黑洞的起源
「黑洞」的觀念並不特別新奇，早在1798年，有名的數學家拉步拉斯已察覺出因為無法射出光線於宇宙而被看成「黑洞」的星球之可能性。該想法在牛頓的重力理論的範圍內，極為簡單。此及縱然某種物體由行星、恆星、月球等彈出或射出。已知除非該物體具有比「逃離速度」更快的速度，它就不可能擺脫重力的引力脫離到宇宙空間。假如物體的速度比逃離速度慢，它不是掉回原位，就是像人造衛星那樣維繫其軌道運動。但拉步拉斯的構想被埋沒許久，因為一般認為不可能存在與太陽同一密度、半徑與地球的軌道半徑相同的星球，就算有也會因黑洞效果而不能觀測。可是到了1917年，黑洞終於以異於前述的方式被再提出討論。那是因為愛因斯坦的一般相對論出現而劃時代地改變重力的概念，使人們欲研究由此理論可預料的現象趨勢成熟。另外一提，關於“黑洞”這個名稱的由來，雖然天文學家Karl Schwarzschild在1916年就發現了廣義相對論中非旋轉黑洞的解，但是一直到1967年它才由諾貝爾物理學獎得主John Wheeler正式定名為“黑洞”(black hole)。
- 什麼是黑洞：
什麼是黑洞呢？簡單的說，黑洞就是一個其逃離速度超過光速的空間區域。大家知道，由於地球的引力，任何從地面發射的火箭如果沒有足夠的速度，就無法掙脫地球引力，最終會返回地面。換言之，如果火箭因運動而具有的動能小於它在引立場中所具有的位能的話，它就不能逃離。這些逃離速度我們都可以用牛頓力學公式求出。值的注意的是，不管脫離地球、脫離太陽或者脫離任何一個星體所需的逃離速度，不僅與該天體的質量有關，還與它的半徑（或密度）有關。這是因為引力不僅與質量有關還與距離有關，密度越大就越密集，天體表面也就越靠近它的中心，表面及其附近的引力就越強，因此，質量與太陽相近而半徑與地球差不多的白矮星，其逃離速度為6450公里每秒；質量與太陽相近，半徑只有10公里左右的中子星，其逃離速度竟達16萬公里每秒之巨。由此推論，隨著天體質量和密度的增加，逃離速度也不斷增加，終於會達到需要具有光的速度才能從相應的引力場中逃逸出去。但是，被越來越多的實驗證實的愛因斯坦相對論指出，沒有任何一種東西的運動速度能超過光速。因此，逃離速度為光速的天體，就是使任何東西（包括光）都不能從其中逃逸的天體，這就是黑洞。黑洞是一個幾乎與世隔絕的獨立宇宙，任何東西都不能從中逸出，但是外部的東西卻可以不斷進入，正像一個深不見底的漆黑洞穴，黑洞的名稱正是由此得來的。所以亦有人形容黑洞是只「吃」不「吐」的漆黑無底洞。
- 黑洞的形成：
黑洞的形成又可以有好幾種可能性，第一種較為可能的，是非常大量的物質集中聚集，而他們的密度保持不變，如此這一堆物質的引力就會隨著質量的增加而越來越強，最後引力強到連光都逃不出去，那麼它就會形成一個黑洞，例如把質量有1.4億個太陽的星體聚集起來，就會形成黑洞，這個黑洞的直徑是非常地驚人；第二種可能，是假若一顆恆星的質量固定不變，但是讓它不斷地收縮下去，那麼它的密度就會隨著體積的縮小而變得越來越大，引力場也越來越強，直到變成連光線也逃不出去的黑洞，例如要是把太陽收縮到半徑只有3000米那麼小，就會形成黑洞，這個黑洞直徑並不大，反而是密度非常大了。第三種可能本組以科學的方法來解釋：太陽的末期，氫會融合為氦，氦再融合為碳和氧以至更重的元素，直到核融合不能再提供能量為止，那時太陽內部將沒有足夠的壓力支撐外層的巨大重力，於是整個太陽要向中心塌縮。原子將被擠碎，電子要與核子分離，直到電子產生的壓力足以阻止太陽的進一步塌縮。那時的太陽密度很大，發出的光則只有原來的萬分之一，遂成了一顆白矮星。但是若恆星的某一質量大於某限度時，電子提供的壓力將不足以與引力抗衡，於是電子被擠入原子核內，與質子結合成中子，整個恆星塌縮為中子，密度變得更大了。當恆星的質量再比這個限度更大時，塌縮的結果是中子也無法存在，這時恆星將塌縮為黑洞。因此也有人說黑洞的形成是恆星演化、終結、死亡的結果。
- 黑洞內部的溫度及狀況：
此情況天文學家還沒有完全的定義。如果我們進入黑洞之中，首先會先通過事件地平面，進入一個完全是空的時空系統，只有恆星陷縮的奇異點（singular point）。雖然是空的時空系統，但其中可能存在著重力輻射，卻沒有任何可以“測出溫度”的介質。雖然在數學上可以預測出許多黑洞中奇特的狀況，如時空旅行等，但是卻很少人提及是否黑洞真的會以恆星陷縮的形式產生。根據超級電腦的計算，陷縮的過程可說是非常混亂。自轉黑洞曾被認為是通往其他宇宙的大門，或者是進入時光隧道的入口，但是經過研究恆星所形成的黑洞物理性質後發現，這些黑洞的內部充滿了巨大的重力輻射通量，粉粹了黑洞之旅的幾何可能性。如果黑洞在宇宙誕生後即形成，那麼其內部除了奇異點外一定空無所有，但是如果黑洞是由後來的超新星爆炸過程所產生的，那麼在我們在進入事件地平面後所看到的黑洞內部會稍有不同，因為時間尺度在我們的座標系統與陷縮星表面的座標系統之間有極大的差異。從外部看，會發覺恆星的核心越來越接近其事件地平面，而且速度越來越慢，直到最後它似乎停止收縮並完全變暗，核心收縮的速度慢到似乎數十億年才收縮幾公分。此時，如果我們在火箭中衝向黑洞，我們會發現整個星球的表面完全在事件地平面之內，被奇異點吞沒。
- 黑洞內部能量：
由於黑洞的特性就是吞噬了一切東西（包括光），因此，黑洞裡面可能蘊藏著大量能量，甚至人們也感興趣，有沒有從黑洞中提取能量的可能方式呢？為此，必須進一步對自轉黑洞進行分析，且討論一項黑洞的基本物理性質──角動量。我們都知道，各種天體都在旋轉，黑洞應該也不例外，旋轉會使天體有角動量。由於封閉系統的總角動量守恆，當恆星塌縮時，自轉應加遽，一顆新的中子星每秒可旋轉一千多次，進一步塌縮成黑洞，旋轉速度應更快，這是不可避免的，因此，在討論黑洞時應考慮到它的自轉與角動量。自轉黑洞仍然存在著逃離速度為光速的「史瓦西半徑」，但它外面一定範圍的空間也將隨著黑洞一起像剛體那樣旋轉，這個與黑洞一起旋轉的空間稱為黑洞的「工作層」，工作層熱外邊緣稱為「靜止極限」。進入工作層的物體，將隨黑洞一起高速旋轉，獲得很大的能量和角動量，但由於還在史瓦西半徑之外，所以只是黑洞的半捕獲物，既有可能進一步進入史瓦西半徑內被捕獲，也有可能在特殊的條件下越出工作層，先進入然後又越出工作層的物體，由於進入後隨黑洞一起轉動附加了能量，因而越出時將帶走附加的能量。