黑洞是宇宙中最緻密
也最神奇的天體
經過漫長的等待，在全球200多位科學家的努力之下，世界上第一張黑洞照片終於出來啦。
發布會中，公布的照片長這樣下面這樣，圓圓的，紅紅的，好像還有點糊。
發布會公布黑洞照片
這張照片要怎麼看呢？讓超模君帶你去看一下。
知識點一：黑洞本體看不見
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知識點二：周邊的紅色是經過處理的
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知識點三：光圈是非對稱的
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知識點四：這張照片是拼湊出來的
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最後，最重要的是，愛因斯坦百年前（1915年）提出的廣義相對論，通過這次照片證明，它是對的！
假如你想知道更多關於黑洞的知識，可以點擊下圖，查看昨天超模的首圖文。
今天，作為人類史上第一張黑洞照片出爐，它的歷史意義毋庸置疑是要出現在以後的教科書裡的。
為了紀念這個歷史時刻，相比於科普知識，超模君更想帶你去再次了解一遍人類在發現黑洞過程，那個漫長而曲折的故事。
雖然黑洞這個名詞是20世紀才提出，但是早在18世紀末，英國物理學家約翰·米歇爾和法國數學家拉普拉斯就曾預言過這種神秘天體的存在。
1783年，米歇爾在英國皇家學會做了一場報告，他提出了一個觀點：有可能存在一種引力強到連光也無法從其周圍逃逸的天體，也就是所謂的「暗星」。
無獨有偶，1796年，數學家拉普拉斯所撰寫的《宇宙體系論》中也指出了存在暗星的可能性。
拉普拉斯
那米歇爾與拉普拉斯所說的暗星是個什麼概念呢？讓我們從一個簡單的思想實驗說起。
如果你站著一座高樓的樓頂，沿水平方向扔出一塊石頭；過一段時間後，這塊石頭就會落回地面。然後，你越發用力地扔石頭。隨著這塊石頭的初速度不斷增大，它落回地面的時間也會越來越晚。如果你給這塊石頭的初速度超過了7.9km/s，它就不會再落地了，而會像地球衛星一樣繞著地球旋轉。這還沒有完，因為你還可以繼續提高石頭的初速度。如果這個初速度超過了11.2km/s，它就可以掙脫地球引力的束縛並離地球而去。這個能掙脫地球引力束縛的速度，就是地球表面的逃逸速度。一個天體表面的逃逸速度，只取決於這個天體的質量和半徑。如果天體的半徑固定不變，其表面的逃逸速度會隨著天體質量的增大而增大；反之，如果天體的質量固定不變，其表面的逃逸速度會隨著天體半徑的減小而增大。
也正是這個非常簡單的逃逸速度，催生了暗星的概念。可惜這個暗星理論提出沒多久，就遭到了當頭一棒。
要解釋暗星理論遭遇了怎樣的打擊，我們需要先介紹一個困擾人類好幾百年的超級難題：光到底是什麼東西？
關於光的本性，史上曾經出現過兩大學派：其中一派是以牛頓為代表的粒子說，認為光由某種堅硬的粒子構成；另一派是以惠更斯為代表的波動說，認為光是某種介質的波動。
但由於牛頓的巨大威望，在整個17世紀中，光的粒子說佔據了上風。也正是基於光的粒子說，米歇爾和拉普拉斯才把逃逸速度和光速聯繫在一起，進而提出了暗星理論。
但19世紀初，英國著名物理學家託馬斯·楊做了一個實驗，把原本高高在上的粒子說打入了萬丈深淵。
託馬斯·楊
這就是著名的楊氏雙縫實驗。
讓一束光，從左到右先通過一個有一條狹縫的擋板S1，再通過一個有兩條狹縫的擋板S2，最後照到一個接受屏F上。從理論上講，如果光真由粒子構成，由於中間那兩條狹縫的遮擋，右邊的接受屏上將只會出現兩條狹縫形狀的亮線。不過在實際做實驗的時候，託馬斯·楊發現在被擋板遮住的區域內，同樣出現了很多明暗相間的條紋。
