不論是頂尖的物理學家，還是普通大眾，黑洞都是一個令人著迷的話題。那麼，這個名為“黑洞”的東西，到底是什麼呢？拋開大眾加於其上的超自然色彩的幻想，即使是最嚴肅的科學家，也對此持有不同的見解。那麼，我們就來了解一下這方面的知識。

黑洞的由來

1967年，美國物理學家約翰·惠勒提出了“黑洞”(black hole)這個專有名詞。霍金對此的評價是：“這真是一項天才之舉。”他認為，在科學研究中，取個好名字具有不可低估的重要性。那些原先沒有令人滿意名字的某種對象，如果能起個響亮而確切的名字會刺激科學研究的進程。而“黑洞”這個名字本身，就具有某種神秘的色彩，更容易滿足人們關於科學之謎的某種幻想的慾望，同時，這個名詞也為科幻小說家們提供了豐富的想象空間。

但是，普通人所不瞭解的是，雖然“黑洞”這個詞出現得很晚，但是，黑洞這個概念卻在兩百多年前就有人開始思索了。1783年，一位名叫約翰·米歇爾的英國劍橋人，他寫了一篇有關的論文。

在文章中，他引用牛頓的萬有引力理論說，假設我們在地球表面上向上發射一顆炮彈，在炮彈上升的過程中，其速度會因為地球引力而減慢，最終，炮彈會停止上升而落回到地球上；然而，如果它的初速度大於某個臨界值，它將永遠不會停止上升並落回地面，它會一直向外運動，最後遠離地球，這個臨界速度就是我們現在所知道的逃逸速度。

這個劍橋人推論說，也許可能有這樣的一顆恆星，它的質量非常大，同時它的半徑非常小，這種特性會使得其逃逸速度非常大，這個速度會比光速還大；如果有這種恆星，那麼就會發生這樣的情況，從這顆恆星表面發出的光會被恆星的引力場拉回去，所以，這顆恆星發出的光不能到達我們這裡；因此，我們看不到這顆恆星。法國著名的天文學家和數學家拉普拉斯，也作過同樣的預言。

1915年，愛因斯坦創立廣義相對論，在更高層面的理論上預言了黑洞。

1939年，美國理論物理學家奧本海默和辛德也對黑洞的存在做出了推斷。直到1967年，惠勒才正式為黑洞命名，他解釋說：“它是黑的，並且看起來像一個洞，所以叫它黑洞。”那麼，既然我們看不到黑洞，怎麼知道它的存在呢？只能通過它的引力場作用到附近物體上的效應來檢測其存在。事實上，現代天文學家們對黑洞的研究，主要是觀測黑洞在活動時產生的輻射。

黑洞“無毛”

讓我們來看看一個黑洞是怎麼誕生的。太空中，一顆具有十倍太陽質量的恆星，在其壽命的末期，當其內部的核能耗盡，恆星就由於自身的引力開始坍縮。隨著恆星收縮，表面上的引力場就變得越來越強大，逃逸速度就會增加。當它的半徑縮小到三十千米，其逃逸速度就增加到每秒三十萬千米，也就是光速。此後，任何從該恆星發出的光都不能逃逸，而只能被引力場拖曳回來。根據狹義相對論，沒有東西可能比光速更快。如果光都不能逃逸，那其它東西就更不可能。這就形成了一顆黑洞：這是時空的一個區域，在這個區域內，光也被關“禁閉”了。黑洞的邊界叫做事件視界。​

正如我們現在大多數人所知，“黑洞”是指一種天體。這種天體看上去黑黝黝的，即使想用光去照亮它也做不到，因為它的質量太大，引力太強，連光都無法逃逸出來，所以休想照亮它。那麼，科學家們怎麼研究這個黑傢伙呢？

現在，關於黑洞最出色的研究成果之一就是“黑洞無毛”定律。這是一種形象的說法，與人們熟知的“毛髮”沒有任何關係。這項定律是由著名的物理學家霍金和另外兩名合作者共同證明的。這個定律表明，由於引力坍縮，而形成一顆黑洞，這顆黑洞會迅速地趨向於一種穩定態，這種穩定態只由三個參數來描述就夠了：質量、角動量和電荷。由於黑洞可以用如此簡潔的三個物理量來描述，所以，物理學家惠勒戲稱之為“黑洞無毛”，反取“毛髮”一詞的紛繁蕪雜之意，意即“黑洞其實很簡單”。

根據“黑洞無毛”定律，黑洞確實很簡單，所有的黑洞都有質量，根據其電荷與旋轉的性質，黑洞被分為史瓦西黑洞、克爾黑洞和克爾-紐曼黑洞等。這些黑洞的存在和結構，是由愛因斯坦場方程的相應解所預言的。

