作者：约翰-皮尔·卢米涅
总目录：
第一篇：引力与光
第一章 首批硕果
第二章 相对论
第三章 弯曲时空
第二篇：火中凤凰
引言
第四章 从黎明到黄昏
第五章 灰烬与钻石
第六章 超新星
第七章 脉冲星
第八章 31处
第三篇：光的消逝
第九章 视界
第十章 照明
第十一章 落入漩涡
第十二章 图形游戏
第十三章 黑洞机器
第十四章 量子黑洞
第四篇：光的复归
第十五章 原初黑洞
第十六章 X射线星
第十七章 巨型黑洞
第十八章 引力光
第十九章 黑洞宇宙
第一篇：引力与光
理论研究就像钓鱼：你不知道水中有什么，只有投竿，才可能有所收获。
——瓦尔（Novalis）
第一章 首批硕果
最幸运的人
一只小鸟的重量足以移动地球。
——列奥那多·达芬奇（Leonardo da Vhco）
古希腊哲学家在许多领域的天才思想至今仍未被超越，但他们对弓l力却所知甚少。亚男士多德（Aristotle）相信每个物体都有其在宇宙中的“自然位置”。最底层足陆地及其所有的直接附着物，在这上面是水，然后是空气，最后是最轻的元素火。一个因受力而离开其自然位置的物体总足要返回它自己的层次，因此，被抛射到空气中的箭或石块总是会落回地面。亚里士多德还进一步断言，物体的运动都沿直线进行，由弓射出的箭将沿直线向上运动，当弓所提供的力停止作用时，箭就又沿直线落回地面。
在20个世纪里几乎没有人对古希腊哲学家的理论表示过怀疑，尽管日常生活提供了反面的证据：箭的运动轨迹并不是一条直线，而是一条曲线即抛物线。只有一个人，即6世纪时生活在亚历山大城的约翰·菲罗帕纳斯（John PhiloPonus），敢于提出惯性原理，向亚里士多德的思想挑战。
伽利略（Galileo）是对引力进行严格的科学考察的第一人。他做了一系列实验，包括让各种不同的物体从比萨斜塔上落下以及让不同大小的球沿斜面滚下。1638年，他发现了引力的最基本的性质：在其作用下的所有物体都得到同样的加速，与物体的质量或化学成分无关。
伽利略的工作以其对物理现象的仔细观察和深刻的科学推理而著称。他的结果显然与亚里士多德对世界的认识相反。在研究一个物理现象时，我们必须分离出所有那些使我们的日常经验复杂化的外部因素。为了从对在空气中下落的物体的观察而推导出支配真空中物体自由下落的普遍规律，伽利略必须首先理解摩擦力和空气阻力，因为正是这些与物体的大小和质量有关的“寄生”效应掩盖了引力的真正作用（如果像某些历史学家所认为的那样，伽利略事实上并没有从比萨斜塔上抛出物体，那么他由一连串的抽象推理而得出自己理论的能力应当受到更高的赞誉）。
直觉的天才有分析的天才为后继。按照广泛流传的说法，1666年的一个满月之夜，当一只苹果从树上落下时，伊萨克·牛顿（Isaac Newton）正坐在那棵树下沉思。他突然意识到，由于同一种吸引的力量即地球引力，月亮和苹果都会朝地球下落。他计算出，两个物体之间的引力随它们距离的平方反比例减小，距离加倍，则引力减小4倍。月亮与地心的距离（384000公里）是苹果与地心距离（6400公里）的60倍，故月亮下落的加速度比苹果小60X 60＝3600倍。然后他运用伽利略的自由落体定律，即下落距离正比于加速度，也正比于时间的平方，于是得出苹果在1秒钟内下落的距离与月亮在1分钟内下落的距离相等。月亮的真实运动是已知的，牛顿所估计的距离与之相符。他所发现的正是万有引力定律。
牛顿的工作（当然远不止是他的引力理论）是人类智慧最辉煌的业绩，对当时和后世的思想都有巨大的影响。一个世纪后，法国的“黑洞之父”皮尔·西蒙·拉普拉斯（PICtrC SllollLaPlace）认识到了牛顿的著作《自然哲学的数学原理》那种“胜过人类其他精神成果的卓越预示”。数学家约瑟夫·拉格朗（Joseph Lagrange）则更进一步说道：“由于只有一个宇宙需要去解释，没有人再能重复牛顿所做的工作，他真是最幸运的人。”建立一个科学理论不一定会导致个人的快乐，但是的确没有任何其他科学工作具有牛顿理论那样根本的重要性，直至我们的时空观念被阿尔伯特·爱因斯坦（Albert EinstCin）所彻底改变。
行星的爱好
牛顿理论最令人瞩目的应用是在天体力学中。牛顿运用了他的万有引力定律（“万有”意味着一切物体都受引力支配）去解释开普勒（xevter）描述“行星对太阳的爱好”的经验规律。有了这个惊人精确的理论工具，科学家们兴奋地揭示出一个新的太阳系。
新力学的第一个成功是爱德蒙·哈雷（Edmund Halley）预言了一颗管星（后来即以他的名字命名）将于1759年回归，这颗管星果然在1758年的圣诞节重现。
牛顿理论还表明，开普勒对行星运动的描述只是近似的。如果一颗行星只被太阳吸引，其轨道将是一个完美的椭圆，但实际上每颗行星都受到其他行星引力的扰动（尤其是被木星扰动，它比其他行星都大得多），由此导致的轨道偏差虽然很小，却可以计算也可以观测。埃班·勤维叶（Urbain Le Verrier）和约翰·亚当斯（John Adams）正是运用“扰动理论”于1846年预言了海王星的存在及其精确位置。这颗新行星果然在他们计算的位置上被发现，标志着牛顿引力理论的高峰。
不可见世界的两位先知
天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样大，或许也像恒星那样多。一个具有与地球同样的密度而直径为太阳25O倍的明亮星球，它发射的光将被它自身的引力拉住而不能被我们接收。正是由于这个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却是看不见的。
——皮尔·西蒙·拉普拉斯（1796）
18世纪末，约翰·米切尔（John Michell）牧师和皮尔·西蒙·拉普拉斯把光速有限的认识与牛顿的逃逸速度概念结合起来，从而发现了引力的最富魅力的结果：黑洞。
逃逸速度的概念是人们很熟悉的。一个人无论用多大力向空中扔出石块，石块终将落回地面，这使人感到引力似乎不可抗拒。然而，我们还是要问，引力能够对物质束缚到什么程度？如果不是由地球上而是由火星的一颗小卫星上如说火星抛出石块，情形就完全不同。火卫一的引力是如此之小，一个人的臂力就足以把石块抛到绕它运转的轨道上，甚至可以把石块抛到围绕火星的轨道上，而火卫一距离火星约有叨皿公里。
让我们仍回到地球上来。地球的引力可以由一个很深而开口处很宽的势附来表示。抛射物体只有速度足够高才能逃离地球。为了把一颗卫星送入轨道，火箭发射器必须到达一定的高度，然后转到与地面平行的方向，再加速到至少每秒8公里的速度，这个速度所对应的离心力（朝向外空）才能与引力（朝向他心）相平衡。
有一种叫做一飞车走壁的危险表演，摩托车手驾车在陡峭的斜壁上奔驰。随着车速增大，车子也沿着斜壁升高。一颗轨道上的卫星很像这里的飞车，它也在引力势队的壁上运转。
如果摩托车手进一步把车速增大到另一个临界值以上，他就会飞出斜壁。同样，如果火箭的速度足够大，它也能摆脱地球的吸引。这个临界速度对一块石头或一枚火箭来说都是一样的，它就叫逃逸速度。就地球而言，它是11．2公里／秒，对其他任何一个行星、恒星或别的天体，也很容易算出其大小。这个速度只取决于那个提供引力的星球的性质，而与被抛射的物体无关。星球的质量越大，逃逸速度也越大；质量一定时，逃逸速度则随星球半径的减小而增大。
这就是说，一个星球的密度越大也就是越致密，它的引力干脆就越深，要逃脱它的束缚显然就越困难。火卫一的逃逸速度只有5米／秒，月亮的是24公里／秒，而太阳的是620公里／秒。对于更致密的星球，例如白矮星（见第5章），这个速度高达每秒数千公里。
关于黑洞的思想正是来自于把简单的逃逸速度概念推向极端。自16％年奥拉斯·雷默（01asRoemer）对木星卫星的运动进行观测以来，已经知道光的速度大约是3 0公里／秒。于是就很容易想象出这样一种星球的存在，其质量是如此之六．以至于从其表面逃逸的速度大于光速。
约翰·米切尔在一篇于1783年的英国皇家学会会议上宣读并随后发表在《哲学学报》（Philosophical Transactions）的论文中写道：“如果一个星球的密度与太阳相同而半径为太阳的50o倍，那么一个从很高处朝该星球下落的物体到达星球表面时的速度将超过光速。所以，假定光也像其他物体一样被与惯性力成正比的力所吸导，所有从这个星球发射的光将被星球自身的引力拉回来。”此后不久，数学家、天文学家、天体力学王于皮尔·西蒙·拉普拉斯于1796年在他的《宇宙体系论》（ExPosition dusystemedu mond…中也作了类似的陈述。
除了超前一个多世纪料想到光能被引力捕获外，拉普拉斯和米切尔还猜想到巨大的暗天体可能像恒星一样众多。在20世纪末，这科学巨变的时期，暗物质的存在正是宇宙学中最重要的课题之～。宇宙总质量的相当大一部分很可能是看不见的。
对这些不可见星球（直到门68年才命名为“黑洞”）的详细研究需要一种比牛顿理论更精确的引力理论。爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞的存在，其“大小”恰与米切尔和拉普拉斯猜想的一样。
但是，严格说来，这两个理论在不可见星球的大小上的一致只是表面上的。按照牛顿理论，即使逃逸速度远大于3 0公里／秒，光仍然可以从星球表面射出到一定高度，然后再返回（正如我们总能把一只球从地面往上抛出）。而在广义相对论里来讲逃逸速度就是不正确的了，因为光根本不可能离开黑洞表面。黑洞的表面就像一只由光线织成的网，光线贴着表面环绕运行，但决不能逃出来、在第11章里还将看到，如果黑洞在自转，则捕获光的那个面与黑洞自身的表面是不相同的借助于逃逸速度来描述黑洞·虽然有有索要的历史价值和启发作用，却是过于简单了。
直至广义相对论建立为止，米切尔和拉普拉斯的思想被人们完全遗忘了。这一方面是因为没有什么迹象表明宇宙中存在如此致密的物质（当然，不可见性本身是一个好理由）；另一方面，他们的思想是建立在牛顿关于光本性的微粒说基础上的，即光微粒也像通常物质一样服从引力定律。而在整个19世纪，光的波动说占据了统治地位。按照这种理论，光是一种振动在媒质中的传播，光波是不受引力影响的，米切尔和拉普拉斯的思想因而失效。
力场
行星的运动之所以能被计算出来，是因为我们知道物体之间的相互吸引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比。然而这里有许多更深刻的问题尚未回答，比如引力的本质，它如何由物质产生，又如何作用到被真空隔离的物体上。
牛顿的引力不像马拉车的力或农夫用铁锹翻地的力那样，通过直接接触来传递。一个物体产生的引力能作用到远处的另一物体。这种不需要媒质而瞬时作用的力的概念，是雷纳·笛卡儿（Ren6Descartes）于1644年在其《哲学原理》（Principes delaphilosophie）中所阐述的，并难以被机械宇宙观所接受。牛顿本人是一个忠实的机械论者，他把自己的定律看作只是一种能计算物体运动的数学工具，而不是一种物理真实。他曾说过，想象引力能瞬时地和超距地作用是荒谬的，是没有一个真正的哲学家能接受的。拉普拉斯曾试图通过考虑引力以有限速度传播来修改牛顿理论，他的推理在原则上是正确的（自爱因斯坦以后，我们知道引力是以光速传播），但在实际上是错误的：他算出引力的传播速度必定是光速的700万倍。
19世纪，同样的超距作用问题重新出现在研究电的学者面前。与引力相似，两个物体间的电力也与它们电荷的乘积成正比问力是与两物体质量的乘积成正比），与它们距离的平方成反比。但是，尽管物理学家最后还是接受了（没有更好的办法）引力的超距作用，他们却拒不接受电力也是如此。
于是，迈克尔·法拉第（Michael Farada力和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（JamesClerk Maxwell）提出了场的概念。场能够作为物体间相互作用的媒介，并以有限速度传播。不是两个电荷在真空中通过瞬时力相互吸引或排斥，而是每一个电荷都在其周围产生一个“电场”，其强度随距离增大而减小。每个电荷所受的力都归结为两个场的相互作用。那末，引力也能以同样方式来描述：一个物体产生的引力场作用于所有其他物体。
这决不只是一种描述词语的简单改变。场的根本优越性在于，它把瞬时超距作用代之以需要时间来传播并随空间距离增大而减弱的作用。场论，这经典物理的光辉顶峰，看似毁坏了牛顿物理的根基，实则开辟了通向电磁学，然后是相对论的道路。
麦克斯韦的光
在19世纪末，物质间的作用力被分为三类：引力、电力和磁力。
电的特征是存在正、负两种电荷c同种电荷相互排斥而异种电荷相互吸引，作用强度随距离变化的关系则与磁力一样。磁力是磁体的特性，磁体吸引铁，并指向地球两极的方向。每个磁体都有两个极，即北极和南极，同种磁极排斥而异种磁极吸引。
在吸导内排斥的行为上，电和磁看来很相似。古希腊人已经觉察到与毛皮摩擦过的流油能吸引碎草片（英文中电一词就是来自希腊文中琉璃一词），天然磁矿石能吸引铁屑。公元前6世纪，希腊大几何学家泰勒斯（Thales）认为，电和磁是同一种现象，这些奇特的物质含有吮吸周围物体的“精灵”。
24个世纪以后，丹麦物理学家克里斯琴·奥斯特（Chris－tianoerstCd）在上一堂电流实验课时，一根磁针碰巧正放在他的装置近旁。他注意到，每当接通电流时，磁针就发生偏转。这个发现之后几个星期，安德烈·安培（Anure rtillpere）和弗兰克·阿拉果（Francois Arag…）提出了一个理论，即变化的电力产生感应磁力，反之亦然、随后的实验工作充分地证实了电和磁现象之间的密切关系。
然而，电理论只是在1898年发现了电子后才得到真正验证。这种作为原子基本成分之一的基本粒子，带有不可再分的电荷，因而作为电荷的基本单位。通常的原子是电中性的，因为原子核外电子的负电荷被束缚在核中的正电荷所抵消。电荷可以静止，也可以运动，例如金属导体中的自由电子可以到处运动。正是电行在电场作用下的运动形成了电流。
类似地，天然磁石的磁性是由其分子之间的微型电流所导致的。在大得多的尺度上，地球的磁场也是由其转动着的镍…次核中电导物质的大规模运动产生的。电与磁的真正统一是在1865年，麦克斯韦把它们的所有性质概括在吸个方程中，建立起了电磁场理论。
一个静止电行具有不随时间变化的径向电场。当电荷运动时，其周围电场会自己调节到新的位置，场的变动以一个有限速度即光速传播。电荷的任何移动都使场发生这种变动，特别有意义的是，如果电行作用期性运动，则场的变动取波的形式，恰如一根棒子在水里上下搅动时会造成环形水波。麦克斯韦预言，电行的同期性运动将产生以光速在真空中传播的电磁波。
一个正常峰谷形式的波，两个相邻波峰之间的距离叫做波长，每秒时间内波峰的个数叫频率。人眼能看见的光只是电磁波谱中很小的一部分，即一个很窄的波段。显然，波长越大，频率越小，两者成反比关系。
观测和理论天文学都建立在电磁辐射的性质的基础上。携带着能量和动量（频率越高，携带得越多）的电磁波对与之遭遇的物质施加一个力。例如，照射到这页书上的光在加热着和推着书纸，太阳发出的电磁风能把彗星的尾巴吹得背离它，恒星核心的辐射压能阻止恒星因自身引力而收缩。
电磁理论的影响像万有引力定律一样巨大，它在理论上和实践上都给整个人类文明带来了意义深远的结果。麦克斯韦死后8年即1887年，亨利希·赫兹（Heinrich Herzi)在实验室成功地造出了电磁波。20世纪初，古列莫·马可尼（GugllelmoMarconi）第一次实现了跨越大西洋的无线电联系，电讯时代从此开始。
第二章 相对论
波动说的疑难
麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它使伽利略和牛顿的宇宙图像孩起祸端、通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果；鼻子力学和相对论。
第一个问题是，辐射的本质究竟是什么？麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来处理，但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末，已有一系列实验提供了辐射的不连续性的证据。
在两个世纪之交，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个假设，即电磁波（尤其是光）只能以一种能量包，即所谓量子的形式被发射或吸收。然而直到1905年，爱因斯坦才首先把光量子看作真实的存在，现在称为光子。为解释光电效应，也就是金属板被足够高频率的光照射时发出电子的现象，爱因斯坦假定辐射足由其能量与频率成正比的真实粒子组成，这些粒子把能量传给金属中的电子，从而使电子射出。爱因斯坦复活了牛顿的光的微粒论，这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学与电磁学之间的明显对立直至对年后，即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象性时，才得以消除。
第二个问题是，电磁波在什么媒质中传播？正是这个问题导致了对时空结构的探索，从而产生了相对论。
运动与静止
相对论，这一在20世纪物理学里居于中心地位的辉煌成就，其思想并非由爱因斯坦首创。相对性原理作为物理定律的基础已有3个世纪之久，这通常归功于伽利略，而实际上给出正确表述的是笛卡儿。
在对自然界的研究中运用相对性原理，意味着可以合理地期望对物理现象的表述不依赖于观测者的位置和运动。如果各个观测者得到的物理定律具有同样形式，他们所取的参考系就是等价的。
伽利略已经注意到这样两个人所作的观测的等价性：一个在一条停靠港口即相对于陆地静止的船里，另一个在一条沿直线匀速驶离港口的船里，每人都从舱里1米高处释放一只球，则两球都竖直下落，经历的时间都是045秒。
伽利略知道，由于地球是圆的，驶离港口的船在作圆周运动。受圆形为完美的古老思想影响，他因此断定圆周运动是物体的自然状态，与静止不可区分。笛卡儿也认识到，均匀手动，即无限直线上的匀速运动，与静止不可区分。现代人都有这样的体验，坐在停着的火车里看旁边一列开动的火车，会觉得自己的车在朝相反方向开动。
这些现象都很简单，然而包含着深刻意义，因为它们表明静止与匀速运动之间并无差别。静止是一种惯性状态，与之等价的匀速运动就也是惯性态。
惯性原理可以表述如下：一个自由物体，即不受任何力的物体，以恒定速度运动。
地球本身几乎是一个理想的惯性参考系，因为对于通常实验室里时间不长的实验来说，地球绕太阳的转动可以近似看作以30公里／秒的恒定速度沿直线运动。考虑到地球的自转，可以通过选定指向遥远恒星的方向来建立地球惯性系。
射手与火车
惯性原理给予匀速运动的参考系以优越地位，这些参考系中的自然规律表现为“静止”的形式。伽利略相对论，以及后来爱因斯坦的狭义相对论，都建立在所有惯性系（包括静止参考系和匀速运动参考系）是等价的这个基础上。
