下次遇到晴朗的夜晚，万里无云，你想走出去抬头看看外面的景色之前，请在门边闭目站几分钟，给你的眼睛一点时间来适应黑暗。即使是年幼的孩子也会注意到，当你在他们睡前第一次关掉床头灯时，房间会是一片漆黑。但半夜醒来，即使在最暗的灯光下，孩子也能看清形状和特征。
【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。第一章 群星为何闪耀】
因此，如果你想真正被夜空所震撼，请先让眼睛从家中的明亮灯光中休息一下。让你的夜视能力得到充分发挥，这样你就不会失望了。只有当你的眼睛做好了准备，你走出家门的时候，才能改变对世界的看法。不要向下看，向前看，而是向上看，看成千上万的星星迸发在眼前。之前在黑暗中站得越久，或者闭上眼睛时间越长，你的夜视能力就会越强，看到天空中的星星也会越多。
当你凝望天空时，你可能会发现一些你认识的东西，比如我们称之为星座的星星图案中的形状，包括猎户座或北斗七星（犁头座）【4】。不过，只要你凝视天空，注意到某颗星星的亮度或位置，你就会成为古今中外人类文明中众多人之一，他们都曾做过同样的事情，并发现自己被天空的美丽所震撼。恒星和行星长期以来在社会中扮演着重要的文化、宗教或实用角色。从陆地或海上航行，到帮助人们掌握季节，从而发展出最早的历法。
在现代社会中，我们已经失去了与夜空之间与生俱来的联络感，由于城市中无处不在的光污染将星星全部淹没，我们中的许多人都无法注意到星星是如何随着季节的变化而变化的，也无法分辨出来访的彗星。如果你有幸生活在可以看到星星的地方，也许你会注意到月亮的位置每晚都在变化，或者一颗特别明亮的"星星"随着月份的推移在天空中游荡。希腊人也注意到了这些"游荡的星星"，并将它们称为：planētai，意思是游荡者（现代英语单词 planet 的词根）。
但并不是所有人都只会【像李白或者苏轼那样】抬头欣赏美景。我们中的一些人想要答案；想要对我们在天空中看到的事物做出解释。这是人类天生的好奇心。几个世纪以来，恒星的本质以及恒星如何发光一直是困扰人类的问题。1584 年，意大利哲学家乔尔达诺-布鲁诺（Giordano Bruno）第一个提出恒星本身可能是遥远的太阳，甚至认为恒星可能也有自己的行星围绕着它们运行。这一观点在当时引起了极大的争议。而且只是在波兰数学家和哲学家尼古拉斯-哥白尼（Nicholas Copernicus）提出了太阳而非地球是太阳系中心这一优美的数学观点之后的第四十一年，哥白尼非常喜欢圆形的简洁性和数学美感，他认为如果以太阳为中心来排列太阳系，行星围绕太阳做圆周运动，这将是数学上最美的排列方式。从天文学角度来说，他并不一定是认真的，他只是喜欢整个想法的几何形状。
但又过了几十年，一些人开始从天文学角度支持这一观点，比如布鲁诺和他的意大利天文学家伽利略-伽利莱，他们最终都因这一所谓的违背天主教教义的异端邪说而受到惩罚。在接下来的一个多世纪里，第谷-布拉赫（Tycho Brahe）、约翰内斯-开普勒（Johannes Kepler）和艾萨克-牛顿（Isaac Newton）共同努力，汇集了大量证据，证明太阳位于太阳系的中心，1687 年牛顿的《天体物理学原理》出版后，这一观点最终被科学界和公众所接受。首先，牛顿确定了万有引力定律和行星的轨道运动，【从而让我们知道】，使我们困在地球表面【没有从地球上掉出去】的引力，也是月球绕地球运行和地球绕太阳运行的原因。行星围绕太阳的这些大致圆形的轨道解释了为什么行星在一年中的部分时间里似乎在天空中一天天地向后移动，这种现象被称为逆行运动。那些离太阳较近的行星在太阳的另一侧时，似乎在天空中向后移动（就像汽车在环形赛道的另一侧一样），【5 】而相对那些较远的行星来说，因为地球在其轨道上运动较快，当地球追赶上它们时，它们似乎也会向后移动。【those planets further out would appear to move backwards as Earth overtook them as it moved faster in its orbit.】
