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学生科普专栏 | 揭秘宇宙黑洞
探索宇宙的奥秘，如同翻开一本惊心动魄的科幻小说。即使是神奇的中子星，也不过是沧海一粟。黑洞，那个吞噬一切，连光也逃不脱其掌控的神秘领域；白洞，那个神秘的出口，倾吐着不知从何而来的物质。这些都不再只是科幻电影的特效，而是科学家们的探索目标。让我们深入此刻的文章，一起游走在科学的边缘，探寻这黑与白、实与空之间的疆界，携手一同涉足这神秘而激动人心的科学之旅。
提到黑洞，大家或多或少都听说过，并且都有一个初步的印象：即引力巨大。之前我们提到过，黑洞的形成需要巨大的质量，极强的引力由此而生。看似简单，而事实上，科学家们早期提出的黑洞理论正来源于此。
黑洞的研究可以追溯到很久以前。1783年，英国地理学家（物理学家约翰·米歇尔）基于万有引力方程，设想了一个直径只有3千米的太阳，这种太阳足以使光线无法逃逸。1915年，名声大噪的物理学家爱因斯坦在广义相对论中的引力场方程中间接预言了黑洞的存在。再后来，德国科学家史瓦西基于爱因斯坦的理论，计算出了黑洞的各项架构，得到了描述黑洞的解。至此，人们关于黑洞的研究只存在于理论，没人知道宇宙中是否存在这么一种神奇的天体，但大胆猜想是科学的第一步。2017年4月，人类终于首次在真实世界中捕捉到黑洞的存在——科学家们拍到了黑洞照片。这张照片是对黑洞研究先驱者最好的回馈。
图一：史上第一张黑洞照片，模糊但却承载着无数人的心血
黑洞的研究从未停止，许多诺贝尔物理学奖得主由此诞生，比如著名的物理学家罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)，那么黑洞究竟有什么特点能如此吸引科学家们呢？
首先我们要知道，现有的黑洞模型都是基于相对论的。相对论几乎是目前为止最准确的解释宏观物体运动的模型，其中限定了一点：信息传播不能超光速。这里的“信息”，不只是日常生活中你收到的短信或者消息，而是你所能感知到的一切事物，比如你看到一个人，你收到了这个人的信息，你感觉很热，你就收到了热的信息。而黑洞，它竟然可以将光捕获！这意味着，黑洞内部的一切信息都不可能传播出来，如果你进入黑洞中，你将永远地与外界断开联系，消失在这个世界上。这几乎难以想象，不是吗？物理学家们对于这种未知充满了兴趣。正因如此，黑洞许多有趣的性质被挖掘了出来，其中一个就是时间旅行，根据相对论，强大的引力场会扭曲时空，导致和其他人不一样的时空体验，在黑洞如此极端的引力下，周围人的时间会被极大的拉伸，（这不是假设，是真正意义上的时间拉伸，这种时间拉伸现象已经得到证明，有现实例子），在黑洞边的一小时，地球上可能已经过去好几年，如果你想穿越到未来，去黑洞旁边住上一阵子再回地球，说不定世界已经大变样了。
人们对于黑洞外部的想象与推理已经颇具规模，但是对于其内部的模样仍然一无所知。事实上，就目前为止，探索黑洞内部的景象被认为是不可能的，我们无需考虑设备的问题。单就如前文所说，黑洞周围的时空会被扭曲，而接触到黑洞边界的一刻，时间将会被无限的拉长，也就是说，对于地球上的人们来说，接触黑洞的那个人的时间将永远静止在那一刻，再也无法进退半步，而就算真的有人进入了黑洞，他的信息也绝对无法传达出来。
尽管如此，还是有很多人对黑洞的真面目充满想象，它成为了许多科幻作品的重要角色，其中就有著名的《星际穿越》。还有科学家对黑洞的内部做出了假设，比如诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯。
图二：彭罗斯图，提出了史瓦西黑洞内部的奇点在时空图中与事件视界的关系
可以看到，除去黑洞外，这张图里面还提到了白洞的概念。黑洞与白洞是完完全全的对立面。黑洞吞噬万物，任何物体都逃脱不了；而白洞则“吐出”万物，任何物体都无法进入。但由于白洞目前只是一种假设天体，并没有其真实存在的证据。所以我们不会在这个系列中添加有关白洞的科学科普文章。
我们不仅要领略过天体的雄伟壮阔，而且也应关注宇宙的本质。在下次期刊中我们将介绍看不见又摸不着的暗物质。那么它究竟有什么供科学家研究的价值，以及科学家们是如何发现它的呢？敬请期待下篇文章！
2.Penrose, Roger (1965). Gravitational Collapse and Space-Time Singularities. Physical Review Letters, 14(3), 57–59. doi:10.1103/physrevlett.14.57
3.A. Einstein (1916). Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie. , 354(7), 769–822. doi:10.1002/andp.19163540702
4.Bianchi E, Christodoulou M, d’Ambrosio F, et al. White holes as remnants: a surprising scenario for the end of a black hole[J]. Classical and Quantum Gravity, 2018, 35(22): 225003.
5.Curiel, E. (2009). Singularities and black holes.
1.https://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole 上认为早期人们对于质量大到连光都无法逃脱的天体的大小预测是500倍太阳直径。
