世界上有两件东西能震撼人们的心灵，一件是我们心中崇高的的道德标准，另一件是我们头顶上灿烂的星空。
——康德
大家好。在开始本次的分享之前，我想先纠正一个错误。在上篇文章中提到关于恒星的演化和特征规律时，我有说到，从红矮星开始，质量越大，温度越高，其亮度就越低，光谱越靠近蓝光，其寿命也就越短。这当中有一个错误。恒星随着质量和温度的升高，其光谱越靠近蓝光这没错，但是其发出的光芒亮度因为内部高强度的核聚变释放出的庞大能量而呈上升趋势，不是下降趋势。换句话说，蓝巨星虽然光芒是淡蓝色的，但其亮度却要远远大于红矮星和黄矮星。由于本人的不严谨给大家带来了误导，在此深表歉意，以后也会尽量减少此类错误。
人类首张实拍黑洞照片-M87星系超大质量黑洞
经过前文的叙述，我们已经了解了恒星的诞生与演化规律，也知道了黑洞这种神奇而特殊的天体是由超高密度的中子星变化而来。同时也知道了德国物理学家卡尔·史瓦西是第一个从数学理论上确认黑洞存在的人。但事实上，他却并不是最早设想黑洞理论的人。那么黑洞理论最早是由谁设想的呢？
年，英国物理学家、天文学家约翰·米契尔给英国皇家学会写了一封信。他在信中提出了一个质量大到光线无法透出的星体的存在，并且还假想了定位这种星体的探测原理：“如果某个发光体绕着它们旋转，我们根据这些旋转体的运动，就有一定可能性推断出被作为旋转中心的物体的存在...”。而在年，法国著名数学家拉普拉斯在他的《宇宙系统论》中也做出了相同的猜想：“一个与地球密度相同，但直径比地球大倍的发光星体，由于它本身的引力，它的任何光线都不能传到我们眼中。”
法国数学家拉普拉斯
但在当时，这种理论猜想由于多方面的原因，和他的前辈米契尔一样，并未获得认同。一直到20世纪，史瓦西给出广义相对论场方程的精确解之后，这种星体，或者说这种理论，才逐渐揭开它神秘的面纱，慢慢走进人们的视野之中。
但先别着急，在近距离靠近黑洞之前，我们还需要对它有一些更深入更直观的了解。
还记得牛顿的苹果吗？那个砸到人类最伟大科学巨匠的神奇水果。关于这个故事的真实性众说纷纭，但是毫无疑问，它给了我们一个启示，那就是由于引力的存在，地球上任何物体不管被扔到多高，最终都要返回到地球表面。但如果当这个物体的速度达到了11.2KM/S的时候，那么它就可以挣脱地球的引力束缚，从而自由地飞翔在太阳系之中。
三种宇宙速度
这个速度叫做第二宇宙速度，也叫做逃逸速度。这个速度的大小与行星的质量和半径的商的平方根成正比。我们知道光的速度是30万KM/S，拉普拉斯算出，为了让光线无法逃脱，一个与地球密度相同的恒星的半径应该是地球的倍。这也是上文中这个数字的由来。但很显然，这个计算结果，也即是拉普拉斯公式，只适用于经典物理学中的宏观抛射体，不能够适用于光线，或者说光子这种质量为零的物体。
而关于引力对光产生的影响则必须要到广义相对论的框架内进行讨论。其中具体地理论过程这里就不作详细介绍，我们只要知道一个非常重要的理论结果，那就是，与经典物理学相反，光线虽然没有质量，但也会受引力的影响。或者更准确的说，是受时空弯曲的影响。这个时空弯曲，就是广义相对论中所阐释的引力的本质，也即是时空的几何表现。
广义相对论中的引力与时空
在广义相对论的框架之中，我们就可以系统而严谨地来计算星体限制光线所需要的条件了。前面提到，在广义相对论的场方程中，有一个临界数值。代入到实际情况就是这个星体的临界半径。当一个星体的半径小于临界半径时，光线就无法从中逃脱。令人意外的是，计算这个半径的公式与由经典理论推导的拉普拉斯公式完全相同。是的，如果你还记得，你就会知道这个半径就叫做史瓦西半径，用来纪念最早计算出这个半径的卡尔·史瓦西。
