第7章 太空中的洞——黑洞
之所以把黑洞看成怪物，主要是因為其內部包含一個奇點。當恒星無法抵禦引力坍縮而形成黑洞時，最終會被擠壓成密度無窮大、體積無限小的點。這種奇點標誌著空間和時間的崩潰——實際上是物理學本身的崩潰。
自然界的黑洞是宇宙中最完美的宏觀物體：構成它們的唯一要素是我們對空間和時間的觀念。
——蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)
黑洞是上帝除以零的地方。
——史蒂文·賴特(Steven Wright)
1971年秋，東薩塞克斯郡赫斯特蒙塞
在英國一座建於15世紀的城堡的八角屋裏，兩位天文學家坐在桌旁，研究著令人費解的觀測資料。有一顆藍色的恒星似乎正在繞著一顆並不存在的天體運行，這太不正常了。
1971年夏天，保羅·默丁(Paul Murdin)結束了在美國7年的工作，回國後，在位於赫斯特蒙塞城堡(Herstmonceux Castle)的格林尼治天文台(the Royal Greenwich Observatory， RGO)工作，到入秋這段時間，他一直和露易絲·韋伯斯特(Louise Webster)共用一間辦公室。房間很大，但木門很矮，韋伯斯特進出時不得不低頭。城堡剛建成時，房間牆上隻有幾條裂縫能透進一絲絲光線，後來開了一扇大窗戶，先前住在這裏的人在窗戶旁邊的牆上記錄著雨燕每年回到城堡的日期，透過窗戶可以看到周圍令人心曠神怡的秀麗景色。護城河之外，牧場上有幾隻鵝正在悠閑地吃草。
這兩位天文學家仔細研究的是一顆名為HDE 226868的恒星。HDE是指《亨利·德雷珀擴充星表》(Henry Draper Extension)，是由哈佛大學的一小群女天文學家在1925—1936年編製的恒星目錄。由於美國業餘天文學家兼醫生亨利·德雷珀(Henry Draper)的遺孀資助了這個項目，因此，星表以亨利·德雷珀的名字命名。默丁第一次了解HDE 226868是在紐約州的羅切斯特大學(the University of Rochester)，他在那裏完成了博士研究之後，又做了幾個短期的博士後的工作。
早在學生時代，默丁就意識到，天文研究中的頭等大事就是要找到一些值得研究的東西。正如英國幽默作家道格拉斯·亞當斯(Douglas Adams)所說：“太空太寬廣了。你根本沒法兒相信它廣袤無垠、漫無邊際、令人瞠目結舌的寬廣到了什麽程度。我的意思是，你可能會覺得走去藥店的路就已經很遠了，但那對太空來說，這簡直就是滄海一粟。”[118]太空中大約有2萬億個星係，其中許多星係都擁有數千億顆恒星。要想從中找到一個能成就大事的天體，無異於在地球上所有海灘的普通沙礫中找到特別的一粒。
默丁意識到，他需要的是一些可能會顯示出某種不尋常事情正在發生的信號。在羅切斯特大學時，他經常與其他研究生一起辯論，什麽樣的信號符合這樣的條件：射電波是一種可能性，但默丁對於新穎的東西很敏銳，他鎖定了最新、最有前途的信號——X射線。
X射線是一種高能量的光，由被加熱到數十萬甚至數百萬攝氏度的物質發出。地球的大氣層屏蔽了來自太空的X射線，盡管對於地球上的生命來說，這是一種幸運，但對天文學家來說卻是不幸的。不管怎樣，在20世紀50年代末、60年代初，意大利裔美國物理學家裏卡多·賈科尼(Riccardo Giacconi)建造了人類第一台簡陋的X射線望遠鏡。為克服地球大氣層的遮擋，1962年，賈科尼和同事們用探空火箭把這台望遠鏡發射到了大氣層的頂層，在火箭下落之前完成了觀測。這次對宇宙X射線的短暫一瞥，揭示了許多宇宙X射線的發射源，其中就包括天鵝座X-1(Cygnus X-1)，那是太空中發射X射線最強的天體之一。
不幸的是，早期的X射線望遠鏡過於簡陋，隻能將宇宙射線源的位置定位到“在某個星座中”。就天鵝座X-1來說，隻能定位在那個以天鵝命名的星座範圍內。沒有人知道發出X射線的恒星到底是什麽樣子，所以現在需要找出點不合規律的東西。起初，要搜索的天空麵積太大，讓人感到絕望。但是隨著X射線望遠鏡技術的提高，直到1970年，情況得到了改善。默丁注意到，天鵝座X-1可能存在位置的箱狀區域中有一顆遠比其他恒星亮得多的恒星(HDE 226868)，但似乎它沒有更多的特別之處。
這一次，默丁返回英國，就職於東薩塞克斯郡赫斯特蒙塞的格林尼治天文台，依舊是短期職位。那時，美國航空航天局發射的一顆衛星首次搭載了一個靈敏的X射線天文望遠鏡。烏呼魯(Uhuru)衛星確定了大量的X射線源天體，默丁得到了目錄的預印本。那個確定天鵝座X-1位置的箱狀區域因而縮小了很多，現在大約隻有滿月直徑的1/3。重要的是，這塊箱狀區域裏麵仍然包含HDE 226868。“那顆星還在搖旗呐喊：‘看看我吧!我真的很有趣!’”默丁說。
