黑洞是愛因斯坦場方程的一個預(yù)言，是恒星在死亡過程中的最后一幕。黑洞的一個最獨特的特征是∶它們可能是通向另一個宇宙的通道?？茖W(xué)界還有一種有趣的猜想∶黑洞可以打通一條時間隧道。
為理解黑洞以及它們多么難找，我們首先得理解恒星為什么會發(fā)光，它們?nèi)绾纬砷L，以及最后如何死亡。當(dāng)一個幾倍于太陽系的巨大氫云被自身的引力壓縮時，一顆恒星就會產(chǎn)生。隨著引力能轉(zhuǎn)化為氫原子的動能，壓縮著氣體的引力漸漸使之變熱。通常，氣態(tài)氫內(nèi)質(zhì)子間由于荷電而產(chǎn)生的斥力足以使它們分開。然而在特定的條件下，如溫度高到1000萬開爾文至1億開爾文時，質(zhì)子（氫原子核）的動能會克服靜電的排斥，然后合在一起。核力便取代了電磁力，兩個氫原子核就"聚變"成氦原子，同時釋放出巨大的能量。
要明白能量如何從聚變中產(chǎn)生出來，理解恒星在其生命進程中走向黑洞的一幕幕，我們必須分析下面的這個圖。
圖中給出了一條在近代科學(xué)中極重要的曲線，它有時也稱為結(jié)合能曲線。水平軸代表各種元素（從氫原子到鈾原子）的原子量。豎直軸表示原子核中質(zhì)子的平均“重量”。請注意，平均來說氫原子和鈾原子中的質(zhì)子要重于圖上中心部分其他元素的質(zhì)子。
太陽是一顆普通的黃星，主要由氫組成。與最初的大爆炸類似，它使氫聚變而產(chǎn)生氦。然而，因為氫原子中的質(zhì)子比氦原子中的質(zhì)子重，于是就有一些剩余質(zhì)量。這些質(zhì)量通過質(zhì)能公式轉(zhuǎn)化為能量，而這個能量則使原子核束縛在一起。這個能量也是氫變成氦時所放出的能量。這就是太陽會發(fā)光的原因。
然而，經(jīng)過幾十億年，這些氫會慢慢地用盡。一顆黃星最后會因產(chǎn)生太多的廢氦而使“核燃爐”熄滅。當(dāng)這發(fā)生之后，引力就占了主導(dǎo)地位，并將恒星擠壓得更緊。隨著溫度升高，恒星很快熱得足以燃燒廢氦并把它轉(zhuǎn)化成其他元素，如鋰和碳。請注意沿曲線到達原子量較高的元素時仍可以釋放能量。換句話說，廢氮仍可以燃燒。盡管恒星在尺度上已經(jīng)小了很多，它的溫度卻非常高，其大氣層大大地膨脹開來。事實上，當(dāng)太陽用盡它的氫后開始燃燒氦原子時，它的大氣層將擴展到火星的軌道。這稱為紅巨星。當(dāng)然，這意味著，在這個過程中地球會被蒸發(fā)掉∶所以，這條曲線同樣預(yù)言著地球的最終命運。因為太陽是一顆中年恒星，大約50億歲，在它燒掉地球之前還會有另一個50億年。
最后，當(dāng)氦用完了之后，核燃爐又熄滅了。引力又占了壓倒性優(yōu)勢來壓縮星體。紅巨星收縮成為一顆白矮星，即一顆全部質(zhì)量被壓縮成地球大小的小小的恒星。白矮星不很亮，因為在降至曲線的底部之后，它只能從質(zhì)能公式中提取很少一部分剩余能量。白矮星燃燒著在曲線底部剩下的為數(shù)不多的元素。
太陽最終將變成一顆白矮星，并在幾十億年中用盡它的核燃料而漸漸死亡。最后它會變成一顆暗的、燒光了的矮星。然而據(jù)認(rèn)為，如果恒星的質(zhì)量足夠大，則白矮星中的大多數(shù)元素將繼續(xù)聚合成越來越重的元素，最后變成鐵元素。一旦變成鐵元素，就幾乎到了曲線的最底部。我們不能再從剩余質(zhì)量中提取能量了，所以核燃爐就會關(guān)閉。引力重新成為主導(dǎo)，壓縮著星體直到其溫度暴漲了幾千倍，而達到上萬億度。到這時，白矮星的鐵核坍縮，它的外層則被炸毀，同時釋放出星系中所知的最巨額的能量，成為一顆叫做超新星的爆發(fā)恒星。僅僅一顆超新星在一段時間內(nèi)就有可能比包含著上千億顆恒星的整個星系還亮
