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黑洞是一个引力大到光都无法从其中逃脱的天体。也就是一旦进入黑洞，便再也无法逃脱，但其实黑洞是很难进入的。 
根据爱因斯坦的广义相对论，时空是可以被扭曲、压缩的。譬如，有一把一米长的尺子，当它置于引力场中时，长度会变短。但此处要注意，尺子自己并不会觉得自己的长度变短了，而是在引力场以外的人觉得尺子变短了。 同样地，一段时间在引力场中，也会被压缩变短，如果拿着一块表走进引力场，你不会觉得自己的时间变慢，而是外面的人看你的时间会变慢，你的动作在外面的人看来变成了慢动作。 著名的科幻电影《星际穿越》里，男主角和女主角去了一趟黑洞边上的行星，他们只去了三个小时，回到飞船上的时候，他们的同事已经过了 20 年了。片中引力场以外的 20 年，到了引力场里就被压缩成了三个小时。 
用广义相对论来描述黑洞的边缘的话，其实是时空的压缩太剧烈了，把时空的尺度都压缩成零了。譬如，你去黑洞里玩一圈，我在外面帮你把风，我们约定好，你每隔 1 分钟给我发一条信息报平安。 在这个过程中，对你来说，你还是每隔 1 分钟给我发一条信息，但问题是，随着你靠近黑洞边缘，我看这 1 分钟却是越来越长的。 随着你越发靠近黑洞，你的时间流逝相对于我来说被压缩得越来越短，也许一开始我的 1 个小时被压缩成你的 1 分钟，到后面我的 10 个小时才被压缩成你的 1 分钟。随着你越发靠近黑洞边缘，你的 1 分钟时间在我看来越来越长。 
到最后你无限接近黑洞的时候，你的 1 分钟将对应我的无限长时间。哪怕我长生不老，等到天荒地老、海枯石烂，我也看不到你真正到达黑洞边缘的那一天，能见到的只是你不断趋近黑洞边缘。所以在我看来你是永远进不去的。 换成你的视角，你能进入黑洞吗？是可以的。 你进入黑洞的时间在你看来是有限的，问题是你的有限时间，对应于黑洞外的无限时间。也就是在你看来，全宇宙在转瞬间就结束了。 宇宙都结束了，黑洞还在不在就不知道了。如果宇宙最终会在有限时间里迎来终结的话，在你真正进入黑洞前，全宇宙就结束了。根据这番推理，不管是你自己想进去，还是我看着你进去，只要宇宙的寿命是有限的，你都进不去。 但以上的讨论十分理想化，现实情况是，黑洞不仅会吸收很多物质，也会发生黑洞合并的情况。为什么现实中黑洞又能进得去呢？这里的关键是，我们并非进入了黑洞，而是黑洞来「迎接」我们，后文将继续分析。 
为什么无法从黑洞里逃出来？ 要进入黑洞并不容易，因为在黑洞外的人看来，进入黑洞的人要花无限久的时间才能到达黑洞边缘。就让我们假设，如果你真的进入黑洞，还能回来吗？答案是，当然回不来。 假设你想进黑洞玩一圈，我在外边给你把风，这时你刚好一只脚踩到了黑洞边缘，想要往回走。但我等到天荒地老、海枯石烂，也等不到你出来的那一天，为什么呢？还是可以从两个角度来看这个问题。 对于在黑洞外的我来说，你在黑洞边缘，你的有限时间等于我的无限时间，你只要往回走就要消耗你的时间，但这个时间我可耗不起，可能你过了 0.0001 秒，外面的宇宙就已全部结束。在你看来，你能出来吗？一样出不来。 
