所有的理论物理学家

都挡不住一个结论：

坍缩产生黑洞

不是冤家不聚头。奥本海默和惠勒，这两个在宇宙和人类处境问题上观念截然不同的人，越来越发现他们在国家安全和核武器政策等深层问题上也站在两个极端——而他们现在的问题是黑洞。

他们相聚在比利时布鲁塞尔大学的演讲厅。这两位在新泽西普林斯顿的邻居，与来自世界各地的其他31位大物理学家和天文学家一起，到这儿来聚会一个星期，讨论宇宙的结构和演化。

那是1958年6月10日，星期二。 惠勒刚向聚在这儿的著名学者们报告了他与哈里森和若野最近的计算结果——这些计算不容争辩地确认了所有可能冷死星体的质量和周长（第5章）。他填补了钱德拉塞卡和奥本海默—沃尔科夫计算之间的鸿沟，还证实了他们的结果：质量大于2个太阳的恒星在死亡时，坍缩是必然的，而且，只要死亡中的恒星没有释放出足够的质量将自己减轻到大约2个太阳的极限质量以下，它的坍缩就不会产生白矮星、中子星或者任何其他类型的冷死星体。

“在广义相对论关于宇宙的结构和演化的所有结果中，大质量物体的命运问题是最具挑战性的。”惠勒说。在这一点上，听众们都会同意。接着，惠勒似乎回答了24年前爱丁顿对钱德拉塞卡的攻击（第4章）。他描述了奥本海默关于大质量恒星一定会通过坍缩成黑洞而死亡的观点，然后反驳说，这类坍缩“不会得到令人接受的答案”。为什么呢？基本上还是当年爱丁顿拒绝它的那个原因，用爱丁顿的话说，“应该存在一个自然律来阻止恒星那么荒谬的行为。”但是爱丁顿与惠勒之间存在着深刻的差别：爱丁顿1935年猜想的让宇宙摆脱黑洞的机制立刻就被玻尔那样的专家否定了；惠勒1958年猜想的机制一时还证实不了，也否定不了——15年后发现它部分是正确的（第12章）。

惠勒的猜测是这样的。（在他看来）形成黑洞的坍缩在物理学上一定是不合理的，应该抛弃，因此“似乎没有什么能摆脱这样的结论：坍缩恒星中心的核子[中子和质子]必然会融入辐射，而辐射会很快逃离恒星以减少恒星的质量[低于2个太阳]”从而使它能终结在中子星的墓穴。 惠勒愿意承认，这样的核子向辐射的转化超出了已知物理学定律的范围。不过，这种转化可能是那时还不知道的广义相对论与量子力学“结合”的一个结果（12～14章）。对惠勒来说，这才是“大质量问题”最诱人的一点：既然坍缩成黑洞是荒谬的，他只好考虑一种全新的物理学过程（图6.1）。

奥本海默没有被感动。惠勒讲完后，他头一个站起来，带着年轻时少有的礼貌，强调了自己的观点：“我不知道远比太阳重的非旋转物质是否真的能在星体演化过程中出现；但如果有的话，我相信它的坍缩可以在广义相对论框架内进行描述[而不需要什么新的物理定律]。这些物质持续经受引力收缩，最终越来越多地与宇宙的其余部分隔绝[也就是形成黑洞]，这难道不是最简单的设想吗？”（见图6.1。）

惠勒也一样有礼貌，但还是坚持着自己的立场。“很难相信‘引力隔绝’是令人满意的答案”，他这么说。

奥本海默对黑洞的信服，来自他19年前的具体计算。

黑洞的诞生：初步认识

1938年冬到1939年，奥本海默刚与沃尔科夫完成中子星的质量和周长的计算（第5章）。他确信，大质量恒星在死亡时会发生坍缩。接下来的挑战是显然的：用物理学定律来计算坍缩的细节。从围绕恒星的轨道上看，坍缩像什么？从恒星表面看，坍缩像什么？坍缩千百年后，恒星的最终状态是什么？

计算是不容易的。奥本海默和他的学生们面临着巨大的数学挑战：坍缩的恒星会随时间改变性质，而奥本海默—沃尔科夫中子星却是静止不变的。在坍缩恒星的内部，时空曲率会变得很大，而在中子星内它却很小。为处理这些复杂的事情，还需要一个很专门的学生，人选是明摆着的：哈特兰·斯尼德（Hartland Snyder）。

斯尼德跟奥本海默的其他学生不同。别人来自中产阶级家庭，而斯尼德是工人。在伯克利有人说他成为物理学家前曾是犹他州的一个卡车司机。据塞伯回忆，“奥比的学生习以为常的好多事情，如听巴赫和莫扎特，玩弦乐四重奏，吃精美的食品，谈自由政治，哈特兰都瞧不起。”

加州理工学院的那群核物理学家比奥本海默周围的人热闹得多。每年春天奥本海默来帕萨迪纳时，哈特兰正好也到这儿来。福勒说，“奥比修养极高，爱文学、艺术和音乐，还懂梵文，而哈特兰则跟我们这群闲人差不多。他喜欢克洛格实验室的晚会。晚会上，托米（Tommy Lauritsen）弹钢琴，查理（Charlie Lauritsen）[实验室的头儿]拉小提琴，我们大家喝着酒，唱着校歌和酒歌。在奥比所有的学生中，哈特兰是最特别的一个。”

在智力上斯尼德也与众不同。塞伯回忆，“哈特兰在数学难题上比我们大家都能干，我们做的粗略计算他都能有很好的改进。” 正因为这些才干，他成为当然的做坍缩计算的人。

在展开完全的复杂计算前，奥本海默坚持（像往常一样）先对问题作一个大概的考察。 只花一点儿气力，能认识多少？初步考察的关键是恒星外的弯曲时空的史瓦西几何（第3章）。

史瓦西通过解爱因斯坦广义相对论场方程发现了他的时空几何。这是既不坍缩，也不爆炸，也不脉动的静态恒星的外部解，但是，哈佛大学数学家贝克霍夫（George Birkhoff）在1923年证明了一个重要的数学定理：史瓦西几何描述了任何球状恒星的外部，不仅包括静态的恒星，也包括坍缩的、爆炸的和脉动的恒星。

初步计算时，奥本海默和斯尼德简单假定球状恒星在耗尽核燃料后会无限坍缩，他们没考虑恒星内部会发生什么事情，而去计算在远处的人看来，坍缩的恒星会像什么样子。他们很轻松地发现，由于坍缩，恒星外的时空几何与任何静态恒星外的几何是一样的，所以坍缩的恒星看起来很像一个静态恒星序列，序列中每颗星都比前一颗更紧密。

到1920年前后，这种静态恒星的外在表现已经研究过20多年了。图6.2画出了我们在第3章曾用来讨论那些表现的嵌入图。回想一下，每个嵌入图都刻画了恒星内部和附近的空间曲率。为了综合表现这些曲率，图中只画出了三维空间的二维曲率，也就是落在恒星赤道“面”的那两维（图左）。想象将赤道面从恒星拉出来，从我们和它所在的物理空间拉出来，将它放到一个平直的（没有弯曲的）假想超曲面中，我们就能具体看见空间的曲率了。在没有弯曲的超曲面中，赤道面的弯曲几何只有通过向下弯曲的碗来表现（右图）。

图中的3个静态恒星构成的序列模拟了奥本海默和斯尼德准备分析的坍缩过程。每颗星的质量相同，但周长不同。第一颗星约是临界周长的4倍（也就是恒星在引力作用下形成黑洞的周长的4倍），第二颗星是2倍，第三颗星正好具有临界周长。嵌入图表明，恒星越接近临界周长，周围空间的曲率就越大。然而，曲率不会变得无限大。即使恒星处在临界周长，碗状几何也是处处光滑的，没有尖点，也没有褶皱。也就是说，时空曲率不是无限大的；于是相应地，潮汐引力（将人从头到脚拉长或引起地球潮汐的那种力）作为时空曲率的物理学表现，在临界周长也不会无限大。

我们在第3章还讨论了从静态恒星表面发出的光的命运。我们知道，因为星体表面的时间比远处的时间流得更慢（引力的时间膨胀），所以在远处接收的来自恒星表面的光将具有被拉长了的振动周期，相应地也就有更大的波长和更红的颜色。光从恒星的强大引力场中往外“爬”时，它的波长将向光谱的红端移动（引力红移）。当静态恒星比临界周长大4倍时，光的波长被拉长了15%（见图右上角的光子）；当恒星为2倍临界周长时，红移为41%（中间）；当恒星刚好处在临界周长时，光的波长将产生无限红移，意味着光根本没有留下能量，从而也就不存在了。

奥本海默和斯尼德在大概的计算中根据这个静态恒星序列发现了两件事情：第一，像这些静态恒星一样，坍缩的恒星在接近临界周长时可能会产生强大的时空曲率，但不会无限大，因而也不会有无限大的潮汐引力。第二，恒星坍缩时，表面发出的光将经历越来越大的红移，当恒星达到临界周长时，红移将无限大，恒星也就完全看不见了。用奥本海默的话来说，我们将看着恒星将它自己与外面的宇宙“隔绝”开来。

奥本海默和斯尼德问自己，恒星的内部性质——在大概计算时忽略了——能有什么办法使恒星摆脱隔绝的命运吗？例如，坍缩会不会因某种力量被迫慢下来，即使经过无限长时间也不可能实际达到临界周长？

