黑洞這一術(shù)語(yǔ)是不久以前才出現(xiàn)的。1969年美國(guó)科學(xué)家約翰?惠勒，為了形象地描述至少可回溯到200年前的一個(gè)觀念時(shí)，杜撰了這個(gè)名詞。那時(shí)候，共有兩種光理論：一種是牛頓贊成的光的微粒說(shuō)；另一種是光由波構(gòu)成的波動(dòng)說(shuō)。我們現(xiàn)在知道，這兩者在實(shí)際上都是正確的。由于量子力學(xué)的波粒二象性，光既可認(rèn)為是波，也可認(rèn)為是粒子。在光的波動(dòng)說(shuō)中，不清楚光對(duì)引力如何響應(yīng)。但是如果光是由粒子組成的，人們可以預(yù)料，它們正如同炮彈、火箭和行星一樣受引力的影響。人們起先以為，光粒子無(wú)限快地運(yùn)動(dòng)，所以引力不可能使之緩慢下來(lái)，但是羅默關(guān)于光以有限速度行進(jìn)的發(fā)現(xiàn)意味著，引力對(duì)之可有重要效應(yīng)。
1783年，劍橋的學(xué)監(jiān)約翰?米歇爾在這個(gè)假定的基礎(chǔ)上，于《倫敦皇家學(xué)會(huì)哲學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇文章。
他指出，一個(gè)質(zhì)量足夠大并足夠致密的恒星會(huì)有如此強(qiáng)大的引力場(chǎng)，甚至連光線都不能逃逸：任何從恒星表面發(fā)出的光，在還沒(méi)到達(dá)遠(yuǎn)處前就會(huì)被恒星的引力吸引回來(lái)。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然由于從它們那里發(fā)出的光不會(huì)到達(dá)我們這里，我們不能看到它們；但是我們?nèi)匀豢梢愿械剿鼈円Φ奈?。這正是我們現(xiàn)在稱為黑洞的物體。它是名副其實(shí)的――在空間中的黑的空洞。
幾年之后，法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯侯爵顯然獨(dú)自地提出了和米歇爾類似的觀念。非常有趣的是，拉普拉斯只將此觀點(diǎn)納入他的《世界系統(tǒng)》一書(shū)的第一版和第二版中，而在以后的版本中將其刪去；也許他認(rèn)為這是一個(gè)愚蠢的觀念。（還有，光的微粒說(shuō)在19世紀(jì)變得不時(shí)髦了；似乎一切都可以以波動(dòng)理論來(lái)解釋，而按照波動(dòng)理論，不清楚光究竟是否受到引力的影響。）事實(shí)上，因?yàn)楣馑偈枪潭ǖ?，所以在牛頓引力論中將光類似炮彈那樣處理不很協(xié)調(diào)。（從地面發(fā)射上天的炮彈被引力減速，最后停止上升并折回地面；然而，一個(gè)光子必須以不變的速度繼續(xù)向上，那么，牛頓引力如何影響光呢？）直到1915年愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，才得到引力如何影響光的協(xié)調(diào)理論。甚至又過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間，人們才理解這個(gè)理論對(duì)大質(zhì)量恒星的含意。
為了理解黑洞是如何形成的，我們首先需要理解恒星的生命周期。起初，大量的氣體（絕大部分為氫）受自身的引力吸引，而開(kāi)始向自身坍縮而形成恒星。當(dāng)它收縮時(shí)，氣體原子越來(lái)越頻繁地以越來(lái)越大的速度相互碰撞――氣體的溫度上升。最后，氣體變得如此之熱，以至于當(dāng)氫原子碰撞時(shí)，它們不再?gòu)楅_(kāi)而是聚合形成氦。如同一個(gè)受控氫彈爆炸，反應(yīng)中釋放出來(lái)的熱使得恒星發(fā)光。這附加的熱又使氣體的壓力升高，直到它足以平衡引力的吸引，這時(shí)氣體停止收縮。這有一點(diǎn)像氣球――內(nèi)部氣壓試圖使氣球膨脹，橡皮的張力試圖使氣球收縮，它們之間存在一個(gè)平衡。從核反應(yīng)發(fā)出的熱和引力吸引的平衡，使恒星在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)維持這種平衡。然而，恒星最終會(huì)耗盡它的氫和其他核燃料。貌似大謬，其實(shí)不然的是，恒星初始的燃料越多，它則被越快燃盡。這是因?yàn)楹阈堑馁|(zhì)量越大，它就必須越熱才足以抵抗引力。而它越熱，它的燃料就被耗得越快。我們的太陽(yáng)大概足夠再燃燒50多億年，但是質(zhì)量更大的恒星可以在1億年這么短的時(shí)間內(nèi)耗盡其燃料，這個(gè)時(shí)間尺度比宇宙的年齡短得多了。當(dāng)恒星耗盡了燃料，它開(kāi)始變冷并收縮。隨后發(fā)生的情況只有等到20世紀(jì)20年代末才首次被人們理解。
