摘要：历史往往比我们想象的更有趣，也更出人意料。你可能想不到，就在爱因斯坦还没出生前一百多年，甚至在人们连光到底是粒子还是波都还没吵明白的时候，就有人，而且还不止一个，已经模模糊糊地“预见”到了宇宙中可能存在一种特别怪异的天体，叫“看不见的发光体”，这种天体发光，但
2025.6.26
关于黑洞的故事，我必须要从牛顿开始讲起。你可能会觉得奇怪，黑洞不是爱因斯坦提出了相对论之后才有的东西吗？怎么和牛顿扯上关系了？
历史往往比我们想象的更有趣，也更出人意料。你可能想不到，就在爱因斯坦还没出生前一百多年，甚至在人们连光到底是粒子还是波都还没吵明白的时候，就有人，而且还不止一个，已经模模糊糊地“预见”到了宇宙中可能存在一种特别怪异的天体，叫“看不见的发光体”，这种天体发光，但是却“看不见”。
300 多年前的重大发现
既然我要用一个长长的系列节目把黑洞讲透，那我就必须先带着你回顾一下牛顿和他提出的万有引力定律。
一个广为流传的故事是，一个苹果砸到了牛顿的脑袋上，结果砸出了万有引力。当然，这个故事多半是后人编出来的，用来说明伟大发现往往源于对日常现象的深度思考，但它背后的核心思想是真的：牛顿确实是从苹果落地这件我们看来再平常不过的事情中，通过他那天才的思考，洞察到了一个极其不平常的、具有宇宙普遍性的道理。
牛顿天才地洞察到：让苹果掉下来的力，和让月亮绕着地球转、地球绕着太阳转的力，是同一种力，也就是“万有引力”。宇宙中任何有质量的东西，从苹果到行星，都在互相“拉扯”！这想法在当时可是石破天惊，打破了“天上”和“地下”具有不同规则的旧观念。更厉害的是，牛顿还用一个简洁优美的数学公式 F=GMm/r²，精确描述了这个力的大小：与物体的质量成正比，与距离的平方成反比。
这个定律是如此优美简洁，它能自然而然地推导出开普勒行星运动三定律，精确预言日月星辰的运行规律，精确到分秒不差。万有引力定律加上牛顿运动三定律，就建成了整个牛顿经典力学大厦，牛顿也因此被封神。
米歇尔牧师的“黑暗之星”？
就在牛顿去世后没多少年，大概是 1783 年，英国有一位名叫约翰·米歇尔的牧师，他可不是我们印象里那种只懂念经布道的普通神职人员，他博学多才，对地质学、天文学都有着浓厚的兴趣，是一位相当厉害的自然哲学家，甚至被认为是地震学之父。这位米歇尔神父，就在他研究地震波、思考地球构造之余，也开始琢磨起牛顿的万有引力定律了。
约翰·米歇尔（ John Michell 1724 – 1793）
牛顿在它的传世名著《自然哲学的数学原理》中，用万有引力定律推导了一个逃逸速度公式。从任何一个天体的表面向上抛一个球，如果这个球出手的速度能达到 √2GM/R 就能逃脱天体的引力飞向外太空。我解释一下，也就是把天体的质量乘以 2 再乘以万有引力常数，然后除以天体的半径，得出的结果再开一个平方根，就是逃逸速度。用这个公式很容易算出地球的逃逸速度是 11.2千米/秒，这也就是所谓的第二宇宙速度。
米歇尔看到这个逃逸速度，脑子里突然蹦出一个非常怪异的念头，他想：
如果这个逃逸速度达到了光的速度，会怎么样？
这里我必须要插入一个背景知识，在米歇尔的年代，人们对光的认知普遍接受牛顿的微粒说。也就是说，牛顿认为光是由一颗颗极其微小的光粒子构成的，这些光粒子虽然小，但它本质上和一个有质量的小球是一样的，每一个光粒子也都遵循牛顿运动三定律和万有引力定律。
左：牛顿的微粒说
米歇尔的想法是，如果一个天体的逃逸速度真的达到甚至超过了光速，那是不是就意味着，就算这个天体本身在发光，那些光粒子也不可能飞得出去，向上飞不了多高，就会被天体的巨大引力给拽回来。就像我们往天上扔一块石头，不管怎么扔，最后这块石头总是会掉下来一样。
这么一想，米歇尔得出了一个在当时看来绝对是异想天开的结论：宇宙中可能存在一种完全看不见的星星，他称之为“暗星”（Dark Star）。这种星星质量巨大，或者极其致密，引力超强，以至于连光粒子都无法从它的表面逃脱，所以我们永远也看不见它。
米歇尔还动手做了这样一个计算，如果一个和我们的太阳质量差不多的恒星，它的半径被某种神秘力量压缩到只有大约 3 公里左右，那它就会变成一颗“暗星”。
怎么样，米歇尔神父的脑洞够大的吧。尽管他自己也觉得有点儿异想天开，但他还是挺认真地把自己的想法写成了一封长信，寄给了当时英国皇家学会的大佬，也是一位著名的科学怪才——亨利·卡文迪许。