他想通过真实恒星坍缩（如图6.3左图所示）的具体计算来回答这些问题。任何真实恒星都像地球一样会自转，至少也会慢慢地转，自转的离心力会使恒星赤道像地球赤道一样，至少会向外凸出一点。所以，恒星不可能是正球形的。恒星在坍缩时会像溜冰者收回双臂那样越转越快，这使星体内部的离心力越来越大，赤道隆起将越来越显著——也许会显著到令坍缩停止的地步，这时向外的离心力与引力完全平衡了。任何真实恒星在中心都有很高的密度和压力，而外层的密度和压力都较低；当它坍缩时，高密度会像浆果饼里的蓝色浆果一样到处成堆。而且，恒星的气体物质在坍缩时会产生激波——像破碎的海浪——从恒星表面的某些部分射出物质和质量，就像海浪溅起浪花，将水滴洒向空中。最后，辐射（电磁波、引力波、中微子）将从恒星流出，带走质量。

奥本海默和斯尼德很想在他们的计算中包容所有这些效应，但这是不可能的，这样的计算远远超越了1939年的任何一个物理学家或计算机器的能力。要等到80年代出现超大型计算机，那才能实现。所以，为了一点儿进步，必须建立坍缩恒星的理想化模型，然后为这个模型计算物理学定律的预言。

这样的理想化奥本海默太熟悉了：每当面对这么纷繁复杂的情况时，他几乎总能没有错误地分辨出哪些现象是核心的，哪些现象是边缘的。

对坍缩的恒星来说，奥本海默相信，有一个特征比其他任何特征更关键，那就是爱因斯坦广义相对论定律所描述的引力。在建立可行的计算时，它而且只有它是不能被破坏的。相反，恒星的自转和非球对称形状是可以忽略的，它们对某些坍缩的恒星可能有决定性的意义，但对缓慢旋转的恒星来说，它们可能不会产生强烈的影响。奥本海默不能从数学上证明，但从直觉看那是很清楚的，而且实际上也是正确的。同样，直觉告诉他，辐射的外流与激波和密度堆积一样，都是不太重要的细节。另外，由于（如奥本海默和沃尔科夫证明的那样）在大质量死星里，引力会超过一切压力，那么，似乎可以安然地假定（当然，这是错误的），坍缩的恒星没有任何内部压力——不论是热压力，还是电子和中子的幽闭简并运动产生的压力，或者核力产生的压力。一颗真实的恒星因为实际上存在着压力，所以它的坍缩方式可能会与理想化的没有压力的恒星不同。不过，奥本海默凭直觉认为，差别应该很小，不会太大。

这样，奥本海默与斯尼德提出一个理想化的计算问题：用广义相对论的精确定律研究一个完全球形、无自转、无辐射、密度均匀（表面附近的密度与中心的密度相同）、无任何内部压力的理想化恒星的坍缩。见图6.3。

即使做了这么多的理想化——在未来的30年里，其他物理学家总在怀疑这些理想化条件——计算还是极其艰难的。幸运的是，托尔曼就在帕萨迪纳，他能提供帮助。靠着托尔曼和奥本海默的指导，斯尼德发现了决定整个坍缩的方程——他想了一个巧妙的办法来解决它们。现在，坍缩的所有细节他都能用公式表达了！从不同的角度审视这些方程，物理学家能读到他们感兴趣的关于坍缩的方方面面——从恒星外面看，它像什么？从里面看，它像什么？从恒星表面看，它又像什么？等等。

坍缩恒星特别有趣的表现是从外面的静止参照系看到的。也就是说，观察者处在恒星外面的一个固定参照系中，而不随恒星坍缩的物质向内运动。从这个外面的静止参照系看，恒星开始坍缩的方式正是我们所料想的。像从屋顶下落的石头那样，恒星的表面起先也是慢慢下落（向内收缩），然后越落越快。如果牛顿的引力定律是正确的，坍缩就将持续加速，直到没有任何内部压力的恒星被高速挤压成一个点。据奥本海默和斯尼德的相对论公式，情形就不是这样的了。当恒星接近临界周长时，收缩会慢下来。随着恒星越来越小，它的坍缩也越来越慢，最后完全冻结在临界周长。不论等待多长时间，恒星外的静止观察者（即在外面的静止参考系中的人）都不可能看到恒星坍缩经过临界周长。这是奥本海默和斯尼德公式不容争辩的论断。

坍缩的冻结是不是由恒星内部某些未曾预料的广义相对论的力量引起的呢？不，奥本海默和斯尼德认识到，完全不是。实际上，它是由临界周长附近引力的时间膨胀（时间流慢了）引起的。在外面的静止观察者看来，坍缩恒星表面的时间在接近临界周长的过程中必然会越流越慢，相应地，发生在恒星表面和内部的各个事件，包括坍缩，都必然表现出缓慢的运动，然后逐渐冻结起来。

这件事情看来够特别了，而奥本海默和斯尼德的公式还预言了更特别的事情：虽然在外面的静止观察者看见坍缩在临界周长冻结了，但在恒星表面下落的观察者却会发现，坍缩根本没有冻结。如果恒星有几个太阳质量，从太阳大小开始坍缩，那么，从它自己表面上看，大约在1个小时内恒星就坍缩到了临界周长，然后继续坍缩下去，经过临界值，到达更小的周长。

到1939年，当奥本海默和斯尼德发现这些事情时，物理学家们已经习惯了时间是相对的事实；在宇宙中以不同方式运动的参照系所测量的时间流是不同的。但以前还没有谁遇到过不同参照系之间的如此极端的差别。从外面的静止参照系观测，坍缩将永远冻结，而在恒星表面的参照系中观测，坍缩将迅速地通过冻结点。研究奥本海默和斯尼德数学的人，没有谁会对如此极端的时间卷曲感到满意。不过，他们的公式就是这样的。人们可能欢迎启发性的解释，但似乎没有一个解释令人满意。到了50年代后期（本章结束时），我们才完全弄明白。

从恒星表面的观察者的观点看奥本海默和斯尼德的公式，我们甚至可以导出恒星沉没到临界周长以后的坍缩情况；就是说，我们可以发现恒星收缩到无限大密度和零体积，而且可以导出在这一点的时空曲率的细节。然而，奥本海默和斯尼德在描述他们计算的文章里却回避了任何关于零体积的讨论。奥本海默在科学上天生是保守的，他不愿猜想（见第5章最后两段），这大概也令他不愿去讨论这些东西。

从公式中认识致密的零体积状态，这对奥本海默和斯尼德来说太困难了；在1939年，即使临界周长和它外面的细节，对大多数物理学家来说也太离奇了。例如，在加州理工学院，托尔曼是相信的，毕竟这个预言是广义相对论不容争辩的结果。但别的人就不太相信。 广义相对论只在太阳系内经受过实验检验，而那里的引力太弱了，牛顿定律差不多也能给出相同的预言。反过来，奥本海默和斯尼德的奇异预言依赖于超强的引力，多数物理学家想，在这么强大的引力面前，广义相对论也同样可能是失败的，即使没有失败，奥本海默和斯尼德也可能错误解释了他们的数学意义；即使他们没有错误解释，他们的计算也太过理想化，忽略了自转、密度堆积、激波和辐射，也是不能太当真的。

在美国和西欧，处处是这样的怀疑，但在苏联却没有。那时，朗道还在出狱后的恢复中，他有张“黄金名单”，记着发表在世界各地的重要物理学研究论文。读到奥本海默和斯尼德的论文时，朗道也将它列入那个名单。他向朋友和伙伴们宣布，奥本海默的那些最新发现一定是正确的，虽然人类理解起来还极其困难。 朗道的影响是巨大的，他的观点从那时起就在苏联主要物理学家中间生根了。

插曲：原子弹

奥本海默和斯尼德是对还是错？假如没有第二次世界大战和后来发展氢弹的紧急计划，答案本来在40年代就该确切地知道了，但战争和氢弹确实来了，像黑洞那样不切实际的神秘研究停止了，物理学家的全部精力都转到了武器的设计方面。

到50年代后期，紧张的武器奋战才轻松了一些，星体坍缩又回到物理学家的意识中来。这个时候，怀疑者们向奥本海默—斯尼德预言发动了第一次严厉的攻击。首先高举怀疑大旗的是惠勒，但他没举多久；从一开始信仰者们的领袖就是惠勒的苏联对手，泽尔多维奇。

惠勒和泽尔多维奇的性格是在近20年的核武器计划的熔炉中形成的，那是40年代和50年代的20年，是黑洞研究冻结的20年。他们从核武器研究中走出来，带来了分析黑洞的重要工具：强有力的计算技术，对物理学定律的深刻理解，以及相互协作的研究作风，他们将以这种作风不断激发年轻的同事。他们也带来了沉重的包袱——与几个主要同行的一系列复杂的人际关系：惠勒与奥本海默，泽尔多维奇与朗道和萨哈洛夫（Andrei Dmitrievich Sakharov）。

惠勒1933年刚研究生毕业，就获得了洛克菲勒基金资助的国家研究委员会（NRC）的博士后奖学金。他要选择到哪儿去、跟谁做博士后研究。他本可以像那时大多数NRC的理论物理学博士后一样去伯克利跟奥本海默，但他选择了纽约大学和布雷特（Gregory Breit）。惠勒说，“他们[奥本海默和布雷特]在个性上完全不同，奥本海默看事情黑白分明，绝对果断；而布雷特的工作总带着灰蒙蒙的色彩。我追求的东西需要长久的思考，所以我选择了布雷特。”