能和韋伯斯特在一個辦公室工作，真是默丁的運氣，否則他的研究不見得能成功。當時默丁還不到30歲，韋伯斯特隻比他大一點。這位澳大利亞人正在和格林尼治天文台的台長理查德·伍利(Richard Woolley)合作研究銀河係中恒星的運動情況。[119]
默丁並不認為藍色恒星HDE 226868本身就是神秘的X射線源，他和韋伯斯特研究過這顆恒星的星光，看不出有什麽特別。[120]不管怎樣，那時人們猜測，這種X射線可能是由恒星的一顆小體積、超高密度的伴星吸積恒星上的物質時發出的。當恒星上的物質旋轉著落向伴星(像水旋轉著流入排水孔)時，在吸積盤(accretion disk)中發生劇烈摩擦，使物質變得極熱，從而發出X射線。因此，默丁心中的疑問是：HDE 226868是否也有一顆這樣的伴星呢？
如果這顆藍色恒星的速度不斷變化，比如它的速度變化表明它先是接近地球，然後再逐漸遠離，那就說明它正在繞另一顆恒星旋轉。要想弄清這顆恒星的速度是否真的在改變，默丁甚至不必做任何工作，因為當時韋伯斯特和她的團隊正在做的就是測量恒星的速度。默丁隻要將HDE 226868的天體坐標寫在一張紙上，然後交給韋伯斯特即可。
韋伯斯特使用的是100英寸(約2.54米)的巨型艾薩克·牛頓望遠鏡(Isaac Newton Telescope)。好笑的是，最初這台望遠鏡竟然建在終年雲霧繚繞、雨水豐沛的赫斯特蒙塞〔1979年，在花費了比建造時更高的成本後，該望遠鏡被移至加那利群島拉帕爾瑪島的穆查丘斯羅克天文台(the Roque de los Muchachos Observatory)〕。事實證明，這對默丁來說是另一個好運。世界上最好的天文台通常位於海拔高、氣候幹燥、視野非常好的地方，致力拍攝宇宙中那些非常暗弱、極其遙遠的天體。而在赫斯特蒙塞，隻能將注意力集中在那些更明亮的、即使在朦朧的天空中也可以“看見”的天體上，而HDE 226868正是這樣一顆恒星。
韋伯斯特正在使用超靈敏的光譜儀拍攝恒星的光譜。恒星的光譜記錄的是恒星發出的不同顏色或頻率的光的亮度。光的頻率就像聲音的音調一樣：當恒星向我們靠近時，光的頻率就會變高；而當恒星離我們越來越遠時，光的頻率就會變低。這與警笛聲音的傳播相似，警笛在接近你時，聲音變得尖銳；在遠離你時，聲音變得低沉。這種現象被稱為多普勒效應。
幸運的是，大自然中每種原子發出的光都有一組像指紋一樣的特征頻率。要探測恒星相對觀測者的運動方向，隻需要在恒星的光譜中辨識出一組某種原子的特征光譜，然後與該原子的地球實驗室光譜進行比較，看看頻率移動的情況即可。
韋伯斯特團隊拍攝了6個HDE 226868的光譜。令人失望的是，6個光譜中隻有1個顯示出這顆恒星有運動的跡象。前景並不樂觀。默丁開始對藍色恒星失去興趣了。但是，他不是那種半途而廢的人，並且那個孤單的頻譜也提供了某種信息，他決定讓韋伯斯特繼續觀察這顆恒星。
韋伯斯特如期拍攝到了另外一組光譜。當他們看到光譜時，默丁驚訝地發現，這組光譜圖都顯示出了運動的跡象。很明顯，HDE 226868的確處在環繞另一顆恒星運動的軌道上。默丁使用的是原始的機械式計算器，計算時還需要搖動手柄，他算出HDE 226868每5.6天轉一圈。
從默丁推斷出的軌道中，可以找到韋伯斯特的第1批光譜幾乎沒有運動跡象的原因，多普勒頻移隻能顯示恒星朝向地球和遠離地球的運動。但第1批光譜中出了點小意外，有5個光譜在拍攝時，HDE 226868恰好運動到了與觀測方向垂直的軌道上，那時HDE 226868幾乎是既不向我們靠近，也沒離我們而去。
事後來看，第1批中那個唯一能提供運動結果的光譜是錯誤的，引發錯誤的是某種永遠無法追查的儀器問題。但這是默丁的又一個好運。如果沒有第6個光譜不正常的顯示，默丁就不會讓韋伯斯特繼續觀察，也就不會發現HDE 226868的伴星了。
當默丁和韋伯斯特坐在桌子旁，拿著最新的數據進行分析時，他注意到了看不見的伴星的質量。通過現有的HDE 226868的多個光譜，兩位天文學家得知這顆恒星極年輕、極灼熱、極明亮，發出的光大約是太陽的40萬倍。在1971年，一般人們認為像這樣的O型藍超巨星(Blue supergiant stars)的平均質量大約是20個太陽質量。根據這顆恒星的質量估算值和5.6天的軌道周期，可以確定其伴星的質量。不過這個質量並不精確，因為從地球角度看到的是HDE 226868的軌道在天空中的二維投影，而軌道在實際三維空間中的真實形狀是未知的，所以隻能說伴星質量比某個最小質量大。
