黑洞简史 序言 站在巨人的肩膀上

序言 站在巨人的肩膀上

此时此刻，当你坐下来放松阅读这本书时，你正在以不可思议的速度前进。地球在自转，带着我们走过一天又一天的无情时光。与此同时，地球也在围绕太阳运转，让我们经历四季的更替。

但这还不是全部。太阳只是银河系中的一颗恒星，银河系由超过 1000 亿颗恒星组成。这也是为什么在合适的夜间合适的地点银河系看上去星光灿烂。太阳并不独特，也不在银河系的中心。事实上，就恒星而言，它相当普通，毫不起眼。太阳系位于银河系的一个小的旋转似得臂弯中（说到旋转，你看到什么规律没有？），这个臂弯被称为猎户臂，银河系本身也是一个相当普通的螺旋形恒星岛—它不大也不小。

这意味着除了地球自转的速度和地球绕太阳运行的速度之外，我们还在以每小时 45 万英里的速度围绕银河中心运动。那么，我们在银河中心发现了什么？一个超大质量的黑洞。

是的，现在，我们正围绕着一个黑洞运行。黑洞是太空中的一个地方，里面挤压着大量的物质，密度非常大，因此引力也非常大，甚至连以最快速度飞行的光都没有足够的能量在与黑洞引力的拉锯战中获胜。几十年来，黑洞的概念让物理学家们既着迷又沮丧。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，是一个我们可能无法了解的球体，因为我们无法从其中获得光和信息。没有信息就意味着没有数据，没有数据就意味着没有实验，没有实验就意味着不知道黑洞 "内部 "有什么。

作为一名科学家，我们的目标总是要看到更广阔的图景。当我们把视野从太阳系的后院放大到整个银河系，然后再放大到整个宇宙中数十亿个其他星系时，我们会发现黑洞始终处于引力驱动的席位上。如果你对星系为什么旋转不解，至少你要知道是因为黑洞。银河系中心的黑洞，也就是目前负责你在太空中运动的黑洞，比我们的太阳重约 400 万倍，这就是它被称为超大质量黑洞的原因。虽然听起来很大，但我"见过"更大的。再说一遍，相对来说，银河系的黑洞相当普通。它也没有那么大的质量、那么强的能量或者那么活跃，因此不容易被发现【1】。

我能把这些说法当作既定事实，认为它们是理所当然的，这一点非常了不起。直到二十世纪末，我们才终于意识到，在每个星系的中心都有一个超大质量黑洞；这提醒我们，虽然天文学是最古老的实践之一，世界各地的古老文明都进行过，但天体物理学—实际上是解释天文学家所看到的东西背后的物理学--仍然是一门相对较新的科学。二十世纪和二十一世纪的科技进步才刚刚开始揭开宇宙奥秘的神秘面纱。

最近，我迷失在一家琳琅满目的二手书店【2 】中，偶然发现了一本写于 1901 年的《现代天文学》。作者赫伯特-霍尔-特纳在序言中写道：

在 1875 年之前（不要把这个日期看得太精确），人们隐约觉得天文工作的方法已经达到了某种类似于终极的程度，但从那时起，几乎没有一种天文工作方法没有发生过重大变化。

赫伯特指的是照相底板的发明。科学家们不再通过望远镜看天体事物然后画下来，而是将所看到的事物准确地记录在巨大的金属板上，金属板上涂有一种能对光产生反应的化学物质。此外，望远镜变得越来越大，这意味着它们可以收集更多的光线，看到更暗、更小的东西。在那本书的第 45 页，有一张精彩的图表，展示了望远镜的直径是如何从 19 世纪 30 年代的 10 英寸增加到 19 世纪末的 40 英寸的。在写这本书的时候，目前在建的最大望远镜是夏威夷的三十米望远镜，它有一面收集光线的镜子，你猜对了，就是三十米宽--用赫伯特的话说，大约是 1181 英寸，所以自 19 世纪 90 年代以来，我们已经取得了长足的进步。

我之所以喜欢赫伯特-霍尔-特纳的这本书（也是我不得不买下这本书的原因），是因为它能提醒我们，在科学领域，观点的转变是如此之快，很多内容很快就过气了。书中没有任何内容是我或我今天从事天文学研究的同事认为是 "现代 "的，我可以想象，120 年后，未来的天文学家读到我这本书时可能也会有同样的想法。例如，在 1901 年，人们认为整个宇宙的大小只延伸到银河系边缘最远的恒星--大约 10 万光年远。我们并不知道，在浩瀚无垠的宇宙中，还有由数十亿颗恒星组成的其他岛屿，其他星系。

在那本《现代天文学》的第228页上，有一张用照相板拍摄的图片，上面标注着 "仙女座星云"。人们一眼就能认出它就是仙女座星系（或许对大多数人来说，它就是以前苹果电脑的桌面背景图像）。仙女座是距离银河系最近的星系之一，是宇宙中的一个岛屿，包含超过 1 万亿颗恒星。这幅图像看起来与今天业余天文爱好者在自家后花园拍摄的图像几乎一模一样。但是，即使随着十九世纪末照相制版技术的进步，记录下了仙女座的第一批图像，人们对它的了解也没有立即飞跃。当时，人们仍然把它称作 "星云"--一个模糊不清、布满灰尘、不像恒星的东西，认为它就在银河系的某个地方，与大多数恒星的距离相同。直到 20 世纪 20 年代，人们才知道它的真实面目，即它本身是一个恒星岛，距离银河系有数百万光年之遥。这一发现从根本上改变了我们对自己在宇宙中的位置和宇宙规模的看法。一夜之间，我们的世界观改变了，因为我们第一次认识到宇宙的真正规模。人类只是汪洋大海中的一滴微不足道的小水滴，这一点我们以前没有足够意识到。

