宇宙中为什么会存在黑洞？

宇宙中为什么会存在黑洞？

sk1 · 2022-6-30 14:43:42

这个问题有两个层次：
1，物理理论是否允许黑洞？
这里又分不同理论。黑洞最早出自纯引力的理论预言，不管是最早的牛顿引力算出来的“逃逸速度是光速”的天体，还是广义相对论算出来的时空“黑洞解”。从纯引力角度来说，黑洞在数学（几何）上没有问题，但是意义不大。
而考虑到物质和物理观测的存在，在一些极端条件下，我们则需要引入量子效应，此时的理论（量子引力）本身是不完备的，因此无法回答“是否允许黑洞”这样的问题，因为黑洞本身的定义就有可能受到挑战，比如霍金晚年就提出了灰洞。当然这并不说明类似黑洞的天体现象会有疑问（毕竟我们已经“看到”了“黑洞”），只是说类似的现象背后的物理实现与经典的黑洞概念会有差别。简单来说，我们可以有把握地预言如黑洞一般造成时空巨大弯曲的现象存在，但并不清楚时空弯曲的界限（视界）乃至其内部应该如何描述。至于这样的时空究竟叫黑洞还是灰洞以及这些概念是否“存在”则不是这个阶段的物理学应该关注的问题。
2，“黑洞”在宇宙演化中如何产生？
需要特别注意这两个问题的不同。并不是理论允许的解都能在演化中产生，这得看宇宙的初始条件。所以题目还可以理解为“黑洞”为什么会存在于我们的宇宙（时间演化）中。这个问题的答案相对来说是清楚的，因为和很多人想象的可能不同，“黑洞”的形成条件比它究竟是什么要来的简单。
“黑洞”无非是宇宙中一团质量在自身引力下形成无法支撑（通过热压或简并压）的坍缩而必然导致的。它可以是大爆炸早期的物质密度涨落出来的高密区域形成的原初黑洞，也可以是大爆炸之后物质在金斯不稳定性下引力坍缩成的星体（恒星）在消耗完可用的热压（聚变）后继续坍缩形成的恒星级黑洞，或者是某些未知的天体过程产生的，甚至可以考虑粒子碰撞产生微型（量子）黑洞的可能性（不过这种“黑洞”已经和经典的黑洞概念相去甚远，笔者不建议一般读者把这种东西想象为黑洞）。所以从这个角度来回答问题，就是——
——我们的宇宙演化（模型）中存在无法用已知物理效应支撑的引力坍缩过程，其结果必然是类似“黑洞”的时空现象，所以这个现象会存在，你可以把它称为“黑洞”。

tud · 2022-6-30 14:44:41

可以反过来问，宇宙中为何会有不是黑洞的其他天体以及空间？
主流推测认为，现存宇宙是大爆炸的结果，然而大爆炸也仅是一个推测，人类目前无论从观测能力还是实验水平都远远不可触及这个话题，而仅能凭借一些哲学思维叠加已掌握的物理原理推测出一些看似有些道理，实则可能根本不着边际的推断。大爆炸如此，黑洞亦如是。
在爱因斯坦提出相对论之前，人类对太空、宇宙的探索还限制在牛顿时代，万有引力定律是人类研究太空的主要工具。冥王星的就是这样被发现的。
而量子力学的出现打开了人类对微观世界的全新大门。粒子不再是单纯的粒子，而是一个波函数。人类观测微观粒子是波函数塌缩的结果。这一点和我们玩的游戏是多么的相似。
黑洞是什么？

黑洞的理论指出，黑洞是一个由于质量过大（超过奥本海默极限）（非大爆炸时期产生的黑洞）的天体，其内部辐射压无法对抗其强大的引力，而使得天体不断塌陷（你看还是万有引力），最终不断压缩，直到所有质量塌缩至一个奇点，没有大小，没有密度（或者是密度无限大）。其强大的引力使得在一定引力半径（视界半径）内的所有物质（包括光、以及其他能量）都无法逃逸，最终都会被引力扯拽至奇点。从外部观测不到任何由视界内部逃逸出来的信息，直观上类似于一个没有任何亮度的无底洞，由此形象的称之为黑洞。
从相对论的角度简单来理解，黑洞是一个时空完全扭曲，空间在哪里不复存在的的一个存在。也正是由于空间极度扭曲，因此不论质量多大，里面的物质有多少，从外部观测，它都不占据任何人类所处的三维空间，即奇点。
在这里，我们可以大胆的假设，黑洞是通向更高维度空间的通道。而更高维度的空间显然不是人类所处，或人类所能研究的维度空间。在这一点上，光所变现出来的特性，也支持它属于高维度物质在三维空间的投影。
当然了，这一切都是基于现有认知和理论的出来的推断。目前没有，将来相信也不会有任何工具可以辅助人类探索到黑洞内部的真实情况。
关于黑洞的推测有很多很多，比如虫洞，比如时空穿梭。而膜理论就是人类试图理解解构黑洞高维度空间的一个推导。并衍生出来诸如穿越虫洞从而实现跨越时空的跃迁航行等科幻概念。包括现在颇为流行的曲率航空器。

