今年三月，身患重病业已瘫痪的英国杰出物理学家斯蒂芬 · 霍金，坐在轮椅中出席了美国普林斯顿纪念爱因斯坦诞生一百周年的一次集会。就在这次会上，他的一位学生代他就当代科学中一个十分深奥的课题——黑洞物理学，宣读了一篇论文，引起与会学者和天文、物理学界的普遍钦佩和注意。
什么是黑洞呢？用通俗的话说，根据爱因斯坦的广义相对论，在空间有那么一些点，在这些点上，物体（例如一颗燃烧掉了的星球）由于自身塌缩的重力作用而不断被压缩，它的体积趋向于零而密度变为无穷大，围绕这些点的一定空间范围就形成了一个个的黑洞。黑洞的引力无比强大，任何东西靠近它的时候都会被它吞噬掉，就连光线也难以逃脱。现在天文学家认为，宇宙中可能存在着成千上万个这样的黑洞，它们有的小如原子，有的大如星球。
黑洞有哪些特性？它是怎样产生的？它的未来将是什么样子，这些都是大家感兴趣的，也是天文学家和物理学家努力探索的科学问题。
最近有人曾向美国当代著名科学小品文作家伊萨克·阿西莫夫提出了一个十分有趣的问题：如果阿西莫夫本人被压缩成一个黑洞的话，将会出现什么情况呢？由此可以联想到，如果我们的地球、月亮、太阳、银河系，乃至宇宙都被压缩成一个一个的黑洞，又会出现什么情况呢？让我们就从这些有趣的问题开始谈起吧！
任何黑洞都具有一个以德国天文学家卡尔· 施沃兹彻尔德命名的“施沃兹彻尔德半径”。早在黑洞成为鸡尾酒会谈论的日常话题很久以前，施沃兹彻尔德就首先测出了这个半径值（施沃兹彻尔德逝世于1916年）。施沃兹彻尔德半径就是从黑洞中心到环绕黑洞的一个假想球面上某一点的距离，在那个球面上逃逸速度等于光速。
什么东西一旦比施沃兹彻尔德半径更加靠近黑洞中心时，它就无法逃脱黑洞的吸引（将在本文稍后部分加以修正的一种说法）了。按照普通的观点，那里是“有去无还”的地方。因而我们把施沃兹彻尔德半径叫做黑洞半径，而施沃兹彻尔德半径的两倍是为黑洞直径。
可以应用公式D=4GM/c2计算一个黑洞的直径。这里，D是黑洞直径，G是万有引力常数，c是光速，M是黑洞质量。
万有引力常数和光速是众所周知的基本数值，科学家假定它们在任何空间和任何时间内都是相等的。在采用米制答案的单位系统时，G值为6.670×10-11，c值为2.998×108。
这样，4G/c2值等于2.97×10-27，黑洞直径公式变为：2.97×10-27M。
阿西莫夫按照他自己的体重进行了计算。现在，他的体重是74.8公斤，在公式中用74.8公斤代替M，我们发现，假如阿西莫夫被压缩成为一个黑洞，他的直径只有2.22×10-25米。
很难设想这是多么的微小，取10,000,000,000个像阿西莫夫作为黑洞那样的物体，才能延续成一个质子的直径。
和这样微小的物体打交道显然是不现实的，我们还是考虑用天体去代替它吧！试问若把天体那样质量的物体压成黑洞，每个黑洞的直径该有多大呢？
让我们从月球开始，月球的质量是阿西莫夫体重的若干个1021倍；然后是地球，它的质量是月球的81倍；然后是木星，它的质量是地球的318倍；然后是太阳，它的质量是木星的1.048倍；然后是武仙座球状星团，它的质量是地球的1,000,000倍；然后是我们银河系，它的质量是武仙座球状星团的150,00倍；最后是我们的宇宙，它或许是我们银河系质量的100,000,000,000倍。
结果如下：
方幂数易于运算，但它必定难于用一目了然的形式把黑洞描绘出来，所以还是让我们用其它方法去观察这些黑洞直径吧！
