在二十世紀的六十年代，科學家們又解算出了好多個黑洞的模型，黑洞家族不只是一個史瓦西黑洞了。就在史瓦西解算出第一個黑洞模型後不久，第二個黑洞模型RN黑洞也被解算出來，這是一個帶電的史瓦西黑洞模型，這個黑洞當時並沒有引起人們的重視。在二十世紀六十年代之前，黑洞普遍都沒有引起重視，但是現在這個RN黑洞就給大家出了個難題，那就是裸奇點問題。
圖15-1 火箭靠近黑洞被潮汐力拉長，同時產生引力紅移
讓我們先來回顧一下最簡單不過的史瓦西黑洞，這也是現在科普書籍上講述最多的一個黑洞了。通常的描述是這樣的（圖15-1）：你是觀察者A，開著飛船飛過黑洞，另外一個觀察者B，在遠方看著你；你勇敢地駕駛飛船向著黑洞開過去，隨著你慢慢接近黑洞那黑乎乎的視界，因為超大的質量使得時空彎曲了，你的動作在遠方的觀察者B看起來顯得越來越慢；你自己當然沒感覺到異樣，慢慢地，遠方的觀察者B發現，你的顏色越來越紅了；這是因為大質量天體附近，時間會變慢，光的頻率降低，顏色就會變紅，你的動作也變成了慢鏡頭一般，一切都很緩慢；漸漸地你的身影看不見了，然而拿紅外光攝像機來一看，還能看到你的圖像，因為光的頻率已經降到了紅外波段。再過一會，紅外光也看不到了，拿個天線對著你的方向，好像能收到微波；你身上發出的光線，已經降低到了無線電頻段，最後就啥也收不到了，光子的能量取決於頻率，頻率降低到0，我們就接受不到任何能量了。外部觀察者B看到的你與你自己的感受並不是一回事。
圖15-2 黑洞表面扭曲的光線
你靠近黑洞的視界表面的時候，周圍看到的一切都會扭曲（圖15-2），假如你站在視界表面之上，貼著視界表面發射一束光，這一束光會彎曲，沿著表面轉一圈轉回原點。所以說，黑洞表面是一個分界線，在這裡光都逃不出去。你眼力好的話，可以直接看到自己的後腦勺，後腦勺出發的光，繞著黑洞轉了一圈來到你的眼前被你看到。你也可想而知，周圍的景物又會扭曲成什麼樣子。
你穿越了黑洞的視界面，並沒有啥特別的感覺。你會感覺眼前的景象更加扭曲，一個超大黑洞，並不會有那麼大的潮汐力，你不會立刻被拉成麵條。要是一個恆星級別的黑洞，你不到視界邊緣就已經被扯碎了。超大黑洞反而比小黑洞溫柔得多。但是，研究量子的物理學家們就比較黑心了，他們說視界面後面有一道火牆，你會燒得渣都不剩。相對論物理學家就善良多了，但也不過就是讓你多活一會兒而已。
圖15-3 史瓦西黑洞
在史瓦西黑洞（圖15-3）裡，時空已然倒置了。我們在正常的時空裡面，你壓根看不見時間軸，但是在黑洞裡面，觀察者A到奇點的連線，就是時間軸。時間不停流逝永不回頭，空間變成了一層層的膜，組成洋蔥一樣的結構，我們稱之為「單向膜區」。既然如此，你就無可避免地向奇點飛過去，逐漸被拉成麵條。因為奇點附近時空起伏，可能在拉成麵條的過程中還扭了幾扭，最後，你已經變成了扭曲時空的一部分，為黑洞貢獻了一份質量。或許，你應該盼望著物理法則失效，可能還有生路？也許吧！反正外部觀察者B是再也不會見到你了，開個追悼會還是有必要的，你將永遠活在我們心中。
這就是你掉進史瓦西黑洞以後的情景，對於外部觀察者來講，你很悲催地消失了。史瓦西黑洞僅有一個參數，那就是質量，它既不旋轉也不帶電。可是RN黑洞那就不一樣了，這傢伙居然有兩層視界面：一個叫外視界面，一個叫內視界面。你要是掉進了RN黑洞，那麼外界的觀察者B看不到啥差別，反正給你默哀就是了。
