黑洞是宇宙中最神秘的天體之一天文和天體物理學研究英，也是數學學、天文學的重要研究對象，更是公眾關心的熱門話題。看似與日常生活毫不相關的黑洞研究，實際上深遠地影響了科學、技術乃至人類生產生活方法的進步。“宇宙中的黑洞是怎樣產生和演變的？”入選2022年度中國婦聯“重大科學問題”，上海學院陳弦老師在《科學通報》發表文章，通過梳理黑洞研究所經歷的部份關鍵節點，對此問題進行了剖析。
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“黑洞”這一概念起源于18世紀。當時，日本的自然哲學家米歇爾（John）和美國的物理家拉普拉斯（-Simon）都從牛頓萬有引力定理的物理方式出發，得到宇宙中最大的天體可能是“暗星”的推論。經過200多年的發展，黑洞研究早已從單純的思辨演化為既有理論又有實證的“硬核”科學。事實上，20世紀的多項諾貝爾化學學獎都與黑洞研究有著深厚的淵源。步入21世紀，更是有3次諾貝爾化學學獎被授予了與黑洞直接相關的研究成果。
黑洞這些看似與生產生活毫不相干的事物，為何會成為化學學和天文學的研究焦點，但是遭到科學界的普遍認可與關注呢？借著“宇宙中的黑洞是怎樣產生和演變的？”入選中國文聯2022年度“重大科學問題、工程技術困局和產業技術問題”這個抓手，筆者將通過梳理黑洞研究所經歷的部份關鍵節點，嘗試對上述問題作一些解答，目的是讓更多的科技工作者了解黑洞研究的進展和意義，并能找到機會參與到這項前沿的基礎科學研究中。
打造時空觀
時空觀是人類認識世界的基礎，它深刻地影響著人類改建世界的能力。最樸實的時空觀覺得時間和空間是互相獨立且連續變化的。在此基礎上完善上去的牛頓熱學直接造成了第一次科學革命，而且引起了后來的第一次技術和工業革命。到了20世紀初，狹義相對論闡發了牛頓熱學體系所依賴的絕對時空觀，覺得時間和空間會由于參照系的選擇而發生變化，只有它們構成的四維時空整體才是更基本的數學存在。這些時空觀預言了新的質量與能量關系，引起了20世紀中葉對原子能的借助。廣義相對論將引力也列入到時空整體中一并考慮，因而闡明了時空彎曲與質量之間深刻的聯系。明天，廣義相對論已然成為全球定位系統和太空探求的理論基礎。量子熱學的構建讓人們對時空的連續性也形成了懷疑。雖然由此引起的爭辯還在繼續，但我們早已在材料、通訊、能源等領域享受到了這場科學論爭帶來的豐碩成果。
黑洞使我們的現代時空觀遇見了真正的麻煩，這說明人類對時空的理解還遠沒有到盡頭。我們如今對黑洞的理解起源于1916年。廣義相對論提出僅一年之后，美國化學學家史瓦西（Karl）[1]按照愛因斯坦的場多項式求得了點質量外部時空結構的精確表達式。奇怪的是，這個物理結果在某一特殊直徑——史瓦西直徑處是發散的。物理上的發散性常常意味著數學理論的不自洽或則不完備，因而于愛因斯坦[2]在20多年后仍對此結果耿耿于懷，覺得這只是點質量假定引起的物理上的巧合，不是“物理實在”。后來，愛丁頓（）和勒梅特（HenriéLema?tre）發覺史瓦西直徑處的發散性是座標選定不恰當引起的，可以通過座標變換清除，一定程度上為廣義相對論解了圍。并且，這兒的時空仍有某種奇異性，由于進一步的研究表明，物質甚至光到了這兒都只能進不能出。雖然考慮到天體可能在自轉或則帶有電荷，我們仍可以在天體外部的時空中找到這樣一個（超）曲面，該曲面具有上述“單向膜”一樣的性質。這個曲面就是你們常說的“視界面”，它標志著黑洞的存在。
