林潮：当两个黑洞相互“撞车”，宇宙会发生什么？

今天我想和大家讨论的话题是黑洞——当“小”黑洞在宇宙“漩涡”中相遇。

为什么要讲这个课题？因为在人类最关心的宇宙问题中，始终有三个核心问题：第一，宇宙是如何起源的；第二，地球之外是否存在生命；第三，什么是黑洞，以及黑洞周围究竟发生着怎样的物理过程。

实际上，这三个问题之间彼此关联。今天，我想带大家一起了解宇宙中最神秘、也可能最简单的天体——黑洞。我们将看看，人类是如何一步步揭开黑洞秘密，又是从什么时候开始对黑洞感兴趣，以及今天我们对黑洞的研究发展到了什么程度，未来还会有哪些新的展望。

2026年10月，林潮教授受墨子沙龙邀请，在上海科技馆做题为“当‘小’黑洞在宇宙‘漩涡’中相遇——引力波的新故事”的讲座活动，本文根据活动内容整理而成。

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理论奠基

黑洞这一概念的理论基础，是在一百多年前，由爱因斯坦建立起来的。当时，爱因斯坦的想法是：能否用统一的数学理论，解释宇宙中的各种物理现象，并统一不同的力。他首先研究的是引力。

在牛顿的理论中，引力使我们站在地球上，而不会飘向空中。牛顿认为，物体之间存在万有引力，会彼此吸引。但爱因斯坦提出了不同的理解。他认为，力并不像物质那样可以被直接触摸和衡量，它其实是一个抽象概念，所以这个概念，可以用时间与空间本身的改变来代替。例如，地球存在于空间中，就像一个人躺在床垫上，会把床垫压出一个凹陷，时间和空间本身不是绝对的，物体在不绝对的时间、空间中运动时，对它产生了一些影响，所以看起来就像受到了引力的作用。由此，爱因斯坦提出了广义相对论——用时空的弯曲来取代引力的传统概念。

理论提出之后，还需要实验验证。英国天文学家爱丁顿（Eddington）思考：怎样证明爱因斯坦是对的？他认为，如果时间和空间真的会被物质的存在所影响，它的表面就会出现弯曲，那么光线在弯曲的时空中传播时，也应该发生弯折。于是，他利用日食进行观测。平时，太阳耀眼的光会遮挡后方恒星，但在日食时，太阳被月球遮住，人们就有机会看到原本位于太阳后方的恒星。这说明，恒星发出的光在经过太阳附近时，被太阳周围弯曲的时空改变了轨道。

另一位德国物理学家史瓦西（Schwarzschild）进一步思考：如果太阳这样的天体已经能够使光线弯曲，那么如果把太阳压缩得极小、密度极大，会发生什么？答案是，在距离这样的太阳非常近的时候，时空的弯曲会非常大，甚至连光进入之后都无法逃离。

后来，美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）正式将这种天体命名为“Black Hole”——黑洞。

为什么叫“黑”？因为光都逃不出来。为什么叫“洞”？因为它像时空中的一个深坑，周围的一切都会被吸进去。你会看到在它的内部，时空表面的坡度非常陡，这样一来任何物质哪怕是光都无法逃脱，这被称为视界，意味着所视的边界，所以我们无法看到黑洞里面发出的光。在黑洞中心，物质密度会高到不可想象，甚至可能集中于一个奇点，而奇点内部究竟发生什么，我们至今仍然不知道。

最初，人们认为黑洞完全是黑的。但五十年前，英国数学家彭罗斯（Penrose）提出：也许我们能够从黑洞中提取能量。他设想，在黑洞附近，电子与反电子可能成对产生，其中一个落入黑洞，另一个逃逸出去，于是能量便可能被带出来。

后来，霍金（Stephen Hawking）进一步发展了这一思想。霍金提出：即使黑洞不旋转，在量子效应下，真空中仍然会不断产生电子与反电子。一部分掉入黑洞，另一部分逃离，于是黑洞会向外辐射能量，这就是著名的霍金辐射。1972年，霍金正式提出这一理论，把量子力学与引力理论联系在一起。不过，这一理论直到今天仍有许多争议，人们仍在不断探索。

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“眼见”为实

在天文学当中，理论必须经过观测验证。在黑洞的概念发表了大约60年以后，意大利物理学家贾科尼（Giacconi）第一次发现黑洞。20世纪70年代初，他利用X射线卫星观测宇宙，发现宇宙中存在许多极其强烈的X射线源。这些X射线往往来自双星系统中的一颗看不见的天体。

当时是1973年，贾科尼召集了我和我的同学们，为我们讲解这些技术和发现，让我们思考能否解释这个现象，大家提出了各种假设，其中就包括黑洞。后来，经过长期研究，人们逐渐确认：这些看不见的致密天体，正是黑洞。2002年，贾科尼因此获得诺贝尔奖。

80年代中期，科学家开始观测银河系中心区域的恒星运动，这个观测行为为我们带来了一个伟大的发现：银河系中心存在一个质量约为太阳400万倍的超大质量黑洞。2020年，莱因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）因这一发现获得诺贝尔奖，彭罗斯也因黑洞理论研究共同获奖。

