黑洞是宇宙中最为神秘的天体，在它们活动的区域内贪婪地吞噬一切物体，甚至连光线也无法逃逸。我们无法直接观察到黑洞，只能通过黑洞吸入物质时发射出的辐射间接地进行观察。那黑洞到底是什么天体，它是怎样产生的，有什么与众不同的性质，又对宇宙的演化起到怎样的作用呢？
本文将尝试对这些有趣而又令人深感困惑的问题做出解答。
如果将宇宙比做一个无边无际的浴盆，那么黑洞就是这个超级浴盆的下水道。它那巨大无比的引力，形成了一个极强的旋涡，任何靠近它的物质都会被统统吸进去。黑洞犹如一个神秘的监狱，它将所有的东西牢牢囚禁在里面，甚至连光线也无法逃脱。黑洞就像一个永远吃不饱的魔鬼，它不断地吞噬物质，将它们压碎，自己则慢慢地长大。
实际上，将宇宙比做一个浴盆是很恰当的。对于一个微小物体来讲，水管是一个房间的浴盆通向其他房间浴盆的唯一通道。而黑洞则是我们的宇宙与理论上可能存在的无数其他宇宙间联系的唯一路径。任何物理定律在黑洞中都全部失效，质量也非物质化。黑洞的边缘是个有去无回的界限，物质在被吸入时会发射出极强的Ｘ射线，如同临终前发出的绝望哀叹。也正是这绝望哀叹才使我们“看见”黑洞。
“黑洞”这个词是不久前才出现的。美国物理学家约翰·惠勒（John Wheeler）为了形象描述这种神奇的天体，于1967年他创造了这个颇具神秘色彩的术语。惠勒把黑洞比作《艾丽丝漫游奇境记》中的坏女人，她只在临死前露出一丝微笑。“引力微笑”是恒星坍缩成黑洞或被别一个黑洞吞没时的唯一迹象。正是在引力微笑的指引下，我们得以在神奇的宇宙中去发现黑洞这个贪婪的掠夺者。黑洞为我们解答许多科学难题提供了线索，引导我们在没有边界、超越了时空概念的无数宇宙间遨游。
一个揭开黑洞面纱的双星系统：
此图为第一个被人们确认的黑洞──天鹅座X-1。这是一个双星系统，两颗恒星靠引力吸力吸引相互环绕运动。主星在一次超新星爆发后坍缩而形成黑洞，其伴星是一颗蓝超巨星，它在不断膨胀的同时向太空抛射气体。这些气体被黑洞吸引，围绕黑洞快速旋转形成一个盘状物，即吸积盘。吸积盘中气体不断被黑洞吸收，在这个过程中发射出X射线。从一个普通的双星系统过渡到这样一个黑暗和炽热的体系大约花7000万年
贪婪的黑洞原本是恒星
实际上，黑洞概念的提出已经有200多年了。1783年，英国人约翰·米歇尔（Job Michel)第一个提出存在质量足够大并足够紧密的恒星──它的引力是如此强大，以致连光线都不能逃逸。几年后，法国科学家皮埃尔──西蒙·德·拉普拉斯（Piers－Simode Laplace）也在他的《世界系统》一书中提出了和米歇尔类似的观点，但非常有趣的是，此书的第三版和以后的版本中再也不提此事了，或许他觉得这个想法过于荒诞了。在一个多世纪以后，德国的天文学家卡尔·施瓦西（Karl Schwarzschild）于1916年求解出了爱因斯坦广义相对论方程的第一个严格解。这个解预示可能存在一类巨大天体，这就是60年代后人们所称的“黑洞”。第一次“看到”黑洞是在1971年，那时通过1970年12月12日美国发射的小型天文卫星“自由号”（Uhuru），发现了一个来自天鹅座区域的很强的X射线脉冲源，它被命名为天鹅座X－l，这是第一个被具体确认的黑洞。从那以后，黑洞变成了天体物理学的热门课题。