这里，逆行的水星看似在倒退，但它只是在"赛道"的另一端。
布鲁诺走在了时代的前列，他认为太阳是一颗和其他恒星一样的恒星，只是距离更近一些，但这仍然无助于揭示它们是如何发光的。然而，当人们意识到位于太阳系中心的太阳受到与我们在地球上所体验的相同力量的支配时，太阳就不再具有上帝般的地位，在人们的心目中变得更平凡。1700 年代的物理学家开始思考太阳和恒星是否可以通过燃烧等日常过程来提供能量，比如考虑燃烧煤炭是否可以产生足量的能量从而发光。剧透：不能。如果整个太阳都是由煤炭构成，那么按照目前的能量产生速度，只需 5000 年就会将煤炭燃烧殆尽。【6】鉴于有记载的历史比这更久远—吉萨大金字塔早在 4000 多年前就已建成--而且当时人们认为地球已有 6000 年的历史，这个想法最终被否定了。
那么，如果太阳不是由煤炭构成的，那它又是由什么构成的呢？弄清楚太阳是由什么构成的，成为 19 世纪物理学家们研究的重点，但第一个取得突破的却是一位巴伐利亚玻璃制造商。约瑟夫-里特-冯-弗劳恩霍夫出生于 1787 年，是一个世代以玻璃匠闻名的家族中 11 个孩子中最小的一个。他的故事有迪斯尼电影的所有套路：十几岁时，他成了孤儿，被送到慕尼黑一位为皇室制作装饰镜和玻璃的玻璃大师那里当学徒。他的师傅对他很残忍，剥夺了他接受教育的机会，还剥夺了他在天黑后阅读珍贵科学书籍的阅读灯。但有一天晚上，他主人的房子倒塌了，约瑟夫被活埋在里面。这在慕尼黑城引起了轩然大波，一位巴伐利亚王子甚至来到灾难现场，亲眼目睹了弗劳恩霍夫从废墟中被活活拉出。王子听说了约瑟夫的困境后，在王宫里为他安排了一位新主人，并向他提供了他所能得到的所有数学和光学书籍。这是一个真实的童话故事。
但故事并没有就此结束，弗劳恩霍夫最终在贝内迪克特伯伦的光学研究所工作，负责所有玻璃制造工作，改进打磨超光滑玻璃的方法，以用作望远镜的镜片。弗劳恩霍夫致力于解决的问题是了解玻璃会发生的讨厌的折射（光线方向的改变），折射会将部分光线散射成彩虹的颜色。这使得他的透镜并不完美。他试图测量光线在不同类型和形状的玻璃中的折射程度，即光线方向的改变程度。艾萨克-牛顿在 1600 年代就已经证明了白光是由彩虹的所有颜色组成的，并展示了折射是如何通过棱镜发生的，即棱镜较少改变红光的方向，较多改变蓝光的方向，使彩虹显现出来。如果你正在想象平克-弗洛伊德（Pink Floyd）的《月之暗面》（Dark Side of the Moon）专辑封面，那就对了。
弗劳恩霍夫遇到的问题是，彩虹的颜色之间没有明显的界限。下次你看天空中的彩虹时，看看能否分辨出绿色在哪里结束，蓝色在哪里开始：这是无法分辨的。这些颜色相互融合，让人赏心悦目，但如果你想测量每种颜色的光的方向改变了多少，就会感到非常沮丧。于是，弗劳恩霍夫开始尝试使用不同的光源。他注意到，当他使用燃烧硫磺的火焰发出的光时，彩虹中有一段黄橙橙的颜色比其他颜色要亮得多。他开始好奇太阳是否也会在光线中显示出这块明亮的黄色区域，于是他调整实验方法，不断改变光的路径，让彩虹覆盖更大的区域：他基本上成功地"放大"了彩虹，看到了更多的细节。通过这样做，他发明了第一台摄谱仪；这台仪器是现代天文学和天体物理学的基石。
随后，弗劳恩霍夫用他的分光仪去看来自太阳的光，这让他大吃一惊；他发现来自太阳的光中有一些颜色完全消失了，取而代之的是更亮的光斑。这就是彩虹中的暗线，也是之前没有人发现的缺口。他一开始给十个最明显的暗部贴上标签，最终在来自太阳的光的彩虹中记录了 574 个缺口。如果你能放大天空中的彩虹，你看到的总是这样。
