“有人说，事实有时比小说更奇妙，没有什么比黑洞的情形更体现这点了。黑洞比科幻作家的任何异想天开都更怪异。”
——霍金
无论你在什么地方看到或听到有人在谈论黑洞时，有一些关键词总是会无法避免的被提到，比如引力坍缩、光都无法逃逸、奇点、时空曲率无限大、无毛定理、霍金辐射等。这些字眼本身就抓住了我们的想象力，而当它们都集中在黑洞的身上时，我们对黑洞更是充满了无限的好奇，但随之而来的也是无限的困惑。
△ 1967年12月，在纽约的一场讲座中，理论物理学家John Wheeler提出了“黑洞”一次，立即抓住了所有人的眼球。但事实上，1963年的时候，在德克萨斯州达拉斯市的一个天文物理的会议上，黑洞一词就被使用了。1964年1月18日，在科学新闻快报上，Ann Ewing的一篇文章中首次出现了“黑洞”的字眼。但没有人真正确定究竟是谁首先用了这一词。（图片来源：SCIENCE NEWS LETTER/SSP）
究竟什么是黑洞？我想没人能够给你一个完整的答案。我们可以为你描绘一个的图景，但还有一些未解的问题依旧困扰了物理学家数十年之久。
早在18世纪时，John Michell就预言了只要恒星的质量足够大，其引力就足以使任何东西都无法逃脱，包括光。但直到爱因斯坦发表了广义相对论后，才为Michell的预言提供了一个坚实的理论基础。虽然广义相对论的解已经暗示了黑洞的存在，但爱因斯坦拒绝相信这种奇异般的存在。
我们知道，当恒星耗尽其所有的燃料后，就会在自身的引力下坍缩，形成致密恒星。钱德拉塞卡计算出，如果它的质量小于1.4倍太阳质量，那么恒星在演化末期会形成白矮星。银河系中，大约97%的恒星（包括太阳）最终都会成为白矮星。如果恒星的质量超过了这个极限，但低于3.2倍的太阳质量时，恒星会继续坍缩形成中子星。
那么质量比这更大的恒星呢？1939年，奥本海默和他的学生在论文中指出，大质量恒星会收缩到具有无限大密度的一点，即奇点。如果奇点被一个有去无回的边界——黑洞的事件视界——所包围，就形成了黑洞（如果没有被事件视界包围，则被称为裸奇点）。
△ 根据广义相对论，太阳的质量会弯曲时空使行星绕着它运行。一颗中子星会使时空弯曲的更厉害。而一个黑洞则会在时空中制造一个深坑，即使光都无法逃脱。（图片来源：JAMES PROVOST）
但物理学家并不清楚奇点是不是真实存在的。1965年，斯蒂芬·霍金出席了罗杰·彭罗斯的一个讲座，彭罗斯刚刚证明了时空奇点。这使霍金一下子就投入进黑洞和奇点的研究之中。之后，他和彭罗斯合作，提出了奇点定理，证明了在广义相对论的框架下，奇点是存在的。而且在这一点上，时空曲率为无限大，所有的物理定律都将崩塌。
到了1970年代左右，物理学家发现，在黑洞形成后，我们对黑洞所能获取的信息只有：质量、电荷和角动量。其它的信息全部丧失了，黑洞也不存在任何凸起的形态，这被称为无毛定理。
在经典物理的范畴内，霍金除了证明奇点定理外，他在1970年的时候还有一个令人愉悦的数学发现：事件视界的表面积总会增加。即如果有两个黑洞合并，其总的视界面积是不可能减少的。面积定理的一个重要结果是，合并黑洞辐射出的引力波的能量有一个上限。2015年，首次探测到的引力波的结果证明了这一点。
△ 当科学家发现引力波后，霍金对此感到异常兴奋。并发文表示LIGO的结果证明了他几十年来在黑洞方面的工作。（图片来源：SH）
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