【作者：黃媂】
「錢德拉塞卡」曾經說過：
“黑洞，是宇宙裡面最完美的宏觀物體。”
「黑洞」是宇宙裡面最神秘也是最具有魅力的天體 ，提到黑洞相信大家會有很多的問題，比如黑洞究竟是什麼？在宇宙裡面有沒有黑洞？黑洞是不是黑的？如果說它真是黑的怎麼樣去觀察它們呢？
看過電影《星際穿越》的人，相信大家對影片當中的黑洞都非常有印象，這顆黑洞稱為「卡岡都亞」，在影片裡面它是一個1億倍太陽質量的黑洞，它就部分地回答了上面剛剛提到的問題，黑洞本身其實是不發光的，但是它對於周圍的世界會有非常強烈的影響，譬如它通過吸積周圍的粒子產生輻射從而照亮了自己暴露了它的蹤影，所以對於黑洞的研究歸根究底是對於時空的認識。
圖解：黑洞·「卡岡都亞」
如何理解「黑洞」這個詞的含義
對黑洞追根溯源的話，最早提出跟黑洞概念相關的人是一位英國的科學家，他的名字叫做「米歇爾」，他本人是一位地質學家，同時也是一位物理學家和天文學家，米歇爾曾經提出這樣一個假想：
“如果在自然界存在著這樣的天體——它們的密度跟太陽相當或者說更高一些，但是它的半徑是太陽的500倍以上，那麼這樣一個天體它所發出來的光就不可能到達我們。”
因為這樣的天體引力太強了，使得在表面的逃逸速度甚至比光速還要高。
圖解：「米歇爾」1783年提出關於“暗星”的假想
對於逃逸速度這個概念，火箭是一個最好的一個例子，在2003年10月15日「長征2號」F火箭成功地發射了「神舟五號」載人飛船，這一天實現了中華民族千年來的一個飛天夢，火箭要發射上天就意味著它要擺脫地球的引力，而這個條件是火箭所具有的動能至少要不低於地球施加給它的勢能，所以可以由這個不等式得到一個最低的速度，這個速度稱為「逃逸速度」，這個逃逸速度的大小依賴於地球的質量和地球的半徑，如果用實際的地球的質量和半徑的數據代入逃逸速度的公式，得出的結果大約是11.2千米每秒，也就是說只有高於這個速度火箭才能夠離開地球。
圖解：地球的逃逸速度
如果地球的半徑變得更小，半徑減小到現在的一半但是質量保持不變，在這樣的前提下逃逸速度也會相應地發生變化，這時的 逃逸速度是15.8千米每秒。
如果地球的地球的半徑只有大約1釐米，這個時候的逃逸速度將會達到30萬千米每秒，這個速度意味著它等於光速，也就是說對於一個1釐米大小具有地球質量的物體，「光」也沒有辦法從它表面逃逸，這就是米歇爾提出黑暗天體或者「暗星」這樣一類天體的來源。
米歇爾的推斷是錯誤的
因為當地球的半徑變到只有1釐米大小的時候，這個時候引力會變得特別的強，所以前面使用「牛頓力學」的推導過程實際上已經失效了，它並不能真實地反映在強引力場下面物體以及光線的運動特徵，所以需要藉助一種更加有效的理論體系——那就是「愛因斯坦相對論」。
談到相對論就涉及到時空觀，對於常人來說通常對於時空的認識都認為時間和空間是獨立的，跟我們沒有關係的，這裡藉助於「莎士比亞」的一句話：
“世界是一個舞臺，世上的男女不過都是演員，我們在這個舞臺上表演，時間在不知不覺的過程裡面慢慢地流逝了。”
因此時間、空間以及在時空裡面的物質它們是相互獨立的，沒有內在的聯繫，這跟我們的日常感受是一致的，但是愛因斯坦在考察這個問題的時候，他發現如果在物體的運動速度接近於光速，在這樣的條件下面關於時空的認識就會失效了。
1905年的一句話發表了他的「狹義相對論」，這個狹義相對論有兩個基本的假設——
- 第1個假設：光在真空中的速度是一個常數。
這和我們平常對於速度的認識是相矛盾的，因為我們都知道一個運動物體，如果在它內部還有其他額外的運動的話，一個旁觀者看到的其實是兩種運動的疊加或者說速度的矢量和，但是對於光來講，無論是在什麼樣的前提下、什麼樣的參考系裡面做運動，它的速度始終是不變的。
