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1916年,即廣義相對論被提出之後不久,卡爾·施瓦茲席爾德,找到廣義相對論中場方程的代表一個黑洞的解。在很多年裡施瓦茲席爾德找到的東西沒有得到理解或者重視。愛因斯坦本人從不相信黑洞,而且大多數廣義相對論的元老認同他們的態度。我還記得有一次去巴黎作學術報告,那是關於我發現的量子理論意味著黑洞不完全黑的。我的學術報告徹底失敗,因為那時候在巴黎幾乎無人相信黑洞。法國人還覺得這個名字,如他們翻譯的,trou noir 具有可疑的性暗示,應該代之以astre occlu 或“隱星”。然而,無論是這個還是其他提議的名字都無法像黑洞這個術語那樣能抓住公眾的想象力。這是美國物理學家約翰·阿契巴爾德·惠勒首先引進的,他激發了這個領域中的大量的現代研究。
1963年類星體的發現引起有關黑洞的理論研究以及檢測它們的觀察嘗試的進發。這裡就是已經呈現的圖景。考慮我們所相信的具有20倍太陽質量的恆星曆史。這類恆星是由諸如獵戶座星雲中的那些氣體雲形成的。當氣體雲在自身的引力下收縮時,氣體被加熱上去,並且最終熱到足以開始熱聚變反應,把氫轉化成氦。這個步驟產生的熱量製造了壓力,使恆星對抗住自身的引力,並且阻止它進一步收縮。一個恆星可以在這種狀態停留很長時期,燃燒氫並將光輻射到太空中去。
恆星引力場影響從它發出的光線的途徑。人們可以畫一張圖,往上方向表示時間,水平方向代表離開恆星中心的距離。在這張圖上,恆星的表面由兩根垂直直線代表,在中心的兩邊各有一根。時間的單位可選為秒,而距離單位選擇光秒——也就是光在一秒種內旅行的距離。當我們使用這些單位時,光速為1,也就是光速為每秒一光秒。這意味著遠離恆星極其引力場,圖上的光線的軌跡是一根和垂直方向成45°角的直線。然而,鄰近恆星處,由恆星質量產生的時空曲率變化了光線的軌跡,使他們和垂直方向夾更小的角。
大質量恆星將比太陽更快速度的多地把它們的氫燃燒成氦。這意味著它們可以在短到幾億年的時間內把氫耗盡。此後,這類恆星面臨著危機。它們能把氫燃燒成諸如碳和氧等等更多的元素,但是這些核反應不會釋放出大量能量,這樣恆星失去支援自身對抗引力的熱量和熱壓力。因此它們開始變得更小。如果它們質量大約比太陽質量的兩倍還大,其壓力將永遠不足以停住收縮。它們將坍縮成零尺度和無限尺度,從而形成所謂的奇點。在這張時間對離開中心距離的圖上,隨著恆星縮小,從它表面發出的光線軌跡會在起始時間和垂直直線夾越來越小的角度。當恆星達到一定的臨界半徑,其軌跡就變成圖上的垂線,這意味著光線將在離恆星常距離處逗留,永遠不能離開。光線的臨界軌跡掠過的表面稱做事件視界,它把時空中的光線能夠逃逸的區域和不能逃逸的區域或隔開。在橫行透過其事件視界後,從它表面發射的光線將被時空曲率向裡面彎曲。恆星就成為一個米歇爾的暗星,或者用我們現在的話講,就是黑洞。
如果光線不能從黑洞逃出,你何以檢測它呢?其答案是黑洞正如坍縮之前的物體那樣,仍然把同樣的引力拉力施加在周圍的物件上。如果太陽是一個黑洞面且在轉變成黑洞之前沒有損失任何質量,則行星將仍然像現在這樣圍繞著它公轉。
因此搜尋黑洞的一種方式是尋找圍繞著似乎是看不見的緊緻的大質量物體公轉的物體。若干這樣的系統已被測到。發生在星系和類星體中心的巨大黑洞也許是最令人印象深刻的。
迄此討論到的黑洞的性質還未觸犯宿命論。一位落進黑洞並撞到奇點上去的的航天員的時間將會結束。然而,在廣義相對論中,人們可以在不同的地方隨意地以不同的速率來測量時間。因此,人們可以在航天員接近奇點時加快他或她的手錶,使之仍然記下無限的時間間隔。在時間距離圖上,這個新時間的常數值的表面將會在中心擁有在一起,剛好在奇性出現的點的下頭。但是它們在遠離黑洞的幾乎平坦的時空中和通常的時間測度相一致。
人們可以在薛定諤方程中使用這個時間,如果他知道初始的波函式,便能計算後來的波函式。這樣,人們仍然有宿命論。然而,值得注意的是,在後期波函式的一部分處於黑洞之內,它不能被外界的人觀察到。這樣,一位明知地不落入黑洞的觀察者不能往過去方向演化薛定諤方程並且計算出早先時刻的波函式。為了做到這一點,他或她就需要知道黑洞之內的那一部分波函式,這包含有落進黑洞的物體的資訊。因為一個給定質量和旋轉速