「神秘天体·暗星」演义
〔著〕 太空生物学·黄媂 ㉿
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如今我们所说的 「黑洞」，是相对论预言的天体，然而在19世纪末，欧洲的两位学者就曾根据牛顿力学预言过黑洞的存在，不过他们当时没有称其为「黑洞」，只是讨论过这种质量巨大发光很强、但是远方观测者又看不见的 「暗星」。
其中一位学者“拉普拉斯”曾经在他的巨著《天体力学》，还有科普书《宇宙体系论》中谈到过这种「暗星」，他在书中写道——“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，也许像恒星那样多，一个具有与地球同样密度而直径为太阳250倍的明亮星体，它发射的光将被它自身的引力拉住，而不能被我们接收。”正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能就是看不见的。
然而，最早预言这种「暗星」的还不是“拉普拉斯”，而是英国剑桥大学的“米歇尔”他在1784年的一篇论文中就谈到——“由于恒星发射的光，在万有引力作用下光速会越来越慢，如果恒星足够大，大到一定程度就会使自身发射的光被自身的引力给拉回来，于是远方的人就看不见这颗星了。”
「暗星」演义
他们算出了「暗星」形成的条件是 「R ≤RGM/C²」这么一个公式，R是天体的半径，M就是恒星的质量，G和C分别是万有引力常数和真空中的光速，不过他们当时还不知道C也是一个常数，更不知道光速是自然界最高的极限速度，他们认为光速和一般质点的速度一样，在外力下会根据牛顿第二定律而变化，他们认为如果这个公式的条件被满足，这颗恒星的光就会被自身的引力拉回去，成为外界看不见的「暗星」。
从今天来看上面的论证有两个错误：
“拉普拉斯”在《天体力学》第1版和第2版中都谈到了自己预言的「暗星」，但是在1808年出版的第3版中却悄悄删除了有关「暗星」的叙述，这是因为在第2版和第3版的出版之间，“托马斯·杨”完成了「光的双缝干涉实验」，表明光是波而不是微粒，“拉普拉斯”就感到自己建立在牛顿微粒说基础上的「暗星 」预言看起来好像不对了，光的波动说战胜微粒说之后，建立在微粒说基础上的「暗星 」预言也就逐渐被人们遗忘。
学术界再次谈论起「暗星」是100多年之后的事了，1939年美国物理学家“奥本海默”和“施耐德”在研究中子星的时候，用爱因斯坦的广义相对论再次论证了「暗星 」存在的可能性，「广义相对论」可以看作万有引力定律的发展和推广，这个理论认为万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现，“奥本海默”等人用广义相对论推算出「暗星」形成的条件和“米歇尔”、“拉普拉斯”给出的条件是一致的。
但是“奥本海默”等人根据的理论已远非“拉普拉斯”等人依据的经典力学科可比，他们认为「暗星」的存在不是万有引力把光拉了回来，而是星体质量造成的巨大时空弯曲，把光束缚在了「暗星」内部无法逃逸，可是「暗星」的密度大得几乎无法让人相信。
太阳如果形成「暗星」半径会从70万千米缩小到3千米，密度似乎会达到每立方厘米100亿吨，这是一个让人无法接受的天文数字，当时已知密度最大的物质是「白矮星」形成的物质，它的密度也不过每立方厘米1~10吨，更为可怕的是「暗星」内部的物质似乎都会缩到中心的一个点上，形成密度和时空曲率都无穷大的「奇点」。包括 爱因斯坦在内，绝大多数物理学家都不相信宇宙间真会有这样的「暗星」存在。不久之后，“奥本海默”受命主持原子弹的研制，对「暗星」的研究也就再次中断了。
