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2018年3月14日，著名物理学家史蒂芬霍金在英国剑桥逝世，享年76岁。霍金在宇宙学和黑洞研究中做出过重要贡献，他提出的以他名字命名的霍金辐射以及他和罗杰彭罗斯共同提出的奇点定理都极大地加深了我们对宇宙的认识。他的科学成就和人生经历在他去世之后已经被媒体连篇累牍地报道，此处不再赘述。
霍金逝世引发的关注显然大大超出了科学的范畴。受到公众如此瞩目，霍金堪称科学界第一人，而且是独一无二的。单就关注度而言，与霍金相比，“第二人”一定是黯然失色的。因此，我们在追思和缅怀这位科学大师的同时，也不禁要问，是什么造就了独一无二的霍金。我认为，三个关键词值得格外关注——它们共同构成了我们眼中的霍金，不管这是不是真实的霍金。
毫无疑问，霍金的身份是一位科学家。具体来说，他是一位研究黑洞的物理学家。离开科学上的成就，他一定不会受到这般关注。不过，虽然不计其数的科学家为人类探索未知、认识世界作出贡献，但不同领域的科学家的社会影响力确实有很大差异。在近代科学的历史中，如果论及对科学和社会的影响，大部分人会同意三位物理学家——牛顿、爱因斯坦和伽利略的影响最大。他们不仅前赴后继构建出物理学大厦，更深刻改变了我们认识世界的方式。
可以与之参照的是，21世纪以来，公众关注度最高的两项诺贝尔科学奖成果应该是希格斯玻色子的发现和LIGO发现引力波。这两项研究的尺度都远远超过我们身边的世界，但这种陌生感和新鲜感恰恰最能激发公众的兴趣。
坐在轮椅上的霍金，这个经典形象已经深入人心，今天很少有人见过霍金健康时的模样。21岁时，他被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症（ALS），俗称渐冻症，医生诊断他只能再活2年。但是，他却再活了55年，这本身就是生命的奇迹。43岁时，他因肺炎做手术，说话的能力又被彻底剥夺，此后他只能通过语音合成器做演讲和问答。
罹患疾病是霍金的不幸，但也同时成就了他的伟大。英国皇家学会前主席、天体物理学家马丁里斯这样评论霍金：“我们称颂他，称颂他杰出的学术成就，称颂他最受欢迎的著作《时间简史》。而在这一切之上，赞颂他战胜躯体这副囚牢的壮举。”
霍金的学术成就有目共睹，但我们不能否认，而且就连霍金自己也不否认，他的疾病使他区别于其他科学家。视觉上的直观区别，使我们在面对霍金时，无一例外都会提到他面对疾病的顽强精神和永不放弃的求知精神。
一个与霍金有些类似的例子是约翰纳什，他曾经在近30年的时间里饱受精神分裂症的折磨，但最终从疾病中恢复并因为博弈论研究而获得1994年诺贝尔经济学家。我们提到纳什，也都会提及这段患病经历。两人还有一个相似点，即两人都有一部著名的自传式**：霍金是《万物理论》，纳什是《美丽心灵》。
黑洞、疾病和剑桥加在一起，让霍金变得独一无二。史蒂芬温伯格是诺贝尔物理学奖得主，在宇宙学和粒子物理学都有重要成就，也写过《最初三分钟》《终极理论之梦》这样内容不逊色于《时间简史》的科普书，但公众对他却十分陌生。很多人认为，爱德华威滕是爱因斯坦之后最伟大的理论物理学家，同时他研究作为大统一理论可能候选的超弦理论，作为追求统一理论的爱因斯坦的继承者似乎更为合适，但他的声名同样只是显赫于学界。
《时间简史》成为超级畅销书（有40个语言的版本，销量超过1000万册），营销当然起到至关重要的作用，但是这些营销策略在其他同样优秀的科普书上面起不到类似的作用，甚至效果悬殊。这说明《时间简史》的畅销现象是霍金独一无二的个人特质带来的结果，而不是原因，而这本书的畅销反过来又进一步奠定霍金“明星科学家”的形象。
霍金已逝，身上的符号也随之消散，他不再是黑洞的探寻者，不再是轮椅上的囚徒，也不再是剑桥精神的传承者。但霍金永在，受他激励的人仍走在探索未知的道路上，他身上闪烁的理想主义和英雄主义的光芒不会熄灭。只要有人记得他的辐射方程，他就不死。
