黑洞是一個(gè)引力大到光都無(wú)法從其中逃脫的天體,。也就是一旦進(jìn)入黑洞,，便再也無(wú)法逃脫,，但其實(shí)黑洞是很難進(jìn)入的,。

根據(jù)愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，時(shí)空是可以被扭曲,、壓縮的,。譬如，有一把一米長(zhǎng)的尺子,，當(dāng)它置于引力場(chǎng)中時(shí),，長(zhǎng)度會(huì)變短。但此處要注意,，尺子自己并不會(huì)覺(jué)得自己的長(zhǎng)度變短了,，而是在引力場(chǎng)以外的人覺(jué)得尺子變短了。

同樣地,，一段時(shí)間在引力場(chǎng)中,，也會(huì)被壓縮變短，如果拿著一塊表走進(jìn)引力場(chǎng),，你不會(huì)覺(jué)得自己的時(shí)間變慢,，而是外面的人看你的時(shí)間會(huì)變慢，你的動(dòng)作在外面的人看來(lái)變成了慢動(dòng)作,。

著名的科幻電影《星際穿越》里,，男主角和女主角去了一趟黑洞邊上的行星，他們只去了三個(gè)小時(shí),，回到飛船上的時(shí)候,，他們的同事已經(jīng)過(guò)了 20 年了,。片中引力場(chǎng)以外的 20 年，到了引力場(chǎng)里就被壓縮成了三個(gè)小時(shí),。

用廣義相對(duì)論來(lái)描述黑洞的邊緣的話,，其實(shí)是時(shí)空的壓縮太劇烈了，把時(shí)空的尺度都?jí)嚎s成零了,。譬如,，你去黑洞里玩一圈，我在外面幫你把風(fēng),，我們約定好,，你每隔 1 分鐘給我發(fā)一條信息報(bào)平安。

在這個(gè)過(guò)程中,，對(duì)你來(lái)說(shuō),，你還是每隔 1 分鐘給我發(fā)一條信息，但問(wèn)題是,，隨著你靠近黑洞邊緣,，我看這 1 分鐘卻是越來(lái)越長(zhǎng)的。

隨著你越發(fā)靠近黑洞,，你的時(shí)間流逝相對(duì)于我來(lái)說(shuō)被壓縮得越來(lái)越短,，也許一開(kāi)始我的 1 個(gè)小時(shí)被壓縮成你的 1 分鐘，到后面我的 10 個(gè)小時(shí)才被壓縮成你的 1 分鐘,。隨著你越發(fā)靠近黑洞邊緣,，你的 1 分鐘時(shí)間在我看來(lái)越來(lái)越長(zhǎng)。

到最后你無(wú)限接近黑洞的時(shí)候,，你的 1 分鐘將對(duì)應(yīng)我的無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間,。哪怕我長(zhǎng)生不老，等到天荒地老,、?？菔癄€，我也看不到你真正到達(dá)黑洞邊緣的那一天,，能見(jiàn)到的只是你不斷趨近黑洞邊緣,。所以在我看來(lái)你是永遠(yuǎn)進(jìn)不去的。

換成你的視角,，你能進(jìn)入黑洞嗎,？是可以的。

你進(jìn)入黑洞的時(shí)間在你看來(lái)是有限的,，問(wèn)題是你的有限時(shí)間,，對(duì)應(yīng)于黑洞外的無(wú)限時(shí)間。也就是在你看來(lái),，全宇宙在轉(zhuǎn)瞬間就結(jié)束了,。

宇宙都結(jié)束了,，黑洞還在不在就不知道了。如果宇宙最終會(huì)在有限時(shí)間里迎來(lái)終結(jié)的話,，在你真正進(jìn)入黑洞前,，全宇宙就結(jié)束了。根據(jù)這番推理,，不管是你自己想進(jìn)去,，還是我看著你進(jìn)去，只要宇宙的壽命是有限的,，你都進(jìn)不去,。