默丁和韋伯斯特分工協作進行計算工作。默丁去走廊50米處的圖書館查閱參考書，反複檢查推算未知伴星質量的公式是否正確，公式比較複雜，他要確保自己沒有記錯。
兩位天文學家的討論隻持續了1個小時，他們就得出了確定的結論。伴星的質量至少是太陽的4倍，說不定有6倍。[121]
當時已發現的致密星體隻有白矮星(white dwarf)和中子星，並且，距離中子星的發現僅僅過去了4年。當時劍橋大學的研究生喬瑟琳·貝爾(Jocelyn Bell)以脈衝星(pulsar)的名義發現了中子星。但理論上，這兩種天體的質量都不應大於2個太陽質量。這樣一來，有資格作為候選對象的天體，從理論上講，就隻有一種了。韋伯斯特和默丁麵麵相覷，韋伯斯特一如既往地鎮靜自若，而默丁卻難以抑製自己的激動，二人都想到了一種駭人聽聞的、如噩夢般的天體。早在半個多世紀前，這種天體的存在就被一個躺在野戰醫院病**的人預測到了……
1916年冬，東線戰場
槍炮聲將卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)從睡夢中驚醒。冬日的陽光透過薄薄的窗簾照射進來，讓他眯起了眼睛。史瓦西感覺到骨頭深處在隱隱作痛，忍受著這樣的疼痛和不適，他很難再次入睡。一時間，他感到情緒很低落，但他不能允許自己屈服於自憐，如果那樣，就會遺忘某些東西，某些他必須全力追求的美好東西。恍惚間，史瓦西心中猛然一驚，害怕昨晚的努力隻不過是一場夢，史瓦西急切地看了一眼床頭櫃。噢，謝天謝地，那篇他在淩晨撰寫的論文就在床頭櫃上放著，一切都是真實的。僅用紙和筆，史瓦西就揭示出了宇宙的非凡之處：在太空中的某些地方可能存在著非常可怕的天體，那是一種如噩夢般的東西。
早上例行的清理工作既累人又耗時，護士們穿著缺乏生氣的白大褂走進他的隔離室。她們親切而溫柔，幫他清理了一下覆蓋了大部分身體的水皰，然後護士們讓他坐在椅子上，換掉血跡斑斑的床單。然後給他端來軟麵包和熱牛奶(盡管他更喜歡啤酒)。[122]他咀嚼著鬆軟的麵包——這是唯一不會使他那張布滿水皰的嘴進一步發炎的食物——聽著槍炮聲，回憶著把他帶到東部前線這家醫院的一連串事件。
1914年8月德國首先向俄國宣戰時，史瓦西原本沒有報名參軍的必要。不僅是因為他已經40歲了，更重要的原因是，作為柏林天文台的台長，他正做著德國科學界最有聲望的工作之一。但周圍的反猶太主義勢力正在抬頭，而史瓦西就是個猶太人，這是他不能公開講的事情。事實上，史瓦西在參軍前寫下的遺囑中一再叮囑妻子，要等到孩子十四五歲時，再告訴他們自己是猶太人。[123]盡管史瓦西在生活中並沒有參加猶太教活動，但他非常強烈地感到有必要堅定地站出來參軍：如果猶太人想要在反猶太主義的浪潮中生存，就必須證明自己毫無疑問是愛國的德國人。正因如此，1914年夏天，當不祥的事件在歐洲蔓延時，史瓦西下定決心，如果真的發生了戰爭，將不惜犧牲自己的生命來保衛祖國。在德國皇帝凱撒·威廉二世的軍隊服役的18個月裏，史瓦西在比利時負責管理過一個氣象站，在法國為炮兵連計算過炮彈的彈道，最後，他被派到了東部前線。就在那裏，史瓦西患上了口腔潰瘍。起初，他以為這是過度疲勞造成的。1915年的冬天很冷，並且與妻子和家人的分離讓他備感壓力。但口腔潰瘍惡化了，不到一個月，他全身都長出了充血的水皰，形成了大麵積潰爛，然後結痂。水皰反複發作，毫無征兆地出現又消退。
史瓦西剛到野戰醫院時，醫生們也是一頭霧水，幾天後才診斷出是尋常型天皰瘡。沒有人知道是什麽引發了這種罕見的身體免疫係統攻擊自己皮膚的疾病，這種疾病在猶太人中較為常見，尤其是來自東歐的德係猶太人。[124]他被告知，目前這種病還沒有有效的治療方法。
作為一名科學家，史瓦西很想知道他的真實病情。也許是為了不讓他擔心，醫生們都閃爍其詞，但很明顯，他的病情可能危及其生命。畢竟皮膚是人體最大的器官，體溫也是通過皮膚出汗來調節的，如果皮膚受損，體溫將無法避免地過熱。不僅如此，皮膚也是防止感染的屏障。如果這道屏障被突破，人體就會被各種外來微生物入侵。
史瓦西剛剛完成的那篇論文是他到東部前線炮兵連之後寫的第二篇。史瓦西開始仔細檢查計算過程，其中有錯誤嗎？結果成立嗎？沒有人可以交流討論。在過去的幾周裏，史瓦西體會到了牛頓那種“永遠孤獨地航行在陌生的思想海洋”的感受。[125]論文中使用的引力理論才剛剛問世，他知道自己即便不是最早見到並掌握該理論的人，也一定是最早之一，當然，除了天才的理論創建者本人。
