黑洞是科學(xué)史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據(jù)說明其理論是正確的情形下，作為數(shù)學(xué)的模型被發(fā)展到非常詳盡的地步。的確，這經(jīng)常是黑洞反對者的主要論據(jù)：人們怎么能相信這樣的物體，其僅有的證據(jù)是基于令人懷疑的廣義相對論的計(jì)算呢？然而，1963年，加利福尼亞的帕羅瑪天文臺的天文學(xué)家馬丁?施密特測量了在稱為3C273（即是劍橋射電源編目第三類的273號）射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發(fā)現(xiàn)引力場不可能引起這么大的紅移――如果它是引力紅移，這類星體質(zhì)量必須這么大，并且離我們必須這么近，勢必干擾太陽系中的行星軌道。這暗示這個紅移是由宇宙的膨脹引起的，進(jìn)而表明此物體離我們非常遙遠(yuǎn)。由于在這么遠(yuǎn)的距離還能觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到，產(chǎn)生這么大能量的唯一機(jī)制看來不僅是一個恒星，而是一個星系的整個中心區(qū)域的引力坍縮。
人們還發(fā)現(xiàn)了許多其他相似的類星體，它們都有很大的紅移。但是它們都離開我們太遠(yuǎn)了，所以對之進(jìn)行觀察太困難了，不能給黑洞提供結(jié)論性的證據(jù)。
1967年，劍橋的一位研究生約瑟琳?貝爾發(fā)現(xiàn)了天空發(fā)射出射電波的規(guī)則脈沖的物體，這對黑洞存在的預(yù)言帶來了進(jìn)一步的鼓舞。起初貝爾和她的導(dǎo)師安東尼?赫維許以為，他們可能和我們星系中的外星文明進(jìn)行了接觸！
我清楚地記得在宣布他們發(fā)現(xiàn)的討論會上，他們將這四個最早發(fā)現(xiàn)的源稱為LGM1-LGM4，LGM表示“小綠人”
（“LittleGreenMan”）的意思。然而，最終他們和其他所有人都得到了不那么浪漫的結(jié)論，這些被稱為脈沖星的物體，事實(shí)上是旋轉(zhuǎn)的中子星。因?yàn)樗鼈兊拇艌龊椭車镔|(zhì)復(fù)雜的相互作用，這些中子星發(fā)出射電波的脈沖。這對于寫空間探險(xiǎn)的作者而言是個壞消息，但對于我們這些當(dāng)時(shí)相信黑洞的少數(shù)人來說，是非常大的希望――這是中子星存在的第一個正的證據(jù)。中子星的半徑大約為10英里，只是恒星變成黑洞的臨界半徑的幾倍。如果一顆恒星能坍縮到這么小的尺度，預(yù)料其他恒星能坍縮到更小的尺度而成為黑洞，就是理所當(dāng)然的了。
按照黑洞定義，它不能發(fā)出光，我們何以希望能檢測到它呢？這有點(diǎn)像在煤庫里找黑貓。慶幸的是，有一種辦法。正如約翰?米歇爾在他1783年的先驅(qū)性論文中指出的，黑洞仍然將它的引力作用到周圍的物體上。天文學(xué)家觀測了許多系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中，兩顆恒星由于相互之間的引力吸引而相互圍繞著運(yùn)動。他們還觀察到了這樣的系統(tǒng)，其中只有一顆可見的恒星圍繞著另一顆看不見的伴星運(yùn)動。人們當(dāng)然不能立即得出結(jié)論說，這伴星即為黑洞――它可能僅僅是一顆黯淡的看不見的恒星而已。然而，這種系統(tǒng)中的一些，像叫做天鵝X-1的那樣，也是強(qiáng)X射線源。對這現(xiàn)象的最好解釋是，物質(zhì)從可見星的表面被吹起來，當(dāng)它落向不可見的伴星時(shí)，形成螺旋狀運(yùn)動（這和水從浴缸流出很相似），并且變得非常熱，發(fā)出X射線。為了使這機(jī)制起作用，不可見物體必須非常小，像白矮星、中子星或黑洞那樣。通過觀測那顆可見星的軌道，人們可以確定不可見物體的最小的可能質(zhì)量。
在天鵝X-1的情形，這大約是太陽質(zhì)量的6倍。按照昌德拉塞卡的結(jié)果，它的質(zhì)量太大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。因此，看來它只能是一個黑洞。
