2019年4月10日，人類首次公布了一張5500萬年之前的黑洞照片。這個黑洞位于室女座A型星系M87的中心，是一個超大質量的黑洞，其質量大約是太陽質量的65億倍。直徑約爲400多億公裏，大約是冥王星繞太陽運行軌道的3.5倍。不是說黑洞的引力大到連光都逃逸不了嗎？那爲什麽人類還能看到它，甚至還拍下了照片呢？是怎麽拍的呢？我們先一起來看下這張圖片。
首先是中間這塊黑色區域，這才是光都無法逃脫的地方，這裏面其實什麽都沒有。黑洞的所有物質都集中在最內部一個叫做奇點的地方，這是一個質量和密度無限大但體積無限小的點。在這個奇點中，我們現有的物理學將不再適用，目前人類也無法直接觀測到奇點，只能用理論去推測。然後是最靠近黑洞的地方，有一圈被叫做事件視界的邊界，任何物質，包括光，只要跨入事件視界，就不可能再出來，直到被吸進奇點。所以事件視界也被叫做黑洞的表面。
再往外一圈就是黑洞的光子球層。當光靠近黑洞的時候，就會被黑洞強大的引力吸引，從而彎曲向黑洞，讓光沿著黑洞旋轉。但是這個光子球層非常不穩定，隨時都有可能掉入黑洞。
然後是黑洞的最外層，這些被黑洞引力捕獲的物質在黑洞周圍形成了一個像土星環一樣的環狀結構，叫做吸積盤。
這張圖片可能看不太清，我們再來看另外一張圖片，這張也是M87的圖片。是經過了兩年的高度解析，在2021年3月公布的偏振光下的黑洞圖像。這些光就是被黑洞引力捕獲的物質。而且大家可以看到，黑洞並不黑，相反，黑洞吸積盤裏的物質，在旋轉和摩擦的過程中，溫度會變得極高，還會向外釋放X射線和電磁輻射。所以黑洞整體在宇宙中是非常明亮的。
那爲了拍攝這張照片，人類使用了一個口徑跟地球一樣大的望遠鏡。有人說，這個你說的不對，怎麽可能有口徑跟地球一樣大的望遠鏡呢？就算有，你放在哪啊？我跟大家說，這個望遠鏡並不是我們平常見到的那種單獨的望遠鏡，而是結合了世界各地一共八台望遠鏡。這八台望遠鏡組合在一起就形成了一個網，而這個網就是一個等效于地球直徑的虛擬望遠鏡，叫做事件視界望遠鏡，簡稱EHT。據說這個望遠鏡的分辨率高到什麽程度呢？在紐約就可以清楚地看到洛杉矶一枚硬幣上的日期。
所以正是因爲這種驚人的分辨率，EHT才能觀測到M87中的這個黑洞。而且不僅拍到了黑洞的樣子，照片上這圈光環的大小跟愛因斯坦廣義相對論的預測幾乎是一樣的。所以很多科學家都說，黑洞就是愛因斯坦廣義相對論裏最後一塊拼圖。
1783年11月，英國的自然科學家約翰·米歇爾給當時一個非常著名的科學家卡文迪許寫了一封信。信中他說，光也是受萬有引力影響的，並且他利用萬有引力定律計算出了一種天體。這種天體質量非常大，引力也非常大，大到連光都無法逃走，導致這種天體從外面看完全是黑的。所以人類在宇宙中也看不到。米歇爾當時管這種天體叫做暗星，這也是人類對于黑洞最早期的理解。
爲了理解米歇爾說的這個暗星，我們先來說一個概念，就是引力。我們都知道在地球上，我們向天空中扔一個球，那這個球最後還會落回到我們手中，因爲我們的力量和速度都不夠。如果你扔出去的這個球能達到低宇宙速度，也就是每秒7.9公裏，那麽這個球就可以繞著地球飛行了。如果你力量再大一些，能夠讓這個球達到第二宇宙速度，也就是每秒11.2公裏，也就是地球的逃逸速度，那它就能像火箭一樣飛出地球引力的控制。
