郝景芳：论黑洞和幽灵的N个相似点
两周前，黑洞照片公布后，我们在公众号后台收到了许多留言，希望我们可以和大家讲一讲关于黑洞的知识，或者该怎么和孩子谈论这个略显深奥话题。今天，我们转载了晴妈说的这篇关于黑洞的文章，听景芳和我们聊聊这张黑洞照片背后的神奇之处。
写在前面：
两周前网络上公布了一张黑洞的照片，引起一片轰动。当时我在法国，没来得及写一写，现在热点过去，也正好可以耐心下来，让我掰开揉碎细细道来。
这张照片到底有什么神奇的地方呢？黑洞到底是什么呢？今天我给大家做一个灵魂画手版讲解。
简单说一点我的背景：我本科和研究生做的毕业设计内容都是关于黑洞观测。我当时发表的论文是在Astrophysics Journal上面，试图为一个黑洞建立喷流几何模型，做过有关黑洞的X射线和射电波观测。
今天的文章是希望能让外行人也能简单了解黑洞，所以写得简单易懂。文章最后，我还会用我另一个身份，樱桃舰长，给孩子讲一下这个问题。前面部分没耐心看的，可以直接拉到最后，跟小朋友一起看最简版。
我这次大致讲这么几个问题：
黑洞是什么？
黑洞为什么看不见？
看不见的黑洞怎么照相？
这次的黑洞照片有什么不同寻常？
我们就从这次发布的照片谈起。
这一次的照片为什么引起这么大的轰动呢？
因为它照出了“幽灵的样子”。
黑洞是什么？
黑洞是什么呢？简单点说，黑洞是科学家的一个想象。
黑洞并不是某种我们明确看到的东西，就像一座山，我们看到了，说“山”。恰恰相反，黑洞是看不到的，人们只是想象出它的存在。
为什么会这样呢？
原因是，宇宙里有一些极端的情况，如果不想象出黑洞，是解释不出来的。就像村子里出现灵异现象，如果不想象出幽灵，就解释不出来一样。
那么科学家会不会也像大仙一样，属于装神弄鬼的自high呢？
想要跟随科学家的脚步，抽丝剥茧自证清白，就得先了解一下背景信息：村子里出现了什么灵异现象，为什么非要想象出“幽灵”来解释呢？
疑难杂症一：恒星死掉之后去哪儿了？
就像无法解释村子里的人死掉之后去哪儿了，于是想出幽灵，科学家们也无法解释一些恒星死后去哪儿了，于是想象说这些恒星死后成为了黑洞。
那么恒星死亡之后到底会怎么样呢？
所有的恒星都会死亡，恒星的死亡一般会非常剧烈，爆发出极为强烈的灿烂烟火。中等个头大小的恒星会经历超新星爆发，然后核心躯体变成一颗白矮星。大一些的恒星死掉之后会变成中子星。
什么是白矮星呢？就是一种很小、很重的星星。
什么是中子星呢？就是一种更小、更重的星星。
更大的恒星死掉之后会怎么样呢？人类已知的力和物质形态都没法给出答案了，只能说一切物质都会向中心坠落，于是史瓦西猜想，这会形成一种新的天体，叫黑洞。
难杂症二：这些高能量现象是谁干的？
就像无法解释村子里一些奇异现象是如何发生的，于是想象说是幽灵干的，科学家们遇到难以解释的奇异天文现象，也想象说这都是黑洞干的。
都有哪些奇异的天文现象呢？
例如宇宙中的高能量喷流。高能量喷流就好比是宇宙中有某个机关枪喷射出的连续烈焰，只是能量实在是太高了，比人类所知的最高能现象核聚变所能释放的能量还高。科学家们解释不了，于是说一定是黑洞干的。
反正黑洞看不见，它不背锅谁背锅。
但这双重推测靠谱吗？会不会也就像“幽灵”一样，最终证明只是神棍臆测？
所以科学家们才要努力“看见黑洞”，因为他们要为自己证明：不，我们不是神棍，我们能看见“幽灵”！
黑洞为什么看不见？
黑洞是什么呢？从定义上说，黑洞就是“看不见的天体”。
我们要从人类是怎样“看见”事物说起。人类“看见”一样东西，是因为这样东西发出的光进入人的眼睛。
如果一样东西把光都吸收了，没有光进入我们的眼睛，我们看起来它就是黑色的。
黑洞就是没有光发出来的天体，我们看不见，所以被称作“黑洞”。
你可能会说，黑色的东西我们也能看见呀？
通常我们能看见黑色物体，因为它的背景是浅色背景。白纸上的黑点我们当然能看见。但宇宙是什么样呢？宇宙本身几乎就是全黑的，只有零星星光。在全黑背景里看一个黑体，那就是下面这样。你觉得还能看见吗？
眼力大比拼：请找出图中的黑色天体
而且，黑洞还不是生活里一般的黑色物体，黑洞是完全看不见的星体。
我们生活里一般的黑色的物体，只是在“可见光”波段没有发光，但是在其他光波波段，是能够发光的。
