【极重篇｜第三章 ：广义相对论的预言：黑洞】02 黑洞是如何诞生的

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3.2.1 如何形成一个黑洞？

广义相对论推论出来的黑洞，表现为时空的极致扭曲。那么物理上，在什么情况下能够形成一个黑洞呢？

我们直觉上会认为，要产生一个黑洞，需要有极强的引力场让空间极致扭曲，而这种扭曲只能由质量产生，因此要成为一个黑洞，则需要超级庞大的质量。

宇宙中的黑洞也确实如此，黑洞的质量往往在十倍的太阳质量以上，还会有那种质量大到令人咂舌的黑洞，比如银河系里有个叫M87的黑洞，它的质量达到了64亿倍的太阳质量。

直觉上，要形成一个黑洞需要超大的质量。但事实并非如此，制造出时空奇点本质上只要强引力场，并非要大质量。

根据牛顿的万有引力公式做个估算，引力正比于天体质量，反比于距离的平方，也就是一个天体，只要它的密度足够大，就可以形成一个黑洞。

即便物体的质量不是那么大，如果我们能想办法把它压缩到一个很小的体积内，它也会成为一个很小的黑洞，并且这个黑洞的体积也非常小，不会对周围的时空有很大的影响。

这也是为什么2013年瑞士的大型强子对撞机LHC要开始运行的时候，曾经有一批人表示担心。因为这么强能量等级的对撞机，已经完全有能力在微观上制造出黑洞了。

小质量的黑洞理论上也是有可能达到的。但是如果我们去真的研究天体的形成过程就会发现，宇宙中的主要黑洞质量都不小。因为黑洞不是一蹴而就的，黑洞在聚集质量的过程中要经过很多阶段，比如恒星的阶段。

黑洞的形成也是一个循序渐进的过程，因此在天然形成过程中，没有那么大的外部压力把它从很小的质量开始就压缩成为一个黑洞。

原则上形成一个黑洞只要密度够大就行，对质量没有要求。但是宇宙中的实际黑洞，通常都是质量很大的。因为天然形成过程中，只有大质量才能提供如此巨大的内压力，让天体的密度大到可以成为黑洞的程度。

3.2.2 如何定义黑洞的边界：史瓦西半径

了解了什么是黑洞，以及如何形成一个黑洞，我们回过头来问一个之前在【极大篇】中经常问的一个问题——一个天体形成固定大小以后，由什么来平衡引力呢？

这个问题也可以问在黑洞身上

——黑洞的大小是多少？

——是什么力平衡了黑洞的引力？

黑洞的情况跟普通天体不一样，因为黑洞内部不能用广义相对论描述。更加可怕的是，黑洞当中没有任何东西可以跑出来，换言之，我们从黑洞里面无法获得任何信息。既然没有信息，从原理上，我们根本无法研究它。

物理学的研究方法是什么？先归纳、再演绎、后验证。

我们要通过观测先得出原理，然后才能进行演绎和推导。但是黑洞既然什么信息都无法给出，我们完全不知道它里面是什么样的。可以想象，黑洞里的物理定律跟外面宇宙时空的物理定律完全不一样，我们不知道里面的物质处在什么状态，也就无法回答黑洞里面是什么力跟引力平衡。

我们甚至无法确认黑洞是不是有一个确定的大小。你可能会在其它的书籍中看到，黑洞的密度无限大，它没有大小，就是一个致密的几何点而已。这种说法其实太过武断，因为我们根本不知道里面有什么就去定义它的密度，其实是不妥的。

在不知道黑洞里面是什么的情况下，我们如何定义黑洞的里外、大小和界限呢？

这里就引出了一个概念，叫做视界线，英文叫Horizon，就是地平线的意思。视界线，就是黑洞的边界，跃过了视界线就进入了黑洞。

视界线以外是正常的时空，也会经历大的扭曲。视界线虽然叫线，但其实它是一个球面。当你向黑洞靠近，一只脚踏进视界线的时候就进入了黑洞，再也出不去了。

视界线这个球面的半径，就可以被定义为黑洞的半径。知道了如何定义黑洞的边界，就自然引出了一个概念，叫做史瓦西半径。

史瓦西是一位德国物理学家，他在1916年给出了史瓦西半径的概念。史瓦西半径就是一个球形天体周围的广义相对论的方程式中，那些让时空曲率无限大的点。除了计算复杂以外，它的原理跟找出y=1/x当中x的取值会让y爆掉的点是一样的。

史瓦西半径是任何一个天体都有的，不同质量的天体对应于不同的史瓦西半径。

对于非黑洞的天体，史瓦西半径要比这个天体的实际半径小，也就是史瓦西半径落在天体的内部。如果我们现在让这个天体开始压缩，当它的半径被压缩到史瓦西半径以内的时候，这个天体就变成了一个黑洞。

比如，太阳的半径大约是70万公里，但是太阳的史瓦西半径却只有3公里。也就是说，如果太阳要变成一个黑洞，我们要把太阳压缩1.3亿亿倍。地球的史瓦西半径更小，大概是3厘米。也就是说，地球如果要成为一个黑洞，需要压缩到一个小橘子那么大。

根据史瓦西半径的理论，我们知道如何去计算一个黑洞的大小了。一个黑洞，如果知道了它的质量，那么它的半径只能比它的史瓦西半径更小，如果比史瓦西半径大，它就不可能是一个黑洞。

这也就解释了为什么宇宙中的实际黑洞大多是质量比较大的，只有质量足够大，引力才会足够强，才能把自己压缩到史瓦西半径以内。

否则，在压缩的过程中就会有太多的阻碍。早期会有恒星的核聚变阻碍压缩，后期有白矮星、中子星的简并压。只有当质量大到充分胜过这些阻碍，才能把半径压缩到史瓦西半径以内，成为一个黑洞。

总的来说，黑洞诞生的关键是要密度够大，史瓦西半径是一个重要的判断标准。但是宇宙中不是只有引力，一颗正常的天体要在引力作用下收缩会遇到各种其他力的阻碍，因此在实际情况下，必须质量足够大才有机会成为一个黑洞。

知道了什么是黑洞，以及黑洞如何诞生，下一节我们来讨论一下如果真的靠近黑洞会发生什么。