1964年，美国相对论专家“惠勒”重新研究了“奥本海默”的「暗星」形成理论，并且用美国核试验基地的大型计算机做了恒星在万有引力作用下坍缩的模拟计算，确认了「中子星」坍缩真的会形成「暗星」，“惠勒”的工作终于引起了科学界的重视，对「暗星」的探索重新启动，“惠勒”还给这种「暗星」起了个专用的名字叫「黑洞」，于是黑洞这个词逐渐传播开来。
图解：恒星坍缩
恒星发光、发热的能量来源与机制
最初，物理学家们认为恒星发光、发热的能量完全来自引力的势能，他们认为在气体星云收缩为恒星的时候“气团”的引力势能会转化为热能，让恒星的温度升高发光、发热，不过他们认为此后维持这个发光、发热过程的能量依然来源于引力势能、来源于恒星物质的继续收缩，也就是说引力能是恒星热能和光能的唯一来源，可是后来人们发现恒星的寿命很长，长达几十亿年，恒星物质的引力势能远远不能维持这么长时间的发光、发热。
于是英国天体物理学家“爱丁顿”就提出恒星的能量源泉应该是聚变反应，是4个氢核聚合成氦核的聚变反应，当时核物理学还不发达，许多核物理学家认为氦核质子所带的正电荷会同性相斥，它们是不可能聚合到一起的，要使质子靠近需要给它们提供足够的动能，也就是说恒星的温度要非常高，而当时估计的恒星温度远远没有这么高，针对核物理学家认为恒星温度不够高，不可能形成氢聚合成氦的热核反应的观点，「爱丁顿」是这么回答的——“我们不跟那些说恒星温度不够高的批评者争辩，我们只告诉他们往前走，去找到为什么会有更高温度的理由。”
历史证明“爱丁顿”是对的，恒星的收缩的确可以让它中心的温度非常高，同时压强非常大，让质子的动能达到足以克服它们之间的静电斥力相互靠近而发生热核反应的程度，而且随着和物理学的发展，人们认识到当质子、中子等核子相互之间的距离趋近到10的-15次方米的时候，会出现一种远比静电斥力强大的吸引力，也就是我们说的“强相互作用力”，正是这种合力，把质子和中子聚拢在一起，形成稳定的原子核。
“爱丁顿”让学术界认识到恒星的能源不是引力的势能，而是聚变反应释放的核能，万有引力势能的作用仅仅限于点火，也就说原来的温度不高，不会产生聚变反应的恒星物质会在万有引力的作用下收缩，引力势能转化为热能，让恒星的温度不断升高压强不断增大，直到恒星中心部分的温度和压强达到了诱发热核反应的程度，完成聚变反应的点火，此后恒星发光、发热的能源就不再是引力能，而是核能了。
后来，天体物理学家“霍伊尔”发展了“爱丁顿”的思想，他首先认识到氦元素还能发生进一步的聚变反应，生成碳元素和氧元素，碳和氧又可以再进一步聚变生成更重的铁和硅元素，这不仅解释了恒星发展各阶段的产能机制，比如“白矮星”、“中子星”的形成以及“超新星爆发”的过程，而且还解释了宇宙中重元素的来源。
宇宙初期只存在氢和氦两种元素，但是今天的宇宙里存在各种重元素，比如铁，还有硅，这些重元素的来源，天体物理学家原本不清楚，“霍伊尔”的工作解开了这个秘密。
恒星如何形成，如何成长，如何衰老，如何消亡
宇宙刚诞生的时候处在温度极高的状态，最初形成的元素是氢，氢核在高温下发生聚变反应形成了氦核，随着宇宙的不断膨胀，气体的温度逐渐降低，氢聚成氦的热核反应逐渐就停下来了，这时候宇宙中的元素大概有70%多的氢和20%多的氦，这种混合气体不是绝对均匀，也不是绝对静止的。
