黑洞是宇宙中一種特殊的天體，它跟其它所有已知天體都不一樣，因爲它並不像其它已知天體一樣有一個實體表面，它的“表面”是空的。這是怎麽回事呢？故事要從300多年前說起。

黑洞前傳——暗星初現

在300多年前，天文學家羅默通過對木掩衛星（木星遮擋其衛星）天文現象的觀測，計算出光速是一個有限的值，它不再像自古以來人們認爲的那樣具有無限的速度。這是人類第一次較爲精確地測量了光速，不過可能是由于當時對木星軌道的估算存在誤差，因此這一次的測量結果（約22萬公裏每秒）存在較大的誤差。

隨著對光速測量方法和測量精度的進步，光速逐漸被確定爲約30萬公裏每秒。

到了18世紀末，英國科學家米歇爾和法國數學家拉普拉斯分別根據牛頓萬有引力定律提出可能存在一種天體，它們的表面逃逸速度達到了光速，則光也沒有辦法從其表面逃離，因此這種天體是不發光的，即使它們擁有熾熱的表面。他們把這種不發光的天體稱爲暗星。根據逃逸速度公式，一個發光的天體要形成暗星有兩種方式，一種是使其質量增加，另一種是使其天體半徑縮小。即要麽密度大致不變而質量大幅增加，這可以通過吸積物質來實現；又或者質量不變密度大幅增加，這可以通過壓縮體積來實現。

他們預言的這種暗星具有固實體的表面，並且溫度可能極高，然而由于其表面逃逸速度過高，光輻射無法逃離，以致外界無法看到它們。根據牛頓引力理論，光會從其表面往上射出後，在逃離引力場過程中損失動能，最終沿抛物線落回天體表面。我們在遠處看，由于沒有光能達到我們的眼睛，它們將是完全黑暗的。

天才的狙擊——暗星落幕

不過很快，他們這一理論就被一位天才的英國醫生打臉了，這位光學天才就是後來名聞天下的托馬斯·杨。19世紀初，他利用一束平行光經過兩條狹縫，投射到縫後面的牆壁上時産生了水波一樣的幹涉現象，這就是現在所說的楊氏雙縫幹涉實驗。由于幹涉是波的特有性質，因此這實驗表明光是一種波。既然光是波，自然不可能像普通物體一樣向上飛出後因動能損失而沿抛物線落回天體表面，這樣，米歇爾和拉普拉斯提出的暗星理論就不成立了。

新理論誕生——星光偏折

又過了一百年，到了20世紀初，新的引力理論橫空出世，天才物理學家愛因斯坦先後提出狹義相對論和廣義相對論，修正了主導物理學界兩百多年的牛頓時空觀和萬有引力理論。在廣義相對論裏，引力並不是一種大質量天體把物體向自身拉的力，而是大質量天體的質量使空間産生彎曲，物體沿著彎曲的空間做測地線運動所産生的一種效應。

在一般情況下，這兩者所産生的效果是一樣一樣的，但是當情況變得極端，兩者的差異就會明顯起來。比如當光線經過大質量天體，會因天體導致的空間彎曲而使行進路徑發生偏折，這種偏折會對發光體的位置産生可觀測的變化。這就是愛因斯坦的廣義相對論作出的幾個理論預言之一——星光偏折現象。

雖然在廣義相對論之前，愛因斯坦就通過光電效應的解釋恢複了光的粒子性，並給出了光子的能量計算公式：E=hv（E爲光子能量，h爲普朗克常數，v爲光子的頻率），利用狹義相對論的質能公式E=mc^2就能得到光子的質量。光子有了質量就能通過牛頓的萬有引力公式計算它被太陽引力吸引産生的偏折。但根據計算，兩者預言的結果是不一樣的，廣義相對論所預言的星光偏折程度會更爲嚴重。

在廣義相對論作出預言三年後的1919年，英國物理學家愛丁頓通過對非洲日全食的觀測，證明了廣義相對論的正確性，他拍攝到的星光偏移程度與廣義相對論的計算相當吻合，與牛頓萬有引力理論的計算則存在較大的誤差，廣義相對論的空間彎曲理論大獲全勝。

彎曲的時空囚籠——黑洞

在愛因斯坦給出廣義相對論的引力場方程以後，德國天文學家史瓦西通過求解引力場方程，得到球對稱、非旋轉引力場下的一組精確解，其中得到一個著名的公式——史瓦西半徑公式。

通過把一定質量代入這個公式能計算得到一個半徑，這個半徑稱爲史瓦西半徑，其半徑處的逃逸速度將剛好達到光速，牛頓時代的暗星重現了！而且你會驚奇地發現，它實際上跟變換後的逃逸速度的計算公式是完全一樣的，只是把v換成了光速常數c。

雖然結果一樣，但是，廣義相對論根據史瓦西解半徑公式所預言的這種天體跟牛頓萬有引力理論根據逃逸速度公式預言的暗星是有著本質區別的。

根據牛頓理論，暗星上的光子發出後是會向外跑一段距離的，最終會因動能損失沿抛物線落回暗星表面，無法傳播到無窮遠處。但當你靠近一個表面逃逸速度剛好達到光速的暗星時，你是能看見部分向外非常，還沒落回暗星表面的光子的。

而根據廣義相對論，光子是由于空間的彎曲無法逃逸，在史瓦西半徑處，光子的的傳播方向是向內的，它根本不能向外傳播，它沒法離開其表面哪怕1納米。可以認爲，史瓦西半徑處的空間彎曲得向內閉合了。

因此，科學家以史瓦西半徑作爲界限，稱爲事件視界，代表沒有任何信息能從其內逃逸出來。而視界構成的一個光速無法逃逸的臨界面稱爲視界面，這種特殊天體就是以視界面作爲表面，後來美國物理學家惠勒給他起了一個形象的名字——黑洞。

黑洞現身——視界面望遠鏡陣列拍攝的黑洞照片

雖然，黑洞被視爲廣義相對論預言之一，但很長時間裏並不被科學界多數人接受，包括愛因斯坦本人也不相信天體能坍縮到一個黑洞那樣致密。不過隨著天文觀測的發展，越來越多的證據顯示黑洞的存在，期間催生了霍金這樣的專門從事黑洞研究的物理學家，並把黑洞理論成功地向大衆科普。

現在，已經基本沒有人懷疑黑洞的存在，在去年，人類就首次通過分布在全球的視界面望遠鏡陣列在亞毫米波段成功拍攝了黑洞的影像，拍攝的圖像與根據廣義相對論數值模擬的影像完全一致，再次不容置疑地證明了黑洞這種奇葩天體的存在。

爭議——量子力學與廣義相對論的黑洞之爭

雖然黑洞的存在已經無可置疑，但對黑洞性質的探討卻還在繼續。原因來自于廣義相對論之外的另一基礎物理理論——量子力學。

當人們把這一理論應用于黑洞的研究，奇怪的事情就發生了，首先是霍金通過把量子力學應用于視界邊緣的彎曲時空時發現了彎曲時空存在的量子效應，從而提出了霍金輻射理論。而霍金輻射理論又引出了黑洞信息守恒問題，事件視界是否依然是事件視界成了問題。因此在前些年，霍金曾提出給黑洞更名，因爲他證明黑洞會隨著霍金輻射向宇宙歸還信息，這樣黑洞根本不黑，事件視界可能根本不存在。

當然，並沒有人響應霍金的倡議，到今天，黑洞依然是黑洞。關于霍金輻射可以翻看我去年6月2日的文章：《霍金理論系列之三：霍金輻射》