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羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）是英國(guó)理論物理學(xué)家，1931年出生。他在1965年提出了用以顯示恒星如何坍塌形成黑洞的數(shù)學(xué)方法。他與史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）合作，證明了如果愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確，那么將有一個(gè)奇點(diǎn)，一個(gè)無(wú)限密度和時(shí)空曲率的點(diǎn)，其中時(shí)間在會(huì)有一個(gè)起始點(diǎn)。彭羅斯（Penrose）曾與史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）因奇點(diǎn)理論的工作共同獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。

彭羅斯（Penrose）在扭轉(zhuǎn)空間理論方面有著杰出的貢獻(xiàn)，該理論致力于解決時(shí)空幾何問題?，F(xiàn)在他是牛津大學(xué)數(shù)學(xué)系的名譽(yù)教授，并且著有幾本有關(guān)空間，時(shí)間和現(xiàn)實(shí)本質(zhì)的書籍。

賴因哈德·根策爾（Reinhard Genzel）于1952年出生于德國(guó)，現(xiàn)工作于美國(guó)加利福尼亞州的馬克斯·普朗克地外物理學(xué)研究所。

安德莉亞·蓋茲（Andrea Ghez）于1965年出生于美國(guó)，現(xiàn)工作于美國(guó)加利福尼亞大學(xué)。她也成為繼瑪麗·居里（1903年）、瑪麗亞·格佩特-梅耶（1963年）和唐娜·斯特里克蘭（2018年）之后，第四位榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。

1972年，彭羅斯為《科學(xué)美國(guó)人》撰寫文章：《黑洞必然存在》，本文收錄于《環(huán)球科學(xué)》黑洞?？Ｔ谶@篇半世紀(jì)之前的文章中，彭羅斯明確提出：對(duì)于某些天體來說，黑洞是它們命中注定的歸宿。

撰文?羅杰·彭羅斯（Roger Penrose）

翻譯?錢磊

在大約五十億年內(nèi)，太陽(yáng)會(huì)通過熱核反應(yīng)消耗掉過多的氫元素，演化為一種叫做紅巨星的恒星。恒星理論預(yù)言，太陽(yáng)的直徑將增大到現(xiàn)在（1 392 000千米）的250倍，并在此過程中吞沒水星和金星，甚至還有可能吞沒地球。到那時(shí)，太陽(yáng)的物質(zhì)密度只有空氣的十分之一。（現(xiàn)在太陽(yáng)的平均密度是地球密度的五分之一。）

隨著太陽(yáng)消耗掉越來越多可用的核燃料（除了氫，還有氦和更重的元素），太陽(yáng)的膨脹過程將反轉(zhuǎn)，收縮到比當(dāng)前還小，直徑變?yōu)楝F(xiàn)在的百分之一，大約相當(dāng)于地球的大小。之后，它將演化為白矮星，停止收縮。在這一階段，原子中的電子會(huì)聚集得非常緊密，致使量子力學(xué)中的一個(gè)規(guī)律開始發(fā)揮作用，產(chǎn)生一種強(qiáng)到足以阻止太陽(yáng)進(jìn)一步收縮的等效壓強(qiáng)。這個(gè)規(guī)律就是泡利不相容原理，該原理指出，沒有兩個(gè)電子可以占據(jù)同一個(gè)能量狀態(tài)。此時(shí)，太陽(yáng)的密度將變得非常大，一個(gè)填滿太陽(yáng)物質(zhì)的乒乓球的質(zhì)量就相當(dāng)于好幾頭大象。接下來，太陽(yáng)將一直冷卻下去，直至抵達(dá)最終的死亡狀態(tài)，成為一顆黑矮星。

地球上任何物質(zhì)的密度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于白矮星。不過，天文學(xué)家在宇宙中觀測(cè)到了很多白矮星（和紅巨星）。它們是太陽(yáng)這類最普通的恒星演化歷史的一部分。此外，恒星演化為白矮星的理論和觀測(cè)結(jié)果非常一致。然而，并非所有恒星都遵循這個(gè)“正常的”演化路徑。1931年，蘇布拉馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）在研究恒星結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，白矮星存在一個(gè)最大質(zhì)量。超過這個(gè)質(zhì)量，白矮星就無(wú)法抵抗進(jìn)一步的引力收縮。指向恒星中心的引力甚至?xí)旱闺娮佑捎谂堇幌嗳菰矶a(chǎn)生的壓力。這個(gè)最大質(zhì)量極限不比太陽(yáng)質(zhì)量大多少。錢德拉塞卡最初得到的極限大約是1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，后來的計(jì)算給出了更小的值。而我們觀測(cè)到的許多恒星質(zhì)量都要大于1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量，它們的最終命運(yùn)會(huì)是怎樣的呢？

