根据现有可确信的资料分析所谓“黑洞”究竟是什么？

中国科学院 力学研究所 吴中祥

1.引言：

今年诺贝尔物理学奖都与“黑洞”有关.

瑞典皇家科学院在新闻公报中说，彭罗斯使用巧妙的数学方法

证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果。他证明了黑洞确实可以形成，并对其进行了详细描述。他的开创性论文被认为是爱因斯坦之后对广义相对论的最重要贡献。

一篇科普文章解释：

彭罗斯用巧妙的数学方法论证了黑洞可以形成，并对其进行了详细描述：在黑洞的核心隐藏着一个奇点，它的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩，就没有什么能阻止坍缩的继续，所有物质只能沿一个方向走向奇点。这是一条通往时间尽头的“单行道”。

黑洞引力非常强大，甚至连光线也无法逃逸，没有光线射出的边界称为“事件视界”。直接窥视黑洞是不可能的——黑洞所有的秘密都藏在它的事件视界内。但是，星星为孜孜以求的科学家们指明了方向

公报还说，自上世纪90年代初以来，根策尔和盖兹分别领导一个科研小组，用各种先进的望远镜观测银河系中央一个名为“射手座A *”的区域。他们都发现了一个质量非常大且看不见的天体：在不超过太阳系的空间中聚集了约400万个太阳的质量，使周边恒星急速旋转。这一开创性工作提供了迄今为止最令人信服的证据，即银河系中央有一个超大质量的黑洞。

诺贝尔物理学奖评委会主席戴维·哈维兰德表示，今年获奖者的发现开创了致密和超大质量天体研究的新领域。但这些奇异天体还有很多问题急需解答。他说：“不仅有关于它们内部结构的问题，还有关于如何在黑洞周边的极端条件下测试我们的引力理论的问题。”

盖兹在现场电话连线时说：“科学对人类至关重要，我非常热衷于教导年青一代提问和思考的能力，这对世界至关重要。”她表示，促使她进入该研究领域的，“首先是怀疑与兴奋等综合因素，我们仍然不知道黑洞中有什么，这是令人着迷的一部分，这将有助于推动  我们去了解新世界”。

但这些对“黑洞”的基本特性，认识还很差，甚至许多是错误的，尚需认真研究、分析！

2.一切物体都在宇宙间运动,什么是”宇宙”?

一切物体都是宇宙中的一部分，首先应了解什么是”宇宙”?

早在我国战国时期，哲人[尸佼] {尸佼是我国战国时期著名的政治家、道家等思想家，先秦诸子百家之一。《史记孟子荀卿列传》曰: "楚有尸子、长卢 (长卢子)。世多有其书故不论其传云。" 魏国曲沃(今山西省曲沃县)人，另一说法是山东人。明于刑名之术，被称为"尸子"。}，就在其著作《尸子》中写道:

“上下四方曰宇；古往今来曰宙”。

就辩证唯物，精辟、全面、简明地，给出了“宇宙”，也就是“时空”，的确切定义。

宇宙、时空，都是向量。

上下四方，共3维，即：宇、空间，各方向都可有，正、反，双向的矢量；

古往今来，仅1维，即：宙、时间，只有一个方向，不能，今往古去，只是单向的矢量，时间也是空间各维的参量。

而且，特别讲明，他所说的是4“方”，即：“正交系”。

现在我们通用的，爱因斯坦狭义相对论，表达时空位置(距离、长度)的闵可夫斯基矢量r(4)[1线矢]，就是采用：“整数”的，+、-“1”，表达空间r(j),j=1,2,3各维的双向、“虚数”的“i”，表达时间r(0)=ct的单向，c表示所在均匀介质中的光速，t表示时间。而有：

正交系，平直坐标

r(4)[1线矢]=ir(0)[0基矢]+r(j)[j基矢],j=1,2,3j求和

=ir(0)[0基矢]+r(3)[(3)基矢],

当r(3)>>r(0)，即远程，则：[0基矢]项可以忽略，就是经典物理学的3维空间矢量。

当r(3)<<r(0)，即近程，则：经典物理学的3维空间矢量可以忽略。

可见，只有r(3)/r(0)，可忽略条件下，因[0基矢]项可以忽略，才能近似地使用经典物理学的3维空间矢量，而在通常条件下，r(3)/r(0)是可以忽略的，可使用经典物理学的3维空间矢量。

