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L(zhǎng)GM1－4，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，這些中子星由于在黑洞這個(gè)概念剛被提出的時(shí)候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說；另一種是光的
波動(dòng)說。我們現(xiàn)在知道，實(shí)際上這兩者都是正確的。由于
量子力學(xué)的波粒二象性，光既可認(rèn)為是波，也可認(rèn)為是粒子。在光的波動(dòng)說中，不清楚光對(duì)引力如何響應(yīng)。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預(yù)料，它們正如同炮彈、火箭和行星那樣受引力的影響。起先人們以為，光粒子無限快地運(yùn)動(dòng)，所以引力不可能使之慢下來，但是羅麥關(guān)于光速度有限的發(fā)現(xiàn)表明引力對(duì)之可有重要效應(yīng)。
1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰·米歇爾在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上，在《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章。他指出，一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠緊致的恒星會(huì)有如此強(qiáng)大的引力場(chǎng)，以致于連光線都不能逃逸——任何從恒星表面發(fā)出的光，還沒到達(dá)遠(yuǎn)處即會(huì)被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然會(huì)由于從它們那里發(fā)出的光不會(huì)到達(dá)我們這兒而使我們不能看到它們，但我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈兊囊Φ奈饔谩＿@正是我們現(xiàn)在稱為黑洞的物體。
事實(shí)上，因?yàn)楣馑偈枪潭ǖ?，所以，在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理實(shí)在很不協(xié)調(diào)。（從地面發(fā)射上天的炮彈由于引力而減速，最后停止上升并折回地面；然而，一個(gè)光子必須以不變的速度繼續(xù)向上，那么牛頓引力對(duì)于光如何發(fā)生影響呢？）直到1915年愛因斯坦提出廣義相對(duì)論之前，一直沒有關(guān)于引力如何影響光的協(xié)調(diào)的理論。甚至又過了很長(zhǎng)時(shí)間，這個(gè)理論對(duì)大質(zhì)量恒星的含意才被理解。
【黑洞的探索】 1928年，一位印度研究生——薩拉瑪尼安·強(qiáng)德拉塞卡——乘船來英國(guó)劍橋跟英國(guó)天文學(xué)家阿瑟.愛丁頓爵士（一位廣義相對(duì)論家）學(xué)習(xí)。（據(jù)記載，在本世紀(jì)20年代初有一位記者告訴愛丁頓，說他聽說世界上只有三個(gè)人能理解廣義相對(duì)論，愛丁頓，然而，強(qiáng)德拉塞卡意識(shí)到，不相容原理所能提供的排斥力有一個(gè)極限。恒星中的粒子的最大速度差被相對(duì)論限制為光速。這意味著，恒星變得足夠緊致之時(shí)，由不相容原理引起的排斥力就會(huì)比引力的作用小。強(qiáng)德拉塞卡計(jì)算出；一個(gè)大約為太陽質(zhì)量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（這質(zhì)量現(xiàn)在稱為強(qiáng)德拉塞卡極限。）蘇聯(lián)科學(xué)家列夫?達(dá)維多維奇?蘭道幾乎在同時(shí)也得到了類似的發(fā)現(xiàn)。
這對(duì)大質(zhì)量恒星的最終歸宿具有重大的意義。如果一顆恒星的質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限小，它最后會(huì)停止收縮并終于變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的“白矮星”。白矮星是它物質(zhì)中電子之間的不相容原理排斥力所支持的。我們觀察到大量這樣的白矮星。第一顆被觀察到的是繞著夜空中最亮的恒星——
天狼星轉(zhuǎn)動(dòng)的那一顆。
蘭道指出，對(duì)于恒星還存在另一可能的終態(tài)。其極限質(zhì)量大約也為太陽質(zhì)量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質(zhì)子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力所支持。所以它們被叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。在中子星被第一次預(yù)言時(shí)，并沒有任何方法去觀察它。實(shí)際上，很久以后它們才被觀察到。
