【正文】 的影響，但它對(duì)那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛(ài)莫能助。 廣義相對(duì)論方程存在一些解，這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點(diǎn)。他也 許能避免撞到奇點(diǎn)上去，而穿過(guò)一個(gè)“蟲(chóng)洞”來(lái)到宇宙的另一區(qū)域?？磥?lái)這給空間 —— 時(shí)間內(nèi)的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常 不穩(wěn)定的；最小的干擾，譬如一個(gè)航天員的存在就會(huì)使之改變，以至于他還沒(méi)能看 到此奇點(diǎn)，就撞上去而結(jié)束了他的時(shí)間。換言之，奇點(diǎn)總是發(fā)生在他的將來(lái)，而從 不會(huì)在過(guò)去。強(qiáng)的宇宙監(jiān)督猜測(cè)是說(shuō)，在一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解里，奇點(diǎn)總是或者整個(gè)存在 于 將來(lái)（如引力坍縮的奇點(diǎn)），或者整個(gè)存在于過(guò)去（如大爆炸）。因?yàn)樵诮咏? 奇點(diǎn)處可能旅行到過(guò)去，所以宇宙監(jiān)督猜測(cè)的某種形式的成立是大有希望的。這對(duì) 科學(xué)幻想作家而言是不錯(cuò)的，它表明沒(méi)有任何一個(gè)人的生命曾經(jīng)平安無(wú)事：有人可 以回到過(guò)去，在你投胎之前殺死你的父親或母親！ 事件視界，也就是空間 —— 時(shí)間中不可逃逸區(qū)域的邊界，正如同圍繞著黑洞的 單向膜：物體，譬如不謹(jǐn)慎的航天員，能通過(guò)事件視界落到黑洞里去，但是沒(méi)有任 何東西可以通過(guò)事件視界而逃離黑洞。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間 —— 時(shí)問(wèn)軌道，沒(méi)有任 何東西可以比光運(yùn)動(dòng)得更快。）人們可以將詩(shī)人但丁針對(duì)地 獄入口所說(shuō)的話恰到好處地用于事件視界：“從這兒進(jìn)去的人必須拋棄一切希望。” 任何東西或任何人一旦進(jìn)入事件視界，就會(huì)很快地到達(dá)無(wú)限致密的區(qū)域和時(shí)間的終 點(diǎn)。 廣義相對(duì)論預(yù)言，運(yùn)動(dòng)的重物會(huì)導(dǎo)致引力波的輻射，那是以光的速度傳播的空 間 —— 時(shí)間曲率的漣漪。引力波和電磁場(chǎng)的漣漪光波相類似，但是要探測(cè)到它則困 難得多。就像光一樣，它帶走了發(fā)射它們的物體的能量。因?yàn)槿魏芜\(yùn)動(dòng)中的能量都 會(huì)被引力波的輻射所帶走，所以可以預(yù)料，一個(gè)大質(zhì)量物體的系統(tǒng)最終會(huì)趨向于一 種 不變的狀態(tài)。（這和扔一塊軟木到水中的情況相當(dāng)類似，起先翻上翻下折騰了好 一陣，但是當(dāng)漣漪將其能量帶走，就使它最終平靜下來(lái)。）例如，繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的 地球即產(chǎn)生引力波。其能量損失的效應(yīng)將改變地球的軌道，使之逐漸越來(lái)越接近太 陽(yáng)，最后撞到太陽(yáng)上，以這種方式歸于最終不變的狀態(tài)。在地球和太陽(yáng)的情形下能 量損失率非常小 —— 大約只能點(diǎn)燃一個(gè)小電熱器， 這意味著要用大約 1 干億億億年 地球才會(huì)和太陽(yáng)相撞，沒(méi)有必要立即去為之擔(dān)憂！地球軌道改變的過(guò)程極其緩慢， 以至于根本觀測(cè)不到。