我们都是散落的星骸。我们知道，宇宙的元素组成了我们，使我们得以奇迹般地凝视宇宙，最后又消散于苍茫宇宙中。只不过，这一次我们发现，原来身为“宇宙之王”的霍金也不会例外。
请问科学家是如何观测到黑洞的？
黑洞曾经是宇宙中最神秘的天体，在普通人的印象中，黑洞具有很强的吞噬性，以至于光这么快的速度，都无法从黑洞内逃出，所以，黑洞是无法直接被观察到的，只能以间接的方式感知它的存在。黑洞最初只是以一种数学上的猜想，以及它的难观测性存在，直到2019年4月10日，首张黑洞的照片问世，人们才有所了解。
黑洞是如何被发现的
黑洞这个名词是在20世纪提出来的，其实，在18世纪，已经有科学家感知到了黑洞的存在，称之为暗星。这是一个伟大的洞见，超越时代100多年。
英国物理学家约翰·米歇尔在1783年提出了一个理论，如果有一颗和太阳质量相等，但体积很小的天体，这导致这个天体的引力非常大，以至于光子都无法逃脱。他提出这一理论的时候正是大清乾隆48年。
1796年，法国科学家拉普拉斯也提出了暗星的存在，他认为宇宙中存在着数量巨大的暗星，当一个天体的质量不断增加，体积不断减小时，引力会不断增加，大到光都无法逃脱。
当爱因斯坦发表广义相对论的时候，德国科学家卡尔·史瓦西那个时候已经在算爱因斯坦理论的方程。1916年，卡尔·史瓦西算出了爱因斯坦场的精确解，这个解表明了黑洞的作用范围，在这个范围内，光也无法逃脱，这个边界被称之为视界。这个定值称作史瓦西半径。太阳的史瓦西半径是2954米。
在1969年，美国科学家约翰·阿奇博尔德·惠勒在一次会议上使用了黑洞这个词，从此，黑洞成为一个广为流传的神秘名称。
1964年，美国科学家里卡尔多·贾科尼和他的图纳队发现了天鹅座X-1。用x射线进行了进一步观察，发现这颗蓝巨星有许多不寻常之处，经过许多年的研究，最终证明这就是一个黑洞。
黑洞是如何产生的？
宇宙中有很多恒星，这些恒星寿命并非无限的，他们也会有一个终结。恒星在最初只含有氢元素，氢元素发生核聚变来释放能量，同时，这种能量能与万有引力抗衡，维持恒星的稳定，氢元素核聚变产生氦元素，氦元素聚变产生锂元素，依此类推，依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。由于铁元素的稳定性，核聚变停止，也不产生能量，无法与恒星的万有引力抗衡，恒星就开始坍塌。
恒星坍塌之后，就会引发超新星爆发，在不断的收缩过程中，中子间的排斥力也无法阻挡，中子在高强度的挤压中变成了粉末，成为一个密度非常高非常高的球体。
当然，黑洞也有自己的作用范围，它也有一个临界值，这个临界值就是史瓦西半径，理论上，太阳的史瓦西半径是3千米，地球的史瓦西半径是9毫米，但是，黑洞的最低质量也有极限，这就是奥本海默极限，这个极限是太阳质量1.5到3倍之间，只有大于这个极限的中子星，才能坍塌成一个黑洞。
黑洞照片是如何拍摄出来的？
我们知道，任何物体无法从黑洞中逃脱，光也不例外。那么如何对黑洞进行成像？答案就是引力和X射线。
黑洞像普通星体一样，都有很强的磁场，越接近黑洞的边界，磁场越强。当带电粒子穿过磁场时，就会被加速，随着磁场越来越强，黑洞中心会释放出越来越高的能量，这就是黑洞物质喷流。
这个黑洞物质喷流就是黑洞存在的证据，当一些大的天体距离黑洞很近的时候，常常有一部分物质被黑洞所吞噬，在被吞噬之前，这些物质会绕黑洞高速旋转，形成黑洞周围的吸积盘。这个吸积盘位于黑洞的赤道地区。它看上去非常明亮，吸积盘上的部分粒子会转移到其他地区喷射出去，形成强烈的X射线。
在拍摄黑洞照片的时候，也就是拍摄到黑洞边缘的部分，不同区域的广度不同，于是可以看出黑洞的大致轮廓，那么，这个黑洞照片大致拍摄出来了。虽然人类现在已经拍摄到了黑洞的照片，但是有一点，我们所看到的黑洞照片只是看到黑洞的边缘，对于黑洞的本体，由于它的性质，我们无法看到，但是，我相信，随着科技的发展，人类对于黑洞也会越来越熟悉，黑洞终将不是秘密。
