深度長(zhǎng)文：如果有足夠堅(jiān)硬的繩子，能不能把你從黑洞中拉出來(lái)？

提到黑洞，人們最直觀的認(rèn)知往往是“引力大到光都無(wú)法逃脫的天體”。

這個(gè)定義簡(jiǎn)潔卻不夠全面——更令人困惑的是，盡管黑洞的“吞噬”能力聞名遐邇，但從物理學(xué)的嚴(yán)格意義來(lái)講，進(jìn)入黑洞其實(shí)是一件近乎不可能的事。要理解這一矛盾的結(jié)論，我們必須先跳出經(jīng)典力學(xué)的框架，走進(jìn)愛因斯坦廣義相對(duì)論所描述的扭曲時(shí)空之中。

在牛頓的物理學(xué)體系中，時(shí)空是絕對(duì)的、平直的，就像一張鋪在無(wú)限空間中的固定桌面，無(wú)論周圍存在何種物質(zhì)，桌面的形態(tài)都不會(huì)改變。

但愛因斯坦的廣義相對(duì)論徹底顛覆了這一認(rèn)知：時(shí)空并非剛性的“桌面”，而是一張可以被質(zhì)量和引力扭曲、壓縮、拉伸的“彈性織物”。這種扭曲并非抽象的數(shù)學(xué)概念，而是能通過(guò)具體現(xiàn)象被感知和驗(yàn)證的客觀事實(shí)。

我們可以用一個(gè)通俗的例子來(lái)理解時(shí)空的扭曲效應(yīng)。假設(shè)有一把標(biāo)準(zhǔn)的一米長(zhǎng)尺子，當(dāng)它被放置在強(qiáng)引力場(chǎng)中時(shí)，從引力場(chǎng)外部觀測(cè)者的視角來(lái)看，這把尺子的長(zhǎng)度會(huì)明顯變短；但奇特的是，尺子本身并不會(huì)“感知”到自己的長(zhǎng)度變化——對(duì)于與尺子處于同一引力場(chǎng)中的觀測(cè)者而言，尺子依然是標(biāo)準(zhǔn)的一米。這種長(zhǎng)度的變化并非尺子本身的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，而是引力場(chǎng)對(duì)時(shí)空尺度的壓縮導(dǎo)致的觀測(cè)差異。

時(shí)間維度同樣會(huì)受到引力場(chǎng)的影響。如果我們拿著一塊精準(zhǔn)的手表走進(jìn)強(qiáng)引力場(chǎng)，手表的指針在我們自己看來(lái)依然是正常轉(zhuǎn)動(dòng)的，時(shí)間流逝的速度也沒有任何異常；但在引力場(chǎng)外部的觀測(cè)者眼中，手表的指針轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)越來(lái)越慢，我們的動(dòng)作也會(huì)變成慢鏡頭，甚至?xí)霈F(xiàn)“一秒鐘仿佛過(guò)了一分鐘”的錯(cuò)覺。這種時(shí)間的“相對(duì)性”并非錯(cuò)覺，而是引力場(chǎng)對(duì)時(shí)間尺度的壓縮效應(yīng)，是廣義相對(duì)論的核心推論之一。

著名科幻電影《星際穿越》中，就生動(dòng)地展現(xiàn)了引力場(chǎng)對(duì)時(shí)間的壓縮效應(yīng)。

影片中，男主角庫(kù)珀與女主角布蘭德前往黑洞“卡岡圖亞”附近的米勒行星執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，他們?cè)谛行潜砻鎯H停留了三個(gè)小時(shí)；然而當(dāng)他們返回繞行星運(yùn)行的飛船時(shí)，留守的同事羅米利已經(jīng)衰老了20年。這一情節(jié)并非編劇的虛構(gòu)，而是嚴(yán)格遵循廣義相對(duì)論的科學(xué)推演——黑洞附近的強(qiáng)引力場(chǎng)將外部時(shí)空的20年，壓縮成了行星表面的三個(gè)小時(shí)。對(duì)于庫(kù)珀和布蘭德而言，他們的時(shí)間流逝是正常的；但對(duì)于處于弱引力場(chǎng)中的羅米利來(lái)說(shuō)，同伴的時(shí)間被極度壓縮，最終形成了“天上一日，地上十年”的夸張差異。

