什么叫黑洞(什么是黑洞？)

他是最受媒体欢迎的科学家，也是会写诗的天文学家，尽管工作任务极为繁重，仍坚持以极大的热情投身科学传播，他就是张双南研究员。
我们特别收集整理了“悟空问答”上张双南研究员对部分提问的回答, 与您共享科学。本文为张双南问答系列第十四则。
如果您有问题，可以在“悟空问答”提问。或者留言提问，小编代为转发。由于科研任务繁重，张双南研究员会在方便的时候挑选一些问题回答。
张双南
— 研究员 —
张双南，中国科学院高能物理研究所研究员，中国科学院粒子天体物理重点实验室主任。研究领域为黑洞、中子星、宇宙学和空间天文。天宫二号“天极”伽玛射线暴偏振测量项目、“硬X射线调制望远镜”卫星项目以及若干大型国际合作空间天文项目首席科学家。
入选国家杰青、长江教授、“千人计划”。获“赵九章优秀中青年科学奖”、意大利Ferrara大学“哥白尼科学家奖”。
网友提问
黑洞到底是什么？它的身上究竞藏着多少谜题？
对这个问题的回答一般都是这样：东西只进不出（包括光线）的一种天体（或者时空几何）就是黑洞。更学术一点的回答是：点质量的广义相对论场方程的”解“就是黑洞。第一个也是最有名的“解”就是史瓦西黑洞，它只有质量，其他什么性质都没有。这种黑洞如果存在的话，肯定是宇宙中性质最简单的东西。它有两个主要特点，一是它的所有质量都集中在中心无穷小的区域（就是中心奇点），二是它有一个视界，任何东西只要越过了视界就不可能出来了。由于它是广义相对论场方程的“解”，纯粹是数学运算的结果，严格地讲只能是“数学黑洞”。
广义相对论的一个重要定理就是Birkhoff定理：如果观测者在一个球对称质量分布的外部，那么他就无法知道这个质量分布的实际情况，比如无法区分它的所有质量是集中在它的中心还是都在球壳上。因此，如果有这样的一个物体，它的全部质量都在它的史瓦西半径以内，外部观测者就无法知道它内部的质量到底在哪里。我把这种物体称为“物理黑洞”，因为它在视界外部的表现行为（也就是“物理”性质）和“数学黑洞”没有区别。
但是真实宇宙中存在物理黑洞吗？如果存在的话，我就把它称作“天文黑洞”。著名的物理学家奥本海默和他的合作者施耐德于1939年研究了这个问题（见上图）。他们得到的结论是，一颗质量足够大的恒星在演化到最后就会发生无法阻止的引力塌缩。如果一个观测者和塌缩的物质一起下落，他就会和下落物质一起在有限的时间内到达中心，这样就可以形成黑洞了。但是，你如果是外部的观测者，你会看到塌缩的物质无限逼近这个“黑洞”的视界，但是永远都不能进去，形成的只能是一个“冻结星”，也就是物质看起来都被“冻结”在黑洞的视界外面了。也就是说，落入黑洞的观测者看到的是一个“数学黑洞”，但是外部的观测者看到的连“物理黑洞”都不是，因为物质根本就在视界的外面。
由于所有的观测者都是外部观测者，而目前已知的唯一的办法“形成”黑洞就是引力塌缩，那么我们只能得到结论，真实的宇宙中没有黑洞，也就是不存在天文黑洞！这就是历史上著名的“冻结星”疑难，尽管绝大多数黑洞和广义相对论学者现在都千方百计地回避这个问题。
但是我和我的学生刘元直面了这个问题，并且在2009年解决了这个问题（见上图，论文链接在：http://adsabs.harvard.edu/abs/2009PhLB..679…88L）。我们发现，奥本海默他们1939年的文章（以及随后的所有广义相对论专著和教科书）都做了一个近似，就是忽略了下落物质本身的质量的影响（也就是把下落物质当成检验粒子，它能够感受引力，但是不会产生引力，如下图所示的最著名的广义相对论专著里面的描述）。
当我们考虑了下落物质的质量后，我们发现，由于下落物质的引力的影响，“黑洞”的视界必须膨胀，即使对于外部观测者，物质也能够顺利落入黑洞，不会被冻结在视界的外面，于是就形成了“物理黑洞”。由于这是通过天文过程在真实宇宙中形成的，我称它为“天文黑洞”。
我们进一步的计算表明，如果用外部观测者的时钟计时，那么落入黑洞视界的物质最后会停在黑洞里面某个位置，永远也不可能到达中心的“奇点”位置。由于引力塌缩是目前已知的形成黑洞的唯一的过程，我们得到结论，在外部观测者的有限时间内，宇宙中的所有天文黑洞的中心都不会有物质，当然中心的位置就不是奇点。其实爱因斯坦认为宇宙中不会有黑洞，因为他不相信物理世界有奇点。但是我们证明了宇宙中能够形成黑洞，只不过黑洞的中心没有奇点，爱因斯坦的担心是不必要的！
所以，当以后有人问你“什么是黑洞”的时候，你可以反问他，你问的是“数学黑洞”、“物理黑洞”、还是“天文黑洞”？物理黑洞既可以是数学黑洞，也可以是天文黑洞，但是天文黑洞不是数学黑洞，因为它的中心不是奇点。
张双南问答
地球太阳以及所有天体为什么都是漂浮在太空中？
地球磁场是怎样产生的？火星的磁场为什么会消失？
太阳变成黑洞，世界将会怎样？
强大的宇宙真空环境，为什么地球上的空气没有被宇宙真空吸收掉？
黑洞的体积可以无限小吗？
我们能看到非常遥远的星系，为什么看不清某个星球有没有生命？
如果两个光子相撞会出现什么状况？
一个恒星接近光速向地球运动，另一个接近光速离开地球，二者传到地球的光速是一样吗？
星系坍塌为什么会形成黑洞？
被引力波击中会发生什么情况？
空间望远镜绕地球一天要多久？
人被吸进黑洞会怎样？
夸克是否会在原子核内穿梭流动？