霍金遗著《The Brief Answers to The Big Questions》之第五问，黑洞内部是什么？

第五章  黑洞内部是什么？

据说事实有时候比科幻小说更奇怪，在这个意义上，那么看现时的黑洞就再真实不过了。黑洞比科幻作家的任何奇思梦想都更加奇怪，但它们是科学事实显示出的实实在在的问题。

黑洞的首次讨论是在1783年，由剑桥人约翰米歇尔^（1）开启的。他的论点如下：如果垂直向上，发射一个粒子，比如：炮弹，它将因重力而减速。最终，粒子将停止向上移动，并将落回原处。但是，如果粒子向上的初始速度大于某个临界值，这个值被称为逃逸速度，那么，重力就不足以阻止粒子运动，使其停下来，粒子就会逃逸。地球的逃逸速度仅为每秒11公里，太阳的逃逸速度约为每秒617公里。这两者都远远高于真正的炮弹速度。但它们与每秒30万公里的光速相比，就低得多了。因此，光可以毫无困难地离开地球或太阳。然而，米歇尔认为，可能存在比太阳更大的恒星，它们的逃逸速度大于光速。我们无法看到它们，因为它们自身的重力会组织任何光线发出。因此，这些被米歇尔称为暗星的巨大星体，我们现在称之为黑洞。

为了理解它们，我们需要从引力开始。爱因斯坦的广义相对论描述了引力，它是一种空间，时间和引力的理论。空间和时间的行为，可以用爱因斯坦方程组来描述。这个方程组是爱因斯坦在1915年提出的。虽然引力是迄今已知所有自然力中最弱的，但是与其他力相比，引力有两个关键优势。首先，它的作用范围很广。地球因太阳的引力，在距离太阳九千三百万英里的轨道上运行。太阳在距离银河系中心，大约一万光年的轨道上运行。第二个优点是，引力总是相互吸引的。引力不像电荷力，可以是引力也可以是斥力。这两个特征意味着，对于足够大的恒星，粒子之间的引力可以超过所有其他力，并导致重力坍缩。尽管存在这些事实，但科学界用了很长时间，才逐渐地意识到大质量的恒星可能会在自身引力作用下，自行坍塌，以及坍缩之后如何表现。1939年，阿尔伯特-爱因斯坦甚至写了一篇论文，声称恒星在重力作用下不会坍塌，因为物质不能被压缩超过某一界限值。对于爱因斯坦的直觉，许多科学家表示赞同。然而，特别例外是美国科学家约翰-惠勒^（2），他在黑洞研究的很多方面，可以称得上是一位传奇人物。在他20世纪50和60年代的著作中，他强调许多恒星最终都会坍塌。惠勒探讨了这对理论物理学带来的问题。他还预言了恒星坍塌后所成物体的许多属性——也就是黑洞。

 （未完待续）

条目注释：（资料来自：维基百科）

（1）约翰·米歇尔（1724－1793，英国牧师兼自然哲学家，地震学之父，测磁学之父

1783年11月27日在写给卡文迪什 (Henry Cavendish, 1731-1810)的一封信中, 首先提出可能存在一种“暗天体”(dark body) 或“暗星”(dark star), 其密度很大且非常紧凑, 拥有连光都无法逃逸的巨大引力。

（2）约翰·阿奇博尔德·惠勒（英语：John Archibald Wheeler，1911年7月9日－2008年4月13日），出生于美国佛罗里达州杰克逊维尔，美国理论物理学家。 惠勒虽然没有得到诺贝尔奖，但是他无疑是美国最重要的物理学家之一。作为物理学家，惠勒最重要的工作是与玻尔合作，在1942年共同揭示了核裂变机制，并参加了研制原子弹的曼哈顿工程。他还是美国第一个氢弹装置的主要设计者之一。作为物理学教育家，惠勒培养出了几代美国物理学家，他指导过的博士达50位之多——当下美国宇宙学或者天体理论物理的一线人物有相当一部分是惠勒的学生。