黑洞是怎样形成的?关于黑洞的知识

荒野冷风

在整个宇宙里，到底什么东西最有名？

    要我说，既不是太阳，也不是月球，更不是银河，而是黑洞。黑洞是这个宇宙里最迷人的东西了。它能吸走周围的所有东西，似乎也有吸走所有人的注意力。

黑洞是怎么形成的？

    要说黑洞，得先从苹果说起。这个苹果，不是白雪公主吃的毒苹果，不是亚当夏娃吃的让人有了善恶之分的苹果，不是拿来打电话的苹果手机，更不是歌词里的“你是我的小呀小苹果”——这个苹果指的是牛顿的苹果。

    据说，牛顿就是被苹果砸中，才发现了万有引力。

    这个故事，有可能会让人产生一种误解，那就是，只有存在于地球表面的东西，才会感受到地球的引力。其实，不仅仅是地球表面，离地球有一定距离的东西会感受到地球引力，地球内部的各个组成部分，也会感受到这种引力。这种引力跟两个指标有关，一个是距离有多远，另一个是分量有多大。距离越近、分量越大，这个引力也就越大。

    地球在宇宙当中，分量不算大，它只是一个小得不能再小的星体——所以，地球给自己体内各个部分所施加的引力，也都不算大。像太阳这样的恒星就不一样了。它们个头巨大，自己给自己的引力也十分巨大。因为恒星在往外发光发热，发射出去的光和热会产生一个推动力，这个推动力会把它自己的引力给抵消掉。

    不过，恒星上的燃料，总有烧完的那一天，烧完之后，那可就吃不消了。这颗星球的引力就会拉着组成星球的各个部分，往它的中心挤压过去，换句话说，这个星球就会大大缩小。



个头变小了，它的表面和它的中心变得更近了。

    这就意味着，它表面的引力变得大了很多。如果它的分量有足够大的话，表面的引力就足以把光线也吸住，让它没法跑出去。在这个时候，你就会发现， 这样的星体自己不发光，也不会把光线反射或者折射出去，导致我们无法通过肉眼直接观察到它。这就形成了黑洞。

    科学家们做了计算，如果一颗恒星在塌陷收缩之后，分量只剩下太阳的3.8倍时，它就会形成黑洞。注意是还剩下的分量哈，恒星坍缩之前一般会先爆炸一次，抛出去很多东西，所以现在是太阳3.8倍的恒星，将来是不够形成黑洞的。

科学家很早就算出了黑洞的存在

    说完了黑洞的形成，我们来说说黑洞的发现，说到黑洞，你可能会觉得，这是一个很新鲜的东西，是最近这些年才被发现的。

其实，关于黑洞的认知很早就有了。

    现在，我们所知的最早关于黑洞的记录，来自一位名叫约翰·米歇尔的英国科学家，他生活在18世纪中后期——差不多相当于咱们中国的乾隆皇帝那会儿。当时，他在一封写给另一位物理学家的信里提到了这个神奇的东西。这源于他在阅读了牛顿的论文之后，接受了牛顿关于光实际上是一种小颗粒的说法。

    并且认为，这种小颗粒也会受到引力的影响，随后，他进行了一些简单的计算，并且得出结论说， 如果宇宙当中存在一个密度和太阳差不多。但是直径比太阳大500倍的恒星，那么它所发出的光无法逃脱它自己产生的引力，所以会出现“它在发光，但我们看不见”的情况。米歇尔甚至提出了找到这种“看不见的恒星”的办法——它的巨大引力也必然会对其他天体产生影响。通过这种影响，我们可以找到那颗看不见的星星。比米歇尔稍微晚一点，法国有一位非常了不起的天文学家、数学家拉普拉斯，他也提到过黑洞现象。

    他认为，假如有一颗恒星，它的分量是250倍的太阳，但同时又把它塞到地球这么大的一个小空间里，那么，由此带来的引力结果是，它所发出的任何光线，都没有办法逃脱引力的控制。所以我们看不到它。拉普拉斯甚至认为，出于这个原因，我们无法看见宇宙中最大的发光天体。

