弗兰克维尔切克 　　

　　

　　弗兰克维尔切克是麻省理工学院的物理学教授，也是量子色动力学的创始人之一。他因在夸克粒子理论(强作用)方面的成就获得2004年诺贝尔物理学奖。 　　

　　

　　黑洞 　　

　　

　　几十年来，物理学家一直在理论上研究黑洞，现在我们终于成功地看到了它们。 　　

　　

　　几代以来，物理学家一直在对黑洞进行理论研究。现在科学已经让我们有可能看到一个。 　　

　　

　　4月10日，天文学家利用视界望远镜拍摄了一张黑洞的“照片”。这个巨大的黑洞位于M87星系中心，距离地球5400万光年。就像照片一样，平淡无奇，也不是很清晰：这是一个毫无特色、模糊不清、半发光的环――它展现的不是黑洞本身，而是黑洞扭曲时空，在周围发光背景中留下的“影子”。然而，喜欢思考的人知道，这张照片代表了人类智慧的非凡成就，而善于想象的人会意识到，它打开了一扇通向空间、时间和宇宙古代史的新窗口。 　　

　　

　　4月10日，天文学家利用视界望远镜公布了一张巨大黑洞的“照片”，该黑洞位于M87星系的中心，距离我们5400万光年。仅仅作为一幅图像来看，它既不令人印象深刻也不直截了当：它呈现出一种难以描述的、模糊的、半透明的甜甜圈，显示的不是黑洞本身，而是它在周围照明中雕刻出的阴影般的扭曲。然而，对一个有思想的人来说，图像反映了理解的荣耀，对一个敏锐的想象力来说，它打开了通向空间、时间和深层历史的新的入口。 　　

　　

　　这张照片可以说是当代科技的伟大结晶。照片中的黑洞非常巨大，半径约为150亿公里——是地球到太阳距离的100倍，是地球质量的2000万亿倍。但是因为太远了，它只占据了天空中极小的一块，所以我们不得不使用一个大而不寻常的望远镜来观察它。事实上，视界望远镜并不是一个单一的仪器，而是由位于夏威夷，亚利桑那州，西班牙，墨西哥，智利和南极洲的八个射电望远镜组成。天文学家使用精确度为万亿分之一秒的原子钟来同步不同望远镜的数据，然后通过超级计算机进行整合。 　　

　　

　　这幅图像的制作是科学技术的杰作。黑洞是巨大的，半径大约为90亿英里(或者说是从地球到太阳距离的100倍)，质量相当于两千万亿个地球。但是因为它太远了，它只占据了天空的很小一部分，所以我们必须使用非常大的奇特的望远镜才能看到它。事实上，视界望远镜不是一个单一的仪器，而是一个由位于夏威夷、亚利桑那州、西班牙、墨西哥、智利和南极洲的六个遥远地点的八个射电望远镜组成的系统。天文学家使用精确的原子钟，精确到万亿分之一秒，来同步来自所有这些地方的数据，然后使用超级计算机将这些数据拼接在一起。 　　

　　

　　黑洞的概念可以追溯到18世纪，当时英国天文学家和牧羊人。 　　

师约翰米歇尔（John Michell）通过计算发现：如果一颗恒星具有足够大的质量，它将不会发光，因为脱离恒星引力所需的逃逸速度超过了光速。然而，由于18世纪的物理学对光、引力或者恒星都缺乏足够的认知，米歇尔的猜想远远超越了他所在的时代。

　　

The concept of a black hole goes back to the 18th century, when the English astronomerclergyman John Michell calculated that a suciently large star couldn't shine because light wouldn’t move fast enough to “lift o” and escape the star’s gravity. But Michell’s conjecture outran the physics of its time, which didn’t understand light, gravity or stars well enough to support it.

　　

直到20世纪初期，詹姆斯克拉克麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的电磁场理论和爱因斯坦的相对论才奠定了现代黑洞物理学的基础。1939年，J罗伯特奥本海默（J. Robert Oppenheimer）和哈特兰斯 奈德（Hartland Snyder）撰写了黑洞研究史上最重要的论文《关于持续的引力收缩》（On Continued Gravitational Contraction）。这篇论文探讨了一团任意大小、密度均匀的尘埃云在自身引力作用下发生塌缩的结果。作者发现，如果观察者处于尘埃云中，他将发现自己被物质包围着，而他眼中的宇宙与我们的宇宙大致相似，最终以大挤压（big crunch）的方式终结。但是，外面的观察者会看到尘埃云在某个时刻突然失去光芒变成一个黑洞。这是因为尘埃云边界的引力变得非常强大，以至于光――或者说任何物质――都无法逃逸。

　　

he foundations for the modern understanding of black holes weren’t laid until the early 20th century, building on James Clerk Maxwell’s theory of electromagnetism and Albert Einstein’s theory of relativity. In 1939, J. Robert Oppenheimer and Hartland Snyder wrote “On Continued Gravitational Contraction,” the most important paper in the history of black holes. They considered what would happen to a dust cloud of any size and uniform density as it collapses through the force of gravity. Observers within the dust cloud would nd themselves surrounded by matter, and they would experience a universe broadly resembling our own, which would eventually end in a “big crunch.” But observers outside the collapsing cloud would see it wink out into a black hole, as gravity at its boundary increases beyond the ability of light―or any form of matter―to escape.

　　

奥本海默和斯奈德的研究清晰地表明：黑洞的形成是已知物理过程的合理结果。他们还大胆地提出，黑洞本身可能就是一个宇宙，宇宙也可能是一个黑洞，只是观察角度不同而已。时至今日，我认为物理学也还没能充分消化这个思想。

　　

Oppenheimer and Snyder’s work made it clear that black holes were a plausible outcome of known physical processes. It also makes the astonishing suggestion that a black hole can be a universe and vice versa, dierently viewed. I don’t think physics has fully digested this idea, even today.

　　

如果M87的黑洞揭示了一个全新的物理过程，那将是令人惊讶的。这类超大黑洞虽然质量巨大，但体积更大，因此密度反而很低。它们对外部施加的作用力尽管影响范围很 广，但非常微弱。但是，通过对比不同星系的中心黑洞，我们可以了解星系是如何形成和演化的。我们的银河系也有一个巨大的中心黑洞，它笼罩在尘埃中，难以直接观测。

　　

It would be surprising if M87’s black hole revealed fundamentally new physical processes. Such gigantic black holes have low density and exert only weak forces on the outside, albeit on a grand scale. But by comparing and contrasting the central black holes in dierent galaxies, we will learn about how galaxies form and evolve. Our own Milky Way galaxy also harbors a central, giant black hole, hidden from direct observation by enshrouding dust.

　　

看着黑洞的照片，我脑海里浮现出更早的一张标志性照片――阿波罗8号在月球轨道上拍到的“地球升起”。作为物理实体，黑洞比地球更大更壮观，但也更加简单，对生命更不友好。而我们的宇宙竟然同时拥有两者，这实在是太美妙了！

　　

Seeing the black hole image, my mind ashed back to an earlier iconic image, the “Earthrise” captured by Apollo 8. The black hole is much bigger and more imposing, as a physical object, but also much less complex―not to mention less user-friendly―than our Earth. It’s a wonderful world that is home to both.

　　

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