最近有個(gè)消息火爆了科技圈，如果不出意外，2019年最大的科學(xué)新聞非他莫屬。什么消息呢？黑洞有照片了！
北京時(shí)間2019年4月21日21點(diǎn)整，人類歷史上首張黑洞的真實(shí)照片被公布。
2015年引力波的發(fā)現(xiàn)，使我們“聽”到了黑洞，而這次，我們“看見”了黑洞。
當(dāng)然小伙伴們不要誤會(huì)，這張照片不是黑洞的光學(xué)成像，而是對黑洞在非可見光波段的成像，用的不是光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡而是一組射電望遠(yuǎn)鏡的陣列，稱為“事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope, EHT）”。
什么？黑洞都要有照片了，你卻對黑洞研究的歷史一點(diǎn)都不了解？這篇文章就帶你大致看一下，對黑洞這種神奇天體的研究歷史。
可惜不是牛頓
雖然黑洞聽上去是個(gè)現(xiàn)代感十足的名詞，但對于它的探討早在牛頓的時(shí)代就開始了。
牛頓建立了牛頓力學(xué)框架，但沒有將其應(yīng)用到大質(zhì)量天體上，因而錯(cuò)過了最早提出黑洞概念的機(jī)會(huì)。
這樣，黑洞概念最早提出者的名頭，落在了比牛頓稍晚些的物理學(xué)家米歇爾的頭上。
1783年，在給卡文迪許的一封信中，這位英國人提出了一種叫“暗星”的特殊天體。
他將萬有引力定律和光的微粒說應(yīng)用到極端的假設(shè)中，發(fā)現(xiàn)宇宙中可能存在著一種奇特的天體。
這種天體是一種質(zhì)量非常大的恒星，以至于所有的光粒子都會(huì)被恒星的引力吸回去。
如果恒星輻射的所有光粒子都被吸回去，恒星將永遠(yuǎn)看不見，在天空中，它只是一個(gè)黑暗的斑點(diǎn)，因此將其命名為“暗星”。
(現(xiàn)代意義上的黑洞并非是米歇爾所猜想的巨大而黑暗的恒星，米歇爾的猜想只是黑洞思想的萌芽)
后來，法國著名的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家拉普拉斯在他的巨著《天體力學(xué)》中也預(yù)言了暗星，并給出了暗星的半徑：
然而，拉普拉斯的推導(dǎo)還是基于光的微粒說。
1801年，托馬斯·楊的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)說。這使拉普拉斯的推導(dǎo)站不住腳了。
于是拉普拉斯在其1808年出版的第三版《天體力學(xué)》中，刪除了暗星的內(nèi)容。
然而，有意思的是，他得出的暗星的半徑與現(xiàn)代的結(jié)果完全一致，雖然他推導(dǎo)的基礎(chǔ)并不正確。
一戰(zhàn)前線的成果
就這樣，暗星的研究自此沉寂了200余年，直到1915年愛因斯坦廣義相對論的提出。
在廣義相對論中，愛因斯坦給出了著名的引力場方程。
它表明物質(zhì)引起的時(shí)空彎曲會(huì)對光的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，這使暗星理論再次有了存在的基礎(chǔ)。
不久，1915年12月，還在一戰(zhàn)前線上任炮兵上尉的德國數(shù)學(xué)家史瓦西，得到了引力場方程的第一個(gè)精確解，并將結(jié)果寄給了愛因斯坦。
可惜的是，史瓦西不久便因病在俄國前線去世。
史瓦西的解以靜止的、不帶電的、球?qū)ΨQ的天體為假設(shè)，建立了以天體為中心的球坐標(biāo)系，描述了其外部的引力場。
很明顯，上面的解在第二項(xiàng)處有兩個(gè)奇點(diǎn)（使分母等于0的點(diǎn)），r表示到天體中心的距離：
其中：
對于球體來說，半徑為某一值會(huì)形成一個(gè)面，所以奇點(diǎn)嚴(yán)格來說應(yīng)被稱為奇面。
后來對黑洞的研究主要集中在黑洞的產(chǎn)生條件和黑洞的奇點(diǎn)這兩個(gè)方面。
而史瓦西的解得到的這兩個(gè)奇點(diǎn)分別對應(yīng)了這兩個(gè)方面，引導(dǎo)了這兩方面的研究。
第二個(gè)奇點(diǎn)——黑洞存在嗎？
