关注黑洞的发展

与其他天体相比，黑洞太特殊了。比如黑洞具有不可见性，人们无法直接观察到，甚至科学家也只能对其内部结构做出各种猜测。那么，黑洞是如何隐藏自己的呢？答案是——弯曲空间。众所周知，光是直线传播的。这是一个基本常识。但是根据广义相对论，空间在引力场的作用下会发生弯曲。此时，虽然光仍然沿着任意两点间最短的距离传播，但不是直线，而是曲线。形象地说，似乎光本来应该是直线前进的，但是强大的引力把它拉离了原来的方向。

在地球上，因为引力场很小，所以这种弯曲很小。在黑洞周围，这种空间变形非常大。这样，即使恒星发出的光被黑洞遮挡，虽然一部分会落入黑洞消失，但另一部分光会在弯曲的空间中绕过黑洞到达地球。所以我们很容易观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样。这就是黑洞的隐形性。

更有趣的是，一些恒星不仅直接向地球发送光能，还会向其他方向发送光线，这些光线可能会被附近黑洞的强大引力折射而到达地球。这样，我们不仅能看到这颗星星的“脸”，还能看到它的侧面，甚至它的背面！

“黑洞”无疑是本世纪最具挑战性和最令人兴奋的天文理论之一。许多科学家都在努力揭开它的神秘面纱，新的理论不断提出。但是，这些当代天体物理学的最新成果，在这里不是三言两语就能说清楚的。感兴趣的朋友可以参考特别的作品。

黑洞的分裂

黑洞根据组成可以分为两类。一个是暗能量黑洞，一个是物理黑洞。

■暗能量黑洞

它主要由高速旋转的巨大暗能量组成，内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，内部产生巨大的负压吞噬物体，从而形成黑洞。详见于《宇宙黑洞论》。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星系团和星系团的基础。物理黑洞是由一个或多个天体坍缩形成的，质量巨大。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇异黑洞。暗能量黑洞非常大，可以有太阳系那么大。

■物理黑洞

与暗能量黑洞相比，它的体积非常小，甚至可以缩小到奇点。

黑洞的吸积

黑洞通常被发现是因为它们聚集在气体周围产生辐射，这个过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率将严重影响吸积流的几何和动力学特性。目前已经观测到辐射效率高的薄圆盘和辐射效率低的厚圆盘。当吸积气体接近中心黑洞时，它们的辐射对黑洞的旋转和视界的存在极其敏感。吸积黑洞的光度和光谱分析为旋转黑洞和视界的存在提供了有力的证据。数值模拟还表明，吸积黑洞中经常出现相对论喷流，部分是由黑洞旋转驱动的。

天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中心引力体或中心扩展物质系统的流动。吸积是天体物理中最常见的过程之一，也正是因为吸积，才形成了我们身边很多常见的结构。在宇宙早期，当气体流向暗物质引起的引力势阱中心时，星系就形成了。即使在今天，恒星仍然是由气体云在自身重力下坍缩和碎裂，然后由周围气体吸积而成。包括地球在内的行星也是由新形成的恒星周围的气体和岩石积聚而成的。但当中心天体是黑洞时，吸积就会展现出它最壮观的一面。

然而，黑洞并不吸收一切。它们也向外发射质子。

黑洞的毁灭

■收缩直至破坏

黑洞会发光发亮，体积缩小，甚至爆炸。当英国物理学家史蒂文。霍金在1974年做出这种语言的时候，整个科学界都震惊了。

黑洞曾被认为是宇宙最后的沉积物:没有任何东西能从黑洞中逃脱，它们吞噬气体和恒星，质量增加，所以洞的体积只会增加。

霍金的理论是灵感主导的思维飞跃。他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放能量，同时消耗黑洞的能量和质量(当一个粒子在没有偿还借来的能量的情况下逃离黑洞时，黑洞会从其引力场失去等量的能量，爱因斯坦的公式E = MC 2表明能量的损失会导致质量的损失)。当黑洞的质量越来越小时，它的温度就会越来越高。这样，当黑洞失去质量时，它的温度和发射率增加，因此它的质量失去得更快。这种“霍金辐射”对于大多数黑洞来说是可以忽略的，而小黑洞则以非常高的速度辐射能量，直到黑洞爆炸。

