序幕　黑洞之旅

讀者在

一個科幻故事里

遭遇黑洞

和我們在90年代所能認識的

關于它們的一切奇異性質(zhì)

在人類頭腦的所有概念中，[2]從獨角獸到滴水嘴到氫彈，最奇異的也許還是黑洞：在空間中有一定邊界的洞，任何事物都可以落進去，但沒有東西能逃出來；一個強大引力能將光牢牢抓住的洞；一個能令空間彎曲和時間卷曲的洞。[3]跟獨角獸和滴水嘴一樣，黑洞似乎更多地出現(xiàn)在科幻小說和古代神話里，而不在真實的宇宙中。不過，經(jīng)過了很好檢驗的物理學定律堅定地預言，黑洞是存在的，僅在我們的銀河系里，可能就有幾百萬個，但它們太暗了，我們看不見；天文學家想發(fā)現(xiàn)它們也很困難。[4]

地獄

你有艘大飛船，自己做船長，帶著計算機、機器人和幾百名聽話的船員，受世界地理學會委托，到遙遠星際空間去探索黑洞，并把你的經(jīng)歷用電波發(fā)回地球。遠航6年了，你的船正在減速接近織女星附近的一個黑洞，它叫“地獄”，離地球最近。[5]

你和船員從飛船的視屏上看到了黑洞出現(xiàn)的證據(jù)：散布在星際空間的氣體原子（每立方厘米近1個）正受著黑洞引力的吸引（圖P.1）。它們從所有方向流向黑洞，距離遠的地方，引力作用較弱，原子流得較慢；距離近的地方，引力作用較強，原子流得較快——在靠近黑洞的地方，引力更強，原子流更快，幾乎和光一樣。假如不采取措施，飛船也會被黑洞吸進去。

大副卡麗絲迅速小心地將飛船從沖向黑洞的路線轉(zhuǎn)到圓形軌道，然后關掉引擎。你們環(huán)繞著黑洞，飛船靠著圓周運動的離心力頂住了黑洞的引力。想想你小時候玩過的投石器，系在旋轉(zhuǎn)繩子一端，離心力把它向外推，而繩子的張力將它往里拉；飛船像投石器，黑洞的引力就起著這種張力的作用。這時，你和船員準備開始探測黑洞。

先進行被動探測：用船上裝備的望遠鏡研究電磁波（輻射），那是氣體在流向黑洞時發(fā)射的。在遠離黑洞的地方，氣體原子很冷，只有絕對幾攝氏度；因為冷，它們振動慢，緩慢的振動產(chǎn)生緩慢振蕩的電磁波，意味著從一個波峰到下一個波峰的距離（即波長）很長。這些就是無線電波，見圖P.2。在離黑洞較近的地方，引力作用下的原子流較快，它們相互碰撞，加熱到幾千度的高溫。因為熱，它們振動較快，發(fā)出振蕩較快、波長較短的波，也就是你所認識的不同顏色的光：紅、橙、黃、綠、藍、紫（圖P.2）。離黑洞更近的地方，引力更強，原子流更快，碰撞更劇烈，溫度更高（幾百萬度），原子極快地振動，產(chǎn)生波長很短的電磁波：X射線。看到從黑洞附近噴出的X射線時，你會想起，在1972年，天體物理學家就是因為發(fā)現(xiàn)和研究了這樣的X射線，才認定了遙遠空間的第一個黑洞：天鵝X-1，距地球14 000光年。[6]

把望遠鏡對準離黑洞更近的地方，你看到從被加熱到更高溫度的原子發(fā)射出的γ射線。接著，你看到，在這片輝煌的景象中心，出現(xiàn)了一個絕對黑暗的圓球，那是一個黑洞，吞噬了從它背后的原子所發(fā)出的一切可見光、X射線和γ射線。你注視著超熱的原子從四處流進黑洞。一旦進了黑洞，它們會比以前更熱，振動也一定比以前更快，輻射也會更強，但它們的輻射逃不脫黑洞強大的引力。沒有什么東西能逃出來。這就是為什么那洞是黑的，漆黑的一團。[7]

你拿望遠鏡更真切地審視那個黑球，發(fā)現(xiàn)它有絕對分明的邊緣，即黑洞的表面，一個“逃不脫”的地方。剛好在表面以上的東西，如果有足夠的力量，可以逃脫引力的魔掌：火箭能飛走；向上發(fā)射足夠快的粒子能逃走；光當然也能逃走。但如果剛好在表面以下，那么不論是火箭、粒子、光、輻射或者其他任何東西，不論費多大力氣，都不可能逃脫引力那無情的魔掌，永遠不能到達你旋轉(zhuǎn)的飛船。于是，黑洞的表面就像我們的地平線，你看不到它下面的東西。這也就是為什么我們把這表面稱為黑洞的地平線。[8]

大副卡麗絲仔細測量了飛船軌道的周長，100萬千米，大約是月亮繞地球軌道的一半。然后，她看外面遙遠的恒星，看著它們在飛船頭上旋轉(zhuǎn)。通過測量恒星這種視運動的時間，她推測，飛船繞黑洞一周需要5分46秒，這就是飛船的軌道周期。

現(xiàn)在，你可以根據(jù)軌道周期和周長計算黑洞的質(zhì)量。[9]計算方法和牛頓（Issac Newton）1685年計算太陽質(zhì)量的方法相同：天體（太陽或黑洞）質(zhì)量越大，它的引力作用越強，于是圍繞它的物體（行星或飛船）為避免被它吸進去，必然也運動得越快，從而軌道周期一定就越短。用牛頓引力定律[10]的數(shù)學公式，你算出黑洞“地獄”的質(zhì)量比太陽大10倍（“10個太陽質(zhì)量”）。[11]

你知道，這個黑洞是很久以前恒星死亡形成的。恒星在死亡時頂不住自身引力的吸引而發(fā)生坍縮，就產(chǎn)生黑洞。[12]你也知道，恒星坍縮時質(zhì)量不會改變，“地獄”今天的質(zhì)量與它的母星很久以前的質(zhì)量是一樣的——或者說，幾乎是一樣的。實際上，自黑洞誕生以來，落進去的事物，如星際氣體、巖石、飛船……都會增加它的質(zhì)量，所以“地獄”的質(zhì)量一定會比原來的母星大一點。

你知道這些，是因為你在旅行前學過引力的基本定律：牛頓在1687年發(fā)現(xiàn)了它的近似形式，愛因斯坦在1915年又從根本上修正了牛頓的近似，得到了更精確的形式。[13]你知道，黑洞的這些行為像石頭落回地球一樣，都是所謂廣義相對論的愛因斯坦引力定律所要求的。石頭不可能違背引力定律而向上落或者飄浮在天空，同樣，黑洞也躲不開引力：它必然在恒星坍縮中誕生。它初生時的質(zhì)量一定與恒星質(zhì)量相同，每次落進來的事物都一定會增大它的質(zhì)量。[14]同樣，假如坍縮的恒星是旋轉(zhuǎn)的，那么新生的黑洞也一定旋轉(zhuǎn)；而黑洞的角動量（旋轉(zhuǎn)快慢的精確度量）也一定與恒星的相同。

你在遠航前還學過人類認識黑洞的歷史。早在70年代，卡特爾（Brandon Carter）、霍金（Stephen Hawking）、伊斯雷爾（Werner Israel）和其他一些人就用愛因斯坦廣義相對論表述的引力定律[15]發(fā)現(xiàn)，黑洞一定是極其簡單的怪物：[16]黑洞的一切性質(zhì)——它的引力作用強度、它對星光軌道的偏轉(zhuǎn)、它的表面形狀和大小——僅由三個參數(shù)決定：黑洞的質(zhì)量，你已經(jīng)知道了；黑洞旋轉(zhuǎn)的角動量，你還不知道；還有黑洞的電荷。而且你還知道，星際空間的黑洞都不能帶太多的電荷；假如電荷太多，它會很快從星際氣體中吸引相反的電荷來中和自己的電荷。

黑洞旋轉(zhuǎn)的時候，會像飛機旋轉(zhuǎn)的螺旋槳帶動空氣那樣，帶著它附近的空間（相對于遙遠的空間）像龍卷風一樣做渦旋運動；空間的旋渦又在黑洞附近一切事物的運動中激起旋渦。[17]

