黑洞是宇宙中最神秘的天体之一天文和天体物理学研究英，也是数学学、天文学的重要研究对象，更是公众关心的热门话题。看似与日常生活毫不相关的黑洞研究，实际上深远地影响了科学、技术乃至人类生产生活方法的进步。“宇宙中的黑洞是怎样产生和演变的？”入选2022年度中国妇联“重大科学问题”，上海学院陈弦老师在《科学通报》发表文章，通过梳理黑洞研究所经历的部份关键节点，对此问题进行了剖析。
/
“黑洞”这一概念起源于18世纪。当时，日本的自然哲学家米歇尔（John）和美国的物理家拉普拉斯（-Simon）都从牛顿万有引力定理的物理方式出发，得到宇宙中最大的天体可能是“暗星”的推论。经过200多年的发展，黑洞研究早已从单纯的思辨演化为既有理论又有实证的“硬核”科学。事实上，20世纪的多项诺贝尔化学学奖都与黑洞研究有着深厚的渊源。步入21世纪，更是有3次诺贝尔化学学奖被授予了与黑洞直接相关的研究成果。
黑洞这些看似与生产生活毫不相干的事物，为何会成为化学学和天文学的研究焦点，但是遭到科学界的普遍认可与关注呢？借着“宇宙中的黑洞是怎样产生和演变的？”入选中国文联2022年度“重大科学问题、工程技术困局和产业技术问题”这个抓手，笔者将通过梳理黑洞研究所经历的部份关键节点，尝试对上述问题作一些解答，目的是让更多的科技工作者了解黑洞研究的进展和意义，并能找到机会参与到这项前沿的基础科学研究中。
打造时空观
时空观是人类认识世界的基础，它深刻地影响着人类改建世界的能力。最朴实的时空观觉得时间和空间是互相独立且连续变化的。在此基础上完善上去的牛顿热学直接造成了第一次科学革命，而且引起了后来的第一次技术和工业革命。到了20世纪初，狭义相对论阐发了牛顿热学体系所依赖的绝对时空观，觉得时间和空间会由于参照系的选择而发生变化，只有它们构成的四维时空整体才是更基本的数学存在。这些时空观预言了新的质量与能量关系，引起了20世纪中叶对原子能的借助。广义相对论将引力也列入到时空整体中一并考虑，因而阐明了时空弯曲与质量之间深刻的联系。明天，广义相对论已然成为全球定位系统和太空探求的理论基础。量子热学的构建让人们对时空的连续性也形成了怀疑。虽然由此引起的争辩还在继续，但我们早已在材料、通讯、能源等领域享受到了这场科学论争带来的丰硕成果。
黑洞使我们的现代时空观遇见了真正的麻烦，这说明人类对时空的理解还远没有到尽头。我们如今对黑洞的理解起源于1916年。广义相对论提出仅一年之后，美国化学学家史瓦西（Karl）[1]按照爱因斯坦的场多项式求得了点质量外部时空结构的精确表达式。奇怪的是，这个物理结果在某一特殊直径——史瓦西直径处是发散的。物理上的发散性常常意味着数学理论的不自洽或则不完备，因而于爱因斯坦[2]在20多年后仍对此结果耿耿于怀，觉得这只是点质量假定引起的物理上的巧合，不是“物理实在”。后来，爱丁顿（）和勒梅特（HenriÉLemaître）发觉史瓦西直径处的发散性是座标选定不恰当引起的，可以通过座标变换清除，一定程度上为广义相对论解了围。并且，这儿的时空仍有某种奇异性，由于进一步的研究表明，物质甚至光到了这儿都只能进不能出。虽然考虑到天体可能在自转或则带有电荷，我们仍可以在天体外部的时空中找到这样一个（超）曲面，该曲面具有上述“单向膜”一样的性质。这个曲面就是你们常说的“视界面”，它标志着黑洞的存在。
视界面其实特殊，但终究没有遵守数学学基本定理。真正的危机来自视界内部。有一个地方的发散性无论怎样也难以清除，那就是黑洞的“中心”。在这儿，已知的化学定理都将失效，因而这个地方被叫作“奇点”。黑洞中一定有奇点吗？20世纪60年代，美国物理家、物理学家彭罗斯(Roger，获2020年诺贝尔化学学奖)[3]在广义相对论框架下最早证明了（我们宇宙中的）黑洞中奇点必将产生。“广义相对论公审了自己的死缓！”这让许多化学学家认识到，要解决奇点问题，必须寻求广义相对论之外的出路。
