什么是黑洞：数学黑洞、物理黑洞和天文黑洞

爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论，把牛顿力学和麦克斯韦电磁学统一起来，给出了一个描述惯性系中物质和光线运动的新理论。但是狭义相对论有一个局限性，就是它不能处理加速系或者引力场中的情况。为了克服这个局限性，爱因斯坦又花了十年的时间，终于在1915年提出了广义相对论，把引力也纳入了相对论的框架，给出了一个描述时空和物质相互作用的新理论。

爱因斯坦提出了广义相对论之后，很快就有人开始尝试寻找他的方程的解。其中最早的一个解是1916年由德国物理学家卡尔·史瓦西发现的，这个解后来被称为史瓦西解。这个解也有一些奇怪的地方，你可以看到，在中心和某个半径处，方程就会出现奇点。中心出现奇点并不出乎意料，因为也可以用牛顿引力理论去理解。但被称为史瓦西半径的后者，就很难理解了。后来，史瓦西半径处的奇点被证明是坐标系选择不当造成的，并非其内禀性质。

但是，这个以史瓦西半径组成的球面并不只是数学的游戏，它还是一个称为事件视界的边界。在视界处，任何物质都无法逃离，甚至连光也一样。在这个视界内，时空的性质发生了根本的改变，时间和空间的角色互换了。物体处于其中，只能向中心下落，就像时间只能往前流逝一样。这就是一个数学黑洞的概念，或者更具体地说，是一个施瓦西黑洞。

数学上定义了什么是黑洞之后，我们要问一个更实际的问题：物理上真的存在黑洞吗？当时的人们并不清楚，甚至爱因斯坦自己也不相信这个黑洞是真实的。要回答这个问题，我们要借助于核物理学的知识。

我们知道，在宇宙中有很多恒星。恒星就是由氢等轻元素组成的巨大球体，在恒星内部发生核聚变反应，释放出巨大的能量，这些能量就是我们看到的恒星的光和热。但是核聚变反应并不是无限进行的，当恒星内部的燃料用完了，核聚变反应就会停止，恒星就会失去平衡，开始坍缩。这时候，恒星的命运就取决于它的质量了。

如果恒星的质量不是很大，比如跟太阳差不多或者稍微大一点，那么它在坍缩的过程中，会遇到一种叫作电子简并压力的阻力。这种阻力是由于电子之间不能占据同一个状态而产生的，它可以阻止恒星进一步坍缩，使得恒星变成一个叫做白矮星的天体。