根據米歇爾的計算，當一個天體的質量相當于500個太陽的時候，那麽此時這個天體的逃逸速度就會超過光速。也就是每秒30萬公裏，這個時候即使是光也會變成向我們抛出去的球，永遠都無法逃走。但是大家想一想，光速能超越嗎？別說在1783年，就是在我們現在的認知裏，光速也是超越不了的。所以說米歇爾這個人非常厲害，他當時的思想太超前了，所以他被認爲是有史以來最偉大的無名科學家之一。
爲什麽叫他無名科學家呢？就是因爲他太低調了，大多數人只知道卡文迪許而幾乎遺忘了約翰·米歇爾。但也是因爲他提出的這個暗星的概念過于超前了，以至于他當時在宣讀論文的時候，下面聽的人都沒什麽反應，連反對的人都沒有。然後在接下來的100多年裏，暗星這個概念就再也沒有人提起。
萬有引力雖然是牛頓提出來的，但引力到底是什麽，它是怎麽産生的，牛頓並沒有給出答案。直到1915年12月，愛因斯坦發表廣義相對論，首次把引力描述成時空的扭曲。任何有質量的物體都會使時空變形，而引力其實只是空間扭曲的外在表現。什麽意思呢？我給大家舉個例子，如果把一個有一定質量的球體放在一個平面上，就像這樣，那大家看這個平面就會下沉。愛因斯坦說，這就是引力。
但這只是個二維平面。如果是在三維空間裏呢？那這個球體的四周都將會産生扭曲。這就是愛因斯坦說的萬有引力，是空間的扭曲。但是，廣義相對論剛提出來的時候，所有人幾乎都是不理解，也不相信，只有一個人聽懂了愛因斯坦的理論，就是卡爾·史瓦西。
但是愛因斯坦講座的時候，卡爾·史瓦西並不在現場，因爲當時正是第一次世界大戰期間。卡爾·史瓦西當時是在前線負責計算炮彈軌迹的。在論文發表一個月後，他才收到了愛因斯坦廣義相對論的論文。然後他給愛因斯坦寫了一封信，他說：“盡管炮火連天，但戰爭對我還是很友善的，讓我可以遠離這一切，在你的思想中直向漫步。”
愛因斯坦看到這封信的時候整個人完全呆住了，因爲信裏還包含了廣義相對論中場方程的一個精確解。愛因斯坦論文中的非線性場方程是非常難求解的，就連愛因斯坦自己，他作爲理論提出者都只給出了一個近似值。而卡爾·史瓦西在充斥著爆炸和毒氣的戰場上，只用了幾天的時間就把精確值給算出來，可以說是一個奇迹了。
根據史瓦西的計算預測，當一個超大質量的恒星在死亡後坍縮時，周圍會出現一塊區域，任何東西，不管是光也好，灰塵也好，都不能從中逃逸。這片區域就像在宇宙中開了一個無底洞，光和物質可以進入，但永遠都無法再出來。所以他們最終會被擠壓進一個密度和質量無窮大但體積卻無窮小的奇異之點，也就是奇點。
對于史瓦西的這個計算結果，愛因斯坦是不相信的。他說：“質量無窮大，體積無窮小，宇宙中真的會有這樣的東西嗎？”其實不只是愛因斯坦不相信，當時主流的科學家都是不相信的。英國的天體物理學家亞瑟·愛丁頓在他的書裏直接表示：“史瓦西說的奇點不存在，一顆恒星根本不可能坍縮成一個點，因爲在這樣的狀態下，原子都被壓碎了。”