今天，我们对黑洞的形成过程已有很多了解，简单地说，黑洞是质量巨大的恒星在超新星爆发后坍缩（即自身极强烈的收缩）而成的。我们可以把黑洞想像成一个巨大的“磨碎机”，它把吸进的物质磨碎。它的中心被称为“磨碎点”，也就是所谓的“奇点”。在此“奇点”，科学定律和我们预测未来的能力都失效了。黑洞的边界被称为“视界”，这是一个有去无回的界面，只要跨过这一界面就落入了黑洞的内部。不过假设有人不幸掉进去的话，他首先看到的是被黑洞捕获的光线，而且这些光线呈螺旋状进入引力旋涡。
巨星坍缩形成黑洞
一颗恒星在经历了平稳的青年、中年时期后，就将进入老年，最终走向死亡。这颗质量至少比太阳大10倍的恒星，在老年期会发生膨胀，变成一颗红巨星，而后发生爆炸──超新星爆发。其外层物质抛向太空，中心核则在引力的作用下发生猛烈而突然的坍缩，形成黑洞。
被黑洞扭曲的空间和时间
按照爱因斯坦的广义相对论理论，在没有重力影响时，时空（图中以网格表示）是平坦的（见图左），但当存在重力时，时空就会因此发生弯曲（见图中）。图右显示的是黑洞周围的时空因受到黑洞强大引力影响而发生严重强烈扭曲的情景。一个和太阳质量相等的黑洞，其半径只有3公里，而太阳的半径为69.6万公里
逐渐展露面目的黑洞
人们猜想，包括银河系在内的众多星系的中心区域都有许多黑洞。有许多迹像都支持这种猜想。我们可以观测到，太空中有一些物质围绕一个中心极快地旋转，这表明存在一个引力巨大的引力中心──黑洞。而黑洞及其伴星发射的X射线辐射则将研究带到了更清晰的层面。第一个落网的黑洞是天鹅座X-1，它的质量是太阳的6倍，距地不8000光年。这个黑洞的伴星是一个质量超过太阳20倍的蓝超巨星，它发射的气体尘埃形成一个称为“积盘”的气体圆盘，正是这个吸积盘表明了黑洞的存在。
在我们的银河系内，其他一些天体也已呈递了表明自己黑洞身份的证书。例如，距地球8000光年的AO620-00和尚未测出距离的GX339－4，与麦哲伦云毗邻的两个天体LMCX－l和LMCX－3等。其他河外星系中同样发现了可能的黑洞，它们以每秒千万公里的速度吸进星际气体并喷出强大的射流。
目前已知的保持最高纪录的黑洞是质量超过太阳50亿倍、位于室女座的M87星系。在这个黑洞面前，我们的星球简直是轻如鸿毛。
许多星系的核心都可能隐藏着相当数量的黑洞，如同银河系的核心那样，那里是许多年老恒星的共同坟墓。一个有待验证的黑洞是人马座A，它是一个双星系统，而且应该有一个巨大的吸积盘，并能发射巨大的能量。它虽然还不敢与M87星系的实体竞争，但也非同小可──其质量可能是太阳的350万～500万倍。
神奇的黑洞之旅
假如有魔法使一个宇航员能乘飞船安然无恙地钻到黑洞内部，那他就会给我们讲述许多惊人的事。由于场面是一个旋转着的黑洞，那他讲述的就可能是经过能层的情景，在那个区域中的一切运动都按黑洞旋转方向转动。钻到这个地区后，飞船可能会不停地上下升降，从这个区域进进出出。当然这要有足够的燃料。
如果我们倔强的宇航员决心再往前走，一直钻到被称为视界的第二个界面，他会发现，在某些条件下，由于极强的离心力，飞船会留在那里永远旋转而不再下沉，但也没有出来的可能性。这一情形类似露天游乐场转动的大圆筒，它把人挤压在筒壁上，只要圆筒一直旋转人就无法移动。
