甚至又過了很長時間，這個理論對大質(zhì)量恒星的含意才被理解。

為了理解黑洞是如何形成的，我們首先需要理解一個恒星的生命周期。起初，大量的氣體（大部分為氫）受自身的引力吸引，而開始向自身坍縮而形成恒星。當它收縮時，氣體原子相互越來越頻繁地以越來越大的速度碰撞——氣體的溫度上升。最后，氣體變得如此之熱，以至于當氫原子碰撞時，它們不再彈開而是聚合形成氦。如同一個受控氫彈爆炸，反應中釋放出來的熱使得恒星發(fā)光。這增添的熱又使氣體的壓力升高，直到它足以平衡引力的吸引，這時氣體停止收縮。這有一點像氣球——內(nèi)部氣壓試圖使氣球膨脹，橡皮的張力試圖使氣球縮小，它們之間存在一個平衡。從核反應發(fā)出的熱和引力吸引的平衡，使恒星在很長時間內(nèi)維持這種平衡。然而，最終恒星會耗盡了它的氫和其他核燃料。貌似大謬，其實不然的是，恒星初始的燃料越多，它則燃盡得越快。這是因為恒星的質(zhì)量越大，它就必須越熱才足以抵抗引力。而它越熱，它的燃料就被用得越快。我們的太陽大概足夠再燃燒50多億年，但是質(zhì)量更大的恒星可以在1億年這么短的時間內(nèi)用盡其燃料，這個時間尺度比宇宙的年齡短得多了。當恒星耗盡了燃料，它開始變冷并開始收縮。隨后發(fā)生的情況只有等到本世紀20年代末才初次被人們理解。

1928年，一位印度研究生——薩拉瑪尼安·強德拉塞卡——乘船來英國劍橋跟英國天文學家阿瑟·愛丁頓爵士（一位廣義相對論家）學習。（據(jù)記載，在本世紀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人能理解廣義相對論，愛丁頓停了一下，然后回答：“我正在想這第三個人是誰？”。）在他從印度來英的旅途中，強德拉塞卡算出在耗盡所有燃料之后，多大的恒星可以繼續(xù)對抗自己的引力而維持自己。這個思想是說：當恒星變小時，物質(zhì)粒子靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它們必須有非常不同的速度。這使得它們互相散開并企圖使恒星膨脹。一顆恒星可因引力作用和不相容原理引起的排斥力達到平衡而保持其半徑不變，正如在它的生命的早期引力被熱所平衡一樣。

然而，強德拉塞卡意識到，不相容原理所能提供的排斥力有一個極限。恒星中的粒子的最大速度差被相對論限制為光速。這意味著，恒星變得足夠緊致之時，由不相容原理引起的排斥力就會比引力的作用小。強德拉塞卡計算出；一個大約為太陽質(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)在稱為強德拉塞卡極限。）蘇聯(lián)科學家列夫·達維多維奇·蘭道幾乎在同時也得到了類似的發(fā)現(xiàn)。

這對大質(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)量比強德拉塞卡極限小，它最后會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)動的那一顆。

蘭道指出，對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言時，并沒有任何方法去觀察它。實際上，很久以后它們才被觀察到。

另一方面，質(zhì)量比強德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時，會出現(xiàn)一個很大的問題：在某種情形下，它們會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，這總會發(fā)生。怎么知道它必須損失重量呢？即使每個恒星都設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，使之超過極限將會發(fā)生什么？它會坍縮到無限密度嗎？愛丁頓為此感到震驚，他拒絕相信強德拉塞卡的結果。愛丁頓認為，一顆恒星不可能坍縮成一點。這是大多數(shù)科學家的觀點：愛因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會收縮為零。其他科學家，尤其是他以前的老師、恒星結構的主要權威——愛丁頓的敵意使強德拉塞卡拋棄了這方面的工作，轉(zhuǎn)去研究諸如恒星團運動等其他天文學問題。然而，他獲得1983年諾貝爾獎，至少部分原因在于他早年所做的關于冷恒星的質(zhì)量極限的工作。

強德拉塞卡指出，不相容原理不能夠阻止質(zhì)量大于強德拉塞卡極限的恒星發(fā)生坍縮。但是，根據(jù)廣義相對論，這樣的恒星會發(fā)生什么情況呢？這個問題被一位年輕的美國人羅伯特·奧本海默于1939年首次解決。然而，他所獲得的結果表明，用當時的望遠鏡去觀察不會再有任何結果。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劃中去。戰(zhàn)后，由于大部分科學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。但在本世紀60年代，現(xiàn)代技術的應用使得天文觀測范圍和數(shù)量大大增加，重新激起人們對天文學和宇宙學的大尺度問題的興趣。奧本海默的工作被重新發(fā)現(xiàn)，并被一些人推廣。奇書網(wǎng)jar電子書下載樂園+○m

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，在日食時觀察遠處恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。當該恒星收縮時，其表面的引力場變得很強，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。對于在遠處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當這恒星收縮到某一臨界半徑時，表面的引力場變得如此之強，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（圖）。根據(jù)相對論，沒有東西會走得比光還快。這樣，如果光都逃逸不出來，其他東西更不可能逃逸，都會被引力拉回去。也就是說，存在一個事件的集合或空間——時間區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達遠處的觀察者。現(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。

圖

當你觀察一個恒星坍縮并形成黑洞時，為了理解你所看到的情況，切記在相對論中沒有絕對時間。每個觀測者都有自己的時間測量。由于恒星的引力場，在恒星上某人的時間將和在遠處某人的時間不同。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)一信號到一個繞著該恒星轉(zhuǎn)動的空間飛船上去。在他的表的某一時刻，譬如11點鐘，恒星剛好收縮到它的臨界半徑，此時引力場強到?jīng)]有任何東西可以逃逸出去，他的信號再也不能傳到空間飛船了。當11點到達時，他在空間飛船中的伙伴發(fā)現(xiàn)，航天員發(fā)來的一串信號的時間間隔越變越長。但是這個效應在10點59分59秒之前是非常微小的。在收到10點59分58秒和10點59分59秒發(fā)出的兩個信號之間，他們只需等待比一秒鐘稍長一點的時間，然而他們必須為11點發(fā)出的信號等待無限長的時間。按照航天員的手表，光波是在10點59分59秒和11點之間由恒星表面發(fā)出；從空間飛船上看，那光波被散開到無限長的時間間隔里。在空間飛船上收到這一串光波的時間間隔變得越來越長，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)實的。你離開恒星越遠則引力越弱，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，它們遭受到引力坍縮而產(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被撕開。事實上，當他到達臨界半徑時，不會有任何異樣的感覺，甚至在通過永不回返的那一點時，都沒注意到。但是，隨著這區(qū)域繼續(xù)坍縮，只要在幾個鐘頭之內(nèi)，作用到他頭上和腳上的引力之差會變得如此之大，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)廣義相對論，在黑洞中必然存在無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似，只不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。在此奇點，科學定律和我們預言將來的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不會受到可預見性失效的影響，因為從奇點出發(fā)的不管是光還是任何其他信號都不能到達他那兒。