換言之，黑洞的一部份能量和角動量轉移到了物體上，並被它帶走，這就是從黑洞提起能量的一種可能方式。當然，從自轉黑洞提取能量的過程並不是無限制的，就像宏關過程都要遵循熱力學中的熵增加原理一樣，從自轉黑洞提取能量必須保持黑洞的表面積不變而減少其質量。理論計算表明，我們可以把一個自轉黑洞總能量的百分之30擠出來，辦法是小心地把物體送入工作層，帶它們越出後再收集起來，如果能實現的話，黑洞就會失去它的自轉能量只剩下質量，從而靜止極限與史瓦西半徑重合，這時黑洞就「死」了，再也不能直接產生能量了。有趣的是，經過計算，從一個質量為108M⊙的黑洞中可以提取的最大能量為6*1055焦耳，這似乎正是活躍星系或似星所需要的能量。另外一方面也重要的，一般認為黑洞就是吞噬，不可能發出任何東西。但是1974年霍金（Hawking）的最新研究報告，情況可能不完全如此。霍金指出，物質─反物質對（意即正、反粒子對）經過黑洞附近時，可能一個掉入黑洞，而同時將另一個排出黑洞，這意味著黑洞能夠產生和發射一些粒子，以微觀的奇特方式穩定地往外“蒸發”粒子，有了這種“蒸發”，黑洞就不再絕對是“黑”的了，黑洞也將會在長時間內逐漸被蒸發掉。霍金還證明，每個黑洞都有一定的溫度，黑洞越大，溫度越低，蒸發也越微弱，黑洞越小；溫度越高，蒸發越強烈。小黑洞由於蒸發，質量就會迅速減小；質量小了，溫度就變得更高；溫度高了，蒸發又進一步更快........這樣下去，黑洞的蒸發就變得越來越激烈，最後終於以猛烈的爆發而告終，這就是不斷向外噴射物質的白洞了。不過這種說法，有沒有白洞？目前還是持保留態度，必須尋找更多天文觀測證據才能確定。
- 如何觀察、尋找黑洞：
黑洞的存在有多大的可靠性？我們已知目前在銀河系中或為新星的物質大約10%，將成為擁有太陽的10倍以上的質量的星球。由此可以推測在我們的銀河系中有9、10個左右由質量大的星球所造成的黑洞。一部份天文學家更主張在銀河系年輕時應有更多質量大的星球，所以應該會形成更多的黑洞。天文學家最初的尋找方法，是假設如果有一個發光天體位於黑洞後方並被黑洞遮擋吸收掉一部份光，根據這種「掩蝕」的現象或許可以判斷是否存在黑洞，但是考慮到黑洞太小，這種方法難以奏效。黑洞的特點既然在於它的巨大引力，那麼可以設想的尋找方法應該藉助於黑洞巨大引力所導致的各種效應。假設太陽仍在原來位置上，但變成了半徑三公里的一個小黑洞，顯然，太陽系將漆黑一團，除閃閃星光之外別無其他亮光，但是，由於太陽的質量、引力依舊不變，地球及其他行星應該照樣沿著現在的軌道運行，因此雖然變成黑洞的太陽無法直接觀測，但從地球和其他行星的運行可以推斷它的存在。由此推廣，如果能找到一對雙星，一亮一暗，根據亮星的運行推斷出確有暗伴星存在，並且如果暗伴星的質量大於某一界限（超過塌縮成白矮星或中子星的質量上限），那麼，這個不能直接觀測的雙星系統中的暗伴星很可能就是一個黑洞。但是，單純從雙星系統的暗伴星中尋找黑洞，由於存在各種難以鑑別的可能性，因此用這種方法尋找黑洞也失敗了。然而僅僅過了兩年，又出現了頗為不同且在之後得到進一步確認的觀測方法，1964年初，幾個理論家預言：雙星系統中的黑洞，由於它的強大引力，可以擄獲從亮伴星中流出來的氣體，在氣體被吸引衝向黑洞的途中被加熱到很高的溫度，並將發出很強的X射線，因此，如果能找到一個暗伴星，它能發出X射線，且質量足夠大，那麼它就很可能是一個黑洞。按照這種理論，從觀測上尋找黑洞的方法應該是：尋找X射線源，找到它的光學對應體（亮伴星），發現系統的雙星性質，估計暗伴星的質量。目前此種方法已得到確認，開始了更大規模的搜尋黑洞的計劃。
- 利用黑洞做時光旅行：
黑洞只可能用於進入未來！就目前所知，在我們的宇宙中，似乎不可能回到過去。依照愛因斯坦的廣義相對論與哈佛大學物理學家 Pound 及Rebka 的實驗證明，在重力場中，外部的觀察者會看到強重力場中的時鐘走的較慢，這類似於狹義相對論中時間延遲 (time dilation)的效應，而且其條件為除了重力紅位移效應外，兩者之間沒有其他任何相對運動。也就是說，若 A 為朝向黑洞之強重力場中運動的人員，並且固定每秒鐘發出一個光波訊號，在遠距離外的 B 觀察者所看到 A 人員發出的光波訊號間隔時間會越來越長，從一秒鐘到一分鐘、一小時甚至更長。當 A 越接近黑洞的事件地平面，遠方觀察者 B 所看到的光波訊號間隔越長，也只有能量更高的光子可以脫離黑洞的重力場。當 A 穿過事件地平面進入黑洞後，最後一個發出的光波訊號會以幾乎無限大的紅位移傳送出來。如果A 的光源為一兆電子伏特能量的 r-射線，當傳送到觀察者 B 時可能已經變成只有 0.00001 電子伏特的無線電波！雖然光源 A 仍舊維持在每秒鐘發出一個信號，但觀察者 B 收到信號的間隔可能隨著光源越接近黑洞而越長，可能是一分鐘、兩分鐘。換句話說，對於 A 本身來說每過一秒鐘，對於觀察者來說卻已過了數分鐘之久。就本質上來看，A 的時間流動比觀察者 B 為慢，如果在 A 進入黑洞前能夠再與 B 會合，將會發現 A 的時鐘比 B 走得慢多了，這段也許只花了 A 幾小時的行程，在 B 看來可能已過了幾千小時！質量為太陽大小的黑洞，在接近黑洞附近時其重力潮汐十分巨大，所以在 A 到達事件地平面幾百公里前，便已經被拉扯成麵條那樣細長的碎片了。但是對於超巨質量的黑洞來說，雖然其質量可能達太陽的數十億倍，在事件地平面附近的重力潮汐力反而可能非常小，A 或許有脫逃的機會，能夠穿越這個單向的屏障（也許沒有）。原則上，假如 A 能夠在進入事件地平面前幾釐米前脫逃出來的話，那麼 A 所進入的時間將是外界觀察者 B 認知中的未來世界，也許是數千年後，但是對於 A 來說，只不過經歷幾小時而已。該注意的是，上面的例子只是描述接近與逃離黑洞、並進入未來世界的過程而已，數據是為了加強描述的效果而虛設的，並非真實計算結果。詳細的計算方法很難在此敘述清楚。
- 黑洞會“長大”嗎？
是的，黑洞會藉著吸入物質而逐漸長大。一般恆星質量的黑洞可以藉著吸入其伴星的物質而使本身質量加大。超巨質量黑洞則是在數十億年演化期間中藉著吸入數百萬顆恆星而形成。目前黑洞吸入物質的過程仍在研究中，但黑洞的確是宇宙中的嗜食狂，很難滿足它的胃口。
- 兩個黑洞相撞會有何結果？
