望文生义，“黑洞”这个词，很容易让人想象成一个“大黑窟窿”，但事实却是相反的。所谓“黑洞”，不是洞，而是一种天体：它的引力场非常强大，以致连光都难以逃脱出来。
广义相对论认为，引力场将使时空弯曲。当恒星拥有很大的体积时，它的引力场对时空的影响甚微，从恒星表面上某一点发的光可以朝所有的方向沿直线射出。当恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就会沿弯曲空间返回恒星表面。
当恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了，从而恒星就变成了黑星（洞）。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，无论什么物质掉进去，“似乎”都不能逃出。说穿了，黑洞是“隐形”的。
那么，黑洞是如何形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，在很大程度上黑洞或许是由恒星演变而来的。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已消耗完了中心的燃料（氢），由中心产生的能量就很少了。这样，它再也没有足够的力量来支起巨重的外壳，在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成小体积、大密度的星体，重新有能力与压力保持平衡。
质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。通过科学家的计算可以看出，中子星的总质量不能大于太阳质量的3倍。如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力持平了，由此引发另一次大坍缩。
这样，根据科学家们的猜想，物质将势如破竹地向着中心点聚集，直至成为一个体积趋于零、密度接近无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度（史瓦西半径），如同我们上面所说的那样，巨大的引力就会把光也吞没了，从而切断了恒星与外界的一切联系——于是“黑洞”就诞生了。
天文学上所说的“黑洞”，是一种看不见的特殊天体。由于它具有许多奇妙的性状，所以引起了人们很大的兴趣。
从理论上提出黑洞的概念，可以追溯到18世纪末，而广泛的研究是从20世纪70年代开始的。
1798年，法国天文学家拉普拉斯（1749～1827）在他著的《宇宙体系论》中指出，“天上最明亮的天体，可能是看不见的。”他计算出，一个直径比太阳大250倍而密度同地球一样的恒星，它的引力大得足以抓住它发射的所有光线，因而成为看不见的“黑洞”。这就是关于黑洞的最早预言。
1915年爱因斯坦发表了广义相对论，指出时间、空间与物质是紧密联系在一起的。物质是引力源，引力使时空弯曲。引力场愈强，时空弯曲得愈厉害。
1916年，德国科学家K。史瓦西（1873～1916）在研究广义相对论中，提出一个球形天体的临界半径（以R表示）。在这个半径内外，时空性质完全不同。而R为：
Re=2Gm/C2
式中G为万有引力常数，m为天体质量，C为光速。在Re的里面，时空弯曲是如此厉害，以致光子也不能逃逸出去，因而成为看不见的“黑洞”。所以Re就被称为“引力半径”或“史瓦西半径”。以此半径组成的球面称为“视界”。视界内的任何信息都传不出来，视界外的观测者不可能看到视界内的情况，但是视界外的物质与辐射都可以进入视界。
由引力半径的公式可以知道，天体要形成黑洞的话，一定是很小的。例如，太阳的直径约130万千米，如果压缩成半径为3千米的球，它就成为一个“黑洞”。而我们的地球，如压缩成半径为8.9毫米的小颗粒，也就成为“黑洞”了。
黑洞的巨大引力，会使它周围的一切物体都被吸入，因此，它是一个“无底洞”。而任何物体，无论是人，还是动物，或是火车、飞机，一旦落人黑洞，就会失去它们的个性，完全变为毫无区别的黑洞了。
史瓦西推算出来的静止的黑洞，通常叫“史瓦西黑洞”。
1963年，新西兰年轻的数学家克尔在研究广义相对论中，得到引力半径为：
Re=Gm/C2 G2m2/C2-a2
式中a=J/MC，是一个与旋转角动量J有关的量。a=0时，对应于静止的史瓦西黑洞。因此，将旋转的黑洞称为“克尔黑洞”，也称“克尔一纽曼黑洞”。
从这些理论可知，黑洞具有质量，会自转，除此以外，黑洞还可能有电荷，但是电荷会转移或变化。一个带电的黑洞会排斥向它降落的带有同性电荷的物体，而只吸收带有异性电荷的物体，其最终结果是，大多数黑洞应当是中性的。
黑洞除了上述三个特性外，再没有别的性质，这叫做“黑洞无毛发定理”。毛发是比喻性的，从人的毛发颜色、长度、类型，可以区别不同的人。因而毛发可作为人的一种特征。黑洞是“光秃秃”的圆球，仅有质量、会自转的不会，在其他方面无差别。
但是黑洞仍然具有不少有趣的特性。比如说，英国的霍金在20世纪70年代初证明了，任何黑洞的表面积（即视界面积），不可能随时间减小，这被称为“黑洞面积不减定理”。根据这条定理，两个黑洞可以相碰，合成一个黑洞，其合成的黑洞视界面积，一定不小于原先两个黑洞视界面积之和。但是一个黑洞不能分成两个黑洞，因为黑洞的分裂导致表面积减小，违反了上述的定理。
更令人惊奇的是，黑洞还会“蒸发”。这个概念是霍金于1974年提出来的。在这方面用经典物理学是难以理解的，需要用到量子理论。
根据量子场论，真空并不是绝对真空，它在不断产生正、负粒子对，并且极速湮灭，以致难以检测到，故称之为“虚粒子对”。