但以上的討論十分理想化，現(xiàn)實(shí)情況是,，黑洞不僅會(huì)吸收很多物質(zhì),，也會(huì)發(fā)生黑洞合并的情況。為什么現(xiàn)實(shí)中黑洞又能進(jìn)得去呢,？這里的關(guān)鍵是,，我們并非進(jìn)入了黑洞，而是黑洞來(lái)「迎接」我們,，后文將繼續(xù)分析,。

為什么無(wú)法從黑洞里逃出來(lái)？

要進(jìn)入黑洞并不容易,，因?yàn)樵诤诙赐獾娜丝磥?lái),，進(jìn)入黑洞的人要花無(wú)限久的時(shí)間才能到達(dá)黑洞邊緣,。就讓我們假設(shè),，如果你真的進(jìn)入黑洞，還能回來(lái)嗎,？答案是,，當(dāng)然回不來(lái)。

假設(shè)你想進(jìn)黑洞玩一圈,，我在外邊給你把風(fēng),，這時(shí)你剛好一只腳踩到了黑洞邊緣，想要往回走,。但我等到天荒地老,、海枯石爛,，也等不到你出來(lái)的那一天,，為什么呢？還是可以從兩個(gè)角度來(lái)看這個(gè)問(wèn)題,。

對(duì)于在黑洞外的我來(lái)說(shuō),，你在黑洞邊緣,，你的有限時(shí)間等于我的無(wú)限時(shí)間，你只要往回走就要消耗你的時(shí)間,，但這個(gè)時(shí)間我可耗不起,，可能你過(guò)了 0.0001 秒，外面的宇宙就已全部結(jié)束,。在你看來(lái),，你能出來(lái)嗎？一樣出不來(lái),。

你確實(shí)可以往回走,，但不要忘了你的時(shí)空在外面的人看來(lái)已經(jīng)被壓縮成零了，也就是外面的時(shí)空尺度對(duì)于你來(lái)說(shuō)是無(wú)窮大,，回家的路對(duì)你來(lái)說(shuō)已是無(wú)窮遠(yuǎn),。根據(jù)狹義相對(duì)論，你運(yùn)動(dòng)的最快速度只能是光速,，用有限的速度,、有限的時(shí)間，不可能走完這無(wú)窮的回家之路,。

這里我們就看出了廣義相對(duì)論黑洞和經(jīng)典黑洞的區(qū)別了,。經(jīng)典黑洞是說(shuō)引力太強(qiáng)，光的速度不夠快,，脫離不了經(jīng)典黑洞的束縛,。廣義相對(duì)論描述的黑洞則是，因?yàn)橐μ珡?qiáng),，時(shí)空尺度被極致壓縮,，從黑洞里走出來(lái)這個(gè)動(dòng)作所耗費(fèi)的時(shí)間，在黑洞外的人看來(lái)是無(wú)限久,。走出黑洞要經(jīng)過(guò)的距離,，在黑洞里的人看來(lái)是無(wú)限遠(yuǎn)。

不管從哪個(gè)角度看,，需要的時(shí)間都是無(wú)限久,，這才是進(jìn)入黑洞以后便出不來(lái)的真正含義。 如果黑洞進(jìn)不去,，它是怎么吸東西的,？ 既然理論上黑洞根本就無(wú)法進(jìn)入，但其實(shí)在現(xiàn)實(shí)中,，黑洞在不斷地吸收物質(zhì),，還有黑洞合并的現(xiàn)象發(fā)生。這又是為什么呢？ 黑洞吸收物質(zhì)的過(guò)程,，并非把物質(zhì)吸引到自己原本的視界線范圍內(nèi),，而是當(dāng)周邊物質(zhì)與視界線接近到一定程度時(shí)，黑洞的視界線會(huì)擴(kuò)大,，把被吸的物質(zhì)包含進(jìn)去,。這個(gè)吸收過(guò)程，并非黑洞在那里不動(dòng),，等著物質(zhì)進(jìn)去,，而是當(dāng)物質(zhì)靠近到一定程度，黑洞就會(huì)「主動(dòng)出擊」,，把物質(zhì)「攬」進(jìn)去,，進(jìn)去后，黑洞的范圍變大了,。