在超新星爆發(fā)之后，我們會看到一個完全死了的星球，即一顆中子星，它只有曼哈頓那么大小。中子星里密度如此之大，粗略地說，所有的中子都互相“緊挨”著。盡管中子星幾乎看不見，我們?nèi)钥梢杂脙x器探測到它們。它們一邊轉(zhuǎn)動一邊發(fā)出某些輻射，就像在外層空間中的宇宙燈塔。我們看到的是一顆閃爍的星星，即脈沖星。
計算機模擬顯示，大多數(shù)比鐵重的元素都可以在超新星的高熱和壓力下合成。當(dāng)恒星爆發(fā)時，它將大量的星體碎骸釋放到太空中，其中包含著許多高原子量的元素。這些殘骸最終和其他氣體混合，直到聚積起足夠多的氫，又一次開始引力收縮過程。這些產(chǎn)生于星際氣體和塵埃的第二代恒星包含著豐富的重元素。其中一些恒星（像我們的太陽）的行星也將含有這些重元素。
這就解開了宇宙學(xué)中一個由來已久的不解之謎。我們的身體中含有鐵以后的重元素，但是太陽并不熱得足以產(chǎn)生它們。如果地球和我們身體中的原子來源于同樣的氣體云，那么我們身體中的這些重元素從何而來？答案是∶我們身體里的重元素合成于一個在太陽產(chǎn)生之前爆炸的超新星中。換句話說，幾十億年前有一顆無名的超新星爆炸了，在產(chǎn)生太陽系的那團氣體云中播下了種子。
初聽到恒星的歷史時，可能會有些懷疑。畢竟從來沒有人活了上百億年來目睹它們的演化。然而，由于天空中有無數(shù)顆恒星，因而很容易就能看到處于幾乎每個演化階段中的恒星。
例如，1987年的超新星爆發(fā)，在南半球幾乎用肉眼就可以看到，得到的那些珍貴的、豐富的天文數(shù)據(jù)，與一個正在坍縮的帶鐵核的白矮星的理論預(yù)言符合得很好。再有，在1054年7月4日被中國古代天文學(xué)家觀測到的一顆壯觀的超新星，留下的殘骸被認(rèn)定為是一顆中子星。
如果一顆恒星10到50倍于太陽的大小，那么甚至在它成為中子星后，引力還會繼續(xù)壓縮它。沒有聚變產(chǎn)生的力來抵抗引力的拉曳，就無法阻止這顆恒星的最后坍縮。這時，它就變成聞名遐邇的黑洞。
在某種意義上，黑洞是應(yīng)當(dāng)存在的。恒星是兩種宇宙力的副產(chǎn)品∶引力要壓碎這顆恒星，而聚變像氫彈那樣要把恒星炸開。所有恒星的生命歷史各個階段，都是這種引力與核聚變之間精致平衡的作用結(jié)果。或遲或早，當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星的核燃料用完之后，它變成純粹的一團中子，就沒有什么可以再抗拒強大的引力了。最后，引力成為主導(dǎo)把中子星壓得一無所剩。這樣恒星就完成了它的生命循環(huán)∶恒星生于引力開始壓縮天空中的一團氫氣之時，而死于核燃料用完之后引力又使它坍縮之際。
黑洞的密度如此之大，以至于光將被迫繞著它轉(zhuǎn)。由于沒有光可以從這巨大的引力場中逃脫出來，坍縮了的恒星顏色就變黑了。事實上，那就是黑洞通常的定義，一顆光也不能從中逃逸的坍縮恒星。
