作者：约翰-皮尔·卢米涅
　　　　　　　　　　　　　　总目录：
　　　　　　　　　　　　第一篇：引力与光
　　　　　　　　　　　　第一章　首批硕果
　　　　　　　　　　　　第二章　相对论
　　　　　　　　　　　　第三章　弯曲时空
　　　　　　　　　　　　第二篇：火中凤凰
　　　　　　　　　　　　引言
　　　　　　　　　　　　第四章　从黎明到黄昏
　　　　　　　　　　　　第五章　灰烬与钻石
　　　　　　　　　　　　第六章　超新星
　　　　　　　　　　　　第七章　脉冲星
　　　　　　　　　　　　第八章　31处
　　　　　　　　　　　　第三篇：光的消逝
　　　　　　　　　　　　第九章　视界
　　　　　　　　　　　　第十章　照明
　　　　　　　　　　　　第十一章　落入漩涡
　　　　　　　　　　　　第十二章　图形游戏
　　　　　　　　　　　　第十三章　黑洞机器
　　　　　　　　　　　　第十四章　量子黑洞
　　　　　　　　　　　　第四篇：光的复归
　　　　　　　　　　　　第十五章　原初黑洞
　　　　　　　　　　　　第十六章　X射线星
　　　　　　　　　　　　第十七章　巨型黑洞
　　　　　　　　　　　　第十八章　引力光
　　　　　　　　　　　　第十九章　黑洞宇宙
　　　　　　　　　　　　第一篇：引力与光
　　理论研究就像钓鱼：你不知道水中有什么，只有投竿，才可能有所收获。
　　　　　　　　　　　——瓦尔（Novalis）
　　　
　　　　　　　　　第一章　首批硕果
　　最幸运的人
　　一只小鸟的重量足以移动地球。
　　　　　　　　　　　——列奥那多·达芬奇（Leonardo da Vhco）
　　古希腊哲学家在许多领域的天才思想至今仍未被超越，但他们对弓l力却所知甚少。亚男士多德（Aristotle）相信每个物体都有其在宇宙中的“自然位置”。最底层足陆地及其所有的直接附着物，在这上面是水，然后是空气，最后是最轻的元素火。一个因受力而离开其自然位置的物体总足要返回它自己的层次，因此，被抛射到空气中的箭或石块总是会落回地面。亚里士多德还进一步断言，物体的运动都沿直线进行，由弓射出的箭将沿直线向上运动，当弓所提供的力停止作用时，箭就又沿直线落回地面。
　　在20个世纪里几乎没有人对古希腊哲学家的理论表示过怀疑，尽管日常生活提供了反面的证据：箭的运动轨迹并不是一条直线，而是一条曲线即抛物线。只有一个人，即6世纪时生活在亚历山大城的约翰·菲罗帕纳斯（John PhiloPonus），敢于提出惯性原理，向亚里士多德的思想挑战。
　　伽利略（Galileo）是对引力进行严格的科学考察的第一人。他做了一系列实验，包括让各种不同的物体从比萨斜塔上落下以及让不同大小的球沿斜面滚下。1638年，他发现了引力的最基本的性质：在其作用下的所有物体都得到同样的加速，与物体的质量或化学成分无关。
　　伽利略的工作以其对物理现象的仔细观察和深刻的科学推理而著称。他的结果显然与亚里士多德对世界的认识相反。在研究一个物理现象时，我们必须分离出所有那些使我们的日常经验复杂化的外部因素。为了从对在空气中下落的物体的观察而推导出支配真空中物体自由下落的普遍规律，伽利略必须首先理解摩擦力和空气阻力，因为正是这些与物体的大小和质量有关的“寄生”效应掩盖了引力的真正作用（如果像某些历史学家所认为的那样，伽利略事实上并没有从比萨斜塔上抛出物体，那么他由一连串的抽象推理而得出自己理论的能力应当受到更高的赞誉）。
　　直觉的天才有分析的天才为后继。按照广泛流传的说法，1666年的一个满月之夜，当一只苹果从树上落下时，伊萨克·牛顿（Isaac Newton）正坐在那棵树下沉思。他突然意识到，由于同一种吸引的力量即地球引力，月亮和苹果都会朝地球下落。他计算出，两个物体之间的引力随它们距离的平方反比例减小，距离加倍，则引力减小4倍。月亮与地心的距离（384000公里）是苹果与地心距离（6400公里）的60倍，故月亮下落的加速度比苹果小60X 60＝3600倍。然后他运用伽利略的自由落体定律，即下落距离正比于加速度，也正比于时间的平方，于是得出苹果在1秒钟内下落的距离与月亮在1分钟内下落的距离相等。月亮的真实运动是已知的，牛顿所估计的距离与之相符。他所发现的正是万有引力定律。
　　牛顿的工作（当然远不止是他的引力理论）是人类智慧最辉煌的业绩，对当时和后世的思想都有巨大的影响。一个世纪后，法国的“黑洞之父”皮尔·西蒙·拉普拉斯（PICtrC SllollLaPlace）认识到了牛顿的著作《自然哲学的数学原理》那种“胜过人类其他精神成果的卓越预示”。数学家约瑟夫·拉格朗（Joseph Lagrange）则更进一步说道：“由于只有一个宇宙需要去解释，没有人再能重复牛顿所做的工作，他真是最幸运的人。”建立一个科学理论不一定会导致个人的快乐，但是的确没有任何其他科学工作具有牛顿理论那样根本的重要性，直至我们的时空观念被阿尔伯特·爱因斯坦（Albert EinstCin）所彻底改变。
　　　　　　　　　　　行星的爱好
　　牛顿理论最令人瞩目的应用是在天体力学中。牛顿运用了他的万有引力定律（“万有”意味着一切物体都受引力支配）去解释开普勒（xevter）描述“行星对太阳的爱好”的经验规律。有了这个惊人精确的理论工具，科学家们兴奋地揭示出一个新的太阳系。
　　新力学的第一个成功是爱德蒙·哈雷（Edmund Halley）预言了一颗管星（后来即以他的名字命名）将于1759年回归，这颗管星果然在1758年的圣诞节重现。
　　牛顿理论还表明，开普勒对行星运动的描述只是近似的。如果一颗行星只被太阳吸引，其轨道将是一个完美的椭圆，但实际上每颗行星都受到其他行星引力的扰动（尤其是被木星扰动，它比其他行星都大得多），由此导致的轨道偏差虽然很小，却可以计算也可以观测。埃班·勤维叶（Urbain Le Verrier）和约翰·亚当斯（John Adams）正是运用“扰动理论”于1846年预言了海王星的存在及其精确位置。这颗新行星果然在他们计算的位置上被发现，标志着牛顿引力理论的高峰。
　　　　　　　　不可见世界的两位先知
　　天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许也像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳25O倍的明亮星球，它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。
　　　　　　　　　——皮尔·西蒙·拉普拉斯（1796）
　　18世纪末，约翰·米切尔（John Michell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。
　　逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上如说火星抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有叨皿公里。
　　让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个很深而开口处很宽的势附来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向他心）相平衡。
　　有一种叫做一飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰。随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力势队的壁上运转。
　　如果摩托车手进一步把车速增大到另一个临界值以上，他就会飞出斜壁。同样，如果火箭的速度足够大，它也能摆脱地球的吸引。这个临界速度对一块石头或一枚火箭来说都是一样的，它就叫逃逸速度。就地球而言，它是11．2公里／秒，对其他任何一个行星、恒星或别的天体，也很容易算出其大小。这个速度只取决于那个提供引力的星球的性质，而与被抛射的物体无关。星球的质量越大，逃逸速度也越大；质量一定时，逃逸速度则随星球半径的减小而增大。
　　这就是说，一个星球的密度越大也就是越致密，它的引力干脆就越深，要逃脱它的束缚显然就越困难。火卫一的逃逸速度只有5米／秒，月亮的是24公里／秒，而太阳的是620公里／秒。对于更致密的星球，例如白矮星（见第5章），这个速度高达每秒数千公里。
　　关于黑洞的思想正是来自于把简单的逃逸速度概念推向极端。自16％年奥拉斯·雷默（01asRoemer）对木星卫星的运动进行观测以来，已经知道光的速度大约是3 0公里／秒。于是就很容易想象出这样一种星球的存在，其质量是如此之六．以至于从其表面逃逸的速度大于光速。
　　约翰·米切尔在一篇于1783年的英国皇家学会会议上宣读并随后发表在《哲学学报》（Philosophical Transactions）的论文中写道：“如果一个星球的密度与太阳相同而半径为太阳的50o倍，那么一个从很高处朝该星球下落的物体到达星球表面时的速度将超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸导，所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。”此后不久，数学家、天文学家、天体力学王于皮尔·西蒙·拉普拉斯于1796年在他的《宇宙体系论》（ExPosition dusystemedu mond…中也作了类似的陈述。
　　除了超前一个多世纪料想到光能被引力捕获外，拉普拉斯和米切尔还猜想到巨大的暗天体可能像恒星一样众多。在20世纪末，这科学巨变的时期，暗物质的存在正是宇宙学中最重要的课题之～。宇宙总质量的相当大一部分很可能是看不见的。
　　对这些不可见星球（直到门68年才命名为“黑洞”）的详细研究需要一种比牛顿理论更精确的引力理论。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，其“大小”恰与米切尔和拉普拉斯猜想的一样。
　　但是，严格说来，这两个理论在不可见星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于3 0公里／秒，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来、在第11章里还将看到，如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的借助于逃逸速度来描述黑洞·虽然有有索要的历史价值和启发作用，却是过于简单了。
　　直至广义相对论建立为止，米切尔和拉普拉斯的思想被人们完全遗忘了。这一方面是因为没有什么迹象表明宇宙中存在如此致密的物质（当然，不可见性本身是一个好理由）；另一方面，他们的思想是建立在牛顿关于光本性的微粒说基础上的，即光微粒也像通常物质一样服从引力定律。而在整个19世纪，光的波动说占据了统治地位。按照这种理论，光是一种振动在媒质中的传播，光波是不受引力影响的，米切尔和拉普拉斯的思想因而失效。
　　　　　　　　　　　　　力场
　　行星的运动之所以能被计算出来，是因为我们知道物体之间的相互吸引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。然而这里有许多更深刻的问题尚未回答，比如引力的本质，它如何由物质产生，又如何作用到被真空隔离的物体上。
　　牛顿的引力不像马拉车的力或农夫用铁锹翻地的力那样，通过直接接触来传递。一个物体产生的引力能作用到远处的另一物体。这种不需要媒质而瞬时作用的力的概念，是雷纳·笛卡儿（Ren6Descartes）于1644年在其《哲学原理》（Principes delaphilosophie）中所阐述的，并难以被机械宇宙观所接受。牛顿本人是一个忠实的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。
　　19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比问力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。但是，尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，他们却拒不接受电力也是如此。
　　于是，迈克尔·法拉第（Michael Farada力和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerk Maxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那末，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。
　　这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。
　　　　　　　　　　　麦克斯韦的光
　　在19世纪末，物质间的作用力被分为三类：引力、电力和磁力。
　　电的特征是存在正、负两种电荷c同种电荷相互排斥而异种电荷相互吸引，作用强度随距离变化的关系则与磁力一样。磁力是磁体的特性，磁体吸引铁，并指向地球两极的方向。每个磁体都有两个极，即北极和南极，同种磁极排斥而异种磁极吸引。
　　在吸导内排斥的行为上，电和磁看来很相似。古希腊人已经觉察到与毛皮摩擦过的流油能吸引碎草片（英文中电一词就是来自希腊文中琉璃一词），天然磁矿石能吸引铁屑。公元前6世纪，希腊大几何学家泰勒斯（Thales）认为，电和磁是同一种现象，这些奇特的物质含有吮吸周围物体的“精灵”。
　　24个世纪以后，丹麦物理学家克里斯琴·奥斯特（Chris－tianoerstCd）在上一堂电流实验课时，一根磁针碰巧正放在他的装置近旁。他注意到，每当接通电流时，磁针就发生偏转。这个发现之后几个星期，安德烈·安培（Anure rtillpere）和弗兰克·阿拉果（Francois Arag…）提出了一个理论，即变化的电力产生感应磁力，反之亦然、随后的实验工作充分地证实了电和磁现象之间的密切关系。
　　然而，电理论只是在1898年发现了电子后才得到真正验证。这种作为原子基本成分之一的基本粒子，带有不可再分的电荷，因而作为电荷的基本单位。通常的原子是电中性的，因为原子核外电子的负电荷被束缚在核中的正电荷所抵消。电荷可以静止，也可以运动，例如金属导体中的自由电子可以到处运动。正是电行在电场作用下的运动形成了电流。
　　类似地，天然磁石的磁性是由其分子之间的微型电流所导致的。在大得多的尺度上，地球的磁场也是由其转动着的镍…次核中电导物质的大规模运动产生的。电与磁的真正统一是在1865年，麦克斯韦把它们的所有性质概括在吸个方程中，建立起了电磁场理论。
　　一个静止电行具有不随时间变化的径向电场。当电荷运动时，其周围电场会自己调节到新的位置，场的变动以一个有限速度即光速传播。电荷的任何移动都使场发生这种变动，特别有意义的是，如果电行作用期性运动，则场的变动取波的形式，恰如一根棒子在水里上下搅动时会造成环形水波。麦克斯韦预言，电行的同期性运动将产生以光速在真空中传播的电磁波。
　　一个正常峰谷形式的波，两个相邻波峰之间的距离叫做波长，每秒时间内波峰的个数叫频率。人眼能看见的光只是电磁波谱中很小的一部分，即一个很窄的波段。显然，波长越大，频率越小，两者成反比关系。
　　观测和理论天文学都建立在电磁辐射的性质的基础上。携带着能量和动量（频率越高，携带得越多）的电磁波对与之遭遇的物质施加一个力。例如，照射到这页书上的光在加热着和推着书纸，太阳发出的电磁风能把彗星的尾巴吹得背离它，恒星核心的辐射压能阻止恒星因自身引力而收缩。
　　电磁理论的影响像万有引力定律一样巨大，它在理论上和实践上都给整个人类文明带来了意义深远的结果。麦克斯韦死后8年即1887年，亨利希·赫兹（Heinrich Herzi)在实验室成功地造出了电磁波。20世纪初，古列莫·马可尼（GugllelmoMarconi）第一次实现了跨越大西洋的无线电联系，电讯时代从此开始。
　　　　　　　　　　　　第二章　相对论
　　　　　　　　　　　　波动说的疑难
　　麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它使伽利略和牛顿的宇宙图像孩起祸端、通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果；鼻子力学和相对论。
　　第一个问题是，辐射的本质究竟是什么？麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来处理，但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末，已有一系列实验提供了辐射的不连续性的证据。
　　在两个世纪之交，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个假设，即电磁波（尤其是光）只能以一种能量包，即所谓量子的形式被发射或吸收。然而直到1905年，爱因斯坦才首先把光量子看作真实的存在，现在称为光子。为解释光电效应，也就是金属板被足够高频率的光照射时发出电子的现象，爱因斯坦假定辐射足由其能量与频率成正比的真实粒子组成，这些粒子把能量传给金属中的电子，从而使电子射出。爱因斯坦复活了牛顿的光的微粒论，这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学与电磁学之间的明显对立直至对年后，即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象性时，才得以消除。
　　第二个问题是，电磁波在什么媒质中传播？正是这个问题导致了对时空结构的探索，从而产生了相对论。
　　　　　　　　　　　　运动与静止
　　相对论，这一在20世纪物理学里居于中心地位的辉煌成就，其思想并非由爱因斯坦首创。相对性原理作为物理定律的基础已有3个世纪之久，这通常归功于伽利略，而实际上给出正确表述的是笛卡儿。
　　在对自然界的研究中运用相对性原理，意味着可以合理地期望对物理现象的表述不依赖于观测者的位置和运动。如果各个观测者得到的物理定律具有同样形式，他们所取的参考系就是等价的。
　　伽利略已经注意到这样两个人所作的观测的等价性：一个在一条停靠港口即相对于陆地静止的船里，另一个在一条沿直线匀速驶离港口的船里，每人都从舱里1米高处释放一只球，则两球都竖直下落，经历的时间都是045秒。
　　伽利略知道，由于地球是圆的，驶离港口的船在作圆周运动。受圆形为完美的古老思想影响，他因此断定圆周运动是物体的自然状态，与静止不可区分。笛卡儿也认识到，均匀手动，即无限直线上的匀速运动，与静止不可区分。现代人都有这样的体验，坐在停着的火车里看旁边一列开动的火车，会觉得自己的车在朝相反方向开动。
　　这些现象都很简单，然而包含着深刻意义，因为它们表明静止与匀速运动之间并无差别。静止是一种惯性状态，与之等价的匀速运动就也是惯性态。
　　惯性原理可以表述如下：一个自由物体，即不受任何力的物体，以恒定速度运动。
　　地球本身几乎是一个理想的惯性参考系，因为对于通常实验室里时间不长的实验来说，地球绕太阳的转动可以近似看作以30公里／秒的恒定速度沿直线运动。考虑到地球的自转，可以通过选定指向遥远恒星的方向来建立地球惯性系。
　　　　　　　　　　　射手与火车
　　惯性原理给予匀速运动的参考系以优越地位，这些参考系中的自然规律表现为“静止”的形式。伽利略相对论，以及后来爱因斯坦的狭义相对论，都建立在所有惯性系（包括静止参考系和匀速运动参考系）是等价的这个基础上。
　　但是，仅仅确定惯性系的这种性质是不够的。有了一个惯性系中对某一自然现象的描述，物理学家还必须能在任何别的惯性系中也作出描述，他们需要的是从一个惯性系转换到另一个的具体方式。正是在这个关键点上区分了伽利略相对论和狭义相对论。
　　爱因斯坦喜爱的表述这些抽象概念的方式是拿一列以V二108公里／小时（对米／秒）的恒定速度奔驰的火车作例子。现在有两个惯性系，静止的铁轨和相对于铁轨作匀速运动的火车。设想有一个坐在车厢顶上的人朝火车前进方向射出一颗子弹，子弹相对于人的速度是V’2800米／秒。
　　运用伽利略变换公式从火车惯性系转换到铁轨惯性系，铁轨上的观测者测得的子弹速度是I’＋t＝830米／秒。如果这个人再朝相反方向打一枪，则从铁轨上测量的子弹速度是v’－v二770米／秒。与人们的常识一致，伽利略变换公式可以归结为简单的速度矢量合成。
　　　　　　　　　　　　　以太
　　以太，这个经典力学的不幸产儿……
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——马克斯·普朗克
　　如果所有恒速运动的参考系都与静止参考系等价，设想一个固定在欧几里德几何的绝对空间里的参考系是很有吸引力的。对伽利略来说，这个绝对空间缚在太阳上，因为太阳是宇宙的中心。牛顿则认为，绝对空间是以太，是亚里士多德的（气、水、火、土以外的）第五要素，是一种弥漫于物体之间所有空隙的完全刚性的物质。
　　电磁理论的建立似乎支持了关于以太的思想。很难想象一个波能够没有媒质而传播：声波要有空气，水波要有水。光作为电场和磁场的一种振荡，也就必然需要一种振动的媒质使之得以传播，于是可以把以太定义为电磁波传播的媒质。
　　再来看火车上的射手。这回他用一支光枪，射出速度为30公里／秒的光弹。按照伽利略变换公式，铁轨上的观测者测得的光速应分别是C＋C一月皿皿．奶公里／秒（朝火车前进方向发射时）和C－C＝29999997公里／秒（朝相反方向发射时）。迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morle力的实验，以地球来代替火车，以以太来代替铁轨，证明了以上的推算是错误的。
　　　　　　　　　　　　判决性实验
　　这些著名的实验是阿尔伯特·迈克尔逊（AlbertMichelson）和爱德华·莫雷（Edward Money）在1881到1894年之间做的。他们本来的意图是确定地球相对于以太的绝对速度，为此制作了一台非常灵敏的干涉仪，用来测量沿地球运动方向和垂直方向上的两束光之间的差异。他们预期能由此将地球的绝对运动测定到每秒几千公里的精确度。
　　迈克尔逊噗雷实验的原理可以用两条船的竞赛米比喻。两船的速度都是C，河水以恒定速度C流动（图司。A船沿与水流平行的路线行驶一个来回，B船则由河的此岸驶到彼岸，然后返回。每条船行驶的距离都是河宽的二倍。按照毕达哥拉斯定理，B船将获胜。
　　在迈克尔逊噗雷实验里，c是光速，v是以太相对于地球的速度，但是比赛结果却不同：两条“光子船”总是准确地同时到达。要弄懂这个结果，要么得设想地球是完全静止在以太中，要么以太根本就不存在。
　　事后看来，如果我们严格遵照电磁理论，迈克尔逊和莫雷的结果并不奇怪。麦克斯韦理论是与伽利略的相对性原理明显矛盾的，因为其中的光速是不变的，完全与参考系无关。无论光弹沿什么方向，铁轨上的观测者测得的光弹速度既不是3 0．03公里9秒也不是299999．97公里／秒，而精确地是3 0公里／秒。光速在任何方向上、在任何参考系里都是完全一样的。
　　伽利略相对论曾被认为是对惯性系中自然定律普适性的表述，而支配电磁现象的麦克斯韦方程公然与之对抗。伽利略一牛顿的时空概念与电磁理论是不相容的，其中一个必须被抛弃。
　　　　　　　　　　　　狭义相对论
　　当爱因斯坦在1905年意识到这个矛盾时，他立即认定电磁理论是正确的，并作为一条基本原理提出：真空中的光速是绝对不变的，是信号传播的最高速度。与这条原理不相容的伽利略相对论不得不让位于一个新的相对论，后来被称为狭义相对论（广义相对论的建立是在十年以后）。
　　伽利略相对论中从一个惯性系到另一个惯性系的变换公式也就必须代之以狭义相对论的公式（在广义相对论里惯性系的实质将被改变），这就是罗伦兹（Lorentz）变换。这种变换使麦克斯韦方程保持不变，光速也成为绝对常量。
　　对火车射手实验，伽利略的速度和公式v—v＋v’被换成一个稍微复杂一些的、保证光速不变的公式。如果C二C’ZC，由新的公式将得出O仍等于C。这个结果似乎与读者的常识相违背，难道铁轨上的观测者不正是如伽利略变换得出的那样，测量到830米／秒和770米／秒吗？然而，实际上这里并无矛盾，因为只有对极高速度（远高于地球上常见的物体运动速度）的情况，罗伦兹变换才与伽利略变换有显著的差别。即使是对地球绕口公转运动（速度高达对公里／秒），罗伦兹变换公式带来的修正也只有万分之一。
　　　　　　　　　　　　理论的诞生
　　在本世纪的开端，相当多的物理学家都意识到了迈克尔逊一莫雷实验给物理学带来的危机，强调这一点无损于爱因斯坦的功绩。有些学者，例如亨德里克·罗伦兹（Hendrik LorentZ）和亨利·彭加勒（Henri Poincar6），对这场危机的洞察尤为深刻。罗伦兹首先提出（1904年）时间和长度都随参考系速度的变化而变化。1905年，彭加勒在他的论文“论电子的动力学”中引入了一个数学式，后来由赫曼·明可夫斯基（HermannMinkowski）于1908年发展完善，其中把时间作为第四个维度。新的相对论的确已如躁动在母腹中的婴儿。
　　彭加勒的论文发表后一个月，爱因斯坦的“论运动物体的电动力学”在德国的《物理学杂志》（Annalen der Physik）上发表。当时在伯尔尼专刮局供职的爱因斯坦看来并不知道他的前辈们的工作。狭义相对论之终于诞生，是因为爱因斯坦并不满足于只推导公式，他构造出了一个由光编织成的新时空。
　　　　　　　　　　　　光使时空联姻
　　我向你们阐述的时间和空间的观念是建立在实验物理基础上的，是实质性的，是牢固可靠的。从现在起，绝对的空间和绝对的时间都不复存在，只有二者的某种结合才有意义。
　　　　　　　　　　　——曼·明可夫斯基（ 1908）
　　在伽利略和牛顿的宇宙里，时间和空间是相互完拳种方的。空间有三个维度，就是说，需要有三个坐标来确定空间中的一个点c空间是由欧几里德几何来量度的（几何一词的原义是“大地测量”）。两点之间的最短路线是连接它们的直线，两条平行线只在无穷远处相交，三角形的内角和是180等等。这些定律在学校里被讲授着，因为它们在日常生活中高度精确地成立，两点之间的空间距离总是与测量者无关。
　　时间只由一个数来量度。与空间维度不同的是，它总是只朝一个方向流驶，从“过去”流向“未来”。由观察上和情理上都可确认，一个事件的原因总是在其结果之前，这种不可逆转的次序称为因果律。
　　时间与空间一样，对所有观测者都是相同的。既然速度没有上限，所有的钟，无论它们之间的空间距离有多远，都能被即时地调为同步，并继续保持指示出一致的时间。因此，伽利略一牛顿时空的因果结构就归结为，一个在空间同时地延展的现在时间，把过去和将来分离开来。
　　把时间和空间作为独立实体的观念遭到与牛顿同时代的数学家和哲学家威尔赫姆’莱布尼兹（WilhelmLeibniz）的强烈反对。他以哲学论据坚持时间和空间只能是联系于物质而存在。两个世纪后，爱因斯坦的相对论证实了莱布尼兹的观点，时间间限和空间距离都不再是固定的量，它们依赖于观测者与被观测物体之间的相对速度。伽利略一牛顿的绝对时空结构让位于一种新的四维结构，即明可夫斯基时空。
　　时空中的一个点是一个事件，由三个空间坐标和一个时间坐标来确定。两个事件间的间隔是不变量（即不依赖于参考系），但现在是时间间隔和空间间隔的结合，每一个都不再单独守恒。
　　本书将频繁使用的一种能清晰地表述时空结构的方式是光锥。想象空间中的一个点和一条由该点发射的光线，在一个没有任何物质的空间，光波的波前是一个以发射点为中心的圆球，这个球以光速随时间膨胀（图阿。仍略去空间的一维，光波就能由该图表示。随时间膨胀的光球在图中成为一个圆锥，其顶点是光所发出的位置和时刻（即一个事件），光锥描述光线发出后的经历。
　　图5是另一幅时空图，显示几个事件的光锥。对某一给定事件E光推由两片组成，一片属于过去，一片属于将来。所有由E发出的光线和过去发射并经过E点的光线都进入E的将来锥。
　　狭义相对论的基本出发点是任何粒子都不可能运动得比光更快，光速是一个绝对恒星。这就是说，l秒钟内任何粒子走过的距离不可能大于3 0公里，而光则精确地走过这个距离。在时空图上是这样来显示的，所有粒子的世界线（用以称呼时空轨迹的名词）都位于光锥内部，而作为极限的光子（光的粒子）世界线则严格地座落在光锥面上，因为光锥正是由光线来规定的。
　　在明可夫斯基时空里，光速是信号传递的极限速度，这使得其因果结构与牛顿时空的大不相同。对某一事件E光锥把所有的时空事件分成两种：能够被来自E的电磁信号所影响的事件（光锥内部）和不可能被影响的事件（光锥外部，或称“外界”）。狭义相对论禁止任何一条世界线从光锥内穿到外界，也禁止反向穿越（这并不排除完全处于外界区的世界线。有人假设了一种在外界区以超光速运动的粒子，称为“快于”，但是关于这种粒子的理论有许多棘手的问题，在实验室里也从来没有探测到其存在）。
　　总之，光线的轨迹使我们能够构造出一个时空连续体的框架。狭义相对论中没有引力，所有的光锥都是相互平行的，因此，明可夫斯基的时空连续体是刚性的，或者说是平直的。伽利略和牛顿的时空分离的观念被统一的时空观念代替了。
　　　　　　　　　　　　时间游戏
　　爱因斯坦相对论给因果律加进了时间弹性，一个观测者随身携带的钟测量的时间称为原时，与相对观测者运动的钟所测量的时间是不同的。尽管这种差别只是在速度接近于光速时才变得显著，这个新的时间律还是带来了令人惊讶的后果。
　　著名的双生子佯谬已被谈得很多了。年龄为20岁的双生于，其中一个去作探索宇宙的旅行，他以297000公里／秒的恒定速度（光速的99％）飞到一个20光年之遥的行星上，并立即返回。他携带的钟表明自己出门在外6年，但留在地球上的那一个却说已过去了4o 年。他们二人所经历的时间确实是不同的，生物钟也像原子钟一样会受影响。两兄弟的年龄也可以用他们心跳的次数来测量，宇航员回来时确实只有26岁，而他的同胞兄弟已是60岁。
　　这个惊人的结果由法国物理学家泡尔·郎之万（PaulLangevin）于1911年作了解释：在所有连结两个事件（在双生子故事中是飞船从地球出发和回到地球）的世界线中，没有加速度的那一条所耗的时间最长（图6）。宇航员在其航程中必须加速和减速，这两种情况的效果并不相抵消，他的原时因而总是比他的兄弟短得多（年龄的差别并不仅仅取决于旅行者的加速度，而且还有赖于航行的总持续时间，这里单讲加速度只是为将宇航员时间与地球时间作比较）。虽然看似荒唐，双生子的幻想故事并不意味着爱因斯坦相对论的任何内在矛盾，而是表明了时间弹性的必然后果。
　　虽然相对论不允许我们运动得比光速更快，但它并非阻碍了而是促进了对深层空间的探索。将上面的双生子故事（其中假定瞬时加速）变一下，现在假定飞船有一个恒定的加速度（相对于它的瞬时惯性参考系），其大小等于地球表面上的引力加速度，这对宇航员来说要舒服得多。飞船的速度将迅速增大到接近于光速，而不能达到光速，飞船上的时间将过得比地球上没得多。按照它自己的钟，飞船将用2．5年时间飞到最邻近的恒星（比邻星），它与地球相距4光年；经过大约45年，飞船就飞出了40光年；经过10年就到了银河系中心，而地球上将是过了15000年；在25年里（短于宇航员的年龄），飞船将能在整个可观测的宇宙中邀游一周，行程是300亿光年！但这时的飞船最好不要再返回地球，因为太阳早已将行星都烧成灰烬，自己也早已熄火。
　　可是，这个异想天开的航行是实现不了的，因为需要有巨大的能量来维持飞船的加速。最好的方法似乎是把飞船自身的物质转化为前进的能量，但即使转换效率为百分之百，飞船在到达银河系中心时所剩的质量已只有出发时的十亿分之一，一座大山缩成了一只老鼠。
　　　　　　　　　　　　相对论炸弹
　　我要是早知道，就会去做个造钟表的工匠。
　　　　　　　　　　　——阿尔伯特·爱因斯坦
　　狭义相对论是得到最好验证的物理理论之一。弹性时间的奇异现象已由实验证实，不过不是在人体上（那太痫苦了），而是用基本粒子，把它们加速到接近光速所需的能量不难提供。高精度原子钟也被放到了飞船里，返回地面时它所显示的时间的确比地球上的钟要短（如果有人愿意在一架以1000公里／小时的速度飞行的飞机里坐上60年，与地面上的人相比他只能赚到千分之一秒的时间）。当然，惯性系之间的变换公式、四维时空结构以及时间弹性等，都是比较抽象的概念。狭义相对论之所以著名，是由于它所揭示的质量与能量的等价性，即E＝me’这个简单公式。
　　1905年，还猜不出狭义相对论有什么实际应用，但它在哲学上的冲击作用是立即显示出来了。维持了数千年的信念被证明并不适合于真实世界。有些哲学家如本格森（Bergron）拒绝改变自己对世界的观念，而把爱因斯坦理论看作一种纯粹抽象的东西。对狭义相对论可靠性的怀疑要以广岛被原子弹毁灭为代价来消除，这真是一种可悲的讽刺。
　　狭义相对论支配着所有涉及高速度、高能量的现象。宇宙线流撞击高层大气会产生介子（一种基本粒子）簇射，这些介子的飞行时间（由地球上看）是它们寿命的50倍。更重要的是，狭义相对论使我们得以理解为什么太阳能发光，那是因为它那里每秒钟有400万吨物质被转化成能量辐射出来。
　　我们在这里清楚地看到了狭义相对论与天体物理之间的联系。但是，作为本书主题的黑洞与狭义相对论毫不相干。黑洞是引力的产物，而狭义相对论的时空连续体所描述的是一个理想化的真空，在其中运动的只有电磁波和重量小得可以忽略的粒子。在真实的恒星、星系和黑洞的宇宙里，所有物体都受到引力。为了对此有所理解，我们必须继续“破坏”时空，而这一次的斗士就是广义相对论。
　　　　　　　　　　　　第三章　弯曲时空
　　　　　　　　　　　　等效原理
　　我相信，单纯的思考足以了解世界观
　　　　　　　　　　　　　　——阿尔伯特·爱因斯坦
　　爱因斯坦在1905年既复活了光的微粒说，又维护了麦克斯韦电磁理论的正确性，但是他发觉自己进退维谷。关于辐射的这两个概念是相互矛盾的：如果光是由粒子组成，那么按照万有引力定律，它就会受别的物质影响，果若如此，光速又怎能如狭义相对论要求的那样是绝对恒星呢？
　　这个矛盾当然应归根于引力。引力在宇宙中无处不有，并使所有物质加速，而狭义相对论的惯性系是严格地没有加速度的。爱因斯坦很清楚这个症结，并认识到，要使引力能与狭义相对论的电磁时空相协调，首先必须重新理解“力”的概念本身。
　　牛顿万有引力定律要求一切物体都具有一种称为引力质量的内在属性，用以量度每个物体所能产生的引力。此外，牛顿还用三个基本定律概括了物体在任何力（引力或别的力）作用下的行为。第一定律简单地说就是笛卡儿的惯性原理：不受力的物体保持静止或作匀速直线运动；第二定律规定使一个物体加速的力与物体的加速度和质量都成正比（即人们熟知的公式F＝ma）；第三定律陈述作用与反作用的平等性：每一个力（例如人推墙的力）都伴之以一个大小相等、方向相反的力（墙也推人）。
　　所以，牛顿的力是使物体偏离其惯性运动的原因。物体总是反抗对其惯性状态的改变，这种反抗由其惯性质量来量度。按照这个思路，万有引力同其他任何力一样，也是一种力，而引力质量之于引力恰如电荷之于电力。我们知道，惯性质量相同而带电荷不同的物体在同一电场中受到不同的加速，因而在牛顿理论中就没有理由认为引力质量和惯性质量必定相等。
　　但是，伽利略和牛顿所观察到的引力的基本性质，正是他心引力同样地加速所有物体，而与物体的惯性质量或引力质量、体积以及化学性质都无关。一片羽毛、一个分子或是一块砖，在地球表面附近释放后都同样具有义8米／秒’的加速度（也就是说，假如没有空气阻力，它们的速度每秒钟都增加98米／秒，在第一秒求是人8米／秒，在第二秒末是1入6米／秒，等等。这个恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）。
　　这意味着，不仅根本不存在“引力中性”的物体，而且所有物体都具有完全一样的相应引力荷。这只有在引力质量与惯性质量严格相等时才可能。这种相等性于是被接受为一条公理，称为等效原理。
　　这种相等起初被认为只是近似的，后来却经受住了整个科学史上最高精度的核查。匈牙科男爵罗兰·万·厄伍（Lorandvon E6tvbs）先在1889年，后又在1922年对等效原理作了验证，精度达十亿分之一。现在，检验精度已经提高了
　　1000倍。由于一个物体中的所有能量都对惯性质量有贡献（把电子和核束缚在原子中的电磁能就很显然），我们就能得出结论：所有能量都有重量，尤其是，光也有重量。
　　爱因斯坦意识到，等效原理是理解引力的关键。引力与电磁力大不相同，包括进引力，将给狭义相对论带来实质性的扩充。让我们来进一步考虑等效原理的物理意义。
　　在爱因斯坦看来，引力质量与惯性的等效只是一个更强得多的等效性的弱形式，而强等效性是把均匀引力和加速统一起来（图对。爱因斯坦指出：
　　1．任何加速都相当于引力。一个坐在加速度与地心引力（即g＝98米／秒’）相等的飞船里的人感觉不出与站在地面上有什么区别。
　　2引力的作用可以通过选择一个适当的加速参考系来消除。他的著名例子是一架突然断了缆绳的电梯，其中的人将觉得失重，与在太空中已脱离地球引力的人的感觉一样。
　　我们在这里看到引力与自然界所有其他的力（如电力）之间的巨大差异。不可能用加速来冒充电力，因为一个电场中的物体并不受到同样的加速，加速度与物体的电荷有关。准确地说，引力实际上不是一种作用于时空中的不同物体之间的力，而是时空自身的一种性质。
　　引力对人们早已熟悉的时空结构摧毁性地入侵的结果，就是广义相对论。
　　　　　　　　　　　　新惯性
　　物理学的自洽性要求一种相对性，即要求参考系中的物理规律能取相同的形式。在这个意义上，广义相对论可说是推翻了狭义相对论。狭义相对论里的参考系都以恒定速度运动，不受力，没有加速度。时空连续体是一种平坦的不毛之地，没有任何局部特征，这种空虚性保证了位置和速度的相对性。但在引力存在的情况下，所有参考系都受到加速。因此在广义相对论中没有普适的惯性参考系。时空连续体变得坑洼不平，而位置和速度只能相对于这样的时空来确定。所有的参考系，无论是惯性系与否，只要我们知道如何从一个参考系正确地过渡到另一个，就能用来描述自然定律。从这个意义上讲，爱因斯坦引力理论的名称是取错了，因为广义相对论的相对性比狭义相对论是减小了。
　　由于一个均匀引力场能由一个加速来消除或代替，并且反之亦然，一个在这个场中下落的物体就不受任何力（人之没有落向地心是因为他脚下地面压力的阻挡）。恒定引力场中的自由下落因而就是物体的“自然”运动。对宇宙中任何一个足够小的区域而言，引力的变化不大，则自由下落运动定义出一个局域惯性参考系，其中的物理定律取其最简单的形式，即由狭义相对论所给出的形式。狭义相对论并没有被完全抛弃，它是被包括到一个更广泛的理论中，而仍保持在一定范围内的适用性。
　　　　　　　　　　　宇宙高尔夫球场
　　我们今天都知道时空是弯曲的，可是这个奇怪而又迷人的陈述究竟是什么意思呢？
　　双生子佯谬很好地描绘了狭义相对论时空的刚性结构如何使空间和时间由于观测者的运动而各自改变（收缩或延缓）。广义相对论则完全变革了我们的宇宙观，它断言引力会使整个时空变形。
　　如果在一个给定点上直接的引力效应已被消除，我们仍能测量相邻两点之间的微分效应。在一个缆绳已断掉的电梯里，两个“自由”物体的轨迹在一级近似上是平行的，但实际上两条轨迹线将在6400公里远处的地心相交，因此两轨迹之间就有一个相对加速度（因为它们相互在靠近），对应着一个微分引力场。
　　显示直接引力与微分引力之间区别的一个鲜明事例是海洋潮汐的幅度。虽然太阳对地球表面的直接引力比月亮的强180倍，太阳潮却比月亮潮弱得多。这是因为潮汐并不是由直接引力造成，而是由太阳和月亮对地球上不同点的引力的差异造成。对月亮来说这种差异是6％，而对太阳则只有1．7％。
　　牛顿理论把微分引力效应称作潮汐力。在太阳系里潮汐力是很弱的，而黑洞所产生的潮汐力却能把整个恒星撕碎。然而对广义相对论来说，用潮汐力来描述微分引力是完全多余的，因为这不是一种力学效应而纯粹是一种几何效应。为理解这一点，且看两只开始时沿平行路线滚动且相隔不远的高尔夫球（图8）。如果地面完全平坦，它们的轨迹将保持平行，否则它们的相对位置就会改变，一个鼓包会使它们离远，一个凹坑则会使它们靠拢。在宇宙高尔夫球场里，微分引力可以用时空“场地”的弯曲来表示。而且，由于引力总是吸引，这种弯曲就总是凹下而不是隆起。
　　因此，时空弯曲的深刻含义是指由等效原理所造就的引力与几何之间的联系。物体不是在引力迫使下在“平直”时空中运动，而是沿着弯曲时空的恒值线自由地行进。
　　　　　　　　　　　　　弯曲几何
　　上帝以弯曲来显平直。
　　　　　　　　　　　　　——共济会思想象（1782）
　　“弯曲”是一个日常用词。三维空间里的欧几里德几何允许我们讲一维的曲线和二维的曲面。圆是一个一维几何图形（只有长度，没有宽度和深度），其半径越短，则弯曲程度越大。反之，如果半径增至无限长，圆就变成了直线，失去了弯曲性。同样地，一个球面随其半径的无限增长也会变成一个平面（若不计地面的粗糙，则在局域尺度上看地球表面是平的）。
　　弯曲因而是有精确的几何定义的。但当维数增加时，定义变得复杂多了，弯曲程度不能再像圆的情况那样用一个数来描述，而必须讲“曲率”。且看一个简单情况即圆柱面，这是一个二维曲面（图约，平行于其对称轴所量度的曲率为零，而在垂直方向上的曲率则与截出的那个圆相等。
　　尽管曲率有多重性，仍然可以定义出一个固有曲率。在二维面上的每一个点都可以量出两个相互垂直方向上的弯曲半径，二者乘积的倒数就是曲面的固有曲率。如果两个弯曲半径是在曲面的同一侧，固有曲率就是正的；如果是在两侧，那就是负的。圆柱面的固有曲率为零，事实上它可以被切开平摊在桌面上而不会被扯破，而对一个球面就不可能这样做。
　　球面、圆柱面及其他任意二维曲面都“包理”在三维欧几里德空间里。这种来自现实生活的具体形象使我们觉得可以区分“内部”和“外部”，并且常说是一个面在空间里弯曲。但是，在纯粹的几何学里，一个二维曲面的性质可以不需要关于包含空间的任何知识而完全确定，更高维的情况也是如此。我们可以描绘四维宇宙的弯曲几何，不需要离开这个宇宙，也不需要参照什么假想的更大空间，且看这是如何做到的。
　　弯曲空间的数学理论是在19世纪，主要由本哈·黎曼（Bernhard Riemann）发展出来的。即使是最简单的情况，弯曲几何的特性也是欧几里德几何完全没有的。
　　再次考虑一个球面。这是一个二维空间，曲率为正值且均匀（各点都一样），因为两个曲率半径都等于球面的半径。连接球面上两个分离点的最短路线是一个大圆的一段弧，即以球心为中心画在球面上的一个圆的一部分。大圆之于球面正如直线之于平面，二者都是测地线，就是最短长度的曲线。一架不停顿地由巴黎飞往东京的飞机，最省时间的路线是先朝北飞，经过西伯利亚，再朝南飞，这才是最短程路线。由于所有大圆都是同心的，其中任何两个都相交于两点（例如，子午线相交于两极），换句话说，在球面上没有平行的“直线”。
　　已可看出欧几里德几何是被无情地践踏了。熟知的欧氏几何定律只能应用于没有任何弯曲的平坦空间，一旦有任何弯曲，这些定律就被完全推翻了。球面最明显的几何性质是：与平面上直线的无限延伸不同，如果谁沿着球面上的直线（即沿着大圆）运动，他将总是从相反方向上回到出发点。因此，球面是有限的，或者说封闭的，尽管它没有终极，没有边界（大圆是没有终端的）。球面正是具有任何维数的有限空间的理想原型（由于自转、地形及潮汐等因素，地球表面不是精确的球面，但它同样具有上述性质）。
　　现在来考查一下负曲率空间的情况。为简单起见，限于二维，典型的例子是双曲面，形如马鞍。如果也沿着这个面上的一条直线运动，一般说来不会再返回出发点，而是无限地远离。像平面一样，双曲面也是开放面，但仅此而已。作为一个曲面，双曲面根本不再是欧几里德型的。
　　大多数曲面并不像球面或双曲面那样具有处处都为正或为负的曲率，而是曲率值逐点变化，正负号在面上不同区域也会改变。
　　　　　　　　　　几何与物质
　　物质所在，几何所在（Ubi materia，ibi geometria）。