■煮沸直至破坏

所有的黑洞都会蒸发，但大黑洞沸腾得很慢，它们的辐射很弱，很难被探测到。但随着黑洞变小，这个过程会加速，最终失控。当黑洞收缩时，引力也会变得更加陡峭，产生更多的逃逸粒子，从黑洞中掠夺的能量和质量也就越多。黑洞收缩越来越快，使得蒸发速度越来越快，周围的气场也变得越来越亮越来越热。当温度达到10 15℃时，黑洞将在爆炸中毁灭。

黑洞和地球

黑洞没有特定的形状，你看不见它。你只能根据周围行星的方向来判断它的存在。也许你会因为它的神秘而惊恐地叫出声来，但其实没必要太担心。虽然有很强的吸引力，但也是判断其地位的重要证据。即使它对距离地球非常近的物质产生了影响，我们仍然有足够的时间去挽救它，因为那时它的“官方边界”离我们还很远。而且大部分恒星坍缩后都会变成中子星或者白矮星。但这并不意味着我们可以放松警惕(谁知道下一刻我们会不会被吸入？)，这也是人类研究它的原因之一。

恒星、白矮星、中子星、夸克、黑洞依次是五种密度相当的恒星。当然，恒星是密度最低的，黑洞是物质的终极形态。黑洞之后会发生BIGBANG，能量释放后会进入新的循环。

黑洞的提议

1967，剑桥大学研究生林？贝尔发现了在天空中发出有规律的无线电波脉冲的物体，这进一步鼓励了黑洞存在的预测。起初，贝尔和她的导师安东尼？Hurvis认为他们可能与我们星系中的外星文明取得了联系！我确实记得在他们宣布发现的研讨会上，他们把最早发现的四个源称为LGM 1-4，LGM代表“小绿人”。然而，最终，他们和其他所有人得出了一个不那么浪漫的结论。这些被称为脉冲星的物体实际上是旋转的中子星，由于其磁场与周围物质之间的复杂相互作用，它们会发出无线电波脉冲。这对《太空探索》的作者来说是个坏消息，但对我们这些当时相信黑洞的人来说却是一个巨大的希望——这是第一颗中子星存在的证据。中子星的半径约为10英里，仅仅是恒星成为黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到如此小的尺度，自然会期望其他恒星坍缩到更小的尺度，成为黑洞。

黑洞概念刚提出的时候，光有两种理论:一种是牛顿的光粒子理论；另一个是光的波动理论。我们现在知道，事实上，两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光可以被认为既是波又是粒子。在光的波动理论中，尚不清楚光对重力的反应。但如果光是由粒子组成的，人们可以预期它们会像炮弹、火箭、行星一样受到引力的影响。起初，人们认为光粒子运动速度无限快，因此引力不能使它们减速，但罗迈关于光速有限的发现表明引力可以对它产生重要影响。

1783，剑桥大学校长约翰？在这个假设的基础上，米歇尔在伦敦皇家学会的《哲学杂志》上发表了一篇文章。他指出，一颗质量足够大、足够紧凑的恒星，会有如此强大的引力场，以至于连光都无法逃脱——任何从恒星表面发出的光，在到达远处之前，都会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然我们看不到它们，因为它们发出的光不会到达我们这里，但我们仍然可以感受到它们的引力。这就是我们现在所说的黑洞。它是名副其实的——太空黑洞。几年后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然单独提出了与米歇尔相似的想法。很有意思的是，拉普拉斯只在他的《世界体系》一书的第一版和第二版中收入了这一思想，在后来的版本中又删除了。也许他认为这是一个愚蠢的想法。(另外，光的粒子理论在19世纪变得不流行了；似乎一切都可以用波动理论来解释，而根据波动理论，光是否受到引力的影响并不清楚。)

其实因为光速是固定的，所以在牛顿的万有引力理论中把光当成炮弹来对待，真的很不协调。(从地面发射的炮弹因重力减速，最后停止上升，转回地面；但是，一个光子必须以恒定的速度继续向上，那么牛顿引力是如何影响光的呢？直到爱因斯坦在1915年提出广义相对论之前，没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至很久以后，这个理论对大质量恒星的意义才被理解。

探索黑洞

1928，印度研究生——萨拉马尼安？钱德拉塞卡和英国天文学家亚瑟一起乘船来到剑桥？爱丁顿爵士(一般相对论者)研究过。据记载，20世纪20年代初，一位记者告诉爱丁顿，他听说世界上只有三个人能理解广义相对论。爱丁顿停顿了一下，然后回答说，“我在想这个第三个人是谁”。)在从印度到英国的旅途中，钱德拉塞卡算出了一颗多大的恒星在耗尽燃料后还能继续对抗自身引力并维持自身运转。这个想法是，当恒星变小时，物质粒子靠得很近，根据泡利不相容原理，它们的速度一定非常不同。这导致它们相互散开，试图扩张恒星。恒星能够保持半径不变，是因为不相容原理导致的引力和斥力的平衡，就像在生命早期引力被热量平衡一样

