黑洞，是21世纪的原子

来源：中科院半导体所

1.

4月10日，全世界都在关注着一件事：我们成功地捕捉到了黑洞的样子，让宇宙中这个最大的捣蛋鬼终于现了原形！这个捣蛋鬼是处于在M87星系中心的超大质量黑洞。我们知道，黑洞可以轻而易举地吞噬掉数百万、甚至数十亿颗恒星，但我们从未真正见过它。所以，即使只是捕获到了这个宇宙“超级恶棍”的模糊特写，也是件喜大普奔的事。

这个黑洞被命名为Powehi（意思是“带来无尽创造力的瑰丽的黑色源泉”），距离地球5500万光年。这就意味着，我们看到的其实是恐龙灭绝后不久后发出的光所生成的照片。

○ M87中心的超大质量黑洞。| 图片来源：EHT

这是历史性的时刻，而在过去十年间，我们还经历过两次这样的时刻：2012年，大型强子对撞机宣布发现了在上世纪60年代就预言了的希格斯粒子；2016年，激光干涉引力波天文台宣布首次直接探测到了早在100年前就预言存在的引力波。这些伟大的时刻离不开几十年来的技术创新以及来自全球科学家的协作。虽然这些发现听起来似乎与我们的日常生活相距甚远，但你永远也无法想象未来它们将会带来怎样的惊喜。

如今，物理学家依旧迷恋于研究希格斯粒子的种种性质，他们甚至希望建造下一代对撞机来探索希格斯粒子以及其他可能存在的粒子（比如超对称粒子或暗物质粒子）。四月初开始，引力波探测也进入了新时代，到现在为止，已经探测到六例引力波事件，其中一例很可能来自黑洞吞噬中子星，这是前所未有的探测结果。而黑洞的首张照片也仅仅只是个开始，我们很快就将看见银河系中心的超大质量黑洞。未来，随着更多射电望远镜的加入，也将使我们看到越来越清晰的黑洞照片。

2.

近几十年来，黑洞的存在引发了公众和科学家的无限遐想。近年来，科学家一直致力于研究黑洞，使它们从理论教科书和科幻电影中，转变成了现代天文学中的核心角色。这几乎使科学家忘记他们其实从未见过黑洞。

而这次的成就使我们可以终于可以确定地说：黑洞确实存在！而且，图片中的黑洞剪影的大小和形状与理论预期的相符它——这再次验证了爱因斯坦的广义相对论（描述引力的理论）。巧合的是，这次的发现恰好发生在广义相对论第一次被实验验证的一百年后。那是在1919年5月29日，天文学家爱丁顿利用日食测量了遥远星光在经过太阳附近时发生的偏折效应，这一发现使得爱因斯坦成为家喻户晓的名字。

未来，随着我们获得越来越多的数据，我们不仅将一步步揭开黑洞周围的吸积盘和喷流的物理，也将对黑洞的形成及其在宇宙历史中的作用有更多的理解。非常重要的一点是，黑洞的存在提醒着我们，现代物理学所面临的最大挑战，是如何协调现代物理学的两大基石——广义相对论和量子理论之间的矛盾。

3.

宇宙将它最深、最不为人所知的秘密隐藏在黑洞之中。在这里，时间停止了，物质被压缩成一个点，也就是著名的奇点。这是非常难以置信的，就如同“所有物质都起源于宇宙大爆炸”和“时间起始于宇宙大爆炸”一样。物理学家约翰·惠勒在一次讲座中提到了黑洞，从此这个名词便普及开来。惠勒阐述道：“时空奇点的存在，代表着充分的因果关系这一原则的终结，对于通过科学获得的可预测性也是如此。物理学怎么会通向与它自身相违背的结果呢——也就是通向没有物理学？”

○ 黑洞所带来的悖论问题。

因此，黑洞所扮演的角色与一百多年前的原子相似。根据当时已知的自然规律，原子根本不可能存在，它们会自我摧毁。但实验告诉我们，大自然找到了解决办法。这个悖论的解决最终导致了量子理论的出现，并彻底打破了我们对现实（包括概率在物理过程中的基本作用）的理解。

黑洞正是这样一个悖论，它就像是21世纪的原子。从引力的角度看来，黑洞是我们所知道的最简单的物体。而从量子理论的角度来看，黑洞又是最复杂的物体，是储存物质和信息的最简洁的方式。黑洞的存在，终将引领我们找到一个能够统一引力和量子理论的更加深刻的理论，这将再次对我们关于空间和时间的观念产生深远影响。

因此，这幅标志性的黑洞图像之所以如此令人兴奋，是因为它告诉我们，我们所面临的难题有一个解决方案。大自然已经找到了让黑洞存在的一种方式。现在，我们需要更努力的去探索那些大自然知道，而我们还不知道的秘密。

参考链接：https://www.ias.edu/ideas/dijkgraaf-EHT-black-hole