在整个物理学里，如果我可以改变一件事，那就是改掉黑洞这个名字。你，或朱丽叶可能会问，"名字里有什么大不了的呢？"很多。尽管托尔金可能会说，"地窖之门"是英语中最美丽的两个词，我却认为，没有任何两个词比"黑洞"更容易引起误解和误解。"黑洞"给人的印象是一口深不见底的黑井、一个下沉的塞子洞，甚至是一个卷走宇宙飞船的宇宙漩涡，它会像海上的水手在毫无防备的情况下被卷入浪涛之中。
【A Brief History of Black Holes: And why nearly everything you know about them is wrong By Becky Smethurst, 老白翻译注释。第三章 有座高山足以阻止我来到你身旁】
也许最令人担忧的是，"黑洞 "一词会让人误以为它其实是不存在的。或者它们是负空间。带走了一些东西的地方。好吧，让我来告诉你，黑洞是离所谓的洞最远的东西。黑洞不是什么都没有，而是什么都有；物质在那里以最密集的形式存在。我认为黑洞更像是物质堆成的山，而不是地面上的洞。
那么，"洞"的概念从何而来呢？部分原因要归咎于爱因斯坦的广义相对论。广义相对论首先是关于引力的理论--它告诉我们太空中的物体如何影响其他物体，以及其他物体的运行轨迹，要么在轨道上运行，要么快速偏转。现在你可能在想，牛顿不就是在苹果掉到他头上的时候这样做的吗？从技术上讲，是的。据许多同时代的人讲，16 世纪 60 年代，英国物理学家和数学家艾萨克-牛顿在林肯郡的花园里看到一个苹果落地后，受到启发，开始思考是什么力导致了物体的下落。他质疑为什么苹果总是直直地向下掉落，而从不斜着掉落，甚至向上。他当时的笔记本显示，他多年来一直在思考这个问题，他想知道地球施加的力是否超出了地球表面，甚至可能使月球保持在轨道上。
牛顿花了将近二十年的时间，才于 1687 年出版了他最著名的著作《原理》，并在其中提出了著名的三大运动定律。第一条：任何静止的物体都将保持静止，任何运动的物体都将保持运动，除非有其他力使其减速。第二条：作用在物体上的力等于物体的质量乘以物体的加速度（通常人们在中学时代就记住了这一点，反复灌输给他们的公式是 F = ma）。第三：每个作用力都有一个相等、相反的反作用力【25】 - 这基本上意味着，如果你拉某个物体，那物体也同时拉你。
但牛顿并没有止步于此。他还定义了万有引力定律，指出宇宙中的每一个粒子都会以一种力量吸引其他每一个粒子，这种力量取决于每一个粒子的质量大小，并随着它们之间的距离越来越远而减弱（与距离的平方成反比，所以这种力量会迅速减弱）。因此，此时此刻，你和你手中的这本书都受到重力的吸引，而这本书也吸引着你，但由于从天体物理学的角度来说，你和这本书都不是那么重，所以你几乎感觉不到这些拉力（这是一种大约 0.000000005 N 的力；对比一下，你咀嚼时后牙产生的力是 1 000 N）。
牛顿在《原理》一书中提出，整个宇宙都有一种无形的力量在很远的距离上也起作用。这一观点遭到了当时许多科学家和哲学家的强烈质疑，他们指责牛顿被"神秘"思想所吸引；认为他是个疯子。我喜欢提醒人们，你看不到磁力，但你仍然可以感受到两块磁铁之间的磁力吸引。自古以来，人们就知道磁力的作用，1600 年，英国哲学家威廉-吉尔伯特（William Gilbert）就发表了著作，概述了地球本身就是一块巨大的磁铁。因此，科学界对无形力量的认识早已有之，但也许牛顿气头之下没有想到这种"丢麦"反击。【译者：丢麦指的是胸有成竹，不再需要麦克就已经把对手辨倒了。】
