帶你全面的了解一下黑洞這個神秘的存在

「宇宙中有沒有什麼東西質量大到會吸引一切物體，甚至光也不能從他的吸引束縛中逃脫出來。」

18世紀後期（法國大革命時期），法國著名的數學家、天文學家拉普拉斯——就是那個當拿破崙問，他的著作中為什麼沒看到上帝，他回答：「陛下，我不需要這個假設」耿直的科學家，在思考這個問題。那時候根據牛頓光理論，光是粒子，並且有一定的運動速度。人們會自然而然的認為光粒子有質量，雖然這個質量小到無法測量。那麼根據牛頓萬有引力定律可以推導出某一天體的逃逸速度為：

只要將光速和萬有引力常數帶入到公式中，就可以推測出一類能把發出的光吸引回來的天體。1796年，拉普拉斯在他的《宇宙體系論》中這樣記述：

天空中存在著黑暗的天體，像恆星那樣大，或許也像恆星那樣多。一個具有與地球同樣的密度而直徑為太陽250倍的明亮星球，它發射的光將被它自身的引力拉住而不能被我們接收。

儘管「黑洞」一詞遲至1968年才由美國天體物理學家惠勒（J.A.Wheeler）在一次講座中首先提出。但拉普拉斯描述的正是人們最早的關於黑洞猜想的模型。為了與以後「黑洞」相區別，我們稱之為「黑暗星」。黑暗星發出的光全部被自身吸引回去，所以，我們是看不到它的。

1915年12月，愛因斯坦廣義相對論發表才剛過一個月，德國天文學家卡爾.史瓦西（K.Schwarzschild）就根據廣義相對論得出了一個球狀物體周圍引力場的特解。其時正值第一次世界大戰，史瓦西應徵入伍，他從前線將論文寄給愛因斯坦，1916年1月13日愛因斯坦在柏林普魯士科學院代表史瓦西做了論文報告。並在愛因斯坦給史瓦西的回信中讚揚：「我沒料到有人能用如此簡潔的方法得出這個問題的精確解，您對問題的解析處理令我極為滿意。」4個月後，史瓦西在軍隊病逝。愛因斯坦痛惜地寫道：「無可挽回的死亡帶走了他，然而他的著作仍然活著，並給他貢獻了全部力量的這門科學帶來碩果。」（《愛因斯坦文集》一卷）

拉普拉斯與史瓦西

史瓦西解：

這個解告訴我們：如果緻密天體的全部質量壓縮在某一半徑內，它周圍的空間就會彎曲成任何物質和輻射（光）都逃不出來。這個半徑我們稱之為黑洞「視界」，視界範圍內時間和空間都將失去原本意義，所有測量將會失效，也就是說現存物理定律在視界內毫無意義，時間將趨於無限，距離則變成0。視界不是物理實體，它只具有幾何位置意義。黑洞物質全部集中於視界內中心幾何點，我們稱之為「奇點」。

如果將太陽的全部質量都壓縮到半徑2.95千米範圍內，太陽就成了黑洞。如果把地球壓縮成8.9毫米，它也將變成黑洞。

值得注意的是，用拉普拉斯逃逸速度的概念也能推導出史瓦西解（維基百科有詳解），但拉普拉斯「黑暗星」和「史瓦西黑洞」有本質的不同。不同之處在於：黑暗星是光粒子逃出有飛回；而黑洞則是光子根本不能離開視界，最多也只能貼著視界表面運動。物理解釋的差異根本原因還是因為牛頓的經典力學和相對論原理的不相容性。

在微博上關於光逃逸問題，我曾用拉普拉斯逃逸速度概念給網友解釋，這是偷懶的辦法，雖然好理解，但失之於過於簡單。

另外，史瓦西解為了簡便推導，忽略了黑洞的轉動因素。1962年紐西蘭物理學家科爾（R.P.Kerr）給出了因轉動而非球形的黑洞視界半徑，稱為科爾黑洞。科爾黑洞更接近於物理真實。

黑洞模型有4個基本形式：1、史瓦西黑洞——無電荷、無轉動的球對稱黑洞。2、有電荷、無轉動的球對稱黑洞——雷斯勒-諾斯特諾姆黑洞。3、無電荷、有轉動的科爾黑洞。4、有電荷、有轉動的科爾-紐曼黑洞。

無論是拉普拉斯還是史瓦西、科爾等人，他們的黑洞都是大腦+筆+紙+一張平靜的書桌的數學推導，對於物理學來說，這還遠遠不夠，物理學家比數學家更關心「黑洞形成的物理機制是什麼？它存在嗎？」

史瓦西時代，太陽被壓縮成3千米是不可想像的神話，大多數物理學家認為，「這只是數學遊戲而已。」即使到了1917年，天文學家發現天狼星的伴星是一顆高密質的白矮星（密度是水的250萬倍）。但要使之成為黑洞這還不夠，必須將密度在加大1000億倍，無論如何這是令人難以接受的。即使時後來量子力學問世，能夠用簡併（維基百科有解釋）概念和引力塌縮加以解釋，也還不能使大多數科學家信服。被譽為「世界上真正懂廣義相對論的三個半人」之一的愛丁頓更認為：「必定有一條未知的自然定律，會阻止恆星塌縮為黑洞這種荒唐行為。」

1939年奧本海默等人通過廣義相對論計算了無熱核反應的大質量「冷」恆星得出結論：在引力最終擊敗中子簡併壓力後，恆星會塌縮至史瓦西半徑以內，物質連同時空將塌縮到任何物質與能量都不能逃脫的範圍之內，它們將再無阻礙地集中到一個體積為零、密度為無限大的幾何點——奇點。這種狀態下，天體將失去任何與外界做任何形式的交流的可能性，而成為黑洞。

