【人民政协报】蔡荣根院士：研究黑洞是对自然规律的探索
蔡荣根院士
人类首次直接拍摄到的黑洞照片
蔡荣根：
中国科学院理论物理研究所副所长，全国政协委员。2016年入选中组部国家人才计划百千万人才工程领军人才，2017年当选为中国科学院院士，2019年当选国际广义相对论和引力学会会士。现兼任中国物理学会理事，中国物理学会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，亚太物理学会天体物理、引力和宇宙学分会副理事长，金砖国家引力、天体物理和宇宙学学会理事长。研究领域：引力理论和宇宙学，在黑洞物理、引力性质、宇宙学和引力波物理等方面发表论文240余篇，论文被他引1.2万余次，曾获国家自然科学奖二等奖，汤森路透全球高被引科学家奖。
北京时间2019年4月10日21：00，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope;EHT）项目和中国科学院在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿全球六大城市同步举行新闻发布会，公布人类获得的首张黑洞照片。
这张照片摄自梅西耶87（M87）星系中心的黑洞，重约65亿个太阳质量，距离地球5500万光年，由全世界横跨几大洲8台毫米波望远镜（或阵列）组成ETH进行联网观测。
近日，黑洞一词被刷屏，再度引发民众对宇宙太空探索的热度。究竟什么是黑洞？为什么要研究黑洞？本期邀请全国政协委员、中科院院士蔡荣根给我们科普黑洞相关知识。
■黑洞的由来
记者：您能为大家科普一下什么是黑洞吗？
蔡荣根：所谓黑洞，虽然看起来是这样一个简简单单的名字，但蕴含的含义是很多的。天文上的黑洞、物理上的黑洞、数学上的黑洞含义也不尽相同。
简单地说，黑洞是一类非常特殊的致密天体，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。
数学上的黑洞，指的是一个时空区域，这个区域的边界叫做事件视界。这个名字大家可能听说过，这次观测到它的望远镜就叫事件视界望远镜。
物理上，一方面黑洞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，恒星就会向内塌缩，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。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，那么它就会被压缩成一个半径只有3公里的黑洞。
历史上黑洞的发现其实经历了不少曲折，在广义相对论提出很长时间之前，拉普拉斯就曾基于牛顿力学作出过一个预言，当一个星体的质量大到一定程度的时候，光都无法逃脱，这个星体叫暗星。但是他的计算是有问题的，牛顿力学里，并没有一个速度的上限，因此黑洞不会存在牛顿力学中，理解黑洞需要广义相对论。
1915年，爱因斯坦提出广义相对论。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，但理解这个解的物理意义花了很长时间。在1939年，奥本海默和斯奈德通过对球对称星体塌缩做计算，发现最终恒星可以塌缩成一个点，但是这个发现被搁置了很多年。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。
所以可以看到，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的。而事实上现在许多证据表明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2.6万光年，它的质量大概是400万倍太阳质量。不得不说这是一件非常了不起的事情。
记者：天文上的黑洞，作为一种天体，黑洞有很多种分类吗？
蔡荣根：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，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塌缩形成的黑洞，这叫恒星级的黑洞，它的质量就是3到100倍的太阳质量。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，它是10的5次方到10的10次方个太阳质量，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，其波源是由两个黑洞撞在一起产生的，2016年引力波的发现，可以说是我们第一次听到了黑洞，听到了黑洞碰撞的声音。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，所以它会吸引气体，这个气体在里面运动的话，由于引力作用和受到的摩擦力，它会被迅速加热并发出很强烈的光！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，黑洞里面的光是看不到的，所以我们看到的是黑洞的影子。
■研究黑洞有哪些方向
记者：能否请您为大家科普一下，现在黑洞研究有哪些方向？
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。比如星系里面的超大质量黑洞的形成机制是什么等？黑洞外面激烈的物理过程，比如黑洞的吸积盘、喷流等是怎么产生的？而与最近新近发现的引力波相关的研究方向，则有双黑洞并合产生引力波这一过程是如何发生的，如何通过计算机模拟出两个黑洞并合的过程？产生引力波的双黑洞是原初黑洞还是恒星塌缩产生的黑洞等等。
