黑洞理论及其研究论文

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黑洞理论1975年，霍金创立了闻名世界的理论体系，让黑洞的概念家喻户晓。量子理论在原子的水平上对宇宙加以描述，推断出信息是从来不会丢失的。如今，霍金已修改了黑洞理论，认为黑洞是可以“重新开放”的，所吞噬的信息可以以另一种形式释放出来，就像我们生活中的燃烧一样，只是信息的转化而已。经过29年的思考，斯蒂芬·霍金表示、他以前对黑洞的看法是错误的。2004年7月14日，这位剑桥大学的著名物理学家正式发表了一篇论文，认为黑洞这种由星体残骸演化成的漩涡会保留被吞噬物体的痕迹、而且终将释放出少量被撕碎的物质。霍金激进的新理论颠覆了他30年来为了科学地解释黑洞悖论而进行的努力：被吸入黑洞的物体怎样才能真正消失，不留一点痕迹呢长期以来他一直是这样认为的，而亚原子理论认为物质的形式可以相互转换，但不可能完全消失。此前、霍金坚持认为、黑洞会摧毁其中所包含的一切微小信息，然后只是正常向外辐射能量。在第17届国际广义相对论和万有引力大会上，霍金提出了令人难以置信的新的计算结果，认为黑洞能够将吞噬的物质慢慢释放出来，而且吸收和释放的方式都只有一种。62岁的霍金说他不再相信20世纪80年代的理论、当时的理论认为黑洞可能可以通往另一个宇宙空间，这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里。霍金站在粒子物理学家一边、长期以来，粒子物理学家们坚持认为任何被黑洞吞噬的物质都不会凭空消失，最后必然以一种特殊的方式释放出来。霍金面对来自50个国家的大约800名物理学家和其他科学家发表了演讲，他说：（黑洞里）没有我曾设想过的子宇宙分支，物质信息仍然牢牢地保存在这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了，但如果物质信息被保存了，就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。如果跳进一个黑洞，物质能量将以一种被撕裂的形式返回到宇宙中、其中包含以前的信息，但是已经处于无法辨认的状态。霍金的新理论在物理学权威中激起了怀疑和困惑的浪潮。霍金在发表演讲时，其中的两位领军人物美国哥伦比亚大学的威廉·翁鲁和芝加哥大学的罗伯特·沃尔德不断耸肩摇头表示怀疑。黑洞专家沃尔德说：霍金完全改变了他自己以前的观点、霍金以前认为进入黑洞的一切都会被冲走。他相信从黑洞释放出的任何物质都能追溯到来源。他已经偏离了仍然坚信的理论。折叠编辑本段研究历史上世纪70年代，霍金提出的“黑洞热辐射”理论是20世纪最杰出的理论物理成就之一，但当时这一理论的一些观点受到了量子物理学者的质疑，科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失，在量子物理的角度上是无法解释的。为此，30年来学术界一直存在着争论，此次霍金提出的新观点―――黑洞在某一时间，将会把它吞掉的信息释放出来，从表面上看弥补了他以前理论的缺陷，但是这也不足以肯定这一理论就是正确的。赵教授解释，物质所包含的信息并不像质量或能量一样具有守恒的性质，因此霍金此前的信息消失理论并不是完全无法接受的。从20世纪60年代到80年代，黑洞研究取得了重大进展。最初人们认为黑洞是一颗死亡了的星体，什么东西都可以掉进去，但任何东西都跑不出来。1974年霍金证明黑洞有温度、有辐射。霍金辐射的发现使黑洞和霍金本人都变得家喻户晓。20世纪80年代以后，黑洞研究的重点逐渐从温度转向信息佯谬。人们早已知道，黑洞外部观测者会失去形成黑洞以及后来落入黑洞的物质的几乎全部信息，这就是“无毛定理”。所谓“毛”是指“信息”。黑洞只剩下总质量、总电荷和总角动量3根“毛”可以被外界探知。人们最初认为，虽然外部观测者不能探知黑洞内部物质的信息，但这些信息并没有从宇宙中消失，只不过隐藏在了黑洞的内部。霍金辐射发现之后，人们知道黑洞中的物质最后将全部转化为热辐射，而热辐射几乎不带出任何信息。这样，形成和落入黑洞的物质的信息将从宇宙中消失，信息不再守恒，不仅重子数守恒、轻子数守恒等定律不再成立，量子论的幺正性也将受到破坏。面对如此严重的理论困难，物理学家展开了激烈的争论。理论物理学家大都相信信息守恒，坚信幺正性这一量子论的基石不会被破坏。总之，信息应该守恒。以霍金和索恩为代表的相对论专家则认为信息不一定守恒，幺正性完全有可能被破坏。为此，霍金和索恩与坚信信息守恒的普瑞斯基打赌。"这种理论从诞生之初就遇到了麻烦:它同很多科学家坚持的"信息守恒定律"互为矛盾.这一度被人们称为"黑洞悖论".如同19世纪的科学家断定了能量守恒定律一样,20世纪的许多科学家提出了信息守恒一说——假如这个说法成立,那么"信息守恒定律"无疑将成为科学界最为重要的定律,也许比物质,能量守恒定律的意义更为深远.霍金的黑洞理论引起的激烈争执就是"信息"在黑洞中是否能够保存,守恒."折叠编辑本段理论产生所谓黑洞，是时空的一个区域，这个区域内的引力非常强大，以至于任何东西，甚至光都不能从中逃逸出来。长期以来，科学家们认为黑洞会吞噬一切。但1974年，霍金提出，黑洞一旦形成，就会“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，这种辐射亦称为“霍金辐射”。霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时，他又制造出了一个新的难题。霍金在1976年的另一篇论文中对此做出阐述：黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息，在黑洞损失殆尽之后，所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底抹掉的，霍金的说法产生了矛盾，这就是“黑洞信息悖论”。当时霍金辩称，黑洞的引力场过于强大，量子力学的定律并不适用，但他这种解释并不令学术界感到信服。哈佛大学物理学家施特勒明格就直言“我并不相信霍金1976年的理论，尽管我不知道他的计算到底错在哪里”。