1928年，一位印度研究生――薩拉瑪尼安?昌德拉塞卡――乘船來(lái)英國(guó)劍橋跟英國(guó)天文學(xué)家兼廣義相對(duì)論家阿瑟?愛(ài)丁頓爵士學(xué)習(xí)。（據(jù)記載，在20世紀(jì)20年代初，有一位記者告訴愛(ài)丁頓，說(shuō)他聽(tīng)說(shuō)世界上只有三個(gè)人能理解廣義相對(duì)論。愛(ài)丁頓停頓了一下，然后回答：“我正在想這第三個(gè)人是誰(shuí)？”）在從印度來(lái)英國(guó)的旅途中，昌德拉塞卡算出了在耗盡所有燃料之后，多大的恒星仍然可以對(duì)抗自己的引力而維持本身。這個(gè)思想是說(shuō)：當(dāng)恒星變小時(shí)，物質(zhì)粒子相互靠得非常近，而按照泡利不相容原理，它們必須有非常不同的速度。這使得它們相互散開(kāi)并企圖使恒星膨脹。因此，一顆恒星可因引力的吸引和不相容原理引起的排斥達(dá)到的平衡，而保持其半徑不變，正如同在它的生命的早期引力被熱平衡一樣。
然而，昌德拉塞卡意識(shí)到，不相容原理所能提供的排斥力有一個(gè)極限。相對(duì)論把恒星中的粒子的最大速度差限制為光速。這意味著，當(dāng)恒星變得足夠密集之時(shí)，由不相容原理引起的排斥力就會(huì)比引力的作用小。昌德拉塞卡計(jì)算出，一個(gè)質(zhì)量比大約太陽(yáng)質(zhì)量一倍半還大的冷的恒星不能維持本身以抵抗自己的引力。（這質(zhì)量現(xiàn)在稱為昌德拉塞卡極限。）蘇聯(lián)科學(xué)家列夫?達(dá)維多維奇?朗道差不多同時(shí)得到了類似的發(fā)現(xiàn)。
這對(duì)大質(zhì)量恒星的最終歸宿具有重大的意義。如果一顆恒星的質(zhì)量比昌德拉塞卡極限小，它最后會(huì)停止收縮，并且變成一種可能的終態(tài)即“白矮星”。白矮星的半徑為幾千英里，密度為每立方英寸幾百噸。白矮星是由它物質(zhì)中電子之間的不相容原理排斥力支持的。我們觀察到大量這樣的白矮星。圍繞著天狼星轉(zhuǎn)動(dòng)的那顆是最早被發(fā)現(xiàn)的白矮星中的一個(gè)，天狼星是夜空中最亮的恒星。
朗道指出，恒星還存在另一種可能的終態(tài)。其極限質(zhì)量大約也為太陽(yáng)質(zhì)量的一倍或二倍，但是其體積甚至比白矮星還小得多。這些恒星是由中子和質(zhì)子之間，而不是電子之間的不相容原理排斥力支持的。所以它們叫做中子星。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。在第一次預(yù)言中子星時(shí)，沒(méi)有任何方法去觀察它。
實(shí)際上，它們很久以后才被探測(cè)到。
另一方面，質(zhì)量比昌德拉塞卡極限還大的恒星在耗盡其燃料時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的問(wèn)題。在某種情形下，它們會(huì)爆炸或設(shè)法拋出足夠的物質(zhì)，使它們的質(zhì)量減小到極限之下，以避免災(zāi)難性的引力坍縮。但是很難令人相信，不管恒星有多大，這總會(huì)發(fā)生。怎么知道它一定損失重量呢？即使每個(gè)恒星都設(shè)法失去足夠多的質(zhì)量以避免坍縮，如果你把更多的質(zhì)量加在白矮星或中子星上，以使之超過(guò)極限，將會(huì)發(fā)生什么？它會(huì)坍縮到無(wú)限密度嗎？愛(ài)丁頓為此感到震驚，他拒絕相信昌德拉塞卡的結(jié)果。愛(ài)丁頓認(rèn)為，一顆恒星是根本不可能坍縮成一點(diǎn)的。這是大多數(shù)科學(xué)家的觀點(diǎn)：愛(ài)因斯坦自己寫了一篇論文，宣布恒星的體積不會(huì)收縮為零。其他科學(xué)家，尤其是他以前的老師，恒星結(jié)構(gòu)的主要權(quán)威――愛(ài)丁頓的敵意使昌德拉塞卡放棄了這方面的工作，而轉(zhuǎn)去研究諸如恒星團(tuán)運(yùn)動(dòng)等其他天文學(xué)問(wèn)題。然而，他之所以獲得1983年諾貝爾獎(jiǎng)，至少部分原因在于他早年所做的關(guān)于冷恒星的質(zhì)量極限的工作。
