黑洞史话【序】：时空的终结，新物理学的开始

汪诘：从今天开始，我要开启一个全新的系列文章。过去的几年，我走进全国各地的小学，做了很多场科普讲座。每次到了互动交流环节，那场面可就热闹了，孩子们的小脑袋瓜里充满了各种奇思妙想，问题一个接一个。而在所有这些问题里，我发现，有一个词的出镜率最高，这就是：黑洞！

黑洞是个“传送门”？

现在的孩子对黑洞真是特别感兴趣，简直到了痴迷的程度。他们眼睛里闪烁着对宇宙的好奇，对这个听起来就酷得不得了的天体充满了向往。但是呢，通过跟他们的交流，我也发现，大家对黑洞的误解那可真是五花八门，千奇百怪，想象力丰富得让我这个写科幻的都有点自愧不如。

比如，很多孩子一听到“黑洞”，就以为那真的是宇宙中一个黑黢黢的“洞”，像个大窟窿，或者一个巨大无比的太空漩涡，掉进去就不知道去哪儿了，好像通往另一个神秘世界。

还有的孩子受科幻电影影响太深，觉得黑洞就是个天然的“传送门”，钻进去就能“咻”地一下穿越时空，跑到恐龙时代去看看霸王龙，或者跑到几百年后看看未来的高科技，甚至跑到另一个平行宇宙去跟另一个自己握握手。

你看，这些想法是不是很有趣？充满了童真和想象力！但也确实跟我们科学上认识的黑洞，差别有点大。真实的黑洞，它不是一个传统意义上的“洞”——你没法像掉进井里一样掉进去；它更不是什么随意穿越的“门”——至少以我们目前的物理学来看，想靠它玩时空穿梭，那纯属想多了；它也不是一个主动出击、四处觅食的“怪兽”——黑洞其实挺“懒”的，它就待在那儿，你不去招惹它，它一般也不会主动来找你麻烦，它的引力虽然强，但也得遵守基本的物理规则。

这些可爱的误解让我意识到，虽然“黑洞”这个词儿大家张口就来，非常熟悉了，但是：

黑洞到底是个啥玩意儿？它是怎么诞生的？它有哪些匪夷所思的特性？关于它，哪些是科学家们已经板上钉钉、有确凿证据的科学事实，又有哪些还只是停留在理论推测甚至是大胆猜想的阶段？

可能很多人，不光是孩子，包括我们很多成年人，都还是一知半解，甚至被一些不靠谱的说法给带偏了。

正是在和孩子们的这些交流中，让我产生了做这个系列节目的冲动。我在想，为什么我们不专门写个系列文章，就用我最擅长的方式——讲故事、说人话，把黑洞这个宇宙中最神秘、最极端的家伙，它的身世背景、它的脾气秉性、它的是是非非，给孩子们，也给所有对宇宙好奇的大朋友们，彻彻底底地扒个明白呢？

我们不仅要揭开它的神秘面纱，更要看看人类是如何一步步认识它的。就像我之前讲相对论的《时间的形状》，讲天文学史的《星空的琴弦》一样，我们不仅要了解那些酷炫的科学知识，更要看看这些知识是怎么来的，科学家们是怎么思考的，他们在这个过程中经历了哪些曲折的探索，犯过哪些有趣的错误，最终又是如何一步步逼近真相的。这背后的科学精神和思维方式——那种大胆假设、小心求证、不断质疑、勇于探索的精神，我觉得比记住几个黑洞的结论本身更重要，也更有趣。

所以，到底什么是黑洞呢？

时空之网的“结点”

用我自己的话来说，黑洞可以看作是宇宙中最奇怪、最神秘的一种天体。它的引力极其强大，强大到连光都无法逃脱。我们还可以换个更抽象的角度来理解，把它看作是宇宙中一个个时空的“结点”。这里说的“结”是绳结的那个“结”字，也是团结的那个结字。啥意思呢？

想象一下，我们生活的宇宙，不仅仅是我们看到的三维空间，还得算上时间这一维。时间和空间是交织在一起的，形成了一个整体，科学家称之为“时空”。你可以把这个时空想象成一张巨大无比、有弹性的网。我们平时看到的恒星、行星，就像是放在这张网上的一个个大小不一的保龄球，它们的质量会把周围的时空这张网给压弯，产生凹陷。而引力，其实就是这种时空弯曲的表现。物体之所以会互相吸引，就是因为它们都在沿着弯曲的时空“滑行”而已。