于是，為了解“地獄”的角動量，你在落向黑洞的星際氣體原子流中尋找龍卷風式的旋渦。你驚訝地發(fā)現(xiàn)，原子流離黑洞越來越近，運動越來越快，卻沒有任何旋渦的跡象。原子盤旋著落下，有些是順時針的，另一些則是逆時針的，它們偶爾會發(fā)生碰撞，但總的說來，是無旋渦地徑直向著黑洞下落的。你認定：這個10個太陽質(zhì)量的黑洞幾乎沒有旋轉(zhuǎn)，它的角動量近乎零。

知道了黑洞的質(zhì)量和角動量，又知道它的電荷一定少得可以忽略，現(xiàn)在你可以用廣義相對論公式來計算黑洞應該具有的一切性質(zhì)了：引力作用強度、相應的偏轉(zhuǎn)星光的能力以及更有意義的——黑洞視界的形狀和大小。

假如黑洞在旋轉(zhuǎn)，視界會有分明的北極和南極，也就是黑洞旋轉(zhuǎn)的極點和下落的原子繞著它盤旋的極點。兩極中間還會有明顯的赤道，因視界旋轉(zhuǎn)的離心力而向外凸起，跟旋轉(zhuǎn)的地球赤道的凸起是一樣的。[18]但“地獄”幾乎沒有旋轉(zhuǎn)，所以一定不會有赤道的凸起。它的視界在引力作用下幾乎完全是球形的，這正是你在望遠鏡里看到的樣子。

至于大小，[19]廣義相對論描述的物理學定律認為，黑洞質(zhì)量越大，它的視界也一定越大。實際上，視界周長必然是以太陽質(zhì)量為單位的黑洞質(zhì)量乘以18.5千米。[20]你從軌道周長的測量得知黑洞有10個太陽那么重，因此視界周長肯定是185千米——和洛杉磯差不多大。你用望遠鏡仔細測量了周長，真是185千米，完全符合廣義相對論的公式。

同你那100萬千米的飛船軌道相比，視界的周長真是太小了，而被擠進這樣一個小空間里的質(zhì)量卻有10個太陽那么大！假如黑洞是固體的，那么擠在這么小的空間里，它的平均密度將是每立方厘米2億（2×108）噸——比水重2×1014倍（參見卡片P.1）。但黑洞不是固體。廣義相對論認為，10個太陽的星體物質(zhì)在很久以前通過坍縮形成黑洞，現(xiàn)在聚集在黑洞的中心——聚集在一個叫做奇點的小空間區(qū)域里。[21]“約10-33厘米大小的奇點（比原子核小1萬億億倍）周圍，除了正在向它落下的稀薄氣體和氣體發(fā)出的輻射以外，什么也沒有。從奇點到視界幾乎是空虛的，從視界到你的飛船，也差不多是空的。

奇點和困在其中的星體物質(zhì)躲在黑洞視界里，不論你等多久，被困的物質(zhì)都不會再出現(xiàn)，黑洞的引力把它鎖住了，它也不可能通過電波、光或者X射線向你傳送信息。實際上，它完全從我們的宇宙消失了。惟一留下的是它強大的引力，對你那100萬千米的軌道來說，它今天的引力作用與它在坍縮成黑洞以前的作用是一樣的；但在視界內(nèi)部，卻沒有什么東西能夠抵抗它的引力了。

“視界距奇點多遠呢？”你問自己。（你當然不會去測量它，那簡直就是自殺；你也不可能從視界逃出來向世界地理學會報告你的測量結(jié)果。）由于奇點很小，只有10-33厘米，正好在黑洞中心，所以從奇點到視界的距離應等于視界的半徑。你忍不住想用標準的方法來計算半徑：用周長除以2π（6.283 185 307…）。但是，你在地球上的研究中知道要警惕這樣的計算，不能隨便相信。黑洞的巨大引力徹底扭曲了黑洞內(nèi)部和附近的空間和時間的幾何，[22]仿佛放在一張橡皮上的沉重的石塊扭曲了橡皮的幾何（圖P.3）；結(jié)果，視界的半徑不等于它的周長除以2π。

“那沒關系，”你告訴自己，“羅巴切夫斯基（Lobachevsky）、黎曼（Riemann）和其他偉大的數(shù)學家已經(jīng)教過我們，如何在空間彎曲時計算圓的性質(zhì)，愛因斯坦又把這些計算融入了他的引力定律的廣義相對論描述。我可以用這些彎曲空間的公式來計算視界的半徑。”

但是，你這時又想起，根據(jù)在地球上的研究，盡管黑洞的質(zhì)量和角動量決定了視界和它外面的所有性質(zhì)，但并沒決定它的內(nèi)部。廣義相對論認為，在奇點附近，黑洞的內(nèi)部應該是混沌的，絕不是球形的，[23]就像圖P.3，一塊棱角尖利的巖塊重重地落在一張橡皮上，猛烈地彈起又落下，砸出一個尖尖的深坑。另外，黑洞中心的混沌性質(zhì)不僅依賴于黑洞的質(zhì)量和角動量，而且依賴于產(chǎn)生它的星體坍縮的細節(jié)和后來落進的星際氣體的細節(jié)——那是你還不知道的。

“那又怎么樣呢？”你對自己說，“不管混沌的黑洞中心有什么結(jié)構，它的周長總是遠比1厘米還小，這樣，即使把它忽略了，我計算的視界半徑也不會有太大的誤差。”

然而，這時你又想起，空間在奇點附近可以極端卷曲，這樣，混沌區(qū)域可能在不足1厘米的周長下有幾百萬千米的半徑，就像圖P.3的那塊重重的石頭把橡皮混沌的尖端砸得遠遠的，而區(qū)域的周長卻是短短的。你的半徑計算就可能會產(chǎn)生這么大的誤差。視界的半徑不可能簡單地憑你掌握的那點兒黑洞質(zhì)量和角動量的信息來計算。

你不再去想黑洞內(nèi)部了，而準備探測它的視界附近。你不愿意拿生命去冒險，而讓一個機器人去，并要他把探測結(jié)果傳回飛船。一個10厘米高的機器人阿諾爾德（Arnold）將帶著火箭去探險。他要做的事情很簡單：先發(fā)動火箭，讓自己從跟飛船一起的環(huán)行中停下來，然后關閉引擎，在黑洞引力作用下徑直落下去。在下落中，阿諾爾德向飛船發(fā)出明亮的綠色激光束，光束的電磁振蕩載著他的下落距離和他的電子系統(tǒng)狀態(tài)的信息，就像電臺發(fā)射的無線電波載著廣播新聞的信號。

船員收到發(fā)回的激光束后，卡麗絲將解譯阿諾爾德的距離和系統(tǒng)的信息，并測量光束的波長（或者等價地說，測量它的顏色；見圖P.2）。波長的重要，在于它能說明阿諾爾德的運動有多快。當他離開飛船的運動越來越快時，飛船收到的他傳回的綠光會因為多普勒頻移而顯出越來越大的波長，越來越紅的顏色。[24]（另外，還有部分由于光束擺脫引力作用而產(chǎn)生的紅移。計算了阿諾爾德的速度后，卡麗絲會通過修正得到引力紅移。）[25]

實驗就這樣開始了。阿諾爾德點燃火箭，離開飛船軌道，進入向黑洞下落的軌跡。在他開始下落時，卡麗絲開始計時，測量激光信號的到達時間。10秒過去了，激光信號表明一切系統(tǒng)運行正常，他已經(jīng)下落了2 630千米。卡麗絲根據(jù)激光顏色算出，他現(xiàn)在正以每秒530千米的速度沖向黑洞。時鐘走到20秒時，他下落的距離已經(jīng)是剛才的4倍，10 520千米。時鐘繼續(xù)嘀嗒，60秒時，他的速度是每秒9 700千米，下落了135 000千米，到視界的距離過了5/6。