假設(shè)有一顆質(zhì)量是太陽(yáng)兩倍的恒星。和太陽(yáng)類似，在消耗了大部分原有的氫燃料之后，它將膨脹得非常大，然后再次收縮。但它不會(huì)進(jìn)入穩(wěn)定的平衡態(tài)而成為一顆白矮星。這顆恒星，或者它的很大一部分將會(huì)坍縮得比白矮星更小。由于極端的溫度和密度，它將經(jīng)歷一個(gè)導(dǎo)致其發(fā)生災(zāi)變性爆發(fā)的過程。天文學(xué)家已經(jīng)在我們的星系（最近的一顆由開普勒在1604年記載）和其他星系中觀測(cè)到了這類爆發(fā)恒星，并將其命名為超新星。一顆超新星的光度可以在數(shù)天內(nèi)勝過整個(gè)星系。超新星爆發(fā)時(shí)可能拋掉了多達(dá)90%的物質(zhì)，僅剩下恒星坍縮了的核心，藏在一團(tuán)快速膨脹的氣體云中心。（蟹狀星云就是這樣的氣體云。）這個(gè)核太小，密度也太大了，不可能是白矮星，只能以一顆中子星的身份達(dá)到平衡狀態(tài)。

即使與白矮星比，中子星也是很微小的。白矮星對(duì)中子星，大小相差的懸殊程度甚至超過了太陽(yáng)對(duì)白矮星的100：1，可能也超過了紅巨星對(duì)太陽(yáng)的大約250：1。中子星半徑可能只有10千米，或者說只有白矮星半徑的1/700。雖然白矮星的密度已經(jīng)大得異乎尋常了，但中子星的密度甚至比它還要大1億倍。一個(gè)填滿中子星物質(zhì)的乒乓球，質(zhì)量相當(dāng)于婚神星（Juno，直徑約200千米）這樣的小行星。中子星的密度與質(zhì)子或中子相當(dāng)；實(shí)際上，一顆中子星可以看作一個(gè)超大的原子核，兩者只有一個(gè)本質(zhì)上的差異：中子星是由引力而非核力束縛在一起的。中子星的大部分電子已經(jīng)被壓入質(zhì)子，導(dǎo)致質(zhì)子變成了中子?，F(xiàn)在，作用于中子的泡利不相容原理提供了阻止中子星進(jìn)一步收縮的等效壓力。

這套中子星理論是J·羅伯特·奧本海默（J. Robert Oppenheimer）、羅伯特·瑟伯（Robert Serber）和C·M·沃爾科夫（C. M. Volkoff）在1938年和1939年建立的。之后的很多年，天文學(xué)家都質(zhì)疑中子星是否真實(shí)存在。不過，自1967年起，觀測(cè)方面的狀況發(fā)生了巨大變化。在那一年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖星。自那以后，脈沖星理論發(fā)展迅速?，F(xiàn)在我們幾乎可以肯定，脈沖星發(fā)出的射電和光學(xué)脈沖，其能量和極端的規(guī)律性都源于旋轉(zhuǎn)的中子星。至少有兩顆脈沖星位于超新星遺跡中，其中一個(gè)遺跡就是蟹狀星云，這進(jìn)一步支持了脈沖星實(shí)際上就是中子星的理論。

和白矮星的情形類似，中子星也有一個(gè)最大質(zhì)量，在此之上它將無(wú)法阻止進(jìn)一步的引力收縮?？茖W(xué)家對(duì)這個(gè)最大質(zhì)量極限的確切數(shù)值還不是十分肯定。奧本海默和沃爾科夫在1939年最初給出的值大約為0.7倍太陽(yáng)質(zhì)量。后來的研究者給出的質(zhì)量極限要更大一些，最高的達(dá)到了3倍太陽(yáng)質(zhì)量。那些較高的極限值考慮到，除了通常的中子和質(zhì)子，還可能存在名為超子的大質(zhì)量亞原子粒子。無(wú)論如何，正確的極限都不會(huì)超過數(shù)倍太陽(yáng)質(zhì)量。但是，宇宙中存在超過50倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。它們的最終命運(yùn)是什么？恒星會(huì)在最終塌縮或更早的某些階段不可避免地拋出大量物質(zhì)，使其質(zhì)量總是小于穩(wěn)定的白矮星或中子星所要求的極限嗎？幾乎完全不可能。那有沒有可能存在什么其他形式的凝聚態(tài)物質(zhì)，其密度甚至超過中子星內(nèi)部所能達(dá)到的最大值？

光都無(wú)法逃離的引力陷阱

理論告訴我們，盡管物質(zhì)可以達(dá)到更高的密度，但獲得更高密度的穩(wěn)定平衡態(tài)是不可能的。引力效應(yīng)會(huì)變得無(wú)法抗拒，從而支配一切。牛頓引力理論不足以處理這種問題，我們必須使用愛因斯坦的廣義相對(duì)論。根據(jù)廣義相對(duì)論，我們得到了一種非常奇異的天體，相比之下中子星看起來還算正常。這個(gè)最初由奧本海默和沃爾科夫提出的新天體獲得了“黑洞”的稱號(hào)。