視界面其實特殊，但終究沒有遵守數學學基本定理。真正的危機來自視界內部。有一個地方的發散性無論怎樣也難以清除，那就是黑洞的“中心”。在這兒，已知的化學定理都將失效，因而這個地方被叫作“奇點”。黑洞中一定有奇點嗎？20世紀60年代，美國物理家、物理學家彭羅斯(Roger，獲2020年諾貝爾化學學獎)[3]在廣義相對論框架下最早證明了（我們宇宙中的）黑洞中奇點必將產生。“廣義相對論公審了自己的死緩！”這讓許多化學學家認識到，要解決奇點問題，必須尋求廣義相對論之外的出路。
70年代之前的黑洞理論都從廣義相對論出發，討論黑洞的幾何或則化學，但是得到了“描述黑洞僅需質量、角動量、電荷三個化學量”這樣知名的“黑洞無毛定律”。1971年是黑洞研究的分水嶺。這一年，霍金（）提出了黑洞面積定律，這讓貝肯斯坦（JocobD.）[4]意識到黑洞化學與熱力學有著眾多相像性，并于1973年提出了黑洞熵的概念，由此開啟了黑洞研究的新紀元。1974年，霍金[5]順流推舟，提出黑洞假如有熵都會有體溫、有濕度都會有幅射（“霍金幅射”）的大膽猜測。霍金的天才彰顯在他企圖從量子場論這個不同往年的角度重新考量時空彎曲的后果，因而獲得了嶄新的發覺。
霍金幅射提出后，黑洞便成了量子熱學和廣義相對論共同的試驗場。兩個領域的思想和理論在這兒交織碰撞，大大擴寬了基礎數學研究的思路和內涵。尤其是霍金幅射引起的“黑洞信息遺失問題”，更是彰顯了廣義相對論和量子熱學之間的緊張關系，激勵化學學家不斷提出新的看法，找尋統一理論[6,7]。
啟迪新發覺
倘若僅從理論化學和物理的角度去研究，黑洞有可能會弄成僅供極少數化學學家和物理家把玩的小眾知識。明天的黑洞研究之所以遭到科學界和公眾的廣泛關注，要歸功于20世紀后半葉開始的黑洞天文學研究。天文學方式的引入，讓黑洞研究從理論邁向實證，除了讓我們最終找到了黑洞存在的證據，更是開創了黑洞理論與天文觀測互相推動、交替前進的嶄新局面。
宇宙中要產生黑洞，就必須在一定的容積內積聚足夠多的物質。廣義相對論剛才提出時，當時已知的最致密的天體還是白矮星。和太陽差不多大的星體在核燃燒結束后會留下白矮星，其密度比太陽的密度高100萬倍左右。在白矮星內部，電子被緊緊地壓在一起，產生的電子簡并壓可以媲美強悍的引力。但20世紀30年代越南裔天文學家錢德拉塞卡（，獲1983年諾貝爾化學學獎）[8]發覺，在電子簡并狀態下，物質的浮力是有上限的。這個發覺喻示著一旦白矮星的質量超過某一極限——錢德拉塞卡極限，電子簡并壓將難以與引力匹敵，白矮星才會塌縮。
錢德拉塞卡[8]并沒有在論文中討論超過錢德拉塞卡極限的恒星是哪些，并且恒星塌縮會導致密度發散是顯而易見的。這個問題的存在，造成錢德拉塞卡的觀點受到了包括他的導師愛丁頓在內的多個化學學家的反對。愛丁頓的公開反對非常令人深思。他是第一批研究黑洞的科學家，而且在黑洞的物理和幾何結構方面做出過突出貢獻。連這樣“先鋒”的科學家都不能接受白矮星塌縮的數學后果，從一個側面反映出黑洞對當時化學學體系的沖擊有多大。
愛丁頓等人的反對也并不是完全沒有道理的。1932年，查德威克(James，獲1935年諾貝爾化學學獎)發覺中子后，朗道（，獲1962年諾貝爾化學學獎）就提出了完全由中子組成的“中子星”的概念。三年后，天文學家巴德（Baade?）和茲威基（Fritz）就意識到中子星可以在大質量星體終結時將電子和質子擠壓成中子而產生。非常是緊緊挨在一起的中子會提供一種比電子簡并壓大得多的中子簡并壓，這樣雖然中子星質量超過錢德拉塞卡極限，也一樣可以維持穩定而不塌縮。而且好景不長，1939年，奧本海默（）等人[9]證明中子星質量超過某一極限——奧本海默極限后，連中子簡并壓也難以抵抗引力，中子星也要塌縮。至此，雖然再也沒有哪些理論就能制止黑洞的產生了。接出來須要一個令人信服的觀測證據。
