什么是黑洞?

黑洞是密度超大的星球,吸纳一切,光也逃不了.(现在有科学家分析,宇宙中不存在黑洞,这需要进一步的证明,但是我们在学术上可以存在不同的意见)

补注：在空间体积为无限小（可认为是0）而注入质量接近无限大的状况下，场无限强化的情况下黑洞真的还有实体存在吗？
或物质的最终结局不是化为能量而是成为无限的场？

首先,对黑洞进行一下形象的说明:

黑洞有巨大的引力,连光都被它吸引.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。
再从物理学观点来解释一下:
黑洞其实也是个星球(类似星球),只不过它的密度非常非常大, 靠近它的物体都被它的引力所约束(就好像人在地球上没有飞走一样),不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说，以第二宇宙速度（11.2km/s）来飞行就可以逃离地球，但是对于黑洞来说，它的第三宇宙速度(16.7千米/秒)之大，竟然超越了光速，所以连光都跑不出来，于是射进去的光没有反射回来，我们的眼睛就看不到任何东西，只是黑色一片。

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”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。

等恒星的半径小于一特定值（天文学上叫“施瓦西半径”）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”，是指任何物质一旦掉进去，就再不能逃出，包括光。实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。

黑洞的形成

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。

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，直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径)，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。

特殊的黑洞

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。

按组成来划分，黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压以吞噬物体，从而形成黑洞，详情请看宇“宙黑洞论”。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。但物理黑洞的体积却非常小，它可以缩小到一个奇点。

黑洞吸积

黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。

天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星——包括地球——也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。但是当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。

然而黑洞并不是什么都吸收的,它也往外边散发质子.

爆炸的黑洞

黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬·霍金于1974年做此语言时，整个科学界为之震动。黑洞曾被认为是宇宙最终的沉淀所：没有什么可以逃出黑洞，它们吞噬了气体和星体，质量增大，因而洞的体积只会增大，霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量，这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。

奇妙的萎缩的黑洞

当一个粒子从黑洞逃逸而没有偿还它借来的能量，黑洞就会从它的引力场中丧失同样数量的能量，而爱因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的损失会导致质量的损失。因此，黑洞将变轻变小。

沸腾直至毁灭

所有的黑洞都会蒸发，只不过大的黑洞沸腾得较慢，它们的辐射非常微弱，因此另人难以觉察。但是随着黑洞逐渐变小，这个过程会加速，以至最终失控。黑洞委琐时，引力并也会变陡，产生更多的逃逸粒子，从黑洞中掠夺的能量和质量也就越多。黑洞委琐的越来越快，促使蒸发的速度变得越来越快，周围的光环变得更亮、更热，当温度达到10^15℃时，黑洞就会在爆炸中毁灭。

关于黑洞的文章：
自古以来，人类便一直梦想飞上蓝天，可没人知道在湛蓝的天幕之外还有一个硕大的黑色空间。在这个空间有光，有水，有生命。我们美丽的地球也是其中的一员。虽然宇宙是如此绚烂多彩，但在这里也同样是危机四伏的。小行星，红巨星，超新星大爆炸，黑洞……

黑洞，顾名思义就是看不见的具有超强吸引力的物质。自从爱因斯坦和霍金通过猜测并进行理论推导出有这样一种物质之后，科学家们就在不断的探寻，求索，以避免我们的星球被毁灭。

黑洞与地球毁灭的关系

黑洞，实际上是一团质量很大的物质，其引力极大（仡今为止还未发现有比它引力更大的物质），形成一个深井。它是由质量和密度极大的恒星不断坍缩而形成的，当恒星内部的物质核心发生极不稳定变化之后会形成一个称为“奇点”的孤立点（有关细节请查阅爱因斯坦的广义相对论）。他会将一切进入视界的物质吸入，任何东西不能从那里逃脱出来（包括光）。他没有具体形状，也无法看见它，只能根据周围行星的走向来判断它的存在。也许你会因为它的神秘莫测而吓的大叫起来，但实际上根本用不着过分担心，虽然它有强大的吸引力但与此同时这也是判断它位置的一个重要证据，就算它对距地球极近的物质产生影响时，我们也还有足够的时间挽救，因为那时它的“正式边界”还离我们很远。况且，恒星坍缩后大部分都会成为中子星或白矮星。但这并不意味着我们就可以放松警惕了（谁知道下一刻被吸入的会不会是我们呢？），这也是人类研究它的原因之一。

恒星,白矮星,中子星,夸克星,黑洞是依次的五个密度当量星体,密度最小的当然是恒星,黑洞是物质的终极形态,黑洞之后就会发生宇宙大爆炸,能量释放出去后,又进入一个新的循环.