奇點史瓦西半徑與黑洞

這種能令「冷」恆星塌縮成黑洞的質量最小值稱為奧本海默極限，開始估計為3倍的太陽質量。

當時觀測宇宙中的恆星大多數都在奧本海默極限之上，甚至有100倍太陽質量的恆星，那麼它們是不是都能演化成黑洞呢？未必。因為恆星一生中都在不斷的丟失自己的質量，尤其是到了超新星爆發階段更是會炸散很多物質，質量如果太大，甚至會一舉全部炸開而分崩離析，不能形成黑洞。如果無論恆星開始時質量有多大，最終都會將質量丟失到三倍太陽質量以下，那麼，就不可能形成黑洞。反之，則一部分恆星最終會演化成黑洞。還有一種形成機制是「雙星系統」，其中一顆成為高密質中子星後會掠奪另一顆伴星的物質，質量不斷增大而形成黑洞。

下一步天文學家的熱情就全部集中在「找黑洞」競賽中了。

1967年，發現脈衝星並確定其為中子星後，理論物理學家預言的恆星歸宿白矮星被找到了；中子星又被找到了；誰現在還能說「黑洞不存在呢？」天文學家的找黑洞熱情被進一步激發。

黑洞是看不見的，但這難不倒科學家們。通過理論計算，和合理的物理猜想。他們發現找黑洞都兩條路徑。1、追蹤黑洞強大的引力場所帶來的引力透鏡效應（維基百科有解釋）。2、追蹤黑洞在吞噬外界物質時向外輻射的強烈的電磁波。

第一條引力效應之路上，天文學家把目光對準了五車二附近御夫座星，中文名「柱一」。另外還有食雙星天琴座β星，中文名「漸台二」，以及其他。

第二條輻射之路中，通過各國科學家的努力，現在已經找到了數以萬計的X射線源。人們把目光集中於它們中最有希望的17個射電源，希望能甄別出黑洞。

有人估計銀河系應該有100萬個恆星級黑洞，可是我們的候選者卻寥寥無幾，這也從另一方面說明「找黑洞」步履維艱。

天文學家們一邊干著「找黑洞」這個體力活，天體物理學家們也沒閑著，他們通過數學運算和非凡的想像力已經在為黑洞做素描了。

01視界：彭羅斯定義為，「所有試圖逃出去的光子統統都被引力拉回的最後邊界」；霍金定義為，「空間中是否有能力向遙遠宇宙發送事件信息的最後邊界。」這兩個定義是等價的。史瓦西半徑把整個宇宙分成兩部分，視界之外是我們能看到的「正常宇宙」，通過光信號，理論上可以在任意距離上發生聯繫。視界之內，任何物質和輻射都不能從視界囚籠中逃脫，中心奇點體積為0，密度無限大，時空無限彎曲，因此時空這個概念將變得面目全非。視界內光線向奇點聚焦，因此，任何兩個光子路徑也不會產生交叉，也就肯定不存在「信息交換」。任何越過視界的物質，都無一例外地奔向奇點，有多少吃多少，那可真正是個「無底深淵」。02引潮力，關於引潮力和洛希極限，有興趣讀者可以自己找資料看看。我們這裡只說一個有趣的現象，10倍太陽質量的黑洞對於普通密度的物體，洛希極限是400萬千米。落入這一範圍的宇航員將被斯成碎片。假設宇航員真有無限的「剛性」，能抗住引潮力拉扯（那可是個很大的數字）一頭栽進黑洞，他也將在到達奇點時被拉成無限長。03時空特性，黑洞內運動方向單一指向奇點，所以空間是一維的；時間雖然仍然需要保持因果關係而不能顛倒，但時間出現了盡頭，達到奇點意味著時間結束。從視界到奇點這段「緩死」時間長短不一，10倍太陽質量黑洞為0.001秒級，星系級別的巨型黑洞可以長達幾小時。04黑洞無毛和黑洞蒸發，「黑洞無毛」是天體物理學家惠勒提出的，開始這個詞因為有色情含義而被很多人拒絕，後來慢慢地說的人多了，概念也就抽象成不具有其辭彙表面含義了，被大家所接受。「黑洞無毛」不只是指黑洞幾何形狀的完全對稱性。描述一般物體會有很多參數，如，質量、光度、電磁狀態、化學成分等等，而黑洞卻是簡單的，它最多只有質量、角動量和電荷3個參數。真是「簡單的和1一樣」。051974年，坐在輪椅上的霍金根據量子場論提出，真空會不斷產生正、負粒子對，產生出以後又很快彼此湮滅了。時間極短，不能直接探測到，所以稱之為「虛粒子對」。1947年的蘭姆（W.E.Lamb）和庫什（P.Kusch）著名的「蘭姆位移」實驗，說明了這一理論。此二人因此獲得了1955年諾貝爾物理學獎。

如圖霍金認為，黑洞周圍，虛粒子對會出現四種可能性：1、直接湮滅；2、雙雙掉入黑洞；3、正粒子落入黑洞，負粒子跑掉；4、負粒子落入黑洞，正粒子跑掉。第4種情況實現的概率最高。負粒子帶有負能量，落入黑洞後等效減少黑洞能量，逃脫的正粒子等效帶走能量。這就是黑洞蒸發。黑洞蒸發並不違背黑洞「不能逃逸」原則，但其結果是黑洞視界內能量（質能等價）減少，這樣黑洞就存在有限壽命。但黑洞蒸發的最後結果還無定論，也許要等未來的量子引力理論來揭示其最後命運。

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