電影《星際穿越》中，黑洞“卡岡圖雅”可能是許多人記憶里最震撼的一幕。

這部電影強(qiáng)烈建議在大熒幕上觀看，當(dāng)“卡岡圖雅”出現(xiàn)時(shí)，你會(huì)看到巨大的黑洞占據(jù)銀幕中央，周圍明亮的環(huán)帶快速旋轉(zhuǎn)，隨著主角的飛船越來(lái)越靠近，仿佛要落入宇宙中一個(gè)看不見(jiàn)底的深淵。

雖然電影進(jìn)行了藝術(shù)化呈現(xiàn)，但黑洞“卡岡圖雅”并非完全脫離物理基礎(chǔ)。它的視覺(jué)效果也源于真實(shí)的光線追蹤計(jì)算，是廣義相對(duì)論的一個(gè)直觀演示。

電影中“卡岡圖雅”所帶來(lái)的震撼感，歸根結(jié)底其實(shí)來(lái)自一些更普遍的問(wèn)題：

* 現(xiàn)實(shí)世界中到底有沒(méi)有黑洞？

* 如果有，它又是什么樣的？

* 在沒(méi)有光的前提下，我們又憑什么相信它存在呢？

這些問(wèn)題，是理解黑洞科學(xué)的入口，也是《不可抗拒的引力》（The Irresistible Attraction of Gravity）這本書(shū)里所講到的內(nèi)容。

書(shū)的作者是著名天體物理學(xué)家盧西亞諾·雷佐拉教授，他本身是研究致密天體的專家。

在書(shū)中他用通俗方式解釋了黑洞的核心結(jié)構(gòu)：事件視界、吸積盤、強(qiáng)引力效應(yīng)下彎曲的光線。讓讀者理解：黑洞的“外貌”其實(shí)來(lái)自物理過(guò)程，而不是藝術(shù)想象。

01

黑洞“真實(shí)”存在嗎？

今天我們談起黑洞，往往會(huì)把它當(dāng)作宇宙里本就應(yīng)該存在的天體。但在科學(xué)史上，它的存在其實(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的懷疑期，因?yàn)?strong>黑洞的概念最初不是來(lái)自觀測(cè)，而是來(lái)自數(shù)學(xué)。

1915年，愛(ài)因斯坦建立了廣義相對(duì)論，描述引力不是“拉力”，本質(zhì)是時(shí)空彎曲。一年后，史瓦西給出了第一個(gè)“黑洞解”，但當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有人認(rèn)為這種解對(duì)應(yīng)真實(shí)的天體。即便是愛(ài)因斯坦本人也不相信黑洞會(huì)在宇宙中形成。

直到20世紀(jì)中葉之后，大量的觀測(cè)逐漸積累了一些“間接證據(jù)”，才讓科學(xué)家不得不重新審視黑洞存在的可能性：

比如超新星后的恒星坍縮無(wú)法被正常壓力支撐；某些雙星系統(tǒng)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的X射線輻射，卻看不到發(fā)光天體；星系中心存在質(zhì)量異常巨大的“暗物體”，對(duì)周圍恒星產(chǎn)生強(qiáng)引力約束；以及2015年首次探測(cè)到引力波...

等等這些線索逐漸指向了黑洞是一個(gè)真實(shí)存在的天體。但仍有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：黑洞不發(fā)光，人類無(wú)法直接看到它。

02

如何給黑洞“拍照”？

2019年，首張超大質(zhì)量黑洞照片橫空出世，這既是天文學(xué)史上的標(biāo)志性時(shí)刻，也提供了黑洞存在的直接“視覺(jué)”證據(jù)。

不過(guò)需要注意的是，這張“照片”并非直接用相機(jī)拍出來(lái)的，而是來(lái)自不同望遠(yuǎn)鏡的“觀測(cè)結(jié)果圖像”。

那么拍出這張照片有多難呢？

首先要知道，黑洞自身不發(fā)光，我們拍的是其實(shí)是“被彎曲的光”。

因?yàn)楹诙磧?nèi)部完全黑暗，所以圖片上我們看到的亮環(huán)其實(shí)來(lái)自吸積盤中的高溫物質(zhì)發(fā)出的射電輻射。

同時(shí)黑洞產(chǎn)生的強(qiáng)引力效應(yīng)會(huì)使光線彎曲，此時(shí)周圍會(huì)形成一圈又一圈的光路，而在光路中間的“陰影”區(qū)域，也就是圖像中央的“暗洞”。

因此，黑洞圖像并不是“黑洞長(zhǎng)這樣”，而是“在強(qiáng)引力場(chǎng)附近可觀測(cè)到的光分布長(zhǎng)這樣”。

其次，由于地球沒(méi)有足夠大的望遠(yuǎn)鏡，所以只能造一個(gè)“虛擬望遠(yuǎn)鏡”去觀測(cè)黑洞。

而要分辨一個(gè)幾乎在銀河外的細(xì)小陰影，至少需要相當(dāng)于“地球大小”的望遠(yuǎn)鏡。人類無(wú)法制造這樣巨大的實(shí)體設(shè)備，于是就有了EHT（事件視界望遠(yuǎn)鏡）項(xiàng)目。