　　　　　　　　　　　　——约翰斯·开普勒（JOhaunes Kopler）
　　我们现在来考虑广义相对论的四维几何。重要的是，时空是弯曲的，而不仅是空间。黎曼曾试图以弯曲空间来使电磁学和引力相和谐，他之所以未成功，是因为没有扭住时间的“脖子”。
　　设想我们把石块掷向地面上10米外的靶子。在地球引力作用下石块将沿连接出手处和靶子的抛物线飞行，其最大高度取决于初始速度。如果石块以10米／秒的速度掷出，并将用1．5秒钟落到目标，则其最大高度为3米。如果改成用枪射击，且子弹初速为500米／秒，则子弹将沿高为0．5毫米的弧线用0．02秒钟击中目标；如果子弹被射到12公里高的空中再落到靶子上（忽略空气的影响和地球自转），它的总飞行时间就大约是100秒。由此推至极限，也可以用速度为3 0公里／秒的光线来射靶子，这时的轨道弯曲变得难以觉察，几乎成了一条直线。显然，所有这些抛物线的曲率半径各不相同。
　　现在加进时间维度（图14b）。无论对石块、于弹还是光子，在时空中量度的曲率半径都精确地相等，其值为1光年的星级。因此，更合理的说法是，时空轨道是“直”的，而时空本身被地心引力所弯曲，不受任何其他力的抛射体将沿测地线运动（等价于说沿弯曲几何中的直线运动）。
　　上面的例子表明时空是怎样在时间上弯曲得比在空间上厉害得多的。一旦所涉及的速度开始增大，时间曲率就变得重要。公路上凸起了一小块，只是空间曲率的一点小小不整齐，一个徒步慢行的人很难觉察到，但对一辆以120公里／小时的速度行驶的汽车来说却很危险，因为它造成时间维度上大得多的变化。
　　阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）计算出，l吨的质量放在一个半径为5米的圆中心所造成的空间曲率改变，仅仅影响圆周与直径比值（即欧几里德几何中的…的小数点后第24位。
　　因此，要给时空造成可观的变化，就得有巨大的质量。地球表面的时空曲率半径如此之大（约1光年，即其自身半径的10亿倍）的事实说明地球的引力场，尽管给物体以98米／秒’的加速度，却是不够强的。对于地球附近的绝大多数物理实验，我们可以继续采用明可夫斯基时空和狭义相对论；欧几里德空间和牛顿力学在涉及的速度较小时也足够精确。
　　尽管局域地看来似乎平直，我们的宇宙实际上是被物质弄弯曲了。然而，弯曲效应变得明显仅仅是在高度集中的质量附近（例如黑洞），或者是在很大的尺度上（数百万光年，例如研究对象是由数千个星系组成的团）。最近发现的多重类星体是弯曲时空真实性的一个最好证据。一个遥远光源发出的光线沿不同路径穿过弯曲时空，使天文学家看到同一个天体的几个像
　　　　　　　　　　　柔软的光
　　　　　　光……更多的光！
　　　　　　　　　　——歌德（Goethe）最后的话（1832）
　　狭义相对论时空的刚性结构也像牛顿空间一样被引力的冲击完全破坏了。时空连续体变得柔软了，被它所包含的物质扭曲了，而物质又按照它的弯曲而运动。
　　不过，光线的轨迹仍然是沿着最短路径。这个时空“软体”的结构仍然是由光编织的，广义相对论的本质也仍能由光锥来表示出来。
　　另一种使弯曲时空及其对物质的影响形象化的有用办法是用一块橡皮片。设想将时空的一部分缩减成二维，且由弹性材料构成。在没有任何别的物体时，橡皮保持平直。如果把一个球放在它上面，它就会变形，凹下一个坑，球的质量越大，凹得就越深。这种似乎是空想的表示方式，可以用所谓镶嵌图来使之具有数学上的严格性，本书第12章将对此作详细介绍，以解释黑洞的某些奇特性质。图16用这种方式来表现光线经过太阳附近时的偏折，以及日食时对恒星视位置的观测结果。
　　　　　　　　　　　　爱因斯坦方程
　　随着爱因斯坦的预言被首次宣布获得证实，关于物理学家将必须研究张量理论的观点才真正激起他们的巨大热情。
　　　　　　　　　　　　　——（ A·Whitehead）（ 1920）
　　所有理论都有自己的方程式。爱因斯坦引力场方程把时空变形的程度与引力源的性质和运动联系了起来，物质告诉时空必须如河弯曲，而时空告诉物质必须如何运动。
　　爱因斯坦方程是极为复杂的，其中涉及的物理量不再只是力和加速度，而是还有距离和时间间隔。它们是张量，这种量的每一个都像一张有着多项条目的表格，包含着关于几何和物质的所有信息。
　　引力对物质的作用比电力更为复杂，从而需要有比标量（纯数）和矢量（有三个分量）更复杂的数学术语来进行描述。为认识这一点，我们可回顾在牛顿引力理论中只有物体的引力质量才是引力源，这个质量是由一个固着地联系于物体的纯数来表示的。在爱因斯坦理论中，引力质量只是与物体相联系的总引力量的一个分量。狭义相对论（它对于一个引力可看作均匀的小时空区域总是适用的）已经证明，所有形式的能量都与质量等价，从而都能产生引力。一个物体的能量是与观测者的相对运动有关的。对于一个静止物体，所有的能量都包括在它的“静质量”中（E＝thC‘！）；但物体一且运动，其动能就会产生质量，从而产生引力。要计算一个物体的引力效应，就必须把它的静止能量与描述其运动的“动量矢量”结合起来，这就是对引力源的完整描述需要使用“能量一动量张量”的缘故。
　　更有甚者，对时空中的每一点都需要20个数来描述其弯曲情况。时间和空间的几何变形因此需要有“曲率张量”（我们记得，曲率随着维数的增多变得越来越复杂）。爱因斯坦方程正是描述曲率张量与能量一动量张量之间的关系，把二者分别放在一个等式的两边：物质制造曲率，而曲率使物质运动。
　　本书并不试图详细讲述爱因斯坦方程。曲率张量和能量一动量张量的不同分量是如此紧密地相互联系着，以至于一般说来不可能找到方程的精确解，甚至不可能从整体上定义什么是空间，什么是时间。我们不得不把引力源加以理想化，才有可能算出一点什么来。有鉴于此，迄今已找到的解（描述着各种弯曲时空）大多与真实的时空毫不相干。在这个意义上，爱因斯坦方程的内涵是太丰富了，它允许无数个有着稀奇古怪性质的理论上的宇宙。
　　这种丰富性或许损害了爱因斯坦理论的可信性，但是，我们不要由此以为广义相对论只预言那些不可能观测或是超越人类理解力的东西。恰恰相反，爱因斯坦既是一位物理学家，也是一位哲学家，他试图描述我们的这个宇宙，并且从太阳系开始。运用他的方程的近似解，他首先计算出了太阳系里三个不能由牛顿引力定律得出而又可观测的引力效应：太阳附近光线的偏折，水星轨道的异常，引力场中电磁波频率的变小。下一节将讲述广义相对论这三个预言的成功。
　　除此之外，还有一些自然界存在的情况，其中对引力源所作的简化被证明是完全合理的，相应得出的爱因斯坦方程精确解就能对宇宙的这一部分或那一部分给出很好的描述。看似奇怪的是，这种简化在两个极端的距离尺度上最富成效。我们能够计算真空中一个孤立物体所产生的引力场（也就是该物体周围的时空变形）。一颗恒星的周围区域（例如太阳系）或一个黑洞的附近，都能由这个解来很好地描述，因为这些情况的物质高度集中于一个小时空区域，周围近乎真空。在另一个极端，我们能够计算宇宙整体的平均引力场（宇宙的整体几何），因为在很大的尺度上物质是大致均匀地铺开的，星系就像是均匀的宇宙气体中的分子。广义相对论因而使我们能建立宇宙学，即研究宇宙整体的形状和演化。在相对论天体物理学于70年代出现之前，宇宙学是广义相对论真正得到应用的唯一领域，当然，是和黑洞一起。
　　广义相对论的第三个主要应用，即引力波，恐怕不得不等到对世纪。爱因斯坦方程在引力理论中的地位，相当于麦克斯韦方程之于电磁学。现在我们都知道电荷的加速产生电磁波，类似地，广义相对论预言引力源的运动也产生波，即曲率的起伏在弹性时空结构中以光速传播。对引力波的更详细介绍见第18章。
　　　　　　　　　检验广义相对论
　　在许多意义上，理论物理学家只是穿了工作服的哲学家。
　　　　　　　　　　　　　——（ I，· BerylhaPll）（ 1949）
　　爱因斯坦提议用来检验广义相对论的三项观测是光线在太阳附近的偏折，水星轨道的异常和引力场中原子谱线的红移。
　　光线经过太阳附近时的偏折（如图16所示）是在1919年日食时观测到的，结果与爱因斯坦的计算值一致。
　　第二项检验涉及行星运动。按照牛顿天体力学，一个孤立行星是在一个固定的椭圆轨道上围绕太阳运转（椭圆的主轴不动）。由于其他行星的存在，这个运动受到干扰，椭圆轨道会缓慢地进动。1859年，法国天文学家勒维叶发现，水星的近日点（即其轨道上离太阳最近的点）进动得比牛顿理论预期的要快（图17）。对外层行星（主要是木星）弓l起的扰动的详细计算得出，水星进动速率应为每百年5514角秒，而实际进动是每百年5557角秒，多出43角秒（一个圆是360“，每一度是3600角秒）。这个异常显然很小（每经过三百万年水星轨道才会比理论值超前一圈），但是牛顿理论在它所运用的领域是如此精确，因而必须对这一现象作出解释。
　　最自然的设想似乎是还存在一个扰动物体，可能是一个围绕太阳的物质环，或者甚至是一个未知行星。类似的考虑已经使勒维叶成名，他在1846年通过对天王星轨道扰动的分析预言了另一个行星即海王星的存在，随后很快就被证实。勒维叶试图重显辉煌，说是在太阳与水星之间还有一个行星，并取名为火神星。他计算出火神星会很罕见地越过太阳盘面（只有这时才有希望由它投在日面上的阴影来探测它）。但在1877年，刚巧在他预言的火神星超过日面的时间之前，他去世了，因而不会知道自己的失败。那一天所有的望远镜都对着太阳，但是火神星固执地拒不出现。
　　以解释水星近日点进动为唯一目标，出现了许多稍加修改的牛顿式引力理论。当时已经知道，其他行星也有类似的近日点进动，如金星、地球和小行星伊卡鲁斯，但那些能解释一个行星行为的理论却不适用于别的行星。
　　后来，由于注意到显示近日点进动的是最靠近太阳的那些行星，天文学家开始寻找由太阳内部产生的扰动力。太阳显然不是精确球形的，这种变形原则上能引起近日点进动。然而实际上太阳还是太圆了，牛顿引力理论，无论经过修改与否，仍然被这一小撮古怪行星挫败。
　　1916年爱因斯坦广义相对论终于为行星近日点进动提供了一个目洽的统一的解释。进动并不是由一种来自太阳的神秘引力所引起，行星是在由太阳质量所弯曲的时空中自由运动。它们的轨道是测地线，而由太阳质量所弯曲的时空连续体的测地线并不是严格的椭圆或双曲线，轨线的轴会随时间而缓慢进动，理论计算的进动速率精确等于观测值（图18）。
　　爱因斯坦提出的第三项检验是关于光在引力场中的表观“慢化”。电磁辐射的频率减小，波长相应地增大，即所谓“红化”（红光在可见光谱中波长最长）。要以现有的实验精度来检验广义相对论，太阳上的这种效应就太微弱了，即使是密度比太阳大得多，能给光线施加更强束缚力的恒星（例如白矮星，见第5章），由于其光谱受磁场和星体内部物质不明运动的影响很大，因而很难把各种效应区分开来。
　　这第三项检验简单地就是引力场中时间弹性的另一种说法。狭义相对论已经证明，加速使钟变慢（双生子佯谬）。按照等效原理，就可以得出结论，引力也会使钟变慢：一楼的钟就会走得比二楼的钟慢。
　　直到爱因斯坦逝世以后，才能造出足够精确的钟来测量地球这样弱的引力场中的时间弹性。
　　1960年，哈佛大学的物理学家以千分之一的精度测出了沿垂向下落23米的伽玛射线的频率移动（伽玛射线是一种高能电磁辐射）。观测太阳附近光线的偏折必须等日食到来，检验水星近日点是否进动得太快需要一个世纪的观测资料积累，而现在有了可按设计重复进行的实验室测量。一个繁荣的实验引力时代开始了。
　　从1976年起，超稳定即精确度为一千万亿分之一的钟被放到了高空飞机上，那里的引力比地面上减弱的程度应当可以测量出来。这种飞行的电磁钟与在地面实验室里同样的钟作了比较。二者的速率确有差别，而且与广义相对论预言的结果完全一致。
　　空间探测器的出现使得测量太阳引力场更显著一些的时间弹性效应成为可能。用雷达发射器向位于太阳另一侧的一个空间探测器发出一个无线电讯号，讯号被探测器反射并返回地球，全程的时间在地球上记量，被太阳引力变曲的几何使得这个时间与讯号在平坦真空中传播的时间不同。这个实验是在1971年用水手号探测器进行的，它再次证实了时间延迟效应。
　　也许有人要问，为什么要做这么多很花钱的实验去证实一个看来已经很好的理论？回答是，所有这些广义相对论实验都只涉及太阳系的引力场，而这个场是处处都很弱的，也是定常态的（即不随时间变化）。这个繁荣的实验引力时代激发了理论家们的想象，许多引力理论被提出来与爱因斯坦理论竞争。那些理论大多含有一些附加参量，可以由发明者随意调节。这类理论中最著名的一个是由德国物理学家帕索·约丹（PascualJordan）和法国物理学家叶维·舍里（Yves Thir对提出，后来由美国物理学家卡尔·布兰斯（Carl Brans）和罗伯特·迪克（Robert Dick）所发展的（迪克本人对实验引力的发展有着卓越的贡献）。
　　由于附加参量的灵活性，那些理论可以被调节得能说明太阳系里观测到的所有效应。那么，怎么能确定究竟那一个理论是正确的呢？
　　只有通过分析所有这些理论对强的、动态的（即随时间迅速变化）引力场情况所作的预测，才得作出回答。然而在相当长的时期里，自然界并未给我们提供合适的检验场所，直到1974年双脉冲星的发现，情况才有大变。这两个靠得很近且相互绕转的中子星的轨道周期在变短，观测结果与爱因斯坦理论一致，而与所有其他参与竞争的理论都不相符。
　　　　　　　　　　　　理论的魅力
　　这个理论的魅力在于，一旦对它有了恰当的理解，就不可能不为之深深吸引。
　　　　　　　　　　　　　　——阿尔伯特·爱因斯坦
　　广义相对论无疑是人类有史以来最辉煌的智力业绩之一，而且是由一个人单独完成的。
　　1911年，在布拉格大学工作的爱因斯坦首次计算了光线在引力场中的偏折。他的结果本应在1914年日食时检验，但是第一次世界大战的爆发使这个计划搁浅。这对爱因斯坦来说倒是幸运的，因为他的理论在当时还不成熟，他的预测是错的。然而，他没有因挫折而丧气，他承认自己是一个科学上的“偏执狂”。英国物理学家泡尔·狄拉克（Paul Dirac）后来说道：“科学完全占据了爱因斯坦的思维。如果他给你一杯茶，当你在用匙搅动时，他就会在思考如何对杯中茶叶的运动作出科学解释。”
　　爱因斯坦于1915年11月完善了他的广义相对论方程，并陆续于11月4日、11日、18日和25日在《柏林报告》（BerlinerBench比）上发表，他的理论从此走上了灿烂的历程。最早的两本有关专著于1918年出版，一本是在伦敦，作者是阿瑟·爱丁顿（那时，德国科学在英国受到冷遇，英国图书馆不再接收德国期刊。爱丁顿读到的爱因斯坦论文，是他的一个德国朋友邮寄的，可能是英国仅有的一份）；另一本是在柏林，由赫曼·魏尔出ermann We 周写成。光线经过太阳附近时的偏折，是1919年5月29日日食时在巴西的索布拉尔观测到的，这应感谢弗兰克·戴森（Frank Dvson）和爱丁顿的热忱。对爱因斯坦预言的证实是皇家学会于1919年间月6日在伦敦举行的一次著名会议上宣布的。
　　那时，第一次世界大战刚刚结束。整个世界恶梦初醒、疲惫不堪，而又在寻求着新的理想。爱因斯坦理论以其关于弯曲空间的稀奇思想抓住了公众的想象，尽管一般人连其中的一个字都不懂。无数的科普文章出现在通俗的和专业的期刊上，人们都被迷住了，相对论成了时髦的话题。爱因斯坦成了世界上最负盛名的思想家，无论是什么方面的问题，都有人去问他的观点。美国以隆重的仪式欢迎了他，他成了公众的偶像
　　科学界的反应就复杂得多。有的人为爱因斯坦独行侠式的创造所倾倒，赞美之词超过以前之于牛顿。“思辨威力的一个最美妙的例证”，赫曼·魏尔这样宣称，并且又毫不犹豫地加上：“遮掩真理的墙已被推倒”。马克斯·玻恩（Max Born）则在1955年说是“人类智慧最伟大的成就”。值得强调的是，在物理学家中，对广义相对论最强烈支持的是那些能够理解它的人。
　　另一方面，那些拒不接受这个理论的人也是太过分了。很难不提一位物理学家波阿色（H·Bouasse）的令人惊讶的评论：“这种在我看来将是短命的赞誉，是由于爱因斯坦理论不属于物理理论的范畴，它是一种先验的、凌驾于一切之上的、不可理解的假设，给它的成功予以模棱两可的理由……最后，我们实验物理学家要说的是：我们只接受那些适合我们的理论，我们拒绝那些我们不能理解因而对我们无用的理论。”
　　广义相对论的另一个激烈反对者阿尔瓦·古尔斯胜（AllvarGullstrand），是瑞典的眼科学家和数学家，1911年诺贝尔生理学奖获得者，也是诺贝尔物理学奖委员会成员。这或许就是为什么1921年授予爱因斯坦诺贝尔奖是“特别由于他对支配光电效应的定律的发现”，而不是由于他的相对论。
　　法国物理学家约翰·爱森斯塔（Jean Eisenstaedt）评论道：“这种偏见就像正派的绅士们憎恨本世纪产生的立体派、非图形派和达达派绘画。那些纳土们庆贺自己不懂新艺术，而嘲笑表示赞扬的人是不懂装懂的假内行。”
　　这里，对科学和艺术创造二者的对照是恰当的。广义相对论常被比作一项优美的抽象艺术创作，然而一个理论的优美并不保证它的正确，注重实用的物理学家需要时间来确认它符合自己的原则。国际天文学联合会（它每三年举行一次全世界天文学家的大会）于1922年热情地设立了一个“相对论”委员会，它只开过一次会，然后就决定再继续活动是无益的。
　　时至今日，论争仍未结束。然而相对论是在发展壮大，尤其是在过去的近30年里，其起因则是来自奇特的遥远星球的闪烁信号首次进入了大型射电望远镜。
　　　　　　　　　　　第二篇：火中凤凰
　　　　　　星星是树上的金果，可望而不可及。
　　　　　　　　　　　——乔治·艾略特（ Geofge Eliot）
　　　
　　　　　　　　　　　　引言
　　　　　　科学是以简单的无形来代替复杂的有形。
　　　　　　　　　　　——约翰·成林（Jean Perrin）
　　几年前，一个天体物理学家在他的报告中这样宣称：“恒星是一种很简单的东西。”一个听讲者马上回敬：“你站到100光年之外，也会显得很简单！”
　　后者的话是正确而又深刻的。尽管我们只能观察太阳的“皮肤”，仍可看到许多奇异的现象：米粒、黑子、喷发和日饵，只是由于巨大的距离，其他恒星才缩为夜空的点点闪光。地球上能收到的只是恒星的辐射，这是它们内部庞杂活动的一点隐约的微弱的反响。由这点反响中分析出来的信息是令人惊叹的，然而最终还是需要有理论家来弄懂恒星整体的行为。“理论”总是意味着“简化”，即去掉那些非本质的东西，以抓住问题的核心。本书也将以这样的方式来进入丰富多彩的恒星世界。
　　按照这个简单化观点，一颗恒星可以用几个词来描述：一个巨大的热气体球。但是，这每一个词都有深刻含义，需要仔细琢磨。
　　“气体球”意味着一种平衡态。例如，我们知道太阳在过去的50亿年中没有什么实质变化，这似乎出人意料，因为我们在地球上已经熟悉自由气体总趋于弥散并充满周围空间。与此截然不同，恒星的气体并不弥散，而是保持在一个确定的体积之内。“巨大的”这个形容词提供了解开这第一个谜的关键：对于恒星这样大的质量，引力完全支配着物质的结构，恒星中的每个原子都被吸引朝向中心，而原子之间的相互吸引又保证了气体的粘结；类似地，只要恒星的自转不是太快，引力也决定了恒星的形状几乎是一个完美的球形。
　　可能又会有人觉得奇怪：既然恒星中的所有粒子都被吸引朝向中心，为什么恒星不因此而收缩呢？答案就在“热”这个词上：热，作为一种能量，是在一个发光恒星的中心产生的。这种能量朝恒星表面传递，并且能够支撑恒星的重量，到达表面的能量就作为辐射而脱离恒星。
　　在任何关于恒星的讨论中，有一个词会反复出现，即引力。它在恒星诞生时就存在，又是它导致恒星的死亡。恒星的一生就是对自身重量的持久、拚死的反抗。持久，是因为恒星在演化的每个阶段都能有新的能源来维持自己；拚死，是因为这个反抗注定是要失败的，或迟或早，引力终将获胜，恒星终将坍缩。
　　引力对恒星命运的这种绝对威力也在更大得多的尺度上重现，支配着宇宙中所有的大尺度结构。恒星、星团和星系都在引力收缩中诞生，也在引力收缩中死亡。
　　黑洞正是恒星的一种残骸。在我看来，它又是最精美的，因为它是引力收缩的极点，极端到几乎荒唐。所以，我把对黑洞的讨论推迟，而先对恒星的命运作一概述：它们如何诞生，如何发光，又如何死亡。
　　　　　　　　　　　第四章　从黎明到黄昏
　　　　　　　　　　　　　恒星的诞生
　　像雨一样，恒星也是气体云中凝聚成的微滴。但是，如果把太空中的条件与地球上相比，就可以说恒星几乎是从虚无中产生出来的。我们所呼吸的空气，每立方厘米中有3000亿亿个原子，两星际云每立方厘米只有几十个原子。数百光年范围的星际云物质才够组成几千个太阳。星际云的化学成分也与空气不同，每16个红原子（常构成分子）对1个氦原子，另外还有微量的更复杂原子，如碳、氮和铁。
　　星际云不仅稀薄，而且很冷，最高为开氏100度（开氏度是相对于绝对零度来量度的温度，绝对零度是理论上的最低可能温度，等于摄氏一273度，开氏
　　100度因此就是摄氏零下173度）。这种气体云将无限期地保持稳定在这样一种状态上，即决定其平均温度的原子运动，与企图把原子拉到～起的引力相平衡，因此，只有在星际云受到抗动时，恒星微滴才能凝聚出来。
　　有几种机制能使星际云浓缩并己践恒星的诞生。在所谓旋涡星系里，恒星集中在由星系中心孩球伸出的巨大旋臂上，旋臂绕着核球缓慢转动。太阳座落在猎户座旋臂上，绕银河系中心转一周的时间是二亿年。由于这些旋转的臂运送着物质，它们就在星际介质中传播着一个密度超出，因而导致星际云的收缩并引发恒星形成。
　　另一个恒星形成模型是以这样一个美妙的主意为基础的，即一颗星的诞生或死亡会对大量新恒星的凝聚过程起催化作用。一颗恒星在星际云的中心诞生了，它的强烈辐射就会加热和压缩星际云的外部区域，造成一种凝聚的“传染”。一颗大恒星以超新星形式（见第6章）完成的激变式的死亡也有类似的效应：这颗星的碎片以每秒数万公里的速度推进，沿途冲撞，把星际云转变成许多新恒星。
　　星际云一旦开始浓缩，就变成不透明的。这时它停止吸收别的恒星的光，并冷却到几乎绝对零度。云中的原子运动慢到几乎要冻结，它们的相互引力压倒了内部热运动，而云中物质的分布总是不完全均匀的，总有一些小团块，其中的原子比周围多几个；也有一些空洞，那里少了几个原子。物质产生引力，每个团块周围的引力场就比较强。这种不平衡的引力就把周围那些很冷因而运动得很慢的原子拉过来，捕获的原子又使引力进一步增强，团块就这样变成了更紧密的球，其大小有数十亿公里，含有几个恒星的质量。
　　在这个阶段，一种关键的机制，即所谓金斯不稳定性，变得重要了：在弥散物质中，一个局部的密度峰在超过某一临界质量时会变得不稳定。这个峰于是与其余物质分离，并形成一个稳定的、由自身引力维持在一起的系统。这正是上面所说的球所发生的情况：它太冷了，不足以支撑自身的重量，于是它收缩，与星际云的其他部分脱离。在它收缩时，中心的气体被压紧，压强、温度和密度都增大。变热的气体开始辐射能量，原来黑暗的球现在发出了红光。
　　一颗“星”就这样诞生了，但它还不能称为恒星，因为它没能辐射足够的能量以支撑自己。这颗原恒星因而继续收缩，尽管是以慢得多的速率。只有当核心温度达到1000万开氏度时，氢才开始通过热核反应而燃烧。这种新能量充满了原恒星的核心，使它稳定下来。它现在成了一颗恒星。
　　　　　　　　　　　　火的抗争
　　啊，太阳，是用烈火来争辩的时候了。
　　　　　　　　　——归劳默·阿波里纳瑞（ Guolaume APOllinaire）
　　在反抗引力的持久斗争中，恒星的主要武器是核能。它的核心就是一颗大核弹，在那里不断地爆炸。正是因为这种核动力能自我调节得几乎精确地与引力平衡，恒星才能在长达数十亿年的时间里保持稳定。
　　热核反应发生在极高温度的原子核之间，因而涉及物质的基本结构。在太阳这样的恒星中心，温度达到1500万开氏度，任强则为地球大气压的3000亿倍（地球大气压是每平方厘米1千克重）。在这样的条件下，不仅原子失去了所有电子而只剩下核，而且原子核的运动速度也是如此之高，以至于能够克服电排斥力而结合起来，这就是核聚变。让我们进一步看看这是怎样发生的。
　　恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。氢是最简单的化学元素，它的原子核就是一个带正电荷的质子，还有一个带负电荷的电于绕核旋转。恒星内部的温度高到使所有电子都与质子分离，而质子就像气体中的分子在所有方向上运动。由于同种电荷互相排斥，质子就被一种电“盔甲”保护着，从而与其他质子保持着距离。但是，在年轻恒星核心的1500万开氏度的高温下，质于运动得如此之快，以至于当它们相互碰撞时就能够冲破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那样再弹开。
　　四个质子聚合，就成为一个氦核。氦是宇宙中第二位最丰富的元素（地球上的氦已消失殆尽，它是一种稀有气体，可用来填充热气球。氦在恒星中产生并不是它在宇宙中丰度很大的原因。绝大多数氦是在宇宙最初的几分钟里，和氢以及其他几种轻元素一起形成的）。氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。这个质量差只是总质量的一个很小部分（7浙），但是借助于爱因斯坦发现的质能等效性，这一点质量损失可以转化为巨大的能量。l 千克氢变成氦时所释放的能量，与燃烧200吨碳所产生的相同，足以使一只100瓦的灯泡长明100万年。太阳这样的恒星有一个巨大的核，在那里当然不是1千克，而是每秒钟有6亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。
　　氢变成氨的反应有几种可能的途径，或称为反应链。最常见的是质子一质子链（只需要氢核）和碳一氮一氧循环（一种用碳、氮、氧这些重元素作催化剂的闭合链）。太阳的能量主要由质子工质子反应产生，而质量更大的恒星有更高温的核心，更适于碳一氮一氧循环的进行。然而，即使在高温下，氢的燃烧速率还是很低的，在质子一质子反应里，平均说来每个质子要等上140亿年才能与其他三个质子聚合成一个氦核（对碳一氮一氧反应来说则“仅仅”是1300万年）。这个“天文”时间解释了为什么恒星停留在核燃烧状态如此之久，也表明了恒星核心氢原子核数量之巨大。
　　1945年7月16日，在美国新墨西哥州的阿拉莫果多，第一颗人造原子弹爆炸了。但这是一颗裂变炸弹，与恒星里的不同，核能量是通过把比质子重很多的核分裂而释放出来的。后来的氢弹才是利用质子聚变，从而更逼真地模仿了恒星。然而与恒星的相似也只此而已，二者核反应的详细过程是不同的。氢弹里的质子不需要等候一百多亿年才能聚合，链反应所必需的成分是由外部提供的，而在恒星核心则是以很低的速率产生出来。
　　但是，最重要的是，人类还不能控制氢聚变，从而用之于和平目的。我们还不知道怎样建造一个能够承受反应所需的巨大压强和温度的容器。恒星能自然地造出反应炉，而我们不能。恒星的巨大质量所产生的引力把质子限制在一个恰当的体积内，这个巨型反应堆就稳定了，能量的产生得到了控制。
　　　　　　　　　　　生命之路漫漫
　　明亮的星啊，我愿像你一样坚定。
　　　　　　　　　　　　　——约翰·济慈（JOhn Eeats）
　　太阳中心释放的能量作为光子（光粒子）辐射出来，然而光子要经过漫长的路程才能到达太阳表面并逃逸到行星际空间，在那里吹动若星的尾巴，加热行星的冰冷外壳。与人们的直觉相反，虽然光子的速度将近30万公里／秒，而太阳的半径是70万公里，从太阳中心发出的光子到达表面的时间却并不是2．3秒。平均说来那些光子得花1000万年才能走完这段路程。我们在地球上现在收到的阳光，是8分钟前离开太阳表面的，但是它从太阳核。已产生之时，猿类和早已灭绝的柱牙象还在非洲行走，而非洲与欧亚大陆还不相连。
　　理由很简单：光子在恒星内部并不沿直线运动，而是由于与无数电子的碰撞而不断地改变路径（电子与质子同为恒星物质的主要成分）。假如太阳核心现在突然熄灭，阳光在今后1000万年里仍将继续照亮地球。
　　因此，恒星的生命历程极为规则。天空中的几乎所有星星，无论是用肉眼还是用望远镜看到的，都是与太阳类似的恒星，它们的核心正熊熊燃烧着氢。这种极稳定的状态长达恒星整个核反应寿命的四％，并被称为主序（见附录1）。我们的太阳已经平静地处在主序态上50亿年了，不停地把它的氢转变成氦，它的生命之路正好走了一半。
　　　　　　　　　　　红色的赞美诗
　　然而，太阳的“恒定”演化终将结束，熊熊烈火将变为余烬，并完全熄灭。当所有的氢都变成了氦时，核心的火就没有燃料来维持，恒星在主序阶段的平静日子就到了尽头，大动荡的时期来到了。
　　一巨燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射压之间的平衡被打破，引力占了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下收缩，压强、密度和温度都随之升高，于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧，外壳开始膨胀（而核心区在收缩）。
　　通过自然界精巧的炼金术，许多元素都能由热核反应而变成别的元素。但是，由于较重的核带有更多的正电荷，它们之间的相互排斥就比质子之间要强（质量越大的原子，其核中的质子越多，电荷也就越多。原子核里还有一种不带电的粒子，称为中子，见第6章）。相应地，重核就必须有非常高的速度才能克服电斥力而聚合，也就是说，它们的转变需要的温度高于1500万开氏度。
　　在1亿度的高温下，恒星核区的氨原子核能聚变成碳原子核，每3个氦核变成1个碳核，碳核又能再捕获别的氦核而形成氧核。这些新反应的速度完全不同于缓慢的氢聚变。它们像闪电一样快地突然起爆（故被称为“氦闪耀”），而恒星不得不尽可能地相应调整自己的结构。大约经过100万年后，核能量的流出稳定下来。在此后的几亿年里，恒星又得到暂时的平稳，核区的氦在消耗，而氢的燃烧则越来越向更外层推进。但是，这个调整是要代价的，这时的恒星将膨胀得极大，远胜过寓言里的怪物，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大10亿倍。在这个过程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了下来。这种状态的恒星称为红巨星。
　　尽管表面温度很低，红巨星却极为明亮，因为它们的体积巨大。肉眼能看到的最亮的星有许多是红巨星，参宿四、毕宿五、大角、心宿工，就是其中几例。太阳自己也将在50记或60亿年里变成一个红色“巨兽”。当核心的氢燃完时，太阳就将开始膨胀，距它20万公里的小行星水星将化为蒸气，金星的大气将被吹光，地球上的海洋都将沸腾。然后太阳还会继续膨胀，并把地球吞没，因为太阳在其红巨星阶段的最大半径将超过目前地球公转轨道半径（1．5亿公里）。地球那被烧焦的残骸将继续在巨太阳灼热而极稀薄的大气里转圈子，红巨星外层物质的密度比地球实验室里能得到的最好真空还要低得多。
　　　　　　　　　　　第五章　灰烬与钻石
　　红巨星远不是恒星一生的终结。引力现在变得比以往更为重要。一个恒星的命运是完全由其质量决定的（至少对单颗星是如此，双星的情况则还有别的因素起作用，这将在以后讨论），质量越大的恒星演化得越快，核燃料也就消耗得越快。太阳的整个热核反应阶段约是120亿年，质量10倍于太阳的恒星，核阶段就要短1000倍。另外，核反应的产物也不一样。质量最大的恒星里产生出最重的元素，这一点将在下一章　中再谈。现在先来看看像太阳这样质量较适中的恒星的命运。
　　红巨星的碳一氧核不再发生热核反应。外壳的重量不足以使这个核受到充分的压缩，但是核的周围仍然活跃。氢层和氨层先后燃烧，一点一点地耗掉恒星的储备，一步一步地延伸到外壳。这种很节约的“蚕食”所产生的能量仅能断断续续地支撑外层的重量。这种痛苦挣扎的恒星不能再稳定自己，而是开始脉动。这种状态持续数千年。以前曾是极为稳定的恒星现在不顾一切地背道而驰，它像孩子们的气球一样一胀一缩，每次都喷出一团气体。最后，它的外层全都脱落，只剩下一个裸露的碳一氧核。
　　被抛出的气体，也就是灰烬，形成一个行星状星云，那萎缩的残骸则注定成为一块钻石，这就是白矮星。
　　　　　　　　　　　　行星状星云
　　行星状星云那洋洋大观的外流气体不仅将是太阳，也是所有质量在1到8倍太阳质量（记为Mal之间即中等尺度恒星的产物（以后用Mgh示太阳质量2。id3克，这是常用的天文质量单位）。更小的恒星却如此节俭，以至于自诞生以后几乎不怎么演化；而更大的恒星则高速燃烧，最后以雄壮的爆发来结束自己的存在。
　　第～个行星状星云是安东尼·达古尔（Antoine Darguier）于门对年在天琴座发现的，他找到一个看似行星并“像木星一样大”的天体。类似的星很快又被陆续看到。威廉·赫歇尔（William Herschel），音乐家和天王星的发现者，把这一类新的天体起名为“行星状星云”，一半是因为它们是星云，一半是因为他认为能从中得到对行星形成的解释。这后一半他是搞错了，但“行星状”这个词却作为一个将错就错的天文词汇沿用下来。就是“星云”一词，虽然稍好一点，也只是反映了当时观测仪器的能力。那时的天文学还处在～种仅凭表现形态收集天体标本的水平，即把那个人们难以觉察的世界里的东西尽量罗列出来，这有点像植物学。查尔斯·梅西叶（Charles Messier）就是这样一个大“植物学家”，他的主要兴趣是在香星上（路易十四称他为“参星雪貂”）。
　　1781年他编制了一份有103个星云的表，那些星云看似童星，但不在天空中运动。有了这个表，香星“猎手”们就不再会把自己的目标与这些模糊的、不动的神秘斑块相混淆。
　　梅西叶表在今天仍对业余天文学家很有帮助。它实际上包含了许多不同类型的天体，有行星状星云（夫琴座的那一个在表中被列为第57号），有由亿万恒星组成的遥远星系，也有属于我们银河系的星际云和星团。
　　　　　　　　　　　画家的调色板
　　为什么行星状星云，这种从正在死亡的小型恒星中喷出的气体的遗迹，会成为最引人注意的星体之一呢？这是因为星云的气体能拦截来自中心星炽热表面的辐射。中心星表面温度有2万开氏度，其主要辐射就不是可见光，而是紫外线。这种辐射携带的能量比可见光大（见表1），因而能够激发星云中的原子。在这些光子的连续轰击下，电子跳跃到更高的轨道，然后再落回原来的轨道，并发出一种特征颜色的辐射，这种现象称为气体发荧光。气体中的每种原子（氢、碳、氧）都吸收紫外辐射并再发出其他波长的辐射，其颜色就成为该种元素的标志。
　　星云的内区最靠近中心星，因而最大程度地暴露在紫外辐射下，氧和氮被激发并辐射它们的特征颜色——绿色。在星云外区，紫外辐射由于被吸收而减弱，因而只能使氢激发，并发射出红光。
　　行星状星云演化得很快，其最大直径从不超过1光年。它的气体以10到30公里／秒的速度膨胀，越来越稀薄，在不到10万年的时间内完全消失在星际空间。这在天文尺度上是段很短的时间，由此可以估计出银河系中总共存在2万至5万个行星状星云，每年形成一到二个。其中只有大约1000个能看得到，其余的都被银河系盘的尘埃所遮掩。
　　　　　　　　　　　　白矮星之园
　　奇怪的天体，固执地显示一种与其光度不符的光谱，最终能告诉我们的会比那些按常规辐射的天体要多。
　　　　　　　　　　　　　　　　　——阿瑟·爱T顿（1922）
　　行星状星云的灰烬之所以使天文学家感兴趣，是因为它们把碳、氮和氧散布在星际媒质中，然而，无论是在观测还是在理论的意义上，那颗残存的中心星的命运则更为诱人。
　　在恒星大膨胀成为红巨星，热核反应速率也不可逆转地衰减之后，恒星吹出气体并收缩到地球那样大小，即几千公里直径。物质的浓缩使得星体表面温度大为升高，以至真正成为白热。小尺度和高表面温度这两个特征使这种星得名为白矮星。
　　白矮星首次在天文学里出现是在1834年，那时弗里德里希·贝塞尔（FriedrichBessel）正在对天空中最亮的恒星——天狼星本动进行仔细研究。这颗星除了绕银河系中心缓慢运动外，还有一个微小的周期性扰动。这表明它属于一个双星系统，那个伴星的质量与太阳相似。这样质量的恒星在这个距离上应该是看得见的，但却看不到。这颗神秘的星被叫作天狼B星，30年后才被阿尔文·克拉克（Alvan Clarke）找着。它的光度比天狼星弱1万倍，就像是耀眼阳光下的烛焰。
　　天狼星的光度这样弱，其表面温度似乎就应该很低。1917年瓦尔特·亚当斯（Walter Adams）拍摄了它的光谱，发现它很白（表明温度在开氏8000度以上），而不是原来预期的红色（约1300开氏度）。怎么才能把低光度和高温度相调和呢？决定恒星光度的因素不仅是温度，还有尺度，于是最可能的解释就是天狼B星的半径极小，跟地球差不多。
　　这里出现了科学研究中的典型情况（这使得研究更有刺激性）：一个问题刚解决，另一些原来没想到的问题就出现了。对天狼B星来说，光度问题可以由要求其尺度与行星相当来解决。但是，一个尺度像行星那么小而质量像太阳那么大的恒星，其平均密度必然达到800于克／立方厘米，比地球上已知密度最高的金属（例如金或钻）还要高4万倍。这样的密度相当于把埃菲尔铁塔压缩到30立方厘米的体积内。
　　这些数字使对年代的物理学家大为惊讶，阿瑟·爱丁顿自己都说是“荒唐”，然而这是事实，而理论必须与观测证据相符。而且天狼B星也不是第一个不守常规的星，波江座40的伴星已经显示其表面温度不遵守与光度的通常关系。在后来的几年中，白矮星的名单迅速增长，紧迫地需要回答的问题是：白矮星是由什么组成的？
　　　　　　　　　　　简并物质
　　直到20世纪初，物理学家还从来没有想象过能有比地球上可见到的物质更密集的物质状态存在。水、岩石、木材和人体的密度全都在同一量级，即每立方厘米1克至见克。只是由于星子力学理论的发展，科学家才得以理解为什么这些常见物质都具有这样的性质。
　　在原子中，带负电的电子被带正电的核以电引力所束缚，并不停地绕核旋转。正如气体分子对容器壁的不断撞击造成压力一样，被核束缚的电子也能产生一种压力以防止物质的收缩超过一定限度。这个限度是由沃尔夫冈·泡利（WolfgangPauli）于1925年提出的不相容原理来决定的。
　　形象地说，这条基本物理原理规定了基本“居室”的存在，每个“居室”最多只能容纳两名居民。在“常见”物质中（即密度与水相似），大多数“居室”都是空着的。正由于这个道理，我们说常见物质中有着大片真空：原子核集中了原子的绝大部分质量，而电子运转的轨道是如此之远，假如核的大小如一粒弹子，则电子轨道亦即整个原子的尺度就伸到两公里外。
　　重要的是，在解释这种早已司空见惯的物质性质的同时，量子力学还预言了物质的所谓简并态的可能存在，其特征就是所有基本“居室”都被粒子充满。
　　并不是任何种类的物质都能成为简并态。基本粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一是费米子，得名于意大利物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）二是玻色子，得名于印度物理学家萨迪恩德拉·玻色（SatyendraBose），他在这个问题上与爱因斯坦合作。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是基本粒子的一种与其角动量（粗略地讲就是半径与转动速度的乘积）相联系的内禀性质。鼻子力学所揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取一定的分离值，即一个被称为“正则普朗克常数”的基本常数h的整数或半整数倍。在日常生活中，自旋的分离值完全不可觉察，因为h是如此之小，宏观物体具有庞大的自旋。一只小孩玩的陀螺的自旅大到矿哈。因此，只有在原子尺度上自旋的不连续性才变得显著，其他量子化的物理量也是如此，例如能量。
　　赛米于与玻色子的不同在于，前者具有半整数目旋。而后者具有整数目旋门h，lh，Zh 等等）。原子的基本组分质子、中子和电子，都是自旋为＊h的费米子，光子是自旋为lh的玻色子。泡利得出了一条基本原理：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态（这条规则不适用于玻色子）。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米于群的可能性，让我们更进一步看看这是为什么。
　　在原子里，一个电子的量子态是由其能量（是电子轨道的函数）和自旋取向来确定的。自旅只能取两个方向之一，要么“朝上”，要么“朝产，这取决于自旋是与轨道同向还是反向。由泡刮不相容原理就可得出，一个能量已定的轨道至多只能被两个电子占据，它们的自旋方向相反。任何第三个电子在这个轨道上的存在是被自然界禁止的。
　　现在来考虑一个盒子里的电子气。一个电子的量子态由其能量、线动量（质量与速度的乘积）和自旋来确定。按照量干力学，能量和动量也是量子化的物理量，只能取分离的值。因此，如果电子气被压缩到越来越小的体积里，那么终将达到这样一个限度，即所有的能量和动量级都被具有所有可能自旋取向的电子所占据。这时不相容原理起作用，阻止电子气进一步变稠密。电子产生出一种巨大的内部“量子”压力，称为简并压，以反抗任何再缩小体积的企图。简并压的特征是与温度无关，不像通常的气体压强那样与气体温度成正比。
　　　　　　　　　　　　白矮星揭秘
　　我处在压力下，然而我能承受。
　　　　　　　　　　　　　　　——位世界网球明星
　　英国科学家拉尔夫·富勒（RalPh Fowler）第一个把量子力学应用于天体物理。他在1925年提出，一个没有内部辐射压的恒星的引力收缩能够迫使所有电子占据所有可能的鼻子态，因而白矮星的收缩能被电子的简并压阻止。
　　紧随其后，威廉·安德森（William Anderson）证明，当密度超过每立方厘米1吨时，电子的速度接近光速。这时的电子被称为相对论性的，其运动服从狭义相对论，而不再是伽利略力学。由量子力学知道，对一个给定密度，相对论性粒子产生的压力比慢粒子的要小。这正是白矮星不可能具有任意大质量的根本原因。
　　这个导致理论天体物理革命性变化的重大发现是由印度天体物理学家苏伯拉赫曼彦·钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）作出的。在1931年的一篇著名论文中，他证明白矮星有一个最大允许的质量，并计算出来是1．4Mde这个结果引起了一场激烈的争论。爱丁顿斥之为荒谬，因为它意味着那些质量远大于太阳的恒星的命运变得秘不可知（钱德拉塞卡也有许多关于那些超常恒星内部结构的重要论文。他后来还同样成功地解决了许多别的天体物理问题，并获得了1983年的诺贝尔奖），然而钱德拉塞卡是正确的。按照当今的计算，诞生时质量高到SM的恒星仍能形成质量为1．4M。的白矮星，因为那些星在其～生中以星风的形式丢失掉如此多的物质，以至于其质量减小到钱德拉塞卡限度以下。质量更大的恒星的命运将在后面介绍预言中子星和黑洞存在的理论时予以阐述。
　　　　　　　　　　　热的与冷的
　　白矮星，中等质量恒星演化的终点，在银河系中到处都能见到。估计它们目前占恒星总数的10％（即约100亿颗），而这个百分比只会随时间增大。
　　这一百亿颗白矮星中，只有几千颗已被记录在第。它们的光度非常低，只有那些最靠近我们的才能被探测到。寻找孤立自矮星的方法之一是研究自行很大，因而是距离较近的恒星，摄取它们的光谱以确定其颜色，再由它们在光度一颜色图（见附录1）上的位置就可以确凿地判定是白矮星或走低质量恒星。
　　让我们再进一步看看白矮星。它的质量越大（直到1．4Mk）的上限，半径就越小，因为引力有利于简并物质的收缩和压紧。在白矮星内，原子结构被破坏了，电子脱离了原子核的束缚，自由地在“简并海”中运动。尽管电子已极其密集，仍然有很多空间，原子核仍相互离得很远，与其本身大小相比，核的行为仍像空气中的分子。
　　白矮星的物理结构主要决定于电子海的情况，而热结构则决定于原子核的运动。由于简并电子是热的优良导体，整个白矮星内部就像一块炽热的金属。新形成的白矮星内部温度达到开氏1亿度，老的白矮星则降到几百万度。虽然温度如此之高，热能仍远小于电子的静质量能量。这表明温度对保持白矮星平衡的作用是微不足道的。事实上，尽管白矮星的温度比太阳还高，仍可正确地把它作为绝对零度来处理。
