惠勒和奧本海默不僅在國家安全問題上有重大分歧，他們的理論物理學方法也大相逕庭。奧本海默只信奉已經建立起來的物理學定律的預言，而惠勒渴望知道那些定律背後的事情。他的思想常常走近舊定律破滅而新定律出現的邊緣。他想從他的道路跳進21世紀，去看看20世紀物理學前沿之外的那些物理學定律會是什麼樣子。
他可能看到些什麼呢？從50年代起，在惠勒看來，未來最有希望的莫過於廣義相對論（宏觀領域）和量子力學（微觀領域）的交流，那時兩者還沒有邏輯一致地融和起來。起初嘗試解決這個問題時，它們就像一個縱橫字謎。你可以試著用一組詞橫填，用另一組詞縱填。你會發現縱橫交叉處出現了矛盾：橫的那行GENERAL需要E，而縱的那列QUANTUM需要U；橫的RELATIVITY要E，而縱的QUANTUM要T。看看這些行列，就會明白，要麼改一個字，要麼兩個都改，才會沒有矛盾。類似地，對廣義相對論和量子力學，為了從邏輯上將兩者融和起來，顯然應該修改其中的一個，或者兩個都要修改。如果這種融和實現了，那麼廣義相對論與量子力學的最終統一將產生一組新的強有力的定律，物理學家稱它為量子引力。不過，50年代的物理學家對兩者結合的認識還太簡單，儘管費力不少，但進展不多。
進展同樣緩慢的還有對原子核的基本構成要素的認識——中子、電子以及粒子加速器正在產生的越來越多的基本粒子。
惠勒想跳過這個泥潭，一眼看到量子引力和基本粒子的本性。他認為，找出理論物理學中疑惑多的地方，就能看到這些本性。疑惑的背後就是深刻的認識。疑惑越深，我們的認識超越20世紀物理學前沿可能就越遠。
惠勒剛從超彈中解脫出來，就帶著這種精神，同哈里森和若野一起填補了我們對冷死星體認識的空白（第5章）；他也帶著這種精神思考「大質量物體最終命運」的問題。他在這兒遇到了一個他正在尋找的疑惑：沒有比2個太陽質量更大的冷死星；然而天空中卻有很多質量遠比它們大的熱星——總有一天會冷卻死亡的。奧本海默曾以一貫的直率作風向確立的物理學定律尋求那些星體的行為，（與斯尼德一起）得到一個答案，這似乎令惠勒感到奇怪，也更令惠勒相信，他可能會在這個大質量的命運問題上發現超越20世紀前沿的物理學。我們將在第12、13章看到，惠勒是對的。
惠勒滿懷火一樣的熱情——深深地、不懈地追尋大質量物體的命運，想知道它們的命運是否能解開量子引力和基本粒子的秘密。奧本海默不一樣，他在1958年似乎對很多事情都不太關心。他相信自己和斯尼德的計算，但沒想過把它更推進一步，也沒興趣更深入去認識它。也許他太累了，在過去的20年裡，他一直在鬥爭——武器設計的鬥爭，政治的鬥爭，個人的鬥爭。也許他在未解之謎面前畏縮了。不管怎麼說，他再也沒有回答這些問題。火炬傳給了新一代。奧本海默留下的東西，是惠勒的基礎；而在蘇聯，朗道留下來的，也成了澤爾多維奇的基礎。
1958年在布魯塞爾遇到奧本海默時，惠勒斷言奧本海默-斯尼德計算是靠不住的。為什麼呢？因為他們的理想化條件太苛刻了（見圖6.3）。最特別的是，奧本海默一開始就假定坍縮的恆星不存在任何壓力。如果沒有壓力，坍縮的物質就不可能形成激波（類似於破碎的帶著泡沫的海浪）。沒有壓力和激波，坍縮的物質就無法加熱。沒有熱量和壓力，就無法引起核反應，無法產生輻射。沒有通過核反應、壓力和激波產生的輻射外流和物質噴發，恆星就無法失去質量。一開始就禁止了質量的損失，大質量恆星就不可能將質量減到2個太陽以下而成為冷死的中子星。惠勒由此推論，奧本海默的坍縮星體無疑會形成黑洞；到頭來，他的理想化什麼事也做不成！