當兩者相距仍有一段距離時，它們之間的重力交互作用與一般正常星體無異。一個太陽質量的黑洞直徑約3公里，當它們相距約幾百公里時，其外形開始變形，即事件地平面已不再是球面（如果是非自轉黑洞）。當它們更靠近時，在巨大的加速力下，所有加速的物質都會放出重力輻射，雙黑洞系統的能量由此流失。由於質量與能量在物理上是等效的，所以雙黑洞系統的能量流失相當於其總質量的減少。在幾分鐘內，兩個黑洞的事件地平面開始互相穿透，如果我們能目睹這整個過程，將會看到兩個黑洞合併成一個新的黑洞，其質量因重力輻射而比先前兩個黑洞質量之總合稍低。根據超級電腦的計算結果，合併所造成的質量損失約 10%，新黑洞的表面積也比先前兩者之合略小。
- 如果黑洞進入太陽系，地球會受影響嗎？
不見得會，但是真正對人類生活的影響則要視其質量的大小而定。一個木星質量的黑洞直徑只有一米左右，只有藉著行星軌道的擾動才會偵測、感知它的存在。被影響的行星也許會變成像彗星一樣的高離心率天體。如果發生在地球上，可能導致生物的滅絕，絕大部分人類也會因低溫、動植物無法生長與液態水短少而死亡。如果來襲的是一顆太陽質量的黑洞，儘管其直徑只有兩公里大，行星的軌道不只會受到極大的擾動，甚至可能會完全被彈射離開太陽系。
時間簡史---黑洞不是這麼黑的
在1970年以前，我關於廣義相對論的研究，主要集中於是否存在一個大爆炸奇
點。然而，同年11月我的女兒露西出生後不久的一個晚上，當我上床時，我開始思
考黑洞的問題。我的殘廢使得這個過程相當慢，所以我有許多時間。那時候還不存
在關於空間——時間的那一點是在黑洞之內還是在黑洞之外的準確定義。我已經和
羅傑·彭羅斯討論過將黑洞定義為不能逃逸到遠處的事件集合的想法，這也就是現
在被廣泛接受的定義。它意味著，黑洞邊界——即事件視界——是由剛好不能從黑
洞逃逸而永遠只在邊緣上徘徊的光線在空間——時間裡的路徑所形成的（圖7.1）。
這有點像從警察那兒逃開，但是僅僅只能比警察快一步，而不能徹底地逃脫的情景！
圖7.1
我忽然意識到，這些光線的路徑永遠不可能互相靠近。如果它們靠近了，它們
最終就必須互相撞上。這正如和另一個從對面逃離警察的人相遇——你們倆都會被
抓住：（或者，在這種情形下落到黑洞中去。）但是，如果這些光線被黑洞所吞沒，
那它們就不可能在黑洞的邊界上呆過。所以在事件視界上的光線的路徑必須永遠是
互相平行運動或互相散開。另一種看到這一點的方法是，事件視界，亦即黑洞邊界，
正像一個影子的邊緣——一個即將臨頭的災難的影子。如果你看到在遠距離上的一
個源（譬如太陽）投下的影子，就能明白邊緣上的光線不會互相靠近。
如果從事件視界（亦即黑洞邊界）來的光線永遠不可能互相靠近，則事件視界
的面積可以保持不變或者隨時間增大，但它永遠不會減小——因為這意味著至少一
些在邊界上的光線必須互相靠近。事實上，只要物質或輻射落到黑洞中去，這面積
就會增大（圖7.2） ；或者如果兩個黑洞碰撞併合並成一個單獨的黑洞，這最後的
黑洞的事件視界面積就會大於或等於原先黑洞的事件視界面積的總和（圖7.3） 。
事件視界面積的非減性質給黑洞的可能行為加上了重要的限制。我如此地為我的發
現所激動，以至於當夜沒睡多少。第二天，我給羅傑·彭羅斯打電話，他同意我的
結果。我想，事實上他已經知道了這個面積的性質。然而，他是用稍微不同的黑洞
定義。他沒有意識到，假定黑洞已終止於不隨時間變化的狀態，按照這兩種定義，
黑洞的邊界以及其面積都應是一樣的。
圖7.2 圖7.3
人們非常容易從黑洞面積的不減行為聯想起被叫做熵的物理量的行為。熵是測
量一個系統的無序的程度。常識告訴我們，如果不進行外加干涉，事物總是傾向於
增加它的無序度。（例如你只要停止保養房子，看會發生什麼？）人們可以從無序
中創造出有序來（例如你可以油漆房子），但是必須消耗精力或能量，因而減少了
可得到的有序能量的數量。
熱力學第二定律是這個觀念的一個準確描述。它陳述道：一個孤立系統的熵總
是增加的，並且將兩個系統連接在一起時，其合併系統的熵大於所有單獨系統熵的
總和。譬如，考慮一盒氣體分子的系統。分子可以認為是不斷互相碰撞並不斷從盒
子壁反彈回來的康樂球。氣體的溫度越高，分子運動得越快，這樣它們撞擊盒壁越
頻繁越厲害，而且它們作用到壁上的向外的壓力越大。假定初始時所有分子被一隔
板限制在盒子的左半部，如果接著將隔板除去，這些分子將散開並充滿整個盒子。
在以後的某一時刻，所有這些分子偶爾會都呆在右半部或回到左半部，但佔絕對優
勢的可能性是在左右兩半分子的數目大致相同。這種狀態比原先分子在左半部分的
狀態更加無序，所以人們說熵增加了。類似地，我們將一個充滿氧分子的盒子和另
一個充滿氮分子的盒子連在一起並除去中間的壁，則氧分子和氮分子就開始混合。
在後來的時刻，最可能的狀態是兩個盒子都充滿了相當均勻的氧分子和氮分子的混
合物。這種狀態比原先分開的兩盒的初始狀態更無序，即具有更大的熵。
和其他科學定律，譬如牛頓引力定律相比，熱力學定律的狀況相當不同，例如，
它只是在絕大多數的而非所有情形下成立。在以後某一時刻，所有我們第一個盒子
中的氣體分子在盒子的一半被發現的概率只有幾萬億分之一，但它們可能發生。但
是，如果附近有一黑洞，看來存在一種非常容易的方法違反第二定律：只要將一些
具有大量熵的物體，譬如一盒氣體扔進黑洞裡。黑洞外物體的總熵就會減少。當然，
人們仍然可以說包括黑洞裡的熵的總熵沒有降低——但是由於沒有辦法看到黑洞裡
面，我們不能知道裡面物體的熵為多少。如果黑洞具有某一特徵，黑洞外的觀察者
因之可知道它的熵，並且只要攜帶熵的物體一落入黑洞，它就會增加，那將是很美
妙的。緊接著上述的黑洞面積定理的發現（即只要物體落入黑洞，它的事件視界面
積就會增加），普林斯頓一位名叫雅可布·柏肯斯坦的研究生提出，事件視界的面
積即是黑洞熵的量度。由於攜帶熵的物質落到黑洞中去，它的事件視界的面積就會
增加，這樣黑洞外物質的熵和事件視界面積的和就永遠不會降低。
看來在大多數情況下，這個建議不違背熱力學第二定律，然而還有一個致命的
瑕疵。如果一個黑洞具有熵，那它也應該有溫度。但具有特定溫度的物體必須以一
定的速率發出輻射。從日常經驗知道：只要將火鉗在火上燒至紅熱就能發出輻射。
但在低溫下物體也發出輻射；通常情況下，只是因為其輻射相當小而沒被注意到。