    一开始天文学家对这个想法感到很兴奋，但是很快大家发现，光的运动不是像米歇尔和拉普拉斯想象的那样。真实的光线到底是怎么受引力影响的，谁也说不清，所以这个看不见的星星的想法逐渐被人们忽略了。一直等到二十世纪，才有一个科学家解决了光怎么被引力影响的问题，这个科学家大家一定听说过，他就是大名鼎鼎的爱因斯坦，他用来解决这个问题的理论就叫做广义相对论。

    关于广义相对论的定义，你现在理解起来有些难度，我在文末附了一些延伸的资料，感兴趣的同学可以看一看。总之，在这个广义相对论发表后不久，有一个叫史瓦西的德国天文学家计算出了这个理论的很多细节，其中一个结果实际上就是黑洞。

    不过他当时只是觉得这个结果本身很奇怪，还不知道它对应的天体是什么样。所以那个时候还没有黑洞这个名字，黑洞这个名字是1968年才出现的。黑洞里面是什么样的？

关于黑洞，人们最关心的一个问题是，黑洞里面到底是怎样的。

    这个问题，实际上天文学家和物理学家们根本无法回答。因为确实看不见。关于黑洞的一切，都是科学家们在了解了宇宙运行的物理规律之后，通过计算的方式判断出来的。



    但是，科学家们倒也预想过，假如有一个人能够靠近一个黑洞，并且掉进去，那么他将会面临什么情况。

    黑洞的边界和其他很多天体的边界不太一样，它是非常明确的。在这个边界以外的东西，都还很正常，在它们看来黑洞和一个引力很大的天体没什么区别。

但是一旦进入这个边界，就再也不可能离开了，注定会掉到黑洞中心。

    反过来说， 在外边的我们可以看到边界以外的东西，但是边界里面发生的任何事情我们什么都看不见。所以这个边界有个名字叫“事件视界” ，也就是说，以事件能否被我们的视觉感知到，作为边界。

    当然，掉进黑洞的人很可能意识不到自己已经进入了事件世界，科学家们认为，在这一刻，对他而言可能什么事情都不会发生。

    除了他开始无法挽回地往黑洞深处掉落之外——考虑到这个人处在失重的状态下，所以他甚至都感觉不到自己在掉落。这个时候，他或许可以尽情观赏黑洞内部的样子了。不过，他只能自己看，而不能把自己看到的东西传输出来。再接下来，他的情况就不太妙了。

还记得我一开始说的吗？引力和两个指标有关，分量和距离。

    咱们每个人都有身高，这就是一段距离，所以当我们站在地球上的时候，我们的脚受到的引力和我们的头受到的引力是不一样的。

    幸好，地球的引力相对来说比较小，身高带来的距离差也太小，所以，这点儿引力差不会给我们造成什么麻烦。

    可是黑洞里就不一样了。随着这个人离黑洞的中心越来越近，他身体各个部分所受引力的差异也越来越大。

    最后，这个人会被这种力量给撕成碎片——没有人知道这会在什么时候发生，也没有人知道它到底是怎么发生的，我们只能通过数学的方法了解到这一点。

    最后我再给大家解释一下什么是广义相对论，要理解广义相对论，先要理解另外一个定义：相对性原理。

    物理定律在一切参考系中都具有相同的形式，这就是相对性原理。相对性原理是物理学最基本的原理之一，它指出不存在“绝对参考系”。在一个参考系中建立起来的物理定律，通过适当的坐标变换，可以适用于任何参考系。

    相对性原理最初是由伽利略提出，当时的适用范围是经典力学。爱因斯坦将其推广到包含力学和电磁学的整个经典物理学范围，后来更进一步将引力现象也包含进来。广义相对论是现代物理中基于相对性原理利用几何语言描述的引力理论。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律与狭义相对论加以推广。

    在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率），而时空的曲率则通过爱因斯坦场方程和处于其中的物质及辐射的能量与动量联系在一起。