奧本海默和斯尼德在1939年做他們的研究時，還不可能具體計算具有真實壓力（熱壓力、簡並壓力和核力產生的壓力）的伴隨著核反應、激波、熱輻射和物質噴射的坍縮過程。不過，核武器設計的20年正好提供了必需的工具。壓力、核反應、激波、熱、輻射和質量噴射，都是氫彈的重要特性；沒有它們，氫彈是不會爆炸的。為設計氫彈，需要將所有這些事情放到計算機裡一起計算。當然，惠勒的小組就做這件事。所以，他們現在很自然地會重寫原來的計算程序，不過不是去模擬氫彈的爆炸，而是來模擬大質量恆量的坍縮。
假如那個小組還在，這會是很自然的事情。然而，小組解散了。他們曾寫過PMB-31報告，分散後，有的當了老師，有的搞物理學研究，還有的成了各大學和政府實驗室的行政領導。
美國原子彈設計機構現在都集中在洛斯阿莫斯和加利福尼亞利弗莫爾的一個新的政府實驗室裡。50年代後期，科爾蓋特（Stirling Colgate）在利弗莫爾迷上了星體坍縮問題。他在特勒鼓勵下，與懷特（Richard White）、後來又與麥（Michael May）合作，在計算機上模擬坍縮。他們的模擬還保留了一些奧本海默的理想化：一開始就認定坍縮的恆星是無旋轉球形的。如果不這樣限定，計算會困難得多。不過，他們的模擬還是將困惑惠勒的那些東西都考慮進來了——壓力、核反應、激波、熱、輻射、質量噴射——他們所依靠的是原子彈設計的專業知識和計算機編碼。完善設計費了幾年的努力，但到60年代初，他們已經做得很好了。
60年代初的一天，惠勒急匆匆趕到普林斯頓大學的一個相對論討論班，我那時正在那兒跟他讀研究生。他來晚了一點兒，但滿臉高興。他剛從利弗莫爾訪問回來，在那兒看到了科爾蓋特、懷特和麥的最新模擬結果。他在黑板上畫了一個又一個圓，用激動的聲音向我們解釋他的利弗莫爾朋友們知道了什麼：
如果坍縮恆星的質量小，它將導致超新星爆發，像茨維基30年前猜想的那樣形成中子星。當恆星質量超過2個太陽的最大中子星質量時，不管多大壓力、也不管核反應、激波、熱和輻射，它都將坍縮形成黑洞。37而黑洞的誕生顯著地類似於奧本海默和斯尼德在近25年前高度理想化的計算。從外面看，坍縮會越來越慢，最後在臨界周長處凍結；在星體表面的人看來，坍縮一點兒也沒凍結。星體的表面會毫不猶豫地一直收縮下去，穿過臨界周長。
其實，惠勒已經在期待這一點了。由於其他的認識（下面講），他已經從奧本海默黑洞的批評者變成了熱情的支持者。不過他開始相信的還是一個具體的來自實際計算機模擬的證明：坍縮必然產生黑洞。
奧本海默為惠勒的轉變高興嗎？不，他幾乎沒表現出什麼興趣和愉快。1963年12月，當類星體發現時（第9章），在德克薩斯的達拉斯舉行了一個國際會議，惠勒在會上發表了關於星體坍縮的長篇演說，熱情講述了奧本海默和斯尼德1939年的計算。奧本海默也參加了會議，惠勒演講時，他正坐在走廊的長椅上跟朋友聊別的事情。30年後，惠勒回想這一幕，說起來還很難過，兩眼滿是傷悲。
50年代後期，澤爾多維奇開始對核武器設計工作感到厭倦，大多數真正有意思的問題都已經解決了。為尋找新的挑戰，他用一部分時間去嘗試基本粒子的理論，然後又轉向天體物理學。同時，他仍然領導著基地的一個原子彈設計小組和一個在莫斯科應用數學研究所裡做輔助計算的小組。
在原子彈設計工作中，澤爾多維奇常用一些思想來激發他的小組，組員們會通過計算來看這些思想是否行得通。「澤爾多維奇點火，隊員們加油」，這是金茲堡的說法。在天體物理學研究中，澤爾多維奇仍然保持著這種作風。
在天體物理學問題中，令澤爾多維奇感興趣的是星體的坍縮。像美國的惠勒、科爾蓋特、麥和懷特一樣，澤爾多維奇也明顯感到，氫彈設計的工具完全適用於坍縮星的數學模擬。
為弄清真實星體坍縮的具體情況，澤爾多維奇留了幾個年輕人在身邊：應用數學所的納傑任（Dmitri Nadezhin），伊姆捨尼克（Vladimir Imsheimik）和基地的波杜利茨（Mikhal Podurets）。經過一系列激烈討論，他向他們講了自己如何考慮在計算機上模擬坍縮，並包括那些對氫彈來說十分重要的效應：壓力、核反應、激波、熱、輻射、物質噴射。
