黑洞的概念前面有人提出来了,但并不严谨和完善.我将在下面用广义相对论和闵可夫司基的绝对时空概念解释黑洞和为什么不存在平行时空.
实际上,黑洞并不是一个洞、也不是黑色的,吸到黑洞里的物质并不是绝对不能返回到外界,而黑洞也绝对不是黑色的（黑洞有颜色,但并不是肉眼能看到的颜色,后面说黑洞和吸积盘的时候会说到）.
黑洞理论最原始是始于 18 世纪一个叫 John Michell 的牧师,他把光速和牛顿逃逸速度的理论结合起来,计算出一个很有意思的天体模型.
如果我们在地球上向上抛一个石头,那么无论多大气力,它都将落回到地球上.如果我们用一个足够高的速度向地球外飞去,那么就可以像火箭一样飞出地球的引力控制范围,这个速度就是所谓的逃逸速度,对于地球而言,逃逸速度是 11.2 公里/秒.逃逸速度是和引力有关的,而引力是跟质量有关的.所以,若天体的质量越大,则相对应所需要的逃逸速度也越高.
假设有一个天体质量非常巨大,大到需要比光更快的逃逸速度.这时候我们就算在它上面,把一个石头以光速向外抛去,石头的速度仍然达不到逃出天体的逃逸速度,那么它最终将掉头并回到天体上.
于是,就有了黑洞最原始的概念――连光都无法逃出来的天体.
但这个概念太恐怖了,以至于当时的教会和天文学会都抵制这个怪物,上帝怎么可能会造出这样的撒旦呢?所以人们就没有再研究下去了.
不过,一切在爱因斯坦那个伟大的相对论面前又重新改变了.
在这里先说说爱因斯坦这个怪人,他大学读得非常不顺利,不太用功,不讨老师们的喜欢,他的数学老师、最伟大的数学家之一闵可夫司基甚至把爱因斯坦称为“懒狗”!
但爱因斯坦并不是懒,他只是对那些前人已经做好了的研究和结论没有任何兴趣.1905 年是爱因斯坦开始辉煌的一年,他在独自研究中抛弃了自牛顿以来一直建立的绝对空间和绝对时间观念,重新树立起了一套新的相对观念.
在爱因斯坦面前,有四个概念,空间、质量、时间、光速.牛顿的经典物理学认为,空间、质量、时间是绝对的,光速则是相对的.不过爱因斯坦却凭着非常敏锐的触觉,觉得只有光速才是绝对的,空间、质量、时间都是相对的.
于是,爱因斯坦创造了一个人类历史上最伟大的理论的基础,狭义相对论.
狭义相对论是一个原理性理论,它由两个基本原理构成：
光速绝对性原理,无论在任何方向和空间上,光速绝对不变.
相对性原理,物理学里的一切运动,都必须在同等的视点上处理所有的运动状态.
即――我所谓的空间一定是你的空间和你的时间的混合,而你所谓的空间一定是我的空间和我的时间的混合.
而从狭义相对论里更得出了更惊人的结论.运动的物体,相对速度越快,则长度越短、时间越慢、质量越大.
假设我在火车上,你在地面上看着火车走过,这时候你会发现,我变短了、我运动的动作变慢了、我的质量变大了.
但这还不足以解决更深层的问题,时空的本质和引力.爱因斯坦知道,引力是一切定律的关键.1908 年,那个骂爱因斯坦是懒狗的闵可夫司基发现了一个重要的理论,四维时空的绝对性理论.这是用一种数学的语言描述狭义相对论,但当时爱因斯坦并没有对这个理论在意,并嘲笑这个复杂的数学描述.
引出爱因斯坦下一次成功的,是一个非常著名的天文学问题,水星的近日点问题.按照开普勒描述的椭圆轨道,水星应该顺着椭圆型的轨道围绕太阳运转.但几百年来的观测证明,水星每沿轨道环绕一圈后,都不能回到原来的位置上,而是有一点点很小的偏离.这就是水星在近日点上的移动.这个移动有 1.38 弧秒.
牛顿的引力定律可以解释这 1.38 弧秒中的 1.28 弧秒,那是木星和其他行星对水星产生引力作用的结果,但剩下的 0.1 弧秒没任何办法解释,而测量的误差只有 0.01 弧秒的大小.
首先,爱因斯坦建立了一个“等效原理”,可以用小学课本的《两个铁球同时着地》去简化一下它的描述.
假设你在一个悬崖边上,远处一个炮弹在被打起的一刹那,你跳下悬崖.这时候,在地面上相对静止的人,看到炮弹的运动是一个抛物线运动.而正在掉下悬崖的你,看炮弹的运动,则是一个向上的匀变速直线运动!
为什么?因为在引力的作用下,你和炮弹都处于同一个参考系里,则炮弹受重力的作用和你受重力的作用互相抵消,在这个参考系里,你的运动和炮弹的运动是不受重力影响的了,就是所谓的失重状态.