但是不相信歸不相信，對于史瓦西的計算方法，愛因斯坦還是很認可，只是找不到史瓦西說的這個奇點。所以愛因斯坦最後認爲一定是自己的廣義相對論還不夠完善，才導致史瓦西算出了這麽離譜的結果。但是這些質疑的聲音史瓦西並沒有聽到，因爲他在給愛因斯坦寫信的那天，其實就已經患上了一種無法治愈的皮膚病，全身都是水泡。醫生說可能是戰場上的毒氣導致的。僅僅兩個多月後，他就去世了，年僅42歲。
在史瓦西去世之後，奇點這個說法慢慢的也就被人們淡忘了。直到十多年後，1930年，有一個印度裔的美國物理學家，叫錢德拉塞卡，他是艾丁頓的學生，同時也是楊振甯的博士生導師。他在73歲的時候，憑借他提出來的錢德拉塞卡極限獲得了諾貝爾物理學獎，但這個理論卻是他20歲的時候就提出來了。1930年大學畢業之後，錢德拉塞卡決定前往劍橋大學繼續深造。那個時候，從印度去英國需要坐18天的船。錢德拉塞卡在船上感到很無聊，就開始研究恒星演變的命運，就是恒星死後會變成什麽樣。
科學界的主流觀點認爲，恒星在能量耗盡之後就會由于自身的引力開始坍縮，最終體積會縮小到跟地球差不多，這個時候它的密度會變得非常高，還會發出微弱的白光，變成一顆白矮星。那麽說白了，他們當時認爲白矮星就是恒星死亡後的最終狀態了。但是錢德拉塞卡經過反複計算後發現，並不是所有的恒星最終都會變成白矮星，而是有一定質量極限的。如果一顆恒星能量耗盡之後，剩余內核的質量超過太陽質量的1.44倍，那白矮星就不再是最終歸宿了。在這種情況下，引力引起的坍縮會繼續而且會變得更劇烈，最終會導致原子結構都被破壞，形成中子星。這個1.44倍就叫做錢德拉塞卡極限。
而中子星比白矮星還要小很多，直徑只有二十公裏左右，密度更是驚人，大到什麽程度呢？我們平時用的湯勺，就這麽一勺的質量就重達10億噸。而且它的旋轉速度極快，所以中子星也叫做脈沖星。而如果這顆恒星剩余內核的質量超過3.2倍太陽的質量，那中子星會在自身引力作用下崩潰，宇宙中將沒有任何力量能阻止這種崩潰，會不可避免地坍縮成一個黑洞。
但那時候的人對于中子星和黑洞可以說是一無所知。所以1935年，當錢德拉塞卡宣讀完論文的時候，遭到了主流科學界瘋狂的嘲笑和抨擊。而對他打壓最嚴重的一個人就是他的導師艾丁頓，就是我們剛剛說的那個，反對史瓦西奇點的物理學家艾丁頓。當著衆人的面，他把錢德拉塞卡的推論貶得一文不值，甚至還撕了他的論文。因爲艾丁頓在當時的科學界是非常有聲望的一個人，所以沒有人支持錢德拉塞卡。他們也看不太懂錢德拉塞卡的推論和計算。而且當時還正是第二次世界大戰期間，戰爭讓很多物理學家把研究目標都轉移到軍事技術上，連廣義相對論都不研究了。所以恒星死不死，怎麽死的，更是沒什麽人關心的。
大家可以想一想，對于一個20多歲的年輕人，這次經曆對錢德拉塞卡心理産生了多大傷害。他後來是直接放棄了這方面的研究。1937年離開了英國。而愛因斯坦本人也說過，他們那些研究廣義相對論的人在當時不僅是被質疑還被鄙視。很多人都覺得他們是瘋子，並且這種看法在愛因斯坦去世之前都沒什麽改變。直到20世紀50年代中期計算機出現了。
1964年，約翰·惠勒使用當時最先進的計算機成功模擬出了大質量恒星在瀕臨死亡時向內坍縮的過程。他發現如果一顆恒星質量足夠大的話，整個宇宙中沒有任何力量可以阻止引力引起的坍縮。最終會形成一個奇點，在這個奇點中，物理學將不再適用，過去、現在和未來都會是無序的。