但是，仅仅确定惯性系的这种性质是不够的。有了一个惯性系中对某一自然现象的描述，物理学家还必须能在任何别的惯性系中也作出描述，他们需要的是从一个惯性系转换到另一个的具体方式。正是在这个关键点上区分了伽利略相对论和狭义相对论。
爱因斯坦喜爱的表述这些抽象概念的方式是拿一列以V二108公里／小时（对米／秒）的恒定速度奔驰的火车作例子。现在有两个惯性系，静止的铁轨和相对于铁轨作匀速运动的火车。设想有一个坐在车厢顶上的人朝火车前进方向射出一颗子弹，子弹相对于人的速度是V’2800米／秒。
运用伽利略变换公式从火车惯性系转换到铁轨惯性系，铁轨上的观测者测得的子弹速度是I’＋t＝830米／秒。如果这个人再朝相反方向打一枪，则从铁轨上测量的子弹速度是v’－v二770米／秒。与人们的常识一致，伽利略变换公式可以归结为简单的速度矢量合成。
以太
以太，这个经典力学的不幸产儿……
——马克斯·普朗克
如果所有恒速运动的参考系都与静止参考系等价，设想一个固定在欧几里德几何的绝对空间里的参考系是很有吸引力的。对伽利略来说，这个绝对空间缚在太阳上，因为太阳是宇宙的中心。牛顿则认为，绝对空间是以太，是亚里士多德的（气、水、火、土以外的）第五要素，是一种弥漫于物体之间所有空隙的完全刚性的物质。
电磁理论的建立似乎支持了关于以太的思想。很难想象一个波能够没有媒质而传播：声波要有空气，水波要有水。光作为电场和磁场的一种振荡，也就必然需要一种振动的媒质使之得以传播，于是可以把以太定义为电磁波传播的媒质。
再来看火车上的射手。这回他用一支光枪，射出速度为30公里／秒的光弹。按照伽利略变换公式，铁轨上的观测者测得的光速应分别是C＋C一月皿皿．奶公里／秒（朝火车前进方向发射时）和C－C＝29999997公里／秒（朝相反方向发射时）。迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morle力的实验，以地球来代替火车，以以太来代替铁轨，证明了以上的推算是错误的。
判决性实验
这些著名的实验是阿尔伯特·迈克尔逊（AlbertMichelson）和爱德华·莫雷（Edward Money）在1881到1894年之间做的。他们本来的意图是确定地球相对于以太的绝对速度，为此制作了一台非常灵敏的干涉仪，用来测量沿地球运动方向和垂直方向上的两束光之间的差异。他们预期能由此将地球的绝对运动测定到每秒几千公里的精确度。
迈克尔逊噗雷实验的原理可以用两条船的竞赛米比喻。两船的速度都是C，河水以恒定速度C流动（图司。A船沿与水流平行的路线行驶一个来回，B船则由河的此岸驶到彼岸，然后返回。每条船行驶的距离都是河宽的二倍。按照毕达哥拉斯定理，B船将获胜。
在迈克尔逊噗雷实验里，c是光速，v是以太相对于地球的速度，但是比赛结果却不同：两条“光子船”总是准确地同时到达。要弄懂这个结果，要么得设想地球是完全静止在以太中，要么以太根本就不存在。
事后看来，如果我们严格遵照电磁理论，迈克尔逊和莫雷的结果并不奇怪。麦克斯韦理论是与伽利略的相对性原理明显矛盾的，因为其中的光速是不变的，完全与参考系无关。无论光弹沿什么方向，铁轨上的观测者测得的光弹速度既不是3 0．03公里9秒也不是299999．97公里／秒，而精确地是3 0公里／秒。光速在任何方向上、在任何参考系里都是完全一样的。
伽利略相对论曾被认为是对惯性系中自然定律普适性的表述，而支配电磁现象的麦克斯韦方程公然与之对抗。伽利略一牛顿的时空概念与电磁理论是不相容的，其中一个必须被抛弃。
狭义相对论
当爱因斯坦在1905年意识到这个矛盾时，他立即认定电磁理论是正确的，并作为一条基本原理提出：真空中的光速是绝对不变的，是信号传播的最高速度。与这条原理不相容的伽利略相对论不得不让位于一个新的相对论，后来被称为狭义相对论（广义相对论的建立是在十年以后）。
伽利略相对论中从一个惯性系到另一个惯性系的变换公式也就必须代之以狭义相对论的公式（在广义相对论里惯性系的实质将被改变），这就是罗伦兹（Lorentz）变换。这种变换使麦克斯韦方程保持不变，光速也成为绝对常量。
对火车射手实验，伽利略的速度和公式v—v＋v’被换成一个稍微复杂一些的、保证光速不变的公式。如果C二C’ZC，由新的公式将得出O仍等于C。这个结果似乎与读者的常识相违背，难道铁轨上的观测者不正是如伽利略变换得出的那样，测量到830米／秒和770米／秒吗？然而，实际上这里并无矛盾，因为只有对极高速度（远高于地球上常见的物体运动速度）的情况，罗伦兹变换才与伽利略变换有显著的差别。即使是对地球绕口公转运动（速度高达对公里／秒），罗伦兹变换公式带来的修正也只有万分之一。
理论的诞生
在本世纪的开端，相当多的物理学家都意识到了迈克尔逊一莫雷实验给物理学带来的危机，强调这一点无损于爱因斯坦的功绩。有些学者，例如亨德里克·罗伦兹（Hendrik LorentZ）和亨利·彭加勒（Henri Poincar6），对这场危机的洞察尤为深刻。罗伦兹首先提出（1904年）时间和长度都随参考系速度的变化而变化。1905年，彭加勒在他的论文“论电子的动力学”中引入了一个数学式，后来由赫曼·明可夫斯基（HermannMinkowski）于1908年发展完善，其中把时间作为第四个维度。新的相对论的确已如躁动在母腹中的婴儿。
彭加勒的论文发表后一个月，爱因斯坦的“论运动物体的电动力学”在德国的《物理学杂志》（Annalen der Physik）上发表。当时在伯尔尼专刮局供职的爱因斯坦看来并不知道他的前辈们的工作。狭义相对论之终于诞生，是因为爱因斯坦并不满足于只推导公式，他构造出了一个由光编织成的新时空。
光使时空联姻
我向你们阐述的时间和空间的观念是建立在实验物理基础上的，是实质性的，是牢固可靠的。从现在起，绝对的空间和绝对的时间都不复存在，只有二者的某种结合才有意义。
——曼·明可夫斯基（ 1908）
在伽利略和牛顿的宇宙里，时间和空间是相互完拳种方的。空间有三个维度，就是说，需要有三个坐标来确定空间中的一个点c空间是由欧几里德几何来量度的（几何一词的原义是“大地测量”）。两点之间的最短路线是连接它们的直线，两条平行线只在无穷远处相交，三角形的内角和是180等等。这些定律在学校里被讲授着，因为它们在日常生活中高度精确地成立，两点之间的空间距离总是与测量者无关。
时间只由一个数来量度。与空间维度不同的是，它总是只朝一个方向流驶，从“过去”流向“未来”。由观察上和情理上都可确认，一个事件的原因总是在其结果之前，这种不可逆转的次序称为因果律。
时间与空间一样，对所有观测者都是相同的。既然速度没有上限，所有的钟，无论它们之间的空间距离有多远，都能被即时地调为同步，并继续保持指示出一致的时间。因此，伽利略一牛顿时空的因果结构就归结为，一个在空间同时地延展的现在时间，把过去和将来分离开来。
把时间和空间作为独立实体的观念遭到与牛顿同时代的数学家和哲学家威尔赫姆’莱布尼兹（WilhelmLeibniz）的强烈反对。他以哲学论据坚持时间和空间只能是联系于物质而存在。两个世纪后，爱因斯坦的相对论证实了莱布尼兹的观点，时间间限和空间距离都不再是固定的量，它们依赖于观测者与被观测物体之间的相对速度。伽利略一牛顿的绝对时空结构让位于一种新的四维结构，即明可夫斯基时空。
时空中的一个点是一个事件，由三个空间坐标和一个时间坐标来确定。两个事件间的间隔是不变量（即不依赖于参考系），但现在是时间间隔和空间间隔的结合，每一个都不再单独守恒。
本书将频繁使用的一种能清晰地表述时空结构的方式是光锥。想象空间中的一个点和一条由该点发射的光线，在一个没有任何物质的空间，光波的波前是一个以发射点为中心的圆球，这个球以光速随时间膨胀（图阿。仍略去空间的一维，光波就能由该图表示。随时间膨胀的光球在图中成为一个圆锥，其顶点是光所发出的位置和时刻（即一个事件），光锥描述光线发出后的经历。
图5是另一幅时空图，显示几个事件的光锥。对某一给定事件E光推由两片组成，一片属于过去，一片属于将来。所有由E发出的光线和过去发射并经过E点的光线都进入E的将来锥。
狭义相对论的基本出发点是任何粒子都不可能运动得比光更快，光速是一个绝对恒星。这就是说，l秒钟内任何粒子走过的距离不可能大于3 0公里，而光则精确地走过这个距离。在时空图上是这样来显示的，所有粒子的世界线（用以称呼时空轨迹的名词）都位于光锥内部，而作为极限的光子（光的粒子）世界线则严格地座落在光锥面上，因为光锥正是由光线来规定的。
在明可夫斯基时空里，光速是信号传递的极限速度，这使得其因果结构与牛顿时空的大不相同。对某一事件E光锥把所有的时空事件分成两种：能够被来自E的电磁信号所影响的事件（光锥内部）和不可能被影响的事件（光锥外部，或称“外界”）。狭义相对论禁止任何一条世界线从光锥内穿到外界，也禁止反向穿越（这并不排除完全处于外界区的世界线。有人假设了一种在外界区以超光速运动的粒子，称为“快于”，但是关于这种粒子的理论有许多棘手的问题，在实验室里也从来没有探测到其存在）。
总之，光线的轨迹使我们能够构造出一个时空连续体的框架。狭义相对论中没有引力，所有的光锥都是相互平行的，因此，明可夫斯基的时空连续体是刚性的，或者说是平直的。伽利略和牛顿的时空分离的观念被统一的时空观念代替了。
时间游戏
爱因斯坦相对论给因果律加进了时间弹性，一个观测者随身携带的钟测量的时间称为原时，与相对观测者运动的钟所测量的时间是不同的。尽管这种差别只是在速度接近于光速时才变得显著，这个新的时间律还是带来了令人惊讶的后果。
著名的双生子佯谬已被谈得很多了。年龄为20岁的双生于，其中一个去作探索宇宙的旅行，他以297000公里／秒的恒定速度（光速的99％）飞到一个20光年之遥的行星上，并立即返回。他携带的钟表明自己出门在外6年，但留在地球上的那一个却说已过去了4o 年。他们二人所经历的时间确实是不同的，生物钟也像原子钟一样会受影响。两兄弟的年龄也可以用他们心跳的次数来测量，宇航员回来时确实只有26岁，而他的同胞兄弟已是60岁。
这个惊人的结果由法国物理学家泡尔·郎之万（PaulLangevin）于1911年作了解释：在所有连结两个事件（在双生子故事中是飞船从地球出发和回到地球）的世界线中，没有加速度的那一条所耗的时间最长（图6）。宇航员在其航程中必须加速和减速，这两种情况的效果并不相抵消，他的原时因而总是比他的兄弟短得多（年龄的差别并不仅仅取决于旅行者的加速度，而且还有赖于航行的总持续时间，这里单讲加速度只是为将宇航员时间与地球时间作比较）。虽然看似荒唐，双生子的幻想故事并不意味着爱因斯坦相对论的任何内在矛盾，而是表明了时间弹性的必然后果。
虽然相对论不允许我们运动得比光速更快，但它并非阻碍了而是促进了对深层空间的探索。将上面的双生子故事（其中假定瞬时加速）变一下，现在假定飞船有一个恒定的加速度（相对于它的瞬时惯性参考系），其大小等于地球表面上的引力加速度，这对宇航员来说要舒服得多。飞船的速度将迅速增大到接近于光速，而不能达到光速，飞船上的时间将过得比地球上没得多。按照它自己的钟，飞船将用2．5年时间飞到最邻近的恒星（比邻星），它与地球相距4光年；经过大约45年，飞船就飞出了40光年；经过10年就到了银河系中心，而地球上将是过了15000年；在25年里（短于宇航员的年龄），飞船将能在整个可观测的宇宙中邀游一周，行程是300亿光年！但这时的飞船最好不要再返回地球，因为太阳早已将行星都烧成灰烬，自己也早已熄火。
可是，这个异想天开的航行是实现不了的，因为需要有巨大的能量来维持飞船的加速。最好的方法似乎是把飞船自身的物质转化为前进的能量，但即使转换效率为百分之百，飞船在到达银河系中心时所剩的质量已只有出发时的十亿分之一，一座大山缩成了一只老鼠。
相对论炸弹
我要是早知道，就会去做个造钟表的工匠。
——阿尔伯特·爱因斯坦
狭义相对论是得到最好验证的物理理论之一。弹性时间的奇异现象已由实验证实，不过不是在人体上（那太痫苦了），而是用基本粒子，把它们加速到接近光速所需的能量不难提供。高精度原子钟也被放到了飞船里，返回地面时它所显示的时间的确比地球上的钟要短（如果有人愿意在一架以1000公里／小时的速度飞行的飞机里坐上60年，与地面上的人相比他只能赚到千分之一秒的时间）。当然，惯性系之间的变换公式、四维时空结构以及时间弹性等，都是比较抽象的概念。狭义相对论之所以著名，是由于它所揭示的质量与能量的等价性，即E＝me’这个简单公式。
1905年，还猜不出狭义相对论有什么实际应用，但它在哲学上的冲击作用是立即显示出来了。维持了数千年的信念被证明并不适合于真实世界。有些哲学家如本格森（Bergron）拒绝改变自己对世界的观念，而把爱因斯坦理论看作一种纯粹抽象的东西。对狭义相对论可靠性的怀疑要以广岛被原子弹毁灭为代价来消除，这真是一种可悲的讽刺。
狭义相对论支配着所有涉及高速度、高能量的现象。宇宙线流撞击高层大气会产生介子（一种基本粒子）簇射，这些介子的飞行时间（由地球上看）是它们寿命的50倍。更重要的是，狭义相对论使我们得以理解为什么太阳能发光，那是因为它那里每秒钟有400万吨物质被转化成能量辐射出来。
我们在这里清楚地看到了狭义相对论与天体物理之间的联系。但是，作为本书主题的黑洞与狭义相对论毫不相干。黑洞是引力的产物，而狭义相对论的时空连续体所描述的是一个理想化的真空，在其中运动的只有电磁波和重量小得可以忽略的粒子。在真实的恒星、星系和黑洞的宇宙里，所有物体都受到引力。为了对此有所理解，我们必须继续“破坏”时空，而这一次的斗士就是广义相对论。
第三章 弯曲时空
等效原理
我相信，单纯的思考足以了解世界观
——阿尔伯特·爱因斯坦
爱因斯坦在1905年既复活了光的微粒说，又维护了麦克斯韦电磁理论的正确性，但是他发觉自己进退维谷。关于辐射的这两个概念是相互矛盾的：如果光是由粒子组成，那么按照万有引力定律，它就会受别的物质影响，果若如此，光速又怎能如狭义相对论要求的那样是绝对恒星呢？
这个矛盾当然应归根于引力。引力在宇宙中无处不有，并使所有物质加速，而狭义相对论的惯性系是严格地没有加速度的。爱因斯坦很清楚这个症结，并认识到，要使引力能与狭义相对论的电磁时空相协调，首先必须重新理解“力”的概念本身。
牛顿万有引力定律要求一切物体都具有一种称为引力质量的内在属性，用以量度每个物体所能产生的引力。此外，牛顿还用三个基本定律概括了物体在任何力（引力或别的力）作用下的行为。第一定律简单地说就是笛卡儿的惯性原理：不受力的物体保持静止或作匀速直线运动；第二定律规定使一个物体加速的力与物体的加速度和质量都成正比（即人们熟知的公式F＝ma）；第三定律陈述作用与反作用的平等性：每一个力（例如人推墙的力）都伴之以一个大小相等、方向相反的力（墙也推人）。
所以，牛顿的力是使物体偏离其惯性运动的原因。物体总是反抗对其惯性状态的改变，这种反抗由其惯性质量来量度。按照这个思路，万有引力同其他任何力一样，也是一种力，而引力质量之于引力恰如电荷之于电力。我们知道，惯性质量相同而带电荷不同的物体在同一电场中受到不同的加速，因而在牛顿理论中就没有理由认为引力质量和惯性质量必定相等。
但是，伽利略和牛顿所观察到的引力的基本性质，正是他心引力同样地加速所有物体，而与物体的惯性质量或引力质量、体积以及化学性质都无关。一片羽毛、一个分子或是一块砖，在地球表面附近释放后都同样具有义8米／秒’的加速度（也就是说，假如没有空气阻力，它们的速度每秒钟都增加98米／秒，在第一秒求是人8米／秒，在第二秒末是1入6米／秒，等等。这个恒定的加速度正是地球表面的引力加速度）。
这意味着，不仅根本不存在“引力中性”的物体，而且所有物体都具有完全一样的相应引力荷。这只有在引力质量与惯性质量严格相等时才可能。这种相等性于是被接受为一条公理，称为等效原理。
这种相等起初被认为只是近似的，后来却经受住了整个科学史上最高精度的核查。匈牙科男爵罗兰·万·厄伍（Lorandvon E6tvbs）先在1889年，后又在1922年对等效原理作了验证，精度达十亿分之一。现在，检验精度已经提高了
1000倍。由于一个物体中的所有能量都对惯性质量有贡献（把电子和核束缚在原子中的电磁能就很显然），我们就能得出结论：所有能量都有重量，尤其是，光也有重量。
爱因斯坦意识到，等效原理是理解引力的关键。引力与电磁力大不相同，包括进引力，将给狭义相对论带来实质性的扩充。让我们来进一步考虑等效原理的物理意义。
在爱因斯坦看来，引力质量与惯性的等效只是一个更强得多的等效性的弱形式，而强等效性是把均匀引力和加速统一起来（图对。爱因斯坦指出：
1．任何加速都相当于引力。一个坐在加速度与地心引力（即g＝98米／秒’）相等的飞船里的人感觉不出与站在地面上有什么区别。
2引力的作用可以通过选择一个适当的加速参考系来消除。他的著名例子是一架突然断了缆绳的电梯，其中的人将觉得失重，与在太空中已脱离地球引力的人的感觉一样。
我们在这里看到引力与自然界所有其他的力（如电力）之间的巨大差异。不可能用加速来冒充电力，因为一个电场中的物体并不受到同样的加速，加速度与物体的电荷有关。准确地说，引力实际上不是一种作用于时空中的不同物体之间的力，而是时空自身的一种性质。
引力对人们早已熟悉的时空结构摧毁性地入侵的结果，就是广义相对论。
新惯性
物理学的自洽性要求一种相对性，即要求参考系中的物理规律能取相同的形式。在这个意义上，广义相对论可说是推翻了狭义相对论。狭义相对论里的参考系都以恒定速度运动，不受力，没有加速度。时空连续体是一种平坦的不毛之地，没有任何局部特征，这种空虚性保证了位置和速度的相对性。但在引力存在的情况下，所有参考系都受到加速。因此在广义相对论中没有普适的惯性参考系。时空连续体变得坑洼不平，而位置和速度只能相对于这样的时空来确定。所有的参考系，无论是惯性系与否，只要我们知道如何从一个参考系正确地过渡到另一个，就能用来描述自然定律。从这个意义上讲，爱因斯坦引力理论的名称是取错了，因为广义相对论的相对性比狭义相对论是减小了。
由于一个均匀引力场能由一个加速来消除或代替，并且反之亦然，一个在这个场中下落的物体就不受任何力（人之没有落向地心是因为他脚下地面压力的阻挡）。恒定引力场中的自由下落因而就是物体的“自然”运动。对宇宙中任何一个足够小的区域而言，引力的变化不大，则自由下落运动定义出一个局域惯性参考系，其中的物理定律取其最简单的形式，即由狭义相对论所给出的形式。狭义相对论并没有被完全抛弃，它是被包括到一个更广泛的理论中，而仍保持在一定范围内的适用性。
宇宙高尔夫球场
我们今天都知道时空是弯曲的，可是这个奇怪而又迷人的陈述究竟是什么意思呢？
双生子佯谬很好地描绘了狭义相对论时空的刚性结构如何使空间和时间由于观测者的运动而各自改变（收缩或延缓）。广义相对论则完全变革了我们的宇宙观，它断言引力会使整个时空变形。
如果在一个给定点上直接的引力效应已被消除，我们仍能测量相邻两点之间的微分效应。在一个缆绳已断掉的电梯里，两个“自由”物体的轨迹在一级近似上是平行的，但实际上两条轨迹线将在6400公里远处的地心相交，因此两轨迹之间就有一个相对加速度（因为它们相互在靠近），对应着一个微分引力场。
