——“当我深入模拟宇宙，我见到了「黑洞」。当我谈及黑洞的时候，我究竟在讨论什么？一种神秘主义，宇宙中最神秘的存在之一。它的引力场如此强大，连光都无法逃脱。这是广义相对论的杰作，它是一种扭曲时空的巨大存在，几乎无法想象。”

黑洞（Black Hole），是爱因斯坦于1916年发表的《广义相对论基础》（The Foundation of the General Theory of Relativity）中预言存在的一种致密天体。
作为引力的爱因斯坦广义相对论的两个重要的天体物理结果是：存在引力坍缩天体（黑洞）和来自随时变化的物质分布产生引力辐射。牛顿引力理论中没有类似的这两个结果。
广义相对论的一种特殊情况是狭义相对论，爱因斯坦理论包含着两个物理常量G和c，而牛顿理论中仅含有G。因此，特征长度l和特征时标τ，在广义相对论对牛顿理论的修正中具有重要的作用，对确定的质量分布M，两个特征量的数量级为：
l～MG/c^2,τ～MG/c^3.
当质量分布的线尺度可与l相比时，广义相对论才是重要的，若r＞＞l，牛顿引力和爱因斯坦引力相差很小。

现在讨论由球对称质量分布坍缩而形成的最简单的黑洞。由爱因斯坦方程，如果初始质量足够大，坍缩将一直进行下去直到压缩成一个点质量。我们不知道哪一物理质量可改变这一结果。也许量子引力效应可改变坍缩。据推测，量子引力中仅有的常量是ћ,c和G，特征长度l_g(ћG/c^3)^1/2，当距离尺度l≤10^31m，时间τ≤5×10^44s时，爱因斯坦引力便失效，但这两个标度对天文中发生的过程而言实在太小了。实际上，可假定一旦坍缩过程足够大，它便一直坍缩直到全部质量分布挤压到一点。通常说黑洞限制在特征尺度为2MG/c^2之内。假若质量分布在有限范围并限于体积为(2MG/c^2)^3内，则必在时间τ＝GM/c^3之内坍缩到一点。如果在此期间内，产生引力辐射，最后所有质量的运动停止，留下一个球对称黑洞，其特征半径为：
r_g＝2MG/c^2＝2.96(M/M_⊙)km.
代表黑洞的视界。这样一个质量为M被面积4πr^2_g所包围的静态球对称黑洞，视界并不是物质面，它的意义是，外部观测者(r_0＞r_g)在物理意义上说，除了它包含总质量为M，总电荷量以外，不可能知道其内部(r≤r_g)的任何事情。
r_g首先由史瓦西导出，故称为史瓦西半径。1969年，惠勒将此坍缩体起名为黑洞，其意义是它使光也不能强引力场的拉拽。

当r→r_g时（强引力场），广义相对论对邻近目标有奇迹般地效应，设dt_∞是远处观测者的标准钟的嘀嗒声之间隔，如果一个相同的钟静止地放在r点，则它的间隔为：
dt＝(1-2MG/rc^2)^1/2 t_∞.
类似地在r_∞处的远处观测者测得一标准尺长dr_∞，对于r处的观测者而言，其长度则：
dr＝dr_∞(1-2MG/rc^2)^1/2.
在强引力场中钟变慢如上上式所示。其结果是静止在r≥r_g处发射的光谱线将受到引力红移：
Δλ/λ＝λ_∞-λ/λ＝(1-2MG/rc^2)^-1/2 -1.
λ是r处发射体的特征波长，λ_∞是无限远处的视波长。此处Δλ＞λ是红移，对于中子星来说，Δλ/λ～0.3。
黑洞物理学和热力学有许多相似之处。黑洞物理学第一定律可以表述为：能量和动量在每一个物理过程中都是守恒的。因为黑洞是广义相对论派生出来的，而广义相对论严格地遵从能量和动量守恒定律。
黑洞物理第二定律是新奇而有趣的。对最简单的史瓦西黑洞，它只能吸收周围的物质和辐射，而不放出任何物质和辐射。因此它总是增加它的能量和质量M。视界所起的作用是一个单向膜，使黑洞的质量M总是增加。
黑洞的面积，更确切地来说是黑洞视界的表面积，史瓦西的面积公式很简单：
A＝4πr^2_g＝16πG^2M^2/c^4.
旋转黑洞（克尔-纽曼黑洞）面积公式复杂些。但研究表明，黑洞的面积只能增加不会减少。1971年霍金对稳定黑洞面积不减少的特性给出了一个正式推导。他的结果被视为黑洞物理第二定律；在黑洞涉及的全部物理过程中，有关黑洞的总面积绝不会减少。
利用黑洞的表面积与熵之间的类比，我们来考虑另一个热力学量——温度。在热力学平衡状态下，系统可规定一定的温度。那么对稳定的黑洞，能否也规定一个类似的参数，它也不随时间变化呢？
答案是肯定的，所要求的物理量是表面引力K。黑洞物理学的第零定律可表述为：一个稳定的轴对称黑洞，其整个视界上的K是一个常量。
热力学第三定律指出，绝对零度不可能通过有限的物理过程来达到；类似的黑洞物理学第三定律，可表述为：不可能通过有限的物理过程使黑洞的表面引力K变为零：
K＝“表面引力”＝GM/r^2_g＝c^4/4GM.
只有当M趋于无穷大，K才能趋于零，而质量在有限物理过程中不可能达到无限大。