1609年，當(dāng)伽利略第一次將他的望遠(yuǎn)鏡指向天空時，就預(yù)示著人類將在太空中發(fā)現(xiàn)許多意想不到的未知事物。
○1610年1月7日，伽利略用自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了圍繞著木星的四顆衛(wèi)星：Io、Europa、Ganymede和Callisto。
無論是巧合或者是命中注定，在伽利略逝世的300周年紀(jì)念日，即1942年1月8日，霍金出生于英國牛津。他們在各自的時代都是探索宇宙的代表性人物。
在霍金的一生中，健康的惡化給他帶來許多的磨難。但憑借著對宇宙有著無限的好奇心，以及對基礎(chǔ)物理學(xué)的掌握，霍金從來沒有停止過對宇宙的思考。在他所有的貢獻(xiàn)中，最廣為人知的莫過于對黑洞的研究。
黑洞，對于許多人而言，早已不是一個陌生的概念。它大量的出現(xiàn)在影視作品、科幻小說以及科普文章之中。然而，黑洞是如此的怪異和奇妙，似乎蘊(yùn)藏著許多永遠(yuǎn)無法解開的謎題。因此，科學(xué)家從未停止對它的探索，并不時的就會取得進(jìn)展。例如，1月1日發(fā)表在《自然》雜志的一篇論文指出，位于每個星系中央的黑洞的質(zhì)量跟星系中的恒星形成有著強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)，雖然這不是什么新的想法，但卻是第一次找到直接的觀測證據(jù)。
2018年，對黑洞的研究即將迎來歷史性的一刻。因為，我們很快就可以看到黑洞的第一張“照片”！為了迎接這一刻的到來，在這富有意義的今天里，我們就從頭來敘說這個故事。
讓我們回到18世紀(jì)的英國。
1.
約翰·米歇爾（John Michell），或許是歷史上被遺忘的最偉大科學(xué)家之一。本杰明·富蘭克林，約瑟夫·普利斯特里和亨利·卡文迪什，這些大名鼎鼎的人物都與他有聯(lián)系。
1783年，他在寄給卡文迪什的一篇富有先見性的論文中，提到了一個測量恒星質(zhì)量的方法。米歇爾的發(fā)現(xiàn)是基于牛頓的微粒說，該假說認(rèn)為光是由粒子構(gòu)成的，因此米歇爾推斷當(dāng)恒星輻射光時，恒星的引力會減緩光的速度，并在星光中產(chǎn)生可觀測的變化。他認(rèn)為當(dāng)光穿過棱鏡時，能量的降低會使偏折有所不同，就可以測量速度被減慢了多少。因此他可以比較不同恒星的折射圖像來測量它們的表面引力，并從中計算出它們各自的質(zhì)量。
○ 米歇爾寄給卡文迪什的信件部分內(nèi)容。
接著，米歇爾開始思索這樣一個問題，如果一顆恒星的質(zhì)量足夠大，因此它的引力也足夠強(qiáng)，那么逃逸速度就可以等同于光速。沒錯，如果連光都無法逃出恒星自身的引力，那么這些恒星對于天文學(xué)家而言就是不可探測的。他認(rèn)為宇宙中應(yīng)該有許多這種無法輻射出光的隱形天體。
米歇爾并沒有停止思考，他認(rèn)為我們可以通過間接的方法來探測這些“暗星”，前提是這些暗星需要有圍繞著它們的發(fā)光伙伴。這再次證明了米歇爾的先見之明：這樣的雙星系統(tǒng)的確是現(xiàn)代天文學(xué)家用來證實黑洞存在的方法之一。而米歇爾唯一犯錯的地方在于光速：1905年，愛因斯坦證明了無論局域的引力強(qiáng)度如何，光的速度都保持不變。
○ 1796年，著名的數(shù)學(xué)家拉普拉斯在他的著作《天體力學(xué)》中提出了一個相似的概念：如果物體的引力非常強(qiáng)大，光就會被困住的。
到了1799年，楊氏雙縫實驗顯示了光的波動性質(zhì)，使牛頓的微粒說遭到重創(chuàng)。由于米歇爾的“暗星”是基于微粒說的，因此該想法也就被拋棄了。直到20世紀(jì)，物理學(xué)迎來了有史以來最激動人心的重大革命，米歇爾的想法也再次復(fù)活。
2.
