中大知名科普作家王爽科普“解密”——诺奖得主发现的黑洞对地球会产生何种影响？

文/羊城晚报全媒体记者陈亮

图/受访者提供

当地时间10月6日，瑞典皇家科学院宣布，2020年度诺贝尔物理学奖获奖者为英国数学物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）与德国天文学家莱因哈德·根泽尔（Reinhard Genzel）、美国天文学家安德里亚·盖兹（Andrea Ghez），总奖金为1000万瑞典克朗（约合760万人民币），表彰他们在天体物理学领域的贡献。

物理学奖系诺贝尔奖最重要的奖项之一，获奖消息一出，立即引起学界和社会关注。今年的获奖者分别发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测，以及在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体——黑洞。与黑洞相关的话题，一直是人们的兴趣所在。为此，羊城晚报全媒体记者采访了中山大学物理与天文学院副教授、博士生导师、知名科普作家王爽，为读者“解密”黑洞。

2019年4月10日，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）项目组公布了人类历史上拍到的第一张黑洞照片

A、银河系中心超大质量黑洞首次被发现

羊城晚报：今年诺贝尔物理学奖获奖者的主要成就是什么？他们研究、探索的过程是怎样的？

王爽：彭罗斯获得了一半的奖金。他提出了著名的“奇点定理”，从数学上严格地证明，在爱因斯坦广义相对论的框架下，质量足够大的恒星一定会塌缩成黑洞。而在黑洞的中心，则会有一个集中了黑洞全部质量、密度无穷大的奇点。

根泽尔和盖兹平分了另一半的奖金。他们首次发现在银河系的中心有一个超大质量的致密天体。他们通过研究一些特别靠近银河系中心的天体的运动情况，证明了在银河系中心，隐藏着一个质量比太阳大400多万倍的庞然大物。从理论上讲，这只能是一个超大质量黑洞。

羊城晚报：黑洞是什么？它有哪些种类？

王爽：通俗地说，黑洞是宇宙中最恐怖的、连光也逃不出去的“监狱”。一个物体要想逃离地球，必须达到地球的逃逸速度，即11.2km/s。同理，一个物体要想逃离黑洞，就必须达到黑洞的逃逸速度。但由于特别致密，黑洞的逃逸速度比光速还快，如此就没有任何物体能逃离黑洞。像这种逃逸速度超过光速、让所有物体都逃不出去的致密天体，就是黑洞。

按照物理特性，黑洞可以分为四类：1.史瓦西黑洞，也就是无自转、不带电的黑洞。2.赖斯纳-诺德斯通黑洞，也就是无自转、带电的黑洞。3.克尔黑洞，也就是有自转、不带电的黑洞。4.克尔-纽曼黑洞，也就是有自转、带电的黑洞。

此外，目前已经发现的黑洞，还可以按照质量分为三类：第一类是恒星级的黑洞，其质量介于3倍太阳质量到100倍太阳质量之间。第二类是超大质量的黑洞，其质量至少是太阳质量的几十万倍，甚至是上百亿倍。第三类是中等质量黑洞，质量介于前两类黑洞之间。

B、诺奖得主发现的黑洞离我们最近

羊城晚报：银河系正中心的天体被命名为人马座A*，它与地球相距26000光年之远，科学家是如何探知、研究它的？

王爽：最早发现人马座A*的人，是美国天文学家布鲁斯·贝里克和罗伯特·布朗。他们通过观测银河系中心发出的无线电波，一举确定了人马座A*的准确位置。然后，就是今年获得诺贝尔物理学奖的根泽尔和盖兹。他们通过分析一些特别靠近人马座A*的天体的运动情况，测出了人马座A*的质量能达到太阳质量的400多万倍。这个人马座A*，也是宇宙中离我们最近的超大质量黑洞。