1933年，惠勒从纽约大学去哥本哈根追随玻尔，然后到北加利福尼亚大学做副教授，接着又来到新泽西的普林斯顿大学。1939年，当加利福尼亚的奥本海默和他的学生正在探索中子星和黑洞时，惠勒和玻尔正在普林斯顿（玻尔来访）发展核裂变的理论：像铀那样的重原子核在受到中子轰击时会分裂成较小的碎片（卡片6.1）。那时，裂变刚被德国的哈恩（Otto Hahn）和斯特拉斯曼（Fritz Strassman）意外发现，而它的意义却是不祥的：通过裂变的一连串反应，可以造出威力空前的武器。但玻尔和惠勒并没考虑什么链式反应或武器，他们只想知道，裂变是怎么产生的？背后的机制是什么？物理学定律如何产生这个机制？

玻尔和惠勒获得了显著的成功。他们发现了物理学定律如何产生裂变，他们预言了哪些核在持续的链式反应中最为有效，铀-235（后来成为毁灭广岛的那颗原子弹的燃料）和钚-239（这类核在自然界里并不存在，但美国物理学家很快会知道如何在核反应堆中产生，后来它点燃了毁灭长崎的那颗原子弹）。然而，玻尔和惠勒在1939年并没想原子弹，他们只想去理解。

玻尔和惠勒解释核裂变的文章，与奥本海默和斯尼德描述恒星坍缩的文章，发表在同一期《物理学评论》上， 发表日期是1939年9月1日，这一天，希特勒的军队入侵波兰，第二次世界大战爆发了。

1914年，泽尔多维奇出生在明斯克的一个犹太家庭，那年下半年，全家迁到圣彼得堡（20年代改称列宁格勒，90年代又恢复旧名）。泽尔多维奇15岁读完中学，后来没进大学，而是到列宁格勒的物理技术研究所的实验室当助手。他在那儿自学了很多物理和化学，也做了许多动人的研究，结果，没有受过任何正规大学训练的他在1934年获得了博士学位，那年他20岁。

1939年，当惠勒和玻尔正在探索核裂变理论时，泽尔多维奇和他的一个亲密朋友哈里顿（Yuli Borisovich Khariton）正在研究核裂变产生的链式反应的理论。激发他们研究的是法国物理学家佩兰（Francis Perrin）的一个有趣（但是错误）的设想：火山喷发的动力可能来自天然的地下核爆炸，那是原子核裂变链式反应的结果。不过，没人（包括佩兰）知道这种链式反应的细节。泽尔多维奇和哈里顿——已经走进世界最优秀的化学爆炸专家的行列——向着这个问题冲锋了。几个月里，他们（同时西方也有人）证明了这类爆炸不可能自然发生，因为自然出现的铀大多是铀-238，而没有足够的铀-235。不过，他们下结论说，如果人工分离出铀-235，将它们聚集起来，那就可以制造链式反应爆炸。（美国人马上就会开始这种分离，为他们的“广岛原子弹”制造燃料。）罩着核研究的秘密帷幕还没有降下，泽尔多维奇和哈里顿将他们的计算发表在最有名的苏联物理学刊物《实验与理论物理学杂志》上，让全世界都来看。

在6年的战争中，参战国的物理学家们发明了声呐、扫雷器、火箭、雷达以及最要命的原子弹。在新墨西哥州洛斯阿莫斯，奥本海默领导“曼哈顿计划”，设计和制造美国的原子弹；在华盛顿汉佛，惠勒作为首席科学家，设计和建造世界上第一个生产规模的原子核反应堆，为“长崎原子弹”制造燃料。

广岛和长崎在原子弹中毁灭，几十万人在原子弹下丧生，令奥本海默很痛苦：“如果原子弹一定要添加进战争国家的军火库或者准备战争的国家的军火库，那么人类总会有诅咒洛斯阿莫斯和广岛的一天。” “粗俗也罢，幽默也罢，夸张也罢，总之从某种意义说，物理学家已经认识到犯罪了；而这是他们不能失去的良知。”

惠勒却另有一样悔恨：“回头来看[1939年我与玻尔关于裂变理论的研究]，我感到很难过。我首先是以物理学家的眼光来看核裂变的[那只不过是为了好奇，想知道裂变是怎么回事]，其次才以一个公民的眼光来看它[为了我的国家的国防]，怎么会是这样呢？为什么我没想到自己首先是一个公民，其次才是物理学家呢？简单看看记录就知道，约2 000万到2 500万人在第二次大战中死亡，而大多数是在后几年死的。战争每缩短一个月，就可能拯救50万到100万的生命，我的哥哥乔也可能会活下来，他是1944年10月在意大利的战斗中死去的。假如[第一次在战争中使用原子弹]那转折的一天不是1945年8月6日，而是1943年8月6日，该会有多大的不同啊！”

在苏联，物理学家在1941年6月德国来进攻时放弃了所有的核研究，因为对国防来说别的物理学领域能更快产生结果。德军压进，包围列宁格勒时，泽尔多维奇和朋友哈里顿撤退到卡赞，在那儿热烈地研究常规炸弹的理论，以提高它们的威力。后来，他们在1943年被召到了莫斯科。他们听说，美国和德国正加紧制造原子弹，这是很明显的。他们将加入库尔恰托夫（Igor V.Kurchatov）领导的一个杰出小组，发展苏联的原子弹。

两年后，美国原子弹在广岛和长崎爆炸时，库尔恰托夫的小组彻底从理论上认识了生产钚-239的核反应堆，设计了几种可能的原子弹——哈里顿和泽尔多维奇成了这个计划的理论领导。

斯大林知道美国原子弹爆炸后非常生气，大骂库尔恰托夫，恨他的苏联小组进展太慢。库尔恰托夫为他的小组辩解说，在战争的蹂躏下，凭有限的资源，他的小组的进展已经够快了。斯大林愤怒地告诉他，如果小孩不哭，妈妈怎么知道他想要什么？！你需要什么就说，可以答应一切要求！然后，他又要求实施一个行动不受限制的原子弹紧急计划，由那位可怕的秘密警察领导人别里亚（Lavrenty Pavlovich Beria）全权负责。

很难想象别里亚费了多大的力气。斯大林监狱里的几百万人被迫应征，这些“泽克”们（在口头上人们这样称呼） 建立了铀矿、铀提炼厂、核反应堆、理论物理研究中心、武器试验中心和为这些机构提供自给服务的小城市。它们散布在全国各地，迷雾重重，为的是不让美国的曼哈顿计划知道。泽尔多维奇和哈里顿被调往其中的一处，在“一个遥远的地方”，它的位置，尽管西方国家在50年代末就几乎确定了，但苏联到90年代才向国人公开。 他们去的地方简称是Obyeht（“基地”），哈里顿是负责人，而泽尔多维奇负责下面一个关键的原子弹设计小组。在别里亚领导下，库尔恰托夫建立了几个物理学家小组，同时而完全独立地探讨原子弹计划的各个方面。尽管烦琐复杂，但能保证安全。基地的小组向其他小组提出设计问题，其中一个小组的领导者是莫斯科物理问题研究所的朗道。

当研究队伍滚滚向前时，苏联间谍通过福奇斯（Klaus Fuchs，参加美国原子弹计划的英国物理学家）获得了美国钚弹的设计，它与泽尔多维奇和他的同事们提出的设计有些不同。这样，库尔恰托夫、哈里顿和伙伴们就面临着艰难的抉择：他们承受着沉重的压力，斯大林和别里亚在等着结果；他们害怕原子弹试验失败的后果，在那个年代，失败就意味着杀头。他们知道美国的设计在广岛和长崎成功了，而他们有的钚只够一颗原子弹。如何抉择是显然的，也是痛苦的：他们将自己的设计放到一边， 将他们的紧急计划照着美国的设计进行修改。

4年过去了，经过无数紧张的奋斗，不知有多少秘密，说不清死了多少被劳役的犯人，在舍里亚宾斯克附近的核反应堆产生了多少废物——10年后那儿发生爆炸，污染了几百平方英里的土地 ——紧急计划在1949年8月29日终于到头了。第一颗苏联原子弹在亚洲的谢米帕拉京斯克附近爆炸了，苏军最高司令和政府官员现场观看了试验。

1949年9月3日，一架美国WB-29气象探测飞机在从日本飞往阿拉斯加的航线上，发现了苏联核裂变试验的产物，数据被送给包括奥本海默在内的一个专家委员会评估，毫无疑问地证实了苏联试验了一颗原子弹！

这给美国带来了恐慌（如后方的原子弹隐蔽所，学校孩子们的原子弹演习，麦卡锡在政府、军队、媒体和大学中清理共产党间谍和他们的同党的政治迫害），在物理学家和政治家之间爆发了巨大的争论。在美国原子弹设计中最具创造力的物理学家特勒（Edward Teller）倡导尽快设计和建造“超弹”（或“氢弹”）——一种以氢核聚变形成氦为基础的武器。如果造出氢弹来，那将是很可怕的。似乎没有办法限制它的威力。谁想过比广岛原子弹威力大十倍、百倍、千倍甚至百万倍的炸弹吗？如果氢弹成功了，它的威力要多大有多大。