那么根据史瓦西的公式计算，如果要将太阳转化为黑洞，必须将它的质量压缩成一个半径仅为3千米的球体！如果前面讲到黑洞是一种超高密度的天体你还无法具体想象，相信现在你应该有了一个较为直观的认识。
黑洞的视界面（假想）
而在光线和物质无法逃逸的区域外则有着一个球形的表面，我们称之为黑洞的视界面（horizon）。它是一个几何假象的表面，而不是真实存在的物体。我们赋予它这个名称是因为它和“地平面”类似，都是视线范围的边界。如果说地球上的地平面位置取决于观察者的位置，那么黑洞的视界面就是绝对的。它是时空的边界，与观察者的位置无关。简单地描述就是，在黑洞的视界面之外，我们可以通过光信号在两点之间进行联系，这就是我们生活的普通宇宙。
那么在视界面之内呢？一切都将变得不一样。由于黑洞的强大引力，所有光线都必须向中心聚集，因而无法在两点之间自由移动。所有的联系都受到了严格的限制。例如，物质和辐射可以从外部传递到内部，而无法从内部传递到外部，这是一个单向的，不可逆的过程。
此外，在黑洞的外围，视界面之外，还有一圈特殊的物质存在。那就是黑洞的吸积盘。它是一种由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构，是包围黑洞的气体盘。盘内的摩擦力使气体逐渐螺旋下落，被吸积到黑洞之中。简单来说就是中子星形成黑洞时所产生的物质残留。其源源不断地为黑洞提供物质能量，也是被吸入黑洞之内的物质最后暂存的“中转站”。
黑洞的吸积盘
现在，你的脑海里对黑洞应该已经建立了一个大概的、模糊的印象了，但由于视界面的存在，我们也根本无法通过观测看清楚它本来的样貌。只能将其简单地想象成一个宇宙间的漏洞。它看起来平平无奇，毫不起眼。但是它却对我们的宇宙产生着无比巨大的影响。
我们知道，黑洞无法被直接地观测到，那么人们又是怎样发现它的存在的呢？事实上，虽然黑洞无法直接观测，但可以借由间接方式得知其存在与质量，并且观测到它对其他事物的影响。例如，借由物体被黑洞吸入之前因高热而放出的射线等“边缘讯息”，可以获取黑洞存在的信号。而推测出黑洞的存在也可借由间接观测恒星或星际介质绕行轨迹取得的位置以及质量信息。
年，天体物理学家们探测到了天鹅座X-1，这个二元系统的特征表明了它是由一个黑洞和一个巨大的恒星组成的。也就是说它们本来是一个双星系统（事实上宇宙中存在的绝大多数恒星都是双星或多星系统，类似太阳的单星系统非常少见。），而其中的一颗寿终正寝之后就坍缩成了黑洞。而这也是首次通过观测确定了黑洞的事实存在，从而验证了黑洞理论的提出是正确的。此后，在我们身处的银河系之中，又发现了大约20个黑洞，其中最大的一个，就是位于银河系的正中心，有着万个太阳质量的，被称作“银心黑洞”的超大质量黑洞人马座A*。
银心黑洞位于银河系中心
由于黑洞无法进行详细具体的观测，我们界定一个黑洞的大小通常看的是它的质量而并非它的半径或直径。我们已经知道了黑洞是由中子星演化而来的，中子星又是由蓝巨星通过蓝超巨星-超新星过程演化而来的。而蓝巨星的质量一般都是太阳这类黄矮星的数倍至数十倍，所以哪怕质量最小的黑洞也有着数倍太阳的质量。
目前人类已经发现的最小黑洞是编号为IGR-J-的距离地球2.8万光年的一颗黑洞，它的直径仅仅只有十几公里，大小差不多和火卫一相同。质量也仅仅为3倍太阳大小。几乎就是黑洞能够稳定存在的质量下限。同时它还有其它一些比较特殊的性质，感兴趣的朋友可以自己去了解一下。