你确实可以往回走，但不要忘了你的时空在外面的人看来已经被压缩成零了，也就是外面的时空尺度对于你来说是无穷大，回家的路对你来说已是无穷远。根据狭义相对论，你运动的最快速度只能是光速，用有限的速度、有限的时间，不可能走完这无穷的回家之路。 这里我们就看出了广义相对论黑洞和经典黑洞的区别了。经典黑洞是说引力太强，光的速度不够快，脱离不了经典黑洞的束缚。广义相对论描述的黑洞则是，因为引力太强，时空尺度被极致压缩，从黑洞里走出来这个动作所耗费的时间，在黑洞外的人看来是无限久。走出黑洞要经过的距离，在黑洞里的人看来是无限远。 不管从哪个角度看，需要的时间都是无限久，这才是进入黑洞以后便出不来的真正含义。 如果黑洞进不去，它是怎么吸东西的？ 既然理论上黑洞根本就无法进入，但其实在现实中，黑洞在不断地吸收物质，还有黑洞合并的现象发生。这又是为什么呢？ 黑洞吸收物质的过程，并非把物质吸引到自己原本的视界线范围内，而是当周边物质与视界线接近到一定程度时，黑洞的视界线会扩大，把被吸的物质包含进去。这个吸收过程，并非黑洞在那里不动，等着物质进去，而是当物质靠近到一定程度，黑洞就会「主动出击」，把物质「揽」进去，进去后，黑洞的范围变大了。 所谓黑洞吸收物质，其实是黑洞的视界线扩大来迎合物质。 我们可以考虑一个相对容易理解的过程：两个黑洞合并。两个黑洞的合并不应理解为一个黑洞进入另一个黑洞。可以想象原本只有一个黑洞的时候，我们研究这个黑洞视界线外的某一区域，既然是在黑洞视界线之外，此处的时空尺度并未被压缩为零，所以它是正常时空。 但随着另一个黑洞的靠近，这个本来不是黑洞内部的点，也会叠加另一个黑洞的引力，因此此处的时空尺度会被压缩得越发剧烈。 当另一个黑洞来到足够近时，该点的时空尺度已被压缩为零，于是它就变成了黑洞内部的一个点，原黑洞的视界线范围就扩大了。所以说黑洞的融合过程，并非一个黑洞进入另外一个黑洞，也不是两个黑洞发生碰撞，而是在两个黑洞靠近的过程中，每个黑洞的视界线范围都在不断扩大，当两个黑洞靠得足够近时，它们中间的区域叠加了两个黑洞的引力，在两个黑洞还未碰到一起时，中间区域就已经被转化为黑洞的一部分了。 前篇提到，一个观察者无法进入黑洞，我们假设这个观察者是一个纯粹的时空观察者，这个观察者被抽象成质量为零，所以他永远无法达到黑洞边缘。但黑洞吸收物质的过程是什么样的呢？ 比如，黑洞撕碎一个恒星，吸收恒星物质的过程，其实是恒星的物质靠近黑洞边缘时，恒星的质量也会压缩周围的时空，当恒星靠近黑洞到一定程度时，它周围的时空尺度被压缩为零，恒星的位置就自然变成了黑洞的一部分，它被黑洞扩大了的视界线包含进去了。 这才是对于黑洞吸收物质以及黑洞合并过程的正确理解。 黑洞不光往里吞，也往外吐：霍金辐射 黑洞的引力如此强大，一旦进入黑洞的东西，就再也无法逃脱，但真的如此吗？还真不一定。根据霍金的理论，黑洞并非完全「一毛不拔」，而是存在「霍金辐射」。 
但霍金辐射理论目前还停留在猜想阶段。如果霍金理论被证明是正确的话，那黑洞其实是一个「灰洞」。 我们之前讨论的黑洞，只考虑了它广义相对论的性质，没有考虑它的量子力学性质。英国物理学家狄拉克的理论告诉我们，真空并非彻底空无一物，而是存在「量子涨落」。真空其实不那么平静，它一直在发生正反粒子对的生成以及湮灭。 就好像海平面，你在高空看它的时候，它是非常平静的，但如果靠近了看，海平面上其实有不少小水滴在上上下下、起起伏伏地运动着。再想象一个装满水的瓶子，你从里面吸走一滴水，水瓶里就会多出一个气泡，这个气泡也会动来动去，它的行为就好像一个粒子。 量子涨落说的就是，真空非空，它随机产生正反粒子对，正粒子就好像海面上的小水滴，反粒子就好像被吸走的小水滴留下来的气泡。 