但幾年以前，在稱為 PSR1913＋ 16（ PSR表 示“脈沖星”，一 種特別的發(fā)射出無(wú)線電波規(guī)則脈沖的中子星）的系統(tǒng)中觀測(cè)到這一效應(yīng)。此系統(tǒng)包 含兩個(gè)互相圍繞著運(yùn)動(dòng)的中子星，由于引力波輻射，它們的能量損失，使之相互以 螺旋線軌道靠近。 在恒星引力坍縮形成黑洞時(shí)，運(yùn)動(dòng)會(huì)更快得多，這樣能量被帶走的速率就高得 多。所以不用太長(zhǎng)的時(shí)間就會(huì)達(dá)到不變的狀態(tài)。這最終的狀態(tài)將會(huì)是怎樣的呢？人 們會(huì)以為它將依賴于形成黑洞的恒星的所有的復(fù)雜特征 —— 不僅僅它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng) 速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內(nèi)氣體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。如果黑洞就像坍 縮形成它們的原先物體那樣變化 多端，一般來(lái)講，對(duì)之作任何預(yù)言都將是非常困難 的。 然而，加拿大科學(xué)家外奈伊斯雷爾（他生于柏林，在南非長(zhǎng)大，在愛(ài)爾蘭得 到博士）在 1967 年使黑洞研究發(fā)生了徹底的改變。他指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，非旋 轉(zhuǎn)的黑洞必須是非常簡(jiǎn)單、完美的球形；其大小只依賴于它們的質(zhì)量，并且任何兩 個(gè)這樣的同質(zhì)量的黑洞必須是等同的。事實(shí)上，它們可以用愛(ài)因斯坦的特解來(lái)描述， 這個(gè)解是在廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)后不久的 1917年卡爾施瓦茲席爾德找到的。一開(kāi)始， 許多人（其中包括伊斯雷爾自己）認(rèn)為，既然黑洞必須是完美的球形，一個(gè)黑洞只 能 由一個(gè)完美球形物體坍縮而形成。所以，任何實(shí)際的恒星 —— 從來(lái)都不是完美的 球形 —— 只會(huì)坍縮形成一個(gè)裸奇點(diǎn)。 然而，對(duì)于伊斯雷爾的結(jié)果，一些人，特別是羅杰彭羅斯和約翰惠勒提倡 2 一種不同的解釋。他們論證道，牽涉恒星坍縮的快速運(yùn)動(dòng)表明，其釋放出來(lái)的引力 波使之越來(lái)越近于球形，到它終于靜態(tài)時(shí)，就變成準(zhǔn)確的球形。按照這種觀點(diǎn)，任 何非旋轉(zhuǎn)恒星，不管其形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，在引力坍縮之后都將終結(jié)于一個(gè) 完美的球形黑洞，其大小只依賴于它的質(zhì)量。這種觀點(diǎn)得到進(jìn)一步的計(jì)算支持，并 且很快就為大家所接受。 伊斯雷爾的結(jié)果只處理了由非旋轉(zhuǎn)物體形成的黑洞。 1963 年，新西蘭人羅伊 克爾找到了廣義相對(duì)論方程的描述旋轉(zhuǎn)黑洞的一族解。這些“克爾”黑洞以恒常速 度旋轉(zhuǎn)，其大小與形狀只依賴于它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)的速度。如果旋轉(zhuǎn)為零，黑洞就 是完美的球形，這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉(zhuǎn)，黑洞的赤道附近就鼓 出去（正如地球或太陽(yáng)由于旋轉(zhuǎn)而鼓出去一樣），而旋轉(zhuǎn)得越快則鼓得越多。由此 人們猜測(cè)，如將伊斯雷爾的結(jié)果推廣到包括旋轉(zhuǎn)體的情形，則任何旋轉(zhuǎn)物體坍縮形 成黑洞后，將最后終結(jié)于由克爾解描述的一個(gè)靜態(tài)。 