在我看来，我们只是在过去 100 多年里才真正认识到宇宙的真正规模，这就是天体物理学是一门多么年轻的科学的最好例证。二十世纪的发展速度甚至远远超过了赫伯特-霍尔-特纳（Herbert Hall Turner）在 1901 年最疯狂的梦想。1901 年，几乎没有人想到过黑洞。到了二十世纪二十年代，黑洞还只是理论上令人好奇的东西，尤其令爱因斯坦等物理学家感到恼火，因为它们破坏了物理理论中的数学方程式，而且似乎不自然。到了 20 世纪 60 年代，黑洞至少在理论上已经被人们接受，这部分归功于英国物理学家斯蒂芬-霍金、罗杰-彭罗斯和新西兰数学家罗伊-克尔的工作，他们解开了爱因斯坦关于旋转黑洞的广义相对论方程。这使得人们在 20 世纪 70 年代初首次初步提出银河系的中心是一个黑洞。我们先来了解一下当时的背景：人类在成功地把人送上月球之前，甚至还没有意识到我们的一生都在无情地围绕着一个黑洞运转。

直到 2002 年，观测结果才证实，银河系中心唯一可能存在的是一个超大质量黑洞。作为一个研究黑洞还不到十年的人，我经常需要提醒自己注意这个事实。我想每个人都有遗忘的倾向，甚至直到最近我们还不知道的事情。无论是智能手机之前的生活是怎样的，还是我们在这个千年里才绘制出整个人类基因组图谱。正是对科学史的了解，让我们能够更好地欣赏我们现在所珍视的知识。回顾科学史，就像乘坐成千上万研究人员的集体思维列车。它让我们对那些我们习以为常的理论有了更清晰的认识，而我们却忘记了这些理论最初是在怎样的烈火中诞生的。一个观点的演变过程有助于我们理解为什么某些观点被抛弃，而另一些观点却开始大行其道【3】。

当人们质疑暗物质的存在时，我经常也会想到这个问题。暗物质是我们知道存在的物质，因为它有引力，但我们看不到它，因为“它不与光相互作用”。人们质疑，我们无法看到我们认为占宇宙中所有物质 85% 的暗物质到底有多大的可信度。当然，肯定还有一些我们还没有想到的东西吧？现在，我绝不会自大到宣称我们确实已经想到了绝对的一切，因为宇宙一直在让我们保持警惕。但人们忘记了，暗物质的概念并不是在某一天突然出现，用来解释人们对宇宙的好奇。它是在经过三十多年的观测和研究后得出的结论。事实上，科学家们拖了很多年的脚步，拒绝相信暗物质就是答案；但最终证据太多了。当然，大多数经过观测证实的科学理论都会被物理学家站在屋顶上大音量让人听到；然而，暗物质一定是人类历史上最勉强达成共识的理论。它迫使人们承认，我们所知道的远比我们想象的要少，这对任何人来说都是一种谦卑的经历。

这就是科学的真谛：承认我们不知道的事情。一旦我们做到了这一点，我们就能取得进步，无论是科学、知识还是整个社会的进步。人类的整体进步得益于知识和技术的进步，两者相互推动。人们渴望更多地了解宇宙的大小和内容，希望看到更远、更暗的东西，这推动了望远镜的进步（从 1901 年的 40 英寸到 2021 年的 30 米）。由于厌倦了笨重的照相底板，天文学家率先发明了数字光探测器，这导致现在我们口袋里都装着数码相机。这项发明改进了图像分析技术，是理解更详细的数字观测结果所必需的。这些技术随后被应用于医学成像，如核磁共振成像和 CT 扫描仪，被用于诊断各种疾病。对身体内部进行扫描在一个世纪前是不可想象的。

因此，和所有科学家一样，我对黑洞效应的研究是站在前人的肩膀上进行的：阿尔伯特-爱因斯坦、斯蒂芬-霍金、罗杰-彭罗斯爵士、苏布拉哈曼扬-钱德拉塞卡、乔瑟琳-贝尔-伯内尔夫人、马丁-里斯爵士、罗伊-克尔和安德烈娅-盖兹等等。我可以在他们为之努力了如此之久的答案的基础上，提出我自己的新问题。

经过 500 多年的科学努力，我们才刚刚对黑洞有了初步的了解。只有深入研究这段历史，我们才有希望了解宇宙中这一奇特而神秘的现象，而我们对它的了解仍然少之又少。从发现最小的黑洞，到发现最大的黑洞；从第一个黑洞的可能性，到最后一个黑洞的可能性；以及为什么黑洞会被称为黑洞。我们的科学史之旅将把我们从银河系的中心带到可见宇宙的边缘，甚至还会思考一个几十年来一直困扰着人们的问题：如果我们 "掉进 "黑洞，我们会看到什么？

在我看来，科学竟然有希望回答这样的问题，同时又能给我们带来新的惊喜，这真是不可思议。因为，虽然黑洞一直被认为是星系的黑暗心脏，但事实证明它们一点也不 "黑"。多年来，科学告诉我们，黑洞其实是整个宇宙中最亮的物体。