惠勒支持特勒。他相信为对抗苏联的威胁，“超弹”的紧急计划是基本的。奥本海默和他的美国原子能委员会一般咨询委员会表示反对。他们指出，人们相信的“超弹”是否能建造成功，还并不是很清楚。退一步讲，即使成功了，那些威力比普通原子弹大得多的超弹也可能会太重，不能用飞机或火箭来发射。另外，还有道德上的问题。奥本海默和他的委员会说，“我们相信，这个建议[紧急计划]必然会带来的对人类的极大危险完全超过了可能由它带来的军事上的优势，这也是我们反对它的原因。我们要让大家都清楚地认识到，这是一种超级武器，与原子弹属于完全不同的范畴。要发展这种超弹，就得容忍用一颗炸弹去毁灭一大片；使用这种武器，意味着决心去屠杀大量的国民。至于几个可能规模的超弹的爆炸会产生多大的全球性的辐射影响，我们感到更可怕了。假如超弹成功了，它的破坏力是没有极限的；因此，超弹可能成为种族灭绝的凶器。”

在特勒和惠勒看来，这些理由是毫无意义的。他们相信，俄国人肯定会向氢弹推进的，如果美国落后了，自由世界就将陷入巨大的危险。

特勒和惠勒的观点占了上风。1950年3月10日，杜鲁门总统下令实施超弹紧急计划。

现在看来，美国1949年的超弹计划似乎真像奥本海默的委员会猜测的那样，是一个失败的策略。不过，它不是一定会失败，而当时对它也没有更好的认识，所以大家都还在努力探索，到1951年3月，特勒和乌拉姆（Stanislaw Ulam）发明了一种全新设计，看来大有希望。

特勒和乌拉姆发现的只是一种设计思想。正如贝特（Hans Bethe）所说，“特勒的想法，十个有九个是没用的。他需要判断力更强的人，即使天赋差些，来帮他选择第十个思想，那常常是天才的灵感。” 为了检验这个思想是天才的灵感还是骗人的废物，需要将它落实到具体周详的原子弹设计中去，然后用最大的计算机来执行那些复杂的计算，看设计是否可行；如果计算成功，那么接下来就是制造和试验真正的原子弹了。

为计算设立了两个小组：一个在洛斯阿莫斯，另一个在普林斯顿大学。惠勒负责普林斯顿那组。惠勒的小组夜以继日几个月，在特勒—乌拉姆思想基础上提出了一个完整的原子弹设计方案，并用计算机检验了它是否可行。惠勒后来回忆，“我们做了大量的计算，用了纽约、费城和华盛顿的计算机设备——实际上，全美国大部分的计算机都用上了。为了弄清问题，维勒茨（Larry Wilets）、托尔（John Toll）、福德（Ken Ford）、亨尼耶（Louis Henyey）、豪斯曼（Carl Hausman）、奥利维尔（Dickl’Olivier）等人每天6个小时三班倒。”

计算清楚说明，特勒—乌拉姆思想大概是可行的。在普林斯顿高等研究院（奥本海默是那儿的院长）召开了一个会，向奥本海默的一般咨询委员会和它的上级美国原子能委员会报告这个思想。特勒先作介绍，然后，惠勒讲述了他的小组的具体设计和得到的爆炸结果。惠勒后来回忆说，“在我开始讲话时，福德从外面赶到窗口，将窗户抬起，递进一大卷图。我将图展开，挂在墙上，它说明了[我们所计算的]热核燃烧的过程……委员会没有别的选择，只得承认这些事情还是有意义的……我们的计算也让奥比改变了对这个计划的看法。”

奥本海默也讲过他自己的感受：“我们在1949年的计划[那个‘失败的策略’]是一个被扭曲了的东西，你可以有充分理由认为它不会有多大技术意义，于是还可能认为，即使有了它，也并不需要。1952年的计划[以特勒—乌拉姆思想为基础的新设计]在技术上是很吸引人的，没有什么可以争论的。问题只是军事的、政治的和人道的，那就是一旦你有了超弹，你要怎么做？” 他没有再表示对有关伦理学问题的忧虑，同委员会其他成员和特勒、惠勒以及超弹的拥护者们走到了一起。制造和试验超弹的计划在加速向前，像惠勒小组和洛斯阿莫斯小组同时进行的计算所预料的那样，进展很顺利。

惠勒小组复杂的设计计算最后写成秘密的《马特哈恩计划，B部，报告31》或PMB-31。惠勒说，“我听说，至少在10年里，PMB-31是热核装置[氢弹]设计的圣经。”

1949～1950年，当奥本海默、特勒等人在美国的恐慌中争论是否该紧急发展超弹时，苏联已经在施行他们自己的超弹计划了。

1948年春，苏联第一颗原子弹试验15个月前， 泽尔多维奇和他的小组在“基地”完成了类似于美国“失败策略”的关于超弹设计的计算。 ^[26] 1948年6月，在苏联最著名的理论物理学家之一的塔姆（Igor Tamm）领导下，在莫斯科建立了第二个超弹小组。 成员有金兹堡（Vitaly Lazarevich Ginzburg，在第8、10章我们会听到他更多的事情）、萨哈洛夫（70年代他将成为一个异议人士，到80和90年代，他又将成为苏联的英雄和圣人）、别连斯基（Semyon Belen’ky）和罗玛诺夫（Yuri Romanov）。塔姆小组的任务是审查和优化泽尔多维奇小组的设计计算。

他们对这个任务的态度，还是别连斯基说得干脆：“我们的工作就是为泽尔多维奇舔屁股。” 泽尔多维奇的个性很矛盾，在学术上坚强有力，对别人要求苛刻，而政治上胆小懦弱，在苏联物理学家中不大讨人喜欢，但他的确是很卓越的。朗道领导着下面的一个辅助设计小组，偶尔会接到泽尔多维奇的命令，要他就原子弹的设计分析这分析那。有时，他会在背后说他是“母狗，泽尔多维奇”。 不过，泽尔多维奇倒是很尊重朗道，认为他是判决物理学思想的伟大法官，是他最伟大的老师——虽然他从来没有正式听过朗道的一堂课。

塔姆小组的萨哈洛夫和金兹堡只用几个月就得到一个远比泽尔多维奇和美国人正在探寻的“失败的策略”好的超弹设计方案。萨哈洛夫提出造一个重裂变层（铀）和轻聚变层相间的千层饼式的超弹，金兹堡提出轻聚变燃料用氘化锂（LiD） ，在超弹强烈爆炸中，LiD的锂核将裂变成氚核，氚核将与氘核一起聚合成氦核，释放出巨大能量。重元素铀会阻止能量过快释放，帮助压缩聚合燃料，向燃料加入裂变能量，通过这些过程，它会增加爆炸的威力。当萨哈洛夫报告这些思想时，泽尔多维奇一下子就看到了希望。萨哈洛夫的千层饼和金兹堡的LiD很快就成为苏联超弹计划的焦点。

为将超弹计划更快向前推进，萨哈洛夫、塔姆、别连斯基和罗玛诺夫奉命从莫斯科迁往基地，但金兹堡没去，原因是很清楚的：3年前他与伊凡诺夫娜（Nina Ivanovna）结婚，她是一个活泼而有才华的女人，40年代初被人诬陷谋害斯大林而进了监狱。有人告她和她的伙伴密谋从她家的窗户向下面经过阿尔巴特街的斯大林开枪。正当三人法官小组判决时，有人指出她家的窗户根本看不到阿尔巴特街。于是，她享受了难得的恩赐，命保住了，只被判坐牢，然后被流放，没有死。夫人的坐牢流放大概足以玷污金兹堡的名誉，这位超弹的LiD燃料的发明者只好被基地拒之门外。他高兴了，比起超弹设计，他更喜欢基础的物理学研究；而科学世界也得到了他的回报：在泽尔多维奇、萨哈洛夫和惠勒集中精力研究超弹时，金兹堡揭开了宇宙线如何在银河系中传播的秘密，又同朗道一起用量子力学定律解释了超导性的起源。

1949年，当苏联原子弹计划结束时，斯大林命令动员全国一切力量立即投入超弹计划。从囚犯到理论研究人员、工厂、试验场以及有关设计和建造各方面的物理学家小组都要集中起来，在氢弹上与美国斗争。而美国人对此却一无所知，他们还在争吵是否需要赶紧发展超弹。不过，美国技术领先，起步也快。

1952年11月1日，美国爆炸了一个代号麦克（Mike）的氢弹型的装置。麦克是为了检验1951年的特勒—乌拉姆发明而设计的，基础是惠勒和洛斯阿莫斯两个小组同时进行的设计计算。它以液氘为主要燃料。为了液化氘并注入爆炸区，需要工厂那么大的设备，所以这不是那种可以用任何飞机或火箭发射的炸弹。不管怎样，它还是完全摧毁了西太平洋埃尼威托克岛的埃卢格兰礁屿，威力比在广岛令100 000人丧生的那颗原子弹大800倍。

1953年3月5日，莫斯科广播电台在哀乐声中宣布约瑟夫·斯大林逝世。美国人高兴了，苏联一片悲伤。萨哈洛夫给妻子克拉娃写信说，“伟人的死给我带来了巨大的影响，我正在想他这个人。”

1953年8月12日，在舍米帕拉京斯克，苏联爆炸了他们的第一颗氢弹，美国人称它为“乔-4”（Joe-4），是照萨哈洛夫的千层饼设计的，聚变燃料用金兹堡的LiD，体积很小，可以用飞机投放。不过，乔-4的燃料不能用特勒—乌拉姆方法点燃，结果它的威力就远比美国的麦克小：它“只有”广岛原子弹的30倍，而麦克是800倍。