首先让我们应用一个统一的术语。我们用“B-月球”代替“具有月球质量的黑洞”的说法，并以同样的方法去处理其它物体。B-月球的直径大约是1毫米的五分之一，这刚好不用放大镜就可以看到它，可是它却具有月球的全部质量，这是多么令人惊异的事！
B-地球的直径为1?厘米，或大约为7/10英寸，即相当于一个弹子的大小。
从B-木星起，我们开始可以在什么地方观察到了，因为它具有5.64米（18.5英尺）的直径，可以把一座相当大的两层楼高的住房填满。
B-太阳的直径为5.91公里（3.67英里），具有火星木星轨道间一个小行星那样的体积。
星团的直径为600万公里（370万英里），体积约为太阳的80倍。粗略地说，B-银河系的直径为1012公里，或大约为十分之一光年，这比冥王星的轨道还要大得多。B-宇宙的直径为100亿光年，实在是一个非常可观的体积。
从前面所用的等式可以注意到，黑洞直径与它的质量成正比，或者说质量与直径成正比也是一样的。这是一桩奇怪的事，和我们对普通物体的预料并不符合。
我们从几何学知道，球体体积与球体直径的立方成正比。换句话说，直径2米的球体体积是直径1米球体体积的2×2×2或8倍（对于立方体或任何形状的任何物体来说，这也是正确的，只要物体增大或减小时，它的形状和比率不发生改变）。
如果我们设某球体由一定密度的物质构成，而这一密度又不随球体增大或减小而改变，那么球体质量就和球体体积成正比。假定一个大球体的体积是一个小球体的8倍，它的质量也是小球体的8倍。结果，规定的密度保持恒定，球体质量即正比于球体直径的三次方；或者反过来说，球体直径与球体质量的立方根成正比。
那么就黑洞而言，为什么直径可以不和质量的立方根成正比，而直接和质量成正比呢？回答是在黑洞的情况下，它的密度不是恒定的。大黑洞不如小黑洞那样密实；一个大黑洞所填塞的物质比按照体积所预料的要少一些。由于这个原因，直径2米的黑洞并不是直径1米黑洞重量的8倍，而仅仅是它的2倍。
为了弄懂这一点，需要分析一下一个物体在受到挤压时会出现什么情况？
我们说，当你站在地球表面时，地球对你的地心吸引力是70公斤。倘若地球全部物质都保留在你和地心之间的话，吸引力就会随着你到地心距离的减小而增加。如果你想用打洞通过地壳和地幔的方式去接近地心的话，就会使越来越多的地球物质留在你的背后，而留在背后的物质将抵消地球吸引力。所以在你打洞贯穿地球时所实际经受的地心引力是比较小的。当到达地心时，你就根本不经受吸引力了，即处于重力零点。
然而如果地球被压缩成一个越来越小的球体，而它的物质没有任何损失（意味着密度持续增加）的话，又假定当这个过程发生时，你一直待在地表上，那么由于地球全部物质都保留在你和地心之间，你将不断地向着地心靠拢，作用在你身上的地心吸引力也将不断加大，你会被带上一条无穷无尽的道路。因为一旦地球被压缩到体积接近于零而密度无穷大时，你就处在一个无限密集的中心，作用在你身上的地心吸引力也将是无穷大的。
在上述压缩过程中的某个地点，地表重力达到使逃逸速度等于光速的状态，那里即标志着施沃兹彻尔德半径。对于任何质量的物体——不管它的质量可能多么微小，这一点都是真实的。
自然，一个物体越重，看来首先它的表面重力也越大；同时，为了达到使逃逸速度足以等于光速的表面重力，所需要压缩掉的部分也越少。由于较重的物体只需要经受较少的压缩，它变为黑洞时所达到的密度水平也较低。例如假定我们计算一下先前提到的各种黑洞密度，结果似乎是这样的：
我们逐渐习惯于把黑洞看作是极为密集的一种物体，假如认为黑洞质量并不比单个星体更大的话，可能是这样的。水的密度是每立方米1,000公斤，而太阳的密度是水的1018倍。
