重新認識黑洞與霍金輻射
黑洞的理論預言
事實上很早就有人腦洞出一種奇怪的天體。在地面上，我們扔一個東西，最終它都會落回地面，那是因為被拋射的物體沒有達到第二宇宙速度（逃逸速度）。就地球而言，這個速度是11.2km/s。1676年丹麥天文學家奧勒·羅默通過觀測木衛一的運動推測出光速約為30萬km/s。既然光速也是有限的，那麼我們完全可以想像如果一個天體的密度大到逃逸速度大於3000000km/s，這就意味著連光都無法逃逸了。1783年，約翰·米歇爾牧師，1796年，法國數學家拉普拉斯分別預言「宇宙中最明亮的天體很可能卻是看不見的」。
逃逸速度示意圖
史瓦西時空幾何
1915年愛因斯坦提出廣義相對論，引力場方程對引力是如何由一個物體產生的，又是如何在物體不發生接觸的情況下就在真空中實現傳遞的等問題做了很好的解釋。引力場反映出了時空的彎曲，所有的物質，包括光都在彎曲的時空中運動。
1915年12月，就在廣義相對論方程發表後僅僅一個月，德國物理學家卡爾·史瓦西就得到了一個描述球狀物體周圍真空中引力場的解（史瓦西時空幾何）。史瓦西解基本解決了太陽系引力場的問題——由於太陽匯聚了太陽系幾乎所有的質量，而太陽又近乎一個球形，因而太陽系中所有光線、行星、彗星等物體的運動軌道就是史瓦西彎曲時空的測地線，即彎曲時空中的最短路徑（而非直線）。第二，史瓦西解非常簡單，具有普適性，它與恆星類型無關，不管是太陽，還是中子星，只依賴於一個變數——質量，甚至說一個質點也符合史瓦西解。
卡爾·史瓦西
在這樣一個簡單的解當中，有些東西卻讓人感到不安。隨著向點狀引力源的趨近，在距離r=2GM/c^2的地方，時空幾何出現非常奇異的行為，你可以選擇合適的質量、長度和時間的單位讓G和c都等於1，換言之，r=2M，在這個半徑以內，空間和時間本身的特徵完全消失，你根本無法利用數學進行描述。而任何有質量的物體理論上都可以被壓縮各自的史瓦西半徑成為一個怪物。太陽質量對應於3公里，地球質量對應於1厘米。這個半徑就被稱為「史瓦西半徑」。
「黑洞」誕生
1922年巴黎研討會上，愛因斯坦、貝奎爾、布里羅因、郎之萬等理論物理學家討論熱烈，卻無法完全理解這個問題。1931年，日本物理學家荻原雄助計算認為要讓太陽的質量縮小到3km，其密度必須是水的10^17倍，而當時已知最緻密的恆星是天狼星的伴星，即白矮星，密度「只不過」是水的6×10^4倍。
全新的量子力學允許簡併狀態下密度大到超乎想像，人們才逐漸意識到「宇宙中真的有可能存在一個不可見的恆星」。1939年，奧本海默和施耐德嚴格證明了球狀物體在史瓦西半徑以下，引力將使物質連同時空一道坍縮，形成一個連光也不能逃逸的區域。至此，一種新的天體類型終於被基本接受了，所以1939年可以被稱作「黑洞元年」。至於黑洞名稱直到1967年12月29日，約翰·阿奇巴德·惠勒在一次講課中才提到的。
約翰·阿奇巴德·惠勒
黑洞本質
第一，緻密度與密度是有區別的。黑洞並不一定有非常大的密度，而是一個緻密到足以囚禁住光。我們通常把黑洞質量在史瓦西半徑區域內的分布稱為平均密度，黑洞質量越大平均密度反而小。
第二，數學上從拉普拉斯的逃逸速度的概念也可以推導出史瓦西半徑，但是牛頓經典力學與廣義相對論在對黑洞問題上的理解是截然不同的。經典力學認為即使光沒能達到逃逸速度，但至少還能向上射出一定的高度，在空中或多或少能飛行一段時間。而根據廣義相對論，時空被引力極度彎曲，光在時空中走最短程路徑，光子頂多只能貼著黑洞表面飛行，絕無離開表面的可能，哪怕一點點都不行。
隨著引力場坍縮，光被囚禁在視界中。
第三，拉普拉斯計算的黑洞是一個實體星球，而史瓦西半徑給出的僅僅是理論上的一個不可見的界面（視界），並無實體。而黑洞的所有物質全部集中在中心的一個只有質量沒有體積的幾何點（奇點）。
黑洞本身的結構特別簡單，只有一個奇點。視界則像一扇大門一樣決定了物質、光和信息是否可以進出。
黑洞視界是時空的分界，將所有的事件分成兩類，在視界外是正常宇宙，在任何距離上可以通過光信號進行聯繫，而視界內，光子只能往中心運動，絕沒有向其他方向運動的可能，兩點之間的聯繫受到嚴格限制的。
黑洞的計算機模擬圖像
「黑洞無毛」理論
任何信息都不能通過電磁波的形式從黑洞視界內傳遞出來，只保留下三個參數：質量、角動量和電荷。這就是俗稱的「黑洞無毛」或「黑洞三毛」理論。
