■主讲人：苏宜，南开大学教授
开场白
关于黑洞，法国天文学家卢米涅（Luminet）说过一段话，他说：“黑洞是恒星死亡后的一种残骸，它是引力收缩的极点，极端到近乎荒唐（指它的一些性质用现有的物理学知识无法解释）。但它又是宇宙当中最精美的天体。了解黑洞并深感困惑之后，会使我们进入一个展示时间、空间、光和物质深刻本质的更加深邃的新视野。”
■压缩到引力半径以内
黑洞（Black hole）这个名词，是1968年由美国天文学家惠勒（Wheeler）在一个报告里面提出的。但有关黑洞的概念，早就有科学家通过数学公式推导出来了。比如说1796年法国科学家拉普拉斯（Laplace）就在著作里写了一段话。他说假如有一个恒星，密度跟地球一样，而直径比太阳大250倍，那么它表面的逃逸速度将超过光的传播速度。恒星本来应该是发光的，但是从远方看这个恒星，它却是绝对黑暗的，你不可能看到它。为什么呢？Laplace的解释就是逃逸速度。
地球的逃逸速度是11.2公里每秒，还有一个环绕速度是7.9公里每秒。我们没有谁扔个石头能永远不掉下来，为什么？因为人扔石头的速度很小，不可能大到7.9公里每秒，大到这个数的话，石头就不会被地球的引力吸引下来，就会绕着地球转，这就是人造卫星飞行的原理。如果速度达到11.2公里每秒，那么就会使物体飞离地球引力场，再也不会回来，这就叫逃逸速度。
那么，当初Laplace假设的恒星逃逸速度已经超过光速，也就是说光这种小粒子的飞行速度没有达到逃逸速度，逃不开该恒星的引力，飞不出来，所以外界不可能看到这颗恒星的存在。Laplace所说的其实就是黑洞的概念。不过Laplace依据的是牛顿经典力学，对时空本性的认识还没有达到现代物理学的深度。而且Laplace的著作出版后不久，物理学家杨（Young）发现光具有波动性，而不是小粒子，Laplace的著作再版时就把那段文字删掉了。
科学在发展。1915年11月，爱因斯坦发表了广义相对论，主要的思想是说时空是弯曲的。按牛顿理论，时空是平直的。爱因斯坦说，因为宇宙当中处处有天体，天体的质量越大体积越小，引力越强，它周围的时空就弯曲的越厉害。广义相对论发表之后只有一个月，他的同事、天文学家史瓦西（Schwarzchild）就用这个理论推导出一个重要的数值——引力半径。
史瓦西半径公式很简单：引力半径Rg＝2GM/C2。G是引力常数，M是天体质量，c是光速。只要知道天体质量，一定可以算出来一个Rg。这个公式是什么含义呢？如果一个天体的全部质量都被压缩到它的引力半径的范围之内的话，按照广义相对论，天体周围的时空就极度弯曲到完全封闭，里面什么东西都跑不出来，包括光子和任何能量、物质、信息。外界不可能看到它，那么这个东西就是黑洞。
在约定单位的情况下，史瓦西半径公式可以简化为Rg＝2.95M［km］。M必须以太阳质量为单位，算出的引力半径Rg值以公里为单位。
不难算出太阳的史瓦西半径是2.95公里。如果把太阳的全部质量都压缩到直径小于6公里的范围内，太阳就变成黑洞；如果我们有兴趣算一算地球，它的引力半径是8.9毫米，把整个地球压成一粒葡萄那么大，地球就变成黑洞了。当然这只是数学计算。太阳跟地球都不可能变成黑洞，因为没有什么力能把它们作如此的压缩。但是宇宙当中的大恒星在超爆以后是可能被压缩成黑洞的。
■两个力的平衡
