今天我想和大家討論的話題是黑洞——當(dāng)“小”黑洞在宇宙“漩渦”中相遇。

為什么要講這個課題？因為在人類最關(guān)心的宇宙問題中，始終有三個核心問題：第一，宇宙是如何起源的；第二，地球之外是否存在生命；第三，什么是黑洞，以及黑洞周圍究竟發(fā)生著怎樣的物理過程。

實際上，這三個問題之間彼此關(guān)聯(lián)。今天，我想帶大家一起了解宇宙中最神秘、也可能最簡單的天體——黑洞。我們將看看，人類是如何一步步揭開黑洞秘密，又是從什么時候開始對黑洞感興趣，以及今天我們對黑洞的研究發(fā)展到了什么程度，未來還會有哪些新的展望。

2026年10月，林潮教授受墨子沙龍邀請，在上海科技館做題為“當(dāng)‘小’黑洞在宇宙‘漩渦’中相遇——引力波的新故事”的講座活動，本文根據(jù)活動內(nèi)容整理而成。

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理論奠基

黑洞這一概念的理論基礎(chǔ)，是在一百多年前，由愛因斯坦建立起來的。當(dāng)時，愛因斯坦的想法是：能否用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)理論，解釋宇宙中的各種物理現(xiàn)象，并統(tǒng)一不同的力。他首先研究的是引力。

在牛頓的理論中，引力使我們站在地球上，而不會飄向空中。牛頓認(rèn)為，物體之間存在萬有引力，會彼此吸引。但愛因斯坦提出了不同的理解。他認(rèn)為，力并不像物質(zhì)那樣可以被直接觸摸和衡量，它其實是一個抽象概念，所以這個概念，可以用時間與空間本身的改變來代替。例如，地球存在于空間中，就像一個人躺在床墊上，會把床墊壓出一個凹陷，時間和空間本身不是絕對的，物體在不絕對的時間、空間中運(yùn)動時，對它產(chǎn)生了一些影響，所以看起來就像受到了引力的作用。由此，愛因斯坦提出了廣義相對論——用時空的彎曲來取代引力的傳統(tǒng)概念。

理論提出之后，還需要實驗驗證。英國天文學(xué)家愛丁頓（Eddington）思考：怎樣證明愛因斯坦是對的？他認(rèn)為，如果時間和空間真的會被物質(zhì)的存在所影響，它的表面就會出現(xiàn)彎曲，那么光線在彎曲的時空中傳播時，也應(yīng)該發(fā)生彎折。于是，他利用日食進(jìn)行觀測。平時，太陽耀眼的光會遮擋后方恒星，但在日食時，太陽被月球遮住，人們就有機(jī)會看到原本位于太陽后方的恒星。這說明，恒星發(fā)出的光在經(jīng)過太陽附近時，被太陽周圍彎曲的時空改變了軌道。

另一位德國物理學(xué)家史瓦西（Schwarzschild）進(jìn)一步思考：如果太陽這樣的天體已經(jīng)能夠使光線彎曲，那么如果把太陽壓縮得極小、密度極大，會發(fā)生什么？答案是，在距離這樣的太陽非常近的時候，時空的彎曲會非常大，甚至連光進(jìn)入之后都無法逃離。

后來，美國物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）正式將這種天體命名為“Black Hole”——黑洞。

為什么叫“黑”？因為光都逃不出來。為什么叫“洞”？因為它像時空中的一個深坑，周圍的一切都會被吸進(jìn)去。你會看到在它的內(nèi)部，時空表面的坡度非常陡，這樣一來任何物質(zhì)哪怕是光都無法逃脫，這被稱為視界，意味著所視的邊界，所以我們無法看到黑洞里面發(fā)出的光。在黑洞中心，物質(zhì)密度會高到不可想象，甚至可能集中于一個奇點(diǎn)，而奇點(diǎn)內(nèi)部究竟發(fā)生什么，我們至今仍然不知道。

最初，人們認(rèn)為黑洞完全是黑的。但五十年前，英國數(shù)學(xué)家彭羅斯（Penrose）提出：也許我們能夠從黑洞中提取能量。他設(shè)想，在黑洞附近，電子與反電子可能成對產(chǎn)生，其中一個落入黑洞，另一個逃逸出去，于是能量便可能被帶出來。

后來，霍金（Stephen Hawking）進(jìn)一步發(fā)展了這一思想。霍金提出：即使黑洞不旋轉(zhuǎn)，在量子效應(yīng)下，真空中仍然會不斷產(chǎn)生電子與反電子。一部分掉入黑洞，另一部分逃離，于是黑洞會向外輻射能量，這就是著名的霍金輻射。1972年，霍金正式提出這一理論，把量子力學(xué)與引力理論聯(lián)系在一起。不過，這一理論直到今天仍有許多爭議，人們?nèi)栽诓粩嗵剿鳌?/p>

