黑洞是什么？如何形成的？以及我们如何利用它们的力量？
引力是我们所知的将宇宙维系在一起的四种基本物理力之一(与电磁力、弱核力和强核力一起)，是我们每天都能看到和感受到的影响。在最高的层次上，它是一种力量，负责我们的世界的可见结构，太阳系，银河系，以及我们用望远镜所能看到的整个宇宙。
也许没有任何地方的引力能像我们现在所说的黑洞那样充分地展现出来。德国物理学家卡尔·史瓦西(KarlSchwarzschild)采用爱因斯坦的广义相对论，并在1916年首次用它建立了描述黑洞的数学公式。直到1958年，美国物理学家大卫·芬克尔斯坦(DavidFinkelstein)才向我们提出了黑洞的现代概念，即在太空中存在一个真正的“黑洞”——这个地方的引力如此之大，以至于任何物质都无法逃脱，甚至光粒子也无法逃脱。
广义相对论的爱因斯坦场方程（EFE）可以表示为：
Rμν-1/2Rgμν=8πGTμν
Rμν是里契曲率张量，R是标量曲率，gμν是度量张量，G是牛顿的引力常数，Tμν是能量张量。张量描述了时空中物体的几何形状。
可以用史瓦西半径方程的数学形式表示黑洞：
Rs=2GM/c
这里，Rs是史瓦西半径，G是万有引力常数，M是恒星的质量，c是光速（每秒186,000英里）。
离我们最近的黑洞可能是麒麟座V616，距离我们近2800光年。
我们自己的太阳的质量还不足以形成黑洞。在大约50亿年的时间里，太阳将耗尽其氢燃料，首先慢慢膨胀成一颗较冷的红巨星，它将包围内部的4颗行星，然后坍缩成一颗暗淡的白矮星，最终“溶解”成一个星云。
然而，质量比太阳大20多倍的恒星在来世还有另一个机会：变成黑洞。与较小的恒星一样，这些巨大的恒星也会在宇宙时间内通过将氢聚变成氦而耗尽氢。当氢消失后，恒星会融合氦，不断地，通过更重的元素，比如铁，直到聚变不再产生足够的能量来支持恒星的外层。这些层向内坍塌，产生了被称为超新星的巨大恒星爆炸。
在银河系中，每50年左右就有一颗恒星变成超新星。在猎户座，被称为参宿四的恒星被认为是超新星的一个很好的候选者。它距离地球约430光年，距离地球太远，不会对地球生命造成任何伤害——我们需要在50光年以内才会担心辐射——但它将成为我们夜空中除月球以外最亮的物体。
在这次巨大的爆炸之后，爱因斯坦的方程预测，如果太阳的质量仍然保持在原来的3倍以上，引力将足以使它重新坍缩，形成一个奇点：一个密度无穷大的无限小的空间点。这就是黑洞。
任何有质量的物体，包括光，在黑洞靠近时都会被拉向黑洞。如果质量足够接近黑洞，它就会螺旋下降进入黑洞，最终增加质量并使其增长。这种“航线临界点”被称为事件视界。
Althoughyouwouldn’tnoticeanythingparticularasyoufellintoablackhole,someonewatchingyoufromadistance,wouldneverseeyoucrosstheeventhorizon.Instead,youwouldappeartoslowdown,andhoverjustoutside.Youwouldgetdimmeranddimmer,andredderandredder,untilyouwereeffectivelylostfromsight.Asfarastheoutsideworldisconcerned,youwouldbelostforever.—StephenHawking
虽然当你陷入黑洞时，你不会注意到任何特别的事情，但有人从远处看着你，却永远不会看到你穿越事件视界。相反，你似乎会减速，并在外面盘旋。你会变得越来越暗，越来越红，越来越红，直到你完全看不见为止。就外界而言，你将永远失去。——斯蒂芬霍金
