原标题：蔡荣根院士：这张照片把黑洞变成了科学研究的主要前沿

北京时间2019年4月10日21：00，事件视界望远镜（EventHorizonTelescope；EHT）项目和中国科学院在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿全球六大城市同步举行新闻发布会，公布人类获得的首张黑洞照片。（EventHorizonTelescope；EHT）项目和中国科学院在比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京和美国华盛顿全球六大城市同步举行新闻发布会，公布人类获得的首张黑洞照片。

这张照片摄自梅西耶87（M87）星系中心的黑洞，重约65亿个太阳质量，距离地球5500万光年，由全世界横跨几大洲8台毫米波望远镜（或阵列）组成ETH进行联网观测。

近日，黑洞一词被刷屏，再度引发民众对宇宙太空探索的热度。究竟什么是黑洞？为什么要研究黑洞？本期邀请全国政协委员、中科院院士蔡荣根给我们科普黑洞相关知识。

黑洞的由来

记者：您能为大家科普一下什么是黑洞吗？

蔡荣根：所谓黑洞，虽然看起来是这样一个简简单单的名字，但蕴含的含义是很多的。天文上的黑洞、物理上的黑洞、数学上的黑洞含义也不尽相同。

简单地说，黑洞是一类非常特殊的致密天体，它的引力非常强，连光也无法逃逸，我们看不见它，所以叫做黑洞。它是爱因斯坦广义相对论的一个预言。

数学上的黑洞，指的是一个时空区域，这个区域的边界叫做事件视界。这个名字大家可能听说过，这次观测到它的望远镜就叫事件视界望远镜。

物理上，一方面黑洞是恒星的最终命运之一，我们知道像太阳这样的恒星，它是一个大号的氢弹，它进行核聚变来产生压强以维持引力平衡，但是核聚变反应结束之后，引力占据主导作用，恒星就会向内塌缩，根据原来恒星的质量的不同，恒星的命运就会有白矮星、中子星和黑洞这几种情况。

一个恒星要是变成黑洞的话，至少需要3倍的太阳质量。它是非常小且非常致密的。地球半径6371公里，我们要把它变成黑洞的话，那么它的半径就只有几毫米了。如果太阳变成一个黑洞的话，那么它就会被压缩成一个半径只有3公里的黑洞。

历史上黑洞的发现其实经历了不少曲折，在广义相对论提出很长时间之前，拉普拉斯就曾基于牛顿力学作出过一个预言，当一个星体的质量大到一定程度的时候，光都无法逃脱，这个星体叫暗星。但是他的计算是有问题的，牛顿力学里，并没有一个速度的上限，因此黑洞不会存在牛顿力学中，理解黑洞需要广义相对论。

1915年，爱因斯坦提出广义相对论。1916年，基于爱因斯坦的广义相对论，德国天文学家史瓦西得出了爱因斯坦方程的第一个精确解，但理解这个解的物理意义花了很长时间。在1939年，奥本海默和斯奈德通过对球对称星体塌缩做计算，发现最终恒星可以塌缩成一个点，但是这个发现被搁置了很多年。直到1968年，“黑洞”这个词才被著名的理论物理学家惠勒所提出。

所以可以看到，在当时的研究中，大家都以为这样的一个天体完全是不应该存在的，因为当时完全是依据数学解释的。而事实上现在许多证据表明黑洞在宇宙当中是大量存在的，比如银河系中心就有一个超大质量黑洞，也叫做人马座黑洞，它离地球有2．6万光年，它的质量大概是400万倍太阳质量。不得不说这是一件非常了不起的事情。

记者：天文上的黑洞，作为一种天体，黑洞有很多种分类吗？

蔡荣根：这次看到的是M87星系里面的一个超大质量黑洞，离我们有5500万光年。它的质量非常巨大，是65亿倍的太阳质量。黑洞基本上可以分成四类，我刚才讲的叫做恒星塌缩形成的黑洞，这叫恒星级的黑洞，它的质量就是3到100倍的太阳质量。银河系中心的黑洞，或者说这次发现的黑洞，这叫超大质量黑洞，它是10的5次方到10的10次方个太阳质量，这叫超大质量黑洞。

还有一类叫中间质量黑洞，大概就是1000倍到1万倍的太阳质量。

第四类是原初黑洞，这是在宇宙极早期的时候密度涨落形成的黑洞。

2016年我们发现了引力波，其波源是由两个黑洞撞在一起产生的，2016年引力波的发现，可以说是我们第一次听到了黑洞，听到了黑洞碰撞的声音。这次是看到了黑洞。黑洞是黑的，本来是看不见的，但是黑洞周围有气体的话，因为黑洞的引力非常强，从物理的语言说就是时空的扭曲非常厉害，所以它会吸引气体，这个气体在里面运动的话，由于引力作用和受到的摩擦力，它会被迅速加热并发出很强烈的光！这就是为什么能够拍照片的原因。你看到的事实上并不是黑洞本身，而是黑洞外面的光。咱们看到的光都是在黑洞外面，黑洞里面的光是看不到的，所以我们看到的是黑洞的影子。

研究黑洞有哪些方向

记者：能否请您为大家科普一下，现在黑洞研究有哪些方向？

蔡荣根：黑洞的研究方向，一个是从天体物理的角度，研究黑洞的形成机制。比如星系里面的超大质量黑洞的形成机制是什么等？黑洞外面激烈的物理过程，比如黑洞的吸积盘、喷流等是怎么产生的？而与最近新近发现的引力波相关的研究方向，则有双黑洞并合产生引力波这一过程是如何发生的，如何通过计算机模拟出两个黑洞并合的过程？产生引力波的双黑洞是原初黑洞还是恒星塌缩产生的黑洞等等。

与此同时，黑洞的研究还有更丰富、更重要的理论方面的意义。黑洞作为一个强引力场，本身就会有很丰富的量子引力的效应。我们知道，上个世纪最重要的两个发现是，爱因斯坦的广义相对论理论和海森堡、薛定谔、狄拉克等人发展的量子物理理论。但是这两个理论在某种程度上却无法统一在一起。所以物理学家们都希望能够统一二者，建立一个量子引力理论，而无论是什么量子引力理论，黑洞都是最好的一块试金石。如果考虑黑洞外部的量子效应带来的涨落的话，1974年霍金发现黑洞并不是黑的，而是具有温度的，会向外辐射物质，这叫霍金辐射。霍金辐射和之前已经建立的几个黑洞力学定律结合起来，大家发现黑洞其实是一个热力学系统，这叫黑洞热力学，是一个很前沿的研究领域。这个领域就是看看黑洞作为一个有温度、有熵的热力学系统，它会有什么奇特的性质。

而之后，霍金又发现如果黑洞有霍金辐射的话，会破坏量子力学里面的一个根本性的定律，叫做幺正性。通俗地来讲，就是黑洞会破坏信息的守恒。在日常生活中，信息其实是守恒的，比如我们烧掉一本书，看起来书上的信息是消失了的，但是理论上，信息只是被扰乱了，如果有足够复杂的计算机，是能够从灰烬中重新还原这本书的。但是黑洞不同，掉入黑洞的信息，通过霍金辐射变成一些光子之后，信息是完全丢掉的。所以，如何解决这个信息丢失的问题也是黑洞物理研究中的一个核心问题。