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“眼見”為實

在天文學(xué)當(dāng)中，理論必須經(jīng)過觀測驗證。在黑洞的概念發(fā)表了大約60年以后，意大利物理學(xué)家賈科尼（Giacconi）第一次發(fā)現(xiàn)黑洞。20世紀(jì)70年代初，他利用X射線衛(wèi)星觀測宇宙，發(fā)現(xiàn)宇宙中存在許多極其強(qiáng)烈的X射線源。這些X射線往往來自雙星系統(tǒng)中的一顆看不見的天體。

當(dāng)時是1973年，賈科尼召集了我和我的同學(xué)們，為我們講解這些技術(shù)和發(fā)現(xiàn)，讓我們思考能否解釋這個現(xiàn)象，大家提出了各種假設(shè)，其中就包括黑洞。后來，經(jīng)過長期研究，人們逐漸確認(rèn)：這些看不見的致密天體，正是黑洞。2002年，賈科尼因此獲得諾貝爾獎。

80年代中期，科學(xué)家開始觀測銀河系中心區(qū)域的恒星運(yùn)動，這個觀測行為為我們帶來了一個偉大的發(fā)現(xiàn)：銀河系中心存在一個質(zhì)量約為太陽400萬倍的超大質(zhì)量黑洞。2020年，萊因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）和安德烈婭·蓋茲（Andrea Ghez）因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾獎，彭羅斯也因黑洞理論研究共同獲獎。

那么，他們是如何觀測到黑洞的呢？首先，他們利用高精探測確定恒星位置，發(fā)現(xiàn)許多恒星的運(yùn)行軌道都圍繞著一個看不見的中心，雖然那里看不到任何光，但這些恒星明顯受到了強(qiáng)大的引力，正是這個力使我們知道，它的中心有一個巨大的黑洞，也就是我們前面說的質(zhì)量約為太陽400萬倍的超大質(zhì)量黑洞。通過這些運(yùn)動的過程，我們甚至可以分析整個相對論所提出來的引力場，到底是在什么樣的情況下起這些作用。

在20世紀(jì)60年代，美國加州理工學(xué)院的天文學(xué)家施密特（Martin Schmidt）在宇宙中發(fā)現(xiàn)了一些光源，它們距離地球極其遙遠(yuǎn)，但亮度驚人，甚至比太陽亮幾十億倍，同時它極其致密，像是一個點(diǎn)。后來，我的導(dǎo)師之一英國數(shù)學(xué)家兼理論學(xué)家林登貝爾（Donald Lynden-Bell）提出：我們看到的這些光是物質(zhì)落入黑洞前，在周圍高速旋轉(zhuǎn)、劇烈摩擦產(chǎn)生的。

這個想法倒轉(zhuǎn)了黑洞的概念，黑洞會發(fā)光，但這些光并不是黑洞本身發(fā)出的，是物質(zhì)在黑洞周圍摩擦，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱量，使我們看到了這個現(xiàn)象。這是一個非常具有歷史意義的發(fā)現(xiàn)，他們兩位因此共同獲得了卡夫里獎。

最近十年，我們迎來了新的發(fā)展，我們第一次真正看到了黑洞附近的一些光。這些光需要不同的射電望遠(yuǎn)鏡在地球的不同地區(qū)同時觀測，這些望遠(yuǎn)鏡被統(tǒng)一稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡。通過干涉儀的方法，我們在銀河系中心，找到了黑洞的跡象。

在黑洞照片里，中央黑暗區(qū)域，是黑洞的視界，周圍發(fā)亮的部分，則是氣體發(fā)熱后形成的亮光。這些光在傳播過程中，需要繞過黑洞周圍彎曲的引力場，才能來到我們的望遠(yuǎn)鏡中，因此我們看到的并不是直線傳播的光，而是被扭曲后的。

如今，借助最新的空間望遠(yuǎn)鏡，包括哈勃和韋布空間望遠(yuǎn)鏡，人類已經(jīng)能夠看到極其遙遠(yuǎn)的宇宙。

有時，我們會發(fā)現(xiàn)同一個區(qū)域里，似乎出現(xiàn)了多個類星體，而這些類星體往往有著十分相似的光譜，仿佛它們是一模一樣的東西。那么，為什么一個類星體會出現(xiàn)許多個影像？這是因為，這些遠(yuǎn)距離的光源，是經(jīng)過被扭曲的引力場后，才抵達(dá)我們的望遠(yuǎn)鏡。也就是說，我們看到的是同一個亮點(diǎn)，通過不同的軌道達(dá)到我們視野的結(jié)果。就像我在講話，你可能會聽到回音，聲音被前后左右的墻壁反射，所以有不同的回音，讓你覺得我講話的聲音來自一個空間，而不是一個點(diǎn)。這就說明，在時間空間被影響的宇宙中，光的來源也會受到影響。