星下体积的黑洞还要密集一些。B-月球比太阳密集1013倍，而阿西莫夫的密度将为每立方米1.6×1077公斤。在这样的密度下，甚至于可以把整个宇宙塞进一个普通的原子里去。
但是如果我们考虑星上体积的黑洞又怎么样呢？B-星团只是水密集程度的100，000倍，而B-银河系的密集程度要远远小于水。平均计算，B-银河系的密集程度约为地表空气的五百分之一。当然，在B-银河十分之一光年的全部长度里，密度可能不是到处均匀的。不难想象，向银河中心接近时，它的密集程度将持续增加。假定是这样，银河中心区以外的区域将全部由密集程度较差的物质组成。总之就密度来说，这样一个黑洞的主要部分给予我们的印象，必然是相当充分的真空状态。
在B-宇宙的情况下就更是如此了。它的直径并不比实际宇宙小许多，平均密度也并不比宇宙的实际密度大好多。
好吧！倘使宇宙的质量比我们所设想的稍微大一些又会怎么样呢？现今天文学家并不这样认为，但天文学家也可能错了。有些迹象表明，在银河系明显可测的边界以外，可能还有星的烟雾和气体包围着银河，这能使预料外的质量增添到银河中去，总体上说也就是增添到宇宙中去了。所以可能有比天文学家期待的更多和更大的黑洞存在着。
假定宇宙的质量比本文稍前设想的大100倍，宇宙的直径将为9×1027米或者1012光年，约为宇宙可测直径的40倍。就这种放大了的状况来说，B-宇宙的平均密度大约是每立方米2.5×10-29公斤，这几乎是宇宙实际可能具有的平均密度。
换言之，如果宇宙比天文学家所设想的稍微重一点的话，它将变作一个黑洞，而这正是许多事情的起因。例如，假定宇宙质量比天文学家现在所认为的更大一点，它就不可能永远膨胀下去。总万有引力可以逐渐导致膨胀的终结，开始时收缩得十分缓慢，以后就慢慢加快了。
倘若宇宙是一个黑洞，你可以设想为什么会是这样的。宇宙中任何一点点物质都不可能运动到施沃兹彻尔德半径以外的地方去，这个半径可以显示出宇宙由于膨胀所能达到的最大直径，而当达到了最大直径（或许在这以前）时，宇宙就必然开始收缩了。
在我们当前所经历的宇宙膨胀期中，银河系中心、球状星团中心以及巨星中心的局部环境中可能产生一些在质量和体积上都大大小于B-宇宙的黑洞。这些较小黑洞（在B-宇宙内部）的质量，大概从太阳质量的三倍到太阳质量的100亿倍不等。所有这些黑洞的体积都较小，可从火星木星轨道间小行星的直径变化到一个大星系的直径。这些黑洞中的物质通常被挤压成极为密集的状态，同时黑洞内的膨胀自由度也有限。
在宇宙收缩期中将形成另外的一些小黑洞，被抑制在密集地区中的宇宙物质所占有的百分比也越来越大，它们不能逾越种种施沃兹彻尔德半径的束缚。
虽然收缩作用最终将把黑洞推挤到一起形成一个具有宇宙质量的大黑洞，但这不是稳定状态。这个庞大宇宙的施沃兹彻尔德半径距离各个方向都等于0.5万亿光年。在整个膨胀和收缩的大循环中，它一直保持在那儿。而后，能用来膨胀的巨大空间出现了；同时“宇宙蛋”一经形成（当它聚合时，加热到难以想象的高温），就在一次意想不到的大爆炸当中立即反跳回去，整个情况将一次又一次地重复发生。
本文开始提到的英国物理学家斯蒂芬· 霍金已将量子力学应用到探求黑洞性质所采取的相对论公式中去。结果是，对于什么东西也根本不能逃脱黑洞的这个普遍概念，必须稍作某些修正。
根据斯蒂芬·霍金的推断，一个旋转着的黑洞的能量往往在施沃兹彻尔德半径那里转变为粒子/反粒子对，其中的两个粒子按照相反方向运动开来。一个粒子跑到黑洞里面，另一个粒子朝着离开黑洞的方向运动而逃逸掉了。结果黑洞中有一种伴随着电磁辐射的物质“微雨”慢慢地流散出来。从现象上看，黑洞在经受着一种“蒸发”作用。