因此，尽管牛顿在《原理》中的工作为人们提供了一个描述万有引力的框架，并最终将牛顿推向了国际科学巨星的宝座，但《原理》并没有真正解释万有引力是什么以及它的成因，这让科学界非常懊恼。200 多年后（但并非没有尝试！），另一种不同的万有引力理论才被提出，并真正解释了万有引力的成因：这就是爱因斯坦的广义相对论。【即使当时人们不理解也似乎不太能接受无形的引力这个说法，但】牛顿的运动定律和万有引力定律【确实很准确，很有用，所以】最终被科学界所接受。即便如此，还是存在一个问题：虽然他们可以非常准确地预测太阳系中行星绕太阳运行的位置，但对于离太阳最近的行星—水星，他们给出的答案总是略有偏差。
直到牛顿去世后，也没有人知道这是为什么。但是到1859年，法国天文学家乌尔班-勒维耶（Urbain Le Verrier）发现了答案，他在 1846 年观测到天王星轨道上的一些奇特现象后，并预测这些奇特现象是天王星轨道之外的一颗大行星造成的，于是给柏林天文台发了一封信，告诉他们应该去哪里寻找。就在当天晚上，海王星被发现了，它距离勒维里耶预测的位置仅有 1°（要了解这有多准确，请伸直你的手臂，像前伸过去（hold out your hand at arm’s length in front of the sky）；你的小手指与你的脸在这个距离上大约有 1°的宽度）。勒维耶因此在当时的天文学界已是一位广为人知、深受喜爱的人物。
如果你是勒威耶，在预测出太阳系中存在一颗无人知晓的行星之后，你会怎么做？勒威耶转而去预测太阳系中所有行星的运动和位置，以确保没有遗漏。这是一项艰巨的任务，让他忙碌了一生。在这一过程中，他通过多年观测水星的位置来研究水星的轨道，并于 1859 年发表了他的数据；这是一份关于水星多年位置的长长的清单。他注意到，他（和其他人）对水星位置的预测有偏差，那就是水星的近日点正在"进动"。
我们需要先理解这句话的意思。
首先，行星并不是以完美的圆形围绕太阳运行的。相反，它们的轨道是椭圆形的，这种椭圆形可以由两个数字描述：离中心最远的位置：围绕太阳，这被称为远日点（aphelion；ap- 远离，和-helion，来自希腊语helios，意为太阳）和离中心最近的位置（称为近日点，perihelion）！【26】例如，每年1月5日，地球位于距离太阳1.471亿公里的近日点，而7月5日，地球位于距离太阳1.521亿公里的远日点，相差500万公里。
对于地球轨道来说，远日点和近日点每次都出现在同一个地方。但勒维里耶发现在水星上，近日点，也就是水星最靠近太阳的那个点，并不是每次都在同一个地方。如果把水星若干年的运行轨迹画出来，看起来就像一幅Spirograph图案【27】，如下图。尽管这种效果在几个轨道上并不明显。尽管水星绕太阳一周只需要 88 天，勒维里耶还是要等许多轨道上的这种效应变得明显后才发现了它。
上图：水星近日点的进动。这图里的效果被夸大了，以显示经过数千年的进动最终形成的 "螺旋状"。
从某种意义上说，水星轨道发生的变化并不令人惊讶，因为牛顿本人已经预言到了这一点。当一个较小的天体非常靠近一个大天体并有其他天体围绕它运行时，较小的天体会受到系统中所有其他天体的轻微扰动。因此，水星轨道发生偏移的主要原因是，它不仅与太阳相互作用，而且还感受到了同样围绕太阳运行的其他七大行星（加上太阳系中的所有矮行星、彗星和小行星）的拉力。但是勒维里耶第一个指出，如果用牛顿万有引力理论中的方程来预测水星轨道每百年应该偏移多少，那么这个数值比你观测到的要小。
在宣布170多年来一直被接受的万有引力定律肯定有问题之前，勒维里耶考虑了对这种差异的其他解释。包括太阳并不是完美的圆形，而是一个扁球体，这意味着它在两极有点挤压。地球也是如此，尤其是土星，因为它的自转速度非常快；赤道上的物质会凸出一些，就像你感觉到有一股力量把你从旋转木马上推下来一样。事实证明，太阳的形状对水星轨道的进动程度起很小的作用，仍然不足以解释这种差异。因此，勒维利耶还提出，在水星轨道内可能还有另一颗行星，它的轨道离太阳更近。