當(dāng)我們將廣義相對(duì)論的時(shí)空扭曲效應(yīng)應(yīng)用到黑洞上時(shí)，會(huì)得到一個(gè)更令人震撼的結(jié)論：黑洞的邊緣，本質(zhì)上是時(shí)空被壓縮到極致的區(qū)域——在這里，時(shí)空的尺度被壓縮成了零。為了更清晰地理解這一現(xiàn)象，我們可以構(gòu)建一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：假設(shè)你決定親自探索黑洞，我則在黑洞外部的安全區(qū)域?yàn)槟恪鞍扬L(fēng)”，我們約定好，你每隔1分鐘就向我發(fā)送一條信號(hào)報(bào)平安。

在你靠近黑洞的過(guò)程中，從你的視角來(lái)看，一切都是正常的：你會(huì)嚴(yán)格按照約定，每隔1分鐘發(fā)送一條信號(hào)，自己的呼吸、動(dòng)作、思維速度都沒有任何異常。但從我的視角來(lái)看，情況卻在不斷發(fā)生變化——隨著你逐漸靠近黑洞邊緣，我接收到的信號(hào)間隔會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。一開始，你的1分鐘可能對(duì)應(yīng)我這邊的1個(gè)小時(shí)；當(dāng)你進(jìn)一步靠近時(shí)，你的1分鐘可能會(huì)對(duì)應(yīng)我這邊的10個(gè)小時(shí)、100個(gè)小時(shí)，甚至更長(zhǎng)。

這種時(shí)間尺度的差異會(huì)隨著你與黑洞邊緣的距離縮短而不斷加劇。當(dāng)你無(wú)限接近黑洞邊緣時(shí)，你的1分鐘時(shí)間，在我看來(lái)將等同于無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。哪怕我擁有長(zhǎng)生不老的能力，能夠見證宇宙的誕生與消亡，也永遠(yuǎn)無(wú)法看到你真正到達(dá)黑洞邊緣的那一刻——我能觀測(cè)到的，只是你不斷趨近黑洞邊緣的身影，以及你發(fā)送的信號(hào)間隔越來(lái)越長(zhǎng)，最終徹底消失在宇宙中。從外部觀測(cè)者的視角來(lái)看，你永遠(yuǎn)無(wú)法進(jìn)入黑洞。

這里的關(guān)鍵在于“觀測(cè)視角的相對(duì)性”：外部觀測(cè)者看到的“永遠(yuǎn)無(wú)法進(jìn)入”，并非因?yàn)槟阍谇斑M(jìn)過(guò)程中遇到了物理障礙，而是因?yàn)楹诙吹膹?qiáng)引力場(chǎng)將你的時(shí)間無(wú)限拉伸，導(dǎo)致你到達(dá)黑洞邊緣的瞬間，對(duì)應(yīng)著外部宇宙的無(wú)限未來(lái)。這種時(shí)空尺度的極致扭曲，形成了一道無(wú)形的“壁壘”，讓外部觀測(cè)者永遠(yuǎn)無(wú)法見證進(jìn)入黑洞的過(guò)程。

既然外部觀測(cè)者永遠(yuǎn)看不到你進(jìn)入黑洞，那么從你的視角來(lái)看，你能成功進(jìn)入黑洞嗎？答案是肯定的——但進(jìn)入的過(guò)程，會(huì)比你想象的更加詭異。

從你的視角來(lái)看，進(jìn)入黑洞的過(guò)程是在有限時(shí)間內(nèi)完成的：你會(huì)感受到自己不斷靠近黑洞，最終穿過(guò)黑洞邊緣，進(jìn)入黑洞內(nèi)部。但問(wèn)題在于，你的“有限時(shí)間”，對(duì)應(yīng)的是黑洞外部的“無(wú)限時(shí)間”。也就是說(shuō)，在你穿過(guò)黑洞邊緣的那一瞬間，從你的視角來(lái)看，整個(gè)宇宙的時(shí)間會(huì)被壓縮到極致——宇宙的誕生、演化、衰老、終結(jié)，都會(huì)在轉(zhuǎn)瞬間完成。

