给好奇者的黑洞简史

作者简介

作者：贝基·斯梅瑟斯特（Dr. BeckySmethurst，1990— ） 牛津大学博士、牛津大学天体物理学研究员、英国皇家天文学会研究员，主要研究超大质量黑洞和星系的相互运动。贝基还是一位明星科普博主，她的Youtube账号@Dr. Becky（贝基博士）订阅人数超75万，科普视频观看量达4000万人次。曾获英国皇家天文学会温顿奖（2022），卡洛琳·赫歇尔讲师奖、玛丽·萨默维尔奖章（2020），英国物理学会物理学传播杰出青年奖提名奖（2015）。 译者：王乔琦 南京大学天文学学士，编辑，长期从事科普工作。著有《地外生命寻踪》，译有《发现天王星》《万物发明指南》《量子力学的真相》等。

内容简介

此时此刻，你放松地坐着，翻看这本书。与此同时，你其实还在移动，而且速度快得惊人。地球无时无刻不在绕着地轴自转，无情地推动时间前行，让我们度过一天又一天。此外，地球还带着我们绕着太阳运动，于是才有了季节变换。 不过，故事还没结束。太阳只是银河系中的一颗恒星，而整个银河系的恒星数量超过1千亿，太阳既不特殊，也并不在这众多恒星的中心。实际上，太阳在整个恒星家族中可以说是相当普通、相当平凡。太阳系坐落在银河系一条较小的（发现这里的规律了吗？）叫作“猎户臂”的旋臂上。而银河系本身也只是一座相当普通的旋涡状恒星岛——既不是太大，也不是太小。 因此，这就意味着，除了跟着地球自转、跟着地球绕太阳公转以外，我们还跟着地球以45万英里/小时的速度绕着银河系中心运动。那么，银河系的中心又有什么？答案：一个超大质量黑洞。 没错——此时此刻，你正绕着一个黑洞运动。所谓黑洞，就是一个质量无比之大的小小空间。所以，黑洞的密度非常高，高到连光（再没有什么物质能比光的传播速度更快了）都没有足够能量赢下这场与黑洞引力之间的拔河比赛——一旦光太过接近黑洞，它也会被无情吸入，再也无法逃出。在最近几十年里，黑洞的概念让物理学家既兴奋又沮丧。在数学上，我们把黑洞描述为一个密度无限大、体积无限小的点，周围包裹着一个球体，我们看不到球体内的光，也得不到球体内的任何信息。没有信息意味着没有数据，没有数据意味着没有实验，没有实验意味着我们无法知晓黑洞“里面”究竟是什么。 作为科学家，目标总是尽可能地了解更全面的情况。当我们把视线从自家太阳系后花园移开，让视野囊括整个银河系，乃至拥有数十亿个星系的整个宇宙，我们会发现，黑洞总是稳居引力排名的前列。我们银河系中心的这个黑洞，也就是驱动你在宇宙空间中穿行的这个黑洞，质量大约是太阳的400万倍，这也是为什么它被称作超大质量黑洞。虽然这个黑洞的确已经很大了（或者说很重了），但我还见过更大的。于是，我又要告诉你，相对来说，银河系中心的这个黑洞也只是相当普通的一个。它的质量没有那么大，能量没有那么高，也不是那么活跃，所以几乎不可能被直接探测到。 我能接受上述这些对黑洞的描述，甚至在日常生活中已经视其为理所当然，这本身就很了不起。实际上，直到20世纪末，人类才终于意识到，每个星系的中心都有一个超大质量黑洞。需要提醒大家的是，虽然天文学是全世界各大古老文明都开展的人类最古老科学实践之一，但天体物理学——解释天文现象背后的物理学原理——仍旧是一门相对年轻的学科。整个20世纪以及21世纪出现的技术进步，只是刚刚开始揭开宇宙奥秘的一角。 最近，我偶然在一家杂乱的二手书店找到了一本写于1901年的《现代天文学》（Modern Astronomy）。书中的内容令我无比着迷。 作者赫伯特·霍尔·特纳（Herbert Hall Turner）在引言中写道：在1875年（大概时间，并不精确）之前，人们隐隐约约感到，天文学的研究已经触及了某种天花板，但自那之后，几乎没有任何一种天文学研究方法没有出现巨大变化。 赫伯特在此重点强调的是照相底片的发明。在这项技术出现之前，科学家总是通过速写的形式画下他们在望远镜中看到的东西；在照相底片技术出现之后，他们就无须这么做了，转而将望远镜中的所见记录在表面涂有感光化学物质的大片金属盘上。此外，望远镜也是越造越大了，这意味着它们能收集到更多光，从而能看到更昏暗、更小的天体。