霍金辐射理论说的是，在黑洞的边缘，也有这样的正反粒子对在不断地产生，由于反粒子在黑洞外的正常时空不能大量存在，就好比油在水里一定不能相融一样，它必然要运动到水的表面。类似的，黑洞边缘周围产生的正反粒子对，大部分反粒子被吸收到黑洞里去了。正粒子在黑洞视界线以外，就有机会可以逃出去。 这种正粒子逃出去的集体行为，从统计规律上来看，就好像黑洞在辐射一些粒子出来，这就是霍金辐射，是纯粹的量子力学效果。同时反粒子被吸收进黑洞之后，会与黑洞里的正粒子相互抵消，从而减小黑洞的质量。因此，霍金辐射的效果是，黑洞也会辐射出一些粒子并不断减小自身质量，这个行为叫作黑洞的「蒸发」。 这样看来，黑洞也不是一直在吸，它也在向外「吐」东西，「吐」的就是霍金辐射。霍金辐射的辐射量正比于黑洞的表面积，也就是一个球的表面积，是 4π r 2, r 是黑洞半径。但黑洞往里吸东西的效率是正比于黑洞体积的，这取决于黑洞引力的大小。 也就是吐的速度正比于半径的平方，吸的速度正比于半径的三次方，这样一来，半径越大，吸得就比吐得快；半径越小，吐得就比吸得快。当年瑞士的 LHC 大型强子对撞机开始实验前，曾经有人表示反对，因为这么高的能量密度有可能会撞出一个小黑洞，反对者担心地球都会被黑洞吸进去。 当时霍金就说了，就算撞出小黑洞，由于它太小了，根据霍金辐射的理论，它很快就会蒸发掉，不用担心把地球吸进去。如果真的造出黑洞并蒸发，霍金会因此获得诺贝尔物理学奖，只可惜 LHC 至今都没有制造出黑洞。 如何制造一个黑洞？ 根据质量大小的不同，黑洞也分为好几种。 黑洞通常都拥有很大的质量，但质量的大小并非决定一个天体是否成为黑洞的唯一因素。 黑洞的形成，要求一个天体具有极强的引力，而极强的引力通常伴随着极大的质量，但并非绝对。 一个天体万有引力的大小正比于它的质量，反比于它半径的平方，换句话说，一个天体如果质量不够大，半径小的话也是有机会成为一个黑洞的。也就是一个天体的密度如果足够大，就能成为一个黑洞。 有一个概念叫作史瓦西半径，所谓史瓦西半径，就是当一个天体被压缩到它的史瓦西半径的大小的时候就会成为一个黑洞。譬如，把太阳的质量全部压缩到一个半径为三千米的球内，太阳就会成为一个黑洞。 如果把地球压缩到一个橘子大小，地球也会成为一个黑洞。 最小的一类黑洞，叫原初黑洞，它是理论猜想的，还没有被发现。原初黑洞的质量非常小，根据霍金的计算，这类黑洞的质量大约只有 1 千克的一亿分之一。之所以叫原初黑洞，就是因为根据理论的计算，这类黑洞在宇宙大爆炸之初，宇宙的能量密度还很高的时候才有可能形成。 正常情况下，那么小质量的物体是不可能自发形成黑洞的，因为引力根本不够，除非是外部的超高能量密度通过挤压把小质量压缩到史瓦西半径以内才有可能。 最常见的黑洞叫作恒星黑洞，质量在太阳质量的 3～65 倍之间。恒星黑洞是由一颗质量比较大的恒星，在所有的能量都消耗殆尽之后，内部的能量无法顶住引力的收缩，体积被压缩到史瓦西半径以内，进而形成黑洞。 另外一种黑洞，叫超大质量黑洞，它的质量一般是太阳质量的几百万倍，最大的可以到太阳质量的几十亿倍。譬如，银河系中心有一个超大质量黑洞，它的质量大约就是太阳质量的几十亿倍。关于超大质量的黑洞是如何形成的，还没有定论，一个可能的原因是小黑洞经过不断合并，从而形成超大质量黑洞。 还有一种黑洞，在理论上不可能存在，叫中等质量黑洞。 黑洞真是有趣，质量极小的可能存在，质量较小的和质量超大的都被观测到了，反而中等质量的黑洞不仅理论上不可能存在，更没有实际观察的结果，这是为什么呢？