在2019年4月10日21點整，人類首張黑洞照片釋出，這是人類歷史上的里程碑。

那麼黑洞是什麼？是如何形成的？黑洞是宇宙中最神秘的物體之一。我麼如果要“製造”它，既需要廣義相對論也需要量子力學的知識。

黑洞是時空中的一片區域，其邊界有效地將其內部與我們的可觀測宇宙隔絕。在人們剛剛認識到黑洞時，只是認為它是廣義相對論中的奇怪結構，僅僅存在於數學之中，未必存在於現實。現在我們已經得知黑洞是真實存在的，畢竟我們都已經看過它了。

現在我們來一起“製造”一個黑洞。

第一步，找到一個大質量的恆星，並等待其死亡。恆星質量越大壽命越短，大質量恆星只有幾百萬年便會超新星爆炸。恆星的星核內部產生劇烈的聚變反應，不斷地產生元素，直至鐵核的形成，因為兩個鐵核結合需要吸收能量。由於能量來源的缺失，星核將自行塌縮，鐵原子中的電子被衝擊成光子，形成了中子星。

中子星，也是一個詭異的存在。一箇中子星只有一個城市的大小，但卻有著1。4倍的太陽質量。它的密度近乎原子核的密度，我們以脈衝星的形式看到它們。中子星其實也是個量子力學實體，正是一種量子現象暫時確保了它不會繼續塌縮，不過也會有另一種量子現象可以讓它突破限制，進而形成黑洞。

如果要理解量子物體的空間是怎樣的，我們不能以常規的三維空間或是四維時空來思考，而要在六維的量子相空間中去思考。對於一箇中子星，它的相空間包含三維位置空間及三維動量空間，其決定了中子星能被物質所佔據的空間。

中子星中的物質如何填充這六維量子相空間，取決於量子理論中兩個重要原則。分別是泡利不相容原理以及海森堡不確定原則。它們掌管著穩定與塌縮之間脆弱的平衡。泡利不相容原理本質上是說兩個“東西”不能同時佔據同一“位置”。注意這裡的“東西”是指費米子，包含所有常規物質的粒子型別，比如電子、光子以及中子。其中的“位置”指的是量子相空間中的位置。意思是說，只要兩個費米子的動量或其他量子屬性不同，它們是可以處於同一個

物理位置

的。

對於中子星而言，位置、動量相空間都已經擠滿了中子。當物質處於這種相空間完全充滿的詭異狀態時，我們稱之為

簡併物質。

因為粒子沒有位置可塌縮而導致這種簡併壓非常之強，強到足以能與中子星瘋狂的引力壓縮相抗衡。據我們所知，沒有方法能對抗泡利不相容原理。

不過幸好還有另一個量子現象能讓我們呢繞過泡利不相容原理，那就是海森堡不確定性原則。海森堡不確定性原則指量子實體的屬性是完全不確定的。在《

量子隧道效應超光速了嗎？

》我們有提到過。海森堡不確定性原則是指某對特定的物理量，比如位置與動量（質量乘以速度），或者時間與能量，在同時考慮時必然包含一個最小的不確定度。兩個量中如果一個比較確定，另一個必然非常不確定，會在一個很大的範圍中取值。

中子星由宇宙中最緻密的物質組成，所以其組成的中子所處位置會受到非常大的限制。因此，由海森堡不確定性原則可知，它們必然有著高度不確定的動量。換句話說，其中的中子在位置空間被壓縮得如此緊緻，以至於其動量空間變得無比巨大。中子星的質量越大，得到的動量空間也會越大。

如果在此時我們透過某種方式向中子星新增物質，比如把另一個恆星扔過去。這時中子星在空間上並不會變大，這些額外的物質必然需要去往某處，中子星必定會擴張，但不會在位置空間擴張，而是在動量空間中擴張。在位置空間中，中子星反而會變小。中子星物質越多，半徑越小。這是一種量子效應，即使它發生在中子星這樣的尺度上。

目前為止，中子星都保持在一個臨界規模之上。中子星表面的時空扭曲無比劇烈，時鐘顯著變慢。這時在中子星的表面下，隱藏著潛在的事件視界，在那個介面上，時間膨脹變得無限大。但只要中子星比那個未來介面更大，事件視界實際上不會存在。然而，如果我們繼續增加中子星的質量，中子星會縮小，而事件視界外擴。當達到3倍太陽質量時，中子星半徑與事件視界重合。於是，事件視界真正形成，中子星浸沒在其下。

我們終於“製造”出了黑洞。

可能你會擔心，劃入事件視界的中子星命運如何了。很遺憾地告訴你，所有事件視界內部的物質都從我們的宇宙中消失了。時空性質在黑洞內部徹底改變，所有幾何與時空路徑都朝內指向中心。黑洞剛剛形成時，內部的位置必然與原中子星的物質類似，但是沒有什麼能阻止終極塌縮。至於當物質抵達那個無窮小的點，即奇點，甚至是普朗克尺度時會發生什麼，物理學上目前還沒有答案。