昌德拉塞卡指出，不相容原理不能夠阻止質(zhì)量大于昌德拉塞卡極限的恒星發(fā)生坍縮。但是，根據(jù)廣義相對(duì)論，這樣的恒星會(huì)發(fā)生什么情況呢？1939年一位美國(guó)的年輕人羅伯特?奧本海默首次解決了這個(gè)問(wèn)題。然而，他所獲得的結(jié)果表明，用當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡去檢測(cè)不會(huì)有任何觀測(cè)結(jié)果。以后，第二次世界大戰(zhàn)插入，奧本海默本人非常專心地從事原子彈研制。戰(zhàn)后，由于大部分科學(xué)家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而大部分人忘記了引力坍縮的問(wèn)題。但在20世紀(jì)60年代，現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用使得天文觀測(cè)范圍和數(shù)量大大增加，這重新激起人們對(duì)天文學(xué)和宇宙學(xué)的大尺度問(wèn)題的興趣。奧本海默的工作被一些人重新發(fā)現(xiàn)并推廣。
現(xiàn)在，我們從奧本海默的工作中得到一幅這樣的圖象：恒星的引力場(chǎng)改變了光線在時(shí)空中的路徑，使之和如果沒(méi)有恒星情況下的路徑不一樣。光錐是表示閃光從其頂端發(fā)出后在時(shí)空中傳播的路徑。光錐在恒星表面附近稍微向內(nèi)彎折。在日食時(shí)觀察從遙遠(yuǎn)恒星發(fā)出的光線，可以看到這種偏折現(xiàn)象。隨著恒星收縮，其表面的引力場(chǎng)變得更強(qiáng)大，而光錐向內(nèi)偏折得更多。這使得光線從恒星逃逸變得更為困難，對(duì)于遠(yuǎn)處的觀察者而言，光線變得更黯淡更紅。最后，當(dāng)恒星收縮到某一臨界半徑時(shí)，表面上的引力場(chǎng)變得如此之強(qiáng)，使得光錐向內(nèi)偏折得這么厲害，以至于光線再也逃逸不出去。根據(jù)相對(duì)論，沒(méi)有東西能行進(jìn)得比光還快。這樣，如果光都逃逸不出來(lái)，其他東西更不可能：所有東西都會(huì)被引力場(chǎng)拉回去。這樣，存在一個(gè)事件的集合或時(shí)空區(qū)域，光或任何東西都不可能從該區(qū)域逃逸而到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察者。現(xiàn)在我們將這區(qū)域稱作黑洞，將其邊界稱作事件視界，而它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的那些路徑相重合。
如果你觀察一個(gè)恒星坍縮并形成黑洞時(shí)，為了理解你所看到的情況，切記在相對(duì)論中沒(méi)有絕對(duì)時(shí)間。每個(gè)觀測(cè)者都有自己的時(shí)間測(cè)量。由于恒星的引力場(chǎng)，在恒星上某人的時(shí)間將和在遠(yuǎn)處某人的時(shí)間不同。假定在坍縮星表面有一無(wú)畏的航天員和恒星一起向內(nèi)坍縮。他按照自己的表，每一秒鐘發(fā)一信號(hào)到一個(gè)圍繞著該恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的航天飛船上去。在他的表的某一時(shí)刻，譬如11點(diǎn)鐘，恒星剛好收縮到它的臨界半徑以下，此時(shí)引力場(chǎng)強(qiáng)大到?jīng)]有任何東西可以逃逸出去，他的信號(hào)再也不能傳到航天飛船了。隨著11點(diǎn)趨近，他的伙伴從航天飛船上觀看會(huì)發(fā)現(xiàn)，從該航天員發(fā)來(lái)的一串信號(hào)的時(shí)間間隔越變?cè)介L(zhǎng)。但是這個(gè)效應(yīng)在10點(diǎn)59分59秒之前是非常微小的。在收到10點(diǎn)59分58秒和10點(diǎn)59分59秒發(fā)出的兩個(gè)信號(hào)之間，他們只需等待比1秒鐘稍長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間，然而他們必須為11點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)等待無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。按照航天員的手表，光波是在10點(diǎn)59分59秒和11點(diǎn)之間由恒星表面發(fā)出；從航天飛船上看，那光波被散開(kāi)到無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間間隔里。在航天飛船上這一串光波來(lái)臨的時(shí)間間隔變得越來(lái)越長(zhǎng)，所以從恒星來(lái)的光顯得越來(lái)越紅、越來(lái)越淡，最后，該恒星變得如此之朦朧，以至于從航天飛船上再也看不見(jiàn)它：所余下的一切只是空間中的一個(gè)黑洞。