其它人类已经探测到的，我们熟悉的黑洞还包括MonX-1、HLX-1、ICA、NGC等等。到了数十万倍乃至百万倍太阳质量的黑洞，基本上都是星系中心的级别。当然，并不是说每一个星系的中心都有一个超大质量的黑洞。而目前人类已经发现在最大质量黑洞是编号为TON的超大质量黑洞。那么它到底有多大呢，目前粗略估计是亿倍太阳质量。其半径则更是已经远远超过了整个太阳系的半径。
已观测到的最大黑洞TON(假想)
但其实，宇宙缥缈浩瀚，只有更大没有最大。芬兰科学家通过使用巡天数据发现，在距离地球35亿光年的地方，发现了一个具有亿倍太阳质量的双黑洞系统，这个质量已经顶得上一个小型星系了（银河系质量约为1万亿倍太阳质量）。但目前关于这个黑洞还存在很多争议，所以它还并不能算是一个已经确定被发现的黑洞。
现在，了解了黑洞的大概外部特征以及其体量大小。我们终于可以向其最最神秘的中心，也就是视界面之内进发了。在那之中，究竟又是什么样子的呢？
在了解黑洞的中心之前，我们先来做一个有趣的假设。那就是，假如一个人被黑洞吸了进去，或者说他掉落到了黑洞之中，他会发生些什么？
先不要觉得恐惧，让我们从科学的角度来试着分析。首先，在黑洞这种超大尺度的引力源作用下，时空已经发生了弯曲。从作为观察者的我们看来和作为当事人的他看来，情况会完全不一样。所以这里就可以从两个不同的角度来分析。
掉入黑洞之中
首先，站在当事人的角度，当他被黑洞慢慢吸入其中，由于他受到了无比强大的引力，而且这个引力是越来越大。所以，如果他是头朝上脚朝下掉入黑洞之中，那么在某个瞬间，他的头部感受到的引力和脚部感受到的引力是完全不一样的。对于质量为10个太阳大小的黑洞来说，一旦当他掉入视界面之内，他的脚部所感受到的引力就好像被吊起来，一个大型城市的所有人口挂在他的脚上一样！他的脚会被突然无限拉长，看起来就好像一根拉面一样。
好吧，我承认我有点恶趣味。不用想都知道那滋味肯定不好受。那么站在观察者角度的我们看来呢？首先，由于时间膨胀效应（前文已经讲述过），在我们看来，他的动作会越来越慢，同时他会变得越来越红，越来越暗。因为光线在引力的作用下波长被逐渐拉长，出现了红移效应。而随着引力越来越强，波长超出了可见波段，就会逐渐变暗，从而消失不见。
这里的消失不见只是指的我们看不见他了，但他本身还在。而在我们眼中会产生什么样的情景呢？那就是他的时间越来越慢，最终会停止。也就是说，在我们看来，他最终会静止在视界面上。
静止在视界面上的宇航员
在他自身看来呢？除了被拉成拉面以外，他感受不到自身任何不正常的时间流动，也就是说这个跌入过程对他来说并没有变慢。而相对的，在他眼中，我们的动作会越来越快，越来越快。一切的事物，包括恒星，星系的一生，都能在他的眼中快速流过。甚至，他能在短短数秒之中见证宇宙的终结。但是很可惜，他没有机会再对我们分享了。因为在他的眼中，我们可能在一瞬间就已经终老而去了。
现在，是不是有一种新奇的感觉？觉得似乎落入到黑洞之中感觉也没那么差呢？但是遗憾的是，这只是理论上的可能。在实际情况之中，由于光线被强大的引力所影响，根本不可能以可见波段进入到他的眼睛，而是慢慢蓝移（相对于观察者的红移）后继而消失不见。换句话说就是，那些神奇诡谲的画面，恒星诞生与死亡，宇宙终结等等的确已经发生了，而且相对他来说的确是在很短很短的时间内就完成了。但是他是看不见的。他能看到的，就是我们连同周围的星体会变得越来越蓝，越来越暗，最后很快消失不见。
同时，由于宇宙中无数高能射线同样以越来越快的速度被吸入黑洞，可能他在很短的时间内就已经被射线给烧死了。但从时间线上来讲，在他的角度看来，他最终的确会穿过视界面从而到达奇点。
