科普黑洞，开启了物理学的一个新时代

　　2020年10月6日，英国人罗杰彭罗斯、德国人赖因哈德根策尔和美国人安德烈娅盖兹因在黑洞研究中做出的贡献而被授予2020年诺贝尔物理学奖。黑洞是什么？为什么说黑洞不黑？能看到黑洞吗？人类能否制造黑洞？接下来，就让老郭来为您盘点一下这些与黑洞有关的物理学知识。
　　一、黑洞是什么？
　　日常生活中的洞通常都是物质缺失的地方，黑洞其实恰恰相反，它是缺失的对立面，那里是质量非常密集的地方，如此巨大的质量导致强大的重力可以吸引任何物质，甚至连光都不能够逃离它的束缚。黑洞就像宇宙空间中的旋涡，吸进一切靠近它的物体。
　　严格来说，黑洞并不是一个非常新的科学概念，早在18世纪，牧师兼地质学家的约翰米切尔就从理论上思考过可能存在一种其逃逸速度大于光速的天体，不过米切尔并没有真正推理出这样的物体确实存在，只不过这是当时的一种想法。
　　1915年，爱因斯坦提出了著名的广义相对论，随后广义相对论被用于宇宙学领域的研究，科学家们通过理论推导发现，大质量恒星可以塌缩成黑洞，并预言了黑洞有可能对周围物质造成的影响。通过观察这些影响，天文学家们有可能发现黑洞的存在。
　　20世纪20年代，德国物理学家卡尔史瓦西用广义相对论建立了黑洞的数学模型，指出了黑洞视界面的存在，并给出了视界面的大小，这就是著名的史瓦西半径。史瓦西用一个简单的方程向大家展示了黑洞大小与其质量之间的关系。
　　20世纪60年代，美国物理学家约翰惠勒给这种天体命名为黑洞，随着更多的科学家加入黑洞的研究，黑洞这个名称就被科学界普遍接纳下来。二、黑洞其实不黑
　　从可见光的角度来说，黑色就是不反射光，对于黑洞来说，科学家们也曾经这么认为，黑洞是不会向外辐射电磁波的。
　　刚刚获得诺奖的英国物理学家彭若斯在研究带电且旋转的黑洞的时候发现，在这种黑洞的视界面和无限红移面之间存在着能层，而能层中除了正常的正能轨道之外还存在着负能轨道。如果一个物体只在黑洞引力的作用下飞入黑洞的能层，并且碎裂成两块，如果其中一块沿着负能轨道落入黑洞内部，则另一块碎片就会沿着测地线飞往无穷远。
　　对于无穷远的观测者来说，这个飞出黑洞的物体，其出射能量大于入射能量。这个过程被称为彭若斯过程。受彭若斯过程的启发，米斯纳预言黑洞存在类似于受激辐射的超辐射。按照爱因斯坦在研究原子对光的发射和吸收时提出辐射有两种，一种是自发辐射，另一种是受激辐射的思路影响，人们很快就得出了黑洞存在自发辐射的结论。
　　对于黑洞自发辐射研究做出卓越贡献的物理学家就是斯蒂芬霍金，这就是后来著名的霍金辐射。霍金辐射的发现完全出乎科学家们的预料，它表明黑洞不是一颗僵死的星，而是有着丰富内涵的。黑洞不是一个只进不出的洞，它能向外辐射粒子。黑洞不是恒星演化的最终归宿，而是恒星演化的一个阶段。
　　从此，黑洞不再是茫茫黑夜中的黑点，而是周围发生着激烈效应的星体。黑洞热效应的意义深远，已经超出了天体物理学的范畴，它揭示了引力效应与热效应的深刻联系，预示着物理学一个新时代的到来。正因为彭若斯对于黑洞研究的贡献，才会被授予诺贝尔物理学奖。
　　三、黑洞能被看到吗？
　　北京时间2019年10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布人类历史上首张黑洞真容。这一由200多名科研人员历时10余年、从四大洲8个观测点捕获的视觉证据，有望证实爱因斯坦广义相对论在极端条件下仍然成立。
　　露出真容的黑洞，位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环。这是人类第一次凝视曾经只存在于理论中的天体黑洞，一种体积极小、质量极大的天体，如同一个宇宙吞噬之口，连光也无法逃逸。
　　四、人类能否制造黑洞？
　　如今粒子加速器已经足够强大，有可能在地球上产生微小的黑洞。2008年6月，吉汀斯教授在报告中称，欧洲的科学家很快就会利用粒子加速器制造出人造黑洞。这些微型黑洞与宇宙形成时就已经存在的黑洞类似。由于霍金辐射的存在，这些小黑洞只能存在很短的时间。
　　结束语
　　尽管黑洞对于大多数喜欢科普的读者来说已经不是什么新概念了，但科学家们对黑洞仍然充满着激情，对于黑洞的深入研究，有助于破解一些宇宙中的基本奥秘。也许你就是那个揭开谜题的人也说不定，看好你们哟。