1915年到1916年的冬天，正在德国陆军服役的物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild,1873—1916）给爱因斯坦写了一些信。他第一个解出了爱因斯坦广义相对论方程，并展示了有质量天体的内部与外部时空的特性——在这个特例中，是一个呈完美球形的、非旋转的天体。爱因斯坦惊喜欲狂。
然而他对于史瓦西的工作最终会推导出的一个预言并不十分惊喜。这个预言说，一个质量足够大或者密度足够高的恒星会产生极强的引力，这个引力能弯曲时空，甚至连光都无法逃离。
史瓦西在与爱因斯坦通信仅仅数月之后就去世了，对于被称为史瓦西奇点的奇特天体的具体细节，只能留待他人继续研究了。在这些后来者中，领头的是一位年轻的印度物理学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar,1910—1995）。在1930年，他获得了剑桥大学的奖学金，于是登上从印度开往英国的汽船去求学。在为期18天的旅程中，他研究了白矮星的性质。他发现，如果白矮星的质量大于太阳质量的1.4倍，它们会在自己的引力下坍缩，形成一个史瓦西奇点。
然而事情并非一帆风顺。在1935年召开的一次皇家天文学会的会议上，著名天体物理学家亚瑟·爱丁顿宣称，“大自然一定有某种定律可以阻止恒星的这种荒诞行径”。在1939年，爱因斯坦发表了一篇论文来解释为什么史瓦西奇点无法存在于理论物理学家的大脑之外。
坍缩的恒星
这一僵局一直持续到20世纪60年代，以罗杰·彭罗斯（Roger Penrose,1931— ）为代表的一些物理学家证明了黑洞——这个名词在那段时间首次出现，并且被天体物理学家约翰·惠勒（John Wheeler,1911—2008）采用——是大质量恒星坍缩无可避免的最终归宿。在黑洞的中心，时空曲率之类的物理量会发散到无穷，而广义相对论方程也会失效。不仅如此，连黑洞的内部世界也永久地隐匿于其视界之下——所谓视界就是连光都一去不回的表面。这也就意味着在黑洞内部发生的一切都无法影响到外界，因为没有任何物质或能量可以从黑洞中逃逸出来。
尽管我们无法直接看到黑洞，天文学家还是于1970年在天鹅座观测到一个致密天体喷发出X射线的喷流，而这一观测结果与理论预言一致：炽热的物质不断旋转着掉入视界，并辐射出能量（见图3.1）。从那之后，我们越发相信黑洞真实存在。
黑洞的性质现在仍被人们热烈地讨论着，尤其是广义相对论无法与量子理论调和，而量子理论在原子与亚原子层面解释了物理世界。在20世纪70年代，雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein, 1947—2015）和斯蒂芬·霍金证明了黑洞一定拥有温度。有温度的物体就对应有熵——一种对无序程度的度量，在量子力学层面，熵意味着微观结构的存在。 另一方面，爱因斯坦的公式将黑洞描述为光滑、无特性的时空弯曲。霍金同时还表明，在视界里面和附近的量子效应意味着黑洞在持续蒸发，并以被我们称为霍金辐射的形式不断喷出粒子。
火墙悖论
如果黑洞最终会化为乌有，那么掉进黑洞的物质和能量到底遭遇了什么？从本质上来说，物质与能量都携带着信息，而量子力学认为信息不能被毁灭。也许信息通过霍金辐射发射出去了，但是这个解释会遇到另一个问题：这会导致黑洞被一堵由炙热的高能粒子组成的火墙所包围，而这一点也是广义相对论不允许的。
火墙悖论至今还是一个热门课题。一个最近兴起的吸引人的解释是，爱因斯坦的光滑时空阡陌起源于视界内外通过虫洞建立起联系的量子力学效应。在2015年8月，霍金提出了另一个想法：信息可能从来没有真正被黑洞吞噬，事实上它停留在视界上，混乱而模样难辨。一个月以后，来自荷兰乌得勒支大学的诺贝尔奖得主杰拉德·特·胡夫特（ Gerard't Hooft,1946— ）提出当物质和能量掉落进黑洞时，它们所携带的信息会被反弹回去。
隐形的研究
人们对黑洞性质的监测并不是直截了当的。根据定义，黑洞不能辐射出光，所以不能把望远镜指向它去观测。但是你可以观测到它的引力效应。
在1971年，一个名叫天鹅座X-1的天体被认为可能是一个恒星级黑洞（由大质量恒星的引力坍缩形成），这是因为它对其伴星有强大的引力作用。3年后，人们发现了人马座A*，这是一个位于我们星系中央的超大质量黑洞。它周围的恒星的轨道表明，在中央存在一个具有巨大质量的物体，质量大约是太阳质量的400万倍。
发现黑洞的方法还有其他一些。 尽管视界本身不能发光，许多黑洞却被吸积盘包裹，吸积盘中的气体旋转着掉向黑洞。这些气体非常炽热，会在一定频段上发出辐射——从射电辐射到可见光，一直到X射线。如果黑洞在旋转，更会喷射出包含大量物质的喷流。
我们很快就能真正看见黑洞了。一个被称为事件视界望远镜的项目计划对人马座A*和另外一个大质量黑洞进行成像（参见下文“为巨人留影”的采访）。我们也将通过引力波获悉大量关于黑洞的信息（详见第4章），或许这些知识足够我们获知在视界上到底发生了什么。
有些人走上了爱丁顿和爱因斯坦的老路，通过否认黑洞的存在来回避这个问题。在2014年，美国北卡罗来纳大学教堂山分校的劳拉·梅尔西尼–霍顿（Laura Mersini-Houghton）论证说，大质量恒星不能坍缩成黑洞，因为在坍缩过程中的霍金辐射会阻止最终的完全坍缩，所以根本就不存在视界和奇点。
对这个观点没有多少人买账。反过来，火墙悖论开辟了一个为统一广义相对论与量子力学而斗争的新战场。不少人认为，考虑到量子力学在解释除了引力以外的所有力的本质上取得的辉煌成就，在这场斗争中，最后成功的理论应该和量子力学靠得更近，离广义相对论更远。大概爱因斯坦不会太高兴，因为他同时受两者困扰：黑洞和他认为有些过分的量子理论。黑洞也许会是最终“吞噬”他理论的一个预言。