随着涨落的变化，气体开始聚集成团，并且在万有引力的作用下逐渐收缩，在收缩的过程中，万有引力的势能逐渐转化为热能，这些气团的温度开始升高，大的气团中心部分温度可以到几千万度、上亿度，压强也可以达到几千亿个大气压，在这种高温高压的状态下，气体的中心开始了氢聚合成氦的热核反应，发出大量的光和热，成为年轻的恒星，于是第1批恒星就诞生了，这些年轻的恒星，现在叫做“主序星”。
图解：恒星就诞生示意图
恒星将在“主序”性阶段持续生存几十亿年到几百亿年，在这个阶段恒星内部的热核反应相对稳定，发出稳定的光和热，当“主序星”内部的氢基本烧完转化成氦之后，外层的氢开始燃烧，这时候恒星开始膨胀，温度也略有降低，成为体积庞大的“红巨星”或者是“超红巨星”。红巨星和超红巨星的中心部分聚集着大量的氦，这些氦的温度逐渐降低，在万有引力的作用下会进一步收缩，并且点燃由氦聚合成碳和氧的聚变反应。
质量小于8个太阳质量的“主序星”会演化成“红巨星”，红巨星再演化成由碳和氧两种元素构成的“白矮星”，白矮星的密度可以达到每立方厘米1~10吨。
质量大于8个太阳质量的“主序星”会演化成“超红巨星”，超红巨星的中心部分再聚变反应形成碳和氧之后，由于万有引力，巨大恒星不会停留在“白矮星”状态，还会进一步发生聚变反应形成铁、硅等重元素，并且发生猛烈的“超新星爆发”，最终形成“中子星”或者“黑洞”，或者全部炸飞不留残骸。
总之，恒星演化的晚期会经过红巨星或者超红巨星阶段，形成“白矮星”、“中子星”或者“黑洞”。
图解：恒星演化图
行星，之所以不在万有引力作用下收缩为一个“点”，是因为原子靠得很近之后原子外部的电子云分布会发生变化，同种电荷互相靠近，静电斥力增加，万有引力越大，原子之间靠的越近，电子之间的静电斥力也就越大，电磁力的排斥效应和万有引力的吸引效应相平衡就是行星达到稳定的状态了。
而“恒星”的情况和“行星”不同，它们的温度很高，热排斥效益很强，这种热排斥与万有引力相抗衡，能够使恒星处于稳定的状态，“主序星”和“红巨星”就是这么一种情况。
然而“白矮星”质量很大、密度很高，热排斥和电磁排斥效应都不足以抗衡它自身的万有引力，这个时候原子核外的电子壳层会被击碎，使得电子能够在原子核形成的晶格内自由的运动，或者说晶格漂浮在电子的海洋里，这个时候电子间靠得很近，产生了一种新的排斥效应，也就是“泡利不相容原理”导致的排斥力。“泡利不相容原理”是在研究原子结构的时候提出来的，为了解释原子核外电子的排布，德国物理学家“泡利”提出下面的原理——“每个电子状态只能容纳一个电子，原子的每个电子轨道上有两个状态，所以每个轨道上只能存在两个电子。”
现在这个原理又被用来解释“白矮星”物质中的强大斥力，“白矮星”物质密度特别大，电子壳层被击碎，电子之间靠的非常近，由于出现两个以上的电子挤占同一个状态的情况，于是相互之间就会产生“泡利斥力”，这种力比热排斥力和电磁排斥力都强，“白矮星”就是靠着这种“泡利斥力”的支撑而不在强大的万有引力下坍缩的。
可是“白矮星”并不是所有恒星晚期的唯一归宿，印度物理学家“钱德拉赛卡”发现，残余质量超过1.4个太阳质量“白矮星”状态的星体，由于万有引力过大，电子之间的“泡利斥力”将抵抗不住引力的吸引，星体还会继续坍缩，他在研究中认识到，当万有引力迫使电子相互靠近的时候，电子运动速度将被迫加快，对于质量超过1.4倍太阳质量的“白矮星”状态的星体，电子运动速度会接近于光速，形成“相对论性电子气”，这时它们的“泡利斥力”会突然减弱，于是星体将不可能停留在“白矮星”状态而会继续坍缩，所以“钱德拉赛卡”得出结论——“白矮星”存在一个质量的上限，也就是1.4倍的太阳质量，宇宙间不存在超过这个质量上限的“白矮星”，这个上限后来被称为“钱德拉赛卡极限”。