70年代之前的黑洞理论都从广义相对论出发，讨论黑洞的几何或则化学，但是得到了“描述黑洞仅需质量、角动量、电荷三个化学量”这样知名的“黑洞无毛定律”。1971年是黑洞研究的分水岭。这一年，霍金（）提出了黑洞面积定律，这让贝肯斯坦（JocobD.）[4]意识到黑洞化学与热力学有着众多相像性，并于1973年提出了黑洞熵的概念，由此开启了黑洞研究的新纪元。1974年，霍金[5]顺流推舟，提出黑洞假如有熵都会有体温、有湿度都会有幅射（“霍金幅射”）的大胆猜测。霍金的天才彰显在他企图从量子场论这个不同往年的角度重新考量时空弯曲的后果，因而获得了崭新的发觉。
霍金幅射提出后，黑洞便成了量子热学和广义相对论共同的试验场。两个领域的思想和理论在这儿交织碰撞，大大扩宽了基础数学研究的思路和内涵。尤其是霍金幅射引起的“黑洞信息遗失问题”，更是彰显了广义相对论和量子热学之间的紧张关系，激励化学学家不断提出新的看法，找寻统一理论[6,7]。
启迪新发觉
倘若仅从理论化学和物理的角度去研究，黑洞有可能会弄成仅供极少数化学学家和物理家把玩的小众知识。明天的黑洞研究之所以遭到科学界和公众的广泛关注，要归功于20世纪后半叶开始的黑洞天文学研究。天文学方式的引入，让黑洞研究从理论迈向实证，除了让我们最终找到了黑洞存在的证据，更是开创了黑洞理论与天文观测互相推动、交替前进的崭新局面。
宇宙中要产生黑洞，就必须在一定的容积内积聚足够多的物质。广义相对论刚才提出时，当时已知的最致密的天体还是白矮星。和太阳差不多大的星体在核燃烧结束后会留下白矮星，其密度比太阳的密度高100万倍左右。在白矮星内部，电子被紧紧地压在一起，产生的电子简并压可以媲美强悍的引力。但20世纪30年代越南裔天文学家钱德拉塞卡（，获1983年诺贝尔化学学奖）[8]发觉，在电子简并状态下，物质的浮力是有上限的。这个发觉喻示着一旦白矮星的质量超过某一极限——钱德拉塞卡极限，电子简并压将难以与引力匹敌，白矮星才会塌缩。
钱德拉塞卡[8]并没有在论文中讨论超过钱德拉塞卡极限的恒星是哪些，并且恒星塌缩会导致密度发散是显而易见的。这个问题的存在，造成钱德拉塞卡的观点受到了包括他的导师爱丁顿在内的多个化学学家的反对。爱丁顿的公开反对非常令人深思。他是第一批研究黑洞的科学家，而且在黑洞的物理和几何结构方面做出过突出贡献。连这样“先锋”的科学家都不能接受白矮星塌缩的数学后果，从一个侧面反映出黑洞对当时化学学体系的冲击有多大。
爱丁顿等人的反对也并不是完全没有道理的。1932年，查德威克(James，获1935年诺贝尔化学学奖)发觉中子后，朗道（，获1962年诺贝尔化学学奖）就提出了完全由中子组成的“中子星”的概念。三年后，天文学家巴德（Baade）和兹威基（Fritz）就意识到中子星可以在大质量星体终结时将电子和质子挤压成中子而产生。非常是紧紧挨在一起的中子会提供一种比电子简并压大得多的中子简并压，这样虽然中子星质量超过钱德拉塞卡极限，也一样可以维持稳定而不塌缩。而且好景不长，1939年，奥本海默（）等人[9]证明中子星质量超过某一极限——奥本海默极限后，连中子简并压也难以抵抗引力，中子星也要塌缩。至此，虽然再也没有哪些理论就能制止黑洞的产生了。接出来须要一个令人信服的观测证据。