　　处在寒冷的星际空间，白矮星内部是由一个厚度为几公里的薄层来保护的，这个薄层是很不透明的、高度绝缘的，由温度低于10万度的非简并物质组成。这个温度虽比太阳表面高10倍，但由于发射面积很小，总光度也就很低，白矮星就成了很难在远距离上探测到的阴暗幽灵。
　　　　　　　　　　　结晶成黑矮星
　　由于没有热核反应来提供新能量，白矮星在发出辐射的同时，也以同样速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。起初，非简并的原子核像普通气体中的分子一样自由运动，它们的动能决定着温度。由于辐射，动能逐渐丢失，这样，一个关键时刻终将到来，那就是核的剩余动能已小于其静电能，核就会被囚禁在一个刚性结构里。运动逐渐慢下来，核组成为一种晶格，而简并电子继续在晶格中自由运动。年老的白矮星最终停止了辐射，变成一个比钻石还要硬的巨大晶体，这就是黑矮星。
　　白矮星的变暗过程是如此之慢，自70亿年前宇宙划生和第～批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需要极大的耐心。太阳现正处在其主序阶段的中点，还要经过50亿年才到行星状星云那样的“高龄”，它将再短暂地活跃10万年，然后成为一颗白矮星并在100亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星而永存。
　　　　　　　　　　　　再度辉煌
　　像太阳这样的单个恒星是少数，银河系里的恒星多数都以双星方式存在。还有的是三颗、四颗或五颗由引力紧密地联系着。白矮星天狼B星有一个伙伴，但相隔太远，彼此没有什么影响。作为一个孤独的白矮星，天狼B星很可能注定要无可挽回地冷下去。但是，如果两颗星靠得足够近，白矮星的长期演化就会被改变。
　　导致改变的主要原因是两颗星之间的物质转移。白矮星的那个伴星，如果是很靠近，或者是在大膨胀状态（红巨星），其表层物质就会被白矮星的引力吸过去。一般说来，由于双星轨道运动的离心力，吸过来的物质不会直接落到白矮星表面，而是环绕白矮星形成一个大致扁平的结构，叫做吸积盘（图19）。从伴星继续到达的气体流对盘的撞击会导致很强的局部加热，形成热斑。热斑可以像恒星那样亮，从而成为白矮星存在的间接证据。在别的情况，尤其是如果白矮星是高度磁化的，盘不能形成，而气体沿着磁力线偏转并落向白矮星的两个磁极。气体到达白矮星表面时的撞击会产生快速变化着的光学、紫外甚至X射线辐射，白矮星就会闪烁不定地变亮，因而可以被看见，这样的双星系统被称为激变变星。
　　这样一种相对稳定的安排会被一个强烈而又突然的活动期所打断，其结果就表现为一颗新星。这个名称本来是指一类光度突然变大接着又缓慢暗淡下去的星。实际上，新星包含各种不同的类型，涉及很大范围的现象，但都与一个双星系统中的致密星有关。
　　新星的机制几乎可以肯定是一种表面热核爆发。气体连续不断地落到白矮星表面，并被引力场所压缩和加热。当物质积累到一定程度时，作为其主要成分的氢突然聚变，白矮星外层爆发。在几个星期的时间内，白矮星光辉夺目，以至于那些远在银河系边缘上的白矮星也能被观测到。
　　有些新星是再发的，就是在相隔几个月后重复爆发。其余的新星则只爆发一次，并释放出大得多的能量。迄今观察到的最明亮新星之一是天鹅座1975新星，它以太阳100万倍的光度照耀了三天。爆发强度与再发周期之间的这种关系证实了双星中物质转移的模型，因为释放的能量是对已积累在白矮星表面的物质总量的量度。
　　一颗“正常”星和一颗“致密”星之间物质转移的机制在许多高能天文现象中起着关键作用。第四篇里将更详细地叙述这～点，因为密近双星系统有时能提供黑洞存在的强有力证据，否则这些黑洞是完全不可见的。
　　　　　　　　　　　　第六章　超新星
　　　　　　　　　　　　　　核阶梯
　　自然界的元素不只是氢、氦、碳和氧，生命物质、木材、土壤和岩石中都含有一些硅、镁、硫、磷、铁和其他重原子，这些原子的核中都有20个以上的质子和中子。如果这些元素不能在太阳和大多数恒星里制造，它们又是来自何处呢？
　　仍然是来自恒星，不过只是很小一部分恒星，即质量最大的那些。只有在离开主序时质量超过SM的恒星才能制造重原子核。恒星中被外层重量压紧的核心就是“炼金炉”，原料就是氢和氦燃烧的“炉渣”，即碳和氧，冶炼过程在温度升到6亿开氏度时开始。
　　在这个温度上碳再也保不住了，相互猛撞并聚合成氛和镁，一条生产线就此建立，因为每个新的热核反应都释放更多的能量，使温度升得更高，从而使新的转变成为可能。在10亿度时，氖核夺得一个氦核而形成镁，在15亿度时氧也开始燃烧，产生一系列更重的元素：硫、硅和磷，在30亿度时硅燃烧，并引发几百种核反应，使炉子里的温度越来越高。在再往后的几千种反应的熊熊烈火中，更重也更珍贵的元素被制造出来。这是恒星生命的最后阶段，这些反应的突发性也越来越强，越重的元素燃烧的时间就越短。对于一个质量为25M的“模型”星，碳的燃烧持续600年，氛是1年，氧是6个月，而硅只有1天。
　　　　　　　　　　　　巨型“洋葱头”
　　核转变并不能就以这种速率无限制地继续下去，反应的洪流最后都朝着～个元素汇集：铁。铁的原子核报特殊，其中的56个质子和中子结合得如此紧密，没有一种聚变能量能使它们分开，铁就成了大质量恒星核心的最后灰烬。
　　现在的恒星由一个已停止热核反应的核心和仍在接连地燃烧的外层组成。恒星只得不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个巨大的尺度，成为红超巨星。
　　红超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把这样一个星放在太阳系中心，它将吞没所有行星，包括远在扣亿公里外的冥王星。红超巨星的内部结构有时被描绘成像一个洋葱头，因为它包含许多在燃烧着不同化学元素的同心层。最轻的元素在温度最低的外层燃烧，而最重的元素在紧贴着那个呆滞铁核的内层燃烧。
　　　　　　　　　　　　　中子化
　　虽然铁核的温度在10亿度以上，却没有能量从中流出。它太“冷”了，不足以使超巨星维持引力平衡，铁核就会被压得更紧密，其中的电子成为简并。当简并电子的巨大压力能暂时地支持外层的重量时，恒星活动会出现一个间歇。
　　但是我们记得，简并电子不能支撑超过1．4／的质量，超过钱德拉塞卡极限就不可能有引力与电子压力的平衡。新的铁会继续不断地在紧靠超巨星核的层里产生，由于重量大，这些铁会下沉并进入核心。当核心里铁和简并电子的质量一超过钱德拉塞卡极限，那个致命的时刻就来到了。
　　所有质量大于10M（包括核和外层）的恒星都能产生出一个质量在1．4M以上的核，这时的密度达到10记克／立方厘米。电子已简并的核突然塌陷，剧烈收缩，在十分之一秒内，温度猛升到50亿度。涌出的光子带有如此大的能量，以至于将铁原子核炸开，蜕变成氨原子核。这个过程叫作光致蜕变。
　　与增大原子核尺度并释放能量的核聚变反应不同，光致蜕变使原子核破烈并吸收能量。恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡无情的重压，温度持续上升，直到氦核本身也蜕变成其基本成分：质子、中于和电子。在这样的高温下，电子的速度接近光速，因此，虽然处在简并态，电子变得更不能阻挡压缩力，在0．l秒里它们被挤压到与质子结合在一起。二者的电荷相中和，变成为中子，同时迸发出巨大的中微子流
　　中微子（即微小的中性粒子）是泡利于1931年预言而在1956年才被后人实际探测到的一种基本粒子。通常情况下，中微于几乎不与其他物质发生相互作用，因而能够飞行很大的距离而不被阻挡或改变路径。但在大质量恒星的内向爆炸的核心，中子化所释放的中微子洪流具有巨大的能量，使得恒星外壳也受到震动，并吸收相当大一部分中微子，其余的中微子则以光速逃离恒星，并毫无阻挡地超过星际空间。
　　中子和质子一样，也是原子核的一种成分（即是一种核子）。它在1932年才被发现，因为它单独存在时很不稳定。一旦它从原子核里分离出来，就只有很短的寿命，在大约10分钟后自动蜕变，失去其电中性，产生出一个质子、一个电子和一个反中微子（反中微子是中微子的反粒子，自由中子的蜕变是坍缩恒星核心发生的质子俘获电子反应的逆反应）。
　　现在，最重要的时刻来到了：中子的自旋是半整数，是一种费米子，像电子一样服从泡利不相容原理。但是，中子的“占据体积”要小得多，两个中子之间的间隔可以小到10－”厘米，也就是说，中子可以互相碰到。于是，中子化就伴随有一场物质的内向爆炸和密度朝着简并态的巨大增长。恒星开始坍缩的0．25秒后，密度达到10’‘克／厘米3（相当于在一只缝纫顶针里有1亿吨质量）。这正是原子核的密度，就像是通常物质中的电子都被移去，而原子核互相挨在一起。在恒星核里再没有任何“真空”留下，恒星核就成了一种主要由中子组成的巨大原子核，这种远比白矮星紧密的新的物质简并态，就叫做中子星。
　　　　　　　　　　　　　爆发
　　物质一旦达到核密度，就不可能再作任何进一步的压缩。恒星的非中子化外层以大约4万公里／秒的速度落到其中子化核心的表面，在那里撞上了一堵无比坚硬的墙。外层物质被突然挡住，并反弹回来，形成冲击波（冲击波是一种不连续释在介质中的传播，这个锋导致介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式改变。在自然界，所有的爆发情况都伴有冲击波，冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速时发生。一架飞机的速度超过330米／秒，“声屏障”就被打破，同时伴随有一个在大气层传播的冲击波，并产生一个声“爆炸”）。
　　在引力坍缩中，随着外层物质的弹回，冲击波由中心向外传播，并在几天后到达恒星表面。它带有极其巨大的能量，毫不含糊地把恒星整个外区轰得粉碎，并沿径向向外吹得四散。我们的25M的“模型星”将喷射掉24M的质量，只剩下一个l／①的中于星。这个现象就称为超新星。
　　超新星爆发的这种激烈程度的确令人难以置信。它在几天内所倾泻的能量就像恒星在主序期的几亿年里所辐射的那样多。它的光度增大数十亿倍，因此在几天里这颗“新”星看上去就像一整个星系那样明亮。
　　相比之下，伴随着恒星收缩为白矮星而发生的行星状星云现象就显得是一种很平静的死亡，是一种次级葬礼；超新星爆发则是一种壮烈的死，喷射出更多的灰烬，而留下一具更紧密的星骸。
　　超新星吹出的气体不仅给星际介质送来了在“洋葱头”里形成的丰富的重元素，而且对星系演化起着比行星状星云更重要的作用。巨大分子云中整代恒星的诞生就是由附近的超新星爆发所引发。50亿年前，当太阳以及与之相随的小行星、流星、若星和行星从原初云中产生出来时，银河系的年龄已有100亿年，许多大质量恒星已经烧光，它们的灰烬已遍布于银河系内。今日地球上的重元素就是从那些早已消失的恒星的核里来的。
　　　　　　　　　　　观察超新星
　　超新星现象当然不限于我们银河系里的大质量星。但由于现亮度随距离急剧减弱，只是在本世纪的大望远镜出现后，才能观察其他星系里的超新星爆发。迄今为止，在几十万个邻近星系中，已看到几百个超新星，平均每个月出现两个，可以估计出一个星系里超新星爆发的频率大约是每百年4个。
　　用肉眼只能看到银河系内的星。有文字记录的天文观察已经2000年了，在这段时间里银河系应该有100个左右超新星爆发，但只有很少几个被记录下来。
　　造成这个大差额的主要原因是太阳系位于银河盘面上（即在夜空里看到的那条亮带）。银河盘本来正是大多数产生超新星的大质量恒星所在的地方，但由于盘上大量尘埃对可见光的吸收，光的穿透程度大为降低。从地球上只能探测到盘面上几百光年的距离，也就是说只能进入银河系那最有趣味的区域的很小一部分（后面将会看到，射电、红外和X射线辐射被吸收较少，因而能到达地球）。
　　随着观测天文学的发展，人们应当能够克服这个困难。超新星爆发时不仅发射光子，而且还有别的能够不被宇宙尘遮挡的辐射，尤其是中微子极为丰富，又能飞越许多光年而不与其他物质发生作用。如果能在地球上探测到它们，我们就有了一个关于发射源的全新信息的宝库。问题是如何探测它们，因为它们几乎不与别的物质作用，当然也就难以与通常的观测仪器发生作用。
　　太阳核心的热核反应也产生恒定的中微子流，其中极其微小的一部分能在地球上被探测到，所用装置是～个盛有600吨四氯化碳并理在南达科塔一个金矿坑里的巨大容器。中微子击中这个奇特游泳池中的氯原子使之变成氨，而氛可以被提取出来（欧洲的一个更新的实验是用爆来作靶子）。超新星中微子的能量比太阳中微子更高，探测它们的装置本来是为别的目的而设计的。粒子物理学家已经建造了巨大的地下水池（以遮蔽宇宙线）来探测质子衰变和相应的光闪耀。由最近粒子作用统～理论提出的有限质子寿命问题是很重要的，因为质于是原子核的基本成分。迄今尚未探测到一个质子衰变。另一方面，这些水探测器对高能反中微子很灵敏（例如来自附近超新星的反中微子），一个反中微子与水池中的一个质子作用，生成一个中子和一个正电子（电子的反粒子）。这个反应会发出一个切仑柯夫辐射闪耀，并能被浸在水池中的数千个光电阴极的某一些记录下来。此技术在1987年2月超新星1987A 出现时获得了令人欣喜的成功，后文将再谈到。
　　超新星的另一种类型的辐射可能更有价值，它不是电磁也不是中微于辐射，而是引力辐射（引力波的问题将在第18章更详细地介绍）。爱因斯坦广义相对论预言了引力场迅速变化时曲率波的传播，这种波在恒星坍缩时应当产生。到2000年，引力望远镜应当能探测到远达1亿光年之外的超新星爆发的信号，在这个距离上横亘着几千个星系，望远镜应能每个月探测到一次引力辐射爆发。
　　　　　　　　　　　　历史上的超新星
　　虽然我们寄希望于明天的天文学，但决不能只是耐心等待恒星痛苦地死亡。历史上的天文学是一个不需再花钱的信息宝库，前人的文字记载里包含的天文学财富正等待我们去使用。
　　远在望远镜发明之前，大质量恒星的剧烈死亡已在观测天文学的历史记载里留下了踪迹。在远东，职业天文学家（通常是星占学家）被统治者雇佣来观察天空，报告和解释突发的事件。在中国的多个朝代里有许多这种事件的相当详细的记载，其中有些记载甚至是公元前200年幸存下来的。更古老的记载被很遗憾地毁坏了，这个无可挽回的损失是由于一个人的过分骄横，他就是秦始皇——自称是中国第一个“真正的”皇帝。他决定，世界的历史从他的统治开始，于是在公元前对3年下令焚书，大多数古老的文献就此丧失了。
　　幸运的是，中国并不是唯一的对天文学有热烈兴趣的国家。日本和朝鲜自公元前1000年起一直进行固定的天文观测，于是就可能找到不同国家对同一事件所作的同时记载，使得科学家们能够鉴别那些常被很含糊地描述的现象。
　　历史上有记载的超新星的确切数目还不得而知，但不会超过10个。不过，并不是所有的记载都被对天文学有兴趣的历史学家搜集到了，而被不懂得东方语言的天文史家搜集的甚至会更少。
　　由中国人观察到的头三个超新星只被很简短地记录下来。一个于公元185年出现于半人马座，有20个月之久能被看到；第H个是公元396年在天揭座，持续了8个月；另一个也在天蝎座，时间是公元827年。
　　公元1006年豺狼座超新星有着足够多的来自不同区域的记载，因而其可靠性可以确认。欧洲人（中世纪欧洲的修道院作了记载）、阿拉伯人、中国人和日本人都看到了它。它可见于肉眼达25个月之久，而且，按照来自伊拉克的描述，它明亮得超过了弦月。
　　　　　　　　　　一颗星的证认
　　我深深鞠躬。我看到一颗客星出现，它有闪光，黄色……国家将繁荣昌盛。
　　　　　　　　　　　　　——标推德，皇家天文学家（ 1054）
　　历史上最著名的超新星（至少就我们所知）是1054年由日本人和中国人观察到的。最细致的描述由一位熟知星象的中国宋代宫廷天文学家标准德作出。未至和元年五月已丑日——1054年7月4目一一杨修德注意到了天空中一颗奇怪的星出现，日出前几分钟，～颗陌生的星升起到地平线上，比金星或天空中能见到的任何星都明亮得多。这位皇家天文学家称之为“客星”，并记录下来，他向皇上报告，并解释说这是一个吉祥的预兆，然后继续仔细地观察。客星在对天里白昼都能看见，在两年里夜晚可以看见。它最后消失了，结束了奇观。杨谁搞所看到的，是一个光度为太阳25亿倍的超新星爆发（由于这颗星的距离，爆发实际上是在他看到之前5000年发生的）。
　　这一切都被遗忘了，一直到一位英国业余天文学家约翰·贝维斯（John Bevis）于门引年在金牛座发现一个星云，这个弥漫状天体在著名的梅西叶表中被列为第一号。罗斯（Ross）勋爵于18M年依其形状而命名为“蟹状星云”。1919年，多亏中国史料被翻译，瑞典天文学家隆德马克（Lundmark）首先意识到蟹状星云与1054年超新星之间的联系。最后，埃德温·哈勃（Edwin Hubble），现代宇宙学之父，1928年测出了蟹状星云的膨胀速度，并由此反推出它的年龄大约是900年，与爆发时间1054年相符，爆发星与其气体残余之间的联系再也无可怀疑。
　　　　　　　　　　文艺复兴时期的超新星
　　1572年后座超新星在西方由丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brah动观察到。在几天里它像金星一样明亮，作为第一颗被科学地细查的超新星，它有着非常重要的历史意义。在那个时代，希腊人和阿拉伯人那种地球处于宇宙中心，恒星都固定在一个遥远天球上的观念仍普遍被接受。第谷·布拉赫证明这颗星的距离比月亮要远，因而是在固定恒星的天球上。他使已被哥白尼理论怀疑的恒星不变论彻底动摇，从而为约翰斯·开普勒的伟大天文革命打下了基础。
　　20世纪使用的“超新星”这个名称也是由1572年的爆发而得来的，因为它就如同一颗普通新星放在只有几十光年处那样明亮。但是，在这样小的距离上如果有～颗星，即新星的残余，应当能由望远镜观测到，而事实上却没有。所以1572年的新星必然是比普通新星亮得多也远得多。弗里兹·兹维基（Zwicky）和瓦尔特·巴德（Walter Baade）由此而于1937年提出了超新星这个名称。
　　1604年超新星在欧洲、中国和朝鲜被同时观察到。它常被称为开普勒超新星，因为是这位著名的德国天文学家确定了它的精确位置。1943年，瓦尔特·巴德发现了围绕着爆发位置的星云。
　　银河系中有记载的超新星表到此为止（也许仙后座A除外，见下文），其中的最后～个也已是将近400年前了。1987年2月，一颗超新星意外地不在银河系内，而在近邻的大麦哲伦云中爆发。这次爆发产生了巨大影响，在许多个月里使观测和理论天文学家们全神贯注、兴奋异常，本意最后一节将再谈到它。
　　　　　　　　　　爆发的残迹
　　让我看看你盘子里剩下什么，我就能说出你是谁。
　　　　　　　　　　　　　　　　　——俄国谚语
　　虽然超新星的亮度增长只持续几个月，它所炸碎并吹到星际空间的残渣则能在长得多的时间里被观测到。因此，一个很久以前爆发的超新星的气体残余物今天仍能看到，不过，超新星的残渣相对说来还是比较短命的，其中一些已经很稀薄很微弱，它们的可见光不再能到达地球。但是，它们在膨胀时与星际介质碰撞共产生射电波和X射线，在可见光波段能观察到约20个超新星遗迹，在射电波段则有100个以上。
　　最著名的超新星遗迹是1054年爆发所产生的餐状星云。船机座超新星的遗迹古姆星云则是约公元前9000年爆发的产物，那时的人们一定看到了这次爆发，但是没能记录下来。它在最高光度时像上弦月一样明亮。美丽的天鹅座环的爆发更是早在2万到3万年以税
　　超新星遗迹含有关于爆发性质的丰富信息。超新星按其光度演化分成两类。第～类的最高光度比第二类的大，光度的衰减也更不规则，分成几个阶段。
　　理论天体物理学家仍在争论如何解释这种分类。其中一些人把两个类型的光谱作比较，认为只是简单地由于爆发星的化学成分不同。恒星依其化学成分和年龄分为两个星族。星族D是老年恒星，出现于星系形成之时，因而含有很少的“金属”（天体物理学家把氢和氨以外的元素都称为金属）。椭圆星系里和旋涡星系的晕里主要是这类恒星，椭圆星系里的气体已丧失殆尽，因而没有新恒星形成。星族I则是年轻恒星，这些恒星在旋涡星系的盘里形成，并在形成时就含有丰富的由前代恒星制造的“金属”。第一类超新星在旋涡星系和椭圆星系里都能观测到，而第二类超新星只见于旋涡星系。因此似乎可以设想第二类超新星发生于星族1恒星，而第一类超新星则是星族fi恒星。但是这种对应充其量也是粗浅的，实际情况很可能更复杂。
　　虽然理论家们一致同意第二类超新星是大质量（大于10M）恒星的爆发并伴随有中子里的形成，但对第一类超新星却众说纷法。模型研究表明，质量在1至SMpe间的孤立恒星的弓！力坍缩没有多大意义；产物是一个行星状星云和一个白矮星，或可能是一个中子星和低能量释放。另～方面，8至lap间的恒星能作为第一类超新星爆发，能量由碳的燃烧提供。
　　　　　　　　　　　　危险的加码
　　目前流行的一种解释引入了完全不同的爆发机制：第一类超新星要求有碳和氧组成的白矮星，并且是密近双星系统的一员。从伴星吸引过来的氨缓慢地积累在白矮星表面上，当外层的温度和密度达到一定限度时，氦聚变发生，导致光度剧增，然后又缓慢地衰减，正如第一类超新星爆发时所看到的那样。在这个模型里“超新星”才名副其实，即是爆发更多能量的新星（新星是双星系统中白矮星表面的氢聚变所造成的）。
　　这个双星模型的一个变种假定是白矮星接近其1．4Moo的稳定极限。白矮星表面上气体的不断堆积就会使其质量增加到超过这个危险的阈值。于是星体发生引力收缩，哪怕是微小的收缩也足以引起碳（白矮星的主要成分）反应并在瞬间转变为镍和铁。白矮星就在爆发中被摧毁。
　　最近又出现了这种“危险的加码”的～个新版本。由两个离得很近的白矮星组成的双星系统，其轨道能量会由于引力辐射而消耗，、两颗星就会在远短于宇宙年龄的时间内越靠越近，最后的猛烈碰撞所释放的能量就可能高到第～类超新星的规模。
　　总之，超新星模型的增多反映了理论天体物理学家面临的困难，他们所试图解释的是实验室里不可能得到的极端物质状态。
　　　　　　　　　　　近处遇奇花
　　对仙后座A超新星遗迹的研究使得解释超新星爆发机制成为更复杂的问题。这个星云的优越性是在光学、X射线和射电波段都能看到它。对星云膨胀速度的测量表明那个超新星必定是1670年左右在仅为九千光年的距离处爆发的。但是没有任何有关的记录，尽管那个时候有许多天文学家在注视着天空，因而～个如此邻近的事件不可能被漏掉，更何况有一个月的时间它比天狼星还要明亮。最近有～些科学史研究者分析了天文学家罗亚尔·约翰·弗兰斯蒂德（Royal John Flamsteed）的著名星表（有漂亮的星座图），似乎发现了这个星的踪迹。这个星表是依据在1680年进行的观测而于1725年问世的，它在现在他后座A的位置上显示有一颗六等星（正是肉眼所能见的限度），被弗兰斯蒂德称为伙后座三但是在更早的星表里和后来从1835年开始汇集的星表里都见不到。包括弗兰斯蒂德在内，当时没有一个人注意到这颗微弱的恒星是刚刚在天空中出现的。
　　为什么爆发会显得如此微弱呢？也许是膨胀外壳里形成的极大量尘埃吸收了所有来自中心的光。但是，其他费解的事实降低了这种解释的可信性。一方面，铁的缺乏意味着这个星云的化学成分与第一和第二类起新星遗迹都不相同；另一方面，他后座A似乎并没有留下一颗中子星，因为一颗形成三百年的中子星的表面温度应当仍有开氏三百万度，因而应是一个可探测的X 射线源。这就是说，这可能是第三类超新星（也有人愿意称为出类），要罕见得多。其起因可能是～种不同的恒星爆发机制，即不是由恒星核心的引力坍缩而是由一种属于“沃尔夫一拉叶（Wol——aser）”型的极热恒星的不稳定性所引发。一个最近在法国萨克雷的核研究中心发展起来的理论模型得出，这种爆发的最大光度只是太阳的1亿倍，也就是比“正常的”超新星小十倍。这样一种爆发将使恒星完全瓦解，而不留下一具致密的残骸。
　　还有一种或许是更诱人的想法：恒星的简并核心仍然发生坍缩，但并不是形成中子星，而是形成黑洞。如后面将要谈到的，黑洞没有一个固体外壳，因而就不能使恒星的外层反弹，超新星的威力也就被大打折扣。
　　　　　　　　　　　麦哲伦云里的超新星
　　1987年2月23──24日的夜晚，在智利的拉斯康帕纳斯天文台工作的加拿大天文学家伊安·谢尔顿（Ian Shelton），极其幸运地成为一颗超新星的第一位“专业”发现者（一名夜间助理人员刚刚用肉眼看到了这颗亮度为四等的星）。该超新星所在的大麦哲伦云是一个不规则星系，也是银河系的一个卫星系，距离大约为17万光年。一封紧急电报发到了国际天文学联合会，并立即在天文界引起了轰动。
　　这颗被命名为SN1987A的超新星，是1604年开普勒超新星以后肉眼可见的第一颗，也是距离最近的一颗。由于它只能在南半球看到，所以只有智利、澳大利亚和南非的天文台里的望远镜能投入使用。当夜幕降！临澳大利亚时，那里的一位天文学家证认出这颗超新星是一颗以前已知道的12等蓝巨星，叫做圣都立克（Sanduleak）69202o这就给理论家们提出了第一个有趣的问题，因为他们原来认为超新星是红巨星的爆发。第二个谜是，爆发星的光谱有氢的谱线，因而应归于第二类超新星（大质量星的爆发），但是它的光变曲线（即光度随时间的变化）从一开始就表现出与典型的第二类超新星很不同，尤其是，它的最大光度比预期值几乎小了一百倍。
　　获悉谢尔顿的发现之后，普林斯顿的理论家立即投入工作并在两天里写了一篇论文，“颠倒”地预言中微子探测器应当在超新星光学光度剧增之前几个小时就已捕获到中微子，并且算出了中微子的数目和能量。第二类超新星的中微子是由中子化即恒星核心坍缩时原子核对电子的捕获而产生的，中做子带走超新星的绝大部分能量，中微子光度与1亿个星系在1秒钟释放的光学能量相等。这个神话般的图像相当于地球表面上，或者我们的皮肤表面上，每平方厘米有1000亿个中做子穿过。
　　2月23日，超新星在光学波段出现之前将近22个小时，日本神冈一座矿井底部的水探测器在来自SN1987A的反中做子爆发的冲击下在11秒钟里闪烁了11次。这个结果由神冈研究组在连续苦干15天分析资料后宣布。稍后，一个美国小组也宣布了类似的结果：与日本的探测同一时间，克雷夫兰一座矿井深处的探测器也闪烁了8次。如果是南半球接收到超新星的光，那么正是北半球探测到它的中微子。一共才19个，收获虽然微小，却有着重大意义：不仅证实了SN1987A不是第～类超新星（双星系统中白矮星的爆发不发射中做子），而且开创了一个不只是光而且中做子也能在太阳以外的恒星探测到的新时代。
　　再回到光度曲线上来，它在最初几天的异常几个月后消失了：光度是钻56的放射性衰变所特有的指数衰减。这是理论模型的又～个胜利，因为这种元素正是大质量恒星爆炸核合成的主要产物。最初的异常可以通过追溯母体星的特殊性质来解释，它在爆发前是蓝的而不是红的。由于氦燃烧后的极度膨胀，圣都立克69202可能已经是一颗红超巨星，但由于吹了1万年的强大恒星风，其外壳已失去，这使它缩减为一个小尺度（功倍于太阳直径而不是500倍）的明亮蓝星。随着后来的日子里新资料的到达，理论家也忙于修改模型，以期与观测相合。然而对我们来说，还有最重要的问题：爆发的残骸是一个中子星还是一个黑洞？二者都有可能，因为母星的质量大约是太阳的20倍。四年来各种探测器都瞄准着爆发位置以搜寻中子星的痕迹（黑洞就“不那么有吸引力”，因为它不给出任何可探测的信号），除了几次假警报外，这些努力迄今都没有结果。这并不奇怪，残骸仍然被掩蔽在爆发星云的内层，但如果它是中子星，那么或早或迟，一旦最后～层面纱稀簿到能透光，它的面目就会显露出来。几年后，或者几十年后，来自中子星极热表面的X射线就会出现。我们或许能探究一个射电脉冲星婴儿的诞生，如果它的射电束正巧能扫过地球（见第7章），我们就可以合理地期望～个间接信号，例如膨胀的星云被中心脉冲星加热。无论发生的是什么，麦哲伦云超新星将成为本世纪最重大的天文事件之一。
　　　　　　　　　　　第七章　脉冲星
　　科学是由理论和实验（对天文学来说是观测）来建立的，二者相互映照，时而这个领先，时而那个获胜。中子星是理论预言领先于观测发现的最美妙事例之一。
　　杰姆斯·查德威克（James Chadwick）爵士1932年在实验室里发现中于并获得1935年的诺贝尔奖。据说著名的俄国物理学家列夫·朗道（Lev Landau）和他的小组在发现中子后马上预测存在一种完全由中子组成的星，不幸的是，朗道没有立即发表自己的预测。两年后，两位密切注意粒子物理学发展的美国天体物理学家摘取了果实。由与白矮星类比而受到启发（拉尔夫·富勒提出白矮星是以电子简并压来支撑自身重量），弗里兹·兹维基和瓦尔特·巴德建议，中子能产生一种简并压，并能支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星残骸。他们俩对1054年超新星的遗迹蟹状星云很有兴趣，星云中心有一个萎缩的天体，但不是白矮星。
　　第二次世界大战爆发前不久，罗伯特·奥本海默（RobertOPPenheimer，后来的原子弹之父）和沃尔科夫（G·VolkofD提出了一种严格意义上的中子星理论。他们特别证明，对于质量与太阳相当的恒星，简并中子的流体静力学平衡是可以实现的。
　　他们的工作被天文界客气地置之一旁。卡米尔·弗拉马里昂（CammeNammaho…著名的《普通天文学》于1955年出版，在这本（首先激起我对天文学的热爱的）书中，仅有几行字提到兹维基的革命性理论，并说“这是些不可能由观测检验的含糊思想”。观测检验不得不再等待12年。
　　　　　　　　　　　　空中灯塔
　　我在这儿搞一项新技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率未同我们通讯。
　　　　　　　　　　　——乔丝琳·贝尔（Jocelyn Bell）
　　1967年，剑桥大学一名年轻研究生乔丝琳·贝尔，从她的导师安托尼·休伊斯（Antnony Hewish）那里接受了一项任务，检查和改进用于测量遥远射电源辐射的新射电望远镜。在用手工分析记录器打出来的几百米长的微米波图纸时，她的兴趣被一个精确地每隔l．刀730133秒出现一次的周期性信号所吸引。贝尔小姐偶然发现的，正是一颗发出射电脉冲的星：脉冲星。
　　很快又陆续发现了其他的脉冲星。1968年在蟹状星云和船帆座超新星遗迹里也找到了脉冲星。在好几个月里，极大的兴奋甚至扩散到了天文界以外，有人认为，按如此精确的间隔到达的空中信号只能是来自人工源，是由一种像科幻小说里的“小绿人”那样的外星人瞄准我们发出的。在还没有正式名称时，头一批脉冲星曾被幽默地称作小绿人一号、二号等等。这只是天文学家开的玩笑，却被大众传媒想象为与外星人接触而兴奋激昂。
　　与此同时，理论天体物理学家在严肃地思考。1968年弗兰科·帕齐尼（FrancoPacini）和托马斯·歌尔德（ThomasGold）提出，脉冲星是快速旋转的中子里，他们的基本思想如下：中子星有强磁场，在场中运动的带电粒子（电子和质子）发出同步辐射，形成一个与中子星一起转动的射电波束，于是随着星体的自转，每当射电束扫过射电望远镜天线时，地球上就收到一个脉冲（图对）。这种灯塔效应的发生是因为中子显的自转轴和磁轴不重合，而这是天文学中常见的现象。
　　这个简单而又完整的解释立即被接受，成为专家们采用的有效模型。安托尼·休伊斯由于他的射电望远镜设计而获得1974年诺贝尔奖一一而脉冲星的发现只是在乔丝琳·贝尔博士论文的一个附录里被提到！
　　　　　　　　　　　一类更极端的星
　　为什么脉冲星的旋转和磁场这么重要呢？
　　中子星是在质量足够大的恒星的核心坍缩时形成的。角动量守恒定律使最初很小的旋转速度放大到极高的值，这同冰上运动员收拢手臂来增加旋转速度是一样的道理。磁场线就像是冻结在恒星物质上，与星体一起转动，当恒星坍缩时，磁场线被挤紧，磁场就增强。
　　事实上在许多方面，中子星就是白矮星的一种更极端化的变体。它的半径大约只有7公里，从白矮星到中子星的尺度缩减甚至比从太阳到白矮星的缩减还要厉害，而与从红巨星到太阳的缩减相当。中子星的平均密度每立方厘米可不是1吨，而是1亿吨。太阳绕自己的轴每25天旋转一周（它是较差转动，转动速度与纬度有关），而中于星是作刚体转动，转～周还不到1秒钟（一般认为孤立自矮星要么转得很慢，要么根本不转）。磁场也是如此：太阳的磁场与地球的相似，约为1高斯2白矮星的磁场可达1亿高斯；而对中子星来说磁场是集中在一个小了几十亿倍的表面上，因而高到1 亿高斯（实验室里人工能得到的最高磁场是30万高斯，是由重量超过10吨的巨型电磁铁产生的）。正是这些极端的性质才使对中子星的探测成为可能。
　　中子星不可能在光谱的光学部分看到，因为它们的热光度虽然是由被加热到1000万度的表面发出，却由于表面积太小而极低。一个直径只有30公里的物体不可能在见光年以外的距离上被看到，而恒星之间的平均距离还远大于此。不过还是有少数脉冲星的光学辐射被探测到了，其中包括蟹状星云和船帆座的脉冲星。光学脉冲与射电脉冲精确同步。船帆座脉冲星是天空中已知最暗弱的星之一，比天狼星要暗200亿倍。
　　于是，由旋转和磁场所造成的周期性发射不仅在射电频率上而且也在更高的频率上被探测到了。即使在X射线和伽玛射线频率上所有的信号也被星体的旋转以同样方式调制。
　　　　　　　　　　　　狂啸与低语
　　一般认为，某些脉冲星的高能辐射是在中子星的极冠上发出的。沿磁场线落向极冠的带电粒子以高到接近于光速的速度撞击星体的坚硬外壳而使之剧烈升温。中子星简言之就是一个巨大的旋转磁体，其作用像一台发电机，一个每秒钟转一周的中子星能产生10’‘伏特的电压。在这种条件下，电力能够克服巨大的表面引力而使带电粒子释放并随之被加速。这些粒子立即产生高能伽玛射线，但这种辐射因被磁场抓住而难以逃离，于是转变成电子＼正电子（电子的反粒子）对。这些对又会湮灭而产生新的伽玛射线，这些伽玛射线稍后又产生出新的电子一正电子对，如此循环，直到辐射逃离这个区域。这个多重粒子产生的过程叫做级联，能使一个由里面释放的粒子产生出几千个粒子。
　　在脉冲星刮出的电磁旋风里，射电辐射只能算是一点“沙沙”声，但正是这点声响被我们的仪器收到了。脉冲星理论家正在构造脉冲星大气（又称为磁球，由于磁场的根本重要性）的模型，试图解释脉冲星辐射的所有细节。这就像由听声音来推断工厂里～架隐藏着的机器的运转状况。
　　　　　　　　　　　　脉冲星的熄灭
　　如同恒星的命运是由其质量控制一样，脉冲星的命运（这里是指其旋转周期的演化）是由初始磁场决定的。很容易推测出，脉冲星的旋转会随着其能量的损耗而一点点地减慢。由于能量的释放是由磁场造成的，对脉冲星减慢速率的测量就能用来计算中子星的磁场。
　　由于这个缘故，年轻中子星的旋转就比年老的要快得多。诞生于1054年的蟹状星云脉冲星当然还很年轻，它每秒钟转33次，而年老脉冲星的周期就可能是几秒钟。但是，脉冲星的周期不可能短于1毫秒，如果周期太短，脉冲星的固体外壳就会因承受不了离心力而破碎。
　　脉冲星的减慢速率是每秒10－“到10－”秒。这个极低的值仍然可以在一段几年长的时间里测量出来。旋转变得过慢，脉冲式的辐射也就消失了，脉冲星的寿命决不超过几百万年。
　　　　　　　　　　　　超新星与脉冲星
　　已经几次提到蟹状星云和船机座星云的脉冲星，它们是与著名超新星的遗迹相联系的。但是，在其他很有名的超新星遗迹里就没有找到脉冲星，像仙后座八天鹅座环、第谷超新星（1572）和开普勒超新星（1604）都是如此。脉冲星与超新星遗迹之间的联系是出乎意外的：在截至1991年已知的450颗脉冲星和20o个超新星遗迹中，只有三对结成了伴侣。
　　有好几种情况可以导致这个意外的结果。最简单的解释是超新星并不留下一个中于星，而是留下某种不同类型的残迹（完全粉碎，或是黑洞），或者是中子星虽在爆发中形成，但又被爆发推到了别处。事实上，母体星的引力坍缩可能并不是严格球对称的，由于旋转轴一般不与磁轴重合，物质的喷射是不对称的，在星体一侧以1万公里／秒的速度喷射出占总质量10％以上的物质，将给予脉冲星在相反方向上一个每秒数百公里的速度。这种现象就像枪射击时的反冲，是运用动量守恒定律的结果。反冲作用可以使超新星与刚形成的中子星分开，迫使天文学家到别的地方去寻找他们的脉冲星。
　　也可能许多脉冲星像其他恒星一样，原来是在双星系统中。如果伴星的质量足够大并且也发生了超新星爆发，爆发的威力可能足以使双星系统被撕开，并给予脉冲星（中子星）以如实际观测值那么大的速度（lk60公里／秒）。
　　对于几乎所有超新星遗迹中都未见脉冲星这一现象的另一种可能解释是，中子星是存在的，但脉冲辐射现象要么不够强，要么不能从地球上观测到。脉冲星辐射的基本特征是各向异性，脉冲星像一座灯塔，辐射是集中在一个与旋转轴有一定倾角的狭窄推里。如果发射锥的取向不适当，光束就永远不会扫过地球，因此，许多中子星虽然实际上是脉冲星，但不能被地球上的天文学家作为脉冲星观测到。
　　脉冲星一般都比超新星遗迹要老。脉冲射电辐射时期只是中子星寿命很有限的一段，但比超新星遗迹的寿命要长得多。由旋转减慢速率估计的脉冲星平均寿命约是300万年（但最老的在10亿年以上），在这个时间里也发出射电辐射的超新星星云已完全消散，于是，观测到的脉冲星就比超新星遗迹要多得多，银河系里脉冲星的总数可能高达数万。
　　　　　　　　　　　　空中旋转冠军
　　1982年发现了一颗每秒自转660次（即周期为1．5毫秒）的超快脉冲星。它的减慢速率是如此微小（每秒10‘9秒，即自转周期在100年里增大10rp秒），至比地球上用作“标准”时间的最好的钻原子钟还要精确。
　　这颗星被记为％R1937＋21（数字是其赤道坐标，即赤经为19时37分，赤纬为十21“），它提出了一个特别有趣的理论问题。如果它的磁制动是这么弱，磁场强度就必定比蟹状星云和船帆座星云脉冲星的磁场要小1万倍。但按照通常的关于脉冲星形成的观点，磁场很弱意味着年龄很大，而这又与其极高的旋转速度完全不符，怎样调解这个矛盾呢？
　　一个非常有吸引力的理论模型是，脉冲星是双星系统的一员，其旋转被来自伴星的气流加速。这个主意被最近发现的另外两个超快脉冲星所证实，一个的周期是5．5毫秒，另一个是6毫秒，它们都有明显的伴星。但是没有找到PSR1937－ZI的伴星，当然也有可能那伴星原是颗挨得很近的白矮星。这样一个系统的引力辐射将使轨道收缩，直到两颗星碰撞，白矮星被强大的潮汐力撕开而不复存在，中子星因受到碰撞，其旋转速度就增大到现在的观测值。
　　如同一颗属于双星系统的普通恒星的演化过程会由于两颗星之间的物质转移而改变一样，双星中脉冲星的演化也与孤立的脉冲星不同。对一些具有特征性磁场值和旋转速度值的脉冲星的观测绘中子星的形成以新的启示。有的中子星的确可以属于双星系统，它们不是直接形成于超新星核心的引力坍缩，而是由于白矮星因捕获身旁伴星的气体而不断增大质量，终于超过钱德拉塞卡极限而紧缩成中子星，就像最后如根草压垮了骆驼背。
　　　　　　　　　　脉冲双星的大贡献
　　迄今知道有一打射电脉冲星是在双星系统里。这种存在方式的好处之一是能够借以测定中于星的质量。这一打脉冲星中有一颗，即19N年发现的四RI叨3＋16，又远比所有其他的都重要得多。它在天鹰座，距离地球为17000光年，本身是一颗质量为1．4M＠的中子星，在被发现时的射电脉冲频率是每秒
　　16．94次（此后的旋转速度在衰减）。独特之处在于那颗“沉默”的伴星也是颗具有同样质量的中子星。两颗致密星靠得极近，相距只有几百万公里，以7小时45分的周期相互绕转。这个双星系统为广义相对论关于物质加速时以引力波形式辐射能量的预言提供了一个理想的检验（见第18章）。双星轨道能量的损耗必然导致轨道的收缩，而表现为轨道周期的缓慢衰减。
　　根据爱因斯坦理论所作的计算与在12年里仔细记录的观测结果精确相符。大多数其他的引力理论则与这些观测不符。PSR1913＋16的轨道周期每年减小兀毫秒，在大约3亿年里两颗中子星将碰在一起，并产生最后的引力辐射爆发。
　　　　　　　　　　　　　　星震
　　还有另外一个改变脉冲星旋转状态的现象，但这次是一种加速星体的突然事件，称为频率突增（这个词取自电子学，是指一种使本来运行完好的部件受到影响的短暂突发事件）。它在几天里使脉冲星的周期减小十万分之一秒（即使旋转速度增大，图24）。船帆座脉冲星在1969年2月突然转快，在1971年和1976年又先后发生了两次。其他几个脉冲星也有过频率突增的现象，包括蟹状星云脉冲星。但是旋转速度的这种突然增长是很小的，大约一个月后，由于磁制动导致的自然减慢，中子星又恢复突增前的旋转速度。
　　这种频率突增现象能用由不稳定性所导致的、影响中子星外壳并急剧改变其转动惯量的“星震”来解释。一个快速旋转的中子星，其两极处会稍微变平，赤道上会稍微张大，随着时间的增长，这种变形所引起的表面张力会变得非常大，表面就会被无情地撕裂，以实现再调整。裂缝虽只有毫米量级，释放的能量却大得惊人：中子星的震动可达里氏25级（里氏级是用来量度地震所释放的能量的，每增大一级表示能量增大20倍），而地球上记录的最剧烈震动从未超过8．9级。
　　但是，船帆座脉冲星已经历几次星震的事实引起了一些天体物理学家对表面震动模型可靠性的怀疑，因为这种模型所预计的两次震动之间的间隔应是数百年而不是数年。现已提出对频率突增的其他解释，包括对中子星结构的根本性修改：中子星深层的湍流运动，或甚至是其核心的“相变”（类似于由液态变成固态），都会迫使其外壳重新调整。
　　频率突增的确能提供关于中子星内部结构详情的重要信息，这是一个天文观测为粒子物理提供帮助的极好例证。那么，我们对中子星的内部结构究竟知道多少呢？
　　　　　　　　　　　　中子星内部
　　乍看之下，中子星就是一个巨大的原子核。不同的只是，中子星是由引力来维持的，原子核则依靠核力。
　　在中子星内，在只不过是几公里的距离上，引力是如此之强，它能把物质固定在非常确定的结构中。主要表现之一是表面上的所有不规则性都被消除，中子星上最高的山峰只有几厘米高。所有导致脉冲星电磁辐射的现象都发生在一个热到1000万度的薄薄外层。
　　中子星的内部结构仍在猜测之中，一种可能的描述如图万所示。星体由一层1公里厚的铁壳包着，铁原子核组成的固体晶格沉浸在简并电子海里，密度由每立方厘米1吨（正是白矮星的密度）向内增至每立方厘米40万吨。
　　往下是“慢层”。这一层中越向内深入，铁核中包含的中子就越多，但同时又越难以保持住，中子在一定程度上发生衰变。在大约5公里的深处，中子从核中逃离，在简并海中分解，产生的质子簇在这个海中漂浮，密度增大到每立方厘米1亿吨。
　　在大约10公里的深处，中子物态成为星体的最重要成分。难以置信的压力使晶体结构液化为主要由中子、质子和电子组成的液体。这种液体可能是超流体，一种具有奇特性质的理想流体：完全没有粘滞。粘滞总是趋于消除液体中的任何不规则性，因此蜂蜜的粘滞性就比水大，而超流体里的一个旋涡能保持数月之久（实验室里可以把氦冷却到很接近于绝对零度而变成超流体）。
　　最后是半径约为1公里的固体核心，其组成还远不能确定，因为我们对在超过每立方厘米10亿吨的高密度下物质可能存在的状态还几乎一无所知。但是我们仍能像对在原子核中发现的基本粒子的性质那样进行推测，各种有着奇怪名称的模型已被发明出来：固体中子晶格，介子凝聚体，夸克物质，强子汤，等等。
　　　　　　　　　　　致密物质的奥秘
　　中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的，因而为核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等现代物理学科展开了崭新的视野。
　　我们已经清楚地看到，为了描述中子星的内部，就必须将未能揭开高密度物质奥秘的实验物理予以扩展。迄今对致密物质的状态方程（即支配热力学量变化的定律，例如压强可以表示为密度或其他量的函数）还几乎一无所知，但是，它应当是限制在两个极端情况之间，一个极端是自由气体，其中的粒子不受任何力；另一个极端是“硬”态，即物质具有最大刚性的状态，其中的声速等于光速（物质中的声速随其刚性而增大，空气中的声速是330米／秒，水中是1500米／秒，钢中是5公里／秒）。
　　所有允许的状态和所有的物质形式都处在这两个极端状况之间。但当涉及中子星时，对这两个极端之间的许多种可能性的选择却只能依靠对基本粒子间强相互作用的还很贫乏的认识。