研究的结果也并非如此，在万有引力的强大压力下，电子会被压进原子核中，与原子核里的质子电荷中和形成“中子”，也就形成一颗主要由“中子”构成的“中子星”，这种星体靠中子之间的“泡利斥力”来支撑，中子间的“泡利斥力”比电子间的“泡利斥力”要大很多，可以支撑住质量不超过2~3个太阳质量的星体，这个质量上限称为“奥本海默极限”，是由美国物理学家“奥本海默”首先给出的。超过“奥本海默极限”的星体，中子间的“泡利斥力”也顶不住万有引力，星体将坍缩成“黑洞”。
物理学可以不断地发现更强大的“斥力”，但是每次发现的“斥力”都是有上限的，但引力这个东西它是没有上限的，总会找到一个临界值，超过这个临界值质量的物体在已知的范围里就再也找不到任何“斥力”能抵消引力带来的强大收缩效果。
图解：元初的“中子星”形成过程
上述是从天文学的角度、从恒星演化的角度，看到了黑洞形成的可能性，但是这还不是黑洞理论的全部，如果想了解黑洞到底是怎么回事，有一个理论是绕不过去的，那就是广义相对论。
广义相对论预言的“黑洞”
1905年，爱因斯坦在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上导出了“洛伦兹变换”建立起了“狭义相对论”，他给出了惯性系中，动尺缩短、动钟变慢、质能关系「E=mc²」、双生子佯谬等等重要而新奇的结论，“相对论”突破了牛顿理论的框架，展现出全新的物理体系和全新的时空观。
“爱因斯坦”指出自己的“相对论”和“牛顿”的“经典物理学”的关键差别不在于“相对性原理”，而在于“光速不变原理”，因为“伽利略”早就正确地阐述了相对性原理，“牛顿”在自己的力学中也应用了这个原理，爱因斯坦认为自己最大的突破是认识到“光速”是绝对的，真空中的光速不仅在同一惯性系中是均匀、各向同性的，而且和观测者相对于光源的运动速度也没有关系。
正当全世界为“相对论”的成功而欢欣鼓舞的时候，爱因斯坦本人却冷静地看到了自己理论存在着严重的缺陷：
缺陷一：作为“相对论”基础的惯性系现在没办法定义了，牛顿认为存在绝对的空间，所有相对于绝对空间静止和做匀速直线运动的参考系都是惯性系，而爱因斯坦的“相对论”认为不存在绝对的空间，牛顿定义惯性系的方法显然不适用了，有人建议把惯性系定义为不受力的物体，在其中保持静止或匀速直线运动状态的参考系，可是什么叫不受力呢？有人认为一个物体不和其他的物体接触就肯定不受力，但这种想法不对，因为自然界中还存在看不见摸不着的各种场，引力场、电磁场等等，它们都能对物体施加力。
缺陷二：万有引力定律写不成相对论的形式，爱因斯坦致力于把万有引力定律引入相对论的框架，几经失败之后，他终于认识到相对论容纳不了万有引力定律。
这两个缺陷是非常严重的，爱因斯坦的相对论是研究惯性系之间的关系的，也就是说相对论是建立在惯性系基础上的，现在这个基础居然无法定义。另一方面，当时已知的力只有“电磁力”和“万有引力”两种，竟然“万有引力”就放不进相对论的框架里。
爱因斯坦反复思考“狭义相对论”遇到的两个基本困难——
第1：惯性系无法定义。