說到這裡，該談談愛因斯坦對黑洞研究的貢獻。其實，我們知道，愛因斯坦去世於1955年，所以，在愛因斯坦活著的時候，還沒有“黑洞”這個詞。但是，愛因斯坦的相對論是研究黑洞的重要工具。這一點，被霍金充分地意識到了。根據廣義相對論，當大質量恆星耗盡其核燃料時將會向自身坍縮。已故科學家霍金和他的合作者證明了，大質量恆星會繼續坍縮直至達到具有無限密度的奇點。至少對於該恆星以及在它上面的一切，這個奇點即是時間的終點。任何通過事件視界掉進黑洞的東西都會在奇點達到其時間的終結。

黑洞並不完全“黑”

談到“時間的終結”，似乎容易讓人聯想到世界末日，其實並沒有那麼可怕。物理學對黑洞的研究，脫離了道德和宗教的範疇，在一定程度上，這種研究只是一種智力遊戲。對物理學家霍金來說，黑洞的研究工作給了他很多快樂。

1970年的一個晚上，正當霍金要上床睡覺的時候，他突然對黑洞問題有了靈感。他忽然意識到，他和他的同事彭羅斯所發展的一種數學技巧可以用於黑洞研究。特別是對於黑洞的邊界，即事件視界的研究。他們發現，黑洞視界的面積不會隨時間減小；而且，當兩顆黑洞碰撞併合併成一顆單獨的黑洞時，最終黑洞的視界面積比原先兩顆黑洞的視界面積的和更大。這就為黑洞碰撞時可能發射的能量立下了一個重要的限制。這個發現令霍金在那個夜晚激動不已，以至於難以入眠。

到1973年，已故科學家霍金得到了更為令人吃驚的發現：黑洞並不完全“黑”！當時，霍金開始研究量子力學中的測不準原理對於處在黑洞附近彎曲時空的粒子的效應。他發現，測不準原理允許粒子和輻射以穩定的速率從黑洞漏出來。這個結果使幾乎所有人，甚至包括他自己都大吃一驚。因為，他從沒有想過，黑洞可以如同一個熱體一樣有輻射行為。這就是有名的“霍金輻射”。

依據另一位物理學家費曼的理論，測不準原理以某種方式允許粒子從黑洞中逃逸出來。對於一顆太陽質量的黑洞來說，粒子必須超光速運動幾千米，所以其逃逸的概率非常低。它顯示引力坍縮並不像過去以為的那樣是死亡的結局，黑洞中粒子的歷史不必在一個奇點處終結，相反，它們可以從黑洞中逃逸出來，並且在外面繼續它們的歷史。

量子原理在向人們這樣暗示：也許人們可以研究宇宙，到時候，可以避免在時間的起源處有一個開端，也就是說，宇宙也許是無始無終的。當然了，這只是一個猜想，也是個非常困難的問題。因為宇宙的起源問題實在太複雜了，要比黑洞的問題複雜得多。

黑洞的研究展望

黑洞作為最受關注的物理課題之一，對現代物理的影響不可不謂大。弦論是物理學的前沿，在解決黑洞的許多未知之謎中，已經取得了很大成果。黑洞的難題有很多，包括黑洞熵的起源，黑洞的信息丟失等等問題。在弦論中，對黑洞熵的問題，已經有一些很好的思路和辦法。但是，距離完全解決這些問題，還有很長的道路要走。

​我們知道，科學實驗的進展，也會促進理論的研究。對於黑洞而言，實驗科學家們正在設計這樣的實驗，由大型加速器製造“微型黑洞”，對這種黑洞的研究也可以推動物理學的發展。科學家們認為，如果真的能觀察到“微型黑洞”，就能給弦論提供明確的驗證，這是一種很有希望的檢驗弦論的方法。當然，可以想象，這種實驗的難度是非常大的。

已故科學家霍金以研究黑洞而聞名於世。生前有一次，他和另兩個物理學家朋友打賭，霍金認為，宇宙中不可能存在裸奇點。結果不到4個月之後，他就發現自己要輸：黑洞在經過“霍金輻射”後可能保留一個裸奇點。後來，美國科學家用超級計算機證明，當黑洞坍縮時，在非常特別的條件下，裸奇點在理論上是可以存在的。霍金認輸了，給他的朋友們各買了一件T恤衫。但他還是不服氣，雖然在非常特別的條件下存在裸奇點，但在一般情況下，它是被禁止的。霍金還在T恤上寫道：大自然討厭裸露！

的確如此，大自然總是不肯輕易地把自己的秘密示人，只有揭開重重幕布，人們才能看到宇宙正在上演的真實戲劇。而黑洞，在這出宇宙大戲中，扮演著重要而神秘的角色。這也是為什麼有這麼多科學家正在研究黑洞的原因。