黑洞本身就是一个神秘的物体，它像一台失控的计算机，可以吞下任何信息同时又能把掉进去的任何东西的内容毁坏。我们能收集到的有关黑洞的物理特性只有三个，即质量、角动量和电荷。其余则是一堆无用的信息，它们对弄清黑洞内部的物质特性毫无帮助。在奇点，即黑洞中心密度无限大的点上，爱因斯坦的广义相对论和由此而推导的时空定律将全部失效，不再具有“公民”的权利。
但是伟大的黑洞理论家、英国天体物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）以巧妙的脱身之计在视界找到了关于黑洞胃口的宝贵信息。黑洞吸进的物质越多就越增加它的质量，越扩大它的视界。这是一个如此快速的能量交换场面，连大自然都难以察觉。
和不转动的施瓦西黑洞相比，转动的克尔黑洞的内部结构要复杂得多。它的奇点是一个平躺在赤道面上的圆环，而不再是一个点。如果宇航员穿过这个环就到达对面的区域，那里有一个白洞，它像一个弹射器，能把宇航员立即“发射”到有待发现的外部世界，即另一个宇宙中。另外，在克尔黑洞的真实视界边界以内还有着第二个视界（内视界）。这个球形面包围开“保护”着圆环状的奇点，内、外视界间的区域不受奇异性的影响（指从奇异环发出的信号不可能逃出内视界）。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋于重合。
假如你跳进黑洞
如果有两艘宇宙飞船在空间一前一后驶向一个旋转的黑洞，第一艘飞船准备勇敢地牺牲自己，而你在第二艘飞船观察它的“表演”，你将会看到怎样的情景呢？设想在第一艘飞船上的是一位“智能”机器人，在接近视界，即到达有去无回点的黑洞边界时，机器人宇航员走出飞船去迎接死亡。他将被黑洞最近部位极强的引力吸引碎成两半，然后在刚接近时空突然消失的奇点（黑洞中心）时就毫无察觉地被吞没了，飞船也在被吞没前被强大的引力撕得粉碎。这个引力有多大呢？对一个质量与太阳相当的黑洞而言，一个2米高的人在通过它的视界时必须承受相当于地球表面10亿倍的重力加速度。为了不落入黑洞，你必须借助足够大的发动机的推力将飞船停靠在安全距离内或围绕黑洞飞行。在你看来，准备牺牲的飞船似乎用了无穷尽的时间接近黑洞，而且飞船的速度越来越慢，同时改变了颜色，但在你能够看到飞船处于静止之前，飞船就从眼中消失了。之所以产生这种现象，是因为根据相对论，时间的流逝取决于观察者的速度。
这次黑洞之旅我们看到，一个旋转的黑洞就像一个旋转的中间有孔的圆盘。它有两层界面，里面的一层即为视界，外面的一层则被称为“静止界限”或无限红移面。在这两个界面之间的是一个特殊的区域，称为“能层”。在静止界限上，时间被“冻结”，辐射被无限地红移，飞船停留在一个固定点上，飞船上的机器人宇航员看到的星空将不再变化，而黑洞则在他的脚下急速旋转。如果越过静止界限，进入能层，飞船将被拖入旋转的运动。
能层有一个令人惊奇的特性，正如英国数学家罗杰·彭罗塞（Roger Penrose）指出的那样，进入其中的物体的能量可以变成负值。我们不妨将这个物体想像成一个负有能量债务的人，当黑洞俘获这个物体时，黑洞的能量不是增多而是减少了，因为黑洞必须“偿还”它的猎物欠下的能量债务。
黑洞间可以相互联姻
