三
现在问题有点严重了，恒星的坍缩和黑洞的形成被当作了宇宙演化的微缩模型！我们有必要延续上章的天体演化话题，继续回顾物理学家关于恒星坍缩和黑洞问题的探索。
说出来你不要惊讶，其实第一个黑洞模型早在18世纪就已经建构出来了。1783年，英国科学家米歇尔（John Michell）就提出了一个“暗星预言”。当时科学共同体公认的是牛顿的光微粒说，米歇尔就想，既然是粒子，就会有质量，就服从万有引力定律。正如苹果会落地一样，任何星体上的物质要摆脱星体的引力都必须有一个“逃逸速度”，逃逸速度与星体的质量成正比（星体质量越大，引力就越大，摆脱这个引力要做的功就越大），反比于星体表面周长的平方根（周长越小，星体表面离引力中心越近，表面引力就越大，逃逸速度要求就越高）。由此我们就可以想像，如果质量不变，但周长越来越短，从星体发出的光线就会越来越弯，以至于掉回到星体，从远处我们将看不到这个星体（图20.1）。想像周长不变，质量越来越大，效应也是同样的。据此米歇尔就推论任何一个星体都存在着一个“临界周长”，当星体的实际周长大于这个临界周长时，星体就可以向太空发射光线或反射光线，等于或小于临界周长时，光线将无法从这个星体逃逸。米歇尔预言，宇宙中可能存在着大量物质非常致密的星体，它们存在于临界周长之内，我们地球人是看不到的，米歇尔称之为“暗星”。
图20.1 暗星猜想
1796年，法国科学家拉普拉斯在他著名的《宇宙体系论》中，也提出了相同的暗星预言。可是当这部著作在1808年出第三版时，托马斯·扬已经通过他发明的双缝实验，说服科学共同体相信了惠更斯的光波动说，既然光是波动，就没有质量，就不服从万有引力定律，暗星假设在理论上就不成立，因此拉普拉斯就在这一版中删掉了暗星假设的内容。从此科学界对黑洞的探索也就被删除掉了。
但这不是永久的删除。一个世纪以后，1915年，当爱因斯坦发表了他的广义相对论时，科学家们发现，所谓万有引力，不过是时空弯曲的一种通俗表述，而光线弯曲，则是通俗法未表达出来的内容，米歇尔和拉普拉斯并没有错，引力对光线依然是起作用的。倒霉的德国天体物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）这时已经被编入德国军队，派往最艰苦的俄国前线。看到爱因斯坦广义相对论的报告，只用了很短的时间，就得出了与米歇尔“临界周长”类似的“史瓦西半径”——
R=2GM/c2（R—黑洞半径，G—引力常数，M—质量，C—光速）
从形式上看，与米歇尔的结论并无二致，但内在的机理则完全不同。在米歇尔那里，时空是绝对的，而光速是相对的；而在史瓦西这里，时空是相对的，而光速是绝对的。光线之所以被引力禁闭，并不像米歇尔描述的那样，光线像向上发射的炮弹一样，由于引力作用速度逐渐变慢，最终掉头向下；实际上光线是恒速的，它逃不出史瓦西半径，盖因为引力作用下的时空弯曲效应。史瓦西从前线把论文寄给爱因斯坦，1916年1月，爱因斯坦两次在柏林普鲁士科学院代史瓦西报告研究成果。可是此后史瓦西探索的脚步就停止了，永远地停止了。同年6月，爱因斯坦在科学院沉痛宣布——史瓦西在前线染病去世！然而史瓦西理论不朽！
前面说过，奥本善于发现重大课题。1939年，他和沃尔科夫刚刚完成中子星极限的计算，马上又与另一位学生——哈特兰·斯尼德（Hartland Snyder）合作，推进到下一个重大课题。从钱德拉、茨维基到奥本自己的研究表明，恒星只要超过一定的质量极限，无限坍缩的命运将不可避免，但坍缩成什么样子？奥本第一个提出并解决了这个问题。把恒星坍缩和致密星体这二项历史研究成果结合起来，奥本就提出了第一个大质量恒星最终归宿的模型。根据广义相对论的“引力红移”推论，引力会使光线的波长变长（光线看上去更红），引力越强，红移效应越强。我们可以想像，一根弹簧被外力拉长，圈与圈的间距变大。当恒星的实际周长坍缩到临界周长的4倍时，红移15%，到临界周长2倍时，红移41%，而实际周长与临界周长重合时，就达到无限红移，一根弹簧被拉成了直线。根据量子公式，能量与波长成反比，无限大的波长相应于无限小的能量，没有有能量的光线能穿越临界周长，星体外部的观察者将不能看见这颗坍缩进临界周长或史瓦西半径里的恒星，于是恒星把自己与外面的世界“隔绝”开来。