越说越多，止于此吧。还算通俗易懂。

yqmth · 2022-6-30 14:45:39

当一颗恒星的引力非常强大，周围物体摆脱它所需的能量达到了一定程度，它就成了黑洞，且任何东西都无法逃离。
如果我们把地球的所有质量挤到一个半径 1 厘米的球体中，我们也可以把地球变成一个黑洞。
▎ 几个难题

想回答这些问题，你首先要知道一些关于宇宙的事实，而很多这方面的事实都是最近才发现的。当我们说宇宙时，我们指的是我们能看到、探测到，或者用某种方式了解到的所有物体和地方。它是我们现在能看到，而且未来将可能看到的全部空间以及其中的万物。宇宙学指的是对这些大型物体与大规模空间的研究。宇宙是由原子、恒星、许多由恒星构成的星系，以及星系团所组成的。要想理解前面问题的答案，我们就要先理解太阳系。
▎ 太阳系的形成

当我们说太阳系时，我们指的是所有通过万有引力附属于太阳的物体。其中包括行星、小行星、彗星，以及其他我们还没有发现的东西（比如科学家假设中的昏暗地隐藏在 1 光年外的一颗伴星——涅墨西斯星）。
我们相信太阳系是在大约 46 亿年前形成的，由星际碎片，即一颗称为超新星的恒星爆炸后形成的灰烬——构成。这就使太阳成为第二代恒星。我之所以认为太阳是第二代，是因为地球含有诸如碳和氧这类产生于恒星内部的元素。如果这些元素要形成行星的话，它们就必须先以某种方式逃逸出来。此外，第一代恒星不会含有像铅和铀这样的重元素，但是太阳有。这些重元素只有在恒星经历超新星爆炸时才会产生。
所以，我们是这样认为的：46 亿年前，太空里的某一块区域充满了来自一颗爆炸了的恒星的灰烬。这些灰烬开始通过引力吸引彼此，并逐渐凝结成块。很明显，灰烬对旋转有一点作用，因为物质集结在一起后就开始转得更快（就像是滑冰者收回手臂一样，参见第 3 章的「角动量和扭矩」部分）。因为物质在旋转，所以它就会把自身展开成一个圆盘。位于圆盘中心的大质量物体变成了太阳。分布在圆盘上的小质量物体没有向内塌陷是因为它们在做圆周运动。它们聚集成了行星和小行星。
太阳如此巨大，以至于它自身的中心被压缩并且变得炎热，这就点燃了热核聚变。行星太小了，所以它们的核心永远都不会达到这种温度。但是早期的行星是熔融状态的，它们发出红外辐射，最后形成了一层地壳。有些行星完全固态化了，但是地球没有——它的核心仍然是熔融态的。
尽管太阳系中的物质大部分是氢和氦，但是早期地球仍然失去了这些气体，因为它们的速度很快（见第 2 章）。仅剩的氢，就是结合了其他元素形成水、碳氢化合物以及其他化合物的氢。
来自太阳的光需要经过 8 分钟、穿越 9300 万英里（1 亿 5000 万千米）才能到达地球。我们就此说，我们到太阳的距离是 8 光分。已知距离太阳最近的恒星是半人马座阿尔法星-比邻星双星系统。这些恒星大约在 4.2 光年以外。光年不是时间单位，而是距离单位，是光在一年中行进的距离。通常，恒星之间的距离都会以光年来衡量。
彗星