還有其他不包含黑洞的解釋天鵝X-1的模型，但是所有這些都相當(dāng)牽強(qiáng)附會。黑洞看來是對該觀測的僅有的真正自然的解釋。盡管如此，我和加州理工學(xué)院的基帕?索恩打賭說，天鵝X-1不包含一個黑洞！這對我而言是一種保險(xiǎn)的形式。我對黑洞作了許多研究，如果發(fā)現(xiàn)黑洞不存在，而這一切都成為徒勞。但在這種情形下，我將得到贏得打賭的安慰，他要給我訂閱4年的《私家偵探》雜志。事實(shí)上，從我們打賭的1975年迄今，雖然天鵝X-1的情形并沒有改變太多，但是人們已經(jīng)積累了這么多對黑洞有利的其他觀測證據(jù)，我只好認(rèn)輸。我進(jìn)行了約定的賠償，那就是給索恩訂閱一年的《藏春閣》，這使他開放的妻子相當(dāng)惱火。
現(xiàn)在，在像我們的星系和兩個名叫麥哲倫星云的鄰近星系的系統(tǒng)中，我們還有幾個類似天鵝X-1的黑洞的證據(jù)。然而，幾乎可以肯定，黑洞的數(shù)量比這多得太多了！
在宇宙的漫長歷史中，很多恒星肯定燒盡了它們的核燃料并坍縮了。黑洞的數(shù)目甚至比可見恒星的數(shù)目要大得多。
僅僅在我們的星系中，大約總共有1000億顆可見恒星。
這樣巨大數(shù)量的黑洞的額外引力就能解釋為何目前我們的星系以現(xiàn)有的速率轉(zhuǎn)動：僅用可見恒星的質(zhì)量是不足以說明這一點(diǎn)的。我們還有某些證據(jù)表明，在我們星系的中心有一個大得多的黑洞，其質(zhì)量大約是太陽的10萬倍。星系中的恒星若十分靠近這個黑洞時(shí)，作用在它的近端和遠(yuǎn)端上的引力之差或潮汐力會將其撕開。它們的遺骸以及擺脫其他恒星的氣體將落到黑洞上去。正如在天鵝X-1的情形那樣，氣體將以螺旋形軌道向里運(yùn)動，并且被加熱，雖然沒有到那種程度。它沒有熱到足以發(fā)出X射線，但是它可以用來說明在星系中心觀測到的非常致密的射電波和紅外線源。
人們認(rèn)為，在類星體的中心是類似的，但質(zhì)量更大的黑洞，其質(zhì)量大約為太陽的1億倍。例如，用哈勃望遠(yuǎn)鏡對稱為M87的星系進(jìn)行的觀測揭示出，它含有直徑130光年的氣體盤，該盤圍繞著20億倍太陽質(zhì)量的中心物體旋轉(zhuǎn)。這只能是一個黑洞。只有落入此超重的黑洞的物質(zhì)才能提供足夠強(qiáng)大的能源，用以解釋這些物體釋放出的巨大能量。當(dāng)物質(zhì)旋入黑洞，它將使黑洞往同一方向旋轉(zhuǎn)，使黑洞產(chǎn)生一個磁場，這個磁場和地球的磁場頗為相像。落入的物質(zhì)會在黑洞附近產(chǎn)生能量非常高的粒子。該磁場是如此之強(qiáng)，能將這些粒子聚焦成沿著黑洞旋轉(zhuǎn)軸，也即在它的北極和南極方向往外噴射的射流。在許多星系和類星體中確實(shí)觀察到這類射流。人們還可以考慮存在質(zhì)量比太陽質(zhì)量小很多的黑洞的可能性。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量比昌德拉塞卡極限低，所以不能由引力坍縮產(chǎn)生：這樣小質(zhì)量的恒星，甚至在耗盡了自己的核燃料之后，還能支持自己對抗引力。只有當(dāng)物質(zhì)由非常巨大的外界壓力壓縮成極端緊密的狀態(tài)時(shí)，才能形成小質(zhì)量的黑洞。一個巨大的氫彈可提供這樣的條件：物理學(xué)家約翰?惠勒曾經(jīng)計(jì)算過，如果將世界海洋里所有的重水制成一個氫彈，則它可以將中心的物質(zhì)壓縮到產(chǎn)生一個黑洞。（當(dāng)然，那時(shí)沒有一個人能殘留下來觀察它?。┍容^實(shí)在的一種可能性是：在極早期宇宙的高溫和高壓條件下可能產(chǎn)生這樣小質(zhì)量的黑洞。因?yàn)橹挥幸粋€比平均值更緊密的小區(qū)域，才能以這樣的方式被壓縮形成一個黑洞，所以只有當(dāng)早期宇宙不是完全光滑的和均勻時(shí)，這才有可能形成黑洞。但是我們知道，早期宇宙一定存在一些無規(guī)性，否則現(xiàn)在宇宙中的物質(zhì)分布仍然會是完全均勻的，而不能結(jié)塊形成恒星和星系。
很清楚，為了說明恒星和星系的無規(guī)性是否導(dǎo)致形成相當(dāng)數(shù)目的“太初”黑洞，依賴于早期宇宙中條件的細(xì)節(jié)。這樣，如果我們能夠確定現(xiàn)在有多少太初黑洞，我們就能對宇宙的極早期階段了解很多。質(zhì)量大于10億噸（一座大山的質(zhì)量）的太初黑洞，只能通過它們對其他可見物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測到。然而，正如我們將要在下一章看到的，黑洞畢竟不是真黑：它們像一個熱體一樣發(fā)熱發(fā)光，它們越小則發(fā)熱發(fā)光得越厲害。所以，看起來荒謬，而事實(shí)上卻是，也許小的黑洞可以比大的黑洞更容易探測到！