另外黑洞在网络中指电子邮件消息丢失或Usenet公告消失的地方。

黑洞名称的提出

黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。

1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名符其实的——在空间中的黑的空洞。几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自提出和米歇尔类似的观念。非常有趣的是，拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去，可能他认为这是一个愚蠢的观念。（此外，光的微粒说在19世纪变得不时髦了；似乎一切都可以以波动理论来解释，而按照波动理论，不清楚光究竟是否受到引力的影响。）

事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间，这个理论对大质量恒星的含意才被理解。

为了理解黑洞是如何形成的，我们首先需要理解一个恒星的生命周期。起初，大量的气体（大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时，气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这增添的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球缩小，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而，最终恒星会耗尽了它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被用得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内用尽其燃料， 这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解。

1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安·强德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。（据记载，在本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了一下，然后回答：“我正在想这第三个人是谁”。）在他从印度来英的旅途中，强德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后，多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己。这个思想是说：当恒星变小时，物质粒子靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它们必须有非常不同的速度。这使得它们互相散开并企图使恒星膨胀。一颗恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力达到平衡而保持其半径不变，正如在它的生命的早期引力被热所平衡一样。

然而，强德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。强德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为强德拉塞卡极限。）苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也得到了类似的发现。

这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英哩和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。

兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英哩左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它。实际上，很久以后它们才被观察到。

另一方面，质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。怎么知道它必须损失重量呢？即使每个恒星都设法失去足够多的重量以避免坍缩，如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上，使之超过极限将会发生什么？它会坍缩到无限密度吗？爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信强德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使强德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。

强德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于强德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被一位年轻的美国人罗伯特·奥本海默于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默本人非常密切地卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。

现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去 。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，为了理解你所看到的情况，切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂！然而，我们相信，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。

罗杰·彭罗斯和我在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到

黑洞 black hole

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1/4——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。
参考资料：http://www.astron.sh.cn/cgi-bin/topic.cgi?forum=1&topic=4242
回答者：正宗百科全书 - 举人 四级 3-10 17:40

黑洞 black hole

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1/4——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。

黑洞是由德国数学家卡尔·史瓦西首次计算出来的，在黑洞周围任何东西无论是信号、光还是物质都无法逃逸，时空在这里成为了一个无底洞，这么一个看不到摸不到也探测不到的地方就叫黑洞。

纽约美国自然历史博物馆海登天文馆馆长尼尔·德格拉斯·泰森表示：“如果我们遭黑洞袭击，对于太阳系来说，这将是一个不幸的时刻。”庞大的银河系中存在着数十亿颗恒

星，每一颗都处于生命周期中不同的点。科学家认为，如果按常规推测，每天死亡的恒星至少有1颗。一些质量巨大的恒星在其生命的最后阶段会发生塌陷并最终演化为黑洞。拥有巨大引力的黑洞充当无形的宇宙真空吸尘器，吞噬所到之处的一切物体，就连光线也无法逃离它的魔爪。

纽约市立大学理论物理学教授加来道雄解释说：“如果发射核武器攻击黑洞，所产生的效果不过是打了个小洞而已，巨大的黑洞引力实在是太可怕了。”黑洞位于所有庞大星系的心脏。人类所在的银河系的中央也存在这样一个宇宙怪物。天文学家表示，在宇宙中“定居”的黑洞数量可能超过1000万。

科学家最初认为人类无需有任何恐慌，因为黑洞被认为是固定不动的。加来道雄表示：“2000年，情况变得一团糟，也就是这个时候，我们找到确实的证据，证明银河系中存在流浪的黑洞，而且就挨着我们的后院。”科学家表示，幸运的是，黑洞朝地球进发进而吞噬人类的可能性极低。然而，如果一个黑洞真的进入太阳系并与地球成为邻居，人类世界会发生什么呢？

可怕的黑洞能够吞噬光线，科学家仍无法对它进行直接观察，但他们可以观察黑洞对周围物质的破坏。天文学家表示，黑洞来袭的最初征兆是夜晚天空中发生的微妙变化。黑洞引力将扭曲地球的轨道，我们随即发现其它行星以及银河系中恒星的轨道发生变化。黑洞距离地球越近，地球轨道遭扭曲的程度也就越严重。即便是一颗距离太阳系10亿英里的黑洞，仍会影响地球的轨道，改变我们的潮汐。