在比所有行星更边缘的地方，太阳系被彗星所占据。它们是在很远的距离外环绕太阳的小冰体。除非轨道引领它们靠近，否则它们对于我们都小到看不见。有一些彗星的轨道会使得它们靠近太阳。出现这种情况时，这些彗星就会被加热，它们的大量冷冻气体将会蒸发，制造出使彗星得名的「尾巴」（彗星的英文 comet 在希腊语中是尾巴的意思，英语中的逗号 comma 一词也是由这个词衍生而来的。）
天文学家扬·奥尔特发现，我们看到的只是众多彗星中的一小部分，他计算出一共有超过 1010 颗彗星。即便如此，它们的总质量仍然比木星要小。我们现在把这成群的彗星称为奥尔特彗星云（Oort comet cloud）。只有一小部分彗星能到达距离太阳足够近的地方，这样的彗星我们才能用肉眼看见——通常 10 年左右会有一颗。这种现象非常稀有，足以让古人认为彗星的到来是非常重要的，且通常带有坏兆头。你可以上网找找历史上的彗星恐惧，很有意思。当然，这样的物体偶尔可能会击中地球并造成灾难。导致恐龙灭绝的要么是一颗彗星，要么是小行星。
涅墨西斯星

大部分恒星在形成时都会成对或三个一起产生，就像半人马座阿尔法星-比邻星系统一样。大多数人相信太阳是个意外，它是一颗孤星，与之相伴的只有行星。
在 1984 年，我和两个同事（马克·戴维斯和皮特·胡特）共同发表了一个理论，假定存在着另一颗恒星在环绕太阳。我们半开玩笑地给它起名为「涅墨西斯」。严格来说，太阳和涅墨西斯星在环绕彼此。我们之所以没有注意到这一点是因为涅墨西斯星位于 1 光年以外。
我们设计涅墨西斯理论是为了解释一些古生物学证据，这些证据显示每隔 2600 万年就会发生一次大灭绝。涅墨西斯星的轨道是椭圆形的，它每 2600 万年接近一次奥尔特彗星云，届时就会引发彗星暴雨。彗星暴雨会使几十亿颗彗星进入内太阳系。地球很小，所以它被任何一颗彗星击中的概率都是十亿分之一。但是在几十亿颗彗星飞过来的情况下，地球就很有可能会被几颗击中。
没有直接证据表明涅墨西斯星真的存在，所以大部分天文学家假设它不存在。但是，即将到来的恒星调查，例如「泛星计划」（Pan-STARRS），很有可能会在未来的几年中发现涅墨西斯星；如果调查没有找到它，那就说明它并不存在。
其他恒星的行星

我们曾猜测太阳系是独一无二的，但是现在我们知道大部分恒星周围都环绕着行星。大部分已知的太阳系外行星是被伯克利的教授杰弗里·马西发现的。
围绕在其他恒星周围的行星都很昏暗，但是如果它们离明亮的恒星不是那么近的话，我们大概能在望远镜中看到它们。科学家看出这些行星对其环绕的恒星造成的影响，因而发现了它们。它们使恒星颤动，而我们可以根据多普勒频移，通过观察恒星速度振荡时光谱线频率的小变化，来探测这种颤动。（我在第 7 章解释过多普勒频移。）
星系

在一个晴朗的冬日夜晚，望向天空。如果你在一个足够暗的地方，你可能会看到一个模糊的小点，角大小（angular size）不比月亮大，看起来就像是从银河上撕下来的小碎片。但是它却比银河远得多。事实上，这个星云状的点是你用肉眼能看到的最远的物体。它有 300 万光年那么远。通过望远镜的长曝光模式拍下的照片可以让我们看到更多细节。这个星系在天空中非常大，最好的照片得由不同的部分组合而成，如图 13.1。

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图 13.1　仙女座星系。不用望远镜的情况下你能看见的最远物体。它包含超过 100 亿颗恒星（图片来源：NASA）
埃德温·哈勃（哈勃望远镜就是以他命名的）发现了这个模糊的点实际上包含了 10 亿颗以上独立的恒星，它们形成了一个扁平的圆盘，每颗恒星都在一个引力旋涡中围绕着彼此盘旋，我们现在把这种旋涡称作星系。图 13.1 中的星系就是仙女座星系。
银河也是一个星系。它看起来不像图 13.1 中的样子，因为我们身在其中，我们在从里往外看。我们能看到的天空中的银带（最好的观察时间是夏天），实际上是我们向外望向圆盘边缘时看到的上百万颗恒星发出的光。当你直直地向上（下）望时，你看到的只是一层恒星组成的薄层。但是你眼中的所有东西，每一颗恒星，都是银河的一部分——除了那一小块模糊的仙女座星系。
仙女座星系和银河系就像太阳系一样，它们因为自身的引力而聚集到一起，但是它们没有坍塌，因为内部的恒星在做圆周运动。银河系中地球的速度约为 100 万英里/时。我们一般不会注意到这点，因为附近的恒星正和我们一起环绕着银河系运动。需要约 2 亿 5000 万年，太阳和地球才能绕银河系中心一圈。（你可以称它为「银河年」。）我们现在知道我们星系的中心是一个巨型黑洞。黑洞不会发出光，但是我们可以通过附近恒星的快速环绕运动，得知黑洞的巨大引力。
其他星系