先說說第二個(gè)奇點(diǎn)的故事吧，對這個(gè)奇點(diǎn)的研究，解決了黑洞是否存在和黑洞的產(chǎn)生條件等問題。
這第二個(gè)奇點(diǎn)的結(jié)果稱為史瓦西半徑，細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)半徑與當(dāng)年拉普拉斯得到的暗星的半徑相同。
而這個(gè)半徑也是現(xiàn)在通常認(rèn)為的一個(gè)天體變?yōu)楹诙吹呐R界半徑，但無論是史瓦西，還是愛因斯坦都沒有發(fā)現(xiàn)這層關(guān)系。
真正將史瓦西半徑與黑洞聯(lián)系起來的，是錢德拉賽卡和奧本海默的研究結(jié)果。
1930年，來自印度的錢德拉賽卡在前往英國留學(xué)的輪船上閑著無聊，在打發(fā)時(shí)間時(shí)計(jì)算出了著名的錢德拉賽卡極限：
當(dāng)星體的質(zhì)量達(dá)到該極限時(shí)，電子間的斥力無法抗衡強(qiáng)大的引力， 星體將會(huì)塌縮。
不過，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家并不接受這一觀點(diǎn)，因?yàn)?932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們認(rèn)為：除了電子間的斥力，中子間也存在斥力，可以抵消引力，阻止天體的塌縮。
直到1939年，奧本海默發(fā)現(xiàn)：
當(dāng)星體的質(zhì)量達(dá)到某個(gè)極限時(shí)，連中子間的斥力也無法抗衡強(qiáng)大的引力，星體將不可避免地一直塌縮下去。
這個(gè)極限被稱為奧本海默極限。
奧本海默還提出，由于達(dá)到極限后，再無任何力可以阻擋星體的塌縮，星體將無限塌縮下去，在這個(gè)過程中，星體坍縮至其史瓦西半徑大小時(shí)會(huì)發(fā)生奇怪的現(xiàn)象：
在那里時(shí)間將被凍結(jié)，在這個(gè)半徑內(nèi)，即使是光，也無法逃逸。
這與200多年前提出的暗星非常類似，奧本海默因此在廣義相對論的框架下再次預(yù)言了暗星的存在。
若星體坍縮至其史瓦西半徑大小，則將成為光也無法逃逸的暗星。
后來（1967年，見下文介紹），人們將這種天體稱為黑洞。
當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們對類似的結(jié)果不以為然，包括愛因斯坦在內(nèi)的物理學(xué)家堅(jiān)決反對暗星的存在。
畢竟它的條件有點(diǎn)太極端了，以地球?yàn)槔?b>如果地球變?yōu)榘敌牵浒霃綄⒅挥?厘米。
不久之后二戰(zhàn)席卷全球，相關(guān)的研究陷入了停滯，奧本海默本人也受美國政府的邀請，領(lǐng)導(dǎo)了著名的”曼哈頓計(jì)劃“。
直到1958年，兩個(gè)美國物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)：史瓦西半徑確定的奇面其實(shí)是個(gè)“事件視界”，它是一個(gè)單向膜。
所有的一切（包括時(shí)間、空間）一旦進(jìn)入這個(gè)膜，都將只能向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)——無法挽回地掉向天體中心。
由于暗星的產(chǎn)生條件太極端，直到60年代，許多科學(xué)家仍不相信它的存在，認(rèn)為它只是理論上的。
與暗星類似的還有中子星。
中子星的產(chǎn)生條件也非常極端，比暗星強(qiáng)不了多少，但在1969年，物理學(xué)家們證實(shí)了中子星確實(shí)存在：
所謂的脈沖星就是高速自轉(zhuǎn)的中子星。
這讓物理學(xué)家們反思：暗星是不是也存在？
曾經(jīng)反對暗星存在的惠勒，經(jīng)過長期研究后，也認(rèn)識(shí)到：奧本海默預(yù)言的暗星可能真的存在。
并于1967年為它取了現(xiàn)在的名字——黑洞。
1967年，證明了這樣一個(gè)定理：無論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由幾個(gè)物理量（質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷）唯一確定。