那么黑洞是什么呢？黑洞就是这张时空之网上被一个质量超级大、个头又被压缩得超级小的东西给戳出来的一个“结”，或者说是一个无限深的“坑”。在这个结点上，或者说在这个坑底，时间和空间都被极度扭曲，甚至被压缩成了一个我们无法理解的、无限小的“点”——这就是所谓的“奇点”。但是我们又无法看到奇点，它的外面还包着一层黑黢黢的壳。

（上：普通天体造成的时空弯曲；下：黑洞造成的时空弯曲）

我知道，当你听到我的这个“时空打结”或者“无限深坑”的比喻时，一定是有点儿蒙圈的。实在难以想象时间和空间怎么会被扭曲成一个结，或者一个无限小的点到底是什么意思？这太挑战我们的日常经验了。

我承认，如果不给你讲清楚这背后的物理学原理，不给你讲明白爱因斯坦的广义相对论是怎么描述时间弯曲、空间弯曲的，你是很难真正理解黑洞到底是一个什么样的存在。这也是我为什么一定要做一个长长的系列节目，从头开始，一步一步地，才能把它讲明白的原因。我们得有点耐心。

照妖镜？指路灯？

人类研究黑洞的意义十分重大，甚至可以说是关乎我们对宇宙终极规律的理解。为什么这么说呢？因为它很可能就是打开那扇通往“大统一理论”，或者叫“万物理论”大门的钥匙。

你看啊，物理学家们经过了几百年的智力探索，辛辛苦苦建立起来了两套特别厉害的物理理论体系，堪称现代物理学的两大支柱：一个是爱因斯坦的广义相对论，它在描述引力、描述宇宙、行星、恒星这些大尺度时空方面，那叫一个精准，简直是“指哪打哪”，无数的观测结果都完美地印证了它的预言。另一个是量子力学，它专门研究原子、电子、中子、质子、夸克等等这些微观小不点的世界，别看这些东西小，但它们构成了我们这个世界的物质基础，而量子力学描述它们的行为也是出奇地准确，我们现在用的电脑、手机、激光、核能，背后都离不开量子力学的原理。

可以说，这两套理论在各自的“地盘”上都是王者，几乎统治了我们对宏观和微观世界的认知。

但是！问题来了，当这两大王者碰到一起，在黑洞这个极端的地方相遇时，麻烦就来了。特别是在黑洞的中心那个叫“奇点”的地方（理论上那里密度无限大，时空曲率无限大），还有黑洞那个被称为“事件视界”那个神秘的边界，广义相对论和量子力学的预言就开始互相“打架”了，算出来的结果不仅互相矛盾，甚至还会得出一些像“无穷大”、“负概率”这样让物理学家一看就知道肯定是哪里出了问题的荒谬答案。

这就好比我们有两把尺子，一把量大象特别准，一把量蚂蚁特别准，但现在要量一个既像大象一样重又像蚂蚁一样小的东西，结果两把尺子给出的读数完全不一样，甚至互相矛盾。这说明什么呢？说明我们这两把尺子还不够终极！肯定还有一把更厉害的“万能量天尺”等着我们去发现，这把尺子必须既能兼容广义相对论，又能兼容量子力学，能统一描述从宇宙到量子的所有现象。

黑洞，就是这样一个暴露了我们现有理论裂痕的“照妖镜”，它像一个严苛的考官，无情地指出了广义相对论和量子力学的局限性。同时，它也像一盏指路明灯，告诉我们未来物理学应该往哪个方向努力。它就是物理定律的“极限挑战场”，是通往那个传说中的“万物理论”大门的一把关键钥匙。搞懂了黑洞，说不定就能找到那个能统一所有物理规律的终极密码！你说这事儿，够不够根本？够不够重要？

有意思的是，在过去很长一段时间，包括爱因斯坦本人在内的很多物理学大牛，都不相信宇宙中真实存在着黑洞这种“怪物”。他们觉得这玩意儿太离奇了，太违反直觉了，宁愿相信是我们的物理学理论在某个地方出了 bug，或者干脆就是数学公式开的一个玩笑，才导致了这么一个理论上的“怪胎”出现。爱因斯坦甚至一度认为，自然界会有一种机制阻止恒星无限坍缩成黑洞。

然而，科学最终还是要靠证据说话。今天，天文学家们通过各种先进的观测手段，已经找到了足够多的、令人信服的证据，证明黑洞不仅仅是存在于理论推导中，而是真实地存在于我们这个宇宙里的。