1970 年， 我在劍橋的一位同事和研究生同學(xué)布蘭登卡特為證明此猜測(cè)跨出了 第一步。他指出，假定一個(gè)穩(wěn)態(tài)的旋轉(zhuǎn)黑洞，正如一個(gè)自旋的陀螺那樣，有一個(gè)對(duì) 稱軸，則它的大小和形狀，只由它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度所決定。然后我在 1971年證明 了，任何穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)黑洞確實(shí)有這樣的一個(gè)對(duì)稱軸。，最后，在國(guó)王學(xué)院任教的大衛(wèi) 羅賓遜利用卡特和我的結(jié)果證明了這猜測(cè)是對(duì)的：這樣的黑洞確實(shí)必須是克爾解。 所以在引力坍縮之后，一個(gè)黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉(zhuǎn)、但是不能搏動(dòng)的態(tài)。 并且它的大小和形狀，只決定于它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，而與坍縮成為黑洞的原先物 體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。此結(jié)果以這樣的一句諺語(yǔ)表達(dá)而成為眾所周知：“黑洞沒(méi)有毛。” “無(wú)毛”定理具有巨大的實(shí)際重要性，因?yàn)樗鼧O大地限制了黑洞的可能類型。所以， 人們可以制造可能包含黑洞的物體的具體模型，再將此模型的預(yù)言和觀測(cè)相比較。 因?yàn)樵诤诙葱纬芍?，我們所能測(cè)量的只是有關(guān)坍縮物體的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，所以 “無(wú)毛”定理還意味著，有關(guān)這物體的非常大量的信息，在黑洞形成時(shí)損失了。下 一章我們將會(huì)看到它的意義。 黑洞是科學(xué)史上極為罕見(jiàn)的情形之一，在沒(méi)有任何觀測(cè)到的證據(jù)證明其理論是 正確的情形下，作為數(shù)學(xué)的模型被發(fā) 展到非常詳盡的地步。的確，這經(jīng)常是反對(duì)黑 洞的主要論據(jù)：你怎么能相信一個(gè)其依據(jù)只是基于令人懷疑的廣義相對(duì)論的計(jì)算的 對(duì)象呢？然而， 1963年，加利福尼亞的帕羅瑪天文臺(tái)的天文學(xué)家馬丁施密特測(cè)量 了在稱為 3C273（即是劍橋射電源編目第三類的 273號(hào)）射電源方向的一個(gè)黯淡的類 星體的紅移。他發(fā)現(xiàn)引力場(chǎng)不可能引起這么大的紅移 —— 如果它是引力紅移，這類 星體必須具有如此大的質(zhì)量，并離我們?nèi)绱酥?，以至于?huì)干擾太陽(yáng)系中的行星軌 道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的，進(jìn)而表明此物體離我們非常遠(yuǎn)。由于在 這么遠(yuǎn)的距離還 能被觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。人們 會(huì)想到，產(chǎn)生這么大量能量的唯一機(jī)制看來(lái)不僅僅是一個(gè)恒星，而是一個(gè)星系的整 個(gè)中心區(qū)域的引力坍縮。人們還發(fā)現(xiàn)了許多其他類星體，它們都有很大的紅移。但 是它們都離開(kāi)我們太遠(yuǎn)了，所以對(duì)之進(jìn)行觀察太困難，以至于不能給黑洞提供結(jié)論 性的證據(jù)。 1967 年，劍橋的一位研究生約瑟琳貝爾發(fā)現(xiàn)了天空發(fā)射出無(wú)線電波的規(guī)則脈 沖的物體，這對(duì)黑洞的存在的預(yù)言帶來(lái)了進(jìn)一步的鼓舞。起初貝爾和她的導(dǎo)師安東 尼赫維許以為，他們可能和我們星系中的外星文明進(jìn)行了接觸！