騰了好一陣,但是當漣漪將其能量帶走,就使它最終平靜下來。)例如,繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最後撞到太陽上,以這種方式歸於最終不變的狀態。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約只能點燃一個小電熱器,這意味著要用大約1幹億億億年地球才會和太陽相撞,沒有必要立即去為之擔憂!地球軌道改變的過程極其緩慢,以至於根本觀測不到。但幾年以前,在稱為PSR1913+16(PSR表示“脈衝星”,一種特別的發射出無線電波規則脈衝的中子星)的系統中觀測到這一效應。此係統包含兩個互相圍繞著運動的中子星,由於引力波輻射,它們的能量損失,使之相互以螺旋線軌道靠近。
在恆星引力坍縮形成黑洞時,運動會更快得多,這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。這最終的狀態將會是怎樣的呢?人們會以為它將依賴於形成黑洞的恆星的所有的複雜特徵——不僅僅它的質量和轉動速度,而且恆星不同部分的不同密度以及恆星內氣體的複雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端,一般來講,對之作任何預言都將是非常困難的。
然而,加拿大科學家外奈·伊斯雷爾(他生於柏林,在南非長大,在愛爾蘭得到博士)在1967年使黑洞研究發生了徹底的改變。他指出,根據廣義相對論,非旋轉的黑洞必須是非常簡單、完美的球形;其大小隻依賴於它們的質量,並且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須是等同的。事實上,它們可以用愛因斯坦的特解來描述,這個解是在廣義相對論發現後不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始,許多人(其中包括伊斯雷爾自己)認為,既然黑洞必須是完美的球形,一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以,任何實際的恆星——從來都不是完美的球形——只會坍縮形成一個裸奇點。
然而,對於伊斯雷爾的結果,一些人,特別是羅傑·彭羅斯和約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道,牽涉恆星坍縮的快速運動表明,其釋放出來的引力波使之越來越近於球形,到它終於靜態時,就變成準確的球形。按照這種觀點,任何非旋轉恆星,不管其形狀和內部結構如何複雜,在引力坍縮之後都將終結於一個完美的球形黑洞,其大小隻依賴於它的質量。這種觀點得到進一步的計算支援,並且很快就為大家所接受。
伊斯雷爾的結果只處理了由非旋轉物體形成的黑洞。1963年,紐西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉黑洞的一族解。這些“克爾”黑洞以恆常速度旋轉,其大小與形狀只依賴於它們的質量和旋轉的速度。如果旋轉為零,黑洞就是完美的球形,這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太陽由於旋轉而鼓出去一樣),而旋轉得越快則鼓得越多。由此人們猜測,如將伊斯雷爾的結果推廣到包括旋轉體的情形,則任何旋轉物體坍縮形成黑洞後,將最後終結於由克爾解描述的一個靜態。
1970年,我在劍橋的一位同事和研究生同學布蘭登·卡特為證明此猜測跨出了第一步。他指出,假定一個穩態的旋轉黑洞,正如一個自旋的陀螺那樣,有一個對稱軸,則它的大小和形狀,只由它的質量和旋轉速度所決定。然後我在1971年證明了,任何穩態旋轉黑洞確實有這樣的一個對稱軸。,最後,在國王學院任教的大衛·羅賓遜利用卡特和我的結果證明了這猜測是對的:這樣的黑洞確實必須是克爾解。所以在引力坍縮之後,一個黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉、但是不能搏動的態。並且它的大小和形狀,只決定於它的質量和旋轉速度,而與坍縮成為黑洞的原先物體的性質無關。此結果以這樣的一句諺語表達而成為眾所周知:“黑洞沒有毛。”“無毛”定理具有巨大的實際重要性,因為它極大地限制了黑洞的可能型別。所以,人們可以製造可能包含黑洞的物體的具體模型,再將此模型的預言和觀測相比較。因為在黑洞形成之後,我們所能測量的只是有關坍縮物體的質量和旋轉速度,所以“無毛”定理還意味著,有關這物體的非常大量的資訊,在黑洞形成時損失了。下一章 我們將會看到它的意義。
黑洞是科學史上極為罕見的情形之一,在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下,作為數學的模型被髮展到非常詳盡的地步。的確,這經常是反對黑洞的主要論據:你怎麼能相信一個其依據只是基於令人懷疑的廣義相對論的計算的物件呢?然而,1963