為理解這一點，我們知道所有的天體都有一個所謂的逃逸速度。必須有這個速度才能脫離這個天體的引力的拉曳。例如，一個太空探測器應(yīng)達到每小時40000千米的逃逸速度，才能脫離地球引力的拉曳進入外太空。太空探測器如“旅行者”號已進入外太空，完全脫離了太陽系，它已達到太陽的逃逸速度。
牛頓的引力理論給出了逃逸速度與恒星質(zhì)量間的精確關(guān)系。行星或恒星越重及半徑越小，為脫離其引力拉曳所需的逃逸速度就越大。早在1783年，英國天文學(xué)家米歇爾用這種計算提出，一個超級重的恒星可能會有一個等于光速的逃逸速度。此種巨大恒星發(fā)出的光永遠(yuǎn)逃不脫，但可以繞恒星轉(zhuǎn)。于是，對于一個外部的觀察者，這個恒星看上去完全是黑的。不幸的是，他的理論被認(rèn)為是妄想，很快就被遺忘了。然而，今天我們傾向于認(rèn)為黑洞存在，因為我們的望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)在天空中看到了白矮星和中子星。
黑洞的相對論描述源于史瓦西的工作。1916年，僅在愛因斯坦寫下他著名的方程數(shù)月之后，史瓦西便能精確求解愛因斯坦方程，計算一個大質(zhì)量的靜態(tài)恒星的引力場。
史瓦西解有幾個有意思的特點。第一，黑洞被一圈"無歸點”環(huán)繞著，任何物體只要走進這個半徑之內(nèi)就會被毫無例外地吸進黑洞，不可能逃脫。任何人只要不幸走進史瓦西半徑之內(nèi)也會無情地被黑洞俘獲，壓碎至死。今天，這個到黑洞的距離被稱作史瓦西半徑，或視界。
第二，任何掉到史瓦西半徑以內(nèi)的人都會在時空的“另一邊”看到一個“鏡像字宙”。愛因斯坦并不擔(dān)心這個怪異的鏡像宇宙的存在，因為和它通信是不可能的。任何送到黑洞中心的空間探測器，都會遇到無窮大的曲率，也就是引力場變得無窮大，任何物體都會被壓碎。電子將被從原子中剝離，甚至原子核中的質(zhì)子和中子本身也會被撕開。再有，要穿透到另外的宇宙中，探測器必須超過光速，而這是不大可能的。所以，盡管這一鏡像宇宙在數(shù)學(xué)上有其必要性，它使得史瓦西解有意義，但它在物理上決不會被觀察到。
因此，聯(lián)結(jié)這兩個宇宙的著名的愛因斯坦-羅森橋，就被認(rèn)為只是一個數(shù)學(xué)怪物。必須有這個橋才能有一個在數(shù)學(xué)上自洽的黑洞理論，但不能通過愛因斯坦-羅森橋到達鏡像宇宙。很快，在引力場方程的其他解中，如描述荷電的賴斯納-努德斯特倫解，也找到了愛因斯坦-羅森橋。然而，愛因斯坦-羅森橋仍被作為一個在相對論知識中一個不尋常的但卻被人遺忘的腳注。
情況隨著新西蘭數(shù)學(xué)家克爾的工作開始發(fā)生了轉(zhuǎn)機，他在1963年找到了愛因斯坦方程的另一個精確解?？藸柤僭O(shè)，所有坍縮著的恒星都會轉(zhuǎn)動。正如一個轉(zhuǎn)著的溜冰者在收回他的手時會加速一樣，一個轉(zhuǎn)動的恒星球在開始坍縮時也必須加速自轉(zhuǎn)。于是，描述黑洞的靜態(tài)史瓦西解，不是愛因斯坦方程物理上最切題的解。
克爾的解在它提出來的時候，在相對論領(lǐng)域中引起了很大的轟動。天體物理學(xué)家錢德拉塞卡曾這樣說：
在我整個45年的科學(xué)生涯中，令我最震驚的體驗是意識到新西蘭數(shù)學(xué)家克爾發(fā)現(xiàn)的愛因斯坦方程的一個精確解給出了散布宇宙中的無計其數(shù)大質(zhì)量黑洞絕對精確的表述。這種難以置信的事實，即一個在數(shù)學(xué)中以追求美為動力的發(fā)現(xiàn)會在自然中找到精確的摹寫，使我不得不說人的心智對美有著最深遠(yuǎn)一層的感悟。
