【正文】 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?；堇赵?jīng)算過，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。 人們還可以考慮存在質(zhì)量比太陽小很多的黑洞的可能性。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。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，它們的遺骸以及其 他恒星所拋出的氣體將落到黑洞上去。黑洞的數(shù)目甚至 比可見恒星的數(shù)目要大得相當(dāng)多。我們在 1975 年打賭時(shí)，大家 80％斷定，天鵝座 是一黑洞。我對黑 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。 4 圖 還有其他不用黑洞來解釋天鵝 X－ 1 的模型，但所有這些都相當(dāng)牽強(qiáng)附會(huì)。 在天鵝 X－ 1 的情形，不可見星大約是太陽質(zhì)量的 6倍。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。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。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。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。但 是它們都離開我們太遠(yuǎn)了，所以對之進(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)。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)。 黑洞是科學(xué)史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據(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?！? “無毛”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。羅賓遜利用卡特和我的結(jié)果證明了這猜測是對的：這樣的黑洞確實(shí)必須是克爾解?？ㄌ貫樽C明此猜測跨出了 第一步。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。 伊斯雷爾的結(jié)果只處理了由非旋轉(zhuǎn)物體形成的黑洞?；堇仗岢? 2 一種不同的解釋。一開始， 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。伊斯雷爾（他生于柏林，在南非長大，在愛爾蘭得 到博士）在 1967 年使黑洞研究發(fā)生了徹底的改變。所以不用太長的時(shí)間就會(huì)達(dá)到不變的狀態(tài)。在地球和太陽的情形下能 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)和太陽相撞，沒有必要立即去為之擔(dān)憂！地球軌道改變的過程極其緩慢， 以至于根本觀測不到。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)。” 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)無限致密的區(qū)域和時(shí)間的終 點(diǎn)。因?yàn)樵诮咏? 奇點(diǎn)處可能旅行到過去，所以宇宙監(jiān)督猜測的某種形式的成立是大有希望的。看來這給空間 —— 時(shí)間內(nèi)的旅行提供了巨大的可能性。的影響，但它對那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。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，以至于他還沒能看 到此奇點(diǎn)，就撞上去而結(jié)束了他的時(shí)間。這對 科學(xué)幻想作家而言是不錯(cuò)的，它表明沒有任何一個(gè)人的生命曾經(jīng)平安無事：有人可 以回到過去，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，能通過事件視界落到黑洞里去，但是沒有任 何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。 廣義相對論預(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。（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。但幾年以前，在稱為 PSR1913＋ 16（ PSR表 示“脈沖星”，一 種特別的發(fā)射出無線電波規(guī)則脈沖的中子星）的系統(tǒng)中觀測到這一效應(yīng)。