1609年，當(dāng)伽利略第一次將他的望遠(yuǎn)鏡指向天空時(shí)，就預(yù)示著人類將在太空中發(fā)現(xiàn)許多意想不到的未知事物。

○1610年1月7日，伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞著木星的四顆衛(wèi)星：Io、Europa、Ganymede和Callisto。

無論是巧合或者是命中注定，在伽利略逝世的300周年紀(jì)念日，即1942年1月8日，霍金出生于英國(guó)牛津。他們?cè)诟髯缘臅r(shí)代都是探索宇宙的代表性人物。

在霍金的一生中，健康的惡化給他帶來許多的磨難。但憑借著對(duì)宇宙有著無限的好奇心，以及對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)的掌握，霍金從來沒有停止過對(duì)宇宙的思考。在他所有的貢獻(xiàn)中，最廣為人知的莫過于對(duì)黑洞的研究。

黑洞，對(duì)于許多人而言，早已不是一個(gè)陌生的概念。它大量的出現(xiàn)在影視作品、科幻小說以及科普文章之中。然而，黑洞是如此的怪異和奇妙，似乎蘊(yùn)藏著許多永遠(yuǎn)無法解開的謎題。因此，科學(xué)家從未停止對(duì)它的探索，并不時(shí)的就會(huì)取得進(jìn)展。例如，1月1日發(fā)表在《自然》雜志的一篇論文指出，位于每個(gè)星系中央的黑洞的質(zhì)量跟星系中的恒星形成有著強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)，雖然這不是什么新的想法，但卻是第一次找到直接的觀測(cè)證據(jù)。

2018年，對(duì)黑洞的研究即將迎來歷史性的一刻。因?yàn)椋?span>我們很快就可以看到黑洞的第一張“照片”！為了迎接這一刻的到來，在這富有意義的今天里，我們就從頭來敘說這個(gè)故事。

讓我們回到18世紀(jì)的英國(guó)。

1.

約翰·米歇爾（John Michell），或許是歷史上被遺忘的最偉大科學(xué)家之一。本杰明·富蘭克林，約瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什，這些大名鼎鼎的人物都與他有聯(lián)系。

1783年，他在寄給卡文迪什的一篇富有先見性的論文中，提到了一個(gè)測(cè)量恒星質(zhì)量的方法。米歇爾的發(fā)現(xiàn)是基于牛頓的微粒說，該假說認(rèn)為光是由粒子構(gòu)成的，因此米歇爾推斷當(dāng)恒星輻射光時(shí)，恒星的引力會(huì)減緩光的速度，并在星光中產(chǎn)生可觀測(cè)的變化。他認(rèn)為當(dāng)光穿過棱鏡時(shí)，能量的降低會(huì)使偏折有所不同，就可以測(cè)量速度被減慢了多少。因此他可以比較不同恒星的折射圖像來測(cè)量它們的表面引力，并從中計(jì)算出它們各自的質(zhì)量。

○ 米歇爾寄給卡文迪什的信件部分內(nèi)容。

接著，米歇爾開始思索這樣一個(gè)問題，如果一顆恒星的質(zhì)量足夠大，因此它的引力也足夠強(qiáng)，那么逃逸速度就可以等同于光速。沒錯(cuò)，如果連光都無法逃出恒星自身的引力，那么這些恒星對(duì)于天文學(xué)家而言就是不可探測(cè)的。他認(rèn)為宇宙中應(yīng)該有許多這種無法輻射出光的隱形天體。

米歇爾并沒有停止思考，他認(rèn)為我們可以通過間接的方法來探測(cè)這些“暗星”，前提是這些暗星需要有圍繞著它們的發(fā)光伙伴。這再次證明了米歇爾的先見之明：這樣的雙星系統(tǒng)的確是現(xiàn)代天文學(xué)家用來證實(shí)黑洞存在的方法之一。而米歇爾唯一犯錯(cuò)的地方在于光速：1905年，愛因斯坦證明了無論局域的引力強(qiáng)度如何，光的速度都保持不變。

○ 1796年，著名的數(shù)學(xué)家拉普拉斯在他的著作《天體力學(xué)》中提出了一個(gè)相似的概念：如果物體的引力非常強(qiáng)大，光就會(huì)被困住的。

到了1799年，楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)顯示了光的波動(dòng)性質(zhì)，使牛頓的微粒說遭到重創(chuàng)。由于米歇爾的“暗星”是基于微粒說的，因此該想法也就被拋棄了。直到20世紀(jì)，物理學(xué)迎來了有史以來最激動(dòng)人心的重大革命，米歇爾的想法也再次復(fù)活。

2.