那么，他们是如何观测到黑洞的呢？首先，他们利用高精探测确定恒星位置，发现许多恒星的运行轨道都围绕着一个看不见的中心，虽然那里看不到任何光，但这些恒星明显受到了强大的引力，正是这个力使我们知道，它的中心有一个巨大的黑洞，也就是我们前面说的质量约为太阳400万倍的超大质量黑洞。通过这些运动的过程，我们甚至可以分析整个相对论所提出来的引力场，到底是在什么样的情况下起这些作用。

在20世纪60年代，美国加州理工学院的天文学家施密特（Martin Schmidt）在宇宙中发现了一些光源，它们距离地球极其遥远，但亮度惊人，甚至比太阳亮几十亿倍，同时它极其致密，像是一个点。后来，我的导师之一英国数学家兼理论学家林登贝尔（Donald Lynden-Bell）提出：我们看到的这些光是物质落入黑洞前，在周围高速旋转、剧烈摩擦产生的。

这个想法倒转了黑洞的概念，黑洞会发光，但这些光并不是黑洞本身发出的，是物质在黑洞周围摩擦，产生强烈的热量，使我们看到了这个现象。这是一个非常具有历史意义的发现，他们两位因此共同获得了卡夫里奖。

最近十年，我们迎来了新的发展，我们第一次真正看到了黑洞附近的一些光。这些光需要不同的射电望远镜在地球的不同地区同时观测，这些望远镜被统一称为事件视界望远镜。通过干涉仪的方法，我们在银河系中心，找到了黑洞的迹象。

在黑洞照片里，中央黑暗区域，是黑洞的视界，周围发亮的部分，则是气体发热后形成的亮光。这些光在传播过程中，需要绕过黑洞周围弯曲的引力场，才能来到我们的望远镜中，因此我们看到的并不是直线传播的光，而是被扭曲后的。

如今，借助最新的空间望远镜，包括哈勃和韦布空间望远镜，人类已经能够看到极其遥远的宇宙。

有时，我们会发现同一个区域里，似乎出现了多个类星体，而这些类星体往往有着十分相似的光谱，仿佛它们是一模一样的东西。那么，为什么一个类星体会出现许多个影像？这是因为，这些远距离的光源，是经过被扭曲的引力场后，才抵达我们的望远镜。也就是说，我们看到的是同一个亮点，通过不同的轨道达到我们视野的结果。就像我在讲话，你可能会听到回音，声音被前后左右的墙壁反射，所以有不同的回音，让你觉得我讲话的声音来自一个空间，而不是一个点。这就说明，在时间空间被影响的宇宙中，光的来源也会受到影响。

通过韦布望远镜，我们可以看到极远距离发出的光，这些光需要花费极长的时间传播，所以，实际上我们看到的光来自很久以前，甚至包括宇宙初期。比如，这些韦布望远镜发现的大量“小红点”，它们出现得非常普遍，极有可能是宇宙早期形成的超大质量黑洞。通过观测这些光源，我们可以窥见整个宇宙的演化过程。

说到这里，我总结一下黑洞家族的类型。依照质量范围，黑洞分为恒星级黑洞、中等质量黑洞、超大质量黑洞和原初黑洞。恒星级黑洞有些只有一两个太阳的质量，中等质量黑洞往往有一百个到上百万个太阳质量，它们大多是在一些星团中被发现，而更巨大的超大质量黑洞，可以达到十几亿甚至上百亿太阳的质量。这些多样的黑洞为我们提供了丰富的研究课题。

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“耳听”不虚

关于黑洞研究，最近十年里有一个巨大的进展，它源自我们发现的一些新现象。而这个现象并非源于光，而是源于黑洞运转中被改变的时间和空间，这些时间和空间被不断的拉开、缩小，由此产生了引力波。

爱因斯坦早在1915年就预言：如果两个黑洞互相绕转并最终合并，它们会扰动周围时空，并向外传播时空涟漪，这就是引力波。不过，由于需要极高的观测精度，爱因斯坦认为引力波是无法被观测到的。然而一百年后，人们真的探测到了它。

在具体讲解之前，我想先通过一段动画帮助大家理解引力波的概念。动画中，两个黑洞互相绕转并影响到周围的时间和空间时，会产生一个波，在波的传导过程中，两个黑洞间的引力逐渐增强，最终，两个黑洞合并。我们将这个过程末尾的0.017秒慢放，你会看到它们对空间和时间的影响是怎样的——两个黑洞的视界连接后，强烈的时空影响产生，引力波向宇宙各地传导。

