黑洞为什么违反许多物理定理？
以前看了部纪录片关于黑洞的 黑洞内部为什么违反许多物理定理 求解答 黑洞这一术语出现不久。1969 年美国科学家约翰·惠勒，为了形象地描述至少可回溯到 200 年前的一个观念时，杜撰了这个名词。
那时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光由波构成的波动说。
我们现在知道，这两者在实际上都是正确的。
由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。
在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。
但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星一样受引力的影响。
人们起先以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之缓慢下来，但是罗默关于光以有限速度行进的发现意味着，引力对之可有重要效应。
1783 年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，于《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。
他指出，一个质量足够大并足够致密的恒星会有如此强大的引力场，甚至连光线都不能逃逸：任何从恒星表面发出的光，在还没到达远处前就会被恒星的引力吸引回来。
米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然由于从它们那里发出的光不会到达我们这里，我们不能看到它们；但是我们仍然可以感到它们引力的吸引。
这正是我们现在称为黑洞的物体。
它是名副其实的——在空间中的黑的空洞。
几年之后，法国科学家拉普拉斯侯爵显然独自地提出了和米歇尔类似的观念。
非常有趣的是，拉普拉斯只将此观点纳入他的《世界系统》一书的第一版和第二版中，而在以后的版本中将其删去；也许他认为这是一个愚蠢的观念。
（还有，光的微粒说在 19 世纪变得不时髦了；似乎一切都可以以波动理论来解释，而按照波动理论，不清楚光究竟是否受到引力的影响。）
事实上，因为光速是固定的，所以在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理不很协调。
（从地面发射上天的炮弹被引力减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么，牛顿引力如何影响光呢？）
直到 1915 年爱因斯坦提出广义相对论，才得到引力如何影响光的协调理论。
甚至又过了很长时间，人们才理解这个理论对大质量恒星的含意。
为了理解黑洞是如何形成的，我们首先需要理解恒星的生命周期。
起初，大量的气体（绝大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。
当它收缩时，气体原子越来越频繁地以越来越大的速度相互碰撞——气体的温度上升。
最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。
如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。
这附加的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。
这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球收缩，它们之间存在一个平衡。
从核反应发出的热和引力吸引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。
然而，恒星最终会耗尽它的氢和其他核燃料。
貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则被越快燃尽。
这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。
而它越热，它的燃料就被耗得越快。
我们的太阳大概足够再燃烧 50 多亿年，但是质量更大的恒星可以在 1 亿年这么短的时间内耗尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。
当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并收缩。
随后发生的情况只有等到 20 世纪 20 年代末才首次被人们理解。
1928 年，一位印度研究生——萨拉玛尼安·钱德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家兼广义相对论家阿瑟·爱丁顿爵士学习。
（据记载，在 20 世纪 20 年代初，有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有 3 个人能理解广义相对论。爱丁顿停顿了一下，然后回答：「我正在想这第三个人是谁？」）
在从印度来英国的旅途中，钱德拉塞卡算出了在耗尽所有燃料之后，多大的恒星仍然可以对抗自己的引力而维持本身。
这个思想是说：当恒星变小时，物质粒子相互靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它们必须有非常不同的速度。这使得它们相互散开并企图使恒星膨胀。
因此，一颗恒星可因引力的吸引和不相容原理引起的排斥达到的平衡，而保持其半径不变，正如同在它的生命的早期引力被热平衡一样。
然而，钱德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。
相对论把恒星中的粒子的最大速度差限制为光速。
这意味着，当恒星变得足够密集之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。
钱德拉塞卡计算出，一个质量比大约太阳质量一倍半还大的冷的恒星不能维持本身以抵抗自己的引力。
（这质量现在称为钱德拉塞卡极限。）
苏联科学家列夫·达维多维奇·朗道差不多同时得到了类似的发现。
这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。
如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩，并且变成一种可能的终态即「白矮星」。