- 第2個假設：物理規律。
在靜止的座標系和在勻速運動的座標系裡面它們應該是相同的，那麼在這兩個不同的座標系或者說在參考系裡面，運動應該遵循相同的物理規律。
正是從這兩個基本假設出發，愛因斯坦得到了一些人們意想不到的結論，這個結論就是運動的時鐘比在靜止座標系下的時鐘走的要更慢。
舉例說明：
在飛船裡面，有一個乘客在做物理實驗，那這個實驗就是「光的反射實驗」，如圖所示，在左邊的飛船裡面光在A與B兩個平板之間進行來回的反射運動，但是如果從外界的旁觀者來看，飛船本身在向前行駛所以光的反射運動應該還要疊加一個向前的運動的趨勢，這就意味著光所走的路程在外界旁觀者看來變得更長了。
如果光速是不變的話，那麼在運動的參考系裡面時間流失的速率就應該比在靜止的參考系裡面更慢一些，這樣才能保持物理規律是一致的，那因此在運動的飛船內部，由於光所行走的路程相對比較短，所以光經歷的時間也應該比較短，而在外界的觀察者所處的靜止參考系裡面，光行走的路程更長一些，所以經歷的時間相對就變得更長了，這就意味著時間流逝的快慢不再是獨立的了，它依賴於它所處的參考系，或者說時間和空間已經融為一體了，如果要度量時間的長度就必須要把它和空間整合在一起，時空的尺度來反映運動以及運動對應路徑的長度，在狹義相對論的框架下，時間和空間已經整合起來了，但是它們和物質之間還沒有聯繫，所以時空依然是一個平直的時。
- 檢驗狹義相對論
而在日常生活裡面很難能夠達到接近於光速這樣的情形，但是在某些特別的條件下，比如在加速器裡面當粒子的運動達到接近光速的時候，這時候狹義相對論的效應就開始體現出來了。
舉例說明：
繆子，這種粒子的壽命只有大約2微秒，如果它的運動速度是光速的話，那麼它在一生裡面所走的路程大約只有幾百米，但是在觀測時發現繆子所走的路程不止是幾百米，原因就是因為粒子的速度接近光速，所以在靜止參考系裡面看它的壽命的相應地增加了10倍左右，它的高速運動所導致時間流失的速率變慢了。
圖解：在兩個不同的參考系裡面時間流逝的快慢程度之比和粒子的運動速度的關係
1915年愛因斯坦又發表了「廣義相對論」，而在狹義相對論基礎上進一步考慮了引力的作用，愛因斯坦做了一個思想實驗：“如果一個人自由下落的話，他應該感受不到自己的體重。”
舉例說明：
如果電梯突然失控下落了，電梯做一個自由落體的運動，這個時候你可能就在電梯裡面漂浮起來了，你感受不到任何地球重力的作用，那這說明一個問題，因為電梯在下落的時候是具有加速度的，因此加速度和引力實際上是等效的。
你所乘坐的電梯以跟地球表面的加速度相似的加速度向太空中行駛，如果電梯在它周圍沒有任何的窗，那麼在電梯裡面，當你醒來之後你的感受跟在地面上是完全一樣的，你隨便去拋一個物體，物體一樣會落到電梯的底部，而且與上面的例子一樣，加速度和重力之間是等效的，實際上反映了一個更加深刻的道理，就是引力其實是彎曲時空的一種表現。
一個人在投籃的時候，他給籃球一個初始的速度，這個籃球然後以拋物線落下籃筐，從他的角度來看，你看到的籃球在空間的軌跡是一條拋物線，那麼換一個參考系，這個參考系正是剛剛提到的自由下落的電梯，在電梯裡面有另外一個觀察者在描述籃球的運動軌跡，當電梯做自由下落的時候，觀察者所看到的籃球的軌跡是一條直線，所以在不同的參考系裡面看到的物體運動的軌跡是不一樣的，在沒有引力的參考系裡面，它是一條直線這就意味著它運動所經歷的時間是最短的，但是在有引力的參考系裡面它是一條拋物線，這就說明引力其實反映了時空彎曲的程度，或者說它是時空彎曲的一種體現。