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)。他指出，根據(jù)廣義相對論，非旋 轉(zhuǎn)的黑洞必須是非常簡單、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。所以，任何實(shí)際的恒星 —— 從來都不是完美的 球形 —— 只會(huì)坍縮形成一個(gè)裸奇點(diǎn)。他們論證道，牽涉恒星坍縮的快速運(yùn)動(dòng)表明，其釋放出來的引力 波使之越來越近于球形，到它終于靜態(tài)時(shí)，就變成準(zhǔn)確的球形。 1963 年，新西蘭人羅伊如果有旋轉(zhuǎn)，黑洞的赤道附近就鼓 出去（正如地球或太陽由于旋轉(zhuǎn)而鼓出去一樣），而旋轉(zhuǎn)得越快則鼓得越多。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 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。 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)。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)言和觀測相比較。的確，這經(jīng)常是反對黑 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論的計(jì)算的 對象呢？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。 1967 年，劍橋的一位研究生約瑟琳然而，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 于它們的磁場和周圍物質(zhì)復(fù)雜的相互作用，而發(fā)出無線電波的脈沖。 按照黑洞定義，它不能發(fā)出光，我們何以希望能檢測到它呢？這有點(diǎn)像在煤庫 里找黑貓。天文學(xué)家觀測了許多系統(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)。對這現(xiàn)象的最好解釋是，物質(zhì)從可見星的表面被吹起來，當(dāng)它落向不可見 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 ）。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。黑洞 看來是對這一觀測的僅有的真正自然的解釋。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》。迄今，我可以講大約 95％是肯定的，但輸贏最終尚未見分曉。 單就我們的星系中，大約總共有 1千億顆可見恒 星。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 可以用來說明星系中心觀測到的非常緊致的射電和紅外線源。落入的物質(zhì)會(huì)在黑洞附近產(chǎn)生能量非常高的粒子。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，還能支持自己對抗引力。（當(dāng)然，那時(shí)沒有一個(gè)人可能留下來去對 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。 很清楚，導(dǎo)致形成恒星和星系的無規(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)。所以看起來荒謬，而事實(shí)上卻是，小的黑洞也許可以比大的黑 洞更容易地被探測到。那時(shí)候還不存 在關(guān)于空間 —— 時(shí)間的那一點(diǎn)是在黑洞之內(nèi)還是在黑洞之外的準(zhǔn)確定義。 這有點(diǎn)像從警察那兒逃開，但是僅僅只能比警察快一步，而不能徹底地逃脫的情景！ 6 圖 我忽然意識(shí)到，這些光線的路徑永遠(yuǎn)不可能互相靠近。所以在事件視界上的光線的路徑必須永遠(yuǎn)是 互相平行運(yùn)動(dòng)或互相散開。事實(shí)上，只要物質(zhì)或輻射落到黑洞中去，這面積 就會(huì)增大（圖 ） ；或者如果兩個(gè)黑洞碰撞并合并成一個(gè)單獨(dú)的黑洞，這最后的 黑洞的事件視界面積就會(huì)大于或等于原先黑洞的事件視界面積的總和（圖 ） 。彭羅斯打 電話，他同意我的 結(jié)果。 7 圖 圖 人們非常容易從黑洞面積的不減行為聯(lián)想起被叫做熵的物理量的行為。 熱力學(xué)第二定律是這個(gè)觀念的一個(gè)準(zhǔn)確描述。氣體的溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)得越快，這樣它們撞擊盒壁越 頻繁越厲害，而且它們作用到壁上的向外的壓力越大。類似地，我們將一個(gè)充滿氧分子的盒子和另 一 個(gè)充滿氮分子的盒子連在一起并除去中間的壁，則氧分子和氮分子就開始混合。