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广义相对论所预言的神奇天体——黑洞

广义相对论认为，当时空弯曲无限大时，会形成一个甚至连光都会被“吞噬”而无法逃脱的不可思议的区域。1967年，美国物理学家约翰·惠勒（1911～2008）将这一神奇天体命名为“黑洞”。更加神奇的是，在黑洞表面，时间是停止的。

我们不禁会问：真的存在一种连光都能吞噬、让时间停止的神奇天体吗？当时，甚至连爱因斯坦都认为黑洞仅仅是理论上的产物而怀疑其并不真实存在。

由于黑洞本身不发光，因此无法直接观测到。20世纪70年代，科学家观测到来自天鹅座X-1的X射线，从而证实了黑洞的存在。黑洞周围的物质被巨大的引力所吸引，逐渐螺旋下落形成一个吸积盘。吸积盘在高温下将释放X射线等光（电磁波），因此可以间接观测到黑洞。

图1.实际观测到被认为仅理论上存在的天体

图片为从邻近的恒星掠夺和吞噬气体的黑洞的想象图。黑洞是如何形成的？内部状态是怎样的？喷流的加速机制是什么？今天，黑洞依然有许多未解之谜，科学家正在不断努力以取得突破。

借助于安装在智利的极大望远镜来寻找黑洞的身影

在利用短波长的X射线来观测黑洞的同时，利用波长较长的亚毫米波观测黑洞的研究也取得了长足进步。亚毫米波是指波长介于0.1～1毫米的电磁波。研究认为，星系中心存在着巨大的黑洞。由于星系中心被等离子体云团（电离气体）所覆盖，大部分电磁波被遮挡而无法穿透，因此很难观测到黑洞周围的情形。不过，由于一部分亚毫米波能够穿透等离子体云团，因此，科学家希望借助于亚毫米波来详细观测黑洞。

坐落于智利阿塔卡马沙漠的亚毫米波阵列望远镜（ALMA）是世界上最强大的射电天文望远镜，拥有世界最高分辨率。研究认为，借助于ALMA的帮助，或许能够观测到黑洞的“影子”。

100年前，广义相对论预言了时空涟漪——引力波的存在

当地时间2016年2月11日，一个消息引起了全世界的关注：美国引力波探测站LIGO直接探测到了时空涟漪——引力波。

引力波是指空间伸缩以波的形式向周围传播的现象。广义相对论认为，黑洞和中子星（几乎全部由组成原子核的要素中子构成的、密度极高的天体）等超高密度物体运动时，其所导致的空间波动会像水面上泛起的波纹那样向四周扩散。黑洞合并或中子星合并时会发射出强烈的引力波，引力波通过地球时将导致空间波动。波动大小因产生引力波的天体与地球之间的距离而异，不过，总体上来说，是极其微小的。例如，在太阳到地球这么长的距离内，一般引力波所导致的空间波动只有一个原子那么大，很难被直接探测到。因此，引力波也被称为“爱因斯坦最后的预言”。自广义相对论预言存在引力波以来，历经百年探索，人类终于首次直接探测到了引力波，证实了爱因斯坦的最后一项预言。

据新闻发布会介绍，引力波是于2015年9月14日由经过升级改造、灵敏度进一步提升后的Advanced LIGO在试运行仅仅2天之后发现的。分析结果表明，这次探测到的引力波是由相互绕转的两个黑洞逐渐靠近，最后碰撞合并在一起时所产生的。发生碰撞的两个黑洞的质量分别是太阳质量的36倍和29倍，合并后的黑洞质量为太阳质量的62倍。

36加上29等于65，合并前两个黑洞的总质量为太阳质量的65倍，合并后却只有62倍。研究认为，根据质能公式E=mc²，损失的那3个太阳质量转化为巨大的能量，以引力波的形式被释放到了宇宙空间。这次探测到的空间波动最大为1毫米的1万亿分之1的100万分之1（10^-16毫米）。引力波波源在大麦云所在的方向，距离地球大约13亿光年。

能够穿透所有的物质是引力波的一大特点。利用这一特点，或许可以获取更多来自宇宙的信息。例如，无法通过天文观测获悉的有关超新星爆发（恒星大爆炸）机制的信息、有关宇宙诞生之初的暴胀（急剧膨胀）的信息等。

要想获取引力波波源的准确信息，仅仅LIGO还不能完成这一重任。目前，多个国家都投入了巨资建造引力波探测网，试图发现引力波的神秘踪迹。日本在岐阜县神冈矿山地下建造了引力波探测站KAGRA，第一期实验设施在2015年11月已经基本完成，目前正在进行试运行和进一步调试。此外，欧洲的引力波探测站VIRGO也正在进行升级改造，升级后将以更高的灵敏度来探测引力波。可以说，2016年是引力波天文学研究的开启之年。

图2. LIGO实际探测到的空间伸缩

宇宙论诞生于相对论，并致力于探索宇宙的起源

我们生活的宇宙是如何诞生的？在广义相对论诞生之前，几乎没有人从科学角度讨论过这个问题，甚至连爱因斯坦也认为宇宙是没有起点的。

不过，广义相对论表明，空间并非是不变化的，具有质量的物体会导致周围的空间弯曲。1922年，前苏联宇宙物理学家亚历山大·弗里德曼（1888～1925）将广义相对论应用于整个宇宙，从而推导出整个宇宙空间可以膨胀或收缩。正是基于宇宙空间能够变化这一观点，才诞生了真正意义上的宇宙学（cosmology），人类开始探索宇宙的诞生、演化与未来。

1929年，美国天文学家爱德温·哈勃（1889～1953）发现距离越远的星系正以越来越快的速度远离我们，这意味着整个宇宙空间在不断膨胀。假如时光倒流的话，整个宇宙空间将不断变小，最终回到宇宙诞生的瞬间。那么，宇宙是如何诞生的？又是怎样演化的呢？

一种观点认为，宇宙是在距今大约138亿年前从不存在时间和空间的“虚无”诞生的。诞生后，宇宙在远远短于1秒的时间内急剧膨胀到大约10⁴³倍（1万亿×1万亿×1万亿×1000万倍），这一现象称为暴胀。诞生10^-27秒后，在宇宙停止暴胀的同时，根据质能公式E=mc²，暴胀所引发的能量转化为基本粒子（构成物质的基础）和光，从而诞生了物质与光。之后，宇宙成为一个超高温、超高密度的炽热空间，这一过程称为宇宙大爆炸。

后来，宇宙的膨胀速度（与暴胀时期相比）逐渐变缓，经过漫长的时间后，温度逐步减低、冷却，形成了原子，诞生了星体和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）