然后,爱因斯坦又再得到了一个更惊人的理论,就是引力引发时间膨胀.
假设我们有两只非常精确的手表,一只放在地面上,一只放在高空中,经过一段时间后,高空中的那只手表一定走得比地面上的手表要快一些!
1912 年,爱因斯坦经过一段时间的挣扎以后,终于被迫接受了闵可夫司基的绝对时空概念――在我们的宇宙中,只有一个惟一的绝对的四维时空.这样,他能解释得了新理论里的时空卷曲.也就是,离地球近的时空,卷曲曲率比较大,而离地球远的高空上的时空,卷曲曲率比较小.地球上的表受到时空卷曲的影响,则走得慢了!
此后的三年里,爱因斯坦终于意识到数学、特别是黎曼几何对他的新理论有非常重大的意义,于是他在几所大学之间辗转讲学的时候,把他的理论重新用数学形式描述一次.经过计算,在1915年11月25日,人类历史上最伟大的物理理论之一、广义相对论诞生了.
（实际上,第一个计算出完整的广义相对论形式的人并不是爱因斯坦,而是和他合作过一段时间的数学家希尔伯特）
到此为止,爱因斯坦在物理学上的贡献已经公德完满了,后来他很少有建树,甚至他是反对量子物理和黑洞理论的一面鲜明旗帜.最著名的,莫过于他的一句批驳量子力学的名言“上帝不会掷骰子!”,予以驳斥量子力学里的测不准原理.
现在,我们重新用广义相对论的原理去看看一开始提出来的黑洞理论.引力并不是一种力,它和我们推东西、拉东西所用的“力”有很大的不同.引力的本质,是时空卷曲.也就是,地球并没有“拉或者“吸引”住我们,而是我们的时空被地球的引力所卷曲、扭转.所以我们需要一种新的几何去计算空间扭曲的状况,从而知道怎么样的扭曲会让光跑不出来.
1916年1月13日,史瓦西历史性地计算出第一个爱因斯坦方程的解,建立了史瓦西几何.史瓦西分析了完全没有旋转的星、并得到了任意无旋转球状星体以外的时空曲率.但4个月后,史瓦西在俄国前线染病去世了.
史瓦西预言,每个星体都存在一个依赖于星体质量的临界周长,也就是 18 世纪那位 Michell 计算的周长―― 18.5 公里乘以以太阳质量为单位的星体质量.即若太阳的周长如果减少到 18.5 公里,那么太阳将变成一个黑洞.
但这里所说的黑洞,并不是光不能逃逸出来,而是引力之大,可以让星体的表面的时空发生强烈的扭曲、以至于时间在那里停止了流动――被“冻结”了!
所以,时空卷曲才是黑洞形成的成因,而时空卷曲也是引力的本质.用时空卷曲的概念去描述黑洞,才比较准确,而不是单纯的引力描述.
然而黑洞并不“黑”,它不是绝对不能被外界所观测到的,相反,黑洞非常非常地漂亮!特别是吸积盘和喷射流黑洞,都非常壮观.在已经发现的黑洞侯选里面,有一个喷射流黑洞,所发出的高能喷射流长达几十亿光年!
黑洞不是完全黑的,它会向外辐射,这就是我在那一贴里解释的能量涨落机制.而有的黑洞因为旋转非常快,周围的气体被快速地吸入到视界以内,则产生巨大的涡流.
有的黑洞是双星系,其中一般主星是黑洞,则伴星的炽热气体会被吸入黑洞内,这样会形成一种非常壮观的吸积盘.同时黑洞附近的时空扭曲非常巨大,使光线产生强烈偏折,形成前所未见的“光盘”景象.
最后补充关于真空涨落的描述.质量和能量是一种东西的两种形式,那么真空中的能量涨落就可以导致基本粒子的形成.基本粒子能量相当小,即使用 E=mc^2 来计算,那么小的质量产生一次反应连一个细胞都炸不碎.1928年,Paul Dirac 就已经对这样的现象进行了描述,创立了所谓的“Dirac 海洋”.一对正-反粒子对会在 10^-21 秒内自动地产生和湮灭,质量更大的粒子也可能在真空中产生,但按照量子力学的测不准原理,它们只能存活更短的时间.
黑洞的蒸发――黑洞虽然会蒸发,但黑洞的蒸发非常缓慢.若要视界蒸发掉而让我们看到黑洞的中心――宇宙最神秘的奇点,则需要非常长的时间.一个 10^15 克的黑洞需要 100 亿年时间才蒸发掉.
所以当今最伟大的数学家之一彭・罗斯（Pen Rose）提出了宇宙监督理论,认为黑洞的奇点受宇宙监督,是不能被看见的.即使要看,你也要付出代价,而且不能把它的信息带出黑洞以外.对于这点,霍金调侃了爱因斯坦一下,他说“上帝不只是掷骰子,还把骰子掷到我们看不到的地方!”