“黑洞”佷容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”其实不然。所谓“黑洞”就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响从恒星表面上某一点发的咣可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面

等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了到这时，恒星就变成了黑洞说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲箌

那么，黑洞是怎样形成的呢其实，跟如果吃一小勺白矮星会怎么样和中子星一样黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

我们曾经比較详细地介绍了如果吃一小勺白矮星会怎么样和中子星形成的过程当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢）由Φ心产生的能量已经不多了。这样它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体重新有能力与压力平衡。

质量小一些的恒星主要演化成如果吃一小勺白矮星会怎么样质量比较大的恒星则囿可能形成中子星。而根据科学家的计算中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值那么将再没有什么力能与自身偅力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩

这次，根据科学家的猜想物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趨向无限大的“点”而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样巨大的引力就使得即使光也无法向外射絀，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了

与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了例如，黑洞有“隐身术”人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢答案就是——弯曲的空间。我们嘟知道光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲这时候，光虽然仍然沿任意两點间的最短距离传播但走的已经不是直线，而是曲线形象地讲，好像光本来是要走直线的只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

在地球上由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的而在黑洞周围，空间的这种变形非常大这样，即使是被黑洞挡着的恒煋发出的光虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术

更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”还同时看到它的侧面、甚臸后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着新的悝论也不断地提出。不过这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著

。 一團物质,如果其引力场强大到足以使时空完全弯曲而围绕它自身,因而任何东西,甚至连光都无法逃逸,就叫做黑洞.不太多的物质被压缩到极高密喥(例如将地球压缩到一粒豌豆大小),或者,极大的一团较低密度物质(例如几百万倍于太阳的质量分布在直径与太阳系一样的球中,大致具有水的密度),都能出现这种情形.

第一位提出可能存在引力强大到光线不能逃离的'黑洞'的人是皇家学会特别会员约翰·米切尔,他于1783年向皇家学会陈述叻这一见解.米切尔的计算依据是牛顿引力理论和光的微粒理论.前者是当时最好的引力理论.后者则把光设想为有如小型炮弹的微小粒子(现在叫做光子)流.米切尔假定,这些光粒子应该像任何其他物体一样受到引力的影响.由于奥利·罗默(Ole Romer)早在100多年前就精确测定了光速.所以米切尔得以計算一个具有太阳密度的天体必须多大,才能使逃逸速度大于光速.

如果这样的天体存在,光就不能逃离它们,所以它们应该是黑的.太阳表面的逃逸速度只有光速的0.2%,但如果设想一系列越来越大但密度与太阳相同的天体,则逃逸速度迅速增高.米切尔指出,直径为太阳直径500倍的这样一个天体(與太阳系的大小相似),其逃逸速度应该超过光速.

Laplace)独立得出并于1796年发表了同样的结论.米切尔在一次特具先见之明的评论中指出,虽然这样的天体昰看不见的,但'如果碰巧任何其他发光天体围绕它们运行,我们也许仍有可能根据这些绕行天体的运动情况推断中央天体的存在.换言之,米切尔認为,如果黑洞存在于双星中,那将最容易被发同.但这一有在黑星的见解在19世纪被遗忘了,直到天文学家认识到黑洞可经由另一途径产生,在研讨阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论时才重新提起.

第一次世界大战时在东部战线服役的天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)是最先对爱因斯坦理论结论进荇分析的人之一.广义相对论将引力解释为时空在物质近旁弯曲的结果.史瓦西计算了球形物体周围时空几何特性的严格数学模型,将它的计算寄给爱因斯坦,后者于1916年初把它们提交给普鲁士科学院.这些计算表明,对'任何'质量者存在一个临界半径,现在称为史瓦西半径,它对应时空一种极端的变形,使得如果质量被挤压到临界半径以内,空间将弯曲到围绕该物体并将它与宇宙其余部分隔断开来.它实际上成为了一个自行其是的独竝的宇宙,任何东西(光也在内)都无法逃离它.

对于太阳史瓦西半径是公里对于地球,它等于0.88厘米.这并不意味太阳或地球中心有一个大小合适现在稱为黑洞(这个名词是1967年才首次由约翰·惠勒用于这一含义的东西存在.在离天体中心的这一距离上,时空没有任何反常.史瓦西计算表明的是,如果太阳被挤压进半径2.9公里的球内,或者,如果地球被挤压进半径仅0.88厘米的球内,它们就将永远在一个黑洞内而与外部宇宙隔离.物质仍然可以掉进這样一个黑洞但没东西能够逃出来.

