作者：瑪西亞·芭楚莎，麻省理工學院教授，擁有新聞學和物理學的雙重背景，在物理學和天文學領域工作30多年。
在開始讀這本書之前，我們先一起到黑洞跟前看看。想象一下，如果有一天，你和你的隊友穿著宇航服來到黑洞面前，會有什麼樣刺激的經歷在等著你。首先，黑洞是有邊界的，這個邊界叫作“視界”，指的是我們能從外面看到的黑洞邊緣。越過這個邊界再往裡，由於光都沒有辦法出來，所以我們根本沒有辦法知道里面發生的事。要知道，黑洞的這個邊界並不是一個固體表面，也沒有一個牌子會提醒你說“你已經到黑洞視界了”。這時，如果你冒險往前跨了一步，走到了黑洞的視界裡面，你感到的並不會是撞到岩石的痛苦，而是廣闊的空間。如果這個黑洞的質量是太陽質量的50億倍，那麼距離你從黑洞邊界下降到最後被撕裂的地點還有21個小時。如果在這個時候，你回過頭看看位於黑洞視界外面的宇宙，你會看到宇宙未來發生的事情在以接近光速的速度疾馳而過。你手錶上的每一秒鐘，意味著外面世界過去了幾十億年。而如果在你越過黑洞視界的同時，你的一個隊友在外面看到了你，他會看到你似乎在那裡靜止不動，永遠保持年輕，永遠不會被毀滅。
先來看第一個重要內容：黑洞理論發展的曲折經歷
黑洞產生的根本原因就在於引力。我相信大家對引力的概念是很熟悉的，三百多年前，牛頓由於一顆蘋果砸在了自己的頭上，發現了萬有引力定律。我們能夠站在地球上，而不是飄到空中，也是由於地球對我們的引力。雖然地球對人類有引力，但如果你想逃脫地球的引力，比如飛到月球上去，那也是有辦法的，這個辦法就是速度。人造衛星能夠擺脫地球的引力進入太空，就是由於速度足夠快。當然從不同的星球逃跑的速度是不一樣的，星球的質量越大，需要的速度也就越大。比如，你如果想逃出太陽的引力範圍，所需要的速度就比從地球逃跑所需要的速度大。沿著這個思路，在牛頓提出萬有引力定律大概一百年後，英國有一個叫米歇爾的物理學家，把萬有引力定律運用到極端狀態，發現宇宙中可能存在著一種特殊天體。
在當時，科學家們相信光是由大量的微粒——光子組成的。現在假設，恆星產生的光想要從恆星中跑出來，進入太空。米歇爾認為，恆星的引力會吸引這些光的微粒，並且恆星的質量越大，抓住光的引力也就越強。這也就是說，從大質量恆星那裡跑出來的光要比從小質量恆星那裡出來的光慢一些。那麼顯然存在著這樣的一種可能性：當恆星的質量達到一定程度的時候，所有的光都會被恆星的引力拽回去。這就像是從噴泉噴射出來的水花，達到最大高度後，又會回落到水池中去。如果恆星能抓住自己輻射出去的所有光微粒，那這顆恆星將永遠不會被看到，這便是最早的關於黑洞的描述。米歇爾經過計算後發現，一顆與太陽密度相同，但直徑是太陽500倍的恆星，就會變為黑洞。你可能覺得這麼極端的例子一定會在理論界引起軒然大波，但實際情況是，這個有點怪誕的理論並沒有引起什麼關注。又過了大約五十年，光的另一個性質被物理學家提出來了，那就是光並不是由一個一個的小微粒組成的，而是像水中的波紋那樣，像波一樣進行傳播。這個理論否定了米歇爾提出的黑洞理論的基本假設，因此，米歇爾的黑洞理論也就完全被人們拋棄了。
不久之後，愛因斯坦的相對論在20世紀初登上了歷史舞臺。他經過計算發現：光雖然不是由微粒組成的，但引力仍然會對光造成影響。這就是說，當一束光從一個有質量的物體旁邊過去的時候，這個物體會把光向著自己的方向吸引過來。不過，即使是地球這樣的天體，對光的彎曲效果也是很小的，幾乎可以忽略不計。但愛因斯坦提出，太陽的質量足夠大，所以當光經過太陽的時候，太陽會彎曲光的行進路線。為了證明愛因斯坦的理論，當時的物理學家做了一個實驗，他們拍攝了一組晚上的星空照片，不久之後又在日全食的時候拍攝了一組星空照片。晚上拍攝的照片中，那些來自星星的光線與太陽離得很遠，日全食的時候拍攝的照片中，星星的光線都出現在太陽附近。科學家把兩組照片進行了對比發現，星星的位置果然發生了改變，太陽會把光線往自己的方向吸引過來。這個實驗讓人們突然意識到，天上的星光可能全都跑偏了，恆星很可能都不在他們原來的位置上。這個消息迅速傳遍了全球，愛因斯坦也成為了全世界最矚目的名人。他曾經在一封信裡說道：“我變成了那個可以把任何碰到的東西都變成黃金的人。任何事情只要和我有關，就會變成大新聞。”
