黑洞只进不出，是不是宇宙的BUG

2019年4月10日，人类首次公布了一张5500万年之前的黑洞照片。这个黑洞位于室女座A型星系M87的中心，是一个超大质量的黑洞，其质量大约是太阳质量的65亿倍。直径约为400多亿公里，大约是冥王星绕太阳运行轨道的3.5倍。不是说黑洞的引力大到连光都逃逸不了吗？那为什么人类还能看到它，甚至还拍下了照片呢？是怎么拍的呢？我们先一起来看下这张图片。

首先是中间这块黑色区域，这才是光都无法逃脱的地方，这里面其实什么都没有。黑洞的所有物质都集中在最内部一个叫做奇点的地方，这是一个质量和密度无限大但体积无限小的点。在这个奇点中，我们现有的物理学将不再适用，目前人类也无法直接观测到奇点，只能用理论去推测。然后是最靠近黑洞的地方，有一圈被叫做事件视界的边界，任何物质，包括光，只要跨入事件视界，就不可能再出来，直到被吸进奇点。所以事件视界也被叫做黑洞的表面。

再往外一圈就是黑洞的光子球层。当光靠近黑洞的时候，就会被黑洞强大的引力吸引，从而弯曲向黑洞，让光沿着黑洞旋转。但是这个光子球层非常不稳定，随时都有可能掉入黑洞。

然后是黑洞的最外层，这些被黑洞引力捕获的物质在黑洞周围形成了一个像土星环一样的环状结构，叫做吸积盘。

这张图片可能看不太清，我们再来看另外一张图片，这张也是M87的图片。是经过了两年的高度解析，在2021年3月公布的偏振光下的黑洞图像。这些光就是被黑洞引力捕获的物质。而且大家可以看到，黑洞并不黑，相反，黑洞吸积盘里的物质，在旋转和摩擦的过程中，温度会变得极高，还会向外释放X射线和电磁辐射。所以黑洞整体在宇宙中是非常明亮的。

那为了拍摄这张照片，人类使用了一个口径跟地球一样大的望远镜。有人说，这个你说的不对，怎么可能有口径跟地球一样大的望远镜呢？就算有，你放在哪啊？我跟大家说，这个望远镜并不是我们平常见到的那种单独的望远镜，而是结合了世界各地一共八台望远镜。这八台望远镜组合在一起就形成了一个网，而这个网就是一个等效于地球直径的虚拟望远镜，叫做事件视界望远镜，简称EHT。据说这个望远镜的分辨率高到什么程度呢？在纽约就可以清楚地看到洛杉矶一枚硬币上的日期。

所以正是因为这种惊人的分辨率，EHT才能观测到M87中的这个黑洞。而且不仅拍到了黑洞的样子，照片上这圈光环的大小跟爱因斯坦广义相对论的预测几乎是一样的。所以很多科学家都说，黑洞就是爱因斯坦广义相对论里最后一块拼图。

1783年11月，英国的自然科学家约翰·米歇尔给当时一个非常著名的科学家卡文迪许写了一封信。信中他说，光也是受万有引力影响的，并且他利用万有引力定律计算出了一种天体。这种天体质量非常大，引力也非常大，大到连光都无法逃走，导致这种天体从外面看完全是黑的。所以人类在宇宙中也看不到。米歇尔当时管这种天体叫做暗星，这也是人类对于黑洞最早期的理解。

为了理解米歇尔说的这个暗星，我们先来说一个概念，就是引力。我们都知道在地球上，我们向天空中扔一个球，那这个球最后还会落回到我们手中，因为我们的力量和速度都不够。如果你扔出去的这个球能达到低宇宙速度，也就是每秒7.9公里，那么这个球就可以绕着地球飞行了。如果你力量再大一些，能够让这个球达到第二宇宙速度，也就是每秒11.2公里，也就是地球的逃逸速度，那它就能像火箭一样飞出地球引力的控制。

根据米歇尔的计算，当一个天体的质量相当于500个太阳的时候，那么此时这个天体的逃逸速度就会超过光速。也就是每秒30万公里，这个时候即使是光也会变成向我们抛出去的球，永远都无法逃走。但是大家想一想，光速能超越吗？别说在1783年，就是在我们现在的认知里，光速也是超越不了的。所以说米歇尔这个人非常厉害，他当时的思想太超前了，所以他被认为是有史以来最伟大的无名科学家之一。