弗劳恩霍夫对这一发现很感兴趣，他进一步研究发现，月球、行星和地球上的物体反射的阳光中也会出现间隙。但他并不确定光中的间隙是太阳光的真实属性，还是光线穿过地球大气层时造成的。于是，他用摄谱仪观察其他恒星发出的光，比如猎户座附近的亮星天狼星，即"狗星"【7 】（猎户座应该是一个猎人的形象，旁边还有一个较小的猎狗星座，天狼星是其中最亮的一颗星）。弗劳恩霍夫注意到，天狼星发出的光线中再次出现了缝隙，但它们的位置完全不同，图案也与阳光不同。因此，他的结论是，造成这些间隙的不是地球的大气层，而是恒星本身的性质。
凭借 1814 年的这一发现，弗劳恩霍夫基本上开启了我们所知的现代天体物理学，他应当“从此过上了幸福的生活”。或者说，至少在迪斯尼电影中，弗劳恩霍夫的一生会是这样结束的。实际上，他在 1826 年死于肺结核，年仅 39 岁。他工作的玻璃熔炉含有有毒的氧化铅，这很可能是导致他死亡的原因。
弗劳恩霍夫英年早逝，这意味着他没能活着看到几十年后，即 1859 年，德国物理学家古斯塔夫-基尔霍夫（Gustav Kirchoff）和化学家罗伯特-本生（Robert Bunsen）如何解释太阳光虹中的这些间隙。基尔霍夫和本生当时并没有去解释弗劳恩霍夫所看到的现象，而是利用本生的新发明研究其他东西，这种新发明可以产生一种非常热的、无烟尘的火焰（亮度也不刺眼），供实验室使用。如今，从高科技研究机构到学校的化学教室，全世界每个科学实验室都有一个本生灯。
使用本生灯，基尔霍夫和本生在火焰中燃烧各种不同的元素，并记录下发出的光的颜色。他们甚至使用了最新升级版的弗劳恩霍夫分光仪，将发出的光分成不同的颜色。他们发现，每种元素燃烧时发出的光都有特定的颜色或波长。例如，钠的燃烧颜色是明亮的黄色，波长正好是 589 纳米（0.000000589 米），这就是使用钠灯的老式黄色路灯的颜色。基尔霍夫注意到，弗劳恩霍夫记录的太阳彩虹光中的一个缺失缺口也正好是 589 纳米。难道太阳中也有钠，但它不是发射这种颜色的光，而是吸收这种颜色的光吗？
随后，基尔霍夫和本生将他们在实验室中分类的元素所发出的所有波长与弗劳恩霍夫记录的波长进行交叉对比，发现到处都是匹配的波长，这表明太阳含有钠、氧、碳、镁、钙、氢和许多其他元素。这基本上证实了太阳确实是由我们在地球上发现的相同元素构成的。为了纪念他，基尔霍夫和本生将太阳光虹中的缝隙称为 “弗劳恩霍夫线"。
上图：太阳的彩虹被光谱仪分割开来，显示出弗劳恩霍夫发现的缺失的颜色。最终，本生和基尔霍夫证明，这些颜色是由太阳中的元素吸收这些颜色造成的，从而揭示了太阳是由什么构成的。
因此，在 1859 年，太阳由什么构成的问题已经解决，但太阳如何利用构成地球的相同元素为自己提供能量的问题仍未解决。1863 年 8 月，《科学美国人》刊登了一篇精彩的文章，题为”专家怀疑太阳真的是在燃烧煤炭"，文章写道：
太阳很可能不是一个燃烧体，而是一个白炽体。它的光与其说是燃烧的熔炉，不如说是发光的熔融金属。
换句话说，它和地球差不多，但由于某种原因，温度要高得多，以至于会发光。
这篇文章基于英国物理学家威廉-汤普森和德国物理学家赫尔曼-冯-亥姆霍兹的研究成果。威廉-汤普森后来被称为开尔文勋爵，因为他是第一位被提升为上议院议员的科学家（温度的科学单位开尔文就是以他的名字命名的）。开尔文和亥姆霍兹是热力学领域的巨匠：他们开创了我们对热量和温度的认识。1856 年，亥姆霍兹发表了他的观点：太阳之所以产生热量，是因为它在重力作用下受到挤压，实质上是将重力挤压产生的巨大能量向内转移，转化为动能，从而使原子（所有元素的组成成分）获得更多能量，移动得更快，从而加热太阳，使其像一块热金属或熔化的玻璃一样发光。
1863 年，开尔文利用赫姆霍兹的想法计算出，太阳能够以这种方式为自己提供能量至少 2000 万年--远远长于地球假定的 6000 年年龄，这个年龄曾让"太阳是由煤炭提供能量"的计算方法一筹莫展。同年，开尔文还将热传导的思想应用于地球，计算出地球的年龄，假设地球曾经是熔融的，后来冷却了足够长的时间，才有了我们可以站立的坚硬的岩石外壳。开尔文计算出地球的年龄也必须在 2000 万年左右。【8】 开尔文的两个估计值—太阳年龄和地球年龄--的相似性被解释为一种成功。如果地球和太阳是由相同的元素混合在同一时间形成的，那么这就最终解释了地球和太阳所共有元素的相似性，并一举解决了太阳的动力问题。
