最近有个消息火爆了科技圈，如果不出意外，2019年最大的科学新闻非他莫属。什么消息呢？黑洞有照片了！
北京时间2019年4月21日21点整，人类历史上首张黑洞的真实照片被公布。
2015年引力波的发现，使我们“听”到了黑洞，而这次，我们“看见”了黑洞。
当然小伙伴们不要误会，这张照片不是黑洞的光学成像，而是对黑洞在非可见光波段的成像，用的不是光学天文望远镜而是一组射电望远镜的阵列，称为“事件视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT）”。
什么？黑洞都要有照片了，你却对黑洞研究的历史一点都不了解？这篇文章就带你大致看一下，对黑洞这种神奇天体的研究历史。
可惜不是牛顿
虽然黑洞听上去是个现代感十足的名词，但对于它的探讨早在牛顿的时代就开始了。
牛顿建立了牛顿力学框架，但没有将其应用到大质量天体上，因而错过了最早提出黑洞概念的机会。
这样，黑洞概念最早提出者的名头，落在了比牛顿稍晚些的物理学家米歇尔的头上。
1783年，在给卡文迪许的一封信中，这位英国人提出了一种叫“暗星”的特殊天体。
他将万有引力定律和光的微粒说应用到极端的假设中，发现宇宙中可能存在着一种奇特的天体。
这种天体是一种质量非常大的恒星，以至于所有的光粒子都会被恒星的引力吸回去。
如果恒星辐射的所有光粒子都被吸回去，恒星将永远看不见，在天空中，它只是一个黑暗的斑点，因此将其命名为“暗星”。
(现代意义上的黑洞并非是米歇尔所猜想的巨大而黑暗的恒星，米歇尔的猜想只是黑洞思想的萌芽)
后来，法国著名的数学家、物理学家拉普拉斯在他的巨著《天体力学》中也预言了暗星，并给出了暗星的半径：
然而，拉普拉斯的推导还是基于光的微粒说。
1801年，托马斯·杨的双缝干涉实验证明了光的波动说。这使拉普拉斯的推导站不住脚了。
于是拉普拉斯在其1808年出版的第三版《天体力学》中，删除了暗星的内容。
然而，有意思的是，他得出的暗星的半径与现代的结果完全一致，虽然他推导的基础并不正确。
一战前线的成果
就这样，暗星的研究自此沉寂了200余年，直到1915年爱因斯坦广义相对论的提出。
在广义相对论中，爱因斯坦给出了著名的引力场方程。
它表明物质引起的时空弯曲会对光的运动产生影响，这使暗星理论再次有了存在的基础。
不久，1915年12月，还在一战前线上任炮兵上尉的德国数学家史瓦西，得到了引力场方程的第一个精确解，并将结果寄给了爱因斯坦。
可惜的是，史瓦西不久便因病在俄国前线去世。
史瓦西的解以静止的、不带电的、球对称的天体为假设，建立了以天体为中心的球坐标系，描述了其外部的引力场。
很明显，上面的解在第二项处有两个奇点（使分母等于0的点），r表示到天体中心的距离：
其中：
对于球体来说，半径为某一值会形成一个面，所以奇点严格来说应被称为奇面。
后来对黑洞的研究主要集中在黑洞的产生条件和黑洞的奇点这两个方面。
而史瓦西的解得到的这两个奇点分别对应了这两个方面，引导了这两方面的研究。
第二个奇点——黑洞存在吗？
先说说第二个奇点的故事吧，对这个奇点的研究，解决了黑洞是否存在和黑洞的产生条件等问题。
这第二个奇点的结果称为史瓦西半径，细心的读者可能已经发现，这个半径与当年拉普拉斯得到的暗星的半径相同。
而这个半径也是现在通常认为的一个天体变为黑洞的临界半径，但无论是史瓦西，还是爱因斯坦都没有发现这层关系。
真正将史瓦西半径与黑洞联系起来的，是钱德拉赛卡和奥本海默的研究结果。
1930年，来自印度的钱德拉赛卡在前往英国留学的轮船上闲着无聊，在打发时间时计算出了著名的钱德拉赛卡极限：
当星体的质量达到该极限时，电子间的斥力无法抗衡强大的引力， 星体将会塌缩。
不过，当时的物理学家并不接受这一观点，因为1932年查德威克发现了中子，人们认为：除了电子间的斥力，中子间也存在斥力，可以抵消引力，阻止天体的塌缩。
直到1939年，奥本海默发现：
当星体的质量达到某个极限时，连中子间的斥力也无法抗衡强大的引力，星体将不可避免地一直塌缩下去。
这个极限被称为奥本海默极限。
奥本海默还提出，由于达到极限后，再无任何力可以阻挡星体的塌缩，星体将无限塌缩下去，在这个过程中，星体坍缩至其史瓦西半径大小时会发生奇怪的现象：
在那里时间将被冻结，在这个半径内，即使是光，也无法逃逸。