阿爾伯特·愛因斯坦和史瓦西隻在少數幾個場合有過交集，兩人的交流也僅限於寒暄。原因是柏林天文台在城外的波茨坦，而愛因斯坦的工作場所(愷撒-威廉物理研究所，Kaiser Wilhelm Institute)則在達勒姆郊區，離市中心更近。盡管和愛因斯坦接觸得很少，但史瓦西滿懷熱情地接受了愛因斯坦的廣義相對論，那可是愛因斯坦付出了10年的努力，才找到的與狹義相對論協調的引力理論。[126]
狹義相對論與牛頓的引力論之間是存在矛盾的。比如，愛因斯坦主張，沒有什麽速度能比光速(宇宙的速度極限)更快；而牛頓假定，不管在哪裏，物體(例如太陽)的引力都可以被瞬間感知，這等於說引力是以無限的速度傳播的。再比如愛因斯坦宣稱所有形式的能量都是引力源，原因是所有形式的能量都具有有效質量(effective mass)；而牛頓卻認為，隻有質量才是引力源。[1]
光能具有有效質量是可觀測的事實，愛因斯坦在找到與相對論相容的引力理論之前，就已經意識到了這一點。射向地球的星光在經過太陽附近時，傳播的路徑應該被太陽的引力所彎曲。1914年第一次世界大戰爆發時，史瓦西的同事歐文·弗倫德裏希(Erwin Freundlich)就曾和兩名同伴前往克裏米亞(Crimea)，計劃在8月21日的日全食期間觀測星光的彎曲。[127]不幸的是，他們被俄國人以敵方僑民的身份投入了監獄。直到9月下旬，3個人才跟隨第一批交換的戰俘，一瘸一拐地返回了柏林。
愛因斯坦為尋找深奧的引力理論而進行的努力，最終以4篇論文的形式呈現了出來，也就是後來的廣義相對論。1915年11月，論文提交給了普魯士科學院。文中描繪了一個嶄新的、難以想象的世界。
根據牛頓的說法，太陽和地球之間存在著一種“力”，就像一條無形的繩索將兩個天體維係在一起，並將地球永久地捆綁在環繞太陽的軌道上。愛因斯坦則提出了另一種觀點：實際上，像太陽這樣的天體，巨大的質量使其周圍的時空扭曲成山穀。[128]地球則像輪盤賭輪上滾動的珠子一樣在山穀的斜坡上穿行。當時有人總結道：本質上，廣義相對論就是物質告訴時空如何彎曲，彎曲的時空告訴物質如何運動。不過經過了半個世紀之後，已經沒有人再使用這樣的說辭了。[129]
根據愛因斯坦的說法，引力就是彎曲的時空。然而，時空是四維的，作為三維生物的我們完全沒有意識到時空的起伏。我們為了解釋諸如地球圍繞太陽之類的運動，才發明了那個“力”，並稱之為引力。
愛因斯坦的論文在柏林發表後，幾天之內就傳到了東部前線的史瓦西手裏。他立刻迷上了廣義相對論。[130]這個優雅而又朝氣蓬勃的理論，這個理論的美麗和它所體現出的膽識令史瓦西神往。但更重要的是，這能讓史瓦西暫時忘卻死亡、毀滅和槍炮的轟鳴。史瓦西在計算火炮彈道的繁忙中，還能抽出時間洞悉複雜的數學內涵，並深入思考廣義相對論的因果關係，這真令人難以置信。
愛因斯坦曾用他的理論來解釋離太陽最近的行星令人困惑的運動。像所有的其他行星一樣，水星不僅受到太陽的引力作用，也受到太陽係其他行星的引力影響，導致其在橢圓軌道運行時自轉軸繞某一中心的旋轉，這種運動方式被稱為進動。但是，即使考慮了其他行星的影響，仍有無法解釋的問題，那就是水星近日點的異常進動。
太陽是太陽係中質量最大的天體，水星距離太陽最近，愛因斯坦意識到，這意味著在所有行星中，水星所在的地方，時空彎曲最為嚴重，這勢必會對水星的運動產生影響。愛因斯坦用廣義相對論預測水星的軌道，發現與天文學家觀測到的實際數據相等。這是廣義相對論的勝利。他的理論精確地解釋了水星的異常進動。
然而，愛因斯坦的計算既不連貫，也不優雅。問題出在他的引力理論機製太複雜，使用了許多計算彎曲時空的數學方法，而這些方法是由一批數學家在19世紀發展起來的，其中最著名的有卡爾·弗裏德裏希·高斯(Carl Friedrich Gauss)和伯恩哈德·黎曼(Bernhard Riemann)。在牛頓的理論中，1個方程就足以描述引力，而愛因斯坦的理論則需要10個方程。[131]因此，要找到給定物質的時空形狀，也就是找到愛因斯坦引力場方程的解，是很困難的。就連愛因斯坦自己也覺得這是不可能的。所以，在計算水星的反常運動時，他采用了近似的方法，估算了太陽周圍的時空彎曲。
不過，史瓦西很熟悉計算彎曲空間的數學方法——黎曼幾何。因此，他很想知道自己是否能比愛因斯坦做得更好。但在這炮火連天的轟鳴聲中，他能找到像太陽這樣的局域質量周圍空間的確切曲率公式嗎？
史瓦西從一些基本的假設開始做起。首先，假定太陽或者說任何其他恒星是完美的球形；其次，假定太陽周圍的時空曲率不隨時間而變化；最後，假定時空的曲率與方向無關，隻取決於其與太陽的徑向距離。值得注意的是，史瓦西的這些近似假設極大地簡化了問題，使方程從原來的10個減少到1個。接下來，他又施展了一點數學魔法，奇跡般地找出了這個獨立方程的唯一解。