黑洞是一顆恒星（或一團(tuán)恒星或其他天體）坍縮形成的空間區(qū)域，光、物質(zhì)或任何形式的信號(hào)都無(wú)法從這里逃離。中子星還要收縮多少才能變成一個(gè)黑洞？以質(zhì)量與太陽(yáng)相當(dāng)?shù)奶祗w為例，我們已經(jīng)知道太陽(yáng)的直徑比中子星直徑大7萬(wàn)倍，紅巨星直徑比中子星直徑大2000萬(wàn)倍。鑒于這些尺度上的巨大差異，中子星只收縮到自身直徑的大約三分之一就會(huì)變成黑洞，這可能會(huì)令人吃驚。更大的黑洞也是可能存在的，但它們是最終總質(zhì)量大于太陽(yáng)的恒星或天體的塌縮產(chǎn)物，黑洞的直徑與質(zhì)量成正比。

廣義相對(duì)論在中子星理論中扮演了重要角色，實(shí)際上，它適用于任何場(chǎng)合，除非達(dá)到了黑洞那樣的極端條件。物理學(xué)理論能很好地描述大小和密度相差懸殊的各色恒星。從這個(gè)角度看，似乎沒什么理由懷疑物理理論可以稍微外推一些覆蓋到黑洞。但這個(gè)觀點(diǎn)并不是很合理。用來描述黑洞的那部分物理理論，即廣義相對(duì)論在觀測(cè)天文學(xué)中并不能說是不可替代的，我們必須嚴(yán)肅考慮廣義相對(duì)論存在錯(cuò)誤的可能性。針對(duì)廣義相對(duì)論的觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，成功的還不太多。盡管理論和觀測(cè)之間沒有矛盾，但這些觀測(cè)仍然沒有確定地證實(shí)廣義相對(duì)論。其他引力理論仍有存在的空間。

然而必須指出，廣義相對(duì)論是一個(gè)出色的理論；幾乎可以肯定，它是現(xiàn)有最令人滿意的引力理論。此外，廣義相對(duì)論最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，布蘭斯-迪克-若當(dāng)標(biāo)量-張量理論（Br-ans-Dicke- Jordan scalar-tensor theory）得到的黑洞圖景和愛因斯坦理論的結(jié)果是相同的。即便是在牛頓理論中也能出現(xiàn)和黑洞類似的情形。早在1798年，皮埃爾·西蒙 ·德 · 拉普拉斯 （Pierre Simon de Laplace）根據(jù)牛頓力學(xué)預(yù)言，質(zhì)量足夠大、足夠致密的天體應(yīng)該是不可見的，因?yàn)槠浔砻娴奶右菟俣葘⒊^光速。所以，從這種天體表面發(fā)出的一個(gè)光子，或者說光的粒子將會(huì)落回表面，因而無(wú)法逃逸并被遠(yuǎn)處的觀察者觀測(cè)到。這個(gè)描述可能是值得商榷的，但它表明，即使在牛頓理論中，也需要面對(duì)這樣的情況。不過，綜合考慮，我打算將對(duì)黑洞的討論完全限制在廣義相對(duì)論范圍內(nèi)。

首先，考慮一下當(dāng)前黑洞的標(biāo)準(zhǔn)圖景。黑洞可以用一個(gè)半徑正比于黑洞質(zhì)量的球面來表示。這個(gè)面稱為“絕對(duì)事件視界”，它的關(guān)鍵性質(zhì)為，內(nèi)部發(fā)出的信號(hào)不能逃逸，而從其外任何一點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)都可能逃逸。球面的大小，即事件視界的半徑等于兩倍質(zhì)量乘以引力常數(shù)再除以光速的平方（2mG/c2）。代入太陽(yáng)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算可以得出，太陽(yáng)要塌縮為直徑約為6千米的球才能成為黑洞，絕對(duì)事件視界就是這個(gè)6千米的球的表面。

產(chǎn)生黑洞的那個(gè)天體已經(jīng)落入事件視界深處。事件視界內(nèi)的引力場(chǎng)變得非常強(qiáng)，光無(wú)論向哪個(gè)方向發(fā)射，都會(huì)在引力拉扯下落向內(nèi)部。在事件視界之外，光如果發(fā)射方向合適，還是可以逃出來的。發(fā)射點(diǎn)越接近事件視界，發(fā)出的信號(hào)的波前就越多地偏向黑洞中心。我們可以直觀地把這個(gè)偏移想象成引力影響了光的運(yùn)動(dòng)。相比于向外的方向，光看起來更容易沿著朝向黑洞引力中心的方向運(yùn)動(dòng)。在事件視界內(nèi)，向內(nèi)的引力變得太強(qiáng)，向外運(yùn)動(dòng)變得完全不可能。而在事件視界上，光可以“原地踏步”，永久徘徊在與黑洞中心的距離保持不變的地方。