实际上，用美国超弹设计者的话说，乔-4根本不是氢弹，而是加强的原子弹，也就是说，在原子弹中加入了一些聚变燃料，从而增大了威力。这种加强的原子弹早就在美国的军火库里了；美国人不承认它们是氢弹，因为千层饼的设计方法不能点燃任意量的聚合燃料。举例说：凭这种设计没办法造出比广岛原子弹强几千倍的“世界末日武器”。

但30颗广岛原子弹也是不能轻视的，何况它还可以用飞机投放。不过，乔-4实际上只是令人敬畏的武器，而惠勒和其他美国人却长长舒了口气，幸好自己有真正的氢弹，苏联新领导人马林科夫（Georgi Malenkov）不能用它来威胁美国了。

1954年3月1日，美国爆炸了第一颗由LiD做燃料的可投放氢弹，代号为布拉沃（Bravo），同麦克一样，它的基础是惠勒和洛斯阿莫斯小组的设计计算，也用特勒—乌拉姆的发明。爆炸能量是广岛原子弹的1 300倍。

1954年3月，萨哈洛夫和泽尔多维奇（独立于美国）联合发现了特勒—乌拉姆思想。 几个月内，苏联的力量都集中来实现一颗真正的超弹，破坏力要多大有多大。他们只用了18个月就完成了设计和建造，1955年11月23日，它突然爆炸了，能量是“广岛”的300倍。

正如奥本海默的一般咨询委员会在反对超弹紧急计划时所猜测的那样，这些大能量的超弹——以及后来苏联为了恐吓肯尼迪而爆炸的5000个广岛原子弹威力的庞然大物——并没引起美国和苏联军队的多大兴趣。现在俄国和美国军火库里有的只是约30个广岛的原子弹，没有几千倍的。尽管它们是真正的氢弹，却并不比大原子弹更有威力。军队不需要也不想要“世界末日”的东西。这种东西惟一的作用在于给敌人以心理上的威慑——在有像斯大林那样的领导者的世界里，这种威慑作用还是很重要的。

1953年7月2日，施特劳斯（Lewis Strauss）成为美国原子能委员会主席，他当委员时曾在超弹紧急计划问题上与奥本海默激烈争论过。他当权的头一件事就是将普林斯顿的奥本海默办公室的所有秘密材料拿走。施特劳斯和华盛顿的许多人都很怀疑奥本海默的忠诚。一个忠于美国的人怎么可能像他那样在惠勒小组证明特勒—乌拉姆思想前反对超弹计划呢？原子能国会联合委员会的首席律师波尔登（William Borden）在超弹争论期间给胡佛（J.Edgar Hover）写信说，“此信的目的在于表达我个人深思熟虑的意见。通过对所有秘密证据的多年研究，J.罗伯特·奥本海默很有可能是苏联的代理人。”奥本海默的忠诚审查被取消了，1954年4、5月，在美国第一次投放氢弹试验期间，原子能委员会举行听证会，决定奥本海默是否真的危及国家安全。

听证会期间，惠勒正在华盛顿忙别的事情，没有卷进来。然而，他的亲密伙伴特勒在去作证的前一天晚上来到他所在宾馆的房间，在地板上走来走去，彷徨了几个小时。假如特勒说他想说的话，会极大伤害奥本海默；但他能不那么说吗？惠勒没什么疑虑，在他看来，特勒很正直，一定会说实话。

惠勒是对的。第二天，特勒说的话大概只有惠勒能理解：“在很多时候，我看到奥本海默博士做的事情……我非常难以理解。在许多观点上，我完全不同意他的，而他的行为对我来说太复杂了，简直令我疑惑。在这一点上，我感觉应该考虑目前最重要的国家利益，这一点我认识更多，也相信更多……我相信——当然，这只是信仰问题，没有什么专业问题和背景——奥本海默博士，凭他的性格，是不会故意也不会愿意做危害国家安全的事情的。所以，如果你们的问题说的是一种倾向的话，我可以说，我找不到什么理由说他不忠；如果问题是要凭他在1945年以来的行为来作出明智的判决，那么我可以说最好也不要肯定他的忠诚。”

几乎所有来作证的物理学家都无疑是支持奥本海默的——特勒的证词令他们惊呆了。尽管如此，尽管没有可靠的证据说明奥本海默是“苏联的代理人”，时代的潮流还是占了上风；奥本海默被宣布危害国家安全，是对国家不忠的人，没有资格参与秘密事务。

在多数美国物理学家看来，奥本海默是时代的牺牲品，而特勒是小人。特勒在他的余生将被物理学界唾弃。但在惠勒看来，特勒才是牺牲者，他相信，特勒“凭勇气表达了他忠实的判断，他把国家利益放在物理学家的团结之上。” 惠勒认为，他的证词“值得考虑”而不该被排斥。35年后，萨哈洛夫也同意这一点。 ^[27]

黑洞的诞生；深入理解

惠勒和奥本海默不仅在国家安全问题上有重大分歧，他们的理论物理学方法也大相径庭。奥本海默只信奉已经建立起来的物理学定律的预言，而惠勒渴望知道那些定律背后的事情。他的思想常常走近旧定律破灭而新定律出现的边缘。他想从他的道路跳进21世纪，去看看20世纪物理学前沿之外的那些物理学定律会是什么样子。

他可能看到些什么呢？从50年代起，在惠勒看来，未来最有希望的莫过于广义相对论（宏观领域）和量子力学（微观领域）的交流，那时两者还没有逻辑一致地融和起来。起初尝试解决这个问题时，它们就像一个纵横字谜。你可以试着用一组词横填，用另一组词纵填。你会发现纵横交叉处出现了矛盾：横的那行GENERAL需要E，而纵的那列QUANTUM需要U；横的RELATIVITY要E，而纵的QUANTUM要T。看看这些行列，就会明白，要么改一个字，要么两个都改，才会没有矛盾。类似地，对广义相对论和量子力学，为了从逻辑上将两者融和起来，显然应该修改其中的一个，或者两个都要修改。如果这种融和实现了，那么广义相对论与量子力学的最终统一将产生一组新的强有力的定律，物理学家称它为量子引力。不过，50年代的物理学家对两者结合的认识还太简单，尽管费力不少，但进展不多。

进展同样缓慢的还有对原子核的基本构成要素的认识——中子、电子以及粒子加速器正在产生的越来越多的基本粒子。

惠勒想跳过这个泥潭，一眼看到量子引力和基本粒子的本性。他认为，找出理论物理学中疑惑多的地方，就能看到这些本性。疑惑的背后就是深刻的认识。疑惑越深，我们的认识超越20世纪物理学前沿可能就越远。

惠勒刚从超弹中解脱出来，就带着这种精神，同哈里森和若野一起填补了我们对冷死星体认识的空白（第5章）；他也带着这种精神思考“大质量物体最终命运”的问题。他在这儿遇到了一个他正在寻找的疑惑：没有比2个太阳质量更大的冷死星；然而天空中却有很多质量远比它们大的热星——总有一天会冷却死亡的。奥本海默曾以一贯的直率作风向确立的物理学定律寻求那些星体的行为，（与斯尼德一起）得到一个答案，这似乎令惠勒感到奇怪，也更令惠勒相信，他可能会在这个大质量的命运问题上发现超越20世纪前沿的物理学。我们将在第12、13章看到，惠勒是对的。

惠勒满怀火一样的热情——深深地、不懈地追寻大质量物体的命运，想知道它们的命运是否能解开量子引力和基本粒子的秘密。奥本海默不一样，他在1958年似乎对很多事情都不太关心。他相信自己和斯尼德的计算，但没想过把它更推进一步，也没兴趣更深入去认识它。也许他太累了，在过去的20年里，他一直在斗争——武器设计的斗争，政治的斗争，个人的斗争。也许他在未解之谜面前畏缩了。不管怎么说，他再也没有回答这些问题。火炬传给了新一代。奥本海默留下的东西，是惠勒的基础；而在苏联，朗道留下来的，也成了泽尔多维奇的基础。

1958年在布鲁塞尔遇到奥本海默时，惠勒断言奥本海默—斯尼德计算是靠不住的。为什么呢？因为他们的理想化条件太苛刻了（见图6.3）。最特别的是，奥本海默一开始就假定坍缩的恒星不存在任何压力。如果没有压力，坍缩的物质就不可能形成激波（类似于破碎的带着泡沫的海浪）。没有压力和激波，坍缩的物质就无法加热。没有热量和压力，就无法引起核反应，无法产生辐射。没有通过核反应、压力和激波产生的辐射外流和物质喷发，恒星就无法失去质量。一开始就禁止了质量的损失，大质量恒星就不可能将质量减到2个太阳以下而成为冷死的中子星。惠勒由此推论，奥本海默的坍缩星体无疑会形成黑洞；到头来，他的理想化什么事也做不成！

奥本海默和斯尼德在1939年做他们的研究时，还不可能具体计算具有真实压力（热压力、简并压力和核力产生的压力）的伴随着核反应、激波、热辐射和物质喷射的坍缩过程。不过，核武器设计的20年正好提供了必需的工具。压力、核反应、激波、热、辐射和质量喷射，都是氢弹的重要特性。没有它们，氢弹是不会爆炸的。为设计氢弹，需要将所有这些事情放到计算机里一起计算。当然，惠勒的小组就做这件事。所以，他们现在很自然地会重写原来的计算程序，不过不是去模拟氢弹的爆炸，而是模拟大质量恒量的坍缩。

