黑洞的研究簡史
“黑洞”（black hole）一詞在1968年才由美國物理學(xué)家約翰·惠勒提出來，他在1999年出版的自傳《真子、黑洞和量子泡沫：物理生涯》中寫道：“空間可以像一張紙那樣坍縮至一個無限小的點，時間也可以像吹熄火苗那樣湮滅，而那些不可侵犯的、亙古不變的物理定律，也可以蕩然無存。”其實人類探索黑洞的歷史已有200多年，早在1783年，英國自然哲學(xué)家約翰·米歇爾就已經(jīng)意識到：一個致密天體的密度可以大到連光都無法逃逸；這也是普通人在今天對于黑洞的最基本認(rèn)識。1796年，法國科學(xué)家皮埃爾-西蒙·拉普拉斯在《宇宙體系論》一書中也指出了存在這種奇特天體的可能性。
1915年, 美籍猶太裔物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)表廣義相對論,最先預(yù)言了黑洞的存在；據(jù)廣義相對論，黑洞具有的超強引力使得光也無法逃脫它的勢力范圍，該勢力范圍稱作黑洞的半徑或稱作事件視界。廣義相對論有一個最核心的方程，叫愛因斯坦引力場方程，而且此方程非常復(fù)雜；愛因斯坦本人也無法找到它的精確解。次年，德國物理學(xué)家卡爾·史瓦西解出了廣義相對論的第一個精確解：史瓦西解，也就是我們現(xiàn)在所知道的靜態(tài)、球?qū)ΨQ的史瓦西黑洞。他發(fā)現(xiàn)，任何具有質(zhì)量的物體都存在一個臨界半徑（即“史瓦西半徑”）；當(dāng)一個恒星發(fā)生塌縮，收縮至史瓦西半徑后，這個恒星將在自身引力作用下最終變成黑洞。
1919年發(fā)生日食期間，英國物理學(xué)家亞瑟·愛丁頓驗證了廣義相對論中提到的一個重要預(yù)言，即光線在大質(zhì)量恒星附近通過時會出現(xiàn)彎曲。1939年，美籍猶太裔物理學(xué)家羅伯特·奧本海默根據(jù)廣義相對論證明了：一個無壓力的球體在自身的引力作用下坍縮到史瓦西半徑的時候，如果這時候球體的質(zhì)量比臨界質(zhì)量大，那么引力坍縮之后就不可能達(dá)到任何穩(wěn)定的狀態(tài)，只能形成黑洞。1963年，新西蘭數(shù)學(xué)家羅伊•克爾發(fā)現(xiàn)了一個旋轉(zhuǎn)黑洞的精確解：克爾解，也就是除了質(zhì)量外,還有角動量的克爾黑洞。1967年，英國物理學(xué)家約瑟琳·伯內(nèi)爾發(fā)現(xiàn)了天空發(fā)射出無線電波的規(guī)則脈沖的物體，這對黑洞的存在的預(yù)言帶來了進(jìn)一步的鼓舞。
1974年，英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金通過量子力學(xué)的方法得出結(jié)論：黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質(zhì)，同樣也能以熱輻射的方式向外“吐出”物質(zhì)（即“霍金蒸發(fā)”）。他認(rèn)為，黑洞發(fā)射粒子具有超越通常和量子力學(xué)相關(guān)的額外的不確定性或不可預(yù)言性；隨著黑洞發(fā)射粒子，它的質(zhì)量和尺度就穩(wěn)恒地減小，直到黑洞最終把自己發(fā)射殆盡�；艚鹩�2015年對黑洞理論進(jìn)行了修改，宣稱黑洞實際上是“灰色的”；新“灰洞”理論稱，物質(zhì)和能量被黑洞困住一段時間后，又會被重新釋放到宇宙中。
2015年，兩個美國探測器首次探測到了兩個黑洞合并的引力波信號,從而為黑洞的存在提供了第一個直接證據(jù)，即它們可以成對的形式存在，而這些成對存在的黑洞可以碰撞并合并，在這一過程中以引力波的形式釋放大量能量，從而使人類首次“聽”到了黑洞的“聲音”；對這項成果起到?jīng)Q定性作用的三位科學(xué)家在2017年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。2019年4月10日，EHT給出了人類首次拍到的黑洞圖像。可見黑洞是最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動的天文學(xué)說之一，很值得人們關(guān)注和研究。
黑洞的演化過程
黑洞就是一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的奇點和周圍一部分空空如也的天區(qū)，這個天區(qū)范圍之內(nèi)不可見。依據(jù)廣義相對論，當(dāng)一顆垂死恒星崩潰，它將聚集成一點，這里將成為黑洞，吞噬鄰近宇宙區(qū)域的所有光線和任何物質(zhì)。黑洞通過事件視界的臨界面與宇宙劃清界限，視界之內(nèi)的一切東西都不能夠逃出黑洞，包括光；在黑洞中心，我們所有的物理定律都會失效，該中心會釋放出高能的輻射束�？梢哉f，黑洞形成的必要條件就是一個巨大的物體，集中在一個極小的范圍。