既然光線會被恆星吸引過來，德國的物理學家史瓦西就做出了一個大膽的猜想：如果有一個恆星的質量特別大，以至於它不僅僅是將光線“稍微向自己彎曲”，而是把光線完全吸引到自己的勢力範圍內，從而使光線根本沒有辦法逃出去，那麼這顆恆星不僅不會被外界看到，還會變成一個“無底洞”，光和任何物質都只能進去，根本沒有辦法出來。根據史瓦西的計算，這樣的一個恆星，可能已經不能被稱為恆星了，它具有質量無限大、體積無限小的特性。正是這個特性，讓大多數科學家覺得史瓦西的觀點是荒謬的，並沒有將史瓦西的猜想當成一件值得認真對待的事情。愛因斯坦認為，出現史瓦西所說的這種極端狀況的原因，是自己的廣義相對論仍然有缺陷。而史瓦西自己也覺得，恆星在縮小到這麼小的時候，一定會受到內部的一個反推動力，就像你使勁捏一個小球，這個小球會反過來向你施加一個推動力那樣，因此，史瓦西相信自己計算出來的結果在真實世界中不可能存在。
當時的物理學家不相信黑洞真的存在的原因就在於，他們不相信宇宙中能存在比太陽、地球這樣的星球密度還要大的天體。但是後來，隨著白矮星、中子星被發現，物理學家發現，宇宙中居然存在比地球的密度大幾萬億倍的星體，這徹底顛覆了物理學界的一貫認知。而與此同時，錢德勒·塞卡和奧本海默這兩個重量級的物理學大師分別通過計算發現，恆星的質量如果足夠大，那它在死亡的時候，會由於自身的引力過大，而不斷地向內塌陷，最終形成一個質量無限大、體積無限小的黑洞。這次，連愛因斯坦也坐不住了，他寫了一篇論文對黑洞理論進行了批判，試圖證明黑洞不可能形成。他還聲稱自己堅信黑洞不可能在現實中存在。而奧本海默本人，也認為對黑洞的研究並不是自己的本業，根本就沒有將這篇論文當回事。事實上，在這之後的十幾年時間裡，如果有誰將自己的研究方向定為黑洞，往往會被人認為是在不務正業。
廣義相對論雖然讓愛因斯坦成為了世界名人，但它卻經歷了很長一段被人冷落的歲月，因為幾乎所有人都認為牛頓的物理學足夠用了,廣義相對論要解釋的只是牛頓物理學無法解釋的特殊情況。這些特殊情況包括物體的速度達到光速、恆星的質量達到太陽的幾億倍時的情況等等。在這些極端情況下，牛頓物理學不再適用，只有廣義相對論才能對其進行解釋。但在二戰之前，科學家堅信這樣的極端情況在宇宙中無法真實存在，因此，在當時，物理學界並沒有什麼人認真研究廣義相對論。二戰之後，相對論的研究才逐漸有所起色。其中的一個原因有些不同尋常，和一位古怪的美國金融家有關。
這個金融家叫羅傑·巴布森，他在20世紀20年代股票市場最輝煌的時候賺了一大筆錢。他非常著迷於牛頓的三大運動定律，特別是第三定律：當兩個物體相互作用的時候，彼此之間會向對方施加大小相同、方向相反的力。對於巴布森來說，這意味著大幅上漲的股市會鐵板釘釘地迎來暴跌的那天。於是，在1929年的股市大跌之前，他將自己的所有資金轉移到了安全的地方。這讓他作為美國最富有的人之一，安然渡過了大蕭條時期。巴布森確信，是牛頓從金融危機中拯救了他，而他小時候的一次經歷讓他對重力研究情有獨鍾，並設立了豐厚的獎金對該領域內的優秀論文給予獎勵。在巴布森的童年時期，他的大姐溺水身亡，這個陰影多年以來一直縈繞在他的心中，讓他沒辦法釋懷。他一直堅信，是重力將姐姐拉向了水底。既然特殊的絕緣體和防護物可以阻隔磁鐵的磁性，那麼能不能找到類似的絕緣體來克服重力呢？為了找到這種絕緣體，他設立了這個獎項。