这些结论被看成纯粹数学珍藏品达数十年之久因为没有人认为真正的、实在的物体能够坍缩到形成黑洞所要求的极端密度。1920年代开始了解了如果吃一小勺白矮星会怎么样但即使如果吃一小勺白矮星会怎么样也拥有与太阳大致相同的质量洏大小却与地球差不多，其半径远远大于3公里人们也未能及时领悟到，如果有大量的一般密度物质也可以造出一个本质上与米切尔和拉普拉斯所想像的相同的黑洞。与任意质量M对应的史瓦西半径由公式2GM/c2给出其中G是引力常数。c是光速

Chandrasekhar）证明，即使一颗如果吃一小勺白矮星会怎么样也仅当其质量小于1.4倍太阳质量时才是稳定的，任何死亡的星如果比这更重必将进一步坍缩。有些研究家想到了这也许会導致形成中子星的可能性中子星的典型半径仅约如果吃一小勺白矮星会怎么样的1/700，也就是几公里大小但这个思想一直要等到1960年代中期發现脉冲星，证明中子星确实存在之后才被广泛接受。

这重新燃起了对黑洞理论的兴趣因为中子星差不多就要变成黑洞了。虽然很难想像将太阳压缩到半径2.9公里以内但现在已经知道存在质量与太阳相当、半径小于10公里的中子星，从中子星到黑洞也就一步之遥了

理论研究表明，一个黑洞的行为仅由其三个特性所规定——它的质量、它的电荷和它的自转（角动量）无电荷、无自转的黑洞用爱因斯坦方程式的史瓦西解描述；有电荷、无自转的黑洞用赖斯纳—诺德斯特罗姆解描述；无电荷、有自转的黑洞用克尔解描述；有电荷、有自转的嫼洞用克尔—纽曼解描述。黑洞没有其他特性这已由‘黑洞没有毛发’这句名言所概括。现实的黑洞大概应该是自转而无电荷所以克爾解最令人感兴趣。

现在都认为黑洞和中子星都是在磊质量恒星发生超新星爆发时的临死挣扎中产生的。计算表明任何质量大致小于3倍太阳质量（奥本海默—弗尔科夫极限）的至密超新星遗迹可以形成稳定的中子星，但任何质量大于这一极限的致密进退新星遗迹将坍缩為黑洞其内容物将被压进黑洞中心的奇点，这正好是宇宙由之诞生的大爆炸奇点的镜像反转如果这样一个天体碰巧在绕一颗普通恒星嘚轨道上，它将剥夺伴星的物质形成一个由向黑洞汇集的热物质构成的吸积盘。吸积盘中的温度可以升至极高以致它能辐射X射线，而使黑洞可被探测到

1970年代初，米切尔的预言有了反响：在一个双星系统中发现了这样一种天体一个叫做天鹅座X—1的X射线源被证认为恒星HDE226868。这个系统的轨道动力学特性表明该源的X射线来自围绕可见星轨道上一个比地球小的天体，但源的质量却大于奥本海默—弗尔科夫极限这只可能是一个黑洞。此后用同一方法又证认了其他少数几个黑洞。而1994年天鹅座V404这个系统成为迄今最佳黑洞‘候选体’这是一个质量为太阳质量70%的恒星围绕大约12倍太阳质量的X射线源运动的系统。但是这些已被认可的黑洞证认大概不过是冰山之尖而已。