折叠编辑本段理论推翻霍金悖论 霍金自己推翻自己的理论1976年，霍金称自己通过计算得出结论，他认为黑洞在形成过程中，其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是著名的“霍金辐射”理论。但是，理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息，一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后，其中的所有信息就都随之消失了。这便是所谓的“黑洞悖论”。这种说法与量子力学的相关理论出现相互矛盾之处。因为现代量子物理学认定这种物质信息是永远不会完全消失的。近30年来，霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点。霍金曾表示，黑洞中量子运动是一种特殊情况，由于黑洞中的引力非常强烈，量子力学在此时已经不再适用了。但是霍金的这种说法并没有得到科学界众多持怀疑态度学者的信服。如今，霍金终于给了这个当年自相矛盾观点一个更具有说服力的答案。霍金称，黑洞从来都不会完全关闭自身，他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量，随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。这一重大研究成果还没有公开以论文的形式发表，已经在学术界引起了轩然大波。霍金在剑桥大学的同事、著名的物理理论学家马尔科姆·佩里博士表示，“霍金在这次研讨会上提出的观点也许是一种可行的解决方案。但是具体是否能得到最终认可，我看还需要由大家说了算。”但他认为，霍金最新的研究成果将可以和30年前发表的“霍金辐射”相媲美。物理学家科特·卡特勒在接受《新科学家》杂志的访问时说：“霍金发出了一个信息，他似乎在说‘我已经解决了黑洞理论中的矛盾之处，我想就此发表一些新的看法’。但是我们作为该信息的接受者，预先却并没有看到任何有关的书面阐述。作为对霍金本人的尊重，根据他的名誉，我只能暂且先接受这种说法。”。2004年7月21日，在爱尔兰的都柏林举行“第17届国际广义相对论和万有引力大会”上，英国传奇科学家斯蒂芬·霍金教授宣布了他对宇宙黑洞的最新研究结果，霍金的态度来了个180度转弯，表示自己原来的观点错了，信息应该守恒：黑洞并非如他和其他大多数物理学家以前认为的那样，对其周遭的一切“完全吞食”，事实上被吸入黑洞深处的物质的某些信息可能会在某个时候释放出来：信息守恒。原因是先前把黑洞想得太理想化了，把黑洞热辐射也想得太理想化了。不过，霍金一直没有给出严格的证明来支持自己的新观点。索恩表示此事不能由霍金一个人说了算，他仍坚持信息不守恒的看法。普瑞斯基则表示没有听懂霍金的演讲，不明白自己为什么赢了。这一牵扯到量子论基础的敏感问题还远未解决。黑洞不是一颗死亡了的星体,它具有丰富的内涵。黑洞的霍金辐射理论表明,黑洞不仅具有一般的力学性质,而且具有量子性质和热性质。如果黑洞的辐射谱为严格的黑体谱,则黑洞辐射过程中信息丢失。Parikh和Wilczek认为,黑洞的霍金辐射的确可以看成是一种量子效应,但辐射粒子贯穿的势垒不是预先存在的,而是由出射粒子自身产生的。他们的研究结果支持信息守恒。黑洞理论的研究已经超出了黑洞本身，它不仅通过信息疑难触及了量子论的重要基石——幺正性，而且掀开了探讨时间性质的新篇章。黑洞内部有一个奇点，那是时间终结的地方。大爆炸宇宙有一个初始奇点，那是时间开始的地方。彭若斯和霍金曾经证明过一个“奇性定理”，该定理表明，任何一个真实的时空都一定存在奇点，即一定存在时间有开始或终结的过程。时间有没有开始和结束，原本是哲学家和神学家议论的话题，经过对黑洞和宇宙的研究，这一话题被纳入了物理学的领域。宇宙学家相信，太空中有许多类型的黑洞，从质量相当于一座山的小黑洞，到位于星系中央的超级黑洞，不一而足。科学家过去认为，从巨大的星体到星际尘埃等，一旦掉进去，就再不能逃出，就连光也不能“幸免于难”。而霍金教授关于黑洞的最新研究有可能打破这一结论。经过长时间的研究，他发现，一些被黑洞吞没的物质随着时间的推移，慢慢地从黑洞中“流淌”出来。霍金关于黑洞的这一新理论解决了关于黑洞信息的一个似是而非的观点，他的剑桥大学的同行都为此兴奋不已。过去，黑洞一直被认为是一种纯粹的破坏力量，而现在的最新研究表明，黑洞在星系形成过程中可能扮演了重要角色。2016年1月，斯蒂芬·霍金等人提出了新解释：落入黑洞的粒子的信息部分被位于视界线（黑洞边界）的粒子组成的“柔软毛发”所“俘虏”，这些信息并没有消失，但很难还原和破解。相关研究发表在arXiv上。[1]

据报道；科学家预言未来70年灾难——黑洞吞噬地球。物理学家担忧美国纽约布鲁克哈文实验室的全球最大粒子加速器，将产生类似黑洞的高密度物质，把整个地球吞噬。宇宙射线大放射。银河系发生星体爆炸后，若宇宙射线包括伽马射线放射到地球，可导致气温急降，导致冰河时期出现。 一、知识介绍： 1、黑洞的含义； 黑洞，广义相对论所预言的一种特殊天体。它的基本特征是具有一个封闭的视界。视界就是黑洞的边界。外来的物质和辐射可以进入视界以内，而机界内的任何物质都不能跑到外面。 2、黑洞的起源；两质子星22亿年前相撞，今年5月射线才到达地球。天文学家们成功地观测到了两个密度极大的质子星相撞后，诞生一个密度相对小的黑洞，星体相撞的地点距离地球220万光年，所以实际上相撞事件发生在22亿年前，而撞击产生的伽马射线直到今年5月9日才到达地球。这些伽马射线的余晖是在9日夜里被美国航空航天局X射线观测卫星、“褐雨燕”(Swift)发现的，“褐雨燕”卫星于2004年11月进入太空，其主要任务是通过观察宇宙伽马射线爆发探究黑洞的起源。 3、黑洞的形成；黑洞是一种体积极小、质量极大的天体，在其强大引力的作用下，连光都无法逃逸。宇宙中已知的黑洞主要有超巨黑洞和小质量黑洞两类。 4、黑洞主要特征是：（1）这个区域有很强的磁场和引力，不断吞噬大量的星际物质，一些物质在它周围运行轨迹会发生变化形成圆形的气体尘埃环；（2）它有很大的能量，可以发出极强的各类射电辐射；（3）由于它极大的引力作用，光线在它附近也会发生弯曲变化。 