所謂黑洞吸收物質(zhì),，其實(shí)是黑洞的視界線擴(kuò)大來(lái)迎合物質(zhì)。 我們可以考慮一個(gè)相對(duì)容易理解的過(guò)程：兩個(gè)黑洞合并,。兩個(gè)黑洞的合并不應(yīng)理解為一個(gè)黑洞進(jìn)入另一個(gè)黑洞,。可以想象原本只有一個(gè)黑洞的時(shí)候,，我們研究這個(gè)黑洞視界線外的某一區(qū)域,，既然是在黑洞視界線之外，此處的時(shí)空尺度并未被壓縮為零,，所以它是正常時(shí)空,。

但隨著另一個(gè)黑洞的靠近，這個(gè)本來(lái)不是黑洞內(nèi)部的點(diǎn),，也會(huì)疊加另一個(gè)黑洞的引力,，因此此處的時(shí)空尺度會(huì)被壓縮得越發(fā)劇烈。 當(dāng)另一個(gè)黑洞來(lái)到足夠近時(shí),，該點(diǎn)的時(shí)空尺度已被壓縮為零,，于是它就變成了黑洞內(nèi)部的一個(gè)點(diǎn),，原黑洞的視界線范圍就擴(kuò)大了,。所以說(shuō)黑洞的融合過(guò)程，并非一個(gè)黑洞進(jìn)入另外一個(gè)黑洞,，也不是兩個(gè)黑洞發(fā)生碰撞,，而是在兩個(gè)黑洞靠近的過(guò)程中，每個(gè)黑洞的視界線范圍都在不斷擴(kuò)大,，當(dāng)兩個(gè)黑洞靠得足夠近時(shí),，它們中間的區(qū)域疊加了兩個(gè)黑洞的引力，在兩個(gè)黑洞還未碰到一起時(shí)，中間區(qū)域就已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為黑洞的一部分了,。

前篇提到,，一個(gè)觀察者無(wú)法進(jìn)入黑洞，我們假設(shè)這個(gè)觀察者是一個(gè)純粹的時(shí)空觀察者,，這個(gè)觀察者被抽象成質(zhì)量為零,，所以他永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到黑洞邊緣。但黑洞吸收物質(zhì)的過(guò)程是什么樣的呢,？ 比如,，黑洞撕碎一個(gè)恒星，吸收恒星物質(zhì)的過(guò)程,，其實(shí)是恒星的物質(zhì)靠近黑洞邊緣時(shí),，恒星的質(zhì)量也會(huì)壓縮周?chē)臅r(shí)空，當(dāng)恒星靠近黑洞到一定程度時(shí),，它周?chē)臅r(shí)空尺度被壓縮為零,，恒星的位置就自然變成了黑洞的一部分，它被黑洞擴(kuò)大了的視界線包含進(jìn)去了,。

這才是對(duì)于黑洞吸收物質(zhì)以及黑洞合并過(guò)程的正確理解,。 黑洞不光往里吞，也往外吐：霍金輻射 黑洞的引力如此強(qiáng)大,，一旦進(jìn)入黑洞的東西,，就再也無(wú)法逃脫，但真的如此嗎,？還真不一定,。根據(jù)霍金的理論，黑洞并非完全「一毛不拔」,，而是存在「霍金輻射」,。

但霍金輻射理論目前還停留在猜想階段。如果霍金理論被證明是正確的話,，那黑洞其實(shí)是一個(gè)「灰洞」,。 我們之前討論的黑洞，只考慮了它廣義相對(duì)論的性質(zhì),，沒(méi)有考慮它的量子力學(xué)性質(zhì),。英國(guó)物理學(xué)家狄拉克的理論告訴我們，真空并非徹底空無(wú)一物,，而是存在「量子漲落」,。真空其實(shí)不那么平靜，它一直在發(fā)生正反粒子對(duì)的生成以及湮滅,。

就好像海平面,，你在高空看它的時(shí)候，它是非常平靜的，但如果靠近了看,，海平面上其實(shí)有不少小水滴在上上下下,、起起伏伏地運(yùn)動(dòng)著。再想象一個(gè)裝滿水的瓶子,，你從里面吸走一滴水,，水瓶里就會(huì)多出一個(gè)氣泡，這個(gè)氣泡也會(huì)動(dòng)來(lái)動(dòng)去,，它的行為就好像一個(gè)粒子,。 量子漲落說(shuō)的就是，真空非空,，它隨機(jī)產(chǎn)生正反粒子對(duì),，正粒子就好像海面上的小水滴，反粒子就好像被吸走的小水滴留下來(lái)的氣泡,。