这种蒸发仅仅发生在黑洞的表面，而且黑洞越重，表面积越大，黑洞总体积中接近表面的百分比越小。一个非常小的黑洞，它的全部物质几乎都处在远离表面的内部，所以只有很少一部分黑洞经受蒸发作用。
考虑这种现象的一个方法就是假定，譬如说黑洞是有温度的，因而它在沸腾着。黑洞越小，越热，也就沸腾得越快。实际上，量子效应使黑洞以假定它们处在1028/M度（相对于绝对零点）时的等值速度去辐射物质，这里M是黑洞按公斤计的质量。
所以一个B-木星表现得恰如它处在0.0005°K温度时的那样。这只不过是绝对零点以上的二千分之一度。为了蒸发掉，它得花费很长很长的时间。任何黑洞越重就越接近于绝对零度，当然它的蒸发速度也就可以忽略不计。
黑洞越大，看来更易于碰到能被它吸积的物质，这种情况就更加真实。一个黑洞越重，它似乎越在不断增长，因而变得更重了。例如，B-木星必然以一种大到足以超出弥补因蒸发而逸失物质许多倍的速度去吸收物质，所以它的温度将持续下降；而且B-木星是不可能消亡的，直到它熔化为宇宙蛋的那一时刻（如果有的话）为止。但如若忽略量子效应修正值不计，仍然可以把这样的黑洞看作是不变的，同时仍然可以说：什么东西也没有从黑洞中逃逸出来，而且这样说也只有微不足道的误差。
比B-木星更小的黑洞又怎么样呢？B-地球的温度是0.016°K；而B-月球的温度是1.4°K。但即使对于B-月球，它也没有蒸发掉多少。然而假如我们选择再小一点的黑洞——不过等一下，这些小黑洞从哪儿来呢？就我们所知，形成黑洞的唯一途径是一颗巨星爆炸成一颗超新星，这时可以产生一个比我们太阳稍微重一点的黑洞。在巨大的银河系中心，一颗星体形成的黑洞，可以凭借堆积物质，或者凭借对整个星群的不断吞噬，或者凭借和其它黑洞的聚合，而不断增大，甚至达到几十亿倍于我们太阳的质量。最后，整个宇宙可能在刹那间熔化掉而成为一个宇宙蛋。不过我们到底能在什么地方找到小黑洞呢？
就我们所知，虑及延续到宇宙今日的过程，甚至连像B-太阳那样的某个黑洞也不可能获得，再小的B-物体就更用不着提了。
然而斯蒂芬·霍金对黑洞形成的问题提出了一个完全不同的机制；一个现在不可能发生的机制。
他设想在宇宙大爆炸的时刻，那种根本无法形容的猛烈爆炸会在这儿或那儿造成局部的压力，这种压力比现今出现在任何最重和最密物体中心部位的压力还要强大。结果某些少量物质被压缩在一起，体积趋向于零而密度趋向于无穷大，依据这样一条无穷的道路，可以形成一个黑洞。任何量的物质，甚至十分微小的量值，都能凭借这一途径形成黑洞。
霍金把这样的小黑洞叫作“微型黑洞”，它们只能在宇宙大爆炸的时刻形成，此后就再也不可能了。任何一个目前存在的微型黑洞都和现今宇宙一样的古老。霍金推测，每立方光年中可能有300个微型黑洞。它们以各种大小出现。某些微型黑洞极小，它们的实际温度十分高，辐射速度也非常明显。质量相当于火星木星轨道间大个行星谷神星（Ceres）的一个黑洞，它的实际温度是8.5°K；而质量相当于火星木星轨道间小个行星伊卡鲁斯（Icarus，它的质量仅为5万亿公斤）的一个黑洞，它的实际温度为20,000,000,000°K。在我们追究这些小个的B-小行星时，它们正以明显的速度蒸发着。而阿西莫夫的实际温度将达到1021度K。
这些较小的微型黑洞能比吸积物质更快地进行蒸发。在这种情况下，它们不能永远地延续下去。如果忽略吸积物质不计，一个黑洞的生命是10-19M3秒。这里似是以公斤表示的质量。
