“有人说，事实有时比小说更奇妙，没有什么比黑洞的情形更体现这点了。黑洞比科幻作家的任何异想天开都更怪异。”
——霍金
无论你在什么地方看到或听到有人在谈论黑洞时，有一些关键词总是会无法避免的被提到，比如引力坍缩、光都无法逃逸、奇点、时空曲率无限大、无毛定理、霍金辐射等。这些字眼本身就抓住了我们的想象力，而当它们都集中在黑洞的身上时，我们对黑洞更是充满了无限的好奇，但随之而来的也是无限的困惑。
△ 1967年12月，在纽约的一场讲座中，理论物理学家John Wheeler提出了“黑洞”一次，立即抓住了所有人的眼球。但事实上，1963年的时候，在德克萨斯州达拉斯市的一个天文物理的会议上，黑洞一词就被使用了。1964年1月18日，在科学新闻快报上，Ann Ewing的一篇文章中首次出现了“黑洞”的字眼。但没有人真正确定究竟是谁首先用了这一词。（图片来源：SCIENCE NEWS LETTER/SSP）
究竟什么是黑洞？我想没人能够给你一个完整的答案。我们可以为你描绘一个的图景，但还有一些未解的问题依旧困扰了物理学家数十年之久。
早在18世纪时，John Michell就预言了只要恒星的质量足够大，其引力就足以使任何东西都无法逃脱，包括光。但直到爱因斯坦发表了广义相对论后，才为Michell的预言提供了一个坚实的理论基础。虽然广义相对论的解已经暗示了黑洞的存在，但爱因斯坦拒绝相信这种奇异般的存在。
我们知道，当恒星耗尽其所有的燃料后，就会在自身的引力下坍缩，形成致密恒星。钱德拉塞卡计算出，如果它的质量小于1.4倍太阳质量，那么恒星在演化末期会形成白矮星。银河系中，大约97%的恒星（包括太阳）最终都会成为白矮星。如果恒星的质量超过了这个极限，但低于3.2倍的太阳质量时，恒星会继续坍缩形成中子星。
那么质量比这更大的恒星呢？1939年，奥本海默和他的学生在论文中指出，大质量恒星会收缩到具有无限大密度的一点，即奇点。如果奇点被一个有去无回的边界——黑洞的事件视界——所包围，就形成了黑洞（如果没有被事件视界包围，则被称为裸奇点）。
△ 根据广义相对论，太阳的质量会弯曲时空使行星绕着它运行。一颗中子星会使时空弯曲的更厉害。而一个黑洞则会在时空中制造一个深坑，即使光都无法逃脱。（图片来源：JAMES PROVOST）
但物理学家并不清楚奇点是不是真实存在的。1965年，斯蒂芬·霍金出席了罗杰·彭罗斯的一个讲座，彭罗斯刚刚证明了时空奇点。这使霍金一下子就投入进黑洞和奇点的研究之中。之后，他和彭罗斯合作，提出了奇点定理，证明了在广义相对论的框架下，奇点是存在的。而且在这一点上，时空曲率为无限大，所有的物理定律都将崩塌。
到了1970年代左右，物理学家发现，在黑洞形成后，我们对黑洞所能获取的信息只有：质量、电荷和角动量。其它的信息全部丧失了，黑洞也不存在任何凸起的形态，这被称为无毛定理。
在经典物理的范畴内，霍金除了证明奇点定理外，他在1970年的时候还有一个令人愉悦的数学发现：事件视界的表面积总会增加。即如果有两个黑洞合并，其总的视界面积是不可能减少的。面积定理的一个重要结果是，合并黑洞辐射出的引力波的能量有一个上限。2015年，首次探测到的引力波的结果证明了这一点。
△ 当科学家发现引力波后，霍金对此感到异常兴奋。并发文表示LIGO的结果证明了他几十年来在黑洞方面的工作。（图片来源：SH）
1973年，霍金和另外两位物理学家合作写了一篇题为《黑洞的热力学定律》的论文，总结了与热力学定律相似的一系列关于黑洞的定律。该论文中着重强调了黑洞的温度为零（由于没人任何东西可以逃脱黑洞，因此它们不会辐射），并且不具有物理熵。
△ 热力学定律和黑洞热力学定律之间的比较。（图片来源：Fay）
但是，一位年轻的研究生雅各布·贝肯斯坦并不同意这个观点。他意识到如果黑洞不具备熵，热力学第二定律就会被违反。因为那样的话，我们就可以将任意具有熵的物体扔进黑洞，因此降低了外部宇宙的总熵。因此他认为黑洞的熵必须正比于表面积，才能挽救热力学第二定理。
1974年，霍金利用量子力学认真的研究了黑洞邻近的粒子行为后宣布黑洞具有温度，就像所有具有温度的物体一样，黑洞也能产生辐射！这种现象被称为霍金辐射。自此，霍金将引力、量子力学和热力学联系在了一起。这是一次伟大的胜利，但在胜利的背后却隐藏着一个重大的问题：黑洞信息悖论。
黑洞辐射就意味着黑洞会不断地失去质量，直至蒸发殆尽。如果是这样，那么落入黑洞的物体的最终命运是什么？广义相对论认为进入黑洞的信息永远不会再出来，会随着黑洞的蒸发而消失。那么信息去哪了？但根据量子理论，信息是永远不会真正的消失或被复制。这个问题困扰了物理学家四十多年。
对此，物理学家有着不同的看法，有的人认为广义相对论需要修正，有的人则认为是量子理论不完备，有的人认为信息被编译在事件视界的表面上，有的人则认为我们最终需要一个量子引力理论才能完美的解决问题。
几十年来，霍金一直在尝试攻克这个最大的谜题，并在2015年的时候，他与同事共同提出了一个新理论——黑洞的软毛定理。
△ 霍金发表的微博。（图片来源：SH）
2016年初，霍金进行了两次“里斯演讲”，第一次是关于经典黑洞理论的发展史，第二次是关于量子黑洞理论的发展史，以及他在软毛理论上的进展。这两次演讲已经收录于他最近出版的书中。
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编辑：Lixy
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