黑洞的出現(xiàn)標志著引力在恒星一生中的引力控制作用取得了最后勝利……恒星的一生就是對自身重量的持久、拼死的反抗。持久，是因為恒星在演化的每個階段都能有新的能源維持自己；拼死，是因為這個抗爭注定要失敗?；蜻t或早，引力終將戰(zhàn)勝，恒星終將塌縮。
——【法】天文學家盧米涅（J.P.Luminet）
“宇宙中有沒有什么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?！?/p>
18世紀后期（法國大革命時期），法國著名的數(shù)學家、天文學家拉普拉斯——就是那個當拿破侖問，他的著作中為什么沒看到上帝，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(jù)牛頓光理論，光是粒子，并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。那么根據(jù)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(shù)帶入到公式中，就可以推測出一類能把發(fā)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，像恒星那樣大，或許也像恒星那樣多。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(fā)射的光將被它自身的引力拉住而不能被我們接收。
盡管“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于黑洞猜想的模型。為了與以后“黑洞”相區(qū)別，我們稱之為“黑暗星”。黑暗星發(fā)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(fā)表才剛過一個月，德國天文學家卡爾.史瓦西（K.Schwarzschild）就根據(jù)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(zhàn)，史瓦西應征入伍，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。并在愛因斯坦給史瓦西的回信中贊揚：“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?！?個月后，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，并給他貢獻了全部力量的這門科學帶來碩果?！保ā稅垡蛩固刮募芬痪恚?/p>
拉普拉斯與史瓦西
史瓦西解：
這個解告訴我們：如果致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”，視界范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(xiàn)存物理定律在視界內毫無意義，時間將趨于無限，距離則變成0。視界不是物理實體，它只具有幾何位置意義。黑洞物質全部集中于視界內中心幾何點，我們稱之為“奇點”。
如果將太陽的全部質量都壓縮到半徑2.95千米范圍內，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。不同之處在于：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(jīng)典力學和相對論原理的不相容性。
在微博上關于光逃逸問題，我曾用拉普拉斯逃逸速度概念給網(wǎng)友解釋，這是偷懶的辦法，雖然好理解，但失之于過于簡單。
另外，史瓦西解為了簡便推導，忽略了黑洞的轉動因素。1962年新西蘭物理學家科爾（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?？茽柡诙锤咏谖锢碚鎸?。
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(shù)學推導，對于物理學來說，這還遠遠不夠，物理學家比數(shù)學家更關心“黑洞形成的物理機制是什么？它存在嗎？”
史瓦西時代，太陽被壓縮成3千米是不可想象的神話，大多數(shù)物理學家認為，“這只是數(shù)學游戲而已?！奔词沟搅?917年，天文學家發(fā)現(xiàn)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。即使時后來量子力學問世，能夠用簡并（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(shù)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，會阻止恒星塌縮為黑洞這種荒唐行為?！?/p>
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”恒星得出結論：在引力最終擊敗中子簡并壓力后，恒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范圍之內，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(tài)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”恒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。
當時觀測宇宙中的恒星大多數(shù)都在奧本海默極限之上，甚至有100倍太陽質量的恒星，那么它們是不是都能演化成黑洞呢？未必。因為恒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(fā)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。如果無論恒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，那么，就不可能形成黑洞。反之，則一部分恒星最終會演化成黑洞。還有一種形成機制是“雙星系統(tǒng)”，其中一顆成為高密質中子星后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(fā)現(xiàn)脈沖星并確定其為中子星后，理論物理學家預言的恒星歸宿白矮星被找到了；中子星又被找到了；誰現(xiàn)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(fā)。
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(fā)現(xiàn)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“漸臺二”，以及其他。
第二條輻射之路中，通過各國科學家的努力，現(xiàn)在已經(jīng)找到了數(shù)以萬計的X射線源。人們把目光集中于它們中最有希望的17個射電源，希望能甄別出黑洞。
有人估計銀河系應該有100萬個恒星級黑洞，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(shù)學運算和非凡的想象力已經(jīng)在為黑洞做素描了。
1、視界：彭羅斯定義為，“所有試圖逃出去的光子統(tǒng)統(tǒng)都被引力拉回的最后邊界”；霍金定義為，“空間中是否有能力向遙遠宇宙發(fā)送事件信息的最后邊界?！边@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(fā)生聯(lián)系。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(chǎn)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”。
2、引潮力，關于引潮力和洛希極限，有興趣讀者可以自己找資料看看。我們這里只說一個有趣的現(xiàn)象，10倍太陽質量的黑洞對于普通密度的物體，洛希極限是400萬千米。落入這一范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(shù)字）一頭栽進黑洞，他也將在到達奇點時被拉成無限長。
3、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系而不能顛倒，但時間出現(xiàn)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。
4、黑洞無毛和黑洞蒸發(fā)，“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，后來慢慢地說的人多了，概念也就抽象成不具有其詞匯表面含義了，被大家所接受?！昂诙礋o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(shù)，如，質量、光度、電磁狀態(tài)、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(shù)。真是“簡單的和1一樣”。
5、1974年，坐在輪椅上的霍金根據(jù)量子場論提出，真空會不斷產(chǎn)生正、負粒子對，產(chǎn)生出以后又很快彼此湮滅了。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(xiàn)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(xiàn)的概率最高。負粒子帶有負能量，落入黑洞后等效減少黑洞能量，逃脫的正粒子等效帶走能量。這就是黑洞蒸發(fā)。黑洞蒸發(fā)并不違背黑洞“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(fā)的最后結果還無定論，也許要等未來的量子引力理論來揭示其最后命運。
(作者：七是)
