黑洞！黑洞！黑洞！Black hole! Black hole! Black hole!

蔡荣根中国空间科学学会CSSR

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本文转自中国科学院理论物理研究所

作者介绍

蔡荣根，中国科学院院士，中科院理论物理所研究员、所长，发展中国家科学院院士，国际广义相对论和引力学会会士。兼任中国物理学会常务理事、引力和相对论天体物理分会主任，国际广义相对论和引力学会理事等。1995年在复旦大学取得博士学位。研究领域为引力理论、宇宙学、量子场论和超弦理论等，在引力的全息性质及其应用、黑洞物理、暗能量、早期宇宙学、引力波、超弦理论等方面发表论文超过290篇，他引近1.8万次。曾获国家自然科学二等奖、汤森路透全球高被引科学家奖等奖项。

本文为蔡荣根院士为《大学科普》杂志2021年第一期撰写的卷首语

最近几年“黑洞”这个词经常进入人们的视野。

2016 年 2 月 11 日，美国 LIGO（激光干涉引力波天文台）团队与美国国家科学基金委宣布人类首次直接探测到了一百年前爱因斯坦预言的引力波。该引力波是离我们 13 亿光年远的两个黑洞碰撞产生的时空涟漪。两个黑洞的质量分别为 36 和 29 个太阳质量，碰撞后产生的黑洞质量为 62 个太阳质量，其余 3 个太阳质量所蕴含的能量以引力波的形式向宇宙各处传播开来。

2017 年 10 月 3 日，诺贝尔物理学奖公布，授予雷纳 •韦斯, 巴里 • 巴里什和基普 • 索恩三位科学家以表彰他们对 LIGO 探测装置的决定性贡献以及探测到引力波的存在。

2019 年4 月10 日，“事件视界望远镜”团队公布了人类首张黑洞照片。该照片是对M87* 星系中一个超大质量黑洞的成像。该黑洞重约为65 亿个太阳质量，离地球有5300 万光年。今年3 月24 日，团队又一次公布了新的研究成果黑洞偏振照片。

2020 年10 月6 日，诺贝尔物理学奖公布，授予罗杰•彭罗斯, 莱因哈德• 根泽尔和安德里亚• 格兹三位科学家。彭罗斯的贡献是“发现黑洞是广义相对论的必然预言”；根泽尔和格兹的贡献是“发现我们银河系中存在一个超大质量的致密天体（黑洞）”。

为何黑洞能引起科学家和普通公众的广泛兴趣？这与黑洞本身的神秘性质有关。黑洞可能是宇宙中最神秘的天体，其引力非常强，连光也被其吸引住了，所以这个天体是“黑”，看不见的。早在18 世纪中晚期，英国天文学家约翰• 米歇尔和法国数学家皮埃尔• 拉普拉斯就预言“天空中最重的天体是看不见的”。但是这个“预言”是基于牛顿万有引力定律和光子具有质量所做出。事实上，在牛顿引力理论中是不存在“黑洞”这个概念的。1915 年，爱因斯坦提出广义相对论，认为“引力”是时空弯曲的效应，这是人类对引力本质认识的升华和质的提升。在广义相对论中，引力场方程存在一类特殊的解，这类特殊的解描写了一个天体，其大小小于其质量决定的一个特征尺度（史瓦西半径）。事实上在1916 年，德国天体物理学家史瓦西就提出了第一个爱因斯坦引力场方程的解，这就是一个黑洞解。但是直到1968 年，黑洞这一名称才由美国理论物理学家约翰• 惠勒正式提出。

黑洞是大质量恒星最后的命运。美国物理学家奥本海默研究发现一个大质量恒星坍塌为一个黑洞，其质量必须大于3 个太阳质量。所以黑洞是非常致密的天体。举个例子，若要把太阳压缩成为一个黑洞，其大小只有3 公里左右；把地球压缩成为一个黑洞，其大小只有1厘米左右。所以当时人们以为这样致密的天体宇宙中是不存在的，只是理论计算的产物。但是，近些年的观测表明，宇宙中存在着大量的黑洞，几乎每一个星系中都存在一个超大质量的黑洞。我们银河系中央就有一个这样的黑洞，其质量大约为400 万个太阳质量，离地球有26000 光年。“事件视界望远镜”团队已经完成这个黑洞的拍照，数据正在处理中，估计很快会公布结果。

黑洞除了是一类特殊天体之外，其性质还与理论物理学家心中的圣杯“量子引力理论”有关。上世纪70年代初，雅各布• 贝肯斯坦发现黑洞具有热力学熵；斯蒂芬• 霍金证明黑洞不是纯黑的，它会向外以热辐射的形式吐出物质。所以一个黑洞具有质量，温度，熵等热力学性质，黑洞的熵正比于其表面面积，温度反比于其质量，黑洞就是一个普通的热力学体系。但是这些黑洞热力学性质是量子引力性质的反映。在黑洞物理中，引力理论、量子力学等相关学科相互纠缠，使得黑洞物理天然成为一个前沿交叉研究领域。自20 世纪70 年代以来，黑洞物理研究一直是理论物理的重点研究方向，并取得了许多重要的进展，如引力具有全息性，这是人类对引力本质认识的再次升华。

对于黑洞，无论是天文观测上还是理论研究，还有太多的秘密有待人们去揭示。正如2020 年诺贝尔物理学奖委员会主席大卫• 哈维兰所言：“今年获奖者的发现为致密天体和超大质量物体的研究开辟了新天地。但是，这些奇异的物体仍然提出了许多问题，这些问题需要解答，并激励未来的研究”。

中国科学院数学物理学部院士

中国科学院理论物理研究所所长