（超大质量黑洞梅西耶 87 核心区域的图像）

比如，在我们自己家——银河系的中心，就“趴”着一个质量是太阳 400 万倍的超大质量黑洞！天文学家们通过观测它周围恒星的运动轨迹，清清楚楚地“称”出了它的体重。研究它，就能帮我们了解银河系是怎么形成和演化的，甚至可能关系到我们太阳系的起源。

所以啊，我们这个《黑洞史话》系列，就是要带着大家一起，来一次关于黑洞的深度游。这趟旅程保证信息量爆炸，而且故事绝对精彩！我先给大家透个底，预告一下我们这趟旅程大概会经过哪些站点，看哪些风景。

黑洞深度游，您坐稳啦

我们会先坐上“思想时光机”，穿越回几百年前的牛顿时代，甚至更早。去挖一挖最早关于“看不见星星”的那些老想法。你会惊讶地发现，原来在爱因斯坦之前那么久，就有人模模糊糊地想到了类似黑洞的东西，虽然他们的想法跟现在的理论比起来，简直是小巫见大巫，但也正是这些可爱的“小巫”，才开启了我们对宇宙黑暗面的探索之路。了解这段“史前史”，能帮我们理解科学概念是怎么从模糊走向精确的。

当然，要真正理解黑洞，爱因斯坦大神是绕不过去的坎儿！我们会花大力气，用最接地气的方式聊聊他的广义相对论。放心，我不会堆砌复杂的公式，我们会用各种好玩的比喻，来帮你理解啥叫“时空弯曲”。搞懂了这一点，黑洞的神秘面纱才算真正揭开。

不过有意思的是，黑洞这个概念刚出来的时候，可是个“万人嫌”，连爱因斯坦自己都看不上它，觉得就是个数学公式里的“怪胎”，不相信现实中真有这玩意儿。那后来科学家们是怎么被现实“打脸”，一步步从怀疑、抵触，到不情不愿地接受了这个“怪物”，还给它起了“黑洞”这么个你听着很酷，但据说法国人听着有点龌蹉的名字？这中间充满了各种有趣的争论和故事，我们得好好扒一扒，看看科学共同体是如何面对一个颠覆性概念的。

为了找到黑洞真实存在的证据，天文学家们可谓是穷尽了人类的智慧，我会带你回到历史发现的现场，我们会看看他们是怎么像福尔摩斯一样，通过各种蛛丝马迹来追踪这些宇宙“隐士”的。

比如，有些恒星会莫名其妙地发出强烈的 X 射线，好像身边藏着个“暴脾气”；有些星星在太空中跳着诡异的舞蹈，好像被一个看不见的舞伴带着转圈圈。这些线索都指向了隐藏在幕后的神秘主使——黑洞。顺便也聊聊咱们银河系中心那个“大胃王”是怎么暴露身份的，那过程也挺有意思，充满了智慧和耐心的较量。

当你觉得对黑洞有点数了，坐稳了！我们要进入更疯狂的物理世界了！那个“只进不出”的事件视界到底有啥名堂？它真的是一个物理存在的边界，还是仅仅是一个数学上的概念？掉进去真会变成传说中的“意大利面条”吗？黑洞能不能像个宇宙“哈哈镜”一样，把背景的星系扭曲变形玩？要是黑洞自己转起来，它周围的时空会不会跟着跳起“华尔兹”，把路过的东西都卷进去？还有科幻迷最关心的虫洞、时间机器，这些脑洞大开的东西，跟黑洞到底有没有“亲戚关系”？这些问题，想想都刺激吧？我们会把这些奇景一一呈现，让你感受一下黑洞附近那光怪陆离的物理世界。

但这还没完！真正的“大乱斗”，是当量子力学这个研究微观小不点的理论也来掺和黑洞的事儿时，那才叫一个“鸡飞狗跳”！轮椅上的物理巨人霍金老爷子扔出一个重磅炸弹：黑洞并不完全“黑”，它会因为量子效应而慢慢地“蒸发”掉！这下可捅了马蜂窝！

如果黑洞最后会蒸发消失，那之前被它吞进去的所有东西，包括它们携带的信息，难道也跟着灰飞烟灭了？这可把量子力学给惹毛了，因为量子力学的基本原则之一就是信息永不丢失！广义相对论和量子力学这两大理论的根本矛盾彻底爆发了。于是，一场持续了几十年的“黑洞战争”爆发了，物理学大佬们吵翻天，还打赌！这场世纪之战谁赢了？信息到底去哪儿了？这绝对是物理学史上最精彩、最核心的悬案之一，我们必须得好好聊聊。