为什么叫他无名科学家呢？就是因为他太低调了，大多数人只知道卡文迪许而几乎遗忘了约翰·米歇尔。但也是因为他提出的这个暗星的概念过于超前了，以至于他当时在宣读论文的时候，下面听的人都没什么反应，连反对的人都没有。然后在接下来的100多年里，暗星这个概念就再也没有人提起。

万有引力虽然是牛顿提出来的，但引力到底是什么，它是怎么产生的，牛顿并没有给出答案。直到1915年12月，爱因斯坦发表广义相对论，首次把引力描述成时空的扭曲。任何有质量的物体都会使时空变形，而引力其实只是空间扭曲的外在表现。什么意思呢？我给大家举个例子，如果把一个有一定质量的球体放在一个平面上，就像这样，那大家看这个平面就会下沉。爱因斯坦说，这就是引力。

但这只是个二维平面。如果是在三维空间里呢？那这个球体的四周都将会产生扭曲。这就是爱因斯坦说的万有引力，是空间的扭曲。但是，广义相对论刚提出来的时候，所有人几乎都是不理解，也不相信，只有一个人听懂了爱因斯坦的理论，就是卡尔·史瓦西。

但是爱因斯坦讲座的时候，卡尔·史瓦西并不在现场，因为当时正是第一次世界大战期间。卡尔·史瓦西当时是在前线负责计算炮弹轨迹的。在论文发表一个月后，他才收到了爱因斯坦广义相对论的论文。然后他给爱因斯坦写了一封信，他说：“尽管炮火连天，但战争对我还是很友善的，让我可以远离这一切，在你的思想中直向漫步。”

爱因斯坦看到这封信的时候整个人完全呆住了，因为信里还包含了广义相对论中场方程的一个精确解。爱因斯坦论文中的非线性场方程是非常难求解的，就连爱因斯坦自己，他作为理论提出者都只给出了一个近似值。而卡尔·史瓦西在充斥着爆炸和毒气的战场上，只用了几天的时间就把精确值给算出来，可以说是一个奇迹了。

根据史瓦西的计算预测，当一个超大质量的恒星在死亡后坍缩时，周围会出现一块区域，任何东西，不管是光也好，灰尘也好，都不能从中逃逸。这片区域就像在宇宙中开了一个无底洞，光和物质可以进入，但永远都无法再出来。所以他们最终会被挤压进一个密度和质量无穷大但体积却无穷小的奇异之点，也就是奇点。

对于史瓦西的这个计算结果，爱因斯坦是不相信的。他说：“质量无穷大，体积无穷小，宇宙中真的会有这样的东西吗？”其实不只是爱因斯坦不相信，当时主流的科学家都是不相信的。英国的天体物理学家亚瑟·爱丁顿在他的书里直接表示：“史瓦西说的奇点不存在，一颗恒星根本不可能坍缩成一个点，因为在这样的状态下，原子都被压碎了。”

但是不相信归不相信，对于史瓦西的计算方法，爱因斯坦还是很认可，只是找不到史瓦西说的这个奇点。所以爱因斯坦最后认为一定是自己的广义相对论还不够完善，才导致史瓦西算出了这么离谱的结果。但是这些质疑的声音史瓦西并没有听到，因为他在给爱因斯坦写信的那天，其实就已经患上了一种无法治愈的皮肤病，全身都是水泡。医生说可能是战场上的毒气导致的。仅仅两个多月后，他就去世了，年仅42岁。

在史瓦西去世之后，奇点这个说法慢慢的也就被人们淡忘了。直到十多年后，1930年，有一个印度裔的美国物理学家，叫钱德拉塞卡，他是艾丁顿的学生，同时也是杨振宁的博士生导师。他在73岁的时候，凭借他提出来的钱德拉塞卡极限获得了诺贝尔物理学奖，但这个理论却是他20岁的时候就提出来了。1930年大学毕业之后，钱德拉塞卡决定前往剑桥大学继续深造。那个时候，从印度去英国需要坐18天的船。钱德拉塞卡在船上感到很无聊，就开始研究恒星演变的命运，就是恒星死后会变成什么样。

科学界的主流观点认为，恒星在能量耗尽之后就会由于自身的引力开始坍缩，最终体积会缩小到跟地球差不多，这个时候它的密度会变得非常高，还会发出微弱的白光，变成一颗白矮星。那么说白了，他们当时认为白矮星就是恒星死亡后的最终状态了。但是钱德拉塞卡经过反复计算后发现，并不是所有的恒星最终都会变成白矮星，而是有一定质量极限的。如果一颗恒星能量耗尽之后，剩余内核的质量超过太阳质量的1.44倍，那白矮星就不再是最终归宿了。在这种情况下，引力引起的坍缩会继续而且会变得更剧烈，最终会导致原子结构都被破坏，形成中子星。这个1.44倍就叫做钱德拉塞卡极限。