突破發生在近30年后。1967年，貝爾（Bell）在老師休伊什（，獲1974年諾貝爾化學學獎）的指導下從事射電天文研究，碰巧發覺了脈沖星。從脈沖周期推算，這些恒星在高速自轉，但它們居然沒有被巨大的離心力擊潰，說明其密度相當高。休伊什和貝爾[10]因而大膽地提出，脈沖星就是中子星。這個發覺對黑洞研究的推動作用是巨大的：既然宇宙中真的存在中子星，這么黑洞的存在也不是不可能的了。因而，當20世紀60~70年代賈科尼（，獲2002年諾貝爾化學學獎）[11]領導的X射線衛星項目偵測到一批X射線源，但是從X射線硬度的快速變化推斷出這些天體比太陽的規格小好多后，人們早已能很自然地猜到它們可能是中子星或則黑洞了。針對天鵝座X-1這個比較亮的對象，天文學家還采用了射電、光學等其他望遠鏡對其進行了多波段觀測，發覺其中的致密天體超過了奧本海默極限[12,13]。事實上，最新的X射線觀測將這個黑洞的質量限制在了21倍太陽質量左右[14]。雖然沒有直接偵測到視界面，好多天文學家還是認可這個致密天體就是黑洞，由于中子星塌縮成黑洞的圖景早已被廣泛接受了。后來，人們把這些由大質量星體演變產生的、比太陽重好幾倍到幾十倍的黑洞稱為“恒星級黑洞”。
天文學家靈活的觀測手段和務實的行事作風一掃往年純理論研究高深冗長的風格，給20世紀60年代以后的黑洞研究注入了新的活力，相關的天文發覺層出不窮。二戰后射電技術在天文上的應用，不僅造成脈沖星的發覺，還造成了大量類恒星的發覺。類恒星是看起來像星體一樣的點源，但有著較強的射電幅射和光學發射線。1963年，施密特（）[15]證認出類恒星3C273的寬發射線雖然就是紅移后氫和氧的電離譜線。譜線的紅移說明類恒星處在遙遠的宇宙中。如此遠的天體仍能被望遠鏡偵測到，說明一個類恒星必須如整個星體一樣明亮。但這么劇烈的能量釋放與觀測上類恒星的致密程度格格不入。步入70年代之后，越來越多的天文觀測證據表明，類恒星的能源來自二氧化碳落入黑洞前釋放的引力勢能[16]。與星體級黑洞不同，類恒星中的黑洞要比太陽重幾百萬甚至幾十億倍，因而被稱為“超大質量黑洞”。
類恒星的能源問題似乎解決了，但超大質量黑洞的起源又成了新的謎題。不過天文學家似乎并不在乎，反倒普遍接受了類星系中存在超大質量黑洞這一觀點。理論天體化學學家林登貝爾（-Bell）[17]由此得出了一個驚人的結論，那就是類恒星熄滅后會留在星體核心，所以星體中心普遍存在超大質量黑洞。步入80年代，類恒星的觀測資料愈發豐富。天文學家佐爾坦（）[18]據此推斷出了近鄰星體中超大質量黑洞的總量和總質量。
林登貝爾[17]的猜測喚起了天文學家在近鄰星體中心尋覓超大質量黑洞的興趣。這是一項繁重的任務，由于黑洞的視界太小了，當時的望遠鏡未能直接偵測到，所以天文學家采用了折中的方案，去偵測超大質量黑洞對周圍星體和二氧化碳的動力學影響。雖然這么，其難度也不亞于我們在20m開外認清針尖大小的物體。其實天文學家從20世紀70年代末就開始使用地面最大口徑的望遠鏡，并配合先進的電荷耦合元件（CCD）對近鄰星體的中心進行成像觀測，但距偵測到超大質量黑洞引力勢阱內的星體和二氧化碳還有一步之遙。
總算在20世紀90年代末，哈勃太空望遠鏡以其前所未有的空間碼率，偵測到了近鄰星體核心星體和二氧化碳的高速運動速率。這些現象說明星體核心很小的區域內集中了大量的質量，因而旁證了林登貝爾的猜想[19]。步入21世紀，地面十米級望遠鏡的建成以及紅外成像技術在天文觀測中的應用，促使我們可以看穿銀河系的塵埃，證明銀河系中心也存在一個超大質量黑洞，但是檢測出它的質量是太陽的400萬倍[20,21]（該成果被授予2020年度諾貝爾化學學獎）。
