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

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

同樣地，一段時(shí)間在引力場中，也會(huì)被壓縮變短，如果拿著一塊表走進(jìn)引力場，你不會(huì)覺得自己的時(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)過了 20 年了。片中引力場以外的 20 年，到了引力場里就被壓縮成了三個(gè)小時(shí)。

用廣義相對論來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)空的尺度都壓縮成零了。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)過程中，對你來說，你還是每隔 1 分鐘給我發(fā)一條信息，但問題是，隨著你靠近黑洞邊緣，我看這 1 分鐘卻是越來越長的。

隨著你越發(fā)靠近黑洞，你的時(shí)間流逝相對于我來說被壓縮得越來越短，也許一開始我的 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)間在我看來越來越長。

到最后你無限接近黑洞的時(shí)候，你的 1 分鐘將對應(yīng)我的無限長時(shí)間。哪怕我長生不老，等到天荒地老、海枯石爛，我也看不到你真正到達(dá)黑洞邊緣的那一天，能見到的只是你不斷趨近黑洞邊緣。所以在我看來你是永遠(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)間在你看來是有限的，問題是你的有限時(shí)間，對應(yīng)于黑洞外的無限時(shí)間。也就是在你看來，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「迎接」我們，后文將繼續(xù)分析。

為什么無法從黑洞里逃出來？

要進(jìn)入黑洞并不容易，因?yàn)樵诤诙赐獾娜丝磥?，進(jìn)入黑洞的人要花無限久的時(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，還能回來嗎？答案是，當(dāng)然回不來。

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、?？菔癄€，也等不到你出來的那一天，為什么呢？還是可以從兩個(gè)角度來看這個(gè)問題。

對于在黑洞外的我來說，你在黑洞邊緣，你的有限時(shí)間等于我的無限時(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，可能你過了 0.0001 秒，外面的宇宙就已全部結(jié)束。在你看來，你能出來嗎？一樣出不來。

你確實(shí)可以往回走，但不要忘了你的時(shí)空在外面的人看來已經(jīng)被壓縮成零了，也就是外面的時(shí)空尺度對于你來說是無窮大，回家的路對你來說已是無窮遠(yuǎn)。根據(jù)狹義相對論，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，不可能走完這無窮的回家之路。

這里我們就看出了廣義相對論黑洞和經(jīng)典黑洞的區(qū)別了。經(jīng)典黑洞是說引力太強(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，從黑洞里走出來這個(gè)動(dòng)作所耗費(fèi)的時(shí)間，在黑洞外的人看來是無限久。走出黑洞要經(jīng)過的距離，在黑洞里的人看來是無限遠(yuǎn)。

不管從哪個(gè)角度看，需要的時(shí)間都是無限久，這才是進(jìn)入黑洞以后便出不來的真正含義。 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)大來迎合物質(zhì)。 我們可以考慮一個(gè)相對容易理解的過程：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?？梢韵胂笤局挥幸粋€(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。所以說黑洞的融合過程，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)無法達(dá)到黑洞邊緣。但黑洞吸收物質(zhì)的過程是什么樣的呢？ 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)壓縮周圍的時(shí)空，當(dāng)恒星靠近黑洞到一定程度時(shí)，它周圍的時(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。

這才是對于黑洞吸收物質(zhì)以及黑洞合并過程的正確理解。 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論的性質(zhì)，沒有考慮它的量子力學(xué)性質(zhì)。英國物理學(xué)家狄拉克的理論告訴我們，真空并非徹底空無一物，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)來動(dòng)去，它的行為就好像一個(gè)粒子。 量子漲落說的就是，真空非空，它隨機(jī)產(chǎn)生正反粒子對，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的氣泡。

霍金輻射理論說的是，在黑洞的邊緣，也有這樣的正反粒子對在不斷地產(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。類似的，黑洞邊緣周圍產(chǎn)生的正反粒子對，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)律上來看，就好像黑洞在輻射一些粒子出來，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，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，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)子對撞機(jī)開始實(shí)驗(yàn)前，曾經(jīng)有人表示反對，因?yàn)檫@么高的能量密度有可能會(huì)撞出一個(gè)小黑洞，反對者擔(dān)心地球都會(huì)被黑洞吸進(jìn)去。 當(dāng)時(shí)霍金就說了，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。

一個(gè)天體萬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，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，把太陽的質(zhì)量全部壓縮到一個(gè)半徑為三千米的球內(nèi)，太陽就會(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。 最小的一類黑洞，叫原初黑洞，它是理論猜想的，還沒有被發(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。 最常見的黑洞叫作恒星黑洞，質(zhì)量在太陽質(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)量一般是太陽質(zhì)量的幾百萬倍，最大的可以到太陽質(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，還沒有定論，一個(gè)可能的原因是小黑洞經(jīng)過不斷合并，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)量超大的都被觀測到了，反而中等質(zhì)量的黑洞不僅理論上不可能存在，更沒有實(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)在的黑洞理論有問題，要么是出現(xiàn)了一種全新的、從未觀測到過的，也沒有任何理論預(yù)言過的新型奇怪天體。 LIGO 發(fā)現(xiàn)了一個(gè) 142 倍太陽質(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 倍太陽質(zhì)量，另一個(gè)是 85 倍太陽質(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 倍太陽質(zhì)量的黑洞是可能存在的，幾十億倍太陽質(zhì)量的黑洞也是可能存在的。銀河系中心，就有一個(gè)幾十億倍太陽質(zhì)量的黑洞。 65～130 倍太陽質(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Σ环€(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)如果反過來，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。當(dāng)一個(gè)恒星質(zhì)量較大，比如 100 倍太陽質(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的效果。一個(gè)恒星之所以擁有固定大小，沒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)生了光子對變成正反電子對的反應(yīng)，正反電子對向外支撐的力是沒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「對不穩(wěn)定性」。

就算天體本來的質(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)，剛才說的噴發(fā)還是無法超過引力的收縮趨勢，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，物質(zhì)才會(huì)因?yàn)椤笇Σ环€(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，就說明原本的黑洞理論有問題，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)廣義相對論，一個(gè)中心對稱的東西，是無法發(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。 無論如何，兩種可能性都對我們的物理學(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。