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。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。黑洞看來是對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！這對我而言是一個(gè)保險(xiǎn)的形式。我對黑洞作了許多研究，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)動并被加熱，雖然不如天鵝x－1那種程度會熱到發(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)從對面逃離警察的人相遇——你們倆都會被抓住：（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，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都呆在右半部或回到左半部，但占絕對優(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。