天文
黑洞比你想象的更奇怪
黑洞不仅是宇宙中的奇观，更是物理学研究的宝库，有助于解答基础物理问题，验证爱因斯坦理论，并解释宇宙的奥秘。
黑洞，这一宇宙间的神秘存在，对于科学家而言，其魅力远超我们的想象。如果彩虹的美丽令人赞叹，那么理解彩虹中所有色彩如何统一于普通的白光之中，则更加令人惊叹。近年来，科学家们对黑洞的了解呈指数级增长。今年一月，天文学家宣布，詹姆斯·韦伯太空望远镜观测到了宇宙诞生初期，约四亿岁时的最古老黑洞。最近，两个质量总和达两千八百亿太阳的超大质量黑洞被发现，它们在过去三十亿年里紧密旋转却未相撞。这些仅仅是公众较易理解的例子。对我来说，一个超大质量黑洞听起来很壮观；对科学家而言，它也是检验各种假设的理想场所。
“天体物理学是一场在地球上无法进行的不可思议的实验，而黑洞是理想的实验室。”滑铁卢大学和边缘研究所的理论物理学家Avery Broderick告诉我。他研究黑洞是因为它们在理论和数学上非常简单。他解释说，黑洞具有质量、电荷和角动量(意味着它可以旋转)。“大概就这些了，”他说。“它们的行为极端，但我们认为我们理解的机制。”另一种“简单”的看待黑洞的方式是，它是一个相对小的空间内聚集了极大质量的天体。它产生的引力如此之强，以至于连光都无法逃脱。想象一下，地球的质量压缩到弹珠的大小；想象一下，一百万颗太阳压缩到一颗太阳的大小——这将让你对黑洞有个大致的了解。一些黑洞是由坍缩的恒星形成的。其他黑洞则被认为是由巨大气体云的内坍形成的。(还有其他理论。)要“观察”黑洞——从中不会返回任何光子或波或射线——需要相当的创造力。黑洞的内部只能从其外部的变化中推断出来。活跃的黑洞周围环绕着强烈的光芒和数十亿度的热量，这是由向它们坠落的物质发出的——想象一下即将到来的小行星的火焰——而黑洞本身却不可思议地冷，只比绝对零度高一点点。
正是在这些简单而离奇的物体中，Broderick解释说，“二十世纪的物理学崩溃了。”但所谓的二十世纪物理学崩溃是指什么呢？基本上，有爱因斯坦的广义相对论(对牛顿的引力概念进行了微小但影响深远的修正)，还有量子力学。“广义相对论被认为是描述非常大的和质量很大的理论，而量子力学是描述非常小或非常冷的理论，”Broderick说。黑洞是巨大的(广义相对论)，而且是冷的(量子力学)。但是，当科学家试图用这些理论来描述黑洞内部发生的事情时，正如另一位天体物理学家所说，其含义是“灾难性的”。或者，正如Broderick所说，这些理论“给出了非常不同的答案。”
一些科学术语比其他术语更具魅力。薛定谔的猫、暗物质、“葡萄干布丁”原子模型——这些比“本征态”、“中子星”或“核糖体”更具启发性。“我已经寻找了几个月的合适术语，在床、浴缸、汽车里，无论我在哪里都有安静的时刻，”已故物理学家John Wheeler曾说，他在寻找当时被称为“引力完全坍塌物体”的更好语言。Wheeler也喜欢读诗，他喜欢为物理学中的新概念构想生动的语言。我们要感谢Wheeler为我们带来了“虫洞”、“参与性宇宙”和“量子泡沫”——这些名称带有它们所描述的精神。
1967年，Wheeler参加了天体物理学家Jocelyn Bell最近发现的脉冲星——发出辐射的天体的讨论。讨论的焦点是是什么导致了这种奇怪现象。一个“完全坍塌的物体”是一个解释。当Wheeler发言时，他多次使用了这个笨拙的术语，然后发现自己简单地说出了“黑洞”。这个名字就固定下来了。(无论如何，这是起源故事之一——这个术语在几年前的文章中已经被使用过，据说也有人在会议上向Wheeler提出了这个建议。)