現(xiàn)在你必須密切注意了，接下來的幾秒是決定性的。于是，卡麗絲打開高速記錄系統(tǒng)來收集數(shù)據(jù)的所有細節(jié)。61秒，阿諾爾德報告，一切系統(tǒng)運行正常；視界在他下方14 000千米，他正以每秒13 000千米的速度落下去。61.7秒，仍然一切正常，還有1 700千米了，速度是每秒39 000千米，約光速的1/10；激光顏色開始劇變。接著的1/10秒里，你驚奇地看到激光從電磁波譜匆匆掠過，從綠到紅，到紅外，到微波，到無線電波——61.8秒時，它走完了，激光束完全消失了。阿諾爾德達到了光速，消失在視界里。在激光消失的最后1/10秒，阿諾爾德還在高興地報告，“一切系統(tǒng)正常，正常；視界臨近了，系統(tǒng)正常，正常……”

從激動中鎮(zhèn)靜下來，你開始檢驗記錄的數(shù)據(jù)。你看到了激光波長移動的整個過程。當阿諾爾德下落時，激光信號的波長先慢慢增長，然后越來越快。但令人驚訝的是，波長增到4倍后，它加倍的速率幾乎是一個常數(shù)，即每0.000 14秒增加1倍。經(jīng)過33次加倍（0.004 6秒）后，波長達到4千米，是你記錄系統(tǒng)的極限。以后，波長大概還會加倍的。波長變得無限大，需經(jīng)過無限次的加倍，所以，在黑洞視界鄰近也許還會出現(xiàn)波長極大、極暗淡的信號！

這是不是說阿諾爾德還沒穿過視界，而且永遠不會穿過呢？不。那最后的一絲波長永遠在加倍的信號需要無限長的時間才能從黑洞引力束縛中逃出來。阿諾爾德在很多分鐘以前就以光速飛過了視界。那些還在繼續(xù)出來的微弱信號不過是因為走得太慢了，它們是過去遺留下來的。[26]

你研究了很久阿諾爾德發(fā)回的數(shù)據(jù)，然后好好睡一覺，恢復了精神，準備做下一次探險。這回，你要親自去視界鄰近看看，而且比阿諾爾德仔細得多。

告別船員，你鉆進太空艙，脫離飛船，進入它的圓形軌道。然后，你輕輕發(fā)動火箭，將軌道運動減慢，這也稍稍減弱了太空艙所受的離心力，而黑洞的引力將你拉到一個小一些的圓形軌道。接著，你再輕輕發(fā)動火箭，圓軌道會再收縮一點。你就想這樣安全平穩(wěn)地螺旋式地到達視界上方的軌道，它的周長剛好是視界周長的1.000 1倍。在這里，你可以探測視界的許多性質(zhì)，還能逃脫它那要命的魔掌。

然而，在你的軌道慢慢收縮時，一些奇怪的事情也開始發(fā)生了。在100 000千米周長的軌道上，你就能感覺到它們。你飄在太空艙里，腳朝黑洞，頭朝星空。你會感到有一股微弱的力量在把你的腳向下拉，而把你的頭向上拉，就像拉一塊太妃糖，不過力量小一些。你知道，那是黑洞引力的結(jié)果：腳比頭離黑洞更近，所以它受到的黑洞引力作用比頭更強。這在地球上當然也是對的；不過，在地球上頭腳引力差別很小，不到百萬分之一，你根本覺察不出來。而飄浮在100 000千米周長軌道的太空艙里，情況就不同了，頭腳引力差別是地球引力的八分之一（1/8“g”）。在身體中心，軌道運動的離心力正好抵消黑洞引力，仿佛引力不存在，而你在自由飄浮著。但是，你的腳多受著1/16g的向下拉的引力，在你的頭上，引力較弱，而向外推的離心力卻多1/16g。

你雖然感到驚訝，還是繼續(xù)盤旋著下去；但是，你很快又憂慮起來。隨著軌道縮小，頭和腳的力量越來越強。在80 000千米的軌道上，拉力是1/4g；50 000千米時，等于地球引力；30 000千米時，是4倍地球引力。你咬牙忍著頭腳分離的痛苦，繼續(xù)下到20 000千米的軌道，那兒的力量是15g，再大你就忍不住了！你想把身體蜷縮起來，讓頭腳靠得近些，這樣拉力可以小一點，但現(xiàn)在的拉力太強了，你不可能縮成一團，它總會在軌道半徑方向上將你的頭腳拉直。如果太空艙再落下去，你的身體就完了，會被完全撕裂！你沒有希望到達黑洞的鄰近。

你帶著巨大的失望和痛苦停了下來，調(diào)轉(zhuǎn)頭，開始小心翼翼地回來。你盤旋著上升，穿過越來越長的軌道，最后回到飛船的貨艙。

走進船長室，你就在主計算機DAWN上發(fā)泄你的失望。“提克哈依（Tikhii），提克哈依，”機器安慰你（用的是古俄語的詞兒），“我知道你難過，但那都是你自己的錯。在訓練時就告訴過你那種頭腳拉力的事兒，記得嗎？它們就是地球上引起海洋潮汐的那種力。”[27]

你想起來了。你學過，在地球離月亮最近的一端，海洋受到最強的月亮引力，所以會涌向月亮。在相對的一端，海洋受的引力最弱，仿佛要離開月亮。結(jié)果，海洋在地球兩端涌起，隨地球自轉(zhuǎn)，每24小時出現(xiàn)兩次高潮。你記起來了，你經(jīng)歷的那種從頭到腳的引力，就是這樣的力，所以叫潮汐力。[28]你還記得，愛因斯坦的廣義相對論把潮汐力描述為空間曲率和時間卷曲的結(jié)果，或者，用愛因斯坦自己的話說，是時空曲率。[29]潮汐引力與時空扭曲是并存的，一個總伴著另一個。不過，在海洋潮汐中，時空的扭曲太小，只有用極精確的儀器才能測量。

那么，阿諾爾德呢？他為什么一點兒也不怕黑洞的潮汐引力？DAWN解釋說，原因有兩點，第一，他比你小得多，只有10厘米高，作用在頭和腳的引力差別相應也很小；第二，他是用超強鈦合金做的，比你的骨頭硬得多。

現(xiàn)在你明白了，阿諾爾德經(jīng)歷了多么可怕的一幕。當他穿越視界繼續(xù)落向奇點時，一定感到潮汐力在增強，甚至最后超過了他那超強鈦合金的抵抗能力。穿過黑洞0.000 2秒后，他破碎的身體接近了黑洞中心的奇點。這時，你又回憶起在地球上從廣義相對論學到的東西：在那兒，黑洞的潮汐力又活躍起來了，混沌地跳躍著，在不同的方向拉扯阿諾爾德的殘骸，一會兒這個方向，一會兒那個方向；越來越快，越來越強，最后他的每個原子都被扭曲而不能識別了。實際上，這就是奇點的本性：它是混沌振蕩的時空曲率產(chǎn)生巨大隨機潮汐力的一個區(qū)域。[30]

回憶黑洞研究的歷史，你想起來了，1965年，英國物理學家彭羅斯（Roger Penrose）用廣義相對論形式的物理學定律證明了奇點一定藏在黑洞內(nèi)部；1969年，俄羅斯的栗弗席茲（Lifshitz）、卡拉特尼科夫（Khalatnikov）和別林斯基（Belinsky）這“三駕馬車”發(fā)現(xiàn)，在奇點鄰近，潮汐引力一定會混沌地振蕩，它的行為就像我們做太妃糖，一會兒這么拉，一會兒那么壓。[31]六七十年代，黑洞理論研究的黃金年代啊！但是，黃金年代的物理學家還不能充分認識愛因斯坦的廣義相對論方程，黑洞行為的一個關鍵特性還困擾著他們。他們只能猜想，坍縮的恒星不論什么時候產(chǎn)生奇點，總會產(chǎn)生包圍隱藏奇點的視界；奇點不可能是“裸露”的，不會讓全宇宙都看到它。彭羅斯稱它為“宇宙監(jiān)督猜想”，因為假如它是對的，那么它將監(jiān)督所有關于奇點的實驗信息。人們永遠也不可能用實驗來檢驗他們關于奇點的認識，除非誰愿意付出生命的代價走進黑洞去測量；即使那樣，他還是不能把結(jié)果從黑洞傳出來，連一點兒紀念物也不會留下。