在這些討論啟發下，伊姆捨尼克和納傑任模擬了小質量恆星的坍縮，還獨立於美國的科爾蓋特和懷特證實了茨維基關於超新星的猜想。同時，波杜利茨模擬了大質量恆星的坍縮，他的結果幾乎與麥和懷特的同時發表，而且在內容上與那兩位美國同行也差不多是一樣的。38沒有什麼可以懷疑的了：坍縮產生黑洞，而且正是按照奧本海默和斯尼德聲明的那種方式。
原子彈設計代碼能用來模擬星體坍縮，這不過是核武器與天體物理學眾多密切聯繫的一個表現。那些聯繫，薩哈洛夫在1948年就看清了。他奉命參加塔姆的原子彈設計小組時，就開始以天體物理學研究來為自己做準備。1969年，我也意外地捲進了這些聯繫。
我從沒真正想過要明白特勒-烏拉姆和薩哈洛夫-澤爾多維奇的思想是什麼。憑他們的思想，那些能「具有任意威力」的超彈，在我看來是很討厭的東西，我甚至根本不去想它如何實現。但我想知道中子星在宇宙中會起什麼作用，只好被迫去考慮特勒-烏拉姆思想。
澤爾多維奇幾年前指出，星際空間或恆星附近的氣體在落到中子星上時會加熱發光，它輻射出來的實際上大多是高能的X射線，而不是低能的可見光，那該有多熱！澤爾多維奇認為，下落的氣體控制著X射線外流的速率；反過來，外流的X射線也影響著氣體下落的速率。於是，協同作用的氣體和X射線產生一種穩定的自調節流。如果下落氣體太快，它將產生大量X射線，而外瀉的X射線將與下落的氣體相撞，產生向外的壓力，從而減緩氣體的下落（圖6.4（a））。另一方面，如果氣體下落太慢，它產生的X射線將很少，沒有能力減緩氣體的下落，從而下落速率會增大。只存在一個惟一的氣體下落速率，不太高，也不太低，正好能讓X射線和氣體達到平衡。
氣體與X射線的這幅流動圖景令我困惑。我清楚地知道，在地球上，假如想用低密度液體（如水）在下面支撐高密度液體（如水銀），那麼水銀會很快像舌頭一樣鑽進水中，水銀下沉，而水上升（圖6.4（b）），這個現象叫瑞利-泰勒不穩定性。在澤爾多維奇的圖景中，X射線就像低密度的水，而下落的氣體像高密度的水銀。氣體的舌頭難道不會鑽進X射線嗎？然後，氣體不會自由落向那些舌頭，從而破壞澤爾多維奇的自調節流嗎（圖6.4（c））？用物理學定律詳細計算，可能會告訴我這種事情是否發生，但這樣的計算太複雜，又費時間；所以我沒有算，而直接去問澤爾多維奇，那是1969年的一個下午，我們正在他的莫斯科公寓裡討論物理學。
我提出這個問題時，澤爾多維奇有點兒不高興，但他的回答很堅決：「不，基普，那是不會發生的。沒有舌頭鑽進X射線，氣流是穩定的。」「您怎麼知道呢，雅科夫波裡索維奇？」我問。奇怪的是，我沒能得到回答。顯然，澤爾多維奇或其他什麼人做過詳細計算或實驗，證明了X射線能頂住氣體而不會出現瑞利-泰勒的舌頭來破壞，但澤爾多維奇卻不能向我指出發表在文獻裡的任何一家的計算或實驗，也沒有為我詳細講述其中的物理學。這太不像澤爾多維奇了！
圖6.4 （a）落向中子星的氣體被外流的X射線壓力減速。（b）水銀在地球的引力作用下下落，它下面的水將它支撐著，結果出現瑞利-泰勒不穩定性。（c）下落的氣體被中子星的X射線所支撐，也會出現瑞利-泰勒不穩定性嗎？
幾個月後的一天，我和科爾蓋特在加利福尼亞內華達山上漫步（科爾蓋特是美國最好的輻射和流體運動專家之一，是美國後期超彈工作的主要參與者，也是在利弗莫爾用計算機模擬恆星坍縮的三個物理學家中的一個），我向他提出我問澤爾多維奇的那個問題，他也那樣回答我：氣流是穩定的，氣體不可能生成舌頭而逃脫X射線的作用。「你怎麼知道呢，斯特林？」我問。「已經證明過了。」他回答。「哪兒能找到計算或者實驗呢？」我問。「我不知道……」
「那太奇怪了，」我告訴斯特林，「澤爾多維奇也是這樣給我說的——流是穩定的。可他也跟你一樣，不告訴我證明在哪兒。」「哦，那麼澤爾多維奇也知道了，真有意思。」斯特林說。