為了不違反熱力學第二定律這輻射是必須的。所以黑洞必須發出輻射。但正是按照
其定義，黑洞被認為是不發出任何東西的物體，所以看來，不能認為黑洞的事件視
界的面積是它的熵。1972年，我和布蘭登·卡特以及美國同事詹姆·巴丁合寫了一
篇論文，在論文中我們指出，雖然在熵和事件視界的面積之間存在許多相似點，但
還存在著這個致命的困難。我必須承認，寫此文章的部份動機是因為被柏肯斯坦所
激怒，我覺得他濫用了我的事件視界面積增加的發現。然而，最後發現，雖然是在
一種他肯定沒有預料到的情形下，但他基本上還是正確的。
1973年9月我訪問莫斯科時， 和蘇聯兩位最主要的專家雅可夫·捷爾多維奇和
亞歷山大·斯塔拉賓斯基討論黑洞問題。他們說服我，按照量子力學不確定性原理，
旋轉黑洞應產生並輻射粒子。在物理學的基礎上，我相信他們的論點，但是不喜歡
他們計算輻射所用的數學方法。 所以我著手設計一種更好的數學處理方法， 並於
1973年11月底在牛津的一次非正式討論會上將其公佈於眾。那時我還沒計算出實際
上輻射多少出來。我預料要去發現的正是捷爾多維奇和斯塔拉賓斯基所預言的從旋
轉黑洞發出的輻射。然而，當我做了計算，使我既驚奇又惱火的是，我發現甚至非
旋轉黑洞顯然也以不變速率產生和發射粒子。起初我以為這種輻射表明我所用的一
種近似無效。我擔心如果柏肯斯坦發現了這個情況，他就一定會用它去進一步支持
他關於黑洞熵的思想，而我仍然不喜歡這種思想。然而，我越仔細推敲，越覺得這
近似其實應該有效。但是，最後使我信服這輻射是真實的理由是，這輻射的粒子譜
剛好是一個熱體輻射的譜，而且黑洞以剛好防止第二定律被違反的準確速率發射粒
子。此後，其他人用多種不同的形式重複了這個計算，他們所有人都證實了黑洞必
須如同一個熱體那樣發射粒子和輻射，其溫度只依賴於黑洞的質量——質量越大則
溫度越低。
我們知道，任何東西都不能從黑洞的事件視界之內逃逸出來，何以黑洞會發射
粒子呢？量子理論給我們的回答是，粒子不是從黑洞裡面出來的，而是從緊靠黑洞
的事件視界的外面的「空」的空間來的！我們可以用以下的方法去理解它：我們以
為是「真空」的空間不能是完全空的，因為那就會意味著諸如引力場和電磁場的所
有場都必須剛好是零。然而場的數值和它的時間變化率如同不確定性原理所表明的
粒子位置和速度那樣，對一個量知道得越準確，則對另一個量知道得越不準確。所
以在空的空間裡場不可能嚴格地被固定為零，因為那樣它就既有準確的值（零）又
有準確的變化率（也是零）。場的值必須有一定的最小的不準確量或量子起伏。人
們可以將這些起伏理解為光或引力的粒子對，它們在某一時刻同時出現、互相離開、
然後又互相靠近而且互相湮滅。這些粒子正如同攜帶太陽引力的虛粒子：它們不像
真的粒子那樣能用粒子加速器直接探測到。然而，可以測量出它們的間接效應。例
如，測出繞著原子運動的電子能量發生的微小變化和理論預言是如此相一致，以至
於達到了令人驚訝的地步。不確定性原理還預言了類似的虛的物質粒子對的存在，
例如電子對和夸克對。然而在這種情形下，粒子對的一個成員為粒子而另一成員為
反粒子（光和引力的反粒子正是和粒子相同）。
因為能量不能無中生有，所以粒子反粒子對中的一個參與者有正的能量，而另
一個有負的能量。由於在正常情況下實粒子總是具有正能量，所以具有負能量的那
一個粒子注定是短命的虛粒子。它必須找到它的伴侶並與之相湮滅。然而，一顆接
近大質量物體的實粒子比它遠離此物體時能量更小，因為要花費能量抵抗物體的引
力吸引才能將其推到遠處。正常情況下，這粒子的能量仍然是正的。但是黑洞裡的
引力是如此之強，甚至在那兒一個實粒子的能量都會是負的。所以，如果存在黑洞，
帶有負能量的虛粒子落到黑洞裡變成實粒子或實反粒子是可能的。這種情形下，它
不再需要和它的伴侶相湮滅了，它被拋棄的伴侶也可以落到黑洞中去。啊，具有正
能量的它也可以作為實粒子或實反粒子從黑洞的鄰近逃走（圖7.4） 。對於一個遠
處的觀察者而言，這看起來就像粒子是從黑洞發射出來一樣。黑洞越小，負能粒子
在變成實粒子之前必須走的距離越短，這樣黑洞發射率和表觀溫度也就越大。
圖7.4
輻射出去的正能量會被落入黑洞的負能粒子流所平衡。 按照愛因斯坦方程E＝
mc^2（E是能量， m是質量，c為光速），能量和質量成正比。所以往黑洞去的負能
量流減少它的質量。當黑洞損失質量時，它的事件視界面積變小，但是它發射出的
輻射的熵過量地補償了黑洞的熵的減少，所以第二定律從未被違反過。
還有，黑洞的質量越小，則其溫度越高。這樣當黑洞損失質量時，它的溫度和
發射率增加，因而它的質量損失得更快。人們並不很清楚，當黑洞的質量最後變得
極小時會發生什麼。但最合理的猜想是，它最終將會在一個巨大的、相當於幾百萬
顆氫彈爆炸的發射爆中消失殆盡。
一個具有幾倍太陽質量的黑洞只具有千萬分之一度的絕對溫度。這比充滿宇宙
的微波輻射的溫度（大約2.7K）要低得多，所以這種黑洞的輻射比它吸收的還要少。
如果宇宙注定繼續永遠膨脹下去，微波輻射的溫度就會最終減小到比這黑洞的溫度
還低， 它就開始損失質量。 但是即使那時候，它的溫度是如此之低，以至於要用
100億億億億億億億億年（1後面跟66個O） 才全部蒸發完。這比宇宙的年齡長得多
了， 宇宙的年齡大約只有100到200億年（1或2後面跟10個0）。另一方面，正如第
六章提及的，在宇宙的極早期階段存在由於無規性引起的坍縮而形成的質量極小的
太初黑洞。這樣的小黑洞會有高得多的溫度，並以大得多的速率發生輻射。具有10
億噸初始質量的太初黑洞的壽命大體和宇宙的年齡相同。初始質量比這小的太初黑
洞應該已蒸發完畢，但那些比這稍大的黑洞仍在輻射出X射線以及伽瑪射線。這些X
射線和伽瑪射線像是光波，只是波長短得多。這樣的黑洞幾乎不配這黑的綽號：它
們實際上是白熱的，正以大約1萬兆瓦的功率發射能量。
只要我們能夠駕馭黑洞的功率，一個這樣的黑洞可以開動十個大型的發電站。
然而，這是非常困難的：這黑洞的質量和一座山差不多，卻被壓縮成萬億之一英吋
亦即比一個原子核的尺度還小！如果在地球表面上你有這樣的一個黑洞，就無法阻
止它透過地面落到地球的中心。它會穿過地球而來回振動，直到最後停在地球的中
心。所以僅有的放置黑洞並利用之發出能量的地方是繞著地球轉動的軌道，而僅有