也許，2023年會有某個叫奈曼（Dame Abygaole Lyman）的人能最終解決宇宙監(jiān)督是否正確的問題，但那結(jié)果與你無關。你的地圖上畫的只是黑洞里的奇點，而你不愿為它們?nèi)ニ馈?/p>

幸運的是，在接近黑洞視界的外面，仍然有許多可以探測的現(xiàn)象。你決定親自去經(jīng)歷這些現(xiàn)象，然后向世界地理學會報告。但你不能到“地獄”視界的附近去，那兒的潮汐力太強了。你一定要找一個潮汐力弱一些的黑洞。

DAWN提醒你，廣義相對論預言，黑洞質(zhì)量越大，視界上和視界外的潮汐引力越弱。這個似乎矛盾的行為有很簡單的原因：潮汐力正比于黑洞質(zhì)量除以周長的立方；質(zhì)量增加時，視界周長也正比例地增加，視界附近的潮汐力實際上減小了。[32]一個100萬太陽質(zhì)量的黑洞，也就是比“地獄”重100 000倍的黑洞，視界也將大100 000倍，它的潮汐力將弱100億（1010）倍。這是令人滿意的，一點兒痛苦也不會有了！于是，你開始計劃下一步的航行：去謝切特（Schechter）黑洞圖上最近的那個100萬太陽質(zhì)量的黑洞——它叫“人馬”（Sogittario），在銀河系的中心，離我們30 100光年。

幾天后，船員把“地獄”探險的報告，你被潮汐力拉傷的圖像和原子落進黑洞的圖像，都傳回地球。26光年的距離，要走26年；報告最后到達地球后，世界地理學會將大肆宣揚。

在發(fā)回來的報告里，船員還談了你們?nèi)ャy河中心的遠航計劃：飛船的火箭將一路保持地球的重力加速度（1g），這樣你和船員在飛船里就處在舒適的地球重力作用下。在前一半旅程里，飛船加速向銀河中心飛去，然后調(diào)轉(zhuǎn)180°，以1g的加速度減速經(jīng)歷另一半旅程。整個旅程30 100光年，在地球看來，需要經(jīng)過30 102年；但在飛船看來，只需要20年。[33]這是因為，根據(jù)愛因斯坦的狹義相對論定律，[34]高速的飛船會使飛船測量的時間“膨脹”；這種時間膨脹（或時間卷曲）在效果上就使飛船成了一臺時間機器，讓你在短暫的時間里走到地球遙遠的未來。[35]

你們告訴世界地理學會，下一次消息將在探測了100萬太陽質(zhì)量的黑洞“人馬”后，從銀河系中心發(fā)回來。如果學會的會員想活著收到信息，他就得“冬眠”60 186年（從收到你們的消息到你們到達銀河中心的時間是30 102—26=30 076年；另外，你們下一次消息從銀河中心傳到地球還需要30 11 0年）。

人馬

經(jīng)過20年的航行，飛船減速飛進了銀河系中心。你遠遠看見氣體和塵埃混合著從四面八方流向一個巨大的黑洞。卡麗絲調(diào)好火箭，將飛船帶入視界上方的圓形軌道。你測量了軌道的周長和周期，把結(jié)果代進牛頓的公式，確定了黑洞的質(zhì)量：100萬個太陽質(zhì)量，與謝切特黑洞圖上說的一樣。由于沒有在下落的氣體和塵埃里看到龍卷風似的旋渦，你推測黑洞不會旋轉(zhuǎn)太快。視界應該是球狀的，而周長一定是1 850萬千米，是月球環(huán)繞地球軌道的8倍。

進一步檢查下落氣體后，你準備向視界靠近。為了安全，卡麗絲在你的太空艙和飛船主機DAWN間建立了激光聯(lián)系。然后，你脫離飛船，調(diào)轉(zhuǎn)太空艙，讓它的噴氣對著飛船軌道運動的方向；接著輕輕啟動，使你的軌道運動慢下來，平穩(wěn)地螺旋式地向里（向下）經(jīng)過一個又一個圓形軌道。

一切都如預料的那樣正常。但等到周長為5 500萬千米的軌道——剛好是黑洞視界周長的3倍，火箭的推動卻沒有將你引入一個更小的軌道，而是要命地將你投向視界。你害怕極了，趕緊調(diào)轉(zhuǎn)方向，以最大力量沖出來，回到5 500萬千米以外的軌道。

“究竟出了什么事兒？！”你通過激光問DAWN。

“提克哈依，提克哈依，”她安慰你說，“你的軌道是根據(jù)牛頓的引力定律設計的，但牛頓的描述只是宇宙真實引力定律的一種近似。[36]在遠離視界的地方，它是很好的近似，但在視界附近，它卻糟透了。更精確的描述是愛因斯坦的廣義相對論，在視界附近，它能以很高的精度與真實的引力定律一致。它預言，在接近視界時，引力作用會變得比牛頓預言的更強。為了保持圓形軌道，以離心力對抗強大的引力，你必須加強離心力，也就是說，你必須提高圍繞黑洞的軌道速度。當你下落經(jīng)過3倍視界周長的軌道時，你必須調(diào)轉(zhuǎn)太空艙的方向，向前加速；如果你還向后減速的話，在你經(jīng)過那個軌道時，引力將超過離心力，把你拉下去。”[37]

“該死的DAWN！”你想，“她總能回答我的問題，卻從來不主動提出一些關鍵信息。我要犯錯誤時她從不警告！”你當然知道這是為什么。假如計算機都在我們犯錯誤之前提出警告，人類生活該是多么枯燥乏味！早在2032年，世界委員會就通過法案，在每臺計算機里都植入霍布森障礙，[38]不許計算機警告。盡管DAWN也許很愿意警告你，但她實在不能克服霍布森障礙。

你壓住怒火，調(diào)轉(zhuǎn)太空艙，開始一系列的操作：向前加速，向下盤旋，進入內(nèi)軌道；再向前，再盤旋，進入下一個軌道……從3個視界周長降到2.5，2.0，1.6，1.55，1.51，1.505到1.501到……太令人失望了！你越飛越快，軌道越來越小。在飛行速度接近光速時，你的軌道卻只到1.5個視界周長。因為不能比光速更快，看來你沒有希望靠這種辦法走近視界了。

你又向DAWN求救，她一樣安慰你，然后解釋，1.5個視界周長以內(nèi)根本沒有圓形軌道。那兒的引力作用太強，沒有離心力可以同它對抗，哪怕你以光速繞著黑洞旋轉(zhuǎn)。DAWN告訴你，如果想走得更近，你必須放棄圓形飛行軌道，而應該直接朝視界落下去。靠火箭向下噴氣，你可以避免災難性的墜落。火箭的反沖力可以為你克服一些引力，讓你慢慢落下，然后飄浮在視界上方，就像宇航員飄浮在月球上飛行的火箭里。

現(xiàn)在，你學會小心了。你問DAWN，這樣持續(xù)強烈的火箭噴射會有什么后果？你解釋說，你想漂在1.000 1視界周長的某個位置，在那兒，能經(jīng)歷視界的多數(shù)效應，而且還可以逃出來。“如果憑火箭支持太空艙，那么加速度的力量會有多大呢？”“1.5億地球引力。”DAWN輕輕回答。

真令人泄氣！你點燃火箭，盤旋著飛回了飛船。

好好睡一覺。醒來后，你拿廣義相對論的黑洞公式算了5個小時，在謝切特黑洞圖上找了3個小時，又與船員們討論了1個小時，最后確立了下一步航行計劃。

接著，船員把你在“人馬”的經(jīng)歷傳給世界地理學會（你們樂觀地假定它還存在著）。報告最后講了你的計劃。

你的計算表明，黑洞越大，你飄浮在1.000 1視界周長上所需要的火箭動力越小。[39]為了不超過10個地球引力（這雖然也痛苦，但還能忍受），黑洞必須有15萬億（1.5×1013）個太陽質(zhì)量。最近的這樣的黑洞叫“巨人”，遠在距我們10萬（105）光年的銀河系以外，也遠在銀河系圍繞的1億（108）光年的室女座星系團以外。實際上，它在類星體3C273附近，距銀河系20億（2×109）光年，大約是我們可以觀測的宇宙邊緣距離的10%。

