當兩個黑洞相互“撞車”，宇宙會發生什么？

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理論奠基

黑洞這一概念的理論基礎，是在一百多年前，由愛因斯坦建立起來的。當時，愛因斯坦的想法是：能否用統一的數學理論，解釋宇宙中的各種物理現象，并統一不同的力。他首先研究的是引力。

在牛頓的理論中，引力使我們站在地球上，而不會飄向空中。牛頓認為，物體之間存在萬有引力，會彼此吸引。但愛因斯坦提出了不同的理解。他認為，力并不像物質那樣可以被直接觸摸和衡量，它其實是一個抽象概念，所以這個概念，可以用時間與空間本身的改變來代替。例如，地球存在于空間中，就像一個人躺在床墊上，會把床墊壓出一個凹陷，時間和空間本身不是絕對的，物體在不絕對的時間、空間中運動時，對它產生了一些影響，所以看起來就像受到了引力的作用。由此，愛因斯坦提出了廣義相對論——用時空的彎曲來取代引力的傳統概念。

理論提出之后，還需要實驗驗證。英國天文學家愛丁頓（Eddington）思考：怎樣證明愛因斯坦是對的？他認為，如果時間和空間真的會被物質的存在所影響，它的表面就會出現彎曲，那么光線在彎曲的時空中傳播時，也應該發生彎折。于是，他利用日食進行觀測。平時，太陽耀眼的光會遮擋后方恒星，但在日食時，太陽被月球遮住，人們就有機會看到原本位于太陽后方的恒星。這說明，恒星發出的光在經過太陽附近時，被太陽周圍彎曲的時空改變了軌道。

另一位德國物理學家史瓦西（Schwarzschild）進一步思考：如果太陽這樣的天體已經能夠使光線彎曲，那么如果把太陽壓縮得極小、密度極大，會發生什么？答案是，在距離這樣的太陽非常近的時候，時空的彎曲會非常大，甚至連光進入之后都無法逃離。

后來，美國物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）正式將這種天體命名為“Black Hole”——黑洞。

為什么叫“黑”？因為光都逃不出來。為什么叫“洞”？因為它像時空中的一個深坑，周圍的一切都會被吸進去。你會看到在它的內部，時空表面的坡度非常陡，這樣一來任何物質哪怕是光都無法逃脫，這被稱為視界，意味著所視的邊界，所以我們無法看到黑洞里面發出的光。在黑洞中心，物質密度會高到不可想象，甚至可能集中于一個奇點，而奇點內部究竟發生什么，我們至今仍然不知道。

最初，人們認為黑洞完全是黑的。但五十年前，英國數學家彭羅斯（Penrose）提出：也許我們能夠從黑洞中提取能量。他設想，在黑洞附近，電子與反電子可能成對產生，其中一個落入黑洞，另一個逃逸出去，于是能量便可能被帶出來。

后來，霍金（Stephen Hawking）進一步發展了這一思想。霍金提出：即使黑洞不旋轉，在量子效應下，真空中仍然會不斷產生電子與反電子。一部分掉入黑洞，另一部分逃離，于是黑洞會向外輻射能量，這就是著名的霍金輻射。1972年，霍金正式提出這一理論，把量子力學與引力理論聯系在一起。不過，這一理論直到今天仍有許多爭議，人們仍在不斷探索。

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“眼見”為實

在天文學當中，理論必須經過觀測驗證。在黑洞的概念發表了大約60年以后，意大利物理學家賈科尼（Giacconi）第一次發現黑洞。20世紀70年代初，他利用X射線衛星觀測宇宙，發現宇宙中存在許多極其強烈的X射線源。這些X射線往往來自雙星系統中的一顆看不見的天體。

當時是1973年，賈科尼召集了我和我的同學們，為我們講解這些技術和發現，讓我們思考能否解釋這個現象，大家提出了各種假設，其中就包括黑洞。后來，經過長期研究，人們逐漸確認：這些看不見的致密天體，正是黑洞。2002年，賈科尼因此獲得諾貝爾獎。

80年代中期，科學家開始觀測銀河系中心區域的恒星運動，這個觀測行為為我們帶來了一個偉大的發現：銀河系中心存在一個質量約為太陽400萬倍的超大質量黑洞。2020年，萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）因這一發現獲得諾貝爾獎，彭羅斯也因黑洞理論研究共同獲獎。

那么，他們是如何觀測到黑洞的呢？首先，他們利用高精探測確定恒星位置，發現許多恒星的運行軌道都圍繞著一個看不見的中心，雖然那里看不到任何光，但這些恒星明顯受到了強大的引力，正是這個力使我們知道，它的中心有一個巨大的黑洞，也就是我們前面說的質量約為太陽400萬倍的超大質量黑洞。通過這些運動的過程，我們甚至可以分析整個相對論所提出來的引力場，到底是在什么樣的情況下起這些作用。

