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黑洞是宇宙中最神秘也是令人着迷的极端天体，它“贪吃无比”，连光都不放过，因此，长期以来人们只能通过想象或者计算来推测它的“长相”。2014年，科幻大片《星际穿越》首次把黑洞搬上银幕，这部电影成功地将引力透镜和引力频移效应对吸积盘的成像影响表现出来，为观众奉献了一场酣畅淋漓的视觉盛宴。尽管如此，为了满足电影的视觉效果，这部电影并未把多普勒效应和引力红移等现象呈现出来（即便如此，也足以令人震撼）。在2015年，人类首次观测到13亿光年外的两个黑洞合并所产生的引力波信号，这可以视为对黑洞的一次间接观测。可以想象，未来人类的科技大大进步之后，完全可以像雷达成像那样通过分析引力波信号来逆向“重建”黑洞的图像。当然，人们也一直希望通过电磁信号来直接“看到”黑洞，这一心愿终于在今年4月10日达成，中外科学家在这一天公布了人类历史上第一张黑洞照片，星系M87中心黑洞的照片。这一照片与《星际穿越》中的黑洞形象颇有不同，呈明显的上暗下明的结构，原因是黑洞吸积盘旋转导致的多普勒频移效应。
在我们的宇宙中，可能存在过诞生于宇宙大爆炸之初的太初黑洞，和由大质量恒星在耗尽核燃料后塌缩而成的黑洞如今遍布宇宙各处，它们通过吞噬周边的物质而不断“长大”，几乎每个星系的中心都有一个或多个大质量黑洞。如果地球被“压缩”成一个黑洞，其半径只有不到1厘米。如果太阳变成一个黑洞，其直径只有3千米。银河系中心的黑洞质量相当于200万个太阳，半径为780万千米。前不久被“拍照”的M87中心黑洞，其质量相当于65亿个太阳，半径约为192亿千米，约为冥王星轨道半径的3.2倍！
人类对黑洞的认识可以追溯到200多年前，彼时大科学家Laplace认为“宇宙中最明亮的天体可能是看不见的”，因为它的引力如此之大以至于光都无法逃脱（当时光的微粒说流行）。Laplace将其称为暗星。1960年代，苏联科学家将黑洞称为冻星，因为光会在黑洞视界上“冻结”。1967年美国物理学家Wheeler首次将其命名为Blackhole，并迅速为天体物理学家和普通大众所接受。在当今学术界，黑洞被严格定义为“由所有无法与类光无穷远简历因果联系的时空点组成的时空区域”，它是广义相对论的爱因斯坦场方程给出的特定时空解。
在理论上，爱因斯坦场方程给出四种黑洞解：静止且不带电的黑洞（Schwarzschild黑洞），带电而不旋转的黑洞（Reissner-Nordstrom黑洞），旋转而不带电的黑洞（Kerr黑洞）和带电且旋转的黑洞（Kerr-Newman黑洞）。第一种黑洞最简单，它由一个球对称的视界，和包裹在其中的一个的奇点构成。黑洞的视界也是无限红移面。当黑洞外的宇航员向其运动时，远处的观测者会发现他发出的光会变得越来越红，最终冻结在黑洞“表面”，从观测者的视野中消失。而宇航员自己却能几乎毫无感觉地穿越视界。视界将时空分为两个不连通的区域，当我们穿越黑洞的视界时，时间和空间会发生互换，原来的空间方向在黑洞内就具有了时间的性质。而时间总有一个方向，对黑洞而言，该方向指向奇点。因此，任何落入黑洞的物质都不可避免地被时间“拖拽着”奔向奇点。奇点实际上也是时间的“尽头”，落入黑洞的物质都会在有限的时间内被奇点所“粉碎”。通过坐标变换我们可以用Kruskal坐标来统一描述黑洞内外的时空，并得到一个副产品：白洞。Kruskal坐标扩展了黑洞及其所在的宇宙，包含了白洞及其所在的宇宙。白洞是黑洞解的时间反演，它的时间方向总是从奇点指向视界，也就是任何物质只能从白洞奇点处出来，在有限的时间内离开白洞的视界。白洞和黑洞通过爱因斯坦-罗森桥连接，也就是虫洞。Thorne和他的学生Morris曾经严肃地研究过虫洞“工程学”，即如果用Schwarzschild黑洞解构造虫洞解，并如何用奇异物质来实现它。
