神秘的黑洞。资料图片

黑洞，是科幻小说和科幻电影中的常客。在人们的印象中，它就像个巨大的无底洞，吞噬周围的所有物质。黑洞究竟是什么？今天，我们一起来揭开它神秘的面纱。

什么是黑洞

首先，介绍一个最简单的黑洞模型——史瓦西黑洞模型。史瓦西是天体物理学家。他曾指出，黑洞的中心是一个奇点。所谓奇点就是一个密度无限大、时空被无限弯曲的区域，一旦闯入这个区域，即使是我们已知的速度最快的光也无法逃逸，故而得名“黑洞”。

关于黑洞，首先要提到的一个名词是“视界”，简单理解就是黑洞的边界。视界到底有多大？我们如何确定视界？史瓦西通过不断探索，计算得到第二个名词——史瓦西半径。

史瓦西指出，任何一个天体都存在一个半径临界值，一旦天体的半径小于这个临界值，就会在宇宙空间中抠出一个黑洞来。简单来说，任何有质量的物体，只要压缩到自身史瓦西半径以内，都会形成一个黑洞。人类的视线以这个半径为临界点，一旦越过这个半径，所形成的球面就组成了视界，这也就形成了黑洞大小的概念——尽管黑洞在理论上是一个体积无限小、质量无限大的“点”。

黑洞与广义相对论

说起黑洞，不得不提到爱因斯坦。人们常常听到用来描述黑洞的“引力非常大”“时空无限弯曲”等理论，都来自爱因斯坦的广义相对论。

爱因斯坦提出广义相对论后，预言了宇宙中黑洞的存在。2019年4月，首张黑洞照片在全球发布，有力地验证了爱因斯坦的广义相对论。那么，广义相对论与黑洞又存在怎样的联系？

广义相对论研究了引力本质和时空理论，它把一维时间和三维空间合并成了时空，并指出引力的本质并不是一种力，而是时空弯曲的外在表现。时空为什么会弯曲？又是什么导致了它的弯曲？答案是时空中的质量和能量。质量和能量的分布会使得原本平坦的时空变得不平坦，只要有质量或者能量聚集，时空就会扭曲，扭曲之后就会产生引力。

大家可以在脑海中想象一块巨型海绵，当你在海绵中放入一个铅球，海绵就会弯曲塌陷。然后你可以从距离这个塌陷不远处的海绵表面扔出一个乒乓球。乒乓球经过凹陷附近时，轨迹会朝着凹陷方向自然弯曲，看起来好像是乒乓球被吸引过去。所以说，引力的本质是时空弯曲的外在表现。

大家还可以思考一个问题，如果在海绵凹陷处再放入一个铅球，让凹陷程度加大，再让一个乒乓球滚动经过凹陷处，会发生什么现象？此时乒乓球掉进这个凹陷里的概率会增大，甚至会被吸进去。随着海绵凹陷处质量的不断增加，扭曲的程度就会越来越明显，或者说是这个“坑”越来越深，靠近凹陷处的物质就会不断地被吸进去，这就是一个黑洞“吸食”的模型，也让黑洞成为宇宙中最大的天体。

如何给黑洞拍照

相信很多人有这样的疑惑：既然黑洞是全黑的，我们又是如何给它拍照的呢？就好像我们看不见风，但是却能够通过风吹动树叶来判断它的存在。对于给黑洞拍照也同样如此——黑洞“吃”东西会发光。

这里可以类比水力发电来理解：水从高处落下，损失的重力势能可以转化为其他能量；同样，黑洞在时空中营造出来的深坑就是一个巨大的引力势阱，周围的气体尘埃等物质旋转着落入坑中会损失大量的引力势能，这些引力势能就会高效率地转化成光，不仅仅有可见光，还有强烈的紫外线、X射线等。通过捕捉这些能量来拍照，就会得到像“光环”一样的黑洞照片。

当然，想要给黑洞拍照，还需要专业的摄像设备。首张黑洞照片是由事件视界望远镜（EHT）来完成，它是全球多个天文台协作构建的一个口径等同于地球直径的虚拟望远镜，相当于一个口径为一万多公里的超级望远镜。事件视界望远镜向着宇宙中选定的目标撒出一张大网，捞回海量数据分析后勾勒出黑洞的模样。

黑洞、白洞与虫洞

就像电生磁和磁生电一样，物理学讲究对称性。既然黑洞不断地吞噬物质，那么会不会存在一种不断喷射物质的特殊天体呢？因此，科学家推测存在一种与黑洞相反，只发射、不吸收的特殊宇宙天体——白洞。当然，白洞目前还只是一种理论模型，尚未被观测证实。

如果黑洞和白洞都真实存在，那么虫洞这个概念就不得不提。

最早提出虫洞概念的是物理学家路德维希·弗莱姆，之后爱因斯坦和罗森在研究引力场方程时对虫洞进行了假设，因此虫洞也叫做爱因斯坦－罗森桥。从广义相对论的角度理解，黑洞视界内时空无限弯曲，因此可能会与宇宙当中的另一部分相结合，在那里也产生一个洞，这个洞可以是黑洞，也可以是白洞。这个弯曲的视界就是虫洞，它看起来既像是一座连接时空中距离较远两个点的桥梁，又像是一只虫子穿过了果实。当虫洞连接着黑洞和白洞时，物质就可以通过它来完成传送。当然，虫洞跟白洞一样，目前尚未被观测证实。不过，在科幻作品中，人类已经期待着通过虫洞完成空间旅行或者是时间旅行了。（杨晓薇　李　芮）