显示直接引力与微分引力之间区别的一个鲜明事例是海洋潮汐的幅度。虽然太阳对地球表面的直接引力比月亮的强180倍，太阳潮却比月亮潮弱得多。这是因为潮汐并不是由直接引力造成，而是由太阳和月亮对地球上不同点的引力的差异造成。对月亮来说这种差异是6％，而对太阳则只有1．7％。
牛顿理论把微分引力效应称作潮汐力。在太阳系里潮汐力是很弱的，而黑洞所产生的潮汐力却能把整个恒星撕碎。然而对广义相对论来说，用潮汐力来描述微分引力是完全多余的，因为这不是一种力学效应而纯粹是一种几何效应。为理解这一点，且看两只开始时沿平行路线滚动且相隔不远的高尔夫球（图8）。如果地面完全平坦，它们的轨迹将保持平行，否则它们的相对位置就会改变，一个鼓包会使它们离远，一个凹坑则会使它们靠拢。在宇宙高尔夫球场里，微分引力可以用时空“场地”的弯曲来表示。而且，由于引力总是吸引，这种弯曲就总是凹下而不是隆起。
因此，时空弯曲的深刻含义是指由等效原理所造就的引力与几何之间的联系。物体不是在引力迫使下在“平直”时空中运动，而是沿着弯曲时空的恒值线自由地行进。
弯曲几何
上帝以弯曲来显平直。
——共济会思想象（1782）
“弯曲”是一个日常用词。三维空间里的欧几里德几何允许我们讲一维的曲线和二维的曲面。圆是一个一维几何图形（只有长度，没有宽度和深度），其半径越短，则弯曲程度越大。反之，如果半径增至无限长，圆就变成了直线，失去了弯曲性。同样地，一个球面随其半径的无限增长也会变成一个平面（若不计地面的粗糙，则在局域尺度上看地球表面是平的）。
弯曲因而是有精确的几何定义的。但当维数增加时，定义变得复杂多了，弯曲程度不能再像圆的情况那样用一个数来描述，而必须讲“曲率”。且看一个简单情况即圆柱面，这是一个二维曲面（图约，平行于其对称轴所量度的曲率为零，而在垂直方向上的曲率则与截出的那个圆相等。
尽管曲率有多重性，仍然可以定义出一个固有曲率。在二维面上的每一个点都可以量出两个相互垂直方向上的弯曲半径，二者乘积的倒数就是曲面的固有曲率。如果两个弯曲半径是在曲面的同一侧，固有曲率就是正的；如果是在两侧，那就是负的。圆柱面的固有曲率为零，事实上它可以被切开平摊在桌面上而不会被扯破，而对一个球面就不可能这样做。
球面、圆柱面及其他任意二维曲面都“包理”在三维欧几里德空间里。这种来自现实生活的具体形象使我们觉得可以区分“内部”和“外部”，并且常说是一个面在空间里弯曲。但是，在纯粹的几何学里，一个二维曲面的性质可以不需要关于包含空间的任何知识而完全确定，更高维的情况也是如此。我们可以描绘四维宇宙的弯曲几何，不需要离开这个宇宙，也不需要参照什么假想的更大空间，且看这是如何做到的。
弯曲空间的数学理论是在19世纪，主要由本哈·黎曼（Bernhard Riemann）发展出来的。即使是最简单的情况，弯曲几何的特性也是欧几里德几何完全没有的。
再次考虑一个球面。这是一个二维空间，曲率为正值且均匀（各点都一样），因为两个曲率半径都等于球面的半径。连接球面上两个分离点的最短路线是一个大圆的一段弧，即以球心为中心画在球面上的一个圆的一部分。大圆之于球面正如直线之于平面，二者都是测地线，就是最短长度的曲线。一架不停顿地由巴黎飞往东京的飞机，最省时间的路线是先朝北飞，经过西伯利亚，再朝南飞，这才是最短程路线。由于所有大圆都是同心的，其中任何两个都相交于两点（例如，子午线相交于两极），换句话说，在球面上没有平行的“直线”。
已可看出欧几里德几何是被无情地践踏了。熟知的欧氏几何定律只能应用于没有任何弯曲的平坦空间，一旦有任何弯曲，这些定律就被完全推翻了。球面最明显的几何性质是：与平面上直线的无限延伸不同，如果谁沿着球面上的直线（即沿着大圆）运动，他将总是从相反方向上回到出发点。因此，球面是有限的，或者说封闭的，尽管它没有终极，没有边界（大圆是没有终端的）。球面正是具有任何维数的有限空间的理想原型（由于自转、地形及潮汐等因素，地球表面不是精确的球面，但它同样具有上述性质）。
现在来考查一下负曲率空间的情况。为简单起见，限于二维，典型的例子是双曲面，形如马鞍。如果也沿着这个面上的一条直线运动，一般说来不会再返回出发点，而是无限地远离。像平面一样，双曲面也是开放面，但仅此而已。作为一个曲面，双曲面根本不再是欧几里德型的。
大多数曲面并不像球面或双曲面那样具有处处都为正或为负的曲率，而是曲率值逐点变化，正负号在面上不同区域也会改变。
几何与物质
物质所在，几何所在（Ubi materia，ibi geometria）。
——约翰斯·开普勒（JOhaunes Kopler）
我们现在来考虑广义相对论的四维几何。重要的是，时空是弯曲的，而不仅是空间。黎曼曾试图以弯曲空间来使电磁学和引力相和谐，他之所以未成功，是因为没有扭住时间的“脖子”。
设想我们把石块掷向地面上10米外的靶子。在地球引力作用下石块将沿连接出手处和靶子的抛物线飞行，其最大高度取决于初始速度。如果石块以10米／秒的速度掷出，并将用1．5秒钟落到目标，则其最大高度为3米。如果改成用枪射击，且子弹初速为500米／秒，则子弹将沿高为0．5毫米的弧线用0．02秒钟击中目标；如果子弹被射到12公里高的空中再落到靶子上（忽略空气的影响和地球自转），它的总飞行时间就大约是100秒。由此推至极限，也可以用速度为3 0公里／秒的光线来射靶子，这时的轨道弯曲变得难以觉察，几乎成了一条直线。显然，所有这些抛物线的曲率半径各不相同。
现在加进时间维度（图14b）。无论对石块、于弹还是光子，在时空中量度的曲率半径都精确地相等，其值为1光年的星级。因此，更合理的说法是，时空轨道是“直”的，而时空本身被地心引力所弯曲，不受任何其他力的抛射体将沿测地线运动（等价于说沿弯曲几何中的直线运动）。
上面的例子表明时空是怎样在时间上弯曲得比在空间上厉害得多的。一旦所涉及的速度开始增大，时间曲率就变得重要。公路上凸起了一小块，只是空间曲率的一点小小不整齐，一个徒步慢行的人很难觉察到，但对一辆以120公里／小时的速度行驶的汽车来说却很危险，因为它造成时间维度上大得多的变化。
阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）计算出，l吨的质量放在一个半径为5米的圆中心所造成的空间曲率改变，仅仅影响圆周与直径比值（即欧几里德几何中的…的小数点后第24位。
因此，要给时空造成可观的变化，就得有巨大的质量。地球表面的时空曲率半径如此之大（约1光年，即其自身半径的10亿倍）的事实说明地球的引力场，尽管给物体以98米／秒’的加速度，却是不够强的。对于地球附近的绝大多数物理实验，我们可以继续采用明可夫斯基时空和狭义相对论；欧几里德空间和牛顿力学在涉及的速度较小时也足够精确。
尽管局域地看来似乎平直，我们的宇宙实际上是被物质弄弯曲了。然而，弯曲效应变得明显仅仅是在高度集中的质量附近（例如黑洞），或者是在很大的尺度上（数百万光年，例如研究对象是由数千个星系组成的团）。最近发现的多重类星体是弯曲时空真实性的一个最好证据。一个遥远光源发出的光线沿不同路径穿过弯曲时空，使天文学家看到同一个天体的几个像
柔软的光
光……更多的光！
——歌德（Goethe）最后的话（1832）
狭义相对论时空的刚性结构也像牛顿空间一样被引力的冲击完全破坏了。时空连续体变得柔软了，被它所包含的物质扭曲了，而物质又按照它的弯曲而运动。
不过，光线的轨迹仍然是沿着最短路径。这个时空“软体”的结构仍然是由光编织的，广义相对论的本质也仍能由光锥来表示出来。
另一种使弯曲时空及其对物质的影响形象化的有用办法是用一块橡皮片。设想将时空的一部分缩减成二维，且由弹性材料构成。在没有任何别的物体时，橡皮保持平直。如果把一个球放在它上面，它就会变形，凹下一个坑，球的质量越大，凹得就越深。这种似乎是空想的表示方式，可以用所谓镶嵌图来使之具有数学上的严格性，本书第12章将对此作详细介绍，以解释黑洞的某些奇特性质。图16用这种方式来表现光线经过太阳附近时的偏折，以及日食时对恒星视位置的观测结果。
爱因斯坦方程
随着爱因斯坦的预言被首次宣布获得证实，关于物理学家将必须研究张量理论的观点才真正激起他们的巨大热情。
——（ A·Whitehead）（ 1920）
所有理论都有自己的方程式。爱因斯坦引力场方程把时空变形的程度与引力源的性质和运动联系了起来，物质告诉时空必须如河弯曲，而时空告诉物质必须如何运动。
爱因斯坦方程是极为复杂的，其中涉及的物理量不再只是力和加速度，而是还有距离和时间间隔。它们是张量，这种量的每一个都像一张有着多项条目的表格，包含着关于几何和物质的所有信息。
引力对物质的作用比电力更为复杂，从而需要有比标量（纯数）和矢量（有三个分量）更复杂的数学术语来进行描述。为认识这一点，我们可回顾在牛顿引力理论中只有物体的引力质量才是引力源，这个质量是由一个固着地联系于物体的纯数来表示的。在爱因斯坦理论中，引力质量只是与物体相联系的总引力量的一个分量。狭义相对论（它对于一个引力可看作均匀的小时空区域总是适用的）已经证明，所有形式的能量都与质量等价，从而都能产生引力。一个物体的能量是与观测者的相对运动有关的。对于一个静止物体，所有的能量都包括在它的“静质量”中（E＝thC‘！）；但物体一且运动，其动能就会产生质量，从而产生引力。要计算一个物体的引力效应，就必须把它的静止能量与描述其运动的“动量矢量”结合起来，这就是对引力源的完整描述需要使用“能量一动量张量”的缘故。
更有甚者，对时空中的每一点都需要20个数来描述其弯曲情况。时间和空间的几何变形因此需要有“曲率张量”（我们记得，曲率随着维数的增多变得越来越复杂）。爱因斯坦方程正是描述曲率张量与能量一动量张量之间的关系，把二者分别放在一个等式的两边：物质制造曲率，而曲率使物质运动。
本书并不试图详细讲述爱因斯坦方程。曲率张量和能量一动量张量的不同分量是如此紧密地相互联系着，以至于一般说来不可能找到方程的精确解，甚至不可能从整体上定义什么是空间，什么是时间。我们不得不把引力源加以理想化，才有可能算出一点什么来。有鉴于此，迄今已找到的解（描述着各种弯曲时空）大多与真实的时空毫不相干。在这个意义上，爱因斯坦方程的内涵是太丰富了，它允许无数个有着稀奇古怪性质的理论上的宇宙。
这种丰富性或许损害了爱因斯坦理论的可信性，但是，我们不要由此以为广义相对论只预言那些不可能观测或是超越人类理解力的东西。恰恰相反，爱因斯坦既是一位物理学家，也是一位哲学家，他试图描述我们的这个宇宙，并且从太阳系开始。运用他的方程的近似解，他首先计算出了太阳系里三个不能由牛顿引力定律得出而又可观测的引力效应：太阳附近光线的偏折，水星轨道的异常，引力场中电磁波频率的变小。下一节将讲述广义相对论这三个预言的成功。
除此之外，还有一些自然界存在的情况，其中对引力源所作的简化被证明是完全合理的，相应得出的爱因斯坦方程精确解就能对宇宙的这一部分或那一部分给出很好的描述。看似奇怪的是，这种简化在两个极端的距离尺度上最富成效。我们能够计算真空中一个孤立物体所产生的引力场（也就是该物体周围的时空变形）。一颗恒星的周围区域（例如太阳系）或一个黑洞的附近，都能由这个解来很好地描述，因为这些情况的物质高度集中于一个小时空区域，周围近乎真空。在另一个极端，我们能够计算宇宙整体的平均引力场（宇宙的整体几何），因为在很大的尺度上物质是大致均匀地铺开的，星系就像是均匀的宇宙气体中的分子。广义相对论因而使我们能建立宇宙学，即研究宇宙整体的形状和演化。在相对论天体物理学于70年代出现之前，宇宙学是广义相对论真正得到应用的唯一领域，当然，是和黑洞一起。
广义相对论的第三个主要应用，即引力波，恐怕不得不等到对世纪。爱因斯坦方程在引力理论中的地位，相当于麦克斯韦方程之于电磁学。现在我们都知道电荷的加速产生电磁波，类似地，广义相对论预言引力源的运动也产生波，即曲率的起伏在弹性时空结构中以光速传播。对引力波的更详细介绍见第18章。
检验广义相对论
在许多意义上，理论物理学家只是穿了工作服的哲学家。
——（ I，· BerylhaPll）（ 1949）
爱因斯坦提议用来检验广义相对论的三项观测是光线在太阳附近的偏折，水星轨道的异常和引力场中原子谱线的红移。
光线经过太阳附近时的偏折（如图16所示）是在1919年日食时观测到的，结果与爱因斯坦的计算值一致。
第二项检验涉及行星运动。按照牛顿天体力学，一个孤立行星是在一个固定的椭圆轨道上围绕太阳运转（椭圆的主轴不动）。由于其他行星的存在，这个运动受到干扰，椭圆轨道会缓慢地进动。1859年，法国天文学家勒维叶发现，水星的近日点（即其轨道上离太阳最近的点）进动得比牛顿理论预期的要快（图17）。对外层行星（主要是木星）弓l起的扰动的详细计算得出，水星进动速率应为每百年5514角秒，而实际进动是每百年5557角秒，多出43角秒（一个圆是360“，每一度是3600角秒）。这个异常显然很小（每经过三百万年水星轨道才会比理论值超前一圈），但是牛顿理论在它所运用的领域是如此精确，因而必须对这一现象作出解释。
最自然的设想似乎是还存在一个扰动物体，可能是一个围绕太阳的物质环，或者甚至是一个未知行星。类似的考虑已经使勒维叶成名，他在1846年通过对天王星轨道扰动的分析预言了另一个行星即海王星的存在，随后很快就被证实。勒维叶试图重显辉煌，说是在太阳与水星之间还有一个行星，并取名为火神星。他计算出火神星会很罕见地越过太阳盘面（只有这时才有希望由它投在日面上的阴影来探测它）。但在1877年，刚巧在他预言的火神星超过日面的时间之前，他去世了，因而不会知道自己的失败。那一天所有的望远镜都对着太阳，但是火神星固执地拒不出现。
以解释水星近日点进动为唯一目标，出现了许多稍加修改的牛顿式引力理论。当时已经知道，其他行星也有类似的近日点进动，如金星、地球和小行星伊卡鲁斯，但那些能解释一个行星行为的理论却不适用于别的行星。
后来，由于注意到显示近日点进动的是最靠近太阳的那些行星，天文学家开始寻找由太阳内部产生的扰动力。太阳显然不是精确球形的，这种变形原则上能引起近日点进动。然而实际上太阳还是太圆了，牛顿引力理论，无论经过修改与否，仍然被这一小撮古怪行星挫败。
1916年爱因斯坦广义相对论终于为行星近日点进动提供了一个目洽的统一的解释。进动并不是由一种来自太阳的神秘引力所引起，行星是在由太阳质量所弯曲的时空中自由运动。它们的轨道是测地线，而由太阳质量所弯曲的时空连续体的测地线并不是严格的椭圆或双曲线，轨线的轴会随时间而缓慢进动，理论计算的进动速率精确等于观测值（图18）。
爱因斯坦提出的第三项检验是关于光在引力场中的表观“慢化”。电磁辐射的频率减小，波长相应地增大，即所谓“红化”（红光在可见光谱中波长最长）。要以现有的实验精度来检验广义相对论，太阳上的这种效应就太微弱了，即使是密度比太阳大得多，能给光线施加更强束缚力的恒星（例如白矮星，见第5章），由于其光谱受磁场和星体内部物质不明运动的影响很大，因而很难把各种效应区分开来。
这第三项检验简单地就是引力场中时间弹性的另一种说法。狭义相对论已经证明，加速使钟变慢（双生子佯谬）。按照等效原理，就可以得出结论，引力也会使钟变慢：一楼的钟就会走得比二楼的钟慢。
直到爱因斯坦逝世以后，才能造出足够精确的钟来测量地球这样弱的引力场中的时间弹性。
1960年，哈佛大学的物理学家以千分之一的精度测出了沿垂向下落23米的伽玛射线的频率移动（伽玛射线是一种高能电磁辐射）。观测太阳附近光线的偏折必须等日食到来，检验水星近日点是否进动得太快需要一个世纪的观测资料积累，而现在有了可按设计重复进行的实验室测量。一个繁荣的实验引力时代开始了。
从1976年起，超稳定即精确度为一千万亿分之一的钟被放到了高空飞机上，那里的引力比地面上减弱的程度应当可以测量出来。这种飞行的电磁钟与在地面实验室里同样的钟作了比较。二者的速率确有差别，而且与广义相对论预言的结果完全一致。
空间探测器的出现使得测量太阳引力场更显著一些的时间弹性效应成为可能。用雷达发射器向位于太阳另一侧的一个空间探测器发出一个无线电讯号，讯号被探测器反射并返回地球，全程的时间在地球上记量，被太阳引力变曲的几何使得这个时间与讯号在平坦真空中传播的时间不同。这个实验是在1971年用水手号探测器进行的，它再次证实了时间延迟效应。
也许有人要问，为什么要做这么多很花钱的实验去证实一个看来已经很好的理论？回答是，所有这些广义相对论实验都只涉及太阳系的引力场，而这个场是处处都很弱的，也是定常态的（即不随时间变化）。这个繁荣的实验引力时代激发了理论家们的想象，许多引力理论被提出来与爱因斯坦理论竞争。那些理论大多含有一些附加参量，可以由发明者随意调节。这类理论中最著名的一个是由德国物理学家帕索·约丹（PascualJordan）和法国物理学家叶维·舍里（Yves Thir对提出，后来由美国物理学家卡尔·布兰斯（Carl Brans）和罗伯特·迪克（Robert Dick）所发展的（迪克本人对实验引力的发展有着卓越的贡献）。
由于附加参量的灵活性，那些理论可以被调节得能说明太阳系里观测到的所有效应。那么，怎么能确定究竟那一个理论是正确的呢？
只有通过分析所有这些理论对强的、动态的（即随时间迅速变化）引力场情况所作的预测，才得作出回答。然而在相当长的时期里，自然界并未给我们提供合适的检验场所，直到1974年双脉冲星的发现，情况才有大变。这两个靠得很近且相互绕转的中子星的轨道周期在变短，观测结果与爱因斯坦理论一致，而与所有其他参与竞争的理论都不相符。
理论的魅力
这个理论的魅力在于，一旦对它有了恰当的理解，就不可能不为之深深吸引。
——阿尔伯特·爱因斯坦
广义相对论无疑是人类有史以来最辉煌的智力业绩之一，而且是由一个人单独完成的。
1911年，在布拉格大学工作的爱因斯坦首次计算了光线在引力场中的偏折。他的结果本应在1914年日食时检验，但是第一次世界大战的爆发使这个计划搁浅。这对爱因斯坦来说倒是幸运的，因为他的理论在当时还不成熟，他的预测是错的。然而，他没有因挫折而丧气，他承认自己是一个科学上的“偏执狂”。英国物理学家泡尔·狄拉克（Paul Dirac）后来说道：“科学完全占据了爱因斯坦的思维。如果他给你一杯茶，当你在用匙搅动时，他就会在思考如何对杯中茶叶的运动作出科学解释。”
爱因斯坦于1915年11月完善了他的广义相对论方程，并陆续于11月4日、11日、18日和25日在《柏林报告》（BerlinerBench比）上发表，他的理论从此走上了灿烂的历程。最早的两本有关专著于1918年出版，一本是在伦敦，作者是阿瑟·爱丁顿（那时，德国科学在英国受到冷遇，英国图书馆不再接收德国期刊。爱丁顿读到的爱因斯坦论文，是他的一个德国朋友邮寄的，可能是英国仅有的一份）；另一本是在柏林，由赫曼·魏尔出ermann We 周写成。光线经过太阳附近时的偏折，是1919年5月29日日食时在巴西的索布拉尔观测到的，这应感谢弗兰克·戴森（Frank Dvson）和爱丁顿的热忱。对爱因斯坦预言的证实是皇家学会于1919年间月6日在伦敦举行的一次著名会议上宣布的。