　　幸运的是，有一个很重要的性质不太依赖于具体的致密物质状态方程，这就是中于星的最大可能质量。白矮星不能支持超过1．4M的质量，因为超过这个限度时，作为主要成分的简并电子就成为相对论性的，星体就在自身重力下坍缩。同样道理，中于星也不可能支持任意大量物质的堆积。稳定性极限对应着简并中于在巨大引力作用下变成相对论性的瞬间。
　　为着以与白矮星相同的精度来计算中于星的最大质量，就需要知道与简并电子情况同样精确的简并中子物态方程，但现在还无人知道。但是，由下述推断可以得到极限质量的一个很好近似。中子星的密度从外壳向核心增大，在某一中间点达到原子核的密度，从这一点起物态方程的采用就必须谨慎。于是，由实验已经知道的亚原子核密度的物态方程就可以用来描述中子星的外层，对核心部分则采用最大刚性状态的方程，两个结果再合起来，总质量就是外壳质量与核心质量之和。
　　这样得到的极限质量是3．ZM，这个极值很可能偏高。更精细的模型绘出的值在2到3Mpe 间。这些结果的根本意义在于，一个新问题立即出现：质量更大的恒星，引力坍缩的产物是什么？之久（实验室里可以把氦冷却到很接近于绝对零度而变成超流体）。
　　最后是半径约为1公里的固体核心，其组成还远不能确定，因为我们对在超过每立方厘米10亿吨的高密度下物质可能存在的状态还几乎一无所知。但是我们仍能像对在原子核中发现的基本粒子的性质那样进行推测，各种有着奇怪名称的模型已被发明出来：固体中子晶格，。介子凝聚体，夸克物质，强子汤，等等。
　　　　　　　　　　　致密物质的奥秘
　　中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的，因而为核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等现代物理学科展开了崭新的视野。
　　我们已经清楚地看到，为了描述中子星的内部，就必须将未能揭开高密度物质奥秘的实验物理予以扩展。迄今对致密物质的状态方程（即支配热力学量变化的定律，例如压强可以表示为密度或其他量的函数）还几乎一无所知，但是，它应当是限制在两个极端情况之间，一个极端是自由气体，其中的粒子不受任何力；另一个极端是“硬”态，即物质具有最大刚性的状态，其中的声速等于光速（物质中的声速随其刚性而增大，空气中的声速是330米／秒，水中是1500米／秒，钢中是5公里／秒）。
　　所有允许的状态和所有的物质形式都处在这两个极端状况之间。但当涉及中子星时，对这两个极端之间的许多种可能性的选择却只能依靠对基本粒子间强相互作用的还很贫乏的认识。
　　幸运的是，有一个很重要的性质不太依赖于具体的致密物质状态方程，这就是中于星的最大可能质量。白矮星不能支持超过1．4M的质量，因为超过这个限度时，作为主要成分的简并电子就成为相对论性的，星体就在自身重力下坍缩。同样道理，中于星也不可能支持任意大量物质的堆积。稳定性极限对应着简并中于在巨大引力作用下变成相对论性的瞬间。
　　为着以与白矮星相同的精度来计算中于星的最大质量，就需要知道与简并电子情况同样精确的简并中子物态方程，但现在还无人知道。但是，由下述推断可以得到极限质量的一个很好近似。中子星的密度从外壳向核心增大，在某一中间点达到原子核的密度，从这一点起物态方程的采用就必须谨慎。于是，由实验已经知道的亚原子核密度的物态方程就可以用来描述中子星的外层，对核心部分则采用最大刚性状态的方程，两个结果再合起来，总质量就是外壳质量与核心质量之和。
　　这样得到的极限质量是3．ZM，这个极值很可能偏高。更精细的模型绘出的值在2到3Mpe 间。这些结果的根本意义在于，一个新问题立即出现：质量更大的恒星，引力坍缩的产物是什么？
　　　　　　　　　　　　第八章　31处
　　没有引力的物理会是个什么样子呢？
　　　　　　　　　　　　　　　　——爱因斯坦（ 1950）
　　白矮星和黑矮星。中子星和脉冲星，都是恒星的残骸，都还不算太捣乱，黑洞呢？米切尔和拉普拉斯猜想到巨大的不可见恒星可能存在，但他们既不知道这种星形成的机制，也没有考虑到太阳质量的黑洞。他们没有后来才发展起来的量子力学和广义相对论的知识。
　　黑洞作为引力坍缩的一种可能结果而重新出现是在1939年，那时美国物理学家罗伯特·奥本海默（他已为中子星理论作出了贡献）和哈特兰·施奈德（Hartland Snyder）在用广义相对论方程研究一种球对称和没有内压强的简化“模型星”的坍缩。他们发现，在一定情况下引力是如此之强，以至于不可能有稳定的中子星形成。没有任何力量能够阻挡星体的坍缩，直至成为一个体积为零密度为无限大的“点”。远在达到这种状态之前，收缩的恒星就停止了与外部世界的一切通讯。
　　关于恒星黑洞存在的理论预言因而建立在以下三个要点上：
　　1．自然界没有任何力能够支撑3M以上质量的“冷”物质，即已经停止热核反应的物质。
　　2许多已观测到的热恒星的质量远远超过3M
　　3，大质量恒星消耗其核燃料并经历引力坍缩的时间尺度是几百万年，所以这样的过程已经在已有1优化年以上高龄的银河系里发生。
　　上述论证的弱点是假定大质量恒星能产生出一个质量超过中子星稳定限度的简并核心——唯有它坍缩。已知最大的恒星质量达到10M（现在的纪录保持者是一颗称为HD698的恒星，其质量为113M人另一方面，所有恒星在演化过程中都以星风形式丢失一部分质量。对太阳和其他不很大的恒星来说，这种丢失在主序阶段是很小的，质量抛射主要以行星状星云的形式发生在核演化的末期。然而，有很好的理由认为，很大的恒星从诞生开始就抛射大量物质。我们对这个问题现有的理论和观测知识都还不足以得出确定的结论，甚至也还不能排除这样一种极端的假设，即无论恒星的初始质量有多大，星风造成的质量损失总能使其质量减小到3M以下，如果是这样，超新星中黑洞的形成就根本不可能了。
　　但是，如在第4篇中将会看到的，我们相信质量为几个M＆的黑洞已经在一些X射线源中被确实探测到了。以我们目前的知识，更合理的看法是，所有母体星质量为l（k──100。的超新星将要么产生中子星，要么产生黑洞。由高效计算机计算的关于超新星爆发的精细模型表明，有两种可能形成黑洞的情况。
　　1．当简并核心的质量大于中子星稳定限度时，坍缩将直接导致黑洞形成，但是不知道是否伴随有物质的喷射（恒星外层不像中子星的情况那样从坚硬核上反弹）。
　　2．当核心质量小于临界值而抛射的质量又很小时，首先是形成中子星，但是它不能支撑外层的重量，于是再坍缩成黑洞。
　　除了这两种超新星中几倍Mpe量的黑洞形成的可能性外，还有一种在长时间中分阶段进行的可能性。首先有一个由超新星形成的中子星，接着的一个很长阶段是中子星捕获物质并堆积在其表面上（最有利的情况显然是在双星系统中），直到总质量超过稳定限度。这种机制与白矮星转变成中子星相似，要使它行得通，还要求堆积的气体不会像新星那样被星体表面的核反应炸散。
　　总之，在恒星演化的旅途上，黑洞的出现标志着引力在恒星一生中的控制作用取得了最后胜利（见附录对，但远非于此，引力还支配着宇宙中物质所有更大的集会形式。我们在后面将看到，一个密集星团的演化也会导致其核心的收缩，并形成质量不再只是几个M，而是上千、上百万、甚至上十亿M的黑洞。我们还将看到，黑洞可以由吸取物质而增大，可以从一个矮星变成巨星，变成米切尔和拉普拉斯所想象的那种不可见星；另一方面，又有很小的黑洞，它们太轻了，不能由自身重力下的均缩而形成，而是由只有早期宇宙才能产生的巨大外部压力挤压而叽
　　黑洞是一种奇怪的残骸，它一旦形成，就不再是“死”的，而是注定有一个满是“大吵大闹”的新生命。本书的后一半将细说其详。
　　　　　　　　　　　　第三篇：光的消逝
　　如果谁想要同相对论分手，请到此止步，否则他就走上了通向新物理（经典的和量子的）世界的道路。现在出发！——哈里森（B·Ham－，n），索恩（巫·Thorne），瓦卡偌（M·WakanO），惠勒（J·WheelerX）(1965)
　　　
　　　　　　　　　　　　第九章　视界
　在广漠沉寂的星空里，我们为失去的太阳悲泣…
　　　　　　　　——朝·德拉维尔·德迈驶（Jea de LaVthe de Mhant）
　　　
　　　　　　　　　　　　史瓦西解
　　1915年12月，爱因斯坦发表他的广义相对论方程后仅一个月，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）得到了一个描述球状物体周围真空中引力场的解。他从与俄国军队作战的前线给爱因斯坦寄去了自己的文稿，并请求帮助处理发表事宜（他是一名志愿入伍的爱国者，在得到这个解时已患了一种不治之症天疮疮。他很快就被送回国，并于1916年5月去世）。爱因斯坦大喜过望，回信写道：“我没有预料到能得出方程的精确解，您对问题的解析处理令我极为满意。”
　　有两条理由使得史瓦西时空见何极为重要。第一，它是对太阳系中引力场的一个很好的描述。太阳本身近乎球形，其周围物质的质量很小，以至于可以被看作真空，太阳系中所有光线和行星、香星等物体的运动轨道因而就是史瓦西弯曲时空的测地线（直线在弯曲几何里的等价者，见第3章）。这些运动轨道能被计算出来，并与经过太阳附近的光线和行星近日点进动的观测值精确相符，而这些现象是牛顿引力理论所不能解释的。
　　第二，史瓦西几何又具有普适性，因为它与恒星的类型无关，而只依赖于一个参量，即质量。太阳和相同质量中子星周围的引力场是同样的，一个相同的点质量也是如此。
　　然而困难正是从这里开始，随着向点状引力源的趋近，时空几何出现奇异行为。更精确地说，奇异性在！临界距离r＝ZGM／c‘处开始出现，这里M是中心星的质量，G是牛顿的万有引力常数，C是光速（以下将把这个式于简化成r一ZM，即通过适当选取质量、长度和时间的单位而使G和C都等于1）。这个临界距离与引力质量成正比，对太阳质量是3公里，对100万倍太阳质量是300万公里，对地球则是1厘米。这个距离就叫做史瓦西半径，它不是别的，正是按照牛顿方式计算的表面逃逸速度达到光速的星体尺度。史瓦西自己并不知道，正是他为米切尔和拉普拉斯那已被遗忘的关于不可见星的猜测打开了通道。
　　　　　　　　　　　　　魔圈
　　在由史瓦西解到黑洞理论的道路上，似乎有着两个陷跳，一个是数学的，另一个是天文学的。
　　按照史瓦西解，在临界半径／＝ZM以内，空间和时间都丧失了自己的特征。在这个半径以外用以测量距离和时间的规则都失效了，时间趋于无限，而距离变成零。爱丁顿曾把时空几何中的这种奇异性描述为“我们无法在其中进行任何测量的魔圈”。
　　魔圈问题在1922年巴黎研讨会上引起了热烈的讨论。这个会上聚集了以爱因斯坦为中心的一群最好的相对论学家。包括约翰·贝奎尔（Jean Becquerel）、亨利·布里罗因（HenriBrillouin）、埃里·嘉当（Elie Cartan）、雅克·哈达玛（JacquesHadamard）和泡尔·郎之万。然而，这个理论物理学家阵容仍不能解决临界半径所提出的数学问题，他们充其量也只是觉得可能与引力收缩有关。
　　在很长时间里魔圈被认为是广义相对论的一个缺陷，在这个问题上的进展因而被阻碍了。直到50年代，理论家们才对史瓦西半径上的奇异性的解释获得共识，时空几何的“病态”行为只是一起数学事故。戴维·芬克斯坦（David Finkels比in）证明，这是坐标系选择不当的结果（按照广义相对论，所有坐标系都能等价地用于描述物理现象，但是在某些坐标系中的计算会比在别的系中简单得多）。在此之前许多年，爱丁顿曾经找到一个坐标系，在其中史瓦西几何没有魔圈，但是他没能或不愿看到进一步的结果，因为他在一心想着另外一个天文学的问题，即引力收缩的恒星。
　　　　　　　　　　　不可见星的重现
　　太阳这样的恒星能自己收缩成半径为3公里的球的思想，在20世纪初同在拉普拉斯时代一样不被接受，因为它所要求的物质密度是无法想象的。1931年，日本物理学家获原雄助写了一篇很有趣的数学论文，其中计算了史瓦西时空的所有测地线，包括穿过魔圈的那些，他的结论是：“对于任何一颗恒星，rZ ZM这个距离落在其实际半径外面是很不可能的。要使质量与太阳相当的恒星的半径等于ZM这个值，其密度就必须是水的10‘’倍，而最致密的恒星，即作为天狼星伴星的那颗白矮星，其密度也只是水的6X 104倍（后来的观测表明白矮星的密度比这个计算值大十倍，见第5章）。能达到如此惊人之高的临界密度的恒星物质状态是不存在的，因此在r＝ZM以内的轨道从物理上看是高度地不可能的。”
　　这段引文准确地概括了大多数天体物理学家的务实观点。他们只对史瓦西几何的外部区域有兴趣，因为能应用于太阳系，而他们完全不理会临界半径上的奇异行为。
　　然而，毕竟有一些人敢于向前迈进。
　　1920年，安德森（A·Anderson）向自己提出一个恒星的体积收缩到接近其“魔圈”时会发生什么的问题，并回答道：“如果太阳持续地收缩，终将有一天它会消失在黑暗中。这并不是因为它不再发光，而是因为它的引力场变得使光不能透过。”一年后，奥利弗·洛奇（O－liver Lodge）爵士几乎逐字重复了米切尔和拉普拉斯的推断：“如果光受引力作用……一个质量足够大并足够密集的物体将能够留住光，使之不能射出…··咖果太阳这么大的质量能收缩到一个半径约3公里的球内，这样一个球将具有上面所说的性质，但是这种程度的收缩是超出理性认可的范围的……然而，一个恒星系统，比如说一个超旋涡星云，如果总质量为太阳的10’5倍而半径为300秒差距，则相应的平均密度只有10－15克／立方厘米，而光也不能从中逃逸。这样一种物质聚集状态看来就不是完全不可能了。”
　　按照这个分析，如果说天体物理学家仍然难以接受质量为几个M的恒星收缩到史瓦西半径以下时所具有的惊人密度，、那么他们中的某些已能接受质量大得多的情况下出现这种收缩的可能性，这只是因为相应的密度变得“合理”了，也就是说与自然界已观测到的密度值相差不大了。
　　与此同时，全新的量子力学理论预言了密度比任何人所敢想象的都高得多的简并状态的存在，从而支持了引力坍缩的假设。学术界已为不可见星思想的重视作好了准备，然而时候仍然末到。爱丁顿很矛盾地既是广义相对论最伟大的卫士，又是恒星凝缩到史瓦西半径以内的思想最激烈的反对者。“我认为必定有一条自然定律来阻止恒星的这种荒唐行为！”为支持自己的这个信念，爱丁顿不得不修改费米的简并定律，以允许任何质量的冷物质，不论其尺度大小，都能保持平衡。他在1935年的国际天文学联合会上表述了自己的思想，三年后他成为该联合会的主席。在那次会议上年轻的钱德拉塞卡递了一张纸条给执行主席，要求允许发表一个相反意见，但被拒绝了。爱丁顿的名气是如此之大，他的观点不容怀疑！
　　历史当然不会因此而停止前进。由于建立第一个致密星即白矮星的模型，钱德拉塞卡也成了著名人物。引力坍缩理论的真正诞生是在1939年，归功于奥本海默和施奈德的工作（见第8章）。他们运用广义相对论方程来计算球状物体在史瓦西半径以下的引力坍缩。他们严格证明了：物质连同时空一道，将坍缩成连光也不能从中逃逸的区域。
　　黑洞这个名称是约翰·阿奇巴德·惠勒（Job ArchibaldWheeler）于1967年12月29日在纽约的一次讲课中首次使用的，黑洞的光辉历程终于开始……
　　　　　　　　　　　　超想象的黑暗
　　印度天体物理学家加彦特·纳里卡（Jayant Narlikar）讲述了这样一个故事：在18世纪的加尔各答，有一座名为威廉堡的要塞，其中有一个小而阴暗的房间，叫做“加尔各答的黑洞”，这个房间长5米，宽4米，原来是用于关押3名犯人的。1757年，班加尔地区发生了一次流血的反抗，作为一种报复，残忍的长官把46名敌军俘虏关进了“加尔各答的黑洞”。当时正值盛夏，这些人被关押了10个小时，只有22人活着出来。
　　这个故事是如此可怕，以至于某些历史学家怀疑其真实性。无论如何，它倒是表征了黑洞贪婪吞食周围一切物质的特性，这一点已经被广为宣传，然而这只是黑洞的许多属性之一。黑洞是这样一种“物体”，既很简单，又以令人困惑的方式来使时空扭曲。让我们首先来分析黑洞的传统形象，即作为一种宇宙监狱。
　　且回到黑洞的基本定义：这是一个时空区域，其中的引力场强到使得任何物质和辐射都不能逃逸出来。强引力场意味着物质的高度密集，要“造出”一个黑洞，就必须把一定的质量放进一定的体积内，在球对称的情况，这个体积的大小由史瓦西半径来给定。表3显示黑洞与原子、恒星等物体是如何不同。
　　暂且不管黑洞形成的机制，理论上所有尺度和质量的黑洞都是可能的。有尺度如同基本粒子、而质量像一座山那么大的微型黑洞，也有质量为几个Mop直径为数公里的黑洞，还有质量数十亿M、尺度像整个太阳系那么大的巨型黑洞（见附录司。与人们的普遍印象相反，黑洞的平均密度并不一定很高，这个值与质量的平方成反比。当然，一个由超越了中子星限度的恒星的引力坍绩而形成的10M黑洞具有”‘克／立方厘米的“核”密度，但一个数十亿M的黑洞的密度就比水要小百倍。黑洞并不一定是极高密度的星，而只是必须致密到足以囚禁住光（物体的。密度与致密度是不同概念，密度是质量与体积之比，而致密度则是临界半径与实际半径之比，见表3）。
　　黑洞状态。表中数值都是取10的最接近的幂，关于宇宙的数值需要更仔细的考虑，见第19章。
　　　　　　　　　　　　　　光被囚禁
　　白昼与黑夜在这里搏斗。
　　　　　　　　　　　　　　——维克多·而果（ Victor Hugo）最后的话
　　假定真空中的一颗完全球形的恒星坍缩到了其史瓦西半径以内，其表面温度很高，发出辐射。光是怎样逐步地被囚禁，恒星是怎样变成一个黑洞的呢？
　　米切尔和拉普拉斯归因于逃逸速度，广义相对论则远为精妙。1923年，伯克霍夫（G·Birkhofo证明，史瓦西解描述的不仅是一个静止物体周围，而且是一个在收缩或膨胀的恒星周围的时空，只要这颗星精确地保持球对称性。如果太阳开始振荡，即在所有方向上以相同速率膨胀或收缩，或者甚至它被一个相同质量的黑洞所代替，太阳系的几何将不会变化，行星和管星的轨道也根本不会有所不同，只是不再有光明。伯克霍夫定理表明，由一个球对称他收缩着的恒星所发出的光线完全由史瓦西几何的测地线来描述。
　　图26显示一个球对称恒星引力坍缩的四个阶段，越来越多的光被逐步留住。在坍缩之前，恒星的体积远大于史瓦西半径所规定的尺度。按照广义相对论，它的引力场对时空“弹性组织”几乎没有什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。
　　然后是恒星坍缩，随着其半径趋近于史瓦西半径，引力助在加深，时空弯曲程度在增大。按照等效原理，光线被迫弯曲，偏离直线，以遵循测地线。当恒星半径等于1．5倍史瓦西半径时，出射的光线会背道而驰，落回恒星表面，就像喷泉的水。这些光线组成一个光球，像茧一样包着坍缩中的恒星。远处的观测者只能偶然地看到少数逃逸出来的光子。
　　随着引力坍缩的继续，能够逃逸的光子越来越少，光的“逃逸锥”在不断缩小。当恒星达到临界的史瓦西半径时，所有的光线都被捕获，即使那些沿径向（即垂直干表面）射出的也不例外。逃逸银完全关闭，光球消失，黑洞也就形成。其表面，即史瓦西球面，就是不可见区域的边界，也就是所谓视界。
　　　　　　　　　　　　　视界
　　由于大地的弯曲，地面上的观测者也受限于一个视界，视界以外的区域他是不可能看见的。不过，地球的视界是相对的，它是一个以观测者为中心的圆，并随着观测者运动。
　　黑洞的视界则是绝对的。它是时空中的分界，与观测者无关，将所有事件（即时空点）分成两类。在视界以外，可以由光信号在任意距离上相互联系，这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内，光线并不能自由地从一个事件传播到另一个，而是都朝向中心集聚，事件之间的联系受到严格的限制，这就是黑洞。
　　图27是一幅时空图，显示一个球对称地收缩并最后形成黑洞的恒星周围的史瓦西几何。这是本书中最重要的一幅图，因为它提供了正确理解黑洞的基本要点，因此它应当受到特别注意。
　　像所有时空图一样，弯曲是借助光锥来表现的。记住在每一个事件上的光锥是由光子运动的轨迹所形成的，并且限制着所有不能运动得比光速更快的粒子的世界线。在没有引力的情况下，所有光锥都相互“平行”，也就是说，通过适当地选择时间和空间单位，所有光锥都以45”角倾斜，张角都是90“。这样的光锥描述的是作为狭义相对论基础的明可夫斯基平直时空。在有引力场和相应的弯曲几何情况下，光锥变形，张角变小。
　　为简化起见，图中只画出了沿径向传播（进入或离开）的光线，前面谈过的光球因而并不出现。远离坍缩区域的地方，时空几乎是平坦的，光锥也就足端正的。中心质量所产生的引力场随着距离的增大而减弱，时空的弯曲程度也就随着减小。因此，史瓦西时空是渐近平坦的，就是说在距中心质量很远处它变得与明可夫斯基时空一致。
　　随着向引力场源的趋近，曲率增大并影响光锥，使之越来越合拢并朝着坍缩区域的中心倾斜，光线就越来越难以逃逸。终将有这样一个时刻到来，即光锥偏转了45”，一条母线已成为垂直线，于是所有允许的传播方向都朝引力场中心会聚，光被囚禁，r＝ZM处的视界形成。越过视界后光锥变得更为倾斜，张角也更小，被限制在光锥以内的所有物质粒子的轨道都不可抗拒地会聚到垂线r—0上。黑洞的这个几何中心是一个奇点，在那里所有物质都被无限压缩，时空被无限弯曲。
　　黑洞的形成使时空分成由砚界隔离的两个部分，物质和辐射能由机界以外进入其内，但不能反过来，这就是“黑洞”名称的由来。
　　　　　　　　　　　　　轻率的宇航员
　　在距黑洞很远的地方，时空与只被太阳质量轻微弯曲的太阳系中的相似，但是，史瓦西几何只到距太阳中心70万公里的表面为止，而在黑洞内则一直延伸到中心奇点。当然，只是在视界附近，与黑洞相关的那些奇特现象才变得明显。
　　像所有引力源一样，黑洞也产生潮汐力（这是把时空弯曲翻译成了牛顿语言，见“宇宙高尔夫球”一节）。一个头朝着黑洞下落的宇航员，他的脚受到的引力比头受到的小，他的身体就会被潮汐力拉长，这个力随着他向黑洞的趋近而增大。人体当然不能承受这种拉伸力，也不能承受100倍大气压以上的压力（大气压是1千克／平方厘米）。一个被吸向10M质量黑洞的宇航员，将远在到达视界（半径为30公里）之前，gg在400公里的高空就已被潮汐力撕裂而死。他在视界上所受到的潮汐力的拉伸作用，就如同他被吊在埃菲尔铁塔的一根横梁上，而全巴黎所有的人都吊在他的脚上。
　　然而，潮汐力的强度依赖于产生它的物质的密度。黑洞的质量越大，密度就越低，其外部时空的弯曲就越小。因此，人体在很大质量的黑洞附近倒能够经受得住。我们那位作试验的宇航员能够到达1000Mpe量黑洞的视界，他甚至能够探索1000万M。质量的巨型黑洞的内部，因为这种黑洞视界上的潮汐力比由地球所产生的还要弱，而后者已经是难以觉察了。但是，一旦他越过了视界，他就会无可挽回地落向中心奇点，于是无论黑洞质量是多大，他都会被无限大的潮汐力撕得粉碎！
　　　　　　　　　　　　时间的冻结
　　图对还显示，在事件EpE．、马和E4上产生的光线如何离开收缩恒星的表面，并在几、凡、凡和儿被远处的天文学家（其世界线由一条垂向直线表示）所接收到。假定由一只始终放在恒星表面上的钟所量度的四个事件之间的时间间隔是相等的，和儿接收光信号时间之间的间隔却越来越长。作为极限，由民即恰在视界形成时所发出的光线，要经过无限长的时间才能到达远处的观测者那里（因此几点在图中没有标出）。
　　这种“时间冻结”现象是爱因斯坦相对论所预言的时间弹性的极端例证，时间的流逝对于两个有相对加速度（或者由等效原理，处在不同引力场中）的观测者来说是不同的。相对于不参与自由下落的遥远观测者，引力坍缩中的恒星表面是在加速，于是由放在恒星表面的钟所量度的坍缩的原时，就与由一只远处独立的钟量度的坍缩的表观时间大不相同。恒星在史瓦西半径以下的收缩，是发生在有限的原时内，却对应着无限长的表现时间。远处的天文学家将永远不能看到黑洞的形成，也不能看到其内做
　　由信号接收间隔的延长所显示的表现时间冻结，也由离开恒星的辐射表观频率的减小表现出来，因为频率就是光在每秒钟振荡的次数（这也是一种爱因斯坦效应，已在第3章中谈到）。如果辐射的表现频率减小，其波长就会增大，也就是表现为红移，因为波长最大的可见光是红色的（见表1）。远处的天文学家将看到不仅是坍缩进行得越来越慢，而且发出的辐射越来越红，越来越暗弱。
　　图28足时间冻结的一个更别致的描绘。一只飞船受命去探索一个黑洞的内部——当然最好是一个大黑洞，因而飞船不至于太快地就被潮汐力摧毁。就在飞船一去不复返地穿过视界的时刻，指挥员向全人类致以庄严的敬礼，他的告别由电磁传给遥远地球上的观众。
　　影片A是按宇航员原时的相等间隔拍摄的系列图像，这是飞船上的同事们看到的情景。按照飞船上的钟，指挥员的敬礼在第135600秋时开始，在第135720秒时结束。穿越视界是在敬礼过程之中，没有任何特别现象发生，在飞船上的探险家看来，黑洞的边界没有任何神奇之处。
　　影片B是遥远观众在屏幕上接收到的系列图像，按表观时间的等间隔顺序排列。开始时它与影片A是一样的，但随着飞船向视界趋近，它越来越慢下来。远处的观众接连收到几乎同样的图像，宇航员超过视界时的姿势似乎被永远冻结住了。由于频率的移动和强度的减弱，事实上图像会很快变得弱到看不见，观众对飞船在黑洞内的航行是一无所知的。飞船正好越过视界时的图像能够传到远处，而所有后继的图像都不可能从黑洞中传出，而是落向奇点。
　　时间冻结是黑洞的一个引人注目的特征，以至于冻结星这个词曾被用来（首先是由俄国天体物理学家）称呼黑洞。这个词最后还是被放弃了，因为它毕竟只是反映了黑洞物理的一个较次要的方面。如果外部观测者要到无限远的将来才能看到视界，那么也就根本谈不上对黑洞内部的探索了，而广义相对论使我们能够探索黑洞内部（不必担心潮汐力）。
　　　　　　　　　　　　颠倒的世界
　　进入此间者，万念皆抛弃。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　——T（Dame）《地狱篇》
　　其他致密星如白矮星和中子星，引力坍缩已经被物质的内部阻抗所制止，并且有一个固体表面。黑洞与它们不同，一旦史瓦西半径已被越过，视界已经形成，就没有任何力量能够阻挡坍缩。所以，黑洞内部是空空荡荡的，只是在中心有一个奇点（当然，这种推断也许过于简单，它忽略了黑洞内部物质的动力学行为，第19章将对此作进一步的考察）。
　　对于那些已经觉得难以接受黑洞的极高平均密度的人说，更糟的是，理论上黑洞的所有质量都集中在一个数学体积为零的中心奇点上。在探讨这个现代物理学尚未解决的中心奇点问题之前，先来看看其邻近区域的情况。
　　因为时空在坍缩，所以这个区域是运动着的，也就是说，在黑洞内部保持静止足不可能的，如图27所示。要在这个区域保持静止，就必须有超过光速的速度（距离r不变的世界线与时间轴平行，在黑洞内部该线处于光锥之外），但是相对论禁止任何比光速更快的运动，这条定律在黑洞内部同在其外部一样适用。在观界以内唯一允许的轨道，即限制在光锥内部的轨道，是不可挽回地向中心奇点集中。
　　可以把黑洞比作一个“颠倒的世界”，这种说法可能会令人迷惑，但请注意厂面的比拟。在黑洞的外部区域，例如我们所居住的时空区域，在三维空间中任何方向上的运动都是可能的，无论是前进或后退，向左或向右，朝上或朝下；但是，时间只朝一个方向流动，即从过去到将来，这足一个“指向”坐标，沿着它的流动就被称为因果律（见“光使时空联姻”一节）。而在黑洞内部，角色颠倒过来了，用于描述与黑洞中心距离的坐标（由视界处的ZM到奇点处的零）变成了指向坐标，而时间坐标却变成像黑洞外部的空间坐标那样。在黑洞内，空间变得不可逆转，即所有物质都被迫只能缩短空间坐标，正如在黑洞外所有事件都必然朝时间增长的方向进行一样。
　　然而，必须小心地认识这些概念。它们并不意味着，在黑洞内时间坐标变得像外部的空间坐标，因而可以逆转时间，违反因果律。时间坐标由于视界而改变了性质，不再表示真实的时间，不论是在黑洞之内或之外都是如此（在黑洞之外它表示的是由无限远处的钟测量的表观时间）。唯一有物理意义的时间是朝奇点自由下落的钟所测量的原时。在黑洞内部原时只依赖于与中心奇点的距离坐标，随后者的减小而增长。这就像黑洞外部的时间总是朝向未来流驶，唯一的不同是这里的未来是有终极的，就是黑洞中心的奇点。自由下落的飞船从越过视界到落入奇点只经历有限的原时间隔，无论其发动机的功率和航行的方向如何。黑洞质量越大，这段“缓死”时间就越长。对10Mgu黑洞它只是10－’秒，而对隐藏在星系核心的巨型黑洞则探索工作可以进行1小时。
　　　　　　　　　　　第十章　照明
　　那黑色熔炉的中央，那送出无数太阳的地方，无穷的魔力在那里蕴藏。
　　　　　　　　　　　——阿瑟·里姆包德（ Arthur Rhobaud）
　　　　　　　　　　　　照明问题
　　表示一个物体的最好方式之一是由拍照来获得它的图像。我们能够想象给黑洞拍照吗？
　　这个问题看似荒唐，因为黑洞按其定义不能发出光来，但是，事实上，所有温度足够低的物体自身都不具有可探测的辐射源，也就是说和黑洞一样不发光。这些物体要能被我们看见，就必须被照明。行星的核心不产生热核能量，如果不是其表面反射太阳光，它们在夜空里是不可见的（木星这颗太阳系的最大行星，有一种内部能源，由于其核心的轻度收缩，原子氢转变成金属氢，形成像冰那样的固体晶格。这种相变释放出少量能量，使木星自身能发光，这个光度稍大于反射的太阳光）。
　　在这个意义上，黑洞也同行星一样。一个不被照明的黑洞是不可见的，但在适当的光照下也可以得到它的图像，给黑洞照相是能办到的！
　　自然界的任何一个物体都以某种方式吸收和反射电磁辐射。图川所示的实验用平行光束来照射几个“理想”物体，并观察与人射方向垂直的方向上的反射光，所得图像的类型取决于物体的性质，即物体如何与电磁波反应。
　　在完全黑体的情况（例如一只涂了完全吸收光的黑颜料的球），所有光线都被吸收，没有任何反射，观察者什么也看不到。
　　对于一个粗糙的表面（如月亮和行星），光线被各向同性地反射，就是说在所有方向上的反射强度都相等，因而在表面上每一点都可以有一条光线相对于人射方向偏转90”而到达观察者那里，结果就是人们熟悉的半月图像（图30b）。
　　第三种物体是完全反射的金属球。这时表面上只有一个点能使一条人射光线偏转90”而被观察者接收到。该球的图像缩成一个光点，座落在该球实际半径0厂07倍的位置一L（图30C）。
　　最后一种情况是黑洞。与前三者的根本区别是，黑洞并没有一个光线可以撞击并被反射的物质性硬表面，使光线偏转的是黑洞的引力场，因此黑洞的势力范围就不只是其视界，而是延伸到无穷远。光线的轨道并不是因与一个表面的碰撞而改变，而是被引力场所弯曲。在这个照明实验中，黑洞的引力场使几条光线朝观察者偏转。黑洞的图像由一系列照明点组成（图30d）。在左边，黑洞史瓦西半径的2．96倍，已被偏转90”的光线形成“主级”图像；右边的261倍史瓦西半径处，多偏转了半个圆的光线（共偏转270”）形成“次级”图像。通过对与光线轨道对应的史瓦西时空测地线的完整计算表明，黑洞有着无数个图像，第三个图像对应着偏转450”的光线，依此类推，每次都多偏转半个圆。但是实际上从第三级起的图像强度都很低，并且很靠近主级或次级图像，因而不能分辨出来。
　　因此可以得出结论，在各种本身不发光的天体中，黑洞远不是最暗的，对它们的探测比对黑体球或高度反射的球要容易。
　　　　　　　　　　　　　黑洞的光轮
　　上述实验还可以改变成另一种形式，即也用平行光束照射黑洞，但在同方向上观察反射回来的光，结果如图对所示。
　　黑洞的像被放大了，像的半径为实际半径的26倍。这是因为入射光的很大一部分被黑洞捕获，不仅是那些直接射入视界的光，而且所有在距中心5．ZM以内经过的光也都落入黑洞（黑洞的实际半径是ZM），所形成的图像就是一个黑色的盘面被一系列同心光环所围绕。这个结果很像传统光学中熟知的光轮效应：当阳光被雾里的无数小水滴散射时，一个人有时能看到自己头部的阴影被许多明亮的光环围绕着。
　　对于黑洞的光轮效应，只有较靠外的光环能被看到，而靠近黑洞的光环是不可能分辨出来的。
　　　　　　　　　　　　头和尾
　　刚才给出的这些实验并不只是一种智力测验，这是因为，如果黑洞确实存在，它们就很有机会被某种自然光源照亮。
　　对于一个黑洞或一颗行星来说，最显而易见的照明光源是一颗恒星。比如说，这颗恒星可以和黑洞一起束缚在～个双星系统里，但是，尽管这种系统在银河系里可能很多，但其中的黑洞是不能由照明效应来探测的，因为由反射光所形成的黑洞像会完全淹没在恒星自身直接像的强光里。
　　从观测的角度来说，一个有趣得多的情况是，照明光源是围绕着黑洞的一系列物质环，第四篇里将论证，许多黑洞周围确有这种物质构造，被称为吸积盘。土星的光环就是吸积盘的一个极好样本，不过那些光环是由石头和冰的微粒混合而成，而黑洞的吸积盘由热气体组成（另一个重要区别是，黑洞周围的吸积盘不断有新的气体补充进来，而上星的光环只是原初太阳系的遗迹）。气体缓慢地落入黑洞，就像旋涡中的水，气体在向黑洞下落的过程中，温度越来越高，并发出辐射，发光的吸积环就成了光源，照亮中心的黑洞。
　　图32描绘出一个环绕球形黑洞的圆形盘的轮廓。像是在盘面上方稍稍倾斜的方向上远距离处拍摄的。黑洞附近时空的强烈弯曲使圆盘的像放大和变形。上星光环看上去是一系列的椭圆，因为那是在近乎平直的时空里，而这里的像一分为二，主级像由盘的上表面发射的光线形成，偏转小于180”。第一个意外是，盘的全部上表面，无论是在黑洞前方还是背后的，包括在平直几何里被“正常地”遮掩的部分，都能被看到（从地球上看去，土星的环就被部分地遮掩）。
　　更惊人的是黑洞周围的时空弯曲使得盘的下表面也能被看到，这就是次级像，所以，同时观察吸积盘的上、下表面是可能的。
　　实际上，像有无数个，因为盘面发射的光可以环绕黑洞运行任意次数，再脱离其引力场并被远处观察者接收。主级像显示盘的上表面，次级像显示其下表面，三级像又显示上表面，依此类推。不过高级的像并无实际意义，因为它们已贴近中心黑盘的边缘，这个黑盘是真实黑洞被放大的像。
　　　　　　　　　　　　给黑洞“拍照”
　　这些照明实验虽然是理想化的，但却至少表明，黑洞如何通过其引力场对辐射起着某种透镜那样的作用，使单个光源产生多重像。现在来考虑一种更真实的情况。在过去的20年中，围绕着天体的物质环得到了深入的研究，因为这种结构与大量的天文现象有关：行星（土星、木星、天王星和海王星），一个子星是致密星（白矮星、中于星或黑洞）的双星系统。黑洞周围的引力场吸取从伴星溢出的气体，贮人吸积盘，并慢慢吞噬掉。
　　精细的吸积盘模型解释了一些双星系统（如天鹅座X－l）的高能辐射。在大得多的尺度上，一些星系核心和类星体的高光度也能由物质向黑洞的流入来解释，而黑洞的质量为几百万到几十亿Mop关于这些天文现象中黑洞作用的详细讨论将是第四篇的课题。现在只要知道，当单位时间里流入黑洞的物质不是太多时，物质流会形成一个很薄的吸积盘，盘的辐射可以精确计算出来。
　　我在1978年用计算机计算了史瓦西时空中的光线轨迹，给一个由薄吸积盘环绕的黑洞重拍了一张照片（图对）。由薄盘上的某一点所发出的辐射的强度只依赖于该点到黑洞的距离，因此这幅重新构造成的图像是普适的，即与黑洞的质量和流人的气体量都无关。这幅图可以表示直径为10公里的黑洞，也同样可以表示像整个太阳系那么大并吞噬着星际气体的黑洞。
　　像图32一样，上盘面完全可见，但是，下盘面只有一小部分可见。实际的气体盘是不透明的，因而会吸收所遭遇的光线，于是，显示下盘面的次级像的大部分被主级像掩盖，高度变形的可见部分靠近黑洞的边缘。
　　黑洞与盘的内边缘之间的区域不发出辐射。史瓦西时空的性质不允许吸积盘与黑洞表面接触。盘中气体近乎圆形的轨道只能保持到3倍于史瓦西半径的距离处为止，在这个特征距离以内盘是不稳定的，气体粒子直接冲入黑洞，没有时间发出电磁辐射。
　　这张黑洞“照片”的主要特征是盘的各个区域光度之间的明显差异。最靠近视界的盘内区辐射光度是最强的，因为那里的气体温度最高，但是，盘的表观光度与实际光度大不相同。除了圆环的几何变形之外，远处照相底板所接收的辐射相对于盘发出的辐射还发生了频率移动和强度改变。有两种移动效应：一种是已经几次谈到的爱因斯坦效应，即引力场使频率降低，强度减弱；另一种是更熟悉的多普勒（DoPPler）效应，由辐射源相对于观测者的运动而造成，源趋近时接收强度增大，源远去时则减弱（另见第16章）。现在，多普勒效应是由于盘围绕黑洞的转动，盘的最靠近黑洞的区域转动速度接近光速，因而多普勒效应很强。照片中盘的转动方向是这样的，在右边物质相对于观测者退行，在左边则是趋近观测者。物质退行时，多普勒衰减与引力衰减合在一起，使得照片右边很暗弱，而在左边这两个效应相互抵消，于是得到的像大致与实际光度一致。
　　　　　　　　　　　第十一章　落入漩涡
　　我被对旋涡的强烈好奇心支配着。我确实感到一种去探测其深度的愿望，即使我将因此牺牲自己。我的最大遗憾是不能把看到的奥秘告诉岸上的老伙伴们。
　　——edar德加·爱伦·坡（Edgar Allan POe）《落入旋涡》（回840）
　　　　　　　　　　　　克尔黑洞
　　所有恒星都在自转，因而就不是严格球形的，而是在两极处稍稍变干，于是一颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上，恒星周围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。
　　为什么引力波（见第18章）会扰乱几何呢？道理很简单：所有运动物质（例如一颗转动恒星）的引力场都随时间变化。因此，由引力造成的时空弯曲在每个时刻都会变化，以反映新的物质构造。这种再调节像一种“皱纹”，以光速在背景几何中传播。
　　球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成，恒星坍缩成了黑洞，则情况立即简化。在视界形成的瞬间，其形状可能仍不规则，并表现出剧烈的振动，但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性（图34）。于是视界停止振动并成为单一的平滑的形状，即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。
　　这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态，这个状态只依赖于两个参量，即质量和角动量，后者表征恒星的转动，类似于基本粒子的自旋（见“简并物质”一节）。
　　爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。这个解由新西兰物理学家罗伊·克尔（RoyKerr）于1962年得到，描述的是转动黑洞的引力场。这个理论发现有着重要的天文学意义，其价值不亚于一种新基本粒子的发现。科学总是这样，理论与实验相互促进发展。
　　要注意的是，史瓦西几何描述的是一个球形物体的引力场，不论该物体是否处于静止；而克尔几何描述的只是一个最后的平衡态，它只适用于视界已经形成和所有的畸形都已被引力波扫除之后，而不能用于转动恒星的实际坍缩过程。
　　　　　　　　　　　　　极端黑洞
　　大多数恒星在作较差转动。它们由具有不同密度、以不同速度旋转的气体层组成。在太阳系里，气体行星（如木星、上星）的大气呈现多条与赤道平行的长带，这就是较差转动的效应。克尔黑洞的转动却是完全刚性的，视界上所有的点都以同样角速度转动。
　　另一方面，恒星不能以任意速度转动。即使像一个巨大的转动陀螺一样的中子星，也不可能每秒转动1000周以上，因为超过这个极限，星体就会被离心力瓦解。同样也存在一个临界角速度，超过了它，视界就会“破碎”，只留下裸露的中心奇点。这个极限所对应的视界具有等于光速的转动速度，这种“极端”黑洞视界上的引力场为零。用牛顿的语言来说，就是在视界上，离心排斥力与引力正相抵消。
　　很有可能，大多数由大质量恒星引力坍缩而形成的黑洞所具有的角速度很接近这个极限。实际上，有许多转动的恒星，虽然还远不是黑洞，却已经具有很高的角速度（太阳的角速度是极限值的20％）。如果在坍缩过程中角动量守恒（角动量守恒解释了中子星的高转动速度，见第7章），恒星级黑洞就应当很接近这个极限状态。因此，被认为是双星X射线源“发动机”的3Mpe洞（见第四篇），就必然每秒钟转动将近5000转。
　　但是，黑洞并不是在固定的外部空间中转动的陀螺。我们不可能在视界上放一只灯泡井数它每秒钟转过的次数，克尔黑洞施曳着整个时空同它一起转动（按照广义相对论，所有大质量的转动物体也都是如此，但是这种被称为伦斯＞锑林（Lense－Thir－ring）效应的几何拖曳是极小的，除非该物体已经坍编成为黑洞）。理论上，只有在无限远处时空才停止“转动”，因而才可以认为视界具有一个角速度。靠近黑洞处的时空被不可抗拒地扭曲成旋涡状，黑洞是一个宇宙大旋涡，这是它的第二条基本特征，仅次于对光的捕获。
　　　　　　　　　　　　宇宙大旋涡
　　但是已经没有时间让我考虑自己的命运了。圆圈在迅速缩小——我们被旋涡疯狂地抓住了，大海在翻腾，暴风在呼啸，我们的船在颤抖——一啊，上帝，它还在—…·下沉！
　　——德加·爱伦·坡《瓶子里发现的手稿》
　　转动黑洞与人们熟悉的涡流现象很有些相似，从浴缸里的水流入底部的孔时形成的涡流，到海洋的水流形成的巨大涡流，例如埃德加·爱伦·坡在他的《奇遇记》中描绘的神话般的挪威海大旋涡，甚至由儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在他的《绿光》一书中提到的苏格兰赫布里底群岛的巨大冰坑（也不要忘记，在《海底两万俚》一书的结尾，儒勒·凡尔纳让潜水艇“鹦鹉螺”号消失在一个海底深渊里）。
　　旋涡里水的螺旋运动可以分解为圆周运动和朝中心的下落两个部分。圆周运动只有一个与到旋涡中心距离的平方根成反比的切向速度，下落运动则只有一个远小于切向速度并与到中心的距离成反比的径向速度。
　　现在设想有一只机器船冒险驶入旋涡（图35）。船在静水中的最大速度为20公里／小时。在远离旋涡时船显然没有任何困难来克服水的运动的影响，船可以朝任何方向行驶，可以趋近或远离旋涡，可以逆着水流航行，也可以不用抛锚而停在一个固定位置。
　　如果驾驶员决定朝向旋涡行驶，那么终将出现这样一种情况，即在与中心的某一距离上，水的圆周运动速度等于船的最大航速即20公里／小时。在这个临界距离以内，即使船开足马力，也不能保持在一个固定位置上，而是被迫沿着旋涡的旋转方向运动。更准确地说，原先能自由地朝任何方向行驶的船，现在被限制在一个张角以内的范围，这个角由从船的位置射出并与其前方的“航行圈”相切的两条直线组成。这时的船虽然被环向水流拖曳，但仍能沿一条适当的轨道偏转，向外旋出，脱离旋涡。
　　如果这条船仍向内行驶，离旋涡中心太近，以至于水流的径向速度也达到了20公里／小时（环向速度已远大于此），致命的时刻就来到了。航行圈直接落入了旋涡口，正如埃德加·爱伦·坡所写的：“船一被旋涡抓住，就被无可挽回地吸到水底，并被辗成碎片。”
　　转动黑洞周围的克尔几何也像一个大旋涡，旋涡的中心就是黑洞。被引力弯曲的时空也以涡流的方式流动，正像被旋涡卷动的水面。与水里的船类似的，可以是一只飞船，或是任何物质粒子，其最大的允许速度是光速。如图36所示，一个给定点上的航行圈就是标明允许轨道的光锥的空间投影。
　　光锥不仅朝引力中心倾斜，而且被沿黑洞转动的方向拖曳。这种螺线式运动在所谓静止界限以内是不可抗拒的。在这个区域，光的航行圈，即光锥的投影，与其发射点分离，并向前移动，于是飞船就不可能相对于一个固定参考系（例如远处的恒星）保持静止，即使它是以光速航行。
　　更靠近黑洞中心，还有第二个临界面。在那里光锥向内倾斜得很严重，以至于任何东西都不能再进出来，这就是视界，它才是克尔黑洞的真正边界。
　　视界是在静止界眼里面，H者只在两极处相切。克尔黑洞的这两个特征面各有自己的作用。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限地红移，但只是在视界上物质才被完全囚禁（史瓦西黑洞的视界一身兼具这两种性质）。
　　这两个面之间的时空区域称为能层，这个名称是由约翰·惠勒由希腊文的“功”一词派生出来的，因为在理论上可以利用这个区域的独特性质来提取黑洞的转动能量。第13竟将再谈到这个惊人的设想。
　　　　　　　　　　奇异环