1915年，愛因斯坦提出的廣義相對(duì)論徹底地顛覆了牛頓的引力理論，他將引力、彎曲的時(shí)空、物質(zhì)和能量聯(lián)系在了一起，也為米歇爾所預(yù)言的“暗星”奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

○廣義相對(duì)論的核心方程——愛因斯坦場(chǎng)方程。方程左邊描述了時(shí)空的幾何，右邊則代表了時(shí)空中所包含的東西的信息。

許多人都困惑于狹義相對(duì)論的時(shí)空和廣義相對(duì)論的時(shí)空之間的區(qū)別，其關(guān)鍵在于度規(guī)張量這個(gè)概念。度規(guī)張量定義了時(shí)空本身是如何彎曲的。它的彎曲取決于存在于其中的物質(zhì)、能量和壓力；也就是說，是宇宙的內(nèi)容定義了時(shí)空的彎曲。同樣地，時(shí)空是如何彎曲的告訴我們物質(zhì)和能量將如何移動(dòng)。如果用一句話總結(jié)廣義相對(duì)論，那便是：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)。”

在物理上，廣義相對(duì)論中的度規(guī)張量有幾個(gè)不同的部分組成。我們認(rèn)為引力是由質(zhì)量引起的：質(zhì)量越大的物體，其周圍的時(shí)空彎曲的越劇烈，引力也就越大。在廣義相對(duì)論中，這相當(dāng)于質(zhì)量密度，它的確有貢獻(xiàn)，但只是16個(gè)分量中的1個(gè)！此外，還有壓力的部分（比如輻射壓、真空壓或由快速運(yùn)動(dòng)引起的壓力）也有貢獻(xiàn)，共有3個(gè)分量。最后，還有其它6個(gè)分量告訴我們?cè)谫|(zhì)量和潮汐力存在的情況下，體積是如何改變和變形的，以及一個(gè)移動(dòng)物體的形狀是如何被這些力扭曲的。

1916年，在廣義相對(duì)論發(fā)表不久后，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了愛因斯坦場(chǎng)方程的第一個(gè)解：

○ [方程一]：史瓦西度規(guī)是真空愛因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)解。這里假定G=c=1，其中r代表半徑，M代表質(zhì)量。

在[方程一]中我們看到，當(dāng) r = 2M（史瓦西半徑）或 r = 0 時(shí)，史瓦西解出現(xiàn)了奇異性。事實(shí)上，r = 2M的奇異性可以通過坐標(biāo)變換予以消除，但是當(dāng)半徑為零時(shí)，這些奇異性標(biāo)記著時(shí)空中真正的物理奇點(diǎn)。史瓦西在理論上預(yù)言了黑洞存在的可能性。

假如這些奇異的天體真的存在于宇宙之中，它們究竟是如何形成的？我們知道，當(dāng)恒星耗盡其所有的燃料后，就會(huì)在自身的引力下坍縮，形成致密星體。1930年，錢德拉塞卡在從印度前往英國(guó)的求學(xué)圖中就計(jì)算出，如果它的質(zhì)量小于1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么恒星在演化末期會(huì)形成白矮星。銀河系中，大約97%的恒星（包括太陽(yáng)）最終都會(huì)成為白矮星。如果恒星的質(zhì)量超過了這個(gè)極限，但低于3.2倍的太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)，恒星會(huì)繼續(xù)坍縮形成中子星。那么質(zhì)量比這更大的恒星呢？1939年，奧本海默和他的學(xué)生在論文中指出，比這質(zhì)量更大的恒星會(huì)不可避免的繼續(xù)坍縮，形成黑洞。但是，奧本海默的結(jié)論并為得到重視。

○ 根據(jù)廣義相對(duì)論，太陽(yáng)的質(zhì)量會(huì)彎曲時(shí)空使行星繞著它運(yùn)行。一顆中子星會(huì)使時(shí)空彎曲的更厲害。而一個(gè)黑洞則會(huì)在時(shí)空中制造一個(gè)深坑，即使是光都無法逃脫。| 圖片來源：JAMES PROVOST

事情到了1960年代才有了轉(zhuǎn)機(jī)。當(dāng)時(shí)，研究愛因斯坦的引力理論的物理學(xué)家都注意到，愛因斯坦場(chǎng)方程的解允許奇點(diǎn)的出現(xiàn)，奇點(diǎn)就是時(shí)空中看起來無限彎曲的點(diǎn)。但是他們并不清楚奇點(diǎn)是不是真實(shí)存在的。

3.