引力會導致光運動的路徑發生變化
在廣義相對論裡面時間、空間和物質三者就結合起來了，每個物體都有引力，有強、有弱所以它們都會對周圍的時空產生影響，都會使得時空發生彎曲，由於時空發生彎曲了，光運動的路徑就發生變化了，狹義相對論提到了光的路徑變化了，時鐘速率也會相應地發生變化，所以從這個意義上來講，在任何一個物體周圍時間流失的速率都是不同的。
物理學家「惠勒」說如果是要去理解廣義相對論的話，可以用兩句話非常簡潔地加以概括：“時空告訴物質的如何運動，物質告訴時空如何彎曲。”因此時空本身其實並不是我們活動的一個舞臺，它其實本身就是宇宙裡面的演員，它和物質之間並沒有可以分割的屬性。
- 彎曲時空的特點
如上圖裡展示的，在這張照片上一個星系團裡面有很多個星系，在照片上面會看到一些弧形的結構，這些個弧形的結構實際上是來自於這個星系團背後的‘另外一個星系’，而如果時空是平時的話，那麼你不會看到這個背後的星系，因為它被遮擋了，但是正因為時空是因為前面的星系團的引力作用而發生彎曲了，所以就有機會看到它背後的星系，這就是「引力透鏡」的結果。
如果把前面的星系團作為前景的天體，背景的星系所發出來的光在經過前景天體的時候，因為時空彎曲了背景星系的路徑也發生彎曲了，而作為觀測者的我們接受了這些光之後，這些光不是按照直線運行的，所以看到的是它反推後得到的一副‘虛像’，這個現象就稱為「引力透鏡」，它是在宇宙時空裡面對廣義相對論一個直接的觀測證據。
圖解：「引力透鏡」
以上的內容都清晰的話，下面就可以來談一下黑洞
上面說到任何物體都會由於它的引力而使得時空發生彎曲，而所謂的黑洞就是指時空彎曲的程度，或者是空間的曲率大到連光都沒有辦法逃逸，當光的運行路徑到達黑洞的時光就會終止，光不再向前繼續前進，這也反映出在黑洞周圍，時間其實也停止了，因為時間流逝的速率已經達到無限的慢，而在愛因斯坦廣義相對論發表之後，人們得到了它的外部解，發現在黑洞周圍有一個特徵的半徑，這個特徵半徑稱為「史瓦西半徑」，半徑的大小等於兩倍的GM除以C平方，M是黑洞的質量，G是引力常數，C是光速。
「史瓦西半徑」的含義就是，它把黑洞和周圍的時空給分割開來了，當光達到「史瓦西半徑」之後，它只能繼續向裡面運行，他就沒有任何機會再回到外面的世界，所以把「史瓦西半徑」和前面利用牛頓力學得到的逃逸速度做比較，你會發現「史瓦西半徑」與牛頓力學逃逸速度描述光無法逃逸的物理過程在數學上是完全相同的，但是在物理上是完全不一樣的。
如果有人問你什麼是黑洞，你可以告訴他（她），黑洞就是時間的邊界或者是時間的終結，也許是時間的開始。
（黃媂）總結：不同物體的「史瓦西半徑」
對於不同的物體史瓦西半徑的大小僅僅依賴於質量，以我們人類為例史瓦西半徑小道10的-23次方釐米，這是一個極其微小的量級，但是對於太陽這個天體來說史瓦西半徑就達到了3千米，這就意味著當太陽的大小縮減到3千米的時候，太陽就會變成一個黑洞。
宇宙的史瓦西半徑大約是100億光年，這和可觀測宇宙的大小大體上是相當的，所以說如果宇宙是一個封閉式的話，或許我們就生活在一個巨型的黑洞裡面，當然實際情形並不是這樣子的，因為宇宙是開放式的。
【作者：太空生物學·黃媂】
【編輯：天體生物學·黃姤】
【旁述：餘生】
【黃媂】【科普新星培訓營】95後女學員，今日頭條青雲計劃精選文章獲獎者。創作有關（天體生物學領域.太空生物學領域.科學.科技.科研.科普）的文章，歡迎點贊.評論.轉發.關注互相學習。
