蝌学荐书｜第一张黑洞照片是如何拍出来的？

我们住在距离银河系中心2.6万光年的地方。按照宇宙学的标准，这是一个很小的数字，但仍然很远。现在到达地球的来自银河系的光线，当它开始出发时，人们正在一边穿越百令陆桥（Bering land bridge），一边沿途捕猎猛犸象。

距离并没有阻止我们绘制出一张相当准确的银河系中心星图。

我们知道，如果你以光速从地球出发向银河系深处旅行大约两万年，你会遇到银河系核球区域，这是一个花生形状的结构，里面遍布着恒星，其中一些几乎和宇宙一样古老。再往里走几千光年，还有人马座B2，这是一片面积为我们太阳系1000倍的云层，其中含有硅、氨、一点氰化氢、少量的甲酸乙酯（尝起来像树莓），以及至少100亿升的酒精。继续向内走大约390光年，你就会到达内秒差距（inner parsec）区域，也就是距离银河系中心约3光年的比扎罗（bizarro）区。被称为宇宙丝的冰冻闪电划过天空。

不同的气泡是对远古恒星爆炸的纪念。炽热的气体流沿着弧形朝向核心运动，引力使它们变成了激流的泡沫海洋。让我们的太阳看起来像玻璃球般的巨大蓝色恒星以时速数百万千米的速度被弹射出去。太空变成了辐射的浴缸，原子溶解成亚原子粒子的迷雾。在核心附近，由亚原子组成的迷雾形成了一个巨大的发光盘状物，环绕着一个巨大的黑暗球体运动。这是位于银河系中心的超大质量黑洞，是我们这个缓慢旋转的星系的静止点。我们将其称为人马座A*。

银河系内的每个天体都围绕着银河系中心天体，也就是黑洞运行，黑洞的直径与水星绕转太阳的轨道一样宽。我们的太阳大约每两亿年完成一圈。每个星系的核心可能都有一个巨大的黑洞。星系和它们的中心黑洞似乎是一起进化的。它们会经历不同的阶段。有时黑洞花费数十亿年的时间，以尽可能快的速度吸积周围的物质，在一场持久的灾难中将物质转化为能量，每时每刻都相当于数十亿枚热核武器同时爆炸。在这些“活跃”阶段，黑洞在宇宙中喷射出由物质和能量组成的喷流，像大河割裂大陆形成三角洲一样，让宇宙显得更为美丽。黑洞将根据它的“情绪”决定 它们的宿主星系何时可以生长出新的恒星：当它们肆虐，吹起冲击波和咆哮的宇宙风时，新生的恒星就无法生长。当黑洞稳定下来处于宁静状态时，下一代的恒星就会形成。

没有人确定黑洞本身是如何形成的。天文学家们在可见宇宙的边缘发现了黑洞，这些黑洞的质量相当于数十亿个太阳。这些黑洞一定是在宇宙诞生后还不到十亿年的时候就达到了这个大小。然而，根据对黑洞如何增长的传统理解，它们不可能在如此短的时间内就变得如此巨大，因为没有足够的时间让其快速增长。但是，它们就已经在那里了。

自从物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）普及“黑洞”一词以来已有50 余年，这种天体给予了人们很多思考。它们很奇怪，足以激励沉默寡言的科学家们认真思考一些奇怪的问题。我们是生活在黑洞里面吗？大爆炸是在另一个宇宙中形成的黑洞的另一面 吗？每个黑洞都包含一个婴儿宇宙吗？我们能利用黑洞进行时间 旅行吗？黑洞附近是寻找外星生命的好地方吗？

科学家们会发现自然界最基本的规律——万物理论吗？黑洞可能是解决这个问题的关键。20世纪产生了两种极为成功的关于自然的理论：广义相对论和量子理论。广义相对论说，世界是连续的，且均匀演化的，并且从根本上来说是局域性的：引力等影响并不能瞬间传播。量子理论说，世界是不连续的、充满概率的、非局域性的粒子随机产生和消失，似乎能够在很远的距离上立即且微妙地相互影响对方。如果你是一个想要挖掘最深层实在的科学家，显而易见的问题是：到底选用哪一个理论？

广义相对论在最大尺度上描述了宇宙。量子力学支配着亚原子世界。这两种理论在黑洞研究中冲撞得最为厉害。例如，我们说人马座A*是一个400万倍太阳质量的黑洞，这暗示着这个黑洞“包含”了价值400万太阳的物质。但爱因斯坦的方程式告诉我们，黑洞的内部是真空的，所有掉入黑洞的物质都被容纳在黑洞中心的一个叫做奇点的无限致密的区域里。为了理解奇点进而也就是所谓的大爆炸发生了什么，科学家们需要一个量子引力理论：一个将广义相对论和量子力学结合起来的理论框架。