而中子星比白矮星还要小很多，直径只有二十公里左右，密度更是惊人，大到什么程度呢？我们平时用的汤勺，就这么一勺的质量就重达10亿吨。而且它的旋转速度极快，所以中子星也叫做脉冲星。而如果这颗恒星剩余内核的质量超过3.2倍太阳的质量，那中子星会在自身引力作用下崩溃，宇宙中将没有任何力量能阻止这种崩溃，会不可避免地坍缩成一个黑洞。

但那时候的人对于中子星和黑洞可以说是一无所知。所以1935年，当钱德拉塞卡宣读完论文的时候，遭到了主流科学界疯狂的嘲笑和抨击。而对他打压最严重的一个人就是他的导师艾丁顿，就是我们刚刚说的那个，反对史瓦西奇点的物理学家艾丁顿。当着众人的面，他把钱德拉塞卡的推论贬得一文不值，甚至还撕了他的论文。因为艾丁顿在当时的科学界是非常有声望的一个人，所以没有人支持钱德拉塞卡。他们也看不太懂钱德拉塞卡的推论和计算。而且当时还正是第二次世界大战期间，战争让很多物理学家把研究目标都转移到军事技术上，连广义相对论都不研究了。所以恒星死不死，怎么死的，更是没什么人关心的。

大家可以想一想，对于一个20多岁的年轻人，这次经历对钱德拉塞卡心理产生了多大伤害。他后来是直接放弃了这方面的研究。1937年离开了英国。而爱因斯坦本人也说过，他们那些研究广义相对论的人在当时不仅是被质疑还被鄙视。很多人都觉得他们是疯子，并且这种看法在爱因斯坦去世之前都没什么改变。直到20世纪50年代中期计算机出现了。

1964年，约翰·惠勒使用当时最先进的计算机成功模拟出了大质量恒星在濒临死亡时向内坍缩的过程。他发现如果一颗恒星质量足够大的话，整个宇宙中没有任何力量可以阻止引力引起的坍缩。最终会形成一个奇点，在这个奇点中，物理学将不再适用，过去、现在和未来都会是无序的。

说到这已经完全超出我的认知了。不过我理不理解不重要，重要的是，这跟史瓦西和钱德拉塞卡的预测结果是完全一样的。惠勒原本也是不相信奇点这个说法的，他之所以研究相对论就是为了推翻奇点这个说法，但没想到自己最后也成了奇点的支持者。并且他发现，最靠近黑洞的地方有一个边界，就是我们刚刚说的事件视界。一旦跨过事件视界，就不可能再回来，除非你逃离的速度比光速还快，那你就能逃出来。但是大家也知道这是不可能的，所以一旦跨过事件视界就会一直下落。如果进入事件视界的时候我们是脚朝下，那我们脚上受到的拉力会远远大于头部受到的拉力，所以我们的身体会被拉长，就像面条一样。但这只是一种理论。虽然人体有一定的韧性，但是在这种引力下，我感觉还没等被拉长，细胞就已经被拉碎了。

而且还有一个比较神奇的现象，这个时候如果从地球上去观察，会看到这个人在进入事件视界的那一刻停下来了，并不会掉进去，身体也没有被拉长，而是就停在那了。用广义相对论的话解释，就是引力越强，时间走得越慢，事件视界周围的时间流动非常缓慢，所以从地球上看，人进入事件视界的那一刻就停在那了。但是人自己看，自己还是在不断下落的，直到进入奇点。

那相对的，我们在外面看事件视界的世界是缓慢的，但你从事件视界看外面的宇宙就像快进一样。所以理论上来说，在事件视界是可以看到宇宙终结的那一刻的。

1967年，约翰·惠勒在演讲中正式使用了“黑洞”一词，所有人都觉得这个词简直太形象了，因为它就像宇宙中的百慕大三角，无论什么东西掉进去就再也出不来了。

不过，虽然计算机的模拟结果让越来越多的人相信黑洞的存在，但无论什么时候有赞成就会有反对。正所谓眼见为实，谁也没有亲眼见过黑洞。海王星计算出来之后还能用望远镜去观测，但黑洞呢？你跟我说那有个黑洞，谁看见了？所以科学家就开始思考，怎么才能找到看不见的黑洞呢？