如果一颗流浪的黑洞逼近太阳系并且向地球进发，科幻小说中描写的人类浩劫将成为现实。地球将冲出它的轨道脱离太阳系，或是朝相反的方向飞向太阳，致命的高温将地球上的一切生灵化为灰烬。无论是哪一种情况，一旦黑洞逼近地球，人类家园将被无情劈开，难逃被吞噬的命运。泰森表示：“在黑洞与地球的较量中，地球注定要失败，这是显而易见的。”

天文学家通过长期观测发现，在宇宙中有一些引力非常大却又看不到任何天体的区域，称之为黑洞。黑洞是位居宇宙空间和时间构造中的一些深不见底的类似井状的东西，具有极大的吸引力，包括光在内的任何物体都无法逃脱被吸入的命运。这就使得人们对于黑洞的研究变得异常困难：它既不向外散发能量，也不表现出任何形式的能量，人们根本无法看到它。因此，人们对于黑洞的研究就象是对一种看不见的东西进行研究。

科学家们认为，黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，当一颗质量相当大的星体核能(氢)耗尽后，没有辐射压力去抵抗重力，平衡态不再存在时，这个星体将全面塌缩。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。根据科学家的计算，当中子星的总质量超过三倍太阳的质量时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。若其质量仍大于3个太阳质量时，那么连中子的气体压力也不能平衡重力，星体将继续塌缩至它的重力半径范围之内。这时，引力之大足以使一切粒子，包括光子，都被引回星体本身，不能外逸，就形成了引力极强的黑洞。黑洞可以吞噬附近的一切物质，它先将物质吸引到附近围绕它们高速旋转；随着转速的加快，物质变为炙热的等离子体，并逐渐靠近黑洞旋转中心；当它们最终接近黑洞时，就会被吞噬。

通常，黑洞是无法被发现的，但是也有例外：如果在它附近有气团，则会产生飞向黑洞的气流，于是气流也暴露了黑洞的位置。众所周知，在压缩时气体物质会被加热到几百万度，同时产生强烈的X射线辐射。用X射线观测望远镜就可以探测到黑洞的存在。2004年，著名的“钱德拉”X射线观测望远镜发现了一颗巨大黑洞的X射线，并将其命名为“SDSSpJ306”，它位于距离我们地球26亿光年的MS0735星团。天文学家通过对这些X射线和其所在星系的重力影响一起进行检测，推测它“出生”于127亿年前———而宇宙大爆炸发生在137亿年前。这说明，黑洞与星系同时演化，两者谁也不会单独主导早期宇宙中星体的快速诞生。 在此次观测中，天文学家们还在处于星系中心的“SDSSpJ306”黑洞的周围发现了许多新生星体，而且更多的星体正在形成之中。该发现给新出现的星系形成演化理论提供了重要的直接证据。

科学家们认为，黑洞是有质量的。黑洞一般被旋转的热气体圆盘所包围，这些热气体在以螺旋运动逐渐被黑洞吸收时会发出大量的电磁辐射。黑洞附近发光的氢原子谱线宽度与旋转速度有关。旋转速度越快，氢原子发出的谱线越宽，说明黑洞的质量越大。通过对氢原子谱线研究发现，“SDSSpJ306”黑洞有10亿个太阳重，所产生的能量更是太阳的20万亿倍。这个黑洞如此之大，以致它的引力作用范围大小与银河系相当。在这个黑洞吞噬星团的同时，还将一些热气体以射流形式喷还给宇宙，形成了两个巨大洞穴，每个洞穴的直径大约为65万光年。黑洞再次喷发出来的气体质量，相当于1万亿个太阳质量，这种喷射已经持续了1亿年之久。

黑洞有大有小。超巨黑洞的质量达到太阳的数百万甚至数十亿倍。小黑洞的质量与太阳基本处于一个数量级，主要由质量相当于太阳10倍左右的恒星发生超新星爆炸形成。超巨黑洞位于星系中心，据推测每个星系都有，质量一般约为星系总质量的0.5%。2002年10月，欧洲科学家宣布了银河系中心存在超巨黑洞的最佳证据。他们说，过去20年中，科学家们一直在观测银河系中心一些星体的活动情况，尤其对一颗名为S2的星体的运行轨道进行了跟踪研究，最终得出结论：S2附近确实存在一个巨型黑洞。质量是太阳7倍的S2，以每小时1.8亿公里的高速每15.2年绕银河系中心一周。之所以如此高速，是因为它周围存在黑洞，“害怕”被黑洞“吞噬”。经过计算，这一黑洞距地球2.6万光年，质量是太阳的370万倍。 银河系中心黑洞每年“食量”不足地球质量的1%。黑洞“食量”是根据它吞噬“食物”时发出X射线的强弱程度计算出来的。科学家还提出，如果黑洞获得了源源不断的“食物供给”，就可能从相对安静的状态中“醒来”，处于活跃状态中。