你進去了，你也很絕望，但是向裡飛了一段時間，你又覺得不對勁了。此時你已經穿過內視界面來到黑洞的最裡面，這個RN黑洞（圖15-4）和史瓦西黑洞不同，RN黑洞的內部有一個正常的時空，外邊是單向膜區，裡面核心部分是正常的時空。你要是帶的燃料足夠，多帶乾糧多帶水的話，或許一時半會兒還死不了，但是你也就別想著能出去了。你不想活了，一頭撞向奇點，但是你會發現，一股斥力推著你，死活不讓你靠近，想撞也撞不上去。過一會你發現事情不對勁了，時間似乎循環了。簡而言之，你走了一個「閉合類時線」。
圖15-4 帶電的RN黑洞
假如我們在宇宙中飄蕩，只是受到引力的作用，那麼我們在四維時空裡畫出來的就是一根漂亮的測地線。這個測地線的概念，我們在以前講述過：我們這種靜態質量大於0的物體，速度超不過光速，我們畫出來的測地線，簡稱叫「類時線」。「閉合類時線」的含義就很值得玩味。
圖15-5 四維時空的閉合曲線
打個比方吧，你早上八點鐘從家裡出發，上午十點鐘先到了張莊，然後往下一站李莊進發。下午十四點來到了李莊，然後再往下一站馬家河子進發。下午十六點，來到了馬家河子。你並沒有走回頭路，繼續向前進發，你會發現你居然走回了原來的出發點——自己家裡。不但空間上回到了原來的出發點，時間上也回到了出發點——今天早上八點鐘。你在四維時空裡面走了一條閉合曲線（圖15-5）。
四維時空出現閉合曲線，一切因果律都完蛋了，因為分不出時間的先後，誰是因誰是果也就分不清了。你從家裡出門的時候帶著個雞蛋，走到馬家河子的時候不小心打碎了，可是你繼續向前走卻莫名其妙的走回了早上八點鐘的出發點——你家，矛盾就出現了：早上八點鐘的時候，這個雞蛋還沒有打破，後來在路上你不小心打破了雞蛋，現在又回到了早上八點鐘的家裡，雞蛋是破的還是完好的呢？邏輯已經出問題了。裸奇點附近就存在這樣的「閉合類時線」，也就是那個哥德爾相應愛因斯坦號召投身相對論計算以後整出來的奇葩玩意。因果律要是完蛋，那麼物理學法則也就不存在了。彭羅斯在解釋這一現象的時候，把心一狠，下了一個斷言，他說：RN黑洞內部似乎會有那麼一個正常時空的空腔，但是不穩定，很可能就塌了。說到底，就是為了消滅這個閉合類時線，堅決不能讓它出現。
RN黑洞為什麼內部會有個空腔呢？因為RN黑洞是帶電的黑洞，電荷與質量的比值越大，那麼空腔就越大，到達一定程度，內外兩層視界面就貼在一起了。單向膜區厚度為0，這種黑洞被稱為極端黑洞，要是荷質比再大。單向膜區就不存在了，內外兩層視界面就消失了，奇點就徹底裸露出來了。天哪！包在黑洞裡面，我們還可以眼不見心不煩。現在明目張膽跑出來還了得！於是彭羅斯又下了個斷言：必定有條物理學定律是會防止裸奇點跑出來的，這就是「宇宙監督者假設」，可能就是熱力學第三定律。
到了六十年代，又有一種黑洞類型被計算出來，這就是克爾黑洞。克爾黑洞是個旋轉的黑洞，當然是以計算者的名字來命名的。靜態的史瓦西黑洞和帶電的RN黑洞都很早就被算出來了，然而旋轉黑洞卻難了物理學家們幾十年，克爾能搞定這個計算是非常不容易的。有一次在天文學家、天體物理學家和理論物理學家們的交流活動上，克爾講解了他的計算，底下睡倒一大片，還有不少人離席走掉了。剩下一堆人在交頭接耳小聲聊著其他事情，說白了，他們也聽不懂。一個禮拜下來，每天早上開會，後半夜才結束，鐵人也受不了啊。相對論的權威一致盛讚克爾的工作很傑出，他們搞了三十年也沒搞定，現在終於被克爾搞定了。到後來，那些走掉的天文學家不得不惡補克爾的計算過程，因為他們發現了星系中心的巨大噴流。
