據傳說，牛頓(Isaac Newton，1643-1727)年青時逃倫敦鼠疫，在鄉(xiāng)下家后院被蘋果打中腦殼，激發(fā)出靈感，發(fā)明了古典力學理論。蘋果落地砸頭是為一個驚天地泣鬼神的發(fā)現做出合理的解釋。您的頭就從來沒被蘋果砸中吧?跟您說，那就是您創(chuàng)造不出萬有引力定律的根本原因!

牛頓的偉大，在于他咬定蘋果墜地和天體運行的力量是同一碼事兒，都是來自物質間相吸的萬有引力。

1687年發(fā)表的牛頓萬有引力定律含有一個清晰的“脫離速度”概念:一顆粒蘋果要逃脫地心引力控制，一定要以每秒至少11.2公里的速度破空而去，才能一去不復返，成為遨游宇宙的天體。在18世紀還沒有把蘋果甩到那么高速的技術，但這并不妨礙米歇爾(John Michell，1724-1793)在1783年發(fā)揮想象力，把脫離速度概念延伸到極致:一個質量夠大的星體，它的重力場強到脫離速度和光的速度一樣快，那么就連光也都無法逃離這個星體了。遠遠望去，這類星體一定一團漆黑，是顆“黑星”(black star)。

黑星的概念只管脫離速度，至于何類星體能擁有如此大的脫離速度，不在考慮之內。所以，只要符合脫離速度為光速的星體，都是黑星。抽象地說，只要把地球所有的材料塞進一個1厘米直徑的空間，它的表面重力場就大到光也無法逃離，那這粒有如彈珠大小的星體就成了黑星。再舉個貼身的例子，如果能把太陽縮小成一個直徑6公里的高密度球體，它也是顆黑星。這兩個數字，用高中的牛頓力學一算即得。

所以，黑星概念的出籠，完全是牛頓力學理論的幻想。當時并不知道光速有多快，也不知道光也和物質一樣，同樣受重力場操控，更不知道黑星內部是何結構，至于大個頭星體可經重力場擠壓變小而成為以后你我所知的“黑洞”(black hole)，對18世紀的人類則是匪夷所思的天方夜譚了。

所以，黑星除了達到在想象中黑得看不見的奇怪特性外，和以后20世紀生猛鮮活的、由重力“塌縮”(collapse)而發(fā)生“內爆”(implosion)后形成的現代黑洞，除了在遠處測量到的重力影響范圍大小略同外，就只沾上那么一點“黑”的邊，對以后黑洞思維的發(fā)展雖有啟發(fā)，但非常局限。

重力塌縮

在整個19世紀，“光”和萬有引力未能掛鉤，黑星概念完全被遺忘。20世紀初，愛因斯坦(Albert Einstein，1879-1955，下稱愛氏)相對論現世，推翻了偉大但粗糙的牛頓力學，如前章“第一道光”中所述，光通過E=mc2和物質水乳交融，自此:光子與重力齊飛，能量共物質一色。

愛氏的相對論，把我們熟悉的、各自為政的時間和三維空間縫織到了一塊，成為緊密結合的時空(spacetime)四維空間，你中有我，我中有你，外加重力場作用能使這個嶄新的四維空間彎曲變形，使得當時人類的智慧，像是剛從魔瓶中釋放出來的精靈，剎那間將宇宙空間的來龍去脈看清楚了好些。

1915年“一般相對論”發(fā)表后幾個月，施瓦茨席爾德(Karl Schwarzschild，1873-1916)就導引出這個理論中一個必然的數學結果:一個球形星體能因超強重力場而發(fā)生塌縮(gravitationally completely collapsed star)。當時“黑洞”這個名詞尚未現世，所以形容這個數學結論較為費勁。至于星體塌縮后是什么結構，也并不清楚。塌縮后變成零體積?或小體積?甚或像是黑星大小的實質星體?

塌縮星體在數學上存在固然可喜，但因當時對核子和量子物理知識欠缺，對塌縮后星體實際存在的可能性，人類眼前一片黑，不知下一步該何去何從。愛氏拒絕接受這個結論，認為重力場不可能這么強大，塌縮的星體在宇宙中不可能存在。

1930年代，量子力學朝前發(fā)展，原子中強大的核子力量漸露曙光。一位年僅20歲天才型的物理學家錢德拉賽卡爾(Subrahmanyan Chandrasekhar，1910-1995，下稱錢氏)，在從印度到英國研究所求學的船上，以理論計算預測:超出太陽質量1.44倍的星體重力場，會沖破人類當時所知白矮星(white dwarf star)中電漿間的排斥力，發(fā)生塌縮。至于塌縮成何類星體，仍然未知。