如果黑洞带电，那么这样的黑洞会有两个视界，时间和空间反转的区域仅在这两个视界之间，而奇点被包含在内视界之内。当黑洞带的电量足够大，会出现一种极端的情况：两个视界消失，奇点暴露于宇宙。奇点是时空具有内禀奇异性的地方，任何物理规律都在此处被破坏。彭罗斯和霍金的奇点定理表明，只要广义相对论正确，且因果性成立，那么有物质的时空必然存在奇点。广义相对论是关于时空演化的理论，但它却预言了自己必然失效的时空点，这似乎是某种逻辑不自洽性，因此彭罗斯提出了宇宙监督猜想：任何奇点必然被视界所包裹，这样就把时空的病态点隔离出我们的宇宙。尽管这只是个猜想，但有物理学家认为热力学第三定律事实上起了宇宙监督的作用，因为第三定律禁止出现绝对有始有终的物理过程，从而禁止奇点（时间的尽头）的裸露。
旋转黑洞的时空结构异常复杂，它不仅具有内外视界，也具有内外无限红移面，其内部的奇点变成一个圆环，称为奇环。奇环附近存在着闭合的类时空间曲线，沿该曲线演化的人或者物质，随着时间的流逝会追上自己的过去！彭罗斯根据宇宙监督猜想认为这里的时空不稳定，否则因果性被破坏。黑洞的视界和无限红移面之间的时空被称为能层。外能层在黑洞外视界之外，在这里时间被“空间化”了（没有时间了），但空间仍是空间。任何进入能层的物质，都不可避免地被黑洞“拖拽着”运动，因为Kerr黑洞甚至把附近的时空也拖着一起旋转了。1969年，彭罗斯据此提出了从旋转黑洞中提取能量的想法，后称“彭罗斯过程”。这一想法在《星际穿越》电影中也有展示。旋转且不带电黑洞的时空结构与旋转黑洞有一定的类似性，这里不再详述。
尽管光线无法从黑洞内部逃离，但其实黑洞不“黑”。霍金证明了黑洞也存在热辐射。在黑洞视界边缘的真空中，由于量子效应，会不断出现正反粒子组成的虚粒子对。当有一个粒子进入黑洞，另一个粒子逃逸到远处，就形成了黑洞辐射，从而减小黑洞的质量。研究表明，质量越小的黑洞辐射通量越大，从而寿命越短，因此，远古的小质量太初黑洞可能大多已通过霍金辐射蒸发殆尽了。
宇宙中为什么会有黑洞？1981年一个日本物理学家小组提出了“婴儿宇宙”的概念。他们研究了真空灾变的一种模型，发现宇宙的真空灾变产生的伪真空泡会形成一个自我暴涨（如同我们所在的宇宙经历过的一样）的“婴儿宇宙”。这个子宇宙通过虫洞和我们所在的宇宙（“母宇宙”）相连，且在母宇宙看来就是一个小的黑洞，该黑洞会因为霍金辐射而迅速蒸发，完全在母宇宙中消失，从而掐断了子宇宙和母宇宙之间联系，形成一个独立的宇宙。子宇宙的演化过程和母宇宙是相同的。这种模型的言外之意是，我们的宇宙有可能也是通过这种途径，作为另一个宇宙的“后代”诞生出来的。尽管这种想法仍然是高度猜测性的，但启发了一些科学家去考虑更深层的问题：我们的宇宙的目的是什么？加拿大圆周物理研究所的Smolin提出了“宇宙自然选择论”。他认为达尔文式的进化也适用于宇宙，宇宙是一个能够复制自身的单元，所以它也要面对选择的压力。因此，宇宙的几乎一切行为，都会趋向于复制自身的方向。而黑洞，也就是宇宙的奇点，在婴儿宇宙-子宇宙-宇宙这一“繁衍”过程中起着关键作用。
对黑洞的探索，特别是直接的实验观测，才刚刚开始。我们相信，蒙在黑洞视界上的那层黑纱将会逐渐揭开。对黑洞的研究和观测，不仅会对广义相对论和量子理论的统一给出新的启示，也可能会回答长久以来困扰着我们的哲学问题：我们从何而来，又将向何处而去。
作者简介：
郭昊，现任东南大学物理学院教授，博士生导师。目前从事的研究领域包括超冷原子物理和凝聚态中的拓扑量子相等。