這一推論帶來(lái)了一個(gè)令人深思的問(wèn)題：當(dāng)你真正進(jìn)入黑洞之前，宇宙可能已經(jīng)迎來(lái)了終結(jié)。

目前物理學(xué)界對(duì)宇宙的最終命運(yùn)存在多種猜想，無(wú)論是“大收縮”（宇宙在引力作用下坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)）、“大撕裂”（暗能量導(dǎo)致宇宙加速膨脹，最終所有物質(zhì)都被撕裂成基本粒子），還是“熱寂”（宇宙熵達(dá)到最大值，所有能量都轉(zhuǎn)化為熱能，陷入永恒的混沌），其最終結(jié)局都是宇宙的消亡。如果宇宙的壽命是有限的，那么在你完成進(jìn)入黑洞的有限時(shí)間內(nèi)，外部宇宙已經(jīng)終結(jié)，黑洞是否還會(huì)存在，也就成了一個(gè)未知數(shù)。

由此可見，無(wú)論從外部觀測(cè)者的視角，還是從進(jìn)入黑洞者的視角，只要宇宙的壽命是有限的，“真正進(jìn)入黑洞”就是一件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的事。但這一結(jié)論是建立在“理想化模型”之上的——它假設(shè)黑洞是靜止的、孤立的，周圍沒有任何物質(zhì)干擾。而在現(xiàn)實(shí)的宇宙中，黑洞并非“孤立存在”，它們會(huì)不斷吸收周圍的物質(zhì)，還會(huì)與其他黑洞發(fā)生合并。那么，現(xiàn)實(shí)中的黑洞為什么又能“吸收”物質(zhì)呢？這里的關(guān)鍵在于：我們并非主動(dòng)“進(jìn)入”了黑洞，而是黑洞通過(guò)擴(kuò)大自身的“視界線”，主動(dòng)“迎接”了我們。

在討論黑洞的“吸收”行為之前，我們需要先明確一個(gè)概念——視界線（也叫事件視界）。

視界線是黑洞的“邊界”，它并非實(shí)體表面，而是一個(gè)時(shí)空區(qū)域的分界線：一旦越過(guò)視界線，任何物質(zhì)和信息都無(wú)法逃離黑洞的引力。我們之前討論的“無(wú)法進(jìn)入黑洞”，實(shí)際上是指無(wú)法從外部觀測(cè)者的視角看到物質(zhì)越過(guò)視界線。

現(xiàn)實(shí)中黑洞吸收物質(zhì)的過(guò)程，并非物質(zhì)主動(dòng)“穿過(guò)”視界線進(jìn)入黑洞，而是黑洞的視界線主動(dòng)擴(kuò)張，將周圍的物質(zhì)“包裹”進(jìn)去。當(dāng)物質(zhì)逐漸靠近黑洞時(shí)，物質(zhì)自身的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生引力，與黑洞的引力相互疊加，導(dǎo)致局部的時(shí)空扭曲程度進(jìn)一步加劇。當(dāng)物質(zhì)靠近到一定程度時(shí)，疊加后的引力會(huì)將原本處于視界線之外的時(shí)空區(qū)域壓縮到極致，使得視界線擴(kuò)大，將這部分物質(zhì)納入其中。

黑洞的合并過(guò)程同樣遵循這一邏輯。兩個(gè)黑洞的合并，并非一個(gè)黑洞“進(jìn)入”另一個(gè)黑洞，而是兩個(gè)黑洞的視界線在相互靠近的過(guò)程中不斷擴(kuò)張，最終融合成一個(gè)更大的視界線。