那麼，現在我也知道了。我沒想過要知道。但結果是不可避免的。特勒-烏拉姆思想一定是用裂變（原子彈）觸發器最初產生的X射線來加熱、增壓，點燃超彈的聚變燃料（圖6.5）。80年代，幾種解了密的美國出版物證實了這確實是特勒-烏拉姆思想的一部分，要不，我也不會在這兒講了。
圖6.5 特勒-烏拉姆和薩哈洛夫-澤爾多維奇氫彈設計思想的草圖：由裂變提供能源的爆炸（原子彈觸發器）產生強X射線，X射線以某種方式聚焦到聚變燃料（氘化鋰，LiD），將它加熱並壓縮足夠長的時間，產生聚合反應，X射線的聚焦技術和其他實際問題要困難得多，即使知道了特勒和烏拉姆的這點「機密」，也不過是在製造實際超彈的路上向前走了「無限小」的一步。
是什麼令惠勒從黑洞的懷疑者變成了信仰者和宣揚者？恆星坍縮的計算機模擬不過是最後的激發因素。更重要的還是他想打破認識上的障礙。從20年代到50年代，這些障礙普遍存在於全世界物理學家的頭腦中。它部分來自那個出現在黑洞中的史瓦西奇點，也來自奧本海默和斯尼德理想化計算的令人疑惑的結果：從外面靜止的觀察者看，坍縮的恆星將在臨界周長處（「史瓦西奇點」）永遠凍結，而從恆星表面的觀察者看，坍縮會很快通過凍結點繼續下去。
在莫斯科，朗道和他的夥伴們，一方面相信奧本海默和斯尼德的計算，同時卻在協調這兩個觀點上遇到了很大的麻煩。「當人類頭腦面臨兩個可能同時都正確的觀點時，你不能想像那是多麼難以理解。」39若干年以後，朗道最親密的朋友栗弗席茲（Evgeny Lifshitz）這樣告訴我。
1958年（也就是惠勒攻擊奧本海默和斯尼德結論那年）的某一天，莫斯科收到一期刊有芬克爾斯坦（David Finkelstein）文章的《物理學評論》，40作者是一個不出名的博士後，來自美國一所不太有名的大學，新澤西霍伯肯的史蒂芬斯理工學院。朗道和栗弗席茲讀了這篇文章。它揭示了好多東西，一切事情都豁然開朗了。1
那年，芬克爾斯坦訪問了英國，在倫敦國王學院作演講時，彭羅斯（他後來將變革我們對黑洞內部事物的認識，見第13章）曾乘火車趕來聽，然後滿懷熱情地回劍橋。
在普林斯頓，惠勒起先有點興趣，但沒全信。等幾年他才會慢慢相信。他之所以比朗道和彭羅斯遲疑，我想是因為他看得更深。他堅持認為量子引力會使核子（中子和質子）在坍縮的恆中化為輻射而脫離坍縮，這個想法似乎不可能與芬克爾斯坦的見解協調。不過，我們以後會看到，在更深的意義上，兩家觀點都是對的。
那麼，芬克爾斯坦的見識是什麼呢？他很偶然地憑簡爺的數學發現了一個描述史瓦西時空幾何的新參照系。他對恆星坍縮不感興趣，也沒有把他的新參照系同星體坍縮聯繫起來。42但對別人來說，他的新參照系的含義是很清楚的，為他們帶來了對星體坍縮的全新認識。
坍縮恆星外的時空幾何還是史瓦西的幾何，所以能用芬克爾斯坦的新參照系來描述，它與我們以前遇到過的參照系（1，2章）大不相同。那些參照系（假想實驗室）都很小，而且每個參照系的各部分（頂、底、邊和中心）都是相對靜止的。相反，芬克爾斯坦的參照系很大，可以同時覆蓋遠離坍縮恆星的時空區域、恆星附近的區域以及它們之間的區域。更重要的是，這些參照系的不同部分是相對運動的；遠離恆星的部分是靜止的，也就是沒有坍縮；而恆星附近的部分則隨坍縮的恆星表面向下落。相應地，芬克爾斯坦的參照系同時可以用來描述遙遠的靜止觀察者和隨坍縮恆星一起下落的觀察者所看到的恆星坍縮過程。結果，這樣的描述把從遠處觀察到的坍縮凍結與從恆星表面觀察到的持續坍縮優美地協調起來了。
大衛·芬克爾斯坦，約1958年。[Herbert S.Sonnefeld攝；芬克爾斯坦提供。]