二、舆论环节： 1、在进入宇航时代的今天，世界各国已拥有各种先进的天文观测设备，如大口径配有极灵敏接受器的光学望远镜、大型射电天文望远镜、突破了地球大气层包围的哈勃空间望远镜等，天文观测已触及到距地球100亿光年以外的遥远天体，从河外星系到宇宙尘埃都可以一览无余，甚至像几万公里外一支小蜡烛那么微弱的光也能观测到，而唯独对“黑洞”却无能为力，确有些不合逻辑。如果它真是一种质量、密度很大，磁场、引力极强的“天体”，为什么至今看不到它的庐山真面目呢？ 答；原因很简单，“黑洞”并不是一种实体星球，而是宇宙天体运动时产生的各种“磁场旋涡”现象，它的能量、射线辐射主要都是由磁场引力作用产生的，因为它的构成物质密度非常稀薄，光波发射极其微弱，所以根本无法在远距离用光学仪器观察到它的形状，按其形态和性质说来它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。 2、黑洞为什么能爆发呢？会不会给人类有没有影响呢？ 按照大爆炸宇宙学，在宇宙早期可能形成一些小质量黑洞，一个质量为1015克的黑洞，其空间尺度只有10-13厘米左右（相当于原子核的大小）。小黑洞的温度很高，有很强的发射。有一种模型认为，高能天体物理研究所发现的一些高能爆发过程，也许就是由这些小黑洞的发射及其最终的爆发引起的。可能会破坏地球，给人类带来灭亡！ 三、图意展示： 1、他们发现了一个巨大的黑洞，该黑洞的大小相当于整个太阳系，吞进的星体质量相当于3亿个太阳，引起的气体喷发是迄今为止科学家在宇宙中发现的最大的。 2、黑洞 “艺术照”，它正吞噬着气体和尘埃盘，在另一面成为超热气流的尘埃盘被喷射出去。它不断吞噬宇宙物质来壮大自己。 四、内容设想： 如果“黑洞”是一种物质构成密度非常大的“天体”，那么，在“黑洞”与物质密度相对极小的宇宙空间两者应该是有分界面的。 根据光的反射、折射原理，当光投在两种物质的分界面会有反射和折射现象的，这一点已经从宇宙中所有不发光天体都能够反光得到证实，无一例外，所以，从“黑洞”不能反射光线这一点说明“黑洞”虽然有很强的吸引力，但是它的物质构成密度非常稀薄，还不足以达到反射光线的程度（并不是光线由于被它吸引无法脱离而不能反射），当光线与它相遇时，只能是穿它而过了，没有明显的光反射和折射现象，因此也就无法通过光学观测直接看到它的形状，而只能用其它天文观测方式，通过“黑洞”急速旋转运动中产生的极强各类射电辐射来证实它的存在 五、分析总结： 游览了“宇宙黑洞”相关知识，其实黑洞跟我们人类心系相关的。值得我们关注。未来的我们会对黑洞回进一步的研究了解。不但开阔视野，而且我们获得了一些宇宙知识。我们不仅学到了知识，而且我们提高了没有解决问题的能力，团结能力。 宇宙黑洞 最古老最大的黑洞 新浪科技讯 据印度报业托拉斯报道，英国剑桥大学的物理学教授斯蒂芬-霍金是现代宇宙黑洞学说的奠基人，被人们誉为当代的爱因斯坦。 30多年来，霍金和他的追随者们一直认为，部分巨型恒星大爆炸产生了宇宙黑洞，而且，黑洞可以将不慎跌入其中的所有物质吞噬殆尽，就连光和其它宇宙信息也无法逃脱黑洞吞噬的“厄运”。 然而，有一位印度理论物理学家却对霍金的这一开创性理论提出了质疑，他就是设在印度第一大城市孟买的巴巴原子研究中心的物理学家阿布哈斯-米特拉。米特拉认为，宇宙黑洞根本不可能存在。 早在4年前，米特拉就在《物理基金快报》杂志上发表了一篇关于质疑黑洞理论的论文。米特拉在这篇引起颇多争议的论文中指出，霍金的黑洞理论存在着明显的缺陷，宇宙黑洞是不可能存在的，因为霍金所阐述的黑洞的形状和存在方式与爱因斯坦的广义相对论根本不相符合。 米特拉的论文发表后，除少数一些学界人士表示赞同外，大多数主流科学家对他的观点表示不屑一顾。直到现在，仍然没有哪一位科学家撰写论文与米特拉进行辩论。出于学术考虑，米特拉特意邀请包括霍金本人、贾延特-纳里卡尔等在内的著名黑洞理论学家对他的论文发表意见，但没有一人接他的招。 岁月不断流逝，霍金的黑洞理论终于被他本人推翻了。2004年7月中下旬，霍金在爱尔兰首都都柏林召开的一次学术会议上自己承认，“从绝对意义上说”，黑洞是根本不存在的。 至此，敢于向权威物理理论学家提出质疑的印度物理学家米特拉被证明是正确的；从另外一种意义上说，米特拉战胜了霍金。 新浪科技讯 近日国际天文学家通过美国宇航局斯皮策太空望远镜的一项最新观测结果，在宇宙中某一狭窄区域范围内，首次同时发现了多达21处却一直深度隐藏着的宇宙“类星体”黑洞群。 这一重大发现第一次从正面证实了多年来天文学领域有关宇宙中有数目众多的隐身黑洞广泛存在的推测。充分的证据使人们相信，在浩瀚的宇宙中，的确充满着各种各样未被发 现的巨大引力源泉--"类星体"黑洞群体。有关该项最新发现的详细内容，研究人员已撰文正式刊登在了2005年8月4日出版的《自然》杂志中。 “深藏不露”的类星体 我们知道在现实中的宇宙黑洞，由于其巨大的引力作用，连光线都被紧密吸引束缚，因而无法被人们直接观测发现。为确定黑洞天体存在的证据，天文学家通过研究发现，在黑洞周围的物质行为具有其特定行为：在黑洞周围的宇宙空间中，气体物质具有超高的温度，并且在被黑洞强大引力场吸引剧烈加速后，这些物质在彻底消失之前均会被提升到接近光速。而当气体物质被黑洞彻底吞噬后，整个过程都会释放出大量的X-射线。通常正是这些逃逸出来的X-射线，显示出此处有黑洞确实存在的迹象。这便是以往人们发现黑洞的最直接证据。 而另一方面，在一些格外活跃的超大型宇宙黑洞周围，由于其对周边物质剧烈的吸引和吞噬行为，还会在黑洞星体外围产生一层厚重的宇宙气体和尘埃云层，这便进一步增大了对黑洞体附近区域的观测难度，阻碍了天文学家对这些超大黑洞存在的发现工作。天文学上将这些极度活跃的黑洞定义为"类星体"。普通情况下，一个类星体平均一年总共吞噬的物质质量，相当于1000个中等恒星质量的总和。一般情况下，这些类星体距离太阳系都非常遥远，当我们观测到他们时已经是亿万年以后的现在，这说明此类黑洞的活动出现在宇宙诞生初期。科学家推定，这种黑洞正是在成长壮大中的宇宙星系前身，所以将其命名为"类星体"。 到目前为止，只有为数不多的几个"类星体"黑洞被发现，在浩瀚的宇宙深处，是否还有数量众多的其它类星体存在，仍有待人们进一步去发现，而天文学家在该领域的研究工作则完全依靠对宇宙内部X-射线的全面观测研究来予以证实。 “充满”了黑洞的宇宙 近日，来自英国牛津大学的阿里耶-马丁内兹-圣辛格教授在介绍其首次对宇宙间隐藏黑洞的发现时说，"从以往对宇宙X-射线的观察研究中，本希望能找到宇宙中大量隐藏类星体存在的证据，但结果确都不尽如人意，令人失望。"而近日根据美国宇航局NASA的斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)的最新观察结果，天文学家则成功穿透了遮蔽类星体黑洞的外围宇宙尘埃云层，捕捉到了其中一直暗藏不露的内部黑洞体。由于斯皮策太空望远镜能够有效收集能穿透宇宙尘埃层的红外光线，使得研究人员顺利地在一个非常狭窄的宇宙空间区域内，同时发现了数量多达21个早已存在却又"隐藏不露"的类星体黑洞群。 来自美国加州理工大学斯皮策科学中心的研究小组成员马克-雷斯在接受媒体访问时同时也表示，“如果我们抛开此次发现的21个宇宙类星体黑洞，放眼宇宙中的其它任何区域，我们完全可以大胆预测，必将有数量众多隐藏着的黑洞将会被陆续发现。这意味着，一如我们原先推测的那样，在不为人知的宇宙深处，一定有数量众多、质量超大的黑洞巨无霸，正借助着星际尘埃的隐蔽，在暗地里不断发展壮大着。”(Sabrina) 计算机模拟揭开黑洞食量之谜 新华社电 黑洞有着吞噬一切的恶名，但黑洞贪婪的食量并非永无止境。是什么因素限制了黑洞的食量与体重？德国和美国科学家最近对两个星系相撞并融合的过程进行了计算机模拟，为解答这一问题提供了线索。 如今观察到的多数大星系，中央都盘踞着质量达到几百万乃至几十亿个太阳质量的巨大黑洞。但在对几十个星系进行观测后科学家发现，星系中央黑洞的质量大概是星系中所 有恒星总质量的五百分之一，不会长得更大。 德国马克斯-普朗克天体物理学研究所和美国卡内基-梅隆大学的科学家用超级计算机模拟了早期宇宙里两个星系相撞的情形。这是人们第一次在模拟中发现星系中央黑洞合并的破坏性效果。在大约1亿年的时间里，黑洞质量不断增长，将更多气体燃料吸引到自己身边，气体在向黑洞靠近时变得更热、更明亮。这样，融合后的星系核就成了一个类星体。 科学家解释说，按照模拟结果，大黑洞在经历称为“类星体”的成长阶段时，周围炽热的气体物质会爆发，产生一股强大的宇宙风，将绝大部分气体尘云从黑洞附近乃至整个星系里刮走，抛入深空。放完这个巨大的宇宙焰火之后，黑洞没有了食料，质量不再增长；星系也没有了制造恒星的原料，恒星不再诞生。星系成熟了，世界清静了。 类星体是一种极其明亮的天体，它于上世纪60年代首次被发现。由于看起来很像恒星，又发出强烈的射电波，因而被称为“类恒星射电源”，中文译作类星体。经历了长时间争论后，许多天文学家现在认为，类星体的本质是剧烈活动的星系核。在那里，炽热气体在跌入巨大黑洞的途中发出强烈的射线，使得远在几十甚至上百亿光年外的我们也能看到。 科学家们在英国《自然》杂志上发表论文指出，模拟显示星系中央黑洞质量与星系中恒星总质量直接相关，这与观测结果相符，意味着黑洞可能是星系形成过程的密切参与者。但这只是一个简单的模拟，真正的过程极其复杂，他们目前还不明白类星体是怎样爆发出能量的.参考资料：霍金的突出贡献是-------理论研究上的成果 史蒂芬·霍金是英国著名的天文物理学家和宇宙学家。 我们绝大多数中国人是在读了霍金写的科普著作《时间简史》后，才知道他的。 霍金在21岁时就患上了卢伽雷式症，但后来他却成了这种绝症有史以来最了不起的病人。 世界级顶尖杂志《天文学》对他有这样的评价：“当20世纪物理学的成就被客观地承认时，史蒂芬·霍金的成就将被大书特书地载入科学史册。” 霍金的成就就像他研究的黑洞一样强力，令人倾倒。但是他却几次与“诺贝尔奖”失之交臂。 霍金的成就可以概括为： 第一，奇性定理。爱因斯坦创立的广义相对论被科学界公认为最美丽的科学理论。但是霍金和彭罗斯一道证明了广义相对论是不完备的。他们指出，如果广义相对论是普遍有效的，而宇宙间的物质分布满足非常一般的条件，那么宇宙时空中一定存在一些奇点。在奇点处经典物理的定律失效。人们通常谈论的奇点是宇宙产生元初的大爆炸奇点和黑洞中的奇点。爱因斯坦早先否认过奇点的存在，他甚至还写过论文以论证黑洞(那时还没有这个生动的称呼)的不可能性。霍金和彭罗斯的奇性定理表明了对引力的量子化是不可避免的。 第二，黑洞理论。人们知道，在经典引力论的框架里，黑洞只能吞噬物质，而不能吐出物质。黑洞的表面(视界)犹如地狱的入口，是一个有去无返的单向膜。霍金曾经证明视界的面积是非减的。1974年霍金发表了《黑洞在爆炸吗？》一文。这是20世纪引力物理在爱因斯坦之后的最伟大论文。在论文中，他把量子理论效应引进了黑洞研究，证明了从黑洞视界附近会蒸发出各种粒子，这种粒子的谱犹如来自黑体的辐射。随之黑洞质量降低，温度就会升高，最终导致黑洞的爆炸。在这被称为霍金辐射的场景中，量子理论、引力理论和统计物理得到了完美的统一。黑洞理论是科学史上非常罕见的例子，它首先在数学形式上被详尽的研究，后来才在天文学的许多观测上证实了它的普遍存在。现在，人们的共识是，每个星系的中心都是一颗极其巨大的黑洞。 第三，无边界宇宙理论。霍金在80年代初，创立了量子宇宙学的无边界学说。他认为，时空是有限而无界的，宇宙不但是自洽的，而且是自足的，它不需要上帝在宇宙初始时的第一推动。宇宙的演化甚至创生都单独地由物理定律所决定。这样就把上帝从宇宙的事物中完全摒除出去。上帝便成了无所事事的“造物主”，它再也无力去创造奇迹。亚里士多德、奥古斯丁、牛顿等人曾在宇宙中为上帝杜撰的那个关于“第一推动”的神话，完全是虚幻的。量子宇宙学的主要预言之一是关于宇宙结构的起源。若干年前，宇宙背景辐射探测者对太空背景温度起伏的观察证实了这个预言。 对于奇性定理、黑洞面积定理、黑洞霍金辐射和无边界宇宙理论，一个人生前拥有其中的任何一项成就，就足以名垂不朽。而霍金却拥有了这些理论的全部。