对大多数人来说，这个名字唤起了诺贝尔奖获得者Saul Perlmutter所说的黑洞的“达斯·维达方面”：这些物体是“致命的、沉默的、全能的、笼罩的。”虽然对黑洞的普遍理解并不精确，但它具有我们与Wheeler喜欢阅读的诗歌相关的准确性。“它不仅吞噬了靠得太近的任何东西，而且没有人能活着讲述这个故事……有脚印进入，没有脚印出来，”Perlmutter描述了非专业人士可能如何想象它们。“如果黑洞不是真实的，我认为科幻作家们会想要发明它们。”
一百年前，几乎没有人相信黑洞是真实的，甚至连写出预测它们的方程式的爱因斯坦也不例外。他说它们是不可能的，是数学的一个怪癖。1935年，在皇家天文学会的一次会议上，年轻的天体物理学家Subrahmanyan Chandrasekhar提出了他的工作，这表明，不可能的是基本上黑洞不存在。天文界的最受尊敬的长者之一Arthur Eddington安排了Chandrasekhar的演讲，并知道他将要谈论什么——他安排自己在演讲结束后直接发言。Eddington对年轻科学家很有礼貌、开放和鼓励，他把Chandrasekhar的想法斥为荒谬，说：“应该有一个自然法则来阻止一颗恒星以这种荒谬的方式行事！”Eddington的观点获胜了；谈论恒星坍塌成了一种不被认真对待的好方法。
几十年过去了。然后注意到了一些奇怪的事情。天文学家开始看到星系中心有一种东西，它如此明亮，以至于超过了星系中所有其他恒星的总和。(这是从落入黑洞的东西中发出的能量。)在其他地方，从被称为天鹅座X-1的天区检测到了宇宙射线，其模式似乎无法解释。最终，黑洞的概念来解释并统一这些令人困惑且看似不同的观察结果。否认黑洞的存在变得比接受它更尴尬。在七十年代，Stephen Hawking与同行物理学家Kip Thorne打赌，赌注是来自天鹅座X-1的宇宙X射线是否真的是黑洞的结果。Hawking赌不是，尽管他为了平衡他希望成为真实的结果而下了这个赌注；他花了多年时间研究黑洞。直到1990年才有足够多的证据来解决Thorne的胜利。(赌注是Penthouse的订阅；如果Hawking赢了，他将获得讽刺杂志Private Eye。)
从那时起，知识加速了。不仅黑洞是真实的，而且我们银河系中心就有一个巨大的黑洞——实际上，在每个星系的中心——实际上，不仅在星系的中心，而且在它们周围，我们的银河系独自拥有数百万。不仅有难以想象的黑洞数量，而且有时它们会相撞，向宇宙发送微小的引力波涟漪。2015年，LIGO天文台的科学家们进行了一个实验，该实验的建设花了几十年的梦想、设计和修订，在几天内就检测到了这些引力波。研究人员形象地描述他们观察到的，称之为时空结构中的涟漪。
碰撞的黑洞发出的引力波产生了一种声音——或者说转化为一种声音——类似于敲响的钟声。“你可以分辨出我是在敲击这张桌子，还是在敲击地板，”天体物理学家Will Farr在曼哈顿Flatiron研究所的明亮办公室里对我说。“如果我有乐器，声音会更好听，但你也可以分辨出是小号、长号、鼓还是单簧管——即使是它们发出相同的音符。”
当你敲击一个物体——或用弓在它上面拉动，或向连接到它的芦苇中吹气——产生的声音携带着关于该物体形状、材料组成和温度的信息。“你可以通过听我们所说的频谱——当你击中它时激发的不同频率模式——来识别一个乐器，”Farr说。黑洞也有模式，尽管它们以引力波而非声波辐射。所以如果你，比如说，敲击一个黑洞，理论上你可以了解很多关于它的事情。两个黑洞的碰撞实际上就是这样的敲击，这是科学家自己无法进行的宇宙实验。
