在一些人頭腦中，認為黑洞很“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)的認識誤區。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、表現方式、作用機制都是不一樣的。下面我們就一起來(lái)討論和認識一下這兩個(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(zhù)名的物理學(xué)家、天文學(xué)家卡爾·史瓦西在1916年發(fā)現的，他在愛(ài)因斯坦剛發(fā)表的廣義相對論場(chǎng)論基礎上，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)球狀對稱(chēng)空間。

史瓦西半徑的計算公式為：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?xún)?，就?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?chē)鷷?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，根據公式計算其史瓦西半徑約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(lèi)發(fā)現的黑洞，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)現呢？

黑洞的“黑”不是我們通常認為那種“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，因為光都被它“吃了”。既然如此，為什么還能夠被科學(xué)家發(fā)現呢？這是因為黑洞雖然隱形了，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。根據愛(ài)因斯坦場(chǎng)論，質(zhì)量會(huì )導致時(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 )被其強大的引力所捕獲，漸漸吃掉。

這樣就會(huì )在黑洞周?chē)纬梢粋€(gè)吸積盤(pán)，所有天體物質(zhì)都被黑洞的角動(dòng)量帶著(zhù)旋轉，越靠近的物質(zhì)旋轉就越快，在黑洞史瓦西半徑的交界處，旋轉速度甚至接近光速。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(xiàn)，如紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)、γ射線(xiàn)等，這些可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光都會(huì )被望遠鏡和相應的科學(xué)儀器所捕捉，因此黑洞就現形了。

黑洞巨大引力的存在，還會(huì )對周邊的天體造成擾動(dòng)，通過(guò)觀(guān)測周邊天體奇怪的運行軌跡，即便沒(méi)有吸積盤(pán)的黑洞，也會(huì )被發(fā)現。如距離我們只有1000光年的HR 6819三星系統（上圖），就是通過(guò)兩顆運行軌跡奇異的恒星發(fā)現的。這兩顆恒星圍繞著(zhù)一個(gè)看不見(jiàn)空間繞著(zhù)圈子，經(jīng)過(guò)長(cháng)期觀(guān)測計算，科學(xué)家最終得出結論，中間是一顆具有4倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞牽扯著(zhù)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(guān)測，發(fā)現大尺度天體運動(dòng)似乎是違反了牛頓萬(wàn)有引力定律，比如星系團的星系質(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，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(zhù)一個(gè)有序的抱團狀態(tài)呢？是牛頓錯了呢，還是這個(gè)世界還存在看不見(jiàn)沒(méi)發(fā)現的東西？經(jīng)過(guò)大量的觀(guān)測研究，科學(xué)家們傾向于牛頓沒(méi)錯，還是有些東西沒(méi)被發(fā)現，或者說(shuō)無(wú)法觀(guān)測，人們就把這種觀(guān)測不到的物質(zhì)命名為“暗物質(zhì)”。

經(jīng)過(guò)測算，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在，科學(xué)界精確計算出宇宙總質(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)對宇宙各個(gè)方向的星系團觀(guān)測計算表明，只要將暗能量比例代入計算，牛頓的萬(wàn)有引力定律又回來(lái)了，準確了。由此可以認為，牛頓沒(méi)有錯。在這廣袤的宇宙空間，的的確確存在著(zhù)一種神秘物質(zhì)，不但不被我們的視網(wǎng)膜所感知，對迄今為止的任何射電射線(xiàn)望遠鏡和科學(xué)儀器都不感知。

暗物質(zhì)存在的間接證據。

既然人類(lèi)目前無(wú)法通過(guò)任何儀器找到“暗物質(zhì)”，有哪些證據證明暗物質(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(zhù)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，以致形成整個(gè)宇宙大尺度結構?？梢哉f(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(zhù)宇宙的形成和演化，因此暗物質(zhì)存在是穩定的。通過(guò)計算機建模模擬，暗物質(zhì)的運動(dòng)速度遠遠低于光速，否則宇宙無(wú)法在引力作用下形成如今的大尺度結構，因此暗物質(zhì)又被稱(chēng)為“冷暗物質(zhì)”。

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

暗物質(zhì)的蛛絲馬跡。

曾經(jīng)有人認為中微子是暗物質(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(guān)測到。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行，因此被稱(chēng)為“熱暗物質(zhì)”；其二，中微子整體質(zhì)量遠遠不足以支撐整個(gè)宇宙的引力，只占宇宙總量的約0.0034%。

現在，人們在千米深的地底下建造了很多設施，也發(fā)射了許多探測器和衛星，還在大型對撞機里面做了很多實(shí)驗，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，這個(gè)“幽靈”到底啥模樣，能否揭開(kāi)還是個(gè)未知數。

現在，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構，在單個(gè)天體系統無(wú)法測量其存在。

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)”，對周?chē)祗w物質(zhì)會(huì )產(chǎn)生可觀(guān)測的影響，甚至轟轟烈烈的吞噬，因此較容易被發(fā)現；暗物質(zhì)的影響是大尺度難以確定范圍的，而且是鋪天蓋地潤物細無(wú)聲的滲透，小尺度上可以忽略不計，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(guān)，一個(gè)是宏觀(guān)。雖然都可以間接觀(guān)測，但對黑洞的觀(guān)測是可以形象看得見(jiàn)的觀(guān)測，而對暗物質(zhì)是只可意會(huì )，不可言傳，主要是通過(guò)數理建模，邏輯運算得出的結果。

通過(guò)這個(gè)分析，大家應該明白了黑洞和暗物質(zhì)的區別吧，不會(huì )再認為黑洞就是暗物質(zhì)了吧？如能夠為你解惑，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。


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