羊城晚报：研究并确定黑洞的存在，对于全世界来说具有怎样的意义？在银河系中心的超大质量黑洞会对地球造成什么影响？

王爽：单纯从科学上讲，研究黑洞有三个非常重要的意义：1.黑洞提供了一个天然的实验室，能用来检验爱因斯坦的广义相对论是否正确。2.黑洞也提供了一个极佳的平台，能让理论物理学家钻研统一量子力学和相对论的方法。3.能让天文学家深入研究与黑洞有关的各种天体物理过程（包括吸积、喷流和并合），也能让天文学家更好地理解星系的形成与演化。

地球位于银河系郊区，与银河系中心相距26000光年。由于银河系中心黑洞与地球相距甚远，所以它不会对我们的日常生活造成实质的影响。

C、黑洞是如何被科学家们发现的？

羊城晚报：在此之前，人类对黑洞的探索、认识都有哪些重要阶段和成果？

王爽：早在18世纪末，英国物理学家约翰·米歇尔和法国大数学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯就意识到，宇宙中可能存在逃逸速度超过光速的天体。这是黑洞最早的雏形认识。但米歇尔和拉普拉斯的理论，很快就被世人淡忘了。

1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。一年后，德国大天文学家卡尔·史瓦西算出了广义相对论的一个精确解，称为史瓦西解。这个史瓦西解描述的，就是一个无自转、无电荷的黑洞。

由于爱因斯坦和英国大天文学家爱丁顿的强烈反对，很长一段时间，学术界一直把黑洞视为异端邪说。但是，钱德拉塞卡、巴德、兹威基和奥本海默等人在20世纪30年代所做的工作，都揭示大质量恒星死亡后有可能会塌缩成黑洞。

20世纪60年代初，新西兰物理学家罗伊·克尔找到了广义相对论的另一个精确解，叫克尔解。克尔解描述的，是一个有自转、无电荷的黑洞。

1967年，英国天文学家乔瑟琳·贝尔发现了致密程度仅次于黑洞的中子星的存在。这让人们开始认真思考黑洞存在的可能性。

同样是在1967年，美国物理学家约翰·惠勒首次提出了“黑洞”这个名词。从那以后，黑洞就成了物理学和天文学的热点。

羊城晚报：还有哪些科学家对黑洞的发现以及探索作出了较为重大的贡献？

王爽：在20世纪70年代，以色列物理学家贝肯斯坦，以及英国著名物理学家霍金，一起建立了黑洞热力学。贝肯斯坦最早指出，黑洞具有温度和熵。霍金则发现，黑洞可以对外散发热辐射，也就是所谓的霍金辐射。

此外，在2019年4月10日，事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）项目组公布了人类历史上拍到的第一张黑洞照片。他们用一个有效口径相当于地球直径的射电望远镜阵列，拍到了位于M87星系中心的一个超大质量黑洞的照片。这也是一个诺奖级的工作。

羊城晚报：您还做了哪些与黑洞相关的科普工作？

王爽：2019年4月10日，天文学家发布历史上拍到的首张黑洞照片，成了轰动全世界的新闻热点。为了更全面、系统地科普黑洞知识，我在微博上发布了一个关于黑洞的原创图文系列。系列由4篇科普文章构成，分别从4个不同的角度，向读者科普了一些核心黑洞知识。系列发布当天，就上了微博热搜，到目前为止，总阅读量已经超过1700万。由于这篇广泛传播和大受好评的科普图文系列，我受到凤凰卫视《世纪大讲堂》的邀请，做了一场关于黑洞的科普讲座。相关内容也写进了我的《宇宙奥德赛》系列科普丛书。这两本书已经被引进到香港和台湾地区，豆瓣评分分别达到9.1和9.2，已成为豆瓣评分最高的本土科普图书之一。

人物简介：

王爽(上图)，主要从事宇宙学研究，已在国际一流学术期刊发表SCI论文30多篇，总引用超过2000次。著有《宇宙奥德赛：漫步太阳系》《宇宙奥德赛：穿越银河系》《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》等科普畅销书，荣获“第七届中华优秀出版物奖图书奖”“第六届中国科普作家协会优秀科普作品奖金奖”“国家新闻出版署2018年向全国青少年推荐百种优秀出版物”“中国出版协会2017年度中国30本好书”等奖项。