然而，钱德拉塞卡意识到不相容原理所提供的排斥力是有限度的。恒星内粒子的最大速度差受相对论限制为光速。这意味着当恒星变得足够致密时，由不相容原理引起的排斥力会比引力引起的排斥力小。强德拉塞卡计算；一颗质量约为太阳1 . 5倍的冷恒星无法靠自身重力支撑自身。(这个质量现在被称为强德拉塞卡极限。)苏联科学家列夫？戴维多维奇？朗道几乎在同时也有类似的发现。

这对大质量恒星的最终归宿意义重大。如果一颗恒星的质量小于钱德拉塞卡极限，它最终会停止收缩，最终成为半径几千英里、密度每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是由其物质中的电子排斥力支撑的。我们已经观察到大量这样的白矮星。观察到的第一颗行星是围绕天狼星旋转的，天狼星是夜空中最亮的一颗星。

朗道指出，恒星还有另一种可能的最终状态。它的最终质量大约是太阳质量的一倍或两倍，但它的体积甚至比白矮星小得多。这些恒星是由中子和质子不相容原理的排斥力支撑的，而不是电子之间的排斥力。所以它们被称为中子星。它们的半径只有大约10英里，密度是每立方英寸几亿吨。当中子星第一次被预言时，没有办法观测到它。事实上，很久以后人们才观察到它们。

另一方面，当质量大于强德拉塞卡极限的恒星耗尽燃料时，会出现一个大问题:在某些情况下，它们会爆炸或抛出足够多的物质，使其质量降至极限以下，以避免灾难性的引力坍缩。但很难相信，无论恒星有多大，都会出现这种情况。你怎么知道它一定要减肥？即使每一颗恒星都试图减掉足够的重量以避免坍缩，如果你给一颗白矮星或中子星增加更多的质量，使其超过极限，会发生什么？会不会坍缩到无限密度？爱丁顿对此感到震惊，他拒绝相信钱德拉塞卡的结果。爱丁顿认为恒星不可能坍缩成一个点。这是大多数科学家的观点:爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会缩小到零。其他科学家的敌视，尤其是他以前的老师，恒星结构的主要权威爱丁顿，使得钱德拉塞卡放弃了这项工作，转而研究星团的运动等其他天文问题。然而他在1983获得了诺贝尔奖，至少部分原因是因为他早期在冷星质量极限方面的工作。

强德拉塞卡指出，不相容原理无法阻止质量大于强德拉塞卡极限的恒星坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会怎么样呢？这个问题是一个年轻的美国人提出来的，罗伯特？《奥本海默》在1939首次解决了这个问题。但他得到的结果表明，当时用望远镜观测不会有任何结果。后来，由于第二次世界大战的干扰，《奥本海默》本人非常密切地参与了原子弹计划。战后，引力坍缩的问题被大多数人遗忘了，因为大多数科学家都被原子和核尺度的物理学所吸引。

现在，我们从《奥本海默》的工作中得到一个图像:恒星的引力场改变了光的路径，这与没有恒星的情况不同。光锥是代表光从其顶部发出后在时空中传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏转，可以通过日食时观察远处恒星发出的光来观察。当恒星收缩时，其表面的引力场变得非常强，光线向内偏转更多，这使得光线更难逃离恒星。对于远处的观察者来说，光线变得更暗更红。最后，当恒星收缩到一个临界半径时，表面的引力场变得如此强大，以至于光锥向内偏转，以至于光再也无法逃逸。根据相对论，没有什么能比光传播得更快。这样，如果光不能逃逸，其他东西就更不可能逃逸，会被引力拉回来。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从这个区域逃逸并到达远处的观察者。现在我们把这个区域叫做黑洞，它的边界叫做事件视界，正好与光从黑洞中逃逸出来的轨迹重合。

