20世纪初，丹麦人赫兹普隆和美国人罗素根据恒星的光学谱和亮度，把观察到的恒星排列在一张图上。这种图被称为赫罗图。50年代以来，天文学家们以赫罗图为基础，认为恒星一生经历了星云、星胚、主序星、红巨星等演化过程，最后，红巨星变成“铁心”的天体。如果一个恒星铁核的质量小于1.44个太阳，它将最终变为白矮星；如果恒星铁核在1.44-2.0个太阳质量之间，最后变成中子星；如果恒星铁核质量在2个太阳以上，最后成为黑洞。
根据奥本海默在1939年的说法，大质量天体坍缩到某一临界体积时，会形成一个封闭的边界，强大的引力使界外的物质和辐射只能进入，不能逸出，消失在黑暗中，这便是所谓黑洞。黑洞的理论是优美的，但我们目前还无法观察到孤独的黑洞。对黑洞的认识，可能会给人类的物质观、运动观带来巨大的变革。有人认为，黑洞中可能既没有空间，也没有时间，那里存在时空隧道，是进行星际飞行的走廊。
黑洞，是人们对宇宙空间一个区域的形象称呼。如果宇宙中确实存在黑洞的话，那才是名副其实的黑洞，不但物体掉进去会消失得无影无踪，而且就连光也休想从那里逃逸出来，就像一个饥饿的无底洞，永远也填不饱。因此有人又称它为“星坟”。
追溯起来，黑洞概念并不是新的，法国著名的数学家拉普拉斯早在1789年就已经预言过了。他认为，假如有一个天体，它的密度或质量达到一定的限度，我们就会看不到它了。因为光没有能力逃离开它的表面，也就是说，光无法到达我们这里。不过黑洞引起科学家普遍关注的，还是在爱因斯坦广义相对论公布之后。人们根据爱因斯坦的理论，就黑洞存在的条件及形成原因等问题进行了探索。直到1965年测到的一束来自白天鹅星座的X射线，才真正打开了人们探测黑洞的大门。这一奇特的天体，被当时的天文学家命名为“天鹅座1”。经研究证实这是一个明亮的蓝色星体，它还有一颗看不见的伴星，质量要比太阳大20倍。又过了几年，科学家根据“天鹅座1”发射出来的强射线，找到了编号为HDE226868的星体，它就是X射线的射线源。这是一个巨大无比的星体，质量为太阳的30倍，它围绕另一颗星高速运转。后经研究认为，X射线不是从HDE226868上发射的，而是由绕它运行的伴星上发射的，通过计算，这颗伴星质量是太阳的8倍，但看不到它的位置。到目前为止，这是黑洞最理想的候选者。
时至今日，虽然黑洞还没有被真正捕捉到，但人们对黑洞的存在却是确信无疑的，也许一些星团的中心就是黑洞，大概银河系中心就是一个大质量的黑洞。除了大黑洞之外，很可能还存在比小行星还要小的黑洞。甚至还有人认为地球上也存在黑洞。这些还都属于假说，总有一天，人们会揭开黑洞的神秘面纱。
1.天上饕餮：吞噬一切的黑洞
在人类社会中，有些人过着隐士般的生活，喜欢独居，希望别人不要过多地探询有关他们的事情。
宇宙中也有这样的隐居者。黑洞——天空中大多数大质量恒星的最终演化产物，一个超致密天体——就是宇宙中的神秘隐士。这些宇宙隐士被保护在秘密掩体内，有关它们的信息一点都透露不出来。
“黑洞”这个名词是普林斯顿大学的物理学家惠勒在1968年发表的一篇题为《我们的宇宙，已知的和未知的》的文章中首先提出来的。惠勒不愿意用“引力坍缩物体”这样的名词，希望创造一个较简洁、概括性好的词汇，他认为“黑洞”一词响亮，有号召力。
黑洞是在一特殊的大质量超巨星坍缩时产生的。黑洞产生的过程类似于中子星产生的过程：位于恒星中心的铁核在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。在中子星情况下，当核心中所有的物质都变成中子时坍缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使坍缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想像的物质。
在如此密实的黑洞中隐匿着巨大的引力场，这种引力大到使任何东西，包括光，都不能从黑洞逃逸出去。这就是这种物体被称作“黑洞”的缘故。黑洞不让在其边界以内的任何事物被外界看见。
