为了理解黑洞的动力学和理解它们是如何使内部的所有事物逃不出边界的,我们需要讨论一下广义相对论。

广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说,适用于行星、恒星,同样也适用于“黑洞”。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说,说明空间和时间是如何因大质量物体的存在而发生畸变。简而言之,广义相对论说物质弯曲了空间,而空间的弯曲又会反过来影响穿越空间的物体的运动。

接下来让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先,考虑时间(空间的三维是长、宽、高)是现实世界中的第四维(尽管难于在平常的三个方向之外再画出一个方向,但我们能够尽力去想象)。其次,考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们可以在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景:石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些,尽管弹簧床面基本上仍旧是平整的,然而其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块,则将产生更大的效果,使床面下沉得更多。实际上,石头越多,弹簧床面弯曲得越厉害。

同样的道理,宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。就好像10块石头比l块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样,质量比太阳大得多的天体比相当于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

倘若一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧**滚动,它将沿直线前进。反之,如果它经过一个下凹的地方,那么它的路径呈弧形。同理,天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进,而那些穿越弯曲区域的天体将会沿弯曲的轨迹前进。

现在再来看看黑洞对于其周围的时空的影响。我们设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然,石头将大大地影响床面,不仅可以使其表面弯曲下陷,还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以在宇宙中出现,如果宇宙中存在黑洞,则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂称为时空的奇异性或奇点。

现在我们来看看为什么任何东西都无法从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球,会掉进大石头形成的深洞一样,一个经过黑洞的物体同样也会被其引力陷阱所捕获。而且,如果要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

我们已经说过,没有任何可以进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。霍金在1974年证明黑洞有—个不为零的温度,也即有一个比其周围环境要高一些的温度。根据物理学原理,一切比其周围温度高的物体都要释放出热量,同样黑洞也不例外。一个黑洞可以持续几百万万亿年散发能量,黑洞释放能量称为:“霍金辐射”。黑洞散尽所有能量就会消失。处于时间与空间之间的黑洞,使时间放慢脚步,使空间变得有弹性,并且吞进所有经过它的一切。

我们都知道由于二黑洞不能反射光,所以看不见。在我们的脑海中黑洞可能是遥远而又漆黑的。然而霍金认为,黑洞并不如大多数人想象中那样黑。通过科学家的观测,黑洞周围存在辐射,而且极有可能来自于黑洞。霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子,这些粒子在太空中成对产生,并且不遵从通常的物理定碰撞后,有的就会消失在茫茫太空中。通常说来,可能直到这些粒子消失时,我们都不会有机会看到它们。

霍金还指出,黑洞产生的同时,实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子可能被吸进黑洞中,另一个则会逃逸,一束逃逸的实粒子看上去就像光子一样。对观察者而言,看到逃逸的实粒子就感觉好像看到来自黑洞中的射线一样。

等恒星的半径小于某一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指不管什么物质一旦掉进去,就再不能逃出,包括光。