本文解答了有關(guān)黑洞的基本問題，如“什么是黑洞？什么時(shí)候會(huì)形成黑洞嗎？科學(xué)家能看到黑洞嗎？什么是黑洞的“事件視界”？”
到底什么是黑洞？
作者：安德魯·齊默爾曼瓊斯(Andrew Zimmerman Jones)
黑洞的藝術(shù)描繪圖像，美國國家航空和航天管理局（NASA）
問題：什么是黑洞？
什么是黑洞？什么時(shí)候會(huì)形成黑洞嗎？科學(xué)家能看到黑洞嗎？什么是黑洞的“事件視界”？
答：黑洞是根據(jù)廣義相對(duì)論方程預(yù)測的理論上存在的實(shí)體。當(dāng)一個(gè)質(zhì)量足夠大的恒星發(fā)生引力塌縮時(shí)，它的大部分或全部質(zhì)量會(huì)在一個(gè)微小的空間內(nèi)極度壓縮，從而產(chǎn)生一個(gè)具有無限時(shí)空曲率的點(diǎn)（奇點(diǎn)）,這就是黑洞。黑洞那巨大的時(shí)空曲率禁止任何事物從它的“事件視界”或黑洞的邊界上逸出, 甚至連光線也不能。
雖然對(duì)黑洞效果的預(yù)測與觀察值相符合，但從未有一個(gè)黑洞被人們所直接觀測到。存在少數(shù)如磁層永恒折疊對(duì)象（MECOs）的，替代理論，來解釋這些意見，避免其中大部分在中心的黑洞的時(shí)空奇點(diǎn)，但絕大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，黑洞的解釋是最有可能正在發(fā)生的物理表示。物理學(xué)上也有少數(shù)可以替代黑洞的理論，它們可以解釋這些觀察結(jié)果，同時(shí)又避免了黑洞中心時(shí)空奇點(diǎn)的出現(xiàn)，比如磁層永恒塌陷物體（ MECOs ）。但是絕大多數(shù)的物理學(xué)家都認(rèn)為黑洞理論才是最有可能解釋宇宙物理行為現(xiàn)象的理論。
相對(duì)論之前的黑洞理論
18世紀(jì)初，就有人提出大膽的設(shè)想：一個(gè)具有超大質(zhì)量的物體，可能會(huì)把光吸進(jìn)去。當(dāng)時(shí)，牛頓光學(xué)是光的微粒論——把光當(dāng)作粒子來處理。
約翰·米歇爾（John Michell）于1784年發(fā)表過一篇論文。文中預(yù)測了一種半徑為太陽500倍（但密度必須與太陽相同）的天體，其表面逸出速度將達(dá)到光速，因此這樣一種天體是不為人所見的。然而在在20世紀(jì)初，當(dāng)光的波動(dòng)論突然出現(xiàn)的時(shí)候，人們對(duì)這種理論的興趣便消失了。
近代物理學(xué)很少涉及黑洞的理論實(shí)體，為使其與真正的黑洞區(qū)別開來，科學(xué)家將其稱為“暗星”
相對(duì)論產(chǎn)生的黑洞理論
1916年，在愛因斯坦的廣義相對(duì)論發(fā)表的幾個(gè)月后，物理學(xué)家卡爾·史瓦西（Karl Schwartzchild）提出了求解愛因斯坦球形物體質(zhì)量的方程式（稱為史瓦西度量）... ...產(chǎn)生了意想不到的結(jié)果。
這個(gè)方程式有一個(gè)不可思議的特點(diǎn)：某個(gè)特定的球體半徑計(jì)算時(shí)會(huì)使此項(xiàng)分式的分母等于零，從而形成數(shù)學(xué)上的“溢出”。 這個(gè)半徑稱為史瓦西半徑，用符號(hào)rs表示，其表達(dá)式為：
rs = 2GM/c2
G是引力常數(shù)，M是質(zhì)量，c是光速。
史瓦西的結(jié)論被證實(shí)是理解黑洞的關(guān)鍵，這本事就是一個(gè)奇怪的巧合，因此，人們把“史瓦西”翻譯成“黑盾 ”。
黑洞的性質(zhì)
半徑小于rs、總質(zhì)量為M的球體就是黑洞。事件視界這個(gè)名稱的出現(xiàn)即始于rs，因?yàn)橐郧蝮w為中心的rs半徑內(nèi)，擺脫黑洞引力的逃逸速度為光速。黑洞通過其引力來吸引質(zhì)量，但是，已經(jīng)在黑洞內(nèi)部的質(zhì)量再不可能從黑洞中逃逸出來。
黑洞往往根據(jù)物體或質(zhì)量的“落入”來進(jìn)行解釋。
Y對(duì)一個(gè)正在落入黑洞的X進(jìn)行觀測。
X落入過程中，Y會(huì)發(fā)現(xiàn)X的鐘表變慢，當(dāng)X到達(dá)RS半徑時(shí)，鐘表保持靜止不動(dòng)，這意味著時(shí)間已經(jīng)被凍結(jié)了。
Y觀測到的是從X射來的光的紅移，在X到達(dá)rs半徑時(shí)，這個(gè)紅移達(dá)到了無窮大（因此X就變得不可見了——但由于某種原因我們?nèi)匀贿€可以看到它們的鐘表。這是否就是理論物理學(xué)的魅力所在？）。
X自身的感知會(huì)發(fā)生明顯的變化。理論上，一旦X跨過了rs半徑，它永遠(yuǎn)都不可能擺脫黑洞的重力。（連光也不能逃脫黑洞的事件視界。）
黑洞理論的發(fā)展