的將其放到這軌道上的辦法是，用在它之前的一個大質量的吸引力去拖它，這和在
驢子前面放一根胡羅卜相當像。至少在最近的將來，這個設想並不現實。
但是，即使我們不能駕馭這些太初黑洞的輻射，我們觀測到它們的機遇又如何
呢？我們可以去尋找在太初黑洞壽命的大部分時間裡發出的伽瑪射線輻射。雖然它
們在很遠以外的地方，從大部分黑洞來的輻射非常弱，但是從所有它們來的總的輻
射是可以檢測得到的。 我們確實觀察到了這樣的一個伽瑪射線背景：圖7.5表示觀
察到的強度隨頻率的變化。然而，這個背景可以是也可能是除了太初黑洞之外的過
程產生的。圖7.5中點線指出，如果在每立方光年平均有300個太初黑洞，它們所發
射的伽瑪射線的強度應如何地隨頻率而變化。所以可以說，伽瑪射線背景的觀測並
沒給太初黑洞提供任何正的證據。但它們確實告訴我們，在宇宙中每立方光年不可
能平均有300個以上的太初黑洞。 這個極限表明，太初黑洞最多只能構成宇宙中百
萬分之一的物質。
圖7.5
由於太初黑洞是如此之稀罕，看來不太可能存在一個近到我們可以將其當作一
個單獨的伽瑪射線源來觀察。但是由於引力會
圖7.5將太初黑洞往任何物質處拉近， 所以在星系裡面和附近它們應該會更稠
密得多。 雖然伽瑪射線背景告訴我們，平均每立方光年不可能有多於300個太初黑
洞，但它並沒有告訴我們，太初黑洞在我們星系中的密度。譬如講，如果它們的密
度高100萬倍， 則離開我們最近的黑洞可能大約在10億公里遠，或者大約是已知的
最遠的行星——冥王星那麼遠。在這個距離上去探測黑洞恆定的輻射，即使其功率
為1萬兆瓦， 仍是非常困難的。人們必須在合理的時間間隔裡，譬如一星期，從同
方向檢測到幾個伽瑪射線量子，以便觀測到一個太初黑洞。否則，它們僅可能是背
景的一部份。因為伽瑪射線有非常高的頻率，從普郎克量子原理得知，每一伽瑪射
線量子具有非常高的能量，這樣甚至發射一萬兆瓦都不需要許多量子。而要觀測到
從冥王星這麼遠來的如此少的粒子，需要一個比任何迄今已造成的更大的伽瑪射線
探測器。況且，由於伽瑪射線不能穿透大氣層，此探測器必須放到外空間。
當然，如果一顆像冥王星這麼近的黑洞已達到它生命的末期並要爆炸開來，去
檢測其最後爆炸的輻射是容易的。但是，如果一個黑洞已經輻射了100至200億年，
不在過去或將來的幾百萬年裡，而是在未來的若干年裡到達它生命的終結的可能性
真是相當小！所以在你的研究津貼用光之前，為了有一合理的機會看到爆炸，必須
找到在大約1光年距離之內檢測任何爆炸的方法。 你仍需要一個相當大的伽瑪射線
探測器，以便去檢測從這爆炸來的若干伽瑪射線量子。然而，在這種情形下，不必
去確定所有的量子是否來自同一方向，只要觀測到所有它們是在一個很短的時間間
隔裡來到的，就足夠使人相當確信它們是從同一爆炸來的。
整個地球大氣可以看作是一個能夠認出太初黑洞的伽瑪射線探測器。（無論如
何，我們不太可能造出比這更大的探測器！）當一個高能的伽瑪射線量子打到我們
大氣的原子上時，它會產生出電子正電子（反電子）對。當這些對打到其他原子上
時，它們依序會產生出更多的電子正電子對，所以人們得到了所謂的電子陣雨。其
結果是產生稱作切倫科夫輻射的光的形式。因而，我們可以由尋找夜空的閃光來檢
測伽瑪射線爆。當然，存在許多其他現象，如閃電和太陽光從翻跟斗的衛星以及軌
道上的碎片的反射，都能在天空發出閃光。人們可在兩個或更多的隔開相當遠的地
點同時觀察這閃光，將伽瑪射線爆從以上所說的現象中識別出來。兩位都柏林的科
學家奈爾·波特和特勒伏·威克斯利用阿歷桑那州的望遠鏡進行了這類的探索。他
們找到了一些閃光，但沒有一個可以確認為是從太初黑洞來的伽瑪射線爆。
即使對太初黑洞的探索證明是否定的，並且看來可能會是這樣，仍然給了我們
關於極早期宇宙的重要信息。如果早期宇宙曾經是紊亂或無規的，或者物質的壓力
很低，可以預料到會產生比我們對伽瑪射線背景所作的觀測所設下的極限更多的太
初黑洞。只有當早期宇宙是非常光滑和均勻的，並有很高的壓力，人們才能解釋為
何沒有觀測到太初黑洞。
◎ ◎ ◎ ◎ ◎
黑洞輻射的思想是第一個這樣的例子，它以基本的方式依賴於本世紀兩個偉大
理論即廣義相對論和量子力學所作的預言。因為它推翻了已有的觀點，所以一開始
就引起了許多反對：「黑洞怎麼會輻射東西出來？」當我在牛津附近的盧瑟福——
阿普頓實驗室的一次會議上，第一次宣佈我的計算結果時，受到了普遍質疑。我講
演結束後，會議主席、倫敦國王學院的約翰·泰勒宣佈這一切都是毫無意義的。他
甚至為此還寫了一篇論文。然而，最終包括約翰·泰勒在內的大部分人都得出結論：
如果我們關於廣義相對論和量子力學的其他觀念是正確的，黑洞必須像熱體那樣輻
射。這樣，即使我們還不能找到一個太初黑洞，大家相當普遍地同意，如果找到的
話，它必須正在發射出大量的伽瑪射線和X射線。
黑洞輻射的存在看來意味著，引力坍縮不像我們曾經認為的那樣是最終的、不
可逆轉的。如果一個航天員落到黑洞中去，黑洞的質量將增加，但是最終這額外質
量的等效能量會以輻射的形式回到宇宙中去。這樣，此航天員在某種意義上被「再
循環」了。然而，這是一種非常可憐的不朽，當他在黑洞裡被撕開時，他的任何個
人的時間的概念幾乎肯定都達到了終點，甚至最終從黑洞輻射出來的粒子的種類一
般都和構成這航天員的不同：這航天員所遺留下來的僅有特徵是他的質量或能量。
當黑洞的質量大於幾分之一克時，我用以推導黑洞輻射的近似應是很有效的。
但是，當黑洞在它的生命晚期，質量變成非常小時，這近似就失效了。最可能的結
果看來是，它至少從宇宙的我們這一區域消失了，帶走了航天員和可能在它裡面的
任何奇點（如果其中確有一個奇點的話）。這是量子力學能夠去掉廣義相對論預言
的奇點的第一個跡象。然而，我和其他人在1974年所用的方法不能回答諸如量子引
力論中是否會發生奇性的問題。所以從1975年以來，根據理查德·費因曼對於歷史
求和的思想，我開始發展一種更強有力的量子引力論方法。這種方法對宇宙的開端
和終結，以及其中的諸如航天員之類的存在物給出的答案，這些將在下兩章中敘述。
我們將看到，雖然不確定性原理對於我們所有的預言的準確性都加上了限制，同時
它卻可以排除掉發生在空間——時間奇點處的基本的不可預言性。黑洞
1.黑洞的形成