这与200多年前提出的暗星非常类似，奥本海默因此在广义相对论的框架下再次预言了暗星的存在。
若星体坍缩至其史瓦西半径大小，则将成为光也无法逃逸的暗星。
后来（1967年，见下文介绍），人们将这种天体称为黑洞。
当时的物理学家们对类似的结果不以为然，包括爱因斯坦在内的物理学家坚决反对暗星的存在。
毕竟它的条件有点太极端了，以地球为例，如果地球变为暗星，其半径将只有2厘米。
不久之后二战席卷全球，相关的研究陷入了停滞，奥本海默本人也受美国政府的邀请，领导了著名的”曼哈顿计划“。
直到1958年，两个美国物理学家发现：史瓦西半径确定的奇面其实是个“事件视界”，它是一个单向膜。
所有的一切（包括时间、空间）一旦进入这个膜，都将只能向一个方向运动——无法挽回地掉向天体中心。
由于暗星的产生条件太极端，直到60年代，许多科学家仍不相信它的存在，认为它只是理论上的。
与暗星类似的还有中子星。
中子星的产生条件也非常极端，比暗星强不了多少，但在1969年，物理学家们证实了中子星确实存在：
所谓的脉冲星就是高速自转的中子星。
这让物理学家们反思：暗星是不是也存在？
曾经反对暗星存在的惠勒，经过长期研究后，也认识到：奥本海默预言的暗星可能真的存在。
并于1967年为它取了现在的名字——黑洞。
1967年，证明了这样一个定理：无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定。
换句话说黑洞一旦形成，除了黑洞的质量M、角动量J、所带电荷Q，其他所有的信息（毛发）都将丢失。
不管黑洞之前吞噬了多少其他物质，这些物质都不会对黑洞的性质产生很大的影响。
因此这个定理被惠勒戏称为黑洞无毛定理。
至此，关于黑洞是否存在的研究也就告一段落了。
第一个奇点——黑洞中心的奥秘
在前面说到的史瓦西的解得到的两个奇点中，第二个奇点——位于天体的史瓦西半径处——可以通过坐标变换消除。
而第一个奇点——位于天体中心r=0处——却无法通过任何数学方法消除，是物理意义的奇点。
我们知道，奇点（即分母为0）会造成无穷大。
然而，在物理中无穷大是不可接受的，于是一开始人们认为不可消除的第一类奇点的出现是一种错误，至少在实际中不会出现。
于是，一大批物理学家试图证明：在现实中，无法消除的第一个奇点其实是不存在的。
很不幸，1965年英国的物理学家彭罗斯证明了奇点定理，后来，霍金也独立地证明了奇点定理。
奇点定理表明，如果广义相对论是对的，在一定条件下（在我们的宇宙中是满足的），无法消除的第一个奇点一定会存在。
并且在奇点处，所有已知的物理定律都会失效，也没有时间和空间。
（注意，这里是没有时间和空间，而不是时间、空间的初始。）
也就是说，在黑洞的中心处（第一个奇点位于天体的中心），存在一个非常奇特的位置，在那里，人类已知的所有物理定律全部崩溃，也不存在时间、空间。
黑洞与热力学
到现在，物理学家们一直在研究黑洞存在与否以及黑洞中心的奇特性质，对黑洞的物理性质还知之甚少。
到20世纪70年代，以霍金为代表的一批物理学家开始以热力学、量子力学研究黑洞的性质。
1971年，霍金提出了黑洞的面积定理，表明黑洞的表面积随着时间的流逝只会增加不会减少。
这个结果被美国的一个研究生（惠勒的研究生）贝肯斯坦看到了，他展开了丰富的联想：物理学中还有什么量只会增加呢？答案非常明确——熵。
于是，他提出黑洞表面积的本质就是熵。
一开始，霍金非常反对这个观点，黑洞如果有熵，就意味着有温度，有温度就意味着有热辐射。连光都不能从黑洞中逃逸，怎么可能有辐射呢？
然而，1974年，霍金的态度来了个180度的大反转。
他证明了黑洞表面积的本质确实是熵、黑洞有温度。
而且证明了黑洞竟然有热辐射，这就是著名的霍金辐射。
这个研究有什么意义呢？意义太大了，简直改变了人们对宇宙前途的看法。
在这之前，人们认为黑洞是只进不出的天体，只会变大，不会变小，这意味着宇宙的最终命运很可能是一个巨大的黑洞。
然而，霍金在考虑了量子效应后提出的理论表明，黑洞的辐射与丢失粒子是等价的，也就是说黑洞会通过辐射的方式逐渐丢失质量。
有人可能会问，这样的话，面积定理和霍金辐射岂不是矛盾了。
其实，面积定理是没有考虑量子效应的经典理论，而霍金辐射理论是考虑了量子效应后对经典理论的修正。
就像牛顿力学和相对论力学间的关系，并不矛盾。
但是，到目前为止，霍金辐射并没有得到观测的证实。