這樣的行為不僅適用于光，也適用于任何信號(hào)或物體。在事件視界內(nèi)，光速仍然是極限速度。狹義相對(duì)論仍然局域地成立，盡管在這個(gè)圖景中并非顯而易見。描述狹義相對(duì)論所用的局域參考系自身正快速地落向引力中心。

對(duì)黑洞的時(shí)空描述，要比上面給出的純空間描述更令人滿意。時(shí)空描述減少了一個(gè)空間坐標(biāo)，代之以一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)。它給出了全部時(shí)間內(nèi)發(fā)生的事件的即時(shí)圖像，這樣不需要用很多連續(xù)的“快照”來描述不斷變化的情況。

假設(shè)普通時(shí)空中某一點(diǎn)發(fā)出了閃光，光會(huì)向周圍所有方向傳播。閃光的波前是球心位于發(fā)射點(diǎn)的球面，按照光速隨時(shí)間推移不斷變大。對(duì)這個(gè)閃光的純空間描述將是一系列球，每個(gè)球比前一個(gè)大，標(biāo)記了某個(gè)給定時(shí)刻閃光的球面波前。而對(duì)閃光的時(shí)空描述是一個(gè)圓錐，其頂點(diǎn)代表閃光發(fā)出的時(shí)間和位置，圓錐本身描述了閃光的歷史。

按照同樣的方法，一顆恒星塌縮為黑洞的歷史可以用時(shí)空表示的方法來更好地描述。在時(shí)空中的不同點(diǎn)上，光錐的位置顯示了光信號(hào)是如何在引力場(chǎng)中傳播的。在某些點(diǎn)上，光錐是傾斜的，但對(duì)于這個(gè)點(diǎn)上的觀察者而言，是無(wú)法察覺到異常的。觀察者會(huì)沿著一條路徑，在光錐內(nèi)部行進(jìn)；他的速度永遠(yuǎn)不會(huì)超過光速——只有在光錐內(nèi)部才能滿足這個(gè)條件。截取時(shí)空?qǐng)D的一個(gè)水平剖面，我們就能得到相應(yīng)物體行為的純空間描述。

撕碎一切的潮汐力

通過塌縮，產(chǎn)生黑洞的天體命運(yùn)如何呢？假設(shè)它一直保持著精確的球?qū)ΨQ性，那么廣義相對(duì)論給出的答案是戲劇性的。根據(jù)廣義相對(duì)論，在靠近中心時(shí)，時(shí)空曲率會(huì)無(wú)限增大。在黑洞中心，不僅組成天體的物質(zhì)會(huì)被壓縮到無(wú)窮大的密度——可以說被壓碎至不復(fù)存在，天體外的時(shí)空也會(huì)變得無(wú)限彎曲。如果有個(gè)倒霉的觀察者愚蠢地進(jìn)入這個(gè)時(shí)空區(qū)域，那么無(wú)限大的時(shí)空曲率對(duì)他產(chǎn)生的效應(yīng)會(huì)是災(zāi)難性的。作用在他身上的潮汐力會(huì)快速增長(zhǎng)，并在有限時(shí)間內(nèi)（在他自己看來是這樣）達(dá)到無(wú)窮大。

引力潮汐效應(yīng)是時(shí)空曲率最直接的物理表現(xiàn)。愛因斯坦指出，在任意一點(diǎn)，一個(gè)物體承受的引力都可以通過選擇一個(gè)自由下落的參考系消除。他給出了一個(gè)著名的例子，一臺(tái)電梯纜繩斷裂落向地面。電梯里面的乘客會(huì)以與電梯相同的速率下落，他們感受不到引力作用，處于失重狀態(tài)漂浮在電梯中?，F(xiàn)在，這種通過自由下落消除引力在航天中是很常見的現(xiàn)象。然而，潮汐效應(yīng)無(wú)法這樣消除，因而它總會(huì)真實(shí)體現(xiàn)引力場(chǎng)的作用。想象一個(gè)觀察者在地球引力場(chǎng)中自由下落，他被分布在一個(gè)球面上的粒子包圍著，這些粒子起初相對(duì)于他是靜止的。根據(jù)牛頓定律，地球的引力場(chǎng)與地球和其他物體之間的距離的平方成反比，物體距離地球越近，承受的引力就越強(qiáng)。地球引力場(chǎng)的非均勻性會(huì)通過潮汐作用將粒子球變成橢圓球體。地球海洋的潮汐現(xiàn)象就是這種效應(yīng)的一個(gè)例子；在這個(gè)例子中，地球承受了月球的潮汐力。