　　转动黑洞的内部结构比静止黑洞的要复杂得多。第一个重要差别是中心奇点，即时空曲率变成无限大的地方。在转动黑洞里，那不再是一个点，而是一个平躺在赤道面上的圆环，这个环不再是所有物质都必定向其聚集的时空结。现在已有可能避开奇异环而在转动黑洞内部运动，或者是在种面的上、下方运动，或者是从环中穿过。这种探索黑洞的新的可能性将在第门章中讨论。
　　还有一个差别：在黑洞的真实边界以内还有着第二个视界。这个球形面包围着奇异环，并“保护”着内、外视界之间的区域不受奇异性的影响（指从奇异环发出的信号不可能逃出内视界）。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋于重合。作为极限，对于以临界速度转动的极端黑洞，两个视界都将瓦解，只留下一个裸露的引力奇点。
　　　　　　　　　　带电黑洞
　　坍缩成黑洞的恒星通常都有磁场。另外，黑洞还从星际介质中吞噬带电粒子，如电子和质子，因此黑洞就应当还有电磁性质。
　　雷斯勒（H．Reissuer汗1916年，诺斯特朗姆（．Nordstro…于1918年，各自发现了爱因斯坦方程在带电质量产生的引力场情况的一个精确解。这个解是史瓦西解的一个推广形式，即增加了电荷这个参量，它描述带电黑洞视界外部的时空。
　　如果黑洞的电磁性质缩减为只是带有电荷，其前身星的电磁结构（场线，磁极的存在等等）就必然已被大为减化。这里再次是引力波带走了恒星的绝大部分电磁属性，只留下一个总电荷，而且并不是分布在视界上，而是很像基本粒子所带的电荷。这个电荷并不改变黑洞视界的形状，即在黑洞不转动时仍保持完美的球形c
　　黑洞的带电量有一个限度。在这个限度以上视界就会被巨大的电斥力摧毁。保持视界不被破坏所能允许的最大带电量与黑洞质量成正比，对一个10M质量的黑洞来说是电子电量的1040倍。当然，黑洞带正电与带负电的可能性一样大。
　　高度带电黑洞的内部结构与静止的中性黑洞或转动黑洞都有共同之处，与前者共同的是奇异性都只在一个点，与后者共同的则是也多出一个内视界。随着带电量的增大，内视界面积胀大而外视界缩小。当电量达到最大限度时，两个视界重合并同时消失，把中心奇点显露给遥远的天文学家们。
　　对高度带电黑洞的这些描述虽然精巧，却颇有些学究气，因为实际的黑洞很可能是中性的。这与绝大多数常见物质呈电中性是同样道理，即引力与电磁力相比要弱得多。一个宏观物体包含着巨大数量的基本粒于，带有几乎精确相等数量的正电荷和负电荷（分别由质子和电子携带）。电力使这些电荷联系在一起并相互中和。现在来想象一个黑洞已经形成，并带有大量正电荷，接近最大允许的电量。黑洞所处的真实天体物理环境并不是完全真空，而是由质于和电子组成的星际介质。黑洞的引力场同样地吸引着质子和电子，但它的电荷却只吸引异号电荷，即电子，而排斥质子。静电力比乌I力强1040倍，因而在很短的时间里这个黑洞就会捕获足够的电子，并几乎完全地成为电中性。一个“自然”的黑洞所带的电荷不可能大于极限电量的10no。这个电量是如此之小，以至于黑洞电荷的天体物理效应完全可以忽略。
　　　　　　　　　　　　黑洞无毛
　　宇宙中的黑洞也有恒星那样多的种类吗？换句话说，除了质量、角动量和电荷之外，黑洞还能有别的参量吗？
　　对一个物理学家来说，一颗恒星或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与此相反，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就是知道了有关它的一切。
　　黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量和电荷。这种消繁归简或许是黑洞最基本的特征。约翰·惠勒，这位有关黑洞的大多数术语的发明家，在60年代把这种特征称为“黑洞无毛”。
　　这个开始时只是一种猜测的定理，最近得到了严格的数学证明。这是包括默冬（Meudon）天文台的布兰登·卡特（Brandon Carter）和澳大利亚的加里·班亭（GaryBunting）在内的半打理论家经15年努力的结果。他们证明，只需要三个参量来描述一个平衡态黑洞周围的时空几何，从而证实了惠勒的表述。对理论家来说，这意味着事情已大为简化：按照这三个参量的重要程度来划分，总共只有四种黑洞（质量作为引力场的源当然总是必不可少的）。这就是：只由质量来表征的球对称、静态的史瓦西黑洞；也是球对称和静态的，但还有电荷的雷斯勒一诺斯特诺姆黑洞；转动而显电中性的克尔黑洞；最后是最一般的平衡态黑洞，转动而且带电，在1965年被计算出来并命名为克尔一纽曼（Newman）黑洞。最后这个解表示着视界以内引力坍缩的唯一的自然的最后状态，其他三个解只是它的某种简化。如前所述，黑洞电荷的作用可以忽略，因此最“现实”的黑洞是由克尔解给予正确的描述。
　　再次是引力波来扫除形成黑洞的物质的所有复杂结构。黑洞的“毛发”都被刮去，只剩下质量、角动量和电荷。这些物理参量表征着形成的黑洞所呈现的两种长程作用，即引力（对质量和角动量）和电磁力（对电荷）。决定原子核结构的短程核作用对黑洞的形成没有贡献。
　　黑洞的参量是可以精确测量出来的，尽管是借助于理想实验。可以把一颗卫星放在围绕黑洞的轨道上，并测量卫星的轨道周期，从而得出黑洞的质量。黑洞的角动量可以通过比较朝向视界的不同部分的光线的偏转来测量。
　　对于一个有一定质量的一般克尔一纽曼黑洞，电荷和角动量都有上限，也就是都受到保证视界存在这一条件的限制。如果在某个大质量恒星的引力坍缩过程中，这个限制被违反了，黑洞就会成为一个探奇点，并能影响到宇宙中的远距离处。然而，物理学家有很好的理由相信，这样一种情况是被自然规律禁止而不会发生的（下一章　将涉及这个重要问题）。
　　既然只由三个参量支配，一个黑洞就像一个基本粒子一样简单。但是，只要考虑一下视界存在的条件，就知道没有别的东西比基本粒子与黑洞更不同的了，尽管基本粒子也是把质量、角动量和电荷集中在一个很小的体积内。以电子为例，实验已经确定出它的质量、角动量（自旅）和电荷。相对于其质量来说，电子的电荷和角动量超过黑洞上限的If倍。这个令人惊愕的数字甚至超过了可观测宇宙中基本粒子的总数，而这正是一个电子与一个克尔f 纽曼黑洞之间差异的量度（这决不是说电子是一个探奇点）。
　　　　　　　　　　　第十二章　图形游戏
　　地图并不是实地。
　　　　　　　　　——阿尔弗雷德·柯齐伯斯基（ Alfnd KOrzyhski）
　　　　　　　　　　　　　黑与白
　　人的头脑对对称有一种天生的爱好。自古以来，物理学家一直在试图依据基本对称性来分析自然界的现象。使人惊奇的是，这种方法常常取得成功。一个极好的例子是“反粒子”，先有理论预言，然后很快为实验所证实。在基础物理的最新发展中，对称性比以往任何时候都更重要。
　　黑洞也有一个与之对称的反面，就是白洞，这是一种从隐藏在视界之后的区域发出的引力外流。早期对白洞的解释导致这样一种普遍的印象，即人可以进入黑洞，再通过一个连结黑洞与白洞的“咽喉”而从白洞中出来，从而可以瞬时地从宇宙的一个部分旅行到另一部分。这种印象无疑增添了黑洞对公众的唯力，但对那些不熟悉广义相对论的科学家来说却是降低了黑洞的可信性。
　　白洞的真实情形是怎样的呢？我们必须重新考查真实世界与其数学表述之间的关系，或者土地与地图之间的关系这个微妙问题。物理定律中最常见的一种对称性是时间反演。在伽利略和牛顿的力学，菲涅尔（Fresnel）的光学，麦克斯韦的电磁学和爱因斯坦的相对论里，所有的方程都对时间对称，因此才可以在一个给定坐标系，从一个给定时刻来计算行星、光线或电子将来的和过去的轨道。但是，这并不意味着自然界对时间流是无差异的。例如，离开恒星表面的光线实际上是射向将来，而不是返回过去。
　　换句话说，物理方程的解并不是～定在真实世界中存在，然而，区分真实解与虚构解并不总是一件容易事。尤其是在考虑对称解的物理解释时，更需要格外小心，即使这些解在美学上很有吸引力。
　　丹尼斯’萨顿（Dennis Sutton）这样写道：“科学的前沿总是一种由新的真实、合理的假设和轻狂的猜想组成的古怪混合。”这段引言很适用于本书。我们现在可以这样说，广义相对论属于上述混合中的第一种成分，黑洞属于第二种，而白洞则是第三种。不过，公平地说，有些最“轻狂”的猜想曾经推动了科学的发展。有鉴于此，白洞还是值得留意的。事实上，白洞的增力已经增大，这是因为对它的研究有一种未必适合于公众，对许多科学家来说却是湛成为原动力的乐趣。那么，我们也来试试吧。
　　　　　　　　　　　　“镶嵌”游戏
　　每当试图理解一个抽象概念时，一再出现的问题就是如何使之形象化。以时空为例，被物质弯曲的“时空软体”与被石块压弯的橡皮带之间的类比，使我们能够在一定程度上表示出抽象的四维几何的弯曲特征。借助于一种被称为“镶嵌”的数学技巧，可以对时空弯曲作出严格的描述。
　　顾名思义，这种技巧是这样来显示～个给定空间的形状，就是把它镶嵌进一个多出一维的空间里。例如，一个圆环（一维）的形状，很容易由镶嵌进一个平面（二维）来显示；一个球面（二维）也能容易地由镶嵌进通常的欧几里德空间（三维）来显示。
　　这种技巧对于完整的四维时空连续体是没有用处的，因为必须把它镶嵌进一个五维空间里，而这是无法去想象的（甚至在数学上也不可能把一个四维时空镶嵌进五维欧氏空间里）。幸运的是，这种技巧还有不少别的招式可供采用。
　　例如，可以假定时空是静态的，就是说空间几何在任何时间都保持不变，把这种情况的时空显示为一种瞬时的时间切片，不会有任何信息损失。更进一步，如果空间几何是球对称的，则可以只看通过球心的赤道面切片，也不会有信息损失。因此，可以很容易地把一个静态球对称时空切成二维薄片，而不会失去有关完整时空的弯曲状况的任何信息。二维切片的所有详情，当然就可以通过嵌进一个三维欧氏空间而显示出来（这里的三维欧氏空间只是假想来用作“包含”时空切片的）。
　　作为上述方法的实际应用，且看被一颗平衡态球形恒星（如太阳）所弄弯的时空。由于恒星内部和外部的几何都是静态的，瞬时赤道面切片全都具有同样的形式，如图39的曲面所示。
　　这个曲面的形状会使人联想到一块被石头的重量压弯的塑料布。整个曲面被分成两部分，延伸到无限远的部分表示恒星外部的时空，这是史瓦西几何的区域；另一部分为恒星自身所占有，其精确形状有赖于恒星的内部结构，但总保持与一个球面的一部分相似。由于恒星没有坍缩，史瓦西临界半径r一ZM是在恒星内部，也没有中心奇点，就是说这个坑的曲率完全正常。
　　这种表示法既能提供完整信息又很严格，已经在图历中用来表示经过太阳附近光线的弯曲。
　　　　　　　　　　　　　虫洞
　　这些穴居的类型会挖掘临时的或永久的地道。沙虫生活在一种简单的U形地道里。
　　——《百科全书》“环节动物”
　　现在将镶嵌技术用于球形黑洞，由图40所示，惊人的事发生了：镶嵌面是由一个抛物面形（一条抛物线绕其对称轴旋转所产生的曲面）喉道连接着的两个截然不同而又相互对称的时空片。怎么解释这个意外的形状呢？与普通恒星的情形不同，这里只有黑洞外部的时空能被显示。喉道有一个最小半径，等于史瓦西半径r—ZM，因而视界，即黑洞的边界，缩减成一个圆环。
　　暂且忘掉镶嵌面的双重结构，只注意其上片（图41）。它延伸到无限远，曲率随着与喉道距离的增大而缓慢减小，就是说它是渐近平坦的。自由下落粒子和光线的轨迹是曲面上的“直”线，即测地线。越靠近引力讲，这些线就越是弯曲。有些测地线陷入阶中很深，以至于重新出来时会自我相交，而那些与喉道的中心环即视界相遇的，就不能再逃出来。
　　图42将上述测地线投影到与视界环平行的平面P上。所得结果极好地说明了等效原理，也解释了牛顿平直宇宙这种错觉的由来。在牛顿宇宙里，粒子轨道偏离直线是由于一种“力”的吸引；而按照广义相对论，粒子是在弯曲几何的背景上自由行进。
　　再回到图40的整个镶嵌面。史瓦西喉（也叫爱因斯坦一罗森桥）连接着上、下两片完全对称和渐近平坦的时空，姑且把它们看作“并存的宇宙”。从上片进入喉道的测地线似乎能够由下片离开。也就是说，史瓦西喉在上宇宙看来是吞噬物质的黑洞，对下宇宙来说却表现为驱逐物质的“反黑洞”。不需要有多大想象力，就可以给这种反黑洞起名为白洞，或者更准确地称为白泉（把形容词和名词都颠倒）。
　　镶嵌游戏还可以玩得更使人困窘。我们记得广义相对论只能确定时空流形的局域曲率，而不是其整体形状，尤其是，这个理论允许两个渐近平坦的时空片作为同一个宇宙的两个不同区域。从数学上讲，这两个片可以在距喉道很远处相交，并合并成一个面。图43中的操作给出史瓦西几何的一个瞬时赤道切片。
　　但仍有～个问题。真实宇宙中恒星、星系甚至黑洞之间的距离都很大，除了引力场源附近外，时空都是近乎局域平坦的。那么，两个时空片遥远接合处的U形弯曲似乎就不合理，但实际上并非如此。数学上可以等价地把时空连续体表示成图44中的展开形式。现在在同一个时空流形里有相隔任意距离的黑洞和白洞，连接二者的是一条伸展的喉道，被约翰·惠勒命名为“虫洞”。
　　史瓦西几何的双重性引发了关于太空旅行的过度畅想，难道真有可能进入黑洞，通过喉道，再从白洞中出来，从而到达宇宙中别的什么地方，或甚至到达另一个“并存宇宙”吗？
　　　　　　　　　　克鲁斯卡游戏
　　为回答这个有趣的问题，需要知道在史瓦西喉内部会发生什么。但是，镶嵌游戏只能让我们描绘出外部时空，尤其是，隐藏在黑洞中心的奇点不能由镶嵌显示出来。实际上这个奇点可以有双重作用：控制着自由下落的最后结局，或是成为白洞。要证明这一点，就得玩一种更好的游戏，比如克鲁斯卡（M·－Kruskal）在1960年发明的那种。
　　克鲁斯卡给出的是一幅非常完整的时空图，它能在一个平面上显示出史瓦西黑洞的中心区域。对它的解释虽不那么直截了当，但它是如此重要和便利，因此，值得花点功夫去研究。
　　把一个二维曲面投影在一个平面上，这就是制图。大多数曲面不可能被不失真地绘制出来，最熟知的例子就是地图，它把地球表面的全部或一部分表现在一个平面上。绘制地图有多种方法，最常用的一种是梅卡托（Mercator）投影法，就是将靠近赤道的区域精确地描绘，越靠近两极失真就越厉害。大家可能已经注意到，格陵兰是被放大了，它看上去几乎同澳大利亚一样大，而实际上比后者小三倍半。
　　克鲁斯卡图是通过“强迫”光锥保持刚性来把移去了两个空间维度的史瓦西时空几何投影到一个平面上。我们记得在没有引力的时空里，所有事件上的光锥都互相平行，其母线都倾斜45”；而在有引力场时，光锥会变形，并依曲率大小而以不同角度偏转。克鲁斯卡投影要求史瓦西时空的光锥像在平直时空中那样保持互相平行。这叫作保角投影，是几何学中的一个术语，意指角度保持不变。这样做的代价是图上的时间和空间出现大量的失真，但这并不影响对由光锥来揭示的时空几何的详细分析。
　　克鲁斯卡图（图45）的时空失真表现为，具有恒定表现时间的轨道是通过原点的直线，而与黑洞中心距离不变的轨道成了抛物线。视界则一身兼二任，既与中心有着恒定距离r—ZM，又有着无限长的表现时间人因而它在平面上被画成两条倾斜45“的等分线，也可以看作是双曲线缩并成的渐近线，而且，由光线所规定出来的视界本身也就是一个光锥，所以就也被分成两半：一个将来视界和一个过去视界。
　　在视界以内，引力奇点r—0也成为两条双曲线，一条在过去，一条在将来。图上越过这两条极限线的区域不具有任何意义。黑洞以外的宇宙由两个对称的部分组成，一个在图的右方，另一个在左方。
　　在克鲁斯卡图上物体是怎样运动的呢？光锥的作用正是能用以形象化地显示视界以内和以外的所有允许的运动。这些运动轨线必须都保持在光锥内部，也就是说，它们不可能与垂直方向偏离45“以上。
　　作为一个例子，考虑一只落入黑洞和中心奇点的飞船（曲线ABCDE）。飞船发出的电磁信号沿45“方向行进（图中虚线）。自身世界线为双曲线的远处观测者只能收到在AB和C 处发出的信号，随着飞船趋近黑洞，接收信号的红移增大，表现时间冻结现象很自然地出现。飞船穿越视界时红移变得无限大，光线沿着视界无限期地绕行，经过无限长时间后才能到达观测者处。飞船越过视界以后在E点发出的信号不可能逃出黑洞，而是注定要消失在将来奇点里。
　　克鲁斯卡图揭示了史瓦西时空最本质的结构，对白洞、虫洞和到“另一个宇宙”旅行等问题作出了明确的回答。视界与奇点之间的区域确实是一个洞，但是是什么颜色的呢？显然，黑洞这个名称必定与飞船落入的将来视界（上半部）相联系。另～方面，注意由洞内F点发射的粒子和电磁信号可以很容易地离开视界而进人外部宇宙，因此，过去视界的内部（下半部）就是一个白洞，物质从中飞出，与坍缩正相反。
　　还剩下关于对称的时空片，即右方和左方的外部宇宙的问题。只要再看一下克鲁斯卡图就能认识到，从外部宇宙的一片到另一片而又不通过奇点是绝不可能的。换句话说，史瓦西喉在中途被中心奇点的无限强引力场卡死了，没有任何东西能够通过。
　　　　　　　　　　原初白洞
　　可予驳斥也是理论的一种魅力，而且不是最小的一种。
　　　　　　　　　　　　——茨切（F·NietZSChe）《超越善恶》
　　任何一个曾羡慕过爱丽丝仙境奇遇的人现在开始觉得有点灰心了，史瓦西黑洞作出了对另一个宇宙的闪光预测，是那么诱人，然而探索的道路被奇点阻塞了。
　　让我们对此坦然接受吧。在生活中，每当我们希望的事没有发生时，我们总安慰自己说，那毕竟是不可能发生的。这种论证适用于白洞。这一节再来考察真实世界，考察实地，而不是地图。
　　真实世界是过于复杂了。物理学家为理解观察到的现象所能做的最好事情就是建立数学模型，而模型只是真实事物的理想化图像而已。再考虑一下克鲁斯卡图，这是探索黑洞内部时空的一个极其有效的工具，但是显然仍是理想化的：它假定引力源是集中在一个奇点上，奇点总是存在，周围是真空，并隐藏在视界后面。然而在真实宇宙里，黑洞是怎么形成的呢？很可能是通过引力坍缩，而这个过程与克鲁斯卡图所显示的对称状态是大不相同的。
　　再暂时回到图39中未坍缩恒星周围的镶嵌面，我们记得只有恒星外部时空由史瓦西几何区域表示出来了，其余部分，即恒星内部，是由一种很不同的几何来描述的，它取决于恒星物质的构造，并且不包含奇点。这就使人产生了疑虑，即如果一颗恒星在坍缩，那么只有它将来的事才有物理意义，即将来视界的形成和奇点在将来的形成，而坍缩过程本身怎么不考虑呢？
　　随着恒星的坍缩，其结构和外部时空时刻都在变化。为着描述演化着的几何，必须在镶嵌图中重新引入时间。图46就是这样做的，其中既有镶嵌面的演化序列，也有图27已给过的完整时空图。时空“弹性片”越来越严重地被坍缩着的恒星所变形，但当黑洞形成时，时空片并不形成一个通往另一宇宙的史瓦西喉，而是形成一个尖点，整个恒星消失于其中。
　　同以前一样，镶嵌技术对显示视界以内的时空无能为力，仍然需要克鲁斯卡图，图47就是显示球形恒星坍缩的克鲁斯卡图。过去视界、过去奇点和外部宇宙的对称片全都不复出现。留在那里的只是视界以外的史瓦西几何区、黑洞和将来奇点。
　　这样看来，球形黑洞时空的双重性只不过是一种数学珍闻，是由完整史瓦西解的理想化的对称性制造出来的。白洞、虫洞和并存宇宙都不可能由真实宇宙中球形恒星的引力坍缩来形成。
　　那么又为什么要花这么多篇幅来讨论这些呢？有两个缘故。首先，恒星实际上并不是严格球形的，后面将会看到，转动黑洞会造出无数的虫洞，物理学还没有什么高招来阻塞它们；其次，有的黑洞可能并不由恒星的引力坍绩而形成，而是作为“初始条件”的一部分，从宇宙创生时起就已存在。
　　一般说来，物理学家并不喜欢假定很特殊的初始条件。在这点上，他们与牛顿的一位同时代人阿奇比肖普·乌歇（ArchbishopUssher）不同，此公在1658年断言，宇宙是在公元前4004年10月23日早上9点钟，连同人类、动物、植物和化石一起被创造成现在这个样子的。现代物理学家宁愿想象宇宙是诞生于混饨之中，起始于任意条件，而物质结构只是在后来的演化中出现。这个论点所依据的是“简单性原理”，或称为“奥克姆剃刀”，得名于14世纪的一位英国神学家。他规定，如果有一组理论都能解释同一件事，则可取的总是最简单即需要最少假设的那一个。然而，尽管简单性原理具有美学的勉力，逻辑上却并不是必要的，而“预置”黑洞的假设现在还不能被排除，只有这种类型的黑洞才能伴随有相对称的白洞。
　　原初白洞是个什么样子呢？由白洞发出的辐射将受到两个相反效应的影响：一个是爱因斯坦红移（频率减小），因为辐射是从强引力场中发出；另一个是多普勒蓝移（频率增大），由于离开白洞的物质朝向观测者的膨胀运动而产生。有一种极其明亮和遥远的恒星状天体，被称为类星体，其本质现在仍是奥秘。在它们于60年代初期被发现时，有些天体物理学家猜想，那或许是白洞，形成于宇宙早期，即我们宇宙得以诞生的那场150亿年前的“大爆炸”之后不久。
　　除了很特殊的初始条件这一点遭受非议外，这个模型还有一个致命的缺陷：从白洞喷射出来的物质会与周围物质碰撞，被减速到如此地步，以至于会往回坍缩，形成黑洞。在第四篇中将会看到，目前流行的类星体模型也很诱人，它也要有洞，但却是黑的，而且是巨大的。
　　　　　　　　　　　彭罗斯游戏
　　一个四岁孩子能懂得这个报告，去给我找个四岁孩子来，我可是一点都摸不着头脑。
　　　　　　　　　　　　　　　——罗乔·马克斯（GrouchO Marx）
　　我们对黑洞的探索还远未完结，真实的黑洞是转动的，其内部结构比静止的史瓦西黑洞复杂得多。要对此有所理解，就必须使用最后一种、也是最精致的一种图，它由英国牛津大学的数学家罗杰·彭罗斯（orger Penrose）发明，并已被布兰登·卡特应用于对黑洞的完整描述。
　　这个游戏有两条规则：第一，它像克鲁斯卡图一样是保角的，就是说光锥像零曲率时那样保持平直；第二，它把无限性引入有限的距离中。彭罗斯图因而能在一张纸上表现出一个黑洞和整个宇宙，把无限空间和无限时间都包括在内。
　　不妨从明可夫斯基平直时空开始，这种情况的彭罗斯图是图础的“钻石”。这并不奇怪，因为除了运动方向与垂向的夹角不超过45”这一要求外，没有什么别的因素来影响物质和辐射的轨道。狭义相对论的宇宙，没有引力，只是一片均匀的平坦的沙漠。
　　现在来看静态史瓦西黑洞的彭罗斯图（图49），它与克鲁斯卡图几乎没有什么不同，只是现在时空有着以图上的有限长度来表示的边界。它清楚地显示，史瓦西奇点一一一一一一为过去奇点和将来奇点一一一一Th时空边界，就像曾由无限来表示的边界一样。这个奇点是水平直线，没有任何进入黑洞的世界线能避开它。它是类空的（即与空间轴平行），标志着所有黑洞探索者的严格意义上的时间终点（对宇航员来说，过去奇点并不意味着任何危险，因49静止黑洞的彭罗斯图。史瓦西黑洞时空全部被包容在一个六边形里，角顶由数字1至6标记。外部时空的双重结构清楚可见（左、右两个以视界和零无限线为边界的正方形）。上、下两个由视界和奇点围成的三角形分别是黑洞和白洞的内部宇宙。从一个初始位置0出发的几条可能运动路线已画出。以恒定加速度远离黑洞的宇航员沿A线行进，其速度趋于光速。与黑洞保持恒定距离的宇航员的世界线是B线，必定终止于用项l。C线则是探索黑洞内部的宇航员的世界线，一旦他越过视界，时空结构就有了根本改变。在黑洞外，与黑洞距离恒定的世界线必须是从项角3到顶角1（或者在对称片中是从顶角4到6）；但在黑洞内，恒定位置线连接1和动或者3和心这些线越过光健，因而是被禁止的。在黑洞内保持在一个固定位置上是不可能的，就像在外部宇宙不可能保持在一个固定时间上～样。最后，虚线D 是经过史瓦西喉从外部宇宙的一片到另一片的路径，避开了中心奇点，但这是不可能做到的，因为需要超光速运动．史瓦西喉仍被奇点阻塞。因为要碰上它就必须使时间倒流）。
　　除了奇点的性质外，还能由彭罗斯图很容易地看到黑洞内部时空的基本特征，这当然已经是熟知的了：视界以外和以内区域都有的双片结构，黑洞内时间和空间方向的互换并使得保持在一个固定位置上成为不可能，以及通过史瓦西喉由一个外部时空进入另一个的不可能性。
　　　　　　　　　　狭长的通道
　　彭罗斯图真正显示威力是在它运用于转动黑洞所造就的克尔时空时，所得到的图比静止黑洞的要复杂得多（图50）。它由向过去和将来都无限重复的方块组成。黑洞有无数个外部宇宙和无数个内部宇宙！
　　外部宇宙以零无限和视界为边界。每个内宇宙都有一个奇点并被分成几个区域。转动黑洞有一个包围着中心奇点的内视界。每越过一个视界，时间和空间就互换方向，在从外部宇宙到奇点的途中会出现两次换向，于是，在内视界以内时间和空间的方向与黑洞外面正好一样。
　　这就是为什么奇点是垂直线而非水平线的缘故。事实上它甚至已不再是时空边界，在奇点的另一侧还有一个区域。只要记得现在的奇点已不再是静止黑洞里那个r—0处的中心点，而是一个躺在赤道面上的圆环，那么它另一侧的区域是容易理解的（见图对）。这个环并不规定时空几何的边界，宇航员可以穿过它。转动黑洞的奇异环因而不具有静止黑洞奇点的那种不宽容性。它并不是类空的而是类时的奇性（即与时间轴平行），因此对黑洞探索者来说它并不表示时间的终结（除非他们笨到完全贴着赤道面航行）。除非是由于潮汐力的危险，否则探索者可以来到与奇异环间不容发之处，只要不碰上它就行，他甚至能亲眼看看究竟光信号能否从环上发出来。
　　至于奇点的另一侧，那是一个空间上无限的时空区域，其中的距离是“负”的。这种表面上的荒谬被解释为引力吸引性的反转，引力变成斥力，迫使物质由奇点无限地远离。
　　转动黑洞的丰富结构为许多种极诱人的探索提供了可能性。图50中的路线A显示了探索奇点另一侧的反引力宇宙的可能性。路线B和C表明，穿透黑洞内部、飞越苛点，并出现于别的外部宇宙，这在理论上是可能的，当然以很大的黑洞为宜，因为只有这样飞船才不至于被潮汐力摧毁。但是，路线D是不允许的，因为它越出了光锥，所以，即使是在这个图上，仍然有一部分时空是被严格禁止去探索的。
　　　　　　　　　　　时间机器
　　只凭常识，无论如何尝试，急难免不时感到惊讶。科学的目的正是要从这种惊讶中拯救常识。
　　　　　　　　　　——日特兰·罗素（Bertraod RUS8em
　　彭罗斯图的确使我们内心感到疑虑重红一个宇宙可以分成许多片，因而就有许多个外部宇宙，这真是令人费解，尽管按照广义相对论是完全可以接受的。转动黑洞把无数个虫洞接在时空见何的不同部分上。由于两个事件既可以在时间上也可以在空间上相区分，因而至少原则上就可能做到，在一个给定时刻从～个给定位置通过一个仔细选择的虫洞而到达同一个位置，但却是在过去或将来的一个不同时刻。也就是说，黑洞可以作为一种跨越时间的机器。
　　科学史已经多次证明，今天看来是荒谬的东西，明天可能成为普遍接受的事实。然而，时间倒退的旅行简直是对常识的侮辱，怎能想象一个人可以倒退到从前，把自己的祖父在还没有孩子时就给杀掉呢？假若是这样，这个凶手自己就不会被生出来，那当然就谈不上去杀祖父，那么祖父就又可以有后代，而他的后代又可以去杀他，如此等等。这个时间怪论是由一位法国作家雷纳·巴雅瓦（Rene Barjavel）在题为《轻率的旅行》的小说里讲述的。
　　返回过去的旅行违反了要求原因总是在效果之前的因果律（见“光使时空联姻”一节），但是，因果律是一条由逻辑，而不是由相对论制定的规则，它在狭义相对论里无可置疑，而那里没有引力。现在，以超光速运动退回过去也同样绝对不允许。但是在广义相对论里，宇宙被引力所弯曲，时空几何被变形＜例如，由于～个转动黑洞），因而使得不必作超光速运动就能去探索过去。
　　如果回到过去是可能的，常识不就全崩溃了吗？并非如此。如果我们把因果律代之以目洽律，即规定一个物理系统的演化必须自相一致，那么回到过去也是允许的。巴雅瓦所描述的情况（人杀死祖先）显然是不自洽的。但是喜爱难题的理论家们竟然想出了那么复杂的反因果情景，使得常识大力困惑。
　　为解脱困境，我们能否论证由黑洞导致的潜在性反因果扭曲只是一种数学假象，当一颗转动恒星坍编成黑洞时实际并不发生呢？在球对称情况可以一步步地跟踪收缩恒星外部和内部几何的演化，并由一张克鲁斯卡图或一组镶嵌图看到白洞和反宇宙这些令人为难的现象被自然地排除。不幸的是，在非球对称情况我们并不知道怎样严格地描绘转动恒星的外部或内部时空见何。几何会不断地被引力波扰动，只有当黑洞已经形成时克尔几何才得以建立。最近的计算已经证明，任何进入转动黑洞的物质或辐射，其能量会被引力场大为增强，以至于其目引力将改变时空并阻塞虫洞。理论家们已经向自己提问，在什么条件下～个宏观的虫洞（例如与～个巨黑洞相联系的，于是潮汐力就不会太强）能够不受物质进入（例如一艘飞船）的影响而保持开放？我记得，在1976年即我开始研究广义相对论的那一年，一个很严肃的基金会（培根基金会）曾悬赏300英镑来征求下述问题的解：“按照目前的理论，转动黑洞是通往其他时空区域的真实人口，那么一个飞行器怎样才能通过一个转动黑洞进入另一个时空区域，而不被奇点的引力场摧毁？”作为这个领域的一名新手，我显然没有能力去赢得这笔奖金，甚至不能去尝试。我不知道是否有任何人得了这个奖，但可以肯定的是这个问题直到1985年还没有解决，不过换成了一种更奇异的表述方式：看来只有那些由能产生巨大“负压力”的物质交织成的虫洞才是稳定的。负压力是一种张力，就像被拉伸的弹簧中的力。在通常物质中张力总是远小于能量（例如，钢的断裂张力比它每单位体积内包含的能量小1 亿倍），而在赖以使虫洞稳定的物质中，这个比率要颠倒过来。所有这些显然是高度思辨性的，没有人对这种“负”物质能否在自然界存在有丝毫的主意。为着有效地利用这些时空捷径，我们也许不得不这样来建造“负”虫洞，就是让一个微型负虫洞增长。就算这个异想天开的主意能行，我们仍然不知道一只用正常物质制造的飞船能否安全地通过这个负能量区域。这种似理论又似艺术的含糊可能性使一位著名的美国天文学家兼作家卡尔·萨甘（CarlSagan）得以构思出他的小说《接触人其中与地外文明的联系正是借助于虫洞。尽管那故事很有刺激性，却纯粹是虚构，恐怕也永远只是虚构。
　　　　　　　　　　　　引力奇点
　　对因果律的可能违反并不真正危及黑洞理论，但却提出了奇点的本质和时空“精细”结构的问题，这里我们到达了当代物理学的前沿。
　　首先可以提问，那无限地毁灭物质和时空几何的奇点的出现，会不会只是过于幼稚地应用广义相对论于引力坍缩问题的结果。奇点还在更广阔的背景中出现于宇宙学，这是天体物理的一个从整体上来研究宇宙演化的分支。按照大爆炸理论，宇宙在大约150亿年前诞生于一个奇点。这个理论受到宇宙膨胀和宇宙微波辐射等观测事实的有力支持，后者是宇宙爆炸的冷却残余。但在宇宙学里也和别处一样，用以描述宇宙的过去和现在状态的模型是高度理想化的，因而似乎就有理由怀疑宇宙奇点会不会也只是数学简化所带来的一个不必要的附产品。
　　但研究表明并非如此。两位英国学者，剑桥大学的史蒂芬·霍金（StCPhenHawking）和发明保角图的罗杰·彭罗斯，在60年代证明，奇点是广义相对论的一个必不可少的组成部分。一个真实恒星的引力坍缩是否一定导致视界和黑洞的形成，对此尚不明确；但是坍缩的结局是不可避免地成为奇点，却是确定无疑。霍金和彭罗斯还确认，如果反推到宇宙的过去，所有能确实与现在的观测结果符合的宇宙模型都必须由奇点开始。如果宇宙包含有足够的物质，它甚至还会再终结于一个奇点，因为膨胀状态终将会被一个对称的收缩态取代。那时将是全宇宙在坍缩。
　　这些非常重要的定理推广了牛顿引力理论已经知道的结果：一团由尘埃粒子组成的云会由于粒子的相互吸引而收缩成无限大密度的奇点。于是，奇点已成为引力的吸弓胜和“自加速”性的不可避免的结果。我们怎样去勇敢地对付它呢？
　　　　　　　　　　　　　宇宙监督
　　自然界喜欢隐藏自己。
　　　　　　　　　——拉克里特（Heracli山s）（公元前500年）
　　恒星引力坍缩成奇点以两种方式之一进行，取决于黑洞形成与否。如果黑洞形成，则视界将掩盖其内部的一切，包括物质被最后塞入奇点。这种情况发生于球对称坍缩，对于生活在外部宇宙的物理学家来说，奇点是否形成也无关紧要。由于黑洞内部不可能与外部联络，在奇点附近自然定律和常识可能都被推翻，但外界的物理学家对此一无所知。
　　第二种可能性是，奇点形成，没有黑洞来掩盖。比如说，设想一个快速转动的大质量恒星在坍缩时保留的角动量超过了临界值，由于离心力，稳定的黑洞视界不可能形成，奇点成为裸露，粒子或电磁信号可以从它那里逃出，并在远处被观测到。由于奇点所具有的无限性，它对时空见何的影响完全不可预测。没有视界的保护，物理学家就得失业，因为今天做的所有计算和预言，明天就会由于探奇点的捣乱而变得一无是处。
　　显然，宇宙中从来没有观测到探奇点，但这并不能证明它们不存在。为了脱离这个困境，罗杰·彭罗斯提出了一个假设：自然界禁止探奇点存在。按照这个假设，引力坍缩总是使奇点被包在视界里面，这就是所谓宇宙监督。
　　宇宙监督的思想很能使人消除忧虑，但是从来没有在广义相对论里被严格证明。对于与球对称相差不大的情况，这个假设是成立的，但对更极端的情况问题仍然悬而未决。更令人困惑不解的是，被认为是我们宇宙在150亿年前以之诞生的宇宙奇点，并没有隐藏在一个视界之后。
　　　　　　　　　　　　　量子引力
　　假如上帝在创造世界之前问问我，我会建议他搞得简单些。
　　　　　　　　　　　　　　　　——阿尔玛索十世（AIPhonse）（13世纪）
　　即使宇宙监督假设能被严格证明，它仍然不能解决引力“反常”的问题。奇异环，虽然隐藏在转动黑洞里，却允许物体穿过虫洞，因而意味着因果律被破坏。
　　所以，真正的问题并不是要知道探奇点是否有所冒犯，而是它们在真实世界中究竟是否存在。为作出回答，必须追溯到问题的根源——广义相对论。一个给出含有无限大物理量的结构的理论怎么能够是正确的呢？
　　科学常常产生出有奇异性的理论，而随着理论的改进，奇异性又得以被消除。一个很好的例子是原子的早期模型，它把原子看作一个由电力控制的微型太阳系。按照本世纪初由恩斯特·卢瑟福（Emest Rutherford）建立的理论，围绕原子核运转的电子必然会很快地损失能量并掉到核上，但是我们的经验表明原子是稳定的，卢瑟福原子的反常行为只能说明理论是不完善的。量子物理的发展解决了这个难题，在这个新理论里电子的能级是量子化的，于是模型原子被稳定，奇异性被除去。
　　与广义相对论作一下类比是很有启发性的。霍金和彭罗斯所证明的引力奇异性的发生，可能表明理论被运用到了其适用范围之外，鼻子物理能对此也作出补救吗？
　　答案的第一部分显由对霍金和彭罗斯理论的更严格的检查所得到的。他们的结论依赖于一个看来是合理的假设，即物质具有正能量。这个条件对所有已知的物质形式显然是成立的，包括中子星这样的虽然不能在实验室仿制，但却可以由我们对核物质的知识来外推的极端形式。但是，即使所有的“经典”物质都有正能量，量子物质却未必如此。最近的计算已经显示，基本粒子物理的某些现象违反了正能条件（例如按照量子力学所可能发生的真空中粒子的自发生成，见第14章）。
　　这正是问题的关键。虽然广义相对论是迄今最好的引力理论，它显然仍是不完善的，因为它没有考虑支配微观世界演化的量子力学原理，而奇点现象恰恰涉及很小尺度的时空结构。一个经典理论运用于量子领域而出现恼人的奇异性，也就不足为怪了。
　　但是量子力学与广义相对论之间的关系似乎又很疏远。前者支配着基本粒子的领域，粒子在核力作用下在很小的范围内运动，其主要特点是对现象作出“模糊”的描述，即只能计算事件发生的几率。电磁力则支配着包括人类自身在内的过渡区域。在有些现象里（激光、晶体管等等）量子力学起着决定性的作用，而在别的现象里（无线电波的传播等等）其作用可以忽略。最后，在天文尺度上，量子效应完全不见，而由广义相对论描述的“经典”引力接管了一切。
　　但是，用谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年诺贝尔物理学奖获得者）的话来说，很有可能“蛇在吃自己的尾”。有的物理学家相信，在小于10ry3厘米的尺度，引力是起支配作用的力。这个极小的长度是一个世纪前由马克斯·普朗克在另一个意义上引入的，它由把自然界的基本常数（引力常数、光速和普朗克常数）作出机智的组合而得到，而与基本粒子的性质无关。它表示这样一个最小尺度，在它之上的时空见何可以被看作是平滑的，在它之下时空组织本身不再是连续的，而是像能量和物质一样，也由小颗粒组成。按照约翰·惠勒的说法，“广义相对论与量子力学之间的热烈婚礼”将在这里完成，而产儿显然将被取名为量子引力。
　　注意这里用的是将来时，因为量子引力与其说是一个理论，不如说还只是一个想法。爱因斯坦在他一生的后40年中试图统一广义相对论和量子力学，却劳而无功。今天，数以百计的理论家仍在致力于这项艰难的工作，除了令人沮丧的数学困难之外，更糟的是没有任何具体实验资料。无论是在距离上还是在能量上，这个研究领域都与实验室相去太远。现在可能做到的是，使用大型的粒子加速器来探测与质子这样的基本粒子半径相当的距离，即10’3厘米量级（用粒子加速器能得到的最高能量使我们能探测到10－‘6厘米尺度的物质性质），但是这与量子时空之间仍然如隔天堑：质子半径与普朗克长度之比，大约等于银河系半径与人的身高之比。
　　对当代物理学来说幸运的是，不管条件如何不利，新思想却层出不穷。约翰·惠勒提出，由于量子涨落的搅动，微观时空几何是湍动的和不断改变的。这可以用海面来作比拟（图利）。从飞机上看去，海面显得很平整；降低高度再看，海面仍是连续的，但是有起伏；再靠近去，它就变得汹涌翻腾，甚至成了不连续的，因为当波浪碎开时，可以看到抛散在空中的水滴。同样的道理，虽然时空结构在我们所处的高度看去是连续的，但在普朗克长度的尺度上它的“泡沫”就会显而易见，并且能够产生出“水滴”，也就是那些基本粒子。
　　阐发这个思想的最新尝试是求助于所谓“超空间”，其中的维数多于四（“超空间”的维度甚至可以不是整数，而是“分数型”的）。在日常生活中只有三个空间维度和一个时间维度是可觉察的，但是真实的宇宙可能还有以普朗克长度为特征长度的附加维度来完善自己。可以用一根长的软管子来作个简单比方。它有两个维度，一个是沿其长度方向，只是稍有弯曲；另一个是在其横截的圆周方向，尺度小得多，而弯曲程度却大得多。从远处看去，这根管子就会显得像一条线，只有一个维度，并且没有弯曲。
　　这些设想是很有趣的，但是还没有任何恰当的方案形成。由于没有任何实验检验，物理学家只能依据理论需求行事，需求之一正是消除引力奇点。奇点将被代之以时空几何的鼻子涨落，这种涨落将不导致无限大的物理量，但将具有阻塞转动黑洞的虫洞的效能。这就是维护因果律的代价。
　　可以肯定的是，黑洞对量子引力的发展起着关键作用。最近已有研究者提出一个模型，说是微观虫洞（其尺度是原子核的10“‘倍）能通过对量子时空力学的贡献来帮助确定自然界所有基本常数的值。两个世纪前在一片冷漠中诞生，现在才长成的黑洞，其生涯刚刚开始。后两章将更详细地说明，黑洞如何揭示出两个看似完全分离的物理领域之间的深刻联系。
　　　　　　　　　　第十三章　黑洞机器
　　　　　　　　　　　热力学
　　物理学家总是试图理解为什么宇宙是有序的而不是混乱的。从遥远的星系到生物的细胞，宇宙已经形成了所有尺度上的复杂结构。这些有组织的系统是如此复杂多样，像人体和恒星这样的两种系统又是如此不同，以至于任何认识支配系统结构的普遍原理的企图似乎都太不自量力。然而，这种企图却由热力学来部分地实现了。
　　这门学科开始于19世纪。其初始目的很平凡，工程师和工业公司想要控制热交换和机械能量，以提高蒸气机的效率。从这个小小的开端却发展出了能运用于绝大多数物理系统演化的深刻而普遍的观念（热力学对生命世界的严格应用会出现困难）。
　　热力学的优越性在于，它建立了不依赖于系统结构细节的普遍定律。例如，它能使我们认识物质的热性质而不必知道其原子结构。热力学可以概括为四条定律，由于历史的原因而从零到三编号。
　　第零定律是说一个热平衡系统的所有部分都有着同一的温度。第一定律指出热是能量的一种形式，并描述在一个演化系统中不同形式的能量如何交换。如果两个具有不同温度的系统（例如一升热水和一升冷水）相接触，两个系统之间将发生热交换，直到有一个共同的平衡温度为止。这个平衡温度当然是介于两个初始温度之间，一升热水和一升冷水就变成两升温水。第三定律断定绝对零度（－273．15t）不可达到。一个系统的温度可以通过适当的转换来降低，但是不可能通过有限次数的转换来使它完全冷却（目前在实验室里可以用冷却激光来把氦3的温度降至开氏10“度）。第二定律是热力学的核心，因为它的应用范围最广，简单地说，它是指系统在演化进程中会变得越来越无序：山峰被侵蚀，房屋倒塌，汽车破损，恒星爆发，人变老和死亡。当然，较有序的结构随时都在形成：婴儿出生，晶体生长，城市建设，如此等等。但是，一个系统中某一部分里秩序的产生必然以整个系统无序程度的增长为代价。物理学家已经发明了一个量度无序程度的量，它被称作摘。热力学第二定律的精确表述就是，一个孤立系统的摘只能随时间而增大。
　　摘是有真实意义的，它量度着无序，且看这是什么道理。数学上，摘表示一个系统在不改变其外部状态时所能采取的内部构型的总数。例如，气体的外部状态由其温度和压强确定，气体分子有许许多多种可能的无规运动，全都对应着同样的温度和压强。正是这个运动种类的巨大数目决定着气体的媳。同样道理，一块方糖的“宏观”状态是由化学成分、温度和体积等几个参量决定的，但是每一个宏观态都对应着巨大数目的隐蔽的微观态，这些微观态特别地依赖于分子结构和内部振动。一个系统的摘量度隐蔽的内部构型的总数，因而也量度我们对系统细节的无知。一个系统越是有组织，它的摘就越低，反之亦然。摘是无序的量度。
　　摘这个概念可以通过与信息的概念联系起来而变得更有普遍性。显然，一个系统的微观构型含有关于该系统的隐蔽信息，隐蔽的信息越多，摘就越大，而同时可得到的信息量就越是减小。一个很有序的系统有大量可得到的信息，因而有很低的摘。通过把字母组织成这本书，我已经传递了大量信息给我的读者——论如何，这正是我的目的。但是假如我突然决定杂乱无章地罗列字母，本书包含的信息将几乎为零，也许能留下一点，就是有个作者。这就是说，嫡量度一个系统的信息的缺乏。
　　　　　　　　　　　　黑洞动力学
　　黑洞决非一种只是永久地隐藏物质而毫无生气的物体。由于它的电荷，更重要的是由于它的角动量，黑洞是一个动力学系统，能够受力和施力，能够吸收和提供能量，也就是说它是随时间变化的。因此，研究支配黑洞演化的定律并与热力学定律作比较，是有重要意义的。
　　热力学里一个系统的状态一般可以由两个基本参量来表征：温度和摘。热力学定律表述的正是其他宏观参量，如能量、体积或压强等，在系统的转换中如何作为温度和摘的函数而变化。同样，一个黑洞的动力学状态也由两个参量来表征，一个是黑洞的面积，即对视界面的量度；一个是表面引力，即对视界上引力加速度的量度。
　　由于黑洞的平衡态只依赖于质量、角动量和电荷这三个参量，黑洞的面积和表面引力也就可以表示为这三个参量的函数。对于只由质量来表征的史瓦西静止黑洞，计算是很简单的。视界是一个半径正比于黑洞质量的球面（r—ZM），其面积因而就与质量的平方成正比，一个10MW量的球形黑洞面积为5650平方公里，与一个县的大小相当。类似地，表面引力与质量成反比，一个10Mpe形黑洞的表面引力为地球的1500亿倍。
　　黑洞动力学也可以概括为四条定律，与通常的热力学定律极为相似。
　　第零定律指出，平衡态黑洞视界上的所有点都有同样的表面引力。如果想到两极会由于离心力而变得扁平，这是出乎意料的。对于通常的转动天体如地球，两极上的引力比赤道面上要强。与此不同，无论视界是怎样扁平，黑洞的表面引力总是处处一样。
　　第一定律说的是在黑洞的演化过程中（例如，由于对一团尘埃云或一个小行星的捕获），其质量、转动速度和角动量如何作为表面积和表面引力的函数而变化。
　　第三定律是指，经过有限次数的转换而把黑洞的表面引力缩减为零是不可能的。极端克尔黑洞是表面引力为零的黑洞的例子，其角动量已达极限值。按照这个定律，极端黑洞是自然界里不可达到的极限。对一个缓慢转动的黑洞，可以由输入来自适当轨道上的物质以增加其角动量，但不可能达到极端状态。
　　最后，黑洞动力学第二定律断定，黑洞的表面积决不会随时间减小。一个孤立黑洞可以保持恒定的表面积，但实际黑洞的表面积会随着对物质和辐射的捕获而增大。同样道理，两个黑洞碰撞会并成一个黑洞，这个新黑洞的面积大于原来那两个黑洞面积之和（图52）。
　　由史蒂芬·霍金发现的这条基本定律，揭示了黑洞面积与热力学系统的摘之间的密切联系。我们能否把这种相似性再向前推进一步，认为黑洞确实也具有烦呢？
