一直以来，传统文化和天文物理学是我的兴趣爱好，一个是对历史回顾一个是对未来展望。这篇文章早在2019年就打算写的，正好遇到当时M87黑洞照片发布，怕有蹭热度的嫌疑就没弄了，这次遇到孩子的兴趣课顺便做了有关的课件。本文较PPT版有较大删减。同学们，欢迎来到广渺无垠的宇宙世界。今天我们以极为烧脑的方式来认识宇宙中最为奇妙的一个天体——黑洞！在我们谈论任何物理知识时，永远都绕不开一位牛人：伟大的科学家、科学巨人牛顿。牛顿小时候成绩并不是非常出色，但是他善于思考，勤于摸索，最后成为了人类科学史上最为伟大的物理学家、天文学家、数学家，是近现代物理学的奠基人，我们现在发展出来的科学技术几乎都是从牛顿开始的。牛顿通过苹果落地发现了“万有引力定律”，这个定律解释了人们为什么能头朝上脚朝下生活在地球上，也解释了月亮为什么围绕地球运转不掉在地球上。也解释了为什么我们越用力越能跳得更高，在空中停留时间更长。牛顿当年就计算出，如果我们起跳的速度达到7.9公里/秒，我们就能围绕地球旋转。这使得我们围绕地球旋转而不掉下的最小速度7.9公里/秒就被称为“第一宇宙速度”，也叫环绕速度。
实际上每一个星球都有自己的“第一宇宙速度”，它实际上只跟两样东西有关（公式中可以看出），就是星球的质量和体积有关。第二宇宙速度就是脱离地球束缚，在太阳系内运动，又称为脱离速度。11.2公里/秒第三宇宙速度就是脱离太阳系束缚，进入银河系，又称为逃逸速度。16.7公里/秒，公式复杂。之后还会有第四宇宙速度，就是脱离银河系进入更大的宇宙空间，这个暂时无法计算，估算550公里/秒。通常两个物体之间的万有引力极其微小，我们察觉不到它，可以不予考虑。比如，两个质量都是60千克的人，相距0.5米，他们之间的万有引力还不足千万分之一千克力，而一只蚂蚁拖动细草梗的力竟是这个引力的1000倍！但是，天体系统中，由于天体的质量很大，万有引力就起着决定性的作用。在天体中质量还算很小的地球，对其他的物体的万有引力已经具有巨大的影响，它把人类、大气和所有地面物体束缚在地球上，它使月球和人造地球卫星绕地球旋转而不离去。对于速度的研究使得200多年前，一位叫拉普拉斯的科学家突发奇想：如果一颗星球以超过光的速度前进，那么岂不是星球上的光都跑不出来了吗？这就是黑洞第一次猜想。但是他没有把这个想法研究下去。
之前牛顿的物理学将空间和时间相独立，而100多年后，我们又迎来了另一位科学巨匠-爱因斯坦，他认为空间和时间是关联的，并提出“时空”的概念：万有引力时空弯曲的一种表现，而万有引力公式只是时空弯曲的近似公式（圆面积也是个近似公式），如果要把时间、空间、引力、物质关系搞清楚，就必须用到一个超级烧脑的公式：爱因斯坦引力场方程（爱因斯坦很多理论研究都远远领先于当时的现实科技，如：高质量恒星引起的光线弯曲、水星近日点进动、引力钟慢、引力红移、黑洞、引力拖曳效应、引力波这些当时大家都没认识的现象，最后统统都得到了证实）。但是，爱因斯坦引力场方程在计算的初期是使用的直角坐标系，只能得出一个近似解，一个月后的12月22日，有位德国科学家史瓦西（当时在部队搞火炮弹道计算）在计算爱因斯坦引力场方程时引入极坐标系，得到一个精确解。史瓦西突然发现，当太阳的半径缩小到3公里，或者地球半径缩小到9毫米，那么太阳或地球的中心时空就会严重完全扭曲，任何东西都不能逃逸，包括“光”。自此，黑洞的理论基础建立。我们都知道：一颗恒星由壮年走向老年的时候，它会燃烧膨胀形成红巨星。之前由于引力作用，燃烧的恒星会把它外面燃烧的物质紧密拉住，随着燃烧越来越膨胀，有一天恒星的外壳张力大于引力时，恒星会“嘭”的一声爆炸，外部向外抛出扩散，内部因为引力迅速塌陷收缩，那一瞬间亮度和热度非常非常大，在天空形成“超新星”。（第一次超新星爆炸的记录在中国。东汉中平二年乙丑，中国天文学家观测到超新星，是人类历史上发现的第一颗超新星。该超新星在夜空中照耀了八个月。之后西方文献里也有多次记载）恒星燃烧最终都会熄灭并收缩，但熄灭后具体什么情况却不得而知，大多数会认为，熄灭后的恒星会留下比较致密的残骸——白矮星，密度每立方厘米几十吨。白矮星虽然发光比恒星暗，但毕竟肉眼可见，很早就被发现了（1783年），而且目前被发现了1000多颗。但是，如果恒星质量足够大，那么引力足够大，那么内部塌陷收缩会到什么程度呢？或者大到什么程度内部才能收缩塌陷呢？1930年，一名名叫钱德拉赛卡的20岁印度学生（因此获得1983年诺贝尔物理学奖）去英国读大学学习天文物理学，拜师当时的科学巨星爱丁顿爵士。那时候从印度去英国只能坐船，路途几个月，一路上他无聊开始计算爱因斯坦的研究成果，最后得出一个惊人发现，就是当恒星质量大于某一个极限值（钱德拉塞卡极限，约为太阳质量的1.44倍）的情况下熄灭后，会向恒星内部继续收缩，原子核的电子会被压缩进电子核，与质子形成中子（中子星，1967年被观测到，密度每立方里面上亿吨），甚至继续压缩，甚至压缩到极限，无穷趋近于零，，，，，，题外：其实电子与原子核有着广袤的空间，假设说原子核是一个足球大小的物体，那么电子的轨道则在足球场的边缘。