黑洞的質量，來自前身恆星超新星爆發後殘留的內核質量。
黑洞的角動量，來自前身是恆星的自轉，形成黑洞後轉動特性也被保留下來，黑洞的視界也會因轉動變得更為複雜。
黑洞的電荷，也來自前身恆星的電磁場，黑洞形成從星際介質中吞噬帶電粒子，從而在視界周圍形成帶電的外部時空。但是，黑洞的大部分電磁屬性都會被引力波帶走，只留下總電荷這一物理量。
引力把時空坍縮成黑洞時會損失大量信息，只剩質量、角動量、電荷3個物理量。
黑洞分類
根據質量可以分為超大質量黑洞、大質量黑洞、中等質量黑洞、恆星級黑洞、小質量或迷你黑洞。
根據角動量和電荷可以分成4類黑洞：
最簡化的無電荷無轉動的球對稱黑洞——史瓦西黑洞；
有電荷無轉動的球對稱黑洞——雷斯勒-諾斯特諾姆黑洞；
無電荷有轉動的黑洞——克爾黑洞；
既帶電荷又有轉動的——克爾-紐曼黑洞。（可能最常見）
由於恆星世界中帶電和自轉都是普遍現象，因此宇宙中絕大部分黑洞可能都是克爾-紐曼黑洞。而理論認為克爾黑洞的特殊結構可以讓進入（外）視界的物質得到緩衝，不會立即被黑洞的種種奇異性摧毀，能「活」得更久些。在靜止界限和視界之間的能層中，朝黑洞轉動的反方向扔下一個物體，會使黑洞轉動的角動量降低，這部分能量可以轉移到飛船上，飛船就能從黑洞中獲取能量逃離。而且理論上克爾黑洞是可能與白洞連接的。電影《星際穿越》中的黑洞「卡岡圖雅」就是一個超大質量的克爾黑洞。
克爾黑洞示意圖
尋找黑洞的方法
（1）天體力學方法。通過觀察距離黑洞較近的恆星運動軌跡判定黑洞的位置和質量。天文學家正是對銀河系中心附近16顆恆星持續進行了20年的觀測，從而確定了銀心黑洞的質量。
「凱克」望遠鏡對銀心附近恆星的跟蹤
（2）「高亮」吸積盤。黑洞的巨大引力會將拉拽和撕扯周圍的物質，並且在角動量作用下以非常高的速度吸積到黑洞的赤道面，形成所謂的吸積盤。極高的速度形成極高的溫度，使吸積盤發射出強勁的光學和X射線輻射。歷史上第一個黑洞天鵝座X-1就是被軍事衛星意外發現的。
天鵝座X-1的X射線輻射達到「爆表」狀態，通過它的伴星的運動確認天鵝座X-1的質量和尺度，只能是一個黑洞。
（3）兩極噴流。活躍黑洞都有吸積盤，也伴隨著噴流，其中1/10能向外噴射0.99995光速的粒子流。接受度最高的解釋認為，吸積盤內含有大量帶電粒子，高速自旋的帶電粒子形成了強大的與黑洞接觸的磁場，假如黑洞也在自旋，就會對磁場產生拖拽，在黑洞的自轉兩極上，磁場被繞成一個緊緊的錐狀，加速了黑洞中的粒子，讓其形成噴流。
黑洞的藝術想像畫
霍金輻射
1975年，霍金提出黑洞可以向外「發射」粒子，這些粒子從黑洞中帶走能量，會使黑洞逐漸「蒸發」。狄拉克提出時間和能量的測不準原理決定了不存在嚴格為零的真空，量子真空是一種能量最低狀態，真空中的能量漲落可以產生一對正粒子和反粒子，因為質量與能量是等價的，但它們會在極短時間裡湮滅，平均地說真空中並沒有粒子產生，最早認為可能無法直接觀測到，所以它們被稱為虛粒子對。
霍金輻射示意圖。黑洞視界內和視界外都會產生虛粒子對——一個正粒子（紅色）和一個反粒子（黃色），位於視界附近的的虛粒子對可能會被分開，反粒子跌入視界以內，正粒子被「踢」出視界，以輻射形式「蒸發」出去。
這時如果電場或磁場作用在真空上，正負電子會沿相反方向分離，如果電場足夠強，它們就會分離得足夠遠，以至於沒有機會碰撞和湮滅，微型黑洞就有這種能力。根據霍金計算，在黑洞視界的邊緣最有可能發生反粒子被黑洞捕獲而正粒子逃出黑洞的現象。這樣一來虛粒子對變成了實粒子對，一個攜帶正能量一個攜帶負能量，因此並不破壞物質守恆和能量守恆定律。
霍金輻射的強弱與黑洞質量負相關，黑洞越大霍金輻射越低。一個太陽質量黑洞的霍金輻射強度只有100納開，遠小於2.7開的宇宙背景輻射。想要在「嘈雜」的背景中識別出黑洞輻射幾乎不可能。反之，黑洞越小霍金輻射越高。質量小到行星的黑洞，輻射溫度可以達到6000開，質子大小的黑洞溫度則可高達1012開。極小質量的黑洞會在極短的時間內蒸發殆盡，不會毀滅地球，正因為此，科學家們才認為可以在實驗室中製造微型黑洞。而宇宙中最大的黑洞完全蒸發可能需要10100年。
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