2.黑洞的种类

按组成来划分，黑洞可以分为两大类。一是暗能量黑洞，二是物理黑洞。暗能量黑洞主要由高速旋转的巨大的暗能量组成，它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量以接近光速的速度旋转，其内部产生巨大的负压以吞噬物体，从而形成黑洞。暗能量黑洞是星系形成的基础，也是星团、星系团形成的基础。物理黑洞由一颗或多颗天体坍缩形成，具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或大于一个星系的质量时，我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大，可以有太阳系那般大。但物理黑洞的体积却非常小，它可以缩小到一个奇点。

3.暗能量黑洞的形成

根据科学家们的推算，宇宙大爆炸大约发生在137亿年以前。宇宙大爆炸之后，就形成了宇宙。它由两部分组成。一是由暗能量组成的世界，称之为黑暗世界；二是物质组成的世界，称之为物质世界。黑暗世界以旋涡场的形式存在，整个宇宙空间都被各种不同大小的旋涡场所充满。而物质世界则主要是以宇宙尘埃的形式存在,它们不均匀分布在各个旋涡场之中。在一个如星系般大小的旋涡场中，以Ep来表示宇宙尘埃绕它的旋涡中心运动的总动能。该旋涡场内的暗能量则分为两部分。一部分为旋涡中心的暗能量，以En1来表示。另一部分为旋涡中心之外的暗能量，用En2来表示。以En来表示星系的总暗能量，则有En=En1+En2。宇宙尘埃的运动是由暗能量来推动的。当En=Ep时，暗能量将全部转化为宇宙尘埃运动的动能。在这种情况下，旋涡场处于一种平衡状态，它既不收缩，也不膨胀。

下面分几种情况进行讨论。

(1).恒星的形成

当旋涡场内的宇宙尘埃很多时，Ep值比En大很多,即暗能量的旋转负荷太重。在旋涡场的旋转角速度不变的情况下，我们可以得到宇宙尘埃绕旋涡中心运动的总动能公式，如下所示：

Ep=MpVp2/2=Mp(ωR)2/2…………（6）

上式中，Vp为宇宙尘埃绕旋涡中心运动的平均速度，Mp为旋涡场中宇宙尘埃的总质量，ω为旋涡场的旋转角速度，R为宇宙尘埃到旋涡中心的平均距离。根据这条公式，当宇宙尘埃向旋涡中心靠近时，Ep值就会减少。当Ep值比En大很多时，旋涡场的转动负荷太重。在这种情况下，旋涡场必定收缩，宇宙尘埃必定向旋涡中心靠近，最后沉积到旋涡中心处变成沉积物。随着时间的推移，旋涡中心处的沉积物越来越多，最后变成了一颗恒星。恒星形成之后，当En=Ep时，其余的宇宙尘埃就再也不能沉积到旋涡中心。这些余下的宇宙尘埃就会在较小的旋涡场中形成围绕恒星运动的自转行星。

(2).星系的形成

当旋涡场很大,宇宙尘埃很多,En值与Ep相差不多时，旋涡场就处于一种平衡状态。在这种情况下，这些宇宙尘埃就无法靠近旋涡中心。这个大旋涡场中有无数个较小的旋涡场。象上述(1)所说的那样，每个小旋涡场形成一个恒星，无数个小旋涡场就会形成无数个恒星。这些小旋涡场都跟随大旋涡场旋转，由此而形成星系。

(3).宇宙旋涡的形成

当旋涡场内没有宇宙尘埃,即Ep=0时,旋涡场会不断地膨胀。当旋涡场内的宇宙尘埃很少时，它的总动能与暗能量相差太远，不足以阻止旋涡场的膨胀，结果，它会被旋涡场的旋转离心力抛出场外。到最后，旋涡场内将不存在任何宇宙尘埃。内部没有宇宙尘埃的旋涡场，它的旋转角速度是均匀的。旋涡场在离心力的作用下不断膨胀，它边缘的暗能量的运动速度也在不断增加。但当它的周围都有大小与它相差不多的旋涡场时，它的膨胀就会受阻。在这种情况下，旋涡场旋转的角速度以及暗能量运动的速度就相对稳定了下来，由此而形成一个不停地转动的宇宙旋涡。当星体顺着这种宇宙旋涡的旋转方向进入时，它就会被旋涡场的旋转之力弯转1800。接着，旋涡场用离心力推动它按原路返回。离开太阳系很远的慧星之所以能够返回太阳附近，所依赖的就是这种宇宙旋涡的力量。