为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出其边界，我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的成功的引力学说，适用于行星、恒星，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（合起来叫作时空）是怎样因大质量物体的存在而畸变了的。简言之，广义相对论说物质弯曲了空间，而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动（在科幻小说和影片中普遍使用的“空间翘曲”一词就是对比原理的表达。
让我们看一看爱因斯坦是怎样工作的。首先，考虑时间（空间的三维是长、宽和高）是现实世界中的第四维（难于在平常的三个方向之外再画出一个方向，但让我们尽力去想像）。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。我们不妨在弹簧床面上放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，虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的，但其中央稍有下凹。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。事实上，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将使宇宙结构受到畸变。正如10块石头比1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一个或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。
如果一个网球在一张完全绷紧了的平坦的弹簧床面上滚动，它将沿一直线路径前进。反之，如果将它送到绕经一个下凹的地方，则它将沿一弧形路径前进。同理，天体穿行于时空的平坦区域（较少的重物质）时继续沿直线路径前进，而那些穿越弯曲区域（有较多重物质）的天体将沿弯曲的轨迹前进。
现在再来看看黑洞对于其周围时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的圆石头代表这一超密的黑洞，自然，这将大大地影响床面，不仅其表面要弯曲下陷，还将断裂。类似的情形将在宇宙中出现，若宇宙中某处存在有黑洞，则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂称作时空的奇异性或奇点。
现在我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球，将掉进由大圆石头造成的洞那样，一个经过黑洞近旁空间的物体也将被其陡峭的引力陷阱所捕获。
你能向黑洞靠得多近而不被它永远地抓住呢？答案是相当近。被黑洞吸入不能再返回的那一点叫作黑洞的视界，它是距黑洞中心一定距离叫做史瓦西半径的一个球壳。此半径的长短只与黑洞的质量有关。例如，一个太阳质量的黑洞其史瓦西半径不到3公里，只要离开其中心3公里以外，就没有危险，从黑洞旁边走过去不会被抓住。
一旦你进入了视界，便逃脱不了被黑洞擒获的命运——你将一直下落到时空奇点所在处——黑洞的中心，不过几分之一秒的一瞬间，你就会被那里无穷大的引力弄得粉身碎骨。
我们已经说过，没有任何进入黑洞的东西能再逃离它，但科学家们却认为黑洞会缓慢地释放其能量。这是怎么一回事呢？著名的英国物理学家霍金（StephenHawking）在1974年证明黑洞有一个不为零的温度，比深空的温度要高一些。一切比其周围较温暖的物体都要释放出热量，黑洞也不例外，一个典型的黑洞将在几百万万亿（1018）年内蒸发光（释放出它全部的能量）。黑洞释放能量有个恰当的名称：霍金辐射。
