霍金在他的最后一本书《十个问题》中写道，“据说事实有时比小说更奇怪。黑洞是最真实的体现。它们比科幻作家梦想的任何东西都要奇怪。”

黑洞最初只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论公式和方程中。奇怪的是，那些“预测”黑洞的人并不相信黑洞真的存在。但是这个奇怪而神秘的黑洞也吸引了几代科学家。直到2015年，首次探测到的引力波为黑洞的存在提供了具体的证据。

现在，科学家们走得更远了，第一张黑洞的特写照片将于周三发布！在这焦虑的等待期间，我们收回目光，一起回顾人类探索黑洞的非凡方式。

首次理解黑洞

意识形态游戏中的“荒谬”黑暗之星

黑洞的发现可以追溯到18世纪末。1783年，在万有引力定律提出一百年后，牛顿的“小校友”约翰·米歇尔第一次提出可能有比太阳大的恒星，它们的质量如此之大，以至于逃逸速度超过光速，以至于光被这些恒星的引力拉回而无法逃逸。剑桥的监考老师给这颗想象中的能“吸收光线”的大星星取名为“暗星”。

1795年，法国科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯在他的著作《世界体系》中表达了类似的观点，提出了“暗星”的概念，暗星是一种无法逃脱光线的天体。拉普拉斯根据牛顿的引力理论计算出，如果一个物体的半径被压缩得足够小，它的逃逸速度将超过光速。

然而，很有趣的是，拉普拉斯从未在本书的第三版和以后的版本中提到过这个问题。也许他认为这种想法太荒谬了，只能作为一种思维游戏，现实中并不存在。由于拉普拉斯在这个问题上保持沉默，直到20世纪初，“荒谬的暗星”的想法才被忽略。

预见一个黑洞

爱因斯坦方程的推理结果

1907年，德国哥廷根大学的数学教授闵可夫斯基首次提出了一种严格的四维时空几何结构，它将长期以来被认为是独立的时间和空间以几何形式结合起来，并为广义相对论的建立提供了一个框架。

1915年，经常翘掉闵可夫斯基课的爱因斯坦，提出了广义相对论，在狭义相对论和四维时空几何的基础上，真正“预见”黑洞。在科学院的演讲中，爱因斯坦的观点颠覆了以前人类的世界观:我们生活在一个被称为“时空”的四维现实中，它随着物质能量的变化而波动。

爱因斯坦把他神奇的想法集中在几个核心方程上，即爱因斯坦场方程。通过这些方程，可以直接推断出一些大质量恒星最终会变成一个黑洞——时间和空间中的一些区域扭曲得连光都无法逃脱。

测量黑洞

施瓦茨的天才贡献

由于算法的原因，爱因斯坦的场方程在首次发表时只有近似解，而爱因斯坦自己对此无能为力。就在公告发布后20天，爱因斯坦收到了德国东部阵线的一封信。在第一次世界大战的重炮前线，一个名叫卡尔·史瓦西的炮兵中尉给出了这个方程的精确解。他在战壕里解决了这个世界级的物理问题。

卡尔·史瓦西

像爱因斯坦一样，卡尔·史瓦西出生在一个德国犹太家庭。年轻的史瓦西“既仰望星空，又脚踏实地”。他很早就对天文学表现出极大的兴趣。他自己“保存”了一架简单的天文望远镜，并很早就开始了他的天文探索之旅。

从那以后，史瓦西的天才逐渐显露出来:他在15岁时独立发表了一篇关于双星轨道的论文；23岁时，他获得了博士学位。他是哥廷根大学28岁的教授，也是该大学天文台台长。40岁时，他被选为德国科学院院士，并通过自己的作品做出了突出贡献。然而，在史瓦西当选院士后不久，第一次世界大战爆发了。史瓦西在41岁时加入了德国军队，并先后被派往德国军队的西部和东部前线担任炮兵中尉。在焦土下的战壕里，斯威士兰迎来了他学术生涯的另一个高峰。

爱因斯坦

在给爱因斯坦的信中，他写道:“正如你所见，除了炮弹和重机枪的噪音干扰了我的思维，战争对我一直很友好。它把我从所有世俗的事物中解放出来，让我在思考的领域里走得如此缓慢。”附在信中的论文正是由史瓦西给出的爱因斯坦场方程的精确解，而这个解的一个结果就是黑洞的理论存在。在随后发送的第二篇论文中，上尉前线给出了恒星内部时空曲率的精确计算。

在两篇有烟味的论文中，史瓦西提出，在离致密天体或巨大天体中心一定距离处，逃逸速度等于光速，也就是说，这个距离内的任何物质或辐射都不能溢出。后世称这个距离为史瓦西半径，而围绕上述天体的史瓦西半径处的假想球体为地平线。

尽管离黑洞还有一大步，但爱因斯坦和史瓦西都不相信黑洞真的存在。最终，残酷的战争没有善待史瓦西，也没有给他更多的时间去理解他的发现。在俄罗斯寒冷的德国战壕里，史瓦西患有免疫性皮肤病，在论文发表后仅四个月就英年早逝。

现代黑洞

从原子弹之父到引力波的发现

1939年9月1日，纳粹德国军队入侵波兰，第二次世界大战爆发。同一天，美国物理学家罗伯特·奥本海默发表了他的第一篇关于黑洞的学术论文。这种“持续的重力收缩”成为探索黑洞历史上的另一个关键点。

j.robert oppenheimer

奥本海默在他的论文中预测，恒星会在自身引力场的影响下继续收缩，从而形成一个强烈吸引人的物体，即使是光也不会从中逃逸。这是现代黑洞概念的第一个版本。

随着战争的升级，许多科学家转向了核物理。坍塌的问题被抛到了九霄云外，奥本海默成为了曼哈顿计划的负责人。战争结束时，对宇宙的研究重新点燃。一度被低估的广义相对论的复兴对于接受和理解黑洞至关重要。

后来，普林斯顿大学成为新一代相对论研究的中心。正是在那里，核物理学家约翰·惠勒于1967年提出了“黑洞”这个名称。从那以后，黑洞的名字迅速变得流行起来。它象征着黑暗和神秘。从那以后，更多新的性质和类型的黑洞被发现，直到2015年达到顶峰:在黑洞的二元系统中产生的引力波第一次被发现，为黑洞的存在提供了第一个具体的证据。

黑洞奇怪的一个重要原因是我们看不见它们。它们长期存在于数学家的方程解和物理学家的想象中。科学之美的一个重要之处在于，即使我们看不见它，人类的智慧也能让我们在一百年前预见并测量它，直到天文学家向我们展示黑洞照片，并用他们所看到的来验证这个跨世纪的空间“预测”。

1913年，当史瓦西被选为德国科学院的成员时，他说，“数学、物理、化学和天文学一起前进。谁落在后面或谁先来帮忙都没关系。”另一方面，天文学与精密科学的这个圈子有着最密切的联系...数学、物理和天文学形成了一种“知识”，只能理解为一个完美的整体。“现在，关于黑洞的最新成就无疑使自然科学的各个学科更加紧密地联系在一起，让我们感受到科学本身的力量。