掉入黑洞之中
然而，就算他最终到达了奇点，也只是他的质量到达。由于黑洞无毛定理（无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定。由霍金，卡特尔等人在年证明），他其它的一切物质信息，甚至包括组成他的原子、分子是如何排列的，都将会停留在视界面上，并不会进入黑洞。
是不是越发地难以想象了？其实，这也是黑洞的一个非常神奇的地方。那就是由于视界面这个独特的存在，可能在视界面中的他看来，外面的一切事物都不会发生，而在视界面外的我们看来，里面的一切事物也可能都不会发生。所以话说回来，如果有一个人真的掉入了黑洞当中，那么究竟会发生什么，可能只有天知道了。
好了，不管怎样，我们成功引出了奇点。这个黑洞的中心，也是现如今宇宙中最为神秘和神奇的存在。在第一篇文章《我们的宇宙》中，我就已经提到过奇点，它是一个时空曲率趋近于无穷的区域，因为整个黑洞的质量全部汇集于此。关于奇点的描述目前还是一个真正的、依然悬而未决的理论难题。但尽管如此，我们还是要尽力地对它进行探索。
神奇的宇宙之眼-奇点
简单来讲就是，奇点是一个点，也是一片空间，更是一种运动。我们可以将黑洞内部的时空描述成一个“翻转的世界”。在通常的时空中，我们可以向任何方向移动，这是空间的移动，而时间的移动则只能是由过去向未来，这是一个定向坐标。但在黑洞中，情况则发生了变化。所有物体和黑洞中心的距离代替时间成为了定向坐标。或者说空间代替时间成为了一种“必然”。所有的物质都不可避免地与中心之间距离缩短。
就像克里斯托弗·普利斯特的科幻小说《倒立的世界》中的开头“我的年纪已经达到了一千千米”。但不同的是，改变黑洞内部的时间状态也并不能让我们回到过去和改变因果关系。我知道这可能会有点绕。简单来说就是，从进入黑洞的一瞬间开始，时间这条坐标轴就已经被确定，只能存在一个方向上的固有时间。而这个固有时间则唯一取决于距离坐标，也就是和黑洞中心，也就是奇点的距离。
在黑洞之外，所有物理行为的时间流逝都是向未来前行，而在黑洞之中，这个未来有一个计划好的结尾：奇点位于黑洞的中心，奇点之上不再有未来。
至于到达奇点之后又会怎样，时间是否会在奇点停止。奇点是否连接着另一个宇宙，等等很多的猜想和假设，目前众说纷纭。但可以肯定的是，没有谁敢打赌他能够确定。而正是因为这样神奇而又神秘的存在，激发了无数人们对黑洞，对宇宙丰富的想象力。其实，顶尖的理论物理学家们就是一位位科幻小说家，他们敢于想象，敢于怀疑，敢于提出，敢于证明。当你有能力将你的想象用严谨科学的语言论证，那么，哪怕这种想象现今仍旧只是一种想象，它也终有被发现，被观测，被证实的那一天。
神秘广袤的星系
关于黑洞还有很多很多神奇的性质和特点，根本无法一言而尽。例如霍金的黑洞蒸发理论，黑洞的不同分类、人造黑洞以及与之相反的白洞理论等等。可能光是黑洞的完整介绍就足以出一本书。故没有水平，也没有精力去将其完整的叙述。这里就只是抛砖引玉，如若能激发各位对于黑洞，对于星体，对于宇宙的一丝探索欲望和好奇心，那么对我来说就已经足矣。当然，就像我在开篇讲的，由于水平和精力有限，文章之中难免会出现诸多谬误和不足。敬请大家指正。
各位好梦，下期再见。预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇转载请注明：http://www.hujingahj.com/aqxw/9060.html