第2：万有引力定律纳不进相对论的框架。
既然惯性系无法定义，于是爱因斯坦就把自己的理论建立在任意参考系，也包括非惯性系的基础上，把原来的相对性原理、物理规律在一切惯性系中都相同，推广为物理定律在一切参考系中都相同，这个称为“广义相对论原理”，这样做确实避开了定义惯性系的困难，但又产生了新的困难，非惯性系与惯性系不同，它有惯性力存在，那如何处理惯性力呢？此外爱因斯坦注意到惯性力的一个重要特点，惯性力与物体的惯性质量成正比，这个特点和万有引力非常相似，万有引力也和物体的引力质量成正比。
在《自然哲学的数学原理》这本书里，牛顿把质量定义为物体所含物质的多少，质量就是物质的量，它等于密度和体积的乘积，并且和物体的重量成正比，这种的质量称为“引力质量”，在这本书另一处牛顿又谈到物体的质量和它的惯性成正比，使不同物体在外力作用下产生相同的加速度的时候，物体的质量和所施加外力的大小成正比，所以牛顿认为质量可以看作物体惯性的量度，这样定义的质量就称为“惯性质量”。牛顿认为没有理由相信引力质量和惯性质量是同一个东西，但是“自由落体定律”又告诉我们二者是相等的。任何物体不管它的化学成分和重量，它们下落的加速度A都相同，都等于G，这就导致引力质量和惯性质量在数值上是相等的。
爱因斯坦那个时代有个匈牙利的物理学家叫“奥特沃斯”，他用扭摆实验，在10的负8次方的精度之内，没有查到引力质量和惯性质量的差异。《相对论》发表之后，又一个物理学家“迪克”做到了10的负11次方，俄罗斯的“布拉金斯基”又把精度做到了10的负12次方，都严格地证明了引力质量和惯性质量相等。
图解：万有引力公式
爱因斯坦注意到这些实验都表明引力质量和惯性质量精确相等，他终于认识到惯性问题，应该和引力问题结合在一起解决，“狭义相对论”所遇到的两个困难，其实是同一个困难，经过反复思考之后他决定把这个结论往前再推进一步，提出了一个等效的原理，也就是“惯性场”和“引力场”局域等效，为了说明这个等效，爱因斯坦做了一个关于升降机的思想实验，清楚地表达了他的等效原理思想。
一个观测者处在一个封闭的升降机内，得不到升降梯外部的任何信息，当他看到升降机内的一切物体都自由下落，下落的加速度a与物体的大小和物质组成无关的时候，他没法判断自己处在下列两种情况的哪一种：
第1种情况：升降机静止在一个“引力场”强为a的星球表面。
第2种情况：升降机在没有“引力场”的太空中以加速度a运动。
换句话说，你没法用任何物理实验来区分“引力场”和“惯性场”等效原理，还进一步告诉我们当只有引力场或者只有惯性场存在的时候，任何质点不论质量大小，在时空中都会描出同样的曲线。
在真空中抛出金球、铁球和木球，只要抛射的初始速度和倾斜角相同，这三个球都将在空间中描出相同的轨迹，这就是说质点在纯引力和惯性力作用下的运动和它的质量和成分无关，于是爱因斯坦就做出了物理思想上的又一个重大突破，他大胆地猜测——“引力效应可能是一种几何效应，万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现，由于引力起源于质量，他认为时空弯曲起源于物质的存在和运动。”
时空几何和运动物质如何联系起来？
爱因斯坦感觉到自己的数学知识太欠缺了，于是他求助于自己的大学同学瑞士数学家“格罗斯曼”，格鲁斯曼告诉爱因斯坦“黎曼几何”和“张量分析”也许对他有用。
我们现在知道“欧氏几何”、“罗氏几何”、“黎氏几何”描述的是不同曲率的空间：