2.黑洞和時間的關係
3.黑洞的兩極噴流
一個光亮的恆星為什麼會變成黑洞？答案是恆星衰老了。恆星的成份多為氫氣，也就是讓興登堡號這樣的飛船飄浮不墜的輕質物質。氫就是讓
恆星發光的燃料。每個恆星的內部都在進行核融合反應，有點像連續引爆氫彈那樣，將氫氣轉化為能量：光與熱。恆星在「燃燒」氫氣時，必
得面對一場拉鋸戰：一方面恆星內部的熱壓力會促使恆星擴張，就像把氣球吹大那樣：另一方面，恆星本身重力的拉扯力又促使恆星縮回來。
因此恆星在發熱時，這場拉鋸戰是陷於膠著狀態的，恆星的大小也不會起變化。但一旦核反應停止，恆星就得對重力讓步，因而整個崩潰下來
，就像氣球洩了氣一樣。不過恆星年紀一大就開始變冷。由於沒有了熱能，這個老邁的龐然大物無法產生足夠的內部壓力以抵抗重力的收縮，因此開始崩潰並縮小。但
恆星雖然在縮小，卻沒有損失任何物質;氫仍舊在，只是被極力壓縮而已。這意味著恆星所有的質量都向中心趨進許多，也就是將重力集中於
一個小地方。小型的恆星會縮小成所謂的「白矮星」，與地球大小相當，但已停止核融合的恆星。較大的恆星則在一抹耀眼的華光，所謂的「
超新星」爆炸中自我毀滅殆盡，原來的質量幾乎被轟得一點不剩。但如果恆星的剩餘質量夠大(約達我們的太陽質量的一點四倍)那麼這些僅存的物質可能會變成黑洞。以下圖為例，這個恆星被壓縮到直徑只有
一英哩。此時表面上的重力強得連它自己的光都無法逃脫。那個天體還在原地，再也看不到它了。任何接近它的物體都會被吸進去，然後消逝
在「黑洞」中。←黑洞行成過程
依照愛因斯坦的相對論，重力會使時間慢下來。因此當我們接近黑洞的時候，由於受到極強的重力效應，時間確實會緩慢下來，甚至有可能在
我們接近到黑洞某個範圍內，當經過一秒鐘時，外界已過了100年。若把時鐘放在重力微弱的地方(例如地球)是很難(但仍可以辦到)測出重力對時間的影響的。但若把時鐘放在重力強大，如黑洞之處，則立刻可
見到重力對時間產生的影響，至於影響之大小又依觀察者位置之不同而有不同。對於掉入黑洞中的太空旅行者而言，重力增大會使他對事物的
認知加快;他會覺得他被黑洞吸了進去，一下子就到了「底」。但對位於遠方，不受黑洞影響的觀察者而言，看到的情形與此恰好相反。在他
們的眼中，那位不幸的太空人似乎動得很慢，而且好像越接近黑洞，就移動得越緩慢。原因是，根據相對論的預測，黑洞的強大重力會使時間
延緩下來，所以那個太空人似乎永遠都還沒掉落到底。在最底下的地方?所有的質量和能量都被濃縮為極小的點?空間消失了，時間也停止了。
黑洞內應用於外界的一切物理定律都宣告終止，因此我們無從得知黑洞裡到底是何種光景。有一位學家〈史瓦西〉算出一個範圍，再範圍之內的時間和各種物理現象都和外面不同，例如：時間較慢、重力較大。因為是史瓦西算出來的
，所以稱為史瓦西半徑界面，又稱事像地平面。事像地平面指的是黑洞內時間與外界是完全不同的狀態由於光被重力所牽引,在黑洞裡的時間一分鐘或許等於外界的數十年好比說妳現在被吸入
黑洞內,妳在裡面一分鐘後就會被擠縮壓毀可是或許在幾秒後妳看到了有其他人也被吸入黑洞內,但這其實是數十年後被吸入的...
八、白洞
(一)白洞導論：黑洞作為一個發展終極，必然引致另一個終極，就是白洞。其實膨脹的大爆發宇宙論中，早就碰到了原初火球的奇點問題，這個問題其實一直
困擾著科學家們。這個奇點的最大質量與密度和黑洞的奇點是相似的，但他們的活動機制卻恰恰相反。高能量超密物質的發現，顯示黑洞存在
的可能，自然也顯示白洞存在的可能。如果宇宙物質按不同的路徑和時間走到終極，那麼也可能按不同的時間和路徑從原始出發，亦即在大爆
發之初的大白洞發生後，仍可能出現小爆發小白洞。而且，流入黑洞的物質命運究竟如何呢？是永遠累積在無窮小的奇點中，直到宇宙毀滅，
還是在另一個宇宙湧出呢？如果黑洞從有到無，那白洞就應從無到有。６０年代的蘇聯科學家開始提出白洞的概念，科學家做了很多工作，但
這概念不像黑洞這麼通行，看來白洞似乎更虛幻了。問題是我們已經對引力場較為熟悉，從恆星、星系演化為黑洞有數理可循，但白洞靠什麼
來觸發，目前卻依然茫然無緒。無論如何宇宙至少觸發過一次，所以白洞的研究顯然與宇宙起源的研究更有密切的關係，因而白洞學說通常與
宇宙學及結合起來。人們努力的方向不在於黑白洞相對的哲學辯論，而在於它的物理機制問題。從現有狀態去推求終末，總容易些，相反的從
現有狀態去探索原始，難免茫無頭緒。(二)白洞起源：
白洞學說出現已有一段時間，1970年捷爾明便提出它們存於類星體、劇烈活動的星系中的可能性。相對論和宇宙論學者早已明白此學說的可能
性，只是這與一般正統的宇宙觀不同，較不易獲得承認。某些理論認為，由於宇宙物體的激烈運動，或者星系一部噴出的高能小物體，它們遵
守著克卜勒軌道運動。這是一種高度理想化的推測，亦即一個地方有幾個白洞，在星系核心互相旋轉，偶然噴出滿天星斗。噴出的白洞演化成
新星系。而從星系團的照片中可觀察到一系列的星系由物質連接起來。這顯示它們是由一連串劇烈噴射所形成的。照此來說，白洞可能會像阿
米巴原蟲一樣分裂生殖，由分裂而形成星系。然而這又和目前的理論相違背。從此看來，就是星系生成也有不同見解。有的天文學家便提出並
接受宇宙之初便有不均勻物質的結塊，而其中便包含了白洞。宇宙向最初奇點收縮，星系、星系群都同一動作，這當然和黑洞的奇點相似。宇
宙的不同區域，其密度皆不同，收縮時首先在高密度的地方，達到了黑洞的臨界密度，從此消失在事界之後，宇宙不斷收縮，使不斷出現高密
奇點。宇宙成為大量黑洞及周圍物質的集合體。然而事實上，宇宙是膨脹而非收縮的，因此它是白洞而不是黑洞。在宇宙整體性源始的大奇點
中存在著密度高的小質點，它們隨著膨脹向四面八方擴散，大白洞大量爆發生出小白洞。星系等不均勻物體，正是由它生成的。不均勻物體之
所以易和黑洞拉上關係，皆是因為它和膨脹現狀相對稱的宇宙中局部收縮的過程。目前宇宙中黑洞和白洞的存在是並行不悖的，是過程的兩個
端點而已。黑洞奇點是物質末期塌縮的終點，白洞物質的奇點是星系的始端。只不過各過程不是時，而是先後交錯的。(三)白洞的噴發：
有關於白洞的資訊，目前並不多。所以我們對白洞的噴發並不十分了解。白洞的噴口的來歷並不清楚，一如大爆發原因不明。奈里卡在1975年
論述了許多使天文學家感覺困擾的問題和白洞的數學連繫，這是相關重要的。在噴發中白洞存在的前提下。外部觀測者可以探測到藍移所致的