(4).旋涡场的分类

我们把宇宙旋涡场按大小分为如下八种：
U旋涡场：又叫宇宙旋涡场，它的范围包括整个宇宙。
S旋涡场：又叫星糸团旋涡场，它的范围包括整个星糸团。
A旋涡场：又叫叫星系旋涡场，它的范围包括整个星系。
B旋涡场：又叫星团旋涡场，它的范围包括整个星团。
C旋涡场：又叫恒星旋涡场，它的范围被局限于恒星周围，包括所有行星的运行轨道。
D旋涡场：又叫行星旋涡场，它的范围被局限于行星周围，包括所有卫星的运行轨道。
E旋涡场：又叫卫星旋涡场，它的范围被局限于卫星周围。
F旋涡场：比E类旋涡场小的旋涡场。

(5).星系黑洞的形成

在每个星系的中心都有一个旋涡场，称之为星系旋涡中心。根据上述星系的形成原理，在它刚形成的时候，星系旋涡中心是没有宇宙尘埃的。在旋转离心力的作用下，它自然会向外膨胀。但在它的周围布满了很多大小与它相当的旋涡场，所以，它的膨胀受阻。各种旋涡场的旋转离心力在旋涡场边缘互相对抗，不断地进行对比和较量。经过很长一段时间之后，它们的对抗之力达到一种相对平衡状态。最后，星系旋涡中心的范围就被固定了下来。

由于星系旋涡中心是星系旋涡场的动力中心，所以，它内部贮藏的暗能量在星系中是最强大的。在强大暗能量的推动下，星系旋涡中心的旋转速度越来越快，暗能量在强大离心力的作用下不断地向旋涡中心的边缘集中，星系旋涡中心的中部地带的暗能量不断地被抽走，越来越少。最后，星系旋涡中心的内部就变成了一种真空状态，至此，它的旋转速度才能稳定下来。而星系旋涡中心的边缘就形成了一个由高速旋转的暗能量组成的圆盘，它把星系旋涡中心紧紧地包围了起来。这个高速旋转的圆盘带动周围的气体运动，使之发生激烈磨擦而发热，由此而变成了一个热气体圆盘。这个内部成为真空状态的星系旋涡中心就是一个暗能量黑洞，称之为星系黑洞。

星系黑洞被一个热气体圆盘所包围。这个圆盘的旋转速度有多大呢？在星系黑洞的形成过程中，它内部是没有质量的，即在旋涡中心内部不存在物质运动的动能。所以，它的虚拟质量为零。根据暗能量的动能公式En=MnVn2/2，当虚拟质量Mn=0时，圆盘中暗能量的速度Vn将达到无穷大。但实际上，宇宙黑洞会吸入物质，所以，圆盘的速度不可能达到无限大。将光子的性质与这个圆盘进行比较，两者的质量都接近零。由此类推，这个热气体圆盘的旋转速度应该接近光速。

由于星系黑洞是A旋涡场的旋转中心，所以我们又称之为A黑洞。

(6).星团黑洞

在星系中有很多B旋涡场。当B旋涡场内有很多宇宙尘埃，En值与Ep相差不多时，B旋涡场就处于一种平衡状态。在这种情况下，这些宇宙尘埃就无法靠近旋涡中心。B旋涡场内也有很多C旋涡场。象上述(1)所说的那样，每个C旋涡场形成一个恒星，很多C旋涡场就会形成很多恒星。这些恒星围绕B旋涡场的中心旋转，由此而形成一个星团。

在每个星团的中心都有一个旋涡场，称之为星团旋涡中心。很显然，星团旋涡中心内部是没有宇宙尘埃的。最后，它也象星系旋涡中心一样发展为一个暗能量黑洞，称之为星团黑洞。很显然，星团黑洞比星系黑洞小很多。星团黑洞的形成过程请参看第(5)部分内容。