船員在報告中解釋，你的計劃就是去“巨人”。前一半旅程以1g加速，后一半以1g減速，這樣，在地球看來，旅行需要20億年，而幸好因為有了速度產(chǎn)生的時間卷曲，你們在船上只需42年就夠了。[40]如果世界地理學會不愿40億年的漫長冬眠（飛船到“巨人”20億年，信息發(fā)回地球20億年），他們就收不到你們的下一次消息了。

巨人

42年后，飛船減速來到“巨人”的鄰近。你們的頭上是類星體3C273，兩股燦爛的藍色噴流正從它的中心射出，[41]下面就是“巨人”那黑暗的無底洞。落在“巨人”外的一個軌道上，你做了些常規(guī)測量，證實了它的確具有15萬億個太陽質(zhì)量；另外，它旋轉(zhuǎn)很慢。從這些數(shù)據(jù)，你算出它的視界周長是29光年。現(xiàn)在，你終于找到你向往的黑洞了！你能到它的鄰近去探險，而不會遭遇難以忍受的巨大潮汐力和火箭加速度。既然探險有了安全保障，你決定飛船整體下降，不再只憑一個太空艙。不過，在飛船下降前，你命令船員拍攝一些照片：頭頂巨大的類星體，“巨人”周圍數(shù)萬億顆恒星，天空中幾十億個星系。他們還拍了在下面的“巨人”的黑洞圓盤，像地球看到的太陽那么大。乍看起來，黑洞似乎擋住了所有來自它背后的恒星和星系的光。但仔細看時，你的船員發(fā)現(xiàn)，黑洞的引力場像一個透鏡，[42]恒星和星系的光偏轉(zhuǎn)繞過視界的邊緣，在黑洞圓盤邊緣又被聚焦成一條明亮的細環(huán)。每一顆朦朧的恒星在環(huán)上都有幾個像，一個是從黑洞左翼繞過的光線產(chǎn)生的；另一個是從右翼繞過的光線產(chǎn)生的；第3個是被吸引到繞黑洞的軌道的光在你的方向上發(fā)出時形成的；第4個是繞黑洞兩周后跑出來的光線形成的，等等。結(jié)果，光線形成一條結(jié)構高度復雜的環(huán)，為了將來的研究，船員們拍攝了大量的細節(jié)照片。

照片拍好后，你命令卡麗絲開始啟動飛船降落。但是，你還得耐心一點，黑洞引力太強，你們以1g加速、減速，需要13年才能到達你們計劃的1.000 1視界周長！

飛船落下來了，船員們又拍了些照片，記錄飛船周圍天空的變化。最引人注目的變化是，飛船下面的黑洞圓盤長大了：慢慢地越來越大。你想，它會像巨大的黑色地板鋪滿你的腳下，然后停下來，頭上還是像地球上明朗的天空。但黑盤子仍然在長大，從飛船周圍升起，遮蓋了一切，只留下頭上一道明亮的圓形光路，你能從它看到外面的宇宙（圖P.4）。你仿佛走進一個洞穴，越陷越深，只看見光亮的洞口在遠處越來越小。

你越來越害怕，向DAWN求救：“卡麗絲是不是把我們的軌道算錯了？我們是不是陷入黑洞視界了？我們要完了嗎？！”

“提克哈依，提克哈依，”她安慰你，“我們沒有危險，我們還在視界外面。黑暗籠罩整個天空，不過是黑洞引力的強烈透鏡作用。看那兒，我指的地方，差不多就在頭頂上，那是星系3C295。你下落之前，它還在水平的位置，離天頂90°。但是在這兒，‘巨人’的視界附近，黑洞引力強烈作用在來自3C295的光線上，使它們從水平偏轉(zhuǎn)到幾乎垂直，結(jié)果，3C295就出現(xiàn)在我們頭上。”

你放心了，繼續(xù)下降。工作臺顯示了飛船經(jīng)過的徑向（向下）距離和通過你們位置的繞黑洞的圓軌道的周長。剛開始時，每徑向下落1千米，軌道周長減少6.283 185 307…千米，周長減少與半徑減小的比為6.283 185 307千米：1千米，它等于2π，這正是歐幾里得的標準圓周公式所預言的。但是現(xiàn)在你的飛船鄰近視界，周長減小與半徑減小的比比2π小得多：在10倍視界周長處，它是5.960 752 960；2倍處，是4.442 882 938；1.1倍處，是1.894 451 650；1.01倍處，是0.625 200 306。只有在彎曲空間里，才會出現(xiàn)與你在十幾歲時學的標準歐幾里得幾何相差如此巨大的偏離。你現(xiàn)在看到的是愛因斯坦廣義相對論所預言的與黑洞的潮汐力相伴的曲率。[43]

在最后階段，卡麗絲需要費越來越大的力量才能靠火箭使飛船的降落速度慢下來，終于，飛船來到1.000 1個視界周長的軌道，憑著10g的向上加速度克服了黑洞強大的引力，靜靜地飄在視界的上方。它下落最后1千米時，周長只減小0.062 828 712千米。

船員們?nèi)讨?0個地球重力的痛苦，拿出望遠鏡攝影機，投入周密的攝影工作。除了你們周圍有一點兒因為下落氣體碰撞生熱而產(chǎn)生的微弱輻射外，要拍攝的電磁波都在頭頂那個亮點里。那亮點很小，直徑只有3弧度，是從地球看到的太陽大小的6倍。[44]但細看下去，那兒是圍繞著“巨人”的所有恒星和宇宙中所有星系的像。出現(xiàn)在亮點正中心的星系是真正在頭頂上的。從中心到邊緣的55%，是像3C295那樣的星系的像，假如沒有黑洞的透鏡效應，它們應該在水平位置，離天頂90°。從這里到邊緣的35%，是在黑洞另一邊，即在我們正下方的那些星系的像。最外面的30%，是每個星系的第二次像；而最外面的2%，是第三次像！

同樣奇怪的是，所有恒星和星系的顏色都是假的。你知道的某個星系本是綠色的，而現(xiàn)在它似乎閃爍著微弱的X射線：“巨人”的引力把這個星系的輻射引向你們，使它增大了能量，波長從5×10-7米（綠光）減到5×10-9米（X射線）。同樣，類星體3C273的外緣，你知道原來發(fā)射波長為5×10-5米的紅外輻射，現(xiàn)在看到它閃著波長為5×10-7米的綠光。[45]

完整記錄了頭上的亮點后，你們開始關心飛船的內(nèi)部。你們幾乎都以為，在這黑洞附近，物理學定律會有某些改變，而這些改變也會影響每個人的生理。情況并不如此。你看大副卡麗絲，她顯得很正常；再看二副布里特，他也很正常。你們握握手，你也感覺正常。你喝一杯水，除了10g的效應外，也跟平常一樣。卡麗絲打開氬離子激光器，跟過去一樣，它發(fā)出明亮的綠光；布里特發(fā)出一束紅色激光脈沖，測量它從激光器到鏡子然后返回所用的時間，再根據(jù)測量計算光的速度，結(jié)果與地球?qū)嶒炇墙^對一樣的：每秒299 792千米。

船里的一切事情都正常，仿佛它就停在一個具有10g重力的大質(zhì)量行星表面。假如不向外看飛船頭上那個怪異的亮點和周圍吞噬一切的黑暗，你不會知道——或幾乎不會知道，你正在一個黑洞視界的鄰近，而完全不是在某個行星的表面。飛船里的時空跟外面的一樣也會被黑洞彎曲，通過足夠精確的測量，你可以測出它的曲率，例如，你可以測量頭腳之間的潮汐拉伸。但是，盡管時空曲率在視界300萬億千米周長的尺度上起著巨大作用，在你那1千米的飛船尺度上，它的效應卻小得可憐。曲率在飛船兩端產(chǎn)生的潮汐力只是地球引力的百萬億分之一（10-14g），而你頭腳間的力還要小1000倍！

