狂欢之后的深思——首张黑洞照片没回答这三大重要问题

狂欢之后的深思——首张黑洞照片没回答这三大重要问题 原创 科技日报 2019-04-11 16:45:11

科技日报记者 刘霞

10日整个物理学界陷入一场集体狂欢中——位于全球各地的“事件视界望远镜”（EHT）拍摄的首张黑洞特写照片终于面世，所谓“有图有真相”，这张照片是黑洞存在的直接证据，拉开了黑洞天文学新时代的序幕。
美国趣味科学网站在10日的报道中指出，首张照片尽管意义宏大，但并不令人惊讶：几乎完全没有发现令人诧异的细节或新物理学；也没有发现黑洞的意外特征——图像本身几乎就是我们过去在科学领域和流行文化中看到的黑洞图像的翻版，只不过更模糊一点。当然，物理学也没有分崩离析。物理学的各位先辈大佬们大可以放心，继续指点江山，激扬文字。
黑洞的故事到此就结束了吗？当然不。英国埃默里大学的天体物理学家和黑洞研究员艾琳·邦宁说，有几个与黑洞有关的重要问题仍悬而未决。
黑洞巨大的热、快物质喷流如何产生？
中国科学院国家天文台研究员陆由俊对科技日报记者介绍说：“所有超大质量黑洞都能吞噬附近物质，吸收穿过黑洞事件视界的物质，并以接近光速的速度将其余物质喷射到太空中，天体物理学家称之为‘相对论性喷流’。”


图片说明：左图是与钱德拉X射线望远镜与事件视界望远镜同时拍摄的照片，显示了M87*的“相对论性喷流”。右图是事件视界望远镜拍摄的M87*阴影图像。来源：美国趣味科学网站
比如，此次“事件视界望远镜”的拍照“模特”M87*就因其令人印象深刻的喷射而声名显赫，它喷射的物质和辐射遍布整个太空，导致宇宙中到处流传着它的传说，也使它成为此次科学嘉年华活动的主角。它的“相对论性喷流”如此庞大，以至于它们可以完全逃离周围的星系。
物理学家知道这种情况是如何发生的：在物质落入黑洞的引力井时，物质被加速到极快速度，然后其中一些物质“逃之夭夭”。但他们对这种情况如何发生的细节持不同意见，而最新“出炉”的这张图像及相关文件尚未提供任何详细信息。
邦宁说，要想弄清楚这些细节，需要将覆盖相当小范围的事件视界望远镜观测结果与更大的相对论性喷射图像结合在一起考虑。

1998年，哈勃望远镜拍摄到的逃出M87*的“相对论性喷流”图片来源：美国趣味科学网站

她说，虽然物理学家目前还没有得到答案，但答案可能很快会到来。因为此次立下大功的“事件视界望远镜”项目可能很快会生成第二个目标——我们银河系中心超大质量黑洞人马座A*的图像。她说，人马座A*不像M87*那样“调皮”，产生喷流，所以，比较两张图像可能会厘清一些问题。
广义相对论和量子力学如何统一？
每当物理学家聚在一起谈论一个真正令人激动的新发现时，可能都会有人说：这一新发现或许有助于解释“量子引力（quantum gravity）”。此言一出，举座皆惊。因为量子引力是物理学领域最大的未解之谜，是物理学江湖中的倚天剑、屠龙刀——得之可得天下。
陆由俊解释称，大约一个世纪以来，物理学家使用两套不同的规则来解释万事万物：他们用广义相对论来解释诸如引力这样的大事；用量子理论来解释非常小的事物。问题是，这两套规则难以统一。因为量子力学无法解释引力；而相对论无法解释量子行为。
那万有引力和量子理论彼此之间就真的“水火不容”吗？明知山有虎，偏向虎山行的物理学家们可不这么想，他们希望未来有一天，创建出一个大一统理论，将这两者囊括其中，而这个未问世的大一统理论可能涉及某种量子引力。
在首张黑洞图像宣布之前，有科学家猜测，它可能会在此问题上取得些许突破（如果广义相对论的预测没有在图像中得到证实，还有点可能）。在美国国家科学基金会的新闻发布会上，“事件视界望远镜”项目的参与者、加拿大滑铁卢大学的物理学家艾弗里·布罗德里克说，相关答案可能在来的路上。
但邦宁对这种观点持怀疑态度。邦宁解释说，从广义相对论的角度来看，新图像一点都不令人惊讶，因此，它没有提供可能缩小两个领域之间差距的新物理学。
但她同时表示，人们希望从新图像中获得答案这一想法合情合理，因为黑洞阴影的边缘将引力带入微小的量子空间。
她说：“我们有望在非常非常接近事件视界的地方，或者在宇宙非常非常早期之时，看到量子引力。”
但鉴于目前“事件视界望远镜”提供图像的分辨率不足，她说，即使对其进行升级，我们也不太可能获得想要的答案。
霍金的理论和爱因斯坦的理论一样正确吗？
据陆由俊介绍，在物理学家职业生涯的早期，斯蒂芬·霍金对物理学的最大贡献是“霍金辐射”理论。该理论认为，黑洞实际上不是黑色的，随着时间的推移，它会发出少量辐射。这一点非常重要，因为它表明，一旦黑洞停止生长，它将开始因为能量损失而非常缓慢地收缩。
邦宁说，事件视界望远镜没有证实或否认这一理论。
她说，像M87*那样的巨型黑洞，与其庞大的体型相比，其发出的霍金辐射可谓“九牛一毛”。虽然我们目前所拥有的最先进的设备可以探测到这些黑洞事件视界的明亮光线，但几乎无法看清超大质量黑洞表面的超暗闪光，因此，也很难发现其辐射。
她说，最微小的黑洞可能是获得这一答案的关键。从理论上来说，这些最微小的黑洞是一些“短命”的天体，其体型很小，所以，你可以将其整个事件视界握在手中。而且，与这种微小黑洞的体型相比，其辐射可能相对较多。
邦宁认为，人类最终有可能会弄清楚如何制造或找到一个这样的黑洞并且检测到其辐射，从而验证霍金理论的正确性。
我们从这张图片中得到什么呢？
首先，广义相对论再次获得证实，爱因斯坦再次成为赢家。此前，爱因斯坦的广义相对论预言黑洞会形成一个类似阴影的黑暗区域，现在，真实情况与这一预言如出一辙。

图片来自网络

此外，邦宁称，这一图像还具有其他更直接、更实际的意义。最新研究使科学家能精确测量这个黑洞的质量。结果表明，该黑洞位于室女座A星系的中央，远在5500万光年之外，质量为太阳质量的65亿倍。
陆由俊解释称，这很重要，因为它可以提供一种新的为超大质量黑洞“称重”的方式。目前，天文学家通过观察人马座A*的引力如何使其附近的单颗恒星移动，得出其精确质量；而对其他黑洞进行质量测量，需要非常复杂的方式。
黑洞恍如一位遁世的隐者，身上背负着诸多有关宇宙的奥秘，在对其惊鸿一瞥后，对其进行深入研究，将揭示更多秘密，让我们更好地了解宇宙、了解我们自身。

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