在一些人頭腦中，認(rèn)為黑洞很“黑”，因此看不見(jiàn)；暗物質(zhì)很“暗”，也是看不見(jiàn)。既然這樣，它們不就是一回事了？看不見(jiàn)似乎成了暗物質(zhì)和黑洞的一個(gè)共同特點(diǎn)。

這是一個(gè)常見(jiàn)的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。其實(shí)黑洞和暗物質(zhì)是完全不同性質(zhì)的兩個(gè)事物，它們從來(lái)源、生成條件、表現(xiàn)方式、作用機(jī)制都是不一樣的。下面我們就一起來(lái)討論和認(rèn)識(shí)一下這兩個(gè)事物。

先說(shuō)說(shuō)黑洞形成的條件。

黑洞是巨大質(zhì)量的天體，在自身極端的引力壓力下，物質(zhì)無(wú)法支撐可見(jiàn)的存在形態(tài)，被壓縮成比基本粒子還小，最后成為無(wú)形質(zhì)量，并無(wú)限坍縮到核心那個(gè)無(wú)限小奇點(diǎn)上。奇點(diǎn)具有“四個(gè)無(wú)限”性質(zhì)，即體積無(wú)限小、密度無(wú)限大、溫度無(wú)限高、曲率無(wú)限大。

黑洞的解是著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家卡爾·史瓦西在1916年發(fā)現(xiàn)的，他在愛(ài)因斯坦剛發(fā)表的廣義相對(duì)論場(chǎng)論基礎(chǔ)上，得到了一個(gè)重力場(chǎng)的精確解，即任何具有質(zhì)量的物體，都有自己的史瓦西半徑，這是一個(gè)球狀對(duì)稱空間。

史瓦西半徑的計(jì)算公式為：R=2MG/c^2。R就是史瓦西半徑，M為物體質(zhì)量，G為引力常量，c為光速。這個(gè)公式的含義是，不管這個(gè)物體有多大，一旦被巨大力量壓縮到自己質(zhì)量的史瓦西半徑以內(nèi)，就會(huì)成為一個(gè)黑洞，中心是具有“四個(gè)無(wú)限”特點(diǎn)的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)周圍會(huì)形成一個(gè)以史瓦西半徑為界的球形空間，這個(gè)空間有無(wú)限曲率，任何物質(zhì)進(jìn)入這個(gè)范圍都會(huì)被吃掉，消弭于無(wú)形的奇點(diǎn)里，光也無(wú)法逃逸。

這個(gè)球形的史瓦西半徑有多大呢？太陽(yáng)質(zhì)量為1.9891*10^30kg，根據(jù)公式計(jì)算其史瓦西半徑約3000m（米）；地球質(zhì)量為5.965*10^24kg，史瓦西半徑只有約9mm（毫米）。就是太陽(yáng)這個(gè)半徑約70萬(wàn)km的球，如果被壓縮到只有3km半徑這么大，地球這個(gè)半徑6371km的球，壓縮到半徑9mm這么大，就會(huì)成為一個(gè)黑洞。

質(zhì)量再小的原子、質(zhì)子、中子、電子，都有史瓦西半徑，理論上，把它們壓縮進(jìn)自己的史瓦西半徑里，都會(huì)變成一個(gè)微型黑洞。但目前人類發(fā)現(xiàn)的黑洞，都是在自然條件下形成的，而且都是大質(zhì)量天體形成的，最小質(zhì)量的黑洞約為太陽(yáng)質(zhì)量的3倍。

既然黑洞是“黑的”，為啥還能發(fā)現(xiàn)呢？

黑洞的“黑”不是我們通常認(rèn)為那種“伸手不見(jiàn)五指”的黑，而是完全“沒(méi)有”的黑，就像不存在一樣，因?yàn)楣舛急凰俺粤恕?。既然如此，為什么還能夠被科學(xué)家發(fā)現(xiàn)呢？這是因?yàn)楹诙措m然隱形了，但其自身“氣場(chǎng)”太大了，實(shí)體隱形了，但“氣場(chǎng)”隱不了。

這個(gè)“氣場(chǎng)”就是黑洞的電荷、質(zhì)量、角動(dòng)量。根據(jù)愛(ài)因斯坦場(chǎng)論，質(zhì)量會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲，也就是形成引力，黑洞不見(jiàn)了，但它巨大的引力依然存在于宇宙空間，由于黑洞體積很小，靠近黑洞的天體或任何物質(zhì)，都會(huì)被其強(qiáng)大的引力所捕獲，漸漸吃掉。