那时，第一次世界大战刚刚结束。整个世界恶梦初醒、疲惫不堪，而又在寻求着新的理想。爱因斯坦理论以其关于弯曲空间的稀奇思想抓住了公众的想象，尽管一般人连其中的一个字都不懂。无数的科普文章出现在通俗的和专业的期刊上，人们都被迷住了，相对论成了时髦的话题。爱因斯坦成了世界上最负盛名的思想家，无论是什么方面的问题，都有人去问他的观点。美国以隆重的仪式欢迎了他，他成了公众的偶像
科学界的反应就复杂得多。有的人为爱因斯坦独行侠式的创造所倾倒，赞美之词超过以前之于牛顿。“思辨威力的一个最美妙的例证”，赫曼·魏尔这样宣称，并且又毫不犹豫地加上：“遮掩真理的墙已被推倒”。马克斯·玻恩（Max Born）则在1955年说是“人类智慧最伟大的成就”。值得强调的是，在物理学家中，对广义相对论最强烈支持的是那些能够理解它的人。
另一方面，那些拒不接受这个理论的人也是太过分了。很难不提一位物理学家波阿色（H·Bouasse）的令人惊讶的评论：“这种在我看来将是短命的赞誉，是由于爱因斯坦理论不属于物理理论的范畴，它是一种先验的、凌驾于一切之上的、不可理解的假设，给它的成功予以模棱两可的理由……最后，我们实验物理学家要说的是：我们只接受那些适合我们的理论，我们拒绝那些我们不能理解因而对我们无用的理论。”
广义相对论的另一个激烈反对者阿尔瓦·古尔斯胜（AllvarGullstrand），是瑞典的眼科学家和数学家，1911年诺贝尔生理学奖获得者，也是诺贝尔物理学奖委员会成员。这或许就是为什么1921年授予爱因斯坦诺贝尔奖是“特别由于他对支配光电效应的定律的发现”，而不是由于他的相对论。
法国物理学家约翰·爱森斯塔（Jean Eisenstaedt）评论道：“这种偏见就像正派的绅士们憎恨本世纪产生的立体派、非图形派和达达派绘画。那些纳土们庆贺自己不懂新艺术，而嘲笑表示赞扬的人是不懂装懂的假内行。”
这里，对科学和艺术创造二者的对照是恰当的。广义相对论常被比作一项优美的抽象艺术创作，然而一个理论的优美并不保证它的正确，注重实用的物理学家需要时间来确认它符合自己的原则。国际天文学联合会（它每三年举行一次全世界天文学家的大会）于1922年热情地设立了一个“相对论”委员会，它只开过一次会，然后就决定再继续活动是无益的。
时至今日，论争仍未结束。然而相对论是在发展壮大，尤其是在过去的近30年里，其起因则是来自奇特的遥远星球的闪烁信号首次进入了大型射电望远镜。
第二篇：火中凤凰
星星是树上的金果，可望而不可及。
——乔治·艾略特（ Geofge Eliot）
引言
科学是以简单的无形来代替复杂的有形。
——约翰·成林（Jean Perrin）
几年前，一个天体物理学家在他的报告中这样宣称：“恒星是一种很简单的东西。”一个听讲者马上回敬：“你站到100光年之外，也会显得很简单！”
后者的话是正确而又深刻的。尽管我们只能观察太阳的“皮肤”，仍可看到许多奇异的现象：米粒、黑子、喷发和日饵，只是由于巨大的距离，其他恒星才缩为夜空的点点闪光。地球上能收到的只是恒星的辐射，这是它们内部庞杂活动的一点隐约的微弱的反响。由这点反响中分析出来的信息是令人惊叹的，然而最终还是需要有理论家来弄懂恒星整体的行为。“理论”总是意味着“简化”，即去掉那些非本质的东西，以抓住问题的核心。本书也将以这样的方式来进入丰富多彩的恒星世界。
按照这个简单化观点，一颗恒星可以用几个词来描述：一个巨大的热气体球。但是，这每一个词都有深刻含义，需要仔细琢磨。
“气体球”意味着一种平衡态。例如，我们知道太阳在过去的50亿年中没有什么实质变化，这似乎出人意料，因为我们在地球上已经熟悉自由气体总趋于弥散并充满周围空间。与此截然不同，恒星的气体并不弥散，而是保持在一个确定的体积之内。“巨大的”这个形容词提供了解开这第一个谜的关键：对于恒星这样大的质量，引力完全支配着物质的结构，恒星中的每个原子都被吸引朝向中心，而原子之间的相互吸引又保证了气体的粘结；类似地，只要恒星的自转不是太快，引力也决定了恒星的形状几乎是一个完美的球形。
可能又会有人觉得奇怪：既然恒星中的所有粒子都被吸引朝向中心，为什么恒星不因此而收缩呢？答案就在“热”这个词上：热，作为一种能量，是在一个发光恒星的中心产生的。这种能量朝恒星表面传递，并且能够支撑恒星的重量，到达表面的能量就作为辐射而脱离恒星。
在任何关于恒星的讨论中，有一个词会反复出现，即引力。它在恒星诞生时就存在，又是它导致恒星的死亡。恒星的一生就是对自身重量的持久、拚死的反抗。持久，是因为恒星在演化的每个阶段都能有新的能源来维持自己；拚死，是因为这个反抗注定是要失败的，或迟或早，引力终将获胜，恒星终将坍缩。
引力对恒星命运的这种绝对威力也在更大得多的尺度上重现，支配着宇宙中所有的大尺度结构。恒星、星团和星系都在引力收缩中诞生，也在引力收缩中死亡。
黑洞正是恒星的一种残骸。在我看来，它又是最精美的，因为它是引力收缩的极点，极端到几乎荒唐。所以，我把对黑洞的讨论推迟，而先对恒星的命运作一概述：它们如何诞生，如何发光，又如何死亡。
第四章 从黎明到黄昏
恒星的诞生
像雨一样，恒星也是气体云中凝聚成的微滴。但是，如果把太空中的条件与地球上相比，就可以说恒星几乎是从虚无中产生出来的。我们所呼吸的空气，每立方厘米中有3000亿亿个原子，两星际云每立方厘米只有几十个原子。数百光年范围的星际云物质才够组成几千个太阳。星际云的化学成分也与空气不同，每16个红原子（常构成分子）对1个氦原子，另外还有微量的更复杂原子，如碳、氮和铁。
星际云不仅稀薄，而且很冷，最高为开氏100度（开氏度是相对于绝对零度来量度的温度，绝对零度是理论上的最低可能温度，等于摄氏一273度，开氏
100度因此就是摄氏零下173度）。这种气体云将无限期地保持稳定在这样一种状态上，即决定其平均温度的原子运动，与企图把原子拉到～起的引力相平衡，因此，只有在星际云受到抗动时，恒星微滴才能凝聚出来。
有几种机制能使星际云浓缩并己践恒星的诞生。在所谓旋涡星系里，恒星集中在由星系中心孩球伸出的巨大旋臂上，旋臂绕着核球缓慢转动。太阳座落在猎户座旋臂上，绕银河系中心转一周的时间是二亿年。由于这些旋转的臂运送着物质，它们就在星际介质中传播着一个密度超出，因而导致星际云的收缩并引发恒星形成。
另一个恒星形成模型是以这样一个美妙的主意为基础的，即一颗星的诞生或死亡会对大量新恒星的凝聚过程起催化作用。一颗恒星在星际云的中心诞生了，它的强烈辐射就会加热和压缩星际云的外部区域，造成一种凝聚的“传染”。一颗大恒星以超新星形式（见第6章）完成的激变式的死亡也有类似的效应：这颗星的碎片以每秒数万公里的速度推进，沿途冲撞，把星际云转变成许多新恒星。
星际云一旦开始浓缩，就变成不透明的。这时它停止吸收别的恒星的光，并冷却到几乎绝对零度。云中的原子运动慢到几乎要冻结，它们的相互引力压倒了内部热运动，而云中物质的分布总是不完全均匀的，总有一些小团块，其中的原子比周围多几个；也有一些空洞，那里少了几个原子。物质产生引力，每个团块周围的引力场就比较强。这种不平衡的引力就把周围那些很冷因而运动得很慢的原子拉过来，捕获的原子又使引力进一步增强，团块就这样变成了更紧密的球，其大小有数十亿公里，含有几个恒星的质量。
在这个阶段，一种关键的机制，即所谓金斯不稳定性，变得重要了：在弥散物质中，一个局部的密度峰在超过某一临界质量时会变得不稳定。这个峰于是与其余物质分离，并形成一个稳定的、由自身引力维持在一起的系统。这正是上面所说的球所发生的情况：它太冷了，不足以支撑自身的重量，于是它收缩，与星际云的其他部分脱离。在它收缩时，中心的气体被压紧，压强、温度和密度都增大。变热的气体开始辐射能量，原来黑暗的球现在发出了红光。
一颗“星”就这样诞生了，但它还不能称为恒星，因为它没能辐射足够的能量以支撑自己。这颗原恒星因而继续收缩，尽管是以慢得多的速率。只有当核心温度达到1000万开氏度时，氢才开始通过热核反应而燃烧。这种新能量充满了原恒星的核心，使它稳定下来。它现在成了一颗恒星。
火的抗争
啊，太阳，是用烈火来争辩的时候了。
——归劳默·阿波里纳瑞（ Guolaume APOllinaire）
在反抗引力的持久斗争中，恒星的主要武器是核能。它的核心就是一颗大核弹，在那里不断地爆炸。正是因为这种核动力能自我调节得几乎精确地与引力平衡，恒星才能在长达数十亿年的时间里保持稳定。
热核反应发生在极高温度的原子核之间，因而涉及物质的基本结构。在太阳这样的恒星中心，温度达到1500万开氏度，任强则为地球大气压的3000亿倍（地球大气压是每平方厘米1千克重）。在这样的条件下，不仅原子失去了所有电子而只剩下核，而且原子核的运动速度也是如此之高，以至于能够克服电排斥力而结合起来，这就是核聚变。让我们进一步看看这是怎样发生的。
恒星是在氢分子云的中心产生的，因而主要由氢组成。氢是最简单的化学元素，它的原子核就是一个带正电荷的质子，还有一个带负电荷的电于绕核旋转。恒星内部的温度高到使所有电子都与质子分离，而质子就像气体中的分子在所有方向上运动。由于同种电荷互相排斥，质子就被一种电“盔甲”保护着，从而与其他质子保持着距离。但是，在年轻恒星核心的1500万开氏度的高温下，质于运动得如此之快，以至于当它们相互碰撞时就能够冲破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那样再弹开。
四个质子聚合，就成为一个氦核。氦是宇宙中第二位最丰富的元素（地球上的氦已消失殆尽，它是一种稀有气体，可用来填充热气球。氦在恒星中产生并不是它在宇宙中丰度很大的原因。绝大多数氦是在宇宙最初的几分钟里，和氢以及其他几种轻元素一起形成的）。氦核的质量小于它赖以形成的四个质子质量之和。这个质量差只是总质量的一个很小部分（7浙），但是借助于爱因斯坦发现的质能等效性，这一点质量损失可以转化为巨大的能量。l 千克氢变成氦时所释放的能量，与燃烧200吨碳所产生的相同，足以使一只100瓦的灯泡长明100万年。太阳这样的恒星有一个巨大的核，在那里当然不是1千克，而是每秒钟有6亿吨氢变成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈冲击就能阻止引力收缩。
氢变成氨的反应有几种可能的途径，或称为反应链。最常见的是质子一质子链（只需要氢核）和碳一氮一氧循环（一种用碳、氮、氧这些重元素作催化剂的闭合链）。太阳的能量主要由质子工质子反应产生，而质量更大的恒星有更高温的核心，更适于碳一氮一氧循环的进行。然而，即使在高温下，氢的燃烧速率还是很低的，在质子一质子反应里，平均说来每个质子要等上140亿年才能与其他三个质子聚合成一个氦核（对碳一氮一氧反应来说则“仅仅”是1300万年）。这个“天文”时间解释了为什么恒星停留在核燃烧状态如此之久，也表明了恒星核心氢原子核数量之巨大。
1945年7月16日，在美国新墨西哥州的阿拉莫果多，第一颗人造原子弹爆炸了。但这是一颗裂变炸弹，与恒星里的不同，核能量是通过把比质子重很多的核分裂而释放出来的。后来的氢弹才是利用质子聚变，从而更逼真地模仿了恒星。然而与恒星的相似也只此而已，二者核反应的详细过程是不同的。氢弹里的质子不需要等候一百多亿年才能聚合，链反应所必需的成分是由外部提供的，而在恒星核心则是以很低的速率产生出来。
但是，最重要的是，人类还不能控制氢聚变，从而用之于和平目的。我们还不知道怎样建造一个能够承受反应所需的巨大压强和温度的容器。恒星能自然地造出反应炉，而我们不能。恒星的巨大质量所产生的引力把质子限制在一个恰当的体积内，这个巨型反应堆就稳定了，能量的产生得到了控制。
生命之路漫漫
明亮的星啊，我愿像你一样坚定。
——约翰·济慈（JOhn Eeats）
太阳中心释放的能量作为光子（光粒子）辐射出来，然而光子要经过漫长的路程才能到达太阳表面并逃逸到行星际空间，在那里吹动若星的尾巴，加热行星的冰冷外壳。与人们的直觉相反，虽然光子的速度将近30万公里／秒，而太阳的半径是70万公里，从太阳中心发出的光子到达表面的时间却并不是2．3秒。平均说来那些光子得花1000万年才能走完这段路程。我们在地球上现在收到的阳光，是8分钟前离开太阳表面的，但是它从太阳核。已产生之时，猿类和早已灭绝的柱牙象还在非洲行走，而非洲与欧亚大陆还不相连。
理由很简单：光子在恒星内部并不沿直线运动，而是由于与无数电子的碰撞而不断地改变路径（电子与质子同为恒星物质的主要成分）。假如太阳核心现在突然熄灭，阳光在今后1000万年里仍将继续照亮地球。
因此，恒星的生命历程极为规则。天空中的几乎所有星星，无论是用肉眼还是用望远镜看到的，都是与太阳类似的恒星，它们的核心正熊熊燃烧着氢。这种极稳定的状态长达恒星整个核反应寿命的四％，并被称为主序（见附录1）。我们的太阳已经平静地处在主序态上50亿年了，不停地把它的氢转变成氦，它的生命之路正好走了一半。
红色的赞美诗
然而，太阳的“恒定”演化终将结束，熊熊烈火将变为余烬，并完全熄灭。当所有的氢都变成了氦时，核心的火就没有燃料来维持，恒星在主序阶段的平静日子就到了尽头，大动荡的时期来到了。
一巨燃料用光，热核反应的速率立即剧减，引力与辐射压之间的平衡被打破，引力占了上风。有着氦核和氢外壳的恒星，在自身的重力下收缩，压强、密度和温度都随之升高，于是恒星外层尚未动用过的氢开始燃烧，外壳开始膨胀（而核心区在收缩）。
通过自然界精巧的炼金术，许多元素都能由热核反应而变成别的元素。但是，由于较重的核带有更多的正电荷，它们之间的相互排斥就比质子之间要强（质量越大的原子，其核中的质子越多，电荷也就越多。原子核里还有一种不带电的粒子，称为中子，见第6章）。相应地，重核就必须有非常高的速度才能克服电斥力而聚合，也就是说，它们的转变需要的温度高于1500万开氏度。
在1亿度的高温下，恒星核区的氨原子核能聚变成碳原子核，每3个氦核变成1个碳核，碳核又能再捕获别的氦核而形成氧核。这些新反应的速度完全不同于缓慢的氢聚变。它们像闪电一样快地突然起爆（故被称为“氦闪耀”），而恒星不得不尽可能地相应调整自己的结构。大约经过100万年后，核能量的流出稳定下来。在此后的几亿年里，恒星又得到暂时的平稳，核区的氦在消耗，而氢的燃烧则越来越向更外层推进。但是，这个调整是要代价的，这时的恒星将膨胀得极大，远胜过寓言里的怪物，以使自己的结构适应于光度的增大。它的体积将增大10亿倍。在这个过程中恒星的颜色会改变，因为其外层与高温的核心区相距很远，温度就低了下来。这种状态的恒星称为红巨星。
尽管表面温度很低，红巨星却极为明亮，因为它们的体积巨大。肉眼能看到的最亮的星有许多是红巨星，参宿四、毕宿五、大角、心宿工，就是其中几例。太阳自己也将在50记或60亿年里变成一个红色“巨兽”。当核心的氢燃完时，太阳就将开始膨胀，距它20万公里的小行星水星将化为蒸气，金星的大气将被吹光，地球上的海洋都将沸腾。然后太阳还会继续膨胀，并把地球吞没，因为太阳在其红巨星阶段的最大半径将超过目前地球公转轨道半径（1．5亿公里）。地球那被烧焦的残骸将继续在巨太阳灼热而极稀薄的大气里转圈子，红巨星外层物质的密度比地球实验室里能得到的最好真空还要低得多。
第五章 灰烬与钻石
红巨星远不是恒星一生的终结。引力现在变得比以往更为重要。一个恒星的命运是完全由其质量决定的（至少对单颗星是如此，双星的情况则还有别的因素起作用，这将在以后讨论），质量越大的恒星演化得越快，核燃料也就消耗得越快。太阳的整个热核反应阶段约是120亿年，质量10倍于太阳的恒星，核阶段就要短1000倍。另外，核反应的产物也不一样。质量最大的恒星里产生出最重的元素，这一点将在下一章 中再谈。现在先来看看像太阳这样质量较适中的恒星的命运。
红巨星的碳一氧核不再发生热核反应。外壳的重量不足以使这个核受到充分的压缩，但是核的周围仍然活跃。氢层和氨层先后燃烧，一点一点地耗掉恒星的储备，一步一步地延伸到外壳。这种很节约的“蚕食”所产生的能量仅能断断续续地支撑外层的重量。这种痛苦挣扎的恒星不能再稳定自己，而是开始脉动。这种状态持续数千年。以前曾是极为稳定的恒星现在不顾一切地背道而驰，它像孩子们的气球一样一胀一缩，每次都喷出一团气体。最后，它的外层全都脱落，只剩下一个裸露的碳一氧核。
被抛出的气体，也就是灰烬，形成一个行星状星云，那萎缩的残骸则注定成为一块钻石，这就是白矮星。
行星状星云
行星状星云那洋洋大观的外流气体不仅将是太阳，也是所有质量在1到8倍太阳质量（记为Mal之间即中等尺度恒星的产物（以后用Mgh示太阳质量2。id3克，这是常用的天文质量单位）。更小的恒星却如此节俭，以至于自诞生以后几乎不怎么演化；而更大的恒星则高速燃烧，最后以雄壮的爆发来结束自己的存在。
第～个行星状星云是安东尼·达古尔（Antoine Darguier）于门对年在天琴座发现的，他找到一个看似行星并“像木星一样大”的天体。类似的星很快又被陆续看到。威廉·赫歇尔（William Herschel），音乐家和天王星的发现者，把这一类新的天体起名为“行星状星云”，一半是因为它们是星云，一半是因为他认为能从中得到对行星形成的解释。这后一半他是搞错了，但“行星状”这个词却作为一个将错就错的天文词汇沿用下来。就是“星云”一词，虽然稍好一点，也只是反映了当时观测仪器的能力。那时的天文学还处在～种仅凭表现形态收集天体标本的水平，即把那个人们难以觉察的世界里的东西尽量罗列出来，这有点像植物学。查尔斯·梅西叶（Charles Messier）就是这样一个大“植物学家”，他的主要兴趣是在香星上（路易十四称他为“参星雪貂”）。
1781年他编制了一份有103个星云的表，那些星云看似童星，但不在天空中运动。有了这个表，香星“猎手”们就不再会把自己的目标与这些模糊的、不动的神秘斑块相混淆。
梅西叶表在今天仍对业余天文学家很有帮助。它实际上包含了许多不同类型的天体，有行星状星云（夫琴座的那一个在表中被列为第57号），有由亿万恒星组成的遥远星系，也有属于我们银河系的星际云和星团。
画家的调色板
为什么行星状星云，这种从正在死亡的小型恒星中喷出的气体的遗迹，会成为最引人注意的星体之一呢？这是因为星云的气体能拦截来自中心星炽热表面的辐射。中心星表面温度有2万开氏度，其主要辐射就不是可见光，而是紫外线。这种辐射携带的能量比可见光大（见表1），因而能够激发星云中的原子。在这些光子的连续轰击下，电子跳跃到更高的轨道，然后再落回原来的轨道，并发出一种特征颜色的辐射，这种现象称为气体发荧光。气体中的每种原子（氢、碳、氧）都吸收紫外辐射并再发出其他波长的辐射，其颜色就成为该种元素的标志。
星云的内区最靠近中心星，因而最大程度地暴露在紫外辐射下，氧和氮被激发并辐射它们的特征颜色——绿色。在星云外区，紫外辐射由于被吸收而减弱，因而只能使氢激发，并发射出红光。