霍金輻射理論說(shuō)的是,，在黑洞的邊緣，也有這樣的正反粒子對(duì)在不斷地產(chǎn)生,，由于反粒子在黑洞外的正常時(shí)空不能大量存在,，就好比油在水里一定不能相融一樣，它必然要運(yùn)動(dòng)到水的表面,。類(lèi)似的,，黑洞邊緣周?chē)a(chǎn)生的正反粒子對(duì)，大部分反粒子被吸收到黑洞里去了,。正粒子在黑洞視界線以外,，就有機(jī)會(huì)可以逃出去。 這種正粒子逃出去的集體行為,，從統(tǒng)計(jì)規(guī)律上來(lái)看,，就好像黑洞在輻射一些粒子出來(lái)，這就是霍金輻射,，是純粹的量子力學(xué)效果,。同時(shí)反粒子被吸收進(jìn)黑洞之后，會(huì)與黑洞里的正粒子相互抵消,，從而減小黑洞的質(zhì)量,。因此，霍金輻射的效果是,，黑洞也會(huì)輻射出一些粒子并不斷減小自身質(zhì)量,，這個(gè)行為叫作黑洞的「蒸發(fā)」。

這樣看來(lái),，黑洞也不是一直在吸，它也在向外「吐」東西，「吐」的就是霍金輻射,?；艚疠椛涞妮椛淞空扔诤诙吹谋砻娣e，也就是一個(gè)球的表面積,，是 4π r 2, r 是黑洞半徑,。但黑洞往里吸東西的效率是正比于黑洞體積的，這取決于黑洞引力的大小,。

也就是吐的速度正比于半徑的平方,，吸的速度正比于半徑的三次方，這樣一來(lái),，半徑越大,，吸得就比吐得快；半徑越小,，吐得就比吸得快,。當(dāng)年瑞士的 LHC 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)前，曾經(jīng)有人表示反對(duì),，因?yàn)檫@么高的能量密度有可能會(huì)撞出一個(gè)小黑洞,，反對(duì)者擔(dān)心地球都會(huì)被黑洞吸進(jìn)去。 當(dāng)時(shí)霍金就說(shuō)了,，就算撞出小黑洞,，由于它太小了，根據(jù)霍金輻射的理論,，它很快就會(huì)蒸發(fā)掉,，不用擔(dān)心把地球吸進(jìn)去。如果真的造出黑洞并蒸發(fā),，霍金會(huì)因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),，只可惜 LHC 至今都沒(méi)有制造出黑洞。

如何制造一個(gè)黑洞,？ 根據(jù)質(zhì)量大小的不同,，黑洞也分為好幾種。 黑洞通常都擁有很大的質(zhì)量,，但質(zhì)量的大小并非決定一個(gè)天體是否成為黑洞的唯一因素,。 黑洞的形成，要求一個(gè)天體具有極強(qiáng)的引力,，而極強(qiáng)的引力通常伴隨著極大的質(zhì)量,，但并非絕對(duì)。

一個(gè)天體萬(wàn)有引力的大小正比于它的質(zhì)量,，反比于它半徑的平方,，換句話說(shuō),，一個(gè)天體如果質(zhì)量不夠大，半徑小的話也是有機(jī)會(huì)成為一個(gè)黑洞的,。也就是一個(gè)天體的密度如果足夠大,，就能成為一個(gè)黑洞。 有一個(gè)概念叫作史瓦西半徑,，所謂史瓦西半徑,，就是當(dāng)一個(gè)天體被壓縮到它的史瓦西半徑的大小的時(shí)候就會(huì)成為一個(gè)黑洞。譬如,，把太陽(yáng)的質(zhì)量全部壓縮到一個(gè)半徑為三千米的球內(nèi),，太陽(yáng)就會(huì)成為一個(gè)黑洞。