這種正常也是值得留意的。為了進一步認識它，布里特從飛船放出一只太空艙，為了測量光速，讓它帶著脈沖式的激光器和反射鏡。太空艙落向視界時，儀器測量了光脈沖從艙頭的激光器到艙尾的反射鏡然后返回的速度。太空艙的計算機把計算結(jié)果通過激光束傳回飛船：“每秒299 792千米；299 792；299 792…”當太空艙離視界越來越近時，回來的激光的顏色也從綠移到紅到紅外到微波、無線電波……但所載信號都是一樣的：“299 792；299 792；299 792…”然后，激光消失了。太空艙越過了視界，它里面的光速在它下落時也從來沒有發(fā)生過改變，決定它那些電子系統(tǒng)運行的物理學定律也沒有任何改變。

你對這些實驗結(jié)果非常滿意。在20世紀初，愛因斯坦曾宣告（他主要從哲學上考慮），局部的物理學定律（即定律所在區(qū)域很小，可以忽略時空曲率）在宇宙中應該是處處一樣的。這個宣言被尊為物理學的一個基本原理：等效原理。[46]在后來的世紀里，等效原理常常經(jīng)受實驗的檢驗，但它還從來沒有經(jīng)歷過像你們在“巨人”視界鄰近做的實驗那么生動而徹底的檢驗。

10個地球重力令你和你的船員們疲憊了。于是，你們準備航行的最后一步，回銀河系。在航行之初，船員會把你們的“巨人”探險報告發(fā)回去；由于飛船很快也會近光速旅行，所以，從地球看來，報告會比飛船早一年到達銀河系。

飛船升起離開“巨人”的時候，你的船員仔細用望遠鏡研究了頭上的類星體3C273（圖P.5）。[47]從類星體中心射出兩股巨大的尖尖的熱氣體噴流，300萬光年長。將望遠鏡瞄準中心，你們看到了噴流的源泉：一個厚厚的熱氣體環(huán)，大小不足1光年，黑洞在環(huán)的中心。這個被天體物理學家稱為“吸積盤”的環(huán)一圈圈地繞著黑洞。船員們測量了它的旋轉(zhuǎn)周期和周長，推測黑洞質(zhì)量是20億（2×109）太陽質(zhì)量，比“巨人”小7 500倍，但遠遠大于銀河系里的任何黑洞。在黑洞引力作用下，氣流從環(huán)流向視界；接近黑洞時，會看到以前不曾見過的現(xiàn)象：氣流像龍卷風一樣繞著黑洞盤旋——黑洞一定在快速旋轉(zhuǎn)！旋轉(zhuǎn)軸很容易確定：氣流旋渦的軸就是黑洞旋轉(zhuǎn)的軸。你發(fā)現(xiàn)，兩股噴流是沿著轉(zhuǎn)軸射出來的。它們就在視界的南北兩極生成，從黑洞的旋轉(zhuǎn)和氣體環(huán)中汲取能量，[48]就像龍卷風從大地卷起塵埃。

你很奇怪，為什么“巨人”與3C273有那么大的不同：為什么質(zhì)量和尺度都大1 000倍的“巨人”沒有環(huán)繞的氣體圈和巨大的類星體噴流？布里特經(jīng)過長時間的望遠鏡觀測，找到了答案：每過幾個月，就會有一顆在環(huán)繞3C273的小黑洞的軌道上的恒星墜向視界，被黑洞潮汐粉碎；恒星內(nèi)約1個太陽質(zhì)量的氣體便噴射出來灑落在黑洞周圍，在內(nèi)摩擦力驅(qū)動下，慢慢進入氣體環(huán)。這些新來的氣體源源不斷地補充著落進黑洞和噴流的氣體。于是，氣環(huán)和噴流總保持著豐富的氣體來源，能持續(xù)地發(fā)光。

恒星當然也會墜向“巨人”，布里特解釋。但是，“巨人”遠遠大于3C273，它視界外的潮汐力太弱，不可能粉碎任何星體。恒星會完全被“巨人”吞沒而不能噴出內(nèi)部的氣體形成環(huán)。因為沒有氣體環(huán)，“巨人”也就無法產(chǎn)生噴流和其他類星體的劇烈現(xiàn)象。

你的飛船繼續(xù)上升，遠離“巨人”的引力。你計劃著回家的航行。回到銀河系的地球時，距你們離開已經(jīng)40億年了。人類社會一定發(fā)生了巨大變化，你們不想回去了。你和船員決定在一個旋轉(zhuǎn)黑洞的周圍開辟一塊空間。你們知道，像3C273中的黑洞的旋轉(zhuǎn)能可以為類星體噴流提供動力一樣，一個小黑洞的旋轉(zhuǎn)能也可以作為人類文明的能源。

你不想在某個黑洞看到已經(jīng)有人在它周圍建設了文明，所以，你的飛船沒有飛向已經(jīng)存在的快速旋轉(zhuǎn)的黑洞，而是飛向某個恒星系統(tǒng)，在你到達不久，那兒會誕生新的快速旋轉(zhuǎn)的黑洞。

你們離開地球時，銀河系獵戶座星云里有一個雙星系，由兩顆相互環(huán)繞的30個太陽質(zhì)量的恒星構成。DAWN已經(jīng)計算了，在你們?nèi)ァ熬奕恕睍r，那兩顆恒星應該發(fā)生坍縮，分別形成一個24個太陽質(zhì)量的無旋轉(zhuǎn)黑洞（6個太陽質(zhì)量的氣體在坍縮中噴射出去了）。現(xiàn)在兩個黑洞正相互環(huán)繞著，像一個雙黑洞系；在環(huán)行中，它們會發(fā)出潮汐力的振蕩（“時空曲率”的波動），也就是引力波。[49]像射出的子彈對槍有反沖作用一樣，引力波也會對黑洞產(chǎn)生反沖，引力波反沖能減緩黑洞不可避免的螺旋下落的過程。你們稍稍調(diào)節(jié)一下飛船的加速度，就能趕上那螺旋下落的最后一幕：幾天以后，你會看到兩個黑洞無旋轉(zhuǎn)的視界在繞著對方不停地旋轉(zhuǎn)，越靠越近，越轉(zhuǎn)越快，最后連在一起，形成一個更大的有旋渦的旋轉(zhuǎn)視界。

原來的兩個黑洞不旋轉(zhuǎn)，不能作為你開拓的有效能源，不過，新生的這個快速旋轉(zhuǎn)的黑洞卻是很理想的！

家園

經(jīng)過42年的航行，飛船最后減速來到獵戶座星云里DAWN預言那兩個黑洞所在的地方。它們真在那兒。通過測量落向黑洞的星際原子的軌道運動，你證實了DAWN的預言，兩個視界沒有旋轉(zhuǎn)，每個黑洞重24個太陽質(zhì)量。每個視界的周長為440千米，相距30 000千米；黑洞每13秒繞對方轉(zhuǎn)一圈。把這些數(shù)據(jù)代入廣義相對論的引力波反沖公式，你認定兩個黑洞將在7天后結(jié)合。[50]你的船員有充分的時間準備好望遠鏡攝像機，等著記錄結(jié)合的細節(jié)。通過拍攝星光聚焦形成的黑洞盤外的光環(huán)，船員們很容易監(jiān)測黑洞的運動。

你想走得更近，看得更清楚，而又能很安全地躲過黑洞的潮汐力。你決定，飛船最好落在比黑洞軌道大10倍的軌道上——一個直徑300 000千米、周長940 000千米的軌道。卡麗絲把飛船引入那個軌道，船員們開始進行攝影觀測。

在接下來的6天里，兩個黑洞越靠越近，軌道運動也越來越快。一天前，它們的距離從30 000千米收縮到18 000千米，軌道周期從13秒縮短到6.3秒；1小時前，距離是8 400千米，軌道周期是1.9秒；1分鐘前，距離3 000千米，周期0.41秒；10秒前，距離1 900千米，周期0.21秒。

在最后10秒里，你和你的飛船開始搖晃了，先是很輕，然后越來越劇烈。仿佛一雙巨手抓住你的頭和腳，一會兒拉，一會兒壓，勁兒越來越大，動作越來越快。不過，來得快，去得更快，一會兒就不搖了，一切又安靜下來。