而国际物理学界，却是直到，迈克尔逊光学实验表明：经典物理学必然的伽利略变换不成立，而引起的经典物理学危机，由狭义相对论得到解决。才认识到：对r(3)/r(0)，不可忽略的条件下，就必须采用闵可夫斯基4维时空矢量，表达时空位置(距离、长度)。

3.电中性、带正或负电荷，以及声子、光子，共4种、“量子”

人们从实践中认识到：一切物体，都有质量，都实际上是大量微观“粒子”的“封闭系统”，即：其中包含全部有相互作用的各微观粒子，它们的动量、能量，可以变换、交换，但总量不变，当其本身尺度与其相互作用范围相比可以忽略，就可当作是：其全部质量集中于其质量中心的1个“点”，的“粒子”，因其有不变的，总动量、总质量，即结合能，而都是“量子”。

实际上，各种电中性的量子，都是由等量带有正和负电荷“粒子”的组合体。

分别带有正或负电荷的粒子，当其本身尺度与其相互作用范围相比可以忽略，就可当作是：其全部质量集中于其电荷量中心的1个“点”，的“粒子”，它的质量可由相应电荷量按相应的量纲分析得到，也有确定的动量与能量，也是“量子”。

这就认识到，电中性、带正或负电荷，的2种“量子”。

宇宙间各星体、星系、黑洞等，以及各基本粒子、原子，分子，等，都是粒子集团中，正、负电荷中和后，可以忽略其仍带有多余电量，的电中性量子集团，与外界的相互作用就都可当作一个具有其全部质量的“电中性量子”。

而且，在通常3维空间经典物理学条件下，它们大多是3个轴长相差不大的椭球形(当3个轴长的相等，就成为球形)，只是有具体结构的晶体才各星体、星系、黑洞等，有各自元包的特定形状，或生物的特定体型，对于，巨大质量的，如宇宙间各星体、星系、黑洞等，就都均匀地显示为3个轴长近似相等的近似球形。

这就已经表明：有巨大质量的所谓“黑洞” 并非一个巨大引力的“洞”，而是显示为一个3个轴长近似相等的近似均匀的球形体，它的“球形”也已由所谓“第1张黑洞照片”，及其“转动的视频”所证实。

当正、负电荷中和后，仍带有多余电量的粒子的数量不可忽略，的带电粒子集团，与外界的相互作用，就，也才，可当作一个还具有其全部正、负电荷中和后，仍带有的全部正或负电荷量的“带电粒子”。

由于所有粒子都有其相应的质量，该粒子集团的质量中心是由其中所有微观粒子的质量构成；只是在正负电荷中和后，仍带有电量的“带电粒子”，才构成该粒子集团的正或负带电量中心；该粒子集团对外界的作用，就分别起着，电中性粒子与带正或负电粒子，的作用。

人们就从实践中认识到，电中性和带正或负电荷，的2种“量子”。

由于时空动量的特性，这2种的质量就表达为，运动质量，m=m0/(1-(v(3)/(c或a*))^2)^(1/2),其中，m0是其静止质量，不=0，c、a*是所在介质中的光速、声速；还在2个量子相互作用的条件下，总结合能的差值，辐射出，m0=0的光子，或电中性量子在振动力或弹性力作用下，辐射相应的声子，或在导体或半导体能带内的电子或空穴，吸收或辐射相应的光子而传送相应的电磁势，或带电粒子在电磁场内韧致辐射相应的光子。

宇宙间所有物体，都是这4种“量子”的一种。

m0不=0量子的结合能可由其运动质量m和静止质量m0表达，m0=0量子的结合能，因m0=0、m=0/0，而不可由其运动质量m和静止质量m0表达，只能由，hν，表达(ν是频率(光或声)，h是普朗克常量)，

4.人们如何能知道某物体的存在？

人们只能由看到，或探测到，某物体发射或反射的光，或由某物体周围围绕它运动的可见星体的运动情况按引力规律，判定它的存在，并推算它的质量。

人眼，一般只能看到，红到紫，色频率的光，看不见红外、紫外的光，由各种探测器也只能探测到红外、紫外一定有限频率范围内的光

当物体的质量巨大到，使人眼能看到的最高频率的光子也不能逃出其视界，就看不见该物体，当用各种探测器或有围绕其周围星体所受处于中心的，该物体的引力，发现其存在，并计算出其质量，就可以判定该物体是一个所谓“黑洞”。