當時已知最大質量的白矮星是太陽質量的1.44倍，而中子在兩年后的1932年才被發(fā)現。所以，以事后諸葛亮的神機妙算，現代聰明的你和我知道，白矮星塌縮后的星體是中子星(neutron star)。

錢氏的1.44極限條件公布后，備受當代以埃丁頓(Arthur Eddington，1882-1944，下稱埃氏)為首的保守派物理學霸的攻擊，他認為比太陽重1.44倍的白矮星不會那么容易塌縮，應該會有別的尚未現形的物理力量支撐。埃氏在1919年以日全食觀測，驗證愛氏的光受重力場彎曲，而在科學史上留名。但他晚年漸趨保守，認定錢氏的塌陷理論為無稽之談。

先把這次科學論戰(zhàn)說完。許多當代著名科學家明知年僅20歲的錢氏理論正確，但畏于埃氏權威，沒人敢站出來為這位少未經事的年輕人說句公道話。錢氏看透了趨炎附勢的丑態(tài)，心灰意冷之余，棄英赴美，研究轉向，一直到1975-1983年間才又總結星體塌縮理論，出書《黑洞數學理論》(The Mathematical Theory of Black Holes)，成黑洞理論經典之作。錢氏于1983年獲諾貝爾獎，成就遠遠超越埃氏，是這場科學論戰(zhàn)的最終勝利者。

錢氏的1.44極限條件是人類理解黑洞物理的一個重要里程碑。

雖然中子星的概念在1933年就被提出，但物理學家皆認為它只是理論中幻想的星體，實際并不存在。人類一直等到1967年發(fā)現了“脈沖星”(pulsar)后，才確定其核心竟是塌縮后的中子星。此類星體一般皆以高速旋轉，發(fā)出固定的無線電波頻率，是宇宙中自然的燈塔。

中子星的存在，證明宇宙中的星體，只要質量超出某個極限，就可能引起重力塌縮。既然一般星體能塌縮成中子星，那超質量的星體，能塌縮成比中子星更小的星體嗎?塌縮后又是什么樣的結構呢?

1939年，奧本海默(J. Robert Oppenheimer，1904-1967)踏上錢氏的肩膀，以理論證明，大于太陽質量2倍以上的星體，重力塌縮后，應形成比中子星還小的星體，即黑洞。至此，現代化黑洞概念才首次登上了學術殿堂。

內爆

重力塌縮理論出現后，進展緩慢，主要是因為它建筑在一個模糊籠統(tǒng)的重力塌縮概念上，實際的物理機制還都不清楚，諸如塌縮后向星體核心的壓縮力量如何產生?這股力量又要沖破什么特定的障礙，才能進入黑洞的境界?等等。所以，在1940年代，即使把重力塌縮概念說得天花亂墜，也無法向塌縮理論輸送前進推力。

二戰(zhàn)期間，因軍事目的，物理學家投身發(fā)展原子彈殺人武器。二戰(zhàn)后進入美蘇冷戰(zhàn)期，接著發(fā)展氫彈關鍵的“內爆”(implosion)引爆科技。氫彈燃料重氫氘，端賴圍繞在四周的原子彈向內爆炸后的強大壓力，沖破電荷間排斥力，體積急降，塌縮后引發(fā)釋能的核聚變。氫彈的制造，需內爆理論和計算機計算支援。1950年代氫彈試爆成功后，這項嶄新的科技，就被科學家轉移到星體塌縮方面的研究。

1960年代，人類掌握內爆理論后，基本上理解了中子星形成的過程。簡單說來，為太陽質量1.44倍的白矮星，在風云際會的情況下，從周遭再吞噬一丁點兒材料，增強的重力場就會引發(fā)星球表面以每秒七萬公里的速度向內塌縮，引起內爆。星體核心被內爆壓成中子量子狀態(tài)后，再以巨大的量子力量將從星表墜落下來的物質反彈，瞬間產生向外傳送的強大震波，挾帶著各類輻射波和重元素氣體，以爆炸速度向星系空間擴散，同時光度在幾天之內可增強上百億倍—一顆以中子星為核心的“超新星”(Supernova)誕生了。

所以，“超新星”形成的第一步是重力引起的塌縮;第二步是塌縮后的內爆，將星體核心擠壓成中子星;第三步再反彈外爆，只留下核心中子星。仔細研究這三步，沒有內爆那股沖勁，中子星無法形成。