在赫伯特这本书的第45页有一张很棒的图，它展示了望远镜的直径是怎么从19世纪30年代的区区10英寸暴增到19世纪末的40英寸。在我撰写本书的时候，在建的最大望远镜是夏威夷的30米望远镜。没错，你猜对了，这架望远镜收集光的镜面直径达到了30米——按照赫伯特的计算方式，就是大约1181英寸——所以，自19世纪末以来，我们的望远镜技术又有了飞跃。 赫伯特的这本书让我爱不释手（也是让我不得不买下它）的原因是，它提醒我们，科学观点改变得能有多快。对我以及所有从事天文研究的同行来说，书中的所有内容如今都称不上“现代”。而且，我也完全可以想象，120年后的天文学家读我这本书时大概也是这样的感受。举个例子，1901年，当时的主流观点认为，整个宇宙的范围也就是延伸到银河系边缘的最遥远恒星——距我们大概10万光年。那个时候，我们完全不知道在这个不断膨胀的浩渺宇宙中，是否存在其他星系，存在其他类似银河系这样的由数以十亿计的恒星组成的“岛屿”。 在《现代天文学》这本书的228页，有一张用照相底片拍摄的照片，上面标着“仙女座星云”。我们现在一眼就能认出，那实际上是仙女座星系（大部分人认识这张照片或许是因为它当过之前苹果台式电脑的壁纸）。仙女座星系是离银河系最近的星际邻居之一。没错，它也是一座宇宙“岛”，内含至少1万亿颗恒星。赫伯特书中的那张照片与如今天文爱好者们在自家花园里拍摄的几乎一模一样。然而，即便在19世纪末出现了照相底片这样意义重大的技术——于是才能记录下仙女座星系的第一批照片——天文学家也没有立刻认识到它究竟是什么。当时，人们给它起的名字还是“星云”，认为它是一团模糊、朦胧、不像恒星的东西，而且应该在银河系内的某处，与地球之间的距离也和大多数恒星没什么两样。直到20世纪20年代，我们才真正认识到，它其实也是一座由无数恒星构成的“岛屿”，且距银河系有数百万光年之遥。这个发现从根本上改变了我们对自身在宇宙中位置的认识。一夜之间，我们第一次知晓了宇宙的真实尺度，世界观也就此改变：人类只是汪洋大海中的一滴水珠，而且这片大海比我们之前认为的还要大，而这滴水珠比我们之前认为的还要小。 也就是说，人类真正知晓宇宙的真实尺度才区区100年左右，这在我看来就是证明天体物理学这门科学有多么年轻的绝好例证。20世纪天文学的进展远超赫伯特·霍尔·特纳在1901年时最大胆的想象。1901年，几乎没有人的脑海中闪过黑洞的想法。到了20世纪20年代，黑洞也不过是理论推导出来的怪异事物，甚至因为破坏了方程组、看起来不自然而激怒了像阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）这样的物理大师。再到20世纪60年代，科学家已经接受了黑洞的概念（至少在理论上接受了），这很大程度上要归功于英国物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）、罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和新西兰数学家罗伊·克尔（Roy Kerr），克尔解出了对于旋转黑洞的爱因斯坦广义相对论方程组。以此为基础，20世纪70年代初期，首次出现了关于银河系中心存在黑洞的试探性猜想。说到这里，我们得结合当时的背景提一句：人类把宇航员送上月球时，甚至都还不知道我们终生都在绕着一个黑洞运动，而且这个现状无可改变。 到了2002年，各项观测结果才最终证实，银河系中心的那个天体只可能是黑洞。作为一个研究黑洞还不到10年的人，我常常提醒自己这一点。我觉得，大家都常常会忘记，很多事情直到最近才为我们所知晓，很多我们已经习以为常的事物直到最近才出现。比如，很多人都已经忘记了智能手机出现之前的生活是什么样子。又比如，其实我们在进入21世纪后才绘制出了整个人类基因组图谱。 学习科学史，可以让我们更好地理解如今珍视的这些知识。回顾科学史就像是搭乘由成千上万名科研前辈的思想汇集而成的列车，让我们重新认识了那些早已习惯了无数人鹦鹉饶舌般复述的理论。要是不回溯科学史，我们甚至都已经忘记这些理论最初是经过了怎样的淬炼才诞生的。