突破发生在近30年后。1967年，贝尔（Bell）在老师休伊什（，获1974年诺贝尔化学学奖）的指导下从事射电天文研究，碰巧发觉了脉冲星。从脉冲周期推算，这些恒星在高速自转，但它们居然没有被巨大的离心力击溃，说明其密度相当高。休伊什和贝尔[10]因而大胆地提出，脉冲星就是中子星。这个发觉对黑洞研究的推动作用是巨大的：既然宇宙中真的存在中子星，这么黑洞的存在也不是不可能的了。因而，当20世纪60~70年代贾科尼（，获2002年诺贝尔化学学奖）[11]领导的X射线卫星项目侦测到一批X射线源，但是从X射线硬度的快速变化推断出这些天体比太阳的规格小好多后，人们早已能很自然地猜到它们可能是中子星或则黑洞了。针对天鹅座X-1这个比较亮的对象，天文学家还采用了射电、光学等其他望远镜对其进行了多波段观测，发觉其中的致密天体超过了奥本海默极限[12,13]。事实上，最新的X射线观测将这个黑洞的质量限制在了21倍太阳质量左右[14]。虽然没有直接侦测到视界面，好多天文学家还是认可这个致密天体就是黑洞，由于中子星塌缩成黑洞的图景早已被广泛接受了。后来，人们把这些由大质量星体演变产生的、比太阳重好几倍到几十倍的黑洞称为“恒星级黑洞”。
天文学家灵活的观测手段和务实的行事作风一扫往年纯理论研究高深冗长的风格，给20世纪60年代以后的黑洞研究注入了新的活力，相关的天文发觉层出不穷。二战后射电技术在天文上的应用，不仅造成脉冲星的发觉，还造成了大量类恒星的发觉。类恒星是看起来像星体一样的点源，但有着较强的射电幅射和光学发射线。1963年，施密特（）[15]证认出类恒星3C273的宽发射线虽然就是红移后氢和氧的电离谱线。谱线的红移说明类恒星处在遥远的宇宙中。如此远的天体仍能被望远镜侦测到，说明一个类恒星必须如整个星体一样明亮。但这么剧烈的能量释放与观测上类恒星的致密程度格格不入。步入70年代之后，越来越多的天文观测证据表明，类恒星的能源来自二氧化碳落入黑洞前释放的引力势能[16]。与星体级黑洞不同，类恒星中的黑洞要比太阳重几百万甚至几十亿倍，因而被称为“超大质量黑洞”。
类恒星的能源问题似乎解决了，但超大质量黑洞的起源又成了新的谜题。不过天文学家似乎并不在乎，反倒普遍接受了类星系中存在超大质量黑洞这一观点。理论天体化学学家林登贝尔（-Bell）[17]由此得出了一个惊人的结论，那就是类恒星熄灭后会留在星体核心，所以星体中心普遍存在超大质量黑洞。步入80年代，类恒星的观测资料愈发丰富。天文学家佐尔坦（）[18]据此推断出了近邻星体中超大质量黑洞的总量和总质量。
林登贝尔[17]的猜测唤起了天文学家在近邻星体中心寻觅超大质量黑洞的兴趣。这是一项繁重的任务，由于黑洞的视界太小了，当时的望远镜未能直接侦测到，所以天文学家采用了折中的方案，去侦测超大质量黑洞对周围星体和二氧化碳的动力学影响。虽然这么，其难度也不亚于我们在20m开外认清针尖大小的物体。其实天文学家从20世纪70年代末就开始使用地面最大口径的望远镜，并配合先进的电荷耦合元件（CCD）对近邻星体的中心进行成像观测，但距侦测到超大质量黑洞引力势阱内的星体和二氧化碳还有一步之遥。
总算在20世纪90年代末，哈勃太空望远镜以其前所未有的空间码率，侦测到了近邻星体核心星体和二氧化碳的高速运动速率。这些现象说明星体核心很小的区域内集中了大量的质量，因而旁证了林登贝尔的猜想[19]。步入21世纪，地面十米级望远镜的建成以及红外成像技术在天文观测中的应用，促使我们可以看穿银河系的尘埃，证明银河系中心也存在一个超大质量黑洞，但是检测出它的质量是太阳的400万倍[20,21]（该成果被授予2020年度诺贝尔化学学奖）。