爱因斯坦虽然作为史瓦西的代言人，但他并不喜欢史瓦西发明的这个怪物，因此一直对史瓦西理论作冷处理。可是到了1939年，奥本先闹腾出了个无限坍缩，又闹腾出一个“隔绝星”，老爱就觉得不能不发声了。这一年他发表了一篇广义相对论计算的文章，证明“史瓦西奇点”不成立。之后二战的炮声就淹没了这场学术争论。
1956年，惠勒决心继续钱德拉和奥本的研究，探索大质量恒星的终极命运之迷。他运用了“现代化武器”，一台为设计氢弹而建造的人类第一台电子计算机（惠勒是氢弹设计的主创人员）。结果算出中子简并压力只能抵御大约两个太阳的质量。但是他不愿意接受奥本“必然坍缩”的结论，像爱丁顿一样，他相信“应有一条自然定律阻止恒星以这种荒谬的方式行动！”但认为惠勒像爱丁顿一样对物理理论理解不深、观念又保守就错了，惠勒也算是量子物理一大怪杰，而且观念激进到近乎疯狂。他提出了一个模式，认为中子星坍缩之后，坍缩星中心的核子（质子和中子）将转化为辐射，辐射逃离这个星体而减轻星体的质量，直至小于中子星极限。然而这种转化的机理已经超出了目前物理学知识的范围，他本人只能猜测是一种“量子力学与广义相对论结合的形式”。随着战后理论的进步、观测技术和计算能力的进步，更完善的黑洞模型被提出，到1960年代初，惠勒转变成了奥本黑洞理论的热心支持者，1967年他更发明了“黑洞”这个形像又准确的概念。但他依然执拗地坚持，黑洞内部一定隐藏着量子力学与广义相对论结合的“圣杯”，黑洞内部的能量仍可能隧穿临界周长。以后我们将会看到，惠勒的预言是深刻而有远见的。
黑洞理论在科学史上是一个比较奇特的现象，它在基本没有经验证据的条件下不断发展完善。然而，科学理论再圆满最终还是需要经验证据的，这道程序没有完成之前一切理论都只是假设。
霍金是个实证主义者，从研究生时代起就做黑洞研究的他当然很看重这个理论的实证。不过这像是个悖论——黑洞的定义包含“连光线都无法逃逸”，如果看得见就证明不是黑洞，看不见又如何证明？科学家聪明着呢，办法总比困难多。黑洞虽然不发光，但引力还是会影响到周围的物质。有一种叫“伴星”的天体现象，两个天体由于吸引力相互围绕着运动，就像相拥而舞的两个舞伴。两个舞伴中如果有一个穿上了隐身衣，另一个能看见的舞伴的行为就会显得很古怪，我们就可以推断出还存在一个看不见的舞伴。这就相当于伴星中有一个是看不见的黑洞。另外黑洞还会把可见伴星“吹去”的气流加热成高能辐射（X射线），那么天体观测看到的是一颗光学明亮X射线暗淡的恒星（可见星）与一颗X射线明亮而光学暗淡的恒星（黑洞）相伴。
图20.2 黑洞伴星
1960年代发现的天鹅X—1星就是这种情况，根据这颗恒星的轨道推断，它的看不见的伴星的质量大约是太阳的6倍，远远超出“钱德拉塞卡极限”和中子星极限，既不可能是白矮星，也不可能是中子星，天文学家推断只能是黑洞。 1974年霍金与普林斯顿大学的同行基普·索恩(Kip Thorne)就此打了一个赌，索恩说天鹅X—1傍有一个黑洞，霍金说没有。他们还正儿八经地写了一个赌状：如果索恩赢了，霍金就给他订一年的《阁楼》杂志；如果霍金赢了，那索恩就要为霍金订4年的《私家侦探》杂志。其实霍金也相信并希望有一个黑洞，他的小心眼在于，如果没有黑洞，他会为输掉科研而沮丧，那四年的《私家侦探》 多少是个精神补偿。如果有黑洞，则皆大欢喜，那么他也乐于慰劳一下索恩。
对这个赌局的验证一直持续到1990年，天文观测结果让据索恩相信：天鹅X—1存在着一颗黑洞伴星的可能性达到95%。当年6月，霍金带着他的助手和护士突袭索恩的办公室，助手首先突入找到赌约，然后霍金迅雷般地开着轮椅冲进，在赌约上签字认输并盖上手印。霍金很高兴地输掉了这个赌局，而索恩则赢得很惨——他的这种“低俗”的爱好传出去让妻子觉得很没面子，因为《阁楼》（《PENTHOUSE》）是一本色情杂志。索恩也是冤——他是在跟霍金打赌十年之后才结的婚，单身汉的他又怎能料到有如此“严重后果”？
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