黑洞是爱因斯坦场方程的一个预言，是恒星在死亡过程中的最后一幕。黑洞的一个最独特的特征是∶它们可能是通向另一个宇宙的通道。科学界还有一种有趣的猜想∶黑洞可以打通一条时间隧道。

为理解黑洞以及它们多么难找，我们首先得理解恒星为什么会发光，它们如何成长，以及最后如何死亡。当一个几倍于太阳系的巨大氢云被自身的引力压缩时，一颗恒星就会产生。随着引力能转化为氢原子的动能，压缩着气体的引力渐渐使之变热。通常，气态氢内质子间由于荷电而产生的斥力足以使它们分开。然而在特定的条件下，如温度高到1000万开尔文至1亿开尔文时，质子（氢原子核）的动能会克服静电的排斥，然后合在一起。核力便取代了电磁力，两个氢原子核就"聚变"成氦原子，同时释放出巨大的能量。

要明白能量如何从聚变中产生出来，理解恒星在其生命进程中走向黑洞的一幕幕，我们必须分析下面的这个图。

图中给出了一条在近代科学中极重要的曲线，它有时也称为结合能曲线。水平轴代表各种元素（从氢原子到铀原子）的原子量。竖直轴表示原子核中质子的平均“重量”。请注意，平均来说氢原子和铀原子中的质子要重于图上中心部分其他元素的质子。

太阳是一颗普通的黄星，主要由氢组成。与最初的大爆炸类似，它使氢聚变而产生氦。然而，因为氢原子中的质子比氦原子中的质子重，于是就有一些剩余质量。这些质量通过质能公式转化为能量，而这个能量则使原子核束缚在一起。这个能量也是氢变成氦时所放出的能量。这就是太阳会发光的原因。

然而，经过几十亿年，这些氢会慢慢地用尽。一颗黄星最后会因产生太多的废氦而使“核燃炉”熄灭。当这发生之后，引力就占了主导地位，并将恒星挤压得更紧。随着温度升高，恒星很快热得足以燃烧废氦并把它转化成其他元素，如锂和碳。 请注意沿曲线到达原子量较高的元素时仍可以释放能量。换句话说，废氮仍可以燃烧。尽管恒星在尺度上已经小了很多，它的温度却非常高，其大气层大大地膨胀开来。事实上，当太阳用尽它的氢后开始燃烧氦原子时，它的大气层将扩展到火星的轨道。这称为红巨星。当然，这意味着，在这个过程中地球会被蒸发掉∶所以，这条曲线同样预言着地球的最终命运。因为太阳是一颗中年恒星，大约50亿岁，在它烧掉地球之前还会有另一个50亿年。

最后，当氦用完了之后，核燃炉又熄灭了。引力又占了压倒性优势来压缩星体。红巨星收缩成为一颗白矮星，即一颗全部质量被压缩成地球大小的小小的恒星。白矮星不很亮，因为在降至曲线的底部之后，它只能从质能公式中提取很少一部分剩余能量。白矮星燃烧着在曲线底部剩下的为数不多的元素。

太阳最终将变成一颗白矮星，并在几十亿年中用尽它的核燃料而渐渐死亡。最后它会变成一颗暗的、烧光了的矮星。然而据认为，如果恒星的质量足够大，则白矮星中的大多数元素将继续聚合成越来越重的元素，最后变成铁元素。一旦变成铁元素，就几乎到了曲线的最底部。我们不能再从剩余质量中提取能量了，所以核燃炉就会关闭。引力重新成为主导，压缩着星体直到其温度暴涨了几千倍，而达到上万亿度。到这时，白矮星的铁核坍缩，它的外层则被炸毁，同时释放出星系中所知的最巨额的能量，成为一颗叫做超新星的爆发恒星。仅仅一颗超新星在一段时间内就有可能比包含着上千亿颗恒星的整个星系还亮

在超新星爆发之后，我们会看到一个完全死了的星球，即一颗中子星，它只有曼哈顿那么大小。中子星里密度如此之大，粗略地说，所有的中子都互相“紧挨”着。尽管中子星几乎看不见，我们仍可以用仪器探测到它们。它们一边转动一边发出某些辐射，就像在外层空间中的宇宙灯塔。我们看到的是一颗闪烁的星星，即脉冲星。

