史瓦西的奇异解

我初次耳闻“黑洞”这一词语，还是在京都大学学习期间，聆听汤川秀树教授主讲物理学通论课时的事。汤川先生说：

“爱因斯坦，为了考虑扩充狭义相对论，终于想到必须引进黎曼几何学。他思索再三，结果导出一个引力场的方程。这是1916年的事。说起来，这个方程，过于玄妙，谁也无法理解，连爱氏本人也感到迷惘。”

“在地球与太阳之间，有一个作用的引力场，引力大小按理应与距离平方成反比。但是爱氏的方程解，却不是这样一些数值。这一来，问题就极棘手、可在人世间，毕竟不乏才智之士。居然解出了这个方程。此人是个天文学家。”。

“德国有个卡尔· 史瓦西，他比爱因斯坦年长六岁。此人担任过洛廷根大学天文台台长、波茨坦天文台台长等职务，是个相当了不起的人物。关于他，据说有因过于潜心学术，以致连自己的婚礼也忘了到场等一类的传闻。”

“就是他，首先解出了中心有大质量星的空间引力场。这样，在与中心相距的一段半径处，如像太阳质量这样的星体，在半径三公里处，能够导出一个具有特种‘边界’的解。这个解，乃是以质量在中心集中作为假设条件得出的结论。事实上，太阳在几万公里乃至几千万公里半径范围内，始终有物质在扩散。一扩散，则这个解仍然欠妥。为此，史瓦西再一次推导出一个把物质分布考虑在内的解。这样，在上述太阳半径外侧的解被称为史瓦西的外部解，内侧的解称为内部解。在内部解上，并不显示出有何特异性质，就这样，问题到此圆满终结。”

“可是，问题果真就此终结了吗？那么，太阳能够缩小到直径三公里以内吗？这个解，具有不少不符合常识的特异性。即便是光线，一旦落入这个半径即史瓦西半径之中，也无法逃逸，唯有落向中心。”

“这种现象是否确实存在？太阳并不能压缩到三公里大小。由上述方程导出之物，是否存在于宇宙之间？史瓦西的解，即所谓‘黑洞’是否存在？广义相对论，在异乎寻常的特强引力场条件下，或许仍然不能成立，也未可知。”

说毕，汤川先生转向黑板，凝神片刻，若有所思，而后，掏出西服裤袋中的怀表一看，知道授课时间已过，随即步出课堂。

形形色色的黑洞

我聆听这段讲授，是1968年6月间的事。在上一年，英国已发现脉动的星体脉冲星。当时，正值脉冲星是白矮星还是中子擧这个问题众说纷纭，激烈争论之际。对此问题，最后的结论是，脉冲星乃是中子星。它是大质量星在其演化过程中趋于式微的产物。它引起超新星爆发，成为中心核半径压缩到七公里左右的天体。中子星的半径约合史瓦西半径的2.5倍。在濒临沦为黑洞的前夕，由于中子的收缩压作用，这才中止了收缩过程。

中子星在自转。例知，蟹状星云中的脉冲星NP0532，每秒间发出30个脉冲，每秒旋转30周。蟹状星云脉冲星的自转速度有微微减慢的趋势。据此逆推，在这颗脉冲星初生的1052年，（中国史书有超新星记载——见于我国“宋会要”、“宋史”等史籍，称为“客星”——译注）每秒转速可达1000周。

这颗由中子收缩压保持稳态的星体质量，在达到太阳质量三倍左右时，引起超新星爆发，尔后，如果残留的中心核质量进一步增大，就会变成黑洞。如上所述，中子星以惊人的高速进行自转，那么，黑洞无疑亦当进行自转了。

求得自转的黑洞的解的是澳大利亚的克尔（Kerr）。这是1962年的事。他在导出这个解的数年之后，不幸死于车祸。说起来，史瓦西也是在导出冠其姓氏的解答之后不久去世的。这一点，作者认为，不过是一次偶然的巧合。