“欧氏几何”描述的是零曲率的空间——平面。
“黎氏几何”描述的是正曲率的空间——球面。
“罗氏几何”描述的是负曲率的空间——马鞍面。
数学家“黎曼”把这几种几何结合在一起成为“黎曼几何”，这个时候爱因斯坦产生了和当年“黎曼”类似的猜想，而且当时的爱因斯坦已经掌握了大量的物理知识，创新理论的条件已经成熟了。
起初，“爱因斯坦”和“格罗斯曼”合作学习和掌握“黎曼几何”，寻找联系物质和时空几何的基本方程，也就是“场方程”，他们尝试写出一些形式的方程，但都有重大的缺陷，爱因斯坦到了德国之后又和“希尔伯特”探讨，希尔伯特不愧是一个数学大师，经过和他的探讨，几个月之后爱因斯坦就给出了“场方程”的正确形式，建立了他的新理论，也就是“广义相对论”。新理论克服了旧理论的两个基本困难，用“广义相对性原理”代替了“狭义相对性原理”，并且包容了万有引力。
“广义相对论”其实是一个关于时间、空间和引力的理论
“狭义相对论”认为时间和空间是一个整体，也就是“四维时空”，能量和动量是一个整体，也就是“四维动量”，但是并没有给出时间空间与能量动量之间的关系。广义相对论进一步指出了这个关系，认为能量、动量的存在也就是物质的存在会使四维时空发生弯曲，万有引力并不是真正的力而是时空弯曲的表现，如果物质消失，时空就回到平直的状态。
“相对论”把四维时空中的曲线称为“事件线”，广义相对论认为万有引力不是一般的力，而是时空弯曲造成的几何效应，质点在万有引力作用下的运动，比如地球上的自由落体、行星绕日运动等等没有受到力，而是弯曲时空中的自由运动也就是惯性运动，它们在时空中描出的“事件线”虽然不是直线，却是直线在弯曲时空中的推广，也就是“测地线”，测地线就是“短程线”，也就是两点之间最短的线，当时空恢复平直的时候，“测地线”就成为通常的直线。
举例说明：「时空弯曲」
4个人各拉紧床单的一个角，床单在这个二维空间就是平的，放一个小玻璃球在上面，如果不去推它，它就会保持静止或者匀速直线运动。
如果床单中间放一个铅球，床单就会凹下去，这时二维空间就弯曲了，这个时候如果再放置一个小玻璃球在床单上，玻璃球就会滚向中央的大球。在这个例子里，我们可以把大球看作地球，小球看作一个下落的物体。
按照牛顿的观点是由于大球拥有万有引力吸引小球，可是按照爱因斯坦的观点是由于大球的存在使时空弯曲了，并不存在什么引力，小球落向大球是弯曲空间中的自由运动，如果给小球一个横向的速度，它就会绕大球转起来，这个时候可以把大球看作太阳，小球比作行星。
按照牛顿的观点是由于小球受到大球的引力不能跑向远方，可是按照爱因斯坦的观点，小球没有受到任何力，只是由于时空弯曲了，在弯曲空间中它做自由运动，不能飞向远方。
上述例子说的只是空间弯曲，而广义相对论说的是四维的时空弯曲，太阳的存在让四维时空弯曲了，行星绕日运动就是在弯曲时空中的惯性运动，根本就不存在什么万有引力，爱因斯坦给出了广义相对论的基本方程，这个方程被称为“爱因斯坦场方程”，实际上这个是由10个二阶非线性偏微分方程组成的方程组，非常的难解，爱因斯坦发表相对论的时候，求出了“场方程”的近似解。
爱因斯坦在发表自己理论的时候，同时提出了三个检验广义相对论的实验：
第1个：引力红移。
第2个：行星轨道近日点的进动。
第3个：光线偏折。
这三个实验都被观测给证实了，爱因斯坦自己并没有得到“场方程”的解，他是用近似解算出3个实验结果的，在1915年底完成“广义相对论”。
图解：场方程”的近似解公式