在2015年，人类首次真正探测到引力波，这一成果最终获得诺贝尔奖。其中一位获奖者名为基普·索恩（Kip Thorne），他曾担任电影《星际穿越》的科学顾问。

那么，他们是如何发现引力波的？简单来说，就是利用激光干涉仪，测量光源和几枚镜子之间光的极微小变化，这些变化实际上是时间和空间的改变，过程中会产生有价值的信号。

前面我们说过，观测引力波需要极高的精度，同时还需要很长的baseline，所以，这些科学家们在全球很多地方，包括欧洲、美国、印度、日本等地进行了观测。

目前，我们已经探测到200多个黑洞合并事件，通过这些事件，我们可以知道黑洞的质量、旋转速度等信息，由此，我们得以假定一些边界条件是如何发生的。

在2015-2017年间，我正好在普林斯顿的高等研究所做访问学者，这个研究所也是爱因斯坦在人生最后三十年中工作的地方。

在那里，我的主要研究内容是小黑洞的来源。在活动星系核中，存在巨大黑洞，这些黑洞周围吸积盘里的光在不断变化，我们的一种设想是，通过观测这些光的变化，来了解吸积盘的结构，它的原理有点像回音壁的反射。通过研究，我们知道了在巨黑洞周围的吸积盘内会形成大量新恒星，包括我们在银河系中心看到的恒星，而这些恒星会快速演化，形成许多小黑洞和新的行星。这些行星和小黑洞之间会发生相互作用、捕获与合并。

这些是我本人在普林斯顿高等研究所进行的相关研究，当时，我住在爱因斯坦曾经住过的房子里，在那里获得了很多启发。今天，我仍然在与许多来自清华、北美的学生一起继续研究这些问题，希望进一步验证相关理论。

未来三十年，关于黑洞的探测研究将分为两部分继续快速发展，一部分是在地面上做引力波的研究，另一部分则是发射空间站。

在这个过程中，中国的研究者也发挥着巨大作用，其中一个非常重要的贡献就是中国天眼。得益于天眼的巨大面积，我们可以观察到宇宙周围的中子星，这些中子星像宇宙中的灯塔，它们不停旋转，规律地发出脉冲信号，也就是所谓的脉冲星。这个过程就像是提供了一个非常准确的时间表，如果这个时间表变了，就意味着时空本身发生了改变。你可以想象整个宇宙的时间和空间并非一个平面，而是弯弯曲曲的曲面，就像一张柔软的床垫，按下一处，其他地方也会受到影响，产生不同的反应。而脉冲星的信号，让我们能看到整个宇宙尺度中时间和空间的收缩和膨胀，由此，我们就能看到宇宙早期的各种现象。

这些观测也需要全球化的合作，比如国际脉冲星计时阵列，包含了澳洲、欧洲、美国，以及贡献最大的我们中国的天眼。虽然今天我们已经得到了一些信息，但想要真正证实许多现象，我们可能还需要十几年的时间，来精确地衡量。

此外，中国还在推进中山大学的天琴、中国科学院的太极等空间引力波探测计划，这些都将帮助人类进一步理解宇宙。

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奇思妙想

接下来，我想再讲一些大家经常疑问的、很有想象力的奇思妙想。

比如，如果掉进黑洞周围，我们还能生存吗？在电影《星际穿越》中，宇航员进入巨大黑洞后依然存活，这是怎么回事？

理论上，假如是太阳质量的黑洞，在到达黑洞周围时，我们就会被黑洞的引力场撕裂，但如果黑洞非常巨大，达到几百万甚至上千万太阳质量时，黑洞的潮汐作用反而没有那么强，虽然它的引力很强，但你不会被它撕裂。

这个问题其实和我们在做的研究相关，我们看到太阳系的中心，有一个光点，时亮时暗，它是一个在X光方面发展的光源，每天出现一两次，光度并不高。我们认为这个现象，有点像在主星周围被撕裂的彗星，可能是一个物质，比如小行星，它走到一个较大的黑洞周围，被黑洞的潮汐作用撕裂了，所以出现了这种类似彗星的现象。

那么，这个现象是否能解释银河系中心的X光产生的各种光变呢？这就是我们目前在做的进一步研究，研究恒星被撕裂的过程是如何进行的。

第二个问题，银河系中心的黑洞会吃掉太阳吗？

答案是不会。实际上，太阳距离银河系中心的黑洞非常遥远，这个距离比黑洞的视界要大几亿倍，相对论的作用并不是很大，并且太阳系绕银河系中心运转，轨道稳定，所以一般情况下，不会直接受到银河系中心黑洞的影响。

第三个问题，如果黑洞合并产生引力波，我们是否能借助引力波，用比光更快的速度传导信息？

这个的答案也是否定的，因为引力波虽然是时空本身的变化，但其传播速度仍受到光速限制。

最后，我想鼓励一下大家，特别是小朋友们。在探索宇宙的过程中，我们已经发现了许多令人惊叹的现象，做了各种各样有趣的研究，但仍然有大量问题没有解决。而且，现在对问题的解释，未来也可能被更新。

我希望今天的小朋友们，将来可以回答这些问题。因为探索是永无止境的，我们会不断发现新的现象，得到新的启发，开展新的研究。旧理论被推翻，并不是坏事，而是好事，意味着我们对宇宙的了解更近了一步。谢谢大家。

文字整理：呼瑶瑶