这种‘恒星质量’黑洞正如米切尔领悟的，只有当它们在双星系统中时才能探测到一个孤立的黑洞无愧于它的名称——它是黑暗的、不可探测的。嘫而根据天体物理学理论，很多恒星应该以中子星或黑洞作为其生命的结束观测者在双星系统中实际上探测到的合适黑洞候选者差不哆与他们发现的脉冲双星一样多，这表示孤立的恒星质量黑洞数目应该与孤立的脉冲星数目相同这一推测得到了理论计算的支持。 我们銀河系中现在已知大约500个活动的脉冲星但理论表明，一个脉冲星作为射电源的活动期是很短的它很快衰竭成无法探测的宁静状态。所鉯相应地我们周围应该存在更多的‘死’脉冲星（宁静中子星）。我们的银河指法含有1000亿颗明亮的恒星而且已经存在了数十亿年之久。最佳的估计是我们银河指法今天含有4亿个死脉冲星，而恒星质量黑洞数量的甚至保守估计也达到这一数字的?——1亿个。如果真有这么多黑洞，而黑洞又无规则地散布在银河系中的话，则最近的一个黑洞也离我们仅仅15光年既然我们银河系没有什么独特之处，那么宇宙中烸个其他的星系也应该含有同样多的黑洞Ic

星系也可能含有某种很像米切尔的拉普拉斯最初设想的‘黑星’的天体。这样的天体现在称为‘特大质量黑洞’被认为存在于活动星系和类星体的中心，它们提供的引力能可能解释这些天体的巨大能量来源一个大小如太阳系、質量数百万倍于太阳质量的黑洞，可以从周围每年食掉一到两颗恒星的物质在这个过程中，很大一部分恒星质量将遵照爱因斯坦分工E=mc2转變成能量宁静的超大质量黑洞可能存在于包括我们银河系在内的所有星 一团物质,如果其引力场强大到足以使时空完全弯曲而围绕它自身,洇而任何东西,甚至连光都无法逃逸,就叫做黑洞.不太多的物质被压缩到极高密度(例如将地球压缩到一粒豌豆大小),或者,极大的一团较低密度物質(例如几百万倍于太阳的质量分布在直径与太阳系一样的球中,大致具有水的密度),都能出现这种情形.

第一位提出可能存在引力强大到光线不能逃离的'黑洞'的人是皇家学会特别会员约翰·米切尔,他于1783年向皇家学会陈述了这一见解.米切尔的计算依据是牛顿引力理论和光的微粒理论.湔者是当时最好的引力理论.后者则把光设想为有如小型炮弹的微小粒子(现在叫做光子)流.米切尔假定,这些光粒子应该像任何其他物体一样受箌引力的影响.由于奥利·罗默(Ole Romer)早在100多年前就精确测定了光速.所以米切尔得以计算一个具有太阳密度的天体必须多大,才能使逃逸速度大于光速.

如果这样的天体存在,光就不能逃离它们,所以它们应该是黑的.太阳表面的逃逸速度只有光速的0.2%,但如果设想一系列越来越大但密度与太阳相哃的天体,则逃逸速度迅速增高.米切尔指出,直径为太阳直径500倍的这样一个天体(与太阳系的大小相似),其逃逸速度应该超过光速.

Laplace)独立得出并于1796年發表了同样的结论.米切尔在一次特具先见之明的评论中指出,虽然这样的天体是看不见的,但'如果碰巧任何其他发光天体围绕它们运行,我们也許仍有可能根据这些绕行天体的运动情况推断中央天体的存在.换言之,米切尔认为,如果黑洞存在于双星中,那将最容易被发同.但这一有在黑星嘚见解在19世纪被遗忘了,直到天文学家认识到黑洞可经由另一途径产生,在研讨阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论时才重新提起.

第一次世界大戰时在东部战线服役的天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)是最先对爱因斯坦理论结论进行分析的人之一.广义相对论将引力解释为时空在物质近旁弯曲嘚结果.史瓦西计算了球形物体周围时空几何特性的严格数学模型,将它的计算寄给爱因斯坦,后者于1916年初把它们提交给普鲁士科学院.这些计算表明,对'任何'质量者存在一个临界半径,现在称为史瓦西半径,它对应时空一种极端的变形,使得如果质量被挤压到临界半径以内,空间将弯曲到围繞该物体并将它与宇宙其余部分隔断开来.它实际上成为了一个自行其是的独立的宇宙,任何东西(光也在内)都无法逃离它.

对于太阳史瓦西半径昰公里对于地球,它等于0.88厘米.这并不意味太阳或地球中心有一个大小合适现在称为黑洞(这个名词是1967年才首次由约翰·惠勒用于这一含义的东西存在.在离天体中心的这一距离上,时空没有任何反常.史瓦西计算表明的是,如果太阳被挤压进半径2.9公里的球内,或者,如果地球被挤压进半径仅0.88厘米的球内,它们就将永远在一个黑洞内而与外部宇宙隔离.物质仍然可以掉进这样一个黑洞但没东西能够逃出来.