不同輻射源的頻譜。大爆發的初期狀態所遵循的愛因斯坦宇宙論方程式同樣可施於探索星系規模膨脹系統的未爆核狀態，但奈理卡使用了方程
式時結合了過程的物理項。白洞向外爆發的時間極短，這一瞬的過程當然很難說明，但白洞所產生的電磁輻射市可計算的。觀測到的爆炸光譜
的最大特徵，是最初以高能輻射為主體，不久就顯示出低能輻射。輻射若是由白洞產生，這現像就很自然了輻射能愈高，藍移也愈大，所以最
初可見光也都移到紫外區了。他還計算了銀河系中偶然的小規模爆發現象，說明了銀河內小白洞隨時爆發的可能性。例如短期間活動的銀河內
X-ray，劇烈的最高能量最先到達，其後能量下降，整體按幕函數遞減在光譜中顯示出來。這和白洞理論計算是一致的。各X-ray之間，光譜不
盡相同，不過這差異可從白洞對自己產生的電磁輻射產生畸變說明。因為白洞內產生的輻射可能有黑體輻射(微波以下噪音)、自由─自由輻射
(帶電粒子間相互作用產生)、同步輻射(帶電粒子在強磁中通過而產生)等不同形態。人造衛星偶然觀測到的突發r射線，可以白洞影響說明；
宇宙射線背景高能粒子的生成，也可以認定是白洞噴發的物體。
↑1997年6月9日美國太空總署發佈新聞指出，哈柏太空望遠鏡紅外光廣角鏡頭攝得NGC4151星系核心附近的一顆黑洞正進行煙火般的噴流景象
（左上圖）。其他3張照片分別是利用紫外光（左下圖）、可見光（右圖上下）所攝得，每張圖的中央處正是黑洞的所在位置，而黑洞的噴流
是以對稱的方式呈現。自從1911年愛因斯坦發表彎曲時空的「廣義相對論」後不久，很多天文物理學者都相信在強大重力作用下會有黑洞的存在。因為一般初步的想
法是類似地心引力 （重力）的作用，若在如此強大重力作用下，會不斷地吞噬附近的物質，連在真空中每秒速度高達30萬公里的「光」臨近
黑洞時都無法倖免，無法逃脫它強大重力的吸引。況且只有物質被吸入而不會釋放出來，所以它是我們無法目視得到會有任何東西呈現的黑暗
「區域」，我們稱為「黑洞」。在一般人的心目中，黑洞在宇宙中就好像地球上傳聞已久的神秘百慕達三角地帶。從一些簡短的報導裡，我們知道黑洞在宇宙的時空裡是
一個非常小的點，但這一小小的點卻有無窮的吸引力（重力），會不停吞噬它週遭的物質（如塵埃、星體），即使光波也在所難免。一般人相
信黑洞可能是由巨型星球演化，經超新星爆發後，接近星體中心的物質劇烈地塌陷而成的。存在宇宙中的數目可能很多，且還有很多奇怪而未
經證實的特性，足以影響人類對於整個宇宙和時空的想法。近代天文物理學大師史蒂芬‧霍金 （也就是「時間之箭」一書的作者）在1974 年提到「黑洞蒸發」的論點，他強調黑洞所吞噬物質的狀
態，是像量子物理所說的呈現出量子化的「激發態」（不穩定狀態），這時會在南北兩極的地方向外噴流出激發態的物質，這就是所謂的「黑
洞蒸發」現象。直到哈柏太空天文望遠鏡上了太空且發揮功能，藉著它的廣角鏡頭紅外光相機所拍攝的紅外光譜圖案（因為紅外光可穿透各個星球外圍雲氣的
障礙）讓我們可直接看到星球的原貌。終於在1997年5月12日，NASA宣佈發現了距離我們5千萬光年外的 M84 星系中心處，有顆約為太陽3億倍
質量的黑洞正像放煙火般地噴流出大量物質。接下來，天文學家利用哈柏太空天文望遠鏡和歐洲的紅外光太空望遠鏡，也發現許多黑洞都有像
煙火般的噴流景象。↑1997年5月12日美國太空總署 (NASA)發佈消息指出，利用哈柏太空望遠鏡上紅外光相機廣角鏡頭的光譜圖影像，發現在M84星系中心處有一
個約為太陽3億倍質量的黑洞。這是人類首度發現黑洞的兩極正以每秒400公里的速度向外噴流物質。左圖中央處標示出位於M84星系中心發現
此正在噴流的黑洞位置。右圖中藍色的部分是位於黑洞旋轉盤面上正被黑洞吸進去而朝向我們而來的雲氣，紅色的部分是旋轉盤面上正遠離我
們而去的雲氣。↑模擬黑洞兩極噴流的過程： 圖1.黑洞強大的重力正吞噬著鄰近星球的雲氣 圖2.黑洞所吞噬的物質形成了不穩定的狀態 圖3.黑洞正進行兩
極方向的巨觀噴流 圖4.經過劇烈的噴流後，黑洞又趨於穩定。黑洞持續進行吞噬鄰近星球的雲氣，不久後將會有第二波的噴流產生。 圖5.遠
觀黑洞進行一波接著一波南北對稱的噴流四、黑洞和相對論
在這裡又談到愛因斯坦的相對論。本來黑洞並非一定得由大質量的恒星演變而成， 只是一般星體不可能一下子縮到底。所以恒星演變成黑洞
只有經由大質量塌縮這一途徑。此結論已由相對論導出，至於黑洞與外界斷絕關係，我們可以把其形狀試想成細長瓶子狀。進入瓶子的一切
短程線，都只能按弧線落到其底部。因此形成禁錮的空間，任何物體都無法逃出。但這個禁錮空間對外界是開放的，只是進的去出不來而已，
也就是它和外界相通只有單向性。這個禁錮空間的內外分界稱為「事界」，也就是史瓦西半徑的界面，過了這界線，外界就無從得知了。內部
的人最遠只能到達史瓦西半徑界面，亦即事界是他們世界的端點。而史瓦西界面是由史瓦西首先依據相對論所求出的解，後人便稱之為史瓦西
黑洞。然而其實事界的概念已先於愛因斯坦早存在，但他創見性的兩點在於時空彎曲以及光速是一切物體運動的極限。五、黑洞的利用
物理學家把有序的相反概念，也就是無序狀態叫做熵(Entropy)。 一個封閉的物質世界系統，無論甚麼物理變化，全熵量即無序的總量絕不減
少，這稱熱力學第二定律。最後熵達到最大而成平衡狀態，這就是所謂的熱寂，這時到處能量分佈相同，宇宙再也活不起來了。沒有運動，也
就是沒有時間，宇宙就不存在了! 引力能的熵比核能以及熱運動能的熵小得多，通常引力場絕非無序的。但黑洞把通常共存物體吞噬進去
，就使黑洞失去多樣性而驅於統一，於是就包含一定的熵，把黑洞引力場轉為其他形式就不能百分之百有用。但黑洞有熵是肯定的。若非如此
，投入極大量的無序的東西到黑洞中，豈非全體熵減小了。這就和熱力學第二定律相違背了。而黑洞的引力能，可看為存於表面，恰如水滴表
面張力那樣的表面能。如果給水滴補充能量，它就會激烈震動而分裂。因為面積不夠容納更大的能量。同樣的，如果對黑洞施以能量，類似的
理由它會震動，用引力波放走能量，因為它不能分裂。它的表面積依然和初始界面表面積一樣，亦即表面積不能減少，這可稱為「不減能」。
黑洞一形成，對應的表面積就是永遠不可滅。再來談到若黑洞自轉或帶電的話，其塌縮星的能量便對應增加。因為各個電場互相排斥，要合成
