當(dāng)?shù)貢r間10月6日，瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），“因為發(fā)現(xiàn)黑洞的形成是對廣義相對論的有力預(yù)測”。另外一半授予萊因哈德·根澤爾（Reinhard Genzel）和安德里亞·格茲（Andrea Ghez），因為在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個超大質(zhì)量的致密天體，總獎金為1000萬瑞典克朗（約合760萬人民幣）。

這一回科普作者可輕松了，把前兩年關(guān)于黑洞的科普再拿出來發(fā)一遍就可以了。之前我做過N期關(guān)于黑洞的科普視頻和文章，我們再把它們一次發(fā)出來。本期內(nèi)容為第一篇：黑洞是什么？

黑洞是什么？簡單來說，黑洞是根據(jù)愛因斯坦廣義相對論求出的一個解：在宇宙中存在這樣一個特殊的天體，它的質(zhì)量密度極大，就算光都無法脫離它的引力。在靠近黑洞時， 時間將會停滯甚至倒流。而在黑洞中央，會有一個任何物理規(guī)律都無法解釋的“奇點”。

關(guān)于這期的黑洞視頻內(nèi)容，可以點擊這里觀看。

1??從愛因斯坦到霍金

劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授史蒂芬霍金在2018年3月14日去世了，這個日子正是愛因斯坦誕辰的日子。霍金21歲時因為患病全身癱瘓，不能言語，手部只有三根手指可以活動。但是在這樣的情況下，他憑借驚人的毅力提出了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理，提出了黑洞蒸發(fā)理論和無邊界的霍金宇宙模型，同時也憑借科普著作《時間簡史》《果殼中的宇宙》等成為世界科普大師，去世后，霍金被安葬在倫敦西敏寺牛頓的墓旁。

霍金研究一生的黑洞到底是什么呢？為了了解這個問題，我們首先必須回到愛因斯坦。

愛因斯坦的主要貢獻(xiàn)是解釋了光電效應(yīng)、提出了狹義相對論和廣義相對論。這些貢獻(xiàn)中又以廣義相對論最為精彩，他是繼牛頓和麥克斯韋之后人類認(rèn)識世界的第三次飛躍，是我們研究宇宙的有力工具?，F(xiàn)代宇宙學(xué)的基本觀點：大爆炸理論、宇宙膨脹、黑洞、引力波等問題，無一不是通過愛因斯坦廣義相對論進(jìn)行解釋的。

在廣義相對論中，愛因斯坦把牛頓的“質(zhì)量引起引力重力場“的觀點引申為質(zhì)量引起時空彎曲，并通過時空彎曲求解物體的運動規(guī)律。例如：牛頓認(rèn)為：地球圍繞太陽運動是因為太陽對地球有萬有引力，但是廣義相對論卻把這個過程解釋為太陽的質(zhì)量很大，引起了周圍空間的彎曲。地球的圓周運動，在這個彎曲空間中實際上是一條“直線”。

在這個理論里面愛因斯坦提出了引力場方程：

這個方程看起來不復(fù)雜，但它是個張量方程的簡化寫法，整個展開非常麻煩。通過求解這個方程，一些科學(xué)家得到了一些很驚艷的結(jié)果。

例如：德國天文學(xué)家史瓦西通過計算，得到了引力場方程的一個特殊解。

他發(fā)現(xiàn)：這個解很奇異，有很多奇妙的性質(zhì)。他就把這個解叫做黑洞，并指出宇宙中可能存在這種比較奇怪的天體。宇宙中究竟有沒有黑洞呢？人們開始了一個世紀(jì)的尋找，直到今天人們依然把黑洞的存在定性為“可能”。

那么霍金又做了什么呢？

霍金對這個解又進(jìn)行了一些嘗試，在愛因斯坦廣義相對論基礎(chǔ)之上又引入了量子場論，并通過量子場論的分析，對黑洞的性質(zhì)進(jìn)行了更加詳細(xì)的描述。比如霍金提出了奇點理論、黑洞蒸發(fā)理論、證明了黑洞面積定理等等?；艚鸬臄?shù)學(xué)功底非常強(qiáng)，他的理論都是通過完美的數(shù)學(xué)表達(dá)式得到的結(jié)果。但到目前為止，以上的理論還只是推測。黑洞是否真的存在，還是一個謎。霍金也沒有因此獲得諾貝爾獎。

2??神奇的黑洞

黑洞到底有哪些神奇的性質(zhì)呢？

首先，黑洞質(zhì)量非常大，以至于連跑的最快的物體--光都無法逃逸。為了理解“逃逸”這個概念，我們從比較經(jīng)典的例子出發(fā)，討論一下宇宙速度。