当时，这颗额外的行星是最受欢迎的解释差异的假说，部分原因是，就在勒维里耶提出这个假说的 13 年前，他已经预测到海王星的存在是由于天王星轨道受到的影响。因此，尽管在你我听来，太阳和水星之间多了一颗行星的想法很奇怪，但在当时，这并不是一个特别离奇的想法。当时海王星才刚刚被发现，人们普遍认为一定还有别的东西存在。因此，寻找这颗位于太阳和水星之间的假想行星（以罗马火山、火焰和锻造之神的名字命名为"火神"）成了许多天文学家在十九世纪余下时间里的工作重点。
人们都希望自己是这一行星的发现者，这导致了许多虚假的说法，其中包括一些人坚持认为他们在日食期间观测到了一颗非常靠近太阳的行星，其位置被认为不在已知恒星的位置（背景中），尽管没有其他人在同一次日食期间观测到它。所有这些虚假的说法都有对火神星及其轨道性质的不同描述；如果所有的说法都能在性质上达成一致，那么在水星轨道内有一颗新行星的想法也许会很有说服力，但很快就变得很清楚，这颗假想的行星只是假想的，无法解释水星近日点的奇异进动。
因此，在穷尽了所有其他选择之后，唯一的解释就是牛顿的万有引力理论并不完全正确。这时，爱因斯坦出现了。在二十世纪的头十年，爱因斯坦向世界宣布了他的狭义相对论，该理论描述了当你以接近光速旅行时，你对时间和空间的感知会发生什么变化。该理论引入了时间膨胀和长度收缩的概念，前者是指旅行速度越快，从你的角度看时间流逝得就越短，后者是指旅行速度越快，你在旅行方向上的长度就会收缩。和大多数革命性的理论一样，这也引起了极大的争议，留下了许多未解之谜。为了理清所有头绪，爱因斯坦最终提出了一种解释引力的新方法：空间本身的曲率。大质量天体会使其周围的空间弯曲，然后任何沿该空间运动的物体，无论是行星还是光，都会沿着弯曲的路径运动。人们通常把它想象成一张绷紧的床单，或者一个蹦床，中间放一个篮球。如果你沿着这个表面滚动乒乓球，它将沿着弯曲的路径前进，即使你让它沿着直线前进。虽然这是一个很好的比喻，但它并不能帮助我们直观地看到三维空间的曲率，这是人类大脑不太能理解的。
爱因斯坦在 1907 年至 1915 年间发表的一系列论文中提出了广义相对论，其中提出了描述大质量物体引起空间弯曲的基本方程。这是一个通用方程，可应用于许多不同的情况，取决于不同的质量，更重要的是取决于物体的不同速度，包括日常速度或接近光速的速度。爱因斯坦发现，当他将广义相对论应用于太阳系问题时，当物体的运动速度不是接近光速或不是接近非常大质量的物体时，这些方程可以简化接近到与牛顿的方程相匹配。因此，牛顿的方程并不一定是错的，它只是对一种特殊情况的概括。不过，水星接近太阳这个大质量天体，因此爱因斯坦的水星轨道方程与牛顿的略有不同，这一差异会对行星的预测位置产生影响，爱因斯坦所做的工作就是计算他这个方程式对行星的预测位置有多大影响，特别是水星近日点的进动程度。他发现他的预测与勒维里耶测量到的数值相同，并以此作为他新提出的万有引力理论的证据。他还提出了另外两种现象也能为他的新理论提供证据：第一是大质量天体应导致光的红移（这种光波长的拉伸，即"引力红移"，最终于 1954 年得到证实），另一种现象是大质量天体对光的弯曲。
在爱因斯坦活着的时候，只能后者被探测到了：日食期间，来自太阳背后遥远恒星的光线发生弯曲：日食期间，天色变暗，足以在白天看到太阳背后的恒星，而这些恒星通常只能在夜晚才能看到，但那是六个月前，当时地球在太阳的另一侧。人们因此可以将夜晚恒星的位置与日食时记录的位置进行比较，看看恒星的位置是否因为太阳使其周围空间弯曲而发生了偏转。为此，英国天文学家弗兰克-戴森（Frank Dyson）和阿瑟-爱丁顿组织了两次考察，以观测 1919 年 5 月的日食。（爱丁顿因在第一次世界大战期间正常的科学交流渠道中断后向英语世界解释广义相对论而闻名于世，但他还没有因在恒星燃料方面的研究达到物理学界大名鼎鼎的地位）【28】 其中一支考察队前往巴西小镇索布拉尔，由皇家格林威治天文台的安德鲁-克罗梅林（Andrew Crommelin）和查尔斯-伦德尔-戴维森（Charles Rundle Davidson）率领；另一支考察队前往西非的普林西比岛，由爱丁顿本人和埃德温-科廷汉姆（Edwin Cottingham）率领。