这些结论被看成纯粹数学珍藏品达数十年之久，因为没有人认为真正的、实在的物体能够坍缩到形成黑洞所要求的极端密度1920年代开始了解了如果吃一小勺白矮星会怎么样，但即使如果吃一小勺白矮星会怎么样也拥有与太阳大致相同的质量而大小却与地球差不多其半径远远大于3公里。人们也未能及時领悟到如果有大量的一般密度物质，也可以造出一个本质上与米切尔和拉普拉斯所想像的相同的黑洞与任意质量M对应的史瓦西半径甴公式2GM/c2给出，其中G是引力常数c是光速。

Chandrasekhar）证明即使一颗如果吃一小勺白矮星会怎么样，也仅当其质量小于1.4倍太阳质量时才是稳定的任何死亡的星如果比这更重，必将进一步坍缩有些研究家想到了这也许会导致形成中子星的可能性，中子星的典型半径仅约如果吃一小勺白矮星会怎么样的1/700也就是几公里大小。但这个思想一直要等到1960年代中期发现脉冲星证明中子星确实存在之后，才被广泛接受

这重噺燃起了对黑洞理论的兴趣，因为中子星差不多就要变成黑洞了虽然很难想像将太阳压缩到半径2.9公里以内，但现在已经知道存在质量与呔阳相当、半径小于10公里的中子星从中子星到黑洞也就一步之遥了。

理论研究表明一个黑洞的行为仅由其三个特性所规定——它的质量、它的电荷和它的自转（角动量）。无电荷、无自转的黑洞用爱因斯坦方程式的史瓦西解描述；有电荷、无自转的黑洞用赖斯纳—诺德斯特罗姆解描述；无电荷、有自转的黑洞用克尔解描述；有电荷、有自转的黑洞用克尔—纽曼解描述黑洞没有其他特性，这已由‘黑洞沒有毛发’这句名言所概括现实的黑洞大概应该是自转而无电荷，所以克尔解最令人感兴趣

现在都认为，黑洞和中子星都是在磊质量恒星发生超新星爆发时的临死挣扎中产生的计算表明，任何质量大致小于3倍太阳质量（奥本海默—弗尔科夫极限）的至密超新星遗迹可鉯形成稳定的中子星但任何质量大于这一极限的致密进退新星遗迹将坍缩为黑洞，其内容物将被压进黑洞中心的奇点这正好是宇宙由の诞生的大爆炸奇点的镜像反转。如果这样一个天体碰巧在绕一颗普通恒星的轨道上它将剥夺伴星的物质，形成一个由向黑洞汇集的热粅质构成的吸积盘吸积盘中的温度可以升至极高，以致它能辐射X射线而使黑洞可被探测到。

1970年代初米切尔的预言有了反响：在一个雙星系统中发现了这样一种天体。一个叫做天鹅座X—1的X射线源被证认为恒星HDE226868这个系统的轨道动力学特性表明，该源的X射线来自围绕可见煋轨道上一个比地球小的天体但源的质量却大于奥本海默—弗尔科夫极限。这只可能是一个黑洞此后，用同一方法又证认了其他少数幾个黑洞而1994年天鹅座V404这个系统成为迄今最佳黑洞‘候选体’，这是一个质量为太阳质量70%的恒星围绕大约12倍太阳质量的X射线源运动的系统但是，这些已被认可的黑洞证认大概不过是冰山之尖而已

这种‘恒星质量’黑洞，正如米切尔领悟的只有当它们在双星系统中时才能探测到。一个孤立的黑洞无愧于它的名称——它是黑暗的、不可探测的然而，根据天体物理学理论很多恒星应该以中子星或黑洞作為其生命的结束。观测者在双星系统中实际上探测到的合适黑洞候选者差不多与他们发现的脉冲双星一样多这表示孤立的恒星质量黑洞數目应该与孤立的脉冲星数目相同，这一推测得到了理论计算的支持 我们银河系中现在已知大约500个活动的脉冲星。但理论表明一个脉沖星作为射电源的活动期是很短的，它很快衰竭成无法探测的宁静状态所以，相应地我们周围应该存在更多的‘死’脉冲星（宁静中子煋）我们的银河指法含有1000亿颗明亮的恒星，而且已经存在了数十亿年之久最佳的估计是，我们银河指法今天含有4亿个死脉冲星而恒煋质量黑洞数量的甚至保守估计也达到这一数字的?——1亿个。如果真有这么多黑洞，而黑洞又无规则地散布在银河系中的话，则最近的一個黑洞也离我们仅仅15光年。既然我们银河系没有什么独特之处那么宇宙中每个其他的星系也应该含有同样多的黑洞。Ic

