一、引言

这一章我们聊一个大话题：黑洞和平行宇宙。这两个听起来很玄乎的物理概念，却每天充斥在我们的生活中。不断地有新闻报道说，某国发现了一个巨型黑洞，某航空航天局又发现了两个黑洞，学者们一会说黑洞将时空无限弯曲，会吞掉整个星系，一会儿说黑洞是时间的终结者，一会儿又说黑洞内部蕴含了宇宙的过去和未来，甚至说黑洞主宰着整个宇宙的演化，最后还极具科幻地说：黑洞是进入平行宇宙的入口。

黑洞物理学家说的这些危言耸听的话，往往不加解释，愈加激发了大众的好奇心；偶然解释一下，又说得太专业，让人听了如坠雾里云中。很多人内心都发出这样的困惑：黑洞有那么神奇吗？平行宇宙到底存在吗？就这些问题，我准备由浅入深地展开，希望大家读得轻松又好玩，同时又能读出真材实料，虽然这是不可能的。知其不可为而为之，方显我科普本色。

那我们要先看看黑洞是什么。顾名思义，黑洞，Black Hole，黑黑的洞，光都出不来。“黑洞”这个名字，总是令人浮想联翩。但究竟什么是“黑洞”呢？

“黑”，表明它不会向外界发射任何光线，所以人和仪器都无法看见它，真的很“黑”；“洞”，说明任何东西只要一进入它的边界，就别想再出来，就是一个“无底洞”。

人若掉入黑洞会如何？会被扯成兰州拉面，然后变成麻花，最终成为粉末，落入到黑洞的核心。

二、“黑洞”的基本概念

黑洞这么大的引力是从哪里来的？一般人会说，按照万有引力定律，质量越大吸引力就越大，那么质量大到一定程度，天体就成了黑洞。这种说法不太对，光质量大不行，还要体积特别小，这样才能成为黑洞。星云质量多大啊，但它体积更大，所以一点都不黑。

简而言之，如果天体的质量很大，同时半径又特别小，也就是说天体的质量密度大到一定程度，就会变成黑洞。黑洞就是一个质量密度极大的天体。地球为啥不是黑洞，因为体积太大了；以地球目前的质量，如果地球能缩成一粒葡萄，那地球就成了一个黑洞——黑葡萄。

地球为何不内缩呢？当然，幸好没有内缩，否则我们人类的生存空间就太拥挤了。按理说，地球是应该内缩的，因为万有引力，地球中的物质互相吸引，越吸不就越紧密，越紧密不就越缩小吗？读到这里，有人可能会说，地球硬得很，怎么能内缩？没错，问题是啥叫“硬得很”？这不是科学的语言。让你感觉硬的力是电磁力，它在抵抗万有引力内缩的趋势。原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成的，所以两个原子之间会形成强大的排斥力，不可能挨得很近。这就阻止了地球进一步内缩的努力。

那太阳总可以内缩吧，它是气态的，一点儿也不硬，原子和原子之间距离远着呢，电磁力发挥不了多少作用。但实际上太阳也不内缩，因为其内部的核反应产生了巨大的外向力，抗拒了企图内缩的引力。

三、黑洞的诞生：恒星演化

那黑洞是如何诞生的呢？这就不得不说到恒星的演化。恒星从哪里来，又往哪里去？

恒星诞生于巨大的星云。大家知道，星云中的物质非常稀薄，但在万有引力的作用下，一直聚到一定程度，就成了原恒星。原恒星，就当是婴儿期的恒星。这个婴儿期的恒星还是不够瓷实，所以继续向中心收缩。越收缩，原恒星中的温度就越高，高到一千万度，核聚变就发生了。核聚变辐射出的巨大能量使得恒星内部的压力足以抗衡万有引力的内缩趋势，于是婴儿期的恒星就算是稳定了，长大了。这时候，我们就把它称为主序星，它就是恒星的青壮年。

我们的太阳就处于主序星阶段，它每天发光发热，普照大地，哪里来的这么多能量？它每天都在进行核聚变，将两个H聚变成一个氦，这就是氢弹的原理。所以，我们一般人是没有亲眼见过原子弹爆炸，但要说没见过氢弹爆炸则不可能。烈日当空，举头望之，便是氢弹爆炸。氢弹为何那么厉害？这两个H聚变成一个氦的过程中，一部分质量消失了，变成啥了？变成了能量。多大的能量？大家都知道公式E＝MC²，C是啥？光速，30万千米/秒。也就是一个单位的质量能变成三十万平方倍的能量，氢弹焉能不毁灭一切？

