就以這篇以黑洞為線索的黑暗科學(xué)作為《黑暗，隱藏著怎樣的秘密，讓科學(xué)家如此癡迷？（上） 》的中篇吧。內(nèi)容想了很久，卻一直不知如何下筆，因?yàn)楹诙词谴蠹移毡殛P(guān)注的科普話題，所有自媒體平臺(tái)上都充斥著類似的內(nèi)容。本文將嘗試一下突破。

我們?cè)谛W(xué)的時(shí)候就被傳授，光線沿著直線傳播。如果我們能用一句最簡(jiǎn)單的話來形容光線的這種性質(zhì)，我個(gè)人覺得，沒有一個(gè)詞比“一條道走到黑”更適合。古代中國(guó)實(shí)行“里坊制”，巷子都是封閉的。所以一條道走到黑，就是不回頭不轉(zhuǎn)彎。

我們實(shí)際上的經(jīng)驗(yàn)也是如此，當(dāng)你拿起一支激光筆指向深邃的夜空，就會(huì)畫出一條筆直的線，消失在視野盡頭的無盡黑暗中。但如果沒有愛因斯坦，我們可能會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，都會(huì)認(rèn)為光走直線是一條顛撲不破的真理。

1915年，愛因斯坦發(fā)表的廣義相對(duì)論提出，光的路徑其實(shí)是在三維空間加一維時(shí)間構(gòu)成的維度里面的測(cè)地線（最短路徑），在大質(zhì)量天體附近，時(shí)空發(fā)生彎曲，因此自由運(yùn)動(dòng)的粒子必須沿著新幾何中的短程線來運(yùn)動(dòng)。

1919年，英國(guó)天文學(xué)家亞瑟?愛丁頓，在全日食期間，首次觀測(cè)到了一顆接近太陽(yáng)方向的恒星的位置在與一段時(shí)間后測(cè)量到的這顆恒星的位置之間存在著微小差異，這與愛因斯坦的預(yù)言完全相符。愛因斯坦認(rèn)為，這是對(duì)廣義相對(duì)論的有力證明。

在愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論的同一年，德國(guó)物理學(xué)家卡爾?史瓦西帶著病痛在戰(zhàn)壕里得出了場(chǎng)方程的一個(gè)特殊解。史瓦西認(rèn)為，這個(gè)解意味著有一種天體，存在著光線也無法逃逸的臨界半徑，其半徑的大小與天體的質(zhì)量成正比，這個(gè)半徑被命名為史瓦西半徑。

【補(bǔ)充】史瓦西黑洞是一種特殊的黑洞，不帶電荷、不旋轉(zhuǎn)，只是一個(gè)理想黑洞，是不可能真實(shí)存在的。真正的黑洞都比這個(gè)理想黑洞復(fù)雜，帶電荷且自轉(zhuǎn)。

史瓦西半徑定義了在這個(gè)天體的周圍有一個(gè)球形的表面，科學(xué)家們稱其為“視界”。它是一個(gè)幾何表面，不是真實(shí)的物體，之所以稱之為視界，是因?yàn)樗c地平線類似，都是視線范圍的邊緣。不同的是，地平線的位置取決于觀察者的位置，而黑洞視界則是絕對(duì)的。

視界將時(shí)空分割為兩個(gè)部分，在視界外面的光線可以在任意大的距離之間穿梭，這是我們的世界（宇宙），但在視界內(nèi)則不行，光線會(huì)向黑洞中心奇點(diǎn)的位置匯聚，因此不能在任意兩點(diǎn)之間自由移動(dòng)，因此信息的傳遞受到了限制。

黑洞理論直到56年之后（1971年）才找到了間接證據(jù)，這一年，天體物理學(xué)家們探測(cè)到了天鵝座δ-1，這個(gè)二元系統(tǒng)的特征表明它是由一個(gè)黑洞和一個(gè)巨大恒星組成的。