白矮星的半径为几千英里，密度为每立方英寸几百吨。
白矮星是由它物质中电子之间的不相容原理排斥力支持的。
我们观察到大量这样的白矮星。
围绕着天狼星转动的那颗是最早被发现的白矮星中的一个，天狼星是夜空中最亮的恒星。
朗道指出，恒星还存在另一种可能的终态。
其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。
这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力支持的。
所以它们叫作中子星。
它们的半径只有 10 英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。
在第一次预言中子星时，没有任何方法去观察它。
实际上，它们很久以后才被探测到。
另一方面，质量比钱德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题。
在某种情形下，它们会爆炸或设法抛出足够的物质，使它们的质量减小到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。
但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。
怎么知道它一定损失质量呢？
即使每个恒星都设法失去足够多的质量以避免坍缩，如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上，以使之超过极限，将会发生什么？
它会坍缩到无限密度吗？
爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信钱德拉塞卡的结果。
爱丁顿认为，一颗恒星是根本不可能坍缩成一点的。
这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。
其他科学家，尤其是他以前的老师，恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使钱德拉塞卡放弃了这方面的工作，而转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。
然而，他之所以获得 1983 年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。
钱德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。
但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？
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🔗App 内查看 黑洞违背了许多物理定理吗？并没有。相反，黑洞告诉我们很多东西。过去几十年，物理学家一直想统一广义相对论和量子场论，而黑洞是统一这两种理论的入口。
为什么这么说呢？广义相对论描述大尺度时空的演化，而量子场论描述小尺度粒子的演化，很多情况下，我们用其中一种理论，忽略另外一种就可以了。而黑洞是一个神奇的东西，因为在黑洞这里，两种理论都起着重要的作用，你不能随便忽略其中一种。黑洞质量够大，它可以使时空弯曲，改变时空结构，而且黑洞是一个量子体系，它会产生量子辐射。
当然黑洞的存在也导致我们似乎无法探测时空的更小尺度：
这个世界到底是离散的还是连续的？ - imawesome 的回答 - 知乎 应该说黑洞是违背常识和一般人直觉的，而不是违背物理定律的。
广义相对论的基础假说——广义相对性，就是违背直觉的：自由落体的物体不受力，而“引力”是一种几何。
黑洞是广义相对论的解了，本身就是基于物理定律的。
至于黑洞内部的事情，无穷大是广义相对论也无法解释的，毕竟广义相对论是一门经典的理论，可能需要量子引力理论来理解我们现在看起来是无穷的奇点。
而黑洞内部的类时时空，包括Kerr黑洞r<0的奇怪性质，也是广义相对论解出来的东西。
最后，送你一句话：这个世界上最难以理解的事情就是它竟然是可以理解的。 黑洞违背神马物理了…… 它是人类以现有的物理定律推算的结果，本身就算个定理（该叫定理了，因为定律是推演的基础，是无从以推演方式证明的）。
你也可以说是脑补和 YY 的结果，取决于你有多相信克尔时空（可描述旋转的黑洞）（不太敢说是广义相对论，因为有些人把所有的引力的几何理论都叫广义相对论，能导出克尔解的也不止爱因斯坦场方程一种）和牛顿力学（因为克尔时空在半径够大的时候要渐进于牛顿引力论中的结果，这算定解条件之一）。后者经过多少检验就不消说了，前者起码也活过了几场最重要的检测，特别是最近几年出结果的
Gravity Probe B（中文页面就不给了，质量太低了，里头都是科学政治八卦——不过反正左栏也可以链接到中文页面去的）。
同意 @胡杨 的说法：一个无穷大代表着一种无知——但那只是我们目前对黑洞中心的有奇异性的那一点或者那个环（克尔黑洞中间是个奇环）上的无知。在“外视界”之内的那些区域，都可以叫黑洞了，而那些东西还是可以被现有理论描述的（因为那块时空区域上的其他无穷大是由于“坐标系选得不够好”所致；但更改坐标系并不影响物理性质）——如果现有理论是正确的。
不过最近也听人（包括
Alexander Polyakov）说起过一个观点，说不可重整意味着平均场理论的适用性（好吧，哪位关于这个有所见解，跪求不吝指导），所以某些无穷大（不一定是黑洞这个）也许不是那么坏的事情呢。
最后吐槽一下原始的话题分类：黑洞、量子场论、高中物理…… 黑洞在很大程度上是个经典物理学模型，一般来说不是量子场论的结果（但也有人试图做量子黑洞的），虽然可以在它那儿用弯曲时空量子场论得出一些有意思的结论；至于高中物理…… 哪家高中还教广义相对论和量子场论的！受我一拜！
（原）评论中说高中课本有科普量子物理的…… 乃们真的觉得量子物理和量子场论是一个东西么…… 真的，哪家高中讲费米子场的量子化、规范场（标量就行）和希格斯机制的，哪家高中讲事件视界是类光超曲面、克尔黑洞能层中静止物体的世界线类空、甚至只是视界之内的“时空互换”的？我要去回炉再造！请告诉我，量子场论到底哪家强！ 黑洞中经常会出现一些无穷大的情况
科学史的经验告诉我们，如果出现无穷大，一般是物理定律在这附近不适用，现有的物理定律应该容纳到另一个更普适的定律中去
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