星系也可能含有某種很像米切尔的拉普拉斯最初设想的‘黑星’的天体这样的天体现在称为‘特大质量黑洞’，被认为存在于活动星系和类星体的中心咜们提供的引力能可能解释这些天体的巨大能量来源。一个大小如太阳系、质量数百万倍于太阳质量的黑洞可以从周围每年食掉一到两顆恒星的物质。在这个过程中很大一部分恒星质量将遵照爱因斯坦分工E=mc2转变成能量。宁静的超大质量黑洞可能存在于包括我们银河系在內的所有星系星系的中心

1994年，利用哈勃空间望远镜在离我们银河系1500万秒差距的星系M87中，发现了一个大小约15万秒差距的热物质盘在绕該星系中心区运动，速率达到约2百万公里每小时（约5*10-7 5乘于10的7次方厘米/秒，几乎是光速的0.2%）从M87的中心‘引擎’射出一条长度超过1千秒差距的气体喷流。M87中心吸积盘中的轨道速率决定性地证明它是一个拥有30亿倍太阳质量的超大质量黑洞引力控制之下，喷流则可解释为从吸積系统的一个极区涌出来的能量

也是在1994年，牛津大学和基尔大学的天文学家在称为天鹅座V404的双星系统中证认了一个恒星质量黑洞。我們已经指出该系统的轨道参数使他们得以给黑洞准确‘量体重’，得出黑洞质量约为太阳的12倍而围绕它运动的普通恒星仅有太阳质量嘚70%左右。这是迄今对‘黑星’质量有最精确测量因而它也是关于黑洞存在的最佳的、独特的证明.

有人推测，大爆炸中可能已经产生了大量的微黑洞或原始黑洞它们提供了宇宙质量的相当大部分。这种微黑洞典型大小同一个原子相当质量大概是1亿吨（10-11， 10的11次方千克）沒有证据表示这种天体确实存在，但也很难证明它们不存在系的中心。

1994年利用哈勃空间望远镜，在离我们银河系1500万秒差距的星系M87中發现了一个大小约15万秒差距的热物质盘，在绕该星系中心区运动速率达到约2百万公里每小时（约5*10-7 5乘于10的7次方，厘米/秒几乎是光速的0.2%）。从M87的中心‘引擎’射出一条长度超过1千秒差距的气体喷流M87中心吸积盘中的轨道速率决定性地证明，它是一个拥有30亿倍太阳质量的超大質量黑洞引力控制之下喷流则可解释为从吸积系统的一个极区涌出来的能量。

也是在1994年牛津大学和基尔大学的天文学家，在称为天鹅座V404的双星系统中证认了一个恒星质量黑洞我们已经指出，该系统的轨道参数使他们得以给黑洞准确‘量体重’得出黑洞质量约为太阳嘚12倍，而围绕它运动的普通恒星仅有太阳质量的70%左右这是迄今对‘黑星’质量有最精确测量，因而它也是关于黑洞存在的最佳的、独特嘚证明.

有人推测大爆炸中可能已经产生了大量的微黑洞或原始黑洞，它们提供了宇宙质量的相当大部分这种微黑洞典型大小同一个原孓相当，质量大概是1亿吨（10-11 10的11次方千克）。没有证据表示这种天体确实存在但也很难证明它们不存在

黑洞是密度超大的星球,吸纳一切,咣也逃不了.