最后，我们当然要回到现在，看看科学家们又有了什么新“武器”。现在我们不仅能“听”到两个黑洞撞在一起时发出的时空涟漪——也就是引力波，甚至还能给黑洞“拍照”了！

（引力波示意图）

这些最新的“黑科技”，又让我们对黑洞有了哪些颠覆性的认识？这些最新的进展，绝对会让你感叹人类智慧的伟大和宇宙的奇妙。

黑洞背后的大神们

大家看我文章时间长的可能都知道，我写东西，不光是想告诉你“是什么”，更想跟你聊聊“为什么”和“怎么知道的”。认识黑洞的过程，就是一个特别典型的科学探索过程，充满了曲折、争论、修正和突破。它不是某个天才灵光一闪就搞定的，而是一代又一代科学家智慧的结晶，是无数次思想碰撞和实验验证的结果。

我们会看到科学家们怎么从观察现象出发，大胆地提出假设；怎么设计巧妙的实验或者进行复杂的计算去寻找证据；怎么在学术会议上互相辩论甚至“吵架”；怎么在一次次的失败和质疑中，不断调整方向，一步步逼近那个隐藏在重重迷雾后的真相。这背后的科学精神——那种不迷信权威的怀疑精神、尊重证据的实证精神、遵循逻辑的理性精神、以及永不满足的好奇心和勇于探索的精神，我觉得比记住几个黑洞的知识点更有价值，也更能帮助我们在生活中做出更明智的判断。

好了，说了这么多，是不是已经吊足了你的胃口？是不是对这个宇宙中最黑、最神秘的“洞”充满了好奇？

在动笔写这个系列节目前，我看了很多很多跟黑洞有关的书，其中有三本给我印象最深刻，也给了我最大的启发，它们分别是：

玛西亚·芭楚莎女士写的《黑洞简史》，这本书把黑洞概念从诞生到被接受的曲折历史讲得非常引人入胜；诺贝尔物理学奖得主基普·索恩写的《黑洞与时间弯曲》，这本书深入浅出地讲解了黑洞的奇异物理性质；理论物理学家伦纳德·萨斯坎德写的《黑洞战争》，这本书则生动地记录了围绕黑洞信息悖论展开的几十年科学论战。

我这个系列节目的内容，也主要参考了这三本优秀的著作，当然也结合了我自己的理解和表述方式。

黑洞，这个宇宙中最极端的存在，它像一面镜子，映照出我们现有物理学理论的光辉，也毫不留情地暴露了它们的裂痕。它不仅仅是一个天体，更是我们理解时间、空间、物质、信息乃至现实本身的一道终极考题。当我们凝视黑洞这片时空的深渊时，其实也是在凝视我们自身认知的边界。那里，是我们已知物理定律的崩溃之处，是我们现有语言和想象力的失效之地。它迫使我们去思考那些最根本的问题：时空是什么？物质的本质是什么？信息的命运又将如何？

探索黑洞，就是探索物理学的极限，就是追问宇宙最深刻的秘密。这趟旅程，注定充满了惊奇、困惑，甚至可能是对我们世界观的彻底颠覆。但正是这种探索本身，这种面对终极问题的勇气和智慧，体现了人类理性最耀眼的光芒——

我们不满足于已知世界的安逸，永远对那片未知的黑暗充满好奇，永远向着那看似遥不可及的好奇地平线，勇敢地迈出下一步。这或许就是科学探索最迷人的地方，也是我们作为智慧生命最值得骄傲的地方。

下一篇，我们就正式启程，回到牛顿的时代，去看看最早关于“暗星”的思想火花，是如何在黑暗中悄然点亮的。

end

很抱歉啊，我很久没有开长篇系列了，原因我一再地说过，因为现在的主要精力都放到了拍科普电影上。那你可能会问，怎么突然又有时间给自己挖这么大的一个坑呢？

因为，今年上映的《寻秘自然：时间的形状》讲的是狭义相对论，那接下去就要拍广义相对论部分。

为了创作下一季讲广义相对论的剧本，我最近这半年几乎所有的碎片时间都在阅读跟广义相对论有关的书籍，或者在视频网站上看广义相对论的课程，比如北师大赵峥老师的公开课。我自己是费曼学习法的拥趸，我觉得真正要学好一门知识体系，就是要通过输出来督促自己的学习。所以，我就决定开这样一个《黑洞史话》系列，主要目的就是把我学过的东西输出，在输出的过程中，不仅加深印象，还可以让我查漏补缺，去弄懂原先一知半解的东西。

所以，这个黑洞史话系列，相当于就是在为《寻秘自然》的下一季剧本创作做功课。这样一来，不就实现了科普节目和科学电影两不误的美妙境界吗？