牛頓曾經(jīng)說：一個炮彈在地面發(fā)射，如果速度比較慢，就會落回到地面。

如果速度達(dá)到一定值，就不會落地，而是環(huán)繞地球運動。這個速度稱為第一宇宙速度，它的大小是7.9千米/秒。

如果這個速度繼續(xù)增大到11.2千米/秒，物體就再也不會回到地球，而是逃逸到無窮遠(yuǎn)處，這個速度也就被稱之為逃逸速度。

在經(jīng)典物理里，逃逸速度與星球質(zhì)量和半徑有關(guān)：

其中G是萬有引力常數(shù)，? M是星球的質(zhì)量，R是星球的半徑。

我們會發(fā)現(xiàn)，如果星球的質(zhì)量M越來越大，而星球的半徑R越來越小，逃逸速度V就會增大。如果這個速度增大到光速c，那么任何物體都無法逃脫星球的引力了。

于是，我們利用公式

得到

這個半徑大小就稱為史瓦西半徑。也就是說，如果一個星球半徑小于史瓦西半徑，就連光也逃不出去。

其實，以上只是一個類比過程，史瓦西半徑是從廣義相對論那個非常復(fù)雜的方程得到的，但是恰巧結(jié)果與經(jīng)典物理的表達(dá)式完全一樣，為了便于大家理解，我們才姑且這樣處理。

如果我們把地球質(zhì)量

代入，就會得到地球的史瓦西半徑R=0.01m。也就是說如果把地球壓縮成一個乒乓球大小，地球就會變成黑洞。

3??視界和奇點

黑洞最引人入勝的地方是它會造成強(qiáng)烈的時空彎曲。時空彎曲的概念不太好理解，我們從一個簡單的例子來說明：

假如有一個引力很大的天體構(gòu)成了黑洞，那么它的外界有一個圓圈：視界，其半徑大小就是史瓦西半徑。在視界之外，物體還有機(jī)會逃逸黑洞，但是一旦進(jìn)入視界，即使以光速運動的物體也無法逃脫黑洞。

假設(shè)有一個人A在勻速接近黑洞，A會認(rèn)為自己在勻速直線運動。但如果在遙遠(yuǎn)處有一個人B觀察，他的感覺卻與A不同：在B看來，A的速度越來越慢。最終當(dāng)A接近視界邊緣的時候，B就會發(fā)現(xiàn)A靜止不動了。在B看來A永遠(yuǎn)都不會進(jìn)入視界，而是會成為一座在視界邊緣的豐碑。這就是引力造成的時間變慢效應(yīng)：距離黑洞越近，時間越慢。

不僅僅是黑洞，大質(zhì)量物體都會造成周圍的時間變慢，大家應(yīng)該看過一部科幻電影《星際穿越》的一個場景：幾個宇航員到一個星球僅僅停留幾小時，而在外圍空間軌道等待他們的宇航員卻在飛船上呆了20多年。

回到黑洞問題，在A自己看來，他是可以進(jìn)入視界的。而且當(dāng)A進(jìn)入視界之后，就再也出不來了，因為即便他以光速運動，也無法從視界逃逸。視界內(nèi)的所有現(xiàn)象都和視界外無關(guān)，視界內(nèi)的任何信息都無法發(fā)送到視界外，所以我們可以說視界內(nèi)和視界外是兩個世界。

更為有趣的是，在黑洞外，時間是單向的，空間是雙向的。也就是說，人不能回到過去，但是可以往前運動，也可以往后運動。不過，在黑洞里面，由于時空扭曲得特別厲害，時間會變成雙向，可以回到過去。但空間卻變成單向的了，不能往回走，物體只能向前，向著黑洞中的一個點——奇點運動。

奇點是黑洞中心一個密度無窮大的點，在這個點上一切物理規(guī)律和數(shù)學(xué)規(guī)律都失效了，類似于用一除以零這個表達(dá)式。所以我們才稱之為“奇”點。

在物體靠近奇點的過程中，距離奇點越近引力差越大，最終物體會由于兩端受力差太大而被撕裂。

黑洞如此奇妙，吸引了無數(shù)科學(xué)家的目光。但是黑洞不會發(fā)出任何光，我們怎么尋找它呢？霍金預(yù)言：黑洞視界附近可以產(chǎn)生正負(fù)物質(zhì)對，正物質(zhì)放出形成霍金輻射，負(fù)物質(zhì)被吸進(jìn)黑洞造成黑洞質(zhì)量損失，這個過程稱為“黑洞蒸發(fā)”。所以根據(jù)霍金的理論，人們認(rèn)為黑洞也存在壽命，而且可以通過觀察霍金輻射來尋找黑洞。

我們?nèi)绻脘N毀一份文件，可以用碎紙機(jī)把它剪碎，再用火燒掉紙屑，但即便這樣，理論上信息并沒有消失，如果我們使用巧妙的方法進(jìn)行還原，還是可以讀到原來的信息。但是黑洞不是這樣，它吞噬的所有信息都會永遠(yuǎn)消失，雖然黑洞在蒸發(fā)，但是黑洞的蒸發(fā)是不攜帶任何信息的。黑洞是宇宙的超級碎紙機(jī)。黑洞理論依然是宇宙學(xué)中最神奇的內(nèi)容，期待著更多科學(xué)家進(jìn)行討論。

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