再来看看仙女座星系的照片。在中心的下方偏右侧有一块模糊的亮点——这是另一个更小的伴星系。你还能看到很多亮点——这些是恒星。但是这些恒星不属于仙女座星系。仙女座中的恒星太远了，所以我们在这张图片上看不到。你看到的恒星是附近的或就在银河系中的恒星。虽然它们看起来像是背景中的恒星，但这只是一种视错觉，因为你的经验告诉你，恒星总是在背景中，而事实上它们在前景中。
除了仙女座星系（包括它的伴星系）和银河系之外，还有很多星系。观察一下图 13.2，它其实是由哈勃太空望远镜拍摄的很多图像组合而成的。它看起来充满了恒星，从某种意义上说也确实如此。但是几乎所有你能看到的亮点都不是单独的恒星，它们是各种各样的星系，是由数十亿颗恒星组成的旋转的恒星团。哈勃团队在这张图中已经找到了 1500 多个星系（并非都能从这幅图上直接看到）。有些星系要再明亮 40 亿倍才能被人眼所见。这张合成图像花了 10 天的曝光时间，因为这些星系实在是太远了。这张照片的拍摄方向朝向北斗七星。之所以选择这个区域是因为这里没有太多会使遥远星系看起来模糊的前景恒星。有一颗恒星很显眼——它带有明亮的尖刺。这其实是望远镜的光学器件所导致的。

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图 13.2　哈勃深空照片。图片中的所有物体几乎都是星系（图片来源：NASA）
这张图片只覆盖了天空的极小一部分，充其量不过是 23 米远的一枚硬币所能覆盖的大小。虽然这只是天空的一小部分，但是我们相信它具有典型性。根据这张图，我们可以估算出，使用这样的仪器我们能够看到的星系总数约为 400 亿个。这就是说，宇宙中的星系数量比我们银河系中的恒星数量还要多。这些星系填满了可观测的宇宙，但是其间还有很多空的区域。
暗物质

我们的恒星——太阳，绕着银河旋转，被其他恒星的引力约束。但这里存在一个严重的问题：如果我们估算恒星的数量和每颗恒星的质量，把它们都加起来，就会发现这个质量的总和不足以约束太阳。但可以确定，我们确实是处在一个环形轨道中。那么是什么吸引了我们？
我们猜测，其他质量都来自某一种物体，但这种物体却不像恒星那样发光，所以我们看不见。这种物质被称为暗物质。在网络上搜索这个词，你会发现百万条结果。
此外，如果我们把目光转向那些在互相环绕的星系团，就会再次发现质量不足，除非假定存在巨大质量的暗物质——比银河系中现存所有恒星的总质量还要多。
仔细想一想。结论令人震惊：宇宙的大部分质量存在于暗物质中，而我们根本不知道暗物质是什么。说得更戏剧化一点：我们根本没搞清楚宇宙是由什么构成的！

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吴宇 · 2022-6-30 14:46:27

现在，一般认为不同质量的黑洞形成的原因是不同的：

宇宙大爆炸之初，可因为密度涨落在局部形成较大的密度差，这种密度差异使得高密度的时空坍缩，进而形成黑洞。这些原初黑洞质量范围可以涵盖从普朗克质量到十万倍太阳质量甚至更高。
恒星级黑洞，质量范围约在2.14到数十倍太阳质量，其下限源自奥本海默极限，引力需要能够克服中子的简并压，而上限一是因为超过一千倍太阳质量的恒星寿命会非常短暂（数百万年）甚至可归到原初黑洞的范畴，二是较大质量恒星演化末尾恒星外壳的核聚变比核心处更加剧烈，导致核心处向内的压力占据主导，核心坍缩使得核心部分变得致密并克服中子简并压形成黑洞，恒星外壳则会被超新星爆发抛洒掉。因此由恒星演化而来的恒星级黑洞会有质量上下限。