太陽(yáng)系中的潮汐效應(yīng)都比較弱，最明顯的效應(yīng)就發(fā)生在地球表面，主要源于地球的引力場(chǎng)。這些潮汐效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室尺度根本察覺不到。換句話說，地球表面的四維時(shí)空曲率在實(shí)驗(yàn)室尺度不顯著。時(shí)空曲率的大小可以用曲率半徑描述。時(shí)空曲率越小，相應(yīng)的曲率半徑越大，就像三維空間中，球表面彎曲程度越小，半徑就越大一樣。地球表面的時(shí)空曲率半徑大約和地球到太陽(yáng)的距離相當(dāng)（這純粹是巧合，太陽(yáng)和地球表面的潮汐效應(yīng)無(wú)關(guān)）。所以地球沒有使時(shí)空彎曲很多。太陽(yáng)表面的潮汐效應(yīng)更小，因?yàn)樘?yáng)平均密度更低。實(shí)際上，太陽(yáng)表面的時(shí)空曲率半徑大約是地球到太陽(yáng)距離的兩倍，所以太陽(yáng)表面的時(shí)空彎曲程度比地球表面小。

在白矮星表面，時(shí)空曲率要大得多：曲率半徑和太陽(yáng)半徑的量級(jí)相同，大約80 000千米。白矮星附近的潮汐效應(yīng)對(duì)于圍繞它運(yùn)動(dòng)的宇航員來說將是非常明顯的。宇航員的頭和腳將感到有方向相反的兩股力在拉扯，強(qiáng)度大約是他在地球上承受到的總引力的五分之一。而在中子星的表面，潮汐效應(yīng)是非常巨大的。這里的時(shí)空曲率半徑只有約50千米。顯然，沒有宇航員能在圍繞中子星的低軌道上存活；即便他將身體蜷曲成一個(gè)球，其身體各部分承受的引力仍然相差甚遠(yuǎn)，大小差異可以達(dá)到地球表面重力的數(shù)百萬(wàn)倍。

理論上，可以建造出能夠承受這樣的潮汐力的設(shè)備。它們應(yīng)該非常小巧，以保證潮汐力也比較小，因?yàn)槲矬w承受的潮汐力與設(shè)備大小成正比?，F(xiàn)在，想象有這樣一個(gè)設(shè)備落入一個(gè)質(zhì)量等于太陽(yáng)的黑洞。它在穿過事件視界時(shí)承受的潮汐力是中子星表面的30倍。不過，這個(gè)設(shè)備有可能保持完好，因?yàn)槭┘佑诟鱾€(gè)零件的力可能仍然較小。在接近黑洞中心時(shí)，潮汐力會(huì)快速增大，撕碎組成這個(gè)設(shè)備的物質(zhì)、組成物質(zhì)的分子、組成分子的原子、原子中的原子核，甚至組成原子核的基本粒子最終都會(huì)被撕碎。另外，整個(gè)過程不超過數(shù)毫秒。這是一個(gè)時(shí)間反轉(zhuǎn)的小尺度宇宙創(chuàng)生模型。宇宙學(xué)模型的 “大爆炸”源于時(shí)空曲率為無(wú)窮大的奇點(diǎn)。黑洞內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)奇點(diǎn)，但在時(shí)間上是反過來的。

黑洞中的奇點(diǎn)

這個(gè)圖景是否描述了自然中真實(shí)發(fā)生的現(xiàn)象呢？即使不考慮廣義相對(duì)論是否正確，科學(xué)家也還有很多其他疑慮。首先，我們是否充分了解黑洞形成時(shí)那種極端高壓下物質(zhì)的性質(zhì)，從而讓這些預(yù)言令人信服？如果沒有精確球?qū)ΨQ性的假設(shè)，這些討論是否依然成立？我們的黑洞理論是否與天文觀測(cè)一致？接下來，讓我們依次考慮這些問題。

黑洞誕生所涉及的極高密度（某種程度上高于核物質(zhì)密度）物質(zhì)狀態(tài)的問題遠(yuǎn)不像初看起來那么嚴(yán)重?？v然人們認(rèn)為當(dāng)前的物理學(xué)對(duì)這種密度的認(rèn)識(shí)是不足的（情況可能并非如此），但這也僅僅影響質(zhì)量最小的那些天體的塌縮過程。任何天體的密度都正比于其質(zhì)量除以半徑的立方；而黑洞半徑又和質(zhì)量成正比。這兩個(gè)事實(shí)意味著，黑洞的密度與質(zhì)量的平方成反比。