当你看着一颗恒星坍缩形成黑洞的时候，为了理解你所看到的，记住相对论中没有绝对的时间。每个观察者都有自己的时间测量方法。因为恒星的引力场，有人在恒星上的时间会和有人在很远的地方的时间不一样。假设坍缩星表面有一个无畏的宇航员，他和一颗恒星一起向内坍缩。根据他的手表，每秒钟有一个信号被发送到一艘绕恒星运行的宇宙飞船上。在他手表的某个时刻，比如11点，恒星刚好收缩到临界半径。这个时候引力场强度强到什么都逃不掉，他的信号就再也传不到飞船上了。当11到达时，他在飞船中的伙伴发现宇航员发出一系列信号的时间间隔越来越长。但这种影响在10: 59: 59之前非常小。他们只需要在收到来自10: 59: 58和10: 59: 59的两个信号之间等待一秒多一点的时间，但他们必须等待来自11的信号的无限时间。根据宇航员的手表，在10: 59: 59和11: 00之间，恒星表面发出光波。从宇宙飞船上看，光波被散射成无限长的时间间隔。飞船上接收这一系列光波的时间间隔越来越长，因此恒星发出的光越来越红，越来越弱。最后，这颗恒星变得如此模糊，以至于从飞船上再也看不到它，在太空中只留下一个黑洞。但是恒星继续以相同的引力作用在飞船上，使得飞船继续围绕形成的黑洞旋转。

然而，由于以下问题，上述场景并不完全真实。离恒星越远，引力越弱，所以作用在无畏宇航员脚上的引力总是大于作用在他头上的引力。在恒星还没有收缩到临界半径，形成视界之前，这种力差就已经把我们的宇航员拉成了意大利面，甚至撕裂了他！但我们认为宇宙中存在质量大得多的天体，比如星系的中心区域，遭受引力坍缩，产生黑洞；这种物体上的宇航员在黑洞形成之前不会被撕成碎片。其实当他达到临界半径的时候，他并没有觉得有什么奇怪，甚至当他过了永不回头的点的时候，他也没有察觉。然而，随着该区域继续塌陷，几个小时之内，作用在他头上和脚上的重力差将变得如此之大，以至于再次被撕裂。

罗杰？我和彭罗斯在1965到1970之间研究，指出根据广义相对论，黑洞中一定存在无限密度和时空曲率的奇异性。这与时间之初的大爆炸非常相似，只是对于一个坍缩的物体和宇航员来说，这是时间的终结。在这个奇点，科学定律和我们预测未来的能力失效了。然而，任何停留在黑洞之外的观察者都不会受到可预测性失败的影响，因为光和来自奇点的任何其他信号都无法到达他。这个惊人的事实导致罗杰？彭罗斯提出了宇宙审查猜想，可以翻译为:“上帝讨厌赤裸裸的奇点。”换句话说，引力坍缩导致的奇点只能发生在黑洞这样的地方，被事件视界覆盖，不被外界看到。严格来说，这就是所谓的弱宇宙审查猜想:它保护了停留在黑洞之外的观测者免受奇点处可预测性失效的影响，却对不幸落入黑洞的可怜宇航员束手无策。

广义相对论的方程有一些解，使得我们的宇航员有可能看到裸奇点。他也许可以避免撞上奇点，通过一个“虫洞”到达宇宙的另一部分。看来这为时空旅行提供了极大的可能性。但不幸的是，所有这些解决方案似乎都很不稳定；最小的扰动，比如一个宇航员的存在，都会改变它，让他看不到这个奇点，于是他就撞向它，结束了自己的时间。换句话说，奇点总是发生在他的未来，而不是过去。强宇宙审查猜想是指在现实解中，奇点总是存在于未来(如引力坍缩奇点)或过去(如宇宙大爆炸)。因为有可能在裸奇点附近旅行到过去，某种形式的宇宙审查的猜想是有希望的。这对科幻作家来说很好，它表明没有人的生命是安全的:有人可以回到过去，在你重生之前杀死你的父亲或母亲！

事件视界，即时空中不可逃避区域的边界，就像黑洞周围的单向膜一样:物体，比如不警惕的宇航员，可以通过事件视界落入黑洞，但没有任何东西可以通过事件视界逃离黑洞。(记住事件视界是光试图逃离黑洞-时间轨道的空间，没有什么能比光移动得更快。人们可以恰当地把诗人但丁关于地狱入口的话套用到事件视界上:“从这里进入的人，必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入活动视界，就会迅速到达无限致密区和时间的尽头。