在克爾的基礎上可以計算旋轉帶電黑洞了，科學家們三下五除二就計算出來一個旋轉帶電的黑洞，叫做克爾-紐曼黑洞。這兩個黑洞大同小異，我們就來講講這種旋轉的黑洞（圖15-6）有啥神奇。
圖15-6 旋轉的黑洞
首先，旋轉的黑洞是個扁球，不是圓的，因為一旋轉，赤道就鼓起來了。第二是無限紅移面跟外視界分離了，無限紅移面在赤道鼓出去一塊。第三是內部有個沙漏狀的內無限紅移面，裡面是正常時空，內外兩個視界面之間是單向膜區，這個沙漏的喉部有個奇環，而不是奇點。在無限紅移面和外視界面之間，有個非常神奇的能層，為什麼叫能層呢？這還是彭羅斯的發現。我們先來看看你進了能層以後，會發生什麼現象。假如你開著飛船飛進去，我們大家在外邊拿望遠鏡看著你，你對準無限紅移面飛過去，我們只感到你的顏色越來越紅，最後越來越暗，最後看不到你了。無限紅移面嘛，光波的波長會趨向無限大，頻率為0，光子已經沒了能量，我們也看不到了。
你進去了以後也沒打算能夠活著回來，事情不湊巧，你的飛船出問題了，有一大塊零件掉了下來，掉進了黑洞，這時候你感到一股強大的動力把你從能層裡面給踢出來了。我們大家還在外面為你祈禱呢，就見你的飛船一溜煙地彈出了能層，飛離了黑洞範圍，居然比飛進去的時候速度還快。外邊的吃瓜群眾齊聲驚呼：「哇！又升仙啦！」
你怎麼會被扔出來呢？這個問題還要彭羅斯來搞定。彭羅斯首先提出了一個「彭羅斯過程」，需要理解一個概念叫「負能通道」，我們此處描述的「負能量」，並非是指人的消極情緒，而是物理學上真實的「負能量」。平常扔出一個球，這個球是具有動能的，不管你怎麼扔這個球，這個球擁有的能量總是正的，中學物理課就學過了，動能是1/2mv2，就因為這個平方，能量總是正的。
但是在克爾黑洞的能層裡就不是這麼回事了，因為空間本身被黑洞拖拽著高速旋轉，在這種扭曲的時空裡面，存在著特殊軌跡，只要你按照這個軌跡扔磚頭，這個磚頭的動能居然是負的！按照本宇宙的基本規則——「出來混總是要還的」，能量守恆定律總是一定要遵守。一個物體分裂成兩半，一半帶有負能量，另一半必定能量增加，加起來總能量才會守恆，飛船掉進克爾黑洞的能層會被彈出來，道理就是如此。一個帶著負能量的碎塊，掉進了黑洞裡面，整個黑洞的轉動動能就減小了，但是黑洞也不算虧本啊，一大塊物質掉進了它的肚子裡，質量增加了。這就有點類似於互聯網經濟鏈：羊毛出在豬身上，最後由狗來埋單。所以無限紅移面和視界面的夾層叫做能層，這裡面有能量可以提取出來，如果能量全都提取光了，克爾黑洞將退化成一個標準的史瓦西黑洞。但是這個能層也不是可以無限提取的，大概提取個三成就不錯了。
如果你沒有及時扔出個碎塊，那麼你肯定會掉進克爾黑洞的視界裡，然後一如既往進入單向膜區。反正鑽黑洞，你也不是一回兩回了，單向膜區也已經是輕車熟路，不被拉成麵條就是萬幸，至於拉成蘭州風格的還是意大利風格的，要看黑洞內部的穩定性。穿過單向膜區，通過內視界面、內無限紅移面，一直到了奇環跟前。這裡面是正常的閔可夫斯基時空，人可以存活，你發現這個奇環很有趣，迫不及待想鑽過去試試。結果發現，就像機器貓的任意門一樣，正面進去，並沒有從背面出來，而是被傳送到了另一個宇宙，這個宇宙是以斥力為特徵的非常奇怪的宇宙。當然了，黑洞內部的空間拓撲結構是非常混亂的，你千萬別指望著能在裡面看到這一切穩定地存在下去，見到奇環還是千萬別亂鑽，萬一不穩定，通道被掐死，你就危險了。物理學家們的詞兒聽起來學術味十足，稱作「法矢量倒在表面上」，說白了就是你回不來了。
