【作者：黄媂】
「钱德拉塞卡」曾经说过：
“黑洞，是宇宙里面最完美的宏观物体。”
「黑洞」是宇宙里面最神秘也是最具有魅力的天体 ，提到黑洞相信大家会有很多的问题，比如黑洞究竟是什么？在宇宙里面有没有黑洞？黑洞是不是黑的？如果说它真是黑的怎么样去观察它们呢？
看过电影《星际穿越》的人，相信大家对影片当中的黑洞都非常有印象，这颗黑洞称为「卡冈都亚」，在影片里面它是一个1亿倍太阳质量的黑洞，它就部分地回答了上面刚刚提到的问题，黑洞本身其实是不发光的，但是它对于周围的世界会有非常强烈的影响，譬如它通过吸积周围的粒子产生辐射从而照亮了自己暴露了它的踪影，所以对于黑洞的研究归根究底是对于时空的认识。
图解：黑洞·「卡冈都亚」
如何理解「黑洞」这个词的含义
对黑洞追根溯源的话，最早提出跟黑洞概念相关的人是一位英国的科学家，他的名字叫做「米歇尔」，他本人是一位地质学家，同时也是一位物理学家和天文学家，米歇尔曾经提出这样一个假想：
“如果在自然界存在着这样的天体——它们的密度跟太阳相当或者说更高一些，但是它的半径是太阳的500倍以上，那么这样一个天体它所发出来的光就不可能到达我们。”
因为这样的天体引力太强了，使得在表面的逃逸速度甚至比光速还要高。
图解：「米歇尔」1783年提出关于“暗星”的假想
对于逃逸速度这个概念，火箭是一个最好的一个例子，在2003年10月15日「长征2号」F火箭成功地发射了「神舟五号」载人飞船，这一天实现了中华民族千年来的一个飞天梦，火箭要发射上天就意味着它要摆脱地球的引力，而这个条件是火箭所具有的动能至少要不低于地球施加给它的势能，所以可以由这个不等式得到一个最低的速度，这个速度称为「逃逸速度」，这个逃逸速度的大小依赖于地球的质量和地球的半径，如果用实际的地球的质量和半径的数据代入逃逸速度的公式，得出的结果大约是11.2千米每秒，也就是说只有高于这个速度火箭才能够离开地球。
图解：地球的逃逸速度
如果地球的半径变得更小，半径减小到现在的一半但是质量保持不变，在这样的前提下逃逸速度也会相应地发生变化，这时的 逃逸速度是15.8千米每秒。
如果地球的地球的半径只有大约1厘米，这个时候的逃逸速度将会达到30万千米每秒，这个速度意味着它等于光速，也就是说对于一个1厘米大小具有地球质量的物体，「光」也没有办法从它表面逃逸，这就是米歇尔提出黑暗天体或者「暗星」这样一类天体的来源。
米歇尔的推断是错误的
因为当地球的半径变到只有1厘米大小的时候，这个时候引力会变得特别的强，所以前面使用「牛顿力学」的推导过程实际上已经失效了，它并不能真实地反映在强引力场下面物体以及光线的运动特征，所以需要借助一种更加有效的理论体系——那就是「爱因斯坦相对论」。
谈到相对论就涉及到时空观，对于常人来说通常对于时空的认识都认为时间和空间是独立的，跟我们没有关系的，这里借助于「莎士比亚」的一句话：
“世界是一个舞台，世上的男女不过都是演员，我们在这个舞台上表演，时间在不知不觉的过程里面慢慢地流逝了。”
因此时间、空间以及在时空里面的物质它们是相互独立的，没有内在的联系，这跟我们的日常感受是一致的，但是爱因斯坦在考察这个问题的时候，他发现如果在物体的运动速度接近于光速，在这样的条件下面关于时空的认识就会失效了。
1905年的一句话发表了他的「狭义相对论」，这个狭义相对论有两个基本的假设——
- 第1个假设：光在真空中的速度是一个常数。
这和我们平常对于速度的认识是相矛盾的，因为我们都知道一个运动物体，如果在它内部还有其他额外的运动的话，一个旁观者看到的其实是两种运动的叠加或者说速度的矢量和，但是对于光来讲，无论是在什么样的前提下、什么样的参考系里面做运动，它的速度始终是不变的。