然而，克爾發(fā)現(xiàn)，一個大質(zhì)量的轉(zhuǎn)動著的恒星不會坍縮成一個點。相反，一個自轉(zhuǎn)著的恒星會變得越來越平，直到最后被壓縮成一個環(huán)，這個環(huán)有有趣的性質(zhì)。如果一個探測器從側(cè)面發(fā)射到黑洞中，它將落到環(huán)上并徹底被銷毀。因為從側(cè)面接近這個環(huán)時，時空曲率仍是無窮大?？梢哉f黑洞中心的周圍仍存在著一個“死亡之環(huán)”。然而，如果一個空間探測器從上面或下面發(fā)射到環(huán)中去，它將遇到一個很大卻是有限的曲率；也就是說，引力不是無窮大。
這個從克爾解中得到的很令人吃驚的結(jié)論意味著，任何一個沿著一個自轉(zhuǎn)黑洞的轉(zhuǎn)動軸發(fā)射進去的探測器，原則上有可能在中心處巨大但有限的引力場存活下來，并穿過去到達鏡象宇宙而不被無窮大曲率所推毀。愛因斯坦-羅森橋形同一個連通兩個時空域的隧道；它就是一個蟲洞。于是，克爾黑洞就是通向另一個宇宙的通道。
現(xiàn)在試想一下你乘坐的火箭已進入了愛因斯坦-羅森橋。當(dāng)你的火箭接近自轉(zhuǎn)的黑洞時，它看到一個環(huán)狀的轉(zhuǎn)動恒星。一開始，當(dāng)火箭從北極向黑洞下落的時候，看起來像要災(zāi)難性地墜毀。然而，當(dāng)我們離環(huán)近一些的時候，從鏡像宇宙來的光就會到達我們的傳感器。由于所有的電磁輻射，包括雷達，都在繞著黑洞轉(zhuǎn)，我們雷達屏幕上探測到的是繞黑洞轉(zhuǎn)了很多圈的信號。這種效應(yīng)類似于在一個充滿鏡子的大廳里，我們在其中會被很多的鏡像所迷惑。光漂掠過這許多面鏡子，產(chǎn)生了錯覺∶在大廳中有無數(shù)個自己。
當(dāng)我們通過克爾黑洞時，也會發(fā)生同樣的效應(yīng)。同一束光繞著黑洞轉(zhuǎn)了很多圈，我們火箭上的雷達測到的是那些繞著黑洞轉(zhuǎn)的圖象，就產(chǎn)生了并不存在于那兒的物體的幻象。
這是否就意味著黑洞可以利用來作星系際旅行，就像《星際旅行》和其他科幻電影中描述的那樣？
我們知道，一個特定空間的曲率決定于這個空間中所包含的質(zhì)能量（馬赫原理）。愛因斯坦著名的方程給出了由于質(zhì)能存在導(dǎo)致的精確的時空彎曲程度。
當(dāng)柯克船長帶我們在“卷曲因子5”上從超維空間中穿過時，供給“企業(yè)”號能量的“雙鋰晶體”必須奇跡般地把時空卷曲起來。這意味著雙鋰晶體有能把時空連續(xù)統(tǒng)卷成法國號的魔力；也即它們是巨大的質(zhì)能庫。
如果“企業(yè)”號要從地球到最近的一顆恒星球半人馬座α上去，它不是真正運動到那兒去，相反，是半人馬座α向"企業(yè)”號移動。試想坐在地毯上用套索拉著幾尺遠(yuǎn)的一個桌子。如果我們的力量足夠大且地板足夠光滑，我們可以拉著套索直到下面的地毯開始折疊起來。當(dāng)我們用足夠大的力氣去拉，桌子會走向我們，桌子和我們之間的"距離"會消失在一堆折皺的地毯中。然后我們簡單地跳過“地毯卷”。換句話說，我們幾乎沒有動；桌子和我們之間的空間被壓縮了，而我們只是走過這個壓縮后的距離。同理，"企業(yè)"號也沒有真正地越過整個空間到達半人馬座α；它只是越過了皺起來的時空——穿過蟲洞。為更好地理解當(dāng)一個人掉到愛因斯坦-羅森橋都發(fā)生了些什么，我們現(xiàn)在來討論一下蟲洞的拓?fù)?/strong>。