如果把地球壓縮到一個(gè)橘子大小,，地球也會(huì)成為一個(gè)黑洞,。 最小的一類(lèi)黑洞，叫原初黑洞,，它是理論猜想的,，還沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。原初黑洞的質(zhì)量非常小,，根據(jù)霍金的計(jì)算,，這類(lèi)黑洞的質(zhì)量大約只有 1 千克的一億分之一。之所以叫原初黑洞,，就是因?yàn)楦鶕?jù)理論的計(jì)算,，這類(lèi)黑洞在宇宙大爆炸之初，宇宙的能量密度還很高的時(shí)候才有可能形成,。

正常情況下,，那么小質(zhì)量的物體是不可能自發(fā)形成黑洞的，因?yàn)橐Ω静粔?，除非是外部的超高能量密度通過(guò)擠壓把小質(zhì)量壓縮到史瓦西半徑以內(nèi)才有可能,。 最常見(jiàn)的黑洞叫作恒星黑洞，質(zhì)量在太陽(yáng)質(zhì)量的 3～65 倍之間,。恒星黑洞是由一顆質(zhì)量比較大的恒星,，在所有的能量都消耗殆盡之后，內(nèi)部的能量無(wú)法頂住引力的收縮,，體積被壓縮到史瓦西半徑以內(nèi),，進(jìn)而形成黑洞。

另外一種黑洞,，叫超大質(zhì)量黑洞,，它的質(zhì)量一般是太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)倍，最大的可以到太陽(yáng)質(zhì)量的幾十億倍,。譬如,，銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞,，它的質(zhì)量大約就是太陽(yáng)質(zhì)量的幾十億倍。關(guān)于超大質(zhì)量的黑洞是如何形成的,，還沒(méi)有定論,，一個(gè)可能的原因是小黑洞經(jīng)過(guò)不斷合并,，從而形成超大質(zhì)量黑洞,。 還有一種黑洞，在理論上不可能存在,，叫中等質(zhì)量黑洞,。

黑洞真是有趣，質(zhì)量極小的可能存在,，質(zhì)量較小的和質(zhì)量超大的都被觀測(cè)到了,，反而中等質(zhì)量的黑洞不僅理論上不可能存在，更沒(méi)有實(shí)際觀察的結(jié)果,，這是為什么呢,？這就要講一點(diǎn)粒子物理的知識(shí)了。

不可能存在的黑洞：中等質(zhì)量黑洞

2020 年 9 月出了個(gè)物理學(xué)大新聞,，當(dāng)年發(fā)現(xiàn)引力波的超大實(shí)驗(yàn)儀器 LIGO,，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)極其奇怪的引力波信號(hào)。這個(gè)信號(hào)告訴我們,，要么是我們現(xiàn)在的黑洞理論有問(wèn)題,，要么是出現(xiàn)了一種全新的、從未觀測(cè)到過(guò)的,，也沒(méi)有任何理論預(yù)言過(guò)的新型奇怪天體,。 LIGO 發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 142 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，這個(gè)黑洞是由兩個(gè)小一點(diǎn)的黑洞合并而成的,，一個(gè)是 65 倍太陽(yáng)質(zhì)量,，另一個(gè)是 85 倍太陽(yáng)質(zhì)量。恰恰是 85 這個(gè)數(shù)字太奇怪了,，根據(jù)我們現(xiàn)有的黑洞理論,，不應(yīng)該存在 85 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。 根據(jù)前文提到的,，黑洞的質(zhì)量可以較小,，也可以極大。

例如,，10 倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞是可能存在的,，幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞也是可能存在的。銀河系中心,，就有一個(gè)幾十億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞,。 65～130 倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的黑洞叫作中等質(zhì)量黑洞,，但這個(gè)質(zhì)量區(qū)間的黑洞根據(jù)理論不應(yīng)該存在，因?yàn)椤笇?duì)不穩(wěn)定性」（pair-instability）,，這就需要一些粒子物理知識(shí)了,。我們知道粒子和它的反粒子碰到一塊就會(huì)湮滅，例如電子和正電子碰到一起會(huì)湮滅,，變成光子,。