好，话说回来，继续说恒星演化。太阳在恒星中算是个菜鸟，我这会儿没工夫说它，下面说的都是大个头恒星。

这恒星天天核聚变，两个H聚变成一个氦，有朝一日没有H了，都成氦了，那核聚变反应就停止了。那就没有力量抵抗内缩的引力，于是恒星的外壳开始坍缩。但在坍缩中，恒星内部的温度会进一步升高，当达到一亿摄氏度时，氦又可以进行核聚变了，三个氦原子可以聚变成一个碳原子。以此类推，这些聚变反应会生成越来越重的元素；当聚变到铁时，就出问题了。

铁这个东西很怪，别的元素聚合是要释放能量的，可铁进行核聚变反而要吸收能量；铁，你很“铁”啊，铁公鸡，一毛不拔，还真是这个道理。

这样就意味着恒星要灭亡了，因为不再能产生能量来抗拒万有引力，恒星会突然坍缩，外部气体会在万有引力作用下，以接近光速砸向内核，从而产生巨大爆炸，这就是超新星爆发。

超新星大爆发，就像是恒星死亡前的回光返照，短暂的红光满面、光耀宇宙后，最终还要归于沉寂。那恒星的归宿是什么呢？

当恒星进入超新星爆炸的时候，其外壳就向外爆发了，而其内部在引力的作用下，开始急剧内缩。用心的读者肯定会说，缩到一定程度，原子之间距离很近了，那电磁力就应该起作用了啊？本来应该是这样，但我们这里说的是大个头恒星，质量特别大，所以内缩力特别厉害，厉害到能把电子压进原子核，直接和质子结合，干脆就变成中子了。等于恒星到最后就没有电子和质子，都变成中子了，哪里还有电磁力？内缩到这种程度的星体就是中子星。

中子星的密度非常高，地球要达到这样的密度，必须要缩小到直径22米。因此中子星的引力是很惊人的，但依然达不到黑洞的级别，光还是能够出来的。刚才说地球要缩到葡萄那么大才能成黑洞，哪有22米直径的葡萄，难道是转基因的？

有人已经反应过来了，如果中子星继续内缩就可以成为黑洞。不错，但前提是，这个恒星的质量要特别特别大，大到其引力所造成的内缩力能将中子都压碎，最后将这个恒星半径缩小到史瓦西半径，就成为一个黑洞。从此，光都出不来了。

史瓦西半径？啥东西？别急，待会儿再说。简而言之，黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应燃料耗尽死亡后，发生引力坍缩而产生的。(www.daowen.com)

四、黑洞存在的证据及无毛定理

讲到这里，估计有人会有这样的质问：既然黑洞连光都出不来，那就意味着我们永远都看不到它；既然看不到，科学家怎么会认为有黑洞呢？

我们先用科学的语言解释一下什么叫“看到”。比如你在黑暗中我看不到你，但是我用手电筒照射到你身上我就看到了，科学的语言就是，光子打到你身上，反射回来进入我的眼睛，被我的视网膜感知，这就是我看见你了。但如果你的质量密度超大，光打到你身上被你给吸住了，再也出不来了，那我就永远看不到你，你就是一个黑洞人。所谓科学仪器就是人的各种感官的延伸，黑洞里光都出不来，仪器当然观察不到。

既然如此，为什么这么多科学家认定有黑洞的存在呢？那是因为发现了很多间接证据。

比如，我们在进行天文观测的时候，会发现有好多个巨大的恒星绕着一个中心在转，那这个中心肯定有一个质量超大的星体，否则怎么能吸引这么多恒星围着它转呢？但是，当我们把射电望远镜对准这个中心观测时，啥都没有，黑洞洞的，咋回事？难道这些恒星绕着“鬼”在转吗？合理的解释就是这里有一个黑洞。这真是：你见或者不见，洞就黑在那里，不声不响。

其实我们整个银河系的恒星都在围绕着一个中心旋转。你看，月球绕着地球转，地球带着月球一起绕着太阳转，那太阳呢？太阳带着整个太阳系绕着银河系的中心转。凭啥？科学家估计，银河系的中心应该有一个超大质量的黑洞。

4-1 银河系的中心处也许是一个黑洞

有人可能会问，黑洞是恒星坍缩而成的，它质量再大也不可能超过原来形成它的恒星啊。是的，没错，但黑洞一旦形成，就是一个饕餮巨兽，见啥吃啥，凡是进入它范围内的星体，一律吃掉，连骨头都不吐出半根。黑洞碰见黑洞，也互相吃，黑吃黑，这样黑洞质量就会越来越大。这与曾经的上海滩黑帮老大黄金荣、杜月笙的发展模式很类似。