可见，所谓“黑洞”，只是，其质量巨大到，使人眼能看到的最高频率的光子也不能逃出其视界，的物体，但是，并非“没有光线射出的边界”称为“事件视界”。

“黑洞”还可以使更大动能的光子，不能逃出距其质量中心相应的距离，而且，它的质量愈大，不能逃出光子的能量也愈大、距其质量中心相应的距离也愈远，但是，更大动能的光子，还是能逃出的。

这正是高能光子探测器，发现所谓“黑洞”的原因，也是能照出所谓“第1张黑洞照片”的“原理”。

5.质量大到如各类星体的表面和内部的情况

质量较小的各“行星”(例如我们所在的地球，当然，地球还有个独有的特点就是有包括人类在内的各种生物)表面通常是，有不同元素的，气、液、或固，的各状态；其内部，特别是深层，就还有，甚至非常激烈的，自然地核聚变或裂变，时而产生各种大能量粒子，发热、发光、发声，的演变，乃至时而发生地震、火山爆发，等等，反应、出现到表面，的现象；

质量较大各“恒星”表面却是各轻元素仍在聚变，而激烈地发热、发声、发光，而且时而发生，例如，太阳表面的，日冕、磁爆，等等现象，就表明：其深层内部存在激烈地地核聚变或裂变，产生各种大能量粒子、发热、发声、发光的演变。

由此可见，各种星体，表面到内部，的大致特性。

所谓“黑洞”不过是其质量大到能使人眼可见最大动能的光子不能逃出其视界的星体，其内部深处，也会是与各星体相似的，存在更激烈地地核聚变或裂变，产生各种大能量粒子、发热、发声、发光的演变，发射强能量的各种基本量子，这也由高能粒子子探测器，发现所谓“黑洞”的事实所证实，而其表面，必然没有各轻元素聚变，的激烈发热、发声、发光，因为，若如此，就不可能阻止最强的可见光逃出其可能的视界，而成为所谓“黑洞”。

因此，即使被吸入其视界之内，也就可能是如从空中落到了地面(固态或液态)，只是所受的重力相应的加大了，并不会是所描述的那么奇特，哈！只要有相应的防护设备，就应能承受。

5，按“广义相对论”对所谓“黑洞”的分析

由各星体的运动规律，按引力公式分析和时而探测到的强力辐射粒子，而发现各星系中心都存在看不见的巨大质量区域，又有，经典物理学关于所谓“暗星”，广义相对论和量子理论，对所谓“黑洞”、“奇点”，的论述，按爱因斯坦广义相对论导出的“引力场方程”的解，并经量子化的各种所谓“量子引力理论”描述了一个，在黑洞的核心隐藏着一个奇点，它的时空曲率无穷大，密度也趋于无限大。一旦物质开始坍缩，就没有什么能阻止坍缩的继续，所有物质只能沿一个方向走向奇点。这是一条通往时间尽头的“单行道”，的奇特“黑洞”。

“非线性的广义相对论引力场方程”是，爱因斯坦，考虑到非惯性牵引运动变换有时空弯曲特性，而放弃矢量，类比由库伦(Coulomb)静电定律转变到马克斯威尔(Maxwell)方程组的变换规律，而得出的“引力场方程”，可由圆柱型坐标解得“引力波”。

但是，引力，只是3维空间远程的力，没有时轴分量，没有不同的能级，不能产生任何m0=0的粒子，不能形成任何波，也不由任何m0=0的粒子传送。

由“引力场方程”的解，得到的所谓“引力波”，实际上是，因类比电磁力，而在方程中混进了实际是电磁力的电磁波特性，当然，就是如爱因斯坦所说“更多东西”。

引力不可能产生任何波，LIGO等，用激光干涉原理测量大范围微弱振动的设备，4次所测到的，已被具体、确切地论证，都不是，也不可能是，“引力波”。

但是，对于与“波”和产生m0=0的粒子，无关的问题，例如：所谓“广义相对论3大验证”的，水星近日点的进动、光子在引力作用下的红移、偏折，就还能由“引力场方程”解得，并与实际观测结果和按可变系时空多线矢计算的一致。