很多人都会认为是爱因斯坦预测了黑洞的存在，其实并不是。虽然爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，但他本人并不认为黑洞是存在的。1915年，德国的科学家史瓦西通过计算得到爱因斯坦场方程的一个真空解，通过这个解可以知道，当一个星体小于一定半径的时候，在这个半径内是会出现奇异现象，在这个半径内连光都无法逃逸，其实这种天体也不是爱因斯坦命名的，而是美国科学家惠勒把它命名为黑洞。
在1915年的时候，史瓦西通过对广义相对论的一个关于球状物质分布的解，根据此解，他发现在这个球状半径内时空弯曲的非常厉害，以至于任何物质都无法从这个球状半径中逃出去，就连光都无法从这个球状半径中逃出，所以说黑洞是“黑”的，它是无法观测，只能通过间接的方式发现其存在。
黑洞是大质量的恒星在演化到后期发生超新星爆炸形成的，一般30倍太阳质量的恒星就会演化成黑洞，而根据史瓦西半径公式得出太阳的史瓦西半径为3000米，地球的史瓦西半径是0.9厘米，通俗点说就是如果把地球压缩到0.9厘米，那么它将会成为一个黑洞。
一直以来，我们看到黑洞的都是科学家根据相关理论用电脑模拟出来的，直到2019年的时候，第一张黑洞照片的公布，又一次验证了爱因斯坦广义相对论的正确性。
黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的一种现象，爱因斯坦用广义相对论为黑洞进入科学领域铺平了道路，而这并不是他真正的意图
1915年，爱因斯坦发表了一系列广义相对论的演讲，声称空间和时间是一个连续体，可被任何有质量的东西扭曲，扭曲的结果就是引力，即引力是 空间和时间扭曲的结果，并 迫使一切物体，从光到行星，甚至从树上掉下来的苹果，沿着弯曲的路径穿过空间。
当爱因斯坦发展广义相对论的时候，花了大约十年的时间用一种叫张量微积分的数学形式近似地解出自己方程的解，即使是最优秀的科学头脑，也会对数学感到困惑。然而，这一挑战并没有阻止爱因斯坦同时代的一位天文学家——一位名叫卡尔·史瓦西的理论物理学家，史瓦西本质上是一个现实主义者，但他非常擅长处理理论概念，当爱因斯坦1915年发表关于广义相对论的文章时，史瓦西是第一个认识到它们重要性的人之一。
史瓦西是一位德国爱国者，所以当第一次世界大战爆发时，他把手上的天文学研究放在了一边，而选择了参军。当他读到爱因斯坦的论文时正在比利时、法国和俄罗斯前线参加战斗。尽管如此， 史瓦西还是被广义相对论的本质所吸引，开始为它的方程寻找精确答案 。在患了重病被送回家休养两个月后，史瓦西终于能够集中精力完成他的计算，在1916年去世前不久，史瓦西完成了他的工作，同年晚些时候出版了：《论爱因斯坦理论中的点质量引力场》成为现代相对论研究的支柱之一，史瓦西在其中提出了他对爱因斯坦未解方程的解。
当爱因斯坦写下他的广义相对论时发现了描述引力的新方法，即引力是空间和时间扭曲的结果，物质和能量存在于时空背景中，有三个空间维度和一个时间维度，物体的质量会扭曲时空结构——质量越大的物体对时空影响越大。就像放在蹦床上的保龄球会拉伸织物，使其产生凹陷，行星和恒星也会扭曲时空——这种现象被称为“短程线效应”。因此，围绕太阳运行的行星不会受到太阳的引力；只是沿着太阳质量引起的弯曲时空变形运转。行星从未落入太阳的原因是由于行星的运行速度，简洁地说就是“物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何移动。”
史瓦西意识到物体表面的逃逸速度取决于它的质量和半径 。例如，地球的逃逸速度约为每秒11.2公里——这是火箭在离开地球之前必须达到的速度。但是，如果能使给定质量的半径足够小，逃逸速度就会增加，直到达到光速，即每秒30万公里，在那时，物质和辐射都无法从物体表面逃逸。此外，原子力或亚原子力无法使物体承受自身的重量。因此，物体坍缩成一个无限小的点——原来的物体从视野中消失，只留下它的重力来标记它的存在。结果，会在时空结构中创造了一个无底洞，称为奇点。史瓦西还解释说，一个奇点被一个球形引力边界所包围，这个边界会永远困住任何进去的东西，这个边界叫做视界（ event horizon）。史瓦西还提出了一个公式，可以计算出视界的大小，这就是史瓦西半径，是时空无底洞的边缘，太阳的史瓦西半径为3公里，即它的视界就在离它表面三公里的地方，地球的史瓦西半径是9毫米。