上图：爱丁顿和科廷厄姆 1919年在普林西比观测到的日食图像。
尽管日食期间天气恶劣，爱丁顿还是获得了足够的图像来记录恒星的位置，并宣布它们的位置变化符合广义相对论的预测。爱丁顿在 1919 年 11 月英国皇家学会的一次会议上宣布了这一结果，并在第二天成为全世界的头条新闻。其中最有名的是 1919 年 11 月 10 日出版的《纽约时报》的头条新闻："天上的光都变歪了……科学界的人们或多或少都很兴奋……人们不需要担心了"【29 】。这使爱因斯坦作为用他的新万有引力理论"纠正"牛顿的人而闻名于世，尽管广义相对论被更广泛的科学界接受还需要一些时间。
首先，因为对于我们科学家来说，一次测量实验是远远不够的。它必须重复进行，但不幸的是，日食并不是每天都会发生，而且天气也喜欢插一脚，坏了这场派对。其次，当时其他科学家对广义相对论的理解并不深刻。爱因斯坦的文章是用德语发表的，并不是每个人都能用自己的语言得到准确的翻译，这主要是因为翻译者也必须非常熟悉物理学和广义相对论。
爱因斯坦在广义相对论中从未预言过黑洞（人们普遍误认为他预言过黑洞），尽管早在爱因斯坦之前，黑洞的概念就已经有了一个粗略的草稿。1783 年，白天是牧师、晚上是天文学家的英国人约翰-米歇尔（John Michell）在脑海中产生了这样一个想法：天体的质量如此之大，以至于光都无法从其中逃逸，他将这种天体称为"暗星"。他甚至说，如果它们存在，我们仍然可以通过它们对其他可见天体的引力发现它们。
1915 年，就在广义相对论发表几个月后，德国物理学家和天文学家卡尔-施瓦兹柴尔德（Karl Schwarzschild）通过求解爱因斯坦方程，在不知不觉中首次发现了黑洞的数学描述（稍后详述）。施瓦兹柴尔德的解法所描述的一种可能情况是所有质量坍缩到一个点上。在这种情况下，方程中的许多项都变得无限大。甚至时间本身也会停止，因此这些物体被称为"冰冻恒星"。但是，如果我们从爱因斯坦描述引力（即空间和时间的曲率）的角度来思考这个问题，并回到我们对蹦床的比喻，我们就可以想象，把一个密度极大的重物放在蹦床上会造成一个非常陡峭的凹陷。你可能会说，这是一个洞。是的，就像我们要感谢爱因斯坦一样，我们或许也要抱怨他把空间"洞"的想法植入了人们的大脑。
当然，当时的物理学家并没有接受施瓦兹柴尔德的解决方案是现实的，而觉得这仅仅是理论上的好奇。我们现在所说的"黑洞"被称为"引力塌缩星"或 "塌缩星"，瑞士著名天文学家弗里茨-兹威基（Fritz Zwicky）在 1939 年的一篇论文中也是这么称呼它们的。但到了 1971 年，斯蒂芬-霍金本人在他的论文《质量极低的引力坍缩天体》中，用倒逗号把它们称为"黑洞"。那么，在 20 世纪 40 年代到 70 年代这段时间里，这个词是从哪里来的呢？"黑洞"一词的词源是什么？
是美国著名物理学家罗伯特-H-迪克（Robert H. Dicke）创造了这个短语，并最终在天文学研究界流传开来。不幸的是，迪克的灵感似乎来自于一段悲惨的历史，那是一个相当令人痛心的故事。1961 年，在达拉斯举行的第一届德克萨斯研讨会上，与会者报告说，迪克在发言中多次将"引力完全坍缩的恒星"与"加尔各答黑洞"相提并论；"加尔各答黑洞 "是印度加尔各答威廉堡地牢中的一个小牢房，面积仅为 4.30×5.50 米（14×18 英尺；约为三张双人床的大小）。