換句話說黑洞一旦形成，除了黑洞的質(zhì)量M、角動(dòng)量J、所帶電荷Q，其他所有的信息（毛發(fā)）都將丟失。
不管黑洞之前吞噬了多少其他物質(zhì)，這些物質(zhì)都不會(huì)對黑洞的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。
因此這個(gè)定理被惠勒戲稱為黑洞無毛定理。
至此，關(guān)于黑洞是否存在的研究也就告一段落了。
第一個(gè)奇點(diǎn)——黑洞中心的奧秘
在前面說到的史瓦西的解得到的兩個(gè)奇點(diǎn)中，第二個(gè)奇點(diǎn)——位于天體的史瓦西半徑處——可以通過坐標(biāo)變換消除。
而第一個(gè)奇點(diǎn)——位于天體中心r=0處——卻無法通過任何數(shù)學(xué)方法消除，是物理意義的奇點(diǎn)。
我們知道，奇點(diǎn)（即分母為0）會(huì)造成無窮大。
然而，在物理中無窮大是不可接受的，于是一開始人們認(rèn)為不可消除的第一類奇點(diǎn)的出現(xiàn)是一種錯(cuò)誤，至少在實(shí)際中不會(huì)出現(xiàn)。
于是，一大批物理學(xué)家試圖證明：在現(xiàn)實(shí)中，無法消除的第一個(gè)奇點(diǎn)其實(shí)是不存在的。
很不幸，1965年英國的物理學(xué)家彭羅斯證明了奇點(diǎn)定理，后來，霍金也獨(dú)立地證明了奇點(diǎn)定理。
奇點(diǎn)定理表明，如果廣義相對論是對的，在一定條件下（在我們的宇宙中是滿足的），無法消除的第一個(gè)奇點(diǎn)一定會(huì)存在。
并且在奇點(diǎn)處，所有已知的物理定律都會(huì)失效，也沒有時(shí)間和空間。
（注意，這里是沒有時(shí)間和空間，而不是時(shí)間、空間的初始。）
也就是說，在黑洞的中心處（第一個(gè)奇點(diǎn)位于天體的中心），存在一個(gè)非常奇特的位置，在那里，人類已知的所有物理定律全部崩潰，也不存在時(shí)間、空間。
黑洞與熱力學(xué)
到現(xiàn)在，物理學(xué)家們一直在研究黑洞存在與否以及黑洞中心的奇特性質(zhì)，對黑洞的物理性質(zhì)還知之甚少。
到20世紀(jì)70年代，以霍金為代表的一批物理學(xué)家開始以熱力學(xué)、量子力學(xué)研究黑洞的性質(zhì)。
1971年，霍金提出了黑洞的面積定理，表明黑洞的表面積隨著時(shí)間的流逝只會(huì)增加不會(huì)減少。
這個(gè)結(jié)果被美國的一個(gè)研究生（惠勒的研究生）貝肯斯坦看到了，他展開了豐富的聯(lián)想：物理學(xué)中還有什么量只會(huì)增加呢？答案非常明確——熵。
于是，他提出黑洞表面積的本質(zhì)就是熵。
一開始，霍金非常反對這個(gè)觀點(diǎn)，黑洞如果有熵，就意味著有溫度，有溫度就意味著有熱輻射。連光都不能從黑洞中逃逸，怎么可能有輻射呢？
然而，1974年，霍金的態(tài)度來了個(gè)180度的大反轉(zhuǎn)。
他證明了黑洞表面積的本質(zhì)確實(shí)是熵、黑洞有溫度。
而且證明了黑洞竟然有熱輻射，這就是著名的霍金輻射。
這個(gè)研究有什么意義呢？意義太大了，簡直改變了人們對宇宙前途的看法。
在這之前，人們認(rèn)為黑洞是只進(jìn)不出的天體，只會(huì)變大，不會(huì)變小，這意味著宇宙的最終命運(yùn)很可能是一個(gè)巨大的黑洞。
然而，霍金在考慮了量子效應(yīng)后提出的理論表明，黑洞的輻射與丟失粒子是等價(jià)的，也就是說黑洞會(huì)通過輻射的方式逐漸丟失質(zhì)量。
有人可能會(huì)問，這樣的話，面積定理和霍金輻射豈不是矛盾了。
其實(shí)，面積定理是沒有考慮量子效應(yīng)的經(jīng)典理論，而霍金輻射理論是考慮了量子效應(yīng)后對經(jīng)典理論的修正。
就像牛頓力學(xué)和相對論力學(xué)間的關(guān)系，并不矛盾。
但是，到目前為止，霍金輻射并沒有得到觀測的證實(shí)。