钱德拉X射线天文台太空望远镜自1999年以来一直在距地球65,000英里的轨道上运行，它已经在我们星系的中央发现了许多黑洞的证据。我们银河系中心的黑洞扩散理论在很长一段时间，也是认为几乎每个螺旋的中心和椭圆星系包含被称为一个超大质量黑洞——一个奇点可以等于数十亿倍太阳质量。这个超大质量黑洞的位置对应于称为人马座A*的天文无线电波源。
虽然黑洞似乎是空的空间，但绝对不是。它们代表了宇宙中最庞大的一些质量集合，而它们所创造的这种“缺失”只是一种幻觉。由于巨大的引力，甚至光都不能逃离事件视界。然而，斯蒂芬霍金爵士在20世纪70年代使用量子物理学来证明黑洞并不会不计后果的简单地吃掉所有东西：它们还会产生后来被称为“霍金辐射”的东西。
在20世纪后半叶，各种各样的物理学家提出了一些收集这种霍金辐射的潜在方法，包括用“桶”接近视界或将超强弦放入辐射场。现代材料科学的局限性使得所有这些想法都纯粹是理论上的，但随着时间的推移和足够的研发，我们或许能够开发出既能承受黑洞引力，又能承受霍金辐射极高热量的工具。
人们认为，随着时间的推移，两个或两个以上超大质量黑洞可能会合并，产生一种极其强大的能产生能量的宇宙产物，称为类星体。
除了简单地利用黑洞的能量，我们或许有一天还能创造出微型黑洞作为能源：
therecouldbemuchsmallerminiblackholes.Thesemighthaveformedintheveryearlyuniverse,ifithadbeenchaoticandirregular.Ablackholeofthemassofamountain,wouldgiveoffx-raysandgammarays,atarateofabouttenmillionMegawatts,enoughtopowertheworld’selectricitysupply.Itwouldn’tbeeasyhowever,toharnessaminiblackhole.Youcouldn’tkeepitinapowerstation,becauseitwoulddropthroughthefloor,andendupatthecenteroftheEarth.Abouttheonlyway,wouldbetohavetheblackholeinorbitaroundtheEarth.—StephenHawking
可能会有更小的迷你黑洞。如果宇宙是混沌的、不规则的，它们可能形成于非常早期的宇宙。一个质量相当于一座山的黑洞，会释放出x射线和伽马射线，其速度约为1000万兆瓦，足以为世界供电。然而，驾驭一个迷你黑洞并不容易。你不能把它放在发电站里，因为它会掉落到地球的中心。唯一的方法，就是让黑洞绕地球轨道运行。——斯蒂芬霍金
使用黑洞作为远距离旅行的方式可能是我们利用这些现象的另一种方式。爱因斯坦—罗森桥（或称“虫洞”）的概念表明，时空中的两个点虽然可能被许多光年分开，但可以通过它们之间的结构连接起来。虫洞实际上是基于爱因斯坦场方程的解，因此符合广义相对论，理论上是可行的：
虽然我们已经能够找到黑洞存在的实际证据，但用目前的技术来证明虫洞的存在是完全不可能的。要想证明这一潜在的超越性想法，唯一的方法可能就是尝试让一艘飞船穿过这样一个可能的结构，这艘飞船的设计初衷是为了在进入黑洞前的严酷过程中幸存下来，无论是探测器还是载人飞船。然而，即使虫洞确实存在于我们想要它存在的地方，但探测船可能会发现自己在数百或数千光年之外，让一些满怀希望的科学家在未来几代人的时间里确认这次任务的成功。
增进我们对黑洞的基本了解，以及对宇宙整体运作的基本了解，是我们这一代所能希望的最好结果。也许有一天，我们最终会发现一些最伟大的天文学奥秘的答案。在此之前，保护地球和人类应该是首要任务。
文章来源: https://twgreatdaily.com/zh-hans/qf2oOXQBd8y1i3sJ-gp8.html