现在，进入黑洞的是恒星尘埃、气体、光、有机器人宇航员的宇宙飞船以及待转换成能量的垃圾。不管怎样，被俘获的物质只会增加黑洞本身的质量，同时也扩大它的半径和表面。如果质量增加一倍，半径也增加一倍，而视界的面积则增加四倍。那它是否会永远增加下去呢？霍金首先做了一个断然的回答：既然证实黑洞不会再缩小，那它就会继续无限地增大。由于是延续的所以增大是逐步的。不过有一个特殊情况，那就是两个黑洞可能相互接触和碰撞，在互相吸引的过程中一个黑洞进入另一个黑洞，两个黑洞变成一个单一黑洞，而这两个黑洞的全部组成要素被保留下来。更大的单一黑洞又可能与另一个黑洞相撞等等，这样就产生质量和体积更大的黑洞。人们认为，在相撞的过程中，大约有千分之一的黑洞静能释放出来，以引力波形式向宇宙空间散发，速度和光一样，它的面积不断扩大，黑洞的熵也增大。就是说内部“混乱”在增长，即有关吸入物质的信息无法使用，也无法补救，好像一台计算机偶然把刚写好文章的字母弄乱一样。因此黑洞中只能传出描述它的三个信息：质量、角动量（指黑洞的转动）和电荷。惠勒把这种信息比作秃子头上只有三根头发，我们不可能了解掉进去的物质是什么。在这三种信息的基础上可以对黑洞进行划分：没有角动量也不带电荷的施瓦西黑洞，它具有“奇点”和“视界”的特性；具有角动量但不带电荷的克尔黑洞：以及具有角动量并带电荷的黑洞。此外，还可以从黑洞的起源进行区分。但最新的分类是依靠“颜色”。这看来好像有点荒唐，内部不射出一束光线的黑洞怎么可以是彩色呢？实际上，这里所说的颜色不是通常的红、蓝、绿等光的颜色，而是用来区分夸克的不同状态的“色”。夸克是组成质子和中子的更小的基本粒子。对我们的天全物理学家来说，在追踪无限小到无限大，又从无限大到无限小的过程中收集黑洞的不同“颜色”的追逐开始了。
黑洞是带“颜色”的
科学家一直认为不可能了解被黑洞吞下的物质的性质，但最新的一些理论则认为黑洞能够提供这方面的信息，因为黑洞会发射出胶子那样的粒子。胶子是夸克结合在起的那种力的传递者，夸克是组成物质的基本粒子。因为夸克和胶子是根据“颜色”来区分的，所以黑洞也可用同样的方法，根据它排出的胶子的类别加以区化。此图表示是是从黑洞排出的一系列胶子（彩色小球）。
不同宇宙间的走廊
黑洞这个贪吃的掠夺者不再把物质归还到我们的宇宙，而是在它们内部深深地隐藏了起来，不让我们看到。但纯理论研究却显示黑洞存在一个完全相反的对立面：白洞。这是一块任何物质都绝对进不去的领地，但却可从里面出来。人们假设在白洞和黑洞间有被称为虫洞的隧道相互连接。物质从白洞的奇点跳出来，在白洞奇点物理定律不管用了，因果关系也不见了，以致在这一区域物质形态也不存在了。
但是，彭罗塞确定，如果黑洞奇点的存在是由于它是我们的宇宙的组成部分，那么白洞奇点既不能因我们的宇宙而存在，也不能单独存在，这就是“宇宙监督”假说。正是这个假说否定了我们宇宙间存在白洞的可能。
因此白洞的祖国就转移到别的地方，让我们看看是怎么回事。在宇宙起源时突然膨胀的时代可能形成了许多隧道，像蛀虫钻孔一样。故称为“虫洞”。根据惠勒的看法，这些隧道把黑洞视界的内部区域和白洞视界的内部区域连接起来而没有奇点，这样虫洞就成为空心管道，就可能将从黑洞吸进的物质，通过空心管道再从白洞排出。物质所作的旅行可以被看作从它熟悉的宇宙出发，掉进一个有去无回的洞中，但却在完全陌生的、不同的宇宙中获得新生。