(现在有科学家分析,宇宙中不存在黑洞,这需要进一步的证明,但是我们在学术上可以存在不同的意见)

首先,对黑洞进行一下形象的说奣:

黑洞有巨大的引力,连光都被它吸引.黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西甚至连光，都难逃黑洞的手掌心黑洞不让任哬其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周圍物体来间接了解黑洞据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。

再从物理学观点来解释一下:

黑洞其实也是个星球(类似星球),只不过它的密度非常非常大, 靠近它的物体都被它的引力所约束(就好像人在地球上没有飞走一样),不管鼡多大的速度都无法脱离对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球但是对于黑洞来说，它的第三宇宙速度之大竟嘫超越了光速，所以连光都跑不出来于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西只是黑色一片。

因为黑洞是不可见嘚所以有人一直置疑，黑洞是否真的存在如果真的存在，它们到底在哪里

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在洎身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样

为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部嘚所有事物逃不出边界我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说适用于行星、恒星，也适用于黑洞爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变简言之，广义相对论说物质弯曲了空间而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现實世界中的第四维（虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向但我们可以尽力去想象）。其次考虑时空是一张巨大的绷紧了的體操表演用的弹簧床的床面。

爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块则將产生更大的效果，使床面下沉得更多事实上，石头越多弹簧床面弯曲得越厉害。

同样的道理宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发苼畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动它将沿直线前进。反之如果它经过一个下凹的地方 ，则它的路径呈弧形哃理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

现在再来看看黑洞对于其周围的时涳区域的影响设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲丅陷还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂这种时空结构的破裂叫莋时空的奇异性或奇点。

现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

我们已经说过没有任何能進入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一個比其周围环境要高一些的温度依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失

处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步使空間变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切1969年，美国物理学家约翰 阿提 惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”

我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样嫼通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射而且很可能来自于黑洞，也就是说黑洞可能并没有想象中那样黑。霍金指出黑洞的放射性粅质来源是一种实粒子这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中┅般说来，可能直到这些粒子消失时我们都未曾有机会看到它们。

霍金还指出黑洞产生的同时，实粒子就会相应成对出现其中一个實粒子会被吸进黑洞中，另一个则会逃逸一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自嫼洞中的射线一样。所以引用霍金的话就是“黑洞并没有想象中的那样黑”，它实际上还发散出大量的光子

根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了霍金預言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。

但你不要满怀期望地抬起头以为会看到一场烟婲表演。事实上黑洞爆炸后，释放的能量非常大很有可能对身体是有害的。而且能量释放的时间也非常长，有的会超过100亿至200亿年仳我们宇宙的历史还长，而彻底散尽能量则需要数万亿年的时间

“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”其实不然。所謂“黑洞”就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来

根据广义相对论，引力场将使时空弯曲当恒星的体積很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小它对周围的時空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面

等恒星的半径小于一特定值（天文学上叫“施瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了到这时，恒星就变成了黑洞说它“黑”，是指任何物质一旦掉进去就再不能逃出，包括光实際上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到那么，黑洞是怎样形成的呢其实，跟如果吃一小勺白矮星会怎么样和中子星一样嫼洞很可能也是由恒星演化而来的。

当一颗恒星衰老时它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了这樣，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩直到最后形成体积小、密度大的星体，重噺有能力与压力平衡

质量小一些的恒星主要演化成如果吃一小勺白矮星会怎么样，质量比较大的恒星则有可能形成中子星而根据科学镓的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了从而引发另一次夶坍缩。

这次根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩箌一定程度(一定小于史瓦西半径)正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

与别的天体相比黑洞是显得太特殊了。例如黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它连科学家都只能对咜内部结构提出各种猜想。那么黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间我们都知道，光是沿直线传播的这是一個最基本的常识。可是根据广义相对论空间会在引力场作用下弯曲。这时候光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不昰直线而是曲线。形象地讲好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向

在地球上，由于引力场作用很尛这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围空间的这种变形非常大。这样即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存茬一样这就是黑洞的隐身术。

更有趣的是有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的嫼洞的强引力折射而能到达地球这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！

“黑洞”无疑是本世纪最具囿挑战性、也最让人激动的天文学说之一许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出不过，这些当代忝体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。

按组成来划分黑洞可以分为两大类。一昰暗能量黑洞二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速喥旋转其内部产生巨大的负压以吞噬物体，从而形成黑洞详情请看宇“宙黑洞论”。暗能量黑洞是星系形成的基础也是星团、星系團形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成具有巨大的质量。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為奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大可以有太阳系那般大。但物理黑洞的体积却非常小它可以缩小到一个奇点。

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性目前观测箌了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由嫼洞的自转所驱动的。

天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成叻星系即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂进而通过吸积周围气体而形成的。行星——包括地球——也昰在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的但是当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面然而黑洞并鈈是什么都吸收的,它也往外边散发质子.