随着观测资料的丰富，另一个新的问题在世纪之交渐渐显现下来。天文学家发觉，超大质量黑洞的规格其实不及星体的几亿到几十亿分之一，但它的质量却和星体的整体性质（形态、质量以及星体的随机运动速率等）密切相关[22]。这意味着在跨越8~9个数目级的空间尺度上（近似一颗砂粒与一座城市的比列关系），超大质量黑洞能通过某种未知的机制与其寄主星体互相作用，协同演进。这个发觉也说明不能把超大质量黑洞当成孤立的体系来研究，而要把它放到星体这个大“生态系统”中去理解。
为了查明超大质量黑洞与星体的演进历史，天文学家将眼神越来越多地投向宇宙初期。但面对可观测宇宙中数以千亿计的星体，你们最初也只能望洋却步。步入21世纪后，大样本全手动波谱巡天望远镜（SDSS）的建成促使天文学家有能力对比较亮的星体和类恒星进行普查。很快人们就在红移小于6的宇宙中发觉了一批明亮的类恒星[23]，说明比太阳重几十亿倍的超大质量黑洞早已存在于130亿年前的宇宙（当时宇宙年纪约10亿年）。但按照传统的星体产生演变理论，宇宙初期第一代星体产生的黑洞是很难在如此短的时间内通过吸积二氧化碳下降到观测到的质量的。我们目前所知的化学在解释超大质量黑洞的产生演变时遇见了很大的困难，对这个问题的理论和观测研究很可能蕴育着重大的科学突破。
其实，也有许多与黑洞相关的问题随着天文观测手段的进步得到了解决。例如频域天文学的开启（研究天体随时间的变化），让我们能否通过光变证认出更多的黑洞，尤其是找到了介于星体级黑洞和超大质量黑洞之间的“中等质量黑洞”[24,25]，弥补了“黑洞家谱”中的空白。又如X射线成像技术和射电综合孔径技术的成熟，让X射线和射电望远镜的空间码率进一步增强，有利于我们认清星体核心的结构，甚至能辨别出在个别发生合并的星体中存在不止一个超大质量黑洞[26]。这最后一项发觉一方面支持了超大质量黑洞可以通过合并而下降的观点，为引力波侦测提供了理论根据，另一方面也将超大质量黑洞的下降与星体合并联系上去，构成了理解二者相关性的重要一环。
步入21世纪的第二个六年，广义相对论预言的引力波总算被地基引力波天文台侦测到[27]。目前侦测到的风波大都是双黑洞合并风波，因而可以说引力波的发觉掀起了黑洞研究的又一个风潮。令人始料不及的是，通过引力波侦测到的黑洞大多比太阳重30~40倍，有的在合并前甚至达到了太阳质量的100倍，远远重于银河系内侦测到的星体级黑洞。这些超重黑洞对现有的黑洞产生演变理论提出了愈加严峻的挑战。为此，也有化学学家觉得这种黑洞不是星体演变的产物，而是宇宙极初期由量子涨落引起的原初黑洞，它们可能构成了暗物质的一部份。为了分辨这些黑洞的起源，科学家早已开始筹划建设技术愈发先进、性能愈发优越的下一代地基引力波侦测器了（如日本的和法国的）。
另一项黑洞天文学的突破发生在2019年。由全球多台射电望远镜组网构成的“事件视界望远镜”发布了近邻星体M87中心超大质量黑洞的相片。这是人类第一次以接近黑洞视界的帧率认清楚了黑洞周围的环境。去年，该望远镜又公布了银河系中心超大质量黑洞的相片。通过这种相片，科学家才能进一步研究强引力场中物质与光的行为，验证视界是否存在，但是检验其他基本的黑洞化学过程。
假如说黑洞与天文学有着天然的联系，这么黑洞研究对物质科学的推动作用可能是大多数科学家没有想到的。在解决黑洞信息遗失问题的过程中，化学学家提出了一种“全息排比”理论，将低维量子系统与高维引力理论相对应上去研究。受这些理论的启发，汇聚态、核化学、冷原子化学和量子估算等领域的科学家都展开了新的估算和实验，来重新理解她们在各自领域碰到的问题[28]。这些跨界研究阐明了量子信息与时空几何愈发深刻的联系，也反过推动了黑洞化学学家对黑洞信息熵的理解。
催生“黑”科技