史瓦西的论文中包含了激进的预测，时空无底洞的想法困扰了许多科学家包括爱因斯坦， 爱因斯坦本人并不相信黑洞的存在，尽管他自己的理论预言了黑洞的存在，但他强烈反对这一观点。1939年，爱因斯坦在《数学年鉴》上发表了一篇文章，试图证明这样的时空无底洞是不可能存在的。 因为它公然违背了人类经验——世界是有限的，一切都可以称重和测量。
1967年 美国物理学家约翰·惠勒将史瓦西提出的”引力完全坍缩的物体“的原始说法进行改进，将之命名为黑洞。 科学家们大约五十年来都没有意识到它在恒星演化中的重要性，直到最近才意识到它对宇宙发展的巨大影响。现代的科学共识是——黑洞确实存在，而且是宇宙最重要的特征之一，天文学家已经能够以不同方式间接地探测到它们，因此黑洞的存在是毫无疑问的。
首先要明确一下， 黑洞不是爱因斯坦预测到的 ，1905年爱因斯坦发表狭义相对论后，从1907年开始了长达八年的对引力的相对性理论的 探索 。在历经多次弯路和错误之后，他于1915年11月在普鲁士科学院上作了发言，解释 引力如何作用时， 给出了著名的爱因斯坦引力场方程：
整个方程的意义是： 空间物质的能量-动量分布决定空间的弯曲状况。
1916年，德国天文学家卡尔·史瓦西通过计算得到了爱因斯坦引力场方程的一个真空解，这个解表明，如果将大量物质集中于空间一点，其周围会产生奇异的现象，即在质点周围存在一个界面——“视界”一旦进入这个界面，即使光也无法逃脱。这种“不可思议的天体”被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
爱因斯坦对物体之间存在相互吸引的引力这种现象解释为因为物体的质量使得物体所在环境的空间、时间扭曲，而这种扭曲的结果并迫使一切物体，沿着弯曲的路径穿过空间，这种现象在最后外我们的观察中就感觉物质之间存在相关吸引的引力。比如：我们日常生活中看到的苹果从树上掉到了地上 现象 ，爱因斯坦给出解释：因为地球的存在，使得地球周围的空间、时间发生了扭曲， 苹果沿着扭曲空间行进而已；而牛顿给出的解：世界万物都存在相互吸引，苹果受到了地球的引力才从树上掉了下来。后来在天文观察中，发现爱因斯坦的理论计算结果更接近天体运动轨迹，如关于水星近日点进动值的计算结果。 卡尔·史瓦西利用爱因斯坦的引力场方程，计算出了一个特殊的存在，即根据物体的质量可以使其周围的环境的空间、时间扭曲，而且扭曲程度跟其能动张量 Tuv成正比的。通过计算卡尔·史瓦西得出如下结论：当一个天体的能动张量Tuv足够大，使其周围的环境的空间、时间严重扭曲，以至于当光线（宇宙中速度最快的物体）靠近这个天体一定距离是都无法逃逸，后来科学家把这种天体命名为黑洞。
换句话说，爱因斯坦只是给出解释引力现象的一种方法，而卡尔·史瓦西利用这种方法推算出来一种特殊的天体，然后这种天体被美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒命名为“黑洞”。
北京时间10日晚9时许，包括中国在内，全球多地天文学家同步公布了黑洞“真容”，这是人类首次拍到黑洞的照片， 证明在极端条件下 爱因斯坦广义相对论 仍然成立 。该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心，距离地球5500万光年，质量约为太阳的65亿倍。它的核心区域存在一个阴影，周围环绕一个新月状光环，如上图。
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