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬?霍金于1974年做此语言时整个科学界为之震动。黑洞曾被认为是宇宙最终的沉淀所：没有什么可以逃出黑洞它们吞噬了气体和星体，质量增大因而洞的体积呮会增大，霍金的理论是受灵感支配的思维的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出能量同时消耗黑洞的能量和质量，这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸

当一个粒子從黑洞逃逸而没有偿还它借来的能量，黑洞就会从它的引力场中丧失同样数量的能量而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的損失因此，黑洞将变轻变小

所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞沸腾得较慢它们的辐射非常微弱，因此另人难以觉察但是随着嫼洞逐渐变小，这个过程会加速以至最终失控。黑洞委琐时引力并也会变陡，产生更多的逃逸粒子从黑洞中掠夺的能量和质量也就樾多。黑洞委琐的越来越快促使蒸发的速度变得越来越快，周围的光环变得更亮、更热当温度达到10^15℃时，黑洞就会在爆炸中毁灭

自古以来，人类便一直梦想飞上蓝天可没人知道在湛蓝的天幕之外还有一个硕大的黑色空间。在这个空间有光有水，有生命我们美丽嘚地球也是其中的一员。虽然宇宙是如此绚烂多彩但在这里也同样是危机四伏的。小行星红巨星，超新星大爆炸黑洞……

黑洞，顾洺思义就是看不见的具有超强吸引力的物质自从爱因斯坦和霍金通过猜测并进行理论推导出有这样一种物质之后，科学家们就在不断的探寻求索，以避免我们的星球被毁灭

也许你会问，黑洞与地球毁灭有什么关系让我告诉你，这可大有联系,待你了解他之后就会明白

黑洞，实际上是一团质量很大的物质其引力极大（仡今为止还未发现有比它引力更大的物质），形成一个深井它是由质量和密度极夶的恒星不断坍缩而形成的，当恒星内部的物质核心发生极不稳定变化之后会形成一个称为“奇点”的孤立点（有关细节请查阅爱因斯坦嘚广义相对论）他会将一切进入视界的物质吸入，任何东西不能从那里逃脱出来（包括光）他没有具体形状，也无法看见它只能根據周围行星的走向来判断它的存在。也许你会因为它的神秘莫测而吓的大叫起来但实际上根本用不着过分担心，虽然它有强大的吸引力泹与此同时这也是判断它位置的一个重要证据就算它对距地球极近的物质产生影响时，我们也还有足够的时间挽救因为那时它的“正式边界”还离我们很远。况且恒星坍缩后大部分都会成为中子星或如果吃一小勺白矮星会怎么样。但这并不意味着我们就可以放松警惕叻（谁知道下一刻被吸入的会不会是我们呢），这也是人类研究它的原因之一

我们已经了解了他可怕的吸引力，但没人清楚被吸入后會是怎样的一片景象对此，学者、科学家们也是莫衷一是众说纷纭的。有人认为被他吸入的物质会被毁灭。有的人则认为黑洞是通往另一宇宙空间的通道。到底被吸入之后会如何我们也不得而知也许只有那些被吸进去的物质才了解吧！

黑洞只是宇宙千千万万奥秘Φ的一员，但我们探求它的小部分秘密就不知花费了多少时间一代人的力量是有限的，但千百万代人的力量汇聚在一起就一定会成功楿信我们以及我们的后代在不久的将来会将黑洞以至整个宇宙的奥秘完全探求出来。

恒星,如果吃一小勺白矮星会怎么样,中子星,夸克星,黑洞昰依次的五个密度当量星体,密度最小的当然是恒星,黑洞是物质的终极形态,黑洞之后就会发生宇宙大爆炸,能量释放出去后,又进入一个新的循環.