直到1971年，28岁的天文学家托马斯·博尔顿宣布他找到了黑洞。那博尔顿是怎么找到黑洞的呢？这就要提起一个卫星。1970年12月，美国发射了人类史上第一颗X射线天文卫星，叫乌呼鲁号卫星。这个卫星跟人类发射的其他类型探测器有什么不同呢？最重要的一点，他并不是用照相机去拍照，而是通过收集X射线把X射线转换成图像和声音再进行研究。

X射线大家都知道本质其实就是一种光，所以我们有时候也叫X光。只不过这种光我们看不见，像我们去医院拍的CT胸透或者地铁机场的安检，利用的都是X射线。宇宙中其实到处都是X射线，太阳也在不停地发出大量的X射线。那乌呼鲁号的任务就是收集宇宙中各种各样的X射线，然后传回来给人类研究。在他发现了339个X射线源中，有一个射线源非常奇怪。这个射线源的编号是天鹅座X-1，它的X射线强度每秒会发生数次波动。

所以，博尔顿就开始用望远镜观察天鹅座X-1。很快，他就在天鹅座X-1发现了一个蓝色的超巨星，质量大约是太阳质量的20-40倍。但奇怪的是，这个X射线并不是从它身上发出来的，而是在它附近。而且这个蓝色巨星的运行轨迹也很特殊，他就好像绕着一个看不见的，但却能发出强大X射线的大质量伴星运行。给我们的感觉，就像冥王星和卡戎一样。经过了两个月的观测和计算，博尔顿发现这个看不见的伴星质量竟然是太阳的15倍多。质量大，看不见，还能发出强大的X射线，这不就是黑洞吗？所以虽然没有完全确认，但博尔顿还是赌上了自己的职业生涯。很快他就向外界公布了，天鹅座X-1也是一个黑洞。而且他还说，这个蓝色的超级巨型正在被旁边的这个黑洞吞噬。

这个结果公布之后，越来越多的科学家就开始关注天鹅座X-1。其中有一个物理学家，叫史蒂芬·霍金，这个人我相信大家都很熟悉了。就是他那本《时间简史》可能很多人都买过，但是大家都看了几遍？有没有人看完呢？当时霍金正在研究黑洞的辐射，因为那个时候大部分人都认为黑洞就像貔貅一样，是只进不出的。但是大家想象这么一种情况，假如现在有一杯热水，你把它丢进黑洞之后，这杯热水的所有信息是不是就全部消失了？但是这杯热水是具有熵的呀，熵，这个东西大家都知道吧？

在宇宙中，熵是永远增加的。这杯水进入黑洞之后，热水的熵必然就会从宇宙中消失。如果说黑洞没有熵，那宇宙中的熵不就减少了吗？这可是违背热力学第二定律的。所以当时有个以色列的物理学家叫贝肯斯坦，他大胆地提出黑洞具有熵，而且黑洞的熵就是它的表面积。这两个东西都是永增不减的。

霍金一开始是反对贝肯斯坦这个结论的，因为广义相对论中并没有热的存在，怎么跟热力学扯上关系呢？而且如果黑洞有熵，那么黑洞就会有温度，有温度就一定会有热辐射，有热辐射就肯定会有粒子向外发射。但广义相对论已经证明了，黑洞是一个只进不出的天体，怎么可能有粒子从里面向外发射呢？

后来，霍金把量子力学用来研究黑洞之后，发现黑洞真的有热辐射，表面积也确实是熵。这也证明了贝肯斯坦的结论是对的。而我们现在管这种现象叫霍金辐射。

2015年9月14号，美国路易斯安那州的利戈天文台探测到了黑洞的信号。虽然这个声音非常短，连一秒都没有，但也让天文台的工作人员感到非常兴奋。但是天文台并没有公布这个发现，他们担心这是个假信号。因为这个天文台之前就出过这么一次乌龙事件。2014年的时候，他们就宣布发现了宇宙大爆炸时产生的原始引力波，但是后来经过验证，他们探测到的只是星际尘埃造成的假信号。所以这次他们特别谨慎。

经过了几个月的核实和研究，直到2016年2月11号，他们才公布了这个发现。这是两个黑洞合并时产生的引力波，一个黑洞质量大约是太阳的36倍，另一个黑洞的质量大约是太阳的29倍。这两个黑洞在引力的作用下逐渐靠近，最终合并，释放的能量相当于无数颗原子弹同时爆炸产生的能量。这股能量以引力波的形式向外传播，经过了13亿光年才到达地球。

