第16章
图在靠近照片中心的两個恒星之中更亮的那颗是天鹅x－1，被认为是由互相绕着旋转的一個黑洞和一個正常恒星组成。
图
還有其他不用黑洞来解释天鹅x－1的模型，但所有這些都相当牵强附会。黑洞看来是对這一观测的仅有的真正自然的解释。尽管如此，我和加州理工学院的基帕·索恩打赌說，天鹅x－1不包含一個黑洞！這对我而言是一個保险的形式。我对黑洞作了许多研究，如果发现黑洞不存在，则這一切都成为徒劳。但在這种情形下，我将得到赢得打赌的安慰，他要给我4年的《私家侦探》杂志。事实上，从我們打赌的1975年迄今，虽然天鹅x－1的情形并沒有改变太多，但是人们已经积累了這么多对黑洞有利的观测证据，我只好认输。我进行了约定的赔偿，那就是给索恩订阅一年的《藏春阁》。這使他开放的妻子相当恼火。
现在，在我們的星系中和邻近两個名叫麦哲伦星云的星系中，還有几個类似天鹅x－1的黑洞的证据。然而，几乎可以肯定，黑洞的数量比這多得太多了！在宇宙的漫长歷史中，很多恒星应该已经烧尽了它们的核燃料并坍缩了。黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得相当多。单就我們的星系中，大约总共有1000亿颗可见恒星。這样巨大数量的黑洞的额外引力就能解释为何目前我們星系具有如此的转动速率，单是可见恒星的质量是不足够的。我們還有某些证据說明，在我們星系的中心有大得多的黑洞，其质量大约是太阳的10万倍。星系中的恒星若十分靠近這個黑洞时，作用在它的近端和远端上的引力之差或潮汐力会将其撕开，它们的遗骸以及其他恒星所抛出的气体将落到黑洞上去。正如同在天鹅x－1情形那样，气体将以螺旋形轨道向裡运动并被加热，虽然不如天鹅x－1那种程度会热到发出x射线，但是它可以用来說明星系中心观测到的非常紧致的射电和红外线源。
人们认为，在类星体的中心是类似的、但质量更大的黑洞，其质量大约为太阳的1亿倍。落入此超重的黑洞的物质能提供仅有的足够强大的能源，用以解释這些物体释放出的巨大能量。当物质旋入黑洞，它将使黑洞往同一方向旋转，使黑洞产生一类似地球上的一個磁场。落入的物质会在黑洞附近产生能量非常高的粒子。该磁场是如此之强，以至于将這些粒子聚焦成沿着黑洞旋转轴，也即它的北极和南极方向往外喷射的射流。在许多星系和类星体中确实观察到這类射流。
人们還可以考虑存在质量比太阳小很多的黑洞的可能性。因为它们的质量比强德拉塞卡极限低，所以不能由引力坍缩产生：這样小质量的恒星，甚至在耗尽了自己的核燃料之后，還能支持自己对抗引力。只有当物质由非常巨大的压力压缩成极端紧密的状态时，這小质量的黑洞才得以形成。一個巨大的氢弹可提供這样的條件：物理学家约翰·惠勒曾经算過，如果将世界海洋裡所有的重水制成一個氢弹，则它可以将中心的物质压缩到产生一個黑洞。（当然，那时沒有一個人可能留下来去对它进行观察！）更现实的可能性是，在极早期的宇宙的高温和高压條件下会产生這样小质量的黑洞。因为一個比平均值更紧密的小区域，才能以這样的方式被压缩形成一個黑洞。所以当早期宇宙不是完全光滑的和均匀的情形，這才有可能。但是我們知道，早期宇宙必须存在一些无规性，否则现在宇宙中的物质分布仍然会是完全均匀的，而不能结块形成恒星和星系。
很清楚，导致形成恒星和星系的无规性是否导致形成相当数目的“太初”黑洞，這要依赖于早期宇宙的條件的细节。所以如果我們能够确定现在有多少太初黑洞，我們就能对宇宙的极早期阶段了解很多。质量大于10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞，可由它对其他可见物质或宇宙膨胀的影响被探测到。然而，正如我們需要在下一章看到的，黑洞根本不是真正黑的，它们像一個热体一样发光，它们越小则发热发光得越厉害。所以看起来荒谬，而事实上却是，小的黑洞也许可以比大的黑洞更容易地被探测到。