与此同时，黑洞的研究还有更丰富、更重要的理论方面的意义。黑洞作为一个强引力场，本身就会有很丰富的量子引力的效应。我们知道，上个世纪最重要的两个发现是，爱因斯坦的广义相对论理论和海森堡、薛定谔、狄拉克等人发展的量子物理理论。但是这两个理论在某种程度上却无法统一在一起。所以物理学家们都希望能够统一二者，建立一个量子引力理论，而无论是什么量子引力理论，黑洞都是最好的一块试金石。如果考虑黑洞外部的量子效应带来的涨落的话，1974年霍金发现黑洞并不是黑的，而是具有温度的，会向外辐射物质，这叫霍金辐射。霍金辐射和之前已经建立的几个黑洞力学定律结合起来，大家发现黑洞其实是一个热力学系统，这叫黑洞热力学，是一个很前沿的研究领域。这个领域就是看看黑洞作为一个有温度、有熵的热力学系统，它会有什么奇特的性质。
而之后，霍金又发现如果黑洞有霍金辐射的话，会破坏量子力学里面的一个根本性的定律，叫做幺正性。通俗地来讲，就是黑洞会破坏信息的守恒。在日常生活中，信息其实是守恒的，比如我们烧掉一本书，看起来书上的信息是消失了的，但是理论上，信息只是被扰乱了，如果有足够复杂的计算机，是能够从灰烬中重新还原这本书的。但是黑洞不同，掉入黑洞的信息，通过霍金辐射变成一些光子之后，信息是完全丢掉的。所以，如何解决这个信息丢失的问题也是黑洞物理研究中的一个核心问题。
值得注意的是，霍金也曾经给出过这个问题的一个回答。黑洞看上去很复杂，但事实上黑洞是很简单的，它只有三个参数——质量、自旋和电荷，这叫黑洞的无毛定理。但这个是经典物理下的结果，考虑量子物理下，黑洞还会带有软毛，霍金曾经认为这个软毛对于解决黑洞信息的问题至关重要。
还有一件值得一提的事情。在2012年，科学家们考虑到量子纠缠的效应（量子纠缠是指在两个不同地方的两个量子状态之间存在神秘关联，这事实上是量子力学的一个基本性质），甚至预言了黑洞的内部并不存在，事件视界附近其实是不光滑的，而是存在一个火墙。一切掉进黑洞的物质都会被火墙燃烧殆尽。火墙是否一定会存在，有没有办法避免这个火墙也是大家关注的重点。火墙激发了一系列的讨论，甚至有人为了解决火墙提出了一个所谓的ER＝EPR理论。这里解释一下，爱因斯坦在1935年同时发表了两篇论文，一篇是关于时空的虫洞结构，叫做爱因斯坦－罗森桥。一篇是对于量子力学的质疑，叫做EPR佯谬，它说明量子力学的一些奇怪的地方。而现在，人们甚至发现了这两个似乎毫不相关的问题居然存在某种关联。在此之后，量子信息学里面的很多东西也都逐渐地被用来研究黑洞物理，这是最近才有的发展，许多人都在致力于通过量子信息更好地理解黑洞。大家可能听说过量子信息的应用研究，比如制造量子计算机，它很厉害，可能会深刻地改变我们的生活。但是量子信息的一些理论概念同样重要，它甚至可以帮助我们理解黑洞。
其实，黑洞是一个有熵的热力学系统，但是根据统计物理，熵是描述物体的微观状态数目的。那么黑洞熵相应的微观自由度是什么呢？这也是一个有意思的问题，这方面著名的超弦理论，可以给出一个计算，它算的是一类特殊的黑洞，可以给出黑洞熵的一个起源。
■研究黑洞的意义
记者：请您介绍一下人类研究黑洞的意义是什么？
蔡荣根：首先是因为黑洞是一种天体，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、弄明白。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。第三，黑洞作为一个量子引力效应显著的地方，是检验量子引力理论最好的平台。人们从黑洞物理中，可以问出很多非常好的问题，这些问题就像是会下金蛋的母鸡，总是能够带来人们对于物理学理解上的飞跃。
记者：这次拍摄到人类历史上第一张黑洞照片，为什么说这个照片非常难拍摄？
蔡荣根：因为这个黑洞离我们很远，足足有5500万光年，因此从地球上看它是很微小的。有一个很形象的比喻，就是拍摄这个黑洞的难度就像在地球上面看月球上面一个硬币大小的东西，可想而知难度是非常巨大的。而且，因为黑洞周围吸积了很多物质，它们都会对于电磁波有很强的阻碍，另外从黑洞到我们地球之间有很多的星际尘埃，这些都会阻碍我们看到黑洞发出的信号。这次也是将分布在全球各处的八台射电望远镜联合起来观测，形成一个如地球般大小的射电望远镜才看到了黑洞的踪迹。其实，这个照片是结合观测到的海量数据处理得到的，小小的照片背后蕴涵了无数人艰苦的努力。
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，就是看黑洞影子的形状跟理论的预言是不是相符。除了广义相对论，还有很多修正的引力理论，这些理论都可以给出黑洞影子的形状，并且和广义相对论的预言会有一些不一样，看到黑洞的影子可以直接来检验这些不同的理论，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行为，看看它的理论计算跟实验的观测是不是相符？第三，它也可以验证无毛定理，这是一个广义相对论黑洞物理中很关键的定理，并且在此之前仍然是一个有待验证的假设。
记者：在很多电影里面，黑洞都是作为一个时空穿越的虫洞，这回真正拍到它了，对利用黑洞做一些星际穿越或星际旅行理论研究有没有帮助或启发？
蔡荣根：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和这次对于黑洞的拍照把黑洞确确实实变成了一个客观存在。以前很多做引力研究的人不相信黑洞的存在，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》的电影嘛，这个电影中就通过电脑模拟描绘出了一个比较准确的黑洞的图像，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。2017年底他应邀来中科院，白春礼院长亲自给他颁发了中国科学院大学荣誉教授证书，他在中科院理论物理所彭桓武科学前沿论坛上作了学术报告。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。
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