這樣就會(huì)在黑洞周圍形成一個(gè)吸積盤(pán)，所有天體物質(zhì)都被黑洞的角動(dòng)量帶著旋轉(zhuǎn)，越靠近的物質(zhì)旋轉(zhuǎn)就越快，在黑洞史瓦西半徑的交界處，旋轉(zhuǎn)速度甚至接近光速。物質(zhì)在這種極速的碰撞中，迸發(fā)出巨大的能量，發(fā)出耀眼的光芒，不但發(fā)出可見(jiàn)光，還會(huì)迸發(fā)出能量射線，如紫外線、X射線、γ射線等，這些可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光都會(huì)被望遠(yuǎn)鏡和相應(yīng)的科學(xué)儀器所捕捉，因此黑洞就現(xiàn)形了。

黑洞巨大引力的存在，還會(huì)對(duì)周邊的天體造成擾動(dòng)，通過(guò)觀測(cè)周邊天體奇怪的運(yùn)行軌跡，即便沒(méi)有吸積盤(pán)的黑洞，也會(huì)被發(fā)現(xiàn)。如距離我們只有1000光年的HR 6819三星系統(tǒng)（上圖），就是通過(guò)兩顆運(yùn)行軌跡奇異的恒星發(fā)現(xiàn)的。這兩顆恒星圍繞著一個(gè)看不見(jiàn)空間繞著圈子，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)計(jì)算，科學(xué)家最終得出結(jié)論，中間是一顆具有4倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞牽扯著這“兩兄弟”。

再來(lái)說(shuō)說(shuō)暗物質(zhì)。

最早提出暗物質(zhì)可能存在的是荷蘭物理學(xué)家雅各布斯·卡普坦?？茖W(xué)家們通過(guò)大量的天文觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)大尺度天體運(yùn)動(dòng)似乎是違反了牛頓萬(wàn)有引力定律，比如星系團(tuán)的星系質(zhì)量總和，產(chǎn)生的引力根本無(wú)法束縛這些星系形成一個(gè)這樣的星系團(tuán)，按照萬(wàn)有引力定律，這些星系將會(huì)四分五裂一盤(pán)散沙。

是什么力量讓這些星系維持著一個(gè)有序的抱團(tuán)狀態(tài)呢？是牛頓錯(cuò)了呢，還是這個(gè)世界還存在看不見(jiàn)沒(méi)發(fā)現(xiàn)的東西？經(jīng)過(guò)大量的觀測(cè)研究，科學(xué)家們傾向于牛頓沒(méi)錯(cuò)，還是有些東西沒(méi)被發(fā)現(xiàn)，或者說(shuō)無(wú)法觀測(cè)，人們就把這種觀測(cè)不到的物質(zhì)命名為“暗物質(zhì)”。

經(jīng)過(guò)測(cè)算，這種暗物質(zhì)占宇宙全部物質(zhì)總量的85%，也就是說(shuō)，我們宇宙中可以看見(jiàn)的物質(zhì)只占5%，看不見(jiàn)的物質(zhì)占85%。只有這樣，才能夠符合牛頓萬(wàn)有引力定律?，F(xiàn)在，科學(xué)界精確計(jì)算出宇宙總質(zhì)能包括68.3%的暗能量，26.8%的暗物質(zhì)，4.9%的可見(jiàn)物質(zhì)。

通過(guò)對(duì)宇宙各個(gè)方向的星系團(tuán)觀測(cè)計(jì)算表明，只要將暗能量比例代入計(jì)算，牛頓的萬(wàn)有引力定律又回來(lái)了，準(zhǔn)確了。由此可以認(rèn)為，牛頓沒(méi)有錯(cuò)。在這廣袤的宇宙空間，的的確確存在著一種神秘物質(zhì)，不但不被我們的視網(wǎng)膜所感知，對(duì)迄今為止的任何射電射線望遠(yuǎn)鏡和科學(xué)儀器都不感知。

暗物質(zhì)存在的間接證據(jù)。

既然人類目前無(wú)法通過(guò)任何儀器找到“暗物質(zhì)”，有哪些證據(jù)證明暗物質(zhì)存在呢？

暗物質(zhì)最主要的作用，還是質(zhì)量和引力。在我們看不見(jiàn)的空間，到處都存在著暗物質(zhì)，這些暗物質(zhì)具有質(zhì)量，而引力是質(zhì)量的基本屬性，凡有質(zhì)量的東西都具有引力，因此暗物質(zhì)的引力無(wú)處不在。正是暗物質(zhì)作用，才使各種天體能夠形成，并且能夠聚集成團(tuán)，以致形成整個(gè)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)。可以說(shuō)沒(méi)有暗物質(zhì)，就沒(méi)有今天的宇宙，也沒(méi)有你我的存在。