　　以色列物理学家雅可市·伯肯斯坦（Jaco Bekens比in）的回答是肯定的。黑洞是一座禁止一切物质和辐射，也就是禁止一切信息逃逸的宇宙监狱；另一方面，当一个物体消失在黑洞中时，对外部观测者来说所有关于它内部性质的知识也都丧失了，留下的只是黑洞新的质量、角动量和电荷值。这就是说，黑洞吞噬一切信息，那么它就必定有一个媳。如同热力学中一样，这个摘的星度对应着同一个给定状态的所有可能内部构型的总数。对这个媳值的计算结果确实与黑洞的表面积成正比。
　　IMW量黑洞的摘比太阳的摘大10亿倍。这个差别可以解释为，黑洞在其形成过程中“刮去了毛发”，即吞掉了物质除质量、电荷和角动量以外的所有信息。正因为如此，黑洞是宇宙中最大的摘库。
　　　　　　　　　　　　黑洞作为能源
　　按照黑洞动力学第一定律，虽然黑洞禁止任何物质或辐射逃逸，它却能将能量给予外界媒质。事实上，黑洞的总质能可以分成三个部分：与角动量相联系的转动能量，与电荷相联系的电能量，以及静质量能量。希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗（Demetrios Christodolou）inHB，前两种形式的能量可LjA黑洞中提取出来，而第三种是不可约的即不可减少的。这个不可约能量直接对应着黑洞面积，而按照第二定律黑洞在演化进程中面积不可减小（嫡最多能在可逆变化中保持恒定）。
　　球形和中性的史瓦西黑洞能量最低。它始终是一个引力协，每次吞噬粒子和辐射都增大自己的质量。相反地，一个接近极端状态的黑洞饱含着能量。而且并不吝啬，它的至少占总能量三分之一的转动能是可被提取的。
　　原则上可被提取的能量总额大得令人难以置信，相比之下超新星爆发实在是小巫见大巫。但是，黑洞转动能的提取并不像恒星爆发那样具有激变性，要真做到可得大为费神。能层，即静止极限与视界之间的区域，在这里起着决定性作用，罗杰·彭罗斯建议了下面的提取机制。
　　远处的实验者朝能层方向抛射出一个物体。抛射体进入能层后分裂成两片，一片被黑洞捕获，另一片飞出能层并被实验者收回（图53）。彭罗斯证明，实验者可以调节抛射体的方向，使得返回的碎片具有比原抛射体更大的能量。具体地说，就是要使被黑洞捕获的碎片是在反转轨道上（即与黑洞转动方向相反）运转，于是它落入黑洞时就会使后者的角动量稍稍减小，净效果就是黑洞失掉一些转动能，而这份能量由逃出的碎片带走。
　　这个理想实验为科学幻想小说作家又打开了一片新天地。图54见于查尔斯·米斯勒（Charles MisnerL吉波·索恩（KIPThorne）和约翰·惠勒合著的《引力》一书（旧金山弗里曼公司1973年出版），该书堪称广义相对论的“圣经”。其意图是利用转动黑洞的能层来解决未来世界的能源问题。具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的刚性骨架，当然得离黑洞足够远，以避免过大的潮汐力作用。然后在这个骨架上建设一座工业城市，每天有数百万吨垃圾被收集起来，装上小车，倾入黑洞。小车一辆接一辆沿螺旋线落向黑洞，每辆车在进入能层并到达“抛射点”时，一个自动装置打开，把垃圾倒进仔细设计好的反转轨道。黑洞由于捕获垃圾而稍稍减小了转动速度，与此同时，空车以增大的能量离开能层，最后被一个巨大的转手回收，释放出大量的转动能。这个转子是接在发电机上的，于是就可以为城市提供电力。由每辆小车的回收所净得的能量等于抛出垃圾的质量能量再加上黑洞本身质量能量的一部分。所以，由这样一个聪明的方案，城市居民不仅把他们的垃圾的全部质量转变成了电能，而且还提取了黑洞的一部分能量。多么光辉的生态学成就啊！
　　　　　　　　　　　黑洞发电机
　　彭罗斯机制不只是一种趣谈。黑洞转动能量的提取，有可能已经在自然的天体物理条件下，即通过一个适当分布的外部磁场而实际发生。
　　法国天体物理学家梯包·达摩（Thibaut Damour）描绘了黑洞表面与一个运动的带电肥皂泡之间的相似性。尤其是，黑洞是一个有一定电阻的电导体，因此，当一个转动黑洞被置于磁场中时，就会发生发电机效应。转子（黑洞）和定于（外部磁场）之间的感应现象会造成从能层中流过的回路电流，从而减慢黑洞的转动，即提取其能量。这种电流类似于一些重型机械的制动装置里使用的“付科（Foucault）电流”。
　　有利于由发电机效应来提取黑洞能量的条件可能存在于一些含有巨型黑洞的星系中心。
　　　　　　　　　　　黑洞激光
　　另一种提取黑洞转动能的方式是由俄罗斯物理学家雅可夫·泽尔多维奇（YacovZeldovich）于1971年提出的。这种机制被称为超辐射，这是由于它与粒子的受激发射这一熟知的量子力学现象之间的相似性。
　　原子里电子所占有的轨道的能量是量子化的，就是说只能是一个基本单位的整数倍。较低的轨道具有较低的能量，“正常”原子里的电子总是趋向于占有较低的轨道，这就是为什么处在高能级的电子会自发地通过发射一个光子而跳跃到低能级。光子是与电磁波相联系的粒子，发射光子的频率与两个能级之差相对应。这就是所谓自发发射。
　　反过来，如果一个原子被适当频率的电磁波“照射”，波就会使电子从低能级跃迁到高能级，波也就被原子所部分地吸收，并以较低的能量再传播。现在设想一个有适当准备的原子，其中的大多数电子已占有高能级，这时的原子被称为处于激发态。这种情况下人射电磁波只能导致从高能级到低能级的转移，这就是所谓受激发射，在这个过程中波因获得能量而被加强。这个由爱因斯坦于1916年发现的机制，就是激光作用的原理。激光是以物质和辐射的量子性质为依据所取得的最美妙的技术进展之一。
　　一个与此类似的过程可以利用转动的或带电的黑洞（克尔一纽曼黑洞）来实现。这种黑洞可以看作是静止和中性的史瓦西黑洞的“激发态”。第10章已经讲过，一个被照射的黑洞是如何能够吸收并部分地反射外来的光线，而当辐射的不连续性被考虑进来时，新的效应出现，并揭示出引力与量子物理之间的联系。如果有一个适当频率和位相的电磁波或引力波射向一个克尔一纽曼黑洞，反射波就会被加强。也就是说，黑洞把能量给予被散射的波。这个超辐射现象原则上也能使我们提取黑洞的转动能或电官自。
　　不妨再对一个克尔一纽曼黑洞与一个激发态原子之间的相似性作进一步探究。黑洞既然允许受激发射，它也就应当允许粒子的自发发射。由于粒子被（经典地）禁止离开视界，粒子的自发产生就必定发生在黑洞之外。
　　这种直觉已由对黑洞（用广义相对论描述）与物质或辐射（用量子力学描述）之间相互作用的详细计算所证实。黑洞的“退激发”可以表现为通过发射带电粒子而趋向电中性，也可以表现为通过发射自旋与黑洞角动量同向的粒子而减慢转动。原则上，所有类型的粒子（光子、中子、电子、质子等等）都能被产生出来，不过质量越大的粒子被产生的机会就越小。
　　由上所述，黑洞热力学的发展已把我们带到了“经典”世界与“量子”世界的结合处。我们已经看到，黑洞不再是乍看之下的那种无生气的引力饼，而是有着更多的性质。量子黑洞概念于1974年出现，它证实了黑洞的黑颜色，但却除掉了黑洞作为一个洞这一最后的经典性质。
　　　　　　　　　　　第十四章　量子黑洞
　　总有好奇成为罪过的时刻，魔鬼就站在科学家身旁。
　　　　　　　　　　　　——阿纳托·弗兰斯（Ara加ie France）
　　　　　　　　　　　　黑洞会缩小
　　史蒂芬·霍金于1971年提出有微型黑洞存在。他认为，在宇宙的初始时刻，远在恒星和星系形成之前，“宇宙浴盆”的压力和能量是如此之大，足以迫使一些物质小团块收缩成为不同尺度和质量的黑洞（见第15章）。特别是，可以由此形成微型黑洞，其质量相当于一座山，而尺度如同一个基本粒子。这些黑洞与现在宇宙中形成的黑洞不同，后者要求大量物质的引力坍缩。
　　霍金接着考虑这些小黑洞与周围介质的相互作用。这里所涉及的尺度是微观的，物质和能量就必须由量子力学来描述。前面已经说过，现在还没有一个令人满意的量子引力理论，不过，引力场，包括时空本身，直到普朗克长度才真正表现出不连续性，而这个长度比基本粒子或微型黑洞的半径要小得多。因此，微型黑洞与周围物质和能量的相互作用就可以按一个折衷方案来计算：时空连续体仍保持为“经典的”，并且可以由广义相对论来描述，只是其中容纳的物质和辐射才是量子化的。
　　霍金在1974年按这个方案行事，得到的结果完全出乎意料，以至于他以为自己算错了。他又检查了好几遍，终于被迫接受这样的结论：微型黑洞必定会蒸发，即向外发射粒子。
　　初看起来这是令人困窘的，这种行为是与黑洞禁止任何物质逃离视界这一“经典”概念公然对抗的。当然，一个“激发态”黑洞可以由缓慢地减少其角动量或电荷而失去一部分能量，但是粒子的发射仍然在视界之外。一个“退激发”的史瓦西黑洞必须保持其与面积和摘相联系的不可约质量能量，按照经典热力学第二定律面积和摘只能随时间增长，而现在霍金的计算表明，微型黑洞，不论是激发与否，都必须允许粒子逃离，即蒸发掉自己的质量和能量。怎么解决这个矛盾呢？
　　事后来认识一个重大的理论发现常常是容易的，因为它一下子使尚未理解的现象之间的关系得到了解释。在这个意义上，黑洞的量子蒸发来得正是时候，它证明黑洞的热力学图像是完全正确的，而这个图像的“经典”式描述，严格说来是不自治的，且看道理何在。
　　按照热力学定律，所有具有一定温度并沉浸在一种较冷介质（例如空气）中的物体，必定会发出辐射而损失能量。物体的摘减小而周围介质的墙增加。在这个交换中总结，即单个摘的总和，必定增加，这是第二定律所规定的。
　　关于黑洞，热力学是怎么说的呢？它有妨，由其表面积给出；有温度，由其表面引力给出。假设把黑洞放在一个浴器里，如果黑洞的温度比浴器的低，它将吸收能量并增加自己的摘；但是如果黑洞的温度高，我们就不得不承认黑洞应当把能量和摘交给浴器，而这与“经典”的黑洞热力学第二定律是矛盾的。
　　霍金的发现消除了这个不一致。由于量子力学的特定性质（这将在下面介绍），黑洞即使是在最低能量态也能发射粒子或辐射。由于丧失能量，黑洞的摘，亦即其面积减小，而周围环境的嫡则由于获得能量而增大，并且环境滴的增大量大于黑洞滴的减小量，于是总的摘仍然增大，热力学第二定律为黑洞加环境的整体系统所遵守。
　　　　　　　　　　　　隧道
　　经典观点认为没有任何东西能逃离黑洞，视界是一个“单向膜”，只许进而不许出。从黑洞内部看来，视界就像是一堵无限高的墙，越过它需要有无限大的能量。
　　但是量子力学提供了穿过任何一堵墙的可能性，哪怕是没有足够的能量。这种现象被称为隧道效应，是测不准原理的直接结果，而测不准原理则是量子力学的基石，就像等效原理之于广义相对论。
　　按照量子力学，对微观世界的描述有着某种“模糊性”。例如，如果我们要测量一个孤立电子的位置，它就必须是有确定位置并且是可见的，要成为可见，它就必须被照明。一个电子是如此之小，用来照明它的光子会给它一个小冲力并改变其运动速度，因此，对电子位置的高精度测量就会导致对其速度测量的一定程度的不准确性。反过来也是如此，如果电子速度的测量精确到1厘米／秒，其位置的测量就不可能精确到1厘米以内。
　　更普遍地说，所有测量都会干扰微观系统。测不准原理是维勒’海森堡（WernerHeisenberg）于1927年建立的。当然，当所涉及的质量大得多时，量子不确定性就会减小。质子的质量大约是电子的2000倍，因此如果它的速度测量精度为1厘米／秒，其位置测量精度就能达到约5微米。这个精度虽有提高，仍然是很差的，因为质子的直径还要小上10亿倍。对宏观物体来说，由于其质量比起基本粒子来是如此巨大，因而位置和动量的测不准性都完全消失，宏观世界是“决定论的”（与目前人们的信念相反，这并不意味着其演化能被预测。许多非常复杂但仍完全是经典的即所谓“非线性”的物理现象．虽然是由决定论方程支配，却朝着完全不可预测的状态演化。这就是一个星期以上的天气预报总是那么不可靠的缘故，不论使用的计算机威力有多大）。
　　测不准原理也可以运用于其他置于化的物理量，例如能量，在一个很短的时间间隔里能量会有一定的涨落。经典地讲，从黑洞逃离是被禁止的，但是测不准原理允许粒子在一定时间间隔里从黑洞借助一定量的能量。如果黑洞是微型的，即尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，黑洞损失能量。粒子并没有真的跳过视界“墙”，而是从一个由测不准原理短暂地打通的“隧道”穿过。
　　　　　　　　　　　真空极化
　　黑洞蒸发还可以由所谓真空极化来作出一种等价的解释。
　　在量子力学里，真空并不意味着没有任何场、粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量严格为零的状态是不可能存在的。
　　时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子生成。1928年，泡尔·狄拉克（Paul Dirac）发现，每一种基本粒子都有一种对应的反粒子，二者质量相同，其他性质呈“镜像”对称。电子带负电荷，其反粒子，即正电子，质量相同而电荷相反。光子没有质量，它的反粒子也就是它自己。一个粒子与其反粒子相遇，就会相互湮灭，将质量转化为能量。因此，一个粒子和它的反粒子就表示相当于它静质量2倍的能量，反过来，一定量的能量也可以被看作是一对正二反粒子。于是，由于能量涨落而躁动的量子真空，就成了所谓“狄拉克海”，其中遍布着自发出现而又很快湮灭的正二叵粒子对。
　　一对正一负电子在10“’秒内自发地产生和消失。质量更大的粒子对也可以在真空中出现，但是按照测不准原理，它们只能存在短得多的时间。真空中产生的质子、区质子对平均存活的时间比电子一正电子对要短2000倍。
　　在不存在任何力的量子真空里，粒子对不断地产生和消灭，所以平均说来就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭。这些粒子也不能被直接观测，所以被称为虚粒子。现在设想有一个力场，例如电场，作用在真空上。当一对正、负电子在真空中出现时，它们就会被电场沿相反方向分离。如果电场足够地强，它们就会分离得足够地远，以至于不能再相互碰撞和湮灭。这时的粒子就成为实粒子，这时的真空就被称为是极化的。
　　粒子由于真空极化而自发地产生，这不是一个理论幻想，而是已由实验证实的现象。考虑量子真空中的一个氢原子，它由一个带负电的电子和一个带正电的质子组成。在它周围，虚粒子对在不断地产生和消失，但是由质子和电子所产生的电场会使近邻区域的真空极化，于是带有相反电荷的粒子就会分离，在一个很短的瞬间形成一股很小的电流。这种电流会使电子在轨道上颤动，因而使氢原子发出的辐射频率出现微小的移动。这就是所谓“兰姆（Lain）移动”，1947年被实验探测到。
　　但是，真空是不容易被极化的，需要有很高的能量密度才能使虚粒子对分离和实粒子出现。而能量的形式则并不重要，可以是电能：当电容器极板间的电压超过一定限度时，真空极化，而电容器被击穿；也可以是热能：一块金属被稍稍加热就能发射光子（其反粒子就是自己），但要热到矿2开氏度才发射正一负电子对。
　　由于所有形式的能量都等价于质量，就可以合理地预期引力能也会被自发地转变成粒子。这正是霍金的发现的深刻意义。量子真空会被微型黑洞周围的强引力场所极化（图55）。在狄拉克海里，虚粒子对在不断地产生和消失，一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间，于是就有四种可能性：两个伙伴重新相遇并相互湮灭（过程1）；反粒子被黑洞捕获而正粒子在外部世界显形（过程H）；正粒子被捕获而反粒子逃出（过程m）；双双落入黑洞（过程W）。霍金计算了这些过程发生的几率，发现过程11最为常见。于是，能量的帐就是这样算的：由于有倾向地捕获反粒子，黑洞自发地损失能量，也就是损失质量。在外部观测者看来，黑洞在蒸发，即发出粒子气流。
　　　　　　　　　　　　黑洞与黑体
　　迄今已经考查了所有从黑洞提取能量的机制。黑洞的转动能和电能可以由经典的和量子的两种过程来取出。特别是，前面讲过的带电和转动黑洞由于超辐射过程的退激化，在微型黑洞的情况可以由真空极化来重新解释。黑洞总是喜欢从周围的虚粒子中捕获那些与自己的电荷或角动量反号的粒子，因此，即使一个真空中的微型黑洞在最初形成时有非零电荷和角动量，它总是倾向于自发地使自己中性化和减慢转动，从而尽快地达到史瓦西状态。可是，史瓦西黑洞也失去了其经典的“不可约性”，“死”质量会自动地蒸发。那么，黑洞辐射的精确特征是什么样的呢？
　　有趣的是，黑洞的辐射很像另一种有相同“颜色”的东西，就是黑体。黑体是一种理想的辐射源，处在由一定温度表征的完全热平衡状态。它发出所有波长的辐射，辐射谱只依赖于它的温度，而与其他性质无关。一只被加热到一定温度的完全不透明的炉子，上面只开有一个小孔留给观测者来接收其辐射，这只炉子就近似于黑体。事实上黑体是量子力学得以产生的历史根源之一。1899年，马克斯·普朗克正是在研究黑体的性质时提出了能量量子化的假设。
　　霍金的计算表明，黑洞的蒸发辐射具有黑体的所有特征。这个结果使得黑洞热力学完全自洽，因为它赋予了黑洞一个真实的、在整个视界上同一的、直接由表面引力来给定的温度。
　　对史瓦西黑洞来说，温度与质量成反比。质量与太阳一样的黑洞，其温度是微不足道的：开氏（即绝对零度以上）10”度。这并不奇怪，因为蒸发是一种量子现象，只对微型黑洞才特别有影响，而微型黑洞的温度是很高的。质量像小行星那么大的黑洞，具有“白热”熔炉的温度（开氏6000度），并辐射可见光。“典型”的微型黑洞质量为10”克，个儿像质子那么大，温度高到开氏10’‘度。这时的辐射就不再是集中于可见光段，而是由伽玛射线光子和大质量基本粒子混合组成。
　　越小的黑洞温度就越高，所以微型黑洞的发射就会越来越强，蒸发的最后阶段就表现为剧烈的爆发。一个10‘5克的黑洞要经过100亿年才完全蒸发掉，而它在最后几1秒里释放的能量相当于100万颗百万吨级的氢弹。
　　黑洞蒸发的最后结果尚不得而知。也许有人认为视界消失后将留下一个裸露的中心奇点，但是这种经典的看法很可能是错的。当黑洞半径缩减到普朗克长度（10”厘米）的量级时，时空几何自身的量子涨落变得重要起来，只有量子引力理论才能揭示微型黑洞的最后命运。如果它由辐射自己的质量而完全蒸发掉，应该说时空就会成为平直。量子引力是认识大爆炸和黑洞命运，即认识宇宙的开端和终结的必由之路。
　　　　　　　　　　　　引力不稳定性
　　一个通常的热力学系统处在一种较冷的介质中时会损失能量。它的温度降低而介质的温度升高，直到实现平衡为止，我们说这个系统有正比热。量子黑洞的行为则正相反，它失去能量时温度升高，反之亦然。如果周围介质的温度较高，黑洞就总是倾向于吸收能量，增大尺度，因而冷却，直至所有可得到的能量都已被吸收为止。反过来，如果介质温度较低，它就辐射，减小尺度，直至蒸发和消散掉自己所有的能量为止。这就是说，黑洞有着负比热，因而它根本上是不稳定的。
　　所有自引力系统，即其平衡只依赖于引力的系统，不论是量子系统与否，都是不稳定的。例如，在围绕地球轨道上的人造卫星会由于大气摩擦而损失引力能，因而沿螺旋线缓慢地朝地球下落。在这个过程中其速度和动能是增大的，所以它不能获得～个稳定轨道，最后只能坠落到地球上。
　　引力坍缩则是极端的例子。在自身重力作用下，一个恒星或恒星团这样的粒子系统辐射掉引力束缚能，不断收缩，温度变得越来越高。如果没有相反的力存在，奇点将不可避免地形成，达到平衡态是不可能的。微型黑洞的蒸发只不过是一种反方向上的引力坍缩，这可以由图55的时空图来证实。由于物质在离开视界，一个蒸发着的微型黑洞的“瞬时”状态就像一个白洞。因此，量子力学为黑洞提供了作为引力普遍特征的不稳定性。
　　更进一步，引力与热力学之间的联系可能是比黑洞广阔得多的自然领域的普遍特征。在黑洞的热力学转变过程中实际上起关键作用的是视界，而视界可以有着与黑洞毫不相干的意义。在狭义相对论的无引力平直时空里，一个具有恒定加速度的观测者不可能“经典地”获得来自一个遥远时空区域的信息，只是因为那个区域发出的辐射不能到达，对他来说那部分时空就隐藏在一个视界之后。如果考虑真空中的量子涨落，就可以得出加速（等效于一个均匀引力场）会使真空极化。如果那个观测者带有一个位于探测器，他将测量到一种黑体辐射形式的“鼻子噪声”，黑体的温度正比于他的加速度。在宇宙学里，膨胀宇宙模型也有视界，因而也有一个相联系的黑体温度（极低，不要与作为大爆炸遗迹的宇宙背景温度开氏27度相混淆）。
　　黑洞热力学已经把我们从蒸汽机带出很远了。
　　　　　　　　　　　　上帝耍人
　　基本粒子通过核力和电磁力而相互作用，这些作用服从已由实验验证的一定规则，正是这些规则使得科学家能够建立起一致的清楚的物理理论。规则中有一条是重子数守恒。简单说来，它是指在所有的基本相互作用中，必须保持粒子和反粒子的相称，所以一个光子（重子数为0）可以转变成一个中子（重子数为十l）和一个反中子（重子数为一1）组成的对，因为总的重子数保持为零。但是一个中子决不能转变成一对光子。另一个称为轻子的粒子家族，包括电子、U介子和中微于，也遵守一条相似的规则，这些粒子每个都有一个轻子数，在基本相互作用中总轻子数必须守恒。
　　粒子物理的这些基本规则被量子黑洞满不在乎地破坏了。我们已经看到黑洞在形成或吞噬物质时会“失去毛发”：所有关于粒子的信息在它们通过视界时全都丧失了。尤其是，一个由重于（例如大质量恒星中心的质子和中子）形成的黑洞并不记得它的重子数，它跟由反重子形成的黑洞完全一样，我们不可能看出有什么差异。且再耐心等等，在一定时间后黑洞会开始按照霍金机制而辐射，释放能量和摘。黑洞像黑体那样辐射这一事实，意味着它只能发射出相等数目的重子和反重子，或等数目的轻子和反轻子。也就是说，由蒸发的黑洞出来的净重子数总是为零。黑洞的蒸发破坏了重子数和轻子数守恒的规则。
　　这个惊人的性质表明，由黑洞蒸发所释放到外部介质的信息在通过视界时会“降级”。这种退化给离开黑洞的物质和辐射打上一个“热印记”，使得资料随机化。正因为此，霍金认为测不准原理在应用于黑洞时应被代之以“猜不准原理”。
　　爱因斯坦始终不喜欢量子力学，尽管他对这一理论的发展起过先锋作用。他不喜欢测不准原理包含的非决定论思想，并用这样一个短句来表达自己的反感：“上帝不掷骰子。”霍金的回答是：“上帝不只是掷骰子，还把骰子掷到我们看不到的地方！”
　　　　　　　　　　第四篇：光的复归
　　世界的真正奥秘之所在，并不是不可见物，而是可见物。
　　　　　　　　　　——奥斯卡·王尔德（ Oscar wude）
　　　　　　　　　　第十五章　原初黑洞
　　　　　　　　　　　　　团块
　　让我们返回到宇宙的极为遥远的过去，即150亿年以前。刚刚形成的宇宙并不是一种均匀平静的“汤”，由于微小涨落的激发，物质在自身引力作用下趋于聚集成团块。但是，像炉子里的蛋糕一样，宇宙由于大爆炸的力量而在膨胀。这种总体膨胀与局域凝聚之间的对立是当代物理学最大的问题之一：某些团块究竟是怎么发展成星系的呢？似乎宇宙的膨胀终究应该足以阻止局域的凝聚，以至于在宇宙的历史上，没有任何星系、恒星、行星以及处在这个链条终端的生命能够出现。
　　星系的存在“实验”地证明，原初宇宙中的某些涨落能够增长，并与整体膨胀相脱离。在这种凝聚过程中，密度反差，即团块相对于周围环境的质量超出，将无限制地增大。在初始阶段这种反差很小，即使团块总质量已有几百M时，密度的相对超出也只不过千分之一。而今天，对同样质量而言，密度反差已在ic万倍以上。引力干得多勤奋！（太阳型恒星与星际介质的密度反差还要大：10”比1。）
　　厨师都知道，在火上搅动一锅酱汁时，小团块比大的更容易形成。因此也有这样的可能，原初宇宙中那些大幅度的涨落使质量比星系小得多的物质首先凝聚成由引力控制的物体。正是通过引人这样一种机制，史蒂芬·霍金于1971年建议了原初黑洞的存在。
　　前面讲过，由恒星坍缩而形成的黑洞质量在3的量级，对原初黑洞没有这种制约，各种形状和尺度的黑洞都可以在宇宙早期形成，尤其是大小如基本粒子的微型黑洞。
　　有可能由天文观测来检验关于微型黑洞的思想吗？
　　　　　　　　　　　　碰撞中的世界
　　无疑地，最好是能在太阳系里找到微型黑洞。霍金提出，微型黑洞能被太阳捕获，并逐渐地朝日心下落，与人们的直觉相反，太阳不会被这个小黑洞吃掉，小黑洞可以在太阳里存在很长时间而没有任何可觉察的影响，只有在黑洞迅速增大的情况下太阳才有危险。而事实上，被黑洞吞噬的太阳物质在消失之前会发出很强的辐射，辐射压对外部物质的推斥作用将限制黑洞的增长速度。被吞噬的物质流与被释放的能量流相互调节，使得黑洞周围区域就像一个极其稳定的核反应堆。这个有着“黑心”的太阳将平静地继续着它的主序生涯，很难觉察到它的活动有什么改变。
　　这个独特的方案曾被用来解释地球上探测到的太阳中微子数与核反应理论预言的数目之间的差异，不过它后来被抛弃了，因为能更好地解释这种差异而又更常规性的机制占了上风（例如，中微子可能有非零质量，于是由假定零质量所计算的中微子流就会与观测值不一致）。
　　还要指出的是，微型黑洞同我们地球碰撞的可能性是很小的，还不及大陨石撞上地球的机会大。不过，小黑洞撞击已被作为俄罗斯通古斯卡那场著名灾祸的可能解释之一。1908年6月30日，西伯利亚的叶尼塞河流域遭到一个自天而降的物体的破坏，伴随爆炸而来的有光、声和力的现象。冲击波毁坏了周围的大片森林，杀死了数百只驯鹿，1000公里以外的人听到了声响，窗户被击碎，房屋被晃动，天空被照亮，有一段时间亮得在高加索都能半夜在户外看书。按照地震仪的记录，爆炸威力相当于1500颗扔在广岛的原子弹。但是，20年后才对爆炸的地方作科学考察。15公里以内的树木被烧焦，30公里内的树木被推倒，全都由爆炸中心向外倒伏，但是并没有标记撞击点的陨石坑。
　　对这场灾变的起因已经有了许许多多的说法，有的平庸，有的新奇。目前普遍接受的一种是归于一颗流星，或者更准确地说是一块管星的碎片，一块由冰和石头组成的数百米大小的碎片，逆着地球转动的方向以50公里／秒的速度落到地面上，就会产生在通古斯卡所见到的效果。在大气中的蒸发以及大量粒子的注人使得没有一个坑或别的大痕迹留下。最好的证据来自对在当地收集的碎石的化学分析，那些碎石主要由硅和镍铁块组成，与管星的成分极为一致。
　　然而，这种证据并未能阻止两位美国天体物理学家提出一个根本不同的解释，即一个微型黑洞穿过了地球，就像一把热刀穿透了黄油，又从地球的与通古斯卡相反的一侧钻出来，而那一侧却碰上是南大西洋的中央，没有树或是窗户留下见证来告诉人们发生了什么。
　　更深入的分析表明，黑洞在地球中穿过会导致地震波，但是没有观测到；黑洞钻出来时还会伴随有大气冲击波，这也没有观测到。看来这种漂泊的微型黑洞的解释确令人难以置信（不过还赶不上反物质块或是遇难的外星人飞船之类的解释那么离奇），只不过是作为一种宣传材料而已。黑洞专家们是不会从这种宣传中获益的，如果黑洞随处可以见到，那么反而显得不可信了。
　　　　　　　　　　　　短暂的生涯
　　由霍金依据量子力学所揭示的微型黑洞的基本特征，即以黑体辐射形式的质量蒸发，看来才是探测这类黑洞的主要希望之所在。
　　密度涨落理论表明，低质量黑洞只能在宇宙早期形成，而黑洞的质量越小，蒸发得就越快（黑洞的寿命与其质量的立方成正比）。质量为1吨的黑洞会在10’‘秒内蒸发光，而质量为100万吨的黑洞则能存在10年。只有那些寿命比宇宙年龄（150亿年）长的微型黑洞才能维持到今天，这些黑洞的初始质量最少得有10亿吨，这大约是一座山的质量，而黑洞半径只有10－‘’厘米，同质子一样。
　　质量更大的黑洞的蒸发时间就比宇宙年龄要长得多，例如，IM黑洞的寿命大约是10“年。这个巨大的数字并不出人意外，因为蒸发是一种量于现象，只发生在与基本粒子直径相当的极小尺度上。因此，对于那些质量比一座山大的黑洞来说，蒸发是完全无关紧要的，无论这些黑洞是在宇宙早期形成的还是后来在超新星爆发时形成的。实际上，大黑洞质量增大的速率超过蒸发的速率。现在的问题是，目前正在蒸发的黑洞应当有多大的初始质量。
　　要回答这个问题，首先要明白，黑洞并不是存在于完全的真空里，而是处在具有一定能量的媒介物质之中。介质的能量至少等于作为原初大爆炸遗迹的宇宙微波背景辐射的能量。这个宇宙“浴池”的温度是开氏27度。按照热力学定律，那些今天仍存在的原初黑洞中，只有质量小于10’‘克的（相当于月亮的质量，而半径只有0．l毫米）才能有高于开氏27度的温度，因而才能蒸发，把能量给予周围介质；而质量更大的黑洞则只会吸收宇宙能量而增大自己的尺度。总之，质量小于矿5克的黑洞已经蒸发掉了，质量在1015克到1026克之间的黑洞现在正在蒸发，而质量在1026克以上的，包括由恒星演化形成的“第二代”黑洞，则都正在增大。
　　　　　　　　　　　　最后时刻
　　怎样才能观测到一个质量适当因而正在蒸发的黑洞呢？霍金的计算表明，在最后的议1秒，蒸发变成爆炸，黑洞被突然地摧毁，其质量被转变成能量。这种能量以一种高强度的伽玛射线爆发的形式消散，至少原则上距离为30光年以内的伽玛射线暴是可以探测的。
　　由第一章　中的表1可以看到，伽玛辐射所转移的能量平均要比可见光辐射强100万倍。这种辐射因而有着强穿透性，如果不”是被地球的上层大气阻挡，它对地球上的生物将有致命危险。观测宇宙伽玛辐射的一种方法正是把大气本身作为探测器，伽玛射线光子在穿过大气上层时，会把自己的能量转变成物质，产生粒子和反粒子的簇射。这些粒子在产生的瞬间的运动速度等于真空中的光速，因此就比在空气中穿过的光还要快。这种“超相对论”粒子进人地球的电磁场，类似于超声速的飞机那样，也会形成冲击波，不过不是产生声撞击，而是产生一种可见光闪耀，称为切论可夫（Cerenkov）辐射。这种辐射很容易在地面上探测到，因而长期以来被用以测量从宇宙空间到达地球的伽玛辐射流。
　　由切伦可夫“光”探测到的伽玛辐射暴平均每年有几次，但是，它们并不具有微型黑洞爆发的特征。当然，微型黑洞并不是天空中唯一的伽玛辐射源，事实上，除了这种突然的辐射爆发外，还有一种强度较低的连续伽玛辐射已被在大气以外运转的卫星上的仪器探测到。这个重要的发现表明，许多天文现象都能向星际空间发射高能辐射。关于这种弥漫的背景伽玛辐射的起源还在争论之中，不过多数人相信是由中子星（见第16章）这样的致密星，或者在更大得多的尺度上由活动星系核所产生的。
　　尽管如此，仍可能有许多微型黑洞已在不久前爆发，并为背景伽玛辐射作出了部分贡队一个名为SASZ的卫星已对弥漫伽玛辐射作了精确测量。这种辐射的强度非常低，即使假设全都是来自黑洞爆发，平均说来每立方光年体积内包含的原初黑洞也不可能多于200个。这样看来，最靠近地球的做到黑洞也在远离太阳系的地方。
　　原初黑洞的真实密度还要小得多，因为可以作出比基于伽玛辐射的推断更为严格的限制。微型黑洞爆发时发射的粒子将与银河系的磁场作用，产生出特征射电波。由于对射电波的探测比对伽玛辐射要容易得多，微型黑洞的爆发应当能用大型射电望远镜探测到，然而却从来没有过。这一事实对微型黑洞爆发的额度作出了一个很严格的限制：平均每立方光年体积每300万年里不可能超过一次。
　　总之，质量像一座山的原初微型黑洞可能存在，但是极为稀少。
　　　　　　　　　　　　　引力幻景
　　微型黑洞爆发的踪迹难寻，并不排除质量超过10”克因而尚未爆发的原初黑洞的存在。这样的黑洞又怎样探测呢？
　　由第10章中描述的“照明”实验已经看到，即使是一个完全孤立的黑洞也能使来自遥远源的辐射聚焦，起着“引力透镜”的作用。
　　假设地球、一个黑洞和一颗恒星碰巧排在一条直线上，按照广义相对论定律，黑洞附近的时空弯曲将使来自远处恒星的光在到达地球之前沿几条可能路径之一运动（图56）。于是，望远镜就必然会看到同一个光源的几个像：一个对应着弯曲最少的光线的“主”像，以及若干个对应着弯曲较严重的光线的“次”像。这种表观像相对于真实像的移动就叫做引力幻景。
　　有时在沙漠里可以见到的幻景是这样造成的：由沙里散发出的热使不同层次空气的温度得到不同的升高，因而不同气层就有不同的折射率，由沙所反射的光线就会沿不同的路径到达远处的旅行者，于是就会形成各种神秘的幻景，可以被看作是绿洲、城市或是海洋，完全取决于旅行者最想看到什么。
　　探测由宇宙空间的弯曲所造成的引力幻景无疑要困难得多，不妨先考虑一下银河系外的巨型黑洞的情况。远处的源，例如类星体或宇宙背景辐射（这种辐射的确是唯一的在天空中到处都存在的电磁辐射源），就可能会被黑洞的引力透镜效应所影响。
　　天文学家已经掌握了一批引力幻景给出类星体多重像的实例，但是，造成这些幻景的并不是巨型黑洞，而只不过是中介星系而已。所有的物质集结都能使时空连续体出现一定程度的弯曲，因而都能起引力透镜作用。大多数测量（像的分离等等）只能给出透镜的质量，所以如果透镜本身没有被探测到，当然就不可能说出那究竟是个巨型黑洞还是个暗弱的星系。
　　1985年，一对名为哈利德（Hazard）1146＋lllB和C的类星体在天文界引起了轰动。它们的红移乍看起来是相同的，因而很像是同一个天体被一个插入透镜造成的双像。但是与其他引力幻景不同的是，哈利德1146＋fll有着极大的角分离：2．6角分，比已知的其他多重类星体要大20倍。如果它们确是同一个天体的像，引力透镜的质量就得相当于几千个星系。
　　有三种类型的天体可以成为这种大质量的透镜：极密集的星系团，“超巨型”黑洞，以及“宇宙弦”。没有任何观测证据显示在这个方向上座落有星系团。“宇宙弦”是基本粒子理论家发明的一种优美构造，这是一种在宇宙的最初时刻形成的、很长而半径几乎为零的弦，能够输送引力能。但是．没有任何实验方案可以用于证实这种东西的存在，或是证实这个理论的合理。于是只剩下黑洞，它反而成了最少离奇性的解释。哈利德1146＋111的情况所需要的黑洞质量在”2到10”M之间，而且只能是原初黑洞，这个巨大的质量远远超出黑洞学家的想象
　　但是在接受这种极端的解释之前，必须肯定哈札德1146＋111的确是引力幻景。更精确的测量表明，它们的光谱并不一样，也就是说这两个像并不是源于同一个类星体，而是相互靠得很近的两个类星体。这是宇宙弦和超黑洞的梦的终结。这里细述这个故事，只是想说明科学研究中常有这种混乱。一个轰动性发现的宣布（并引起新闻媒介的注意），其背后常常只是对不精确的资料作了错误的解释，随后所作的更好的测量又把这个发现送回到“正常”的行列，从而再次证明简单性原理的中肯：最“经济”的即最“平凡”的（没有任何贬义）假设，几乎总是正确的。
　　在巨型黑洞之后，再来看看恒星级质量黑洞的情况（包括原初的和后来形成的）。这种黑洞的直径只有几公里，所以即使是处在我们银河系内并且近到只有几十光年的距离上，其视直径也会很小，以至与一颗更远处的恒星排成一线的可能性就微乎其微。即使这种排列真的发生，由黑洞质量所决定的恒星不同像之间的角分离，也会小得使目前和将来的望远镜无法分辨，那么就毫无希望了吗？不是。因为透镜（即使是微型的）效应，并不只限于造出多重像，而是还能使像的强度增大，使光谱变形。考虑我们银河系或邻近星系的晕里的一个微型透镜，它相对于遥远的（因而被看作是固定的）类星作背景就有很缓慢的运动，排列成线的可能性就不再是可忽略不计的了，引力幻景就会使类星体的光度和光谱出现短暂的变化。这个主意还挺不错，以至于有些学者把整个一类有活动核心的星系（见第对章）都解释为微型透镜的积累效应。几个深入细致的观测计划正在进行之中，其目的主要倒不是探测恒星级黑洞，而是要证实在星系晕里聚集着大量很小而暗弱的恒星。
　　　　　　　　　　　　暗物质
　　现代宇宙学尚未解决的问题之一是所谓下落不明的质量。对星系运动的观测表明，“可见”物质（无论是在光学、射电、红外或X射线波段可见）只占总质量的一部分。可以举一个简单的例子来描述这个问题。许多星系聚集成团，形成束缚的引力结构，并不散开到周围的宇宙介质里。如果这些星系团只由可观测到的单个星系和星系际气体组成，则引力将不足以使它们聚集在一起，因此就必然存在暗物质，在电磁辐射这种形式上是不可见的，但是能提供引力以维持星系团的存在。
　　黑洞显然是这种暗物质的候选者（最新的说法是“褐矮星”，有时被不大礼貌地称为“衰败星”，指的是质量小到只有太阳的百分之一，因而核心不能发生热核反应的暗弱天体。关于微透镜的观测计划的基本目的正是要找到这种星），但是，各种由观测得出的制约排除了大量巨型黑洞聚集的可能性（如在第门章将要看到的，很可能所有星系的核心都有一个质量很大的黑洞，但要解决下落不明的质量问题，在星系核外就还得有许多巨型黑洞）。比如说，如果质量远大于100万M的黑洞存在于旋涡星系的晕里，即在聚集着绝大部分可见物质的星系核球和星系盘（见第17章）之外，这种黑洞的存在将至少会以两种方式表现出来：第一，它们将作为引力透镜而使遥远恒星的像多重化；第二，它们将使星系盘中恒星的速度增大，因而使盘变厚。然而这些现象都从未被观测到。
　　另一方面，质量为100万M的原初黑洞存在的可能性并未被排除。绝大多数星系都是在宇宙历史的早期形成的，其核心的黑洞也可能是原初型的，甚至有可能黑洞正是使星系得以形成的种子。
　　　　　　　　　　第十六章　X射线星
　　孤立的恒星级黑洞，对于热辐射形式的蒸发来说质量太大，对于使遥远恒星的光线弯曲来说质量又太小，因而确是不可见的。
　　但是，黑洞从来就不是完全孤立的，它身居星际介质之中，吞噬周围的物质来喂养自己，这样的黑洞总是会留下痕迹，被吞噬的物质在消失之前会发出电磁辐射。不过，星际气体过于稀薄，产生的光度太弱，一个10M的黑洞在吸进周围气体时只能产生像一颗孤立白矮星那样暗淡的光，最多只能在见光年的距离上被探测到。而即使在银河系里有10亿个黑洞，最靠近地球的恐怕也在100光年以外。
　　那么，对希望探测黑洞的天文学家来说还留有什么余地吗？回答是双星系统。单个恒星只是少数，作为恒星残骸的黑洞也是如此。许多黑洞应当是在双星系统之中，尽管双星系统中的黑洞甚至比它的致密星兄弟，即白矮星和中子星更善于隐蔽，但毕竟有踪迹可寻。到双星中寻找黑洞就成为过去20年中天体物理学家最富成果的途径之一。
　　　　　　　　　　　共生的幽灵
　　不论是否有黑洞，双星很少能被同时看到，大多数情况R能用望远镜看到一颗子星。天文学家是怎样深明一颗恒星是否有伴侣的呢？
　　问题的关键是引力，按照天体力学定律，双星系统的成员都绕着它们的共同质心旋转。天文学家能够观察到，一些邻近太阳系的双星，就像一对舞伴在跳着椭圆旋转舞；而更常见的情况是，轨道运动的证实只能借助非常精确的光谱学技术。
　　像太阳一样，恒星的可见光是多种颜色光的混合，从长波长的红光到短波长的紫光。摄谱仪是一种像棱镜一样能把恒星的可见光在屏幕上分解成不同颜色的仪器。恒星光谱呈现出逐渐变化的颜色，还有一些很窄的暗线，称为吸收线，吸收线的存在表明该频率上的光强度减弱了。这是怎么造成的呢？
　　恒星的大气是由氢、氦、碳、氧、钙等等元素的原子组成的，每种原子都能吸收一定的特征波长的光。更准确地说，户子核外轨道上的电子能捕获某些人射光子，从而获得能量，跳跃到更高的能级上。从恒星的高温核心出来的光只有在经过其大气原子的“过滤”之后才能到达天文学家那里，在一定波长上就有部分能量损失了。
　　可以在实验室里得出任何原子的“参考光谱”。在将恒星光谱与参考光谱比较时，吸收钱就成为一种信号，可以显示出恒星外层的化学成分，并能提供关于恒星表面温度、尺度、内部光度等等的信息。
　　有一类双星，其中只有一颗子星能用望远镜看到，但这颗星光谱中的吸收线在一个平均位置附近周期性地振动。谱线的移动表明恒星在绕着一个看不见的伴星转动，这就是所谓光谱双星。
　　　　　　　　　　　多普勒移动
　　由于光源相对于接收者的运动而使电磁频率表现出移动，这就是多普勒效应（奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Chris－tian DoPPler）于1842年发现了声波的这种效应，而把它推广到包括光波在内的则是法国物理学家费兹奥（A．Fizeau）、当光源趋近（远离）时，接收频率相对于发射频率增大（减小）；运动速度越大，频率移动也越大（图57）。
　　有一个故事为多普勒效应作了有趣的阐述。一个司机因开车闯红灯被送上了法庭。他非常聪明，解释说是因为汽车跑得很快，红光在他眼里成了绿光。法官的物理学也学得不错，计算出来，要使红光由于多普勒效应变成绿光，那个司机必须把车子开到10万公里／秒的速度。法官于是微笑着对司机说道：“我接受你的论证，你在超速行驶！”
　　多普勒效应也被警察应用于使司机们害怕的速度监测雷达，它在天文学上也有许多有益的应用。天文学家有点像个听觉很灵敏的盲人，这种人听到救火车汽笛的声音就能判断车子行驶的速度和方向。天文学家也通过使用摄谱仪“听”恒星的光而测量它们的运动，这种方法对于在看不到伴星的情况下揭示恒星的双星性特别有用。
　　双星系统里可见子星围绕共同质心的轨道运动显然是这样表现出来的，即它交替地趋近和远离观测者，而那颗不可见于星则正相反（除非是一种罕见的情况，即观测者视线正好与双星轨道平面垂直），于是接收的辐射频率就必定在趋近阶段增大（变得“更蓝”），在远离阶段减小（变得“更红”）。这种频率移动影响到整个光谱，吸收线也就会全体地变红或变蓝，在两个极端位置之、间来回振荡（图58），这种现象就是光谱双星的标志。
　　一旦天文学家肯定一颗恒星是在双星系统里，他们就会试图去发现那颗不可见星的本质。一颗看不见的星不一定就是黑洞，甚至离黑洞还差得远，它可能是许许多多种质量很小、亮度弱得不能看见的恒星之一。它之所以暗弱，或者是因为离得太远，或者是因为被可见星的光芒所掩盖，就像一只萤火虫飞到一盏灯附近变得看不见了一样。
　　那颗暗星也可能是颗质量不很大的已经发生引力均缩的星。恒星的残骸有白矮星、中子星和黑洞三种。黑洞的标记似乎只是质量，白矮星和中子星的质量不可能大于ZM。或3M。但是，在试图证认双星系统中的黑洞时有许多易犯的错误。一个高温、明亮的大质量星也可能会由于周围尘埃的遮掩而隐藏起来。举一个例子，御夫座埃泼西隆星是光谱双星，其不可见子星的质量约为SMop远大于白矮星或中子星的允许质量，但是可见于星每27年被掩食三次，每次的时间是2年。黑洞太小（半径为25公里），不可能造成这样长时间的掩食，那颗不可见星正是颗被尘埃遮掩的大质量星。
　　幸运的是，黑洞探索者还能依据别的信号。双星系统中恒星的演化与单个星是不同的，尤其是在其中一颗星已经发生引力坍绩的情况下。一个表面积很小的恒星残骸若是处在孤立状态，那么在绝大部分时间里是不可见的（除射电脉冲星外）；但若是处在双星系统中，情形就不相同。双星中的白矮星是激变变星和新星这样的激烈事件的发生场所（见第5章），若是换成中子星或黑洞，场面甚至会更为壮观。这时会出现许多种高能天文现象，其共同特征是全都可见于X射线波段，X射线天文学在70年代初期的发展使以前已被公认的宇宙图像发生了革命性的变化。
　　　　　　　　　　　飞行的天文台
　　X射线天文学只能诞生于空间时代，X射线会被大气吸收，因而只能由空间探测器来测量。X射线探测器比用镜子来反射和放大光的光学望远镜要小得多，看上去其貌不扬。X射线光子的能量是如此之大（伽玛射线光子的能量更大），以致光子不再被那种普通镜子反射，而是穿透镜子，失去踪影。所以天文学家就得用特殊的探测器来捕捉X射线光子，这种仪器利用的是高能光子穿过带电金属或气体的效应（用于测量地球表面辐射强度的著名的盖革（Geopr）计数器也是依据相似原理工作的）。
　　最早期的仪器是用火箭或气球送上天空的。许多X射线源被发现并按它们的位置所在的星座命名（例如天蝎座X—l就是在天蝎座找到的第一个X射线源）。天文学家由可见光和射电频率的观测所建立起来的相对说来平静的宇宙图像开始动摇了，而当能够长时间监视“X 射线天空”的人造卫星显示威力时，平静的宇宙图像就被完全推翻。突然之间，在宇宙的所有部分冒出了像恒星、星系和星系团那样种类繁多的源，在慷慨地发出比可见光能量高100倍到1亿倍的电磁辐射。
　　比起卫星来，火箭也有自己的优势，主要是成本低，并能很快投入使用。完成一项火箭观测计划只要几个月，而从提出一项卫星方案到获得资金和真正发射，往往长达数年。但是，火箭会很快落回地球，只允许作几分钟的观测。在整个火箭时期，总共只对天空作了一个小时的观测，而一个卫星就能工作好几年。
　　　　　　　　　　　　“自由”
