黑洞是現(xiàn)代廣義相對論中，宇宙空間內(nèi)存在的一種天體。黑洞的引力很大，使得視界內(nèi)的逃逸速度大于光速。并且“黑洞是時空曲率大到光都無法從其事件視界逃脫的天體”（參見百度百科《黑洞》）。一般說來，普通黑洞是由恒星塌縮形成的，可以稱其為恒星黑洞，以下的討論假設黑洞沒有自旋。

一、史瓦西半徑不是黑洞的視界半徑。

史瓦西半徑的含義是：黑洞周圍的光，到達這個距離，都會被吸入其中，其它物質(zhì)更跑不出來，因此該半徑以內(nèi)所有的物質(zhì)都會被吸入黑洞，半徑內(nèi)部是看不見的，這也是黑洞的視界半徑（參見百度百科《史瓦西半徑》）。這樣的說法忽略了“光子”同“達到光速的粒子”之間的區(qū)別。

觀察史瓦西半徑的推導，從勢能mgh = 動能 mv?出發(fā)，h就是半徑r，速度v就是光速C，加速度g = 萬有引力F/質(zhì)量m = （GMm/r?）/ m = GM/r?，代入之后，rGM/r?= C?/2，得到r=2GM/C?，其中G是萬有引力常數(shù)=6.67*10-11，M是黑洞質(zhì)量，C是光速。史瓦西推導的這個半徑，得到了愛因斯坦的認同，科學界以他的名字命名，稱之為“史瓦西半徑”。

整個公式都是牛頓經(jīng)典力學，眾所周知，牛頓力學在高速運動或大質(zhì)量物體上是不成立的，黑洞周圍應該使用相對論原理。而且勢能、動能都是能量，能量是力在質(zhì)量上做的功，能量=力*距離。從能量出發(fā)，推導出和質(zhì)量有關的半徑倒有可能，得出和曲率有關的半徑可能性不大。光沒有質(zhì)量，不是和質(zhì)量有關的半徑。光在黑洞的引力場中是不受力的，走的是直線，只不過在黑洞引力場中，空間本身被彎曲了，直線也彎曲成了圓，這應該是個和曲率有關的幾何問題，當然是“非歐幾里得幾何”，可能是羅巴切夫斯基的雙曲幾何或是黎曼的橢圓幾何。

因此史瓦西半徑是一個有質(zhì)量的物體，在黑洞周圍達到光速，能從黑洞中逃出來的最小逃逸半徑，小于這一半徑，物體即便達到了光速也逃不出來。當然，沒有一種質(zhì)量物體可以被加速到光速，達到光速時質(zhì)量無窮大，用于加速的能量也要無窮大，物體只能無限接近于光速，因此這個極限公式還要經(jīng)過洛倫茲變換，這樣才能真正地計算有質(zhì)量物體接近光速時的逃逸半徑。

假設不考慮質(zhì)量物體接近光速時的洛倫茲變換，也不考慮黑洞周圍的相對論效應，這樣計算出來的史瓦西半徑就是質(zhì)量物體從黑洞中逃逸出來（或逃不出來）的極限半徑。那么這個半徑也只適用于有質(zhì)量的物體或粒子，不適用于光子，因為光子是沒有質(zhì)量的，光子的直線運動在彎曲的時空中，被彎曲成了一個圓，這個圓的半徑才是黑洞的視界半徑。物質(zhì)粒子在黑洞周圍受到強大的引力作用，而沒有質(zhì)量的光子在黑洞周圍不受力，不受力的光子，達到了較小的半徑時，才會被彎曲成了一個圓，但受到引力作用的質(zhì)量物體，在較大的半徑上，受時空彎曲和引力的疊加作用，就已經(jīng)跑不出黑洞的吸引了，因此兩者的半徑不會是一個值，“光子半徑”同“達到光速的粒子半徑”不是一回事，光子的視界半徑肯定比黑洞中物質(zhì)粒子逃逸半徑小得多。

換一種說法：物質(zhì)粒子在黑洞周圍是受力的，光子不受力。假設粒子和光子都達到了光速，受力和不受力，被吸入黑洞的極限半徑是不一樣的。額外受力的粒子，極限半徑更大，不受力的光子，極限半徑更小。因此史瓦西半徑（暫不討論需要進行的洛倫茲變換）是物質(zhì)粒子的逃逸半徑，不是光子的視界半徑。