黑洞的產(chǎn)生過程類似于中子星的產(chǎn)生過程；當(dāng)恒星核心的質(zhì)量大到使收縮過程無休止地進(jìn)行下去時，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想象的物質(zhì)。由于高質(zhì)量而產(chǎn)生的引力，使得任何靠近它的物體都會被黑洞吸進(jìn)去。跟中子星一樣，黑洞也是由質(zhì)量大于太陽質(zhì)量好幾十甚至幾百倍以上的恒星演化而來的。
當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料，由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進(jìn)軍，直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”，黑洞由此而誕生。
按組成來劃分，黑洞可以分為兩大類：一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。如果以質(zhì)量為參照，黑洞可以劃分為四類：比恒星質(zhì)量小的黑洞，恒星級黑洞（質(zhì)量與恒星相當(dāng)或者是其幾倍），中等質(zhì)量黑洞（恒星質(zhì)量的上百或上萬倍），超大質(zhì)量黑洞（恒星質(zhì)量的上億倍）。有關(guān)專家認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞可能存在于每一個星系中，這也是星系維持穩(wěn)定的原因。
黑洞的表現(xiàn)形式
與別的天體相比，黑洞十分特殊。人們無法直接觀察到它，科學(xué)家也只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。而使得黑洞把自己隱藏起來的的原因即是彎曲的時空。根據(jù)廣義相對論，時空會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短光程傳播，但相對而言它已彎曲。在經(jīng)過大密度的天體時，時空會彎曲，光也就偏離了原來的方向。
在地球上，由于引力場作用很小，時空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，時空的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的“隱身術(shù)”。
更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的“側(cè)面”、甚至“后背”，這是宇宙中的“引力透鏡”效應(yīng)。引力透鏡是天體物理中最重要的研究工具和手段之一，在暗物質(zhì)、暗能量、大尺度上的引力和系外行星探測上都發(fā)揮著巨大作用。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個黑洞融合或中子星被黑洞“吞噬”時（其實黑洞和中子星之間沒有太大的區(qū)別；兩者都是恒星死亡的結(jié)果）,時空彎曲中的漣漪就會形成分形表面。分形被譽為大自然的幾何學(xué)，其概念最早是由美籍猶太裔數(shù)學(xué)家伯努瓦·曼德布羅特提出的。中國科學(xué)家周海中曾經(jīng)指出：分形幾何不僅展示了數(shù)學(xué)之美，也揭示了世界的本質(zhì)，從而改變了人們理解自然奧秘的方式。至于黑洞所引起的時空漣漪為什么具有分形幾何特征，其原因現(xiàn)在還是一個謎。
探索的意義所在
黑洞探索的意義重大。就現(xiàn)實意義而言，黑洞探索可以間接推論宇宙是如何和何時產(chǎn)生的，由此也能了解宇宙之后地球是如何產(chǎn)生的。通過黑洞探索，人們可以知道宇宙是否因為大爆炸而產(chǎn)生和星系演化是否受到星系中的壯觀噴流的影響�？赡茏瞵F(xiàn)實的是，黑洞的存在是否會影響到地球上的人類乃至生物的生存；如果有影響，科學(xué)界會采用什么樣的方式來預(yù)防、避免或者減少這樣的影響。
黑洞探索也有衍生意義。既然有黑洞，宇宙中可能也存在白洞和蟲洞。白洞可以看成時間呈現(xiàn)反轉(zhuǎn)的黑洞，進(jìn)入黑洞的物質(zhì)，通過蟲洞的時空隧道，最后應(yīng)會從白洞出來，出現(xiàn)在另外一個宇宙。雖然現(xiàn)在白洞和蟲洞還都停在科學(xué)家們的猜想當(dāng)中，但是只要人類的科技能夠有很大的提升，相信能夠穿越時空的這一天遲早會到來。
黑洞探索還催生了人造黑洞。人造黑洞和自然界的黑洞有著本質(zhì)的不同，因為它不產(chǎn)生強大的引力場。人造黑洞能幫助科學(xué)家全面、準(zhǔn)確地理解宇宙，在太陽能電池、光子探測器、隱身設(shè)備等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值。另外，人造黑洞有可能作為宇宙飛船的動力，使宇宙飛船以接近光速的速度飛行，從而實現(xiàn)星際旅行的夢想。
[作者附言：主要編譯自《Space Engine》《Sky & Telescope》和《Space Today Online》。寫這篇文章時，參考或采用了一些相關(guān)資料；特此說明并表示衷心的感謝。]