史瓦西”求出了广义相对论“场方程”第1个有意义的解
1916年，也就是爱因斯坦发表《广义相对论》后的一年后，德国数学家兼天文学家“史瓦西”就求出了广义相对论“场方程”第1个有意义的解，“史瓦西”表达的意思是，当时空中存在一个不变化的球对称质量，而且球体外面是真空的时候，外部时空将如何弯曲，这个解需要强调的是，这个解描述的是球体外部真空区的时空弯曲情况，并不反映球体内部的时空弯曲情况，球体内部的时空要用所谓“史瓦西内解”来描述，不过为了抗拒物质间的万有引力，必须设想球体内部有某种排斥力，很多科学家设想了不同的排斥力，结果得到了不同的“史瓦西内解”，所以“史瓦西内解”并不唯一，而描述球体外部时空弯曲的“外解”则是唯一的，人们最感兴趣的是这个“外部解”，因为它在天文学和物理学上有大用处，这个解又称为“史瓦西解”。
图解：“史瓦西解”公式，公式左边是时空中两个点的距离，右面是一系列的因子
物理学家在研究“史瓦西解”的时候发现，这个解在R=0的时候，有一个系数会变成无穷大，也就是说时空的曲率是无穷大，而且这种无穷大不能通过坐标变换来消除，不管你选择什么坐标系，R=0都是起点，这个起点也就是我们今天说的“黑洞的中心点”，“史瓦西”求出的“场方程”解公式里有一组特别重要的数，它们是在「时间坐标dt」前面和「空间坐标dr」前面都有的一组数字，这组数字是「2GM/C²」，“G”就是万有引力常数，“C”就是光速，“M”是天体的质量，能推论出这组数字只和质量相关，这个「2GM/C²」一般物理界把它称为“2G”，也就是著名的“史瓦西半径”。“史瓦西半径”的含义是，如果特定质量的物质被压缩到这个半径之内，将没有任何已知类型的力可以阻止这个物质在自身引力的条件下把自己压缩成一个「黑洞」。
本文前面所说的“拉普拉斯”和“米歇尔”依据牛顿的「万有引力定律」和「力学第二定律」预言出“暗星”，也就是黑洞，他们算出 “暗星”形成的条件，也是半径小于「2GM/C²」，这个和“史瓦西半径”是一样的，但是这只能说是一个巧合，“拉普拉斯”和“米歇尔”以为光速和一般质点的速度一样，在外力下会发生变化，他们认为黑洞形成的原因是恒星的光会被自身的引力给拉回去，现在我们知道光速是不变的，也就是说他们推导的过程从原理上就错了，尽管“史瓦西半径”最终得出的结论和之前的结论在数学结果上是一样的，但却来自完全不同的理论框架背后对宇宙和时空的理解也是完全不一样的。
根据“史瓦西”求出的“场方程”解公式，还能推出黑洞的一个奇怪性质
在黑洞内外，也就是「Rs>2G」和「Rs<2G」的地方时空的坐标会发生互换，在黑洞内部原来的时间坐标“T”会变成空间坐标，原来的空间坐标“R”则会变成时间坐标，由于洞内的“Rs”变成了时间，洞内的二等面不再是空间的球面，而变成了时间的等时面，时间是流逝的、有方向的，任何物质都必须顺着时间的方向前进，如果时间的方向向里，洞内的任何物质都不能停留，都必须向“Rs=0”处汇聚，不过这个时候“Rs=0”已经不再是球心了，而变成了时间的终点，物质到达时间的终点“Rs=0”，在那里会处于时间之外。处于时间之外是什么意思？我们只能在公式里看出来，但是它的物理意义我们现在还不清楚。
“场方程”解公式还能推导出什么？
广义相对论预言，弯曲时空中的“钟”会变慢，从而导致那里的光源发出的光会出现红移，这种红移称为“引力红移”，目前的实验观测支持了这个结论，因为光速不变改变的只能是光的频率，在地球上的人看来，从太阳来的光线频率减小了，也就是波长增大了，发生了红移。