黑洞其实比黑社会黑多了。这个巨兽会将附近一切都吞噬，别说骨头不吐半根，连毛都不吐。霍金，这位轮椅上的伟人，严格证明了“黑洞无毛定理”。啥意思？这些科学家有时说话也爱比喻，还比喻得很“毛”。其真实意思就是，黑洞把吃掉的星体的一切信息都消灭掉了，连毛信息都不剩。其实黑洞还是保留下了质量、角动量、电荷三个变量，所以黑洞无毛定理，严格来说应该叫黑洞三毛定理，毕竟还残留了三个物理量嘛。

大家注意：星体被黑洞吃掉，并不是一头栽进去了，因为路过黑洞的星体也有很大的速度，结果被黑洞强大的引力往里拉。如果星体与黑洞足够远，这个星体的轨道只不过会弯曲，最终还是与黑洞“拜拜”了；如果有点儿近，那这个星体就会绕着黑洞转；如果足够近，这个星体就会螺旋式地栽入黑洞，被黑洞吃掉了。

五、黑洞概念的出现

既然黑洞都观测不到，这个概念最初是怎么冒出来的？难道是科学家异想天开、装神弄鬼，编出一个黑家伙来吓唬自己、忽悠大众吗？

当然不是，黑洞是从数学物理方程中推导出来的。

早在1798年，拉普拉斯就推导出了黑洞。大家都知道，宇宙飞船想要逃脱地球引力的控制，必须要达到一个速度，这个速度就叫逃逸速度。逃逸速度的公式用中学物理知识就可以推导出来，具体就是，其中G、M、R分别是万有引力常量、地球的质量和半径。这个公式说明了：质量越大、半径越小，需要的逃离速度越大。请你们想想，如果这个星体的质量不断增大，或者半径不断缩小，物体逃离这个星体所需要的速度就会越来越大，一旦大到超光速，不就连光也逃不出了吗？那就变成了黑洞。不过，拉普拉斯把这个怪物叫“暗星”。因为当时还不知道光是宇宙中的极限速度，以为光出不来或许还有别的超光速物质可以出来，所以只能叫暗星，还没有产生黑黑的无底洞的概念。

等爱因斯坦的狭义相对论创立后，明确指出光速是所有物质的极限速度，在这种情况下，有一个剑桥大学的印度留学生，叫钱德拉塞卡，他经过计算预言：质量过大的恒星经过不断坍缩后会变成黑洞。结果遭到他导师爱丁顿的反对，训斥他：“一颗恒星咋可能坍缩成一个点呢？”爱因斯坦知道了后，也连连摇头，专门写了一篇论文驳斥钱德拉塞卡。喝着恒河水长大的钱德拉塞卡直接无奈了，只好放弃了进一步研究，干别的事了。

紧接着，美国物理学家奥本海默也得出了类似结论，认为大质量恒星会不断内缩，他与爱因斯坦发生了学术冲突。但后来二战爆发，奥本海默去主持曼哈顿工程，将黑洞问题抛在一边。于是奥本海默成了原子弹之父。

但还有一个人正是利用爱因斯坦的广义相对论，计算推导出黑洞，而且说得有鼻子有眼，这让爱因斯坦很难受。这个人就叫史瓦西，他利用广义相对论中的引力场方程，推算出一个球形的静止黑洞，现在叫“史瓦西黑洞”，史瓦西凭这个黑洞名垂青史。

具体来说，史瓦西算出：当恒星尺度小于某个半径时，其内的所有光线就再也出不来了。人家还给出了这个半径的计算公式，通过这个公式，我们都可以算出来，地球的史瓦西半径是九毫米，也就是我们刚才说的，如果地球小到葡萄那么大就是一个黑洞。太阳的史瓦西半径是三千米，反正质量越大的星体，史瓦西半径就越大。所以有的黑洞是很大的，因为人家质量超大。

那史瓦西半径之内就是黑洞了，黑洞还真是个洞洞，里面基本是空空的，它的所有质量都集中在球心上，几乎没有大小，我们把它叫“奇点”，奇就奇在所有物理定律在这里都崩溃了。

这里还要介绍一个重要概念——事件视界，简称视界。刚才说了，在黑洞范围内光都出不来，黑洞范围就是史瓦西半径范围之内。因此，以奇点为中心，以史瓦西半径为半径就形成一个球面，这个球面就叫视界。球面之内光都出不去，所以说这个球面就是我们视力、视察的边界。边界之外，你有可能去考察研究，边界之内你啥都看不见，里面发生了什么事件你也看不到，所以叫事件视界。

4-2 黑洞与视界

截至目前，我只是给大家介绍了一下黑洞的概况，内容有点小儿科。若想深入了解黑洞，知道黑洞内部的秘密，就需要了解一点相对论，知道什么叫弯曲时空。