為了理解黑洞的動力學和理解它們是怎樣使內部的所有事物逃不出其邊界，我們需要討論廣義相對論。廣義相對論是愛因斯坦創建的成功的引力學說，適用于行星、恒星，也適用于黑洞。愛因斯坦在1916年提出來的這一學說，說明空間和時間（合起來叫作時空）是怎樣因大質量物體的存在而畸變了的。簡言之，廣義相對論說物質彎曲了空間，而空間的彎曲又反過來影響穿越空間的物體的運動，在科幻小說和影片中普遍使用的“空間翹曲”一詞就是對比原理的表達。

讓我們看一看愛因斯坦是怎樣工作的。首先，考慮時間（空間的三維是長、寬和高）是現實世界中的第四維（難于在平常的三個方向之外再畫出一個方向，但讓我們盡力去想像）。其次，考慮時空是一張巨大的繃緊了的體操表演用的彈簧床的床面。

愛因斯坦的學說認為質量使時空彎曲。我們不妨在彈簧床面上放塊大石頭來說明這一情景：石頭的重量使得繃緊了的床面稍微下沉了一些，雖然彈簧床面基本上仍舊是平整的，但其中央稍有下凹。如果在彈簧床中央放置更多的石塊，則將產生更大的效果，使床面下沉得更多。事實上，石頭越多，彈簧床面彎曲得越厲害。

同樣的道理，宇宙中的大質量物體將使宇宙結構受到畸變。正如10塊石頭比1塊石頭使彈簧床面彎曲得更厲害一樣，質量比太陽大得多的天體比一個或小于一個太陽質量的天體使空間彎曲得厲害得多。

如果一個網球在一張完全繃緊了的平坦的彈簧床面上滾動，它將沿一直線路徑前進。反之，如果將它送到繞經一個下凹的地方，則它將沿一弧形路徑前進。同理，天體穿行于時空的平坦區域（較少的重物質）時繼續沿直線路徑前進，而那些穿越彎曲區域（有較多重物質）的天體將沿彎曲的軌跡前進。

現在再來看看黑洞對于其周圍時空區域的影響。設想在彈簧床面上放置一塊質量非常大的圓石頭代表這一超密的黑洞，自然，這將大大地影響床面，不僅其表面要彎曲下陷，還將斷裂。類似的情形將在宇宙中出現，若宇宙中某處存在有黑洞，則該處的宇宙結構將被撕裂。這種時空結構的破裂稱作時空的奇異性或奇點。

現在我們來看看為什么任何東西都不能從黑洞逃逸出去。正如一個滾過彈簧床面的網球，將掉進由大圓石頭造成的洞那樣，一個經過黑洞近旁空間的物體也將被其陡峭的引力陷阱所捕獲。

你能向黑洞靠得多近而不被它永遠地抓住呢？答案是相當近。被黑洞吸入不能再返回的那一點叫作黑洞的視界，它是距黑洞中心一定距離叫做史瓦西半徑的一個球殼。此半徑的長短只與黑洞的質量有關。例如，一個太陽質量的黑洞其史瓦西半徑不到3公里，只要離開其中心3公里以外，就沒有危險，從黑洞旁邊走過去不會被抓住。

一旦你進入了視界，便逃脫不了被黑洞擒獲的命運——你將一直下落到時空奇點所在處——黑洞的中心，不過幾分之一秒的一瞬間，你就會被那里無窮大的引力弄得粉身碎骨。

我們已經說過，沒有任何進入黑洞的東西能再逃離它，但科學家們卻認為黑洞會緩慢地釋放其能量。這是怎么一回事呢？著名的英國物理學家霍金（Stephen Hawking）在1974年證明黑洞有一個不為零的溫度，比深空的溫度要高一些。一切比其周圍較溫暖的物體都要釋放出熱量，黑洞也不例外，一個典型的黑洞將在幾百萬萬億（1018）年內蒸發光（釋放出它全部的能量）。黑洞釋放能量有個恰當的名稱：霍金輻射。

“黑洞”這個詞雖然是公眾最熟悉的天文名稱之一，但并不能因此就認為對黑洞的存在已無爭議了。在一個較長時間里，黑洞只被認為是一個假想的物體和數學的構思，被看成是比較難的大學生練習題稍難一點的東西。

但近年來，關于在空間存在著黑洞的證據越來越多。這些證明不是直接的——黑洞終究是看不見的——而是通過物質落進黑洞的視界后發出的輻射間接得知的。用這種方法探測黑洞，就好像通過觀察火焰的影子，發現爐灶中燃燒著的炭塊一樣。