我們可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)理解：假設(shè)宇宙中有兩個(gè)孤立的黑洞A和B，它們各自擁有自己的視界線。當(dāng)A和B逐漸靠近時(shí)，它們之間的區(qū)域會(huì)受到兩個(gè)黑洞的引力疊加，時(shí)空扭曲程度急劇增加。當(dāng)它們靠近到一定距離時(shí)，中間區(qū)域的時(shí)空尺度被壓縮為零，兩個(gè)黑洞的視界線會(huì)相互連接、擴(kuò)張，最終形成一個(gè)全新的、更大的視界線，這就是黑洞合并的本質(zhì)。

需要注意的是，我們之前討論的“無(wú)法進(jìn)入黑洞”，是針對(duì)“質(zhì)量為零的理想觀測(cè)者”而言的——這類觀測(cè)者不會(huì)對(duì)周圍的時(shí)空產(chǎn)生任何干擾，因此會(huì)被視界線的無(wú)限時(shí)間拉伸所“阻擋”。但現(xiàn)實(shí)中的物質(zhì)都具有質(zhì)量，它們會(huì)對(duì)時(shí)空產(chǎn)生干擾，從而改變視界線的形態(tài)。例如，當(dāng)一顆恒星靠近黑洞時(shí)，恒星的質(zhì)量會(huì)與黑洞的質(zhì)量疊加，導(dǎo)致視界線擴(kuò)張，將恒星的一部分或全部包裹進(jìn)去。從外部觀測(cè)者的視角來(lái)看，恒星會(huì)逐漸被黑洞的引力撕裂，最終“消失”在視界線內(nèi)——這并非恒星主動(dòng)進(jìn)入了黑洞，而是黑洞的視界線擴(kuò)張后，將恒星納入了自己的范圍。

我們已經(jīng)明確，從外部觀測(cè)者的視角來(lái)看，物質(zhì)永遠(yuǎn)無(wú)法真正進(jìn)入黑洞；但假設(shè)我們忽略宇宙的有限壽命，從進(jìn)入黑洞者的視角來(lái)看，一旦穿過(guò)視界線，就再也無(wú)法逃離黑洞。這一結(jié)論同樣可以從廣義相對(duì)論的時(shí)空扭曲效應(yīng)中得到解釋，我們依然可以通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)來(lái)理解。

假設(shè)你成功穿過(guò)了黑洞的視界線，此時(shí)你想轉(zhuǎn)身返回黑洞外部，與在外面“把風(fēng)”的我匯合。從你的視角來(lái)看，你只需要花費(fèi)有限的時(shí)間就能完成轉(zhuǎn)身、前進(jìn)的動(dòng)作；但從我的視角來(lái)看，你的時(shí)間被無(wú)限拉伸——你轉(zhuǎn)身的0.0001秒，可能就對(duì)應(yīng)著外部宇宙的100億年、1000億年，甚至更久。等到你完成轉(zhuǎn)身的動(dòng)作時(shí)，外部宇宙早已迎來(lái)了終結(jié)，我也早已不復(fù)存在。

從你的視角來(lái)看，無(wú)法逃離的原因則更加簡(jiǎn)單：黑洞內(nèi)部的時(shí)空扭曲方向與外部完全相反。

在黑洞外部，時(shí)空是“向外膨脹”的，我們可以自由地向任何方向移動(dòng)；但在黑洞內(nèi)部，時(shí)空被極度扭曲，所有的方向都指向黑洞的中心奇點(diǎn)。也就是說(shuō)，在黑洞內(nèi)部，“前進(jìn)”和“后退”的概念已經(jīng)失去了意義——無(wú)論你向哪個(gè)方向移動(dòng)，最終都會(huì)朝著中心奇點(diǎn)靠近。同時(shí)，黑洞外部的時(shí)空尺度對(duì)你而言是無(wú)限大的：從黑洞內(nèi)部到外部的距離，在你看來(lái)是無(wú)窮遠(yuǎn)的。根據(jù)狹義相對(duì)論，任何物體的運(yùn)動(dòng)速度都無(wú)法超過(guò)光速，以有限的光速穿越無(wú)窮遠(yuǎn)的距離，需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間——這意味著你永遠(yuǎn)無(wú)法回到黑洞外部。