至于宇宙允许黑洞存在的原因，那大概是一个关于重力和时空本质的问题了。

_exa9 · 2022-6-30 14:47:19

在我的初中时代，一款名为《石器时代》的网络游戏曾风靡全国。作为一个无法经受诱惑的青春期少年，我自然也沉迷其中。
对于第一次接触这种既可以组队打怪练级，还能线上交易、合成装备、捉养宠物、做任务、PK对战、甚至能带着真实性不明的异性玩伴去看风景谈恋爱的游戏的我来讲，《石器时代》简直就是一个完美的“元宇宙”。
为了提高练级效率，我特地把自己的角色设定为一个柔弱的“小美眉”出生在北岛的玛丽娜斯渔村。在几个热情的“好哥哥”的帮助下，我一出生便拥有了数千石币、装备若干和一只极品绿虎“贝鲁卡”作为护身宠物。哥哥们争先恐后带我去打怪练级，从龟洞的石龟到海底通道的海主人再到吉鲁岛的长毛象，几个月后我就顺利升到了80级。
游戏有一个十分有意思的设定就是“转生”。当等级达到80级以上并完成转生任务的话，你的等级就会重新变成1级，不同的是这次你将变得更强。为了转生，你必须先分别完成琉璃、玄黄、碧青、深红这四大洞窟的任务并打败各属性的守护兽，才能获得去往转生目的地——漆黑洞窟20楼——的资格。在那里等待我们的是传说中的怪兽——帖拉所伊朵（爱称“机暴”）。
爬上漆黑20楼挑战这只身披铠甲的机械暴龙是每个原始人的梦想与荣誉。而5转的人物甚至可以获得一只1级的帖拉所伊朵作为宠物饲养，更是让人心驰神往。与其他宠物相比，这个深不见底、遥不可及的存在正像是宇宙中的那个神秘莫测的天体——黑洞。

《石器时代》游戏截图。中图为在漆黑洞窟20楼挑战帖拉所伊朵（C位）的场景。

A&A 648, A104 (2021). Credit:LOFAR/LOL Survey

夜幕降临，石器时代的原始人抬头就能看到满天的繁星，也许就像上面这张图一样。不过，这张看似普通的夜空照片展示的并不是闪闪发光的星星，而是非常特别的东西。
这张在2021年公布的基于低频阵列LOFAR的拍摄数据制作出的地图显示的是约50兆赫无线电波段下的天空[1]。恒星在无线电波段下几乎看不见，取而代之的是：黑洞主宰了画面。这些白点中的每一个都是活跃的超大质量黑洞，一共有25,247个。事实上，这张有史以来最详细的低无线电频率黑洞地图仅描绘出了全天的2%。这项研究将持续数年，直到测绘出整个北天的地图。
如今，在多波长电磁波和引力波的观测证据下，黑洞的存在已是毋庸置疑的事实。答主不会在这里对此进行纠缠，毕竟今天我们要讨论的是一个更加基本的问题：「为什么会存在黑洞？」

“物理上”的黑洞是如何形成的

我勇敢揣摩提问者可能将黑洞预设为了一个特殊而神秘的事物，因为我们通常不会对一个普通的东西追根刨底到其存在的原因。不瞒你说我也是，这种感觉正如我在游戏中对梦宠帖拉所伊朵的憧憬一样。
黑洞就像是天体界中的最终关卡BOSS。作为一颗小星星，你需要不断打怪升级才有资格去挑战它。让我们来看看黑洞是否名副其实。

一团混沌的氢分子云在附近环境的扰动下逐渐聚集起来，局部地区甚至形成了温度高达-263℃、每立方厘米包含1万-100万个氢分子（地球的空气中每立方厘米约含有1000亿亿个分子）的高温高密度区域。这些被称作“分子云核”的气体云就是星星的前身，它们将在几十万至百万年的岁月里因自身重力影响坍缩为一颗“原恒星”[2]。待原恒星在重力和磁场的共同作用下以“外流”和“喷流”等形式抛去分子云核时期留下的巨大角动量和磁通量以后，恒星就诞生了[3]。

恒星诞生现场通常都被浓厚的尘埃所包裹，因此几乎看不到可见光，一般只能进行红外或射电观测。本图所示的是金牛座分子云中观察到的12个射电强度较大的分子云核。背景由赫歇尔远红外望远镜拍摄，各个分子云核由ALMA射电阵列拍摄。其中的每一个分子云核都可能在未来孵化出新生的恒星。

有的恒星输在了起跑线上。它们的质量不足太阳的0.08倍——这是维持质子-质子链反应的下限质量。这类被称为“褐矮星”的亚恒星类天体永远都无法进行核聚变反应，注定成为出生村庄附近的10级以下新手练级区小怪。