威廉堡的建造是为了保护英国东印度公司在加尔各答的贸易。然而，该地区的领袖、孟加拉的纳瓦布（Nawab of Bengal）西拉杰-乌德-达拉（Siraj ud-Daulah）下令停止修建。英国人还是继续施工，作为报复，达拉的部队围攻了要塞。除了留下 146 名士兵作为最后一道防线外，大部分英军都奉命弃守离开。要塞于 1756 年 6 月陷落，幸存的英国士兵全部被囚禁在"黑洞"中。在如此狭小的空间里关押了如此多的人，条件是如此狭窄，以至于一夜之间就有人死于窒息和中暑。关于死亡人数的报道各不相同，但历史学家估计有 64 人被囚禁，只有 21 人活过了那一夜。加尔各答的圣约翰教堂有一座纪念碑，是 1901 年为那些"在威廉堡黑洞监狱中丧生的人"建立的。【译者：是否所有64人都挤在一个黑洞里，没有说，也不知是否可能，之后查证。】
正是这一历史事件--人们在监狱中被挤压--相当病态地促使迪克使用这个词来形容物质被挤压和恒星在引力作用下倒塌的情况。他的同事之一是美国物理学家邱弘毅（Hong-Yee Chiu，"类星体"一词的发明人），"类星体"是"准恒星物体"的谐音。在他的启发下，科学记者安-尤因（Ann Ewing）于 1964 年为《科学新闻通讯》杂志撰写了一篇名为《太空中的"黑洞"》的文章，这也是该术语首次在报刊上出现。
【类星体 （英语：quasar，也以QSO或quasi-stellar object为人所知）是极度明亮的活动星系核。大多数星系的核心都有一个特大质量黑洞，它的质量从百万至数十亿太阳质量不等。最强大的类星体的光度超过1041 瓦特，是银河系等普通星系的数千倍。"类星体"这个名词源自于准恒星状电波源（quasi-stellar[star-like] radio source）的缩写。】
然而，约翰·惠勒被认为真正普及了这个名字，将这个术语从类比变成了真正的科学术语。【30】 1968 年，约翰-惠勒在纽约的美国宇航局戈达德研究所发表演讲，介绍他最近研究"引力完全塌缩物体"的工作，当时他开玩笑地抱怨这个词太长了，不方便一直重复。惠勒在自传中说，当时听众中有人提议"黑洞怎么样？"，他认为这个词简洁明了，具有"广告价值"，非常适合。于是，他全心全意地采用了这个术语，并在 1968 年为《美国科学家》杂志撰写的一篇文章中使用了它。1969年，德国天体物理学家彼得-卡夫卡（Peter Kafka）率先在一篇科研文章中使用了这个词，到1971年，斯蒂芬-霍金（Stephen Hawking）等人也纷纷效仿。"黑洞"一词已经深入人心，这让我后来非常恼火。
我想我应该庆幸，在 20 世纪 60 年代，将天文学中的所有内容都缩写成首字母的现代特例还没有流行起来，否则我可能会告诉所有人我研究的是 "GCCOs"（引力完全塌缩天体，哈）。但如果有机会，我会给黑洞取什么名字呢？如果我在20世纪60年代就在那里，并且和惠勒一样有影响力为这些最壮观的天体命名？
老实说，我也不确定，但如果我必须选择，我认为约翰·米歇尔"暗星"是我的最爱，并且不会引起人们对黑洞到底是什么的困惑。【31】 或者用 "山 "来形容黑洞的性质可能更恰当—因为"掉"进黑洞的东西并不只是消失了。事实上，黑洞中的物质会越积越多，以至于在某些情况下，黑洞中会挤压出超过一万亿倍太阳质量的物质。这简直就是一座物质山。只是你无法直接看到的山，因为连光都无法逃逸。我不想对塔米-特雷尔和马文-盖伊说这些，但事实证明，有座山足够高，足以让我无法接近你们。【译者：这两位美国灵魂歌手曾唱过"没有什么高山能阻止我来到你身旁（Ain't No Mountain High Enough）" 】