這里我們需要區(qū)分廣義相對(duì)論黑洞與經(jīng)典力學(xué)黑洞的本質(zhì)差異。經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，黑洞之所以無(wú)法逃離，是因?yàn)楹诙吹囊μ珡?qiáng)，光的速度不足以克服引力，無(wú)法脫離黑洞的束縛；而廣義相對(duì)論則認(rèn)為，黑洞之所以無(wú)法逃離，是因?yàn)橐?dǎo)致時(shí)空尺度被極致壓縮——從黑洞內(nèi)部到外部的距離被拉伸為無(wú)窮遠(yuǎn)，逃離所需的時(shí)間被拉伸為無(wú)限長(zhǎng)。兩者的結(jié)論相同，但背后的物理原理卻截然不同，這也體現(xiàn)了廣義相對(duì)論對(duì)經(jīng)典力學(xué)的超越。

在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，物理學(xué)家們都認(rèn)為黑洞是“只進(jìn)不出”的天體——一旦物質(zhì)進(jìn)入黑洞，就會(huì)永遠(yuǎn)消失，不會(huì)以任何形式再次出現(xiàn)。但1974年，英國(guó)物理學(xué)家霍金提出了一個(gè)顛覆性的理論：黑洞并非完全“一毛不拔”，而是會(huì)通過(guò)一種特殊的方式向外輻射粒子，這種現(xiàn)象被稱為“霍金輻射”。如果霍金輻射的理論是正確的，那么黑洞就不是“完全黑色”的，而是一種“灰洞”。

需要注意的是，霍金輻射目前還停留在理論猜想階段，尚未被實(shí)驗(yàn)直接驗(yàn)證。這一理論的提出，將廣義相對(duì)論與量子力學(xué)這兩大物理學(xué)支柱聯(lián)系了起來(lái)——我們之前討論的黑洞性質(zhì)，都只考慮了廣義相對(duì)論的效應(yīng)，而霍金輻射則是量子力學(xué)在黑洞研究中的重要應(yīng)用。

要理解霍金輻射，我們首先需要打破一個(gè)常識(shí)認(rèn)知：真空并非“空無(wú)一物”。根據(jù)量子力學(xué)中的“量子漲落”理論，真空其實(shí)是一種“充滿活力”的狀態(tài)——在極短的時(shí)間內(nèi)，真空中會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生一對(duì)對(duì)“正反粒子”（例如電子和正電子），這些粒子會(huì)在產(chǎn)生后瞬間相互碰撞、湮滅，回歸真空狀態(tài)。這種量子漲落現(xiàn)象無(wú)法被直接觀測(cè)到，但已經(jīng)通過(guò)間接實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證（例如卡西米爾效應(yīng)）。

我們可以用一個(gè)形象的例子來(lái)理解量子漲落：從高空俯瞰海平面，會(huì)覺得海面平靜無(wú)波；但如果靠近觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)海面上有無(wú)數(shù)細(xì)小的水滴在上下起伏、不斷生成和消失。真空中的正反粒子對(duì)，就如同海面上的細(xì)小水滴——它們隨機(jī)生成，又瞬間湮滅，維持著真空的動(dòng)態(tài)平衡。

霍金輻射的核心邏輯的是：在黑洞的視界線附近，量子漲落產(chǎn)生的正反粒子對(duì)，會(huì)因?yàn)楹诙吹囊Χ弧胺蛛x”。在正常的真空中，正反粒子對(duì)會(huì)瞬間湮滅；但在黑洞視界線附近，其中一個(gè)粒子會(huì)被黑洞的引力吸入視界線內(nèi)部，另一個(gè)粒子則會(huì)因?yàn)槭チ虽螠绲幕锇椋袡C(jī)會(huì)逃離黑洞的引力束縛，擴(kuò)散到宇宙空間中。從外部觀測(cè)者的視角來(lái)看，這些逃離的粒子就像是黑洞“輻射”出來(lái)的，因此被稱為“霍金輻射”。