由于星团黑洞是B旋涡场的旋转中心，所以我们又称之B黑洞。

(7).星系团黑洞

宇宙中有很多S旋涡场。当S旋涡场内聚集到很多星系时，就会形成一个星系团。产生星系团的条件是：星系绕星系团中心旋转的总动能约等于S类旋涡场的暗能量。在每个星系团的中心有一个旋涡场，称之为星系团旋涡中心。最后，它也象星系旋涡中心一样发展为一个暗能量黑洞，称之为星系团黑洞。由于它是S旋涡场的旋转中心，所以，又称之为S黑洞。星系团黑洞的形成过程请参看第(5)部分内容。

(8).宇宙中心黑洞

宇宙是一个大旋涡场，称之为U旋涡场。它的范围包括整个宇宙。所以，U旋涡场的中心就是宇宙的中心。在宇宙的中心有一个旋涡场，称之为宇宙中心旋涡场。最后，它也象星系旋涡中心一样发展为一个暗能量黑洞，称之为宇宙中心黑洞。由于它是U旋涡场的旋转中心，所以又称之为U黑洞。宇宙中心黑洞的形成过程请参看第(5)部分内容。

综上所述，暗能量黑洞分为四种类型，从大到小排列如下：U黑洞、S黑洞、A黑洞和B黑洞。U黑洞是宇宙中最大的黑洞，而且它是宇宙的旋转中心。

4.黑洞引力公式

根据上述理论，暗能量黑洞由如下两部分组成：一是热气体圆盘，二是被热气体圆盘所包围的宇宙真空。很显然，在热气体圆盘的内部和外部之间形成了一种压强差，它内部的压强比它外部低很多。我们用P1和P2分别来表示热气体圆盘的外部压强和内部压强，用P来表示它们的正压强差，则P=P1-P2。很显然，正压强的方向是从热气体圆盘的外部指向它的内部的。用V来表示热气体圆盘的旋转速度，用En1来表示它的暗能量。用L来表示黑洞的体积。则，我们可以得到如下公式：

P=KEn1V/L …………（7）

公式(7)中，K为一个比例系数，称之为暗能量黑洞的引力常数。公式(7)的意思是：黑洞内外的正压强差与黑洞内的暗能量和黑洞圆盘的旋转速度的乘积成正比，与黑洞的体积成反比。

当一个物体接触热气体圆盘时，两者之间就会产生一个接触面积，用S来表示。我们用F来表示黑洞对该物质的吸引力，则可得到如下公式：

F=PS=KSEn1V/L …………（8）

公式(8)就是黑洞对物体的引力公式。很显然，黑洞对物体的引力与物体的质量大小无关。对于巨大黑洞来说，它的暗能量非常强大，它的旋转速度接近光速。所以，这种黑洞的引力非常巨大。

黑洞吸引物体是有一个过程的。当物体在黑洞的周围但未接触黑洞的热气体圆盘时，物体被黑洞吸引的受力面积S=0，则黑洞对物体的引力F=0。它意味着，黑洞外部的物体运动与黑洞的引力无关。星系中所有的恒星都绕黑洞运动，是因为黑洞是星系旋涡场的旋转中心，而不是因为受到黑洞引力的作用。

当物体接触热气体圆盘时，它就会受到黑洞的引力。但刚接触时的引力很小，而圆盘周围的气流速度却非常大。在这种情况下，物体必然被圆盘气流带动，并跟随气流而去。随着物体与圆盘的接触面增大，黑洞对物体的引力也在增大。当黑洞对物体的引力比物体绕黑洞运动的离心力大时，它就会被吸入黑洞之中。这种情况表明，虽然黑洞的引力与物体的质量无关，但物体被黑洞引力吸入洞内的过程却与物体的质量有关。

在物体进入黑洞之后，该物体就会被黑洞内部的压强所包围。物体内部的压强与它在黑洞外部时的压强相等。所以，在物体的内部和外部之间就形成了一种压强差，根据公式(7)就可以求出它的值。正压强差的方向是从物体内部指向外部的，受力面积包括物体的全部表面。结果，物体的整个表面同时受到强横无比的拉力，在刹那之间它就会被这种强大的拉力撕得粉碎，最后变成了气态状。

当光子进入黑洞时，它也会被黑洞的引力所包围。光子内部的压强与它进入黑洞之前是一样。所以，在光子的内部和外部之间就会形成强横无比的压强差。结果，象上面所叙述的一样，在光子进入黑洞的刹那之间就会被黑洞的引力撕得粉碎。所以，在光子进入黑洞后，它是无法从黑洞中逃出来的。

结论：包括光子在内的任何物体，它们进入暗能量黑洞之后都会在刹那之间爆炸开来，变成气态状。

“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。