- 第2个假设：物理规律。
在静止的坐标系和在匀速运动的坐标系里面它们应该是相同的，那么在这两个不同的坐标系或者说在参考系里面，运动应该遵循相同的物理规律。
正是从这两个基本假设出发，爱因斯坦得到了一些人们意想不到的结论，这个结论就是运动的时钟比在静止坐标系下的时钟走的要更慢。
举例说明：
在飞船里面，有一个乘客在做物理实验，那这个实验就是「光的反射实验」，如图所示，在左边的飞船里面光在A与B两个平板之间进行来回的反射运动，但是如果从外界的旁观者来看，飞船本身在向前行驶所以光的反射运动应该还要叠加一个向前的运动的趋势，这就意味着光所走的路程在外界旁观者看来变得更长了。
如果光速是不变的话，那么在运动的参考系里面时间流失的速率就应该比在静止的参考系里面更慢一些，这样才能保持物理规律是一致的，那因此在运动的飞船内部，由于光所行走的路程相对比较短，所以光经历的时间也应该比较短，而在外界的观察者所处的静止参考系里面，光行走的路程更长一些，所以经历的时间相对就变得更长了，这就意味着时间流逝的快慢不再是独立的了，它依赖于它所处的参考系，或者说时间和空间已经融为一体了，如果要度量时间的长度就必须要把它和空间整合在一起，时空的尺度来反映运动以及运动对应路径的长度，在狭义相对论的框架下，时间和空间已经整合起来了，但是它们和物质之间还没有联系，所以时空依然是一个平直的时。
- 检验狭义相对论
而在日常生活里面很难能够达到接近于光速这样的情形，但是在某些特别的条件下，比如在加速器里面当粒子的运动达到接近光速的时候，这时候狭义相对论的效应就开始体现出来了。
举例说明：
缪子，这种粒子的寿命只有大约2微秒，如果它的运动速度是光速的话，那么它在一生里面所走的路程大约只有几百米，但是在观测时发现缪子所走的路程不止是几百米，原因就是因为粒子的速度接近光速，所以在静止参考系里面看它的寿命的相应地增加了10倍左右，它的高速运动所导致时间流失的速率变慢了。
图解：在两个不同的参考系里面时间流逝的快慢程度之比和粒子的运动速度的关系
1915年爱因斯坦又发表了「广义相对论」，而在狭义相对论基础上进一步考虑了引力的作用，爱因斯坦做了一个思想实验：“如果一个人自由下落的话，他应该感受不到自己的体重。”
举例说明：
如果电梯突然失控下落了，电梯做一个自由落体的运动，这个时候你可能就在电梯里面漂浮起来了，你感受不到任何地球重力的作用，那这说明一个问题，因为电梯在下落的时候是具有加速度的，因此加速度和引力实际上是等效的。
你所乘坐的电梯以跟地球表面的加速度相似的加速度向太空中行驶，如果电梯在它周围没有任何的窗，那么在电梯里面，当你醒来之后你的感受跟在地面上是完全一样的，你随便去抛一个物体，物体一样会落到电梯的底部，而且与上面的例子一样，加速度和重力之间是等效的，实际上反映了一个更加深刻的道理，就是引力其实是弯曲时空的一种表现。
一个人在投篮的时候，他给篮球一个初始的速度，这个篮球然后以抛物线落下篮筐，从他的角度来看，你看到的篮球在空间的轨迹是一条抛物线，那么换一个参考系，这个参考系正是刚刚提到的自由下落的电梯，在电梯里面有另外一个观察者在描述篮球的运动轨迹，当电梯做自由下落的时候，观察者所看到的篮球的轨迹是一条直线，所以在不同的参考系里面看到的物体运动的轨迹是不一样的，在没有引力的参考系里面，它是一条直线这就意味着它运动所经历的时间是最短的，但是在有引力的参考系里面它是一条抛物线，这就说明引力其实反映了时空弯曲的程度，或者说它是时空弯曲的一种体现。
