想要了解什麽是“黑洞的奇點”就要先知道什麽是黑洞，黑洞是如何產生的？ “黑洞”的概念最早源自於1783年英國劍橋大學學監?、自然哲學家約翰·米歇爾(John Mitchell)寫給卡文迪許(Cavendish)的壹封信中提出了暗星的概念[2]。在米歇爾的暗星概念中，光是以粒子的形式存在的。基於牛頓引力定律，當壹個星球的質量足夠大、也足夠致密時，其逃逸速度接近光速。此時該星球上的光粒子無法擺脫星球引力的束縛，在宇宙空間的其他任意位置都不能觀測到該星球發出的光線，米歇爾把該種天體稱作“暗星”。“暗星”這個概念並沒有引起人們對黑洞的思考，這是因為英國物理學家托馬斯·楊(Thomas Young)在1801年進行了著名的楊氏雙縫實驗，發現了光的幹涉性質，證明光以波動形式存在，而不是所想象的光顆粒(Corpuscles)?[3]。在當時人們的認知中，“暗星”的猜想是荒謬的。
直到1915年，愛因斯坦提出來廣義相對論，改變了人們對引力的認知。1916年，德國天文學家卡爾·史瓦西通過計算在球對稱情況下愛因斯坦引力場方程時得到壹個真空解，該解描述的是有質量的點周圍時空的幾何結構，史瓦西發現該質點會扭曲周圍的時空, ?使得某個臨界半徑以內的空間與宇宙的其余部分相隔絕，即存在壹個界面——“視界”，壹旦進入這個界面，即使光也無法逃脫。這個臨界半徑被稱作史瓦西半徑R=2GM/c^2，其中G?為萬有引力常數，c?是光速，M?指黑洞質量。通過史瓦西半徑得知黑洞視界半徑的大小與黑洞的質量成正相關[4]。通常恒星內部的核聚變反應產生高溫氣體，氣體中的壓強梯度力能與引力相抗衡，使恒星能夠處於流體靜力學平衡狀態，當壹顆恒星耗盡了核燃料時，溫度降低，壓強梯度力就無法與引力抗衡，物質朝著中心迅速塌縮，壹部分物質被拋向宇宙空間, ?而剩下的物質則在自身引力作用下朝中心聚集，形成壹個致密天體。若原先的恒星質量足夠大——大於大約 20 倍太陽質量(1 太陽質量=1.9891×1030 kg)，爆發後形成的致密天體就是黑洞。
“黑洞”正式命名是在1967年12月29日, ?美國著名物理學家惠勒(Wheeler)在哥倫比亞大學的壹次題為“Our Universe: the Known and Un-known”的公眾講座中首次使用, ?從那時起“黑洞”逐漸成為物理學中的壹個專有名詞。嚴格的、廣義相對論下的黑洞，可以通過史瓦西半徑所確定的球面來確定該黑洞的表面，相對於簡單的史瓦西黑洞模型(不帶電、也不轉動)，實際存在的黑洞要復雜的多，描述壹個完整的黑洞需要三個物理量:? 質量、電荷和角動量。這就是在1973年由霍金、科特爾（B. Carter）等人嚴格證明了“黑洞無毛定理”[5]——當黑洞形成之後，只剩下這三個不能變為電磁輻射的守恒量，其他壹切信息（“毛發”）都喪失了，黑洞幾乎沒有形成它的物質所具有的任何復雜性質，對前身物質的形狀或成分都沒有記憶。