在20世紀60年代，美國加州理工學院的天文學家施密特（Martin Schmidt）在宇宙中發現了一些光源，它們距離地球極其遙遠，但亮度驚人，甚至比太陽亮幾十億倍，同時它極其致密，像是一個點。后來，我的導師之一英國數學家兼理論學家林登貝爾（Donald Lynden-Bell）提出：我們看到的這些光是物質落入黑洞前，在周圍高速旋轉、劇烈摩擦產生的。

這個想法倒轉了黑洞的概念，黑洞會發光，但這些光并不是黑洞本身發出的，是物質在黑洞周圍摩擦，產生強烈的熱量，使我們看到了這個現象。這是一個非常具有歷史意義的發現，他們兩位因此共同獲得了卡夫里獎。

最近十年，我們迎來了新的發展，我們第一次真正看到了黑洞附近的一些光。這些光需要不同的射電望遠鏡在地球的不同地區同時觀測，這些望遠鏡被統一稱為事件視界望遠鏡。通過干涉儀的方法，我們在銀河系中心，找到了黑洞的跡象。

在黑洞照片里，中央黑暗區域，是黑洞的視界，周圍發亮的部分，則是氣體發熱后形成的亮光。這些光在傳播過程中，需要繞過黑洞周圍彎曲的引力場，才能來到我們的望遠鏡中，因此我們看到的并不是直線傳播的光，而是被扭曲后的。

如今，借助最新的空間望遠鏡，包括哈勃和韋布空間望遠鏡，人類已經能夠看到極其遙遠的宇宙。

有時，我們會發現同一個區域里，似乎出現了多個類星體，而這些類星體往往有著十分相似的光譜，仿佛它們是一模一樣的東西。那么，為什么一個類星體會出現許多個影像？這是因為，這些遠距離的光源，是經過被扭曲的引力場后，才抵達我們的望遠鏡。也就是說，我們看到的是同一個亮點，通過不同的軌道達到我們視野的結果。就像我在講話，你可能會聽到回音，聲音被前后左右的墻壁反射，所以有不同的回音，讓你覺得我講話的聲音來自一個空間，而不是一個點。這就說明，在時間空間被影響的宇宙中，光的來源也會受到影響。

通過韋布望遠鏡，我們可以看到極遠距離發出的光，這些光需要花費極長的時間傳播，所以，實際上我們看到的光來自很久以前，甚至包括宇宙初期。比如，這些韋布望遠鏡發現的大量“小紅點”，它們出現得非常普遍，極有可能是宇宙早期形成的超大質量黑洞。通過觀測這些光源，我們可以窺見整個宇宙的演化過程。

說到這里，我總結一下黑洞家族的類型。依照質量范圍，黑洞分為恒星級黑洞、中等質量黑洞、超大質量黑洞和原初黑洞。恒星級黑洞有些只有一兩個太陽的質量，中等質量黑洞往往有一百個到上百萬個太陽質量，它們大多是在一些星團中被發現，而更巨大的超大質量黑洞，可以達到十幾億甚至上百億太陽的質量。這些多樣的黑洞為我們提供了豐富的研究課題。

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“耳聽”不虛

關于黑洞研究，最近十年里有一個巨大的進展，它源自我們發現的一些新現象。而這個現象并非源于光，而是源于黑洞運轉中被改變的時間和空間，這些時間和空間被不斷的拉開、縮小，由此產生了引力波。

愛因斯坦早在1915年就預言：如果兩個黑洞互相繞轉并最終合并，它們會擾動周圍時空，并向外傳播時空漣漪，這就是引力波。不過，由于需要極高的觀測精度，愛因斯坦認為引力波是無法被觀測到的。然而一百年后，人們真的探測到了它。

兩個黑洞互相繞轉并影響到周圍的時間和空間時，會產生一個波，在波的傳導過程中，兩個黑洞間的引力逐漸增強，最終，兩個黑洞合并。我們將這個過程末尾的0.017秒慢放，你會看到它們對空間和時間的影響是怎樣的——兩個黑洞的視界連接后，強烈的時空影響產生，引力波向宇宙各地傳導。