更有趣的是，被吸入黑洞內(nèi)部的通常是反粒子（例如正電子）。反粒子具有與正常粒子相反的電荷和能量，當(dāng)反粒子進(jìn)入黑洞后，會(huì)與黑洞內(nèi)部的正常粒子（例如電子）發(fā)生湮滅，從而減少黑洞的質(zhì)量。因此，霍金輻射的最終效果是：黑洞會(huì)不斷向外輻射粒子，同時(shí)自身的質(zhì)量會(huì)不斷減小——這一過(guò)程被稱為黑洞的“蒸發(fā)”。

黑洞的蒸發(fā)速度與自身質(zhì)量密切相關(guān)。霍金輻射的輻射量與黑洞的表面積成正比（表面積=4πr2，r為黑洞半徑），而黑洞吸收物質(zhì)的效率與自身體積成正比（體積=4/3πr3）。這意味著：質(zhì)量越大的黑洞，半徑越大，吸收物質(zhì)的效率（與半徑的三次方成正比）遠(yuǎn)高于輻射效率（與半徑的二次方成正比），因此蒸發(fā)速度非常緩慢；而質(zhì)量越小的黑洞，半徑越小，輻射效率會(huì)超過(guò)吸收效率，蒸發(fā)速度會(huì)非常快。

當(dāng)年瑞士大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）開始實(shí)驗(yàn)前，曾有民眾擔(dān)心實(shí)驗(yàn)會(huì)撞出小黑洞，導(dǎo)致地球被黑洞吞噬。霍金當(dāng)時(shí)公開表示，這種擔(dān)心是多余的——即使實(shí)驗(yàn)真的撞出了小黑洞，由于其質(zhì)量極小，根據(jù)霍金輻射的理論，它會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)（可能只有幾納秒）就蒸發(fā)殆盡，根本沒有機(jī)會(huì)吞噬地球。如果未來(lái)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴^測(cè)到小黑洞的蒸發(fā)過(guò)程，霍金輻射的理論將得到驗(yàn)證，霍金也必將因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)——可惜的是，截至目前，LHC尚未制造出任何黑洞。

根據(jù)質(zhì)量的不同，物理學(xué)家們將黑洞分為三類：原初黑洞、恒星黑洞和超大質(zhì)量黑洞。有趣的是，理論上還存在一種“中等質(zhì)量黑洞”，但這種黑洞被認(rèn)為是不可能存在的——這一結(jié)論背后，隱藏著粒子物理與天體物理的深刻聯(lián)系。

首先是原初黑洞。這是一種理論猜想中的黑洞，目前尚未被觀測(cè)到。根據(jù)霍金的計(jì)算，原初黑洞的質(zhì)量非常小，大約只有1千克的一億分之一（10??千克）。之所以被稱為“原初黑洞”，是因?yàn)檫@類黑洞只有在宇宙大爆炸之初才有可能形成——宇宙大爆炸初期，能量密度極高，局部區(qū)域的物質(zhì)可能會(huì)被極度壓縮，從而形成小質(zhì)量的黑洞。在正常的宇宙環(huán)境中，如此小質(zhì)量的物質(zhì)無(wú)法自發(fā)形成黑洞，因?yàn)槠渥陨淼囊Σ蛔阋钥朔Ｗ娱g的排斥力，除非有外部的超高能量對(duì)其進(jìn)行擠壓，將其壓縮到“史瓦西半徑”以內(nèi)。

這里我們需要引入“史瓦西半徑”的概念：任何有質(zhì)量的物體，只要被壓縮到其對(duì)應(yīng)的史瓦西半徑以內(nèi)，就會(huì)成為一個(gè)黑洞。史瓦西半徑的計(jì)算公式為r=2GM/c2（其中G為萬(wàn)有引力常數(shù)，M為物體質(zhì)量，c為光速）。例如，太陽(yáng)的質(zhì)量約為2×103?千克，其史瓦西半徑約為3千米——也就是說(shuō)，只要將太陽(yáng)壓縮到半徑3千米的球體以內(nèi)，太陽(yáng)就會(huì)成為一個(gè)黑洞；地球的質(zhì)量約為5.97×102?千克，其史瓦西半徑約為9毫米——將地球壓縮到橘子大小（甚至更小），地球就會(huì)成為一個(gè)黑洞。