黑洞是什么 黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到任何东西，甚至连光，都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见，这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射来观察它，只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测，黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物，是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。 因为黑洞是不可见的，所以有人一直置疑，黑洞是否真的存在。如果真的存在，它们到底在哪里？ 黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样 为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说，适用于行星、恒星，也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说，说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。 让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽、高）是现实世界中的第四维（虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但我们可以尽力去想象）。其次，考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。 爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景：石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块，则将产生更大的效果，使床面下沉得更多。事实上，石头越多，弹簧床面弯曲得越厉害。 同样的道理，宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样，质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。 如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动，它将沿直线前进。反之，如果它经过一个下凹的地方 ，则它的路径呈弧形。同理，天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进，而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。 现在再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然，石头将大大地影响床面，不仅会使其表面弯曲下陷，还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现，若宇宙中存在黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。 现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，会掉进大石头形成的深洞一样，一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且，若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。 我们已经说过，没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理，一切比其周围温度高的物体都要释放出热量，同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量，黑洞释放能量称为：霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。 处于时间与空间之间的黑洞，使时间放慢脚步，使空间变得有弹性，同时吞进所有经过它的一切。1969年，美国物理学家约翰 阿提 惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”。 我们都知道因为黑洞不能反射光，所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。但英国著名物理学家霍金认为黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测，黑洞周围存在辐射，而且很可能来自于黑洞，也就是说，黑洞可能并没有想象中那样黑。 霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子，这些粒子在太空中成对产生，不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后，有的就会消失在茫茫太空中。一般说来，可能直到这些粒子消失时，我们都未曾有机会看到它们。 霍金还指出，黑洞产生的同时，实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子会被吸进黑洞中，另一个则会逃逸，一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言，看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自黑洞中的射线一样。 所以，引用霍金的话就是“黑洞并没有想象中的那样黑”，它实际上还发散出大量的光子。 根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时，同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律，当黑洞失去能量时，黑洞也就不存在了。霍金预言，黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸，释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。 