行星状星云演化得很快，其最大直径从不超过1光年。它的气体以10到30公里／秒的速度膨胀，越来越稀薄，在不到10万年的时间内完全消失在星际空间。这在天文尺度上是段很短的时间，由此可以估计出银河系中总共存在2万至5万个行星状星云，每年形成一到二个。其中只有大约1000个能看得到，其余的都被银河系盘的尘埃所遮掩。
白矮星之园
奇怪的天体，固执地显示一种与其光度不符的光谱，最终能告诉我们的会比那些按常规辐射的天体要多。
——阿瑟·爱T顿（1922）
行星状星云的灰烬之所以使天文学家感兴趣，是因为它们把碳、氮和氧散布在星际媒质中，然而，无论是在观测还是在理论的意义上，那颗残存的中心星的命运则更为诱人。
在恒星大膨胀成为红巨星，热核反应速率也不可逆转地衰减之后，恒星吹出气体并收缩到地球那样大小，即几千公里直径。物质的浓缩使得星体表面温度大为升高，以至真正成为白热。小尺度和高表面温度这两个特征使这种星得名为白矮星。
白矮星首次在天文学里出现是在1834年，那时弗里德里希·贝塞尔（FriedrichBessel）正在对天空中最亮的恒星——天狼星本动进行仔细研究。这颗星除了绕银河系中心缓慢运动外，还有一个微小的周期性扰动。这表明它属于一个双星系统，那个伴星的质量与太阳相似。这样质量的恒星在这个距离上应该是看得见的，但却看不到。这颗神秘的星被叫作天狼B星，30年后才被阿尔文·克拉克（Alvan Clarke）找着。它的光度比天狼星弱1万倍，就像是耀眼阳光下的烛焰。
天狼星的光度这样弱，其表面温度似乎就应该很低。1917年瓦尔特·亚当斯（Walter Adams）拍摄了它的光谱，发现它很白（表明温度在开氏8000度以上），而不是原来预期的红色（约1300开氏度）。怎么才能把低光度和高温度相调和呢？决定恒星光度的因素不仅是温度，还有尺度，于是最可能的解释就是天狼B星的半径极小，跟地球差不多。
这里出现了科学研究中的典型情况（这使得研究更有刺激性）：一个问题刚解决，另一些原来没想到的问题就出现了。对天狼B星来说，光度问题可以由要求其尺度与行星相当来解决。但是，一个尺度像行星那么小而质量像太阳那么大的恒星，其平均密度必然达到800于克／立方厘米，比地球上已知密度最高的金属（例如金或钻）还要高4万倍。这样的密度相当于把埃菲尔铁塔压缩到30立方厘米的体积内。
这些数字使对年代的物理学家大为惊讶，阿瑟·爱丁顿自己都说是“荒唐”，然而这是事实，而理论必须与观测证据相符。而且天狼B星也不是第一个不守常规的星，波江座40的伴星已经显示其表面温度不遵守与光度的通常关系。在后来的几年中，白矮星的名单迅速增长，紧迫地需要回答的问题是：白矮星是由什么组成的？
简并物质
直到20世纪初，物理学家还从来没有想象过能有比地球上可见到的物质更密集的物质状态存在。水、岩石、木材和人体的密度全都在同一量级，即每立方厘米1克至见克。只是由于星子力学理论的发展，科学家才得以理解为什么这些常见物质都具有这样的性质。
在原子中，带负电的电子被带正电的核以电引力所束缚，并不停地绕核旋转。正如气体分子对容器壁的不断撞击造成压力一样，被核束缚的电子也能产生一种压力以防止物质的收缩超过一定限度。这个限度是由沃尔夫冈·泡利（WolfgangPauli）于1925年提出的不相容原理来决定的。
形象地说，这条基本物理原理规定了基本“居室”的存在，每个“居室”最多只能容纳两名居民。在“常见”物质中（即密度与水相似），大多数“居室”都是空着的。正由于这个道理，我们说常见物质中有着大片真空：原子核集中了原子的绝大部分质量，而电子运转的轨道是如此之远，假如核的大小如一粒弹子，则电子轨道亦即整个原子的尺度就伸到两公里外。
重要的是，在解释这种早已司空见惯的物质性质的同时，量子力学还预言了物质的所谓简并态的可能存在，其特征就是所有基本“居室”都被粒子充满。
并不是任何种类的物质都能成为简并态。基本粒子按其在高密度或低温度时集体行为的不同可以分成两大类：一是费米子，得名于意大利物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）二是玻色子，得名于印度物理学家萨迪恩德拉·玻色（SatyendraBose），他在这个问题上与爱因斯坦合作。区分这两类粒子的重要特征是自旋。自旋是基本粒子的一种与其角动量（粗略地讲就是半径与转动速度的乘积）相联系的内禀性质。鼻子力学所揭示的一个重要之点是，自旋是量子化的，这就是说，它只能取一定的分离值，即一个被称为“正则普朗克常数”的基本常数h的整数或半整数倍。在日常生活中，自旋的分离值完全不可觉察，因为h是如此之小，宏观物体具有庞大的自旋。一只小孩玩的陀螺的自旅大到矿哈。因此，只有在原子尺度上自旋的不连续性才变得显著，其他量子化的物理量也是如此，例如能量。
赛米于与玻色子的不同在于，前者具有半整数目旋。而后者具有整数目旋门h，lh，Zh 等等）。原子的基本组分质子、中子和电子，都是自旋为＊h的费米子，光子是自旋为lh的玻色子。泡利得出了一条基本原理：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态（这条规则不适用于玻色子）。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米于群的可能性，让我们更进一步看看这是为什么。
在原子里，一个电子的量子态是由其能量（是电子轨道的函数）和自旋取向来确定的。自旅只能取两个方向之一，要么“朝上”，要么“朝产，这取决于自旋是与轨道同向还是反向。由泡刮不相容原理就可得出，一个能量已定的轨道至多只能被两个电子占据，它们的自旋方向相反。任何第三个电子在这个轨道上的存在是被自然界禁止的。
现在来考虑一个盒子里的电子气。一个电子的量子态由其能量、线动量（质量与速度的乘积）和自旋来确定。按照量干力学，能量和动量也是量子化的物理量，只能取分离的值。因此，如果电子气被压缩到越来越小的体积里，那么终将达到这样一个限度，即所有的能量和动量级都被具有所有可能自旋取向的电子所占据。这时不相容原理起作用，阻止电子气进一步变稠密。电子产生出一种巨大的内部“量子”压力，称为简并压，以反抗任何再缩小体积的企图。简并压的特征是与温度无关，不像通常的气体压强那样与气体温度成正比。
白矮星揭秘
我处在压力下，然而我能承受。
——位世界网球明星
英国科学家拉尔夫·富勒（RalPh Fowler）第一个把量子力学应用于天体物理。他在1925年提出，一个没有内部辐射压的恒星的引力收缩能够迫使所有电子占据所有可能的鼻子态，因而白矮星的收缩能被电子的简并压阻止。
紧随其后，威廉·安德森（William Anderson）证明，当密度超过每立方厘米1吨时，电子的速度接近光速。这时的电子被称为相对论性的，其运动服从狭义相对论，而不再是伽利略力学。由量子力学知道，对一个给定密度，相对论性粒子产生的压力比慢粒子的要小。这正是白矮星不可能具有任意大质量的根本原因。
这个导致理论天体物理革命性变化的重大发现是由印度天体物理学家苏伯拉赫曼彦·钱德拉塞卡（SubrahmanyanChandrasekhar）作出的。在1931年的一篇著名论文中，他证明白矮星有一个最大允许的质量，并计算出来是1．4Mde这个结果引起了一场激烈的争论。爱丁顿斥之为荒谬，因为它意味着那些质量远大于太阳的恒星的命运变得秘不可知（钱德拉塞卡也有许多关于那些超常恒星内部结构的重要论文。他后来还同样成功地解决了许多别的天体物理问题，并获得了1983年的诺贝尔奖），然而钱德拉塞卡是正确的。按照当今的计算，诞生时质量高到SM的恒星仍能形成质量为1．4M。的白矮星，因为那些星在其～生中以星风的形式丢失掉如此多的物质，以至于其质量减小到钱德拉塞卡限度以下。质量更大的恒星的命运将在后面介绍预言中子星和黑洞存在的理论时予以阐述。
热的与冷的
白矮星，中等质量恒星演化的终点，在银河系中到处都能见到。估计它们目前占恒星总数的10％（即约100亿颗），而这个百分比只会随时间增大。
这一百亿颗白矮星中，只有几千颗已被记录在第。它们的光度非常低，只有那些最靠近我们的才能被探测到。寻找孤立自矮星的方法之一是研究自行很大，因而是距离较近的恒星，摄取它们的光谱以确定其颜色，再由它们在光度一颜色图（见附录1）上的位置就可以确凿地判定是白矮星或走低质量恒星。
让我们再进一步看看白矮星。它的质量越大（直到1．4Mk）的上限，半径就越小，因为引力有利于简并物质的收缩和压紧。在白矮星内，原子结构被破坏了，电子脱离了原子核的束缚，自由地在“简并海”中运动。尽管电子已极其密集，仍然有很多空间，原子核仍相互离得很远，与其本身大小相比，核的行为仍像空气中的分子。
白矮星的物理结构主要决定于电子海的情况，而热结构则决定于原子核的运动。由于简并电子是热的优良导体，整个白矮星内部就像一块炽热的金属。新形成的白矮星内部温度达到开氏1亿度，老的白矮星则降到几百万度。虽然温度如此之高，热能仍远小于电子的静质量能量。这表明温度对保持白矮星平衡的作用是微不足道的。事实上，尽管白矮星的温度比太阳还高，仍可正确地把它作为绝对零度来处理。
处在寒冷的星际空间，白矮星内部是由一个厚度为几公里的薄层来保护的，这个薄层是很不透明的、高度绝缘的，由温度低于10万度的非简并物质组成。这个温度虽比太阳表面高10倍，但由于发射面积很小，总光度也就很低，白矮星就成了很难在远距离上探测到的阴暗幽灵。
结晶成黑矮星
由于没有热核反应来提供新能量，白矮星在发出辐射的同时，也以同样速率冷却。但是，白矮星本性节俭，它在形成后要经过数十亿年的冷却时间。起初，非简并的原子核像普通气体中的分子一样自由运动，它们的动能决定着温度。由于辐射，动能逐渐丢失，这样，一个关键时刻终将到来，那就是核的剩余动能已小于其静电能，核就会被囚禁在一个刚性结构里。运动逐渐慢下来，核组成为一种晶格，而简并电子继续在晶格中自由运动。年老的白矮星最终停止了辐射，变成一个比钻石还要硬的巨大晶体，这就是黑矮星。
白矮星的变暗过程是如此之慢，自70亿年前宇宙划生和第～批恒星出现以来，恐怕还没有一个黑矮星形成，这里需要极大的耐心。太阳现正处在其主序阶段的中点，还要经过50亿年才到行星状星云那样的“高龄”，它将再短暂地活跃10万年，然后成为一颗白矮星并在100亿年中缓慢地死去，最后作为一颗黑矮星而永存。
再度辉煌
像太阳这样的单个恒星是少数，银河系里的恒星多数都以双星方式存在。还有的是三颗、四颗或五颗由引力紧密地联系着。白矮星天狼B星有一个伙伴，但相隔太远，彼此没有什么影响。作为一个孤独的白矮星，天狼B星很可能注定要无可挽回地冷下去。但是，如果两颗星靠得足够近，白矮星的长期演化就会被改变。
导致改变的主要原因是两颗星之间的物质转移。白矮星的那个伴星，如果是很靠近，或者是在大膨胀状态（红巨星），其表层物质就会被白矮星的引力吸过去。一般说来，由于双星轨道运动的离心力，吸过来的物质不会直接落到白矮星表面，而是环绕白矮星形成一个大致扁平的结构，叫做吸积盘（图19）。从伴星继续到达的气体流对盘的撞击会导致很强的局部加热，形成热斑。热斑可以像恒星那样亮，从而成为白矮星存在的间接证据。在别的情况，尤其是如果白矮星是高度磁化的，盘不能形成，而气体沿着磁力线偏转并落向白矮星的两个磁极。气体到达白矮星表面时的撞击会产生快速变化着的光学、紫外甚至X射线辐射，白矮星就会闪烁不定地变亮，因而可以被看见，这样的双星系统被称为激变变星。
这样一种相对稳定的安排会被一个强烈而又突然的活动期所打断，其结果就表现为一颗新星。这个名称本来是指一类光度突然变大接着又缓慢暗淡下去的星。实际上，新星包含各种不同的类型，涉及很大范围的现象，但都与一个双星系统中的致密星有关。
新星的机制几乎可以肯定是一种表面热核爆发。气体连续不断地落到白矮星表面，并被引力场所压缩和加热。当物质积累到一定程度时，作为其主要成分的氢突然聚变，白矮星外层爆发。在几个星期的时间内，白矮星光辉夺目，以至于那些远在银河系边缘上的白矮星也能被观测到。
有些新星是再发的，就是在相隔几个月后重复爆发。其余的新星则只爆发一次，并释放出大得多的能量。迄今观察到的最明亮新星之一是天鹅座1975新星，它以太阳100万倍的光度照耀了三天。爆发强度与再发周期之间的这种关系证实了双星中物质转移的模型，因为释放的能量是对已积累在白矮星表面的物质总量的量度。
一颗“正常”星和一颗“致密”星之间物质转移的机制在许多高能天文现象中起着关键作用。第四篇里将更详细地叙述这～点，因为密近双星系统有时能提供黑洞存在的强有力证据，否则这些黑洞是完全不可见的。
第六章 超新星
核阶梯
自然界的元素不只是氢、氦、碳和氧，生命物质、木材、土壤和岩石中都含有一些硅、镁、硫、磷、铁和其他重原子，这些原子的核中都有20个以上的质子和中子。如果这些元素不能在太阳和大多数恒星里制造，它们又是来自何处呢？
仍然是来自恒星，不过只是很小一部分恒星，即质量最大的那些。只有在离开主序时质量超过SM的恒星才能制造重原子核。恒星中被外层重量压紧的核心就是“炼金炉”，原料就是氢和氦燃烧的“炉渣”，即碳和氧，冶炼过程在温度升到6亿开氏度时开始。
在这个温度上碳再也保不住了，相互猛撞并聚合成氛和镁，一条生产线就此建立，因为每个新的热核反应都释放更多的能量，使温度升得更高，从而使新的转变成为可能。在10亿度时，氖核夺得一个氦核而形成镁，在15亿度时氧也开始燃烧，产生一系列更重的元素：硫、硅和磷，在30亿度时硅燃烧，并引发几百种核反应，使炉子里的温度越来越高。在再往后的几千种反应的熊熊烈火中，更重也更珍贵的元素被制造出来。这是恒星生命的最后阶段，这些反应的突发性也越来越强，越重的元素燃烧的时间就越短。对于一个质量为25M的“模型”星，碳的燃烧持续600年，氛是1年，氧是6个月，而硅只有1天。
巨型“洋葱头”
核转变并不能就以这种速率无限制地继续下去，反应的洪流最后都朝着～个元素汇集：铁。铁的原子核报特殊，其中的56个质子和中子结合得如此紧密，没有一种聚变能量能使它们分开，铁就成了大质量恒星核心的最后灰烬。
现在的恒星由一个已停止热核反应的核心和仍在接连地燃烧的外层组成。恒星只得不断地膨胀其外壳以调节平衡，它会膨胀到一个巨大的尺度，成为红超巨星。
红超巨星是宇宙中最大的恒星。如果把这样一个星放在太阳系中心，它将吞没所有行星，包括远在扣亿公里外的冥王星。红超巨星的内部结构有时被描绘成像一个洋葱头，因为它包含许多在燃烧着不同化学元素的同心层。最轻的元素在温度最低的外层燃烧，而最重的元素在紧贴着那个呆滞铁核的内层燃烧。
中子化
虽然铁核的温度在10亿度以上，却没有能量从中流出。它太“冷”了，不足以使超巨星维持引力平衡，铁核就会被压得更紧密，其中的电子成为简并。当简并电子的巨大压力能暂时地支持外层的重量时，恒星活动会出现一个间歇。
但是我们记得，简并电子不能支撑超过1．4／的质量，超过钱德拉塞卡极限就不可能有引力与电子压力的平衡。新的铁会继续不断地在紧靠超巨星核的层里产生，由于重量大，这些铁会下沉并进入核心。当核心里铁和简并电子的质量一超过钱德拉塞卡极限，那个致命的时刻就来到了。
所有质量大于10M（包括核和外层）的恒星都能产生出一个质量在1．4M以上的核，这时的密度达到10记克／立方厘米。电子已简并的核突然塌陷，剧烈收缩，在十分之一秒内，温度猛升到50亿度。涌出的光子带有如此大的能量，以至于将铁原子核炸开，蜕变成氨原子核。这个过程叫作光致蜕变。
与增大原子核尺度并释放能量的核聚变反应不同，光致蜕变使原子核破烈并吸收能量。恒星核心的平衡发生了前所未有的急剧变化，越来越不能抵挡无情的重压，温度持续上升，直到氦核本身也蜕变成其基本成分：质子、中于和电子。在这样的高温下，电子的速度接近光速，因此，虽然处在简并态，电子变得更不能阻挡压缩力，在0．l秒里它们被挤压到与质子结合在一起。二者的电荷相中和，变成为中子，同时迸发出巨大的中微子流
中微子（即微小的中性粒子）是泡利于1931年预言而在1956年才被后人实际探测到的一种基本粒子。通常情况下，中微于几乎不与其他物质发生相互作用，因而能够飞行很大的距离而不被阻挡或改变路径。但在大质量恒星的内向爆炸的核心，中子化所释放的中微子洪流具有巨大的能量，使得恒星外壳也受到震动，并吸收相当大一部分中微子，其余的中微子则以光速逃离恒星，并毫无阻挡地超过星际空间。
中子和质子一样，也是原子核的一种成分（即是一种核子）。它在1932年才被发现，因为它单独存在时很不稳定。一旦它从原子核里分离出来，就只有很短的寿命，在大约10分钟后自动蜕变，失去其电中性，产生出一个质子、一个电子和一个反中微子（反中微子是中微子的反粒子，自由中子的蜕变是坍缩恒星核心发生的质子俘获电子反应的逆反应）。
现在，最重要的时刻来到了：中子的自旋是半整数，是一种费米子，像电子一样服从泡利不相容原理。但是，中子的“占据体积”要小得多，两个中子之间的间隔可以小到10－”厘米，也就是说，中子可以互相碰到。于是，中子化就伴随有一场物质的内向爆炸和密度朝着简并态的巨大增长。恒星开始坍缩的0．25秒后，密度达到10’‘克／厘米3（相当于在一只缝纫顶针里有1亿吨质量）。这正是原子核的密度，就像是通常物质中的电子都被移去，而原子核互相挨在一起。在恒星核里再没有任何“真空”留下，恒星核就成了一种主要由中子组成的巨大原子核，这种远比白矮星紧密的新的物质简并态，就叫做中子星。
爆发
物质一旦达到核密度，就不可能再作任何进一步的压缩。恒星的非中子化外层以大约4万公里／秒的速度落到其中子化核心的表面，在那里撞上了一堵无比坚硬的墙。外层物质被突然挡住，并反弹回来，形成冲击波（冲击波是一种不连续释在介质中的传播，这个锋导致介质的压强、温度、密度等物理性质的跳跃式改变。在自然界，所有的爆发情况都伴有冲击波，冲击波总是在物质膨胀速度变得大于局域声速时发生。一架飞机的速度超过330米／秒，“声屏障”就被打破，同时伴随有一个在大气层传播的冲击波，并产生一个声“爆炸”）。
在引力坍缩中，随着外层物质的弹回，冲击波由中心向外传播，并在几天后到达恒星表面。它带有极其巨大的能量，毫不含糊地把恒星整个外区轰得粉碎，并沿径向向外吹得四散。我们的25M的“模型星”将喷射掉24M的质量，只剩下一个l／①的中于星。这个现象就称为超新星。
超新星爆发的这种激烈程度的确令人难以置信。它在几天内所倾泻的能量就像恒星在主序期的几亿年里所辐射的那样多。它的光度增大数十亿倍，因此在几天里这颗“新”星看上去就像一整个星系那样明亮。
相比之下，伴随着恒星收缩为白矮星而发生的行星状星云现象就显得是一种很平静的死亡，是一种次级葬礼；超新星爆发则是一种壮烈的死，喷射出更多的灰烬，而留下一具更紧密的星骸。
超新星吹出的气体不仅给星际介质送来了在“洋葱头”里形成的丰富的重元素，而且对星系演化起着比行星状星云更重要的作用。巨大分子云中整代恒星的诞生就是由附近的超新星爆发所引发。50亿年前，当太阳以及与之相随的小行星、流星、若星和行星从原初云中产生出来时，银河系的年龄已有100亿年，许多大质量恒星已经烧光，它们的灰烬已遍布于银河系内。今日地球上的重元素就是从那些早已消失的恒星的核里来的。
观察超新星