史瓦西解決了不可能解的方程，他超越了愛因斯坦。並且，史瓦西發現的是一種精確的描述，而不是對圍繞太陽周圍的時空曲率的近似表達。這是迄今為止發現的第一個愛因斯坦引力理論的精確解。在接下來的幾年裏，物理學家們認識到，要想找到愛因斯坦方程的解太難了，於是物理學家們就用發現者的名字來命名這些解，以示敬意。因此史瓦西的名字以史瓦西解，或者更準確地說是施瓦氏度規(Schwarzschild metric)而流芳千古了。
利用這個精確解，史瓦西很快證實了愛因斯坦對水星異常進動的解釋。“從這樣一個抽象的想法出發，自然而然地計算出水星軌道的異常表現是一件相當奇妙的事情。”他寫道。[132]
後來史瓦西把計算結果寫成了論文，於1915年12月22日寄給愛因斯坦，並隨附了一封信。在信的結尾，史瓦西寫道：“如你所見，盡管這裏硝煙彌漫，但戰爭對我還是很友好的，允許我遠離這一切，在你思想的土地上行走。”[133]到那時為止，史瓦西還沒有意識到自己嘴裏長出的水皰的嚴重性，很快，他就會因病離開部隊，被送往野戰醫院。
收到東部前線的來信讓愛因斯坦感到有點意外。盡管愛因斯坦意識到，這位年過40的柏林天文台台長在戰爭爆發時能自願加入凱撒·威廉二世的軍隊是一件非同尋常的事，但信中能寫些什麽呢？
讀信時，愛因斯坦驚訝地發現了用自己的理論進行的計算。他一邊用手指沿著代數式往下移動，一邊頻頻點頭表示讚同。愛因斯坦的論文交給普魯士科學院的事才過了1個月，然而史瓦西不僅掌握了他的理論，還將之推向了新的應用領域。這是廣義相對論的第一個精確解，就連愛因斯坦自己都認為求解有點不太可能。
愛因斯坦立即回複史瓦西：“我對你的論文很感興趣。我沒有料到，有人能以如此簡潔的方法得出這個問題的解。我非常喜歡你對這個問題的數學處理方式。”[134]
愛因斯坦在回信中承諾，在下周四將這封信提交普魯士科學院，並附上幾句解釋的話。愛因斯坦果然沒有食言，他於1916年1月13日提交了史瓦西論文的概要。但是，躺在醫院病**的史瓦西並未停止對廣義相對論的研究。對於理想球形天體外部的時空曲率，史瓦西已經找到了精確描述，那麽此類天體內部呢？那正是第二篇論文的主題，現在史瓦西正在反複檢查計算過程和結果，並打算寄給愛因斯坦。
這個主題吸引史瓦西好幾天了，最重要的是，這使他忘卻了痛苦。他不顧一切，迷失在夢裏。“史瓦西教授!”他記得有人試圖搖醒他，“我們得給你換衣服，換**用品了，你得出去走走……”
通過仔細研究那個奇跡般的解，史瓦西發現了不可思議的東西。如果天體被壓縮到某個臨界半徑內，那麽嚴重扭曲的時空就不再僅僅是一個山穀，[135]它會變成一個無底洞，任何東西，即使是光，都休想從中逃逸。這顆恒星將永遠與宇宙隔絕，它看起來就像太空中的一個洞。史瓦西沒有為這樣一個嚴重扭曲的時空區域命名，但總有一天，“黑洞”這個詞將會家喻戶曉。
臨界半徑小得離譜，它的命名也像史瓦西的時空解那樣，將以其發現者的名字命名。太陽的施瓦氏半徑(Schwarzschild radius)隻有1.47千米，地球的則隻有5毫米。如果太陽和地球被擠壓到那麽小，就會瞬間不見，永遠消失在人們的視野之中。
但是太陽的直徑超過100萬千米，如果臨界半徑隻有1.47千米，就意味著要把它壓縮到令人難以置信的密度。史瓦西的第一反應是：“(這是)非常奇怪的，也許隻是數學的奇異性。”但史瓦西並沒有就此罷手，[136]他寫道：“曆史告訴我們，數學解往往就是自然界中的現實，就好像數學和物理之間存在著某種預先建立的和諧。”史瓦西在去柏林工作之前，就曾在哥廷根大學(University of Gottingen)提出過這個想法，他承認自己是其“信徒”。也許，他的方程所描述的怪物確實存在。
史瓦西把這篇新論文連同信一起折疊起來，塞進信封封好，請一個經過的護理員幫他寄出去。
1916年2月13日，愛因斯坦向普魯士科學院提交了史瓦西的黑洞解。3月的時候，病情惡化的史瓦西被轉院到柏林，不幸的是，他在5月11日與世長辭，享年42歲。但他留下了一樣東西，那就是他的愛因斯坦方程的黑洞解。
1971年冬，蘇塞克斯郡赫斯特蒙塞
保羅·默丁結束與路易絲·韋伯斯特的討論後，無法抑製腎上腺素的升高，在八角屋裏不停地踱來踱去，從邏輯上仔細審核著那個驚人的結論。坐在辦公桌前的韋伯斯特則一如既往地含蓄、沉穩，不為所動。
天鵝座X-1中的X射線來自從這顆藍色超巨星上撕下的物質。就在這些物質落向黑洞的過程中，強烈的旋轉引起了內部摩擦，將它們加熱到極高的溫度。如果這兩位天文學家的結論沒錯的話，這將是一項真正重大的天文學發現。盡管如此，仍然很難相信這樣瘋狂的理論預測會成真。“令人驚奇的是，黑洞原來是真實的物體!”默丁說，“難以置信，真有黑洞!”