“怎么回事？”你向DAWN嘟噥，聲音還在顫抖。

“提克哈依，提克哈依，”她安慰你說，“那是黑洞結(jié)合時產(chǎn)生的引力波的起伏的潮汐力。你習慣了只有用精密儀器才能探測出潮汐力的弱引力波。而這兒是在結(jié)合的黑洞附近，引力波非常強大——我們飛船的軌道假如小30倍，它就會被波動粉碎。但我們現(xiàn)在很安全，黑洞結(jié)合完了，引力波飄走了，它們飛向宇宙，為遙遠的天文學家?guī)ズ诙唇Y(jié)合的交響曲。”[51]

你把望遠鏡對著下面的引力源，看到真像DAWN說的，黑洞結(jié)合完了。過去有兩個黑洞的地方現(xiàn)在只有一個。從下落原子的旋渦，你知道那個黑洞在快速地旋轉(zhuǎn)，它將成為你的船員和他們千秋萬代的子孫的理想發(fā)動機。

卡麗絲測量了飛船軌道，得出黑洞有45個太陽質(zhì)量。原來的兩個黑洞共48個太陽質(zhì)量，那么一定有3個太陽質(zhì)量轉(zhuǎn)化成了純能量，被引力波帶走了。難怪那些波曾那樣強烈地震撼著你！

當你調(diào)轉(zhuǎn)望遠鏡對著黑洞時，一個意外的東西從船外飛過，光亮向四面散開，然后在你的船邊炸開一個洞。訓練有素的船員和機器人立即各就各位，準備戰(zhàn)斗，卻沒有發(fā)現(xiàn)攻擊你們的敵船——于是，你又請DAWN來幫忙。她通過飛船的語音系統(tǒng)安慰大家：“提克哈依，提克哈依。我們沒有遭遇攻擊。那不過是一個怪異的原生黑洞在蒸發(fā)，然后爆炸了。”[52]

“什么？！”你喊了起來。

“一個原生黑洞，蒸發(fā)了，然后在爆炸中毀滅了。”DAWN回答。

“說明白些！”你命令，“你說原生是什么意思？你說蒸發(fā)和爆炸是什么意思？你在說廢話。東西可以掉進黑洞，但沒有東西能出來；沒有什么能‘蒸發(fā)’。黑洞會永遠存在，它總在增大，永不收縮。黑洞不可能‘爆炸’，不可能毀滅自己。那太離奇了！”

DAWN還是那么有耐性，她告訴你，“大物體——如人、恒星和恒星坍縮形成的黑洞——都是由經(jīng)典的物理學定律決定的，如牛頓運動定律、愛因斯坦廣義相對論定律等。相反，小物體——如分子、原子和比原子還小的黑洞——是由一組大不相同的量子物理學定律決定的。[53]經(jīng)典定律嚴禁正常大小的黑洞蒸發(fā)、收縮、爆炸和毀滅，但量子定律不像這樣，它們要求任何原子大小的黑洞慢慢蒸發(fā)、收縮，直到某個原子核大小的臨界周長。這樣的黑洞雖然小，卻重達幾十億噸，那時它必然會在巨大的爆炸中毀滅自己。幾十億噸的質(zhì)量通過爆炸轉(zhuǎn)化為向外噴發(fā)的能量，比20世紀人類在地球上爆炸的最大的核武器的能量還大1萬億倍。剛才損壞我們飛船的就是這樣的爆炸。”

“不過你不必擔心會有更多的爆炸，”DAWN接著說，“因為小黑洞極少，所以這樣的爆炸也很罕見。小黑洞都是200億年前在宇宙大爆炸中生成的，這就是為什么它們叫原生黑洞。大爆炸只產(chǎn)生了那么些原生黑洞，而那些原生黑洞自誕生以來一直在慢慢地蒸發(fā)。偶爾會有個別黑洞達到最小臨界尺度而爆炸。[54]而一個黑洞在經(jīng)過我們的飛船時爆炸，是極不可能發(fā)生的事情——我們不過碰巧遇到了；而且，我們的飛船極不可能再碰到這樣的黑洞了。”

你感覺輕松了，命令船員開始修理，而你和助手們則開始用望遠鏡觀測你們下面那個有45個太陽質(zhì)量的快速旋轉(zhuǎn)的黑洞。

黑洞的旋轉(zhuǎn)不僅表現(xiàn)在螺旋下落的原子，還表現(xiàn)在你們下面那個光環(huán)環(huán)繞的黑點的形狀；那黑點像個扁南瓜，赤道隆起，兩極平坦，正是黑洞旋轉(zhuǎn)的離心力產(chǎn)生的結(jié)果。[55]但赤道隆起并不對稱，盤的右邊（黑洞旋轉(zhuǎn)時離開你的那一邊）顯得比左邊更大。據(jù)DAWN的解釋，視界更容易捕獲沿它右邊向著你來而對著它旋轉(zhuǎn)方向的星光，不太容易捕獲從左邊來的順著它旋轉(zhuǎn)方向的星光。

布里特測量了黑點的形狀，并與廣義相對論的黑洞公式做了比較，發(fā)現(xiàn)黑洞旋轉(zhuǎn)的角動量是它的質(zhì)量所能允許的角動量的96%。根據(jù)這樣的角動量和黑洞的45個太陽質(zhì)量，你計算了其他一些性質(zhì)，包括它的旋轉(zhuǎn)速率，每秒270周，它的赤道周長，533千米。

你對黑洞的旋轉(zhuǎn)很感興趣，以前從來不可能這么近地觀察旋轉(zhuǎn)黑洞。所以，雖然很過意不去，你還是請一個志愿者機器人到視界近旁去探險，并把經(jīng)過發(fā)回來。你對那個機器人[他叫科羅（Kolob）]下達了詳細的指令：“降到視界上10米的地方，靠你的火箭使自己靜止下來，浮在飛船正下方。還要靠你的火箭抵抗引力的向下吸引和空間的龍卷風旋渦。”

科羅喜歡冒險，他離開船艙，向下落去。起先，他輕輕點燃火箭，就能抵抗空間的旋渦，讓自己保持在飛船下面，但后來就困難了。當他到達的軌道周長為833千米，比視界大56%時，他的激光帶回了這樣的消息：“我頂不住旋渦；我頂不住了，頂不住了！”他像被龍卷風卷起的一塊石頭，被卷入了圍繞黑洞的軌道。[56]

“別擔心，”你告訴他，“盡可能頂住旋渦，繼續(xù)降落，直到視界上方10厘米。”

科羅答應了。他接著下落，被卷入越來越快的環(huán)行運動。最后，他停止下落，飄在視界上方10米的地方，卻幾乎與視界本身同步地飛旋著，每秒270圈。不論費多大勁，都擋不住這種運動，因為空間旋渦，他永遠也停不下來。

“換一個方向加速，”你命令，“既然不能比每秒270圈轉(zhuǎn)得更慢，那你就轉(zhuǎn)快一些。”

科羅試了試。他加速火箭，想讓自己還在視界上方10米，但比先前運行更快。盡管他從火箭那里感覺到了平常的加速度，但你看他的運動卻幾乎沒有什么改變。他仍然每秒環(huán)行270圈；在你還沒來得及給他發(fā)出進一步指令時，他的燃料用完了，開始垂直下落；他發(fā)出的激光突然掠過電磁波譜，從綠變紅，到紅外，到無線電波，然后變黑，而他的飛行卻沒有改變。他去了，落進了黑洞，落向你永遠也看不到的暴戾的奇點。

經(jīng)過3個星期的痛苦、實驗和望遠鏡觀測，你們現(xiàn)在開始建設未來了。從遙遠的行星取來材料，在黑洞周圍建起環(huán)狀“大梁工程”，周長500萬千米，厚3.4千米，寬4 000千米。它旋轉(zhuǎn)的速度恰到好處，每小時轉(zhuǎn)兩圈，這樣，離心力正好能抵消大梁環(huán)中心（距里外兩面各1.7千米）受到的黑洞引力。環(huán)的大小也是仔細考慮過的，喜歡1個地球重力的人可以在環(huán)的里面和外面建設家園，喜歡重力輕一點的人可以住在中心附近。引力的差別，部分來自旋轉(zhuǎn)環(huán)的離心力，部分來自黑洞的潮汐力——用愛因斯坦的話說，即時空曲率。[57]