黑洞其实是肉眼无法观测到的，最初它是通过包括之间介绍的科学家的理论依据计算出来的或者说猜想出来的。直到2019年4月10日，由分布在全球八个天文观测点组成的一个超级无比巨大的“事件视界望远镜”，终于以多种联合观测手段，拍到了第一张黑洞照片，它是位于室女座a中心的M87超大质量黑洞，距离地球大约5300万光年，其质量是太阳质量的64亿倍，体积为太阳体积的680万倍。其实，黑洞的核心物质可能就是一个质量无穷大、体积无穷小的点（奇点）。这个点能无穷的弯曲时空，形成一个漏斗似的时空结构。所有进过这个点的物质，统统会被强大的引力吸引过去，甚至连光都逃不掉它的束缚，形成广义上说的黑洞。所以我们所说的黑洞，是指之前所说的史瓦西计算出来的光不可逃逸区。史瓦西半径之外，光就能逃脱，只不过会被弯曲，呈一个弧线，形成双层影像，这就是引力造成的引力透镜。黑洞的最典型特点：它是一个极度贪吃的怪兽，会毫不留情的吞下所有路过它的物质（光以事件视界为边界）。路过它的星球，也会被它毫不留情的撕裂，原子结构不断压缩，最后吸入奇点，变得无穷小，在那里我们所有的物理知识会荡然无存，我们对奇点没有任何认识和理解。
黑洞会发光，因为黑洞不断吸入物质，物质在被吸入过程中围绕着奇点高速旋转下会摩擦，发光发热，成为“吸积”；在黑洞的吸积盘内，物体被引力“撕碎”的微观粒子运动速度肯定不尽相同，那么在坠落的过程中不可避免地会发生相互碰撞和摩擦，从而使得亚原子的内动迅速提升，一部分以高能射线（比如伽马射线、X射线）激发出去，成为“喷流”。这也是我们间接观测到黑洞的方法之一。黑洞存在着什么意义？科幻电影《星际穿越》给出了解释：一、黑洞弯曲了空间，制造了虫洞，使库珀能随意穿行到宇宙任何地方，原本花很多时间现在很快就到了。二、黑洞弯曲了维度，使得库珀进入五维空间，给女儿用摩斯密码传递信号。我们是三维生物，以XYZ定位的空间里生活，如果我们给这三维空间加上T（time）的时间轴，把三维视作一个整体在T轴上运动，那么我们能看到整个时间轴上任意时刻发生的事件；如果我们再以四维为整体，再加上一个维度，那么我们可以在任意时间点上移动，去改变事件发生，自然改变事件的结果，这就是我们所说的“改变未来”。（再继续加维度我就想象不出来了）三、黑洞使时间变慢，库珀在事件发生时自己不老而女儿长大；回来比自己未老而女儿已经衰老不堪，这就是因为黑洞扭曲了时间，使得两个人的时间不同。实际上实现时间旅行的人是存在的，俄罗斯宇航员“克立可利”以3万公里/小时的速度飞行了803天，他的时间就比地球人时间满了1/48秒。这个情况一般情况下感受不到，但是速度再快点就有明显区别了。从时间轴看：我们宇宙的年龄138.2亿年，我们地球的年龄是45.5亿年，人类诞生不超过400万年，而人类文明5000年左右，现代科技如果从哥白尼算起，也没超过500年（地球年龄的1/910万）。如果宇宙的存在的时间我们按一年来计算，每小时3600秒，每年就是31536000，那现代科技出现的时间也就不过在最后的3.4654秒！12月31日23:59:56.5秒，才进入哥白尼时代的现代科技；从莱特兄弟的第一架飞机上天到今天奔向太空也一百年多一点。黑洞看起来有那么恐怖，把它放在我们45.5亿年的时间里，也不算什么，正如莱特兄弟飞机上天时他们无法预测今天的宇宙飞船一样，今天的人类也不知道一百年后的科技会发达到什么地步，科技的进步不断的提高人类的生活，保障着人类的安全，100年后，我们可能能控制太阳的发光发热，可能穿行在银行系、广袤无垠的宇宙空间，可能利用黑洞的强大能量给我们供电、供暖，那1000年后，10000年后，甚至更长时间后呢？
从空间轴看：我们以前学习的书籍中将把太阳系的八大行星全部画进去，其实距离比例是不对的。因为按比例画没有一本书能画完。
实际比例是：科学家把地球到太阳的距离设定为一个天文年（距离长度），假设我们理解为地球到太阳为1米，那么土星到太阳就是10米了，太阳系的最外侧奥尔特云从1000米起到10000米止，也就是说太阳系的边缘在10公里外了。1990年2月14日，当旅行者1号探测器越过太阳系的八大行星，正朝着太阳系外飞奔而去时，卡尔·萨根费尽九牛二虎之力说服了NASA，让旅行者1号调转相机，最后回望一眼自己的家园。当时，旅行者1号在64亿千米（冥王星位置）之外创纪录地为地球上的万物生灵拍下了一张特殊的全家福。右下角是卡西尼号于于2017年在土星附近（17亿公里）拍摄的地球照片。
那么太阳系又仅仅是银行系亿万颗恒星系的一个（银河系中央有个超大型黑洞），银河系又是浩渺宇宙中一个微不足道的点，，，，，，，，让我们记住这些研究理论的物理学家，他们为人类科技奠定了基础，我们今天所有的一切都是建立在他们提供的理论之上。
好奇、专注、诚实、持续，是科学研究、学习工作进步的动力。