在以后某一時(shí)刻，所有我們第一個(gè)盒子 中的氣體分子在盒子的一半被發(fā)現(xiàn)的概率只有幾萬億分之一，但它們可能發(fā)生。如果黑洞具有某一特征，黑洞外的觀察者 因之可知道它的熵，并且只要攜帶熵的物體一落入黑洞，它就會(huì)增加，那將是很美 妙的。 看來在大多數(shù)情況下，這個(gè)建議不違背熱力學(xué)第二定律，然而還有一個(gè)致命的 瑕疵。 但在低溫下物體也發(fā)出輻射；通常情況下，只是因?yàn)槠漭椛湎喈?dāng)小而沒被注意到。 1972年，我和布蘭登然而，最后發(fā)現(xiàn)，雖然是在 一種他肯定沒有預(yù)料到的情形下，但他基本上還是正確的。他們說服我，按照量子力學(xué)不確定性 原理， 旋轉(zhuǎn)黑洞應(yīng)產(chǎn)生并輻射粒子。我預(yù)料要去發(fā)現(xiàn)的正是捷爾多維奇和斯塔拉賓斯基所預(yù)言的從旋 轉(zhuǎn)黑洞發(fā)出的輻射。然而，我越仔細(xì)推敲，越覺得這 近似其實(shí)應(yīng)該有效。然而場的數(shù)值和它的時(shí)間變化率如同不確定性原理所表明的 粒子位置和速度那樣，對一個(gè)量知道得越準(zhǔn)確，則對另一個(gè)量知道得越不準(zhǔn)確。這些粒子正如同攜帶太陽引力的虛粒子：它們不像 真的粒子那樣能用粒子加速器直接探測到。然而在這種情形下，粒子對的一個(gè)成員為粒子而另一成員為 反粒子（光和引力的反粒子正是和粒子相同）。然而，一顆接 近大質(zhì)量物體的實(shí)粒子比它遠(yuǎn)離此物體時(shí)能量更小，因?yàn)橐ㄙM(fèi)能量抵抗物體的引 力吸引才能將其推到遠(yuǎn)處。這種情形下，它 不再需要和它的伴侶相湮滅了，它被拋 棄的伴侶也可以落到黑洞中去。 圖 10 輻射出去的正能量會(huì)被落入黑洞的負(fù)能粒子流所平衡。 還有，黑洞的質(zhì)量越小，則其溫度越高。 一個(gè)具有幾倍太陽質(zhì)量的黑洞只具有千萬分之一度的絕對溫度。這比宇宙的年齡長得多 了， 宇宙的年齡大約只有 100 到 200 億年（ 1或 2 后面跟 10 個(gè) 0）。初始質(zhì)量比這小的太初黑 洞應(yīng)該已蒸發(fā)完畢，但那些比這稍大的黑洞仍在輻射出 X 射線以及伽瑪射線。 然而，這是非常困難的：這黑洞的質(zhì)量和一座山差不多，卻被壓縮成萬億之一英寸 亦即比一個(gè)原子核的尺度還?。∪绻诘厍虮砻嫔夏阌羞@樣的一個(gè)黑洞，就無法阻 止它透過地面落到地球的中心。 但是，即使我們不能駕馭這些太初黑洞的輻射，我們觀測 到它們的機(jī)遇又如何 呢？我們可以去尋找在太初黑洞壽命的大部分時(shí)間里發(fā)出的伽瑪射線輻射。圖 ，如果在每立方光年平均有 300 個(gè)太初黑洞，它們所發(fā) 射的伽瑪射線的強(qiáng)度應(yīng)如何地隨頻率而變化。 11 圖 由于太初黑洞是如此之稀罕，看來不太可能存在一個(gè)近到我們可以將其當(dāng)作一 個(gè)單獨(dú)的伽瑪射線源來觀察。在這個(gè)距離上去探測黑洞恒定的輻射，即使其功率 為 1 萬兆瓦， 仍是非常困難的。而要觀測到 從冥王星這么遠(yuǎn)來的如此少的粒子，需要一個(gè)比任何迄今已造成的更大的伽瑪射線 探測器。 你仍需要一個(gè)相當(dāng)大的伽瑪射線 探測器，以便去檢測從這爆炸來的若干伽瑪射線量子。當(dāng)這些對打到其他原子上 時(shí)，它們依序會(huì)產(chǎn)生出更多的電子正電子對，所以人們得到了所謂的電子陣雨。人們可在兩個(gè)或更多的隔開相當(dāng)遠(yuǎn)的地 點(diǎn)同時(shí)觀察這閃光，將伽瑪射線爆從以上所說的現(xiàn)象中識(shí)別出來。他 們找到了一些閃光，但沒有一個(gè)可以確認(rèn)為是從太初黑洞來的伽瑪射線爆。 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ 黑洞輻射的思想是第一個(gè)這樣的例子，它以基本的方式依賴于本世紀(jì)兩個(gè)偉大 理論即廣義相對論和量子力學(xué)所作的預(yù)言。他 甚至為此還寫了一篇論文。 黑洞輻射的存在看來意味著，引力坍縮不像我們曾經(jīng)認(rèn)為的那樣是最終的、不 可逆轉(zhuǎn)的。 當(dāng)黑洞的質(zhì)量大于幾分之一克時(shí)，我用以推導(dǎo)黑洞輻射的近似應(yīng)是很有效的。然而，我和其他人在 1974年所用的方法不能回答諸如量子引 力論中是否會(huì)發(fā)生奇性的問題。 我們將看到，雖然不確定性原理對于我們所有的預(yù)言的準(zhǔn)確性都加上了限制，同時(shí) 它卻可以排除掉發(fā)生在空間 —— 時(shí)間奇點(diǎn)處的基本的不可預(yù)言性。量子力學(xué)對大爆炸和大擠壓奇點(diǎn)也能有同樣戲劇性的效應(yīng)嗎？在 宇宙的極早或極晚期，當(dāng)引力場是如此之強(qiáng)，以至于量子效應(yīng)不能不考慮時(shí)，究竟 會(huì)發(fā)生什么？宇宙究竟是否有一個(gè)開端或終結(jié)？如果有的話，它們是什么樣子的？ 整個(gè) 70 年代我主要在研究黑洞，但在 1981 年參加在梵蒂岡由耶穌會(huì)組