广义相对论预言，移动重物会导致引力波的辐射，引力波是时空曲率的波纹，以光速传播。引力波类似于电磁场中的波纹，但探测起来要困难得多。就像光一样，它会带走发光物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射带走，所以可以预期，一个大质量物体的系统最终会趋于一个恒定的状态。这与将一块软木塞扔进水中非常相似。起初，它上下颠倒了很长时间，但当涟漪带走它的能量后，它终于平静下来。例如，地球围绕太阳旋转会产生引力波。其能量损失的效应会改变地球的轨道，使其离太阳越来越近，最终撞击太阳，并以这种方式回到最终状态。以地球和太阳为例，能量损失率很小——只需要一个小型电加热器就能点燃，也就是说地球和太阳相撞大约需要6543.8亿年，不用马上担心！改变地球轨道的过程太慢，根本观测不到。但几年前，在一个名为PSR 1913+16的系统中观察到了这种效应(PSR代表“脉冲星”，是一种特殊的中子星，发出有规律的无线电波脉冲)。这个系统由两颗互相围绕运动的中子星组成。由于引力波辐射，它们的能量损失使得它们以螺旋轨道相互靠近。

当恒星坍缩形成黑洞时，它的运动速度要快得多，因此能量以高得多的速度被带走。所以不用太久就能达到同样的状态。这个最终状态会是什么样的？人们会认为，这将取决于形成黑洞的恒星的所有复杂特征——不仅是其质量和旋转速度，还包括恒星不同部分的不同密度以及气体在恒星中的复杂运动。如果黑洞像塌缩形成它们的原始物体一样多变，一般来说，对它们做出任何预测都将非常困难。

然而，加拿大科学家奈奈？以色列(他出生在柏林，在南非长大，在爱尔兰获得博士学位)在1967年彻底改变了黑洞的研究。他指出，根据广义相对论，不旋转的黑洞一定是非常简单完美的球体；它的大小只取决于它们的质量，任何两个质量相同的这样的黑洞一定是相等的。其实它们可以用爱因斯坦的特解来描述，那是在广义相对论发现后的1917年。Schwartz Schild找到了。起初，很多人(包括伊斯雷尔本人)认为，既然黑洞一定是完美的球形，那么黑洞就只能是完美球形物体的坍缩形成的。因此，任何实际的恒星——永远不会是完美的球形——只会坍缩形成一个裸露的奇点。

但是，对于以色列的成绩，有些人，尤其是罗杰？彭罗斯和约翰？惠勒主张不同的解释。他们认为，涉及恒星坍缩的快速运动表明，它释放的引力波使它越来越接近一个球体，当它最终静止时，它就变成了一个精确的球体。根据这种观点，任何不旋转的恒星，无论其形状和内部结构多么复杂，在引力坍缩后，最终都会成为一个完美的球形黑洞，其大小只取决于其质量。这个观点得到了计算的进一步支持，很快被大家接受。

以色列的结果只处理了非旋转物体形成的黑洞。1963，新西兰人罗伊？克尔发现了描述旋转黑洞的广义相对论方程的一族解。这些克尔黑洞以恒定的速度旋转，它们的大小和形状只取决于它们的质量和旋转速度。如果旋转为零，黑洞就是一个完美的球体，这个解和Schwartz Schild的解是一样的。如果有自转，黑洞在赤道附近向外凸出(就像地球或太阳因自转而向外凸出一样)，自转越快，向外凸出越多。据推测，如果将israel的结果扩展到包括旋转体，那么任何旋转体在坍缩形成黑洞后，最终都会处于Kerr解所描述的静止状态。

黑洞是科学史上最罕见的案例之一。在没有任何观测证据证明其理论正确的情况下，它已经发展成为一个非常详细的数学模型。事实上，这往往是反对黑洞的主要论点:你怎么能相信一个基础只是基于可疑的广义相对论的计算的物体？然而，在1963年，美国加州帕洛玛天文台的天文学家马丁？施密特在一个名为3C273(剑桥射电源目录第三类第273号)的射电源方向上测量了一个暗弱类星体的红移。他发现引力场不可能造成这么大的红移——如果是引力红移，那么这样的恒星必须有这么大的质量，而且离我们这么近，才会干扰太阳系内行星的轨道。这暗示着这种红移是由宇宙膨胀引起的，这进一步表明这个天体离我们非常遥远。既然能在这么远的距离观测到，那它一定很亮，也就是说它一定辐射出很多能量。人们会认为，产生如此大能量的唯一机制似乎不仅仅是一颗恒星，而是一个星系整个中心区域的引力坍缩。还发现了很多其他类星体，都有很大的红移。但是它们都离我们太远了，要观测它们为黑洞提供确凿的证据太难了。