但你不要满怀期望地抬起头，以为会看到一场烟花表演。事实上，黑洞爆炸后，释放的能量非常大，很有可能对身体是有害的。而且，能量释放的时间也非常长，有的会超过100亿至200亿年，比我们宇宙的历史还长，而彻底散尽能量则需要数万亿年的时间 黑洞 谈黑洞是在普遍没有了解引力场本质的情况下谈黑洞。 如果按照黑洞定义谈黑洞，那宇宙中的黑洞是不存在的。 因为宇宙中的物质具有物质的本质特性。 按照宇宙中物质本质特性，不可能恒星发出的光又会被恒星吸收回恒星。 黑洞是一种体积极小，质量极大的恒星，在其强大的引力下，连光也无法逃逸———从恒星表面发出的光，还没有到达远处即被该恒星自身的引力吸引回恒星。 一团物质,如果其引力场强大到足以使时空完全弯曲而围绕它自身,因而任何东西,甚至连光都无法逃逸,就叫做黑洞.不太多的物质被压缩到极高密度(例如将地球压缩到一粒豌豆大小),或者,极大的一团较低密度物质(例如几百万倍于太阳的质量分布在直径与太阳系一样的球中,大致具有水的密度),都能出现这种情形. 第一位提出可能存在引力强大到光线不能逃离的'黑洞'的人是皇家学会特别会员约翰·米切尔,他于1783年向皇家学会陈述了这一见解.米切尔的计算依据是牛顿引力理论和光的微粒理论.前者是当时最好的引力理论.后者则把光设想为有如小型炮弹的微小粒子(现在叫做光子)流.米切尔假定,这些光粒子应该像任何其他物体一样受到引力的影响.由于奥利·罗默(Ole Romer)早在100多年前就精确测定了光速.所以米切尔得以计算一个具有太阳密度的天体必须多大,才能使逃逸速度大于光速. 如果这样的天体存在,光就不能逃离它们,所以它们应该是黑的.太阳表面的逃逸速度只有光速的0.2%,但如果设想一系列越来越大但密度与太阳相同的天体,则逃逸速度迅速增高.米切尔指出,直径为太阳直径500倍的这样一个天体(与太阳系的大小相似),其逃逸速度应该超过光速. 皮埃尔·拉普拉斯(Pierre Laplace)独立得出并于1796年发表了同样的结论.米切尔在一次特具先见之明的评论中指出,虽然这样的天体是看不见的,但'如果碰巧任何其他发光天体围绕它们运行,我们也许仍有可能根据这些绕行天体的运动情况推断中央天体的存在.换言之,米切尔认为,如果黑洞存在于双星中,那将最容易被发同.但这一有在黑星的见解在19世纪被遗忘了,直到天文学家认识到黑洞可经由另一途径产生,在研讨阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论时才重新提起. 第一次世界大战时在东部战线服役的天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)是最先对爱因斯坦理论结论进行分析的人之一.广义相对论将引力解释为时空在物质近旁弯曲的结果.史瓦西计算了球形物体周围时空几何特性的严格数学模型,将它的计算寄给爱因斯坦,后者于1916年初把它们提交给普鲁士科学院.这些计算表明,对'任何'质量者存在一个临界半径,现在称为史瓦西半径,它对应时空一种极端的变形,使得如果质量被挤压到临界半径以内,空间将弯曲到围绕该物体并将它与宇宙其余部分隔断开来.它实际上成为了一个自行其是的独立的宇宙,任何东西(光也在内)都无法逃离它. 对于太阳史瓦西半径是公里对于地球,它等于0.88厘米.这并不意味太阳或地球中心有一个大小合适现在称为黑洞(这个名词是1967年才首次由约翰·惠勒用于这一含义的东西存在.在离天体中心的这一距离上,时空没有任何反常.史瓦西计算表明的是,如果太阳被挤压进半径2.9公里的球内,或者,如果地球被挤压进半径仅0.88厘米的球内,它们就将永远在一个黑洞内而与外部宇宙隔离.物质仍然可以掉进这样一个黑洞但没东西能够逃出来. 这些结论被看成纯粹数学珍藏品达数十年之久，因为没有人认为真正的、实在的物体能够坍缩到形成黑洞所要求的极端密度。1920年代开始了解了白矮星，但即使白矮星也拥有与太阳大致相同的质量而大小却与地球差不多，其半径远远大于3公里。人们也未能及时领悟到，如果有大量的一般密度物质，也可以造出一个本质上与米切尔和拉普拉斯所想像的相同的黑洞。与任意质量M对应的史瓦西半径由公式2GM/c2给出，其中G是引力常数。c是光速。 1930年代，萨布拉曼扬·昌德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）证明，即使一颗白矮星，也仅当其质量小于1.4倍太阳质量时才是稳定的，任何死亡的星如果比这更重，必将进一步坍缩。有些研究家想到了这也许会导致形成中子星的可能性，中子星的典型半径仅约白矮星的1/700，也就是几公里大小。但这个思想一直要等到1960年代中期发现脉冲星，证明中子星确实存在之后，才被广泛接受。 这重新燃起了对黑洞理论的兴趣，因为中子星差不多就要变成黑洞了。虽然很难想像将太阳压缩到半径2.9公里以内，但现在已经知道存在质量与太阳相当、半径小于10公里的中子星，从中子星到黑洞也就一步之遥了。 理论研究表明，一个黑洞的行为仅由其三个特性所规定——它的质量、它的电荷和它的自转（角动量）。无电荷、无自转的黑洞用爱因斯坦方程式的史瓦西解描述；有电荷、无自转的黑洞用赖斯纳—诺德斯特罗姆解描述；无电荷、有自转的黑洞用克尔解描述；有电荷、有自转的黑洞用克尔—纽曼解描述。黑洞没有其他特性，这已由‘黑洞没有毛发’这句名言所概括。现实的黑洞大概应该是自转而无电荷，所以克尔解最令人感兴趣。 现在都认为，黑洞和中子星都是在磊质量恒星发生超新星爆发时的临死挣扎中产生的。计算表明，任何质量大致小于3倍太阳质量（奥本海默—弗尔科夫极限）的至密超新星遗迹可以形成稳定的中子星，但任何质量大于这一极限的致密进退新星遗迹将坍缩为黑洞，其内容物将被压进黑洞中心的奇点，这正好是宇宙由之诞生的大爆炸奇点的镜像反转。如果这样一个天体碰巧在绕一颗普通恒星的轨道上，它将剥夺伴星的物质，形成一个由向黑洞汇集的热物质构成的吸积盘。吸积盘中的温度可以升至极高，以致它能辐射X射线，而使黑洞可被探测到。 1970年代初，米切尔的预言有了反响：在一个双星系统中发现了这样一种天体。一个叫做天鹅座X—1的X射线源被证认为恒星HDE226868。