不過(guò)，此恒星繼續(xù)以同樣的引力作用到航天飛船上，使飛船繼續(xù)圍繞著形成的黑洞旋轉(zhuǎn)。但是由于以下的問(wèn)題，上述場(chǎng)景不是完全現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)人離開(kāi)恒星越遠(yuǎn)則引力越弱，所以作用在這位無(wú)畏的航天員腳上的引力總比作用到他頭上的大。在恒星還未收縮到臨界半徑而形成事件視界之前，這力的差別就足以將我們的航天員拉成意大利面條那樣，甚至將他撕裂！
然而我們相信，在宇宙中存在大得多的天體，譬如星系的中心區(qū)域，它們?cè)馐艿揭μs而產(chǎn)生黑洞；一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會(huì)被撕開(kāi)。事實(shí)上，當(dāng)他到達(dá)臨界半徑時(shí)，不會(huì)有任何異樣的感覺(jué)，甚至在通過(guò)永不回返的那一點(diǎn)時(shí)，都沒(méi)注意到它。然而，隨著這區(qū)域繼續(xù)坍縮，只要在幾個(gè)鐘頭之內(nèi)，作用到他頭上和腳上的引力之差會(huì)變得如此之大，以至于再將其撕裂。
羅杰?彭羅斯和我在1965年和1970年之間的研究指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，在黑洞中必然存在密度和時(shí)空曲率無(wú)限大的奇點(diǎn)。這和時(shí)間開(kāi)端時(shí)的大爆炸相當(dāng)類似，只不過(guò)它是一個(gè)坍縮物體和航天員的時(shí)間終點(diǎn)而已。在此奇點(diǎn)，科學(xué)定律和我們預(yù)言將來(lái)的能力都崩潰了。然而，任何留在黑洞之外的觀察者，將不會(huì)受到可預(yù)見(jiàn)性失效的影響，因?yàn)閺钠纥c(diǎn)出發(fā)的，不管是光還是任何其他信號(hào)，都不能到達(dá)他那兒。這個(gè)非凡的事實(shí)導(dǎo)致羅杰?彭羅斯提出了宇宙監(jiān)督假想，它可以被意譯為：“上帝憎惡裸奇點(diǎn)?！睋Q言之，由引力坍縮所產(chǎn)生的奇點(diǎn)只能發(fā)生在像黑洞這樣的地方，它在那里被事件視界體面地遮住而不被外界看見(jiàn)。嚴(yán)格地講，這就是所謂弱的宇宙監(jiān)督假想：它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發(fā)生在奇點(diǎn)處的可預(yù)見(jiàn)性崩潰的影響，但它對(duì)那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛(ài)莫能助。
廣義相對(duì)論方程存在一些解，我們的航天員在這些解中可能看到裸奇點(diǎn)：他也許能避免撞到奇點(diǎn)上去，相反地穿過(guò)一個(gè)“蟲(chóng)洞”來(lái)到宇宙的另一區(qū)域。看來(lái)這給在時(shí)空內(nèi)的旅行提供了大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常不穩(wěn)定的；最小的干擾，譬如一個(gè)航天員的存在就會(huì)使之改變，以至于他還沒(méi)能看到此奇點(diǎn)，就撞上去而終結(jié)了他的時(shí)間。換言之，奇點(diǎn)總發(fā)生在他的將來(lái)，而絕不會(huì)發(fā)生在他的過(guò)去。宇宙監(jiān)督假想強(qiáng)的版本是說(shuō)，在一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解里，奇點(diǎn)總是要么整個(gè)存在于將來(lái)（如引力坍縮的奇點(diǎn)），要么整個(gè)存在于過(guò)去（如大爆炸）。我強(qiáng)烈地相信宇宙監(jiān)督，這樣我就和加州理工學(xué)院的基帕?索恩和約翰?普勒斯基爾打賭，認(rèn)為它總是成立的。由于找到了一些解的例子，在非常遠(yuǎn)處可以看得見(jiàn)其奇點(diǎn)，所以我在技術(shù)的層面上輸了。這樣，我必須遵照協(xié)約還清賭債，也就是必須把他們的裸露遮蓋住。但是我可以宣布道義上的勝利。這些裸奇點(diǎn)是不穩(wěn)定的：最小的干擾就會(huì)導(dǎo)致這些奇點(diǎn)消失，或者躲到事件視界后面去。所以它們?cè)趯?shí)際情形下不會(huì)發(fā)生。