換句話說，光並非一直走直線，而在行進的過程中發生了拐彎。這就不是粒子能做到的事了，必須是波才可以。換言之，楊氏雙縫實驗發現了一個只能用波動說、而不能用粒子說來解釋的現象。
這對暗星理論而言也是一個大噩耗。因為引力只能作用在光粒子上，而無法作用於光波。
既然理論不能成立，拉普拉斯也在1808年，他對《宇宙體系論》進行了再版，並且刪掉了所有關於暗星的內容。
從那以後，暗星理論早已被人遺忘在歷史的垃圾堆。
但在20世紀初，故事又發生了反轉。
當時德國物理學家普朗克和愛因斯坦發現，同樣存在必須用粒子說、而不能用波動說解釋的現象。
也就是光其實既是一種粒子，又是一種波，這就是所謂的波粒二象性。
1915年12月，一位叫卡爾·史瓦西的天文學家注意到《德國科學院院刊》上的一篇文章提出了一個全新的理論，那就是愛因斯坦的廣義相對論。
卡爾·史瓦西
廣義相對論有一個最核心的方程，叫愛因斯坦引力場方程，而且此方程非常複雜。愛因斯坦本人也無法找到它的精確解……
史瓦西一下子就對這個公式感了興趣。只花了幾天的時間，就快刀斬亂麻地找到了愛因斯坦引力場方程的一個精確解，那就是著名的史瓦西解。
史瓦西解描述了一個有質量、無轉動、無電荷的球對稱天體，其周圍的時空具有怎樣的幾何特徵。
基於這個史瓦西解，史瓦西又發現了一件意義重大的事情。如果一個質量為M的球形天體，收縮到一個特定的範圍以內，光就無法再從它的表面逃逸。
換句話說，如果一個球形天體的半徑小於一個特定的數值，它就會變成一個連光也跑不出去的太空監獄。
這個特定的數值就是所謂的史瓦西半徑，其大小為R=2GM/c^2。
其中牛頓引力常數G=6.674×10^{-11} N·kg^{-2}·m^2，而光速c=2.998×10^{8}·m/s。
如果把太陽的質量（即1.989×10^{30}kg）帶入此公式，可以算出太陽的史瓦西半徑約為2954米；如果把地球的質量（即5.972×10^{24}kg）帶入此公式，可以算出地球的史瓦西半徑約為8.869毫米。
也就是說，如果太陽的半徑縮小到2954米，或者地球的半徑縮小到8.869毫米，就會變成連光都能囚禁的恐怖監獄。
史瓦西的發現讓沉寂了100多年的暗星理論得以復活。一個天體要是坍縮到史瓦西半徑以內，就會變成一顆永遠也看不到的暗星。
但是愛因斯坦和愛丁頓堅決反對這樣的可能性。
他們認為，史瓦西解只是一場純粹的數學遊戲；在真實的物理世界中，根本不存在半徑小於史瓦西半徑的天體。
按照愛丁頓的說法，一定存在某種機制，阻止天體塌縮到史瓦西半徑以內。
由於愛因斯坦和愛丁頓的巨大威望，很長一段時間，這種看法都是天文學界的主流。
前面我們有說到，米歇爾和拉普拉斯管這種太空監獄叫「暗星」。
到了20世紀中葉，天文學界則稱它為「引力完全塌縮天體」。
但許多人認為，這兩個名字都不夠理想：前者不夠清晰，而後者又過於拗口。
在1967年底的一次學術會議上，來自是美國著名物理學家約翰·惠勒首次把這種連光都逃不出去的太空監獄稱為「黑洞」。
約翰·惠勒
這個名字，很快就以它的簡潔和神秘，得到了世界各國天文學家的認可。
但法國天文界卻死活也不同意，因為他們覺得黑洞這個名字過於色情。
有了名字以後，黑洞的研究變得越來越熱門，最終成為了天文學最大的熱點之一。
人們利用理論物理的工具，對黑洞進行了大量的研究，而這些研究後來又極大地促進了理論物理的發展，於是才有了今天發布的人類史上第一張黑洞照片。
參考資料：https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404309188024392029#_0
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