在2015年，人類首次真正探測到引力波，這一成果最終獲得諾貝爾獎。其中一位獲獎者名為基普·索恩（Kip Thorne），他曾擔任電影《星際穿越》的科學顧問。

那么，他們是如何發現引力波的？簡單來說，就是利用激光干涉儀，測量光源和幾枚鏡子之間光的極微小變化，這些變化實際上是時間和空間的改變，過程中會產生有價值的信號。

前面我們說過，觀測引力波需要極高的精度，同時還需要很長的baseline，所以，這些科學家們在全球很多地方，包括歐洲、美國、印度、日本等地進行了觀測。

目前，我們已經探測到200多個黑洞合并事件，通過這些事件，我們可以知道黑洞的質量、旋轉速度等信息，由此，我們得以假定一些邊界條件是如何發生的。

在普林斯頓的高等研究所，這個研究所也是愛因斯坦在人生最后三十年中工作的地方，研究人員的主要研究內容是小黑洞的來源。在活動星系核中，存在巨大黑洞，這些黑洞周圍吸積盤里的光在不斷變化，其中一種設想是，通過觀測這些光的變化，來了解吸積盤的結構，它的原理有點像回音壁的反射。通過研究，我們知道了在巨黑洞周圍的吸積盤內會形成大量新恒星，包括我們在銀河系中心看到的恒星，而這些恒星會快速演化，形成許多小黑洞和新的行星。這些行星和小黑洞之間會發生相互作用、捕獲與合并。

未來三十年，關于黑洞的探測研究將分為兩部分繼續快速發展，一部分是在地面上做引力波的研究，另一部分則是發射空間站。

在這個過程中，中國的研究者也發揮著巨大作用，其中一個非常重要的貢獻就是中國天眼。得益于天眼的巨大面積，我們可以觀察到宇宙周圍的中子星，這些中子星像宇宙中的燈塔，它們不停旋轉，規律地發出脈沖信號，也就是所謂的脈沖星。這個過程就像是提供了一個非常準確的時間表，如果這個時間表變了，就意味著時空本身發生了改變。你可以想象整個宇宙的時間和空間并非一個平面，而是彎彎曲曲的曲面，就像一張柔軟的床墊，按下一處，其他地方也會受到影響，產生不同的反應。而脈沖星的信號，讓我們能看到整個宇宙尺度中時間和空間的收縮和膨脹，由此，我們就能看到宇宙早期的各種現象。

這些觀測也需要全球化的合作，比如國際脈沖星計時陣列，包含了澳洲、歐洲、美國，以及貢獻最大的我們中國的天眼。雖然今天我們已經得到了一些信息，但想要真正證實許多現象，我們可能還需要十幾年的時間，來精確地衡量。

此外，中國還在推進中山大學的天琴、中國科學院的太極等空間引力波探測計劃，這些都將幫助人類進一步理解宇宙。

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奇思妙想

接下來，再講一些大家經常疑問的、很有想象力的奇思妙想。

比如，如果掉進黑洞周圍，我們還能生存嗎？在電影《星際穿越》中，宇航員進入巨大黑洞后依然存活，這是怎么回事？

理論上，假如是太陽質量的黑洞，在到達黑洞周圍時，我們就會被黑洞的引力場撕裂，但如果黑洞非常巨大，達到幾百萬甚至上千萬太陽質量時，黑洞的潮汐作用反而沒有那么強，雖然它的引力很強，但你不會被它撕裂。

這個問題其實和在做的研究相關，我們看到太陽系的中心，有一個光點，時亮時暗，它是一個在X光方面發展的光源，每天出現一兩次，光度并不高。我們認為這個現象，有點像在主星周圍被撕裂的彗星，可能是一個物質，比如小行星，它走到一個較大的黑洞周圍，被黑洞的潮汐作用撕裂了，所以出現了這種類似彗星的現象。

那么，這個現象是否能解釋銀河系中心的X光產生的各種光變呢？這就是我們目前在做的進一步研究，研究恒星被撕裂的過程是如何進行的。

第二個問題，銀河系中心的黑洞會吃掉太陽嗎？

答案是不會。實際上，太陽距離銀河系中心的黑洞非常遙遠，這個距離比黑洞的視界要大幾億倍，相對論的作用并不是很大，并且太陽系繞銀河系中心運轉，軌道穩定，所以一般情況下，不會直接受到銀河系中心黑洞的影響。

第三個問題，如果黑洞合并產生引力波，我們是否能借助引力波，用比光更快的速度傳導信息？

這個的答案也是否定的，因為引力波雖然是時空本身的變化，但其傳播速度仍受到光速限制。

最后，想鼓勵一下大家，特別是小朋友們。在探索宇宙的過程中，我們已經發現了許多令人驚嘆的現象，做了各種各樣有趣的研究，但仍然有大量問題沒有解決。而且，現在對問題的解釋，未來也可能被更新。

希望今天的小朋友們，將來可以回答這些問題。因為探索是永無止境的，我們會不斷發現新的現象，得到新的啟發，開展新的研究。舊理論被推翻，并不是壞事，而是好事，意味著我們對宇宙的了解更近了一步。

來源：墨子沙龍

原標題：林潮：當兩個黑洞相互“撞車”，宇宙會發生什么？

編輯：丁香葉子

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