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天文馆“空中课堂”上课啦！

黑洞的密度极高，并且具有极强的引力，在其“视界”内的任何物体，即使是光也无法逃脱它的束缚。正因如此，黑洞成为宇宙中最奇特、最神秘的天体之一。

“黑洞”这个十分形象的名词，最早是惠勒（J.A.Wheeler）于1967年12月29日在纽约的一次演讲中首次使用。现在提及黑洞，相信大家都有所耳闻，但千万别被它的名字所迷惑：黑洞绝不是空洞的空间。相反，它是大量物质被挤压在一个非常小的区域里而形成的奇异天体——我们可以想象把太阳挤在一个半径约为3km的球体里的情形。其结果就是形成一个强大的引力场，以至于任何东西，甚至光，都无法逃脱。图1为黑洞的想象图。

既然黑洞如此奇特，那它有什么结构特征呢？1915年，爱因斯坦发表广义相对论后，德国天文学家史瓦西（K. Schwarzschild）立即对球对称的情况求得了爱因斯坦引力场的解。根据这个解，质量为m的不旋转的“球形天体”存在一个临界半径Rs，我们称之为引力半径或史瓦西半径。和m的关系如公式（1）所示：

式中G为万有引力常数，c为光速。

在这个半径的内外，时空的性质迥然不同。我们现在知道这里所说的“球形天体”便是黑洞，而这种不旋转的黑洞被称为史瓦西黑洞，其结构如图2所示。

史瓦西黑洞主要包括两个基本部分：视界（event horizon）和奇点（singularity）。视界是黑洞周围“无法返回的结界”。它不是一个物理表面，而是一个围绕黑洞的球形范围，标志着物体逃逸速度等于光速的地方。它的半径是之前提到的史瓦西半径。关于视界需要注意的是：一旦物质进入视界，物质就会落到中心。在如此强的引力作用下，物质将被挤压到一个点上。这个点就是奇点——体积极小，密度趋于无穷大。

史瓦西黑洞是黑洞研究中最简单的特例。对于更普遍的情形，应该研究旋转的黑洞。自1963年后，新西兰数学家克尔（R. P. Kerr）对爱因斯坦引力场方程求得更普遍的解，开始了旋转黑洞的研究。而这种旋转的黑洞称为克尔黑洞，其引力半径可由公式（2）简单求出：

其中

是一个与旋转角动量J有关的量。当a=0时，便对应于史瓦西黑洞。

其实，无论黑洞旋转与否，它的奇特性依然存在。黑洞的奇点就是将爱因斯坦的广义相对论推到黑洞里面的结果。很可能在黑洞中央广义相对论已不成立，应由量子引力理论代替，但这种理论还远没有建立起来。科学家们正积极参与研究，以更好地了解这些奇点发生了什么，以及如何发展一个完整的理论，更好地描述在黑洞中心发生了什么。