通過韋布望遠(yuǎn)鏡，我們可以看到極遠(yuǎn)距離發(fā)出的光，這些光需要花費(fèi)極長的時間傳播，所以，實際上我們看到的光來自很久以前，甚至包括宇宙初期。比如，這些韋布望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的大量“小紅點(diǎn)”，它們出現(xiàn)得非常普遍，極有可能是宇宙早期形成的超大質(zhì)量黑洞。通過觀測這些光源，我們可以窺見整個宇宙的演化過程。

說到這里，我總結(jié)一下黑洞家族的類型。依照質(zhì)量范圍，黑洞分為恒星級黑洞、中等質(zhì)量黑洞、超大質(zhì)量黑洞和原初黑洞。恒星級黑洞有些只有一兩個太陽的質(zhì)量，中等質(zhì)量黑洞往往有一百個到上百萬個太陽質(zhì)量，它們大多是在一些星團(tuán)中被發(fā)現(xiàn)，而更巨大的超大質(zhì)量黑洞，可以達(dá)到十幾億甚至上百億太陽的質(zhì)量。這些多樣的黑洞為我們提供了豐富的研究課題。

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“耳聽”不虛

關(guān)于黑洞研究，最近十年里有一個巨大的進(jìn)展，它源自我們發(fā)現(xiàn)的一些新現(xiàn)象。而這個現(xiàn)象并非源于光，而是源于黑洞運(yùn)轉(zhuǎn)中被改變的時間和空間，這些時間和空間被不斷的拉開、縮小，由此產(chǎn)生了引力波。

愛因斯坦早在1915年就預(yù)言：如果兩個黑洞互相繞轉(zhuǎn)并最終合并，它們會擾動周圍時空，并向外傳播時空漣漪，這就是引力波。不過，由于需要極高的觀測精度，愛因斯坦認(rèn)為引力波是無法被觀測到的。然而一百年后，人們真的探測到了它。

在具體講解之前，我想先通過一段動畫幫助大家理解引力波的概念。動畫中，兩個黑洞互相繞轉(zhuǎn)并影響到周圍的時間和空間時，會產(chǎn)生一個波，在波的傳導(dǎo)過程中，兩個黑洞間的引力逐漸增強(qiáng)，最終，兩個黑洞合并。我們將這個過程末尾的0.017秒慢放，你會看到它們對空間和時間的影響是怎樣的——兩個黑洞的視界連接后，強(qiáng)烈的時空影響產(chǎn)生，引力波向宇宙各地傳導(dǎo)。

在2015年，人類首次真正探測到引力波，這一成果最終獲得諾貝爾獎。其中一位獲獎?wù)呙麨榛铡に鞫鳎↘ip Thorne），他曾擔(dān)任電影《星際穿越》的科學(xué)顧問。

那么，他們是如何發(fā)現(xiàn)引力波的？簡單來說，就是利用激光干涉儀，測量光源和幾枚鏡子之間光的極微小變化，這些變化實際上是時間和空間的改變，過程中會產(chǎn)生有價值的信號。

前面我們說過，觀測引力波需要極高的精度，同時還需要很長的baseline，所以，這些科學(xué)家們在全球很多地方，包括歐洲、美國、印度、日本等地進(jìn)行了觀測。

目前，我們已經(jīng)探測到200多個黑洞合并事件，通過這些事件，我們可以知道黑洞的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)速度等信息，由此，我們得以假定一些邊界條件是如何發(fā)生的。

在2015-2017年間，我正好在普林斯頓的高等研究所做訪問學(xué)者，這個研究所也是愛因斯坦在人生最后三十年中工作的地方。

在那里，我的主要研究內(nèi)容是小黑洞的來源。在活動星系核中，存在巨大黑洞，這些黑洞周圍吸積盤里的光在不斷變化，我們的一種設(shè)想是，通過觀測這些光的變化，來了解吸積盤的結(jié)構(gòu)，它的原理有點(diǎn)像回音壁的反射。通過研究，我們知道了在巨黑洞周圍的吸積盤內(nèi)會形成大量新恒星，包括我們在銀河系中心看到的恒星，而這些恒星會快速演化，形成許多小黑洞和新的行星。這些行星和小黑洞之間會發(fā)生相互作用、捕獲與合并。