因此，物理学家们很高兴，但生物学家和地质学家们肯定不高兴。因为在开尔文做出年龄估计的短短几年前，即 1859 年，一位名叫查尔斯-达尔文的生物学家出版了《物种起源》一书，详细阐述了他的新进化论。他在书中说，地球上的所有生命都是从一个共同的祖先进化而来，在自然选择（即几年后赫伯特-斯宾塞所说的"适者生存"）的作用下，通过不同的变异产生分支。到 19 世纪 70 年代，科学界的大多数人--以及关注此事的公众--都接受了进化论的观点。只是有一个问题：进化过程需要时间，需要很多时间。达尔文本人在 1872 年版的《物种起源》中评论说，开尔文估计的 2000 万年地球年龄不足以让进化发生。进化需要数十亿年，而不是数百万年。
与此同时，地质学家试图用自己的方法计算地球的年龄。或者通过计算岩石形成和沉积的速度，或者通过考虑海洋中盐分的积累。提出这一想法的是爱尔兰地质学家兼物理学家约翰-乔利；1899 年，他推断盐（即氯化钠）会从岩石中溶解出来，流入河流，然后汇入大海。如果地球上的海洋最初形成时没有盐分，那么根据盐分在河流中流动的速度，就可以推算出盐分积累到我们今天测量到的海洋浓度需要多长时间，从而推算出地球的年龄。乔利估计，海洋中的钠含量为 14151 万亿吨，而在河流中，每立方英里水体中的钠含量为 24106 吨。他还估计，每年离开河流进入海洋的总水量为 6524 立方英里。通过计算，可以推算出海洋中盐分的积累需要近 9000 万年的时间。
这更接近于生物学家们的预期--仍然不是达尔文进化论所期待的数十亿年，但却敲响了开尔文估计太阳年龄的丧钟。1895 年，法国物理学家亨利-贝克勒尔（Henri Becquerel）发现铀原子不稳定，会随着时间的推移自发地转化为更稳定的元素，并在此过程中释放出辐射，这开启了另一项突破。他的博士生、法籍波兰物理学家和化学家玛丽-斯克沃多夫斯卡-居里决定在她的博士论文中使用她的丈夫皮埃尔-居里（当时研究晶体）15 年前发明的一种测量电荷的工具来研究这种辐射。她发现铀原子发出的辐射会使其周围的空气导电，并假设辐射一定来自原子本身（而不是与空气分子相互作用产生的）。
1897 年女儿伊蕾娜出生后，居里致力于寻找更多的不稳定元素，她发现了钍，并发现钍产生的辐射是铀的四倍。到 1898 年，她的丈夫皮埃尔放弃了自己的晶体研究工作，转而从事玛丽更感兴趣的未知辐射研究。到这一年年底，他们宣布又发现了两种不稳定元素，一种是为了纪念玛丽的故乡波兰而命名的钋（polonium），另一种是拉丁文中"射线"一词的缩写镭（radium）。由此，他们创造了"放射性"一词。1903 年，玛丽-居里、皮埃尔-居里和亨利-贝克勒尔因发现和描述放射性而获得诺贝尔物理学奖。
放射性发现的关键在于它确定了不稳定元素的转化（或 "衰变"）是以恒定的速率进行的。如果你能测量不稳定元素的数量，并将其与衰变成的稳定元素进行比较，那么你就能算出它衰变了多久。这是地质学革命性的突破。到 1907 年，这种”放射性年代测定"方法已应用于地球岩石，表明地球（以及它所环绕的太阳）至少有几十亿年的历史。
终于，人们找到了这个地球年龄值，那个所有生物学家要相信达尔文进化论的地球年龄。但是，这个数值却给物理学家们带来了更多痛苦，他们试图确定太阳是如何发光的，因此最终放弃了开尔文的想法。虽然放射性会产生热量（足以解释地球散发的热量），但它还不足以成为太阳的唯一能量来源。因此，在二十世纪初，我们对太阳的年龄有了一个基本概念（至少和地球一样古老），但却不知道它怎么可能闪耀那么久。
