从预知到计算，从逃逸速度到第一个精确解，“黑洞存在”越来越被人们接受！

此前从未观测到的黑洞，是如何被人所知的？熟悉物理的人应该都知道，是爱因斯坦的相对论预知了这种天体的存在。然而，虽然爱因斯坦的相对论预知了黑洞的存在，可是计算出有“黑洞”天体存在的却并非爱因斯坦！

前两次的探索

其实，在爱因斯坦之前还有人曾无限接近获悉到有“黑洞”的存在！我们知道，所有的天体都有一个所谓的逃逸速度——即永久逃离这个天体引力所必须具有的最小速度。譬如，航天飞船要脱离地球，那么它的初速度就要大于地球的逃逸速度。

逃逸速度取决于星球的质量。如果一个星球的质量大，其引力就强，逃逸速度值就高。反之一个较轻的星球将会有较小的逃逸速度。逃逸速度还取决于物体与星球中心的距离。距离越近，逃逸速度越大。地球的逃逸速度是11.2公里/秒，太阳的逃逸速度为617.7公里/秒。而我们知道光速是299792458米/秒，远远小于黑洞的逃逸速度，所以光也没有办法走出黑洞！

逃逸速度的计算依据正是牛顿的万有引力定律，这个定律事实上给出了逃逸速度与恒星质量之间的精确关系，正是因为科学家知道了逃逸速度的存在，才能制造出航天器，从而飞出地球。但牛顿因为时代的限制，最终没能够对他的引力方程进一步深入延伸至大质量恒星的归宿问题上，从而错失了最早發现黑洞理论的机会。

到了1783年，英国天文学家约翰·米歇尔进行了一项论证：如果有个人垂直向上射出一个粒子，比如炮弹，它的上升将被引力所减缓，而且这个粒子最终将停止上升并落下。然而，如果初始向上的速度超过“逃逸速度”的临界值，引力将不够强大到足以停止该粒子，它将飞离远去。光速大约是每秒300000千米，光可以从地球或太阳轻而易举地逃逸。

但是如果一颗恒星的质量非常大，以至于它的逃逸速度达到了光速，会怎么样呢？如果引力是如此巨大，连光也跑不出去，因此从外部世界看这个恒星必然是黑的，米歇尔称之为“暗星理论”，也就是我们说的黑洞

因为“暗星”是不可见的，所以要想在空间中找到这样一个天体对于那个时代的科学家来说是不可能的，所以很多科学家认为“暗星”没有任何意义。自此后，米歇尔的观点也逐渐被人遗忘。

第一个精确解

史瓦西1873年10月9日生于法兰克福。16岁时，写出了三体问题周期解的论文（三体问题并不是指刘慈欣的《三体》，三体问题是指三个质量、初始位置和初始速度都是任意的可视为质点的天体，在相互之间万有引力的作用下的运动规律问题）。年仅17岁，就在《天文学通报》杂志上发表了两篇关于双星轨道的论文。

1915年，物理学家爱因斯坦提出了著名的“爱因斯坦场”方程。正在德军东线战场里的卡尔·史瓦西，在一封信上看见了爱因斯坦的这项轰动的理论发现。但是由于算法原因，爱因斯坦场方程在当时只有近似解，这点燃了史瓦西的科研欲望。在炮火连天的前沿阵地，利用作战间隙潜心研究，他居然给出了这个方程的精确解，解决了这项世界级物理难题。

我们知道，在“爱因斯坦场“方程中，爱因斯坦沿用的是传统的直角坐标系，所以对一个对称的、不自旋、不带电荷的有质量球体进行计算，只能给出一个近似解。但史瓦西另辟蹊径，引入的坐标系类似于极坐标系，从而得出精确解。

他将自己的研究成果寄给爱因斯坦，得到了爱因斯坦的夸赞。爱因斯坦场方程的这个精确解，从此被命名为“史瓦西度规”，这也正是爱因斯坦场方程的第一个精确解。

而在此基础之上，史瓦西发出了第二篇论文，其中给出了“史瓦西内解”，以及计算黑洞视界半径的公式，由此，黑洞的视界半径被称为“史瓦西半径”，并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面，叫作视界。

简单来说，史瓦西设定了这样一个天体：电荷量为0（也就是呈电中性），角动量为0（也就是不自转），宇宙常数也为0。这本可以用于描述地球和太阳之类自转缓慢的天体，但如果它的质量增大到足够大后，它的逃逸速度将超过光速。这就意味着没有任何东西能够逃出它的魔掌，所以它本身也无法被看见，这就是“黑洞”。

史瓦西的这篇论文，让大家从此知道了，在茫茫宇宙之中存在着“黑洞”这种特殊的天体，自此100年里，科学家们都在为了证实黑洞的存在而前赴后继。

虽然史瓦西通过计算证实了“黑洞”的存在，但注重实践和观测的他，却无论如何也不愿意接受。他认为，这个数学上的解根本就没有对应的物理意义，他不相信黑洞是真实存在的。

1916年，还没有来得及去实证“黑洞”概念的史瓦西在战场上染上了“天疱疮”。身染恶疾的史瓦西被送回来德国老家，不到两个月，就撒手人寰。不过，史瓦西所做的卓越贡献得到了大家的一致肯定。1960年，德国科学界在图林根邦陶腾堡地区建立了以史瓦西命名的“卡尔-史瓦西天文台”。

而他由“史瓦西半径”得出的黑洞也被命名为“史瓦西黑洞”。这是一种“寻常黑洞”。它是直接由较大的恒星演化而来的。恒星到晚期时核燃料消耗殆尽，辐射压急剧减弱，星体在其自身引力的作用下坍缩。若质量（指原恒星的质量）大于3倍的太阳，其产物就是黑洞。在宇宙空间里，此类黑洞具多数，其最大质量一般不超过50.2倍的太阳。

史瓦西通过计算得出来“黑洞”的概念意义是非常重大的，过去我们从来不知道这个宇宙可能会存在“黑洞”这样的特殊天体，这对于我们探寻宇宙的演变以及未来探索太空都具有十分重要的意义。

随着首张黑洞照片的公开，人们对于宇宙的探索又迈进了一大步，而这都要归功于先人的不尽探索。（编辑/任伟）