第二類是恒星黑洞，這是目前最常見的一種黑洞，其質(zhì)量通常在太陽(yáng)質(zhì)量的3～65倍之間。恒星黑洞的形成與大質(zhì)量恒星的演化終點(diǎn)密切相關(guān)。一顆質(zhì)量較大的恒星（質(zhì)量大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量）在其生命周期的末期，核心的核反應(yīng)會(huì)逐漸停止——核反應(yīng)產(chǎn)生的向外的壓力消失后，恒星自身的引力會(huì)占據(jù)上風(fēng)，導(dǎo)致恒星的核心急劇坍縮。當(dāng)核心的質(zhì)量足夠大，坍縮后的半徑小于其史瓦西半徑時(shí)，就會(huì)形成恒星黑洞。

第三類是超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量通常在太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)倍到幾十億倍之間。例如，銀河系的中心就存在一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，其質(zhì)量約為太陽(yáng)質(zhì)量的400萬(wàn)倍（這一結(jié)論已通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)得到驗(yàn)證）。關(guān)于超大質(zhì)量黑洞的形成機(jī)制，目前物理學(xué)界尚未形成統(tǒng)一的定論，其中最被廣泛接受的猜想是：超大質(zhì)量黑洞是由恒星黑洞通過(guò)不斷合并、吸收周圍物質(zhì)逐漸成長(zhǎng)而來(lái)的。此外，還有一種猜想認(rèn)為，超大質(zhì)量黑洞是在宇宙大爆炸初期形成的“種子黑洞”基礎(chǔ)上，不斷吸積物質(zhì)成長(zhǎng)而來(lái)的。

在原初黑洞（小質(zhì)量）、恒星黑洞（較小質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（大質(zhì)量）之間，還存在一個(gè)質(zhì)量區(qū)間——太陽(yáng)質(zhì)量的65～130倍，這一區(qū)間的黑洞被稱為“中等質(zhì)量黑洞”。根據(jù)現(xiàn)有的物理學(xué)理論，中等質(zhì)量黑洞是不可能存在的，這一結(jié)論的核心是“對(duì)不穩(wěn)定性”（pair-instability）效應(yīng)，而這一效應(yīng)的本質(zhì)與粒子物理中的正反粒子湮滅現(xiàn)象密切相關(guān)。

我們已經(jīng)知道，粒子與反粒子相遇后會(huì)發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)化為光子（例如電子與正電子湮滅會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)光子）。這一過(guò)程的逆過(guò)程同樣可能發(fā)生：當(dāng)光子的能量足夠高時(shí)，兩個(gè)光子碰撞后會(huì)轉(zhuǎn)化為一對(duì)正反粒子（例如光子轉(zhuǎn)化為電子和正電子）。這一逆過(guò)程的發(fā)生，需要極高的能量密度——而大質(zhì)量恒星的核心，恰好滿足這一條件。

一顆質(zhì)量在100倍太陽(yáng)質(zhì)量左右的恒星，其核心的引力極強(qiáng)，內(nèi)部的壓力和溫度極高，導(dǎo)致核心內(nèi)的光子能量達(dá)到了轉(zhuǎn)化為正反粒子對(duì)的閾值。恒星之所以能夠維持固定的體積，不被自身引力坍縮，是因?yàn)楹诵暮朔磻?yīng)產(chǎn)生的光壓與引力相互平衡。但當(dāng)光子轉(zhuǎn)化為正反粒子對(duì)后，正反粒子對(duì)產(chǎn)生的向外的壓力遠(yuǎn)小于原本的光壓——這就導(dǎo)致引力占據(jù)絕對(duì)上風(fēng)，恒星的核心會(huì)急劇坍縮。

這種急劇的坍縮會(huì)在恒星內(nèi)部產(chǎn)生巨大的能量反撲：核心的坍縮會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的能量密度瞬間飆升，產(chǎn)生強(qiáng)烈的爆炸，將恒星外部的大量物質(zhì)拋射出去。這就是“對(duì)不穩(wěn)定性”效應(yīng)——它會(huì)導(dǎo)致大質(zhì)量恒星在形成黑洞之前，將自身的大部分質(zhì)量拋射出去，最終殘留的核心質(zhì)量不足以形成中等質(zhì)量黑洞（65～130倍太陽(yáng)質(zhì)量）。