克尔黑洞，具有多种古怪的特性。首先，在其外层，光线不能逃逸红移为无穷大的界面，与物体不能溢出的黑洞视界线（视界面）并不一致。如欲从外界观测行将落入克尔黑洞的宇宙火箭，此时火箭发出的信号会产生无限红移，信号无法接收，但在其后，火箭若不进入上述视界之内，它仍能逃离黑洞。

此外还有一说。即通过与黑洞进行角动量的转换，还能从黑洞获得能量。美国的彭罗斯（Penrose）即持此种看法。接近黑洞视界的火箭，会喷出与黑洞转向相反的气体，而落进黑洞的气体却又能减慢黑洞的转速。这种旋转能量，转移给火箭，能使它以高速飞离黑洞。

除克尔黑洞外，另有美国的威尔、日本的富松彰（广岛大学助教授）和佐藤等人提出的多种黑洞。还有称为小黑洞、白洞等一类天体。

天鹅座X-1是有资格的候选者

那么，在这个宇宙之中是否确有黑洞存在？如果有，究竟属于“谁家的”黑洞？

有一个称为天鹅座X-1的天体。在夏季的夜空，位于天鹅座的东北角，会出现一颗称为HDE226868蓝色的超巨星。天鹅座X-1（是上述超巨星的看不见的伴星——译注）以周期5、6日在这颗蓝色超巨星的周围盘旋。

人们认为这颗伴星就是黑洞。理由有二：（一）其X射线强度在1/1000秒的极短时间内呈不规则变化。由此推知它是一个直径不到100公里的小天体。（二）如由双星的公转周期求出其质量，它肯定在太阳的6倍以上，这样，已经超过中子星演变为黑洞的临界质量了。

除天鹅座X-1而外，据传闻，有可能系黑洞形成的X射线源还有若干个。例如，天蝎座V861、罗盘座X-2等等。只是这些有的不是双星系，有的与太阳的距离还不明确，都不如天鹅座X-1那样易于作出结论。

此外，有人认为，在我们这个银河系中心，就有质量为太阳的100万倍的一个大黑洞。在距银河中心3光年处，有高达10万度的高温气体，可测得其电离氖的光谱线。这种气体，以400公里/秒高速旋转。据此，人们认为，在银河中心存在着一个大质量天体亦即黑洞。

还有人认为，赛佛特（Seyfert）星系和类星体（quasar）天像也都可说成是克尔黑洞。这些天体，用电波干涉计进行观测，在两极处，电波呈明显的细条状流线。这种条状流绵亘数百万光年之广，从而可肯定至少在数百万光年间，存在一个稳定的物质流。人们认为，既然它能把如此巨大的能量，在同一方向上稳定释出，那必然是克尔黑洞无疑了。

但除天鹅座X-1而外，把某些天体说成是黑洞，论据还嫌不足。在此意义上，也可认为黑洞尚未发现。甚至可以说，天文学家把当前物理学说明不了的天体一概推向黑洞。

寄希望于太空望远镜

那么，究须觅得哪些数据，才足以证明黑洞的存在呢？在下个世纪前，在此领域内，有可能取得一些较大成就吗？

希望之一来自太空望远镜。把口径2.4 m的光学望远镜载上航天飞机，送入地球轨道。这是1985年的发射计划。这样做，就不难以角分辨力为0.01秒的精度分析天体，直至观测到26等星。

使用了太空望远镜，仍然无法直接观察黑洞，但却能捕捉到引力透镜现象。通过黑洞边缘的光线，会由黑洞引力场引起弯曲，形成几幅图像。这些像，可以用高分辨望远镜进行观察。

迄今人们已经发现了若干个引力透镜现象。但这些却是由远处巨大椭圆星系形成的现象。要找到黑洞，不妨先以我们银河系内太阳近处的星体或是双星作为探索目标，较为方便。随着岁月流逝，如能跟踪某些星体的扭曲图像，说不定由此就能判别那究竟是“哪一家”的黑洞了。

[《科学朝日》1933年1月号]