不論“超新星”再瑰麗燦爛，也不會使人類忘記追問一個關鍵問題:質量比太陽大2倍的星體，通過上面三個步驟，殘留的核心是什么呢?比太陽大10倍的星體呢?大100倍?……

這個問題是問到核心了。比太陽質量大2倍以上的星體，重力塌縮、內爆后，應形成黑洞(圖1)。據說，直到1967年這類星體才被惠勒(John Archibald Wheeler，1911-2008)命名為“黑洞”。

至此，黑洞已和愛氏的相對論十指緊扣，黑洞的大小也縮成體積幾近為零的“奇異點”(singularity)，由未知的“量子重力”(quantum gravity)掌控;奇異點附近的重力接近無窮大;包圍在它四周脫離速度為光速的四維球面被稱為“視界”(event horizon)，決定黑洞的大小(圖2)，但它不像地表一樣，并不是一個有實體的界面，只僅是一個重力場脫離速度為光速大小的參考面，和牛頓力學中黑星實體大小相同而已。

科學家和媒體熱情地接受了黑洞這個生動易懂的名詞，唯有法國人不很喜歡，因它的法文翻譯帶有淫穢含義。

人類以理論又推想出另一類有伴星的旋轉黑洞(圖3)。在這個系統(tǒng)中貪婪的黑洞絕不客氣，永無休止地吞吸逃不出它魔掌的伴星，伴星犧牲自身，在它周圍形成一個像似旋轉的餐盤，隨時侍候黑洞的欲求。部份旋轉餐盤上的氣體因溫度的不均勻或磁場作用，供應速度太快，黑洞好像被噎到了，竟將吞不進去的氣體由上下兩方向噴吐出去，蔚為奇觀。

人類雖然接受了黑洞的理論概念，但宇宙中的它仍然真人不露相。人類在追尋生命遺傳基因的路上，也折騰了十多年，才知道如何詮釋遺傳密碼，以及密碼在蛋白質合成過程中的作用。黑洞到1960年代末期，還只是紙上談兵的理論怪物。要找到黑洞，可真要費些工夫呢!

尋找黑洞前，還要問些問題:超質量的星體塌縮內爆后，就只能這么噗哧一下，瞬時走上沒有實體、只有重力場奇異點的黑洞這條不歸路嗎?這也忒神奇了吧!別忘了中子是由一個上夸克(quark)和兩個下夸克組成的，“夸克星”(quark star)應是中子星和黑洞的中間站。宇宙間可能有夸克星嗎?

人類未來很可能在茫茫的宇宙中找到夸克星。但到目前為止，我們對量子重力行為全然無知，這系列問題暫時無解。在此，還是先在宇宙中試圖尋找真實的黑洞再說。如果幸運找到，經由觀測，至少能歸納出一些黑洞的物理行為模式。至于是否能通過黑洞，一窺量子重力場的奧秘，就只能騎驢看唱本，走著瞧了。

尋找

雖然用一般可見光望遠鏡看不到黑洞，但黑洞擁有超強的重力場，對它周遭的氣體、星塵和伴星等物質有強烈的作用。所以，如果它真的存在，黑洞做不成完全的隱身人，不現形也難。

以圖3為例。和黑洞一樣，白矮星和中子星也可能吞食伴星，在過程中氣體前仆后繼地堆積成旋轉的圓盤和上下兩道噴射氣流。所以在宇宙間看到這類重力場活動，不一定就是黑洞作用，但也可能標出候選黑洞可能出現的位置。

黑洞的重力場超強，附近的氣體和星塵向它加速隕落時，相互碰撞，會產生高能量的X射線，甚或伽瑪射線。雖然這類氣體和星塵在和有實體的白矮星和中子星的表面碰撞時，也會產生X和伽瑪射線，但和由黑洞產生的模式不同。白矮星和中子星有實體表面，朝它隕落的氣體和星塵時有或多或少量上的變化，在撞到星體表面時，產生的X和伽瑪射線的閃光會發(fā)生時強時弱不規(guī)律的變化。而氣體和星塵被黑洞吸入時，因為沒有實際星體表面的碰撞，產生的X和伽瑪射線并不會有不規(guī)律閃爍現象。所以，在宇宙中發(fā)現一個穩(wěn)定的X或伽瑪射線光源，它的中心就很可能是個黑洞。