引力会导致光运动的路径发生变化
在广义相对论里面时间、空间和物质三者就结合起来了，每个物体都有引力，有强、有弱所以它们都会对周围的时空产生影响，都会使得时空发生弯曲，由于时空发生弯曲了，光运动的路径就发生变化了，狭义相对论提到了光的路径变化了，时钟速率也会相应地发生变化，所以从这个意义上来讲，在任何一个物体周围时间流失的速率都是不同的。
物理学家「惠勒」说如果是要去理解广义相对论的话，可以用两句话非常简洁地加以概括：“时空告诉物质的如何运动，物质告诉时空如何弯曲。”因此时空本身其实并不是我们活动的一个舞台，它其实本身就是宇宙里面的演员，它和物质之间并没有可以分割的属性。
- 弯曲时空的特点
如上图里展示的，在这张照片上一个星系团里面有很多个星系，在照片上面会看到一些弧形的结构，这些个弧形的结构实际上是来自于这个星系团背后的‘另外一个星系’，而如果时空是平时的话，那么你不会看到这个背后的星系，因为它被遮挡了，但是正因为时空是因为前面的星系团的引力作用而发生弯曲了，所以就有机会看到它背后的星系，这就是「引力透镜」的结果。
如果把前面的星系团作为前景的天体，背景的星系所发出来的光在经过前景天体的时候，因为时空弯曲了背景星系的路径也发生弯曲了，而作为观测者的我们接受了这些光之后，这些光不是按照直线运行的，所以看到的是它反推后得到的一副‘虚像’，这个现象就称为「引力透镜」，它是在宇宙时空里面对广义相对论一个直接的观测证据。
图解：「引力透镜」
以上的内容都清晰的话，下面就可以来谈一下黑洞
上面说到任何物体都会由于它的引力而使得时空发生弯曲，而所谓的黑洞就是指时空弯曲的程度，或者是空间的曲率大到连光都没有办法逃逸，当光的运行路径到达黑洞的时光就会终止，光不再向前继续前进，这也反映出在黑洞周围，时间其实也停止了，因为时间流逝的速率已经达到无限的慢，而在爱因斯坦广义相对论发表之后，人们得到了它的外部解，发现在黑洞周围有一个特征的半径，这个特征半径称为「史瓦西半径」，半径的大小等于两倍的GM除以C平方，M是黑洞的质量，G是引力常数，C是光速。
「史瓦西半径」的含义就是，它把黑洞和周围的时空给分割开来了，当光达到「史瓦西半径」之后，它只能继续向里面运行，他就没有任何机会再回到外面的世界，所以把「史瓦西半径」和前面利用牛顿力学得到的逃逸速度做比较，你会发现「史瓦西半径」与牛顿力学逃逸速度描述光无法逃逸的物理过程在数学上是完全相同的，但是在物理上是完全不一样的。
如果有人问你什么是黑洞，你可以告诉他（她），黑洞就是时间的边界或者是时间的终结，也许是时间的开始。
（黄媂）总结：不同物体的「史瓦西半径」
对于不同的物体史瓦西半径的大小仅仅依赖于质量，以我们人类为例史瓦西半径小道10的-23次方厘米，这是一个极其微小的量级，但是对于太阳这个天体来说史瓦西半径就达到了3千米，这就意味着当太阳的大小缩减到3千米的时候，太阳就会变成一个黑洞。
宇宙的史瓦西半径大约是100亿光年，这和可观测宇宙的大小大体上是相当的，所以说如果宇宙是一个封闭式的话，或许我们就生活在一个巨型的黑洞里面，当然实际情形并不是这样子的，因为宇宙是开放式的。
【作者：太空生物学·黄媂】
【编辑：天体生物学·黄姤】
【旁述：余生】
【黄媂】【科普新星培训营】95后女学员，今日头条青云计划精选文章获奖者。创作有关（天体生物学领域.太空生物学领域.科学.科技.科研.科普）的文章，欢迎点赞.评论.转发.关注互相学习。
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