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。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，其中只有一顆可見的恒星繞著另一顆看不見的伴星運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。人們當(dāng)然不能立即得出結(jié)論說，這伴星即為黑洞——它可能僅僅是一顆太暗以至于看不見的恒星而已。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）。為了使這機(jī)制起作用，不可見物體必須非常小，像白矮星、中子星或黑洞那樣。從觀察那顆可見星的軌道，人們可推算出不可見物體的最小的可能質(zhì)量。在天鵝x－1的情形，不可見星大約是太陽質(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。

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)。黑洞看來是對(duì)這一觀測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，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《私家偵探》雜志。事實(shí)上，從我們打賭的1975年迄今，雖然天鵝x－1的情形并沒有改變太多，但是人們已經(jīng)積累了這么多對(duì)黑洞有利的觀測證據(jù)，我只好認(rèn)輸。我進(jìn)行了約定的賠償，那就是給索恩訂閱一年的《藏春閣》。這使他開放的妻子相當(dāng)惱火。

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1000億顆可見恒星。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，單是可見恒星的質(zhì)量是不足夠的。我們還有某些證據(jù)說明，在我們星系的中心有大得多的黑洞，其質(zhì)量大約是太陽的10萬倍。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，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，但是它可以用來說明星系中心觀測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。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，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)沒有一個(gè)人可能留下來去對(duì)它進(jìn)行觀察！）更現(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)其他可見物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測到。然而，正如我們需要在下一章看到的，黑洞根本不是真正黑的，它們像一個(gè)熱體一樣發(fā)光，它們越小則發(fā)熱發(fā)光得越厲害。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。

第七章黑洞不是這么黑的

在1970年以前，我關(guān)于廣義相對(duì)論的研究，主要集中于是否存在一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)。然而，同年11月我的女兒露西出生后不久的一個(gè)晚上，當(dāng)我上床時(shí)，我開始思考黑洞的問題。我的殘廢使得這個(gè)過程相當(dāng)慢，所以我有許多時(shí)間。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。我已經(jīng)和羅杰·彭羅斯討論過將黑洞定義為不能逃逸到遠(yuǎn)處的事件集合的想法，這也就是現(xiàn)在被廣泛接受的定義。它意味著，黑洞邊界——即事件視界——是由剛好不能從黑洞逃逸而永遠(yuǎn)只在邊緣上徘徊的光線在空間——時(shí)間里的路徑所形成的（圖）。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！

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。如果它們靠近了，它們最終就必須互相撞上。這正如和另一個(gè)從對(duì)面逃離警察的人相遇——你們倆都會(huì)被抓住：（或者，在這種情形下落到黑洞中去。）但是，如果這些光線被黑洞所吞沒，那它們就不可能在黑洞的邊界上呆過。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。另一種看到這一點(diǎn)的方法是，事件視界，亦即黑洞邊界，正像一個(gè)影子的邊緣——一個(gè)即將臨頭的災(zāi)難的影子。如果你看到在遠(yuǎn)距離上的一個(gè)源（譬如太陽）投下的影子，就能明白邊緣上的光線不會(huì)互相靠近。

如果從事件視界（亦即黑洞邊界）來的光線永遠(yuǎn)不可能互相靠近，則事件視界的面積可以保持不變或者隨時(shí)間增大，但它永遠(yuǎn)不會(huì)減小——因?yàn)檫@意味著至少一些在邊界上的光線必須互相靠近。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）。事件視界面積的非減性質(zhì)給黑洞的可能行為加上了重要的限制。我如此地為我的發(fā)現(xiàn)所激動(dòng)，以至于當(dāng)夜沒睡多少。第二天，我給羅杰·彭羅斯打電話，他同意我的結(jié)果。我想，事實(shí)上他已經(jīng)知道了這個(gè)面積的性質(zhì)。然而，他是用稍微不同的黑洞定義。他沒有意識(shí)到，假定黑洞已終止于不隨時(shí)間變化的狀態(tài)，按照這兩種定義，黑洞的邊界以及其面積都應(yīng)是一樣的。

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。熵是測量一個(gè)系統(tǒng)的無序的程度。常識(shí)告訴我們，如果不進(jìn)行外加干涉，事物總是傾向于增加它的無序度。（例如你只要停止保養(yǎng)房子，看會(huì)發(fā)生什么？）人們可以從無序中創(chuàng)造出有序來（例如你可以油漆房子），但是必須消耗精力或能量，因而減少了可得到的有序能量的數(shù)量。

熱力學(xué)第二定律是這個(gè)觀念的一個(gè)準(zhǔn)確描述。它陳述道：一個(gè)孤立系統(tǒng)的熵總是增加的，并且將兩個(gè)系統(tǒng)連接在一起時(shí)，其合并系統(tǒng)的熵大于所有單獨(dú)系統(tǒng)熵的總和。譬如，考慮一盒氣體分子的系統(tǒng)。分子可以認(rèn)為是不斷互相碰撞并不斷從盒子壁反彈回來的康樂球。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。假定初始時(shí)所有分子被一隔板限制在盒子的左半部，如果接著將隔板除去，這些分子將散開并充滿整個(gè)盒子。在以后的某一時(shí)刻，所有這些分子偶爾會(huì)都呆在右半部或回到左半部，但占絕對(duì)優(yōu)勢的可能性是在左右兩半分子的數(shù)目大致相同。這種狀態(tài)比原先分子在左半部分的狀態(tài)更加無序，所以人們說熵增加了。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。