1915年，愛因斯坦提出的廣義相對論徹底地顛覆了牛頓的引力理論，他將引力、彎曲的時空、物質(zhì)和能量聯(lián)系在了一起，也為米歇爾所預(yù)言的“暗星”奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。
○廣義相對論的核心方程——愛因斯坦場方程。方程左邊描述了時空的幾何，右邊則代表了時空中所包含的東西的信息。
許多人都困惑于狹義相對論的時空和廣義相對論的時空之間的區(qū)別，其關(guān)鍵在于度規(guī)張量這個概念。度規(guī)張量定義了時空本身是如何彎曲的。它的彎曲取決于存在于其中的物質(zhì)、能量和壓力；也就是說，是宇宙的內(nèi)容定義了時空的彎曲。同樣地，時空是如何彎曲的告訴我們物質(zhì)和能量將如何移動。如果用一句話總結(jié)廣義相對論，那便是：“物質(zhì)告訴時空如何彎曲，時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動。”
在物理上，廣義相對論中的度規(guī)張量有幾個不同的部分組成。我們認(rèn)為引力是由質(zhì)量引起的：質(zhì)量越大的物體，其周圍的時空彎曲的越劇烈，引力也就越大。在廣義相對論中，這相當(dāng)于質(zhì)量密度，它的確有貢獻(xiàn)，但只是16個分量中的1個！此外，還有壓力的部分（比如輻射壓、真空壓或由快速運(yùn)動引起的壓力）也有貢獻(xiàn)，共有3個分量。最后，還有其它6個分量告訴我們在質(zhì)量和潮汐力存在的情況下，體積是如何改變和變形的，以及一個移動物體的形狀是如何被這些力扭曲的。
1916年，在廣義相對論發(fā)表不久后，卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）就找到了愛因斯坦場方程的第一個解：
○ [方程一]：史瓦西度規(guī)是真空愛因斯坦場方程的一個解。這里假定G=c=1，其中r代表半徑，M代表質(zhì)量。
在[方程一]中我們看到，當(dāng) r = 2M（史瓦西半徑）或 r = 0 時，史瓦西解出現(xiàn)了奇異性。事實上，r = 2M的奇異性可以通過坐標(biāo)變換予以消除，但是當(dāng)半徑為零時，這些奇異性標(biāo)記著時空中真正的物理奇點(diǎn)。史瓦西在理論上預(yù)言了黑洞存在的可能性。
假如這些奇異的天體真的存在于宇宙之中，它們究竟是如何形成的？我們知道，當(dāng)恒星耗盡其所有的燃料后，就會在自身的引力下坍縮，形成致密星體。1930年，錢德拉塞卡在從印度前往英國的求學(xué)圖中就計算出，如果它的質(zhì)量小于1.4倍太陽質(zhì)量，那么恒星在演化末期會形成白矮星。銀河系中，大約97%的恒星（包括太陽）最終都會成為白矮星。如果恒星的質(zhì)量超過了這個極限，但低于3.2倍的太陽質(zhì)量時，恒星會繼續(xù)坍縮形成中子星。那么質(zhì)量比這更大的恒星呢？1939年，奧本海默和他的學(xué)生在論文中指出，比這質(zhì)量更大的恒星會不可避免的繼續(xù)坍縮，形成黑洞。但是，奧本海默的結(jié)論并為得到重視。
○ 根據(jù)廣義相對論，太陽的質(zhì)量會彎曲時空使行星繞著它運(yùn)行。一顆中子星會使時空彎曲的更厲害。而一個黑洞則會在時空中制造一個深坑，即使是光都無法逃脫。| 圖片來源：JAMES PROVOST
事情到了1960年代才有了轉(zhuǎn)機(jī)。當(dāng)時，研究愛因斯坦的引力理論的物理學(xué)家都注意到，愛因斯坦場方程的解允許奇點(diǎn)的出現(xiàn)，奇點(diǎn)就是時空中看起來無限彎曲的點(diǎn)。但是他們并不清楚奇點(diǎn)是不是真實存在的。
3.