亨利·卡文迪许（Henry Cavendish，1731–1810）
卡文迪许就是那个性格极其孤僻、深居简出，但第一个精确测出引力常数 G 和地球质量的牛人。米歇尔跟他分享了自己的这个惊人“脑洞”。可惜卡文迪许这位老兄性格太内向了，可能觉得这想法太离奇不知道该怎么回答，总之收到信后也没怎么吭声，但米歇尔的这封信还是被卡文迪许推荐发表在 1784 年的英国皇家学会的《自然科学会报》上。
不过，这个异想天开的想法在当时的英国没有引发任何的波澜，我估计看到它的科学家都是咧嘴一笑，把它当科幻创意来看。他们哪里想得到后来发生的事情呢。
拉普拉斯的独立思考
有意思的是，科学史上经常出现这种“英雄所见略同”的情况，伟大的想法有时会在不同的地方独立萌发，就像春天里的种子，条件合适了就会破土而出。差不多在米歇尔提出“暗星”想法的同一时期，也就晚了十几年，大概是 1796 年，隔着一条窄窄的英吉利海峡，在法国，也有一位科学巨匠独立地想到了类似的问题。这位大神就是皮埃尔-西蒙·拉普拉斯。
皮埃尔-西蒙·拉普拉斯 （Pierre-Simon Laplace 1749–1827)
拉普拉斯那可是当时欧洲科学界的泰山北斗级人物，被誉为“法国的牛顿”，他在数学、物理学、天文学领域都有着卓越的贡献，地位比乡间牧师米歇尔可高多了。他在完善和发展牛顿的天体力学体系时，写了一部鸿篇巨著，就叫《天体力学》，这本书简直就是牛顿《原理》的续集和详解，把牛顿开创的体系推向了顶峰。拉普拉斯这个人非常自信，据说拿破仑问他，你的宇宙体系里怎么没提到上帝啊？他很酷地回答：“陛下，我不需要那个假设。”
《天体力学》法语原版
就是这样一位自信满满的科学巨匠，在他那部严谨的《天体力学》的一个早期版本里，也从牛顿引力定律出发，认真思考了逃逸速度的问题。
他的计算和思考路径跟米歇尔略有不同，他考虑的是密度。他写道，大意是这样：
一个密度和我们地球差不多，但是直径却有太阳 250 倍那么大的发光恒星，由于它自身极其强大的引力作用，将不允许任何它发出的光线离开它的表面。因此，宇宙中可能存在着和太阳一样大甚至更大的、我们却永远无法看见的黑暗天体。
你看，多有意思！两位不同国家的学者，米歇尔和拉普拉斯，可能压根儿就不知道对方的存在，都基于同一个坚实的理论基础，也就是牛顿的定律，通过各自独立的思考和计算路径，居然不约而同地得出了如此相似、在当时看来又如此惊世骇俗的结论——宇宙中可能存在光都无法逃脱的“黑暗天体”！
这种现象在科学史上其实并不少见。当一个理论足够成熟时，某些重要的推论或者新的发现往往就会像熟透了的果子一样，“呼之欲出”，被不同的科学家同时或先后想到。这往往也说明，这个想法可能触及到了某些更深层次的、更本质的东西，或者说，是当时理论发展的逻辑必然。这也从侧面反映了牛顿引力理论的强大威力和深刻内涵，它竟然能够蕴含着如此极端的可能性，预示着宇宙中可能存在着远超我们日常经验的奇异现象。
不过，据说拉普拉斯后来在他著作的后续版本中，又把关于“黑暗天体”的这段论述给删掉了。为什么呢？可能是因为他觉得这个想法实在太离奇了，而且完全没有任何观测证据支持，放在他那本以精确计算著称的严谨著作里，显得有点格格不入，所以干脆删了。也有人推测，可能是因为后来光的波动说逐渐兴起，拉普拉斯意识到如果光是波，那牛顿的引力理论可能就不适用了。不管怎么样，这反映了拉普拉斯严谨的治学态度。很可惜，米歇尔和拉普拉斯没能活到爱因斯坦提出广义相对论的时代，没能看到自己离奇想法成真的时刻。
“暗星”与黑洞有什么不同？
但我必须要强调的是，暗星和黑洞，虽然听起来很像，都强调了“光无法逃脱”这一点，但米歇尔和拉普拉斯基于牛顿理论提出的“暗星”，跟我们现代物理学基于广义相对论理解的黑洞，其实有着本质的区别。可以说，它们只是“形似”，而“神不似”，理解这一点非常重要，否则我们就无法理解科学是如何进步的，无法理解爱因斯坦的革命性贡献在哪里。
那么，它们到底差在哪儿呢？
它们的理论基础完全不同。 这一点是最关键的，也是最根本的区别。米歇尔和拉普拉斯的想法，是完完全全建立在牛顿的经典引力理论和当时流行的光的微粒说基础上的。但是，牛顿的理论在光的面前，其实是无效的。因为光子不是牛顿设想的那种微粒，它的奇特性质远比牛顿认识的要复杂得多得多。