如何發現黑洞？黑洞與宇宙中大多數天體的不同之處在於黑洞無法通過直接觀測得到，現今對黑洞的觀測大多通過黑洞周圍的物理過程：吸積和噴流。黑洞吸積是指在黑洞周圍的氣體在黑洞強引力的作用下向黑洞下落的過程。氣體在下落過程中引力勢能轉化成內能和動能，?因此到達黑洞附近的氣體溫度可以達到幾百萬到幾百億攝氏度。這些高溫等離子體會發出強烈的多波段電磁輻射，同時還會產生噴流以及風，而且這些氣體壹般攜帶著角動量，因此會形成壹個盤狀結構——黑洞吸積盤[6]。黑洞噴流是指在黑洞吸積盤上壹些被加速到接近光速的粒子在強大磁場的作用下從黑洞的兩極方向飛出去，形成細長的噴流。由於黑洞巨大的質量，使得其自轉非常穩定，自轉軸在很長的時間尺度裏都不會發生變化，所以黑洞的噴流總是又長又直，遠遠延伸到空間中，有時噴流的長度可達幾萬光年[7]。
通過觀察這些物理過程，獲取宇宙中其他天體在被吸入黑洞之前，因黑洞引力帶來的加速度導致的摩擦而放出x射線和γ射線的“邊緣訊息”，或者觀測恒星或星際雲氣團繞行軌跡，來推測出黑洞的位置和質量等信息。歷史上第壹個發現的黑洞是天鵝座的X-1，其質量約為太陽的8-10倍，周圍天體的下落使其在x射線波段顯得異常明亮。通過觀測恒星繞行軌跡推測出的黑洞是在銀河系中心人馬座A* (Sgr A*)區域潛伏著的壹個超大質量黑洞，2009年，壹個國際天文學家團隊根據長達16年的紅外觀測，得到了其中 28 顆恒星的軌道，發現它們在圍繞著壹個看不見的天體轉動，直到2017年，確定了40顆恒星的軌道，根據其中17顆恒星的軌道分析，以更低的誤差計算出銀河系中心黑洞質量為 428 萬倍太陽質量[8]。在如此小的區域內，卻擁有400 多萬倍太陽質量，難以找到其它類天體具有這樣的性質。天文學家們認為該證據表明銀河系中心就潛伏著壹個超大質量黑洞。
根據黑洞本身的物理特性可以將黑洞分為四類：不旋轉不帶電荷的黑洞——史瓦西黑洞、不旋轉帶電黑洞——R-N黑洞、旋轉不帶電黑洞——克爾黑洞、旋轉帶電黑洞——克爾-紐曼黑洞。根據黑洞的質量劃分可以分成三類：恒星級質量黑洞、中等質量黑洞和超大質量黑洞。恒星級質量黑洞，幾倍—幾百倍太陽質量；超大質量黑洞，幾百萬倍太陽質量以上；而中等質量黑洞，質量位於兩者之間。恒星級黑洞預計在類似銀河系的壹個星系中至少有上億顆. ?但由於它們絕大部分缺乏吸積原料, ?因而很難觀測到, ?目前只在銀河系內觀測到了二十多顆[9]。
1988年，物理學家斯蒂芬·霍金與牛津大學數學教授羅傑·彭羅斯***同獲得沃爾夫物理學獎，獲獎原因是他們在上世紀 70 年代證明了奇性定理——奇性定理證明了廣義相對論並不完備，因為如果廣義相對論是普遍有效的，那麽宇宙時空中壹定存在壹些奇點。在對黑洞的研究中心發現雖然黑洞的質量和視界都是有限的，但是這些質量並沒有均勻分布在整個視界的範圍上，而是聚集在黑洞中心的壹個點上，這個點是壹個密度無限大、時空曲率無限高、體系無限小、熱量無限大的奇點，周圍是壹片什麽都沒有的空間，這個區域無法被肉眼看見，這個點被稱為黑洞的“奇點”[10]。
在霍金的《大設計》[11]壹書中這樣解釋奇點：奇點是時空中的點，在這壹點，物理量變成無窮大，經典物理定律失效。奇點出現在宇宙大爆炸時，也會在黑洞中形成，或者可以說，宇宙和時間都可能產生於奇點，也可能終結於奇點。
? “黑洞奇點”將作為壹個知識爆發的起點，在這裏我們將為您展現嚴謹有趣的科普知識，壹起探索世界的奧秘，拆開身邊的“黑箱”。
參考文獻：
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