隨著觀測資料的豐富，另一個新的問題在世紀之交漸漸顯現下來。天文學家發覺，超大質量黑洞的規格其實不及星體的幾億到幾十億分之一，但它的質量卻和星體的整體性質（形態、質量以及星體的隨機運動速率等）密切相關[22]。這意味著在跨越8~9個數目級的空間尺度上（近似一顆砂粒與一座城市的比列關系），超大質量黑洞能通過某種未知的機制與其寄主星體互相作用，協同演進。這個發覺也說明不能把超大質量黑洞當成孤立的體系來研究，而要把它放到星體這個大“生態系統”中去理解。
為了查明超大質量黑洞與星體的演進歷史，天文學家將眼神越來越多地投向宇宙初期。但面對可觀測宇宙中數以千億計的星體，你們最初也只能望洋卻步。步入21世紀后，大樣本全手動波譜巡天望遠鏡（SDSS）的建成促使天文學家有能力對比較亮的星體和類恒星進行普查。很快人們就在紅移小于6的宇宙中發覺了一批明亮的類恒星[23]，說明比太陽重幾十億倍的超大質量黑洞早已存在于130億年前的宇宙（當時宇宙年紀約10億年）。但按照傳統的星體產生演變理論，宇宙初期第一代星體產生的黑洞是很難在如此短的時間內通過吸積二氧化碳下降到觀測到的質量的。我們目前所知的化學在解釋超大質量黑洞的產生演變時遇見了很大的困難，對這個問題的理論和觀測研究很可能蘊育著重大的科學突破。
其實，也有許多與黑洞相關的問題隨著天文觀測手段的進步得到了解決。例如頻域天文學的開啟（研究天體隨時間的變化），讓我們能否通過光變證認出更多的黑洞，尤其是找到了介于星體級黑洞和超大質量黑洞之間的“中等質量黑洞”[24,25]，彌補了“黑洞家譜”中的空白。又如X射線成像技術和射電綜合孔徑技術的成熟，讓X射線和射電望遠鏡的空間碼率進一步增強，有利于我們認清星體核心的結構，甚至能辨別出在個別發生合并的星體中存在不止一個超大質量黑洞[26]。這最后一項發覺一方面支持了超大質量黑洞可以通過合并而下降的觀點，為引力波偵測提供了理論根據，另一方面也將超大質量黑洞的下降與星體合并聯系上去，構成了理解二者相關性的重要一環。
步入21世紀的第二個六年，廣義相對論預言的引力波總算被地基引力波天文臺偵測到[27]。目前偵測到的風波大都是雙黑洞合并風波，因而可以說引力波的發覺掀起了黑洞研究的又一個風潮。令人始料不及的是，通過引力波偵測到的黑洞大多比太陽重30~40倍，有的在合并前甚至達到了太陽質量的100倍，遠遠重于銀河系內偵測到的星體級黑洞。這些超重黑洞對現有的黑洞產生演變理論提出了愈加嚴峻的挑戰。為此，也有化學學家覺得這種黑洞不是星體演變的產物，而是宇宙極初期由量子漲落引起的原初黑洞，它們可能構成了暗物質的一部份。為了分辨這些黑洞的起源，科學家早已開始籌劃建設技術愈發先進、性能愈發優越的下一代地基引力波偵測器了（如日本的和法國的）。
另一項黑洞天文學的突破發生在2019年。由全球多臺射電望遠鏡組網構成的“事件視界望遠鏡”發布了近鄰星體M87中心超大質量黑洞的相片。這是人類第一次以接近黑洞視界的幀率認清楚了黑洞周圍的環境。去年，該望遠鏡又公布了銀河系中心超大質量黑洞的相片。通過這種相片，科學家才能進一步研究強引力場中物質與光的行為，驗證視界是否存在，但是檢驗其他基本的黑洞化學過程。
假如說黑洞與天文學有著天然的聯系，這么黑洞研究對物質科學的推動作用可能是大多數科學家沒有想到的。在解決黑洞信息遺失問題的過程中，化學學家提出了一種“全息排比”理論，將低維量子系統與高維引力理論相對應上去研究。受這些理論的啟發，匯聚態、核化學、冷原子化學和量子估算等領域的科學家都展開了新的估算和實驗，來重新理解她們在各自領域碰到的問題[28]。這些跨界研究闡明了量子信息與時空幾何愈發深刻的聯系，也反過推動了黑洞化學學家對黑洞信息熵的理解。