1958年，物理學(xué)家David Finkelstein發(fā)現(xiàn)，在史瓦西解中，史瓦西半徑處的奇異性是一個事件視界（Event Horizion），這是一個有去無回的單向膜，一旦越過就再也無法以低于光的速度回來，并將不可避免的落入奇點(diǎn)。
○ 圖一：事件視界被認(rèn)為是有去無回的單向膜，它所包圍的球體半徑被稱為史瓦西半徑（Schwarzchild radius）。公式中G是萬有引力常數(shù)，c是光速，M是質(zhì)量。如果把太陽的質(zhì)量代入公式就會得到史瓦西半徑為3公里。| 圖片來源：Sunshine Lighthouse
顯然，史瓦西解太過于簡單，它是一個靜態(tài)的球?qū)ΨQ解，對于大多數(shù)具有自轉(zhuǎn)的天體而言并不適用。1963年，一位叫羅伊·克爾（Roy Kerr）的新西蘭人找到了一個能用來描述旋轉(zhuǎn)黑洞的更廣義的史瓦西度規(guī)。這是一個比較復(fù)雜的度規(guī)（見方程二）！而且它很重要，因為它描述了坍縮恒星的最終態(tài)——它們總是具有非零的角動量。 兩年之后，伊斯拉?·紐曼（Ezra Newman ）又加上了帶電荷的情況，找到了黑洞另一個解。
○ [方程二]：克爾解描述了一個旋轉(zhuǎn)的黑洞。
1965年，霍金出席了羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）的一個講座，那時彭羅斯剛證明了時空奇點(diǎn)。這使霍金一下子就投入到黑洞和奇點(diǎn)的研究之中。之后，他和彭羅斯合作，共同提出了“奇點(diǎn)定理”，證明了在遙遠(yuǎn)的過去，宇宙必定始于一個無限小的奇點(diǎn)，這跟當(dāng)時的觀測符合。但是在奇點(diǎn)上，所有已知的物理定律都將崩塌。
1967年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了脈沖星，并很快確認(rèn)它是快速旋轉(zhuǎn)的中子星。這使天文學(xué)家備受鼓舞，希望能夠在夜空中找到黑洞存在的證據(jù)。同年底，在紐約的一場演講中，理論物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）提到“黑洞”一詞，才使它正式普及起來。
○ 事實上，1963年的時候，在德克薩斯州達(dá)拉斯市的一個天文物理的會議上，黑洞一詞就被使用了。1964年1月18日，在科學(xué)新聞快報上，Ann Ewing的一篇文章中首次出現(xiàn)了“黑洞”的字眼。但沒有人真正確定究竟是誰首先用了這一詞。| 圖片來源：SCIENCE NEWS LETTER/SSP
到了1970年代左右，霍金和卡特等人證明了惠勒的一個推測，即黑洞無毛！他們證明了在黑洞形成后，我們對黑洞所能獲取的信息只有：質(zhì)量、電荷和角動量。其它的信息全部喪失了，黑洞也不存在任何凸起的形態(tài)，這被稱為無毛定理。
在經(jīng)典物理的范疇內(nèi)，霍金除了證明奇點(diǎn)定理外，他在1970年的時候還有一個令人愉悅的數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)：事件視界的表面積總會增加。即如果有兩個黑洞合并，其總的視界面積是不可能減少的。面積定理的一個重要結(jié)果是，合并黑洞輻射出的引力波的能量有一個上限。（引力波是愛因斯坦在1916年從廣義相對論中得出的一個預(yù)言。引力波經(jīng)常形象的被稱為時空的“漣漪”，就如同石頭被丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋一樣。而它的本質(zhì)其實是時空曲率的波動。）
1973年，霍金和另外兩位物理學(xué)家合作寫了一篇題為《黑洞的熱力學(xué)定律》的論文，總結(jié)了與我們熟悉的熱力學(xué)定律相似的一系列關(guān)于黑洞的定律。該論文中著重強(qiáng)調(diào)了黑洞的溫度為零（由于沒人任何東西可以逃脫黑洞，因此它們不會輻射），并且不具有物理熵。