二、計算黑洞密度，推導黑洞組成。

當物質(zhì)落入到逃逸半徑以內(nèi)，即便運動速度達到光速也跑不出去。以地球為例，逃逸半徑表示重力加速度g在什么半徑上，會使達到光速的粒子都無法逃脫。因此地球要變成黑洞，就要把質(zhì)量壓縮，密度越壓縮越大。地球的所有質(zhì)量都要落在這個特定的半徑內(nèi)才能形成黑洞，表明（特定的質(zhì)量）要形成黑洞會有個臨界密度。

如何計算黑洞的密度？雖然逃逸半徑不是黑洞半徑，但使用這個半徑至少可以求得黑洞密度的數(shù)量級，而且逃逸半徑比視界半徑大，求得的還是黑洞的最小可能密度。根據(jù)密度公式ρ M/V=M/（4/3πr3），把史瓦西半徑r=2GM/C? 代入，得到密度ρ=（3c6/32πM2G3），其中G是萬有引力常數(shù)，c是光速，M是質(zhì)量。經(jīng)過計算，如果地球成為黑洞，逃逸半徑是0.009米，也就一顆圣女果的大小，此時密度ρ=2.05*1030kg/m3

沒有一種物質(zhì)能夠在自然狀態(tài)下維持那么高的密度，密度壓縮到那么大，需要來自于黑洞引力場的作用力，就是物質(zhì)（分子、原子、原子核和中子）自身質(zhì)量在天體表面受到的引力就要足夠壓碎自己，因此黑洞還要有個最小臨界質(zhì)量，否則壓力不夠，物質(zhì)達不到臨界密度。霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞蒸發(fā)現(xiàn)象也表明了這點：黑洞會以輻射形式蒸發(fā)掉質(zhì)量，當質(zhì)量小到一定程度時，黑洞就會爆炸，其實質(zhì)就是黑洞的引力場不足以維持那么高的密度，粒子發(fā)生了膨脹。黑洞的密度是很大的，從黑洞里舀出一小勺物質(zhì)，離開了引力壓縮，就會膨脹成一顆行星，地球就正好是這樣的一小勺。

恒星黑洞的形成也表明了黑洞要有最小的臨界質(zhì)量，超過太陽質(zhì)量一定比例的恒星死亡后才會形成黑洞，質(zhì)量不夠就會形成中子星，如果是質(zhì)量更輕的恒星，死亡后則形成白矮星。（參見百度百科《引力坍縮》） ，可見質(zhì)量決定著恒星死亡后的星體物質(zhì)成分，一種物質(zhì)成分又對應著一種密度。

同樣的道理，中子星上的物質(zhì)離開了中子星表面的引力壓縮也會膨脹，2017年觀測到的中子星合并，拋出那么多黃金和鉑金就是這個原因：從中子星上撞擊出來的物質(zhì)，無法保持緊挨在一起的中子形態(tài)，膨脹形成黃金和鉑金，當然還有質(zhì)子數(shù)不同的其它許多元素。

分析了高密度到低密度的膨脹過程，再來看一下從低密度到高密度的壓縮過程：氣體受壓密度增大，分子間隙縮小可以變成液體，繼續(xù)壓縮可以變成固體，此時就相當于巖石星。當然，許多氣體還沒有被壓縮到液體或固體，分子就碎掉了。壓碎分子，相當于白矮星。壓碎原子，電子與質(zhì)子中和，形成為了中子星。壓碎中子，就是夸克星（還包括膠子，玻色子等中子組成物質(zhì)），夸克星從來沒有被目視發(fā)現(xiàn)過，顯然這時的密度已經(jīng)達到了形成黑洞的臨界密度，星體演變成了再也看不見的黑洞，由此可見普通黑洞的物質(zhì)組成分就是夸克。

三、為什么說用逃逸半徑（史瓦西半徑）計算出來的黑洞密度是不正確的？

假設逃逸半徑（史瓦西半徑）就是黑洞的實體半徑，觀察上述密度公式，其它項都是常量，黑洞的密度只與質(zhì)量平方成反比，當質(zhì)量趨于無窮大時， 密度就趨于0。目前人們對這個現(xiàn)象的解釋是，黑洞質(zhì)量和半徑的1次方成正比，而黑洞的體積和半徑的3次方成正比，黑洞的質(zhì)量變大時，體積變大得更快，因此黑洞越大密度就越小，黑洞越小密度就越大，超大黑洞密度比空氣還輕。