恒星有两个最主要的特点，第一是它有巨大的质量。太阳的质量为2×1027吨，只能算是一颗中下等质量的小恒星。按照牛顿的引力定律，有质量就有引力，每一部分都和相邻的部分有引力，引力累加起来的结果，就是把整个恒星的物质向中心挤压。那这么一挤恒星还能存在吗？事实上，太阳天天照耀我们，没有被压垮，是因为恒星还有另外一个特点——极强烈的热核反应，由热核反应产生的巨大的向外扩张的压力与引力相平衡，才能保持恒星长期稳定的存在。
最主要的热核反应是氢原子核聚变为氦原子核的反应。氢原子核是一个质子，氦原子核里边是两个质子加两个中子。当四个氢原子核，也就是四个质子，在高温高压的条件下聚在一起变成一个氦原子核，结果四个质子里有两个变成中子了。聚变前后，质量有亏损。质量哪去了？变成了核能辐射出来。这是近代物理学从爱因斯坦开始，相对论跟量子力学揭示出来的物质世界的深刻的本质。
那么好了，由于恒星内部不断地进行着热核聚变反应，结果一定是获得极高的温度，你们学物理都知道，温度越高体积越大，它有一个向外膨胀的压力，与引力相平衡。太阳内部的热核反应规模，相当于一秒钟爆炸二十亿颗氢弹，一秒一秒不断地爆炸，才有这个太阳存在。质量比太阳大的恒星热核反应的规模就更大。
一个恒星不管大小，一定是质量产生的引力跟热核反应产生的压力，两个力刚好平衡，这个恒星就能够稳定地存在。存在的寿命有多长？看这个星的质量大小。质量越大，寿命越短。像太阳这样的恒星能够维持大概一百亿年。
■恒星会死的
恒星不是永恒，当它的热核反应不能进行的时候，它就要消亡。核燃料总有用完的一天，用完了，失去了向外抵抗的压力，那个向中心的引力马上就起作用，恒星马上就要塌缩。所以恒星跟我们人一样，有生有死。最后怎么个死法？死亡的方式由它的质量来决定。
热核反应有好多种，氢到氦的聚变反应是最基础的，或者说是产能效率最高的一种。聚变完了以后，氢都没了，一大堆全是氦了，下一步它就会进行更高级别的热核反应，由氦变成碳，由碳变成氧，变成镁，变成硅，变成硫，变成氩，变成钙，变成钛、铬、铁……在恒星内部进行这种聚变反应到铁为止——元素周期表上铁后面不是还有吗？铜啊银啊金啊更重的元素，那不行了，铁以后的元素只能是裂变才能产生能量。铁原子核的出现意味着恒星到了暮年，跟人一样，老得快动不了了，即将走向死亡。
质量比较小的恒星，像太阳，它的热核反应只能到恒星大部分变成碳为止，氢变氦，氦变碳。它的质量太小，内部的压力不够，碳再也不能聚变了。现在推算，50亿年后，太阳中间是个碳核，外围有一些氦，再外围还有一些氢，太阳会膨胀到比地球轨道还要大，地球轨道半径是1.5亿公里，这时地球就完蛋了，肯定熔化了。到了这个阶段，碳不能聚变了，引力就会使恒星塌缩，缩成白矮星，体积缩小到同地球差不多大了，但密度非常高。有人戏称，那个时候的太阳核心就是一个极大的钻石。钻石是碳元素的另一种结构。太阳变成像整个地球那么大的一块钻石，外围还有一片体积硕大的弥漫星云。当然了，人早没了。
生物是从小长到大，天体是从大长到小。太阳宝宝开始特别大，在引力作用下，缩缩缩，缩成正常太阳，维持很长很长时间，到最后它又变大，变成红巨星，最后红巨星也没了，剩下的东西就是那个碳核，变成白矮星＋弥漫星云，这就结束了一生，整个历程是一百亿年，现在走了一半，五十亿年。
我们在座的人谁也等不到看五十亿年之后的太阳，但是天文学家在银河系内部找到好多个已走到这一步的别的恒星。像天琴座环状星云、宝瓶座螺旋星云、天龙座猫眼石星云、矩尺座蚂蚁星云等，都是由小恒星死后变过来的，看起来很漂亮，中间是白矮星，外围是星云。