這些是我本人在普林斯頓高等研究所進(jìn)行的相關(guān)研究，當(dāng)時，我住在愛因斯坦曾經(jīng)住過的房子里，在那里獲得了很多啟發(fā)。今天，我仍然在與許多來自清華、北美的學(xué)生一起繼續(xù)研究這些問題，希望進(jìn)一步驗證相關(guān)理論。

未來三十年，關(guān)于黑洞的探測研究將分為兩部分繼續(xù)快速發(fā)展，一部分是在地面上做引力波的研究，另一部分則是發(fā)射空間站。

在這個過程中，中國的研究者也發(fā)揮著巨大作用，其中一個非常重要的貢獻(xiàn)就是中國天眼。得益于天眼的巨大面積，我們可以觀察到宇宙周圍的中子星，這些中子星像宇宙中的燈塔，它們不停旋轉(zhuǎn)，規(guī)律地發(fā)出脈沖信號，也就是所謂的脈沖星。這個過程就像是提供了一個非常準(zhǔn)確的時間表，如果這個時間表變了，就意味著時空本身發(fā)生了改變。你可以想象整個宇宙的時間和空間并非一個平面，而是彎彎曲曲的曲面，就像一張柔軟的床墊，按下一處，其他地方也會受到影響，產(chǎn)生不同的反應(yīng)。而脈沖星的信號，讓我們能看到整個宇宙尺度中時間和空間的收縮和膨脹，由此，我們就能看到宇宙早期的各種現(xiàn)象。

這些觀測也需要全球化的合作，比如國際脈沖星計時陣列，包含了澳洲、歐洲、美國，以及貢獻(xiàn)最大的我們中國的天眼。雖然今天我們已經(jīng)得到了一些信息，但想要真正證實許多現(xiàn)象，我們可能還需要十幾年的時間，來精確地衡量。

此外，中國還在推進(jìn)中山大學(xué)的天琴、中國科學(xué)院的太極等空間引力波探測計劃，這些都將幫助人類進(jìn)一步理解宇宙。

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奇思妙想

接下來，我想再講一些大家經(jīng)常疑問的、很有想象力的奇思妙想。

比如，如果掉進(jìn)黑洞周圍，我們還能生存嗎？在電影《星際穿越》中，宇航員進(jìn)入巨大黑洞后依然存活，這是怎么回事？

理論上，假如是太陽質(zhì)量的黑洞，在到達(dá)黑洞周圍時，我們就會被黑洞的引力場撕裂，但如果黑洞非常巨大，達(dá)到幾百萬甚至上千萬太陽質(zhì)量時，黑洞的潮汐作用反而沒有那么強(qiáng)，雖然它的引力很強(qiáng)，但你不會被它撕裂。

這個問題其實和我們在做的研究相關(guān)，我們看到太陽系的中心，有一個光點(diǎn)，時亮?xí)r暗，它是一個在X光方面發(fā)展的光源，每天出現(xiàn)一兩次，光度并不高。我們認(rèn)為這個現(xiàn)象，有點(diǎn)像在主星周圍被撕裂的彗星，可能是一個物質(zhì)，比如小行星，它走到一個較大的黑洞周圍，被黑洞的潮汐作用撕裂了，所以出現(xiàn)了這種類似彗星的現(xiàn)象。

那么，這個現(xiàn)象是否能解釋銀河系中心的X光產(chǎn)生的各種光變呢？這就是我們目前在做的進(jìn)一步研究，研究恒星被撕裂的過程是如何進(jìn)行的。

第二個問題，銀河系中心的黑洞會吃掉太陽嗎？

答案是不會。實際上，太陽距離銀河系中心的黑洞非常遙遠(yuǎn)，這個距離比黑洞的視界要大幾億倍，相對論的作用并不是很大，并且太陽系繞銀河系中心運(yùn)轉(zhuǎn)，軌道穩(wěn)定，所以一般情況下，不會直接受到銀河系中心黑洞的影響。

第三個問題，如果黑洞合并產(chǎn)生引力波，我們是否能借助引力波，用比光更快的速度傳導(dǎo)信息？

這個的答案也是否定的，因為引力波雖然是時空本身的變化，但其傳播速度仍受到光速限制。

最后，我想鼓勵一下大家，特別是小朋友們。在探索宇宙的過程中，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多令人驚嘆的現(xiàn)象，做了各種各樣有趣的研究，但仍然有大量問題沒有解決。而且，現(xiàn)在對問題的解釋，未來也可能被更新。

我希望今天的小朋友們，將來可以回答這些問題。因為探索是永無止境的，我們會不斷發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，得到新的啟發(fā)，開展新的研究。舊理論被推翻，并不是壞事，而是好事，意味著我們對宇宙的了解更近了一步。謝謝大家。

文字整理：呼瑤瑤