假如那个小组还在，这会是很自然的事情。然而，小组解散了。他们曾写过PMB-31报告，分散后，有的当了老师，有的搞物理学研究，还有的成了各大学和政府实验室的行政领导。

美国原子弹设计机构现在都集中在洛斯阿莫斯和加利福尼亚利弗莫尔的一个新的政府实验室里。50年代后期，科尔盖特（Stirling Colgate）在利弗莫尔迷上了星体坍缩问题。他在特勒鼓励下，与怀特（Richard White）、后来又与麦（Michael May）合作，在计算机上模拟坍缩。他们的模拟还保留了一些奥本海默的理想化：一开始就认定坍缩的恒星是无旋转球形的。如果不这样限定，计算会困难得多。不过，他们的模拟还是将困惑惠勒的那些东西都考虑进来了——压力、核反应、激波、热、辐射、质量喷射——他们所依靠的是原子弹设计的专业知识和计算机编码。完善设计费了几年的努力，但到60年代初，他们已经做得很好了。

60年代初的一天，惠勒急匆匆赶到普林斯顿大学的一个相对论讨论班，我那时正在那儿跟他读研究生。他来晚了一点儿，但满脸高兴。他刚从利弗莫尔访问回来，在那儿看到了科尔盖特、怀特和麦的最新模拟结果。他在黑板上画了一个又一个圆，用激动的声音向我们解释他的利弗莫尔朋友们知道了什么。

如果坍缩恒星的质量小，它将导致超新星爆发，像茨维基30年前猜想的那样形成中子星。当恒星质量超过2个太阳的最大中子星质量时，不管多大压力、也不管核反应、激波、热和辐射，它都将坍缩形成黑洞。 而黑洞的诞生显著地类似于奥本海默和斯尼德在近25年前高度理想化的计算。从外面看，坍缩会越来越慢，最后在临界周长处冻结；在星体表面的人看来，坍缩一点儿也没冻结。星体的表面会毫不犹豫地一直收缩下去，穿过临界周长。

其实，惠勒已经在期待这一点了。由于其他的认识（下面讲），他已经从奥本海默黑洞的批评者变成了热情的支持者。不过他开始相信的还是一个具体的来自实际计算机模拟的证明：坍缩必然产生黑洞。

奥本海默为惠勒的转变高兴吗？不，他几乎没表现出什么兴趣和愉快。1963年12月，当类星体发现时（第9章），在德克萨斯的达拉斯举行了一个国际会议，惠勒在会上发表了关于星体坍缩的长篇演说，热情讲述了奥本海默和斯尼德1939年的计算。奥本海默也参加了会议，惠勒演讲时，他正坐在走廊的长椅上跟朋友聊别的事情。30年后，惠勒回想这一幕，说起来还很难过，两眼满是伤悲。

50年代后期，泽尔多维奇开始对核武器设计工作感到厌倦，大多数真正有意思的问题都已经解决了。为寻找新的挑战，他用一部分时间去尝试研究基本粒子的理论，然后又转向天体物理学。同时，他仍然领导着基地的一个原子弹设计小组和一个在莫斯科应用数学研究所里做辅助计算的小组。

在原子弹设计工作中，泽尔多维奇常用一些思想来激发他的小组，组员们会通过计算来看这些思想是否行得通。“泽尔多维奇点火，队员们加油”，这是金兹堡的说法。在天体物理学研究中，泽尔多维奇仍然保持着这种作风。

在天体物理学问题中，令泽尔多维奇感兴趣的是星体的坍缩。像美国的惠勒、科尔盖特、麦和怀特一样，泽尔多维奇也明显感到，氢弹设计的工具完全适用于坍缩恒星的数学模拟。

为弄清真实星体坍缩的具体情况，泽尔多维奇留了几个年轻人在身边：应用数学所的纳杰任（Dmitri Nadezhin）、伊姆舍尼克（Vladimir Imshennik）和基地的波杜利茨（Mikhal Podurets）。经过一系列激烈讨论，他向他们讲了自己如何考虑在计算机上模拟坍缩，并包括那些对氢弹来说十分重要的效应：压力、核反应、激波、热、辐射、物质喷射。

在这些讨论启发下，伊姆舍尼克和纳杰任模拟了小质量恒星的坍缩，还独立于美国的科尔盖特和怀特证实了茨维基关于超新星的猜想。同时，波杜利茨模拟了大质量恒星的坍缩，他的结果几乎与麦和怀特的同时发表，而且在内容上与那两位美国同行也差不多是一样的。 没有什么可以怀疑的了：坍缩产生黑洞，而且正是按照奥本海默和斯尼德声明的那种方式。

原子弹设计代码能用来模拟星体坍缩，这不过是核武器与天体物理学众多密切联系的一个表现。那些联系，萨哈洛夫在1948年就看清了。他奉命参加塔姆的原子弹设计小组时，就开始以天体物理学研究来为自己做准备。1969年，我也意外地卷进了这些联系。

我从没真正想过要明白特勒—乌拉姆和萨哈洛夫—泽尔多维奇的思想是什么。凭他们的思想，那些能“具有任意威力”的超弹，在我看来是很讨厌的东西，我甚至根本不去想它如何实现。但我想知道中子星在宇宙中会起什么作用，只好被迫去考虑特勒—乌拉姆思想。

泽尔多维奇几年前指出，星际空间或恒星附近的气体在落到中子星上时会加热发光，它辐射出来的实际上大多是高能的X射线，而不是低能的可见光，那该有多热！泽尔多维奇认为，下落的气体控制着X射线外流的速率；反过来，外流的X射线也影响着气体下落的速率。于是，协同作用的气体和X射线产生一种稳定的自调节流。如果下落气体太快，它将产生大量X射线，而外泻的X射线将与下落的气体相撞，产生向外的压力，从而减缓气体的下落[图6.4（a）]。另一方面，如果气体下落太慢，它产生的X射线将很少，没有能力减缓气体的下落，从而下落速率会增大。只存在一个惟一的气体下落速率，不太高，也不太低，正好能让X射线和气体达到平衡。

气体与X射线的这幅流动图景令我困惑。我清楚地知道，在地球上，假如想用低密度液体（如水）在下面支撑高密度液体（如水银），那么水银会很快像舌头一样钻进水中，水银下沉，而水上升[图6.4（b）]，这个现象叫瑞利—泰勒不稳定性。在泽尔多维奇的图景中，X射线就像低密度的水，而下落的气体像高密度的水银。气体的舌头难道不会钻进X射线吗？然后，气体不会自由落向那些舌头，从而破坏泽尔多维奇的自调节流吗[图6.4（c）]？用物理学定律详细计算，可能会告诉我这种事情是否发生，但这样的计算太复杂，又费时间；所以我没有算，而直接去问泽尔多维奇，那是1969年的一个下午，我们正在他的莫斯科公寓里讨论物理学。

（b）水银在地球的引力作用下下落，它下面的水将它支撑着，结果出现瑞利—泰勒不稳定性。

（c）下落的气体被中子星的X射线所支撑，也会出现瑞利—泰勒不稳定性吗

我提出这个问题时，泽尔多维奇有点儿不高兴，但他的回答很坚决：“不，基普，那是不会发生的。没有舌头钻进X射线，气流是稳定的。”“您怎么知道呢，雅科夫波里索维奇？”我问。奇怪的是，我没能得到回答。显然，泽尔多维奇或其他什么人做过详细计算或实验，证明了X射线能顶住气体而不会出现瑞利—泰勒的舌头来破坏，但泽尔多维奇却不能向我指出发表在文献里的任何一家的计算或实验，也没有为我详细讲述其中的物理学。这太不像泽尔多维奇了！

几个月后的一天，我和科尔盖特在加利福尼亚内华达山上漫步（科尔盖特是美国最好的辐射和流体运动专家之一，是美国后期超弹工作的主要参与者，也是在利弗莫尔用计算机模拟恒星坍缩的三个物理学家中的一个），我向他提出我问泽尔多维奇的那个问题，他也那样回答我：气流是稳定的，气体不可能生成舌头而逃脱X射线的作用。“你怎么知道呢，斯特林？”我问。“已经证明过了。”他回答。“哪儿能找到计算或者实验呢？”我问。“我不知道……”

“那太奇怪了，”我告诉斯特林，“泽尔多维奇也是这样给我说的——流是稳定的。可他也跟你一样，不告诉我证明在哪儿。”“哦，那么泽尔多维奇也知道了，真有意思。”斯特林说。

那么，现在我也知道了。我没想过要知道。但结果是不可避免的。特勒—乌拉姆思想一定是用裂变（原子弹）触发器最初产生的X射线来加热、增压，点燃超弹的聚变燃料（图6.5）。80年代，几种解了密的美国出版物证实了这确实是特勒—乌拉姆思想的一部分，要不，我也不会在这儿讲了。

是什么令惠勒从黑洞的怀疑者变成了信仰者和宣扬者？恒星坍缩的计算机模拟不过是最后的激发因素。更重要的还是他想打破认识上的障碍。从20年代到50年代，这些障碍普遍存在于全世界物理学家的头脑中。它部分来自那个出现在黑洞中的史瓦西奇点，也来自奥本海默和斯尼德理想化计算的令人疑惑的结果：从外面静止的观察者看，坍缩的恒星将在临界周长处（“史瓦西奇点”）永远冻结，而从恒星表面的观察者看，坍缩会很快通过冻结点继续下去。

