这两天，人类首张黑洞照片在朋友圏疯狂刷屏。这大概是世界上最兼具专业深度和大众热度的科学名词吧～
对于它的到来，人们已经期待的太久太久：从黑洞学说刚开始饱受质疑，到事实基础逐渐坚实，这一次，它证明了爱因斯坦一百多年前提出的广义相对论！
人们曾无数次想象它的模样，如今黑洞的首张照片告诉我们，电影《星际穿越》只猜对了一半！而这样的靓照有多难拍？全球八台望远镜共同合作一起给黑洞拍了张照......
如何把这样的科学热情传递给孩子？如何向小朋友科普“黑洞”和相关的天文物理知识？在小朋友的童年，都有一个“天文敏感期”，开始能感受到一些真实却又充满想象的东西，那正是天文宇宙科学。今天，Touchbox要用小游戏和手工，带小朋友一起走进“黑洞”探秘，了解浩瀚的宇宙和无尽的科学。
一. 三个概念，搞懂“黑洞”
1. 重力
重力，是两个物体之间的引力。所有有质量(重量)的物体都有重力，引力就像磁铁一样把物体拉到一起。地球有重力，这就是为什么所有东西都离地球很近，即使它是圆的。树木、水、动物、建筑物和我们呼吸的空气都是由重力保持在这里的。宇宙中的所有行星、恒星和卫星都有引力。
我们可以通过一些小活动，让小朋友感受地球引力，即重力的存在。蹦床上的蹦跳，失去平衡的摔倒，倒水，抛球等等，都是由于引力的作用，我们和物体，才不会漂浮，而是落在地上。
我们的日常，实际上并不“感觉到”重力。我们只能通过跳跃或跌倒来克服它。提出“万有引力定律”的物理学家叫牛顿，他的灵感来自于他坐在花园里思考时，一个苹果掉在了他的头上，是的，苹果被地心引力拉到了地球上！
2. 空间
什么是空间？空间由三个维度组成(上下、左右和前后)，如果加上第四个维度时间，就得到了所谓的时空连续体......
对于小朋友来说，这样的解释似乎有点难懂。可以引导小朋友想象一下，假如我们要和某个小朋友见面，你需要知道在哪个地点(即空间中的某个地方)与他们见面，但你也需要知道在哪个时间，这就是包含和时间的空间概念。
爱因斯坦是第一个在他的《广义相对论》中提出“空间结构”(时空)概念的人。爱因斯坦是这样比喻空间的：我们并非被容纳在一个无形固定的手脚架里，我们是在一个巨大的、活动的软体动物内部。想象一下，我们的空间其实是一个无形的渔网，重的东西，比如星体落在上面，它就会凹陷下去，越重的物体凹陷越深。
在科普书籍《现实不似你所见》里，作者是这样说的：“巨大质量附近的空间会弯曲，而且时间也会。“
也就是说，弯曲的不仅仅是空间，而是时空。时间并非是三维世界里的自变量。它不是静止的，它会因为距离相对的物体的远近而收缩。
那么，空间和引力又是什么关系呢？爱因斯坦的理论之前，人们认为引力是一种力，这是由牛顿所解释的。但是，爱因斯坦的广义相对论将引力解释为“时空的曲率”。这个概念可以通过把时空想象成一个橡胶板来描述。橡胶板上的球使周围的橡胶板弯曲，类似于物质弯曲时空的方式。
3. 黑洞
我们终于可以请出今天大主角的“黑洞”同学啦！
黑洞也是星体的一种，是空间中的一个区域，那里的引力非常强，任何进入黑洞的物体都无法逃逸，甚至光也无法逃逸！
黑洞是怎么形成的呢？黑洞原本是一个可以看得见的巨大恒星，所有的恒星都是核聚变反应炉，核聚变过程提供了恒星一生的大部分能量。不过，最终，核燃料耗尽，由中心产生的能量再也无力对抗外壳巨大的重量，引力开始起主宰作用，恒星就会因自身重量而坍缩。由于重量太大，物质会被压缩到极致，空间极度弯曲成一个洞，黑洞由此产生。前提条件是，这个恒星真的很大，位于我们星系中心的黑洞，质量是太阳的一百万倍，否则它会坍缩成其他星体，比如白矮星。
如果我们想要近距离观察黑洞，开一艘火箭停在刚刚不会被黑洞吞没的地方，这就叫做“视界”。我们极力靠近“视界”，还要不被吞没，所以要做的就是不停地让火箭燃烧，以抵掉黑洞巨大的引力。