1958年，物理學(xué)家David Finkelstein發(fā)現(xiàn)，在史瓦西解中，史瓦西半徑處的奇異性是一個(gè)事件視界（Event Horizion），這是一個(gè)有去無回的單向膜，一旦越過就再也無法以低于光的速度回來，并將不可避免的落入奇點(diǎn)。

○ 圖一：事件視界被認(rèn)為是有去無回的單向膜，它所包圍的球體半徑被稱為史瓦西半徑（Schwarzchild radius）。公式中G是萬有引力常數(shù)，c是光速，M是質(zhì)量。如果把太陽(yáng)的質(zhì)量代入公式就會(huì)得到史瓦西半徑為3公里。| 圖片來源：Sunshine Lighthouse

顯然，史瓦西解太過于簡(jiǎn)單，它是一個(gè)靜態(tài)的球?qū)ΨQ解，對(duì)于大多數(shù)具有自轉(zhuǎn)的天體而言并不適用。1963年，一位叫羅伊·克爾（Roy Kerr）的新西蘭人找到了一個(gè)能用來描述旋轉(zhuǎn)黑洞的更廣義的史瓦西度規(guī)。這是一個(gè)比較復(fù)雜的度規(guī)（見方程二）！而且它很重要，因?yàn)樗枋隽颂s恒星的最終態(tài)——它們總是具有非零的角動(dòng)量。 兩年之后，伊斯拉?·紐曼（Ezra Newman ）又加上了帶電荷的情況，找到了黑洞另一個(gè)解。

○ [方程二]：克爾解描述了一個(gè)旋轉(zhuǎn)的黑洞。

1965年，霍金出席了羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）的一個(gè)講座，那時(shí)彭羅斯剛證明了時(shí)空奇點(diǎn)。這使霍金一下子就投入到黑洞和奇點(diǎn)的研究之中。之后，他和彭羅斯合作，共同提出了“奇點(diǎn)定理”，證明了在遙遠(yuǎn)的過去，宇宙必定始于一個(gè)無限小的奇點(diǎn)，這跟當(dāng)時(shí)的觀測(cè)符合。但是在奇點(diǎn)上，所有已知的物理定律都將崩塌。

1967年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了脈沖星，并很快確認(rèn)它是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。這使天文學(xué)家備受鼓舞，希望能夠在夜空中找到黑洞存在的證據(jù)。同年底，在紐約的一場(chǎng)演講中，理論物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）提到“黑洞”一詞，才使它正式普及起來。

○ 事實(shí)上，1963年的時(shí)候，在德克薩斯州達(dá)拉斯市的一個(gè)天文物理的會(huì)議上，黑洞一詞就被使用了。1964年1月18日，在科學(xué)新聞快報(bào)上，Ann Ewing的一篇文章中首次出現(xiàn)了“黑洞”的字眼。但沒有人真正確定究竟是誰首先用了這一詞。| 圖片來源：SCIENCE NEWS LETTER/SSP

到了1970年代左右，霍金和卡特等人證明了惠勒的一個(gè)推測(cè)，即黑洞無毛！他們證明了在黑洞形成后，我們對(duì)黑洞所能獲取的信息只有：質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量。其它的信息全部喪失了，黑洞也不存在任何凸起的形態(tài)，這被稱為無毛定理。

在經(jīng)典物理的范疇內(nèi)，霍金除了證明奇點(diǎn)定理外，他在1970年的時(shí)候還有一個(gè)令人愉悅的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)：事件視界的表面積總會(huì)增加。即如果有兩個(gè)黑洞合并，其總的視界面積是不可能減少的。面積定理的一個(gè)重要結(jié)果是，合并黑洞輻射出的引力波的能量有一個(gè)上限。（引力波是愛因斯坦在1916年從廣義相對(duì)論中得出的一個(gè)預(yù)言。引力波經(jīng)常形象的被稱為時(shí)空的“漣漪”，就如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣。而它的本質(zhì)其實(shí)是時(shí)空曲率的波動(dòng)。）