○ 熱力學(xué)四大定律和黑洞熱力學(xué)定律之間的類比。| 圖片來源：Fay
但是，一位年輕的研究生雅各布·貝肯斯坦并不同意這個觀點(diǎn)。他意識到如果黑洞不具備熵，熱力學(xué)第二定律就會被違反。因為那樣的話，我們就可以將任意具有熵的物體扔進(jìn)黑洞，因此降低了外部宇宙的總熵。因此他認(rèn)為黑洞的熵必須正比于表面積，才能挽救熱力學(xué)第二定理。
1974年，霍金利用量子力學(xué)認(rèn)真地研究了在黑洞鄰近彎曲時空的粒子行為后宣布：黑洞具有溫度！而就像所有具有溫度的物體一樣，黑洞也能產(chǎn)生輻射，這種現(xiàn)象被稱為霍金輻射?；艚鹌恋貙?span>引力、量子力學(xué)和熱力學(xué)聯(lián)系在一起。這是一次偉大的勝利，但在勝利的背后卻隱藏著一個更加深刻的問題：黑洞信息悖論。
黑洞輻射就意味著黑洞會不斷地失去質(zhì)量，直至蒸發(fā)殆盡。如果是這樣，那么落入黑洞的物體的最終命運(yùn)是什么？廣義相對論認(rèn)為進(jìn)入黑洞的信息永遠(yuǎn)不會再出來，會隨著黑洞的蒸發(fā)而消失。那么信息去哪了？但根據(jù)量子理論，信息是永遠(yuǎn)不會真正的消失或被復(fù)制。這個問題困擾了物理學(xué)家四十多年，至今仍沒有答案。
○ 今天是霍金的76歲生日。| 圖片來源：霍金微博
4.
上面我們提到了許多理論方面的進(jìn)展，但是黑洞真的存在嗎？觀測黑洞的最佳手段正是上文提到的米歇爾的深刻洞見：雙星系統(tǒng)。在宇宙中，雙星系統(tǒng)是普遍存在的。如果黑洞的伴侶是一顆恒星，那么恒星的物質(zhì)就會被黑洞的引力吸引過來。由于轉(zhuǎn)移的物質(zhì)本身存在角動量，因此這些物質(zhì)會在周圍形成所謂的吸積盤。吸積盤的溫度很高，其熱輻射的峰值在光譜中的X射線波段。因此，探測X射線就成為了尋找黑洞的絕佳觀測手段。
○ 天鵝座X-1的藝術(shù)想象圖 | 圖片來源：NASA/CXC/M.Weiss
1972年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天鵝座X-1 ( Cygnus X-1 )很可能是一個黑洞。之后對天鵝座X-1致密天體的質(zhì)量的精確測量（大約是太陽質(zhì)量的15倍）表明，它就是一個黑洞。
○ 如何才能捕獲到引力波。人類第一次捕捉到的引力波是從兩顆距離地球13億光年的黑洞之間的暴力沖撞中得到的，距離13億光年。 13億年后，當(dāng)碰撞產(chǎn)生的波經(jīng)過地球時強(qiáng)度已經(jīng)大大減弱：LIGO所探測到的時空中的漣漪甚至比原子核還要小上幾千倍。 | 圖片來源：Nobelprize
自2016年開始，尋找黑洞的另一個手段便是這兩年占據(jù)各大頭條的引力波。通過黑洞輻射產(chǎn)生的引力波，科學(xué)家得以測量黑洞的質(zhì)量。未來，隨著引力波天文學(xué)的快速發(fā)展，必定能帶來更多的驚喜。
○ 引力波探測到的黑洞（藍(lán)色）和電磁輻射探測到的黑洞（紫色）對比圖，引力波探測到的黑洞質(zhì)量都是比較大的。最新確認(rèn)的一起引力波事件GW170608并未在該圖中顯示。| 圖片來源：LIGO/Virgo
除了上面提到的恒星級黑洞之外，一個更加激動人心的發(fā)現(xiàn)是幾乎所有大型星系的中央都棲息著一個超大質(zhì)量的黑洞。1964年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種神秘的天體——類星體，它的顯著特點(diǎn)之一是巨大的本征亮度，它的輻射功率可以是普通星系的成百上千倍。而這樣巨大的能量是在非常小的尺度上輻射出來的，這說明類星體在比太陽系還小的尺度上可以輻射出比整個銀河系還有大一百倍以上的能量！這怎么可能？科學(xué)家一開始對類星體的能源機(jī)制充滿了困惑。