直接證據(jù)的發(fā)現(xiàn)要到44年之后（2015年），美國(guó)激光干涉引力波天線首次探測(cè)到了引力波。結(jié)合其它觀測(cè)手段的認(rèn)證，可以確定，在13億光年外，兩個(gè)質(zhì)量分別為36和29倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，以250轉(zhuǎn)/秒繞共同質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，最終合并為唯一的、質(zhì)量為62倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞。3倍于太陽(yáng)質(zhì)量的質(zhì)量，在這次合并中以引力波的形式放射掉了。

如果你能看著一個(gè)光源直撲黑洞，那是真正的“一條道走到黑”，你會(huì)看到這光源速度越來越慢，最后幾乎停留在黑洞表面不動(dòng)。就像一個(gè)人走到了死胡同，面對(duì)墻壁永遠(yuǎn)都出不來的效果一樣。其實(shí)這只是引力紅移導(dǎo)致的，在觀察者看來光源的時(shí)鐘變慢的一種效應(yīng)。

關(guān)于黑洞的中心（奇點(diǎn)）仍然是一個(gè)理論難題，至今無解，這里介紹一下奇點(diǎn)到視界之間的這個(gè)區(qū)域。在這里，時(shí)空向奇點(diǎn)坍塌，這使得視界內(nèi)的物體無法靜止，而是隨著坍塌的時(shí)空運(yùn)動(dòng)，而且其運(yùn)動(dòng)軌跡集中在黑洞的中心。

與視界外面的情況不同，視界之外的我們?cè)诳臻g中移動(dòng)，時(shí)間是單向流逝的，但在視界之內(nèi)，時(shí)空發(fā)生翻轉(zhuǎn)，視界到奇點(diǎn)之間的距離成為了單向的。但這并不是說視界內(nèi)能回到過去并改變因果關(guān)系，而是說，時(shí)間不再有全局意義。局部的時(shí)間和距離都指向共同的終點(diǎn)——黑洞中心（奇點(diǎn)）處。

1974年，英國(guó)劍橋大學(xué)的物理學(xué)家斯蒂芬?霍金利用量子場(chǎng)論的研究表明：在黑洞外產(chǎn)生的虛粒子對(duì)，其中之一被吸引進(jìn)去，而另一個(gè)會(huì)逃逸。這個(gè)逃逸的粒子獲得了能量，從而不需要與其反粒子相遇湮滅，反倒是可以逃逸到無限遠(yuǎn)。以外界的角度看，就像黑洞輻射出了這個(gè)粒子一樣。該猜想中的輻射就被命名為“霍金輻射”。

霍金的分析迅速成為第一個(gè)令人信服的量子引力理論，盡管目前尚未實(shí)際觀察到霍金輻射的存在。在2008年6月NASA發(fā)射了GLAST衛(wèi)星，它可以尋找蒸發(fā)的黑洞中γ射線的閃光。而在額外維度理論，高能粒子對(duì)撞也有可能創(chuàng)造出會(huì)自我消失的微黑洞。

但在2010年9月，一項(xiàng)模擬重力研究的結(jié)果被部分科學(xué)家認(rèn)為是首次展示出霍金輻射的可能存在與可能性質(zhì)。

因?yàn)榛艚疠椛淠軌蜃尯诙词ベ|(zhì)量，當(dāng)黑洞損失的質(zhì)量比增加的質(zhì)量多的時(shí)候就會(huì)造成縮小，最終消失。而比較小的微黑洞的發(fā)散量通常會(huì)比正常的黑洞大，所以前者會(huì)比后者縮小與消失的速度還要快。

霍金在其研究中進(jìn)一步指出，黑洞蒸發(fā)出來的光子能量分布與黑體輻射具有相同的形狀！因此他可以給與黑洞一個(gè)和黑體溫度類似的量值，且這個(gè)值與黑洞的質(zhì)量成反比。

本文暫時(shí)就寫到這里，太長(zhǎng)的文章大家都不愛看，在下一篇文章里，繼續(xù)看一看科學(xué)家們研究黑洞會(huì)有些什么用處，那些偉大的構(gòu)想何時(shí)才能成為現(xiàn)實(shí)。讓我們這些吃瓜群眾，繼續(xù)圍觀科學(xué)家們?cè)诤诎抵飞显阶咴竭h(yuǎn)，而人類的生活越來越美妙。

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