說到這已經完全超出我的認知了。不過我理不理解不重要，重要的是，這跟史瓦西和錢德拉塞卡的預測結果是完全一樣的。惠勒原本也是不相信奇點這個說法的，他之所以研究相對論就是爲了推翻奇點這個說法，但沒想到自己最後也成了奇點的支持者。並且他發現，最靠近黑洞的地方有一個邊界，就是我們剛剛說的事件視界。一旦跨過事件視界，就不可能再回來，除非你逃離的速度比光速還快，那你就能逃出來。但是大家也知道這是不可能的，所以一旦跨過事件視界就會一直下落。如果進入事件視界的時候我們是腳朝下，那我們腳上受到的拉力會遠遠大于頭部受到的拉力，所以我們的身體會被拉長，就像面條一樣。但這只是一種理論。雖然人體有一定的韌性，但是在這種引力下，我感覺還沒等被拉長，細胞就已經被拉碎了。
而且還有一個比較神奇的現象，這個時候如果從地球上去觀察，會看到這個人在進入事件視界的那一刻停下來了，並不會掉進去，身體也沒有被拉長，而是就停在那了。用廣義相對論的話解釋，就是引力越強，時間走得越慢，事件視界周圍的時間流動非常緩慢，所以從地球上看，人進入事件視界的那一刻就停在那了。但是人自己看，自己還是在不斷下落的，直到進入奇點。
那相對的，我們在外面看事件視界的世界是緩慢的，但你從事件視界看外面的宇宙就像快進一樣。所以理論上來說，在事件視界是可以看到宇宙終結的那一刻的。
1967年，約翰·惠勒在演講中正式使用了“黑洞”一詞，所有人都覺得這個詞簡直太形象了，因爲它就像宇宙中的百慕大三角，無論什麽東西掉進去就再也出不來了。
不過，雖然計算機的模擬結果讓越來越多的人相信黑洞的存在，但無論什麽時候有贊成就會有反對。正所謂眼見爲實，誰也沒有親眼見過黑洞。海王星計算出來之後還能用望遠鏡去觀測，但黑洞呢？你跟我說那有個黑洞，誰看見了？所以科學家就開始思考，怎麽才能找到看不見的黑洞呢？
直到1971年，28歲的天文學家托馬斯·博爾頓宣布他找到了黑洞。那博爾頓是怎麽找到黑洞的呢？這就要提起一個衛星。1970年12月，美國發射了人類史上第一顆X射線天文衛星，叫烏呼魯號衛星。這個衛星跟人類發射的其他類型探測器有什麽不同呢？最重要的一點，他並不是用照相機去拍照，而是通過收集X射線把X射線轉換成圖像和聲音再進行研究。
X射線大家都知道本質其實就是一種光，所以我們有時候也叫X光。只不過這種光我們看不見，像我們去醫院拍的CT胸透或者地鐵機場的安檢，利用的都是X射線。宇宙中其實到處都是X射線，太陽也在不停地發出大量的X射線。那烏呼魯號的任務就是收集宇宙中各種各樣的X射線，然後傳回來給人類研究。在他發現了339個X射線源中，有一個射線源非常奇怪。這個射線源的編號是天鵝座X-1，它的X射線強度每秒會發生數次波動。
所以，博爾頓就開始用望遠鏡觀察天鵝座X-1。很快，他就在天鵝座X-1發現了一個藍色的超巨星，質量大約是太陽質量的20-40倍。但奇怪的是，這個X射線並不是從它身上發出來的，而是在它附近。而且這個藍色巨星的運行軌迹也很特殊，他就好像繞著一個看不見的，但卻能發出強大X射線的大質量伴星運行。給我們的感覺，就像冥王星和卡戎一樣。經過了兩個月的觀測和計算，博爾頓發現這個看不見的伴星質量竟然是太陽的15倍多。質量大，看不見，還能發出強大的X射線，這不就是黑洞嗎？所以雖然沒有完全確認，但博爾頓還是賭上了自己的職業生涯。很快他就向外界公布了，天鵝座X-1也是一個黑洞。而且他還說，這個藍色的超級巨型正在被旁邊的這個黑洞吞噬。