○2017年12月，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了迄今為止最遙遠(yuǎn)的類星體，其中心為超大質(zhì)量黑洞，被吸積盤圍繞著，并伴隨著噴流的出現(xiàn)。類星體有一些典型的觀測特征：遙遠(yuǎn)的恒星狀天體；光譜中有較強(qiáng)的發(fā)射線；巨大的本征亮度；有著年甚至小時量級的光變現(xiàn)象；強(qiáng)烈的X射線輻射；部分類星體有明顯的噴流；輻射的能譜基本上包括了全部電磁波段，即射電，紅外，光學(xué)，紫外，X射線，甚至是伽瑪射線。需要注意的是并不是每一個類星體都具有全部的這些觀測特征。 | 圖片來源：Robin Dienel
通過計算，在比太陽系還小的尺度上，通過大量的恒星以核聚變或者超新星爆發(fā)等機(jī)制無法獲得像類星體這樣穩(wěn)定的能量輸出。天文學(xué)家迅速提出了超大質(zhì)量黑洞通過吸積周圍氣體將引力能轉(zhuǎn)化為電磁波釋放出來這樣的機(jī)制來解釋類星體的能源問題。
1971年，Donald Lynden-Bell和Martin Rees猜測在銀河系的中心——距離我們2.6萬光年遠(yuǎn)——也存在著一個超大質(zhì)量黑洞。1974年，天文學(xué)家利用NRAO的基線干涉儀發(fā)現(xiàn)了銀河系中心輻射出大量的射電波確認(rèn)了它的存在，并將其命名為人馬座A*（Sgr A*）。
○ 天文學(xué)家在在銀河系中心發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：有一些恒星的運(yùn)動軌跡看起來是在繞著一個完全不發(fā)光的點(diǎn)。天文學(xué)家對這個點(diǎn)附近的恒星進(jìn)行了十多年的觀測，這些恒星會被加速到非常非常高的速度。而在這么小的一個區(qū)域能造成觀測到的恒星軌跡，只有一個可能，那就是這些恒星是圍繞著超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行的。| 圖片來源：LIGO/Virgo
在過去的幾十年，天文學(xué)家收集了越來越多星系中心存在超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)。例如，它們強(qiáng)大的引力對周圍的恒星造成的影響，以及吸積周圍的物質(zhì)導(dǎo)致噴流的形成等等。
○ 2017年5月，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和哈佛大學(xué)的天文學(xué)家檢驗了黑洞的一個基本原理，他們找到了新的證據(jù)來證實當(dāng)物質(zhì)被吸進(jìn)黑洞時會完全消失，進(jìn)一步確認(rèn)了事件視界的存在。| 圖片來源：Mark A. Garlick/CFA
盡管我們已經(jīng)做了許多的努力，但我們還沒有直接對黑洞進(jìn)行成像，也沒有足夠的證據(jù)確認(rèn)事件視界是否存在。但是，這一切都將在這一年中改變。因為事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）很快就會發(fā)布它們的第一次觀測結(jié)果，揭開天體物理學(xué)中長期以來最受矚目的問題之一。
5.
2017年4月，科學(xué)家把橫跨全球的八個射電天文臺（有些是單個射電望遠(yuǎn)鏡、有些則是陣列射電望遠(yuǎn)鏡）連接起來，形成一個分辨率相當(dāng)于地球大小的望遠(yuǎn)鏡，稱為事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）。
○ 事件視界望遠(yuǎn)鏡是由全球八大望遠(yuǎn)鏡組成，制造出一個地球大小的干涉儀。| 圖片來源：APEX, IRAM, G. Narayanan, J. McMahon, JCMT/JAC, S. Hostler, D. Harvey, ESO/C. Malin
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