超新星现象当然不限于我们银河系里的大质量星。但由于现亮度随距离急剧减弱，只是在本世纪的大望远镜出现后，才能观察其他星系里的超新星爆发。迄今为止，在几十万个邻近星系中，已看到几百个超新星，平均每个月出现两个，可以估计出一个星系里超新星爆发的频率大约是每百年4个。
用肉眼只能看到银河系内的星。有文字记录的天文观察已经2000年了，在这段时间里银河系应该有100个左右超新星爆发，但只有很少几个被记录下来。
造成这个大差额的主要原因是太阳系位于银河盘面上（即在夜空里看到的那条亮带）。银河盘本来正是大多数产生超新星的大质量恒星所在的地方，但由于盘上大量尘埃对可见光的吸收，光的穿透程度大为降低。从地球上只能探测到盘面上几百光年的距离，也就是说只能进入银河系那最有趣味的区域的很小一部分（后面将会看到，射电、红外和X射线辐射被吸收较少，因而能到达地球）。
随着观测天文学的发展，人们应当能够克服这个困难。超新星爆发时不仅发射光子，而且还有别的能够不被宇宙尘遮挡的辐射，尤其是中微子极为丰富，又能飞越许多光年而不与其他物质发生作用。如果能在地球上探测到它们，我们就有了一个关于发射源的全新信息的宝库。问题是如何探测它们，因为它们几乎不与别的物质作用，当然也就难以与通常的观测仪器发生作用。
太阳核心的热核反应也产生恒定的中微子流，其中极其微小的一部分能在地球上被探测到，所用装置是～个盛有600吨四氯化碳并理在南达科塔一个金矿坑里的巨大容器。中微子击中这个奇特游泳池中的氯原子使之变成氨，而氛可以被提取出来（欧洲的一个更新的实验是用爆来作靶子）。超新星中微子的能量比太阳中微子更高，探测它们的装置本来是为别的目的而设计的。粒子物理学家已经建造了巨大的地下水池（以遮蔽宇宙线）来探测质子衰变和相应的光闪耀。由最近粒子作用统～理论提出的有限质子寿命问题是很重要的，因为质于是原子核的基本成分。迄今尚未探测到一个质子衰变。另一方面，这些水探测器对高能反中微子很灵敏（例如来自附近超新星的反中微子），一个反中微子与水池中的一个质子作用，生成一个中子和一个正电子（电子的反粒子）。这个反应会发出一个切仑柯夫辐射闪耀，并能被浸在水池中的数千个光电阴极的某一些记录下来。此技术在1987年2月超新星1987A 出现时获得了令人欣喜的成功，后文将再谈到。
超新星的另一种类型的辐射可能更有价值，它不是电磁也不是中微于辐射，而是引力辐射（引力波的问题将在第18章更详细地介绍）。爱因斯坦广义相对论预言了引力场迅速变化时曲率波的传播，这种波在恒星坍缩时应当产生。到2000年，引力望远镜应当能探测到远达1亿光年之外的超新星爆发的信号，在这个距离上横亘着几千个星系，望远镜应能每个月探测到一次引力辐射爆发。
历史上的超新星
虽然我们寄希望于明天的天文学，但决不能只是耐心等待恒星痛苦地死亡。历史上的天文学是一个不需再花钱的信息宝库，前人的文字记载里包含的天文学财富正等待我们去使用。
远在望远镜发明之前，大质量恒星的剧烈死亡已在观测天文学的历史记载里留下了踪迹。在远东，职业天文学家（通常是星占学家）被统治者雇佣来观察天空，报告和解释突发的事件。在中国的多个朝代里有许多这种事件的相当详细的记载，其中有些记载甚至是公元前200年幸存下来的。更古老的记载被很遗憾地毁坏了，这个无可挽回的损失是由于一个人的过分骄横，他就是秦始皇——自称是中国第一个“真正的”皇帝。他决定，世界的历史从他的统治开始，于是在公元前对3年下令焚书，大多数古老的文献就此丧失了。
幸运的是，中国并不是唯一的对天文学有热烈兴趣的国家。日本和朝鲜自公元前1000年起一直进行固定的天文观测，于是就可能找到不同国家对同一事件所作的同时记载，使得科学家们能够鉴别那些常被很含糊地描述的现象。
历史上有记载的超新星的确切数目还不得而知，但不会超过10个。不过，并不是所有的记载都被对天文学有兴趣的历史学家搜集到了，而被不懂得东方语言的天文史家搜集的甚至会更少。
由中国人观察到的头三个超新星只被很简短地记录下来。一个于公元185年出现于半人马座，有20个月之久能被看到；第H个是公元396年在天揭座，持续了8个月；另一个也在天蝎座，时间是公元827年。
公元1006年豺狼座超新星有着足够多的来自不同区域的记载，因而其可靠性可以确认。欧洲人（中世纪欧洲的修道院作了记载）、阿拉伯人、中国人和日本人都看到了它。它可见于肉眼达25个月之久，而且，按照来自伊拉克的描述，它明亮得超过了弦月。
一颗星的证认
我深深鞠躬。我看到一颗客星出现，它有闪光，黄色……国家将繁荣昌盛。
——标推德，皇家天文学家（ 1054）
历史上最著名的超新星（至少就我们所知）是1054年由日本人和中国人观察到的。最细致的描述由一位熟知星象的中国宋代宫廷天文学家标准德作出。未至和元年五月已丑日——1054年7月4目一一杨修德注意到了天空中一颗奇怪的星出现，日出前几分钟，～颗陌生的星升起到地平线上，比金星或天空中能见到的任何星都明亮得多。这位皇家天文学家称之为“客星”，并记录下来，他向皇上报告，并解释说这是一个吉祥的预兆，然后继续仔细地观察。客星在对天里白昼都能看见，在两年里夜晚可以看见。它最后消失了，结束了奇观。杨谁搞所看到的，是一个光度为太阳25亿倍的超新星爆发（由于这颗星的距离，爆发实际上是在他看到之前5000年发生的）。
这一切都被遗忘了，一直到一位英国业余天文学家约翰·贝维斯（John Bevis）于门引年在金牛座发现一个星云，这个弥漫状天体在著名的梅西叶表中被列为第一号。罗斯（Ross）勋爵于18M年依其形状而命名为“蟹状星云”。1919年，多亏中国史料被翻译，瑞典天文学家隆德马克（Lundmark）首先意识到蟹状星云与1054年超新星之间的联系。最后，埃德温·哈勃（Edwin Hubble），现代宇宙学之父，1928年测出了蟹状星云的膨胀速度，并由此反推出它的年龄大约是900年，与爆发时间1054年相符，爆发星与其气体残余之间的联系再也无可怀疑。
文艺复兴时期的超新星
1572年后座超新星在西方由丹麦天文学家第谷·布拉赫（Tycho Brah动观察到。在几天里它像金星一样明亮，作为第一颗被科学地细查的超新星，它有着非常重要的历史意义。在那个时代，希腊人和阿拉伯人那种地球处于宇宙中心，恒星都固定在一个遥远天球上的观念仍普遍被接受。第谷·布拉赫证明这颗星的距离比月亮要远，因而是在固定恒星的天球上。他使已被哥白尼理论怀疑的恒星不变论彻底动摇，从而为约翰斯·开普勒的伟大天文革命打下了基础。
20世纪使用的“超新星”这个名称也是由1572年的爆发而得来的，因为它就如同一颗普通新星放在只有几十光年处那样明亮。但是，在这样小的距离上如果有～颗星，即新星的残余，应当能由望远镜观测到，而事实上却没有。所以1572年的新星必然是比普通新星亮得多也远得多。弗里兹·兹维基（Zwicky）和瓦尔特·巴德（Walter Baade）由此而于1937年提出了超新星这个名称。
1604年超新星在欧洲、中国和朝鲜被同时观察到。它常被称为开普勒超新星，因为是这位著名的德国天文学家确定了它的精确位置。1943年，瓦尔特·巴德发现了围绕着爆发位置的星云。
银河系中有记载的超新星表到此为止（也许仙后座A除外，见下文），其中的最后～个也已是将近400年前了。1987年2月，一颗超新星意外地不在银河系内，而在近邻的大麦哲伦云中爆发。这次爆发产生了巨大影响，在许多个月里使观测和理论天文学家们全神贯注、兴奋异常，本意最后一节将再谈到它。
爆发的残迹
让我看看你盘子里剩下什么，我就能说出你是谁。
——俄国谚语
虽然超新星的亮度增长只持续几个月，它所炸碎并吹到星际空间的残渣则能在长得多的时间里被观测到。因此，一个很久以前爆发的超新星的气体残余物今天仍能看到，不过，超新星的残渣相对说来还是比较短命的，其中一些已经很稀薄很微弱，它们的可见光不再能到达地球。但是，它们在膨胀时与星际介质碰撞共产生射电波和X射线，在可见光波段能观察到约20个超新星遗迹，在射电波段则有100个以上。
最著名的超新星遗迹是1054年爆发所产生的餐状星云。船机座超新星的遗迹古姆星云则是约公元前9000年爆发的产物，那时的人们一定看到了这次爆发，但是没能记录下来。它在最高光度时像上弦月一样明亮。美丽的天鹅座环的爆发更是早在2万到3万年以税
超新星遗迹含有关于爆发性质的丰富信息。超新星按其光度演化分成两类。第～类的最高光度比第二类的大，光度的衰减也更不规则，分成几个阶段。
理论天体物理学家仍在争论如何解释这种分类。其中一些人把两个类型的光谱作比较，认为只是简单地由于爆发星的化学成分不同。恒星依其化学成分和年龄分为两个星族。星族D是老年恒星，出现于星系形成之时，因而含有很少的“金属”（天体物理学家把氢和氨以外的元素都称为金属）。椭圆星系里和旋涡星系的晕里主要是这类恒星，椭圆星系里的气体已丧失殆尽，因而没有新恒星形成。星族I则是年轻恒星，这些恒星在旋涡星系的盘里形成，并在形成时就含有丰富的由前代恒星制造的“金属”。第一类超新星在旋涡星系和椭圆星系里都能观测到，而第二类超新星只见于旋涡星系。因此似乎可以设想第二类超新星发生于星族1恒星，而第一类超新星则是星族fi恒星。但是这种对应充其量也是粗浅的，实际情况很可能更复杂。
虽然理论家们一致同意第二类超新星是大质量（大于10M）恒星的爆发并伴随有中子里的形成，但对第一类超新星却众说纷法。模型研究表明，质量在1至SMpe间的孤立恒星的弓！力坍缩没有多大意义；产物是一个行星状星云和一个白矮星，或可能是一个中子星和低能量释放。另～方面，8至lap间的恒星能作为第一类超新星爆发，能量由碳的燃烧提供。
危险的加码
目前流行的一种解释引入了完全不同的爆发机制：第一类超新星要求有碳和氧组成的白矮星，并且是密近双星系统的一员。从伴星吸引过来的氨缓慢地积累在白矮星表面上，当外层的温度和密度达到一定限度时，氦聚变发生，导致光度剧增，然后又缓慢地衰减，正如第一类超新星爆发时所看到的那样。在这个模型里“超新星”才名副其实，即是爆发更多能量的新星（新星是双星系统中白矮星表面的氢聚变所造成的）。
这个双星模型的一个变种假定是白矮星接近其1．4Moo的稳定极限。白矮星表面上气体的不断堆积就会使其质量增加到超过这个危险的阈值。于是星体发生引力收缩，哪怕是微小的收缩也足以引起碳（白矮星的主要成分）反应并在瞬间转变为镍和铁。白矮星就在爆发中被摧毁。
最近又出现了这种“危险的加码”的～个新版本。由两个离得很近的白矮星组成的双星系统，其轨道能量会由于引力辐射而消耗，、两颗星就会在远短于宇宙年龄的时间内越靠越近，最后的猛烈碰撞所释放的能量就可能高到第～类超新星的规模。
总之，超新星模型的增多反映了理论天体物理学家面临的困难，他们所试图解释的是实验室里不可能得到的极端物质状态。
近处遇奇花
对仙后座A超新星遗迹的研究使得解释超新星爆发机制成为更复杂的问题。这个星云的优越性是在光学、X射线和射电波段都能看到它。对星云膨胀速度的测量表明那个超新星必定是1670年左右在仅为九千光年的距离处爆发的。但是没有任何有关的记录，尽管那个时候有许多天文学家在注视着天空，因而～个如此邻近的事件不可能被漏掉，更何况有一个月的时间它比天狼星还要明亮。最近有～些科学史研究者分析了天文学家罗亚尔·约翰·弗兰斯蒂德（Royal John Flamsteed）的著名星表（有漂亮的星座图），似乎发现了这个星的踪迹。这个星表是依据在1680年进行的观测而于1725年问世的，它在现在他后座A的位置上显示有一颗六等星（正是肉眼所能见的限度），被弗兰斯蒂德称为伙后座三但是在更早的星表里和后来从1835年开始汇集的星表里都见不到。包括弗兰斯蒂德在内，当时没有一个人注意到这颗微弱的恒星是刚刚在天空中出现的。
为什么爆发会显得如此微弱呢？也许是膨胀外壳里形成的极大量尘埃吸收了所有来自中心的光。但是，其他费解的事实降低了这种解释的可信性。一方面，铁的缺乏意味着这个星云的化学成分与第一和第二类起新星遗迹都不相同；另一方面，他后座A似乎并没有留下一颗中子星，因为一颗形成三百年的中子星的表面温度应当仍有开氏三百万度，因而应是一个可探测的X 射线源。这就是说，这可能是第三类超新星（也有人愿意称为出类），要罕见得多。其起因可能是～种不同的恒星爆发机制，即不是由恒星核心的引力坍缩而是由一种属于“沃尔夫一拉叶（Wol——aser）”型的极热恒星的不稳定性所引发。一个最近在法国萨克雷的核研究中心发展起来的理论模型得出，这种爆发的最大光度只是太阳的1亿倍，也就是比“正常的”超新星小十倍。这样一种爆发将使恒星完全瓦解，而不留下一具致密的残骸。
还有一种或许是更诱人的想法：恒星的简并核心仍然发生坍缩，但并不是形成中子星，而是形成黑洞。如后面将要谈到的，黑洞没有一个固体外壳，因而就不能使恒星的外层反弹，超新星的威力也就被大打折扣。
麦哲伦云里的超新星
1987年2月23──24日的夜晚，在智利的拉斯康帕纳斯天文台工作的加拿大天文学家伊安·谢尔顿（Ian Shelton），极其幸运地成为一颗超新星的第一位“专业”发现者（一名夜间助理人员刚刚用肉眼看到了这颗亮度为四等的星）。该超新星所在的大麦哲伦云是一个不规则星系，也是银河系的一个卫星系，距离大约为17万光年。一封紧急电报发到了国际天文学联合会，并立即在天文界引起了轰动。
这颗被命名为SN1987A的超新星，是1604年开普勒超新星以后肉眼可见的第一颗，也是距离最近的一颗。由于它只能在南半球看到，所以只有智利、澳大利亚和南非的天文台里的望远镜能投入使用。当夜幕降！临澳大利亚时，那里的一位天文学家证认出这颗超新星是一颗以前已知道的12等蓝巨星，叫做圣都立克（Sanduleak）69202o这就给理论家们提出了第一个有趣的问题，因为他们原来认为超新星是红巨星的爆发。第二个谜是，爆发星的光谱有氢的谱线，因而应归于第二类超新星（大质量星的爆发），但是它的光变曲线（即光度随时间的变化）从一开始就表现出与典型的第二类超新星很不同，尤其是，它的最大光度比预期值几乎小了一百倍。
获悉谢尔顿的发现之后，普林斯顿的理论家立即投入工作并在两天里写了一篇论文，“颠倒”地预言中微子探测器应当在超新星光学光度剧增之前几个小时就已捕获到中微子，并且算出了中微子的数目和能量。第二类超新星的中微子是由中子化即恒星核心坍缩时原子核对电子的捕获而产生的，中做子带走超新星的绝大部分能量，中微子光度与1亿个星系在1秒钟释放的光学能量相等。这个神话般的图像相当于地球表面上，或者我们的皮肤表面上，每平方厘米有1000亿个中做子穿过。
2月23日，超新星在光学波段出现之前将近22个小时，日本神冈一座矿井底部的水探测器在来自SN1987A的反中做子爆发的冲击下在11秒钟里闪烁了11次。这个结果由神冈研究组在连续苦干15天分析资料后宣布。稍后，一个美国小组也宣布了类似的结果：与日本的探测同一时间，克雷夫兰一座矿井深处的探测器也闪烁了8次。如果是南半球接收到超新星的光，那么正是北半球探测到它的中微子。一共才19个，收获虽然微小，却有着重大意义：不仅证实了SN1987A不是第～类超新星（双星系统中白矮星的爆发不发射中做子），而且开创了一个不只是光而且中做子也能在太阳以外的恒星探测到的新时代。
再回到光度曲线上来，它在最初几天的异常几个月后消失了：光度是钻56的放射性衰变所特有的指数衰减。这是理论模型的又～个胜利，因为这种元素正是大质量恒星爆炸核合成的主要产物。最初的异常可以通过追溯母体星的特殊性质来解释，它在爆发前是蓝的而不是红的。由于氦燃烧后的极度膨胀，圣都立克69202可能已经是一颗红超巨星，但由于吹了1万年的强大恒星风，其外壳已失去，这使它缩减为一个小尺度（功倍于太阳直径而不是500倍）的明亮蓝星。随着后来的日子里新资料的到达，理论家也忙于修改模型，以期与观测相合。然而对我们来说，还有最重要的问题：爆发的残骸是一个中子星还是一个黑洞？二者都有可能，因为母星的质量大约是太阳的20倍。四年来各种探测器都瞄准着爆发位置以搜寻中子星的痕迹（黑洞就“不那么有吸引力”，因为它不给出任何可探测的信号），除了几次假警报外，这些努力迄今都没有结果。这并不奇怪，残骸仍然被掩蔽在爆发星云的内层，但如果它是中子星，那么或早或迟，一旦最后～层面纱稀簿到能透光，它的面目就会显露出来。几年后，或者几十年后，来自中子星极热表面的X射线就会出现。我们或许能探究一个射电脉冲星婴儿的诞生，如果它的射电束正巧能扫过地球（见第7章），我们就可以合理地期望～个间接信号，例如膨胀的星云被中心脉冲星加热。无论发生的是什么，麦哲伦云超新星将成为本世纪最重大的天文事件之一。
第七章 脉冲星
科学是由理论和实验（对天文学来说是观测）来建立的，二者相互映照，时而这个领先，时而那个获胜。中子星是理论预言领先于观测发现的最美妙事例之一。
杰姆斯·查德威克（James Chadwick）爵士1932年在实验室里发现中于并获得1935年的诺贝尔奖。据说著名的俄国物理学家列夫·朗道（Lev Landau）和他的小组在发现中子后马上预测存在一种完全由中子组成的星，不幸的是，朗道没有立即发表自己的预测。两年后，两位密切注意粒子物理学发展的美国天体物理学家摘取了果实。由与白矮星类比而受到启发（拉尔夫·富勒提出白矮星是以电子简并压来支撑自身重量），弗里兹·兹维基和瓦尔特·巴德建议，中子能产生一种简并压，并能支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星残骸。他们俩对1054年超新星的遗迹蟹状星云很有兴趣，星云中心有一个萎缩的天体，但不是白矮星。
第二次世界大战爆发前不久，罗伯特·奥本海默（RobertOPPenheimer，后来的原子弹之父）和沃尔科夫（G·VolkofD提出了一种严格意义上的中子星理论。他们特别证明，对于质量与太阳相当的恒星，简并中子的流体静力学平衡是可以实现的。
他们的工作被天文界客气地置之一旁。卡米尔·弗拉马里昂（CammeNammaho…著名的《普通天文学》于1955年出版，在这本（首先激起我对天文学的热爱的）书中，仅有几行字提到兹维基的革命性理论，并说“这是些不可能由观测检验的含糊思想”。观测检验不得不再等待12年。
空中灯塔
我在这儿搞一项新技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率未同我们通讯。
——乔丝琳·贝尔（Jocelyn Bell）
1967年，剑桥大学一名年轻研究生乔丝琳·贝尔，从她的导师安托尼·休伊斯（Antnony Hewish）那里接受了一项任务，检查和改进用于测量遥远射电源辐射的新射电望远镜。在用手工分析记录器打出来的几百米长的微米波图纸时，她的兴趣被一个精确地每隔l．刀730133秒出现一次的周期性信号所吸引。贝尔小姐偶然发现的，正是一颗发出射电脉冲的星：脉冲星。
很快又陆续发现了其他的脉冲星。1968年在蟹状星云和船帆座超新星遗迹里也找到了脉冲星。在好几个月里，极大的兴奋甚至扩散到了天文界以外，有人认为，按如此精确的间隔到达的空中信号只能是来自人工源，是由一种像科幻小说里的“小绿人”那样的外星人瞄准我们发出的。在还没有正式名称时，头一批脉冲星曾被幽默地称作小绿人一号、二号等等。这只是天文学家开的玩笑，却被大众传媒想象为与外星人接触而兴奋激昂。