计算机模拟显示，大多数比铁重的元素都可以在超新星的高热和压力下合成。当恒星爆发时，它将大量的星体碎骸释放到太空中，其中包含着许多高原子量的元素。这些残骸最终和其他气体混合，直到聚积起足够多的氢，又一次开始引力收缩过程。这些产生于星际气体和尘埃的第二代恒星包含着丰富的重元素。其中一些恒星（像我们的太阳）的行星也将含有这些重元素。

这就解开了宇宙学中一个由来已久的不解之谜。我们的身体中含有铁以后的重元素，但是太阳并不热得足以产生它们。如果地球和我们身体中的原子来源于同样的气体云，那么我们身体中的这些重元素从何而来？答案是∶我们身体里的重元素合成于一个在太阳产生之前爆炸的超新星中。换句话说，几十亿年前有一颗无名的超新星爆炸了，在产生太阳系的那团气体云中播下了种子。

初听到恒星的历史时，可能会有些怀疑。毕竟从来没有人活了上百亿年来目睹它们的演化。然而，由于天空中有无数颗恒星，因而很容易就能看到处于几乎每个演化阶段中的恒星。

例如，1987年的超新星爆发，在南半球几乎用肉眼就可以看到，得到的那些珍贵的、丰富的天文数据，与一个正在坍缩的带铁核的白矮星的理论预言符合得很好。再有，在1054年7月4日被中国古代天文学家观测到的一颗壮观的超新星，留下的残骸被认定为是一颗中子星。

如果一颗恒星10到50倍于太阳的大小，那么甚至在它成为中子星后，引力还会继续压缩它。没有聚变产生的力来抵抗引力的拉曳，就无法阻止这颗恒星的最后坍缩。这时，它就变成闻名遐迩的黑洞。

在某种意义上，黑洞是应当存在的。恒星是两种宇宙力的副产品∶引力要压碎这颗恒星，而聚变像氢弹那样要把恒星炸开。所有恒星的生命历史各个阶段，都是这种引力与核聚变之间精致平衡的作用结果。或迟或早，当一颗大质量恒星的核燃料用完之后，它变成纯粹的一团中子，就没有什么可以再抗拒强大的引力了。最后，引力成为主导把中子星压得一无所剩。这样恒星就完成了它的生命循环∶恒星生于引力开始压缩天空中的一团氢气之时，而死于核燃料用完之后引力又使它坍缩之际。

黑洞的密度如此之大，以至于光将被迫绕着它转。由于没有光可以从这巨大的引力场中逃脱出来，坍缩了的恒星颜色就变黑了。事实上，那就是黑洞通常的定义，一颗光也不能从中逃逸的坍缩恒星。

为理解这一点，我们知道所有的天体都有一个所谓的逃逸速度。必须有这个速度才能脱离这个天体的引力的拉曳。例如，一个太空探测器应达到每小时40000千米的逃逸速度，才能脱离地球引力的拉曳进入外太空。太空探测器如“旅行者”号已进入外太空，完全脱离了太阳系，它已达到太阳的逃逸速度。

牛顿的引力理论给出了逃逸速度与恒星质量间的精确关系。行星或恒星越重及半径越小，为脱离其引力拉曳所需的逃逸速度就越大。早在1783年，英国天文学家米歇尔用这种计算提出，一个超级重的恒星可能会有一个等于光速的逃逸速度。此种巨大恒星发出的光永远逃不脱，但可以绕恒星转。于是，对于一个外部的观察者，这个恒星看上去完全是黑的。不幸的是，他的理论被认为是妄想，很快就被遗忘了。然而，今天我们倾向于认为黑洞存在，因为我们的望远镜已经在天空中看到了白矮星和中子星。

黑洞的相对论描述源于史瓦西的工作。1916年，仅在爱因斯坦写下他著名的方程数月之后，史瓦西便能精确求解爱因斯坦方程，计算一个大质量的静态恒星的引力场。

史瓦西解有几个有意思的特点。第一，黑洞被一圈"无归点”环绕着，任何物体只要走进这个半径之内就会被毫无例外地吸进黑洞，不可能逃脱。任何人只要不幸走进史瓦西半径之内也会无情地被黑洞俘获，压碎至死。今天，这个到黑洞的距离被称作史瓦西半径，或视界。