鑒於黑洞內部太過凶險，所以還是不要進去的好。能層並不屬於黑洞內部，偶爾去玩耍一趟也還湊合。彭羅斯過程一被提出，立刻有人跟進，他們發現，飛船會被彈出來，那麼粒子束行不行呢？要是一束光行不行呢？後來發現也可以，朝著能層射進去的一束波，結果射出來的比射進去的還強，好像有個放大器一樣，這個現象叫做「米斯納超輻射」。顧名思義，這是一個叫做米斯納的美國科學家提出的，他跟惠勒還一起合作過論文。這個研究方向又提供了一個刷論文的好題材，你針對光子做個論文，那好，我挑選一個別的什麼粒子再寫一篇，一群人撲進去，什麼粒子都被拿出來研究一下超輻射的問題。通過超輻射，的確是可以把克爾黑洞的能量不斷地提取出來。後來，斯塔魯賓斯基和安魯又有了新發現：即便你不去惹它，這個克爾黑洞自己也不老實，也會自發地輻射出粒子，過去認為黑洞是一顆死亡的星，現在看，起碼克爾黑洞還會活動，還會變化，就好比是個殭屍，說是死了，其實還在蹦躂。
克爾黑洞算是「殭屍」，那史瓦西黑洞呢？到二十世紀七十年代之前，大家仍然認為史瓦西黑洞屬於真的死透了的天體。但是，理論物理是個常常刷新人類三觀的領域，突然一個爆炸性消息傳來，史瓦西黑洞「詐屍」了！
這事是誰幹的呢？他就是科學史上的大明星之一——霍金。霍金那時候身體已經全部癱瘓，身體能動的部分只剩下手指，但是他的天才依然在閃爍著光芒。憑此成果，霍金一舉奠定了自己的江湖地位。
通過黑洞的「三毛定理」，人們似乎搞清楚了黑洞到底是個什麼玩意，這前後花了十幾年的時間。黑洞不就是那麼一個光都跑不出來的東西嘛！科學家們也都約定俗成，從來沒人想過給黑洞下個定義，黑洞到底是什麼呢？大部分人都沒覺得這是個問題，然而霍金對此可沒有放過。原來對黑洞的描述太依賴於觀察者，這樣的定義，並不有利於計算。於是霍金提了個新的定義：他認為一塊區域，如果其中發生的事件永遠與無窮遠處無法發生因果聯繫，那麼這塊區域就是黑洞。黑洞的表面，就是事件的邊界，裡面發生什麼，外界都別想知道，因此史瓦西半徑球面，也就稱為「事件視界」。
霍金據此推算出了一個「面積定理」。黑洞「視界事件」的表面積只增加不減少，比如兩個黑洞要是合併的話，那是沒有問題的，因為總表面積會增大，但是一個黑洞一定沒有辦法拆成兩個獨立的黑洞，因為總表面積會比原來小。總之，黑洞表面積是只增不減的。
1972年，在阿爾卑斯山的一個研討班裡，一幫物理學家在一起研究問題，惠勒的學生，霍金的好朋友基普索恩也參加了。他後來回憶，他在和別人討論的問題是假如黑洞吸收了大量氣體，這些氣體是否會激發很強的x射線。還有人在討論旋轉的黑洞遇到微擾是不是穩定的問題。巴丁、卡特和霍金在一起討論黑洞定律。
他們三個很快就有了成果，提出了四個定律：
1．第零定理：黑洞的表面引力是常數（黑洞表面引力，處處相等）；
2．第一定律：穩態軸對稱黑洞滿足dM＝k/8π dA＋ΩdJ＋VdQ（自然單位制）其中，M，k，A，Ω，J，V，Q分別為質量（能量），表面引力，表面積，轉動角速度，角動量，表面靜電勢，電荷；
3．第二定律：黑洞的表面積只增加不減少；
4．第三定律：不可能通過有限次操作，把黑洞的表面引力降成0；