假如B-太阳不吸积物质，为了蒸发掉它所具有的物质，大约需要3×1064年——这可能不是永恒不变的，特别因为B-太阳是吸积物质的，但还是可以把它作为实际上的等值去对待。另一方面，一个B-阿西莫夫会如此迅速地蒸发掉，以致仅能维持比1014分之一秒稍稍长一点的时间。因而把阿西莫夫那样的物体压成黑洞是没有价值的，它将作为大爆炸中的一个极其微小的变体而立即炸掉。
好，那么生命等于150亿年——宇宙大爆炸以来的时间长度（可能长一些或短一些）——的一个微型黑洞，它该有多大呢？这个时间长度，即宇宙现今的年龄是4.73×1017秒。那么，10-19M3=4.73×1017，由此可以解出M。
结果是1.68×1012公斤，就自然状态来说，这样的一个黑洞相当于直径大约为一公里的一个球状小行星。换句话说，任何质量小于直径1公里小行星的微型黑洞，现在都不复存在了。在宇宙大爆炸以来消逝过的岁月里，它们已然渐渐地消亡了（假如在微型黑洞生命期间不吸积物质的话）。微型黑洞形成时越小，它消亡得也越早。
任何质量大于直径为1公里小行星的微型黑洞，即使不吸积物质，现在也依然存在着，而且随着质量加大，它的寿命迅速增长。假如一个微型黑洞的质量比直径为1公里的小行星增大10%，那么这个微型黑洞将要游荡过另一个200亿年的漫长时光。
假如一个微型黑洞的质量大约等于直径1公里的小行星，而且在生存期内不增添物质的话，那么几乎就在当前，它作为一个微型黑洞的生命正在走向终结。
更重要的是那并不是平稳的终结。当微型黑洞蒸发时，它的质量减少；当质量减少时，它实际的温度和蒸发速度增加。换句话说，微型黑洞蒸发得越多，它就蒸发得越快——越快——越快——直到最后100公斤物质在10秒内就跑光了。
最后爆炸的结果（就爆炸物的数量来说，是非常猛烈的）是产生γ射线的簇射，这种簇射具有霍金推算的点状孔隙特性。
霍金建议天文学家应当密切注视这些性质特殊的γ射线簇射。倘若发现了这样的簇射，则除了把这种簇射归咎于宇宙大爆炸时所形成微型黑洞的消亡以及这些微型黑洞的质量足以延续至今而外，很难把簇射归咎于任何事件。
据说，至今尚未发现这种射线，但在未来的任何一个时刻都可能发现它们。而假如存在着这些簇射的话，我们至少可以得知，某些少量物质能追溯出它们在无穷道路上所曾经历过的事件。
[本文选自The Magazineof Fantasy and Science Fiction 1979年2期。张瑚摘译]
·作者介绍·伊萨克·阿西莫夫
伊·阿西莫夫（Isaac Asimov）是国际上著名的科学普及读物作家。1920年出生于苏联，1923年随父母去美国定居。1948年获得哥伦比亚大学博士学位。1955年任生物化学副教授。
阿西莫夫思想敏锐，兴趣极广，是一位多产的现代百科全书式的人物。从1959年开始，他就每月给《幻想和科学小说杂志》（The Magazine of Fantasy and Science Fiction）撰写一篇科学专栏文章，由于杂志编辑部对他充分信任，从选题、写作、体裁直至其他一切都授以他全权处理，于是他就不拘形式，极为随心所欲的笔法涉及了各门学科，内容深入浅出，文笔风趣生动。更为可贵的是。
有些深奥的科学内容经过他的叙述，融合到了科学故事之中，就获得了引人入胜的效果。美国双日出版公司（Doubleday & Company，Inc）每当他写完十七篇文章就汇编成单行本出版。到目前为止出版了10多册，共收集了200多篇文章。另外，还有主要科普著作20多种。
本刊以后将陆续选译一些他的文章，以飨读者。