例如，我们虽然在黑夜里看不见一些东西，可是一旦戴上红外线望远镜，就能让夜晚的一切显形。宇宙里的天体更是这样，即使红外线不发光，也总可以找到一段光波范围，看到这个天体发的光。
红外线夜视仪夜晚拍摄：啊哈，我逮到你了
但是，黑洞不是这样的。
黑洞是在任何一个光波波段，都不发光。也就是说，我们无论拿哪个光波波段的望远镜去观测，都看不见黑洞。
它是一个真正意义上的“看不见的天体”。
为什么黑洞有这样的本领呢？
最主要的原因，是黑洞能让所有光线坠落其中。
黑洞就像是宇宙里的一个巨大的陷阱，有谁一不小心踏足进去，就再也别想跳出来，一定会坠到深渊里，连光也不例外。
那为什么黑洞能成为一个深渊陷阱呢？
原因是黑洞引力太大了。
根据科学家的理论，黑洞是在一个极小的范围内聚集了极大的质量，也就是引力极大。爱因斯坦的相对论认为，引力能改变时空结构，让时空形成深渊。这样的深渊就像一个陷阱，连光都逃不出去。
因此，黑洞就是一个彻底的“隐形幽灵”。
怎么观测到黑洞呢？
在这种情况下，我们该怎样“看见黑洞”呢？
如果永远都看不见黑洞，而又说得头头是道，那和村里以神鬼解释世界有何不同？
该如何让黑洞现身呢？
我们可以回想一下生活里的黑色物体。前面说过，为什么我们能看见生活里的黑色呢？原因是背景是浅色。当黑色圆点画在白色纸面上，就能看得清清楚楚。
说到底，“看见”都是相对的。“恶”本身是看不见的，只有和“善”相对，才能看见“恶”。
那如果我们想让黑洞看清楚，该怎么办呢？也许你已经想到了：只要我们让黑洞周围的事物亮起来，中间黑着的部分就能看清楚了。
黑洞周围的事物该怎么看到呢？
灵异最多的地方，就是让鬼现形的地方。
高能量天文现象，尤其是喷流，就是让黑洞现身的地方。科学家做出一个猜想模型。他们猜测：当宇宙中的气体物质接近黑洞的时侯，会形成一个气体盘子，绕着黑洞转，叫吸积盘。这个盘子会发出很高能量的光。此外，随着物质向黑洞方向坠落，在没有掉进黑洞之前，就被黑洞的强磁场抛射出去，就像一上一下两挺机关枪，就是喷流。
这样的猜测或故事靠谱吗？
想知道猜测模型是不是真的，还是得用法宝照妖镜去观察。所幸的是，吸积盘和喷流，用X射线和射电波能大致看到。当我们用高分辨率的X射线和射电波望远镜对准目标星体，就可以大致勾勒出吸积盘和喷流的造型。
到目前为止，所有的观测都支持这个猜测模型。我曾经的工作就是用X射线望远镜数据观测黑洞的吸积盘和喷流。这是世界上最有趣的工作之一。
我曾经用过数据的X射线望远镜Chandra拍摄的宇宙照片
这次的黑洞照片有什么不同寻常？
过去的观测已经在相当大程度上印证了科学家猜测的黑洞模型。但还不是真的看黑洞，只是看黑洞周围发亮的地方，它们还离黑洞还有一小段距离。这就好比桌上有一个黑手机，在黑夜里看不清楚，但如果桌面整体发光，就能大致知道黑乎乎的地方就是手机了。
而这一次是怎样呢？是通过精细的观测，看到了一圈发亮的手机壳。连手机壳都看到了，手机就也算是看到了吧！
黑洞内部我们是永远看不见的，能看到最贴近黑洞的一圈轮廓，已经算是很厉害了。
黑洞引力效应示意图，艺术想象
这一圈轮廓到底是什么呢？
还记得我们前面说过吗，引力太强大，能把时空改变，让光线都弯曲方向。如果在黑洞“视界”（黑洞边界的名称）内，所有光线都逃不出来，全都被引力拉向中央。那在“视界”外呢？光线会被引力弯曲，几乎就要拽到黑洞深渊里，但还没完全拽进去，还是有一些光可以绕着黑洞转，形成一圈亮光。
这就是我们看到的照片上的一圈亮光：黑洞手机的手机壳。
其中有一些不对称的地方，有一侧更亮，另一侧更暗，这是怎么回事呢？这叫“多普勒效应”，是指朝向我们的光看上去能量增强，背向我们的光看上去能量减弱。
这次观测的星系，有什么特殊吗？一点都不特殊。宇宙中有不同尺度的黑洞，恒星形成的黑洞很小，而在每个星系中央，可能都有一个超大质量黑洞，可能和星系形成过程有关。我们银河系和M87星系，都只是很普通的星系超大质量黑洞。
总而言之，这次看到的黑洞，就和科学家的猜想一模一样。
星系中心的超大质量黑洞和喷流，根据观测数据形成的艺术想象
所以，你也许能明白了，这次的照片为什么引起这么多惊叹。