1962年，惠勒的普林斯頓研究小組的兩個成員，貝克多夫（David Beckedorf）和米斯納（Charles Misner）構造了一組嵌入圖來說明這種和諧的描述，1967年，我在為《科學美國人》寫的一篇文章裡將他們的嵌入圖改成了下面更富想像的樣子：43
從前，在一隻大橡皮膜上生活著6只螞蟻（圖6.6），這些螞蟻都很聰明，讓信號球以不變的速度（他們的「光速」）在膜面上滾動來互通訊息。遺憾的是，這些螞蟻沒有計算膜的強度。
一天，5只螞蟻剛好會聚到膜中心，他們的重量使膜往下坍縮，自己也陷了進去，但爬得太慢，出不來了。第6只螞蟻——他們的「宇航員」——帶著望遠鏡在遠處的安全地方。當膜塌陷時，被陷的螞蟻向「宇航員」發了信號球，所以她能跟蹤他們的命運。
膜在塌陷時發生了兩件事：第一，它的表面向內收縮，把周圍的事物拖向塌陷中心，就像坍縮恆星的引力將事物吸向它的中心一樣。第二，膜塌下來形成一個碗，就像坍縮恆星周圍的空間彎曲的形狀（與圖6.2對比）。
膜的表面將隨著塌陷而越來越快地收縮，結果，被陷的螞蟻等時間間隔發出的信號球要經過越來越長的時間才能被「宇航員」螞蟻收到（這類似於從坍縮恆星發出的光的紅移）。塌陷開始15秒後，發出第15號球，在這同一瞬間，陷落的螞蟻正好被吸進臨界周長。因為臨界周長處的膜正好以球的運動速度（光速）收縮，所以第15號球將永遠停在那兒。在到達臨界周長前0.001秒，陷落的螞蟻發出第14.999號球（只畫在最後一幅圖上），這個球勉強比膜的收縮快一點兒，要等到137秒後才能到達宇航員螞蟻。過了臨界周長0.001秒以後發出的15.001號球必然會被吸進高度彎曲的膜區，與那5只陷落的螞蟻擠在一起。
但宇航員螞蟻永遠也不會知道他們擠壓的情況。她永遠也收不到15號和在它之後發出的信號球；而剛好在15號以前發出的球卻要過很長時間才能逃出來，所以在她看來，塌陷會很慢，而且正好在臨界周長處凍結。
圖6.6 居住著螞蟻的橡皮膜的塌陷，為恆星形成黑洞的引力坍縮提供了一個富有想像的類比。（引自Thome（1967））
這個類比非常忠實地再現了坍縮恆星的行為：
1.膜的形狀正好就是恆星周圍彎曲空間嵌在嵌人圖中的形狀。
2.信號球在膜上的運動與光子在坍縮恆星的彎曲空間中的運動是完全一樣的。特別是，在膜上的任何靜止螞蟻局部測得的信號球都以光速運動，但剛在15號之前發出的球卻要過很長時間才能逃出來，在宇航員螞蟻看來就像坍縮要凍結了。同樣地，任何人局部測得的從恆星表面發出的光子也以光速運動，但剛在恆星收縮到臨界周長（它的視界）前發出的光子也要過很長時間才能逃出來，在外面的觀察者看來，坍縮必然顯得要凍結了。
3.陷落的螞蟻看不到任何在臨界周長凍結的事情，他們會被無情地吸進臨界周長，擠在一起。類似地，任何在坍縮恆星表面的人也看不到坍縮凍結，他們毫不猶豫地經歷坍縮，被潮汐引力壓得粉碎（第13章）。
用嵌入圖來說，這就是芬克爾斯坦新參照繫帶來的認識。以這種方式思考坍縮就不再有什麼神秘的事情了。坍縮的恆星確實會毫不猶豫地收縮到臨界周長以下，遠處看到的凍結表現是一種錯覺。
螞蟻比喻的嵌入圖只能說明芬克爾斯坦新參照系的部分內容，更進一步的思想表現在圖6.7的坍縮恆星的時空圖上。
到現在為止，我們見過的惟一時空圖是在狹義相對論中遇到的，例如圖1.3。那張圖，我們是用兩種觀點畫的：靜止在帕薩迪納城的慣性參照系（忽略向下的引力）的觀點，圖1.3（c），和固定在帕薩迪納科羅拉多林陰大道上高速奔馳的跑車上的慣性系的觀點，圖1.3（b）。在每幅圖中，我們將選出的參照系的空間畫在水平方向，時間畫在垂直方向。
在圖6.7中，我們選的是芬克爾斯坦的參照系，跟往常一樣，這個參照系的三維空間（「芬克爾斯坦空間」）的二維畫在水平方向上，而從它觀測的時間（「芬克爾斯坦時間」）畫在垂直方向上。因為芬克爾斯坦參照繫在遠離恆星處是靜止的（沒有坍縮），所以在那兒的時間也就是靜止觀察者所經歷的時間；又因為芬克爾斯坦參照繫在恆星附近會隨坍縮的恆星表面向下落，所以在那兒的時間也就是下落的觀察者所經歷的時間。