有人可能会有疑问，这么强大的引力波，等它到达地球之日，岂不就是人类完结之时吗？其实大家不用担心。如果说地球在这两个黑洞的附近，那我们确实活不下来。但这次的引力波是13亿年前的两个黑洞在合并时产生的。经过这13亿年的衰减，它到地球的时候已经非常微弱了，还不如风吹过头发时产生的感觉强烈。所以对于我们来说根本就感觉不到。

经过这么多年的研究，人类总算是有了黑洞存在的证据。但还是会有人说，有图才有真相。要是能拍到黑洞的照片，那才算真正找到了黑洞。但是想拍摄黑洞，就要思考两个问题：一是怎么拍，二是拍哪个。首先第一点，怎么拍？传统的光学望远镜只能捕捉到可见光，而黑洞是看不见的。所以拍黑洞就不能用光学望远镜，要用射电望远镜。射电望远镜可以捕捉到很多肉眼看不到的光，比如黑洞发出的大量辐射。用射电望远镜就能轻松捕捉到。

但是一台射电望远镜也不足以拍摄到黑洞的全貌，得想办法把这个望远镜的口径做得越大越好。所以世界各地的科学家联手造了一个虚拟的望远镜，叫事件视界望远镜。这个虚拟望远镜是由八个地方的射电望远镜组成，北至西班牙，南至南极洲。这八个望远镜互相协作，共同观测同一个目标并且记录下数据。所以这台虚拟望远镜的分辨率就相当于一个地球直径大小的射电望远镜的分辨率。

怎么拍解决了，第二个问题就是拍哪个。宇宙中有很多黑洞，而且都离地球很远，所以一定要选好拍摄目标。越近越大，肯定拍摄效果就越好。最终科学家锁定了两个目标，一个就是银河系中心的黑洞，人马座A*。这可能是离地球最近最大的一个黑洞了，它的质量大约是太阳的430万倍，相当大了。

另一个是银河系外的巨型椭圆星系M87的中心，就是我们开头说的那个黑洞，质量是太阳的65亿倍，距离地球5500万光年。

经过了大约两年的时间，2019年4月10日，人类终于获得了第一张黑洞照片，这张照片我们已经介绍过。它的成像原理跟医院核磁共振的成像原理其实是一样的，所以你说它是一张电脑合成图也可以。

2022年5月12日，人类拍摄到了第二张黑洞的照片，就是我们银河系中心的黑洞人马座A*的照片。这个黑洞大小要比M87小1000多倍，质量也要小很多。

那它作为银河系内的一个黑洞，也有人担心我们会不会被这个黑洞吞噬了。其实完全不用担心，地球距离银河系中心非常远，大家完全不用担心会被吞掉。即使有那么一天，人类可能已经不在了。

最后就是2024年公布的最新黑洞照片，这是在2018年4月拍摄，经过了六年的分析，2024年才正式公布出来的。

它拍摄的也是室女座星系M87的黑洞。这么看上去这两张照片好像是一样的，虽然光环的亮度和形状仔细看确实有差别，但基本上没什么大的区别。其实，没区别就是最好的。这两次的观测结果显示，黑洞的质量和光环的大小是一样的，说明黑洞在这一年的时间里就没有明显变化。这就跟爱因斯坦广义相对论对于黑洞大小的预测是一样的，就是黑洞的直径取决于它的质量。只要黑洞的质量没有大幅度增加，那M87的宽度就应该保持不变。

但从M87目前的吸积速度来看，在人类的历史上它的半径都不会再有变化了。人类后面如果还有其他高等文明产生，也许可以看到它的改变。

人类之所以这么喜欢研究黑洞，其实不只是因为黑洞本身很神秘，还跟宇宙的诞生有关。根据宇宙大爆炸理论，宇宙的诞生正是源于一个奇点，而黑洞里面正好就有奇点。这不就是寻找宇宙起源最好的研究对象吗？而到目前为止，虽然人类听到了黑洞的声音，也拍下了黑洞的照片，但是对于黑洞的了解还远远不够。黑洞的最终命运是什么？它会不会解体？黑洞里面是什么样？是虫洞还是白洞？所以为了解决这些问题，科学家也在设想，希望有一天能够把射电望远镜发射到太空。因为地球的大小是有限的，口径再大最多也就是EHT这么大的望远镜了，不可能再大了。但是如果能把射电望远镜发射到太空，就不一样了。就能组成口径更大的望远镜，到时候就能观测到更多黑洞乃至整个宇宙的秘密。