默丁希望太空中第一個黑洞的發現能讓他在天文學界嶄露頭角，更重要的是，這會帶給他一個終身職位。畢竟，養活年幼的孩子不是一件輕鬆的事。
默丁和韋伯斯特就他們的發現撰寫了一篇500字的短文，打算投稿給《自然》雜誌。但在申請投稿許可時，他們遭遇了意外的阻撓——皇家天文台台長理查德·伍利根本就不相信黑洞的存在，認為那隻不過是某種“新時代”的魔術而已。“有次談話中，他甚至直接質問我，為什麽我確信天鵝座X-1中就是有‘黑匣子’。”默丁說。
伍利故意拖延論文發表，一定程度上是因為他是亞瑟·愛丁頓的學生，而愛丁頓並不相信黑洞的存在。除此之外，還有另一個原因，那就是直到最近，位於赫斯特蒙塞的皇家格林尼治天文台(Royal Greenwich Observatory， RGO)一直都是由皇家海軍管理的。公眾形象對海軍來說極其重要，伍利擔心，天文台寫出這樣的文章會招致人們的嘲諷和恥笑，影響海軍的聲譽。
但是，對於默丁和韋伯斯特來說，如果辛辛苦苦獲得的觀測結果不能發表，那就什麽也不是。所有證據都表明，HDE 226868在圍繞著看不見且質量巨大的物體運行，可以想到的唯一符合條件的物體就是黑洞。最後，在天文台其他資深成員的協調下，伍利做出了讓步，允許默丁和韋伯斯特的論文發表。
此刻，默丁麵臨著許多風險，令他緊張不已。沒有人能保證其他人不會看出HDE 226868是黑洞，並搶在他們之前發表論文。為了防止這種情況發生，默丁決定親自把論文送到位於倫敦市中心的《自然》雜誌辦公室，並確保論文上麵蓋上了接收日期的章。然而，就在默丁開車去黑斯廷斯車站趕火車時，從車上的收音機裏隱隱約約聽到一則新聞，似乎是和恒星高能事件有關。他立刻臆想：“哦，完了，別人也發現了!已經有人捷足先登了!”
在倫敦的一整天，默丁都處於憂心忡忡、惴惴不安的狀態。直到那天晚上，他返回黑斯廷斯車站時聽到了那條新聞的再次播報。讓他感到莫大寬慰的是，所謂的高能事件隻不過是火星上發生的一場風暴而已，原來隻是一場虛驚。
論文於1972年1月7日發表在《自然》雜誌上。[137]默丁得到了終身職位，並且他們家也搬進了更大的房子。說起來，默丁是曆史上第一個用黑洞支付房屋貸款的人。[138]
論文發表的那天，默丁和妻子萊斯利(Lesley)帶著兩個孩子來到黑斯廷斯的一家海濱咖啡館吃寶彩聖代。當3歲和7歲的兩個男孩將長勺子挖入冰激淩、水果和水果糖漿中時，不難猜測孩子們在想什麽。“我知道，他們希望爸爸發現更多的黑洞。”默丁說。[139]
很難想象，黑洞發現者的世界與56年前在醫院病**預測了黑洞存在的那位“魔術師”的世界，反差有多麽巨大。
當默丁和韋伯斯特首次在天鵝座X-1中發現黑洞時，此類天體的理論研究已經從史瓦西的精確解轉向了愛因斯坦的引力理論。[140]愛因斯坦從來不相信黑洞的存在，大多數仔細研究過這個精確解的人都同意愛因斯坦的觀點，不會像史瓦西所說的那樣——任何東西，就連光都不可能從中逃逸的天體——能夠存在，這奇怪得簡直無法用語言來描繪。他們推斷，當一顆大質量恒星在其生命末期收縮時，一定會有某種未知的力量介入，阻止這種怪物的形成。這種力似乎可以由誕生於20世紀20年代的革命性理論來提供，該理論對原子及其組成進行了革命性的新描述。
量子理論指出，構成世界的基本要素原子、電子和光子等具有一種怪誕的“雙重”性。[141]這些粒子既可以表現出粒子性，就像微小的台球；又可以表現出波動性，就像池塘裏的漣漪。因為這樣的量子波具有廣延性，所以它們占據了大量的空間，多個量子波相關的粒子很難一起擠進很小的體積。或者，換一種說法，如果企圖壓縮量子波相關的粒子，就會遭到強烈的抵抗。
粒子越小，量子波反而越大，我們熟知的電子正是擁有最大量子波的最小粒子。當恒星物質被壓縮進較小體積時，原子內部軌道上運行的電子就會抗拒壓縮。人們一般認為，這種簡並壓力(degeneracy pressure)就是阻止恒星坍縮成黑洞的力。但1930年，一名從印度乘船到英國學習物理的19歲學生蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(Subrahmany an Chandrasekhar)發現，愛因斯坦的狹義相對論改變了一切。錢德拉塞卡想象：從粒子的角度出發，當一群電子被壓縮後，運動速度會比壓縮前要快得多，就像一群躁動的蜜蜂一樣四處亂竄，因而抵抗會更強烈。但是，依據愛因斯坦的狹義相對論，沒有任何物體的速度能超過光速，所以電子的運動速度和抵抗壓縮的力量都是有限的。如果一顆瀕死的恒星的質量達不到太陽的1.4倍，那麽電子簡並壓力確實可以抵抗引力的壓縮，從而形成高度致密的白矮星。然而，對於超過錢德拉塞卡極限(Chandrasekhar limit)的恒星來說，情況就不同了。這種恒星的引力強大到足以克服電子的抵抗力，此時沒有任何東西可以阻止其迅速坍縮成黑洞。
