黑洞，光線的死胡同，那堵墻是什么樣？

就以這篇以黑洞為線索的黑暗科學(xué)作為《黑暗，隱藏著怎樣的秘密，讓科學(xué)家如此癡迷？（上） 》的中篇吧。內(nèi)容想了很久，卻一直不知如何下筆，因為黑洞是大家普遍關(guān)注的科普話題，所有自媒體平臺上都充斥著類似的內(nèi)容。本文將嘗試一下突破。

我們在小學(xué)的時候就被傳授，光線沿著直線傳播。如果我們能用一句最簡單的話來形容光線的這種性質(zhì)，我個人覺得，沒有一個詞比“一條道走到黑”更適合。古代中國實行“里坊制”，巷子都是封閉的。所以一條道走到黑，就是不回頭不轉(zhuǎn)彎。

我們實際上的經(jīng)驗也是如此，當(dāng)你拿起一支激光筆指向深邃的夜空，就會畫出一條筆直的線，消失在視野盡頭的無盡黑暗中。但如果沒有愛因斯坦，我們可能會在很長一段時間內(nèi)，都會認(rèn)為光走直線是一條顛撲不破的真理。

1915年，愛因斯坦發(fā)表的廣義相對論提出，光的路徑其實是在三維空間加一維時間構(gòu)成的維度里面的測地線（最短路徑），在大質(zhì)量天體附近，時空發(fā)生彎曲，因此自由運動的粒子必須沿著新幾何中的短程線來運動。

1919年，英國天文學(xué)家亞瑟?愛丁頓，在全日食期間，首次觀測到了一顆接近太陽方向的恒星的位置在與一段時間后測量到的這顆恒星的位置之間存在著微小差異，這與愛因斯坦的預(yù)言完全相符。愛因斯坦認(rèn)為，這是對廣義相對論的有力證明。

在愛因斯坦發(fā)表廣義相對論的同一年，德國物理學(xué)家卡爾?史瓦西帶著病痛在戰(zhàn)壕里得出了場方程的一個特殊解。史瓦西認(rèn)為，這個解意味著有一種天體，存在著光線也無法逃逸的臨界半徑，其半徑的大小與天體的質(zhì)量成正比，這個半徑被命名為史瓦西半徑。

【補充】史瓦西黑洞是一種特殊的黑洞，不帶電荷、不旋轉(zhuǎn)，只是一個理想黑洞，是不可能真實存在的。真正的黑洞都比這個理想黑洞復(fù)雜，帶電荷且自轉(zhuǎn)。

史瓦西半徑定義了在這個天體的周圍有一個球形的表面，科學(xué)家們稱其為“視界”。它是一個幾何表面，不是真實的物體，之所以稱之為視界，是因為它與地平線類似，都是視線范圍的邊緣。不同的是，地平線的位置取決于觀察者的位置，而黑洞視界則是絕對的。

視界將時空分割為兩個部分，在視界外面的光線可以在任意大的距離之間穿梭，這是我們的世界（宇宙），但在視界內(nèi)則不行，光線會向黑洞中心奇點的位置匯聚，因此不能在任意兩點之間自由移動，因此信息的傳遞受到了限制。

黑洞理論直到56年之后（1971年）才找到了間接證據(jù)，這一年，天體物理學(xué)家們探測到了天鵝座δ-1，這個二元系統(tǒng)的特征表明它是由一個黑洞和一個巨大恒星組成的。

直接證據(jù)的發(fā)現(xiàn)要到44年之后（2015年），美國激光干涉引力波天線首次探測到了引力波。結(jié)合其它觀測手段的認(rèn)證，可以確定，在13億光年外，兩個質(zhì)量分別為36和29倍太陽質(zhì)量的黑洞，以250轉(zhuǎn)/秒繞共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，最終合并為唯一的、質(zhì)量為62倍太陽質(zhì)量的黑洞。3倍于太陽質(zhì)量的質(zhì)量，在這次合并中以引力波的形式放射掉了。

如果你能看著一個光源直撲黑洞，那是真正的“一條道走到黑”，你會看到這光源速度越來越慢，最后幾乎停留在黑洞表面不動。就像一個人走到了死胡同，面對墻壁永遠都出不來的效果一樣。其實這只是引力紅移導(dǎo)致的，在觀察者看來光源的時鐘變慢的一種效應(yīng)。

關(guān)于黑洞的中心（奇點）仍然是一個理論難題，至今無解，這里介紹一下奇點到視界之間的這個區(qū)域。在這里，時空向奇點坍塌，這使得視界內(nèi)的物體無法靜止，而是隨著坍塌的時空運動，而且其運動軌跡集中在黑洞的中心。

與視界外面的情況不同，視界之外的我們在空間中移動，時間是單向流逝的，但在視界之內(nèi)，時空發(fā)生翻轉(zhuǎn)，視界到奇點之間的距離成為了單向的。但這并不是說視界內(nèi)能回到過去并改變因果關(guān)系，而是說，時間不再有全局意義。局部的時間和距離都指向共同的終點——黑洞中心（奇點）處。

1974年，英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬?霍金利用量子場論的研究表明：在黑洞外產(chǎn)生的虛粒子對，其中之一被吸引進去，而另一個會逃逸。這個逃逸的粒子獲得了能量，從而不需要與其反粒子相遇湮滅，反倒是可以逃逸到無限遠。以外界的角度看，就像黑洞輻射出了這個粒子一樣。該猜想中的輻射就被命名為“霍金輻射”。

霍金的分析迅速成為第一個令人信服的量子引力理論，盡管目前尚未實際觀察到霍金輻射的存在。在2008年6月NASA發(fā)射了GLAST衛(wèi)星，它可以尋找蒸發(fā)的黑洞中γ射線的閃光。而在額外維度理論，高能粒子對撞也有可能創(chuàng)造出會自我消失的微黑洞。

但在2010年9月，一項模擬重力研究的結(jié)果被部分科學(xué)家認(rèn)為是首次展示出霍金輻射的可能存在與可能性質(zhì)。

因為霍金輻射能夠讓黑洞失去質(zhì)量，當(dāng)黑洞損失的質(zhì)量比增加的質(zhì)量多的時候就會造成縮小，最終消失。而比較小的微黑洞的發(fā)散量通常會比正常的黑洞大，所以前者會比后者縮小與消失的速度還要快。

霍金在其研究中進一步指出，黑洞蒸發(fā)出來的光子能量分布與黑體輻射具有相同的形狀！因此他可以給與黑洞一個和黑體溫度類似的量值，且這個值與黑洞的質(zhì)量成反比。

本文暫時就寫到這里，太長的文章大家都不愛看，在下一篇文章里，繼續(xù)看一看科學(xué)家們研究黑洞會有些什么用處，那些偉大的構(gòu)想何時才能成為現(xiàn)實。讓我們這些吃瓜群眾，繼續(xù)圍觀科學(xué)家們在黑暗之路上越走越遠，而人類的生活越來越美妙。

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