天文學家們幾年前就猜測位于室女座星系團內，距離我們約5000多萬光年的星系M87（1764年，法國天文學家梅西耶編制的星云和星團的星表中的第87號天體。）的中心有巨大黑洞。1994年夏天，HST獲得了該星系中心存在著超大質量黑洞的可靠證據。空間望遠鏡上的廣視場照相機攝取的照片表明在M87的中心附近有大量發光的氣體以非常大的速度運動著。計算表明，M87具有這樣大的運動速度的原因，是由于存在著一個被壓縮在幾千億公里大小區域里的20億倍太陽質量的致密物質。而如此巨大的物質密度強烈地表明M87的核心確實隱匿著一個超大質量黑洞。

許多理論工作者都認為銀河系的中心也隱藏著一個超大質量黑洞，但至今還未像M87那樣獲得較確鑿的證據。科學家們希望HST能幫助解決這一問題。

2.黑洞與量子力學

20世紀的最初30年出現了三種理論，它們強烈地改變人們對物理和實在本身的觀點。這三種理論是狹義相對論（1905年）、廣義相對論（1915年）以及量子力學理論（大約1926年）。阿爾伯特·愛因斯坦是第一種理論的主要創建者，是第二種理論的單獨創建者，并且在第三種理論的發展中起過重要的作用。因為量子力學具有隨機的和不可確定性的因素，所以愛因斯坦從未接受它。他的態度可用他經常被引用的“上帝不玩弄骰子”的陳述來總結。然而，由于不管是狹義相對論還是量子力學都能夠描述可被直接觀察的效應，所以絕大多數物理學家欣然同意，接受它們。而另一方面，由于廣義相對論似乎在數學上過于復雜，不能在實驗室中得到檢驗，而且是似乎不能和量子力學相協調的純粹經典的理論，所以它在大部分場合沒有受到理會。這樣，在幾乎半個世紀的歲月里，廣義相對論一直處于沉悶的狀態。

從20世紀60年代初開始的天文觀測的偉大擴展，發現了許多新現象，諸如類星體、脈沖星和緊致的X射線源。這一切表明非常強大的引力場的存在，這種引力場只能由廣義相對論來描述，所以對廣義相對論的經典理論的興趣又被重新喚起。類星體是和恒星相似的物體，如果它們處于由它們的光譜的紅化所標志的那么遙遠的地方，則必須比整個星系還要亮好幾倍。脈沖星是超新星爆發后快速閃耀的殘余物，它被認為是超密度的中子星。緊致的X射線源是由外空飛行器上的儀器所揭示的，也可能還是中子星或者是具有更高密度的假想的物體，也就是黑洞。

物理學家在把廣義相對論應用到這些新發現的或者假想的物體時，所要面臨的一個問題是，要使它和量子力學相協調。在過去的幾年中有了一些發展，使人們產生了一些希望，也就是不必等太久的時間我們將獲得一種完全協調的量子引力論，這種理論對于宏觀物體和廣義相對論相一致，而且可望避免那種長期折磨其他量子場論的數學上的無窮大。這些發展就是最近發現的和黑洞相關的某些量子效應，它們為在黑洞和熱力學定律之間提供了令人注目的聯結。

華盛頓大學的詹姆斯·巴丁，現在任職于莫爾頓天文臺的布蘭登·卡特和霍金，推廣了黑洞性質和熱力學定律之間的相似性。熱力學第一定律說，一個系統的熵的微小改變是伴隨著該系統的能量的成比例的改變。這個比例因子被稱作系統的溫度。巴丁·卡特和霍金發現了把黑洞質量改變和事件視界面積改變相聯系的一個類似的定律。這里的比例常數牽涉到稱為表面引力的一個量，它是引力場在事件視界的強度的測度。如果人們接受事件視界的面積和熵相類似，那么表面引力似乎就和溫度相類似。可以證明，在事件視界上所有點的表面引力都是相等的，正如同處于熱平衡的物體上的所有地方具有相同的溫度。這個事實更加強了這種類比。

雖然在熵和事件視界面積之間很明顯地存在著相似性，對于我們來說，如何把面積認定為黑洞的熵仍然不是顯然的。黑洞的熵是什么含義呢？1972年雅各布·柏肯斯坦提出了關鍵的建議。他那時是普林斯頓大學的一名研究生，現在任職于以色列的涅吉夫大學。可以這么進行論證。由于引力坍縮而形成一顆黑洞，這顆黑洞迅速地趨向于一種穩定狀態，這種狀態只由三個參數來表征：質量、角動量和電荷。這個結論即是著名的“黑洞無毛定理”。它是由卡特、阿爾伯特大學的外奈·伊斯雷爾、倫敦國王學院的大衛·C·羅賓遜和霍金共同證明的。