如果科学家们能够找到松散的线索，那么将这两种理论结合在一起，事情将会容易得多。问题是，量子力学和广义相对论都通过了它们曾经经历过的所有实验测试。但是广义相对论从未在黑洞附近被检验过，因为在那里，引力会展现出它真正的力量。这也是科学家们长期以来想要近距离观察黑洞的众多原因之一。

事实上，有趣的是，不管科学家们对黑洞的讨论是多么自信，但是从来没有人见过黑洞。他们花了几十年的时间建立数学模型，观察他们认为只能是黑洞的无形质量的间接影响，但从未有人得到过直接的观测。如果你可以近距离研究一个黑洞，你就可以测试几十年来堆积如山的预测。以人马座A*为例，人马座A*体型巨大，以宇宙标准来看，它就在附近，因此是近距离研究的最佳候选天体。仔细观测人马座A* 可以回答一长串棘手的问题。这里有一个例子：广义相对论预测，人马座A* 会投射出一个形状非常特殊的影子。如果天文学家们得到了那个阴影的照片，而它看起来并不像他们预期的那样，那么他们就在更深入地理解自然的过程中发现了一条重要线索。这将有力地证明爱因斯坦的方程式只是一些更深层次的物理定律的近似值，它将为更深层次的定律提供线索。如果科学家们能够理解自然最根本的一面，就像已故的史蒂芬·霍金曾经写过的那样，那将是“人类理性的终极胜利，因为那时我们应该能够了解上帝的思想。”

这是一本关于一群天文学家们拍摄第一张黑洞照片的书。他们称自己努力的项目为“事件视界望远镜”（Event Horizon Telescope，简写EHT）。他们的目标是人马座A*。

这本书报道了我从2012年2月开始。对于该项目近6年的深入了解。我跟随天文学家们到望远镜站点进行测试和观测，参加他们的正式会议，旁听他们的讨论，在他们的办公室闲逛，和他们住在一起，当面或者通过电话、电子邮件、Skype、Zoom以及短信进行了多得无法统计的采访。除了极少数例外，我是唯一在场的记者。

事件视界望远镜的科学家们为了能够看到人马座A*边缘，准备组建一个全球射电望远镜网络事件视界望远镜。当我准备开始追随事件视界望远镜组织里的科学家们的时候，我相信我会找到一个好故事。科学令人着迷，人很有趣，夏威夷和墨西哥等地的山顶天文台也非常棒。但直到有一天晚上，我坐在酒店酒吧里与一位聪明的天文学家交谈时，这一切才真正地结合在了一起。我们当时参加了一个为期一周的会议，几位EHT的科学家整个晚上都在酒吧的一张高桌旁走来走去，叹息并且很生气地抱怨着他们试图完成的组织架构图。当其他人都已经回到了自己的房间时，这位天文学家向我解释到底发生了什么。“你知道他们在吵什么，对吧？”他说。“他们在为谁的名字该出现在诺贝尔奖上而争吵。”

以上摘自《黑洞之影》作者序

《黑洞之影》讲述了一群科学家历经数十载，拍摄了第一张黑洞照片，对爱因斯坦的相对论进行了终极检验的冒险故事，并帮助回答了关于空间、时间、宇宙起源和实在本质最深层次的问题。

作者赛斯·弗莱彻花了五年时间跟踪科学家们的工作，见证了他们的努力、挫折和突破——比如安装同步原子钟的惊险细节场面，观测者如何在观测之夜祈祷好天气的喜怒哀乐。

在《黑洞之影》中，我们不仅能够了解银河系的复杂性、人类认知的边界，还能一窥现实的科学事业是如何运作，这是一次令人难以置信的科学之旅。

本书是《纽约时报》编辑推荐图书，主角谢普·多尔曼TED演讲深受欢迎。

——互动问题——

你对黑洞有哪些了解？

欢迎在文末留言，将随机抽选三位用户送出《黑洞之影》一本。

获奖名单将在下期“蝌学荐书”中公布，欢迎留言~

恭喜@Tearless、@小沈、@葡式蛋挞三位幸运粉丝获得上期荐书《高等数学（上册）精选750题》一本，请与蝌蚪君联系获取赠书哦，欢迎分享你的阅读体验~

来源： 蝌蚪五线谱