1932年，詹姆斯·查德威克發現了中子，為黑洞的故事添加了更曲折的情節。中子和質子一起構成了原子的中心原子核，電子繞原子核旋轉，就像行星繞太陽旋轉一樣。如果一顆恒星被壓縮進足夠小的體積，電子就會被擠壓進質子裏，從而形成致密的中子球。這種中子星的中子像電子一樣，也有與之相關的量子波，並且能抵抗擠壓。但是，像電子一樣，中子運動的速度和抵抗壓縮的力也是有限的。與電子相比，這種效應的計算更複雜，因為它涉及的強核力很難建模。但是，質量是太陽3倍的恒星，引力強大到能夠戰勝中子的抵抗力，因而也就沒有什麽能夠阻止黑洞的形成了。黑洞的形成不可避免，黑洞給物理學帶來的問題也就不可避免了。
之所以把黑洞看成怪物，主要是因為其內部包含一個奇點(singularity)。當恒星無法抵禦引力坍縮而形成黑洞時，最終會被擠壓成密度無窮大、體積無限小的點。這種奇點標誌著空間和時間的崩塌——實際上是物理學本身的崩塌。
“黑洞是非常奇特的物體，”加州大學洛杉磯分校的安德裏亞·格茲(Andrea Ghez)說，“嚴格地講，黑洞將大量的質量聚集在零體積的中心之內。所以，了解黑洞的中心是沒有意義的，但對物理學家來說，這卻是個重大的線索，說明現有的物理學還不夠完備。”[142]
美國物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)更具詩意地說：“黑洞教導我們，空間可以像紙片一樣被揉搓進無限小的點；時間可以像吹滅燭火那樣被輕易熄滅；那些‘神聖’的、一成不變的物理學定律其實根本就不是那麽回事。”[143]
難怪愛因斯坦拒不承認自己的引力理論預測了這種怪獸的存在，因為這裏麵還包含了自我毀滅的種子。要了解黑洞中心的時間和空間究竟是什麽樣的，就必須找到更深層次的、沒有奇異性的引力理論。就像牛頓的引力理論是愛因斯坦理論的特例一樣，愛因斯坦的引力理論被認為是這種更深層次理論的特例。
黑洞的奇點被視界包圍著，這個假想的視界薄膜標誌著下落的光和物質的不可逆轉點，但這不僅是個無法抗拒的邊界。1974年，英國物理學家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)發現了黑洞視界的一些非凡之處。
想理解霍金的發現，就有必要先了解量子理論關於真空的描述。真空並非空無一物，而是充斥著能量。其中亞原子粒子及其反粒子按照海森堡不確定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle)不斷成對出現。隻要這些粒子相遇並很快相互毀滅或稱湮滅，大自然就對這些粒子視而不見，根本不關心創造粒子的能量來自何方。這有點像十幾歲的孩子偷偷開走父親的車在外麵過夜，隻要在父親發現之前把車開回車庫就沒問題一樣。
霍金早前發現，當黑洞合並(merger)時，合並黑洞的視界麵積總是大於前兩個黑洞的麵積之和。以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)推測，黑洞的表麵積代表了黑洞的熵(entropy)。熵是關於熱和運動的理論，也就是熱力學中的一個屬性，支撐著物理、化學和許多其他領域，並且熵總是在增加的。但熵隻適用於熱體，怎麽與黑洞有關係呢？
霍金找到了為什麽熱力學適用於黑洞的答案：黑洞是熱的。證據就是黑洞會發熱，即發射霍金輻射。此發現的意義在於，在黑洞的視界上，三大物理學理論相遇了——愛因斯坦的引力理論、量子理論和熱力學。這是統一這三大理論的道路上邁出的試探性的第一步，引力理論、量子理論和熱力學的統一絕對是物理學的聖杯。
然而，霍金輻射引發了一個嚴重的問題，下麵讓我們來看看哪裏出了問題。根據黑洞的特性，我們知道粒子不可能來自黑洞內部，因為沒有任何東西可以逃脫視界內部的引力。那麽，粒子就產生在視界之外。創造這些粒子的能量必定來自某處，或許就來自黑洞本身的引力能。伴隨著霍金輻射，引力能不斷減小，導致黑洞逐漸縮小。恒星大小的黑洞的霍金輻射極其微弱。但隨著黑洞逐漸變小，輻射會變得越來越強烈。直到最後，黑洞在耀眼的閃光中發生爆炸。鑒於這種蒸發(evaporation)所需的時間比宇宙當前的年齡長得多，探究其蒸發似乎沒什麽意義，但並非沒有意義。信息不能被摧毀是物理學的基石。要完整地描述最初坍縮形成黑洞的恒星，就需要記錄構成它的大量亞原子粒子的類型和位置。但是，一旦黑洞蒸發了，就什麽都沒有了。所以，最終的問題是：信息去哪裏了？