由于暗物質(zhì)不參與電磁相互作用，而且與光子相互作用也非常微弱，因此暗物質(zhì)不發(fā)光，我們無(wú)法看到；暗物質(zhì)也不參與強(qiáng)相互作用，否則宇宙最開(kāi)始核子的合成就會(huì)受到擾動(dòng)，現(xiàn)在的宇宙元素組成就不會(huì)是這個(gè)樣子了。

很可能在宇宙大爆發(fā)不久，暗物質(zhì)就存在了，100多億年來(lái)一直影響著宇宙的形成和演化，因此暗物質(zhì)存在是穩(wěn)定的。通過(guò)計(jì)算機(jī)建模模擬，暗物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光速，否則宇宙無(wú)法在引力作用下形成如今的大尺度結(jié)構(gòu)，因此暗物質(zhì)又被稱為“冷暗物質(zhì)”。

這些暗物質(zhì)存在的證據(jù)，都是間接得出的，至今人們并沒(méi)有觀測(cè)到暗物質(zhì)到底是什么樣子，有多大和什么樣的結(jié)構(gòu)。

暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

曾經(jīng)有人認(rèn)為中微子是暗物質(zhì)，事實(shí)上中微子也有諸多性質(zhì)和暗物質(zhì)差不多，比如，都無(wú)法被直接觀測(cè)到。但中微子有兩點(diǎn)與“冷暗物質(zhì)”不同，其一就是其以接近光速運(yùn)行，因此被稱為“熱暗物質(zhì)”；其二，中微子整體質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐整個(gè)宇宙的引力，只占宇宙總量的約0.0034%。

現(xiàn)在，人們?cè)谇咨畹牡氐紫陆ㄔ炝撕芏嘣O(shè)施，也發(fā)射了許多探測(cè)器和衛(wèi)星，還在大型對(duì)撞機(jī)里面做了很多實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這種立體方式布下天羅地網(wǎng)，企圖找到暗物質(zhì)的蛛絲馬跡，但迄今為止還幾乎沒(méi)找到一例直接證據(jù)，這個(gè)“幽靈”到底啥模樣，能否揭開(kāi)還是個(gè)未知數(shù)。

現(xiàn)在，我們可以看看黑洞和暗物質(zhì)有哪些不同。

首先，它們存在的形式是不一樣的。黑洞一般是局部存在的形式，是單個(gè)的天體，影響范圍只是一個(gè)區(qū)域；暗物質(zhì)是彌漫性存在的，遍布宇宙每一個(gè)角落，影響范圍是大尺度天體結(jié)構(gòu)，在單個(gè)天體系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量其存在。

其次，它們的隱身方法是不一樣的。黑洞只是隱藏在某一個(gè)角落，但掩蓋不住自己的“氣場(chǎng)”，對(duì)周圍天體物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生可觀測(cè)的影響，甚至轟轟烈烈的吞噬，因此較容易被發(fā)現(xiàn)；暗物質(zhì)的影響是大尺度難以確定范圍的，而且是鋪天蓋地潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的滲透，小尺度上可以忽略不計(jì)，但在整個(gè)宇宙，所有可見(jiàn)物質(zhì)都無(wú)法逃脫其控制。

因此，這兩種存在，一個(gè)是微觀，一個(gè)是宏觀。雖然都可以間接觀測(cè)，但對(duì)黑洞的觀測(cè)是可以形象看得見(jiàn)的觀測(cè)，而對(duì)暗物質(zhì)是只可意會(huì)，不可言傳，主要是通過(guò)數(shù)理建模，邏輯運(yùn)算得出的結(jié)果。

通過(guò)這個(gè)分析，大家應(yīng)該明白了黑洞和暗物質(zhì)的區(qū)別吧，不會(huì)再認(rèn)為黑洞就是暗物質(zhì)了吧？如能夠?yàn)槟憬饣?，是時(shí)空通訊莫大的榮幸。如喜歡就給個(gè)關(guān)注和點(diǎn)贊吧，謝謝閱讀，歡迎討論。


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】，了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情