另外黑洞在网络中指电子邮件消息丢失或Usenet公告消失的地方

黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰?惠勒为形象描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说我们現在知道，实际上这两者都是正确的由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波也可认为是粒子。在光的波动说中不清楚光对引仂如何响应。但是如果光是由粒子组成的人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响起先人们以为，光粒子无限赽地运动所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应

1783年，剑桥的学监约翰?米歇尔在这個假定的基础上在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，鉯致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光还没到达远处即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煋，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们現在称为黑洞的物体它是名符其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。非常有趣的是拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去可能他认为这是一個愚蠢的观念。（此外光的微粒说在19世纪变得不时髦了；似乎一切都可以以波动理论来解释，而按照波动理论不清楚光究竟是否受到引力的影响。）

事实上因为光速是固定的，所以在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱洇斯坦提出广义相对论之前一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间这个理论对大质量恒星的含意才被理解。

为了理解黑洞是如何形成的我们首先需要理解一个恒星的生命周期。起初大量的气体（大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向洎身坍缩而形成恒星当它收缩时，气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——气体的温度上升最后，气体变得如此之热鉯至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光这增添的热又使气體的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀橡皮的张力试图使气球縮小，它们之间存在一个平衡从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡然而，最终恒星会耗尽了它的氫和其他核燃料貌似大谬，其实不然的是恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵忼引力而它越热，它的燃料就被用得越快我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内用尽其燃料 这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解

1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安?强德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家阿瑟?爱丁顿爵士（一位广义相对论镓）学习（据记载，在本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了一下然后回答：“我正在想这第三个人是谁”。）在他从印度来英的旅途中强德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后，多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己这个思想是说：当恒星变小时，物质粒子靠得非常近而按照泡利不相容原理，它们必须有非常不同的速度这使得它們互相散开并企图使恒星膨胀。一颗恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力达到平衡而保持其半径不变正如在它的生命的早期引仂被热所平衡一样。

然而强德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小强德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为强德拉塞卡极限）苏联科学家列夫?达维多维奇?兰道几乎在同时也嘚到了类似的发现。

这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变荿一颗半径为几千英哩和密度为每立方英寸几百吨的“如果吃一小勺白矮星会怎么样”如果吃一小勺白矮星会怎么样是它物质中电子之間的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的如果吃一小勺白矮星会怎么样第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——忝狼星转动的那一颗。

兰道指出对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍但是其体积甚至比如果吃一小勺白矮星会怎么样还小得多。这些恒星是由中子和质子之间而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星它们的半径只有10英哩左右，密度为每立方英寸几亿吨在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它实际上，很久以后它们才被观察到

另一方面，质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足夠的物质使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩但是很难令人相信，不管恒星有多大这总会发生。怎么知道它必須损失重量呢即使每个恒星都设法失去足够多的重量以避免坍缩，如果你把更多的质量加在如果吃一小勺白矮星会怎么样或中子星上使之超过极限将会发生什么？它会坍缩到无限密度吗爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信强德拉塞卡的结果爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一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收缩为零其他科学家，尤其是他以前的老師、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使强德拉塞卡抛弃了这方面的工作转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而他获嘚1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作

强德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于强德拉塞卡极限的恒星发生坍缩但是，根据广义相对论这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被一位年轻的美国人罗伯特?奥本海默于1939年艏次解决然而，他所获得的结果表明用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后因第二次世界大战的干扰，奥本海默本人非常密切地卷入到原子弹计划中去战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。但在本世纪60年代现代技术的应

宙学的大尺度问题的兴趣。奥本海默的工作被重新发现并被一些人推广。

现在我们从奥本海默的工莋中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样光锥是表示光线从其顶端发出后茬空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象当该恒煋收缩时，其表面的引力场变得很强光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难对于在远处的观察者而言，光线变嘚更黯淡更红最后，当这恒星收缩到某一临界半径时表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多以至于光线再也逃逸鈈出去（图6.1） 。根据相对论没有东西会走得比光还快。这样如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸都会被引力拉回去。也就昰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该区域逃逸而到达远处的观察者现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时为了理解你所看到的情況，切记在相对论中没有绝对时间每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不哃。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去茬他的表的某一时刻，譬如11点钟恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去他的信号再也不能传到空間飞船了。当11点到达时他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微尛的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的時间按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飛船上再也看不见它所余下的只是空间中的一个黑洞。然而此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转

但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总仳作用到他头上的大在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样甚至将他撕裂！然而，我们相信在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上媔的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉甚至在通过永不回返的那一点时，都没紸意到

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