EHT的辦法非常巧妙，它運(yùn)用了甚長(zhǎng)基線干涉（VLBI）技術(shù)，也就是把全球不同地點(diǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡同步起來(lái)，讓它們像一個(gè)超大望遠(yuǎn)鏡一樣工作。

這樣一來(lái)，就能得到海量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，然后就是龐大的數(shù)據(jù)處理工作，為避免人為偏差，EHT把數(shù)據(jù)交給多個(gè)團(tuán)隊(duì)分別處理，互相之間不交流，中間不允許看到對(duì)方的結(jié)果，確保得到的圖像是跨團(tuán)隊(duì)一致、可重復(fù)的結(jié)果。

最終呈現(xiàn)的黑洞照片雖然“模糊”，但它包含了很多有效信息：

* 黑洞的質(zhì)量可以推算；

* 不對(duì)稱性可以定出黑洞的自旋方向；

* 事件視界“陰影”的大小符合廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)。

值得一提的是，盧西亞諾·雷佐拉教授也是EHT計(jì)劃領(lǐng)導(dǎo)者之一，他在《不可抗拒的引力》書(shū)里為我們揭開(kāi)了首張黑洞照片的幕后故事。他重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)：黑洞影像不僅是技術(shù)成就，也是對(duì)廣義相對(duì)論在強(qiáng)引力場(chǎng)區(qū)域的一次重要驗(yàn)證，更是一個(gè)科學(xué)意義遠(yuǎn)大于視覺(jué)意義的成就。

03

引力為何仍吸引我們？

回到更基礎(chǔ)的問(wèn)題：為什么黑洞影像如此重要？

雷佐拉教授在書(shū)中給出的回答其實(shí)很簡(jiǎn)單：黑洞把引力推到極限，而引力是理解宇宙結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

書(shū)中反復(fù)強(qiáng)調(diào)一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：引力不是傳統(tǒng)意義上的“力”，而是時(shí)空的幾何屬性。

舉個(gè)例子，我們知道行星圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，但其實(shí)并不是“被拉著轉(zhuǎn)”，而是行星在彎曲的時(shí)空里走最省力的路徑。

這也是廣義相對(duì)論重新定義“引力”的關(guān)鍵：它告訴我們，只要存在質(zhì)量，時(shí)空就會(huì)彎曲，而物體只是順著這張被拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)的時(shí)空膜自然前行。

而黑洞的意義就在于：它把時(shí)空彎曲放大到極端，讓我們能夠測(cè)試?yán)碚摰倪吔纭?/p>

對(duì)此雷佐拉教授在書(shū)里回顧了過(guò)去百年來(lái)的引力研究與歷史背景，其中黑洞是不可或缺的重要章節(jié)，讀完這本書(shū)，你會(huì)更理解二者之間的聯(lián)系。

作為一本了解引力、黑洞、引力波等概念的入門書(shū)，雷佐拉教授并沒(méi)有在書(shū)里放過(guò)多的公式，他的寫(xiě)作特點(diǎn)是“把復(fù)雜過(guò)程拆解，但也保證準(zhǔn)確性”。

因此非常適合那些對(duì)宇宙問(wèn)題有興趣、但未受過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的讀者。

首張黑洞影像并不是終點(diǎn)，而是一個(gè)起點(diǎn)。隨著儀器升級(jí)、算法改進(jìn)、更多望遠(yuǎn)鏡加入EHT，我們可能會(huì)看到更清晰的黑洞圖像，也可能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象。

書(shū)名：不可抗拒的引力

?♂? 作者：[意] 盧西亞諾·雷佐拉

翻譯：李歌星

出版社：湖南科學(xué)技術(shù)出版社·原力

內(nèi)容簡(jiǎn)介

引力的謎團(tuán)已吸引人 類數(shù)百年。 但究竟什么是引力？它又是如何運(yùn)作的？這本引人入勝的書(shū)將帶你深入探索引力物理中奇異且常常反直覺(jué)的世界。跟隨著名天體物理學(xué)家盧西亞諾·雷佐拉教授，踏上這場(chǎng)虛擬旅程，走進(jìn)愛(ài)因斯坦的引力世界；每一座里程碑都將呈現(xiàn)引力更加迷人的面貌。通過(guò)輕松易懂的方式，你將逐步接觸時(shí)空彎曲、廣義相對(duì)論等概念，發(fā)現(xiàn)引力物理中最奇特的現(xiàn)象——黑洞、中子星和引力波。作者還講述了近年來(lái)最震撼的科學(xué)成就之一：首張超大質(zhì)量黑洞照片的問(wèn)世。作為參與這一成果的關(guān)鍵科學(xué)家，雷佐拉將為你揭開(kāi)這張照片背后的幕后故事，讓你了解物質(zhì)和光在黑洞附近究竟會(huì)發(fā)生什么。

一審：周洋

二審：李蓓

三審：孫桂均