假定在真空中有一个黑洞，它可以吞噬虚粒子对的两个，也可能在虚粒子对湮灭之前吞噬其中一个。对于后者，剩下的一个粒子丧失湮灭对象。如果它是负能量粒子，随即就掉入黑洞。如果它是正能量粒子，由于“隧道效应”就存在一定的几率能穿透黑洞的引力势垒，而逃逸出去。总效果是一部分正能量粒子被辐射出去，而掉进黑洞的粒子中能量为负的，多于能量为正的，导致黑洞的质量减小，这就是所谓的黑洞“蒸发”。
黑洞质量越小，粒子越容易穿透引力势垒，蒸发越快。理论算出，蒸发过程的能量释放率与黑洞质量的平方成反比，而黑洞的寿命与质量的立方成正比。
因此，质量大的黑洞，寿命就长。如相当于一个太阳质量的黑洞，“蒸发”掉的时间约要1066年。这个数字比现在已知的最古老的天体的年龄要大不知多少倍。因此可以认为，恒星级的黑洞（虽然有量子辐射）的大小几乎没有变化。
霍金是一个残疾人，他在轮椅上研究自然科学最前沿的问题，取得了重大成就，因而被称为“轮椅上的科学家”。他写的《时间简史》（从大爆炸到黑洞），已成为世界最畅销的科普论著。我们引述的只是书中的部分内容，有兴趣的读者可阅读霍金的有关著作。
黑洞在理论上的研究已不少了，但是在宇宙间到底有没有黑洞呢？
黑洞不发光，用光学望远镜不能观测到，因此是很难寻找到的。但是，黑洞有强大的吸引力，可以对其邻近的天体发生作用，而被我们间接发现。
比方说，有一对双星，它们绕着公共质量中心在旋转着。如果在双星附近有一黑洞，那么黑洞的引力作用将使双星的轨道运动发生变化。反过来，从双星的运动变化情况，可推知是否有黑洞存在。
但真正发现一批黑洞的候选者，则是在X射线天文学兴起之后。1970年“自由号”卫星及1978年“爱因斯坦X射线天文台”卫星上天以后，发现了许多X射线源是双星。这些X射线双星很可能包含有黑洞。
最引人注意的有天鹅座X-1（该星座中的X射线源的第一号）、圆规座X-1与天蝎座V861等。
天鹅座X-1是一颗极特殊的X射线双星，主星是一颗蓝色超巨星（编号为HDE226868），视星等为9等，表面温度约2500开，质量大于20个太阳质量。
此双星系统的绕转周期为5.6天，但是伴星则未见到。天鹅X-1的X射线不断地发生变化，变化的时标从1毫秒到几十秒，强度变化十几倍。由此推知射线源的直径必定小于300千米，那是一个很小的射线源。
光谱分析发现，从主星有物质流向不可见的伴星区域，而伴星的质量至少有6个太阳质量大（另一种估计为10～15个太阳质量），已超过中子星的极限质量，因而被认为是一个黑洞。
高温的大量物质很快地挤到黑洞周围的薄盘（称为“吸积盘”），猛烈摩擦产生高温而辐射出X射线。吸积盘的半径估计有160万千米，而X射线是从离黑洞只有3000千米的吸积盘内边缘发射出来的。
从观测到理论都确证天鹅座X-1是一个黑洞，但是持谨慎态度的人认为还应当进一步研究确定。还有其他一些黑洞候选者，比较而言，它们是黑洞的可能性都不及天鹅座X-1.
相对别的天体而言，黑洞显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家对它的内部结构，也仅仅是缘于各种猜想。那么，黑洞是通过什么途径把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道一个最基本的常识，光是沿直线传播的。可是根据广义相对论，空间在引力场作用下会发生弯曲。这样，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但传播的路径已经不是直线，而变成了曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，但由于强大的引力拉着了它而使它偏离了原来的方向。
在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲几乎不会发生。而在黑洞周围，空间发生了非常大的变形。这样，那些被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分进入黑洞被吞没，但另一部分光线会通过弯曲的空间而绕过黑洞到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，却看不到黑洞的存在，这就是黑洞的隐身术。
更有趣的是，有些恒星不仅是向着地球发出的光能直接到达地球，就是朝其他的方向发射的光也可能受附近黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们就既能观赏到这颗恒星的“脸”，同时也能看到它的侧面，甚至是后背。
在20世纪，“黑洞”无疑是最具有挑战性、最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而孜孜不倦地工作，不断地提出新的理论。
那么，星系级的，甚至更大的黑洞是否存在呢？
早就有人提出在我们银河系的核心有黑洞，估计这个黑洞的质量有1亿个太阳质量。它在吸积周围的气体物质时，会辐射强大的无线电波与红外光。对银心方向的观测中的确发现有这些辐射。但是从银心方向来的射电波与红外光，也可以用别的因素来解释。所以银河系核心大黑洞仍是个悬案。在河外星系，特别是活动星系中，也可能存在大质量的黑洞。1997年1月哈勃太空望远镜公布的观测成果中，提到在观测过的15个星系中，有14个星系中心极可能存在黑洞。另外还发现宇宙中存在3个超大质量的黑洞。它们的质量分别为太阳的5000万倍、1亿倍和5亿倍。甚至有人提出我们现在观测所至的宇宙（称为“总星系”），也可能是个硕大的黑洞。
奇妙的黑洞，仍然是当代天文学上的重大研究课题。