在宇宙中觀測到中子星已屬不易。但宇宙之大，無奇不有，就讓我們想象一下，兩個有如鳳毛麟角的中子星竟然碰到一塊了。中子星相撞是大動作，相撞后核心變成黑洞，同時釋放出極強的、一次性的輻射能，天文學家稱其為“伽瑪射線閃爆”(gamma ray burst)。所以，觀測到這類閃爆，我們就可推測，宇宙中大概又有一個新的黑洞誕生了。用“大概”字眼，是因為中子星和已存在的黑洞相撞，也有伽瑪射線閃爆現象，但這只能說是為舊黑洞添加新材料，不是新黑洞現形。但有伽瑪射線閃爆之地，就可能有黑洞存在。尋找黑洞時，要記住這條線索。但這類閃爆皆來自上十億光年外的星系，在我們銀河系還從未見過。追尋這類黑洞，比較辛苦。

黑洞擁有巨大的重力場，所以，如果在宇宙中有那么一塊地方，看起來好像不起眼，但有超強的“重力透鏡”(gravity lensing)作用，它的中心就可能有個黑洞。一般在宇宙遙遠地段的星系群，也有足夠的重力透鏡效應，所以大黑洞定有重力透鏡現象，但重力透鏡現象不一定非得由黑洞引起，這又是一個數學邏輯上必要條件，但不充分。

再想象一個有伴星的黑洞。在黑洞視界面外的伴星，只感覺到黑洞的重力場作用，若無其事地繞著黑洞，在它既定的軌道上運行。伴星繞黑洞運行，就像地球繞日一樣，稀松平常，并不因為繞黑洞就特別可怕。以高倍望遠鏡從地球看這顆伴星，只見它的位置忽左忽右地規(guī)律變化。再仔細分折它所發(fā)出的光譜，竟然發(fā)現，它也有忽前忽后的動作:朝地球忽后離去時，光譜被拉長了，發(fā)生紅移;朝地球忽前接近時，光譜被壓縮了，發(fā)生藍移，這是伴星在軌道運行時產生的標準光譜“多普勒效應”(Doppler Effect)。所以，這顆伴星是在圍繞一個看不見的中心運行，這個隱形的中心就是個黑洞。另外，由伴星的軌道大小和周期，就可以計算出中央星體的質量。如果質量超出太陽好多倍，中央星體必是黑洞無疑。

1960年代，人類以豐富的天文知識，開始尋找黑洞。

1964年，一個很強的X光光源在天鵝座的η星附近被發(fā)現，定名“天鵝X-1”(Cygnus X-1)，距地球約6，000光年(圖4)。緊挨著這個X光光源旁，有個名為HDE26868的伴星，和它形成有如圖3的結構。從伴星的軌道參數和光譜紅移和藍移數據，計算出X光光源內含有一個8.7倍太陽質量的隱形星體。1971年天文界鎖定這個隱形星體應是人類找到的第一個黑洞。1974年，兩位著名的宇宙學家霍金(Stephen Hawking，1942-)和索恩(Kip Thorne，1940-)還為這個候選黑洞下注打賭，索恩是、霍金否，賭局一直到1990年才收盤，霍金認輸。

1990年后，黑洞的發(fā)現報告，層出不窮。黑洞的大小，從10到上億太陽質量都有。距地球約26，000光年的銀河系核心的人馬座，就有一個高達4.31百萬太陽質量的黑洞，并有一個約一萬個太陽質量的伴黑洞(圖5)，軌道周期100年。

目前人類發(fā)現最大的黑洞擁有太陽質量的180億倍，位于類星體(Quasar) QJ287核心，距地球35億光年，也是個雙黑洞星系，伴黑洞也有太陽質量的1億倍，軌道周期約12年。目前估計，這個伴黑洞在1萬年內，會被主黑洞吸入。這兩個大塊頭黑洞將聯(lián)合推出宇宙中一出超級的煙火秀。萬年后人類還不會滅絕，應看得到。

從理論上來講，黑洞的質量沒有上限。宇宙中經由塌縮內爆機制產生的黑洞，質量有下限，不應小于約2個太陽質量。但在宇宙大霹靂最初時期暴脹的極高能量環(huán)境下，“微小黑洞”(micro black hole)可能存在，質量可能由一座山到月球大小。下文會提到，這類黑洞出現后幾乎即刻轉變成伽瑪射線蒸發(fā)。如果這些閃爆連連的伽瑪射線真的如此這般發(fā)生過，137億年后它們就會剛剛好傳到地球。2008年5月，美、日、法、德、意和瑞典諸國，合資發(fā)射“費米伽瑪射線太空望遠鏡”(The Fermi Gamma-ray Space Telescope)(圖6)，攜帶“大面積望遠鏡”(The Large Area Telescope，LAT)(圖7)，任務目的就是要測量宇宙的伽瑪射線閃爆劑量，一窺大霹靂最初時期制造微小黑洞的玄機奧秘。(下期待續(xù))