在莫斯科，朗道和他的伙伴们，一方面相信奥本海默和斯尼德的计算，同时却在协调这两个观点上遇到了很大的麻烦。“当人类头脑面临两个可能同时都正确的观点时，你不能想象那是多么难以理解。” 若干年以后，朗道最亲密的朋友栗弗席兹（Evgeny Lifshitz）这样告诉我。

1958年（也就是惠勒攻击奥本海默和斯尼德结论那年）的某一天，莫斯科收到一期刊有芬克尔斯坦（David Finkelstein）文章的《物理学评论》， 作者是一个不出名的博士后，来自美国一所不太有名的大学，新泽西霍伯肯的史蒂芬斯理工学院。朗道和栗弗席兹读了这篇文章。它揭示了好多东西，一切事情都豁然开朗了。 ^[28]

那年，芬克尔斯坦访问了英国，在伦敦国王学院作演讲时，彭罗斯（他后来将变革我们对黑洞内部事物的认识，见第13章）曾乘火车赶来听，然后满怀热情地回剑桥。

在普林斯顿，惠勒起先有点兴趣，但没全信。等几年他才会慢慢相信。他之所以比朗道和彭罗斯迟疑，我想是因为他看得更深。他坚持认为量子引力会使核子（中子和质子）在坍缩的恒星中化为辐射而脱离坍缩，这个想法似乎不可能与芬克尔斯坦的见解协调。不过，我们以后会看到，在更深的意义上，两家观点都是对的。

那么，芬克尔斯坦的见识是什么呢？他很偶然地凭简单的数学发现了一个描述史瓦西时空几何的新参照系。他对恒星坍缩不感兴趣，也没有把他的新参照系同星体坍缩联系起来。 但对别人来说，他的新参照系的含义是很清楚的，为他们带来了对星体坍缩的全新认识。

坍缩恒星外的时空几何还是史瓦西的几何，所以能用芬克尔斯坦的新参照系来描述，它与我们以前遇到过的参照系（第1，2章）大不相同。那些参照系（假想实验室）都很小，而且每个参照系的各部分（顶、底、边和中心）都是相对静止的。相反，芬克尔斯坦的参照系很大，可以同时覆盖远离坍缩恒星的时空区域、恒星附近的区域以及它们之间的区域。更重要的是，这些参照系的不同部分是相对运动的。远离恒星的部分是静止的，也就是没有坍缩；而恒星附近的部分则随坍缩的恒星表面向下落。相应地，芬克尔斯坦的参照系同时可以用来描述遥远的静止观察者和随坍缩恒星一起下落的观察者所看到的恒星坍缩过程。结果，这样的描述把从远处观察到的坍缩冻结与从恒星表面观察到的持续坍缩优美地协调起来了。

1962年，惠勒的普林斯顿研究小组的两个成员，贝克多夫（David Beckedorf）和米斯纳（Charles Misner）构造了一组嵌入图来说明这种和谐的描述，1967年，我在为《科学美国人》写的一篇文章里将他们的嵌入图改成了下面更富想象的样子。

从前，在一只大橡皮膜上生活着6只蚂蚁（图6.6），这些蚂蚁都很聪明，让信号球以不变的速度（他们的“光速”）在膜面上滚动来互通讯息。遗憾的是，这些蚂蚁没有计算膜的强度。

一天，5只蚂蚁刚好汇聚到膜中心，他们的重量使膜往下坍缩，自己也陷了进去，但爬得太慢，出不来了。第6只蚂蚁——他们的“宇航员”——带着望远镜在远处的安全地方。当膜塌陷时，被陷的蚂蚁向“宇航员”发了信号球，所以她能跟踪他们的命运。

膜在塌陷时发生了两件事：第一，它的表面向内收缩，把周围的事物拖向塌陷中心，就像坍缩恒星的引力将事物吸向它的中心一样。第二，膜塌下来形成一个碗，就像坍缩恒星周围的空间弯曲的形状（与图6.2对比）。

膜的表面将随着塌陷而越来越快地收缩，结果，被陷的蚂蚁等时间间隔发出的信号球要经过越来越长的时间才能被“宇航员”蚂蚁收到（这类似于从坍缩恒星发出的光的红移）。塌陷开始15秒后，发出第15号球，在这同一瞬间，陷落的蚂蚁正好被吸进临界周长。因为临界周长处的膜正好以球的运动速度（光速）收缩，所以第15号球将永远停在那儿。在到达临界周长前0.001秒，陷落的蚂蚁发出第14.999号球（只画在最后一幅图上），这个球勉强比膜的收缩快一点儿，要等到137秒后才能到达宇航员蚂蚁。过了临界周长0.001秒以后发出的15.001号球必然会被吸进高度弯曲的膜区，与那5只陷落的蚂蚁挤在一起。

但宇航员蚂蚁永远也不会知道他们挤压的情况。她永远也收不到15号和在它之后发出的信号球；而刚好在15号以前发出的球却要过很长时间才能逃出来，所以在她看来，塌陷会很慢，而且正好在临界周长处冻结。

这个类比非常忠实地再现了坍缩恒星的行为：

1.膜的形状正好就是恒星周围弯曲空间嵌在嵌入图中的形状。

2.信号球在膜上的运动与光子在坍缩恒星的弯曲空间中的运动是完全一样的。特别是，在膜上的任何静止蚂蚁局部测得的信号球都以光速运动，但刚在15号之前发出的球却要过很长时间才能逃出来，在宇航员蚂蚁看来就像坍缩要冻结了。同样地，任何人局部测得的从恒星表面发出的光子也以光速运动，但刚在恒星收缩到临界周长（它的视界）前发出的光子也要过很长时间才能逃出来，在外面的观察者看来，坍缩必然显得要冻结了。

3.陷落的蚂蚁看不到任何在临界周长冻结的事情，他们会被无情地吸进临界周长，挤在一起。类似地，任何在坍缩恒星表面的人也看不到坍缩冻结，他们毫不犹豫地经历坍缩，被潮汐引力压得粉碎（第13章）。

用嵌入图来说，这就是芬克尔斯坦新参照系带来的认识。以这种方式思考坍缩就不再有什么神秘的事情了。坍缩的恒星确实会毫不犹豫地收缩到临界周长以下，远处看到的冻结表现是一种错觉。

蚂蚁比喻的嵌入图只能说明芬克尔斯坦新参照系的部分内容，更进一步的思想表现在图6.7的坍缩恒星的时空图上。

到现在为止，我们见过的惟一时空图是在狭义相对论中遇到的，例如图1.3。那张图，我们是用两种观点画的：静止在帕萨迪纳城的惯性参照系（忽略向下的引力）的观点，图1.3（c），和固定在帕萨迪纳科罗拉多林荫大道上高速奔驰的跑车上的惯性系的观点，图1.3（b）。在每幅图中，我们将选出的参照系的空间画在水平方向，时间画在垂直方向。

在图6.7中，我们选的是芬克尔斯坦的参照系，跟往常一样，这个参照系的三维空间（“芬克尔斯坦空间”）的二维画在水平方向上，而从它观测的时间（“芬克尔斯坦时间”）画在垂直方向上。因为芬克尔斯坦参照系在远离恒星处是静止的（没有坍缩），所以在那儿的时间也就是静止观察者所经历的时间；又因为芬克尔斯坦参照系在恒星附近会随坍缩的恒星表面向下落，所以在那儿的时间也就是下落的观察者所经历的时间。

图中表现了两个水平碎片，分别示意特定时刻的两个空间维，但忽略了空间弯曲，所以它看起来是平直的。更特别的是，包围恒星中心的周长被忠实地表现在这两个水平面上，但是半径（距中心的距离）却表现不出来；为了同时忠实地表现周长和半径，我们还得用图6.2那样的嵌入图或者图6.6的蚂蚁的类比。空间曲率那时也会慢慢清楚：周长将小于2π乘以半径。将水平碎片画平，是人为抹去了它的曲率。这种错误的空间平直化是为了把图画明白所付出的代价。代价的收获是，我们能在单独的一幅图中同时看清空间和时间。

图中最初时刻（底下的水平面），缺了一个空间维的恒星是大圆的内部，假如失去的那一维还在，恒星应该是一个大球的内部。在后来时刻（第二片），恒星收缩了，成了小圆的内部。再后来，恒星通过临界周长；再后来，它就收缩到零周长，在那儿生成一个奇点，照广义相对论，恒星在那里被挤碎了，不存在了。奇点的具体情况我们要到第13章才讨论，但应该知道，它完全不同于物理学家从20年代讲到50年代的那个“史瓦西奇点”。“史瓦西奇点”是他们对临界周长和黑洞的误会的说法；这里的“奇点”是留在黑洞中心的一样东西。

黑洞本身是图中黑色的时空区域，也就是临界周长（即坍缩恒星未来的表面）以内的区域。黑洞表面（视界）就在临界周长处。

在图中还画了几个跟着恒星表面的粒子的世界线（穿过时空的轨道）。当我们从图的下方往上看时（也就是随时间流逝），会发现这些世界线越来越向恒星中心（图的中心轴线）靠拢。这个运动体现了恒星随时间的收缩。

最有意思的是四个光子（光的粒子）的世界线。这些光子类似于蚂蚁的信号球。光子A是在恒星开始坍缩的时刻从表面向外发出的（底下的空间片）。随时间流逝（从图下往上看）它很轻松地越走越远。光子B是在恒星到达临界周长前一会儿发出的，要过很长时间才能逃出去；它有点儿像蚂蚁发出的14.999号信号球。光子C是在临界周长处发出的，像15号信号球一样，它将永远停留在那儿。光子D从临界周长内部（黑洞内部）发出，永远逃不出来，像15.001号信号球一样，它将被黑洞的强大引力拉进奇点。