圖中表現了兩個水平碎片，分別示意特定時刻的兩個空間維，但忽略了空間彎曲，所以它看起來是平直的。更特別的是，包圍恆星中心的周長被忠實地表現在這兩個水平面上，但是半徑（距中心的距離）卻表現不出來；為了同時忠實地表現周長和半徑，我們還得用圖6.2那樣的嵌入圖或者圖6.6的螞蟻的類比。空間曲率那時也會慢慢清楚：周長將小於2π乘以半徑。將水平碎片畫平，是人為抹去了它的曲率。這種錯誤的空間平直化是為了把圖畫明白所付出的代價。代價的收穫是，我們能在單獨的一幅圖中同時看清空間和時間。
圖中最初時刻（底下的水平面），缺了一個空間維的恆星是大圓的內部，假如失去的那一維還在，恆星應該是一個大球的內部。在後來時刻（第二片），恆星收縮了，成了小圓的內部。再後來，恆星通過臨界周長；再後來，它就收縮到零周長，在那兒生成一個奇點，照廣義相對論，恆星在那裡被擠碎了，不存在了。奇點的具體情況我們要到第13章才討論，但應該知道，它完全不同於物理學家從20年代講到50年代的那個「史瓦西奇點」。「史瓦西奇點」是他們對臨界周長和黑洞的誤會的說法；這裡的「奇點」是留在黑洞中心的一樣東西。
黑洞本身是圖中黑色的時空區域，也就是臨界周長（即坍縮恆星未來的表面）以內的區域。黑洞表面（視界）就在臨界周長處。
在圖中還畫了幾個跟著恆星表面的粒子的世界線（穿過時空的軌道）。當我們從圖的下方往上看時（也就是隨時間流逝），會發現這些世界線越來越向恆星中心（圖的中心軸線）靠攏。這個運動體現了恆星隨時間的收縮。
圖6.7 恆星坍縮為黑洞的時空示意圖。用芬克爾斯坦參照系的時間，方向向上。這個參照系的三維空間的二維畫在水平方向上。水平碎片是坍縮的恆星和它生成的黑洞在芬克爾斯坦的特定時刻的二維「快照」，但空間的彎曲被抹平了。
最有意思的是四個光子（光的粒子）的世界線。這些光子類似於螞蟻的信號球。光子A是在恆星開始坍縮的時刻從表面向外發出的（底下的空間片）。隨時間流逝（從圖下往上看）它很輕鬆地越走越遠。光子B是在恆星到達臨界周長前一會兒發出的，要過很長時間才能逃出去；它有點兒像螞蟻發出的14.999號信號球。光子C是在臨界周長處發出的，像15號信號球一樣，它將永遠停留在那兒。光子D從臨界周長內部（黑洞內部）發出，永遠逃不出來，像15.001號信號球一樣，它將被黑洞的強大引力拉進奇點。
圖6.8 根據牛頓物理學定律預言的從臨界周長內部的恆星發出的光微粒（光子）的運動。左：空間圖（同圖3.1）；右：時空圖。
將我們現在對來自坍縮恆星的光的傳播的認識，與18世紀關於從小於臨界周長的恆星發出的光的預言進行對比，是很有意思的。
回想一下（第3章），18世紀末，英國的米歇爾和法國的拉普拉斯用牛頓的引力定律和光微粒預言了黑洞的存在，那些「牛頓黑洞」實際上是周長很小（小於臨界周長）的靜態星體，引力阻止了星體附近的光逃逸出去。
圖6.8的左邊（空間圖，不是時空圖）描繪了這樣一顆在臨界周長內的恆星和從它表面近垂直（徑向）發出的光子（光微粒）的空間軌道。向外飛的光子像扔出去的石塊，會被恆星引力減速、停止，然後落回恆星。
右圖描繪了兩個光子在時空圖中的運動。向上的是牛頓宇宙的時間，向外的是絕對空間。隨時間流過，圓形的恆星掃過一立體柱，在任一時刻（通過圖的水平面），恆星由與左圖相同的圓表示。光子A隨時間向外飛，然後落回來；光子B發出稍晚，但行為是一樣的。
關於臨界周長以下的恆星和它發出的光子，將這個（錯誤的）牛頓觀點與（正確的）相對論觀點（圖6.7）拿來對比是很有好處的。對比說明了牛頓定律和愛因斯坦定律的預言的兩點顯著的差別：