现在，我们要让德国物理学家阿尔伯特-爱因斯坦从舞台入场了。与霍金一样，爱因斯坦的名字也许是黑洞的代名词。他甚至应该是黑洞的鼻祖，他的理论开启了数十年对引力、空间和时间本质的研究。但对于这部分故事，我们只需要提一下他在 1905 年提出的最著名的方程（可以说是有史以来最著名的方程）：E = mc2。E 代表能量，m 代表质量，c 代表光速--高达每秒 299,792,458 米。这意味着，能量和质量是等价的—它们本质上是一回事，并且有着内在联系。质量可以转化为能量。【12】 这里终于可以解释太阳数十亿年来产生的巨大能量从何而来；它正在将其巨大的质量直接转化为能量。但如何转化呢？
1919 年，法国物理学家让-巴蒂斯特-佩兰（Jean Baptiste Perrin）提供了第一条线索，他因证明单个原子可以结合在一起形成分子而获得了 1926 年诺贝尔物理学奖。例如，O2 就是由两个氧原子结合在一起形成的氧分子。在研究原子和分子的过程中，他发现一个有四个粒子的氦原子的重量小于四个各有一个粒子的氢原子核的总重量。质量差很小，仅为 0.07%，但根据 E = mc2，微小的质量可以转化为巨大的能量。佩林【13】意识到他的发现意义重大，并提出这可能就是太阳的能量来源。如果能把四个氢原子聚在一起生成氦，那么剩余的质量就能转化为能量，以光的形式释放出来。问题是，佩林并没有一个物理模型来说明这究竟是如何发生的。他指出，氢原子的中心核带正电荷，会以巨大的力量相互排斥（原子的中心核带正电荷，周围环绕着较小的带负电荷的粒子，即电子）。
1920 年，英国物理学家阿瑟-爱丁顿（Arthur Eddington）以其倔强让世人相信，如果四个氢原子核融合成氦的过程会在任何地方发生，那么它就一定发生在恒星中。1920年，爱丁顿已经是家喻户晓的人物，他撰写了大量文章向英语世界解释爱因斯坦最新的广义相对论（稍后详述）。爱丁顿在 1920 年提出了几个推论：第一，使用与开尔文勋爵本人相同的方法，恒星中心的温度约为 1,000 万摄氏度，在这种温度下，我们对原子核相互作用以及使带正电的氢原子核相互排斥的斥力的理解可能会瓦解。其次，太阳只需要有 5% 的质量是氢，就能产生足够的能量，使其在地球存在的数十亿年中持续燃烧。在接下来的几十年里，这些观点都被证明是正确的，这也进一步提升了爱丁顿作为 BNIP（物理学界大名人）的地位。
1925 年，出生于英国的美国天文学家塞西莉亚-佩恩-加波什金发表了她的博士论文。她的研究表明，弗劳恩霍夫在太阳光虹中发现的缺口意味着氢元素比太阳中的其他元素多出一百万倍。太阳中的氢元素远不止 5%。最后一块揭秘的部分也来了：1928 年，美俄物理学家乔治-伽莫夫（George Gamow）通过数学运算，发现存在着很微小的一点可能性，氢原子核与另一个氢原子核之间可以克服它们的电斥力，从而融合在一起。这个概率可能小得令人难以置信，但关键的是，它并不是零。因此，如果你有足够多的氢挤在一个地方，就像在太阳中一样，那么理论上，这种跳过斥力的情况可以发生足够多次，从而产生足够的能量，使太阳发光。【译者：这里的“因此”，不是特别有说服力。事实上，还有之后的其它诺贝尔奖级别的发现使得这个过程被人接受。】
问题终于解决了。氢是太阳和夜空中所有星星的燃料：核聚变让它们闪闪发光。我不禁在想，如果我们看不到星星，我们还能知道多少这个故事呢？我们还会想到问”是什么让星星闪耀"这样的问题吗？我们会意识到太阳到底是什么吗？也许，如果地球是在围绕两颗恒星运行的轨道上，这样地球两边都是白天，我们就会有无尽的白天，而永远看不到夜空。我们将永远不知道要问什么问题？哪些知识和技术的进步会让我们看不到？
我认为，人类对夜空的好奇心值得我们深深感谢。尤其是我们能了解我最喜欢的东西：黑洞。因为一旦我们弄清了恒星是如何闪耀的，就不可避免地引出了另一个问题：当燃料耗尽时会发生什么？恒星死亡时会发生什么？正是这个简单的问题最终把我们引向了黑洞。