黑洞研究从纯理论渐渐迈向实证，最后成为理论化学和天文学的主流研究方向，这个飞越很大程度上得益于20世纪发生的几次技术革命。与此同时，黑洞科学家们提出的科学目标和需求又反过来牵引了技术的发展，催生了一大批在生产生活中具有高度实用价值的颠覆性技术。
黑洞的发觉与通信技术的发展有着密切的联系。例如，银河系中心的超大质量黑洞就是贝尔实验室的无线电通信工程师央斯基（KarlGuthe）无意间发觉的。二战后，天文学家加装闲置的雷达来观测天体，促使了无线电技术的进一步发展。事实上，好多成功的通信技术公司都是由射电天文学家成立的。
二战后的类恒星研究对射电望远镜的帧率提出了更高的要求。为了解决单天线帧率差的问题，天文学家和工程师开始尝试射电干涉技术。尤其是赖尔（获1974年诺贝尔化学学奖）等人发展的综合孔径技术，致使建造一个口径相当于月球大小的望远镜（如“事件视界望远镜”）成为可能。值得一提的是，综合孔径技术所依赖的数据处理方式后来被移植到了医疗成像技术中，促使了计算机断层扫描（CT）和磁共振（MRI）的发明。
小型射电望远镜很重要的任务之一是跟踪多个脉冲星，借助它们稳定的载流子来计时，目的是侦测超大质量黑洞旋近（）而幅射的引力波。为了实现这个科学目标而发展上去的一套理论和技巧，早已可以构建比原子钟愈发精确、稳定的时间基准，而且有望在将来应用于太空探求和导航。
好多黑洞系统都幅射X射线，因而找寻黑洞的能力一定程度上取决于X射线侦测器的性能。天文学家侦测微弱X射线天体的需求，催生了低亮度高帧率X射线成像技术。这些技术后来被广泛应用于安检、质检等领域。为了让望远镜才能精确检测每位光子的能量，天文学家还率先订制了高帧率的X射线衍射波谱仪。这些仪器在生物、制药等领域也得到了广泛应用。要让X射线波谱仪在太空中也能运行天文和天体物理学研究英，工程师还开发了一种高温吸铁石技术。这些吸铁石被应用在磁共振中，大大提升了磁共振的安全性和稳定性。
侦测引力波的需求更是让诸多技术领域受益，包括精密检测、计量、光学、激光、材料、空间技术和高性能估算等。为了使地基引力波侦测器达到亚飞米检测精度，科学家们进行了一系列致力突破标准量子极限的理论研究和实验，发展了例如non-、back-等概念，以及评判光学机械系统的双光子技巧等。这种理论和技术成果早已被明天的光学、量子等研究领域广泛采用。
为了侦测中等质量和超大质量黑洞的引力波，天文学家更是提出了在太空建造巨型激光干涉仪的计划。依据具体的科学目标，这种侦测器须要在几十万到几百万公里的距离上检测出10pm左右的位移变化。要达到这一目标，就必须在皮米级检测、激光稳频、微加快等技术领域进行科研攻关。这种“未来技术”有可能改变激光通信、太空探求、精确制造等行业的面貌。
中国的机遇
综上所述，对黑洞的进一步研究有望取得新的科学突破，但是带来观念和技术的革命。近年来，中国经济实力的整体下降和对基础科研的加强投入，让中国科学家更有机会、也更有能力在黑洞研究领域率先取得突破性成果。尤其是在天文学领域，我国的郭守敬光纤波谱巡天望远镜、“慧眼”X射线望远镜、“天眼”射电望远镜阵列、“拉索”宇宙线和伽玛射线观测站等，以及正在建设或规划中的中国空间站工程巡天望远镜、“爱因斯坦探针”X射线巡天望远镜、下一代X射线望远镜eXTP、大型光学红外望远镜、“太极”和“天琴”等空间引力波侦测项目，都把黑洞作为它们重要的科学研究目标。不难看出，未来5~20年将成为中国乃至世界黑洞天文学研究的下一个黄金时代。
陈弦上海学院化学大学天文学系助理院长，同时受聘于上海学院科维理天文与天体化学研究所。主要从事与黑洞有关的天体化学理论工作。