而超大質(zhì)量黑洞之所以能夠存在，是因?yàn)槠滟|(zhì)量足夠大——即使發(fā)生了對(duì)不穩(wěn)定性效應(yīng)，拋射出去的物質(zhì)質(zhì)量也只占總質(zhì)量的一小部分，剩余的質(zhì)量依然足以形成黑洞。恒星黑洞之所以能夠存在，是因?yàn)槠滟|(zhì)量較小（3～65倍太陽(yáng)質(zhì)量），核心的光子能量不足以轉(zhuǎn)化為正反粒子對(duì)，不會(huì)發(fā)生對(duì)不穩(wěn)定性效應(yīng)，因此能夠穩(wěn)定地坍縮形成黑洞。只有在65～130倍太陽(yáng)質(zhì)量的“中等質(zhì)量區(qū)間”，恒星會(huì)因?yàn)閷?duì)不穩(wěn)定性效應(yīng)拋射大量物質(zhì)，無(wú)法形成黑洞——這就是中等質(zhì)量黑洞被認(rèn)為不可能存在的理論依據(jù)。

但2020年9月，物理學(xué)界出現(xiàn)了一個(gè)重大的意外：發(fā)現(xiàn)引力波的LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）觀測(cè)到了一個(gè)奇怪的引力波信號(hào)。該信號(hào)來(lái)自兩個(gè)黑洞的合并——其中一個(gè)黑洞的質(zhì)量為65倍太陽(yáng)質(zhì)量，另一個(gè)為85倍太陽(yáng)質(zhì)量，合并后形成的黑洞質(zhì)量為142倍太陽(yáng)質(zhì)量。85倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，恰好處于“中等質(zhì)量黑洞”的理論禁區(qū)內(nèi)。這一發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)界陷入了困惑：要么現(xiàn)有的黑洞形成理論存在缺陷，要么宇宙中存在一種全新的、從未被理論預(yù)言過(guò)的奇特天體。

這個(gè)奇怪的信號(hào)之所以令人困惑，還有一個(gè)重要原因：?jiǎn)蝹€(gè)球形天體無(wú)法產(chǎn)生引力波。根據(jù)廣義相對(duì)論，引力波是由時(shí)空的劇烈擾動(dòng)產(chǎn)生的，而中心對(duì)稱的球形天體不會(huì)產(chǎn)生時(shí)空擾動(dòng)，因此無(wú)法發(fā)出引力波。我們目前觀測(cè)到的所有引力波，都來(lái)自兩個(gè)天體（如黑洞、中子星）相互繞轉(zhuǎn)、合并的過(guò)程——這種非中心對(duì)稱的系統(tǒng)會(huì)劇烈擾動(dòng)周圍的時(shí)空，產(chǎn)生可觀測(cè)的引力波。

如果85倍太陽(yáng)質(zhì)量的天體是一種全新的天體，那么它必須滿足兩個(gè)條件：一是質(zhì)量足夠大（能夠產(chǎn)生可觀測(cè)的引力波），二是不具有中心對(duì)稱性（能夠產(chǎn)生引力波）。但根據(jù)天體物理學(xué)的常識(shí)，質(zhì)量如此大的天體，其自身的引力會(huì)將其壓縮成球形——中心對(duì)稱性是大質(zhì)量天體的必然屬性。因此，這種全新天體的存在似乎也站不住腳。

無(wú)論最終的答案是什么，這一發(fā)現(xiàn)都是實(shí)驗(yàn)物理的重大勝利——它揭示了現(xiàn)有理論的局限性，為我們探索宇宙的未知領(lǐng)域提供了新的方向。或許在未來(lái)的某一天，隨著觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和理論的完善，我們能夠解開中等質(zhì)量黑洞的謎題，進(jìn)一步揭開黑洞的神秘面紗。