第二，任何掉到史瓦西半径以内的人都会在时空的“另一边”看到一个“镜像字宙”。爱因斯坦并不担心这个怪异的镜像宇宙的存在，因为和它通信是不可能的。任何送到黑洞中心的空间探测器，都会遇到无穷大的曲率，也就是引力场变得无穷大，任何物体都会被压碎。电子将被从原子中剥离，甚至原子核中的质子和中子本身也会被撕开。再有，要穿透到另外的宇宙中，探测器必须超过光速，而这是不大可能的。所以，尽管这一镜像宇宙在数学上有其必要性，它使得史瓦西解有意义，但它在物理上决不会被观察到。

因此，联结这两个宇宙的著名的爱因斯坦-罗森桥，就被认为只是一个数学怪物。必须有这个桥才能有一个在数学上自洽的黑洞理论，但不能通过爱因斯坦-罗森桥到达镜像宇宙。很快，在引力场方程的其他解中，如描述荷电的赖斯纳-努德斯特伦解，也找到了爱因斯坦-罗森桥。然而，爱因斯坦-罗森桥仍被作为一个在相对论知识中一个不寻常的但却被人遗忘的脚注。

情况随着新西兰数学家克尔的工作开始发生了转机，他在1963年找到了爱因斯坦方程的另一个精确解。克尔假设，所有坍缩着的恒星都会转动。正如一个转着的溜冰者在收回他的手时会加速一样，一个转动的恒星球在开始坍缩时也必须加速自转。于是，描述黑洞的静态史瓦西解，不是爱因斯坦方程物理上最切题的解。

克尔的解在它提出来的时候，在相对论领域中引起了很大的轰动。天体物理学家钱德拉塞卡曾这样说：

在我整个45年的科学生涯中，令我最震惊的体验是意识到新西兰数学家克尔发现的爱因斯坦方程的一个精确解给出了散布宇宙中的无计其数大质量黑洞绝对精确的表述。这种难以置信的事实，即一个在数学中以追求美为动力的发现会在自然中找到精确的摹写，使我不得不说人的心智对美有着最深远一层的感悟。

然而，克尔发现，一个大质量的转动着的恒星不会坍缩成一个点。相反，一个自转着的恒星会变得越来越平，直到最后被压缩成一个环，这个环有有趣的性质。如果一个探测器从侧面发射到黑洞中，它将落到环上并彻底被销毁。因为从侧面接近这个环时，时空曲率仍是无穷大。可以说黑洞中心的周围仍存在着一个“死亡之环”。然而，如果一个空间探测器从上面或下面发射到环中去，它将遇到一个很大却是有限的曲率；也就是说，引力不是无穷大。

这个从克尔解中得到的很令人吃惊的结论意味着，任何一个沿着一个自转黑洞的转动轴发射进去的探测器，原则上有可能在中心处巨大但有限的引力场存活下来，并穿过去到达镜象宇宙而不被无穷大曲率所推毁。爱因斯坦-罗森桥形同一个连通两个时空域的隧道；它就是一个虫洞。于是，克尔黑洞就是通向另一个宇宙的通道。

现在试想一下你乘坐的火箭已进入了爱因斯坦-罗森桥。当你的火箭接近自转的黑洞时，它看到一个环状的转动恒星。一开始，当火箭从北极向黑洞下落的时候，看起来像要灾难性地坠毁。然而，当我们离环近一些的时候，从镜像宇宙来的光就会到达我们的传感器。由于所有的电磁辐射，包括雷达，都在绕着黑洞转，我们雷达屏幕上探测到的是绕黑洞转了很多圈的信号。这种效应类似于在一个充满镜子的大厅里，我们在其中会被很多的镜像所迷惑。光漂掠过这许多面镜子，产生了错觉∶在大厅中有无数个自己。

当我们通过克尔黑洞时，也会发生同样的效应。同一束光绕着黑洞转了很多圈，我们火箭上的雷达测到的是那些绕着黑洞转的图象，就产生了并不存在于那儿的物体的幻象。

这是否就意味着黑洞可以利用来作星系际旅行，就像《星际旅行》和其他科幻电影中描述的那样？

我们知道，一个特定空间的曲率决定于这个空间中所包含的质能量（马赫原理）。爱因斯坦著名的方程给出了由于质能存在导致的精确的时空弯曲程度。

当柯克船长带我们在“卷曲因子5”上从超维空间中穿过时，供给“企业”号能量的“双锂晶体”必须奇迹般地把时空卷曲起来。这意味着双锂晶体有能把时空连续统卷成法国号的魔力；也即它们是巨大的质能库。