这个系统的轨道动力学特性表明，该源的X射线来自围绕可见星轨道上一个比地球小的天体，但源的质量却大于奥本海默—弗尔科夫极限。这只可能是一个黑洞。此后，用同一方法又证认了其他少数几个黑洞。而1994年天鹅座V404这个系统成为迄今最佳黑洞‘候选体’，这是一个质量为太阳质量70%的恒星围绕大约12倍太阳质量的X射线源运动的系统。但是，这些已被认可的黑洞证认大概不过是冰山之尖而已。 这种‘恒星质量’黑洞，正如米切尔领悟的，只有当它们在双星系统中时才能探测到。一个孤立的黑洞无愧于它的名称——它是黑暗的、不可探测的。然而，根据天体物理学理论，很多恒星应该以中子星或黑洞作为其生命的结束。观测者在双星系统中实际上探测到的合适黑洞候选者差不多与他们发现的脉冲双星一样多，这表示孤立的恒星质量黑洞数目应该与孤立的脉冲星数目相同，这一推测得到了理论计算的支持。 我们银河系中现在已知大约500个活动的脉冲星。但理论表明，一个脉冲星作为射电源的活动期是很短的，它很快衰竭成无法探测的宁静状态。所以，相应地我们周围应该存在更多的‘死’脉冲星（宁静中子星）。我们的银河指法含有1000亿颗明亮的恒星，而且已经存在了数十亿年之久。最佳的估计是，我们银河指法今天含有4亿个死脉冲星，而恒星质量黑洞数量的甚至保守估计也达到这一数字的¼——1亿个。如果真有这么多黑洞，而黑洞又无规则地散布在银河系中的话，则最近的一个黑洞也离我们仅仅15光年。既然我们银河系没有什么独特之处，那么宇宙中每个其他的星系也应该含有同样多的黑洞。Ic 星系也可能含有某种很像米切尔的拉普拉斯最初设想的‘黑星’的天体。这样的天体现在称为‘特大质量黑洞’，被认为存在于活动星系和类星体的中心，它们提供的引力能可能解释这些天体的巨大能量来源。一个大小如太阳系、质量数百万倍于太阳质量的黑洞，可以从周围每年食掉一到两颗恒星的物质。在这个过程中，很大一部分恒星质量将遵照爱因斯坦分工E=mc2转变成能量。宁静的超大质量黑洞可能存在于包括我们银河系在内的所有星 一团物质,如果其引力场强大到足以使时空完全弯曲而围绕它自身,因而任何东西,甚至连光都无法逃逸,就叫做黑洞.不太多的物质被压缩到极高密度(例如将地球压缩到一粒豌豆大小),或者,极大的一团较低密度物质(例如几百万倍于太阳的质量分布在直径与太阳系一样的球中,大致具有水的密度),都能出现这种情形. 第一位提出可能存在引力强大到光线不能逃离的'黑洞'的人是皇家学会特别会员约翰·米切尔,他于1783年向皇家学会陈述了这一见解.米切尔的计算依据是牛顿引力理论和光的微粒理论.前者是当时最好的引力理论.后者则把光设想为有如小型炮弹的微小粒子(现在叫做光子)流.米切尔假定,这些光粒子应该像任何其他物体一样受到引力的影响.由于奥利·罗默(Ole Romer)早在100多年前就精确测定了光速.所以米切尔得以计算一个具有太阳密度的天体必须多大,才能使逃逸速度大于光速. 如果这样的天体存在,光就不能逃离它们,所以它们应该是黑的.太阳表面的逃逸速度只有光速的0.2%,但如果设想一系列越来越大但密度与太阳相同的天体,则逃逸速度迅速增高.米切尔指出,直径为太阳直径500倍的这样一个天体(与太阳系的大小相似),其逃逸速度应该超过光速. 皮埃尔·拉普拉斯(Pierre Laplace)独立得出并于1796年发表了同样的结论.米切尔在一次特具先见之明的评论中指出,虽然这样的天体是看不见的,但'如果碰巧任何其他发光天体围绕它们运行,我们也许仍有可能根据这些绕行天体的运动情况推断中央天体的存在.换言之,米切尔认为,如果黑洞存在于双星中,那将最容易被发同.但这一有在黑星的见解在19世纪被遗忘了,直到天文学家认识到黑洞可经由另一途径产生,在研讨阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论时才重新提起. 第一次世界大战时在东部战线服役的天文学家卡尔·史瓦西(Karl Schwarzschild)是最先对爱因斯坦理论结论进行分析的人之一.广义相对论将引力解释为时空在物质近旁弯曲的结果.史瓦西计算了球形物体周围时空几何特性的严格数学模型,将它的计算寄给爱因斯坦,后者于1916年初把它们提交给普鲁士科学院.这些计算表明,对'任何'质量者存在一个临界半径,现在称为史瓦西半径,它对应时空一种极端的变形,使得如果质量被挤压到临界半径以内,空间将弯曲到围绕该物体并将它与宇宙其余部分隔断开来.它实际上成为了一个自行其是的独立的宇宙,任何东西(光也在内)都无法逃离它. 对于太阳史瓦西半径是公里对于地球,它等于0.88厘米.这并不意味太阳或地球中心有一个大小合适现在称为黑洞(这个名词是1967年才首次由约翰·惠勒用于这一含义的东西存在.在离天体中心的这一距离上,时空没有任何反常.史瓦西计算表明的是,如果太阳被挤压进半径2.9公里的球内,或者,如果地球被挤压进半径仅0.88厘米的球内,它们就将永远在一个黑洞内而与外部宇宙隔离.物质仍然可以掉进这样一个黑洞但没东西能够逃出来. 这些结论被看成纯粹数学珍藏品达数十年之久，因为没有人认为真正的、实在的物体能够坍缩到形成黑洞所要求的极端密度。1920年代开始了解了白矮星，但即使白矮星也拥有与太阳大致相同的质量而大小却与地球差不多，其半径远远大于3公里。人们也未能及时领悟到，如果有大量的一般密度物质，也可以造出一个本质上与米切尔和拉普拉斯所想像的相同的黑洞。与任意质量M对应的史瓦西半径由公式2GM/c2给出，其中G是引力常数。c是光速。 1930年代，萨布拉曼扬·昌德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）证明，即使一颗白矮星，也仅当其质量小于1.4倍太阳质量时才是稳定的，任何死亡的星如果比这更重，必将进一步坍缩。有些研究家想到了这也许会导致形成中子星的可能性，中子星的典型半径仅约白矮星的1/700，也就是几公里大小。但这个思想一直要等到1960年代中期发现脉冲星，证明中子星确实存在之后，才被广泛接受。 这重新燃起了对黑洞理论的兴趣，因为中子星差不多就要变成黑洞了。虽然很难想像将太阳压缩到半径2.9公里以内，但现在已经知道存在质量与太阳相当、半径小于10公里的中子星，从中子星到黑洞也就一步之遥了。 