這個(gè)反應(yīng)如果反過(guò)來(lái)，也有可能發(fā)生,。當(dāng)光子能量很高時(shí),，它們可以碰撞出正反電子對(duì)。當(dāng)一個(gè)恒星質(zhì)量較大,，比如 100 倍太陽(yáng)質(zhì)量的時(shí)候,，它的引力非常強(qiáng)，內(nèi)壓很大,，內(nèi)部光子能量非常高,，會(huì)發(fā)生光子碰撞出正反電子對(duì)的效果。一個(gè)恒星之所以擁有固定大小,，沒(méi)有在引力作用下坍縮成一團(tuán),，是因?yàn)閮?nèi)部核反應(yīng)產(chǎn)生能量向外釋放，把引力平衡了,。

可一旦發(fā)生了光子對(duì)變成正反電子對(duì)的反應(yīng),，正反電子對(duì)向外支撐的力是沒(méi)有原本光子的光壓強(qiáng)大的，這樣的話引力占據(jù)上風(fēng),，天體要往里坍縮,。并且由于天體質(zhì)量大，這一坍縮,，其實(shí)是在向內(nèi)部急劇壓縮,，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)提升能量密度，產(chǎn)生巨大反撲,，這會(huì)讓天體噴發(fā)出巨大能量和大量物質(zhì),，這就是「對(duì)不穩(wěn)定性」。

就算天體本來(lái)的質(zhì)量可以形成中等質(zhì)量黑洞,，這些物質(zhì)也在大型噴發(fā)中被甩出去了,，留下來(lái)的物質(zhì)的量達(dá)不到中等質(zhì)量黑洞的質(zhì)量。但另一方面,，超大質(zhì)量黑洞有可能形成,，就是因?yàn)橘|(zhì)量極大，產(chǎn)生的引力也極強(qiáng),，剛才說(shuō)的噴發(fā)還是無(wú)法超過(guò)引力的收縮趨勢(shì),，物質(zhì)不會(huì)被大規(guī)模甩出去,。

只有剛好卡在中間這個(gè)量級(jí)，物質(zhì)才會(huì)因?yàn)椤笇?duì)不穩(wěn)定性」被大幅甩出,，等到天體質(zhì)量降到中等質(zhì)量黑洞以下就不存在「對(duì)不穩(wěn)定性」了,，物質(zhì)不會(huì)繼續(xù)被甩出。所以根據(jù)理論,，中等質(zhì)量黑洞不應(yīng)該存在,。 這次既然發(fā)現(xiàn)了中等質(zhì)量的黑洞，就說(shuō)明原本的黑洞理論有問(wèn)題,，至少它還不夠完善,。除非是出現(xiàn)了一種奇怪的新型天體,。奇怪的點(diǎn)是,，這個(gè)天體應(yīng)該不是球形的，單個(gè)球形天體是發(fā)不出引力波的,。根據(jù)廣義相對(duì)論,，一個(gè)中心對(duì)稱的東西，是無(wú)法發(fā)出引力波的,，我們現(xiàn)在接收到的引力波都是一大一小兩個(gè)黑洞相互圍繞旋轉(zhuǎn),，直到合并在一塊所產(chǎn)生的。

一大一小雙黑洞圍繞旋轉(zhuǎn),，保證了這個(gè)系統(tǒng)不是中心對(duì)稱,，就保證了引力波的產(chǎn)生。黑洞合并保證了動(dòng)靜夠大,，我們才能夠用 LIGO 探測(cè)到它們的引力波,。如果是一種新型天體，這個(gè)天體還發(fā)出了引力波動(dòng),，說(shuō)明質(zhì)量一定不小,，并且它一定不是球形。但質(zhì)量那么大的天體,，引力那么強(qiáng),，怎么都應(yīng)該已經(jīng)把自己變成一個(gè)球了。 無(wú)論如何,，兩種可能性都對(duì)我們的物理學(xué)理論提出了挑戰(zhàn),。這應(yīng)該是實(shí)驗(yàn)物理的一次大勝利，因?yàn)樗鼛Ыo了我們?nèi)碌奈粗F(xiàn)象,。