我的 確記得在宣 布他們發(fā)現(xiàn)的討論會(huì)上，他們將這四個(gè)最早發(fā)現(xiàn)的源稱為 LGM1－ 4， LGM 表示“小綠 人”（“ Little Green Man”）的意思。然而，最終他們和所有其他人都得到了不 太浪漫的結(jié)論，這些被稱為脈沖星的物體，事實(shí)上是旋轉(zhuǎn)的中子星，這些中子星由 于它們的磁場(chǎng)和周圍物質(zhì)復(fù)雜的相互作用，而發(fā)出無(wú)線電波的脈沖。這對(duì)于寫(xiě)空間 探險(xiǎn)的作者而言是個(gè)壞消息，但對(duì)于我們這些當(dāng)時(shí)相信黑洞的少數(shù)人來(lái)說(shuō)，是非常 大的希望 —— 這是第一個(gè)中子星存在的證據(jù)。中子星的半徑大約 10 英哩，只是恒星 3 變成黑洞的臨界半徑的幾倍。如果 一顆恒星能坍縮到這么小的尺度，預(yù)料其他恒星 會(huì)坍縮到更小的尺度而成為黑洞，就是理所當(dāng)然的了。 按照黑洞定義，它不能發(fā)出光，我們何以希望能檢測(cè)到它呢？這有點(diǎn)像在煤庫(kù) 里找黑貓。慶幸的是，有一種辦法。正如約翰米歇爾在他 1783 年的先驅(qū)性論文中 指出的，黑洞仍然將它的引力作用到它周圍的物體上。天文學(xué)家觀測(cè)了許多系統(tǒng)， 在這些系統(tǒng)中，兩顆恒星由于相互之間的引力吸引而互相圍繞著運(yùn)動(dòng)。他們還看到 了，其中只有一顆可見(jiàn)的恒星繞著另一顆看不見(jiàn)的伴星運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。人們當(dāng)然不能 立即得出結(jié)論說(shuō)，這伴星即為黑洞 —— 它可能 僅僅是一顆太暗以至于看不見(jiàn)的恒星 而已。然而，有些這種系統(tǒng)，例如叫做天鵝 X－ 1（圖 ）的，也剛好是一個(gè)強(qiáng)的 X 射線源。對(duì)這現(xiàn)象的最好解釋是，物質(zhì)從可見(jiàn)星的表面被吹起來(lái)，當(dāng)它落向不可見(jiàn) 的伴星之時(shí)，發(fā)展成螺旋狀的軌道（這和水從浴缸流出很相似），并且變得非常熱 而發(fā)出 X 射線（圖 ）。為了使這機(jī)制起作用，不可見(jiàn)物體必須非常小，像白矮星、 中子星或黑洞那樣。從觀察那顆可見(jiàn)星的軌道，人們可推算出不可見(jiàn)物體的最小的 可能質(zhì)量。 在天鵝 X－ 1 的情形，不可見(jiàn)星大約是太陽(yáng)質(zhì)量的 6倍。按照強(qiáng)德拉塞卡 的結(jié)果，它的質(zhì)量太 大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。所以看來(lái)它只 能是一個(gè)黑洞。 圖 在靠近照片中心的兩個(gè)恒星之中更亮的那顆是天鵝 X－ 1， 被認(rèn)為是 由互相繞著旋轉(zhuǎn)的一個(gè)黑洞和一個(gè)正常恒星組成。 4 圖 還有其他不用黑洞來(lái)解釋天鵝 X－ 1 的模型，但所有這些都相當(dāng)牽強(qiáng)附會(huì)。黑洞 看來(lái)是對(duì)這一觀測(cè)的僅有的真正自然的解釋。盡管如此，我和加州理工學(xué)院的基帕 索恩打賭說(shuō)，天鵝 X－ 1 不包含一個(gè)黑洞！這對(duì)我而言是一個(gè)保險(xiǎn)的形式。我對(duì)黑 洞作了許多研究，如果發(fā)現(xiàn)黑洞不存在，則這一切都成為徒勞。但在這種情形下， 我將得到贏得打賭的安慰，他要給我 4年的雜志《私人眼睛》。如 果黑洞確實(shí)存在， 基帕索思將得到 1 年的《閣樓》 。我們?cè)?1975 年打賭時(shí)，大家 80％斷定，天鵝座 是一黑洞。迄今，我可以講大約 95％是肯定的，但輸贏最終尚未見(jiàn)分曉。 現(xiàn)在，在我們的星系中和鄰近兩個(gè)名叫麥哲倫星云的星系中，還有幾個(gè)類似天 鵝 X－ 1 的黑洞的證據(jù)。