如果計算出來的某個黑洞密度比地球上的氫氣還輕，最輕的物質(zhì)就是氫元素了，那表明這個黑洞里的氫氣比地球上的還要稀薄。黑洞質(zhì)量比地球大得多，在引力場的作用下，黑洞上氫氣的平均密度怎么會比地球上的還輕呢？黑洞的引力是如此之大，連達到光速的粒子都逃不出去，氫元素又怎么可能不被吸引并聚合到一起呢？再有，根據(jù)恒星形成的原理，那么多質(zhì)量的氫元素聚合在一起，早就被點燃成為了恒星。因此逃逸半徑（史瓦西半徑）不可能是黑洞的實體半徑。

四、黑洞有三個半徑，逃逸半徑（史瓦西半徑）、視界半徑、實體半徑，數(shù)值逐一減小。

雖然不知道視界半徑的計算公式，但視界半徑同時空的彎曲程度，也就是引力場的強度有關，對地球來說就是同重力加速度g有關，這個半徑顯然與質(zhì)量有著反相關性，即質(zhì)量越大視界半徑越小。而逃逸半徑（史瓦西半徑）則同質(zhì)量的平方成反比，這兩個半徑都是隨著質(zhì)量的變化而連續(xù)變化的，但物質(zhì)的密度不是連續(xù)的。當天體達到黑洞臨界密度，然后又以此密度聚集到臨界質(zhì)量時，天體就會處于臨界狀態(tài)，黑洞質(zhì)量少一分就會爆炸（膨脹）成中子星，中子星質(zhì)量多一分，就會壓縮變成黑洞。密度是跳變的，要么是夸克星，要么是中子星，不存在界于兩者之間的穩(wěn)定天體（轉(zhuǎn)化過程對人類來講可能會持續(xù)較長時間，但只是個中間過程）。如果是氣體，密度稀薄些可以用真空去填充，但到了夸克層級，現(xiàn)有的物質(zhì)結(jié)構都不能頂住那么大的壓力，分子、原子、原子核、中子都相繼被壓碎，粒子之間早就緊挨在一起了。

不論是根據(jù)逃逸半徑，還是根據(jù)視界半徑，計算出來的都是理論密度，大部分值在宇宙中沒有實際的天體去對應，因此都是不存在的，穩(wěn)定的黑洞也不存在任意的連續(xù)密度。在黑洞的逃逸半徑和視界半徑之間沒有黑洞實體存在，一旦粒子抵達逃逸半徑，就會被黑洞進一步吸引，進入到視界半徑。而進入了視界半徑，又會很快落到黑洞實體的表面上。

這樣就引出了黑洞的第三個半徑——實體半徑，這是由黑洞密度決定的，黑洞密度又是由黑洞物質(zhì)成分決定的，這就是夸克的密度。顯然實體半徑比逃逸半徑小，同時實體半徑也比視界半徑小，否則就可以在視界半經(jīng)之外發(fā)現(xiàn)黑洞實體了。實體半徑才是黑洞形成的球體的真正半徑。

在此暫不討論與本文無關的“邦迪半徑”，它比史瓦西半徑更大。

五、不同密度核心的黑洞。

黑洞是否只有一種密度呢？宇宙大爆炸時的奇點也可以說是一種黑洞，或者講是物質(zhì)（能量）密度極大的點，對比這個奇點，目前恒星黑洞的密度要小得多，說明物質(zhì)的密度還能繼續(xù)提高，同時也表明夸克不是物質(zhì)的最小單元，夸克還能被壓碎。同中子星被壓碎成夸克一樣，夸克被壓碎時密度會再次發(fā)生跳變，但質(zhì)量增加得不多，逃逸半經(jīng)和視界半徑也幾乎不變。因此，黑洞不只一種，應該有不同密度的內(nèi)核，夸克黑洞不但有最小臨界質(zhì)量，也有最大臨界質(zhì)量。超過這個質(zhì)量，夸克在黑洞引力作用下，會被進一步壓碎，成為一種人類目前尚不知道的粒子，形成密度更高的黑洞。

在盧瑟福用 粒子轟擊原子核的實驗中，大部分 粒子都透射而過，只有少部分轟擊到原子核的 粒子，軌跡才發(fā)生了明顯的改變，表明對 粒子來講，原子結(jié)構當中大部分都是“空”的。同樣的道理，中微子可 以輕易地穿透地球，地球物質(zhì)的組成粒子，包括已知的夸克、電子等，對中微子來說也是“空”的，沒有撞擊到這些粒子的核心質(zhì)量上。如果夸克是沒有核心的，質(zhì)量均勻分布于整個夸克內(nèi)，這樣都可以被中微子輕易穿透，夸克是“空”的，這個結(jié)論仍舊成立。這也從另一個側(cè)面表明，這些已知粒子的密度還是“太輕了”，物質(zhì)結(jié)構還是太“空”了，還可以被進一步壓縮。