1.牛頓定律（圖6.8）允許小於臨界周長的恆星健全地存在，沒有坍縮，引力的擠壓被內部壓力所平衡。愛因斯坦定律（圖6.7）堅信，當恆星小於臨界周長時，沒有什麼內部壓力能夠抵抗強大的引力擠壓，恆星別無選擇，只有坍縮。
2.牛頓定律預言，從恆星表面發出的光子先可以向外飛得很遠，甚至跑到臨界周長以外，然後被拉回來。愛因斯坦定律要求，任何從臨界周長內部發出的光子總是向越來越小的周長運動。只有在恆星收縮比光子向內運動更快的情況下，這些光子才可能脫離恆星的表面（圖6.7）。
儘管芬克爾斯坦的發現和原子彈的數字模擬完全令惠勒相信大質量恆星的坍縮必然產生黑洞，但坍縮的星體物質的命運在60年代仍然困擾著他，跟他1958年在布魯塞爾遇到奧本海默時一樣。廣義相對論認為，恆星物質在黑洞中心的奇點處會被壓碎而消失（第13章），但這個預言在物理上是不能接受的。在惠勒看來，廣義相對論顯然不能用在黑洞的中心，而該拿新的量子引力定律來取代它，這些新定律一定不會讓恆星被壓得粉碎。惠勒猜測，以他在布魯塞爾闡釋的觀點為基礎，也許新定律能將坍縮物質轉化為輻射，通過量子力學的「隧道」而逃出黑洞散人星際空間。檢驗這個猜想需要更深刻地認識量子力學與廣義相對論的結合，猜想的美妙也在於此。這是發現量子引力新定律的試驗基礎。
作為惠勒60年代初的學生，我認為他的猜想太無理了，物質在奇點轉化成輻射，然後通過隧道脫離黑洞——惠勒怎麼會相信這樣的事情呢？如惠勒所說，量子引力新定律在黑洞中心的奇點當然是重要的，但不是在臨界周長附近。臨界周長是「宏觀領域」的東西，廣義相對論一定是高度精確的；而廣義相對論的定律也是不容爭辯的——沒有什麼東西可以逃出臨界周長。引力把握萬物，所以不會有「量子力學的隧道」（不管它是什麼）讓輻射跑出去，我堅信這一點。
1964和1965年，惠勒和我同哈里森和若野一起寫了一本關於冷死星和星體坍縮的專業書。44惠勒一定要在最後一章寫進他關於輻射可能通過隧道逃出黑洞散入星際空間的猜想，令我很吃驚。為說服他不要在書裡寫這個猜想，最後我打電話向大衛·夏普（David Sharp）求助，他是惠勒的一個博士後。惠勒、大衛和我在三方電話上激烈爭論，最後他終於投降了。
惠勒是對的，大衛和我錯了。10年後，澤爾多維奇和霍金將用新建立起來的廣義相對論與量子力學的部分結合，從數學上證明輻射能夠通過隧道逃出黑洞——儘管很慢很慢（第12章）。換句話說，黑洞會蒸發，不過蒸發很慢。一個黑洞，從恆星坍縮形成到最後消失，所經歷的時間將遠大於我們宇宙現在的年齡。
我們為事物取的名字是很重要的。電影明星的經紀人大概很明白這一點，所以他們把諾瑪·珍尼·貝克爾（Norma Jean Baker）改為瑪麗蓮·夢露（Marilyn Monroe），把貝拉·布拉斯柯（Bela Blasko）改為貝拉·盧戈西（Bela Lugosi）。2物理學家當然也明白。在電影業，一個名字定下一個基調，也就是觀眾評價影星的思想基礎-——如夢露的魅力，盧戈西的恐怖。在物理學中，一個名詞有助於建立認識物理學概念的思想參照系。好的名同會讓人構想出一幅能突出概念最重要性質的認識圖景，從而有助於以某種潛意識的直觀的方式啟發好的研究；壞名詞則會產生阻礙研究的思想障礙。
在從1939年到1958年間，對物理學家們認識恆星坍縮起最大阻礙作用的，也許是他們為臨界周長所取的名字：「史瓦西奇點」。「奇點」一詞會令人想像一個引力無限大的區域，我們知道的物理學定律在這兒失敗了——我們現在認識了，這幅圖景對在黑洞中心的物體來說是正確的，但對臨界周長並不正確。由於這幅圖景，物理學家難以接受奧本海默-斯尼德結論，在坍縮的恆星上通過史瓦西奇點（臨界周長）的人感覺不到無限的引力，也沒看到物理學定律的失敗。