無毛定理表明，在引力坍縮中大量的信息被損失了。例如，最后的黑洞和坍縮物體是否由物質或者反物質組成，以及它在形狀上是球形的還是高度不規則的都沒有關系。換言之，一顆給定質量、角動量以及電荷的黑洞可由物質的大量不同形態中的任何一種坍縮形成。的確，如果忽略量子效應的話，由于黑洞可由無限大數目的具有無限小質量的粒子云的坍縮形成，所以形態的數目是無限的。

然而，量子力學的不確定性原理表明，一顆質量為m的粒子的行為正像一束波長為h/mc的波，這里h是普朗克常數（一個值為6.62×10-27爾格·秒的小數），而C是光速。為了使一堆粒子云能夠坍縮形成一顆黑洞，該波長似乎必須比它所形成黑洞的尺度更小。這樣，能夠形成給定質量、角動量和電荷的黑洞的形態數目雖然非常巨大，卻可以是有限的。柏肯斯坦建議說，人們可把這個數的對數解釋成黑洞的熵。這個數目的對數是在黑洞誕生時在通過事件視界坍縮之際的不可挽回的信息喪失的量的測度。

柏肯斯坦的建議中有一個致命的毛病，如果黑洞具有和它的事件視界面積成比例的熵，它就還應該具有有限的溫度，該溫度必須和它的表面引力成比例。這就意味著黑洞能和具有不為零溫度的熱輻射處于平衡。然而，根據經典概念，黑洞會吸收落到它上面的任何熱輻射，而不能發射任何東西作為回報，所以這樣的平衡是不可能的。

直到1974年初，當霍金根據量子力學研究物質在黑洞鄰近的行為時，這個迷惑才得到解決，他非常驚訝地發現，黑洞似乎以恒定的速率發射出粒子。正如那時候的任何其他人一樣，他接受黑洞不能發射任何東西的正統說法。所以他花了相當大的努力試圖擺脫這個令人難堪的效應。它拒不退卻，所以他最終只好接受了它。最后使霍金信服它是一個真正的物理過程的是，飛出的粒子具有準確的熱譜，黑洞正如同通常的熱體那樣產生和發射粒子，這熱體的溫度和黑洞的表面引力成比例并且和質量成反比。這就使得柏肯斯坦關于黑洞具有有限的熵的建議完全協調，因為它意味著能以某個不為零的溫度處于熱平衡。

從此以后，其他許多人用各種不同的方法確證了黑洞能熱發射的數學證據。以下便是理解這種輻射的一種方法。量子力學表明，整個空間充滿了“虛的”粒子反粒子對，它們不斷地成對產生、分開，然而又聚到一塊并互相湮滅。因為這些粒子不像“實的”粒子那樣，不能用粒子加速器直接觀測到，所以被稱作虛的。盡管如此，可以測量到它們的間接效應。由它們在受激氫原子發射的光譜上產生的很小位移（藍姆位移）證實了虛粒子的存在。現在，在黑洞存在的情形，虛粒子對中的一個成員可以落到黑洞中去，留下來的另一個成員就失去可以與之相湮滅的配偶。這被背棄的粒子或者反粒子，可以跟隨其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到無窮遠去，在那里作為從黑洞發射出的輻射而出現。

另一種看待這個過程的方法是，把落到黑洞中去的粒子對的成員，譬如講反粒子，考慮成真正地在向時間的過去方向旅行的一顆粒子。這樣，這顆落入黑洞的反粒子可被認為是從黑洞跑出來但向時間過去旅行的一顆粒子。當該粒子到達原先該粒子反粒子對產生的地方，它就被引力場散射，這樣就使它在時間前進的方向旅行。

因此，量子力學允許粒子從黑洞中逃逸出來，而經典力學卻不允許。然而，在原子和核子物理學中存在許多其他的場合，有一些按照經典原理粒子不能逾越的壁壘，按照量子力學原理的隧道效應可讓粒子通過。

圍繞一顆黑洞的壁壘厚度和黑洞的尺度成比例。這表明非常少的粒子能從一顆像假想在天鵝X-1中存在的那么大的黑洞中逃逸出來，但是粒子可以從更小的黑洞迅速地漏出來。仔細的計算表明，發射出的粒子具有一個熱譜，其溫度隨著黑洞質量的減小而迅速增高。對于一顆太陽質量的黑洞，其溫度大約只有絕對溫度的千萬分之一度。宇宙中的輻射的一般背景把從黑洞出來具有那種溫度的熱輻射完全淹沒了。另一方面，質量只有十億噸的黑洞，也就是尺度大約和質子差不多的太初黑洞，會有大約1200億度開文芬的溫度，這相當于一千萬電子伏的能量。處于這等溫度下的黑洞會產生電子正電子對以及諸如光子、中微子和引力子（引力能量的假想的攜帶者）的零質量粒子。太初黑洞以60億瓦的速率釋放能量，這相當于六個大型核電廠的輸出。