順便定性地推測一下中微子的特性：純能量體是可以被吸收的，只有粒子才不能被吸收，才會穿透物質(zhì)。從中微子輕易穿透地球來看，中微子不是純能量體，它是一種極其微小的實物粒子，必定具有質(zhì)量，只是目前還測不出來。

應該不存所謂的微型黑洞，因為微型黑洞質(zhì)量太小，引力不足以把中子壓碎。微型黑洞在宇宙誕生之初，也許瞬間存在過，隨著壓力減小馬上就膨脹掉了。

六、星系中央的黑洞是如何形成的。

那么星系中央的巨型黑洞又是怎么形成的呢？目前的理論是這些巨型黑洞是由恒星黑洞吸積吞噬而成。同巨型黑洞相比，恒星黑洞是如此之小，理論上存在吞噬合并成巨型黑洞的可能，但實際上這種可能性太小。

首先看巨型黑洞的質(zhì)量，在銀河系里數(shù)千億顆恒星圍繞著中心的黑洞旋轉(zhuǎn)，中心黑洞的質(zhì)量至少和千億顆恒星處于接近的數(shù)量級，否則沒有那么大的引力，銀河系里的恒星早就飛出去了。這樣一顆恒星黑洞必須吞噬其它上千億顆和自己質(zhì)量相當?shù)男求w，吞噬的同時還要克服黑洞輻射消失掉的質(zhì)量，這個恒星黑洞得掃過多大的區(qū)域體積？黑洞相對于星系的運行速度得多大，得掃過多少萬年才能掃盡一片區(qū)域的星體？如果這種事情過去經(jīng)常發(fā)生，現(xiàn)在必定還有上億個黑洞相對于星系在做著高速運動，大面積地進行著吞噬活動，可這樣的行為并沒有被發(fā)現(xiàn)。平時我們觀測到的吞噬，看上去很壯觀，但即便吞噬掉一顆地球這樣大的行星，增加的黑洞的量最多也只有一小勺，無法讓其聚集成巨型黑洞。

其次，宇宙中像銀河系這樣的星系以千億計，每個星系中央都有一個巨型黑洞。形成一個巨型黑洞都要有很大的巧合，數(shù)千億個星系里面，正好每一個星系都有一個由恒星合并成的巨型黑洞，概率幾乎為零。

因此在這里做個大膽的假設，星系中央的巨型黑洞不是由恒星塌縮并逐步吞噬形成的，這樣的巨型黑洞應該是宇宙大爆炸沒有炸開的物質(zhì)。大爆炸如果充分炸開，應該是宇宙的“原始居民”——結(jié)構最簡單的單個質(zhì)子組成的氫元素，還有部分2個質(zhì)子的氦，以及極少的3個質(zhì)子的鋰（大約是1000萬個原子中有一個，參見《萬物簡史》第一章）。宇宙太大了，即使有巨型黑洞的存在，從大尺度上看，仍舊各向均勻。

宇宙中天體的形成不需要特別的理由，宇宙爆炸開來就像一鍋均勻的氫（氦）原子湯，星星點點大體均勻地點綴著一些“芝麻”，這些“芝麻”就是沒有炸開的物質(zhì)，在其巨大的引力作用下，吸引周圍恒星群，自己則成了星系中央的黑洞。不是每個星系都碰巧形成了中央的巨型黑洞，而是每個巨型黑洞都吸引了一批恒星成為了星系。

中央巨型黑洞周圍則充斥著氫和氦，氫原子在引力作用下向各自的中心互相聚集，由于氫的密度太小所占空間太大，大部分宇宙都被吸成了真空，聚集在一起的氫原子，勢能變動能，溫度升高，壓力增大。最終在高溫高壓下被壓碎，幾個氫原子聚合成更重的原子，減少的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量，于是恒星被點燃。由于單顆恒星引力范圍有限，這樣的聚集必定每隔一段時空就要有一次，這同宇宙大部分是真空，點綴著星星點點恒星的現(xiàn)狀完全吻合。這一切都是水到渠成，不需要理由，星系的大小、中央黑洞的大小也都是隨機的，在宇宙大范圍內(nèi)是均勻的。

夸克是“空心”的，隨著質(zhì)量的積累總會把夸克壓碎，夸克壓碎后的黑洞密度十分巨大，不能用正常的黑洞理論通過其視界半徑來估算質(zhì)量，星系中央的巨型黑洞就是由比夸克更微小的粒子組成，擁有著驚人的密度和巨大的質(zhì)量。