其实，牵引运动的变换应是相应正交归一矩阵的矢量变换，本人按此创建的时空可变系多线矢物理学，就解决了非惯性牵引运动时空弯曲条件下，的矢量运算问题。

特别是，建立在爱因斯坦引力场方程对坍缩尘埃云的解里有一个被“事界”包围的“奇点”，并将它一般化的基础之上，是其所谓“关键的技巧”。

人们熟知，虽然引力场在r=0处确实有一奇点，但它却是相互作用的两物体的质心重合于该点，这是不可能的，因而，并无实际意义，而须在其单连通区域内从相应的Green函数积分中扣除，实际上，电磁学理论就是这样处理的。

显然，这种研究方法就是原则上的错误，而其相应的结论当然不会正确。

按爱因斯坦广义相对论导出的“引力场方程”对坍缩尘埃云的解里被“事界”包围的奇点，并将它一般化的基础之上，并经量子化的各种所谓“量子引力理论”所描述的“黑洞”，当然，也只能是更为错误导出的东西。

但是，对于与“奇点”无关的问题，例如：由“引力场方程”解得施瓦西黑洞的施瓦西半径，就能与按经典物理学计算得到的一致。

7，对所谓“黑洞”基本特性的具体分析

现在，又有首张位于代号为M87的超巨椭圆星系中心“黑洞”的“事件视界”信息数据组成的图像。,

因而，我们就足以设想：

在某区域内，不均匀分布着大量静止质量不=0的粒子，其总体为电中性，总共有巨大的质量，M。

其内部，特别是深层的内部，必然存在更激烈地核聚变或裂变，产生各种大能量粒子、发热、发声、发光的演变；

这各种能量的粒子向外运动的过程，受到逐层增大的引力作用，而能量逐渐减小，其中，静止质量不=0的粒子的速度逐渐减小，光子、声子，的频率逐渐降低；

设此区域的“边缘”(即在其外，粒子密度相对地显著降低)，是在：距此区域质量中心r(3)0处。

当光子(动能为mc^2/2，质量为m)，到达距该区域边界(即：距该区域质量中心r(3)0)处，该区域对光子的引力势能=GMm/r(3)0，因而，有：

r(3)0=2GM/c^2，

光子受该区域引力f(r(3))作用，并以初速v(3)0=c开始，继续逃离该区域。

区域质量为M的质量中心，就从r(3)0到r(3)1对该光子作功(忽略该区域外，相对地显著降低了密度的粒子的引力)：

W={dr(3) f(r(3))，从r(3)0到r(3)1积分}，直到消耗掉该光子的全部动能，mc^2/2，则：

r(3)1也=2GM/c^2，

而该光子就只能到达距该区域质量中心r(3)2=r(3)0+r(3)1处，就动能完全消失。

r(3)2=r(3)0+r(3)1=4 GM/c^2，就是光子不能逃出该区域的界限。

该区域(包括其内的所有粒子)，就是所谓“黑洞”。

由此可见：r(3)2与光子的m(=h光频率/c^2)无关，但是，只要最大频率的可见光(可见光波长7.8×10^-5～3.8×10^-5(红色)，频率3.8×10^14～7.9×10^14(蓝色)，不能逃离距质量为M区域r(3)2处，该区域就看不见光，r(3)2就是所谓“黑洞”视界。

G约=6.685x10^(-8) [厘米]^3/([克][秒]^2)，是

引力常量，c是真空中光速约=3x10^5[千米]/[秒]，

r(3)0[公里]=r(3)1[公里]=1.2M[公斤]x10^2/[公斤]

还可由该频率光子从黑洞视界r(3)2在太空运行到地球的红移量z，求得该黑洞地球的距离。

7.具体分析视界望远镜此次观测首次公布的黑洞图像

视界望远镜此次观测其实选定了两个目标：一个是我们银河系中心的超大质量黑洞，质量为450万倍的太阳质量，距离地球2.6万光年；另外一个是位于M87星系中心的黑洞，其质量为65亿倍的太阳质量，距离地球5300万光年。

北京时间4月10日晚 9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布的，由视界望远镜得到的首张“事件视界”信息数据组成的图像是：位于代号为M87的超巨椭圆(近似为圆)形星系中心“黑洞”的图像：