另一方面，質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的問題：在某種情形下，它們會(huì)爆炸或拋出足夠的物質(zhì)，使自己的質(zhì)量減少到極限之下，以避免災(zāi)難性的引力坍縮。但是很難令人相信，不管恒星有多大，這總會(huì)發(fā)生。怎么知道它必須損失重量呢？即使每個(gè)恒星都設(shè)法失去足夠多的重量以避免坍縮，如果你把更多的質(zhì)量加在白矮星或中子星上，使之超過極限將會(huì)發(fā)生什么？它會(huì)坍縮到無限密度嗎？愛丁頓為此感到震驚，他拒絕相信強(qiáng)德拉塞卡的結(jié)果。愛丁頓認(rèn)為，一顆恒星不可能坍縮成一點(diǎn)。這是大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)：愛因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會(huì)收縮為零。其他科學(xué)家，尤其是他以前的老師、恒星結(jié)構(gòu)的主要權(quán)威——愛丁頓的敵意使強(qiáng)德拉塞卡拋棄了這方面的工作，轉(zhuǎn)去研究諸如恒星團(tuán)運(yùn)動(dòng)等其他天文學(xué)問題。然而，他獲得1983年
諾貝爾獎(jiǎng)，至少部分原因在于他早年所做的關(guān)于
冷恒星的質(zhì)量極限的工作。
強(qiáng)德拉塞卡指出，不相容原理不能夠阻止質(zhì)量大于強(qiáng)德拉塞卡極限的恒星發(fā)生坍縮。但是，根據(jù)廣義相對(duì)論，這樣的恒星會(huì)發(fā)生什么情況呢？這個(gè)問題被一位年輕的美國(guó)人羅伯特?奧本海默于1939年首次解決。然而，他所獲得的結(jié)果表明，用當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡去觀察不會(huì)再有任何結(jié)果。以后，因第二次世界大戰(zhàn)的干擾，奧本海默本人非常密切地卷入到原子彈計(jì)劃中去。戰(zhàn)后，由于大部分科學(xué)家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍縮的問題被大部分人忘記了。
現(xiàn)在，我們從奧本海默的工作中得到一幅這樣的圖象：恒星的引力場(chǎng)改變了光線的路徑，使之和原先沒有恒星情況下的路徑不一樣。光錐是表示光線從其頂端發(fā)出后在空間——時(shí)間里傳播的軌道。光錐在恒星表面附近稍微向內(nèi)偏折，在日食時(shí)觀察遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當(dāng)該恒星收縮時(shí)，其表面的引力場(chǎng)變得很強(qiáng)，光線向內(nèi)偏折得更多，從而使得光線從恒星逃逸變得更為困難。對(duì)于在遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)這恒星收縮到某一臨界半徑時(shí)，表面的引力場(chǎng)變得如此之強(qiáng)，使得光錐向內(nèi)偏折得這么多，以至于光線再也逃逸不出去。根據(jù)相對(duì)論，沒有東西會(huì)走得比光還快。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會(huì)被引力拉回去。也就是說，存在一個(gè)事件的集合或空間——時(shí)間區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者?，F(xiàn)在我們將這區(qū)域稱作黑洞，將其邊界稱作事件視界，它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的軌跡相重合。
當(dāng)你觀察一個(gè)恒星坍縮并形成黑洞時(shí)，為了理解你所看到的情況，切記在相對(duì)論中沒有絕對(duì)時(shí)間。每個(gè)觀測(cè)者都有自己的時(shí)間測(cè)量。由于恒星的引力場(chǎng)，在恒星上某人的時(shí)間將和在遠(yuǎn)處某人的時(shí)間不同。假定在坍縮星表面有一無畏的航天員和恒星一起向內(nèi)坍縮，按照他的表，每一秒鐘發(fā)一信號(hào)到一個(gè)繞著該恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的空間飛船上去。在他的表的某一時(shí)刻，譬如11點(diǎn)鐘，恒星剛好收縮到它的臨界半徑，此時(shí)引力場(chǎng)強(qiáng)到?jīng)]有任何東西可以逃逸出去，他的信號(hào)再也不能傳到空間飛船了。當(dāng)11點(diǎn)到達(dá)時(shí)，他在空間飛船中的伙伴發(fā)現(xiàn)，航天員發(fā)來的一串信號(hào)的時(shí)間間隔越變?cè)介L(zhǎng)。但是這個(gè)效應(yīng)在10點(diǎn)59分59秒之前是非常微小的。在收到10點(diǎn)59分58秒和10點(diǎn)59分59秒發(fā)出的兩個(gè)信號(hào)之間，他們只需等待比一秒鐘稍長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間，然而他們必須為11點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)等待無限長(zhǎng)的時(shí)間。按照航天員的手表，光波是在10點(diǎn)59分59秒和11點(diǎn)之間由恒星表面發(fā)出；從空間飛船上看，那光波被散開到無限長(zhǎng)的時(shí)間間隔里。在空間飛船上收到這一串光波的時(shí)間間隔變得越來越長(zhǎng)，所以恒星來的光顯得越來越紅、越來越淡，最后，該恒星變得如此之朦朧，以至于從空間飛船上再也看不見它，所余下的只是空間中的一個(gè)黑洞。然而，此恒星繼續(xù)以同樣的引力作用到空間飛船上，使飛船繼續(xù)繞著所形成的黑洞旋轉(zhuǎn)。