图解：引力红移
当星体不是太阳而是黑洞，会发生什么情况？
从黑洞表面直到观测者所在的位置放置一系列的时钟和光源：
对于靠近黑洞表面的时钟和光源，由于公式中根号内的因子趋近于0，所以“dt”会趋近于无穷大，光的频率也会趋近于无穷大，所以在远方的观测者看来，在黑洞表面的时钟完全不走了，光谱也发生了无限的红移，所以称黑洞的表面为“无限红移面”。
举例说明：
如果从观测者到黑洞在宇宙空间里摆放一系列的时钟和一系列的光源，由于时空弯曲的地方时钟走的慢，时空弯曲的越厉害时钟走的就越慢，正如前面所说的黑洞表面的钟将完全停滞不走，而且时空弯曲的越厉害的地方，光源发出的光，红移越大，只有黑洞表面的光源发射的光，将发生无限的红移，波长趋于无穷大，所以飞船飞向黑洞的时候，远方的观测者将看到飞船越来越慢，飞船上人的动作越来越慢，飞船的颜色也越来越红，最后飞船就粘贴在黑洞的表面上，宇航员的动作也完全僵化，但是外面的人永远看不见飞船进入黑洞。飞船上的宇航员用的时钟不是摆在飞船外的时钟，宇航员的时间进程也不是飞船外的观测者经历的时间进程，宇航员觉得自己在飞船上的时钟并没有变慢，飞船很正常地进入了黑洞。
因为飞船的背影留在了洞外，远方的观测者看到的正是这个背影，在地球上我们看到一个人从屋子里走出去，他的背影一闪就消失了，这是因为组成他背影的光子一下子就散开了，然而黑洞表面附近的时空弯曲得太厉害，组成飞船背影的光子被束缚滞留在那里，只能一点一点地跑出来，越跑越稀，所以远方观测者只能看到飞船的背影越来越暗，飞船越来越慢，越来越发红，最后冻结在黑洞的表面上逐渐消失在黑暗里，却永远看不见飞船落入黑洞的那一瞬间。
飞车上的宇航员感觉自己正常地进入黑洞，但是他收不到来自前方的信息，因为这个时候空间和时间的坐标转换了，只有他的信息可以飞向“奇点”，奇点那边的信息却根本过不来，也就是说他看不见“奇点”，这就像我们现在看不见未来是一样的。
黄媂总结·“史瓦西”对于广义相对论方程求出的“解”结论
史瓦西半径「Rs=2GM/C²」，如果你只记一个知识点的话，就请你记住这条公式，如果一个星球保持质量不变开始压缩，在压缩到“2G”之前一切都很正常，只是越接近星球的表面，时钟越慢，红移效应越明显，而一旦压缩到“Rs=2G”之后，从外界看来，也就是“Rs>2G”的范围看来，会形成一个“Rs=2G”的「视界」，任何粒子一旦落入事件内就再也不可能出来，这个就是我们今天所说的“黑洞”。
从爱因斯坦广义相对论推导出来的黑洞，虽然和从牛顿理论推导出来的黑洞名字一样，但是它们却完全不是同一个东西，前者来自于人类对时空更深刻的理解，你可以不必完全理解“史瓦西解”的公式，或许现在你可以感受到一种力量，这一切的推论都来自于爱因斯坦最初的假设——光速不变，那个时候“暗星”还仅仅存在于数学公式之中的一个“未知解”。
当然，“史瓦西解”只是广义相对论最简单的一个解，代表半径是一个绝对球状对称而且不自转的物体重力场精确值，爱因斯坦的广义相对论方程还有很多其他的解，关于黑洞的话题还远远没有结束......
黄媂/作品
时间根本不存在，时间只是我们创造出来的一个词
量子力学解释不了“引力”本质的根本原因
地轴旋转一圈的周期是25786年
作者：黄媂·95后女·喜欢创作生物、化学、物理、地质和天文科学文章，欢迎关注互相学习。
#2020生机大会##科学燃计划#