七、暗物質(zhì)也許并不存在

回過頭來看看暗物質(zhì)，暗物質(zhì)不是形成星系所必須的，目前天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個星系，參見下文：《科學家發(fā)現(xiàn)了一個不存在暗物質(zhì)的星系，完全違背現(xiàn)有認知》，星系邊緣的恒星移動緩慢，根據(jù)軌跡計算出來的質(zhì)量就同它明面上表現(xiàn)出來的一樣多，表明這就是一個由普通恒星組成的星系。根據(jù)上述星系成因的分析，有這樣的星系存在就一點不奇怪了：大爆炸中沒有被炸開的物質(zhì)是隨機分布的，在某個時空范圍內(nèi)，所有的物質(zhì)都被炸開了，形成了氫（氦）元素的均勻分布，這也是件很正常的事，不需要特別的理由。因此暗物質(zhì)不是構成宇宙星系所必須的，暗物質(zhì)沒有扮演任何角色，也沒有必須存在的理由。

中國科學家季向東教授在涼山州錦屏山2500米深處，領銜建立了世界領先的PandaX液氙暗物質(zhì)探測器，液氙質(zhì)量從最初的120公斤到500公斤，再到30噸（參見：暗物質(zhì)探測1，暗物質(zhì)探測2 ），世界上許多科學家也在做類似的研究。人類在地底下建立的探測器，連那么小的中微子都收集到了，但到現(xiàn)在為止，還沒有發(fā)現(xiàn)一個暗物質(zhì)粒子，難道暗物質(zhì)粒子比中微子還要小許多數(shù)量級？更大的概率是，宇宙間根本不存在暗物質(zhì)。

暗物質(zhì)又是如何推斷出來的呢？不外乎有以下幾種方法：宇宙天體的運行軌跡發(fā)生偏移，表明看不見的地方還有個質(zhì)量對其軌道產(chǎn)生引力；星系中恒星轉(zhuǎn)動速度很快，同表面上看到的星系總質(zhì)量不符，如果不存在占比很大的暗物質(zhì)，這些恒星就會被甩出；發(fā)現(xiàn)星系中許多原先沒有觀察到的物質(zhì)，拉住它們需要更大的質(zhì)量核心；宇宙總質(zhì)量必須比現(xiàn)在觀察到的質(zhì)量大得多，否則宇宙不會處于現(xiàn)在的這種膨脹狀態(tài)；此外還包括引力透鏡等。

總之整體宇宙當中以及許多星系當中都有質(zhì)量缺失，這是不爭的事實。這些缺失的質(zhì)量是以稀薄物質(zhì)形態(tài)均勻分布的，還是以高密度形態(tài)散點式分布的呢？假設暗物質(zhì)均勻地充斥于整個宇宙，就像過去的科學家提出的“以太”那樣，不論地球靜止在暗物質(zhì)中，還是相對于暗物質(zhì)運動，我們伸手一撈，就可以抓住大把的暗物質(zhì)。如果是小范圍內(nèi)均勻，地球沒有接觸到暗物質(zhì)區(qū)域，那么部分天體在暗物質(zhì)內(nèi)，部分天體在暗物質(zhì)外，還有天體不斷地穿梭于暗物質(zhì)內(nèi)和暗物質(zhì)外，暗物質(zhì)對天體又有著引力作用，天體受到暗物質(zhì)的拖曳，應該能被觀測到運行方式的明顯不同。這兩種狀況都同事實不符合，表明缺失的質(zhì)量只能以高密度形式零星分布于星系內(nèi)。

按照常規(guī)的黑洞理論來計算，星系中央的巨型黑洞是沒有那么大質(zhì)量的，因此科學家才提出了“暗物質(zhì)”理論把缺失的質(zhì)量補足。如果中央黑洞的比重比已知的恒星黑洞大得多，星系中“找不到”的質(zhì)量已經(jīng)被補足，暗物質(zhì)也就失去了存在的必要。實際上這些暗物質(zhì)就“隱藏”在中央黑洞中，是中央黑洞被漏算掉的質(zhì)量，單獨的暗物質(zhì)并不存在，這樣一切疑問都能迎刃而解。

根據(jù)奧卡姆剃刀原理，需要假設最少的解釋，往往是最接近真相的解釋，也許黑洞和我們的宇宙就是如此的簡單。

作者簡介：汪志民，大學本科，軍學士學位，東航技術應用研發(fā)中心安全運行研究院。