“褐矮星”概念图。褐矮星无法进行稳定的核聚变反应，被归类为“亚恒星类天体”。

对于质量介于太阳的0.08-0.46倍之间的小质量恒星，它们有足够的温度（数千万度）来点燃氢元素发生核聚变反应，被称作“红矮星”。随着氢的消耗，氦积聚于星核，氢外壳则发生膨胀。不过，在氦被点燃（1亿度）之前，氢就被消耗殆尽，因此核反应无法进行到下一步。等氢外壳消散后，中心会留下几乎仅由氦构成的氦白矮星。这类恒星是你30级之前的练级好去处。

太阳最近的邻居“比邻星”（左图右侧的红色恒星）就是一颗典型的红矮星，其质量约为0.12个太阳。由于其质量很小，热核反应的速率很慢且不稳定，因此天文学家推算它的寿命可达千亿年以上。这意味着在现有宇宙中理论上不应存在由红矮星进一步演化而来的“氦白矮星”。

包括我们的太阳在内，质量0.46-8个太阳间的典型主序星在氢外壳烧尽之前，中心核就会发生氦燃烧反应(1亿度)，开始制造碳和氧。当燃料耗尽时，外部氢燃烧形成的氦壳使整个星体膨胀成为红巨星。之后，外层的大气将逐渐消散，形成行星状星云。而星核则因失去可以抵御自身重力的能量，坍缩成为一颗碳氧白矮星结束作为恒星的一生。此时，你的等级已经达到60级。白矮星不会继续进化，除非它开启作弊模式卷来附近的一颗伴星，然后通过吸积伴星的物质获得质量，达到钱德拉塞卡极限并引发“热核爆炸型超新星爆发”。

白矮星通过吸积一颗红巨星伴星来获得质量的概念图。如果白矮星的质量达到钱德拉塞卡极限（约1.44个太阳质量）将引发“热核爆炸型超新星爆发”（Ia型超新星）。

为了达到80级获得挑战帖拉所伊朵（黑洞）的资格，我们需要以质量为太阳8倍以上的恒星作为练级对象。它们的聚变要持续到中心变为铁核为止，温度直指8亿度以上。类似股市或房价：泡沫越大，崩溃时越是惨烈。一旦铁核形成，再也没有什么能抵挡重力，星核瞬间坍塌。最后一次的坍塌让星体中心温度飙升至80亿度，恒星将用尽此生攒下的所有能量绽放出无法想象的冲击波。冲击波与外壳激烈碰撞，竟迸发出1千亿度的高温，其明亮程度超过10亿个太阳——“核坍缩型超新星爆发”上演。与此同时，近乎无穷大的压力下，构成内核的电子和质子被硬生生地挤到一起，形成一颗密度巨大的中子星。

一颗超新星的亮度毫不逊色于整个星系。这张照片展示的是在盘状星系NGC 4526观测到的超新星SN 1994D（左下角红圈内的光点）。

中子星是天体界最接近“神”的存在。
而要想创造神话，那就必须锻造一颗质量为太阳30倍以上的恒星。这样你就大概率可以由中子星转变为黑洞（下图紫色范围）或者直接坍缩为一个黑洞（下图黑色范围）。这些黑洞可能通过伽玛射线暴等比超新星爆发更加极端的方式诞生，在短短几十秒内释放出太阳燃烧100亿年才能产生的能量。

不同初始质量、金属丰度的前身恒星演化的最终形态

分子云核、原恒星、褐矮星、红矮星、红巨星、白矮星、中子星。你能看到星星们为了成就自己的一生所做出的努力。黑洞为什么存在，因为你得给这个无休止的内卷画上一个句号。
不过，任何地方的内卷都没有终结一说。即使你成为黑洞，内卷也会继续下去。据我们所知，天上不仅有几十百把个太阳质量的恒星级黑洞，还有质量可达太阳的数百万倍乃至百亿倍的超大质量黑洞。
自2016年2月11日以来，我们已经屡次探测到来自于双黑洞合并产生的引力波信号。虽然小黑洞可以合并成大黑洞已经是不争的事实，但单靠这种机理仍然无法解释超大质量黑洞的存在。
对于「为什么会存在超大质量黑洞？」，目前还没有定论。有理论认为超大质量黑洞是通过由超大质量恒星演化而来的“种子黑洞”相互合并而成的[4]；还有理论认为分子云可能直接坍缩为超大质量黑洞。无论如何，我们已经可以试图建立模型去解释那些我们看到的黑洞。