目前的推測是，黑洞的視界並不像愛因斯坦的引力理論所說的那樣平滑、毫無特征，相反，其在微觀尺度上表現得粗糙、不規則，正是這些斑塊和凹凸不平儲存了產生黑洞的恒星的信息。由於霍金輻射恰好發生在黑洞視界上的真空中，理所當然地受到了那層薄膜的微觀起伏的影響。這些起伏對輻射進行調製，就像無線電台流行音樂節目的載波一樣。通過這種方式，前恒星的信息被不可磨滅地烙印在霍金輻射上，並傳送到了宇宙中。信息並未丟失，最珍貴的物理定律之一還完好無損。
自從默丁和韋伯斯特於1971年在天鵝座X-1上發現第一個黑洞以來，又發現了一些疑似黑洞，總數不到25個。其實，早在10年前的1963年，人們就發現了一種不同類型的黑洞。
起初，人們認為超大質量的黑洞隻出現在活動星係中，在這些占不規則星係總數1%的星係中，類星體是最引人注目的。但是，在20世紀90年代，天文學家利用美國國家航空航天局在地球軌道上的哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)發現，幾乎每個星係的中心都潛伏著一個超大質量黑洞。銀河係中心的那顆叫作人馬座A*(Sagittarius A*)，個頭兒比較小，質量隻有太陽的430萬倍。至於為什麽每個星係中都有一個超大質量黑洞，仍然是宇宙學中最大的未解之謎之一。
盡管有觀測證據表明黑洞的存在，但都是間接的證據。天文學家觀察到，恒星或熱氣體在看不見的致密天體周圍以極快的速度旋轉，由此推斷出黑洞的存在。但總有這樣一種可能：它們不是黑洞，而是某種人們做夢也想不到的、由某種迄今未知的力支配著的超致密天體。
關於黑洞存在的決定性證據出現在2015年9月14日。引力波，即愛因斯坦在1916年預測的時空中的漣漪，首次在地球上被探測到了。關鍵在於，探測到的波形正是愛因斯坦引力理論預測的兩個黑洞合並的波形。
毫無疑問，黑洞是存在的。與此同時，對太空中引力波的探索還在繼續充實著人們對黑洞的認知。天文學家麵臨的問題是，銀河係中恒星質量大小的(stellar-mass)黑洞都很小，而且是黑的；超大質量黑洞雖然很大，但遠在宇宙深處，所以也顯得很小。然而，有兩個黑洞相對較大，也離我們相對較近。一個是人馬座A*，在26 000光年之外的銀河係中心；另一個比人馬座A*大1000倍左右，在附近的一個叫M87的星係中。
在過去的幾年裏，天文學家們一直試圖用射電望遠鏡陣列獲取這兩個超大質量黑洞的事件視界(event horizon)的圖像。這些由散布在全球各地、聯合操作的射電望遠鏡構成的陣列，叫做事件視界望遠鏡(Event Horizon Telescope， EHT)，收集各地的信號可以模擬一個天線口徑相當於地球直徑的巨型射電望遠鏡。而天線口徑越大，接收的射電信號波長越短，展現出的天體的細節就越清晰，EHT就可接受波長僅1.3毫米的信號。最終，遍布全球各地的射電望遠鏡接收到的信號都匯聚到馬薩諸塞州的海斯塔克天文台(Haystack Observatory)，在那裏通過計算機合成最終結果。
天體的坍縮就像恒星形成黑洞那樣，都是極度無序的。霍金認為，所形成的與其說是視界，不如說是洶湧的時空湍流(extreme space–time turbulence)的邊界。信息可以通過這樣的表觀視界(apparent horizon)泄露出去。霍金的推論頗具戲劇性：“如果黑洞的定義是光永遠無法從其中逃出的話，視界的缺失意味著黑洞並不存在，”他寫道，“然而，有些視邊界會持續存在一段時間。”換句話說，黑洞並不是我們所想象的那樣。
那麽，黑洞周圍的視界到底是所有人認為的不歸點，還是像霍金所堅稱的那樣，是可以泄露信息的視邊界呢？關鍵是要觀察視界，看看它的行為是否像愛因斯坦預測的那樣，或者幹脆看看它是否存在。EHT研究小組的組長、麻省理工學院的謝普·多爾曼(Shep Doeleman)說：“黑洞邊界的圖像能夠測試廣義相對論。以前從未拍攝過那裏的圖像，獲得這個圖像將標誌著我們對黑洞和引力的理解會出現轉折點。”
現在，這一轉折點已經到來。2019年4月10日，EHT研究小組公布了第一張黑洞的圖片。[144]這張圖像不是來自人馬座A*，而是來自重達70億倍太陽質量的M87(因為人馬座A*比較小，在觀測的過程中不斷被環繞的物質所幹擾，形成的圖像較為模糊)。在強烈的射電波背光的映襯下，事件視界顯示為暗色的“陰影”。這些射電波是物質旋轉著通過吸積盤落向黑洞時被加熱至白熾狀態而發出的。
“黑洞是宇宙永久隱藏的一部分，”來自位於圖森市(Tucson)亞利桑那大學(the University of Arizona)的EHT物理學家費婭爾·厄澤爾(Feryal Ozel)說，“是一個我們的物理學，至少是目前的物理學還無法企及的地方。”她的荷蘭同事奈梅亨市(Nijmegen)拉德布德大學(Radboud University)的海諾·法爾克(Heino Falcke)更生動地指出：“我們已經看到了時間和空間盡頭的地獄之門。”
[1]或者，嚴格來講，是質能。