这就要讲一点粒子物理的知识了。 不可能存在的黑洞：中等质量黑洞 2020 年 9 月出了个物理学大新闻，当年发现引力波的超大实验仪器 LIGO，发现了一个极其奇怪的引力波信号。这个信号告诉我们，要么是我们现在的黑洞理论有问题，要么是出现了一种全新的、从未观测到过的，也没有任何理论预言过的新型奇怪天体。 LIGO 发现了一个 142 倍太阳质量的黑洞，这个黑洞是由两个小一点的黑洞合并而成的，一个是 65 倍太阳质量，另一个是 85 倍太阳质量。恰恰是 85 这个数字太奇怪了，根据我们现有的黑洞理论，不应该存在 85 倍太阳质量的黑洞。 根据前文提到的，黑洞的质量可以较小，也可以极大。 例如，10 倍太阳质量的黑洞是可能存在的，几十亿倍太阳质量的黑洞也是可能存在的。银河系中心，就有一个几十亿倍太阳质量的黑洞。 65～130 倍太阳质量左右的黑洞叫作中等质量黑洞，但这个质量区间的黑洞根据理论不应该存在，因为「对不稳定性」（pair-instability），这就需要一些粒子物理知识了。我们知道粒子和它的反粒子碰到一块就会湮灭，例如电子和正电子碰到一起会湮灭，变成光子。 这个反应如果反过来，也有可能发生。当光子能量很高时，它们可以碰撞出正反电子对。当一个恒星质量较大，比如 100 倍太阳质量的时候，它的引力非常强，内压很大，内部光子能量非常高，会发生光子碰撞出正反电子对的效果。一个恒星之所以拥有固定大小，没有在引力作用下坍缩成一团，是因为内部核反应产生能量向外释放，把引力平衡了。 可一旦发生了光子对变成正反电子对的反应，正反电子对向外支撑的力是没有原本光子的光压强大的，这样的话引力占据上风，天体要往里坍缩。并且由于天体质量大，这一坍缩，其实是在向内部急剧压缩，会在短时间内提升能量密度，产生巨大反扑，这会让天体喷发出巨大能量和大量物质，这就是「对不稳定性」。 就算天体本来的质量可以形成中等质量黑洞，这些物质也在大型喷发中被甩出去了，留下来的物质的量达不到中等质量黑洞的质量。但另一方面，超大质量黑洞有可能形成，就是因为质量极大，产生的引力也极强，刚才说的喷发还是无法超过引力的收缩趋势，物质不会被大规模甩出去。 只有刚好卡在中间这个量级，物质才会因为「对不稳定性」被大幅甩出，等到天体质量降到中等质量黑洞以下就不存在「对不稳定性」了，物质不会继续被甩出。所以根据理论，中等质量黑洞不应该存在。 这次既然发现了中等质量的黑洞，就说明原本的黑洞理论有问题，至少它还不够完善。除非是出现了一种奇怪的新型天体。奇怪的点是，这个天体应该不是球形的，单个球形天体是发不出引力波的。根据广义相对论，一个中心对称的东西，是无法发出引力波的，我们现在接收到的引力波都是一大一小两个黑洞相互围绕旋转，直到合并在一块所产生的。 一大一小双黑洞围绕旋转，保证了这个系统不是中心对称，就保证了引力波的产生。黑洞合并保证了动静够大，我们才能够用 LIGO 探测到它们的引力波。如果是一种新型天体，这个天体还发出了引力波动，说明质量一定不小，并且它一定不是球形。但质量那么大的天体，引力那么强，怎么都应该已经把自己变成一个球了。 无论如何，两种可能性都对我们的物理学理论提出了挑战。这应该是实验物理的一次大胜利，因为它带给了我们全新的未知现象。 |
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