天文學(xué)家認(rèn)為，星系中心的天體可能是質(zhì)量相當(dāng)于1萬(wàn)到1億個(gè)太陽(yáng)的黑洞。1億倍太陽(yáng)質(zhì)量的物質(zhì)塌縮達(dá)到形成黑洞的條件時(shí)，平均密度大約等于水的密度。事件視界上的潮汐效應(yīng)同樣與黑洞質(zhì)量的平方成反比。因此在某種程度上，1億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞的潮汐效應(yīng)甚至小于地球表面的潮汐效應(yīng)。一個(gè)宇航員可以穿過這個(gè)黑洞的事件視界而不受潮汐力影響。在他穿過事件視界時(shí)，他可能不會(huì)注意到有任何特別之處。（無(wú)論如何，視界的精確位置都不能通過局域測(cè)量得到。）在潮汐效應(yīng)達(dá)到無(wú)窮大之前，這個(gè)宇航員還剩下幾分鐘可以享受黑洞中的生活。對(duì)于100億倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，他還有大約一天的時(shí)間。至于黑洞內(nèi)部的巨大潮汐效應(yīng)和密度，則涉及到了廣義相對(duì)論的某些特定推論。后面我還會(huì)談到這個(gè)問題。

有關(guān)球?qū)ΨQ性假設(shè)的問題則更為嚴(yán)重。如果我們不采用球?qū)ΨQ假設(shè)，那么就得不出那個(gè)嚴(yán)格解，而之前的討論都是建立在這個(gè)解的基礎(chǔ)上。此外，即使我們假設(shè)最初的天體只稍微偏離球?qū)ΨQ一點(diǎn)，那么當(dāng)它坍縮到中心點(diǎn)附近時(shí)，這種不對(duì)稱性也很有可能被大幅度放大。那樣的話，塌縮天體的不同部分在落向中心時(shí)會(huì)不會(huì)碰不到一起？或許它們會(huì)在擦肩而過后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，越過中心飛向外面。即使它們沒出現(xiàn)這類情況，我們又該怎樣推斷坍縮形成的引力場(chǎng)的最終形態(tài)？幸運(yùn)的是，科學(xué)家在過去數(shù)年中證明了幾個(gè)一般性定理，根據(jù)這些定理他們已經(jīng)構(gòu)建了不對(duì)稱坍縮的完整理論。

讓我們考慮一下這個(gè)過程的細(xì)節(jié)。假設(shè)質(zhì)量分布略微偏離球?qū)ΨQ的一顆大質(zhì)量恒星或一群天體開始坍縮，那么根據(jù)我們的理論，如果該天體滿足某個(gè)判據(jù)，它就越過了無(wú)法返回點(diǎn)，會(huì)成為一個(gè)黑洞。這個(gè)判據(jù)可以用很多方法表述，但下面這個(gè)是最簡(jiǎn)單的。想象時(shí)空中有一點(diǎn)發(fā)出了閃光，如果用時(shí)空表示方法來描述這個(gè)事件，那么閃光就是源于這一點(diǎn)的光錐。光線從這點(diǎn)發(fā)出后，向四面八方散開，當(dāng)它們經(jīng)過物質(zhì)或引力場(chǎng)時(shí)，會(huì)被后者聚攏。如果光線遭遇了質(zhì)量足夠大的物質(zhì)或足夠強(qiáng)的引力場(chǎng)，其發(fā)散程度會(huì)極大地縮小。實(shí)際上，光線會(huì)反過來開始匯聚。天體會(huì)成為黑洞所需的判據(jù)就是，天體內(nèi)的時(shí)空點(diǎn)發(fā)出的每條光線都遇到足夠多的物質(zhì)和足夠強(qiáng)的引力場(chǎng)，使得光錐重新匯聚。通過簡(jiǎn)單的量級(jí)估算不難得出，對(duì)于足夠多的物質(zhì)，這個(gè)判據(jù)其實(shí)在密度或曲率達(dá)到非常大之前就能得到滿足，且無(wú)需任何對(duì)稱性。

對(duì)于滿足這個(gè)判據(jù)的天體，我們還可以得出許多推論。首先，根據(jù)斯蒂芬·霍金和本文作者由廣義相對(duì)論推導(dǎo)出的一個(gè)精確定理，這種情況下必然存在一個(gè)時(shí)空奇點(diǎn)。奇點(diǎn)指的是一個(gè)物理理論完全失效的時(shí)空區(qū)域。這里說的奇點(diǎn)，是一個(gè)物質(zhì)和光子被無(wú)限強(qiáng)的引力潮汐力扭曲和壓縮，直至完全消失的區(qū)域。物理學(xué)家不喜歡會(huì)出現(xiàn)真正奇點(diǎn)的理論。過去，如果一個(gè)理論里出現(xiàn)了奇點(diǎn)，通常表明當(dāng)前形式的理論失效了，需要新的理論工具。在處理黑洞問題時(shí)，我們?cè)俅卧庥隽诉@種情況，但比之前更為嚴(yán)重，黑洞里的奇點(diǎn)涉及到了空間和時(shí)間的結(jié)構(gòu)。