如果“企业”号要从地球到最近的一颗恒星球半人马座α上去，它不是真正运动到那儿去，相反，是半人马座α向"企业”号移动。试想坐在地毯上用套索拉着几尺远的一个桌子。如果我们的力量足够大且地板足够光滑，我们可以拉着套索直到下面的地毯开始折叠起来。当我们用足够大的力气去拉，桌子会走向我们，桌子和我们之间的"距离"会消失在一堆折皱的地毯中。然后我们简单地跳过“地毯卷”。换句话说，我们几乎没有动；桌子和我们之间的空间被压缩了，而我们只是走过这个压缩后的距离。同理，"企业"号也没有真正地越过整个空间到达半人马座α；它只是越过了皱起来的时空——穿过虫洞。为更好地理解当一个人掉到爱因斯坦-罗森桥都发生了些什么，我们现在来讨论一下虫洞的拓扑。

为使这些多连通空间形象化一些，想象一个奇怪的漂动的窗口在我们面前打开，很像爱丽丝的镜子。（打开这个窗口的能量足以粉碎地球，目前不考虑这些，这里只是一个纯粹假想的例子。）

我们走向这个盘旋着的窗口去仔细看一看，惊恐地发现我们自己正瞪着一只难看的霸王龙的头。我们正准备逃命的时候，注意到那只霸王龙没有身体。他不可能伤害到我们，因为它的整个身体显然在窗口的另一边。当我们朝下找恐龙的身体时，我们可以看到沿街的所有情景，好似恐龙和窗口都根本不存在似的。我们困惑地绕着窗口转圈，庆幸哪儿也找不到霸王龙。然而，当我们从窗口背面往里瞅的时候，我们看到了一只雷龙的头也在瞪着我们看。

我们很害怕地再一次绕着窗口转圈，从侧面看这个窗口。更使我们惊奇的是，窗口及恐龙的一切迹象都消失了。我们在绕着浮动的窗口转了几圈之后发现，从一个方向，我们看到霸王龙的头；从另一个方向，我们看到雷龙的头；当我们从侧面看时，我们发现镜子和恐龙都没有了。

在一个遥远的宇宙里，霸王龙和雷龙摆好了生死搏斗的架势∶当它们面对面时，一个浮动的窗口突然在它们之间出现了。霸王龙向镜子里窥视时，它看到一个短小、瘦弱的哺乳动物，黑色的头发和一张小脸∶一个人。头能很清楚地看到，但没有身体。然而，雷龙从另一个方向向同一个窗口看时，它看到了（镜子下面）商店和车辆。接下来霸王龙发现窗口中的这个人消失了，在窗口面对着雷龙的那一面出现了。

现在我们假设，突然一阵风把我们的帽子吹进了窗口。我们看到帽子飘进了另一个宇宙的天空中。我们将手伸到窗子里去抓那帽了。在霸王龙看来，一个不知从哪儿来的帽子从窗子里吹出来了。然后就看到一个没有身体的手从窗子里伸出来，在摸帽子。

这时风改变了方向，帽子被送到另一个方向去了。我们伸出另一只手，但是从另一个方向。我们现在就处在一个很窘的境地。我们两只手从不同方向都伸进了窗子里去了，但我们却不能看到我们的手指，两只手好像都消失了。这在恐龙看来是什么？它们看到两只摆动小手吊在窗了两边，但没有身体。

这个例子说明了一些精致的，可以从多连通空间创造出来的时空扭曲。

引人瞩目的是，这么一个简单的思想——高维可以统一时间和空间，以及"力"可以解释为那个时空的弯曲——会导致如此众多的物理结果。然而，在蛀洞与多连通空间的问题上，我们已触及到了爱因斯坦广义相对论的极限。事实上，产生蛀洞或维通道所需的质能如此之大，以至于我们期望量子效应将会成为主导。量子修正则可能实质上关闭了蛀洞开口，使得通过这个通道去旅行变得不可能。

由于量子理论和相对论都不足以独立解决这个问题，我们得等到十维理论的完成，才能决定这些虫洞倒底是物理上的相关思想还只是一个臆想。