这张被称为“恒星坟场”（Stellar Graveyard）的质量分布图描绘的是迄今为止所有由LIGO-Virgo观测到的中子星合并（橙色）与黑洞合并（蓝色）的引力波事件及部分由X线观测到的中子星（黄色）与黑洞（紫色）。观测结果不仅支持小黑洞可以合并成大黑洞的事实，也印证了爱因斯坦预言的引力波。

为什么会有“数学上”的黑洞

以上，我们谈到的都是基于观测事实的“物理上”的黑洞。但更神奇的黑洞还在纸上。我们来看看「为什么会存在“数学上”的黑洞？」。必须强调的是，以下将谈到的所有内容在目前都没有任何观测证据支持（但部分内容有诺贝尔奖支持）。
“混沌而复杂”可能是我们对黑洞的第一印象，然而数学上的黑洞却是极其“优雅和简约”的。
我们要求黑洞的所有质量全部集中在一个点。这个点（质量）决定了一个半径R，你可以计算出：从R外向R内发射一束光，则光线到达R内所需要的时间为无限长；反之，从R内向R外发射一束光，光线到达R外所需要的时间也为无限长。也就是说，不论对位于 R 外侧或内侧的观测者来说，R都意味着可观测区域的边缘。我们将 R称为“事件视界”，将其内部称为“(史瓦西)黑洞”[5]。
对于我们这些外面的观测者来说，由于永远也不可能窥探到黑洞内部的信息，黑洞的性质变得无比简单，因为你不需要考虑它的内部。事实上，决定一个黑洞的物理量只有3个：质量、电荷、角动量。从某种意义上来讲，黑洞与基本粒子没有区别[6]。

1973年，一个现在被称作“黑洞无毛定理”的理论被提出。只考虑引力与电磁力的爱因斯坦-麦克斯韦场的黑洞解中，能被观测只有质量、电荷、角动量这3个物理量。除此之外的所有信息进入黑洞的事件视界后都会消失而无法从外部进行观测。本图为基于黑洞无毛定理建立出的四种不同的黑洞模型。

那么，对于这样一个我们可能永远也无法亲眼证实的理论黑洞来说，研究它的意义何在？或者说我们为什么需要这样的存在？
在我看来，黑洞是一个绝佳的“思想实验室”。在这里，一些更加深远的问题可以得到讨论。
1969年，以罗杰彭罗斯提出的一个描述从克尔黑洞提取能量的过程（彭罗斯过程）为契机，黑洞（重力）与热力学被意外地联系到了一起[7]。人们惊讶地发现：黑洞中的任何演化都是事件视界表面积增加的过程。这与热力学第二定律中对熵的描述（在封闭系统中，任何过程都可以保持熵的总值不变或增加）不谋而合。
1972年，以色列学者雅各布·贝肯斯坦提出了 “黑洞熵”的公式。

这是本回答中唯一的一个公式，也是我最喜欢的一个公式，因为它包含了太多的信息：

：玻尔兹曼常数（→统计学、热力学）
：牛顿常数（→引力、广义相对论）
：普朗克常数（→量子力学）
：黑洞的面积（→几何学）

如此自然地，所有的学科就这样汇聚到了黑洞之中。但，问题随之而来：
这个公式意味着量子力学与广义相对论必然会以某种形式统一到一起。黑洞要求我们必须要解释一个密度无穷大的“奇点”，在那里相对论和量子力学将产生不可协调的分歧。但你无法逃避，因为它们从一开始就被包含在内。

广义相对论认为时空是连续而平滑的，在这样的时空下可以很好的描述宏观的大质量物体；但量子力学的本质是微观粒子的不确定性，所以微观下的时空是分立且不断涨落的。要想描述黑洞奇点这种大质量的微观物体，你不得不同时使用到两种理论。然而，两种理论不同的时空观却势必导致矛盾。

这个公式表明统一后的量子引力理论和热力学之间存在着深刻的联系。霍金通过量子力学中的不确定性原理计算出黑洞是有温度的（与质量成反比），也就是说黑洞会放出电磁波（霍金辐射）。这表示黑洞在不断蒸发，终有一天会消散殆尽。但是，量子力学的幺正性要求信息必须是守恒的。那么，曾经被黑洞吞噬到内部的信息都去了哪儿呢？