當時已經有不少人開始疑惑，這四個定理看著特別眼熟啊，跟熱力學定律簡直是一個模子刻出來的。熱力學定律是這麼描述的：
1．第零定律：若兩系統分別與一系統處於熱平衡態，則這兩個系統之間處於熱平衡態（熱平衡以後，溫度處處相等）；
2．第一定律：能量守恆定律；
3．第二定律：熵增定律，絕熱系的熵只增不減；
4．第三定律：不可能通過有限次操作把一個物體的溫度降到絕對0度。
這簡直太像了！黑洞這個表面引力，假如跟熱力學公式對比的話，很像是溫度啊。普林斯頓的貝肯斯坦就坐不住了，那時候他只有二十來歲，銳氣正盛。他發覺，物理學的過程一般都是可逆的，不可逆的過程只有一個熵。根據熱力學第二定律，絕熱系裡面的總熵只增加不減少，不論過程究竟發生什麼，一杯熱水，慢慢地變冷，其實是熱量從水裡流向了周圍的空氣，熱量擴散了，擴散以後，總的熵是增加的。貝肯斯坦懷疑，這個黑洞的表面積跟熵是有關係的，他就跟他的導師惠勒討論這個問題，惠勒也很支持他的想法。惠勒啟發自己的學生，一杯很熱的開水，扔進黑洞裡面，啥都沒了，整個宇宙裡，平白無故的，這一杯水所含的熵沒了，總熵不就減少了嗎？這不是違反熱力學第二定律的嗎？貝肯斯坦說對啊！這不可能的。雖然那杯開水的熵沒了，但是黑洞因為吃了這杯熱水，表面積增加了。假如黑洞的表面積就是熵，那麼這一切就都說得通了。整個宇宙的熵，並沒有減少，一杯熱水的熵，換來了黑洞的表面積增加。
當然，貝肯斯坦也不會直截了當地用類比的辦法推導，還是選擇了通過量子效應來計算。他的論文一發表，大多數科學家是不支持的，只有老師惠勒支持。不得不說，這師徒倆的膽子的確很大，你想啊！敢往別人椅子腿上綁鞭炮的老頑童，怎麼可能是安分守己的省油燈呢？
霍金認為貝肯斯坦的想法是有問題的，把黑洞定理和熱力學定律類比的話會出現麻煩。黑洞什麼東西都吸，那麼應該是個絕對零度的玩意，熵會無限大。假如拿個小盒子裝一個光子慢慢放到黑洞表面上，然後打開盒子光子飛進黑洞，光子發生無限紅移，頻率降低為0，能量也為0。按理說黑洞什麼都沒吃到，表面積不增加。另外一方面，光子包含的信息可是跑進去了，這怎麼算啊？信息與熵可是相關的，這樣會出現矛盾。霍金他們幾個人組隊寫論文反駁了貝肯斯坦的想法，霍金認為，黑洞定理和熱力學定律只是長得相似，實質上不是一回事。
研究相對論的時候考慮量子效應的，貝肯斯坦並不是第一個，很多人都在想法子統一量子力學和廣義相對論。愛因斯坦後半輩子都在尋找統一場理論，但是沒有什麼結果，畢竟微觀世界的遊戲規則與宏觀宇宙相差太遠。但是在具體計算的時候，考慮一下某些量子效應還是可以做到，至於如何結合，家家都有自己的辦法。霍金跟蘇聯人交流了一下，斯塔魯賓斯基和澤爾多維奇正在研究旋轉黑洞的自發輻射，霍金覺得蘇聯人還是做得粗糙了一點，他可以做得比蘇聯人更好。當時的劍橋已經成了一個黑洞研究的中心，霍金他們使用的工具叫做「彎曲時空量子場論」。既然引力場沒有辦法量子化，與量子力學徹底融合，那麼退而求其次，把彎曲時空和量子結合起來進行計算。萬有引力無法量子化，那麼繼續按照彎曲時空去進行處理，不考慮量子引力效應，也不考慮量子場對彎曲時空的影響。所以這個學科現在不太熱門，現在大家偏愛那種能夠大一統的理論，比如「弦理論」。但是在二十世紀七十年代，彎曲時空量子場論在霍金他們一干人等的手裡放出了異樣的光彩。