為這個環(huán)狀世界提供光和熱的電源來自黑洞：黑洞質(zhì)量的20%以能量形式貯藏在視界附近空間的龍卷風式的旋渦里。[58]那是太陽一生所輻射的光和熱的10 000倍！因為在視界外面，那是能夠提取的。即使環(huán)狀世界只能利用50%的能量，也仍然比太陽的能量供應大5 000倍。

能量的汲取原理與類星體是相同的：[59]船員們將磁場穿過黑洞視界，雖然它有離開的趨向，你們還是利用巨大的超導感應圈（圖P.6）將它留在黑洞。視界旋轉(zhuǎn)時，在附近的空間產(chǎn)生龍卷風旋渦，它反過來又與穿過的磁場相互作用而形成巨大的發(fā)電機。磁力線充當著輸電線，電流從黑洞赤道流出（表現(xiàn)為電子從這里流進），沿著磁力線流向環(huán)狀世界，將能量送到那兒。然后，它沿著別的磁力線離開環(huán)狀世界，從南北兩極流進黑洞（表現(xiàn)為質(zhì)子從那兒流進）。通過調(diào)節(jié)磁場強度，環(huán)狀世界的居民可以調(diào)節(jié)能量輸出：早期的磁場弱，能量小；晚期的磁場強，能量大。隨著能量的汲取，黑洞旋轉(zhuǎn)會逐漸變慢，但仍然要過億萬年它才能耗盡所貯藏的巨大旋轉(zhuǎn)能。

這個人造的世界就是船員的“家園”，是他們子孫萬代的家園，也是他們未來探索宇宙的基地。但是，你不喜歡這兒，你懷念地球和地球上的朋友，他們一定已經(jīng)死去40多億年了。你真想在你200年生命的最后1/4回到如詩如畫的青年時代，那是很冒險的，也許不會有結(jié)果，但你還是想試試。

走向未來是很容易的，如你們經(jīng)歷的黑洞航行；回到過去卻沒那么簡單。實際上，物理學的基本定律也許完全禁止這樣的旅行。不過，DAWN告訴你，20世紀的物理學家曾猜想，通過一種叫蟲洞的假想的空間卷曲，也許可以實現(xiàn)回到過去的時間旅行。[60]這種空間卷曲由兩個入口（蟲洞口）構成，像兩個沒有視界的黑洞，在宇宙中可以分離很遠（圖P.7）。從一個洞口進去的東西會發(fā)現(xiàn)一個很短的通道（蟲洞的喉），通向另一個洞口。這條通道在超空間延伸，不穿過正常空間，所以從我們的宇宙看不到它。DAWN解釋，通過蟲洞的時間與通過我們宇宙的時間，在連結(jié)方式上可能大不相同。沿一個方向穿越蟲洞，如從左到右，人們可能回到宇宙的過去，而從反方向穿越，即從右向左，他可能會跑到時間前頭。這樣的蟲洞不僅是空間卷曲，也是時間卷曲的結(jié)果。

DAWN告訴你，量子引力定律要求，應該存在這種類型的非常微小的蟲洞。[61]這些量子蟲洞的大小只有10-33厘米，它們的存在也只是瞬間的事情——短短的10-43秒，當然不能用來作時間旅行。[62]它們出人意料地閃現(xiàn)，又出人意料地消失——忽來忽去，又似乎無處不在。碰巧，可能有個蟲洞，一個洞口在今天的環(huán)狀世界附近，另一個洞口在40億年前你們啟程遠航時的地球附近。DAWN建議，在蟲洞閃現(xiàn)時抓住它，然后像小時候吹氣球那樣讓它膨脹，保持洞口打開，讓你穿過它回到年輕時的故鄉(xiāng)。

但DAWN也警告你，那是很危險的。物理學家猜想（盡管還沒有證明），在膨脹的蟲洞成為時間機器前的那一瞬間，它可能就在劇烈的爆炸中自我毀滅了。宇宙可能通過這樣的辦法來阻止它自己出現(xiàn)時間旅行的怪圈，例如，一個人可以回到過去，在母親懷他之前將母親殺死，從而不讓他出生來殺害母親。[63]

如果物理學家猜錯了，DAWN就可以讓蟲洞打開幾秒并張開足夠你穿過的喉管。你在旁邊等著，然后鉆進去，經(jīng)過幾分之一秒（你自己的時間），你就回到了40億年前你年輕時在地球的家鄉(xiāng)。但是，假如時間機器自我毀滅了，你也會隨它而去。你決定碰碰運氣……

上面的故事像科幻小說，是的，的確有點兒像。我無法保證織女星旁有10個太陽質(zhì)量的黑洞，銀河系中心有100萬個太陽質(zhì)量的黑洞，或者宇宙什么地方有15萬億個太陽質(zhì)量的黑洞。這些都是虛構的，然而卻是合理的。我自己也懷疑，人類是否有力量成功進行星系際旅行，或者星際旅行，他們是否能在黑洞的周圍建成大梁上的環(huán)狀世界。這些也是虛構的。

不過，我能很有信心（當然還不能徹底）地保證，我們的宇宙存在著黑洞，它們具有故事里描述的那些性質(zhì)。假如你的飛船飄浮在15萬億個太陽質(zhì)量的黑洞視界上方，我保證船里的物理學定律與地球上的是一樣的。當你看船外周圍的天空時，你會發(fā)現(xiàn)整個宇宙都暗下來了，只有一個明亮的小光盤在照著你。我保證，假如你讓一個機器人到旋轉(zhuǎn)黑洞的附近去探險，不論它如何發(fā)動火箭，都只能以黑洞自身的旋轉(zhuǎn)速度（在我說的例子中，即每秒270周）進退。我保證，快速旋轉(zhuǎn)的黑洞能將它質(zhì)量的29%作為旋轉(zhuǎn)能貯藏起來，如果我們足夠聰明，是能汲取和利用它的。

我從沒見過黑洞，怎么能有信心保證這些事情呢？實際上，沒人見過黑洞，天文學家也只發(fā)現(xiàn)了一點兒間接的黑洞存在的證據(jù)，[64]而關于它們的那些具體性質(zhì)，什么觀測證據(jù)也沒有。我憑什么那么大膽地保證那么多的東西呢？原因很簡單。假如我們理解正確的話，物理學定律預言那些黑洞性質(zhì)，而且是毫不含糊地預言，實際上跟它們預言地球上的海洋潮汐（每次高潮和低潮的時間和高度）是一樣的。根據(jù)牛頓的物理學定律，可以從數(shù)學公式導出從1999年到2010年的地球潮汐序列；同樣，根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論定律，可以從數(shù)學計算導出黑洞視界和外面的一切性質(zhì)。

我為什么相信物理學基本定律的廣義相對論描述是高度精確的呢？畢竟，我們知道牛頓的描述在黑洞附近不再準確了。

基本定律的成功描述本身都暗示著它會在什么地方失效。[65]牛頓的描述告訴我們，它可能在黑洞附近失效（當然，我們只是在20世紀才從牛頓的描述中發(fā)現(xiàn)這一點）。同樣，愛因斯坦的廣義相對論描述的可靠性表現(xiàn)在黑洞外、視界上和幾乎一切（但不完全）都落向它的中心奇點的黑洞內(nèi)部。這是令我相信廣義相對論預言的一個方面；另一方面的事實是，雖然廣義相對論的黑洞預言還沒有被直接檢驗過，但廣義相對論的其他特征已經(jīng)在地球上、在太陽系、在由兩顆致密奇異的所謂脈沖星構成的雙星系中找到了高度精確的驗證。廣義相對論成功經(jīng)歷了每一個考驗。[66]

在過去的20年里，我參與了有關的理論物理學探索，得到了現(xiàn)在這些黑洞的認識，我也在探索通過天文學觀測來檢驗黑洞的預言。我個人的成績是渺小的，但與物理學家和天文學家同行在一起，我經(jīng)歷了探索的興奮和發(fā)現(xiàn)的驚奇。我想盡可能地在這本書里把那些興奮和驚奇的感覺帶給天文學家和物理學家以外的朋友們。