黑洞最后的命运：大爆炸
在黑洞不断增大的假设中，黑洞的生命永远不会停止。但有一个预示性的停止正是由同一位霍金做出的，他把黑洞比作一个不断充气的气球。1976年，霍金在《自然》杂志上发表文章指出，黑洞会不断蒸发直到最后爆炸而消失。
今天这种理论已被普遍认同。人们认为有可能“看到”黑洞的最后的闪烁，就是能从高能电磁波中观测到的黑洞最后爆炸时发射的y射线。
黑洞总是贪吃的，它们的终结正是由于狼吞虎咽地吃了某种消化不了的东西：带“负能”的粒子。带负能的粒子与提供正能的粒子一起来源于能层，但那些提供正能的粒子被推到了黑洞外面，而黑洞则吞下了带负能的粒子，这样它们就不得不用消耗自己能量的代价来弥补债务。因此黑洞的质量减少了，并开始了一个不断蒸发的过程。黑洞越来越小，越来越热，它的能量在空间散失，最后这个老掠夺者就爆炸和消失了。 黑洞的大小不同,蒸发程度也不相同。
现在我们换个话题，不谈从恒星坍缩产生的黑洞。科学家认为，大爆炸后立即产生出宇宙，那时形成了许多极小的黑洞：它们大小像一个质子但重量达亿万吨。质量巨大和温度极高的微型黑洞正是蒸发现象的理想发生地。
现在，这些微型黑洞多数已经消失了，但另外一些爆炸正在发生之中。据天体物理学家说，有可能利用一个正在蒸发的微型黑洞来代替我们的太阳。这个微型黑洞的质量为月球质量的1／1000，但直径只有0．0005毫米。
这样一个微型黑洞的温度为几千度，接近太阳表面温度，而且持续辐射能量的时间长达10年，如果和已知的宇宙年龄150亿年相比，时间是足够长了，如果和太阳100亿年的寿命相比，更可以说是一个永久性能源了。
开放与封闭的宇宙
被视为天空灯塔的类星体，是与恒星相似的光源，但却远在几十亿光年之外。典型的类星体虽然比任何的银河系都小，但它却能散发出巨大的能量，比银河全部恒星发射的能量还多200倍。现在认为类星体只是一个黑洞，它的质量比太阳质量大几亿倍，而且在不断吸收物质，不断长大，并在周围引起粒子的喷射。惠勒认为，类星体是活跃黑洞的物理特性最为壮观的表现。
在宇宙的进化中，黑洞的作用是不相同的。根据爱因斯坦的广义相对论，对目前膨胀中的宇宙存在两种可能的命运。如果物质密度超过一定限度，称为临界密度，宇宙就停止膨胀并开始收缩；这是封闭宇宙的场面。如果没有达到临界密度，继续膨胀，我们面对的是一个开放的宇宙。
在封闭的宇宙中，黑洞不断吸收物质并且不断地增大。由于它们越变越大，因此就能找到更近的物质，之后与其他黑洞相撞产生更大的黑洞。最后把宇宙中的物体都吸进去，宇宙中只剩下它们自己。甚至可以说宇宙像是唯一的一个黑洞。但实际上，封闭的宇宙有一定的年龄，到一定时期就开始收缩，在宇宙成为单一的黑洞之前，封闭的宇宙就会因收缩而毁灭。
在开放的宇宙中，膨胀在无限制地继续着，由于物质不断散失和离开，黑洞间相撞的可能性也日益减少。这个掠夺者的命运只能是在蒸发现象中毁掉。时间呢？长极了。一个黑洞全部蒸发所需的时间是与其质量的三次方成正比。一个质量与太阳相同的黑洞，它消失的时间将是目前宇宙年龄的1054倍。
但对各星系中心的最大的那些黑洞来说，它们在无限膨胀的宇宙中都将全部蒸发。最终留下来的是一个稀薄的、温度接近绝对零度的宇宙，而残存下来的只有质量为零的粒子，如中微子和光子。