這個結果公布之後，越來越多的科學家就開始關注天鵝座X-1。其中有一個物理學家，叫史蒂芬·霍金，這個人我相信大家都很熟悉了。就是他那本《時間簡史》可能很多人都買過，但是大家都看了幾遍？有沒有人看完呢？當時霍金正在研究黑洞的輻射，因爲那個時候大部分人都認爲黑洞就像貔貅一樣，是只進不出的。但是大家想象這麽一種情況，假如現在有一杯熱水，你把它丟進黑洞之後，這杯熱水的所有信息是不是就全部消失了？但是這杯熱水是具有熵的呀，熵，這個東西大家都知道吧？
在宇宙中，熵是永遠增加的。這杯水進入黑洞之後，熱水的熵必然就會從宇宙中消失。如果說黑洞沒有熵，那宇宙中的熵不就減少了嗎？這可是違背熱力學第二定律的。所以當時有個以色列的物理學家叫貝肯斯坦，他大膽地提出黑洞具有熵，而且黑洞的熵就是它的表面積。這兩個東西都是永增不減的。
霍金一開始是反對貝肯斯坦這個結論的，因爲廣義相對論中並沒有熱的存在，怎麽跟熱力學扯上關系呢？而且如果黑洞有熵，那麽黑洞就會有溫度，有溫度就一定會有熱輻射，有熱輻射就肯定會有粒子向外發射。但廣義相對論已經證明了，黑洞是一個只進不出的天體，怎麽可能有粒子從裏面向外發射呢？
後來，霍金把量子力學用來研究黑洞之後，發現黑洞真的有熱輻射，表面積也確實是熵。這也證明了貝肯斯坦的結論是對的。而我們現在管這種現象叫霍金輻射。
2015年9月14號，美國路易斯安那州的利戈天文台探測到了黑洞的信號。雖然這個聲音非常短，連一秒都沒有，但也讓天文台的工作人員感到非常興奮。但是天文台並沒有公布這個發現，他們擔心這是個假信號。因爲這個天文台之前就出過這麽一次烏龍事件。2014年的時候，他們就宣布發現了宇宙大爆炸時産生的原始引力波，但是後來經過驗證，他們探測到的只是星際塵埃造成的假信號。所以這次他們特別謹慎。
經過了幾個月的核實和研究，直到2016年2月11號，他們才公布了這個發現。這是兩個黑洞合並時産生的引力波，一個黑洞質量大約是太陽的36倍，另一個黑洞的質量大約是太陽的29倍。這兩個黑洞在引力的作用下逐漸靠近，最終合並，釋放的能量相當于無數顆原子彈同時爆炸産生的能量。這股能量以引力波的形式向外傳播，經過了13億光年才到達地球。
有人可能會有疑問，這麽強大的引力波，等它到達地球之日，豈不就是人類完結之時嗎？其實大家不用擔心。如果說地球在這兩個黑洞的附近，那我們確實活不下來。但這次的引力波是13億年前的兩個黑洞在合並時産生的。經過這13億年的衰減，它到地球的時候已經非常微弱了，還不如風吹過頭發時産生的感覺強烈。所以對于我們來說根本就感覺不到。
經過這麽多年的研究，人類總算是有了黑洞存在的證據。但還是會有人說，有圖才有真相。要是能拍到黑洞的照片，那才算真正找到了黑洞。但是想拍攝黑洞，就要思考兩個問題：一是怎麽拍，二是拍哪個。首先第一點，怎麽拍？傳統的光學望遠鏡只能捕捉到可見光，而黑洞是看不見的。所以拍黑洞就不能用光學望遠鏡，要用射電望遠鏡。射電望遠鏡可以捕捉到很多肉眼看不到的光，比如黑洞發出的大量輻射。用射電望遠鏡就能輕松捕捉到。
