Astronomy 版 (精华区)

　　本世纪的最初三十年出现了三种理论，它们激烈地改变人们对物理和实在本身
的观点。物理学家们仍然在探讨它们的含义以及尝试把它们调适在一起。这三种理
论是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1915年）以及量子力学理论（大约
1926年）。阿尔伯特·爱因斯坦是第一种理论的主要创建者，是第二咱理论的单独
创建者，并且在第三种理论的发展中起过重要的作用。因为量子力学具有随机的和
不可确定性的因素，所以爱因斯坦从未接受它。他的态度可用他经常被引用的撋系
鄄煌媾蛔訑的陈述来总结。然而由于不管是狭义相对论还是量子力学都能够描述
可被直接观察的效应，所以绝的大多数物理学家欣然同意，接受它们。而另一方面
，由于广义相对论似乎的数学上过于复杂，不能的实验室中得到检验，而且是似乎
不能和量子力学相协调的纯粹经典的理论，所以它的大部分场合没有受到理会。这
样，的几乎半个世纪的岁月里，广义相对论一直处于沉闷的状态。

　　从本世纪六十年代初开始的天文观测的伟大扩展，发现了许多新现象，诸如类
星体、脉冲星和紧致的X射线源。这一切表明非常强大的引力场的存在，这种引力
场只能由广义相对论来描述，所以对广义相对论的经典理论的兴趣又被重新唤起。
类星体是和恒星相似的物体，如果它们处于由它们的光谱的红化所标志的那么遥远
的地方，则必须比整个星系还要亮好几倍。脉冲星是超新星爆发后快速闪耀的残余
物，它被认为是超密度的中子星。紧致的X射线源是由外空飞行器上的仪器所提示
的，也可能还是中子星或者是具有高密度的假想物体，也就是黑洞。

　　物理学家把广义相对论应用到这些新发现的或者假想的物体时，所要面临的一
个总理是，要使它和量子力学相协调。在过去的几年中有了一些发展，使人们产生
了一些希望，也就是不必等太久的时间我们将获得一种完全协调的量子引力论，这
种理论对于宏观物体和广义相对论相一致，而且可望避免那种长期折磨其他量子场
论的数学上的无穷大。这些发展就是最近发现的和黑洞相关的某些量子效应，它们
为在黑洞和热力学定律之间提供了令人注目的联结。

　　让我简述一下黑洞是如何产生的。想象一颗具有十倍太阳质量的恒星。在它的
大约十亿年寿命的大部分时间里，该恒星在其中心把氢转化成氦而产生热。释放出
的能量会产生足够的压力，以支持该恒星去抵抗自身的引力，这就产生了半径约为
太阳半径五倍的物体。从这种恒星表面的逃逸速度大约是每秒一千公里。也就是说
，一个以小于每秒一千公里的速度从该恒星表面点火垂直上升的物体，会被恒星的
引力场拖曳回到表面上来，而具有更大速度的物体会逃逸到无穷远去。

　　当恒星耗尽其核能，那就没有东西可维持其向外的压力，恒星就由于自身的引
力开始坍缩。随着恒星收缩，表面上的引力场就变得越来越强大，而逃逸速度就会
增加。当它的半径缩小到三十公里，其逃逸速度就增加到每秒三十公里，也就是光
的速度。从此以后，任何从该恒星发出的光都不能逃逸到无穷远，而只能被引力场
拖曳回来。根据狭义相对论，没有东西可能比光旅行得更迅速。这样，如果光都不
能逃逸，别的东西就更不可能。

　　其结果就是一颗黑洞：这是时空的一个区域，从这个区域不可能逃逸到无穷远
。黑洞的边界被称作事件视界。它对于从恒星发出的刚好不能逃逸到无穷远的，而
只能停留在施瓦兹席尔德半径处徘徊的光线的波前。施瓦兹席尔德半径为2GM/c，
这里G是牛顿引力常数，M是恒星质量，而c是光速。对于具有大约十倍太阳质量的
恒星，其施瓦兹席尔德半径大约为三十公里。

　　现在有了相当好的观测证据暗示，在诸如称为天鹅X-1的双星系统中存在大约
这个尺度的黑洞。也许还有相当数目的比这小得多的黑洞散落在宇宙之中。它们不
是由恒星坍缩形成的，而是在炽热的高密度的介质的被高度压缩区域中产生的。人
们相信在宇宙启始的大爆炸之后不久存在这样的介质。这种撎鯏黑洞对我将在这
里描述的量子效应具有最大的兴趣。一颗重十亿吨（大约一座山的质量）的黑洞具
有10-13厘米的半径（一颗中子或质子的尺度）。它也许正绕着银河系中心公转。