与此同时，理论天体物理学家在严肃地思考。1968年弗兰科·帕齐尼（FrancoPacini）和托马斯·歌尔德（ThomasGold）提出，脉冲星是快速旋转的中子里，他们的基本思想如下：中子星有强磁场，在场中运动的带电粒子（电子和质子）发出同步辐射，形成一个与中子星一起转动的射电波束，于是随着星体的自转，每当射电束扫过射电望远镜天线时，地球上就收到一个脉冲（图对）。这种灯塔效应的发生是因为中子显的自转轴和磁轴不重合，而这是天文学中常见的现象。
这个简单而又完整的解释立即被接受，成为专家们采用的有效模型。安托尼·休伊斯由于他的射电望远镜设计而获得1974年诺贝尔奖一一而脉冲星的发现只是在乔丝琳·贝尔博士论文的一个附录里被提到！
一类更极端的星
为什么脉冲星的旋转和磁场这么重要呢？
中子星是在质量足够大的恒星的核心坍缩时形成的。角动量守恒定律使最初很小的旋转速度放大到极高的值，这同冰上运动员收拢手臂来增加旋转速度是一样的道理。磁场线就像是冻结在恒星物质上，与星体一起转动，当恒星坍缩时，磁场线被挤紧，磁场就增强。
事实上在许多方面，中子星就是白矮星的一种更极端化的变体。它的半径大约只有7公里，从白矮星到中子星的尺度缩减甚至比从太阳到白矮星的缩减还要厉害，而与从红巨星到太阳的缩减相当。中子星的平均密度每立方厘米可不是1吨，而是1亿吨。太阳绕自己的轴每25天旋转一周（它是较差转动，转动速度与纬度有关），而中于星是作刚体转动，转～周还不到1秒钟（一般认为孤立自矮星要么转得很慢，要么根本不转）。磁场也是如此：太阳的磁场与地球的相似，约为1高斯2白矮星的磁场可达1亿高斯；而对中子星来说磁场是集中在一个小了几十亿倍的表面上，因而高到1 亿高斯（实验室里人工能得到的最高磁场是30万高斯，是由重量超过10吨的巨型电磁铁产生的）。正是这些极端的性质才使对中子星的探测成为可能。
中子星不可能在光谱的光学部分看到，因为它们的热光度虽然是由被加热到1000万度的表面发出，却由于表面积太小而极低。一个直径只有30公里的物体不可能在见光年以外的距离上被看到，而恒星之间的平均距离还远大于此。不过还是有少数脉冲星的光学辐射被探测到了，其中包括蟹状星云和船帆座的脉冲星。光学脉冲与射电脉冲精确同步。船帆座脉冲星是天空中已知最暗弱的星之一，比天狼星要暗200亿倍。
于是，由旋转和磁场所造成的周期性发射不仅在射电频率上而且也在更高的频率上被探测到了。即使在X射线和伽玛射线频率上所有的信号也被星体的旋转以同样方式调制。
狂啸与低语
一般认为，某些脉冲星的高能辐射是在中子星的极冠上发出的。沿磁场线落向极冠的带电粒子以高到接近于光速的速度撞击星体的坚硬外壳而使之剧烈升温。中子星简言之就是一个巨大的旋转磁体，其作用像一台发电机，一个每秒钟转一周的中子星能产生10’‘伏特的电压。在这种条件下，电力能够克服巨大的表面引力而使带电粒子释放并随之被加速。这些粒子立即产生高能伽玛射线，但这种辐射因被磁场抓住而难以逃离，于是转变成电子＼正电子（电子的反粒子）对。这些对又会湮灭而产生新的伽玛射线，这些伽玛射线稍后又产生出新的电子一正电子对，如此循环，直到辐射逃离这个区域。这个多重粒子产生的过程叫做级联，能使一个由里面释放的粒子产生出几千个粒子。
在脉冲星刮出的电磁旋风里，射电辐射只能算是一点“沙沙”声，但正是这点声响被我们的仪器收到了。脉冲星理论家正在构造脉冲星大气（又称为磁球，由于磁场的根本重要性）的模型，试图解释脉冲星辐射的所有细节。这就像由听声音来推断工厂里～架隐藏着的机器的运转状况。
脉冲星的熄灭
如同恒星的命运是由其质量控制一样，脉冲星的命运（这里是指其旋转周期的演化）是由初始磁场决定的。很容易推测出，脉冲星的旋转会随着其能量的损耗而一点点地减慢。由于能量的释放是由磁场造成的，对脉冲星减慢速率的测量就能用来计算中子星的磁场。
由于这个缘故，年轻中子星的旋转就比年老的要快得多。诞生于1054年的蟹状星云脉冲星当然还很年轻，它每秒钟转33次，而年老脉冲星的周期就可能是几秒钟。但是，脉冲星的周期不可能短于1毫秒，如果周期太短，脉冲星的固体外壳就会因承受不了离心力而破碎。
脉冲星的减慢速率是每秒10－“到10－”秒。这个极低的值仍然可以在一段几年长的时间里测量出来。旋转变得过慢，脉冲式的辐射也就消失了，脉冲星的寿命决不超过几百万年。
超新星与脉冲星
已经几次提到蟹状星云和船机座星云的脉冲星，它们是与著名超新星的遗迹相联系的。但是，在其他很有名的超新星遗迹里就没有找到脉冲星，像仙后座八天鹅座环、第谷超新星（1572）和开普勒超新星（1604）都是如此。脉冲星与超新星遗迹之间的联系是出乎意外的：在截至1991年已知的450颗脉冲星和20o个超新星遗迹中，只有三对结成了伴侣。
有好几种情况可以导致这个意外的结果。最简单的解释是超新星并不留下一个中于星，而是留下某种不同类型的残迹（完全粉碎，或是黑洞），或者是中子星虽在爆发中形成，但又被爆发推到了别处。事实上，母体星的引力坍缩可能并不是严格球对称的，由于旋转轴一般不与磁轴重合，物质的喷射是不对称的，在星体一侧以1万公里／秒的速度喷射出占总质量10％以上的物质，将给予脉冲星在相反方向上一个每秒数百公里的速度。这种现象就像枪射击时的反冲，是运用动量守恒定律的结果。反冲作用可以使超新星与刚形成的中子星分开，迫使天文学家到别的地方去寻找他们的脉冲星。
也可能许多脉冲星像其他恒星一样，原来是在双星系统中。如果伴星的质量足够大并且也发生了超新星爆发，爆发的威力可能足以使双星系统被撕开，并给予脉冲星（中子星）以如实际观测值那么大的速度（lk60公里／秒）。
对于几乎所有超新星遗迹中都未见脉冲星这一现象的另一种可能解释是，中子星是存在的，但脉冲辐射现象要么不够强，要么不能从地球上观测到。脉冲星辐射的基本特征是各向异性，脉冲星像一座灯塔，辐射是集中在一个与旋转轴有一定倾角的狭窄推里。如果发射锥的取向不适当，光束就永远不会扫过地球，因此，许多中子星虽然实际上是脉冲星，但不能被地球上的天文学家作为脉冲星观测到。
脉冲星一般都比超新星遗迹要老。脉冲射电辐射时期只是中子星寿命很有限的一段，但比超新星遗迹的寿命要长得多。由旋转减慢速率估计的脉冲星平均寿命约是300万年（但最老的在10亿年以上），在这个时间里也发出射电辐射的超新星星云已完全消散，于是，观测到的脉冲星就比超新星遗迹要多得多，银河系里脉冲星的总数可能高达数万。
空中旋转冠军
1982年发现了一颗每秒自转660次（即周期为1．5毫秒）的超快脉冲星。它的减慢速率是如此微小（每秒10‘9秒，即自转周期在100年里增大10rp秒），至比地球上用作“标准”时间的最好的钻原子钟还要精确。
这颗星被记为％R1937＋21（数字是其赤道坐标，即赤经为19时37分，赤纬为十21“），它提出了一个特别有趣的理论问题。如果它的磁制动是这么弱，磁场强度就必定比蟹状星云和船帆座星云脉冲星的磁场要小1万倍。但按照通常的关于脉冲星形成的观点，磁场很弱意味着年龄很大，而这又与其极高的旋转速度完全不符，怎样调解这个矛盾呢？
一个非常有吸引力的理论模型是，脉冲星是双星系统的一员，其旋转被来自伴星的气流加速。这个主意被最近发现的另外两个超快脉冲星所证实，一个的周期是5．5毫秒，另一个是6毫秒，它们都有明显的伴星。但是没有找到PSR1937－ZI的伴星，当然也有可能那伴星原是颗挨得很近的白矮星。这样一个系统的引力辐射将使轨道收缩，直到两颗星碰撞，白矮星被强大的潮汐力撕开而不复存在，中子星因受到碰撞，其旋转速度就增大到现在的观测值。
如同一颗属于双星系统的普通恒星的演化过程会由于两颗星之间的物质转移而改变一样，双星中脉冲星的演化也与孤立的脉冲星不同。对一些具有特征性磁场值和旋转速度值的脉冲星的观测绘中子星的形成以新的启示。有的中子星的确可以属于双星系统，它们不是直接形成于超新星核心的引力坍缩，而是由于白矮星因捕获身旁伴星的气体而不断增大质量，终于超过钱德拉塞卡极限而紧缩成中子星，就像最后如根草压垮了骆驼背。
脉冲双星的大贡献
迄今知道有一打射电脉冲星是在双星系统里。这种存在方式的好处之一是能够借以测定中于星的质量。这一打脉冲星中有一颗，即19N年发现的四RI叨3＋16，又远比所有其他的都重要得多。它在天鹰座，距离地球为17000光年，本身是一颗质量为1．4M＠的中子星，在被发现时的射电脉冲频率是每秒
16．94次（此后的旋转速度在衰减）。独特之处在于那颗“沉默”的伴星也是颗具有同样质量的中子星。两颗致密星靠得极近，相距只有几百万公里，以7小时45分的周期相互绕转。这个双星系统为广义相对论关于物质加速时以引力波形式辐射能量的预言提供了一个理想的检验（见第18章）。双星轨道能量的损耗必然导致轨道的收缩，而表现为轨道周期的缓慢衰减。
根据爱因斯坦理论所作的计算与在12年里仔细记录的观测结果精确相符。大多数其他的引力理论则与这些观测不符。PSR1913＋16的轨道周期每年减小兀毫秒，在大约3亿年里两颗中子星将碰在一起，并产生最后的引力辐射爆发。
星震
还有另外一个改变脉冲星旋转状态的现象，但这次是一种加速星体的突然事件，称为频率突增（这个词取自电子学，是指一种使本来运行完好的部件受到影响的短暂突发事件）。它在几天里使脉冲星的周期减小十万分之一秒（即使旋转速度增大，图24）。船帆座脉冲星在1969年2月突然转快，在1971年和1976年又先后发生了两次。其他几个脉冲星也有过频率突增的现象，包括蟹状星云脉冲星。但是旋转速度的这种突然增长是很小的，大约一个月后，由于磁制动导致的自然减慢，中子星又恢复突增前的旋转速度。
这种频率突增现象能用由不稳定性所导致的、影响中子星外壳并急剧改变其转动惯量的“星震”来解释。一个快速旋转的中子星，其两极处会稍微变平，赤道上会稍微张大，随着时间的增长，这种变形所引起的表面张力会变得非常大，表面就会被无情地撕裂，以实现再调整。裂缝虽只有毫米量级，释放的能量却大得惊人：中子星的震动可达里氏25级（里氏级是用来量度地震所释放的能量的，每增大一级表示能量增大20倍），而地球上记录的最剧烈震动从未超过8．9级。
但是，船帆座脉冲星已经历几次星震的事实引起了一些天体物理学家对表面震动模型可靠性的怀疑，因为这种模型所预计的两次震动之间的间隔应是数百年而不是数年。现已提出对频率突增的其他解释，包括对中子星结构的根本性修改：中子星深层的湍流运动，或甚至是其核心的“相变”（类似于由液态变成固态），都会迫使其外壳重新调整。
频率突增的确能提供关于中子星内部结构详情的重要信息，这是一个天文观测为粒子物理提供帮助的极好例证。那么，我们对中子星的内部结构究竟知道多少呢？
中子星内部
乍看之下，中子星就是一个巨大的原子核。不同的只是，中子星是由引力来维持的，原子核则依靠核力。
在中子星内，在只不过是几公里的距离上，引力是如此之强，它能把物质固定在非常确定的结构中。主要表现之一是表面上的所有不规则性都被消除，中子星上最高的山峰只有几厘米高。所有导致脉冲星电磁辐射的现象都发生在一个热到1000万度的薄薄外层。
中子星的内部结构仍在猜测之中，一种可能的描述如图万所示。星体由一层1公里厚的铁壳包着，铁原子核组成的固体晶格沉浸在简并电子海里，密度由每立方厘米1吨（正是白矮星的密度）向内增至每立方厘米40万吨。
往下是“慢层”。这一层中越向内深入，铁核中包含的中子就越多，但同时又越难以保持住，中子在一定程度上发生衰变。在大约5公里的深处，中子从核中逃离，在简并海中分解，产生的质子簇在这个海中漂浮，密度增大到每立方厘米1亿吨。
在大约10公里的深处，中子物态成为星体的最重要成分。难以置信的压力使晶体结构液化为主要由中子、质子和电子组成的液体。这种液体可能是超流体，一种具有奇特性质的理想流体：完全没有粘滞。粘滞总是趋于消除液体中的任何不规则性，因此蜂蜜的粘滞性就比水大，而超流体里的一个旋涡能保持数月之久（实验室里可以把氦冷却到很接近于绝对零度而变成超流体）。
最后是半径约为1公里的固体核心，其组成还远不能确定，因为我们对在超过每立方厘米10亿吨的高密度下物质可能存在的状态还几乎一无所知。但是我们仍能像对在原子核中发现的基本粒子的性质那样进行推测，各种有着奇怪名称的模型已被发明出来：固体中子晶格，介子凝聚体，夸克物质，强子汤，等等。
致密物质的奥秘
中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的，因而为核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等现代物理学科展开了崭新的视野。
我们已经清楚地看到，为了描述中子星的内部，就必须将未能揭开高密度物质奥秘的实验物理予以扩展。迄今对致密物质的状态方程（即支配热力学量变化的定律，例如压强可以表示为密度或其他量的函数）还几乎一无所知，但是，它应当是限制在两个极端情况之间，一个极端是自由气体，其中的粒子不受任何力；另一个极端是“硬”态，即物质具有最大刚性的状态，其中的声速等于光速（物质中的声速随其刚性而增大，空气中的声速是330米／秒，水中是1500米／秒，钢中是5公里／秒）。
所有允许的状态和所有的物质形式都处在这两个极端状况之间。但当涉及中子星时，对这两个极端之间的许多种可能性的选择却只能依靠对基本粒子间强相互作用的还很贫乏的认识。
幸运的是，有一个很重要的性质不太依赖于具体的致密物质状态方程，这就是中于星的最大可能质量。白矮星不能支持超过1．4M的质量，因为超过这个限度时，作为主要成分的简并电子就成为相对论性的，星体就在自身重力下坍缩。同样道理，中于星也不可能支持任意大量物质的堆积。稳定性极限对应着简并中于在巨大引力作用下变成相对论性的瞬间。
为着以与白矮星相同的精度来计算中于星的最大质量，就需要知道与简并电子情况同样精确的简并中子物态方程，但现在还无人知道。但是，由下述推断可以得到极限质量的一个很好近似。中子星的密度从外壳向核心增大，在某一中间点达到原子核的密度，从这一点起物态方程的采用就必须谨慎。于是，由实验已经知道的亚原子核密度的物态方程就可以用来描述中子星的外层，对核心部分则采用最大刚性状态的方程，两个结果再合起来，总质量就是外壳质量与核心质量之和。
这样得到的极限质量是3．ZM，这个极值很可能偏高。更精细的模型绘出的值在2到3Mpe 间。这些结果的根本意义在于，一个新问题立即出现：质量更大的恒星，引力坍缩的产物是什么？之久（实验室里可以把氦冷却到很接近于绝对零度而变成超流体）。
最后是半径约为1公里的固体核心，其组成还远不能确定，因为我们对在超过每立方厘米10亿吨的高密度下物质可能存在的状态还几乎一无所知。但是我们仍能像对在原子核中发现的基本粒子的性质那样进行推测，各种有着奇怪名称的模型已被发明出来：固体中子晶格，。介子凝聚体，夸克物质，强子汤，等等。
致密物质的奥秘
中子星的温度、密度、压强和磁场等极端条件是实验室里不可能复制出来的，因而为核物理、原子物理、等离子体物理、相对论和电动力学等现代物理学科展开了崭新的视野。
我们已经清楚地看到，为了描述中子星的内部，就必须将未能揭开高密度物质奥秘的实验物理予以扩展。迄今对致密物质的状态方程（即支配热力学量变化的定律，例如压强可以表示为密度或其他量的函数）还几乎一无所知，但是，它应当是限制在两个极端情况之间，一个极端是自由气体，其中的粒子不受任何力；另一个极端是“硬”态，即物质具有最大刚性的状态，其中的声速等于光速（物质中的声速随其刚性而增大，空气中的声速是330米／秒，水中是1500米／秒，钢中是5公里／秒）。
所有允许的状态和所有的物质形式都处在这两个极端状况之间。但当涉及中子星时，对这两个极端之间的许多种可能性的选择却只能依靠对基本粒子间强相互作用的还很贫乏的认识。
幸运的是，有一个很重要的性质不太依赖于具体的致密物质状态方程，这就是中于星的最大可能质量。白矮星不能支持超过1．4M的质量，因为超过这个限度时，作为主要成分的简并电子就成为相对论性的，星体就在自身重力下坍缩。同样道理，中于星也不可能支持任意大量物质的堆积。稳定性极限对应着简并中于在巨大引力作用下变成相对论性的瞬间。
为着以与白矮星相同的精度来计算中于星的最大质量，就需要知道与简并电子情况同样精确的简并中子物态方程，但现在还无人知道。但是，由下述推断可以得到极限质量的一个很好近似。中子星的密度从外壳向核心增大，在某一中间点达到原子核的密度，从这一点起物态方程的采用就必须谨慎。于是，由实验已经知道的亚原子核密度的物态方程就可以用来描述中子星的外层，对核心部分则采用最大刚性状态的方程，两个结果再合起来，总质量就是外壳质量与核心质量之和。
这样得到的极限质量是3．ZM，这个极值很可能偏高。更精细的模型绘出的值在2到3Mpe 间。这些结果的根本意义在于，一个新问题立即出现：质量更大的恒星，引力坍缩的产物是什么？
第八章 31处
没有引力的物理会是个什么样子呢？
——爱因斯坦（ 1950）
白矮星和黑矮星。中子星和脉冲星，都是恒星的残骸，都还不算太捣乱，黑洞呢？米切尔和拉普拉斯猜想到巨大的不可见恒星可能存在，但他们既不知道这种星形成的机制，也没有考虑到太阳质量的黑洞。他们没有后来才发展起来的量子力学和广义相对论的知识。
黑洞作为引力坍缩的一种可能结果而重新出现是在1939年，那时美国物理学家罗伯特·奥本海默（他已为中子星理论作出了贡献）和哈特兰·施奈德（Hartland Snyder）在用广义相对论方程研究一种球对称和没有内压强的简化“模型星”的坍缩。他们发现，在一定情况下引力是如此之强，以至于不可能有稳定的中子星形成。没有任何力量能够阻挡星体的坍缩，直至成为一个体积为零密度为无限大的“点”。远在达到这种状态之前，收缩的恒星就停止了与外部世界的一切通讯。
关于恒星黑洞存在的理论预言因而建立在以下三个要点上：
1．自然界没有任何力能够支撑3M以上质量的“冷”物质，即已经停止热核反应的物质。
2许多已观测到的热恒星的质量远远超过3M
3，大质量恒星消耗其核燃料并经历引力坍缩的时间尺度是几百万年，所以这样的过程已经在已有1优化年以上高龄的银河系里发生。
上述论证的弱点是假定大质量恒星能产生出一个质量超过中子星稳定限度的简并核心——唯有它坍缩。已知最大的恒星质量达到10M（现在的纪录保持者是一颗称为HD698的恒星，其质量为113M人另一方面，所有恒星在演化过程中都以星风形式丢失一部分质量。对太阳和其他不很大的恒星来说，这种丢失在主序阶段是很小的，质量抛射主要以行星状星云的形式发生在核演化的末期。然而，有很好的理由认为，很大的恒星从诞生开始就抛射大量物质。我们对这个问题现有的理论和观测知识都还不足以得出确定的结论，甚至也还不能排除这样一种极端的假设，即无论恒星的初始质量有多大，星风造成的质量损失总能使其质量减小到3M以下，如果是这样，超新星中黑洞的形成就根本不可能了。