前面说过，时空是弯曲的，如同一个渔网，越重的东西弯曲的越厉害，黑洞就是属于非常重的东西。它狠狠地弯曲了自己周围的时空，以致周围的时间变得非常缓慢。
足够大的恒星变成黑洞，其密度在某一点达到无穷大，这就是所谓的“奇点”，它体积无限小，密度无限大，引力无限大，时空曲率无限大，任何已知的物理定律都无法适用。
如果我们穿过视界，越来越靠近奇点，你就会被拉长，像长长的面条，最后消失于奇点。
所以，现在我们已经了解了黑洞，它由三部分组成：奇点(坍缩的恒星)、“内视界”(奇点周围没有任何东西，甚至光都无法逃脱的区域）和“外视界”(物体仍能感受到黑洞的引力，但不会被困住)。
黑洞形成后，它可以通过吸收周围的物质，如其他恒星和其他黑洞的质量，继续增长。如果一个黑洞吸收了足够的物质，增长到超过一百万太阳质量，它就会变成一个“超大质量黑洞”。人们相信超大质量黑洞存在于大多数星系的中心，包括银河系。
二. 游戏和手工，感知“黑洞”的神奇
黑洞游戏
通过动手实践和实物互动，能够很直观而形象地帮小朋友们理解前边介绍的黑洞、引力和时空等重要天文概念。
我们用身边唾手可得的材料，可以建立一个大质量物体周围空间曲率的物理模型（是不是很高大上？）；利用这个模型，引导小朋友动手实验和观察，一个物体通过重力井时会发生什么，如果它的速度不够高或者重力井太深时，对小质量物体有何种影响？
需要的材料：具有轻弹性的绷带，几个重量、大小不同的球。
剪出一个40×40厘米的弹性绷带。让几个小朋友水平拉伸绷带，直到它绷紧，代表二维的“空间”。注意，小朋友一定保持绷带不动，这样他们的动作才不会影响实验。把一颗小球放在绷带上，让它滚过绷带表面，小球的路径应该是一条直线，类似于一束光穿过空间的路径。
接下来，再换成更重一些的球，这时，小朋友会看到如何变形的“空间”结构，是的，“空间”在重物的影响下，周围开始弯曲。
让一个小弹珠滚近重物，它的轨迹现在应该被绷带的变形所改变。这类似于光通过一个巨大的物体时发生的情况，这个物体会使周围的空间变形。试着改变弹珠的速度，看看它的路径是如何变化的。
中心区域越集中(即大球越重)，绷带就会越弯曲。这增加了“重力井”的深度，小弹珠将无法从中逃脱。
当弹珠靠近大球时，它开始围绕“黑洞”旋转，最终落入黑洞。一旦它在那里，你就能看到物体是如何轻易地落入黑洞而又无法再出来的。这就是黑洞所发生的情况：它们的重力使空间变形，以致于光或其他物体落入黑洞而无法逃逸。
黑洞手工
在一个直径25厘米的圆形上，剪出一个直线，并剪出一个圆心小洞。
将剪开的半径粘好，并让这个圆，略成漏斗形。
这个漏斗就是一个黑洞模拟，放置在一个纸杯上；找一些磁力珠放在纸漏斗边缘，观察小珠的运动轨迹。
小朋友们会看到，小珠沿着漏斗黑洞，以椭圆形的轨迹滚入黑洞，而越接近中心，速度越快，这正是黑洞”吸食“周边物质的模型。
当黑洞把物质吸进来时，正像这个手工所呈现的，物质在黑洞周围形成一个圆盘。当圆盘旋转得越来越快时，它会升温到极端温度，导致大量的光和物质，以令人眼花缭乱的喷流形式发射到太空中。如果它们指向我们，这些喷射流非常明亮，很容易被我们地球上的望远镜捕捉到，否则，由于黑洞不发出任何光，它们是不能以通常的方式被观测到的。而对于那些没有“进食”的黑洞，探测它们的一种方法是观察恒星围绕黑洞的运动。
搞懂了”黑洞“的原理，小朋友们可以使用各种材料来重现黑洞，以自己的方式解释其中的概念和规律。看，这是科罗拉多州的达里恩·奥布莱恩天文俱乐部，在天文日的黑洞活动，小朋友们非常着迷。
不要小看我们今天的游戏和手工，它们能更加直接明了地阐释科学家们探索了百年的黑洞学说，而完成了这些手工和游戏的小朋友，恭喜你们，也俨然成为小小科学家啦！