霍金髮現貝肯斯坦是對的，他以前的認識有錯誤。黑洞的確與熱力學有關係，黑洞有溫度，會發出輻射，即便是過去認為死透了的史瓦西黑洞也照樣會發出輻射，我們可以說：史瓦西黑洞一直在「詐屍」。論文一發表，物理學界立刻震動，霍金的江湖地位由此奠定。夏瑪老師看過以後，他評價：霍金憑此成就，足可以成為二十世紀最偉大的理論物理學家之一。霍金已經進入了頂尖人物的行列，況且他還是在病情日益加重的情況下達到這些成就的。
霍金認為，旋轉黑洞會不斷地輻射出各種粒子，能層會不斷地癟下去，最後完全退化成一個史瓦西黑洞。史瓦西黑洞仍然會持續輻射出粒子，逐漸減少質量，最後越來越小。黑洞是個標準的黑體，它發出的輻射是標準的黑體輻射，它的表面積就是熵。那麼只吃不吐的黑洞是怎麼會發射出輻射的呢？照理說，黑洞內部的任何東西都是出不來的呀！那就要從霍金的師爺狄拉克說起了。
狄拉克提出了一個真空不空的理論。我們以為真空裡面空無一物，什麼都沒有，其實不然，真空是有著劇烈活動的。一對對的虛粒子對不斷地產生，然後又迅速相互泯滅。總體看來，一個正粒子，一個反粒子相互抵消等於0。宏觀上的確是啥都沒有，但是瞬時並非如此，真空是處於沸騰的量子泡沫之中的，在普通的時空裡面，正反粒子總是相互抵消。但是到了黑洞的視界附近可就不是這樣了，瞬間產生一對虛粒子，一正一反都沒掉進黑洞裡，那麼就相互抵消了，與普通的情況沒什麼差別，假如一對虛粒子同時掉進去，那我們什麼也看不到，就當沒這回事。假如負粒子掉進去，正粒子沒掉進去，那麼負粒子永遠也碰不到正粒子了，兩者無法互相抵消，成對的平衡狀況就打破了。正粒子看上去就像被黑洞輻射出來一樣，掉進去那個負粒子，使得黑洞減少了一份能量，總質量下降了。這個過程不斷地出現，黑洞也就不斷的減肥，最後蒸發乾淨。
黑洞還有個奇怪的特性，那就是比熱為負數。在日常生活中，物體的比熱總是正的，吸熱以後，溫度變高，然後逐漸與環境溫度一致，大家進入熱平衡狀態。黑洞可不是這樣，吸熱以後，溫度反而下降；放熱以後，溫度上升，越上升輻射越厲害，輻射越厲害，溫度就越高，最後惡性循環，一直到炸掉為止。越小的黑洞壽命越短，越大的壽命就越長，要麼不斷長胖，要麼不斷地萎縮，穩定不變是不可能的。
霍金輻射帶給物理學界很大的啟示，質量居然與溫度有相關，引力居然與熱力學有聯繫，大大出乎物理學家們的預料，而且還透著一絲絲的詭異。黑洞熵居然是與面積成正比，而不是與體積成正比。一些科學家陷入了深深的思考之中，難道時空是二維的？其他維度只是幻象？細細想來，極其恐怖……
先不說「細思極恐」的話，霍金的理論一發表，研究相對論的學者都喜大普奔，研究量子力學的差點哭暈在廁所，因為霍金輻射打破了好多守恆，比如重子數守恆、信息守恆等等，尤其是信息守恆完蛋了！你能想像嗎？扔了半天硬幣，出現正面的概率和出現反面的概率加起來不等於1。這麼一搞，正性不就完蛋了。過去雖然也不知道掉進黑洞的那些信息怎麼樣了，大伙還是可以安慰自己一下，說不定信息以某種形式在黑洞裡面藏著呢，這倒好，蒸發沒了！信息徹底被抹光了！黑洞輻射是個標準的黑體輻射，你只能知道溫度，不帶其他任何信息。扔進黑洞的那些信息，完全都消失了，從量子力學角度看來是不可能的！量子理論告訴我們，信息只會被擾亂，不會被消滅，信息總數總是守恆的，哪怕像過去地下黨傳遞情報，一張字條看完以後立刻燒了，那也只是擾亂了信息，信息總數還是守恆的。量子力學整個是建立在信息守恆基礎上的，現在信息守恆被黑洞給蒸發給破壞了，搞量子的科學家們能不急眼嗎？