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“有人說(shuō)，事實(shí)有時(shí)比小說(shuō)更奇妙，沒(méi)有什么比黑洞的情形更體現這點(diǎn)了。黑洞比科幻作家的任何異想天開(kāi)都更怪異?！?/span>

——霍金

無(wú)論你在什么地方看到或聽(tīng)到有人在談?wù)摵诙磿r(shí)，有一些關(guān)鍵詞總是會(huì )無(wú)法避免的被提到，比如引力坍縮、光都無(wú)法逃逸、奇點(diǎn)、時(shí)空曲率無(wú)限大、無(wú)毛定理、霍金輻射等。這些字眼本身就抓住了我們的想象力，而當它們都集中在黑洞的身上時(shí)，我們對黑洞更是充滿(mǎn)了無(wú)限的好奇，但隨之而來(lái)的也是無(wú)限的困惑。

△ 1967年12月，在紐約的一場(chǎng)講座中，理論物理學(xué)家John Wheeler提出了“黑洞”一次，立即抓住了所有人的眼球。但事實(shí)上，1963年的時(shí)候，在德克薩斯州達拉斯市的一個(gè)天文物理的會(huì )議上，黑洞一詞就被使用了。1964年1月18日，在科學(xué)新聞快報上，Ann Ewing的一篇文章中首次出現了“黑洞”的字眼。但沒(méi)有人真正確定究竟是誰(shuí)首先用了這一詞。（圖片來(lái)源：SCIENCE NEWS LETTER/SSP）

究竟什么是黑洞？我想沒(méi)人能夠給你一個(gè)完整的答案。我們可以為你描繪一個(gè)的圖景，但還有一些未解的問(wèn)題依舊困擾了物理學(xué)家數十年之久。

早在18世紀時(shí)，John Michell就預言了只要恒星的質(zhì)量足夠大，其引力就足以使任何東西都無(wú)法逃脫，包括光。但直到愛(ài)因斯坦發(fā)表了廣義相對論后，才為Michell的預言提供了一個(gè)堅實(shí)的理論基礎。雖然廣義相對論的解已經(jīng)暗示了黑洞的存在，但愛(ài)因斯坦拒絕相信這種奇異般的存在。

我們知道，當恒星耗盡其所有的燃料后，就會(huì )在自身的引力下坍縮，形成致密恒星。錢(qián)德拉塞卡計算出，如果它的質(zhì)量小于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么恒星在演化末期會(huì )形成白矮星。銀河系中，大約97%的恒星（包括太陽(yáng)）最終都會(huì )成為白矮星。如果恒星的質(zhì)量超過(guò)了這個(gè)極限，但低于3.2倍的太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，恒星會(huì )繼續坍縮形成中子星。

那么質(zhì)量比這更大的恒星呢？1939年，奧本海默和他的學(xué)生在論文中指出，大質(zhì)量恒星會(huì )收縮到具有無(wú)限大密度的一點(diǎn)，即奇點(diǎn)。如果奇點(diǎn)被一個(gè)有去無(wú)回的邊界——黑洞的事件視界——所包圍，就形成了黑洞（如果沒(méi)有被事件視界包圍，則被稱(chēng)為裸奇點(diǎn)）。

△ 根據廣義相對論，太陽(yáng)的質(zhì)量會(huì )彎曲時(shí)空使行星繞著(zhù)它運行。一顆中子星會(huì )使時(shí)空彎曲的更厲害。而一個(gè)黑洞則會(huì )在時(shí)空中制造一個(gè)深坑，即使光都無(wú)法逃脫。（圖片來(lái)源：JAMES PROVOST）

但物理學(xué)家并不清楚奇點(diǎn)是不是真實(shí)存在的。1965年，斯蒂芬·霍金出席了羅杰·彭羅斯的一個(gè)講座，彭羅斯剛剛證明了時(shí)空奇點(diǎn)。這使霍金一下子就投入進(jìn)黑洞和奇點(diǎn)的研究之中。之后，他和彭羅斯合作，提出了奇點(diǎn)定理，證明了在廣義相對論的框架下，奇點(diǎn)是存在的。而且在這一點(diǎn)上，時(shí)空曲率為無(wú)限大，所有的物理定律都將崩塌。

到了1970年代左右，物理學(xué)家發(fā)現，在黑洞形成后，我們對黑洞所能獲取的信息只有：質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量。其它的信息全部喪失了，黑洞也不存在任何凸起的形態(tài)，這被稱(chēng)為無(wú)毛定理。

在經(jīng)典物理的范疇內，霍金除了證明奇點(diǎn)定理外，他在1970年的時(shí)候還有一個(gè)令人愉悅的數學(xué)發(fā)現：事件視界的表面積總會(huì )增加。即如果有兩個(gè)黑洞合并，其總的視界面積是不可能減少的。面積定理的一個(gè)重要結果是，合并黑洞輻射出的引力波的能量有一個(gè)上限。2015年，首次探測到的引力波的結果證明了這一點(diǎn)。