黑洞是由大于太陽質(zhì)量的3.2倍的天體發(fā)生引力坍塌后形成的（小于1.4個太陽質(zhì)量的恒星，會變成白矮星）。天文學(xué)的觀測表明，在很多星系的中心，包括銀河系，都存在超過太陽質(zhì)量上億倍的超大質(zhì)量黑洞。

　　愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測有黑洞解。其中最簡單的球?qū)ΨQ解為史瓦茲度量。這是由卡爾·史瓦茲旭爾得于1915年發(fā)現(xiàn)的愛因斯坦方程的解。

　　根據(jù)史瓦茲解，如果一個重力天體的半徑小于一個特定值，天體將會發(fā)生坍塌，這個半徑就叫做史瓦茲旭爾得半徑。在這個半徑以下的天體，其中的時空嚴(yán)重彎曲，從而使其發(fā)射的所有射線，無論是來自什么方向的，都將被吸引入這個天體的中心。因為相對論指出在任何慣性座標(biāo)中，物質(zhì)的速率都不可能超越真空中的光速，在史瓦茲半徑以下的天體的任何物質(zhì)，包括重力天體的組成物質(zhì)——都將塌陷于中心部分。一個有理論上無限密度組成的點(diǎn)組成重力奇點(diǎn)（gravitational singularity）。由于在史瓦茲半徑內(nèi)連光線都不能逃出黑洞，所以一個典型的黑洞確實(shí)是絕對“黑”的。

　　史瓦茲半徑由下面式子給出：

　　G是萬有引力常數(shù)，M是天體的質(zhì)量，c是光速。對于一個與地球質(zhì)量相等的天體，其史瓦茲半徑僅有9毫米。

　　黑洞溫度

　　黑洞越大，溫度越低。

　　黑洞特性

　　目前公認(rèn)的理論認(rèn)為，黑洞只有三個物理量可以測量到：質(zhì)量、電荷、角動量。也就是說：對于一個黑洞，一旦這三個物理量確定下來了，這個黑洞的特性也就唯一地確定了，這稱為黑洞的無毛定理，或稱作黑洞的唯一性定理。但是這個定理卻只是限制了古典理論，沒有否認(rèn)可能有其他量子荷的存在，所以黑洞可以和大域單極或是宇宙弦共同存在，而帶有大域量子荷。

　　黑洞的合并會以光束發(fā)射強(qiáng)大的引力波，新的黑洞會因后座力脫離原本在星系核心的位置。如果速度足夠大，它甚至有可能脫離星系母體。

　　黑洞種類

　　超巨質(zhì)量黑洞

　　到目前為止可以在所有已知星系中心發(fā)現(xiàn)其蹤跡。

　　質(zhì)量據(jù)說是太陽的數(shù)百萬至十?dāng)?shù)億倍。

　　小質(zhì)量黑洞

　　質(zhì)量為太陽質(zhì)量的10至20倍，即超新星爆炸以后所留下的核心質(zhì)量是太陽的 3 ~ 15 倍就會形成黑洞。

　　理論預(yù)測，當(dāng)質(zhì)量為太陽的 40 倍以上，可不經(jīng)超新星爆炸過程而形成黑洞。

　　中型黑洞

　　推論是由小質(zhì)量黑洞合并形成，最后則變成超巨質(zhì)量黑洞

　　中型黑洞是否真實(shí)存在仍然必需存疑。

　　微黑洞

　　微黑洞是理論預(yù)言的一類黑洞，目前尚無證據(jù)支持微黑洞的存在。它們誕生于宇宙大爆炸初期，質(zhì)量非常小，根據(jù)霍金的理論，黑洞質(zhì)量越小，“蒸發(fā)”越快。因此如果存在微黑洞，那么它們現(xiàn)在一定已經(jīng)蒸發(fā)殆盡了。

　　細(xì)說黑洞

　　根據(jù)廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當(dāng)恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點(diǎn)發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出。而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。

　　等恒星的半徑小到一特定值（天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”）時，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出。實(shí)際上黑洞真正是“隱形”的，等一會兒我們會講到。

　　那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實(shí)，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來的。

　　我們曾經(jīng)比較詳細(xì)地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當(dāng)一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了　　。這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔(dān)起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

　　質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學(xué)家的計算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。如果超過了這個值，那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。

　　這次，根據(jù)科學(xué)家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點(diǎn)進(jìn)軍，直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點(diǎn)”。而當(dāng)它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了。

　　與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術(shù)”，人們無法直接觀察到它，連科學(xué)家都只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個最基本的常識。可是根據(jù)廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。這時候，光雖然仍然沿任意兩點(diǎn)間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強(qiáng)大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

　　在地球上，由于引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達(dá)地球。所以，我們可以毫不費(fèi)力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。