Farr描述了两个黑洞碰撞的瞬间形成了一个“黑花生”的形状，最终稳定成一个单一的合并黑洞。“环形下降”是用来描述最终合并和它发出的“声音”——波的术语。如果足够精确地记录下环形下降的涟漪，它们可以讲述一个黑洞的故事：它的自转、它的质量和它的电荷，以及可能关于其外部百万度热气体环的信息。“基本上，目前除了引力波之外，没有其他方法可以探测这个时空区域，”Farr说。光波、无线电波、X射线——这些阅读宇宙的方式都没有让科学家能够如此接近黑洞的视界。“这就是为什么拥有这个工具是革命性的一个原因。”
环形下降可能被研究人员用来测试广义相对论是否准确描述了黑洞。如果准确，那么环形下降的音调将以一种方式出现；如果不准确，那么它们就不会。“通过逐个音调详细检查偏差，你可以尝试了解偏离广义相对论的来源，”Farr说。
公众对引力波或黑洞如何统一或不统一量子力学和广义相对论的“感觉”还需要一段时间。但这些想法仍然模糊地渗透到公众的想象中。2020年，加州大学洛杉矶分校的天体物理学家Andrea Ghez和同事因追踪我们银河系中心附近物体的路径，以足够的细节表明那里必须有一个超大质量黑洞，而获得了诺贝尔奖。2014年，通过数百名科学家进行的巧妙而资金不足的激情项目，事件视界望远镜(E.H.T.)被组装起来，目标是“拍摄”一个黑洞。E.H.T.不是一台望远镜，而是最初八台、现在十一台分布在全球的望远镜网络。这些望远镜共同作用，就像一台有着地球大小镜头的望远镜。E.H.T.收集了一个遥远黑洞的数据，然后又收集了一个位于银河系中心的较近黑洞的数据。两个黑洞的图像——或者说，落入黑洞的物质环——传回了。
为了与公众分享这些工作，科学家们将数据转换成了惊人的图像，并在全世界发表。因为望远镜“看到”的波长超出了人眼可见光谱，E.H.T.科学家们需要决定，例如，用什么颜色来描绘事件视界周围等离子体的极端高温。(尽管蓝色火焰比橙红色火焰更热，但他们选择了橙红色。)我与一些科学家讨论这些图像时，他们温和地表示，这些图像并没有增加他们对黑洞的基本理解。大多数人对收集数据的创造性手段比对图像本身更印象深刻。(相比之下，对于某些人来说，LIGO探测到引力波时出现的波形是一种流行的纹身。)对于其他地球居民来说，那黑暗，周围环绕着燃烧的火环，有一种亲切的质量——但这是我们称之为宇宙的异乡之物。
Broderick是最早加入E.H.T.的理论物理学家之一，他告诉我，对科学家来说，“眼见为实”并不总是成立；科学家们经常需要决定他们是否能信任他们所看到的。他将E.H.T.描述为对社会和科学都产生了影响。他说，能够告诉我的姻亲和母亲我正在从事的工作是“令人愉快的新奇体验”。他指出，据估计世界上一半的人口已经看到了第一张黑洞图像：“我实际上很好奇；上一次这么多报纸头版刊登同一件事是什么时候？我们共同分享了这种体验，这样的事情很少，而且大多数都是负面的。”他将E.H.T.视为一个机会，使物理学的一部分故事变得真实可见。
小时候，Broderick和他的父亲一起看了“星际迷航”、“神秘博士”和“任何冒险的节目”，他说，他会在夏天和假期拜访他的父亲。“他会提前录制这些电影和节目，等我来了，我们会在 binge-watch 成为一件事之前就狂看，”他说。他的父亲是四肢瘫痪的，喜欢摄影和电影。Broderick告诉我，他看“星际迷航”与他作为理论物理学家的工作并非无关。在每一集中，星际舰队都会前往令人难以置信的新地方，看到不同的东西，那就是冒险。“我被吸引到天体物理学的一部分是因为星际舰队不存在。但我可以用望远镜、大型计算机、黑板、白板、粉笔——用任何东西——与他们一起遨游宇宙。”
本文译自 The New Yorker，由 BALI 编辑发布。