月的时间，黑洞作为广义相对论的一个基本预言这件事就清楚了。
曹则贤：对黑洞的研究源于人们研究地球的行为。因为我们人类是住在地球表面，所以从一开始总是研究地球表面的东西。在研究的过程中，人们就会发现我们从地面往天上扔的东西最终都会落回地面，这是因为地球引力的作用。1783年，一个叫约翰·米舍尔的人提出了一个问题，会不会有那么一颗星，它的密度太大，产生的巨大引力让任何东西都逃不出去，即使光也逃不出来。如果光也逃不出去，自然外面也看不见，那么它可能就是黑洞。可是，在当时大家弄不清楚光和一个星体是怎么进行引力作用的。因为光子是没有质量的，没有质量，星体怎么吸引它呢？于是米舍尔的说法并没有被严肃对待，也就没成为科学研究的主题。
但是，等到1915年时事情就发生了改变。那一年，爱因斯坦发表了广义相对论，其中就提出一个观点：一个星球的引力实际上决定了它周围时空的结构。比方说，有个质量非常大的星球，它周围的时空是扭曲了的。这里还要引出重要的概念，就是什么叫直？物理上最短就是直，光在时空中始终走最短的路径。因此，爱因斯坦就提出了一个大胆想法，如果当某个星球的吸引力特别特别强，光从它旁边过的时候是弯曲的，光线经过太阳旁边可能就是弯曲的，当然这在我们看来是弯的。对于光来说，它走的路径就是直的。然后到了1919年，正好有日食，英国人就证明了爱因斯坦这个说法是对的，他们观测到远处一颗恒星的光在经过太阳附近的时候，光线是弯曲的，爱因斯坦的广义相对论被证明是正确的。
爱因斯坦广义相对论的主体是引力场方程，即时空的结构同时空中质量—动量密度之间的关系。在研究过程中，有人就解广义相对论里的场方程，解什么呢？最直观的问题包括解假设有一个点质量特别大，旁边引力场是什么样？或者一个有一定半径的球，它旁边的引力场该是什么样的？于是，科学家们发现，确实存在着这种周围的时空结构是它自己发出的光也逃不出来的，这就是黑洞了。一位德国学者最早给出了广义相对论场方程的一个精确解，提出了黑洞视界的概念，当然了，此后出现了更多的关于不同性质黑洞的研究。
黑洞确实存在，在宇宙中为数众多，可以用多种方式探测到。目前，人类在银河系已发现20个恒星级黑洞
问：理论上已经预测黑洞存在，那事实是这样吗？如何能证实黑洞的真实存在？
刘继峰：黑洞确实存在，且在宇宙中为数众多，可以用多种方式探测到。每个星系都存在几百万个小黑洞，每个星系中心都存在一个超大黑洞。
曹则贤：科学家是如何证实黑洞真实存在呢？我们知道，黑洞自己的光是逃不出来的，所以不指望能直接观测到它。那么，科学家们只能通过它的行为或者与背景的比照来判断哪个地方有黑洞。首先，一个黑洞可能和另外一个星星组成一个双星系统。这样，通过观测黑洞旁边那颗星星的行为就能判断出旁边是否有大质量的吸引中心，也就是黑洞。另外一个判断依据就是黑洞的引力透镜效应，这就有些像通过镜头的光的路径了。一个黑洞对于远道而来经过它的光可能会有透镜效应。如果观测到这个透镜效应，就可以判断出是否有黑洞存在。这就是所谓的间接观测，因为黑洞不能直接看到(你不可以把黑的区域都归结为存在黑洞），但可以从大范围内的一些行为判断它存在不存在。
问：黑洞研究到目前为止有什么新进展？人们对黑洞有哪些科学认识？
刘继峰：40年来科学家在银河系中共发现了近20个恒星级黑洞，离我们最近的黑洞在1600光年之外。银河系中预计共有1000万个黑洞。我国科学家目前正在利用我国的重大科学装置郭守敬望远镜（大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，即LAMOST）去发现银河系中更多的黑洞。
黑洞并不是万能吸尘器。只有黑洞视界以内，物质才会无法阻止地落入中心，无法逃脱。远离黑洞，跟任何其他具有相同质量的物体没有任何不同。比如，若将我们的太阳换成黑洞，太阳系内的行星、卫星、小行星等的轨道不会发生任何变化。黑洞是我们看到的宇宙中最剧烈的各种天文现象起因。这是由于周围气体在黑洞引力作用下形成吸积盘，盘中气体的引力势能以很高效率转变成了热能进而转变成辐射能。此外，黑洞还与其他天体物理问题如“星系如何形成”密切相关。
问：黑洞研究对科学的发展有何意义？
张双南：科学研究的目的就是理解各种规律，对黑洞的研究就是我们要理解这方面自然规律，其中重要的方面就是理解量子力学和引力理论的关系以及黑洞在宇宙演化中的作用。也不是说黑洞比其他现象重要，只是很多人对这个感兴趣，而很多东西我们又还不理解，所以进行研究。至于弄清楚后，能否实现时空旅行等就都是应用问题了，跟科学研究的目的本身是毫无关系的。
（原载于《人民日报》 2014-12-08 20版）
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