狂歡之後的深思，首張黑洞圖像沒有回答這三大問題

科技日報記者 劉霞

10日整個物理學界陷入一場集體狂歡中——位於全球各地的「事件視界望遠鏡」（EHT）拍攝的首張黑洞特寫照片終於面世，所謂「有圖有真相」，這張照片是黑洞存在的直接證據，拉開了黑洞天文學新時代的序幕。

美國趣味科學網站在10日的報道中指出，首張照片儘管意義宏大，但並不令人驚訝：幾乎完全沒有發現令人詫異的細節或新物理學；也沒有發現黑洞的意外特徵——圖像本身幾乎就是我們過去在科學領域和流行文化中看到的黑洞圖像的翻版，只不過更模糊一點。當然，物理學也沒有分崩離析。物理學的各位先輩大佬們大可以放心，繼續指點江山，激揚文字。

黑洞的故事到此就結束了嗎？當然不。英國埃默里大學的天體物理學家和黑洞研究員艾琳·邦寧說，有幾個與黑洞有關的重要問題仍懸而未決。

黑洞巨大的熱、快物質噴流如何產生？

中國科學院國家天文台研究員陸由俊對科技日報記者介紹說：「所有超大質量黑洞都能吞噬附近物質，吸收穿過黑洞事件視界的物質，並以接近光速的速度將其餘物質噴射到太空中，天體物理學家稱之為『相對論性噴流』。」

左圖是與錢德拉X射線望遠鏡與事件視界望遠鏡同時拍攝的照片，顯示了M87*的「相對論性噴流」。右圖是事件視界望遠鏡拍攝的M87*陰影圖像。來源：美國趣味科學網站

比如，此次「事件視界望遠鏡」的拍照「模特」M87*就因其令人印象深刻的噴射而聲名顯赫，它噴射的物質和輻射遍布整個太空，導致宇宙中到處流傳著它的傳說，也使它成為此次科學嘉年華活動的主角。它的「相對論性噴流」如此龐大，以至於它們可以完全逃離周圍的星系。

物理學家知道這種情況是如何發生的：在物質落入黑洞的引力井時，物質被加速到極快速度，然後其中一些物質「逃之夭夭」。但他們對這種情況如何發生的細節持不同意見，而最新「出爐」的這張圖像及相關文件尚未提供任何詳細信息。

邦寧說，要想弄清楚這些細節，需要將覆蓋相當小範圍的事件視界望遠鏡觀測結果與更大的相對論性噴射圖像結合在一起考慮。

1998年，哈勃望遠鏡拍攝到的逃出M87*的「相對論性噴流」。來源：美國趣味科學網站

她說，雖然物理學家目前還沒有得到答案，但答案可能很快會到來。因為此次立下大功的「事件視界望遠鏡」項目可能很快會生成第二個目標——我們銀河系中心超大質量黑洞人馬座A*的圖像。她說，人馬座A*不像M87*那樣「調皮」，產生噴流，所以，比較兩張圖像可能會釐清一些問題。

廣義相對論和量子力學如何統一？

每當物理學家聚在一起談論一個真正令人激動的新發現時，可能都會有人說：這一新發現或許有助於解釋「量子引力（quantum gravity）」。此言一出，舉座皆驚。因為量子引力是物理學領域最大的未解之謎，是物理學江湖中的倚天劍、屠龍刀——得之可得天下。

陸由俊解釋稱，大約一個世紀以來，物理學家使用兩套不同的規則來解釋萬事萬物：他們用廣義相對論來解釋諸如引力這樣的大事；用量子理論來解釋非常小的事物。問題是，這兩套規則難以統一。因為量子力學無法解釋引力；而相對論無法解釋量子行為。

那萬有引力和量子理論彼此之間就真的「水火不容」嗎？明知山有虎，偏向虎山行的物理學家們可不這麼想，他們希望未來有一天，創建出一個大一統理論，將這兩者囊括其中，而這個未問世的大一統理論可能涉及某種量子引力。

在首張黑洞圖像宣布之前，有科學家猜測，它可能會在此問題上取得些許突破（如果廣義相對論的預測沒有在圖像中得到證實，還有點可能）。在美國國家科學基金會的新聞發布會上，「事件視界望遠鏡」項目的參與者、加拿大滑鐵盧大學的物理學家艾弗里·布羅德里克說，相關答案可能在來的路上。

但邦寧對這種觀點持懷疑態度。邦寧解釋說，從廣義相對論的角度來看，新圖像一點都不令人驚訝，因此，它沒有提供可能縮小兩個領域之間差距的新物理學。

但她同時表示，人們希望從新圖像中獲得答案這一想法合情合理，因為黑洞陰影的邊緣將引力帶入微小的量子空間。她說：「我們有望在非常非常接近事件視界的地方，或者在宇宙非常非常早期之時，看到量子引力。」

但鑒於目前「事件視界望遠鏡」提供圖像的解析度不足，她說，即使對其進行升級，我們也不太可能獲得想要的答案。

霍金的理論和愛因斯坦的理論一樣正確嗎？

據陸由俊介紹，在物理學家職業生涯的早期，斯蒂芬·霍金對物理學的最大貢獻是「霍金輻射」理論。該理論認為，黑洞實際上不是黑色的，隨著時間的推移，它會發出少量輻射。這一點非常重要，因為它表明，一旦黑洞停止生長，它將開始因為能量損失而非常緩慢地收縮。

邦寧說，事件視界望遠鏡沒有證實或否認這一理論。

她說，像M87*那樣的巨型黑洞，與其龐大的體型相比，其發出的霍金輻射可謂「九牛一毛」。雖然我們目前所擁有的最先進的設備可以探測到這些黑洞事件視界的明亮光線，但幾乎無法看清超大質量黑洞表面的超暗閃光，因此，也很難發現其輻射。

她說，最微小的黑洞可能是獲得這一答案的關鍵。從理論上來說，這些最微小的黑洞是一些「短命」的天體，其體型很小，所以，你可以將其整個事件視界握在手中。而且，與這種微小黑洞的體型相比，其輻射可能相對較多。

邦寧認為，人類最終有可能會弄清楚如何製造或找到一個這樣的黑洞並且檢測到其輻射，從而驗證霍金理論的正確性。

我們從這張圖片中得到什麼呢？

首先，廣義相對論再次獲得證實，愛因斯坦再次成為贏家。此前，愛因斯坦的廣義相對論預言黑洞會形成一個類似陰影的黑暗區域，現在，真實情況與這一預言如出一轍。

愛因斯坦 圖片來自網路

此外，邦寧稱，這一圖像還具有其他更直接、更實際的意義。最新研究使科學家能精確測量這個黑洞的質量。結果表明，該黑洞位於室女座A星系的中央，遠在5500萬光年之外，質量為太陽質量的65億倍。

陸由俊解釋稱，這很重要，因為它可以提供一種新的為超大質量黑洞「稱重」的方式。目前，天文學家通過觀察人馬座A*的引力如何使其附近的單顆恆星移動，得出其精確質量；而對其他黑洞進行質量測量，需要非常複雜的方式。

黑洞恍如一位遁世的隱者，身上背負著諸多有關宇宙的奧秘，在對其驚鴻一瞥後，對其進行深入研究，將揭示更多秘密，讓我們更好地了解宇宙、了解我們自身。

來源：科技日報 文中圖片均由作者提供

編輯：岳靚

審核：管晶晶

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