黑洞，光线的死胡同，那堵墙是什么样？

就以这篇以黑洞为线索的黑暗科学作为《黑暗，隐藏着怎样的秘密，让科学家如此痴迷？（上） 》的中篇吧。内容想了很久，却一直不知如何下笔，因为黑洞是大家普遍关注的科普话题，所有自媒体平台上都充斥着类似的内容。本文将尝试一下突破。

我们在小学的时候就被传授，光线沿着直线传播。如果我们能用一句最简单的话来形容光线的这种性质，我个人觉得，没有一个词比“一条道走到黑”更适合。古代中国实行“里坊制”，巷子都是封闭的。所以一条道走到黑，就是不回头不转弯。

我们实际上的经验也是如此，当你拿起一支激光笔指向深邃的夜空，就会画出一条笔直的线，消失在视野尽头的无尽黑暗中。但如果没有爱因斯坦，我们可能会在很长一段时间内，都会认为光走直线是一条颠扑不破的真理。

1915年，爱因斯坦发表的广义相对论提出，光的路径其实是在三维空间加一维时间构成的维度里面的测地线（最短路径），在大质量天体附近，时空发生弯曲，因此自由运动的粒子必须沿着新几何中的短程线来运动。

1919年，英国天文学家亚瑟▪爱丁顿，在全日食期间，首次观测到了一颗接近太阳方向的恒星的位置在与一段时间后测量到的这颗恒星的位置之间存在着微小差异，这与爱因斯坦的预言完全相符。爱因斯坦认为，这是对广义相对论的有力证明。

在爱因斯坦发表广义相对论的同一年，德国物理学家卡尔▪史瓦西带着病痛在战壕里得出了场方程的一个特殊解。史瓦西认为，这个解意味着有一种天体，存在着光线也无法逃逸的临界半径，其半径的大小与天体的质量成正比，这个半径被命名为史瓦西半径。

【补充】史瓦西黑洞是一种特殊的黑洞，不带电荷、不旋转，只是一个理想黑洞，是不可能真实存在的。真正的黑洞都比这个理想黑洞复杂，带电荷且自转。

史瓦西半径定义了在这个天体的周围有一个球形的表面，科学家们称其为“视界”。它是一个几何表面，不是真实的物体，之所以称之为视界，是因为它与地平线类似，都是视线范围的边缘。不同的是，地平线的位置取决于观察者的位置，而黑洞视界则是绝对的。

视界将时空分割为两个部分，在视界外面的光线可以在任意大的距离之间穿梭，这是我们的世界（宇宙），但在视界内则不行，光线会向黑洞中心奇点的位置汇聚，因此不能在任意两点之间自由移动，因此信息的传递受到了限制。

黑洞理论直到56年之后（1971年）才找到了间接证据，这一年，天体物理学家们探测到了天鹅座δ-1，这个二元系统的特征表明它是由一个黑洞和一个巨大恒星组成的。

直接证据的发现要到44年之后（2015年），美国激光干涉引力波天线首次探测到了引力波。结合其它观测手段的认证，可以确定，在13亿光年外，两个质量分别为36和29倍太阳质量的黑洞，以250转/秒绕共同质心旋转，最终合并为唯一的、质量为62倍太阳质量的黑洞。3倍于太阳质量的质量，在这次合并中以引力波的形式放射掉了。

如果你能看着一个光源直扑黑洞，那是真正的“一条道走到黑”，你会看到这光源速度越来越慢，最后几乎停留在黑洞表面不动。就像一个人走到了死胡同，面对墙壁永远都出不来的效果一样。其实这只是引力红移导致的，在观察者看来光源的时钟变慢的一种效应。

关于黑洞的中心（奇点）仍然是一个理论难题，至今无解，这里介绍一下奇点到视界之间的这个区域。在这里，时空向奇点坍塌，这使得视界内的物体无法静止，而是随着坍塌的时空运动，而且其运动轨迹集中在黑洞的中心。

与视界外面的情况不同，视界之外的我们在空间中移动，时间是单向流逝的，但在视界之内，时空发生翻转，视界到奇点之间的距离成为了单向的。但这并不是说视界内能回到过去并改变因果关系，而是说，时间不再有全局意义。局部的时间和距离都指向共同的终点——黑洞中心（奇点）处。

1974年，英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬▪霍金利用量子场论的研究表明：在黑洞外产生的虚粒子对，其中之一被吸引进去，而另一个会逃逸。这个逃逸的粒子获得了能量，从而不需要与其反粒子相遇湮灭，反倒是可以逃逸到无限远。以外界的角度看，就像黑洞辐射出了这个粒子一样。该猜想中的辐射就被命名为“霍金辐射”。

霍金的分析迅速成为第一个令人信服的量子引力理论，尽管目前尚未实际观察到霍金辐射的存在。在2008年6月NASA发射了GLAST卫星，它可以寻找蒸发的黑洞中γ射线的闪光。而在额外维度理论，高能粒子对撞也有可能创造出会自我消失的微黑洞。

但在2010年9月，一项模拟重力研究的结果被部分科学家认为是首次展示出霍金辐射的可能存在与可能性质。

因为霍金辐射能够让黑洞失去质量，当黑洞损失的质量比增加的质量多的时候就会造成缩小，最终消失。而比较小的微黑洞的发散量通常会比正常的黑洞大，所以前者会比后者缩小与消失的速度还要快。

霍金在其研究中进一步指出，黑洞蒸发出来的光子能量分布与黑体辐射具有相同的形状！因此他可以给与黑洞一个和黑体温度类似的量值，且这个值与黑洞的质量成反比。

本文暂时就写到这里，太长的文章大家都不爱看，在下一篇文章里，继续看一看科学家们研究黑洞会有些什么用处，那些伟大的构想何时才能成为现实。让我们这些吃瓜群众，继续围观科学家们在黑暗之路上越走越远，而人类的生活越来越美妙。

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