• 什麼是黑洞

一句話來給黑洞下一個定義：黑洞是廣義相對論預言的被視界面包住的奇點。視界面，是連光都無法逃出的邊界面。黑洞可由大質量恆星塌縮等方式形成，可通過物質吸積等過程被發現，黑洞的存在已經被天文觀測所證實。

其實黑洞雖然神祕，卻是基於一個非常簡單的概念，就是逃逸速度。設想我們往天上拋一枚錢幣，它會掉下來，拋得狠一點，它會飛得高一些掉下來時間長一些，如果拋的足夠快達到逃逸速度，它就掉不下來了，速度再高就可以飛出地球。對於地球，這個速度是每秒11公里，對於太陽，是每秒600公里（怎麼會有飛得這麼快的硬幣……）。

很早的時候就有科學家在想象，如果一個星體引力特別強，在它上面的逃逸速度超過了光速，會怎麼樣？這樣的星星我們會看不見，它會成為一個“暗星”！如果把地球擠進一個乒乓球、把太陽擠進一個3公里半徑的球裡，它們表面的逃逸速度就達到了光速，那麼光就會逃不出去！但在牛頓力學的框架下，這是不可想象的，“引力怎麼能作用於光呢？”

然而，在廣義相對論的框架下，質量引發時空彎曲，物體會沿彎曲時空中的測地線運動。所以不管是波、粒子還是光線，運動都會受到時空的限制。這樣問題就解決了：如果一個星球的尺度足夠小而質量足夠大，那它所產生的時空彎曲就會非常大，直到光線都逃不出來，這就是黑洞。由於光線會受到黑洞周圍彎曲時空的影響，不再沿直線傳播，發生偏折，就像透鏡一樣。距離黑洞較近的光線偏折嚴重，可以形成極其扭曲的圖像。

今年是廣義相對論誕生100週年，讓我們順便紀念一下這位人類歷史上最偉大的科學家——沒有之一。

黑洞彎曲光線，使得我們同時看到吸積盤的正面和背面

黑洞飄過銀河系

1916年，在愛因斯坦發表廣義相對論的第二年，史瓦西（Karl Schwarzschild）在一戰的戰壕裡解出了只具有質量的質點在真空中的愛因斯坦場方程，給出了最簡單的黑洞模型，即由中心奇點和視界面組成的史瓦西黑洞。視界面是退出我們時空的單行道，一旦穿過就無法回頭。在史瓦西黑洞的情形下，視界面也是無限紅移面，在那兒發給遙遠飛船的光信號的波長會無限拉長。

史瓦西黑洞

克爾黑洞

黑洞也可以轉動起來，成為所謂的克爾黑洞，比史瓦西黑洞結構要複雜一些。簡單地說，克爾黑洞中心不是奇點而是奇環，而它的視界面和無限紅移面會分開。視界和無限紅移面之間的區域叫做能層，有轉動能儲存在那裡。Penrose指出，由於黑洞的轉動能儲存在能層中而非視界內，因此原則上可以提取。例如，一個進入能層的物體分成兩塊，一塊逆著轉動的方向落入視界，另一塊可以順著轉動的方向帶著更多的能量飛出能層，從而提取旋轉能。

基於黑洞的轉動能，Kip Thorne就為未來的人類設計了給環繞黑洞的城市供電的黑洞發電機。其中，超導線圈驅趕磁力線穿過黑洞能層，提取能層中的旋轉能。對於極速旋轉的黑洞，可供提取的轉動能量為黑洞質量的近30%。太陽質量的10%可以通過核聚變把其中0.6%的質量轉化為能量，我們在100億年內能利用的能量為太陽質量的0.06%。對比太陽，黑洞轉動能利用效率原則上可以比太陽核聚變高500倍！

黑洞是質量、密度和引力巨大而體積較小的天體。它是由大質量恆星演化而成的，黑洞內部已經不存在原子、原子核、質子和中子了，甚至組成質子和中子的夸克也被巨大的壓力壓碎。因此黑洞內部再也不會進行核反應了，不對外釋放光能了。黑洞內部就是一團質量巨大、密度極大、引力巨大、體積較小的夸克態物質。

但是物質是無限可分的，夸克態物質也是由更微小的基礎粒子組成的，這些基礎粒子之間距離(空間)相對也是很大的，也存在著一定的內部結構。粒子和粒子之間也存在著巨大的勢能，使夸克態物質之間保持一定的距離，不能繼續坍塌下去，維持著黑洞這種天體的穩定和存在。

根據史瓦西半徑公式可以算出，太陽如果掉在黑洞中，半徑就會變成3千米，地球半徑9毫米。可見黑洞中的物質，質量和密度是極大的，體積是極小的。這樣的物質結構是由於恆星內部的核反應結束後，原子核和原子核之間，中子和中子之間的空間完全消失，物質坍塌而形成了一團夸克態物質。

我們的太陽質量不夠大，不足以演化成中子星或黑洞。但太陽的引力會吞併周圍的小天體及八大行星，或者被其他大質量的天體所吞併，最終也會演化成中子星或者黑洞。

霍金說，黑洞只是蟲洞的入口端，暗示能量物質仍舊是守恆的（會從另一端出來），後來他好像又自我否定了這個。。。無論黑洞是什麼，它並不大，而且從“詭辯相對論”來說，黑洞應該是普遍的存在，它可能在我們身邊的每一個粒子、時空裡，處處存在，每一個原子裡，又有億萬個宇宙，億萬個黑洞，這就是詭辯的相對論。

我的回答沒有那麼專業，簡單來說就是一個天體的引力非常強大，強大到光都無法逃逸，這幾乎是不可想象的強大引力。大家都知道地球的逃逸速度是7.9千米/秒，黑洞的逃逸速度大於30萬千米/秒。所以在我們看來這天體是不能直接看到的，形象的稱為黑洞。其實宇宙中最明亮的天體應該就是黑洞。