但是，如在第4篇中将会看到的，我们相信质量为几个M＆的黑洞已经在一些X射线源中被确实探测到了。以我们目前的知识，更合理的看法是，所有母体星质量为l（k──100。的超新星将要么产生中子星，要么产生黑洞。由高效计算机计算的关于超新星爆发的精细模型表明，有两种可能形成黑洞的情况。
1．当简并核心的质量大于中子星稳定限度时，坍缩将直接导致黑洞形成，但是不知道是否伴随有物质的喷射（恒星外层不像中子星的情况那样从坚硬核上反弹）。
2．当核心质量小于临界值而抛射的质量又很小时，首先是形成中子星，但是它不能支撑外层的重量，于是再坍缩成黑洞。
除了这两种超新星中几倍Mpe量的黑洞形成的可能性外，还有一种在长时间中分阶段进行的可能性。首先有一个由超新星形成的中子星，接着的一个很长阶段是中子星捕获物质并堆积在其表面上（最有利的情况显然是在双星系统中），直到总质量超过稳定限度。这种机制与白矮星转变成中子星相似，要使它行得通，还要求堆积的气体不会像新星那样被星体表面的核反应炸散。
总之，在恒星演化的旅途上，黑洞的出现标志着引力在恒星一生中的控制作用取得了最后胜利（见附录对，但远非于此，引力还支配着宇宙中物质所有更大的集会形式。我们在后面将看到，一个密集星团的演化也会导致其核心的收缩，并形成质量不再只是几个M，而是上千、上百万、甚至上十亿M的黑洞。我们还将看到，黑洞可以由吸取物质而增大，可以从一个矮星变成巨星，变成米切尔和拉普拉斯所想象的那种不可见星；另一方面，又有很小的黑洞，它们太轻了，不能由自身重力下的均缩而形成，而是由只有早期宇宙才能产生的巨大外部压力挤压而叽
黑洞是一种奇怪的残骸，它一旦形成，就不再是“死”的，而是注定有一个满是“大吵大闹”的新生命。本书的后一半将细说其详。
第三篇：光的消逝
如果谁想要同相对论分手，请到此止步，否则他就走上了通向新物理（经典的和量子的）世界的道路。现在出发！——哈里森（B·Ham－，n），索恩（巫·Thorne），瓦卡偌（M·WakanO），惠勒（J·WheelerX）(1965)
第九章 视界
在广漠沉寂的星空里，我们为失去的太阳悲泣…
——朝·德拉维尔·德迈驶（Jea de LaVthe de Mhant）
史瓦西解
1915年12月，爱因斯坦发表他的广义相对论方程后仅一个月，德国物理学家卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）得到了一个描述球状物体周围真空中引力场的解。他从与俄国军队作战的前线给爱因斯坦寄去了自己的文稿，并请求帮助处理发表事宜（他是一名志愿入伍的爱国者，在得到这个解时已患了一种不治之症天疮疮。他很快就被送回国，并于1916年5月去世）。爱因斯坦大喜过望，回信写道：“我没有预料到能得出方程的精确解，您对问题的解析处理令我极为满意。”
有两条理由使得史瓦西时空见何极为重要。第一，它是对太阳系中引力场的一个很好的描述。太阳本身近乎球形，其周围物质的质量很小，以至于可以被看作真空，太阳系中所有光线和行星、香星等物体的运动轨道因而就是史瓦西弯曲时空的测地线（直线在弯曲几何里的等价者，见第3章）。这些运动轨道能被计算出来，并与经过太阳附近的光线和行星近日点进动的观测值精确相符，而这些现象是牛顿引力理论所不能解释的。
第二，史瓦西几何又具有普适性，因为它与恒星的类型无关，而只依赖于一个参量，即质量。太阳和相同质量中子星周围的引力场是同样的，一个相同的点质量也是如此。
然而困难正是从这里开始，随着向点状引力源的趋近，时空几何出现奇异行为。更精确地说，奇异性在！临界距离r＝ZGM／c‘处开始出现，这里M是中心星的质量，G是牛顿的万有引力常数，C是光速（以下将把这个式于简化成r一ZM，即通过适当选取质量、长度和时间的单位而使G和C都等于1）。这个临界距离与引力质量成正比，对太阳质量是3公里，对100万倍太阳质量是300万公里，对地球则是1厘米。这个距离就叫做史瓦西半径，它不是别的，正是按照牛顿方式计算的表面逃逸速度达到光速的星体尺度。史瓦西自己并不知道，正是他为米切尔和拉普拉斯那已被遗忘的关于不可见星的猜测打开了通道。
魔圈
在由史瓦西解到黑洞理论的道路上，似乎有着两个陷跳，一个是数学的，另一个是天文学的。
按照史瓦西解，在临界半径／＝ZM以内，空间和时间都丧失了自己的特征。在这个半径以外用以测量距离和时间的规则都失效了，时间趋于无限，而距离变成零。爱丁顿曾把时空几何中的这种奇异性描述为“我们无法在其中进行任何测量的魔圈”。
魔圈问题在1922年巴黎研讨会上引起了热烈的讨论。这个会上聚集了以爱因斯坦为中心的一群最好的相对论学家。包括约翰·贝奎尔（Jean Becquerel）、亨利·布里罗因（HenriBrillouin）、埃里·嘉当（Elie Cartan）、雅克·哈达玛（JacquesHadamard）和泡尔·郎之万。然而，这个理论物理学家阵容仍不能解决临界半径所提出的数学问题，他们充其量也只是觉得可能与引力收缩有关。
在很长时间里魔圈被认为是广义相对论的一个缺陷，在这个问题上的进展因而被阻碍了。直到50年代，理论家们才对史瓦西半径上的奇异性的解释获得共识，时空几何的“病态”行为只是一起数学事故。戴维·芬克斯坦（David Finkels比in）证明，这是坐标系选择不当的结果（按照广义相对论，所有坐标系都能等价地用于描述物理现象，但是在某些坐标系中的计算会比在别的系中简单得多）。在此之前许多年，爱丁顿曾经找到一个坐标系，在其中史瓦西几何没有魔圈，但是他没能或不愿看到进一步的结果，因为他在一心想着另外一个天文学的问题，即引力收缩的恒星。
不可见星的重现
太阳这样的恒星能自己收缩成半径为3公里的球的思想，在20世纪初同在拉普拉斯时代一样不被接受，因为它所要求的物质密度是无法想象的。1931年，日本物理学家获原雄助写了一篇很有趣的数学论文，其中计算了史瓦西时空的所有测地线，包括穿过魔圈的那些，他的结论是：“对于任何一颗恒星，rZ ZM这个距离落在其实际半径外面是很不可能的。要使质量与太阳相当的恒星的半径等于ZM这个值，其密度就必须是水的10‘’倍，而最致密的恒星，即作为天狼星伴星的那颗白矮星，其密度也只是水的6X 104倍（后来的观测表明白矮星的密度比这个计算值大十倍，见第5章）。能达到如此惊人之高的临界密度的恒星物质状态是不存在的，因此在r＝ZM以内的轨道从物理上看是高度地不可能的。”
这段引文准确地概括了大多数天体物理学家的务实观点。他们只对史瓦西几何的外部区域有兴趣，因为能应用于太阳系，而他们完全不理会临界半径上的奇异行为。
然而，毕竟有一些人敢于向前迈进。
1920年，安德森（A·Anderson）向自己提出一个恒星的体积收缩到接近其“魔圈”时会发生什么的问题，并回答道：“如果太阳持续地收缩，终将有一天它会消失在黑暗中。这并不是因为它不再发光，而是因为它的引力场变得使光不能透过。”一年后，奥利弗·洛奇（O－liver Lodge）爵士几乎逐字重复了米切尔和拉普拉斯的推断：“如果光受引力作用……一个质量足够大并足够密集的物体将能够留住光，使之不能射出…··咖果太阳这么大的质量能收缩到一个半径约3公里的球内，这样一个球将具有上面所说的性质，但是这种程度的收缩是超出理性认可的范围的……然而，一个恒星系统，比如说一个超旋涡星云，如果总质量为太阳的10’5倍而半径为300秒差距，则相应的平均密度只有10－15克／立方厘米，而光也不能从中逃逸。这样一种物质聚集状态看来就不是完全不可能了。”
按照这个分析，如果说天体物理学家仍然难以接受质量为几个M的恒星收缩到史瓦西半径以下时所具有的惊人密度，、那么他们中的某些已能接受质量大得多的情况下出现这种收缩的可能性，这只是因为相应的密度变得“合理”了，也就是说与自然界已观测到的密度值相差不大了。
与此同时，全新的量子力学理论预言了密度比任何人所敢想象的都高得多的简并状态的存在，从而支持了引力坍缩的假设。学术界已为不可见星思想的重视作好了准备，然而时候仍然末到。爱丁顿很矛盾地既是广义相对论最伟大的卫士，又是恒星凝缩到史瓦西半径以内的思想最激烈的反对者。“我认为必定有一条自然定律来阻止恒星的这种荒唐行为！”为支持自己的这个信念，爱丁顿不得不修改费米的简并定律，以允许任何质量的冷物质，不论其尺度大小，都能保持平衡。他在1935年的国际天文学联合会上表述了自己的思想，三年后他成为该联合会的主席。在那次会议上年轻的钱德拉塞卡递了一张纸条给执行主席，要求允许发表一个相反意见，但被拒绝了。爱丁顿的名气是如此之大，他的观点不容怀疑！
历史当然不会因此而停止前进。由于建立第一个致密星即白矮星的模型，钱德拉塞卡也成了著名人物。引力坍缩理论的真正诞生是在1939年，归功于奥本海默和施奈德的工作（见第8章）。他们运用广义相对论方程来计算球状物体在史瓦西半径以下的引力坍缩。他们严格证明了：物质连同时空一道，将坍缩成连光也不能从中逃逸的区域。
黑洞这个名称是约翰·阿奇巴德·惠勒（Job ArchibaldWheeler）于1967年12月29日在纽约的一次讲课中首次使用的，黑洞的光辉历程终于开始……
超想象的黑暗
印度天体物理学家加彦特·纳里卡（Jayant Narlikar）讲述了这样一个故事：在18世纪的加尔各答，有一座名为威廉堡的要塞，其中有一个小而阴暗的房间，叫做“加尔各答的黑洞”，这个房间长5米，宽4米，原来是用于关押3名犯人的。1757年，班加尔地区发生了一次流血的反抗，作为一种报复，残忍的长官把46名敌军俘虏关进了“加尔各答的黑洞”。当时正值盛夏，这些人被关押了10个小时，只有22人活着出来。
这个故事是如此可怕，以至于某些历史学家怀疑其真实性。无论如何，它倒是表征了黑洞贪婪吞食周围一切物质的特性，这一点已经被广为宣传，然而这只是黑洞的许多属性之一。黑洞是这样一种“物体”，既很简单，又以令人困惑的方式来使时空扭曲。让我们首先来分析黑洞的传统形象，即作为一种宇宙监狱。
且回到黑洞的基本定义：这是一个时空区域，其中的引力场强到使得任何物质和辐射都不能逃逸出来。强引力场意味着物质的高度密集，要“造出”一个黑洞，就必须把一定的质量放进一定的体积内，在球对称的情况，这个体积的大小由史瓦西半径来给定。表3显示黑洞与原子、恒星等物体是如何不同。
暂且不管黑洞形成的机制，理论上所有尺度和质量的黑洞都是可能的。有尺度如同基本粒子、而质量像一座山那么大的微型黑洞，也有质量为几个Mop直径为数公里的黑洞，还有质量数十亿M、尺度像整个太阳系那么大的巨型黑洞（见附录司。与人们的普遍印象相反，黑洞的平均密度并不一定很高，这个值与质量的平方成反比。当然，一个由超越了中子星限度的恒星的引力坍绩而形成的10M黑洞具有”‘克／立方厘米的“核”密度，但一个数十亿M的黑洞的密度就比水要小百倍。黑洞并不一定是极高密度的星，而只是必须致密到足以囚禁住光（物体的。密度与致密度是不同概念，密度是质量与体积之比，而致密度则是临界半径与实际半径之比，见表3）。
黑洞状态。表中数值都是取10的最接近的幂，关于宇宙的数值需要更仔细的考虑，见第19章。
光被囚禁
白昼与黑夜在这里搏斗。
——维克多·而果（ Victor Hugo）最后的话
假定真空中的一颗完全球形的恒星坍缩到了其史瓦西半径以内，其表面温度很高，发出辐射。光是怎样逐步地被囚禁，恒星是怎样变成一个黑洞的呢？
米切尔和拉普拉斯归因于逃逸速度，广义相对论则远为精妙。1923年，伯克霍夫（G·Birkhofo证明，史瓦西解描述的不仅是一个静止物体周围，而且是一个在收缩或膨胀的恒星周围的时空，只要这颗星精确地保持球对称性。如果太阳开始振荡，即在所有方向上以相同速率膨胀或收缩，或者甚至它被一个相同质量的黑洞所代替，太阳系的几何将不会变化，行星和管星的轨道也根本不会有所不同，只是不再有光明。伯克霍夫定理表明，由一个球对称他收缩着的恒星所发出的光线完全由史瓦西几何的测地线来描述。
图26显示一个球对称恒星引力坍缩的四个阶段，越来越多的光被逐步留住。在坍缩之前，恒星的体积远大于史瓦西半径所规定的尺度。按照广义相对论，它的引力场对时空“弹性组织”几乎没有什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。
然后是恒星坍缩，随着其半径趋近于史瓦西半径，引力助在加深，时空弯曲程度在增大。按照等效原理，光线被迫弯曲，偏离直线，以遵循测地线。当恒星半径等于1．5倍史瓦西半径时，出射的光线会背道而驰，落回恒星表面，就像喷泉的水。这些光线组成一个光球，像茧一样包着坍缩中的恒星。远处的观测者只能偶然地看到少数逃逸出来的光子。
随着引力坍缩的继续，能够逃逸的光子越来越少，光的“逃逸锥”在不断缩小。当恒星达到临界的史瓦西半径时，所有的光线都被捕获，即使那些沿径向（即垂直干表面）射出的也不例外。逃逸银完全关闭，光球消失，黑洞也就形成。其表面，即史瓦西球面，就是不可见区域的边界，也就是所谓视界。
视界
由于大地的弯曲，地面上的观测者也受限于一个视界，视界以外的区域他是不可能看见的。不过，地球的视界是相对的，它是一个以观测者为中心的圆，并随着观测者运动。
黑洞的视界则是绝对的。它是时空中的分界，与观测者无关，将所有事件（即时空点）分成两类。在视界以外，可以由光信号在任意距离上相互联系，这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内，光线并不能自由地从一个事件传播到另一个，而是都朝向中心集聚，事件之间的联系受到严格的限制，这就是黑洞。
图27是一幅时空图，显示一个球对称地收缩并最后形成黑洞的恒星周围的史瓦西几何。这是本书中最重要的一幅图，因为它提供了正确理解黑洞的基本要点，因此它应当受到特别注意。
像所有时空图一样，弯曲是借助光锥来表现的。记住在每一个事件上的光锥是由光子运动的轨迹所形成的，并且限制着所有不能运动得比光速更快的粒子的世界线。在没有引力的情况下，所有光锥都相互“平行”，也就是说，通过适当地选择时间和空间单位，所有光锥都以45”角倾斜，张角都是90“。这样的光锥描述的是作为狭义相对论基础的明可夫斯基平直时空。在有引力场和相应的弯曲几何情况下，光锥变形，张角变小。
为简化起见，图中只画出了沿径向传播（进入或离开）的光线，前面谈过的光球因而并不出现。远离坍缩区域的地方，时空几乎是平坦的，光锥也就足端正的。中心质量所产生的引力场随着距离的增大而减弱，时空的弯曲程度也就随着减小。因此，史瓦西时空是渐近平坦的，就是说在距中心质量很远处它变得与明可夫斯基时空一致。
随着向引力场源的趋近，曲率增大并影响光锥，使之越来越合拢并朝着坍缩区域的中心倾斜，光线就越来越难以逃逸。终将有这样一个时刻到来，即光锥偏转了45”，一条母线已成为垂直线，于是所有允许的传播方向都朝引力场中心会聚，光被囚禁，r＝ZM处的视界形成。越过视界后光锥变得更为倾斜，张角也更小，被限制在光锥以内的所有物质粒子的轨道都不可抗拒地会聚到垂线r—0上。黑洞的这个几何中心是一个奇点，在那里所有物质都被无限压缩，时空被无限弯曲。
黑洞的形成使时空分成由砚界隔离的两个部分，物质和辐射能由机界以外进入其内，但不能反过来，这就是“黑洞”名称的由来。
轻率的宇航员
在距黑洞很远的地方，时空与只被太阳质量轻微弯曲的太阳系中的相似，但是，史瓦西几何只到距太阳中心70万公里的表面为止，而在黑洞内则一直延伸到中心奇点。当然，只是在视界附近，与黑洞相关的那些奇特现象才变得明显。
像所有引力源一样，黑洞也产生潮汐力（这是把时空弯曲翻译成了牛顿语言，见“宇宙高尔夫球”一节）。一个头朝着黑洞下落的宇航员，他的脚受到的引力比头受到的小，他的身体就会被潮汐力拉长，这个力随着他向黑洞的趋近而增大。人体当然不能承受这种拉伸力，也不能承受100倍大气压以上的压力（大气压是1千克／平方厘米）。一个被吸向10M质量黑洞的宇航员，将远在到达视界（半径为30公里）之前，gg在400公里的高空就已被潮汐力撕裂而死。他在视界上所受到的潮汐力的拉伸作用，就如同他被吊在埃菲尔铁塔的一根横梁上，而全巴黎所有的人都吊在他的脚上。
然而，潮汐力的强度依赖于产生它的物质的密度。黑洞的质量越大，密度就越低，其外部时空的弯曲就越小。因此，人体在很大质量的黑洞附近倒能够经受得住。我们那位作试验的宇航员能够到达1000Mpe量黑洞的视界，他甚至能够探索1000万M。质量的巨型黑洞的内部，因为这种黑洞视界上的潮汐力比由地球所产生的还要弱，而后者已经是难以觉察了。但是，一旦他越过了视界，他就会无可挽回地落向中心奇点，于是无论黑洞质量是多大，他都会被无限大的潮汐力撕得粉碎！
时间的冻结
图对还显示，在事件EpE．、马和E4上产生的光线如何离开收缩恒星的表面，并在几、凡、凡和儿被远处的天文学家（其世界线由一条垂向直线表示）所接收到。假定由一只始终放在恒星表面上的钟所量度的四个事件之间的时间间隔是相等的，和儿接收光信号时间之间的间隔却越来越长。作为极限，由民即恰在视界形成时所发出的光线，要经过无限长的时间才能到达远处的观测者那里（因此几点在图中没有标出）。
这种“时间冻结”现象是爱因斯坦相对论所预言的时间弹性的极端例证，时间的流逝对于两个有相对加速度（或者由等效原理，处在不同引力场中）的观测者来说是不同的。相对于不参与自由下落的遥远观测者，引力坍缩中的恒星表面是在加速，于是由放在恒星表面的钟所量度的坍缩的原时，就与由一只远处独立的钟量度的坍缩的表观时间大不相同。恒星在史瓦西半径以下的收缩，是发生在有限的原时内，却对应着无限长的表现时间。远处的天文学家将永远不能看到黑洞的形成，也不能看到其内做
由信号接收间隔的延长所显示的表现时间冻结，也由离开恒星的辐射表观频率的减小表现出来，因为频率就是光在每秒钟振荡的次数（这也是一种爱因斯坦效应，已在第3章中谈到）。如果辐射的表现频率减小，其波长就会增大，也就是表现为红移，因为波长最大的可见光是红色的（见表1）。远处的天文学家将看到不仅是坍缩进行得越来越慢，而且发出的辐射越来越红，越来越暗弱。
图28足时间冻结的一个更别致的描绘。一只飞船受命去探索一个黑洞的内部——当然最好是一个大黑洞，因而飞船不至于太快地就被潮汐力摧毁。就在飞船一去不复返地穿过视界的时刻，指挥员向全人类致以庄严的敬礼，他的告别由电磁传给遥远地球上的观众。
影片A是按宇航员原时的相等间隔拍摄的系列图像，这是飞船上的同事们看到的情景。按照飞船上的钟，指挥员的敬礼在第135600秋时开始，在第135720秒时结束。穿越视界是在敬礼过程之中，没有任何特别现象发生，在飞船上的探险家看来，黑洞的边界没有任何神奇之处。
影片B是遥远观众在屏幕上接收到的系列图像，按表观时间的等间隔顺序排列。开始时它与影片A是一样的，但随着飞船向视界趋近，它越来越慢下来。远处的观众接连收到几乎同样的图像，宇航员超过视界时的姿势似乎被永远冻结住了。由于频率的移动和强度的减弱，事实上图像会很快变得弱到看不见，观众对飞船在黑洞内的航行是一无所知的。飞船正好越过视界时的图像能够传到远处，而所有后继的图像都不可能从黑洞中传出，而是落向奇点。
时间冻