為使這些多連通空間形象化一些，想象一個奇怪的漂動的窗口在我們面前打開，很像愛麗絲的鏡子。（打開這個窗口的能量足以粉碎地球，目前不考慮這些，這里只是一個純粹假想的例子。）
我們走向這個盤旋著的窗口去仔細(xì)看一看，驚恐地發(fā)現(xiàn)我們自己正瞪著一只難看的霸王龍的頭。我們正準(zhǔn)備逃命的時候，注意到那只霸王龍沒有身體。他不可能傷害到我們，因為它的整個身體顯然在窗口的另一邊。當(dāng)我們朝下找恐龍的身體時，我們可以看到沿街的所有情景，好似恐龍和窗口都根本不存在似的。我們困惑地繞著窗口轉(zhuǎn)圈，慶幸哪兒也找不到霸王龍。然而，當(dāng)我們從窗口背面往里瞅的時候，我們看到了一只雷龍的頭也在瞪著我們看。
我們很害怕地再一次繞著窗口轉(zhuǎn)圈，從側(cè)面看這個窗口。更使我們驚奇的是，窗口及恐龍的一切跡象都消失了。我們在繞著浮動的窗口轉(zhuǎn)了幾圈之后發(fā)現(xiàn)，從一個方向，我們看到霸王龍的頭；從另一個方向，我們看到雷龍的頭；當(dāng)我們從側(cè)面看時，我們發(fā)現(xiàn)鏡子和恐龍都沒有了。
在一個遙遠(yuǎn)的宇宙里，霸王龍和雷龍擺好了生死搏斗的架勢∶當(dāng)它們面對面時，一個浮動的窗口突然在它們之間出現(xiàn)了。霸王龍向鏡子里窺視時，它看到一個短小、瘦弱的哺乳動物，黑色的頭發(fā)和一張小臉∶一個人。頭能很清楚地看到，但沒有身體。然而，雷龍從另一個方向向同一個窗口看時，它看到了（鏡子下面）商店和車輛。接下來霸王龍發(fā)現(xiàn)窗口中的這個人消失了，在窗口面對著雷龍的那一面出現(xiàn)了。
現(xiàn)在我們假設(shè)，突然一陣風(fēng)把我們的帽子吹進了窗口。我們看到帽子飄進了另一個宇宙的天空中。我們將手伸到窗子里去抓那帽了。在霸王龍看來，一個不知從哪兒來的帽子從窗子里吹出來了。然后就看到一個沒有身體的手從窗子里伸出來，在摸帽子。
這時風(fēng)改變了方向，帽子被送到另一個方向去了。我們伸出另一只手，但是從另一個方向。我們現(xiàn)在就處在一個很窘的境地。我們兩只手從不同方向都伸進了窗子里去了，但我們卻不能看到我們的手指，兩只手好像都消失了。這在恐龍看來是什么？它們看到兩只擺動小手吊在窗了兩邊，但沒有身體。
這個例子說明了一些精致的，可以從多連通空間創(chuàng)造出來的時空扭曲。
引人矚目的是，這么一個簡單的思想——高維可以統(tǒng)一時間和空間，以及"力"可以解釋為那個時空的彎曲——會導(dǎo)致如此眾多的物理結(jié)果。然而，在蛀洞與多連通空間的問題上，我們已觸及到了愛因斯坦廣義相對論的極限。事實上，產(chǎn)生蛀洞或維通道所需的質(zhì)能如此之大，以至于我們期望量子效應(yīng)將會成為主導(dǎo)。量子修正則可能實質(zhì)上關(guān)閉了蛀洞開口，使得通過這個通道去旅行變得不可能。
由于量子理論和相對論都不足以獨立解決這個問題，我們得等到十維理論的完成，才能決定這些蟲洞倒底是物理上的相關(guān)思想還只是一個臆想。