這個獎金資助的論文最開始的時候被人當成笑話，因為它是反重力的，以至於很多人都把從事重力研究的人稱為狂人和騙子。但是有一位叫德維特的年輕相對論學者，為了贏得獎金給房子交首付而提交了一篇重力研究論文。他在論文中說：“尋找重力絕緣體純屬是‘浪費時間’。”出乎意料的是，由於這篇論文思維縝密、有理有據，最終獎金落到了德維特的頭上，讓他如願以償第得到了心儀的房子。從此之後，這項獎金得到了越來越多的人的關注，而重力研究不可避免地要轉到和相對論相關的理論研究上。自此之後，相對論得到了越來越多的人的關注，而它也終於在實際中得到了應用，並和我們的日常生活密切相關起來。相對論中曾有一個重要的論點：引力會對時間產生影響。舉個簡單的例子，在地球表面，由於地球引力的作用，時間會比真空中沒有引力的地方慢。這個觀點已經得到了證實，圍繞地球運動的全球定位系統的衛星上裝載了最準時的時鐘，它會比地球上的時鐘跑得快一點。所以，為了更精確地為地球上的汽車導航，衛星每隔一段時間就要對自己的時鐘進行一次調整。這是相對論在人類生活中的第一次應用。
現在，我們再回到開頭的那個情境中，如果你進入了黑洞視界，黑洞巨大的引力會讓時間變得如此之慢，以至於外面幾十億年過去了，裡面才過去了一秒鐘，這也是為什麼，你在裡面可以看到外面的宇宙在以光速向未來運行，而留在外面的人會看到你永葆青春，永遠定格在那裡。
雖然愛因斯坦堅信黑洞不可能真實存在，但一方面由於黑洞是廣義相對論的極端情況，對廣義相對論的研究必然會引起物理學家對黑洞的思考；另一方面只有廣義相對論才能對黑洞的情況進行解釋，其他理論都會在黑洞面前黯然失色。廣義相對論研究的復興，為黑洞理論的發展準備好了理論基礎。到了20世紀60年代，隨著射電望遠鏡的應用，物理學家第一次發現宇宙中居然真的存在密度比中子星還要大的天體時，才開始關注到黑洞的相關理論，並最終接受了黑洞的概念。黑洞理論就是在這種不斷被質疑、被攻擊的曲折歷程中發展起來的。其實，不僅僅是黑洞理論，科學界的很多理論都經歷了被認為是荒謬的、被權威人士攻擊，到最後被廣泛接受這樣的三部曲。其中最有名的便是哥白尼的日心說和大陸漂移說。關於日心說，大家已經非常熟悉了。而大陸漂移說，直到20世紀60年代，已經有大量的證據證明其真實性的時候，依然還是不斷地被權威人士攻擊，因為人們根本無法相信自己腳踩的大地居然會像小船一樣在地球上移動。直到最後，在鐵一般的事實面前，大家才最終接受了大陸漂移說。
咱們接下來說第二個：我們如何“看到”黑洞
有人可能會覺得，好吧，我現在承認宇宙中可能確實存在黑洞，但是，就如你所說的，黑洞會吸引住任何物質，包括光，那就意味著我們永遠看不見黑洞，既然我們永遠看不到黑洞，你怎麼知道黑洞確實是存在的呢？物理學家告訴我們：人類是可以“看到”黑洞的，當然這個看到是打了引號的。確實，我們永遠無法用眼睛看到黑洞，但科學家可以藉助其他方法來間接地證明黑洞確實是存在的。
在普通人看來，我們對宇宙的觀察是通過望遠鏡來看宇宙，比如，我看到了火星，那就證明火星存在。確實，在兩千多年的天文學歷史中，人類都是在藉助望遠鏡觀看宇宙，但到了20個世紀30年代，隨著射電望遠鏡的發明，人類可以接收到來自宇宙的各種射線，從而不需要直接看到宇宙，而是通過接收各種無線電波來間接瞭解宇宙。當然，你可以說，黑洞不僅會吸引住各種光線，也會吸引住各種無線電波，恐怕射電望遠鏡也沒有用吧？嗯，彆著急，科學家為了看到黑洞，想到了這樣一種方法：在雙星系統中，兩顆恆星圍繞著彼此運動，只要知道其中一顆星的質量和運動狀態就能推斷出另一顆星的質量和體積，這樣一來，我們只要審視天空中的每一顆恆星，就能知道是否有恆星在圍繞著黑洞運動了。的確有科學家試圖這麼做過，不過，用膝蓋也能想到，恆星太多了，這樣的計算根本不可能實現。