现代黑洞理论，则是建立在爱因斯坦的广义相对论这个全新的理论框架之上的，广义相对论彻底颠覆了牛顿的引力观。
至于广义相对论中的黑洞是怎么回事，我们后面很多文章里会有详细的介绍，一定让你能看得明明白白，让你对黑洞的认知超越绝大多数普通人。现在，你只需要知道今天介绍的米歇尔和拉普拉斯的“暗星”和黑洞在理论基础上有本质不同就可以了。
但我们必须又要承认：米歇尔和拉普拉斯非常有洞察力，他们把牛顿引力理论通过合理的逻辑推演，导向极端情况，体现了他们非凡的思考能力。这种想象力是值得我们学习的。
科学猜想：思维的体操
米歇尔和拉普拉斯的思考过程，给我们展示了科学探索中非常重要的一步：
那就是在吃透了某个理论之后，进行严密的逻辑推演，大胆地探索这个理论可能导向的各种极端结论，哪怕这些结论看起来非常奇怪，甚至有点“毁三观”。
这种敢于把理论推向极致、进行“思想实验”的探索精神，是非常可贵的。没有这种精神，很多科学突破可能就无从谈起。
牛顿自己就非常擅长思想实验，比如，让他真正思考出万有引力定律的思想实验叫“牛顿大炮实验”。他设想，如果在地球上有一门超级大炮，这门大炮发出的炮弹速度极快，那快到什么程度，这颗炮弹就永远也掉不回地面上了呢？正是从这个脑洞大开的思想实验中，牛顿找到了万有引力定律的公式。
“牛顿大炮实验”示意图
但是，我们也要明白，仅仅有逻辑推演是不够的。一个想法要从一个有趣的“猜想”或者“思想实验”，升级成为一个能够被科学界普遍接受的“科学理论”，那还需要迈过好几道坎儿，满足更严格的条件，就像鲤鱼跳龙门一样，不是光凭想象就能过去的。
科学不仅要定性，更重要的是定量。我常常对青少年说，只定性不定量的是哲学家，想当科学家，你必须会计算。科学家得建立起明确的数学模型，用精准的数学方程来描述这个现象的性质、产生的条件、以及它可能引发的其他后果，并且能做出可以被检验的、定量的预言。
你看米歇尔和拉普拉斯都尝试进行了计算，虽然他们的计算基于旧理论，但这种定量的尝试本身就是向科学理论迈进的重要一步。没有数学的支撑，科学理论就是空中楼阁，无法进行精确的预测和检验。物理学很大程度上就是用数学语言来描述自然规律的学科。
还有最重要的一点，任何科学理论，都需要提出可以被检验的证据。一个理论说得再天花乱坠，数学上再完美，如果找不到任何可以通过实验或者观测来验证它的方法，那它就很难被科学界真正接受，最多只能算是一个有趣的假说。从这个标准来看，米歇尔和拉普拉斯的暗星想法，在当时来看，都只能算是一个无法被证伪的有趣假说。
这也是为什么米歇尔论文发表后，没人重视，而拉普拉斯自己把这个想法从书中删除的原因。他们其实自己也明白，我提出的这个想法虽然是基于现有理论的推演结果，也很新颖、很大胆，但怎么去找一个完全不发光、光也跑不出来的东西呢？
所以，他们的想法虽然很超前，很有启发性，但在当时并没有引起太大的波澜，很快就被人们淡忘了，淹没在了历史的长河中，成为了科学史故纸堆里一个有趣的注脚，并不算太冤枉，这才是对的。相反，假如他们的暗星猜想一出来，就引发巨大的反响，那反而只能说明，大多数人缺乏科学思维。
黑洞的“身份确认”之路，远比大多数人以为的要艰辛。它需要耐心等待爱因斯坦带来全新的时空观作为理论基石；需要等待史瓦西这样的数学家给出精确的数学解，描绘出它的轮廓；需要等待钱德拉塞卡、奥本海默这些物理学家揭示恒星死亡后可能坍缩成这种极端天体的物理过程；更需要等待一代又一代的天文学家们，利用越来越强大的望远镜，在茫茫宇宙中找到那些若隐若现的观测证据。这是一个跨越了两个多世纪、凝聚了无数顶尖智慧的漫长而曲折的探索故事，充满了智慧的闪光，也充满了人类认识自然的艰辛。
那么，真正让黑洞这个概念脱胎换骨，从一个基于经典理论的逻辑推论，变成现代物理学预言的宇宙“怪物”的关键一步是什么呢？毫无疑问，那就要等到我们下一位重量级的主角——阿尔伯特·爱因斯坦登场了。他带来的广义相对论，将彻底改变我们对引力、对时间、对空间的理解，也为黑洞的诞生，这个连爱因斯坦自己一开始都讨厌的东西，奠定了坚实的理论基础。可以说，没有爱因斯坦，就没有我们今天所谈论的黑洞。
来源：预见未来Future
