前言（史蒂芬·霍金）

本書是在嚴(yán)格的物理學(xué)原理基礎(chǔ)上寫的，并結(jié)合了高度的想象。作者試圖超越人們目前的牢固知識(shí)而進(jìn)入一個(gè)與我們地球的日常生活全然不同的物理世界。他的主要目的是考察黑洞的里里外外黑洞質(zhì)量大，引力場(chǎng)強(qiáng)，實(shí)物粒子和光都不可能像平常離開(kāi)太陽(yáng)那樣從它逃逸出來(lái)。觀測(cè)者從遠(yuǎn)處靠近這樣的黑洞會(huì)遭遇哪些事情，是根據(jù)廣義相對(duì)論在強(qiáng)引力作用下還沒(méi)有經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的預(yù)言而描述的；超出這個(gè)范圍進(jìn)入所謂黑洞視界區(qū)域的懸想，則是靠一種特別的勇氣，實(shí)際上就是特別的狂想，這在索恩和他的國(guó)際伙伴中是很多的，而且他們樂(lè)此不疲。這令人想起一位知名物理學(xué)家的妙語(yǔ)：宇宙學(xué)家多犯錯(cuò)誤，但少有懷疑。讀這本書的人應(yīng)懷著兩個(gè)目標(biāo)：學(xué)一些我們物理宇宙中的盡管奇異卻真實(shí)的可靠事實(shí)；欣賞那些我們還不那么有把握的奇思妙想。

作為開(kāi)場(chǎng)白，我首先應(yīng)該指出，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論這一思辨科學(xué)的最偉大創(chuàng)造，不過(guò)是在四分之三世紀(jì)前才建立的。20世紀(jì)20年代初，它解釋了水星運(yùn)動(dòng)與牛頓引力理論預(yù)言的偏離，后來(lái)又解釋了哈勃（Hubble）和他的同事們?cè)谕�爾遜山天文臺(tái)觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)星云的紅移。兩次勝利以后，它沉默了幾年，那時(shí)，多數(shù)物理學(xué)家的注意力都轉(zhuǎn)向了量子物理學(xué)的詮釋，轉(zhuǎn)向了核物理、高能粒子物理和觀測(cè)宇宙學(xué)的進(jìn)步。

黑洞的概念在牛頓引力理論發(fā)現(xiàn)后不久，就以思辨方式提出來(lái)了。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)適當(dāng)修正，黑洞概念在相對(duì)論里也能找到自然的地位，不過(guò)，這需要我們將基本方程的解外推到極強(qiáng)的引力場(chǎng)愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)認(rèn)為這樣的外推過(guò)程是可疑的。然而，錢德拉塞卡（Chandrasekhar）在1930年指出，根據(jù)相對(duì)論，質(zhì)量超過(guò)某一臨界值（即所謂錢德拉塞卡極限）的星體在耗盡高溫的核能源后，將坍縮成為我們現(xiàn)在所說(shuō)的黑洞。大約在30年代后期，茨維基（Zwicky）、奧本海默（Oppenheimer）和他的同事分別推廣了這一工作。他們證明，存在一個(gè)質(zhì)量范圍，在此范圍內(nèi)的星體不會(huì)坍縮成黑洞，而將形成一種由致密的中子堆積構(gòu)成的狀態(tài)，即所謂的中子星。不論哪種情況，星體核能耗盡時(shí)的內(nèi)部擠壓都會(huì)伴隨一個(gè)相對(duì)短時(shí)間的巨大能量噴發(fā)，噴發(fā)的結(jié)果，就是我們?cè)谶b遠(yuǎn)星云和銀河系中偶爾會(huì)看到的光亮的超新星。

這些研究在第二次世界大戰(zhàn)時(shí)中斷了，然而在50年代和60年代，科學(xué)家們又懷著新的興趣和熱情回到了它的實(shí)驗(yàn)和理論的前沿，取得了三大進(jìn)展。第一，從核物理和高能物理研究獲得的知識(shí)在宇宙學(xué)理論中找到了自然的位置，支持了通常所說(shuō)的宇宙形成的大爆炸理論�，F(xiàn)在，許多證據(jù)都支持這樣的觀點(diǎn)：我們的宇宙是從一點(diǎn)由緊密堆積的粒子所形成的原初熱湯（一般稱它為火球）膨脹而來(lái)的。這一原初事件大約發(fā)生在100到200億年前。對(duì)這個(gè)假說(shuō)最戲劇性的支持也許是發(fā)現(xiàn)了出現(xiàn)在原初爆炸后期的波的退化遺跡。

第二，我們確實(shí)觀測(cè)到了茨維基和奧本海默小組預(yù)言的中子星，它們的行為也同理論預(yù)言的一樣。這使我們完全相信，超新星是經(jīng)歷了最后的引力坍縮（大概可以這么說(shuō)）的恒星。如果說(shuō)中子星能存在于某一確定的質(zhì)量范圍，那么也有理由認(rèn)為黑洞是質(zhì)量更大的恒星的產(chǎn)物，不過(guò)我們承認(rèn)，大量的觀測(cè)證據(jù)都將是間接的；事實(shí)上，這類間接的證據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)很多了。

最后，廣義相對(duì)論的有效性還得到了另外幾方面證據(jù)的支持。它們包括太陽(yáng)系中航天器和行星軌道的高精度測(cè)量和某些星系對(duì)外來(lái)光線的透鏡作用。最近又發(fā)現(xiàn)了大質(zhì)量雙星系運(yùn)動(dòng)的能量損失，可能是它們發(fā)射引力波的結(jié)果，這是相對(duì)論的一個(gè)重要預(yù)言。這些發(fā)現(xiàn)，不但使我們敢于相信廣義相對(duì)論在黑洞附近的那些未經(jīng)證實(shí)的預(yù)言，也為我們洞開(kāi)了更廣闊的想象空間。

幾年前，聯(lián)邦基金會(huì)（Commonwealth Fund）在M.E.Mathoney主席提議下，決定資助一項(xiàng)圖書計(jì)劃，邀請(qǐng)?jiān)诓煌�領(lǐng)域工作的科學(xué)家們?yōu)槭苓^(guò)教育的普通讀者介紹他們的工作。索恩教授是其中的一位，很高興本計(jì)劃將他的書作為這一系列出版物的第九本。