理论研究表明，一个黑洞的行为仅由其三个特性所规定——它的质量、它的电荷和它的自转（角动量）。无电荷、无自转的黑洞用爱因斯坦方程式的史瓦西解描述；有电荷、无自转的黑洞用赖斯纳—诺德斯特罗姆解描述；无电荷、有自转的黑洞用克尔解描述；有电荷、有自转的黑洞用克尔—纽曼解描述。黑洞没有其他特性，这已由‘黑洞没有毛发’这句名言所概括。现实的黑洞大概应该是自转而无电荷，所以克尔解最令人感兴趣。 现在都认为，黑洞和中子星都是在磊质量恒星发生超新星爆发时的临死挣扎中产生的。计算表明，任何质量大致小于3倍太阳质量（奥本海默—弗尔科夫极限）的至密超新星遗迹可以形成稳定的中子星，但任何质量大于这一极限的致密进退新星遗迹将坍缩为黑洞，其内容物将被压进黑洞中心的奇点，这正好是宇宙由之诞生的大爆炸奇点的镜像反转。如果这样一个天体碰巧在绕一颗普通恒星的轨道上，它将剥夺伴星的物质，形成一个由向黑洞汇集的热物质构成的吸积盘。吸积盘中的温度可以升至极高，以致它能辐射X射线，而使黑洞可被探测到。 1970年代初，米切尔的预言有了反响：在一个双星系统中发现了这样一种天体。一个叫做天鹅座X—1的X射线源被证认为恒星HDE226868。这个系统的轨道动力学特性表明，该源的X射线来自围绕可见星轨道上一个比地球小的天体，但源的质量却大于奥本海默—弗尔科夫极限。这只可能是一个黑洞。此后，用同一方法又证认了其他少数几个黑洞。而1994年天鹅座V404这个系统成为迄今最佳黑洞‘候选体’，这是一个质量为太阳质量70%的恒星围绕大约12倍太阳质量的X射线源运动的系统。但是，这些已被认可的黑洞证认大概不过是冰山之尖而已。 这种‘恒星质量’黑洞，正如米切尔领悟的，只有当它们在双星系统中时才能探测到。一个孤立的黑洞无愧于它的名称——它是黑暗的、不可探测的。然而，根据天体物理学理论，很多恒星应该以中子星或黑洞作为其生命的结束。观测者在双星系统中实际上探测到的合适黑洞候选者差不多与他们发现的脉冲双星一样多，这表示孤立的恒星质量黑洞数目应该与孤立的脉冲星数目相同，这一推测得到了理论计算的支持。 我们银河系中现在已知大约500个活动的脉冲星。但理论表明，一个脉冲星作为射电源的活动期是很短的，它很快衰竭成无法探测的宁静状态。所以，相应地我们周围应该存在更多的‘死’脉冲星（宁静中子星）。我们的银河指法含有1000亿颗明亮的恒星，而且已经存在了数十亿年之久。最佳的估计是，我们银河指法今天含有4亿个死脉冲星，而恒星质量黑洞数量的甚至保守估计也达到这一数字的¼——1亿个。如果真有这么多黑洞，而黑洞又无规则地散布在银河系中的话，则最近的一个黑洞也离我们仅仅15光年。既然我们银河系没有什么独特之处，那么宇宙中每个其他的星系也应该含有同样多的黑洞。Ic 星系也可能含有某种很像米切尔的拉普拉斯最初设想的‘黑星’的天体。这样的天体现在称为‘特大质量黑洞’，被认为存在于活动星系和类星体的中心，它们提供的引力能可能解释这些天体的巨大能量来源。一个大小如太阳系、质量数百万倍于太阳质量的黑洞，可以从周围每年食掉一到两颗恒星的物质。在这个过程中，很大一部分恒星质量将遵照爱因斯坦分工E=mc2转变成能量。宁静的超大质量黑洞可能存在于包括我们银河系在内的所有星系星系的中心。 1994年，利用哈勃空间望远镜，在离我们银河系1500万秒差距的星系M87中，发现了一个大小约15万秒差距的热物质盘，在绕该星系中心区运动，速率达到约2百万公里每小时（约5*10-7 5乘于10的7次方，厘米/秒，几乎是光速的0.2%）。从M87的中心‘引擎’射出一条长度超过1千秒差距的气体喷流。M87中心吸积盘中的轨道速率决定性地证明，它是一个拥有30亿倍太阳质量的超大质量黑洞引力控制之下，喷流则可解释为从吸积系统的一个极区涌出来的能量。 也是在1994年，牛津大学和基尔大学的天文学家，在称为天鹅座V404的双星系统中证认了一个恒星质量黑洞。我们已经指出，该系统的轨道参数使他们得以给黑洞准确‘量体重’，得出黑洞质量约为太阳的12倍，而围绕它运动的普通恒星仅有太阳质量的70%左右。这是迄今对‘黑星’质量有最精确测量，因而它也是关于黑洞存在的最佳的、独特的证明. 有人推测，大爆炸中可能已经产生了大量的微黑洞或原始黑洞，它们提供了宇宙质量的相当大部分。这种微黑洞典型大小同一个原子相当，质量大概是1亿吨（10-11， 10的11次方千克）。没有证据表示这种天体确实存在，但也很难证明它们不存在。系的中心。 1994年，利用哈勃空间望远镜，在离我们银河系1500万秒差距的星系M87中，发现了一个大小约15万秒差距的热物质盘，在绕该星系中心区运动，速率达到约2百万公里每小时（约5*10-7 5乘于10的7次方，厘米/秒，几乎是光速的0.2%）。从M87的中心‘引擎’射出一条长度超过1千秒差距的气体喷流。M87中心吸积盘中的轨道速率决定性地证明，它是一个拥有30亿倍太阳质量的超大质量黑洞引力控制之下，喷流则可解释为从吸积系统的一个极区涌出来的能量。 也是在1994年，牛津大学和基尔大学的天文学家，在称为天鹅座V404的双星系统中证认了一个恒星质量黑洞。我们已经指出，该系统的轨道参数使他们得以给黑洞准确‘量体重’，得出黑洞质量约为太阳的12倍，而围绕它运动的普通恒星仅有太阳质量的70%左右。这是迄今对‘黑星’质量有最精确测量，因而它也是关于黑洞存在的最佳的、独特的证明. 有人推测，大爆炸中可能已经产生了大量的微黑洞或原始黑洞，它们提供了宇宙质量的相当大部分。这种微黑洞典型大小同一个原子相当，质量大概是1亿吨（10-11， 10的11次方千克）。没有证据表示这种天体确实存在，但也很难证明它们不存在

“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。 根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。 等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。 与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！ “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。