天體坍縮到了這個(gè)階段，有兩種完全不同的可能結(jié)果。產(chǎn)生的奇點(diǎn)有可能允許信息從它逃離，從而被遠(yuǎn)處的觀察者觀測(cè)到。這是兩種可能結(jié)果中更讓人擔(dān)憂的一個(gè)，猜測(cè)的成分也更大一些。這樣的奇點(diǎn)被稱為裸奇點(diǎn)。裸奇點(diǎn)讓人擔(dān)憂，是因?yàn)榻咏鼰o(wú)限大的時(shí)空曲率產(chǎn)生的物理效應(yīng)在很大程度上未知的。如果這些效應(yīng)可以影響外部世界，那么就會(huì)為物理理論帶來一種本質(zhì)上的不確定性。

另一方面，引力塌縮產(chǎn)生的奇點(diǎn)可能總是隱藏的，如果是球?qū)ΨQ坍縮的話就是這樣。在這種情況下，就不會(huì)導(dǎo)致不確定性。有的研究者提出一個(gè)假設(shè)，認(rèn)為引力坍縮只可能導(dǎo)致這個(gè)不太讓人擔(dān)憂的結(jié)果，這就是所謂的“宇宙監(jiān)督”假設(shè)。這個(gè)假設(shè)簡(jiǎn)單地禁止裸奇點(diǎn)存在?；蛴猩倭坷碚撟C據(jù)支持這個(gè)假設(shè)，但目前還沒有確定的結(jié)論。我個(gè)人傾向于在初始條件偏離球?qū)ΨQ不多的情況下相信這個(gè)假設(shè)。在更極端的情況下，就很難講了。我們甚至可能找到對(duì)這個(gè)假設(shè)不利的觀測(cè)證據(jù)。

如果我們認(rèn)為這個(gè)假設(shè)正確，那么就又可以得出一些推論。一旦滿足光錐匯聚判據(jù)，“宇宙監(jiān)督”假設(shè)表明，坍縮的天體將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)絕對(duì)事件視界。這個(gè)視界將具有定義明確的截面積，不會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小。于是黑洞傾向于增大而不會(huì)縮小。另外一個(gè)合理假設(shè)是，如果黑洞不受擾動(dòng)，那么它將達(dá)到穩(wěn)態(tài)。你或許認(rèn)為，由于可以塌縮為黑洞的天體千奇百怪，黑洞的這種穩(wěn)態(tài)可能會(huì)非常復(fù)雜。但沃納·伊薩艾爾（Werner Israel）、布蘭登·卡特（Brandon Carter）和霍金的研究已經(jīng)證明情況并非如此，最終出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)黑洞僅有非常有限的幾個(gè)類型。它們僅用質(zhì)量、自旋和電荷就可以完整描述。羅伊·P·克爾（Roy P. Kerr）和艾茲拉·紐曼（Ezra Newman）已經(jīng)解出了描述這些黑洞的廣義相對(duì)論方程。塌縮天體的不對(duì)稱性沒有出現(xiàn)在黑洞上的原因是，一旦黑洞形成，產(chǎn)生它的天體對(duì)其隨后的行為幾乎沒有影響。黑洞可以看作受廣義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)規(guī)律支配的自持引力場(chǎng)。這些動(dòng)力學(xué)規(guī)律允許引力場(chǎng)通過輻射引力波來消除不對(duì)稱性。

我們已經(jīng)看到，物體一但被黑洞吞噬就無(wú)法逃脫。但另一方面，也存在一些可以提取黑洞部分能量的機(jī)制。其中一個(gè)是讓兩個(gè)黑洞并合。合并過程可能伴隨大量的引力波輻射，其總能量可以占到原來兩個(gè)黑洞靜質(zhì)量（能量）的很大一部分。另外一個(gè)機(jī)制則是讓一個(gè)粒子落入旋轉(zhuǎn)黑洞視界附近的區(qū)域。這個(gè)粒子分裂為兩個(gè)粒子，一個(gè)落入黑洞，另一個(gè)攜帶著比初始粒子更多的能量逃離黑洞，飛往無(wú)窮遠(yuǎn)處。黑洞的旋轉(zhuǎn)能量就以這種方式轉(zhuǎn)移給了黑洞外面的粒子。

現(xiàn)在，讓我們考慮黑洞內(nèi)部的情形以及時(shí)空奇點(diǎn)的存在。因?yàn)椤捌纥c(diǎn)”是物理理論失效的區(qū)域，有趣的是，廣義相對(duì)論預(yù)言了自己的失效?；蛟S我們不用太驚奇，因?yàn)槲覀儍H將廣義相對(duì)論作為一個(gè)經(jīng)典理論處理?？梢灶A(yù)期當(dāng)時(shí)空曲率變得足夠巨大時(shí)，量子效應(yīng)必然會(huì)占主導(dǎo)地位。當(dāng)時(shí)空曲率半徑小到10^-13厘米（大約是一個(gè)基本粒子的半徑）時(shí)，現(xiàn)有的粒子物理理論必然會(huì)失效。如果時(shí)空曲率半徑小到10^-33厘米，那么對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)本身，我們也必須考慮量子效應(yīng)。目前，還沒有令人滿意的理論能把量子力學(xué)應(yīng)用到時(shí)空上。