1973年，霍金和另外兩位物理學(xué)家合作寫了一篇題為《黑洞的熱力學(xué)定律》的論文，總結(jié)了與我們熟悉的熱力學(xué)定律相似的一系列關(guān)于黑洞的定律。該論文中著重強(qiáng)調(diào)了黑洞的溫度為零（由于沒人任何東西可以逃脫黑洞，因此它們不會(huì)輻射），并且不具有物理熵。

○ 熱力學(xué)四大定律和黑洞熱力學(xué)定律之間的類比。| 圖片來源：Fay

但是，一位年輕的研究生雅各布·貝肯斯坦并不同意這個(gè)觀點(diǎn)。他意識(shí)到如果黑洞不具備熵，熱力學(xué)第二定律就會(huì)被違反。因?yàn)槟菢拥脑?，我們就可以將任意具有熵的物體扔進(jìn)黑洞，因此降低了外部宇宙的總熵。因此他認(rèn)為黑洞的熵必須正比于表面積，才能挽救熱力學(xué)第二定理。

1974年，霍金利用量子力學(xué)認(rèn)真地研究了在黑洞鄰近彎曲時(shí)空的粒子行為后宣布：黑洞具有溫度！而就像所有具有溫度的物體一樣，黑洞也能產(chǎn)生輻射，這種現(xiàn)象被稱為霍金輻射。霍金漂亮地將引力、量子力學(xué)和熱力學(xué)聯(lián)系在一起。這是一次偉大的勝利，但在勝利的背后卻隱藏著一個(gè)更加深刻的問題：黑洞信息悖論。

黑洞輻射就意味著黑洞會(huì)不斷地失去質(zhì)量，直至蒸發(fā)殆盡。如果是這樣，那么落入黑洞的物體的最終命運(yùn)是什么？廣義相對(duì)論認(rèn)為進(jìn)入黑洞的信息永遠(yuǎn)不會(huì)再出來，會(huì)隨著黑洞的蒸發(fā)而消失。那么信息去哪了？但根據(jù)量子理論，信息是永遠(yuǎn)不會(huì)真正的消失或被復(fù)制。這個(gè)問題困擾了物理學(xué)家四十多年，至今仍沒有答案。

○ 今天是霍金的76歲生日。| 圖片來源：霍金微博

4.

上面我們提到了許多理論方面的進(jìn)展，但是黑洞真的存在嗎？觀測(cè)黑洞的最佳手段正是上文提到的米歇爾的深刻洞見：雙星系統(tǒng)。在宇宙中，雙星系統(tǒng)是普遍存在的。如果黑洞的伴侶是一顆恒星，那么恒星的物質(zhì)就會(huì)被黑洞的引力吸引過來。由于轉(zhuǎn)移的物質(zhì)本身存在角動(dòng)量，因此這些物質(zhì)會(huì)在周圍形成所謂的吸積盤。吸積盤的溫度很高，其熱輻射的峰值在光譜中的X射線波段。因此，探測(cè)X射線就成為了尋找黑洞的絕佳觀測(cè)手段。

○ 天鵝座X-1的藝術(shù)想象圖 | 圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss

1972年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1 ( Cygnus X-1 )很可能是一個(gè)黑洞。之后對(duì)天鵝座X-1致密天體的質(zhì)量的精確測(cè)量（大約是太陽(yáng)質(zhì)量的15倍）表明，它就是一個(gè)黑洞。

○ 如何才能捕獲到引力波。人類第一次捕捉到的引力波是從兩顆距離地球13億光年的黑洞之間的暴力沖撞中得到的，距離13億光年。 13億年后，當(dāng)碰撞產(chǎn)生的波經(jīng)過地球時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱：LIGO所探測(cè)到的時(shí)空中的漣漪甚至比原子核還要小上幾千倍。 | 圖片來源：Nobelprize

自2016年開始，尋找黑洞的另一個(gè)手段便是這兩年占據(jù)各大頭條的引力波。通過黑洞輻射產(chǎn)生的引力波，科學(xué)家得以測(cè)量黑洞的質(zhì)量。未來，隨著引力波天文學(xué)的快速發(fā)展，必定能帶來更多的驚喜。