　　天文界梦想着能够每天24小时监测天空的X射线卫星。在主要由里卡多·加可尼（Riccardo Giacconi）和他在哈佛大学的合作者的努力下，这个梦终于实现了。1970年间月12日，“探索者”系列的第42颗卫星被从肯尼亚海外印度洋中的一个发射台送入了赤道上方的轨道。卫星被命名为乌呼各（Uhuru），是斯瓦希里语“自由”的意思，用以纪念肯尼亚独立七周年。
　　在许多X射线卫星中，乌呼鲁是最辉煌的杰作之一，因为它首次绘制出了一幅精确的X 射线天空图。单个X射线探测器所给出的点源位置精度很低，为克服这个弱点，乌呼鲁带有两个背靠背的探测器，它们随着卫星的缓慢转动一点一点地扫描整个天空。每当一个X射线源进入它们的视线，就有一个信号被送回地球，由于卫星的方位是已知的，源的方向就能以高得多的精度被确定到一个很小的“误差框”内。乌呼鲁一直运行到1973年春天它的电池耗尽时为止，在这段时间里它一共确定了将近350个新X射线源的位置。
　　乌呼备之后又有一些卫星被用于对X射线天空的研究，其中有“高能天文台”系列，这个系列中的第二颗卫星取得了最壮观的成果。它被命名为“爱因斯坦”，以纪念这位伟人诞生一百周年，是他以自己的方式开启了观察天空的窗口：他开启的是人类思想的窗口。欧洲的空间天文学已被讲得很多了，在这里所涉及的高能领域，还应提到前苏联于1990年发射、用于“硬”（即高能）X射线和“软”（较低能）伽玛射线的“格拉纳”（Granat）号卫星。这颗卫星的成果已很丰富并且仍在增加，这对国美国的空中光学望远镜出问题而悲伤的天文学家来说仅是一种安慰。
　　　　　　　　　　　　　X射线脉冲星
　　由卫星发现的X射线源有一半以上是在银河系内，其余的则是活动星系的核心或星系团中的高温气体。银河系内的源大部分都与不同形式的坍缩恒星有关：膨胀到星际空间的超新星遗迹，白矮星，更重要的是包含中子星的双星系统。
　　1971年初，乌呼鲁探测到半人马座X──3。这是一个变化的X射线源，平均光度比太阳在所有波段的辐射还要强1万倍。此外，半人马座X──3的辐射还有周期为484秒的规则脉冲，这样短的周期表明，它像射电脉冲星一样是一颗快速转动的中子星。但是，它又与射电脉冲星不同，其辐射每隔2087天会停止将近12小时，这意味着这个源是一个掩食双星系统的成员，每当它转到那颗大的伴星背后，辐射就被遮挡。一个崭新而富有成果的天文学分支由此开始，这就是双星X射线源的研究。
　　半人马座X－3之后，又有许多别的X射线脉冲星接理而至，其中最有趣的一个是武仙座X—l，它的脉冲周期是1．24秒，它的双星性则已由几种相互独立的方法证实。首要地，X射线辐射每1．7天被遮挡6小时，此外，对X射线辐射到达时间的极为精确的测量表明，在1．24秒这个平均周期值附近还有着规则的振荡。脉冲周期值的移动是由X射线源绕伴星的轨道运动造成的，由此推算的轨道周期与掩食周期精确相符。为进一步证实，又作了非常精细的光学测量，果然在可见光波段找到了伴星，它也是每1．7天被掩食1次。武仙座X －l就成了一颗被反过来发现的光谱双星，因为是先由X射线辐射发现致密子星，然后再找到“正常”的光学子星。
　　双星源X射线辐射的机制是什么呢？一个重要的线索来自所有这类双星都有很短的轨道周期这一事实。这就是说两颗子星之间的距离非常小，于是中子星就能够用一种“引力吸尘器”来捕获伴星的物质，道理如下：由单个恒星周围那些引力场相等值的点组成的面，即所谓等势面，都是以恒星为中心的球面。双星系统的等势面就要复杂得多（图59），其中有一个是两颗子星的引力相抵消的面，它的形状像阿拉伯数字8，每个圈都包围着一颗星。它被称为洛希瓣，因为法国蒙特佩列大学的数学家挨多瓦·洛希（Edouard Roche）于1850年首先研究了这个问题。中子星这样的致密星可以被简单地看作洛希瓣里的点源，而非坍缩恒星就可以占领它的瓣的大部分，甚至像红巨星那样的情况还会超出它的孤X射线脉冲星如半人马座X──3和武仙座X－1，可以被解释为这样的双星系统，其中一个子星是中子星，另一个是充满了自己洛希瓣的巨星。后者很容易丢失物质，主要是在两个瓣相连接的点上丢失。气体物质从一个瓣进入另一个后，就处在中于星的控制之下。对于半人马座X──3可以估算出，每年有相当于一个月亮的物质被从巨星转移到致密星上。
　　像射电脉冲星一样，X射线脉冲星的中子星也在快速自转，并有很强的磁场，磁轴相对于自转轴有偏斜。来自伴星的气体并不会直接落向中子星，而是被离心力拖曳而作缓慢的“螺旋线”运动，于是气体就会形成一个薄薄的吸积盘。在磁场能量开始超过气体转动能的地方，吸积盘被破坏，盘中物质被提出来，沿磁力线落向中子星的磁极。
　　X射线是由气体对中子星的固体外壳的撞击而产生的。联想到水力发电的原理，就容易理解引力场如何能把自己的能量转变成辐射。水从足够高处落下时会把势能转变成动能，于是以很高的速度撞击涡轮机叶片，把自己的动能转变成转动机械能，机械能又通过磁感应最后转变成电能和辐射。整个过程的原动力是地球的引力场，类似的过程也在中子星的表面发生。当然，引力场越强，下落一段给定距离时引力能转变为辐射的效率就越高。一只10克的球由高处落到地面，只释放很少一点热和红外辐射。如果它是落到白矮星表面，则释放的引力能将会大得多，它将发出可见光和紫外辐射。中子星表面的引力更强，自由下落速度达到10万公里／秒，10充气体撞击中子星表面时以X射线辐射形式释放的能量相当于扔在广岛的原子弹。
　　在X射线脉冲星内，每秒钟有1 亿吨气体落到中子星的磁极上，磁极区的直径约为1公里，被加热到1亿度的高温，发射的X射线光度比太阳在所有波段的总光度大1万倍。脉冲现象当然也和射电脉冲一样是由于中子星自转对辐射束的调制。
　　　　　　　　　　　　X射线暴
　　双星X射线源并不是只有X射线脉冲星一种。在许多情况下辐射是偶发性的而不是规则的，辐射也可以是来自吸积盘的热斑，而不是由于对磁极的直接撞击，因而就不再出现脉冲。此外，中子星的伴星也不必一定是大质量星，而可以是矮星，在这种情况，物质转移的规模要小得多（图60）。最后，也是更重要的，由于没有周期性脉冲，就不能再认定致密星是中于星。这类无规则的X射线源，行为与包含白矮星（见第5章）的激变变星相似，正是寻找恒星级黑洞的一个好去处。
　　从1975年起，卫星已能探测到出现持续数秒钟的剧烈X射线爆发的星，这些星被称为X射线暴，已经发现了数十颗，大部分在银河系内。X射线暴与新星相似，但释放的能量大得多。它们很可能是在相互很靠近的有物质转移的双星系统中，它们与新星的根本不同在于，致密星是中子星或黑洞，而不是白矮星。
　　对中于星而言，爆发的机制可能是其表面上的热核爆炸。如白矮星的情况那样，引力起着引发热核反应的重要作用，中子星的引力强得多，因而能使其表面物质被加热到高得多的温度（白矮星只能造成氢的爆发性燃烧）。在X射线源的“宁静态”，被吸积的氢逐渐在中于星表面堆成高温高密的壳层，然后氢会迅速地转变成氦，但不是以爆发的方式，于是氦覆盖了中于星表面，当氦层厚度达到一米时，发生爆发式聚变，成为X射线暴。这种X射线爆发也可以是由于不同的机制，例如吸积盘里的不稳定性而产生的。这时不再需要中于星的坚硬表面，黑洞也能同样胜任。
　　有些暴是长久的X射线源（即能不断地发射一定强度的X射线），其他的则只是在爆发时才在X射线波段可见。另外，有些暴能像再发新星那样以一种狂乱的步调爆发数次。有一个源的爆发发生得极快，爆发之间的间隔只有几十秒。
　　重复的爆发并不具有周期性。脉冲星的极为规则的周期是由于中子星的自转，而X射线暴的再发是由于氦在中子星表面的重复堆积和爆炸。观测表明，脉冲星的辐射从来没有爆发，而爆发源的辐射从来没有脉冲，而且，爆发源也不一定是再发性的。这意味着，X射线暴所在的双星系统比脉冲星所在的系统要老，因而前者的中子星已老化到失去了磁场，或者前者就是根本没有物质表面的黑洞。
　　X射线暴极为壮观，也极为稀少。估计每10亿颗恒星中只有1颗这样的星，所以银河系中总共只有大约100颗。这种稀少是由于双星系统X射线辐射阶段的短暂：对大质量系统而言，这个阶段只有1万年（低质量系统则要长得多），与恒星的一生相比只是一瞬间（图61）。在这段时间里，伴星膨胀到超出其洛希瓣，并且因转移的物质过多而在致密星周围形成一个X射线不能透过的稠厚包层，于是X射线源被熄灭。
　　　　　　　　　　　　伽玛射线景
　　还有更神秘的辐射源，其爆发是在伽玛射线波段。这些伽玛射线暴组成一个与X射线暴截然不同的群体，迄今没有观测到二者之间有任何关联。
　　这种暴是被偶然地发现的，这在天文学中倒是常有的事。美国和前苏联于1963年签订了禁止地面核试验条约之后，美国发射了一系列取名为维拉（Ve的军事卫星，其任务是监视条约的执行。如果苏方违反条约，核爆炸发射的伽玛射线就会被卫星探测到。使美国军方大吃一惊的是，卫星资料显示有一场爆发，而对世界和平来说幸运的是，美国科学家查明，伽玛射线爆发不是起源于地面，而是来自空中。这是60年代最重要的天文发现之一。
　　从那以后，由监视卫星探测到的伽玛射线暴已有500个以上，爆发的持续时间为几毫秒到几十秒。光子能量所对应的表面温度为开氏10亿度，如X射线暴一样，这样的高温也很像是由于物质对中子星表面的间歇式的加热。
　　伽玛天文学的主要问题是伽玛射线探测器的分辨能力太差，还不及X射线探测器，而后者的分辨能力已经是很差了，因此就难以确定伽玛源的位置并与其他波长上的辐射已被掌握的星作对照。但是，源的位置仍可通过综合几个（至少三个）卫星的观测资料来估测，这样误差就不会太大。而具体到伽玛射线暴，主要问题是，在由几个卫星估测的位置上大多数看不到什么特别的东西。于是有理论家提出，伽玛射线暴可能是孤立的中于星，或是与非常暗淡的白矮星结伴的中子星，这样可以解释为什么伽玛射线暴在爆发之前和之后不能观察到。按照这个模型，爆发也是中子星表面堆积气体的热核反应，但气体堆积速率比X射线暴低得多。这与前面所讲的新星与第一类超新星的对比关系相似，最低的吸积率反而造成最高能量的现象，如同第一类超新星的威力比新星大得多那样，伽玛射线暴的能量也高于X射线暴。
　　有一个很有名的伽玛射线暴，似乎是在可见光波段也被看到了，但是，如果这个证认正确，会带来很大的理论问题。这个暴是1979年3月5日在一个距离将近20万光年的超新星遗迹附近观测到的。按照这个距离所估算的爆发能量比银河系里其他的伽玛暴要高100万倍，而这是难以理解的。要么证认是错的，伽玛射线暴与超新星遗迹位置靠近只是一种假象，而二者实际距离不同（这是大多数有关的天体物理学家现在所认为的），要么我们不得不寻求比中子星吸积更奇特的物理机制。伽玛射线暴是今日天体物理的大难题之一。
　　　　　　　　　　寻找珍稀品种
　　从上面对X射线星的测览可以看出，寻找黑洞，首先的目标应当是那些既没有周期性也不是再发的X射线双星。挑选候选者的第一步程序是测量X射线光度在短时间内的振荡。任何源的亮度变化都意味着它的构造有了改变，例如膨胀或变形。由于没有任何东西能跑得比光更快，光源亮度发生整体变化的时间就不可能短于光跑过光源自身半径这段距离所需的时间。光在1毫秒钟运动300公里，所以一个在短于1毫秒的时间出现光变的源就必定极为致密。
　　光变的原因是什么呢？以恒星级黑洞为例，其直径只有几公里，但对光变来说重要的不是这个参量。这是因为，黑洞只有一个几何的而非物质的表面，X射线辐射就不是起源于物质对黑洞表面的碰撞，而是来自吸积盘。盘的内区是高温的、湍动的，有点像开始沸腾的水。盘是局部不稳定的，气体“泡”不时冒出，
　　要推算这样发生的光变的特征时间，首先必须明白吸积盘并不能延伸到黑洞表面，黑洞周围有这样一个区域，其中不可能有稳定的圆轨道运动。气体越过吸积盘内边缘后，就落到这个区域并消失于黑洞之中。这个过程是如此之快，以至于气体几乎没有时间来发出辐射。因此，那些造成光变的气泡就只能是在距离黑洞几个史瓦西半径的地方形成。这些泡的寿命极短，它们以接近光速的速度在一毫秒内绕黑洞转动一周，然后就消散在周围气体之中，辐射也就停熄。从远处看来，这就是X射线辐射的短暂爆发。
　　有数年时间，科学家们一直希望看到双星X射线源光度的这种极快变化，因为这将揭示恒星级黑洞的存在。有一个名为圆规座X－l的源，与一个年龄为十万年的超新星遗迹联系着，光度有快速振荡，故被认为是一个很有希望的候选者，但是完全搞错了。更先进的天文仪器观测到圆规座X－l和其他类似源的X射线暴，确凿地证明它们是中子星。为了发现X 射线源中的黑洞，我们必须寻找狂热活动现象以外的证据。
　　　　　　　　　　测量质量
　　先称一千次，再砍那一刀。
　　　　　　　　——土耳其谚语
　　黑洞猎手的最好武器是一杆秤。如果我们接受广义相对论和有关致密物质状态的几条合理假设，则一个稳定中子星的最大质量不能超过3M，而如果一个致密星的质量大于这个上限，则现代物理学所能提供的唯一答案是，那是一个黑洞。
　　不幸的是，分别地测量双星系统中每颗子星的质量是不可能的。天文学家能依据的只是可见于星的光学光谱，还得有个条件，就是它没有被吸积盘的光谱所掩没，因为这种情况时常发生。由多普勒效应造成的谱线周期性移动能提供双星的轨道周期，天文学家由这个周期就能用天体力学定律计算出所谓“质量函数”。这个函数含有三个未知量：两颗子星的质量和轨道面相对于观测方向的倾角。
　　要再往前走，就不得不作一些近似。按照光学子星的“光谱型”（见附录1）和光度可以得出它的其他物理参量：质量、半径，以及演化阶段。但是，这种称量恒星的方法只是依据其光谱型，会导致很大程度的不确定性。
　　另一个未知量，即轨道面相对于观测方向的倾角，通常是很难确定的，除非是有掩食现象的双星系统，这时才能对倾角限定一个范围（有无掩食表明我们是在从“侧面”还是从“上面”来看这个系统）。
　　有了这些近似，天文学家就能推算出他最感兴趣的致密星质量。他的结果有一定的“误差棒”：棒的中央是最可能的质量值，两端则分别是“最悲观”和“最乐观”的值。但是，由于现在的问题是要证实黑洞的存在，必须有最大程度的严谨，因此只有那些整个误差律都在3Mpe量限度以上的候选者才能予以考虑。
　　迄今找到的符合所有这些黑洞到据的X射线源只有三个。
　　　　　　　　　　　　天鹅座X—l
　　天鹅座X—1是1965年被一个由火箭发送的X射线探测器发现的，后来也被“乌呼鲁”观测到。1971年3月和4月，“乌呼鲁”记录到它的X射线光度的快速变化，后来还偶然地注意到这种快速变化伴随有一个射电源的出现。射电望远镜就比X射线探测器要精确得多，于是源的位置就被以很高的精度确定下来。在这个位置上还有一颗早已知道的编号为HDE226868的光学可见恒星，这颗明亮恒星的光谱型表明它是一颗质量在25M到4Mg间的高温蓝巨星。这种星是不可能发出如此大量的X射线辐射的，因此就必定有一颗致密的伴星在吸取它的气体，并加热到开氏几百万度，于是才能成为X射线源。
　　为证实这个推测，就必须对HDE226868的光谱作分析，探查作为光谱双星特征的宿线的周期性来回移动。结果是令人信服的，该星有着又6天的轨道周期。由谱线的最大移动又可以计算出轨道的尺寸，轨道极小，只有3000万公里。如果把HDE226868比作一只足球，则天鹅座X—l就像一粒沙子在距足球表面几厘米高的轨道上转动。
　　X射线源不受淹食，表明轨道面相对观测方向的倾角超过55“。有了这些参量，就可以推算出天鹅座X一l的质量。在过去的15年中，整个测量工作以越来越高的精度重复了多次，所得出的天鹅座X一1的最低质量为7M，远远超过中子星的最大允许质量。天文学家很可能已经找到了第一个恒星级黑洞。
　　　　　　　　　　　　　仍有争议
　　虽然天鹅座X一l的行为与对吸积黑洞的预期相符甚好，其他可能的解释仍需略作考查。
　　上述论证中相对脆弱的部分是由光谱型来推断光学子星的质量，然后用以导出天鹅座X －l的质量。更仔细的分析表明，也可以不这样做，而仅依据没有掩食来直接得出天鹅座X －l的质量下限。这样来计算质量时需要知道X射线源的距离，已被估计为6000光年，于是得出源的最低质量为3．4M，仍然足以排除中子星的可能性。但是，如果实际距离要小，则最低质量也随之减小，而距离又没有被足够精确地测定。只要距离真的缩短了10％，天鹅座X－l的最低质量就会降到生死攸关的3M限度以下。“另一个不那么严重的反对意见是，天鹅座X－l可能是一个三体系统，即可见的HDE226868星和两个不可见的伴星。不可见星可能是一颗中子星和一颗白矮星，靠得很近，因而有一个共同的吸积盘；也可能是一颗被尘埃遮掩的10MW量的正常星（类似御夫座埃泼西隆星）和一颗贡献X射线辐射的中子星。
　　三体系统模型有几个重要的难题。主要的是难以解释这样一种构型如何能形成并长时间地存在，因为三体系统是很不稳定的，只有一个很特别的演化状态除外。不过，如果天鹅座X－l是唯一的候选黑洞，那倒也不能排除它就处在那个特别状态。一个统计上可能性极小的状态，可能就对应着一颗性质与众不同的星，然而事实并非如此。过去十年中X射线资料的丰富积累已经显示，还有别的双星X射线源也像天鹅座X－l一样很可能是黑洞。对天鹅座X－l和其他类似系统，事实上黑洞模型是最稳妥的解释，因为它用的假设真少，因而符合科学方法论的主要定则：奥克姆剃刀（见“原初白洞”一节）。无疑地，观测到的恒星级黑洞的数量在今后几年中将会继续增多。
　　　　　　　　　　　　　　“三人帮”
　　急切要知道已知有几个黑洞的读者，可直接看图63，那里画的是恒星级黑洞“三人帮”的成员，且把它们的一些特征再描述一下。
　　其中名为LMCX──3的一个，并不在银河系内，而属于大麦哲伦云。大麦哲伦云是最邻近的两个河外星系之一，在南半球能用肉眼看到，得名于那位首先把它记在航海日志上的著名葡萄牙探险氛LMCX──3的光学伴星是一颗高温蓝色星，由其光谱型估计质量在4到SM 之间。致密星的质量则已估算出在7到14Mpe间。
　　如果对LMCX──3也像对天鹅座＊一l一样要求，就应该不用伴星光谱型而是依据距离来求出质量。与天鹅座X一1不同的是，已经知道大麦哲伦云的距离是间万光年，于是得到LMCX──3的最低质量为6M，所以它甚至比天鹅座X－l更为可信地是一个黑洞。
　　第三个候选黑洞称为A0620一皿。它在约3000光年开外，是一个属于“小质量双星”亚型的X射线源，因为那颗非致密子星是质量小于太阳的矮星。非致密子星已得到光学证认的小质量X射线双星系统大约有40个，但对其中大多数情况，由于X射线辐射太强，光学谱被淹没，因而不能确定轨道参量和非致密子星的精细性质。幸运的是，A0620to0在处于宁静态时辐射比较弱，不会掩盖其伴星的可见光辐射，于是光学谱就得以测量，并且确实给出一个周期为又75小时的光谱双星系统。由此得出A0620－00的质量最少有3．ZM（假定轨道倾角为最不利的情况），而且很可能超过7Mde
　　A0620—00系统最引人注意的性质是其尺度。它是如此之小，三体系统的说法更不能成立。有的天文学家（尤其是它的发现者）认为A0620一皿是最好的黑洞候选者。甚至可以说A0620rt）（是第一个被发现的黑洞，因为在一张1917年拍摄的微微座照片里找到了它，那时它正处在一场光学爆发之中，因而被归人了新星的范畴。
　　　　　　　　　　　　从恒星到星系
　　按照有关专家的估计，在过去一百亿年中银河系里平均每一百年有一颗超新星爆发，而每一百颗超新星中有一颗导致黑洞形成，那么银河系里就应该有一百万个恒星级黑洞。可是在双星X射线源中迄今还只找到三个可能的黑洞，这似乎颇令人失望。事实上还有几个源中也可能有黑洞，但误差较大，以至于还不那么肯定。这些潜在的黑洞中有也处在大麦哲伦云里的LMCX－l，还有半打河内的源。
　　黑洞探索者们还尝试过用估算质量以外的其他方式来考查他们的候选对象。测量短时标振荡就是其中之一，不过如上所述并不成功。另一个方法是依据所谓“相似性标准”，就是说如果天鹅座X－l是黑洞，则所有X射线行为与之相似的源就都很有可能也是黑洞。天鹅座X－l有一个特征现象，它的辐射有两种状态，“高”态和“低”态，其他少数几个双星X 射线源也有这种现象，因而似乎就也应是黑洞。但是即使这条标准也是模棱两可，在“三人帮”的其他成员中，A0620－00能通过这项考查，而＊＊＊＊司就不能。另一方面，有些符合这条标准的源又已被证明是中子星，因为它们有X射线暴，圆规座X－l就是典型例子。所以，考查黑洞的最好方式仍然还是称量质量。
　　放在前苏联的“格拉纳”卫星里的法国望远镜“西格玛”（Sigma）在1990年春天找到了一个明亮的X和伽玛射线源，看来是处在距银河系中心（见第17章）300光年之内。这个源有一个很讨厌的，但愿是暂时的名称IE1704．7──2942，被许多人看作是第四个恒星级黑洞。“西格玛”看来还探测到这个源的一阵反物质突发，以大量电子和正电子湮灭的形式出现。按照一些高能天体物理学家的观点，只有黑洞周围才具备产生大量正电子的极端物理条件。
　　最后，还有这样的星，不属于X射线双星范畴，但也可能是黑洞，尽管这很难证实。前面已讲过仙后座A（见“近处遇奇花”一节），它是天空中最明亮的射电源之一，并与一个超新星遗迹有联系，它的爆发大约是在1670年，但不如预期的那么明亮。这个超新星遗迹并不包含有脉冲星或X射线源，所以有可能那颗爆发前恒星的质量非常大，其核心直接坍缩成了黑洞，使得不能出现很亮的超新星。
　　银河系里最难捉摸的星之一是SS433。它的奇特不仅在于有很强的光谱线，而且在于谱线还分成对称的两组，都在一个正常位置附近以164天的周期来回振动，于是总有一组线红移而另一组蓝移。
　　用多普勒效应来解释谱线移动，则发射源的速度高达78000公里／秒。一颗星怎么能以这样高的速度运动呢？关键线索在于，这些谱线不是那种由于恒星外层的滤光作用而形成的吸收线，而是由热气体发出的发射线。这两组谱线分别来自两股从中心星发出的对称的气体喷流，两股喷流交替地趋近和远离地球，射电波段的观测已经证实了喷流的存在。
　　另外，对SS433的光谱分析表明它是一个双星系统，包含着一颗致密星，或是中子星或是黑洞，究竟是哪一个呢？一直争论到1四1年，由欧洲国家合作进行的可靠测量才得到了致密星的质量只有0．SMop太小而不足以成为黑洞。但是SS433对天文学家仍极有吸引力，这是因为它的罕见的气体喷流。建立这个系统模型的努力已经促进了吸积盘理论的进一步发展。为认识喷流的起源，首先要明白一颗致密星，无论是中子星还是黑洞，都不能吸积任意大量的物质，因为吸积过程中产生的辐射会对周围物质有推斥作用。吸积盘类似于依靠核心热核反应提供的辐射压来维持平衡的大质量恒星，盘的平衡也是由引力和辐射压这两种相反的力来维持。
　　如果提供气体的伴星膨胀到超出洛希瓣，并开始倾泻致密星所接受不了的过量物质，那将会是什么后果呢？超额的物质必定被喷射出来。很显然，积聚在盘中的气体在盘面方向上遇到的阻抗最大，因为新的气体在不断到达，于是阻抗最小的路径就是沿与盘面垂直的方向，致密星也就朝这个方向喷射过剩的气体以减轻自己的超负荷。SS433喷出的两股强有力的气体流可能就是这样一个过程（图64）。
　　更有趣的是，SS433还是大得多的尺度上活动星系核心和类星体现象的一个极好标本，那里也有着来自致密源的极高速的成时喷流，当然中心源的质量就不再是3或10Mop而是上千万或上十亿Mop这样的质量就绝不是一个中子星所能具有的了，这就是下一章
　要进人的巨型黑洞的王国。
　　　　　　　　　　　第十七章　巨型黑洞
　　当一个黑洞作为恒星引力坍缩的结果而形成时，它所能具有的最大质量约为10倍于太阳，但是，引力坍缩理论允许我们设想千倍、百万倍甚至几十亿倍太阳质量的黑洞（见附录2）。什么过程能够产生出巨型黑洞呢？
　　已经知道三种这样的过程。第一种是已在第15章提到过的早期宇宙中团块的凝缩；第二种是由于作为黑洞特征性质之一的质量不可逆增长的趋向（对现在的情况，微型黑洞的量子蒸发当然完全可以忽略），条件是周围环境的物质足够丰富，因而一个由超新星产生的初始质量为10M的“恒星级种子”能够长成巨型黑洞；第三种则是由恒星团的引力坍缩而直接形成。
　　除了可能的原初起源之外，巨型黑洞的形成需要大量的以恒星或星际气体形式存在的物质，还需要这些物质被限制在一个足够小的区域内，因而其演化过程是由引力支配的。宇宙中物质在星系里的集中程度远胜于星系际空间（至少能发光物质是如此），而星系内物质最集中的部分是其核心。假若有巨型黑洞，则星系核心是首先应该搜寻的去处，且从我们的银河系开始吧。
　　　　　　　　　　银河系画像
　　啊，银河，
　　真像天国的河在缓缓流淌，又如美人的身体发着幽光。我是沿着你游向另一个世界，还是只能空怀着爱意满腔？
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——归劳默·阿波里纳瑞
　　银河系是一个直径10万光年，厚300光年的盘，正好与密纹唱片直径和厚度的比例一样。银河系中心是一个大的隆起区，即所谓核球，盘和核球都被包在被称为曼的稀薄得多的恒星球中（图65）。
　　银河系里大约有1000记颗恒星，大部分是在盘里。太阳的位置比较靠外，距离银河系中心约3万光年。盘里除恒星外还有气体和尘埃。盘中物质的分布很不均匀，在旋臂里比在别处密集得多，正是这些旋臂给出银河系的特征形状。
　　盘在不断地经受着动力学和化学的转变。旋臂在转动和变形，臂中巨大的氢分子云里诞生出恒星；较大质量的恒星迅速地演化成为超新星爆发，并把复杂的化学元素散布到周围空间，这些元素又被吸收到新一代恒星之中。与之相反，晕是寂静的，保持着星系的原始风貌。晕中的气体已消散殆尽，只有可能是150亿年前与星系一同形成的老迈恒星。所有的大质量恒星早已爆发，留下中于星，也许还有黑洞。中等质量的恒星已经离开了主序阶段，其中一些已经变成白矮星；另外的正在经历着大动荡，那就是脉动的红巨星，光度很大而又在起伏变化。最后，晕中还有许多低质量星，它们很节俭地使用着自己的氢燃料，还将存活很长的时间。
　　曼的最重要特征不是居住其中的恒星的性质，而是恒星作为球状星团而聚集在一起的方式。
　　　　　　　　　　　球状星团
　　与所谓“开放”星团，即多见于盘中的由年轻恒星组成的松散群体不同，球状星团在星系球中到处可见。每个球状星团含有数十万颗恒星，直径不足150光年，它们看上去就像由引力所束缚住的固体球。最有名的一个球状星团是在武仙座，虽然整个地可用肉眼看到，却要用强大的望远镜才能把那个明亮的球分解成单颗的恒星。这个星团中心的恒星密度比我们太阳附近高2万倍。如果星团中心某颗恒星周围的行星上居住着天文学家，那么他们所研究的天空真是妙不可言。那里可以说不知道什么夜晚，因为天空总是比我们的满月时还要亮。那些天文学家对恒星有满腹学问，而对河外的星系却几乎一无所知，因为星系微弱的光信号会被他们附近的恒星光所淹没。
　　这种在很小体积内聚集了众多恒星的星团之所以特别明亮，还由于它们包含有巨变星。正因为明亮，它们还被用来确定银河系的边界（大多数其他星系里也有球状星团，无论是什么类型的星系）。
　　球状星团的分市还使得天文学家能测定银河系的动力学中心。它们沿着根扁的椭圆轨道运转，银河系中心就在一个焦点上。它们绕银心公转一周的时间大约是2亿年。由于公转，就频繁地有球状星团穿过星系盘。每次穿过时，强大的潮汐力就会把星团边缘那些束缚得不够紧的恒星剥掉。
　　正因为球状星团的致密，它们复杂的演化详情尚未被充分认识，现在还不知道其中心是否有大黑洞作为恒星聚合的结果而形成。然而，它们演化的总轮廓仍可概述于下。
　　球状星团都有蒸发现象，正像恒星以热和光的形式辐射能量一样，星团也由于抛射出整个的恒星而失去能量。原因相当简单：恒星在互相掠过时都获得加速，小质量恒星的加速度比大质量恒星的高，其中一些的速度会高到足以挣脱星团的引力束缚。星系晕可能就是球状星团的“蒸汽”。
　　作为补偿，剩下的大质量恒星就会互相靠拢，整个星团收缩，但星团与恒星是根本不同的，恒星会开始热核反应来阻挡住引力收缩，从而稳定下来，而星团则会把收缩能量又转变成动能，从而进一步增大恒星的速度，使得越来越多的恒星获得足够的能量逃脱出去。蒸发和核心部分的收缩都在加快，也就是说星团是不稳定的。星团的这种蒸发使人联想起微型黑洞，这并不奇怪，因为二者都有着纯引力系统的热力学性质（已在第14章讲到），它们的温度都随着能量的丢失而升高（星团的温度可由恒星的平均骚动速度来定义，正如气体的温度是联系着分子的平均骚动速度一样），星团的这种不稳定性会导致其核心的引力坍缩，这被称为“引力热灾变”。
　　天体物理学家因而有理由设想，球状星团核心适合于质量为数百或数千M的大黑洞形成，这种黑洞是中心引力饼底部的大质量恒星并合的结果。这个理论设想得到一些观测证据的支持。如果球状星团中心有一个大黑洞，被吸进引力讲的恒星就必定会聚集在被黑洞所束缚的轨道上，因而就会增强中心光度。有几个老龄球状星团的确呈现出这种中心光度“尖峰”。另外，约有10个球状星团还是X射线源，与球状星团包含的恒星总数相比，这就是一个相当大的比率。银河系里已知的明亮X射线源总共约有50个。银河系的总质量是1000亿Mop 而所有球状星团的总质量只占其中的1／2000。如果球状星团里X射线源的数量与恒星数量之比与银河系中一样，那么在任何一个球状星团中都难以找到一个X射线源，而事实上却有10个，这表明球状星团是很有利于产生X射线源的场所。X射线源通常联系着能捕获周围气体并加热到开氏几百万度的致密星，一个质量为1000M的黑洞当然也可以吸取其周围恒星所丧失的气体并使之发出X射线。
　　但是，实际情况并不像乍看之下那样有利于黑洞。最近的观测和理论进展倾向于否定球状星团中大黑洞的存在，理由如下：如果球状星团的动力学演化总是以大黑洞的形成为终结，那么就应该有许多球状星团有中心光度峰，然而这种峰只在少数几个星团中被观测到。于是就必定有一种机制能够打断星团核心的引力坍缩，使之稳定在一个“正常”尺度上，这就是双星系统的形成。
　　这是一个很自然的解释，但我们还必须等待大型计算机的复杂数值计算，以证实小空间内许多恒星的相遇的确有刮于双星系统的形成。按照天体力学，一旦球状星团中心有一个大质量双星系统形成，任何一个太靠近该系统的恒星就会被引力反冲抛射到远处，这就是“强求的”双星系统的形成能够中断星团核心收缩的基本道理。许多球状星团也是X射线源这一事实是双星存在的另一证据。由于球状星团的X射线源并不比星系盘上的源亮很多，也的确没有理由再去引入有别于密近双星系统里中子星或黑洞吸积气体的机制（见第16章）。此外，球状星团的源常是X射线暴，爆发一般持续数秒钟，这种现象通常也归因于有伴星共存的致密星。
　　最后，提高了分辨率的X射线探测器已经查明，球状星团X射线源的位置与星团中心稍有偏离，而一个大黑洞会支配星团核心区域恒星的运动，因而就该占据星团的中心位置。
　　所以，球状星团中心大黑洞的假设最近已“声名扫地”。但是，在银河系的几百个、在巨大椭圆星系梅西叶87的匕0皿个球状星团里，质量足够大的团产生出中心黑洞的可能性是不能排除的。
　　　　　　　　　　人马座的银心黑洞
　　银河系的动力学中心是在人马座方向，但被大量的气体和尘埃云所遮掩。那里发射的可见光波段的光子，每1 亿个中才有1个能在经历3万光年的行程后到达地球，在这种情况下，传统的望远镜是没有什么大用处的。对天文学家来说幸运的是，电磁辐射有宽广的谱，从射电波直到伽玛射线。这个谱中的射电、红外和X射线辐射不受尘埃云影响，所以银河系中心可以用射电望远镜和卫星来研究。
　　银心的直径是30光年，其“热”光度（即所有波长辐射贡献的总和）是太阳光度的1000万倍，那里有两个射电源。一个是人马座A东，具备超新星遗迹的所有特征；另一个是人马座A西，是两种类型的射电辐射的复合：一种是热气体云的自然“热”辐射，另一种则来自人马座A西的中心，不是热辐射，而是速度接近光速的电子产生的所谓同步辐射（见下文“五点特征”一节）。
　　这个“非热”射电源被称为人马座A，是银河系里最强的射电源，其光度10倍于太阳的光学光度，然而最引人注意的还是它的致密性：辐射是来自一个尺度小于30亿公里的小区域，这个尺度与土星的轨道或红巨星的直径相当。在这样小的范围内不可能放进一个星团，因而射电辐射是来自单一的源。只有很少几种源能发射射电波，即脉冲星、超新星遗迹、双星X射线源以及大质量黑洞，不妨逐一予以考查。
　　不可能是脉冲星，因为已知最明亮的脉冲星的光度也比人马座A＊小1万倍，况且来自银心的射电辐射从未有过脉冲，而且非常稳定。
　　也不可能是双星X射线源。这种源在所有波长上的辐射都有振荡，其平均射电光度比人马座A＊小10万倍，即使爆发时的峰值也只及后者的十分之一。而且，一方面人马座A＊的射电光度相对于密近双星系统而言过强，另一方面其X射线光度相对说来又太弱。
　　爆发不久的超新星遗迹可以是强射电源，但这种解释的困难在于，膨胀速度将远大于人马座A＊15公里／秒的观测值。
　　人马座A＊不可能只有通常恒星那样的质量。假如是那样，该射电源就会具有银心区域恒星的典型速度，即150公里／秒，于是该源就会表现出在天球上的缓慢运动，然而从未被观测到。相反，观测证实该源是静止在银河系中心，因而其质量必定大于恒星。所以，一个质量为数百万MW处在缓慢吸积状态的黑洞，才是唯一能与所有射电天文观测相吻合的模型。现在，这个模型必须由对银心另一个“窗口”的观测来检验，这就是红外观测。
　　红外天文学是随着由IRAS（红外天文卫星）等卫星携带的精密探测器的升空而开始的，迄今不过数年历史。已经发现，人马座A＊的致密射电源位置与一个被称为IRS 16的红外源几乎完全重合。这个红外源非常致密，银心30光年区域的总光度可能几乎都由它贡献，它也加热和照亮人马座A西的气体，那么它的本质是什么呢？
　　恒星处于红巨星阶段时是很强的红外辐射源。通过测量IRSI6的红外辐射流，是可能追溯出作为辐射源的红巨星的。再假定一个“正常”的红巨星比率，就可以推出IRS16中的恒星分布。用这个方法得出，必定有200万颗恒星在半径为5光年的范围内运动，这是极高的恒星密度，比球状星团里的还要高1000倍。
　　但是，红巨星并不是唯一的红外辐射源。光谱测量显示，围绕IRS 16的轨道上的气体云被加热到了开氏300度，也发出红外辐射。如果红巨星能被用来推测恒星密度，那么气体云的运动就能指示出IRSI6的总质量这个重要信息。这里作了一个简单假设，即气体是在引力作用下作圆周运动。于是，由多普勒频移计算出来的云的轨道运动速度就提供了对中心质量的直接量度，这样得到的结果是在500万到800万Mpe间。既然这个区域里恒星的总质量只有200万MC那就必定有300万到600万M的看不见的质量。银心巨型黑洞的模型因而得到红外天文学的强有力支持（另外，已探测到的X射线和伽玛射线辐射也表明致密源的存在人最后还应该考虑一下X射线区域。1990年发射的法国一前苏联卫星西格玛是把银心作为首要目标的。第一个意外是发现了一个强大的X射线源，但其位置并不与人马座A＊或IRS16重合，而是至少相距300光年。与已经被说得太多的相反，这个发现根本不与大黑洞的存在相抵触，因为黑洞若不吸积，也就不会发出高能辐射。如第16章中所述，西格玛所探测到的X射线源可能是一个黑洞，但却是一个双星系统中的恒星级黑洞。
　　现在许多天体物理学家都同意银心由三重结构组成。首先是一个“暖”气体盘，它还有一个延伸到距中心5至30光年的“冕”，冕中聚集着许多物质团块，这个盘的内边缘被中心辐射源强烈地加热。第H是在冕以内的一个半径为5光年的腔中有总质量为200万M回的恒星组成的非常致密的星团。最后，在中心是一个质量在300万到600万Mgh间的、缓慢吸积着的黑洞（也有不无道理的争议，说是气体云的运动可能不是圆周的，甚至也不是由引力支配的，而是在中心星辐射压推动下的喷射。在这个假设下300的中动质量就足以解释云的观测速度）。
　　还要注意，一个300万吨黑洞的直径是对皿万公里，这比目前仪器所能分辨的区域的尺度要小100倍。仪器的分辨率在今后几年中无疑会得到改进，但仍须记住，从地球上看去的银心黑洞角径，就跟一个放在1皿万公里外的网球一样大。
　　关于隐藏在银心的、与拉普拉斯的预言类似的巨大不可见星的猜想，是由德国天文学家约翰·舍尔德勒（Johann Seldner）于1801年首先提出的。不过他的目的简单地只是要解释银河系的自转，但他发现需要的质量大得难以相信，于是又立即放弃了这个猜想。关于银心巨型黑洞的第一个严肃的预言是在1971年作出的，那时还没有什么射电和红外资料支持。预言者是剑桥大学的唐纳德·林登一贝尔（Donald Lyndenrae购和马丁·里斯（Martin ReeS）。这其实是林登一贝尔的一些较早工作的合乎逻辑的结果，他在1969年建议所有星系的核心都隐藏有巨型黑洞，其周围的辐射能流则由可得到的气体原料数量来调节（两位俄国天体物理学家，雅可夫·泽尔多维奇和伊果·诺维柯夫（IgorN。Vik。V），于1964年提出，落向超大质量黑洞的气体吸积可能是类星体的能源）。
　　河外天文学的发展倾向于支持这个设想。与活动的赛弗特（Seyfert）星系尤其是类星体比较，人马座的黑洞就相形见细了。然而，近来似乎有比过去已观测到的多得多的剧变事件在银河系中心发生。当有200万颗恒星被束缚在巨型黑洞附近时，平均每1万年就会有一颗恒星偏离其圆轨道而落向黑洞，于是它就会被巨大的潮汐力所粉碎（这将在下面谈到）。一部分碎片将被黑洞吞噬，从而出现几十年时间的活动期，其余的碎片则被抛入一个很扁的轨道。已有人在认真地考虑，在IRS 16中观测到的暖云会不会就是在过去100万年中被黑洞撕裂的恒星碎片，这些云的数量与每1万年碎裂一颗恒星的频率是相符的。
　　所有这些似乎都表明，我们银河系的中心是那些发生着剧变现象的遥远星系中心的一个缩小版本。
　　　　　　　　　　　　星系世界
　　天文学家用现代望远镜能看到几十亿个星系。就像以前市丰（Buffon）对动物作分类那样，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在本世纪初也将星系按形态分成椭圆、旋涡、棒旋和不规则的这几类。前面已经看到，银河系是一个旋涡星系，有三个组成部分，即核球、有结构的盘和弥散的晕。棒旋星系通常也有两条卷曲的旋臂，但中心是一个律状部分。不规则星系类似旋涡星系，但没有晕和核球。而椭圆星系则没有盘，却像旋涡星系那样有很大的核球和曼。椭圆类型中有着最大的星系，群集着上万亿颗恒星，椭圆星系的主要特征是只包含恒星，而几乎没有气体。
　　一般认为，所有星系的年龄都相近，即150亿年，它们的形态不同是因为有着不同的“新陈代谢”。星系的新陈代谢是气体转化为恒星的速率，这也是星系“生命”的标志。这样看来，椭圆星系是初始转化速率最快的，绝大多数气体云还没来得及相互作用并逐渐落到盘上，就已经转变成了恒星（两团气体云的碰撞会耗散大量的轨道能量，使得它们落向星系的“赤道面”）。旋涡星系则不同，其初始代谢作用很慢，直到气体已在盘上铺开以后，恒星形成过程才发生。不规则星系则介于二者之间，不到一半的气体已变成恒星，因而也就没有一个确定的形态。
　　单从代谢作用来看，星系的演化似乎是相当平静的。椭圆星系里代谢过程已经冻结，旋涡星系里则有着一种缓慢地缩减的循环，即恒星诞生，毕生锻造着重元素，继而爆发使周围气体加浓，然后是新一代恒星形成，每一代新恒星都吸收进前一代制造出来的元素。
　　　　　　　　　　　　　活动核
　　天文学在过去30年中的革命性进展之一是认识到星系不只是产生恒星光。有些星系的核心隐藏着本质上不同于恒星的强大“非热”辐射源，银河系就是最显而易见的一个，尽管其核心产生的能量只及其盘和晕中10皿亿颗恒星总辐射能量的千分之三。但是，在已观测到的星系中有那么百分之一，其中心活动非常之强，在一个小到像太阳系那样的区域里产生的非热辐射能量超过星系其余部分辐射能的总和。这些活动星系核的中心有着极为强大的“发动机”。
　　类星体（这是60年代初发现这类天体时所起的名称“类似恒星的天体”的简称，因为它们的点状表象类似于恒星。后来的更先进的仪器已经显示出它们周围的星云状结构，它们实际上是遥远星系的明亮核心。）3C273是用以描述活动星系所提出的问题性质的一个极好样本。在所有的天文现象中，类星体无疑是最有刺激性的，这是因为它们辐射大得令人难以置信的能量。3C273与地球的距离为30亿光年，比普通星系亮1000倍。它看上去是一个点源，因而尺度必定很小，测量结果其直径小于1光年。它的体积与银河系相比，就如同埃弗尔铁塔与地球相比，它的辐射能量又怎么能比银河系强上千倍的呢？
　　活动星系核的全部问题都由这个极端的样本体现出来。我们今天关于活动星系核的“中心发动机”如何运转的知识，相当于60年前关于恒星内部结构的知识，我们那时还不知道恒星是由其核心的热核反应来提供能量。由于核物理的进展，我们才得以理解为什么恒星会具有观测到的质量和光度，才能计算它们的结构并追踪它们的演化。对星系来说，现在还根本没有得出这样清楚的图像，然而，巨型黑洞对周围物质的吸积，其作用可能类似于恒星中热核能量的释放。下面就来解释这是什么缘故。
　　　　　　　　　　　　五环难题
　　活动星系核家族包括许多种类的河外源，如类星体、射电星系、赛弗特星系、蝎虎型天体、爆发星系等。对每种类型观测特征的详细描述将超出本书的范围，我们这里主要关注的是它们的共性，尤其是它们对天文学家提出的难题：中心发动机的实质是什么？这个难题可以分为五个部分，即辐射的非热性质，质量的高度集中，光度的变化，延伸到很远距离的气体喷流，以及与正常星系的相似性。
　　活动星系核可以在几乎所有波长上被观测到：射电、红外、可见光、紫外和X射线。最引人注意的特征是辐射谱的形状，即辐射强度作为频率的函数的分布，它与恒星或恒星集团的不同。恒星表面的辐射与理想黑体（见“黑洞与黑体”一节）辐射很相似，可以由一个特征温度来表述，被称为热辐射，而活动星系核的辐射却是非热的。最明显的例子是射电星系的同步辐射，即由以接近于光速的速度在磁场中运动的高能电子发出的辐射。
　　　　　　　　　　　质量心理学
　　许多理论和观测上的论证表明星系核心物质是高度集中的。第一条论证是对任何一个源发出辐射总量的很一般的限制，与源的具体性质无关。一个质量一定的物体的辐射光度不可能超过一个被称为爱丁顿光度的临界值。道理很简单，一个稳定辐射源，其辐射所具有的外向压力不可能超过把源物质维持在一起的内向引力（这里的前提是稳定源，超新星的光度远远超过爱丁顿光度）。爱丁顿光度是这两种力相等的极限情况。假如太阳的光度增大25万倍，它就会蒸发，因为它的引力已不足以维持自身气体的聚集。一些温度很高的年轻巨星的辐射很接近爱丁顿光度，因而很快地“吹走”自己的气体外壳。如果辐射源不是一颗恒星而是一个在吸积气体云的黑洞，气体云辐射的压力就不可能超过黑洞对气体粒子的引力，不然的话粒子就会被推开，吸积也就停止。
　　假定活动性很强的星系核是以爱丁顿光度辐射，则对它们光度的测定就能给出对质量的估计。活动星系核的光度在太阳光度的1000亿倍到107亿倍之间，因而它们的质量在100万到100亿Mpe间，最高的质量对应着最活动的核，即类星体。
　　支持大质量中心发动机思想的第二个理论证据是效率，源的光度总是一定质量转化为辐射能的结果。先来考虑恒星中心释放的热核能量，这已被习惯地看作是很有效地把质量转变成能量的机制。当1000克氢转变成氦时，只有7克质量损失——转变成辐射能（见“火的抗争”一节），也就是说热核反应释放能量的效率只有0．7％。假如活动星系核释放的能量也是由于热核反应，那么一个类星体就得每年消耗
　　1000个太阳质量才能实现其光度。有很好的理由相信类星体的状态持续数百万年之久，这就是说一个类星体所消耗的总质量相当于整整一个星系。如果再进一步考虑到所涉及的体积又很小，那么这个要求确是太过分了。是不是有比热核反应更有效的机制呢？
　　由前面所讲的双星X射线源已可看到，强引力场中的能量释放堪当此重任。当吸积盘中的1000克氢缓慢地落入黑洞时，约有100克质量转变成能量，这个效率比热核反应的高得多。正是这种对可由引力场中获取巨大能量的认识，鼓舞着天体物理学家借助于致密天体来解释最剧烈的天文现象，无论是恒星尺度上的新星和X射线源，还是大得多的尺度上的星系核。一个新的充满活力的天体物理分支，即相对论天体物理，在对年代兴起，它所研究的就是致密天体引力场中物质的行为。
　　如果没有观测证实，则关于活动星系核中集中着巨大质量的理论设想就只是一种设想。有两个方法可以近似地测量星系核的质量，但只适用于邻近的星系（类星体不用这种测量，其质量可由光度来得出）。第一个是依据星系核附近恒星光的分布，如前所述，这个方法已被用于研究球状星团的中心（见“球状星团”一节）。如果有一个中心大质量存在，恒星就会被吸引而会聚，光度就会急剧增大。第二个方法是由核心周围物质的运动来推导中心质量，已被成功地用于银河系中心（见“人马座的银心黑洞”一节）。对河外星系的情况，核心附近恒星的速度可以测量，老认为恒星在作圆周运动，则中心质量值可以被推算出来。