但是一台射電望遠鏡也不足以拍攝到黑洞的全貌，得想辦法把這個望遠鏡的口徑做得越大越好。所以世界各地的科學家聯手造了一個虛擬的望遠鏡，叫事件視界望遠鏡。這個虛擬望遠鏡是由八個地方的射電望遠鏡組成，北至西班牙，南至南極洲。這八個望遠鏡互相協作，共同觀測同一個目標並且記錄下數據。所以這台虛擬望遠鏡的分辨率就相當于一個地球直徑大小的射電望遠鏡的分辨率。
怎麽拍解決了，第二個問題就是拍哪個。宇宙中有很多黑洞，而且都離地球很遠，所以一定要選好拍攝目標。越近越大，肯定拍攝效果就越好。最終科學家鎖定了兩個目標，一個就是銀河系中心的黑洞，人馬座A*。這可能是離地球最近最大的一個黑洞了，它的質量大約是太陽的430萬倍，相當大了。
另一個是銀河系外的巨型橢圓星系M87的中心，就是我們開頭說的那個黑洞，質量是太陽的65億倍，距離地球5500萬光年。
經過了大約兩年的時間，2019年4月10日，人類終于獲得了第一張黑洞照片，這張照片我們已經介紹過。它的成像原理跟醫院核磁共振的成像原理其實是一樣的，所以你說它是一張電腦合成圖也可以。
2022年5月12日，人類拍攝到了第二張黑洞的照片，就是我們銀河系中心的黑洞人馬座A*的照片。這個黑洞大小要比M87小1000多倍，質量也要小很多。
那它作爲銀河系內的一個黑洞，也有人擔心我們會不會被這個黑洞吞噬了。其實完全不用擔心，地球距離銀河系中心非常遠，大家完全不用擔心會被吞掉。即使有那麽一天，人類可能已經不在了。
最後就是2024年公布的最新黑洞照片，這是在2018年4月拍攝，經過了六年的分析，2024年才正式公布出來的。
它拍攝的也是室女座星系M87的黑洞。這麽看上去這兩張照片好像是一樣的，雖然光環的亮度和形狀仔細看確實有差別，但基本上沒什麽大的區別。其實，沒區別就是最好的。這兩次的觀測結果顯示，黑洞的質量和光環的大小是一樣的，說明黑洞在這一年的時間裏就沒有明顯變化。這就跟愛因斯坦廣義相對論對于黑洞大小的預測是一樣的，就是黑洞的直徑取決于它的質量。只要黑洞的質量沒有大幅度增加，那M87的寬度就應該保持不變。
但從M87目前的吸積速度來看，在人類的曆史上它的半徑都不會再有變化了。人類後面如果還有其他高等文明産生，也許可以看到它的改變。
人類之所以這麽喜歡研究黑洞，其實不只是因爲黑洞本身很神秘，還跟宇宙的誕生有關。根據宇宙大爆炸理論，宇宙的誕生正是源于一個奇點，而黑洞裏面正好就有奇點。這不就是尋找宇宙起源最好的研究對象嗎？而到目前爲止，雖然人類聽到了黑洞的聲音，也拍下了黑洞的照片，但是對于黑洞的了解還遠遠不夠。黑洞的最終命運是什麽？它會不會解體？黑洞裏面是什麽樣？是蟲洞還是白洞？所以爲了解決這些問題，科學家也在設想，希望有一天能夠把射電望遠鏡發射到太空。因爲地球的大小是有限的，口徑再大最多也就是EHT這麽大的望遠鏡了，不可能再大了。但是如果能把射電望遠鏡發射到太空，就不一樣了。就能組成口徑更大的望遠鏡，到時候就能觀測到更多黑洞乃至整個宇宙的秘密。