然而，幾乎可以肯定，黑洞的數(shù)量比這多得太多了！在宇宙 的漫長(zhǎng)歷史中，很多恒星應(yīng)該已經(jīng)燒盡了它們的核燃料并坍縮了。黑洞的數(shù)目甚至 比可見(jiàn)恒星的數(shù)目要大得相當(dāng)多。 單就我們的星系中，大約總共有 1千億顆可見(jiàn)恒 星。這樣巨大數(shù)量的黑洞的額外引力就能解釋 為何目前我們星系具有如此的轉(zhuǎn)動(dòng)速 率，單是可見(jiàn)恒星的質(zhì)量是不足夠的。我們還有某些證據(jù)說(shuō)明，在我們星系的中心 有大得多的黑洞，其質(zhì)量大約是太陽(yáng)的 10萬(wàn)倍。星系中的恒星若十分靠近這個(gè)黑洞 時(shí)，作用在它的近端和遠(yuǎn)端上的引力之差或潮汐力會(huì)將其撕開(kāi)，它們的遺骸以及其 他恒星所拋出的氣體將落到黑洞上去。正如同在天鵝 X－ 1 情形那樣，氣體將以螺旋 形軌道向里運(yùn)動(dòng)并被加熱， 雖然不如天鵝 X－ 1 那種程度會(huì)熱到發(fā)出 X射線，但是它 可以用來(lái)說(shuō)明星系中心觀測(cè)到的非常緊致的射電和紅外線源。 人們認(rèn)為，在類星體的中心是類似的、但 質(zhì)量更大的黑洞，其質(zhì)量大約為太陽(yáng) 的 1 億倍。 落入此超重的黑洞的物質(zhì)能提供僅有的足夠強(qiáng)大的能源，用以解釋這些 物體釋放出的巨大能量。當(dāng)物質(zhì)旋入黑洞，它將使黑洞往同一方向旋轉(zhuǎn)，使黑洞產(chǎn) 生一類似地球上的一個(gè)磁場(chǎng)。落入的物質(zhì)會(huì)在黑洞附近產(chǎn)生能量非常高的粒子。該 磁場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于將這些粒子聚焦成沿著黑洞旋轉(zhuǎn)軸，也即它的北極和南極 5 方向往外噴射的射流。在許多星系和類星體中確實(shí)觀察到這類射流。 人們還可以考慮存在質(zhì)量比太陽(yáng)小很多的黑洞的可能性。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量比強(qiáng) 德拉塞卡極限低，所以不能由引力坍縮產(chǎn)生： 這樣小質(zhì)量的恒星，甚至在耗盡了自 己的核燃料之后，還能支持自己對(duì)抗引力。只有當(dāng)物質(zhì)由非常巨大的壓力壓縮成極 端緊密的狀態(tài)時(shí)，這小質(zhì)量的黑洞才得以形成。一個(gè)巨大的氫彈可提供這樣的條件： 物理學(xué)家約翰惠勒曾經(jīng)算過(guò)，如果將世界海洋里所有的重水制成一個(gè)氫彈，則它 可以將中心的物質(zhì)壓縮到產(chǎn)生一個(gè)黑洞。（當(dāng)然，那時(shí)沒(méi)有一個(gè)人可能留下來(lái)去對(duì) 它進(jìn)行觀察?。└F(xiàn)實(shí)的可能性是，在極早期的宇宙的高溫和高壓條件下會(huì)產(chǎn)生這 樣小質(zhì)量的黑洞。因?yàn)橐粋€(gè)比平均值更緊密的小區(qū)域，才能以這樣的方式被壓縮形 成一個(gè)黑洞。所以當(dāng)早期宇宙不是完 全光滑的和均勻的情形，這才有可能。但是我 們知道，早期宇宙必須存在一些無(wú)規(guī)性，否則現(xiàn)在宇宙中的物質(zhì)分布仍然會(huì)是完全 均勻的，而不能結(jié)塊形成恒星和星系。 很清楚，導(dǎo)致形成恒星和星系的無(wú)規(guī)性是否導(dǎo)致形成相當(dāng)數(shù)目的“太初”黑洞， 這要依賴于早期宇宙的條件的細(xì)節(jié)。所以如果我們能夠確定現(xiàn)在有多少太初黑洞， 我們就能對(duì)宇宙的極早期階段了解很多。質(zhì)量大于 10 億噸（一座大山的質(zhì)量）的太 初黑洞，可由它對(duì)其他可見(jiàn)物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測(cè)