将我们现在对来自坍缩恒星的光的传播的认识，与18世纪关于从小于临界周长的恒星发出的光的预言进行对比，是很有意思的。

回想一下（第3章），18世纪末，英国的米歇尔和法国的拉普拉斯用牛顿的引力定律和光微粒预言了黑洞的存在，那些“牛顿黑洞”实际上是周长很小（小于临界周长）的静态星体，引力阻止了星体附近的光逃逸出去。

图6.8的左边（空间图，不是时空图）描绘了这样一颗在临界周长内的恒星和从它表面近垂直（径向）发出的光子（光微粒）的空间轨道。向外飞的光子像扔出去的石块，会被恒星引力减速、停止，然后落回恒星。

右图描绘了两个光子在时空图中的运动。向上的是牛顿宇宙的时间，向外的是绝对空间。随时间流过，圆形的恒星扫过一立体柱，在任一时刻（通过图的水平面），恒星由与左图相同的圆表示。光子A随时间向外飞，然后落回来；光子B发出稍晚，但行为是一样的。

关于临界周长以下的恒星和它发出的光子，将这个（错误的）牛顿观点与（正确的）相对论观点（图6.7）拿来对比是很有好处的。对比说明了牛顿定律和爱因斯坦定律的预言的两点显著的差别：

1.牛顿定律（图6.8）允许小于临界周长的恒星健全地存在，没有坍缩，引力的挤压被内部压力所平衡。爱因斯坦定律（图6.7）坚信，当恒星小于临界周长时，没有什么内部压力能够抵抗强大的引力挤压，恒星别无选择，只有坍缩。

2.牛顿定律预言，从恒星表面发出的光子先可以向外飞得很远，甚至跑到临界周长以外，然后被拉回来。爱因斯坦定律要求，任何从临界周长内部发出的光子总是向越来越小的周长运动。只有在恒星收缩比光子向内运动更快的情况下，这些光子才可能脱离恒星的表面（图6.7）。

尽管芬克尔斯坦的发现和原子弹的数字模拟完全令惠勒相信大质量恒星的坍缩必然产生黑洞，但坍缩的星体物质的命运在60年代仍然困扰着他，跟他1958年在布鲁塞尔遇到奥本海默时一样。广义相对论认为，恒星物质在黑洞中心的奇点处会被压碎而消失（第13章），但这个预言在物理上是不能接受的。在惠勒看来，广义相对论显然不能用在黑洞的中心，而该拿新的量子引力定律采取代它，这些新定律一定不会让恒星被压得粉碎。惠勒猜测，以他在布鲁塞尔阐释的观点为基础，也许新定律能将坍缩物质转化为辐射，通过量子力学的“隧道”而逃出黑洞散入星际空间。检验这个猜想需要更深刻地认识量子力学与广义相对论的结合，猜想的美妙也在于此。这是发现量子引力新定律的试验基础。

作为惠勒60年代初的学生，我认为他的猜想太无理了，物质在奇点转化成辐射，然后通过隧道脱离黑洞——惠勒怎么会相信这样的事情呢？如惠勒所说，量子引力新定律在黑洞中心的奇点当然是重要的，但不是在临界周长附近。临界周长是“宏观领域”的东西，广义相对论一定是高度精确的；而广义相对论的定律也是不容争辩的——没有什么东西可以逃出临界周长。引力把握万物，所以不会有“量子力学的隧道”（不管它是什么）让辐射跑出去，我坚信这一点。

1964和1965年，惠勒和我同哈里森和若野一起写了一本关于冷死星和星体坍缩的专业书。 惠勒一定要在最后一章写进他关于辐射可能通过隧道逃出黑洞散入星际空间的猜想，令我很吃惊。为说服他不要在书里写这个猜想，最后我打电话向大卫·夏普（David Sharp）求助，他是惠勒的一个博士后。惠勒、大卫和我在三方电话上激烈争论，最后他终于投降了。

惠勒是对的，大卫和我错了。10年后，泽尔多维奇和霍金将用新建立起来的广义相对论与量子力学的部分结合，从数学上证明辐射能够通过隧道逃出黑洞——尽管很慢很慢（第12章）。换句话说，黑洞会蒸发，不过蒸发很慢。一个黑洞，从恒星坍缩形成到最后消失，所经历的时间将远大于我们宇宙现在的年龄。

我们为事物取的名字是很重要的。电影明星经纪人大概很明白这一点，所以他们把诺玛·珍尼·贝克尔（Norma Jean Baker）改为玛丽莲·梦露（Marilyn Monroe），把贝拉·布拉斯柯（Béla Blasko）改为贝拉·卢戈西（Béla Lugosi）。 物理学家当然也明白。在电影业，一个名字定下一个基调，也就是观众评价影星的思想基础——如梦露的魅力，卢戈西的恐怖。在物理学中，一个名词有助于建立认识物理学概念的思想参照系。好的名词会让人构想出一幅能突出概念最重要性质的认识图景，从而有助于以某种潜意识的直观的方式启发好的研究；坏名词则会产生阻碍研究的思想障碍。

在从1939年到1958年间，对物理学家们认识恒星坍缩起最大阻碍作用的，也许是他们为临界周长所取的名字：“史瓦西奇点”。“奇点”一词会令人想象一个引力无限大的区域，我们知道的物理学定律在这儿失败了——我们现在认识了，这幅图景对在黑洞中心的物体来说是正确的，但对临界周长并不正确。由于这幅图景，物理学家难以接受奥本海默—斯尼德结论，在坍缩的恒星上通过史瓦西奇点（临界周长）的人感觉不到无限的引力，也没看到物理学定律的失败。

史瓦西奇点（临界周长）一点儿也不奇异，芬克尔斯坦发现的新参照系让这一点完全清楚了。他的参照系说明，史瓦西奇点不过是一个位置，事物可能落到它的里面，却没有什么能从它里面跑出来——也就是说，我们在外的人不可能看到它的里面。芬克尔斯坦的参照系还表明，坍缩的恒星在沉没到史瓦西奇点以后将继续存在，就像太阳落到地平线下也仍然存在着。不过，正如我们地球上的人看不到地平线下的太阳，远离坍缩恒星的观察者在恒星坍落到史瓦西奇点后，也就看不到它了。这样的类比激发了50年代康奈尔大学的物理学家林德勒（Wolfgang Rindler），他为史瓦西奇点（临界周长）取了个新名字，一直叫到现在：他叫它视界（地平线）。

剩下的问题是，恒星坍缩生成的物体该叫什么？从1958年到1968年，东西方都用过不同的名字：苏联物理学家用的名字突出远离坍缩的天文学家的观点。回想一下，由于光为了逃脱引力的掌握需克服的巨大困难，在远离坍缩的人看来是永远存在的，所以恒星表面似乎不会真的到达临界周长，视界不会真的形成。对天文学家来说（假如他们的望远镜真能看到坍缩的恒星），它似乎刚好在临界周长处冻结了。因此，苏联物理学家把坍缩生成的物体称为冻星——这个名字为他们在60年代的坍缩研究奠定了基调和认识基础。

相反，西方强调的是运动者的观点，观测者随坍缩的恒星表面下落，通过视界，到达真正的奇点，所以相应地他们将生成的物体称为坍缩星。这个名字有助于物理学家将精力集中到一点，那是后来惠勒最关心的一点：奇点的本质，量子物理学与时空曲率可能会在这里结合到一起。

两个名字都不令人满意。也没有人特别关注包围坍缩星的视界，也就是那个引起人们产生星体“冻结”的光学错觉的视界。60年代，物理学家的计算逐步揭示了视界的重要性，而惠勒——他比谁都更关心用一个优美的名字——也越来越感到不满意了。

惠勒喜欢躺在浴缸里放松或躺在床上考虑我们关于事物的名称。有时为了一个正确的名字他会这样寻找几个月。现在他要找一个词来代替“冻星”和“坍缩星”，在1967年下半年，他终于找到了一个理想的名字。

照他一贯的作风，惠勒没有去告诉他的同事们说，“我为这些东西找到了一个伟大的新名字，让我们叫它这……这个吧。”相反，他干脆自己就用了，好像本来就不存在别的名字，好像大家都同意这个名字。他公开这个命名是1967年晚秋在纽约市举行的一次脉冲星会议上，然后，12月在美国科学促进会的一个题为“我们的宇宙，已知与未知”的演讲中，他又顽强地引用了这个词。我们没有在场的人是在演讲稿上头一回碰到这个词的：“由于下落越来越快，[坍缩恒星的表面]将越来越快地离开[远处的]观察者。光向红端移动，一毫秒一毫秒地变暗，在不足1秒的时间内，就暗得看不见了……[恒星]像柴郡猫一样消失了，猫只留下它的笑， 而恒星只留下它的引力。引力，是的，只有引力，没有光，同样也没有出现任何粒子。而且，从外面看，光和粒子是一样的……[它们]落下黑洞只是为它补充了质量，增强了引力。”

黑洞是惠勒取的新名字。几个月内，东西方的相对论物理学家、天体物理学家和普通大众就热情采纳了——只有一个例外：在法国，词组 trou noir （黑洞）隐含淫秽的意思，被抵制了好多年。 pYIM87w+yufrQxs7FYDWhSuB6Xe8j0+lf2adyQCozz6RgkQQYMs9HDenj/R1d1IZ