 这个圆环的前侧亮一些，后侧暗一些，原因在于吸积盘的运动效应——朝向我们视线运动的区域因为多普勒效应而变得更亮，远离我们视线运动的区域会变暗。

位于M87星系中心的黑洞，其质量为65亿倍的太阳质量，已知太阳质量=2.05x10^8千克，由此得到此黑洞的：

质量m=1.33 x10^19千克

半径r(3)0=1.2x6.5x2.05x10^4[公里]=1.6x10^5[公里]，

视界r(3)2=2 r(3)0=3.2 x10^5[公里]，

(1个太阳质量的黑洞的：

半径r(3)0=1.2x2.05x10(-6)[公里]

=2.46x10(-6)[公里]（图中约=2.46[厘米])，

视界r(3)2=2 r(3)0（图中约=4.29[厘米])，)

黑洞内某些局部高状态可能形成的各种力作用下，产生的能量很大的光子，是远大于最大能量的可见光，经黑洞中逐程引力的作用，在逃出黑洞半径之前，能量逐渐减弱为可见光，其中不被黑洞中高密度粒子吸收，而能被视界望远镜看见的可见光，就只有红光。

而在黑洞相应半径之外，附近可能存在或掠过，密度显著降低的各种粒子，与从黑洞逃出的高能量相互作用产生相应波长的光。

视界望远镜探测到，对各个黑洞，其频率和强度，各有一定范围的分布。

各频率的这种光还会因太空中其它的来源而附加外相应的背景“噪音”。

 最佳波段在1毫米附近，这一波段的黑洞光环最明亮，而背景“噪音”又最小。

黑洞影像也必须在这样合适的波段才能观测到。

北京时间4月10日晚 9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布的位于代号为M87的超巨椭圆星系中心，黑洞的最佳波段在1.3毫米附近。

而在黑洞的半径到半径区间，各种粒子密度显著降低的区域，视界望远镜能探测到的可见光，就可以从白色到红色。

由视界望远镜得到的首张“事件视界”信息数据组成的图像，可以看到：

从黒色中心到中间红色外缘，就是黑洞的区域；

从近似白色內缘到外圈红色外缘，就是黑洞外到其视界的区域；

黑洞视界r(3)2确实=2黑洞半径r(3)0，

黑洞半径与黑洞质量成正比关系，我们可以知道，银河系中心黑洞的视界大小约为M87中心黑洞视界大小的1.4倍。这是我们知道的最大的两个黑洞，而那些质量只有几十个太阳质量的恒星级黑洞，尽管距离相对比较近，但是因为其质量过小等因素，更难被望远镜捕捉。

既然银河系中心的超大质量黑洞这么大、距离这么近，为什么这一次只发布了更为遥远的M87的照片，而没有银河系中心黑洞的照片呢？

M87中心黑洞附近气体活动比较剧烈，我们之前已经观测到了它所产生的强烈喷流，相较之下，银河系黑洞的活动不那么剧烈。

另外一个很重要的原因是，太阳系处在银河系的银盘上，在我们试图利用视界望远镜探测来自于黑洞周围的辐射或光子的时候，这些光子会受到传播路径上星际气体的影响——气体会散射这些光子，将观测结果模糊化。

M87是一个包含气体很少的椭圆星系，受到的气体干扰相对少很多，科学家们可以比较顺利地进行观测。我们在大气层之内观测天体时也会有类似情况，因为大气扰动的缘故，望远镜的分辨率有时很难达到理想状况。消除星际气体散射的效应是科学家接下来需要克服的一个重要难题。

8.从具体分析黑洞图像引出的“设想”

为什么“M87图像”黑色中心外环是红、橙，色？为什质量么比M87大得多的，银河系中心的“黑洞”照不出“图像”？

因为：r(3)0=2GM/c^2，

红色的内界是黑洞的外界，r(3)0，表明：由这黑洞的质量M决定的边界，红色的光子已经逃出其质量的边界，而红色的外界r(3)2处就是红色光子也逃不出的此黑洞的视界，而其他比红、橙，色，光子的动能更大的光子，就都逃出了此黑洞的视界。

也表明：此黑洞的视界是在其质量外界之外的。

可以推论：比这黑洞质量较小的黑洞的外环，就可能是频率较高的颜色。

而质量比M87大得多的黑洞其对最强可见光的视界，就会在其质量外界之内，因而，不可能照出，类似“M87”的“图像”。

        这个推论出的“设想”，希望能找到适当的黑洞，用类似“视界望远镜”的方法照出类似的“照片”。