催生“黑”科技
黑洞研究從純理論漸漸邁向實證，最后成為理論化學和天文學的主流研究方向，這個飛越很大程度上得益于20世紀發生的幾次技術革命。與此同時，黑洞科學家們提出的科學目標和需求又反過來牽引了技術的發展，催生了一大批在生產生活中具有高度實用價值的顛覆性技術。
黑洞的發覺與通信技術的發展有著密切的聯系。例如，銀河系中心的超大質量黑洞就是貝爾實驗室的無線電通信工程師央斯基（KarlGuthe）無意間發覺的。二戰后，天文學家加裝閑置的雷達來觀測天體，促使了無線電技術的進一步發展。事實上，好多成功的通信技術公司都是由射電天文學家成立的。
二戰后的類恒星研究對射電望遠鏡的幀率提出了更高的要求。為了解決單天線幀率差的問題，天文學家和工程師開始嘗試射電干涉技術。尤其是賴爾（獲1974年諾貝爾化學學獎）等人發展的綜合孔徑技術，致使建造一個口徑相當于月球大小的望遠鏡（如“事件視界望遠鏡”）成為可能。值得一提的是，綜合孔徑技術所依賴的數據處理方式后來被移植到了醫療成像技術中，促使了計算機斷層掃描（CT）和磁共振（MRI）的發明。
小型射電望遠鏡很重要的任務之一是跟蹤多個脈沖星，借助它們穩定的載流子來計時，目的是偵測超大質量黑洞旋近（）而幅射的引力波。為了實現這個科學目標而發展上去的一套理論和技巧，早已可以構建比原子鐘愈發精確、穩定的時間基準，而且有望在將來應用于太空探求和導航。
好多黑洞系統都幅射X射線，因而找尋黑洞的能力一定程度上取決于X射線偵測器的性能。天文學家偵測微弱X射線天體的需求，催生了低亮度高幀率X射線成像技術。這些技術后來被廣泛應用于安檢、質檢等領域。為了讓望遠鏡才能精確檢測每位光子的能量，天文學家還率先訂制了高幀率的X射線衍射波譜儀。這些儀器在生物、制藥等領域也得到了廣泛應用。要讓X射線波譜儀在太空中也能運行天文和天體物理學研究英，工程師還開發了一種高溫吸鐵石技術。這些吸鐵石被應用在磁共振中，大大提升了磁共振的安全性和穩定性。
偵測引力波的需求更是讓諸多技術領域受益，包括精密檢測、計量、光學、激光、材料、空間技術和高性能估算等。為了使地基引力波偵測器達到亞飛米檢測精度，科學家們進行了一系列致力突破標準量子極限的理論研究和實驗，發展了例如non-、back-等概念，以及評判光學機械系統的雙光子技巧等。這種理論和技術成果早已被明天的光學、量子等研究領域廣泛采用。
為了偵測中等質量和超大質量黑洞的引力波，天文學家更是提出了在太空建造巨型激光干涉儀的計劃。依據具體的科學目標，這種偵測器須要在幾十萬到幾百萬公里的距離上檢測出10pm左右的位移變化。要達到這一目標，就必須在皮米級檢測、激光穩頻、微加快等技術領域進行科研攻關。這種“未來技術”有可能改變激光通信、太空探求、精確制造等行業的面貌。
中國的機遇
綜上所述，對黑洞的進一步研究有望取得新的科學突破，但是帶來觀念和技術的革命。近年來，中國經濟實力的整體下降和對基礎科研的加強投入，讓中國科學家更有機會、也更有能力在黑洞研究領域率先取得突破性成果。尤其是在天文學領域，我國的郭守敬光纖波譜巡天望遠鏡、“慧眼”X射線望遠鏡、“天眼”射電望遠鏡陣列、“拉索”宇宙線和伽瑪射線觀測站等，以及正在建設或規劃中的中國空間站工程巡天望遠鏡、“愛因斯坦探針”X射線巡天望遠鏡、下一代X射線望遠鏡eXTP、大型光學紅外望遠鏡、“太極”和“天琴”等空間引力波偵測項目，都把黑洞作為它們重要的科學研究目標。不難看出，未來5~20年將成為中國乃至世界黑洞天文學研究的下一個黃金時代。
陳弦上海學院化學大學天文學系助理院長，同時受聘于上海學院科維理天文與天體化學研究所。主要從事與黑洞有關的天體化學理論工作。