　　更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達(dá)地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強(qiáng)引力折射而能到達(dá)地球。這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的側(cè)面、甚至后背！

　　“黑洞”無疑是本世紀(jì)最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動的天文學(xué)說之一。許多科學(xué)家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當(dāng)代天體物理學(xué)的最新成果不是在這里三言兩語能說清楚的。有興趣的朋友可以去參考專門的論著。

　　1916年廣義相對論出現(xiàn)不久，卡爾.史瓦西（Karl Schwarzchild）就求出了用以描述時空的愛因斯坦方程的一個十分有用的解。該解作為時空的一種可能的形狀，可以用來描述一個球?qū)ΨQ的、不帶電、無自旋的物體（可能也可用于近似描述如地球和太陽等緩慢自旋的物體）之外的引力場。其原理就和當(dāng)你想研究地表之外的牛頓引力而將地球視為質(zhì)點(diǎn)一樣。

　　這個解很象一個“公制”。它和將畢達(dá)哥拉斯公式加以歸納以給出平面上線段長度一樣，此“公制”可以作為獲取時空中曲線段“長度”的公式。物體沿時間（“時間的坐標(biāo)軸”）運(yùn)動的曲線的長度如果用此公式計算，就恰是該運(yùn)動物體所經(jīng)歷的時間。公式的最終形式取決于你選擇用來描述事物的坐標(biāo)系。公式可以因坐標(biāo)不同而變形，但象時空彎曲這樣的物理量卻不會受影響。史瓦西用坐標(biāo)的術(shù)語表述了它的“公制”概念：在距離物體很遠(yuǎn)的地方，近似于一個帶有一條用以表示時間的附加t軸的球坐標(biāo)，另一個坐標(biāo)r用作該處的球坐標(biāo)半徑；而更遠(yuǎn)的地方，它只給出物體的距離。

　　然而當(dāng)球坐標(biāo)很小的時候，這個解開始變得奇怪起來。在r=0的中心處有一個“奇點(diǎn)”，那里的時空彎曲是無限的；圍繞該點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)，球坐標(biāo)的負(fù)方向?qū)嶋H成為時間（而非空間）的方向。任何處于這個范圍內(nèi)的事物，包括光，都會為潮汐力扯碎并被　　強(qiáng)迫墜向奇點(diǎn)。這個區(qū)域被一個史瓦西坐標(biāo)消失的面與宇宙的其他部分分離開來。當(dāng)然該處的時空彎曲沒有任何問題（這個球面半徑被稱作史瓦西半徑，稍后就會發(fā)現(xiàn)史瓦西坐標(biāo)并未消失。它是一個人為的坐標(biāo)，這個問題有點(diǎn)象定義北極點(diǎn)的經(jīng)度時所遇到的問題。史瓦西半徑的物理意義不在于該處的坐標(biāo)問題，而在于其內(nèi)的方向變?yōu)闀r間方向這一事實(shí)）。

　　當(dāng)時的人們并未為此擔(dān)心，因為所有已知的物體的密度都達(dá)不到使這個內(nèi)部區(qū)域擴(kuò)大到物體之外的程度，即對于所有已知情況，史瓦西解的這個奇怪部分都不適用。阿瑟.斯坦雷.愛丁頓（Arthur Stanley Eddington）曾考慮過一顆死亡的恒星坍塌后可能達(dá)到這個密度，但從審美的角度出發(fā)不太愉快地將其拋棄了，并人為應(yīng)該有新的理論補(bǔ)充進(jìn)來。1939年歐文海默（Oppenheimer）和施內(nèi)德（Snyder）最終嚴(yán)肅地提出比太陽質(zhì)量稍大幾倍的恒星在其聲明的末期可能會坍縮到這種狀態(tài)。

　　一旦一顆恒星的坍縮超過史瓦西坐標(biāo)消失的球面（稱為不帶電、無自旋物體史瓦西半徑或“視界”）它就不可避免地繼續(xù)坍縮下去。如同你無法停住時間的車輪一樣，它將一直坍縮至奇點(diǎn)。沒有任何進(jìn)入那個區(qū)域的東西可以幸免，至少在這個簡單的例子中是如此。視界是一個有去無回的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

　　1971年約翰.阿奇貝爾德.威勒（John Archibald Wheeler）命名這樣的事物為“黑洞”，因為光無法從中逃逸�；�于許多證據(jù)，天文學(xué)家有許多他們認(rèn)為可能是黑洞的候選天體（其證據(jù)是：它們的巨大質(zhì)量可以從其對其他物體的相互作用中得到；并且有時它們會發(fā)出X射線，這被認(rèn)為是正在墜入其中的物質(zhì)發(fā)出的）。但我們這里所講述的黑洞的性質(zhì)純屬理論，它們基于廣義相對論――一個目前尚未被證明為正確的理論。