在宇宙中尋找黑洞

最后的問題是：黑洞的觀測(cè)現(xiàn)狀是怎樣的？過去幾年，不同的研究者有很多互相矛盾的發(fā)現(xiàn)，但現(xiàn)在看來，他們?nèi)詿o(wú)法給出明確的結(jié)論。研究者討論的主要是有一個(gè)成員疑似黑洞的雙星系統(tǒng)，以及球狀星團(tuán)之類的多星系統(tǒng)。我們可以通過黑洞對(duì)其他天體運(yùn)動(dòng)的影響來找到它們。如果發(fā)現(xiàn)某天體附近有一個(gè)不可見的天體質(zhì)量過大，不可能是白（或黑）矮星或中子星，那么它就很可能是黑洞。

黑洞在觀測(cè)天文學(xué)中還有另一個(gè)角色。它現(xiàn)在的狀況讓我們想起當(dāng)年的中子星。曾有許多年，天文學(xué)家一直試圖通過搜尋某種效應(yīng)探測(cè)中子星，比如X射線輻射。因?yàn)榘凑绽碚擃A(yù)言，中子星理應(yīng)發(fā)出這種輻射。但中子星最終卻是通過完全沒有想到的效應(yīng)被探測(cè)到的，而且這個(gè)效應(yīng)依然沒得到真正令人滿意的解釋：脈沖星標(biāo)志性的快速、規(guī)律的電磁脈沖輻射。很有可能，黑洞也會(huì)因某種未預(yù)料到的附帶效應(yīng)而被發(fā)現(xiàn)。今天的天文學(xué)不缺少可能與黑洞相關(guān)的未解現(xiàn)象，比如類星體和射電星系龐大的能量輸出、星系中心的爆發(fā)現(xiàn)象、一些類星體和星系光譜的異常紅移以及星系質(zhì)量測(cè)量結(jié)果的不一致，甚至正常星系的旋臂結(jié)構(gòu)也還有些嚴(yán)重的問題。最重要的是，美國(guó)馬里蘭大學(xué)的約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）似乎觀測(cè)到了從我們星系中心傳來的引力波。如果這些波是連續(xù)地從星系中心向所有方向發(fā)出的，那么它們攜帶的能量會(huì)導(dǎo)致星系每年損失數(shù)千倍太陽(yáng)質(zhì)量。這個(gè)數(shù)值看起來和其他觀測(cè)有嚴(yán)重沖突。

黑洞理論暫時(shí)還不能為這個(gè)現(xiàn)象或上述其他現(xiàn)象給出令人信服的解釋，但這是個(gè)年輕的研究課題。對(duì)于韋伯的引力波，最理想的解釋是，這些波是高度集中沿著銀道面方向發(fā)射的。而太陽(yáng)靠近銀道面，引力波如果是集束的，韋伯的探測(cè)器就可能接收到了星系中心發(fā)出的絕大部分能量。如果是這樣，那么所有觀測(cè)的矛盾就都消除了。有些研究者已經(jīng)在嘗試用銀河系中心存在高速旋轉(zhuǎn)的巨型黑洞來解釋這種集束效應(yīng)，但是到目前為止，這些嘗試還不太令人信服。

也有可能沒有任何基于黑洞的解釋能行得通。如果韋伯的觀測(cè)依然站得住腳，那么我們更愿意嘗試用裸奇點(diǎn)來解釋觀測(cè)結(jié)果，而不是放棄廣義相對(duì)論（除了時(shí)空曲率極大的區(qū)域，在那里我們認(rèn)為經(jīng)典理論無(wú)論如何都會(huì)失效）。值得指出的是，克爾得出的一些愛因斯坦方程的解恰好體現(xiàn)了裸奇點(diǎn)?？ㄌ匾呀?jīng)計(jì)算過，裸奇點(diǎn)產(chǎn)生的任何效應(yīng)都只能在一個(gè)平面上觀測(cè)到。如果這個(gè)現(xiàn)象以某種方式出現(xiàn)于我們星系的中心，那么我們可以想象，奇點(diǎn)既可以解釋銀道面的存在也可以解釋韋伯的引力波。盡管這是對(duì)韋伯觀測(cè)的一種激進(jìn)的解釋，但它的確可以消除不同觀測(cè)結(jié)果之間的不一致。相比之下，黑洞現(xiàn)在可以看作是“傳統(tǒng)”的解釋。實(shí)際上，由于這個(gè)原因，黑洞也應(yīng)該是優(yōu)先考慮的解釋。不過，自然并不總是青睞傳統(tǒng)的解釋，尤其是在天文學(xué)中。