因为这次的照片，和人们预期的一样。
你设想一下：如果你是某个小渔村的村民，没出过远门，只看到远方模糊有一片乌云和高山，你们村子里有个人讲了个远山背面的怪兽的长相。结果有一天，终于有人带来了远山背面怪兽的照片，跟你们村子里那个人说的一模一样！你说惊奇吗？
也许你有一点点get到这张照片为什么令科学家这么激动了。
上面说到的理论：引力影响时空，让光线弯曲，引力足够大会将光线都吸收进肚子里，黑洞的存在，这都是爱因斯坦广义相对论场方程算出的结果。
爱因斯坦就是那个小渔村里看见远山背后怪兽的人啊。
如是，方知伟大。
最后，接近尾声的地方，我谈一下这次的观测手段：甚长基线射电阵列。
射电波是所有光波的一种，是波长最长的光波，我们平时的手机通讯、电视和互联网、GPS导航，使用的都是射电波。宇宙中有非常多射电波信号，它是远距离传输被吸收最少的光波之一。
射电波需要天线探测，天线的基线越长，探测的精度越高。而许多射电天线组成阵列，又能得到更加精确的观测。
天文探测始终是人类国际合作的结果。这次的探测是全世界八个观测站联合探测，用了几年才做到一次有效观测。
现代科学一直是全球的、全人类的，根本不存在什么东方科学、西方科学，只存在“科学”和“其他”。
最后的最后，谈一点想法。
黑洞和幽灵究竟有多少共同点呢？其实，科学研究和神怪猜想，从出发点的角度，并没有本质不同，就是在给未知现象寻找原因。
但是科学在信念和方法上，与神怪猜想有本质区别。神怪猜想是“怎么说都对”，而科学相信，万事万物是可以用数学描述，并且可以由观测加以验证。这里的数学，指的不是数字计算，而是一种理性的抽象语言。
数学的本质不是计算，而是试图找到普遍性的规律，用抽象原则去描述，用理性加以推导。《自然哲学的数学原理》就是在这个意义上有开创性效果。此外，科学相信观测实验“可证伪”理论说法，永远尊重观测，不相信“信我得永生”的忽悠。
抽象和观测，是科学的核心，也是人类知识真正向前发展的源动力。
这次的照片，是又一次印证。
好了，今天的讲述就到这里了。不知道这样的讲述你能听懂吗？欢迎留言告诉我。
最后，我换上樱桃舰长的身份，给孩子用简单的语言讲一遍。对于八岁以上的孩子，是可以给他们按照前面的逻辑顺序慢慢讲一遍的。其中重要的是：
从怎样的疑难问题——为什么需要黑洞
提出了怎样的猜想——黑洞的假设
用什么样的观测手段——多信号观测
印证猜想——黑洞照片被看到。
这样的逻辑顺序就是科学探知的思路，它就是人类运用批判性思维研究科学的常规路径。在我看来，它比知识本身更重要。
对于学龄前儿童，可能没有这样批判性思维的能力，那我们可以用最简单的方式，满足他们的好奇心。
樱桃舰长小课堂
Hi，小朋友，我是樱桃舰长，有关黑洞有什么想问的，你就问吧！
樱桃舰长，黑洞是什么啊？
黑洞就是一种看不见的星体。
为什么看不见呀？
因为黑洞把所有光线都吃掉了呀。
为什么黑洞能把所有光线都吃掉呢？
因为黑洞特别重，引力特别大。
为什么引力大就能把光线都吃掉呢？
因为根据广义相对论的猜想，引力能改变时间空间，就像在蹦床上放一个大球，蹦床就陷下去了，引力也能让时空陷下去。
广义相对论是什么啊？
广义相对论是爱因斯坦提出的理论，已经得到了多次印证。
既然黑洞看不见，为什么能给它拍照呢？
好问题！因为黑洞能把光线弯折，所以黑洞周围有一圈被它弯折的光线，这次人们就是拍到了这圈光。
好厉害，人们是怎么做到的？
用全球好多个天线阵列一起拍的，是全球合作的结果呢！
好了，我们今天的樱桃舰长小课堂就到这里了，小朋友再见！
关于黑洞，你的孩子还提出过哪些有趣的问题呢？欢迎下方留言和我们分享。
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郝景芳
世界科幻最高奖「雨果奖」得主
清华大学天体物理硕士、经济学博士
童行学院创始人，2018年世界青年领袖
下面是一个改版小预告：
在上面出现的这张新头像，是童行学院樱桃舰长的新造型，小朋友喜欢吗？再来看看樱桃舰长的全身像吧：
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