一體必須作功。所以電荷凝縮伴隨著電場能量的儲存。以後吸收等量反符號電荷，變成中性，就等於把儲存的能量放出。事實上，塌縮星的全
部能量包含了寄存的電量。而黑洞有不可滅表面能量、自轉能量、電場能量三種。自轉能和電場能不是以熵的形式寄存的。旋轉速度降低、電
荷中性化，就可送出能量，所以只有表面能是熵性的。 但要如何獲得其能量呢?在這裡提供了「彈道法」。它是把物體射入能層，讓它分裂為
二。一個跌進了事界，一個拋了出來，而跑出的便帶走了能層的能量。六、不同形態的黑洞
在黑洞學的領域裏，科學家認為黑洞在質量的分類只有兩種，一種是太陽的數百萬至數十億倍(supermassive type)另外一種是只有太陽的數倍
(stellar type)，可是現在美國太空總署及Carnegie Mellon 大學卻發現了另外一種型態的黑洞，其重量介於一百倍至一萬倍之間，這種新發
現的黑洞可能普遍存在於螺旋星系裏，其太小卻比月亮還小，天文學家稱之為中量級(middleweight)黑洞。天文學家認為其星系中心有一個相當活躍的中量級黑洞，M82曾與M81擦身而過，造成M82內部的星球與星雲擾動，這種不尋常的碰撞可能是造成
M82星系中心形成中量級黑洞的原因。新型態的黑洞是經由X-Ray射線的發現而確認，而X-Ray射線是黑洞附近的物質被吸入黑洞之前所散發出來的最後能量，經由X-Ray望遠鏡的偵測
與光譜儀的對照，可以確定黑洞的大小及活躍程度。這種新型態的黑洞很可能是數個輕量級的黑洞聯合而成，這些輕量級的黑洞在M82星系裏有
數以百萬計，因不明原因而合併成較大的中型黑洞。七、雙黑洞系統
當天空中某個天體正踏著醉拳般的步伐晃動時，天文學家就曉得在這醉拳 高手附近應該還有另一個天體正與之對峙。天體之間最重要的作用力
是萬有引力，它會使周遭天體的運動軌跡改變。例如，以前的天文學家是先 觀測到天王星(Neptune)，但是卻發現天王星環繞太陽運轉的軌道
與計算 不合，因而推斷天王星之外應該還有另一顆行星，之後，觀測者便在天王星軌道 之外又發現了海王星(Uranus)。此外，天文學家也利
用這種方式來判斷 雙星系統。
荷蘭Leiden天文台的Nico Roos觀測天龍座(Draco)的類星體(quasar)1928+738 所發出的噴射流(jet)，他發現這條噴射流也有〝搖頭晃腦〞的
現象，可能這種 進動(precession)是由類星體1928+738核心中的雙黑洞系統所造成的。 由噴射流搖頭晃腦的幅度和頻率，天文學家推算出這
二個黑洞以週期2.9年 相互繞著運動，並且整個系統應該具有一億個太陽質量。以前就有人提出雙黑洞系統的構想，而類星體1928+738正好是這個構想 的最好證明。Roos並提出類星體1928+738內雙黑洞系統的形成原因，可
能 是由二個中心都擁有黑洞的星系相互碰撞合併而成的。許多天文學家都相信 在類星體中或在活躍星系(active galaxy)中，星系合併的情形
是常常發生。 Roos相信雙黑洞系統的相互快速運轉，會使得二個黑洞越轉越靠近，最後也會 合併成一個黑洞，因此這些雙黑洞系統應該都是
些短命鬼。
黑洞作為一個發展終極，必然引致另一個終極，就是白洞。其實膨脹的大爆發宇宙論中，早就碰到了原初火球的奇點問題，這個問題其實一直困擾著科學家們。這個奇點的最大質量與密度和黑洞的奇點是相似的，但他們的活動機制卻恰恰相反。高能量超密物質的發現，顯示黑洞存在的可能，自然也顯示白洞存在的可能。如果宇宙物質按不同的路徑和時間走到終極，那麼也可能按不同的時間和路徑從原始出發，亦即在大爆發之初的大白洞發生後，仍可能出現小爆發小白洞。而且，流入黑洞的物質命運究竟如何呢？是永遠累積在無窮小的奇點中，直到宇宙毀滅，還是在另一個宇宙湧出呢？如果黑洞從有到無，那白洞就應從無到有。６０年代的蘇聯科學家開始提出白洞的概念，科學家做了很多工作，但這概念不像黑洞這麼通行，看來白洞似乎更虛幻了。問題是我們已經對引力場較為熟悉，從恆星、星系演化為黑洞有數理可循，但白洞靠什麼來觸發，目前卻依然茫然無緒。無論如何宇宙至少觸發過一次，所以白洞的研究顯然與宇宙起源的研究更有密切的關係，因而白洞學說通常與宇宙學及結合起來。人們努力的方向不在於黑白洞相對的哲學辯論，而在於它的物理機制問題。從現有狀態去推求終末，總容易些，相反的從現有狀態去探索原始，難免茫無頭緒。
八、白洞(一)
(二)白洞起源：
白洞學說出現已有一段時間，1970年捷爾明便提出它們存於類星體、劇烈活動的星系中的可能性。相對論和宇宙論學者早已明白此學說的可能性，只是這與一般正統的宇宙觀不同，較不易獲得承認。某些理論認為，由於宇宙物體的激烈運動，或者星系一部噴出的高能小物體，它們遵守著克卜勒軌道運動。這是一種高度理想化的推測，亦即一個地方有幾個白洞，在星系核心互相旋轉，偶然噴出滿天星斗。噴出的白洞演化成新星系。而從星系團的照片中可觀察到一系列的星系由物質連接起來。這顯示它們是由一連串劇烈噴射所形成的。照此來說，白洞可能會像阿米巴原蟲一樣分裂生殖，由分裂而形成星系。然而這又和目前的理論相違背。從此看來，就是星系生成也有不同見解。有的天文學家便提出並接受宇宙之初便有不均勻物質的結塊，而其中便包含了白洞。宇宙向最初奇點收縮，星系、星系群都同一動作，這當然和黑洞的奇點相似。宇宙的不同區域，其密度皆不同，收縮時首先在高密度的地方，達到了黑洞的臨界密度，從此消失在事界之後，宇宙不斷收縮，使不斷出現高密奇點。宇宙成為大量黑洞及周圍物質的集合體。然而事實上，宇宙是膨脹而非收縮的，因此它是白洞而不是黑洞。在宇宙整體性源始的大奇點中存在著密度高的小質點，它們隨著膨脹向四面八方擴散，大白洞大量爆發生出小白洞。星系等不均勻物體，正是由它生成的。不均勻物體之所以易和黑洞拉上關係，皆是因為它和膨脹現狀相對稱的宇宙中局部收縮的過程。目前宇宙中黑洞和白洞的存在是並行不悖的，是過程的兩個端點而已。黑洞奇點是物質末期塌縮的終點，白洞物質的奇點是星系的始端。只不過各過程不是時，而是先後交錯的。
(三)白洞的噴發：
有關於白洞的資訊，目前並不
關於黑洞的其他問題：
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