　　这两个方法在1978年被成功地用来测量椭圆星系梅西叶87的核心质量，该星系是天空中最强的射电源之一。结果表明中心质量在30亿到50亿M之间，此外，梅西叶87的核心也不及全由恒星组成的那样明亮。这可能是对超大质量黑洞的首次观测发现。但是，像银心的情况一样，有理由对恒星速度的估计提出疑问：如果恒星是在沿径向运动而不是作圆周运动，中心质量就不会有那么大。
　　继梅西叶87之后，对邻近星系的核心作了系统的研究，活动核（如赛弗特星系的情况）的中心质量一般估计为1000万到1亿M之间。目前的记录保持者是NGC6240，它看来有一个质量为500亿M的巨大暗核。当然，“引力发动机”要有高效率，质量就得不仅是很大，还要报集中。对射电星系，可以用长基线干涉仪（即将多架射电望远镜分置于地球上各大洲，相隔数干公里，分辨能力就大为提高）来直接测量辐射核的最大尺度。对分辨得最好的邻近源所得的结果表明，中心质量被限制在小于1光年的范围内。
　　　　　　　　　　　　　光变
　　对那些不是射电源的活动星系核，可以由光变来间接地确定其尺度。
　　第16章已讲过为什么一个源的光变可以指示出其尺度，这是因为源的构型的变化不可能传播得比光速更快。比如说，如果一个活动核的光度在一天里发生了可觉察的变化，则这个源的尺度必定是在1光天，即260亿公里之内。
　　前面也讲过，一个源的光度可以用来计算其质量，显然，源的尺度必定大于同质量黑洞的史瓦西半径。质量为1亿M的黑洞的尺度约为1光小时，于是1个1亿Mpe量的活动核就不可能在短于1小时的时间内发生光变，因此，源的特征光变时间就成为其致密程度的重要标志。
　　多数活动核的绝大部分辐射是在一个到几百个史瓦西半径之间的区域发出的。一个光变特别显著的活动核是OX169其X射线光度在100分钟里增至3倍，表明中心辐射源尺度与土星的公转轨道相当。显然，需要有一种特殊的致密源来为类星体提供能量。
　　　　　　　　　　　　宇宙喷流
　　半人马座A是最邻近的射电星系，距离为1600万光年。它并不是一个很强的源，但有两条壮观的电离气体流从星系中心的两侧喷出，并远远越过星系的光学边界而延伸到100万光年之遥。这种宇宙喷流的终止处是发出同步射电辐射的云块，被称为瓣。
　　在可见光段半人马座A是一个非常美丽的天体，像是一个隐藏在尘埃层后的椭圆星系。它的核心有一个小的变化的射电源，尺度为光小时量级。虽然校的射电功率相当低，但它注入瓣中的能量却相当于几百万颗超新星爆发，这表明半人马座A的活动性很强，其中心发动机的质量至少为1000万Mop。这种双喷流结构不是半人马座A所独有的，而是射电活动核的一个显著特征。近几年中，天文学家已使用长基线干涉仪分解出喷流像俄罗斯套娃娃那样的结构。长度为几光年的微喷流从致密核心射出，并与延伸到数百万光年远处的大喷流精确地连成一线，这样长距离上严格瞄准的气体结构表明，发出喷流的中心源对方向的“记忆”能保持数百万年。这种宇宙喷流是在像SS433（见“从恒星到星系”一节）这样的恒星系统里观察到的喷流的放大形式。这种类比进一步支持了大质量转动致密天体作为中心发动机的思想，转动轴的方向也就是气体喷射的方向。
　　马丁·里斯建议，那些显示最剧烈光变的活动核，其“喷气”方向正巧朝着地球。这个主意是为着解释一类令人困惑的活动核，即所谓蝎虎型天体（这类星系中的第一个是在蝎虎座发现的，起先被以为是一颗变星，1968年才被证认为河外射电源）。它们最引人注目的特征是光变比其他活动核更快，也更强烈。它们的光变时间短到只有几个小时，以至于其辐射似乎是来自一个比同质量黑洞的尺度还要小的区域。还有一个重要的差别：其他活动核的光谱有很强的壮，发射线（类星体的距离正是利用其发射线的红移来确定的），而竭虑型天体的却几乎是“无线”谱。按照普遍接受的观点，发射线是产生于中心源周围受到照射的巨大气体云，所有的活动核都必定有这种云。
　　里斯的朝向地球喷流馍型同时解释了蝎虎型天体表现上过快的光变和发射线的缺乏。由于使义相对论效应，一个速度接近于光速并朝着观测者运动的喷过，其光度会被放大，而表观光变时间会变短（还可以解释为什么有些喷流看上去运动得比光速还快）。而如果蝎虎型天体的喷流确是朝向地球，来自靠近中心处的发射线就会被喷流的极强辐射完全淹没。
　　　　　　　　　　　　　连续与变异
　　对“正常”星系，也就是核心光度弱于其余部分的星系的观测表明，它们有许多与活动星系共同的性质。最明显的例子是银河系，其核心是一个具有高度集中质量的射电源。看来可以合理地设想，活动星系核并不是什么外来的怪物，而是处在有利于中心活动的演化阶段的星系。
　　活动星系核最重要的性质是具有高度集中的大质量。前面所讲的观测方法能用来估计任何一个邻近星系核的质量值，只要它不被尘埃所遮掩。这些方法对邻近星系核的应用已经在过去几年产生了，并正在继续产生出惊人的结果：中心大质量的存在似乎是几乎所有星系的共同特征，无论是旋臂型的还是椭圆型的，是巨型的还是矮型的。在众多的事例中，这里只介绍特别有趣的两个。
　　银河系属于一个约有20个成员的星系群，居于支配地位的是仙女座大星云。它与地球的距离只有200万光年，用肉眼即可看见。它是银河系的近亲，也是旋涡星系，化学成分相同，也有小的卫星系，只是尺度比银河系大了将近一倍半。由于它的盘面不与观测方向平行，它的不活动核心可以用光学望远镜观测，并且可以测量核心附近恒星的分布。最新的计算表明，它的暗弱中心的质量为
　　1000万M，这个星系有着型号挺好的中心发动机，不过没有运转。
　　梅西叶32是仙女座大星云的卫星系之一，是一个质量相差一百倍的矮椭圆星系，完全不活动，只不过是一群绕核心转动的高龄恒星的集合而已。气体和尘埃的缺乏使得可以很高精度观测其核心部分，并得以计算出恒星是在围绕一个500万M／wi的看不见的中心质量运转。这个矮星系的心脏和银河系的一般大。
　　由此可见，如果大多数星系的核心都有着巨型黑洞，那么它们活动的程度则取决于见光年半径内恒星和气体，也就是“燃料”的密度。梅西叶32虽有巨大的发动机却完全不活动，也就不足为怪，因为这个椭圆星系很小，包含的恒星不多，并且完全没有什么气体。梅西叶87是另一个极端，这个巨大的椭圆星系里可能有一个50亿M的黑洞。它的核心有一定的活动性，但比类星体要弱得多。按照它的光度来推算，每年只需有万分之一太阳质量的气体被吸入黑洞即可。这个数量的物质是很容易由黑洞附近的数百万颗恒星来提供的，因为恒星在其演化进程中丢失气体是一种正常现象。梅西叶87有可能是一个熄灭了的类星体，那个类星体的马力开得最足的时期大约是在10亿年前，那时尽管它距离地球有5000万光年之遥，亮度却与水星相当，因而应能在夜间用肉眼看到。
　　　　　　　　　　　其他能源机制
　　探测到活动星系核中物质的高度聚集，还不是巨型黑洞存在的确定证据。原则上，其他两种天体也同样可以成为致密的和高效的发动机：极端密度的星团和单个的超大质量恒星。这些参与竞争的模型能经受得住更严格的考查吗？回答是否定的。
　　星团模型的基础是星团内异常的超新星爆发率。超新星作为大质量恒星热核演化的自然结果，在统计上是很稀少的：一个星系里每百年只有几个。但是，在很密集的星团里，超新星爆发的频率会由于恒星碰撞而增大。两颗恒星碰撞的结果，通常是并合成一颗大质量星，这颗星就会更快地朝着超新星状态演化。计算表明，在一个包含10亿颗恒星的密集星团里，恒星间的碰撞是如此频繁，可能形成的大质量恒星是如此之多，以至于每年可以有10次超新星爆发。
　　星团模型有三个主要问题，首先，它不能解释类星体和蝎虎型天体光度的巨大变化。相对于类星体的烈火来说，每个超新星爆发只是燃着一根火柴，为产生类星体的光变，必须有一千个超新星同时爆发。其次，星团不能产生出大尺度的稳定的宇宙喷流，因为它不能给定一个特别的方向来推斥物质。第三，也是最严重的反驳是，致密星团是极不稳定的。聚集在1光年半径内（这是由观测给出的限制）的10亿颗恒星的集团，只能维持100万年就会坍缩成为黑洞。这么多活动星系校要在这么一个短暂而特殊的演化阶段都被观测到，那可真是一个奇怪的巧合。奥克姆剃刀再次干预，排除了致密星团作为活动星系核能源机制的可能性。
　　超大质量恒星模型的遭遇也不见得好。恒星结构的理论已经说明了为什么观测不到质量超过100M的恒星。不过，天体物理学家仍在不断地推测10万到1亿M的超大质量恒星的存在。这种恒星的主要特征应当是极其明亮，但这也正是问题之所在：这种星只是一个巨大的光子球，而光子球并不是稳定的系统，即使这种星通过某种尚无人知晓的机制形成了，它们也必定很快就爆发或是坍缩。
　　由于此路不通，又有几个超大质量星的变种被发明出来，以期能维持巨大质量的稳定存在。一种叫做“巨转星”，就是快速转动的超大质量星，由离心力来维持平衡。还有所谓“巨磁星”，依靠巨大的内部磁压来稳定。这些猜想的星都像是放大的脉冲星，都有能为喷射物质提供特定方向（转动轴或磁轴方向）的优点。但是，广义相对论证明，它们本质上都是不稳定的，主要原因是引力波造成的能量损耗，而且，巨型脉冲星会产生周期性光变，而这从未在任何活动星系核中观测到。
　　总之，为解释星系核的活动，巨大的吸积着的黑洞是唯一能符合所有理论和观测要求的模型。这种黑洞的形成是由广义相对论预言的，而且已被确认是所有大质量天体引力坍缩的最后结果。黑洞是稳定的，能通过吸积物质而成为将引力势能转化为辐射的理想场所。最后，黑洞不仅能释放落向它的物质的能量，而且它自身也能提供巨大的转动能（见第11章）。由于转动轴能为喷射物质提供特许的方向，转动黑洞附近也能产生气体喷流，类似于恒星SS433，却是在大得多的尺度上（见图66）。
　　　　　　　　　　　　怎么吃
　　取10％的平均效率，则光度最小和最大的活动星系核需要消耗的气体分别是每年0．of 和100倍太阳质量。这些物质是如何被提供的呢？
　　在像银河系这样的旋涡星系里，恒星每年喷发出一个太阳质量的气体。难以理解的是。这些散布在10万光年直径的盘里的气体，怎么才能被引导到直径只有1光年的小小核心里？另一方面，有些椭圆星系虽然没有星际气体，却也有活动性，主要的表现就是发射出射电喷流。
　　因此必定存在一种更激进的机制，能在核心区域自身内产生出大量气体。既然气体是被包含在恒星里，黑洞要进食就得击碎恒星。
　　巨型黑洞完全能够吞噬整个的恒星。太阳同一个巨型黑洞相比，就像是砂粒之于足球，但是，这种吃法并不释放能量，恒星的所有能量都消失在黑洞之中，而黑洞只不过稍稍增大点质量而已。要使能量释放，恒星就必须在黑洞外面破碎，导致有些碎片能成为吸积盘的成分。
　　　　　　　　　　　　管星式恒星
　　在许多方面，沉浸在星团里的巨型黑洞，与被誉星“随从”所围绕着的太阳报相似。星团中的恒星就像一种能量储藏器，一般情况下离黑洞甚远，因而几乎不受中心引力场的影响。但是，一已有的恒星在黑洞附近掠过，就会受到加速而偏离原有的轨道，有时其中一颗星会直接落向黑洞。从这时起，这颗星的命运就完全由吸引它的引力饼和照射它的辐射场来控制。像靠近太阳的管星那样，这颗星也受到很强的辐射，辐射不是来自黑洞，而是来自其周围吸积盘的高温区域。恒星于是开始蒸发，逐渐脱去外层，直到露出热核反应的核心。如果这颗星并不过份靠近黑洞，它就还能沿抛物线轨道离开引力讲，不至被损坏得太严重，并且在几年后会返回到原先的位置，否则，这颗“香星式”恒星就会由于失去了太多的轨道能量而被黑洞束缚在一个椭圆轨道上，并且越来越向中心靠近，在每次经过“近心点”时都丢失一些气体。
　　但是，若星式恒星的蒸发只能为黑洞的食物供给作出很有限的贡献，星系核的活动要求黑洞消耗相当于整个恒星的气体。有两种情况能使恒星以适当的方式瓦解：一种是黑洞附近的两颗管星式恒星的碰撞；另一种是单个恒星被黑洞的潮汐力撕裂。
　　　　　　　　　　　　　恒星碰撞
　　太阳系里两颗管星相撞的机会是微乎其微的，而在黑洞附近就不是如此。恒星之间碰撞的理论表明，两颗太阳类型恒星的低速（低于500公里／秒）碰撞是“软”碰撞，它们将粘结在一起，成为一颗大恒星。如果它们的速度大于500公里／秒，恒星就会被撞成碎片并散射开去。在星系盘甚至星团里，恒星的速度很少有超过200公里／秒的，然而，巨型黑洞的极深力洪能把附近恒星加速到每秒几千公里的速度。可以计算出，在一个10亿M黑洞周围10光年的范围内，香星式恒星的碰撞是毁坏性的，发生的频率为每年10次。碰撞的碎片成为气体云，在围绕黑洞的轨道上运转，填充着黑洞的“食品柜”。
　　不过，恒星间的碰撞看来只能作为那些含有很大黑洞的类星体的维持机制。对于那些其中黑洞较小、活动性也差些的星系核，恒星碰撞的频率就太低，以至于可能根本不起什么作用。
　　　　　　　　　　　　　黑潮汐
　　巨型黑洞周围最惊心动魄的现象恐怕就是恒星被潮汐力所粉碎了。当一颗恒星在黑洞附近运动时，它靠近黑洞的一侧所受的引力比另一侧所受的要强，两侧受力之差就是由黑洞所施加的潮汐力（见“宇宙高尔夫球场”一节）。如果恒星运动的轨道近似是圆形的，潮汐力就总是很小，恒星能够调整其内部结构，成为朝向黑洞拉长的形状，以与外力相适应。但是，如果恒星是在黑洞引力场内的一个偏心轨道上运动，潮汐力就会随着它与黑洞距离的减小而迅速增大（在黑洞中心潮汐力成为无穷大，见“轻率的宇航员”一节），于是就会有这样一个位置，潮汐力达到与把恒星约束在一起的力一样大，恒星就再也不能调整其内部结构，而是开始急剧地变形，并被无可挽回地瓦解。
　　这种壮烈的事件只有当恒星行进到与黑洞的一个；临界距离以内时才会发生，这个距离称为洛希限度，因法国数学家洛希在1847年研究行星与其卫星之间的潮汐力问题而得名（络希的名字也被用于命名表征双星弓I力影响范围的“洛希瓣”，见图59有趣的是，一颗超过了洛希限度的恒星的破碎，就像它与另一颗相对速度超过500公里／秒的恒星相碰撞时一样容易。恒星一旦穿越洛希限度，它就像是与自己碰撞一样）。
　　洛希限度的大小主要取决于黑洞的质量，如果黑洞质量太大，即超过1亿M，黑洞半径（与质量成正比）就会比洛希限度大。这种情况下恒星只有在黑洞内部才会被潮汐力破碎，所有碎片自然也都在黑洞之内，天文学家也就什么都观测不到。对于质量较小的黑洞，恒星能在黑洞外被潮汐力摧毁。这就是为什么今天的大多数天体物理学家相信，赛弗特星系和那些几乎不活动的星系核里有着质量在11万到1亿Mpe间的黑洞，这些黑洞在吞食着由潮汐力撕裂的恒星碎片；而类星体和明亮的星系核里有着质量更大的黑洞，吸积原料则由恒星碰撞来提供。
　　　　　　　　　　　　　“薄煎饼”
　　关于恒星被潮汐力变形和破碎的描述长期以来是以洛希对行星周围圆轨道上液体或固体卫星的研究为基础的。他证明，一个天体在另一个近邻大质量天体潮汐力作用下，会趋于在朝着后者的方向上伸长，而在垂直方向上收缩。这就是海洋面不仅在最靠近月亮处较高（那里受到的月亮引力最强），而且在正相反的位置上也较高的缘故（图67）。如果潮汐力相当大，如在一些很紧密地束缚着的双星系统的情况中，天体就会被拉成瘦长，像雪茄的形状。洛希限度就是这样一个距离，比它更近时变形会如此严重，以至于天体不再能稳定存在，而是开始破裂。
　　尽管以上所述对地球一月亮的情况是正确的，对黑洞一恒星系统却未必如此，因为天体的类型大不相同。布兰登·卡特和我本人几年前在默冬天文台决定重新考查这个问题，我们发现了未曾预期的现象，使得一些已被人们认可的关于天体被摧毁的概念受到了挑战。
　　黑洞一恒星系统与行星一卫星系统的差别主要是两点。第一，香星式恒星的轨道不是圆形的，而是拉得很扁的。一颗恒星要到达潮汐力具有破坏性的区域，它就必须沿很偏心的轨道运动。如果银河系中心确有一个质量为300万M、半径为1000万公里的黑洞，则任何一个像太阳这样的恒星行进到距黑洞2亿公里以内时都会被摧毁，因为这个距离就是银心的洛希限度。我们给自己提出的问题是这样的：对于一颗深入到了洛希限度以内而又没有被黑洞吞噬的恒星，将会发生什么？在1000万公里的黑洞表面和二亿公里的洛希限度之间，毕竟还有很大的空间。潮汐力与到黑洞距离的立方成反比而变化，这就是说，在比洛希限度小10倍的距离上，潮汐力比在络希限度处要大1000倍，而后者本身已大得足以摧毁恒星。因此一颗进入到洛希限度以内深处的恒星看来会比仅仅擦过该限度的恒星遭遇到凶暴得多的灾难。
　　黑洞一恒星系统第二个重要的特征是承受潮汐力的天体的性质：太阳这样的恒星与月亮或行星不同，是由气体而不是由岩石组成的，因此就更容易被潮汐力压缩。这正是深入到巨型黑洞的洛希限度以内的恒星所要发生的变化。虽然开始时它趋于变为雪茄形，但潮汐力像巨大的轧机一样很快就把它压成摊在轨道平面上的薄饼（图68）。
　　压缩意味着加热，这两个过程都很敏感地依赖于进入洛希限度以内的深度。如果恒星只是刚刚擦入该限度内，潮汐力还不足以压缩它，它就像一只巨大的水球一样，被拉长成雪茄形并膨胀，终于在再从洛希限度内出来后碎裂。与此相反，如果恒星深人到小于洛希限度10倍的距离，它就会被潮汐力高度压缩，在0．l秒内密度增大1000倍，温度升高100倍。当然，恒星最终也会碎裂，组成它的气体会消散，但在此之前它却像一个巨大的极高温极高密度的薄煎饼。
　　　　　　　　　　　黑洞引爆器
　　恒星被挤压成“薄煎饼”的最惊人后果是其中热核爆炸的发生。支配着能量流的热核反应速率密切地依赖于温度。对于一颗处在流体静力学平衡中的恒星，如像太阳，其中心密度是100克／立方厘米，温度是开氏1500万度。在这种“正常”条件下，占支配地位的核反应是氢聚变，反应速率极其缓慢（见第4章）。
　　如果一颗恒星碰巧落到了巨型黑洞的洛希限度以内，其中心温度就会在0．l秒内升至10亿度。就像导致超新星爆发的情况那样，热核链反应被大大加速了。在这个短暂的加热时间里恒星中的氢并不能聚合，但那些原先处在呆滞状态的较重元素，如氦、氮和氧，却能在瞬间转变成更重的元素，并释放出能量。恒星煎饼里发生了热核爆炸，成了一种“偶然的超新星”。
　　这种爆炸的影响是深远的。一部分恒星碎片作为高温气体云块被吹离黑洞的控制范围，并能携带所有与之碰撞的其他云块一起远去，其余碎片则迅速地落向黑洞，产生短暂的辐射爆发。像超新星一样，恒星薄饼也是制造重元素的熔炉，然后又把这些元素遍撒于星系之中。不过，计算表明，恒星饼所产生的重元素比例与超新星所产生的稍有不同，因此在不久的将来就可能从靠近活动星系核心的云的辐射谱中探测这些元素，从而为恒星被巨型黑洞所炸碎的过程提供直接证据。
　　超新星和恒星饼的热核爆炸的起因都是引力。对于超新星，恒星自身的引力场使它不能保持稳定，通过核心的坍缩而引起爆发。对恒星饼来说，则是黑洞的引力场从外部压缩恒星，并使它爆发。
　　这种由黑洞的极强引力导致恒星爆发的事件是罕见的。进入黑洞洛希限度的恒星数目本身就很有限，在活动星系核里大约是每年1颗，而在银河系核心则是每1000年1颗，而这些恒星中只有十分之一能足够地深入，以至于爆发。但是，潮汐力并不是制造恒星饼的唯一手段。在10亿M的超大质量黑洞附近，高速飞行的恒星之间的迎头相撞是相当常见的（大约每年10次）。这种相撞也可以形成暂现的恒星饼，因此，恒星饼爆发现象可以在几乎不活动的星系和类星体中起同样重要的作用，区别只在于前者的中心黑洞质量不很大，恒星饼是由潮汐效应制造；而后者有更大的黑洞，恒星饼是产生于恒星的碰撞。
　　　　　　　　　　　　　同类相食
　　知道了内燃机能提供动力并不等于懂得了汽车如何得以行进。虽然巨型黑洞作为活动星系核中心发动机的模型是很有道理的，但我们仍须承认对活动过程的详情还所知甚少，类星体仍然是宇宙中最神秘的现象之一。
　　对类星体的分布而不是单个类星体的观测，已经提供了关于它们的形成、熄灭以及对母体星系生涯的影响等方面的大量信息。首先的问题是，是否所有星系在演化进程中都会或早或迟地经过类星体阶段，而究竟又是什么条件造就了这种壮观的状态？学者们的想法颇有些自相矛盾。类星体只是在非常遥远的星系里被观测到，也就是说是存在于很久以前，那么它们就应当是属于星系演化的早期阶段；而另一方面，如果类星体所需要的巨型黑洞是由恒星级别的种子发展而成的，就又意味着类星体是星系演化的晚期状态，大多数星系尚未到达这个阶段。
　　如果所有星系都或迟或早地要经过活动阶段，观测到的类星体数量相对很少这一事实表明，活动阶段是很短暂的，只能持续大约几万年的时间。但是关于延展的射电喷流的观测看来又表明中心发动机的运转时间不可能如此之短，因为喷流就将无法准直地延伸这么大的距离。然而类星体阶段又难以持续得更长，因为燃料供给问题无法解决。综上所述，活动的类星体状态必须持续大约1亿年，而又只发生在能够短时期地具备特别有利的条件的少数星系中。按照这个设想，类星体活动在黑洞一旦达到足够大的质量并且可得到充分的气体和恒星“燃料”供给时就开始，并随着燃料供给降低到某一水准之下而熄灭。这样看来，死亡的类星体应当比活跃着的更多（类星体都位于数10亿光年之外，而其寿命只有约1亿年，因此所有现在观测到的类星体实际上都早已熄灭）。
　　只要重新供给食物，死亡的类星体可以复活。在核心区星团被耗尽之后，需要的是从别处提供物质。星系的相遇是相当常见的事，尤其是在含有数百或数千个成员的星系团里。最近的观测显示，许多类星体都与碰撞的星系有关联，星系内的活动可以由星系之间的物质转移而激发，就像恒星X射线源的动力是来自对伴星物质的吸积一样。
　　还有一个事实已被注意到，就是在邻近星系中，那些成对或成群的比孤立存在的要稍微活动一些。这个现象在拥有大量成员的星系团的中心尤为明显。那里有着比“正常”星系大100倍的“超巨型”椭圆星系，那些星系的射电辐射特别强，并且周围有一群卫星系在朝着它们下落。这种超巨星系因而就会通过同类相食，即吞噬邻近的较小星系而变得更大。可以合理地设想，许多被捕获的星系中心有着大黑洞，于是那贪吃的星系里可能就有着多重核心，即包含着多个黑洞，那些黑洞会相互扰乱周围物质的分布，从而使吸积率增大。事实上在巨型射电星系里确已观测到几个活动中心。然而，一群黑洞注定最终要并合成单个巨型黑洞，其表面积大于并合前各个黑洞的表面积之和，于是在遥远的将来总有那么一天，黑洞吃光了食物，活动星系也就沉寂下来。
　　而现在，如果黑洞确是类星体的发动机，我们就得到这样一个看似奇怪的结论：黑洞本身是肉眼所完全不可见的，但若它恰当地被恒星的气体所围绕，就会成为宇宙中最明亮的光源。
　　　　　　　　　　　第十八章　引力光
　　我必须向爱因斯坦先生提一个问题：在您的理论里引力作用是以多大的速度传播的？
　　　　　　　　　　　　　　　——H克斯·玻恩（1913）
　　牛顿理论中的引力是一种在物体之间瞬时地作用的力，如本书前面所述，这个思想是包括牛顿本人在内的众多物理学家所不能接受的。一个世纪后拉普拉斯对牛顿理论作了修改，使引力作用以有限速度传播。但是这个主意很快就被抛弃了，因为它提出了一个无人能回答的问题：如果一个物体受到激烈抗动，它的引力场就必须在很短时间里作出调整，以与该物体的新构型相一致，那么这种调整是怎样传播的呢？
　　爱因斯坦广义相对论给出了一幅引力传播的自洽图像。爱因斯坦给自己提出的问题是，一个加速运动的质量是否能辐射引力波，正如一个加速运动的电荷能辐射电磁波一样。他在1918年得到的引力场方程的解表明，时空曲率波以光速行进，他发明出了～种“引力光”。
　　引力波与电磁波之间的类比对于理解现象背后的本质是有帮助的，但也并不很大。引力波的结构及其对物质的作用都比电磁波复杂得多。第一个重要的差异是，引力只是吸引；质量，或称为“引力荷”，总是具有同种符号，由此造成的结果是，一个基本的引力“振子”，即在一根弹簧两端振荡的两个质量，就不会辐射出与两个异号电荷产生的同样类型的波（电磁辐射是偶极的，而引力辐射是四极的，引力振子中的每一个质量都单独地是一个偶极子，不能产生引力波）。
　　另一个复杂性是，引力子，即假设的引力波的传媒粒子，有着与其能量相对应的“引力荷”；而光子，即电磁作用的传媒粒子，却没有电荷。于是，由加速质量所产生的引力波本身又是一个引力源，引力又产生引力。用专业术语说，这叫做“非线性”。非线性甚至给看来是最简单的问题的解决都带来很大的困难，如像对两个运动物体所产生的引力场的计算。与电磁场不同，如果两个质量各自产生一个引力场，则它们的合引力场并不是各自引力场的相加，而是还必须考虑两个质量相互作用的引力，而这是随着它们的运动而不断变化的。这就是为什么“两体问题”（例如双星系统的引力场）的牛顿解很容易计算出来，而在广义相对论里却不能得到严格解的道理。
　　如果引力场足够地弱，则“非线性”可以被忽略，问题得以简化。这种做法在试图探测遥远源的引力辐射时是适用的，但是，这种简化的方程不能运用于超新星或两个相碰撞黑洞的附近区域。
　　引力波与电磁波之间的第三点根本差别是它们的相对强度。两个相隔一厘米的质子，既有质量也有电荷，因而既有引力相互作用也有电磁相互作用，但它们相吸引的引力要比相排斥的静电力小103’倍（原子核里把两个质子拉在一起的核力又比电磁力强100倍）。这就是探测引力波的主要障碍。赫兹在实验室里产生和接收电磁波，是在麦克斯韦预言其存在之后仅仅10年；爱因斯坦预言引力波的存在已有70年了，而引力波还没有被探测到。
　　可以再举几个例子来说明通常条件下引力波的极端微弱性。先看一个具体的基本引力振子：一根10厘米长的弹簧两端各有一个1千克的质量，它们每秒钟振荡100次，振动范围为1厘米。假设这个系统所释放的引力能全都转化成电能，则为着点亮一只扣瓦灯泡所需要的这种振子的数目，将比组成地球的全部基本粒子的数目还要多。
　　另一种形式的引力振子是让一棍棒绕通过其中心的垂直轴在水平面上旋转。在视线沿旋转面的观测者看来，棒的投影长度在不断变化，棒表现出交替地缩短和伸长，这种运动也产生引力波。一根长20米、重500吨的钢律以其强度极限内的最大速度旋转，即每秒钟转5周，所释放的引力能仍是小得可笑：10”’瓦。
　　也许还是离开实验室，寻找太阳系里的自然引力源为好，但是情况仍不能令人鼓舞。五百亿颗直径为1公里的陨星，以每秒10公里的速度落向地球时所产生的引力波能量，才能点亮一只灯泡。当然，没有人还能活着看到这个结果。
　　在通常的天体中寻找引力源是无济于事的。为产生不可忽略的引力波，恒星必须以接近于光速的速度运动，并且高度致密，即其半径接近于史瓦西半径。地球绕太阳公转的速度是周公里／秒，半径是其史瓦西半径的10亿倍，产生的引力能只有0．001瓦。
　　贯穿本书始终的“相对论”星，至少能够短暂地具备有利于引力光发射的条件。它们在发生最剧烈的变动时能成为很好的引力波源。由于这些星都离得很远（假如是在地球附近，所有的生命就会荡然无存），它们的引力能只有极小一部分能够到达地球。
　　致密星系统是理想的引力波源。一对靠得很近的中子星能够辐射足够强的引力能，由此产生的效应能被间接地探测到，因为轨道运动能量的丢失会由转动周期的缩短反映出来。双星脉冲星PSR1913＋16是这种现象的一个极好例证，而且可能是目前仅有的引力波的观测证据（见“脉冲双星的大贡献”一节）。
　　对单个恒星来说，标志其热核生涯终结的激变事件可以成为强大的引力辐射源泉，导致中子星形成的超新星就是极其有效的释能事件。恒星在其坍缩的最后几秒钟所发射的引力能，比它在热核生涯的几百万年中所释放的电磁能还要多。但是，与发射周期性的引力波并被称为“引力脉冲星”的双星系统不同，超新星是～种“冲动”源，只产生～次短暂的引力辐射爆发。
　　谈论引力最后总是回到黑洞，黑洞是超优美的相对论星，是最丰富的引力辐射源。恒星完全球对称地坍缩成为黑洞的过程并不产生任何引力波（见第11章），但是真实的恒星是旋转的，总有不对称的运动，从而有引力光的发射。黑洞“婴儿”的第一声“啼哭”就是引力光的闪耀，释放的能量与其静质量能量相当。两个10Mpe量的黑洞相碰撞所产生的弓I力光度，比最强大的类星体的电磁光度还要大1亿倍。如果这样一个事件发生在1万光年之遥的银河系中心，到达地球的能流将是可探测的。
　　一门研究引力光的新天文学正在诞生，这将是具有无可比拟的透明性的天文学。这是因为，与电磁辐射不同，引力辐射并不被物质吸收，因而来自遥远源的辐射就能不损失任何所携带的信息而到达地球。另外，对于最强的引力辐射源，即中子星对、超新星核心和黑洞，电磁观测所能揭示的信息极少，而且只能以间接的方式。因此，引力天文学将打开一扇通往一个更神秘的宇宙的新窗口，不仅揭示出关于致密星和超密物质的未知性质，而且告诉我们宇宙150亿年前开端时的情况。不断地被密度涨落所搅”动的原初宇宙，以及大爆炸本身，都是强大的引力辐射源。即使在大爆炸后的头100万年里没有电磁波射出，引力辐射仍能不受妨碍地穿过原初宇宙的最高密度区域，或许只有引力光能够提供黑洞存在和宇宙诞生的确定证据。
　　再回到地球。望远镜是用来捕获光的，那么又怎样建造～个引力望远镜呢？原理很简单。正如电磁波引起接收天线振荡一样，引力波也使相遇的物质以一定方式振荡，“曲率皱纹”使时空的弹性织物出现轻微波动，时空距离发生伸长或缩短。例如，如果探测器是一块固体物质，当引力波穿过时该物体的不同部分就会沿不同方向有所移动，即出现形变（必须注意，引力波总能穿过任何物体。无论是多么坚硬的物体，都不可能完全不发生形变）。
　　物体中两点之间的间隔在引力波作用下发生的变动能给出波的振幅，而波的振幅是其能量的直接量度。银河系中心两个恒星级黑洞的碰撞将会使一个1米长的律形探测器两端发生10－‘’（一万亿分之一）毫米的移动。引力波探测器的建造因而是对科学家们的一个技术挑战。
　　马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）在60年代制造了一个很大的铝质圆柱，预期其长度会在来自银心的引力波作用下发生振荡。他认为自己已经得到了肯定的结果，但是在世界上其他许多地方所作的类似实验表明，他对实验误差所作的解释是不正确的。铭心的一次超新星爆发所产生的波的振幅是10－”毫米，而韦伯的装置能探测的振幅要比这大1万倍。另外，对银心超新星的探测还有一个问题：银心的超新星是每10年1个，而爆发过程中的引力暴只持续不到1秒钟的时间。
　　最有希望探测到引力波的场所是室女座星系团，那里有几千个星系聚集在天空中一个很小的视角范围里，超新星爆发和双脉冲星周期的衰减所发生的频率大约是每星期一次。但是室女座星来团的距离并不像银心那样是1万光年，而是5000万光年。这意味着，要探测到那里的一个超新星的引力光，引力望远镜就必须比能探测铭心类似事件的那种灵敏100万倍。值得注意的是，1987年2月大麦哲伦云中的超新星爆发（见第6章）的距离“仅”是17万光年，应当能发射出足够强的引力波，被两个或三个探测器接收到——如果探测器在开动着的话。但是那天它们全都在检修！
　　尽管有这些恼人的技术困难，引力波的探测仍有可能在本世纪末获得突破。自韦伯以后已经取得了许多技术进展，目前世界上共有八个研究组在使用着第二代棒形探测器。这种探测器更敏感也更昂贵，因为是用钢或蓝宝石这样的稀有材料制造的，并且要冷却到只有绝对零度以上几度的温度。
　　另一条更有希望的途径刚刚被开辟，其原理是测量两面大质量镜子之间距离的振荡。这两面镜子放在长支架的端点上，它们的距离用一个光干涉仪系统来检测。这实际上是一种修改的麦克尔逊一莫雷实验（见第2章），但不再是用来测量以太的绝对运动，而是测量时空的抖动。镜子之间的距离越大，从系统内部的“背景噪声”（由地震波、声波等等所引起）检测出引力信号的效应的机会也就越大。制造出极高质量的镜子，使之能实现接连几百次光反射，则当镜子之间的实际距离是3公里时能得到的等效距离是150公里。
　　这种干涉议的天线还本制造出来，但各种预备实验已在进行之中：一个美国的项目，一个英、德联合项目，还有一个名为“室女座”的法、意联合项目（因为室女座星系团是主要探测目标）。所需的经费比一次航天飞机或卫星发射，或是比波斯湾战争中半个小时的费用都要少。然而，引力天文学，由于缺乏观测证据，难以获得经费倒成了当然的事。相对论天体物理学家们仍在焦急地期待着获得资助来打开宇宙的又一扇神秘的窗户。近代天文学史已经证明，每次当我们用肉眼或照相机以外的眼睛（射电望远镜、X射线和伽玛射线探测器）来观察天空时，总会发现新的奇迹，从而迫使我们更新自己的思想，加深我们对宇宙的认识。
　　宇宙的引力窗口迟早将会开启。当第一批引力信号被探测到时，关于辐射源的运动和性质的信息仍将被背景噪声所淹没。然而，下一世纪必将是引力天文学的世纪，在这一信念支持下，我们或许会试图把巨大的引力干涉仪发射到空中，使之摆脱地球的和人类的种种干扰。
　　　　　　　　　　第十九章　黑洞宇宙
　　路很长，临近尽头尤甚。
　　　　　　　　　　　　　——迪·阿伦（Woody Alien）
　　这最后一章　是用宇宙整体的眼光来看黑洞的时候了。我们已经寻找了比原子还小的微型原初黑洞的光亮，我们已经看到了半径为10公里上下的恒星级黑洞的诞生，我们也已经同尺度像太阳系那么大的巨型黑洞打过了交道，只剩下一个问题要问：可能的最大黑洞是什么？答案是现代科学中的一个最惊人的设想：宇宙本身。
　　要弄懂为什么这个答案并非妄言，必须介绍一些宇宙学的基本知识。现代宇宙学家已经超越了人类为求得一个可认识和无疑虑的宇宙图像所编过的神话和所作过的玄想，他们有三个观测事实，在对之作了仔细的物理解释后，就能据以反推出宇宙的过去历史。星系的运动，轻元素（指氢、氛和氦，它们不是在恒星中产生的）的相对丰度，以及均匀的宇宙辐射，全都表明宇宙在自极高密、极高温的大爆炸状态以来的150亿年中一直在膨胀。
　　观测已经提供了对宇宙历史的透视，然而只有理论才能猜测宇宙的未来。由于决定大尺度物理结构的是引力，爱因斯坦广义相对论给出了与过去的状态相符的宇宙学模型。关于将来，则有两个可能的解答：一个膨胀再收缩的宇宙，在时间上和空间上都是有限的；或者是一个无限地膨胀的宇宙（与某些宇宙学家也有的流行观念相反，宇宙在时间上的无限并不意味着在空间上的无限）。
　　宇宙中物质的平均密度决定着宇宙未来的命运。如果密度小于临界值10《’克／立方厘米（相当于每立方米的空间里有六个氢原子），”则宇宙的引力场不足以束缚住物质，宇宙将继续无休止地膨胀。相反，如果平均密度大于临界值，则引力终将使宇宙停止膨胀并重新收缩，在1000亿年内宇宙将坍缩成一种与大爆炸相反的状态，不妨叫做大挤压。
　　无论宇宙的最后命运如何（宇宙密度的实际测量值稍小于临界值，但还不能由此得出“开放”宇宙的结论，因为并非所有的物质都已被观测到），黑洞都将是其中的主角。普林斯顿高级学术研究所的弗里曼·戴森（Freeman Dxson）和伦敦大学的雅玛尔·伊思兰（Jamal Islam）已经研究了持续膨胀的宇宙的长时期演化（见伊思兰的著作《宇宙的最终命运》入剑桥大学出版社1983年）。虽然宇宙已经存在了150亿年，这种长时间的物理过程尚未开始，但迟早将会来临。在大约102’年里，所有已熄灭的恒星都将聚集在星系中心，成为10’他弹量的大黑洞。星系团中星系轨道运动的能量也将由于引力辐射而消散，在大约1031年里星系都将落到团的中心，并聚合成10”Mpe量的超巨型黑洞。在更大得多的时间尺度上，反过程即黑洞的量子蒸发将会发生。恒星级黑洞将在10e’年里蒸发光，星系级巨型黑洞需要100’年，超巨型黑洞则需要10’历年。作为能量和滴的最后蓄积，黑洞将变得与白洞类似，把自己的物质散布到膨胀的宇宙中（以“合格”的黑体辐射的形式，见第15章）。
　　戴森最后问自己，面对宇宙不可避免地变得稀薄和冷却这种不利的条件，高级文明能否通过从黑洞中提取能量来无限期地维持生存？这个设想使人回忆起一些典型的科学幻想故事，而与现代粒子物理的一个预测相抵触，那就是，质子并不是永存的，而是会在大约收‘年后衰变（现有实验并未证实关于质子寿命的这个预测）。那么，远在黑洞开始释放其能量之前，所有的物理结构和生命组织就都已消亡。
　　现在来考查一下时间上和空间上都有限的膨胀一收缩宇宙的后果。使宇宙成为一个闭合系统所需的最低密度是一个质量为1023M，半径为400亿光年的黑洞的平均密度（黑洞的平均密度是随其半径的增大而减小的），而对我们的宇宙而言，光所走过的最大距离不超过150亿光年。这就是说宇宙是在其史瓦西半径之内，能由此得出结论说我们是生活在一个极其巨大的黑洞内部吗？
　　更深入地作一番考虑，就会发现有一系列的理论证据支持黑洞宇宙的假设。请读者回想图47这一智力杰作，即是一颗坍缩的球形恒星内部和外部的时空图。外部是史瓦西几何片，而内部的几何则有赖于恒星物质的状态方程。广义相对论证明，如果恒星类似于一团压强为零、密度均匀的球状“云”，即类似于充满于宇宙的星系气体，则云的内部几何（图中的斜线区）与闭合宇宙的几何完全一致，而且内部和外部几何在云的表面完好地相连接。
　　另一方面，闭合的膨胀一收缩宇宙也有一个视界，即这样一个时空边界，在其之外的事件是我们所不可联络的，因为那些事件的光信号不能到达我们这里。这个宇宙学视界（不要与粒子视界相混淆，后者是指在一个给定时刻宇宙中可观测部分的空间边界）是与将来奇点（即大挤压）相联系着，从内部看，它就像黑洞视界从外部看时规定着黑洞的边界一样（事实上闭合宇宙的最大半径与它在外部观测者眼中的史瓦西半径精确相等）。
　　因此可以想象，如果宇宙是闭合的，就必定有一个外部世界，我们的宇宙是其中的一个隐藏在黑洞内的区域。显然，如果这个（仍令人迷惑不解的）假设能得到证明，宇宙学将展开一个全新的领域。
　　例如，科学家们首先想知道的是，我们的宇宙是怎样成为一个黑洞的。它是外部宇宙中的一个原初黑洞呢，还是由一个102M质量的“超级恒星”的目力坍缩而形成的呢？这样看来，外部宇宙就不是真空，那里的星系（或许是由我们完全不知道的物质组成的）可以整个地掉进我们的宇宙。
　　宇宙作为一个黑洞的最吸引人的结果将是黑洞内物质完全出乎意料的行为。广义相对论指出，恒星在史瓦西半径以内的引力收缩必定以中心奇点为终结。但是，广义相对论是不完整的。由于没有量子引力理论，我们必须承认对支配黑洞内物质行为的定律实际上一无所知。膨胀一收缩的黑洞宇宙似乎暗示着，黑洞内的引力坍缩可以在奇点之前停止。物质的某种最后阻抗，例如一种只在很小距离上才显示出来的强排斥作用，可能造成坍缩恒星的物质“反弹”，类似地，整个宇宙就在极密状态和充满史瓦西球内部的膨胀状态之间无限地振荡。这种行为可能有一天会在所有基本相互作用的统一理论中出现，在这种理论中引力奇点已被消除（见第12章）。
　　黑洞宇宙理论最后提出的问题是关于我们宇宙的唯一性。我们的封闭宇宙相对于外部宇宙是处于什么地位呢？也许可以有一个套一个的宇宙等级，也就是黑洞之中又有黑洞。最新的物理理论允许这种“气泡宇宙”的存在。
　　这些有点过度的猜测更像是幻想而不是真实。它们在学术机构的研究工作中并不怎么受重视，因为它们实在延伸得超出我们的实际知识太远，而对科学的真正进展又没有什么帮助。或许有一天我们能拥有赖以回答这些问题的理论工具，但是我们决不要欺骗自己：所有这些理论都建立在想象之上，而现实常常与想象大不相同。为了抓住真实世界的哪怕是一个碎片，我们必须用自己的脑和手工作，作千百次的测量，而不是依靠那些过于优美的主意和理论。
　　已经到了本书的结尾，我们学到了什么东西呢？我想是的，黑洞的出现无疑标志着一场革命的开始。这是变化着的思想和理论世界的革命，也是恒星、星系和宇宙本身的命运正在缓慢地展示出来的真实世界的革命。但是所有的革命都有隐藏的危险。作为毛里斯·梅特林克（Maurice Mae比rlink）一句格言的释义，黑洞一词仍然常常只是掩盖我们无知的一件豪华伪装。
　　　　　　　　　　　跪赫罗图
　　丹麦天文学家埃纳·赫兹普隆（巳nar Her坡prung）和美国普林斯顿大学天文学家亨利·罗素（Henry Russe阿各自独立地得出了一幅表示恒星的光度与表面温度之间关系的图（图AI）。每一个温度范围定义出一种光谱型，从高温“蓝”星的O型一直到最冷的“红”星的M型。太阳是一颗G型星，“黄”色，表面温度为开氏觎皿度。
　　图上的点并不是无视分布的，它们的位置反映出恒星演化的轮廓。大多数恒星都集中在一条对角窄带上，称为主序带，主序状态对应着恒星核心稳定的氢燃烧。这个群体包括着半径和光度都很小的红矮星（半径以太阳半径为单位在括弧中给出）和很亮的蓝巨星。
　　另一群星在主序带上方水平地铺开，它们是光度很大但温度较低的红巨星和超巨星。低光度而又高温度的恒星占有主序带下方的一个区域，它们是已经坍缩的白矮星。
　　单颗恒星在其演化生涯中会在赫罗图上移动。太阳的演化已在图上表示出来。最初的收缩过程使它来到主序带，在这里它将度过一生的大部分时光。当核心的氢耗尽时，太阳将膨胀成为一颗红巨星，半径增大100倍，光度增大1000倍。然后它将进入不稳定阶段，一胀一编地脉动，光度也起伏变化，同时逐渐地收缩体积和升高表面温度。它的最后命运是在以行星状星云形式喷射气体之后，作为一颗枯萎的白矮星而缓慢地死去。
　　比太阳质量大20倍的恒星将沿不同路径演化，其主序阶段的燃烧将更快，然后膨胀成为红超巨星，再发生超新星爆发而形成中子星或黑洞。最后这两种产物只有极小量的辐射或完全不发光，因而没有在图上表示出来。
　　　　　　腑秘的赠一鹤翡图与恒星演化的终结
　　天体在压缩和膨胀两种相反力量的作用下保持平衡。压缩力可以是组成原子和分子的质子与电子之间的静电引力，或者是总是趋于使天体收缩的万有引力。“热”天体中的膨胀力是热压力，因为其中心温度很高；“冷”天体中的膨胀力则是由于量子力学的不相容原理，它在电子或中于密度超过一定值时起支撑作用。
　　每一个平衡态都由一种质量与平均密度之间的关系来表征，也都有这种或那种相反的力进入角色。图AZ中的质量和密度都以太阳值（ZX10”克和1克／立方厘米）为参照，所以太阳是在坐标原点上。
　　　　　　　　　　　　　　冷天体
　　由量子力学压力支持的冷星在图中由粗黑线表示。灰色区是被禁止的，因为那里违反了不相容原理。对于质量小于10刁M的天体，主要的压缩力是静电引力。相应的平衡态是行星，特征是有一个不依赖于质量的密度，其值与通常物质相等（1克／立方厘米）。P点表示行星稳定性的限度，近似地对应着木星的质量。在这个限度以上引力成为主要的压缩力，并给出密度高得多的冷平衡态。
　　白矮星内部的量子力学压力来自简并电子，密度可达1吨／立方厘米。C点是钱德拉塞卡极限，即白矮星的最大质量1．4Mop超过这个限度电子变成“相对论性”的，它们有着接近于光速的速度，而且不能再支撑白矮星。
　　中子星的内部压力来自简并中子。物质更密集得多，达到原子核的密度矿’克／立方厘米。E点是中于星稳定性的限度，相应质量是大约3Mgr在此限度以上中子成为相对论性的，不能再支持星体。对于质量大于3M的天体不存在冷平衡态。
　　　　　　　　　　　　　　黑洞
　　黑洞在图中被表示为一条斜线，与密度轴交于E点，与质量轴交于L点。L点正是米切尔和拉普拉斯所猜想的黑洞：1矿M，l克／立方厘米。由于黑洞态是由引力单独支配，所有质量和密度的黑洞原则上都可能存在。微型黑洞（图的底部）质量不大，密度却极高；巨型黑洞（图的顶部）则相反，质量极大，而密度不高。如果该线延伸到质量为1023M，则相应密度是10“’克／立方厘米，与宇宙中物质平均密度有相同量级，这似乎意味着宇宙本身可能就是最大的黑洞。
　　　　　　　　　　　　热天体
　　热星占有白色区。太阳和主序星集中在一条称为热核等温带的狭窄折带上，该带对应着氢聚变成氦所需要的开氏107度的中心温度。这些星的质量介于0．olMgh 100Mpe间。
　　　　　　　　　　　　恒星演化
　　恒星由于演化而在质量一密度图上移动，但保持在虚线方框内。图A3是方框区的放大，表示出恒星在不同演化阶段其中心发生的主要热核反应。
　　由于引力的控制，恒星演化的总趋势是密度增大（在图中向下移动），而质量丢失、碎裂、不稳定或爆炸等现象使其质量减小（在图中向左移动）。热星的演化必定以三种可能的冷态之一为终结：白矮星，中子星，黑洞。
　　质量小于SM的恒星沿A线移动。在离开氢转变成氦的主序段后，恒星中心的温度和密度都上升，直至氦能够聚合成碳。碳保持沉寂，恒星最后变成白矮星。质量更大的恒星的演化轨迹是B线，它们中心的碳能燃烧成为镁，并最后成为中子星。轨迹C是最为假设性的，它可能表示着质量在25M以上的恒星，在经过了到生成铁为止的所有热核燃烧阶段后，最终成为黑洞。