思想、理论的演变过程有助于我们理解为什么某些理论遭到摒弃，有些则得到推崇。这也是当有人怀疑暗物质的存在时，我脑海中涌现出来的想法。我们通过引力效应知道暗物质必然存在，我们看不到这种物质，只是因为它不与光发生相互作用。有人质疑，如果暗物质真的存在，那就意味着宇宙中85%的物质都是我们看不见的，这怎么可能呢？肯定还有什么我们还没想到的东西吧？首先，我的确永远都不会傲慢地宣称我们知晓了一切，因为宇宙总是能让我们保持警觉。然而，那些反对暗物质的人还是忘了，暗物质这个概念不是为了解释宇宙的某些怪异之处而在某一天突然出现的。那是科学家在30多年的观测和研究后得到的唯一合理推测，因为再没有其他不违背观测和研究结果的推论了。实际上，科学家也保守了很多年，他们之前也拒绝相信暗物质就是解答宇宙之谜的答案，但最后支持暗物质的证据实在过硬，他们只好选择接受。大多数得到验证的科学理论都是可以站在屋顶上大声宣扬的，不用遮遮掩掩。而暗物质肯定是整个历史上人类最不愿接受的理论了。暗物质迫使我们承认，我们目前知晓的远比我们认为的少。这对所有人来说，都是难以接受的现实。 这就是科学的意义所在：承认我们不知道的事。只有这么做，我们才能进步，无论是科学、知识，还是整个社会，都是如此。人类整体的进步得益于知识和技术的发展，而知识与技术又是彼此相互促进的。正是因为人类迫切地想要了解更多有关宇宙大小和内容的知识，想要看到更远、更暗的天体，才有了望远镜技术的不断进步（从1901年的40英寸口径到2021年的30米口径）。厌倦了笨重照相底片的天文学家率先发明了数码光探测器，而现在，几乎人人口袋里都能揣上一台数码相机。这项发明见证了图像分析技术的进步，而后者正是研究更为细致的数字观测结果的必需。这些技术接着又促进了医疗成像技术的发展，比如现在医学诊断常用的磁共振成像和计算机断层扫描。就在一个世纪前，扫描人体内部还是一件完全无法想象的事。 因此，和所有科学家一样，我对黑洞效应的研究也同样站在诸多前辈、巨人的肩膀上，比如爱因斯坦、霍金、彭罗斯、苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）、乔瑟琳·贝尔·伯奈尔爵士（Dame Jocelyn Bell Burnell）、马丁·里斯爵士（Sir Martin Rees）、克尔、安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）等。他们付出了如此艰辛而漫长的努力才得到了我们如今视为理所应当的理论，我才可以以这些答案为基础，提出我自己的新问题。 科学界奋斗了500多年才刚刚触及黑洞的皮毛。只有深入研究这段历史，我们才有希望理解黑洞这个怪异、诡谲、我们知之甚少的宇宙现象。从发现最小的黑洞到发现最大的黑洞，从推测出第一个黑洞的存在到最近一个，以及探寻为什么我们用“黑洞”命名这类天体，回顾黑洞研究的科学历史将引领我们踏上从银河系中心到可见宇宙边缘的非凡之旅，甚至能让我们思考那个人们几十年来都无比感兴趣的问题：如果我们“落”入黑洞，会看到什么？在我看来，科学竟然有希望回答像黑洞这样玄妙的问题，甚至还能同时给我们带来新的惊喜，这简直有些不可思议。此处的惊喜是指，虽然我们在很长一段时间内都认为黑洞是星系的黑暗核心，但事实证明，黑洞其实根本不“黑”。科学用多年的观测结果告诉我们，黑洞实际上是整个宇宙中最明亮的天体。 最牛学霸的争吵，最怪性质的天体，最流行也是最被误解的名称，既是宇宙级怪兽，也是安静的宝宝，甚至可能隐藏在太阳系里，或许用烤箱也能造出来？没错，说的就是黑洞！这本书用流畅的文笔和风趣的语言，告诉你关于黑洞的所有故事和八卦，还有诺贝尔奖。 ☆一本写给地球人的宇宙通识读物，一次探索宇宙深处的精神之旅。 ☆中国科学院高能物理研究所科学家张双南、中国科学院大学教授苟利军、B站百万粉丝科普up主Linvo说宇宙诚意推荐！ ☆牛津大学天体物理学家、Youtube人气科普博主@Dr.贝基Z新力作，数千人评价，亚马逊4.7分高分。 ☆文笔流畅，诙谐幽默，轻松易读，9至99岁均可阅读，一本书让你搞懂神秘的黑洞，彻底满足你的好奇心！