史西奇點（臨界周長）一點兒也不奇異，芬克爾斯坦發現的新參照系讓這一點完全清楚了。他的參照系說明，史瓦西奇點不過是一個位置，事物可能落到它的裡面，卻沒冇什麼能從它裡面跑出來——也就是說，我們在外的人不可能看到它的裡面。芬克爾斯坦的參照系還表明，坍縮的恆星在沉沒到史瓦西奇點以後將繼續存在，就像太陽落到地平線下也仍然存在著。不過，正如我們地球上的人看不到地平線下的太陽，遠離坍縮恆星的觀察者在恆星坍落到史瓦西奇點後，也就看不到它了。這樣的類比激發了50年代康奈爾大學的物理學家林德勒（Wolfgang Rindler），他為史瓦西奇點（臨界周長）取了個新名字，一直叫到現在：他叫它視界（地平線）。
剩下的問題是，恆星坍縮生成的物體該叫什麼？從1958年到1968年，東西方都用過不同的名字：蘇聯物理學家用的名字突出遠離坍縮的天文學家的觀點。回想一下，由於光為了逃脫引力的掌握需克服的巨大困難在遠離坍縮的人看來是永遠存在的，所以恆星表面似乎不會真的到達臨界周長，視界不會真的形成。對天文學家來說（假如他們的望遠鏡真能看到坍縮的恆星），它似乎剛好在臨界周長處凍結了。因此，蘇聯物理學家把坍縮生成的物體稱為凍星——這個名字為他們在60年代的坍縮研究奠定了基調和認識基礎。
相反，西方強調的是運動者的觀點，觀測者隨坍縮的恆星表面下落，通過視界，到達真正的奇點，所以相應地他們將生成的物體稱為坍縮星。這個名字有助於物理學家將精力集中到一點，那是後來惠勒最關心的一點：奇點的本質，量子物理學與時空曲率可能會在這裡結合到一起。
兩個名字都不令人滿意。也沒有人特別關注包圍坍縮星的視界，也就是那個引起人們產生星體「凍結」的光學錯覺的視界。60年代，物理學家的計算逐步揭示了視界的重要性，而惠勒——他比誰都更關心用一個優美的名字——也越來越感到不滿意了。
惠勒喜歡躺在浴缸裡放鬆或躺在床上考慮我們關於事物的名稱。有時為了一個正確的名字他會這樣尋找幾個月。現在他要找一個詞來代替「凍星」和「坍縮星」，在1967年下半年，他終於找到了一個理想的名字。
照他一貫的作風，惠勒沒有去告訴他的同事們說，「我為這些東西找到了一個偉大的新名字，讓我們叫它這……這個吧。」相反，他乾脆自己就用了，好像本來就不存在別的名字，好像大家都同意這個名字。他公開這個命名是1967年晚秋在紐約市舉行的一次脈衝星會議上，然後，12月在美國科學促進會的一個題為「我們的宇宙，已知與未知」的演講中，他又頑強地引用了這個詞。我們沒有在場的人是在演講稿上頭一回碰到這個詞的：「由於下落越來越快，〔坍縮恆星的表面〕將越來越快地離開〔遠處的〕觀察者。光向紅端移動，一毫秒一毫秒地變暗，在不足1秒的時間內，就暗得看不見了……[恆星]像柴郡貓一樣消失了，貓只留下它的笑，3而恆星只留下它的引力。引力，是的，只有引力，沒有光，同樣也沒有出現任何粒子。而且，從外面看，光和粒子是一樣的……[它們]落下黑洞只是為它補充了質量，增強了引力。」45
黑洞是惠勒取的新名字。幾個月內，東西方的相對論物理學家、天體物理學家和普通大眾就熱情採納了——只有一個例外：在法國，詞組trou noir（黑洞）隱含淫穢的意思，被抵制了好多年。
[1] 實際上，包括愛丁頓在內的其他物理學家很早就在其他場合發現了芬克爾斯坦的見解，但他們沒有理解它的意義，很快就把它忘了。41
[2] 盧戈西（1882～1956）是匈牙利出生的美國演員，他以扮演恐怖角色出名，而且恐怖的角色也成了他生活的一部分。——譯者
[3] 這兒說的是《愛麗思漫遊奇境記》（Lewis Carroll著，漢譯本有幾種，最有趣的可能是趙元任先生1969年在美國出版的譯本（商務印書館，1988））第6章的那只柴郡（Cheshire）貓：「這回它慢慢地消失，從尾巴尖兒起，一直到頭上的笑臉。那笑在它全身都消失後還留了好一會兒。」（這儘管是兒童文學名著，但西方科學家也常在科學作品裡引用其中的故事和語言。）——譯者