黑洞的蒸发

这个公式还暗示了量子引力可以表现出所谓的“全息性”。在通常物质的热力学中，熵或者能量是与体积成比例的，而黑洞中的熵却与面积成比例。这意味着，黑洞所具有的自由度比其实际的外观要低一个维度！这就像是黑洞用二维的面就能构建出的三维的立体画面，我们如何来解释这种“全息现象”？

黑洞的“全息性”

精彩的是，试图统一广义相对论与量子力学的“超弦理论”可以把这些信息全部串联起来[8]。
在弦理论中，构成物质的最小单位不是种类繁多的基本粒子，而是一根根极其微小的弦。这些弦只需通过调节振动方式就能激发出质量、角动量等各种性质，“谱写”标准模型中的所有费米子和玻色子。而为了在数学上实现这种简约至美的形式，弦理论要求宇宙的时空维度必须是十维的。在这样的十维时空中，广义相对论与量子力学竟然相互融洽起来，让“奇点”变得可以进行计算。
而在黑洞中，弦理论带来的是一些无比精妙的对偶性，它将许多意想不到的事物联系到了一起。

黑洞内部的信息量=表面积
弯曲时空的引力理论=强耦合的规范场论
时空的几何构造（虫洞）=量子纠缠的构造
引力动力学=量子纠缠的时间演化

基于弦理论的AdS/CFT对偶：弯曲时空的引力理论（d+1维空间+时间）=描述强耦合物质（D膜）的微观理论（d维空间+时间）

简单说来，进入黑洞内部的信息将完整地被拷贝在黑洞的表面。通过对表面的二维数据进行解码就可以破译内部的三维信息。这种“拷贝”借助“量子纠缠”得以实现，而纠缠的粒子间互相通过微小虫洞联系。
更绝妙的是，这样的关系不仅存在于黑洞，我们甚至可以把它推广至 (宇宙常数小于0的)一般宇宙空间！这意味着我们的宏观宇宙可能只是二维世界的全息投影，整个时空相当于由通过量子纠缠相互联系的量子比特组成的集合体，而引力理论就是一台量子计算机。

如果可以用量子比特的纠缠来描述微观空间，那么这是否意味着无数个量子比特可以描述整个宏观宇宙？所有的一切似乎都在暗示：全息原理可以将整个宇宙解释为量子比特的集合体。

弦理论、虫洞、量子比特、全息宇宙
对于这些理论，我无法确认它们的正确性。事实上，它们有很大的几率是错误的。同样，我也无法确认黑洞是否真的有我们想象的那样特殊，但我深信黑洞本身还远不是科学的尽头。不过，在我们目前的视野范围内，黑洞是在通往终极问题的路途中我们能看到的最重要的一扇门扉。
现在，我们还没有能力是去探索黑洞这扇门后面的东西[9]。但如果真的有一天我们能把这扇门打开，揭示出一个崭新的世界，也许那时人们对黑洞的兴趣就会逐渐消失，再也不会出现「为什么会存在黑洞？」这样的问题了。

在哥哥们的帮助下我顺利打败了帖拉所伊朵，那是我在《石器时代》中最辉煌的一天。即使在现实世界里，我也未曾体验过如此般的喜悦。
后来，外挂开始在游戏中横行，原地遇敌、自动战斗等作弊功能让打怪练级变得如此容易，以至于一天的功夫就可以取代曾经几个月的艰辛。不知不觉，我已经能在漆黑20楼轻松单挑帖拉所伊朵。我完成了5转任务，得到了梦宠帖拉所伊朵。我开心极了，但又隐约感到好像失去了些什么。
再后来，年兽、狼人、魔兽、人鱼等各种RMB宠物开始充斥于游戏，新地图也不断上线，还开通了宠物转生任务。不知何时开始，帖拉所伊朵似乎已经成为了一种过时的宠物，再也无人问津。
即便如此，《石器时代》仍然继续繁荣了一段时间。但对我来说，这个最初的“世外桃源”已经变得越发陌生。最终，我决定离开。我把自己的满级帖拉所伊朵改名为“宝宝じ☆veの暴暴”送给了仅有的一个直到那时仍有联系的哥哥，然后卸载了游戏，从此再也没有关心过《石器时代》。
不知为何，也就是从那时起，我的学习成绩开始突飞猛进。

2022年5月12日公布的银河系中心黑洞Sgr A*的照片。这是继2019年公布的M87星系中心黑洞以来人类拍摄到的第二张黑洞照片。

宇宙中为什么会存在黑洞？

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