最初的黑洞模型叫史瓦西黑洞。那是在广义相对论刚刚提出不久,一位叫史瓦西的物理学家开始利用广义相对论来计算在一个真空静态球对称物体的外部时空。他得到的结果是爱因斯坦场方程的第一个精确解,因此也叫作史瓦西解。但是在史瓦西解里面会出现一个奇怪的地方,也就是球的中心,在这个地方,计算会出现无穷大的情况。在数学计算中,被零除就会出现无穷大,反正是个麻烦。
物理学家看见这个东西普遍都会头痛,术语叫“发散”。所以这个点就被称为奇点,数学上类似的点很常见,比如说地球的经纬线系统在南北极就会出现麻烦,南北极点根本说不清楚应该归哪个时区。但是这并不是说地球的南北极点有什么特殊,纯粹是经纬线这个坐标系统本身有缺陷。换个其他坐标系统没事了。但是史瓦西解正中心的这个发散是想尽办法也去除不掉的,因此叫作“内禀奇点”。
黑洞的中心就是奇点,但是我们看不到奇点,因为它总是被视界面包着,视界就是视力的界限,进入了视界面,连光都逃不出来,任何东西落进黑洞绝对是有去无回。我们当然也就无法知道里面的一切消息了。
史瓦西计算的结果只是个最简单的理想情况。真实天体的塌缩要比这复杂的多。不多久,带电的RN黑洞也被计算出来了。一直到20世纪60年代,才有了新进展。彭罗斯证明了黑洞之中必定有奇点。物理学家伊斯雷尔证明了黑洞的视界面必定是个完美的球形,大小只跟质量有关。1963年,克尔计算出了一个旋转的黑洞。
其实,我们观测到的宇宙中所有的天体都在旋转,小到一块陨石,大到整个星系,就没有不转的。因此,克尔计算出来的这个旋转的解,才是宇宙里最常见的情况。不转的史瓦西黑洞反倒是特殊情况。
旋转是无法消除的,哪怕塌缩成黑洞,也还是会有角动量。后来纽曼计算出了旋转带电的黑洞,电荷也是无法消除的。其他一切信息都在形成黑洞的过程里不见了。所以大家总结了一个“黑洞无毛定理”,不管你这个黑洞有多大,都只需要用质量、电荷、角动量这三个最基本的量就可以描述了,因此也被戏称为“三毛定理”,毛就是信息的意思。
一块砖头,你掂量掂量就知道重量,手摸摸知道冷热,咬一口知道脆不脆。这些感受都是信息,掌握的信息越多,这个砖头的形象越是真实可信。总是有人问,砖头扔进黑洞以后去哪儿了?因为这些信息你再也感受不到了,只剩下质量、角动量和电荷三个信息,偏巧角动量和电荷你都没有什么切身感受。黑洞毕竟是用复杂的理论计算出来的东西。它是反常识的,你当然会感到无法想象。
霍金他们只是做了理论计算,天文学家们并没有观测到黑洞。黑洞不发光,很难找到它。但是黑洞巨大的引力对周边的天体有影响,我们可以间接推测它的存在。霍金还和索恩打赌,天鹅座的一个非常强的射电源X1是否是黑洞,后来他输了。霍金很喜欢打赌,但是我没听说他赢过。其实霍金打赌很有技巧,他总是押注在自己心里不信的那一边,为什么呢?因为如果输了,说明自己的猜想是对的,会很开心。如果赢了,虽然自己猜错了,但好歹赢了赌注,也算有点儿补偿。这个技巧我觉得我们都可以学一学。
天文学上有关黑洞的证据越来越多。2017年很热门的新闻是探测到了黑洞并合产生的引力波,我们终于不依赖间接观测,直接依靠黑洞本身发出的信号,验证了黑洞的存在。所以,当年的诺贝尔奖颁发给了引力波探测器LIGO的几个主要的科学家雷纳·韦斯、巴里·巴瑞希和基普·索恩。他们开创了一门全新的探测手段,对天文学和物理学的贡献是巨大的。不过《时间简史》这本书出得比较早,当时还没有发现引力波呢。出版的日子刚好是1988年愚人节这天。