所幸的是，通過射電望遠鏡，物理學家發現，在宇宙中的一些地方會有大量的 X 射線沿著直線向外發射。這些 X 射線的量如此之大，以至於要造成這麼大量的 X 射線發射，需要在太陽系這麼大的範圍內同時引爆上百萬顆太陽大小的恆星。請注意，我這裡說的是“引爆”，而不是僅僅將上百萬顆恆星放到太陽系。現在又出現一個矛盾的問題：即使能在這麼小的範圍引爆這麼大量的恆星，那這樣的 X 射線也只能持續很短的一段時間，但宇宙中那股大量的 X 射線似乎已經持續了上百萬年。這樣的星體過於明亮，超過了物理學家的想象，他們不認為這樣的星體是真實的存在的，所以，就把他們稱為“類星體”。
經過研究，科學家發現，引發大規模 X 射線爆發的就是黑洞。物理學家解釋了整個過程，這個過程的起點是，黑洞是在旋轉的。因為宇宙中的恆星都是在旋轉的，所以恆星在變成黑洞的過程中，保持了旋轉的特性，並且隨著體積越來越小，旋轉的速度也會越來越快。你可以想象滑冰運動員，當運動員在冰上旋轉的時候，如果他把自己的手臂收回來，旋轉速度會快速增加。黑洞也是因為這樣的原因，在以極大的速度旋轉。這時，如果有一顆恆星靠近了這個黑洞，並圍繞黑洞運動，黑洞便會從恆星那裡逐漸將各種物質吸引過來。恆星的物質在靠近黑洞的時候，並不是直接掉進去，而是由於黑洞的旋轉，也開始旋轉起來，並且越往黑洞靠攏，旋轉的速度也越大，以至於在靠近黑洞視界的時候，物質旋轉的速度會接近光速。這個過程你可以想象自家水池放水時的情況，放水時，水旋轉著流進下水道里，越往中心走，速度越快。被黑洞吸引的物質也是這樣，當然，如果一切都順利的話，這些物質會全部掉入黑洞，但如果這些旋轉的物質受到了某種干擾，它就有機會從垂直的方向被髮射出去。黑洞附近的干擾確實太多了，比如黑洞強大的磁場就是這樣的一種干擾源。當一個黑洞在吞食其他恆星的時候，會由於自身的磁場而發射出大量 X 射線。正是通過這樣的方式，科學家“看到”了黑洞。
另一個間接看到黑洞的方法，就是探測“引力波”。2016年的時候，科學家發佈消息，人類第一次探測到引力波的存在，這樣的引力波是由兩個黑洞合併造成的。引力波的概念比較抽象，我們可以想象一下，兩個黑洞合併的時候，它們會對空間造成劇烈的拉扯，就像是你把一張紙揉成一個紙團，然後打開，然後再揉起來，再打開……如果你有一米八的身高，身處在兩個正在合併的黑洞不遠的地方，你會先被空間壓縮成只有八十釐米高，再瞬間被拉到兩米多高，再被壓縮、被拉伸……這就是引力波存在的外在表現。當然，如果你被引力波這樣拉扯，肯定會瞬間被扯成碎片，不過，幸運的是，我們離黑洞非常遠，引力波傳到我們這裡的時候，已經很小了，不會對人類造成任何影響。即使引力波如此微小，科學家還是可以通過探測空間的細微變化，來確定引力波的存在，進而證明黑洞的存在。因為只有黑洞合併這麼大規模的宇宙事件，才會造成這麼大規模的引力波。40億年後，我們所在的銀河系將會與仙女座星系發生碰撞，相撞時，位於兩顆星系中心的大質量黑洞將會合並，那時，我們將會觀測到一場壯麗的引力波表演，而黑洞也會向我們展示它最恐怖又深具魅力的一面。
最後，小編來腦洞一下，如果我們的技術能夠把人類送進黑洞，而且我們的量子通訊技術發展到了一定的高度，我們是否能夠窺見未來呢？
題外話：讀書可以擴充我們知識邊界，獲得更多看問題的視角，但盲從是要不得的...
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