但是由于以下的問題，使得上述情景不是完全現(xiàn)實(shí)的。你離開恒星越遠(yuǎn)則引力越弱，所以作用在這位無畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前，這力的差就已經(jīng)將我們的航天員拉成意大利面條那樣，甚至將他撕裂！然而，我們相信，在宇宙中存在質(zhì)量大得多的天體，譬如星系的中心區(qū)域，它們?cè)馐艿揭μs而產(chǎn)生黑洞；一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會(huì)被撕開。事實(shí)上，當(dāng)他到達(dá)臨界半徑時(shí)，不會(huì)有任何異樣的感覺，甚至在通過永不回返的那一點(diǎn)時(shí)，都沒注意到。但是，隨著這區(qū)域繼續(xù)坍縮，只要在幾個(gè)鐘頭之內(nèi)，作用到他頭上和腳上的引力之差會(huì)變得如此之大，以至于再將其撕裂。
羅杰·彭羅斯和我在1965年和1970年之間的研究指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時(shí)間曲率的奇點(diǎn)。這和時(shí)間開端時(shí)的大爆炸相當(dāng)類似，只不過它是一個(gè)坍縮物體和航天員的時(shí)間終點(diǎn)而已。在此奇點(diǎn)，科學(xué)定律和我們預(yù)言將來的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不會(huì)受到可預(yù)見性失效的影響，因?yàn)閺钠纥c(diǎn)出發(fā)的不管是光還是任何其他信號(hào)都不能到達(dá)他那兒。這令人驚奇的事實(shí)導(dǎo)致羅杰?彭羅斯提出了宇宙監(jiān)督猜測(cè)，它可以被意譯為：“上帝憎惡裸奇點(diǎn)?！睋Q言之，由引力坍縮所產(chǎn)生的奇點(diǎn)只能發(fā)生在像黑洞這樣的地方，在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴(yán)格地講，這是所謂弱的宇宙監(jiān)督猜測(cè)：它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發(fā)生在奇點(diǎn)處的可預(yù)見性失效的影響，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，而穿過一個(gè)“
蟲洞”來到宇宙的另一區(qū)域?？磥磉@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，而從不會(huì)在過去。強(qiáng)的宇宙監(jiān)督猜測(cè)是說，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（如引力坍縮的奇點(diǎn)），或者整個(gè)存在于過去（如大爆炸）。因?yàn)樵诮咏闫纥c(diǎn)處可能旅行到過去，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。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時(shí)問軌道，沒有任何東西可以比光運(yùn)動(dòng)得更快。）人們可以將詩人但丁針對(duì)地獄入口所說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?！比魏螙|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)。
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。）例如，繞著太陽公轉(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，使之逐漸越來越接近太陽，最后撞到太陽上，以這種方式歸于最終不變的狀態(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1千億億億年地球才會(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(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，它們可以用愛因斯坦的特解來描述，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。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)。
黑洞是科學(xué)史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測(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)。
霍金關(guān)于黑洞理論http://www.phil.pku.edu.cn/personal/wugsh/sources/time/sjjs09.htm
http://www.phil.pku.edu.cn/personal/wugsh/sources/time/sjjs10.htm
?。ā稌r(shí)間簡(jiǎn)史》第06章 黑 洞 第07章 黑洞不是這么黑的）