20世紀(jì)的20年代，物理學(xué)家蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar ）推導(dǎo)出一個(gè)結(jié)論：根據(jù)廣義相對(duì)論，任何超過太陽質(zhì)量1.44倍（ 這個(gè)質(zhì)量稱為錢德拉塞卡極限）的恒星都必然崩塌。而物理學(xué)家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington） 則認(rèn)為，某些性質(zhì)會(huì)阻止這種崩塌。分別從兩個(gè)理論的角度看，兩者均是正確的。
1939年，羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）預(yù)測，一個(gè)超大質(zhì)量的恒星會(huì)崩塌，從而形成了一個(gè)真正的“凍結(jié)之星”，而不僅僅是基于數(shù)學(xué)計(jì)算的“暗星”。崩塌觀測起來似乎在減慢，實(shí)際上時(shí)間的凍結(jié)就發(fā)生在恒星坍塌到rs半徑之時(shí)。恒星發(fā)出的光在rs半徑上會(huì)產(chǎn)生的紅移。
遺憾的是，許多物理學(xué)家把這一切看做是宇宙在史瓦西尺度高度對(duì)稱情況下才存在的一個(gè)特征，他們認(rèn)為由于宇宙的不對(duì)稱性，這樣的崩塌并不會(huì)發(fā)生。
直到1967年——在發(fā)現(xiàn)史瓦西半徑rs近50年后，物理學(xué)家斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）才證明，恒星崩塌產(chǎn)生黑洞不僅是廣義相對(duì)論直接推導(dǎo)的結(jié)果，而且也沒有任何辦法來制止這種崩塌。脈沖星的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持了這一理論。此后不久，物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）在1967年12月29日的演講中開始采用“黑洞”這個(gè)名稱。
后續(xù)工作包括霍金輻射的發(fā)現(xiàn)，表明黑洞能夠發(fā)出輻射。
對(duì)黑洞的推測
黑洞是一個(gè)研究領(lǐng)域，吸引著喜歡挑戰(zhàn)的理論家和實(shí)驗(yàn)者。今天，人們普遍認(rèn)可了黑洞的存在，但其確切性質(zhì)仍舊不明。有些人認(rèn)為，落入黑洞內(nèi)的物質(zhì)可能會(huì)在宇宙的其他地方重新出現(xiàn)，就像在蟲洞（wormhole）那樣。
黑洞理論的一個(gè)重要補(bǔ)充是英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金于1974年發(fā)現(xiàn)的霍金輻射。
譯注：
事件視界：事件視界（event horizon），也叫事象地平面，是一種時(shí)空的曲隔界線，指的是在事件視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內(nèi)的任何事件的信息，或者受到事件視界以內(nèi)事件的影響。因?yàn)榧词顾俣瓤烊绻庖矡o法出脫事件視界的范圍，因此又演繹出“視界”的譯詞，作為外界觀察者可看見范圍的界線；從這點(diǎn)，事件視界所包住的時(shí)空對(duì)外界的觀察者而言看起來是黑的，而出現(xiàn)了“黑洞”這名稱。
光的微粒論與光的微粒論。前者認(rèn)為光是一種粒子（光子），后者則認(rèn)為光是一種波?，F(xiàn)代理論中，光具有“波粒二象性”，即光既是粒子，同時(shí)也是波。
紅移：指物體的電磁輻射由于某種原因波長增加的現(xiàn)象，在可見光波段，表現(xiàn)為光譜的譜線朝紅端移動(dòng)了一段距離，即波長變長、頻率降低。紅移的現(xiàn)象目前多用于天體的移動(dòng)及規(guī)律的預(yù)測
霍金輻射：在"真空'的宇宙中,根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理,會(huì)在瞬間憑空產(chǎn)生一對(duì)正反虛粒子,然后瞬間消失,以符合能量守恒.在黑洞視界之外也不例外.霍金推想,如果在黑洞外產(chǎn)生的虛粒子對(duì),其中一個(gè)被吸引進(jìn)去,而另一個(gè)逃逸的情況.如果是這樣,那個(gè)逃逸的粒子獲得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮滅,可以逃逸到無限遠(yuǎn).在外界看就像黑洞發(fā)射粒子一樣.這個(gè)猜想后來被證實(shí),這種輻射被命名為霍金輻射.由于它是向外帶去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的質(zhì)量也會(huì)漸漸變小,消失；它也向外帶去信息,所以不違反信息定律。蟲洞：該理論由阿爾伯特·愛因斯坦提出。簡單地說，“蟲洞”就是連接宇宙遙遠(yuǎn)區(qū)域間的時(shí)空細(xì)管。暗物質(zhì)維持著蟲洞出口的敞開。蟲洞可以把平行宇宙和嬰兒宇宙連接起來，并提供時(shí)間旅行的可能性。蟲洞也可能是連接黑洞和白洞的時(shí)空隧道，所以也叫"灰道"。