第七章黑洞不是這么黑的
在1970年以前，我關於广义相对论的研究，主要集中于是否存在一個大爆炸奇点。然而，同年11月我的女儿露西出生后不久的一個晚上，当我上床时，我开始思考黑洞的問題。我的残废使得這個過程相当慢，所以我有许多時間。那时候還不存在關於空间——時間的那一点是在黑洞之内還是在黑洞之外的准确定义。我已经和罗杰·彭罗斯讨论過将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件集合的想法，這也就是现在被广泛接受的定义。它意味着，黑洞边界——即事件视界——是由刚好不能从黑洞逃逸而永远只在边缘上徘徊的光线在空间——時間裡的路径所形成的（图）。這有点像从警察那儿逃开，但是仅仅只能比警察快一步，而不能彻底地逃脱的情景！
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我忽然意识到，這些光线的路径永远不可能互相靠近。如果它们靠近了，它们最终就必须互相撞上。這正如和另一個从对面逃离警察的人相遇——你们俩都会被抓住：（或者，在這种情形下落到黑洞中去。）但是，如果這些光线被黑洞所吞沒，那它们就不可能在黑洞的边界上呆過。所以在事件视界上的光线的路径必须永远是互相平行运动或互相散开。另一种看到這一点的方法是，事件视界，亦即黑洞边界，正像一個影子的边缘——一個即将临头的灾难的影子。如果你看到在远距离上的一個源（譬如太阳）投下的影子，就能明白边缘上的光线不会互相靠近。
如果从事件视界（亦即黑洞边界）来的光线永远不可能互相靠近，则事件视界的面积可以保持不变或者随時間增大，但它永远不会减小——因为這意味着至少一些在边界上的光线必须互相靠近。事实上，只要物质或辐射落到黑洞中去，這面积就会增大（图）；或者如果两個黑洞碰撞并合并成一個单独的黑洞，這最后的黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞的事件视界面积的总和（图）。事件视界面积的非减性质给黑洞的可能行为加上了重要的限制。我如此地为我的发现所激动，以至于当夜沒睡多少。第二天，我给罗杰·彭罗斯打电话，他同意我的结果。我想，事实上他已经知道了這個面积的性质。然而，他是用稍微不同的黑洞定义。他沒有意识到，假定黑洞已终止于不随時間变化的状态，按照這两种定义，黑洞的边界以及其面积都应是一样的。
图、图
人们非常容易从黑洞面积的不减行为联想起被叫做熵的物理量的行为。熵是测量一個系统的无序的程度。常识告诉我們，如果不进行外加干涉，事物总是倾向于增加它的无序度。（例如你只要停止保养房子，看会发生什么？）人们可以从无序中创造出有序来（例如你可以油漆房子），但是必须消耗精力或能量，因而减少了可得到的有序能量的数量。
热力学第二定律是這個观念的一個准确描述。它陈述道：一個孤立系统的熵总是增加的，并且将两個系统连接在一起时，其合并系统的熵大于所有单独系统熵的总和。譬如，考虑一盒气体分子的系统。分子可以认为是不断互相碰撞并不断从盒子壁反弹回来的康乐球。气体的温度越高，分子运动得越快，這样它们撞击盒壁越频繁越厉害，而且它们作用到壁上的向外的压力越大。假定初始时所有分子被一隔板限制在盒子的左半部，如果接着将隔板除去，這些分子将散开并充满整個盒子。在以后的某一时刻，所有這些分子偶尔会都呆在右半部或回到左半部，但占绝对优势的可能性是在左右两半分子的数目大致相同。這种状态比原先分子在左半部分的状态更加无序，所以人们說熵增加了。类似地，我們将一個充满氧分子的盒子和另一個充满氮分子的盒子连在一起并除去中间的壁，则氧分子和氮分子就开始混合。
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