○ 引力波探測(cè)到的黑洞（藍(lán)色）和電磁輻射探測(cè)到的黑洞（紫色）對(duì)比圖，引力波探測(cè)到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。最新確認(rèn)的一起引力波事件GW170608并未在該圖中顯示。| 圖片來源：LIGO/Virgo

除了上面提到的恒星級(jí)黑洞之外，一個(gè)更加激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)是幾乎所有大型星系的中央都棲息著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。1964年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種神秘的天體——類星體，它的顯著特點(diǎn)之一是巨大的本征亮度，它的輻射功率可以是普通星系的成百上千倍。而這樣巨大的能量是在非常小的尺度上輻射出來的，這說明類星體在比太陽(yáng)系還小的尺度上可以輻射出比整個(gè)銀河系還有大一百倍以上的能量！這怎么可能？科學(xué)家一開始對(duì)類星體的能源機(jī)制充滿了困惑。

○2017年12月，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止最遙遠(yuǎn)的類星體，其中心為超大質(zhì)量黑洞，被吸積盤圍繞著，并伴隨著噴流的出現(xiàn)。類星體有一些典型的觀測(cè)特征：遙遠(yuǎn)的恒星狀天體；光譜中有較強(qiáng)的發(fā)射線；巨大的本征亮度；有著年甚至小時(shí)量級(jí)的光變現(xiàn)象；強(qiáng)烈的X射線輻射；部分類星體有明顯的噴流；輻射的能譜基本上包括了全部電磁波段，即射電，紅外，光學(xué)，紫外，X射線，甚至是伽瑪射線。需要注意的是并不是每一個(gè)類星體都具有全部的這些觀測(cè)特征。 | 圖片來源：Robin Dienel

通過計(jì)算，在比太陽(yáng)系還小的尺度上，通過大量的恒星以核聚變或者超新星爆發(fā)等機(jī)制無法獲得像類星體這樣穩(wěn)定的能量輸出。天文學(xué)家迅速提出了超大質(zhì)量黑洞通過吸積周圍氣體將引力能轉(zhuǎn)化為電磁波釋放出來這樣的機(jī)制來解釋類星體的能源問題。

1971年，Donald Lynden-Bell和Martin Rees猜測(cè)在銀河系的中心——距離我們2.6萬光年遠(yuǎn)——也存在著一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。1974年，天文學(xué)家利用NRAO的基線干涉儀發(fā)現(xiàn)了銀河系中心輻射出大量的射電波確認(rèn)了它的存在，并將其命名為人馬座A*（Sgr A*）。

○ 天文學(xué)家在在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：有一些恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡看起來是在繞著一個(gè)完全不發(fā)光的點(diǎn)。天文學(xué)家對(duì)這個(gè)點(diǎn)附近的恒星進(jìn)行了十多年的觀測(cè)，這些恒星會(huì)被加速到非常非常高的速度。而在這么小的一個(gè)區(qū)域能造成觀測(cè)到的恒星軌跡，只有一個(gè)可能，那就是這些恒星是圍繞著超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行的。| 圖片來源：LIGO/Virgo

在過去的幾十年，天文學(xué)家收集了越來越多星系中心存在超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)。例如，它們強(qiáng)大的引力對(duì)周圍的恒星造成的影響，以及吸積周圍的物質(zhì)導(dǎo)致噴流的形成等等。

○ 2017年5月，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和哈佛大學(xué)的天文學(xué)家檢驗(yàn)了黑洞的一個(gè)基本原理，他們找到了新的證據(jù)來證實(shí)當(dāng)物質(zhì)被吸進(jìn)黑洞時(shí)會(huì)完全消失，進(jìn)一步確認(rèn)了事件視界的存在。| 圖片來源：Mark A. Garlick/CFA

盡管我們已經(jīng)做了許多的努力，但我們還沒有直接對(duì)黑洞進(jìn)行成像，也沒有足夠的證據(jù)確認(rèn)事件視界是否存在。但是，這一切都將在這一年中改變。因?yàn)?span>事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）很快就會(huì)發(fā)布它們的第一次觀測(cè)結(jié)果，揭開天體物理學(xué)中長(zhǎng)期以來最受矚目的問題之一。

5. 

2017年4月，科學(xué)家把橫跨全球的八個(gè)射電天文臺(tái)（有些是單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡、有些則是陣列射電望遠(yuǎn)鏡）連接起來，形成一個(gè)分辨率相當(dāng)于地球大小的望遠(yuǎn)鏡，稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。