“黑洞”这个词虽然是公众最熟悉的天文名称之一，但并不能因此就认为对黑洞的存在已无争议了。在一个较长时间里，黑洞只被认为是一个假想的物体和数学的构思，被看成是比较难的大学生练习题稍难一点的东西。
但近年来，关于在空间存在着黑洞的证据越来越多。这些证明不是直接的——黑洞终究是看不见的——而是通过物质落进黑洞的视界后发出的辐射间接得知的。用这种方法探测黑洞，就好像通过观察火焰的影子，发现炉灶中燃烧着的炭块一样。
天文学家们几年前就猜测位于室女座星系团内，距离我们约5000多万光年的星系M87（1764年，法国天文学家梅西耶编制的星云和星团的星表中的第87号天体。）的中心有巨大黑洞。1994年夏天，HST获得了该星系中心存在着超大质量黑洞的可靠证据。空间望远镜上的广视场照相机摄取的照片表明在M87的中心附近有大量发光的气体以非常大的速度运动着。计算表明，M87具有这样大的运动速度的原因，是由于存在着一个被压缩在几千亿公里大小区域里的20亿倍太阳质量的致密物质。而如此巨大的物质密度强烈地表明M87的核心确实隐匿着一个超大质量黑洞。
许多理论工作者都认为银河系的中心也隐藏着一个超大质量黑洞，但至今还未像M87那样获得较确凿的证据。科学家们希望HST能帮助解决这一问题。
2.黑洞与量子力学
20世纪的最初30年出现了三种理论，它们强烈地改变人们对物理和实在本身的观点。这三种理论是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1915年）以及量子力学理论（大约1926年）。阿尔伯特·爱因斯坦是第一种理论的主要创建者，是第二种理论的单独创建者，并且在第三种理论的发展中起过重要的作用。因为量子力学具有随机的和不可确定性的因素，所以爱因斯坦从未接受它。他的态度可用他经常被引用的“上帝不玩弄骰子”的陈述来总结。然而，由于不管是狭 义相对论还是量子力学都能够描述可被直接观察的效应，所以绝大多数物理学家欣然同意，接受它们。而另一方面，由于广义相对论似乎在数学上过于复杂，不能在实验室中得到检验，而且是似乎不能和量子力学相协调的纯粹经典的理论，所以它在大部分场合没有受到理会。这样，在几乎半个世纪的岁月里，广义相对论一直处于沉闷的状态。
从20世纪60年代初开始的天文观测的伟大扩展，发现了许多新现象，诸如类星体、脉冲星和紧致的X射线源。这一切表明非常强大的引力场的存在，这种引力场只能由广义相对论来描述，所以对广义相对论的经典理论的兴趣又被重新唤起。类星体是和恒星相似的物体，如果它们处于由它们的光谱的红化所标志的那么遥远的地方，则必须比整个星系还要亮好几倍。脉冲星是超新星爆发后快速闪耀的残余物，它被认为是超密度的中子星。紧致的X射线源是由外空飞行器上的仪器所揭示的，也可能还是中子星或者是具有更高密度的假想的物体，也就是黑洞。
物理学家在把广义相对论应用到这些新发现的或者假想的物体时，所要面临的一个问题是，要使它和量子力学相协调。在过去的几年中有了一些发展，使人们产生了一些希望，也就是不必等太久的时间我们将获得一种完全协调的量子引力论，这种理论对于宏观物体和广义相对论相一致，而且可望避免那种长期折磨其他量子场论的数学上的无穷大。这些发展就是最近发现的和黑洞相关的某些量子效应，它们为在黑洞和热力学定律之间提供了令人注目的联结。
华盛顿大学的詹姆斯·巴丁，现在任职于莫尔顿天文台的布兰登·卡特和霍金，推广了黑洞性质和热力学定律之间的相似性。热力学第一定律说，一个系统的熵的微小改变是伴随着该系统的能量的成比例的改变。这个比例因子被称作系统的温度。巴丁·卡特和霍金发现了把黑洞质量改变和事件视界面积改变相联系的一个类似的定律。这里的比例常数牵涉到称为表面引力的一个量，它是引力场在事件视界的强度的测度。如果人们接受事件视界的面积和熵相类似，那么表面引力似乎就和温度相类似。可以证明，在事件视界上所有点的表面引力都是相等的，正如同处于热平衡的物体上的所有地方具有相同的温度。这个事实更加强了这种类比。
虽然在熵和事件视界面积之间很明显地存在着相似性，对于我们来说，如何把面积认定为黑洞的熵仍然不是显然的。黑洞的熵是什么含义呢？1972年雅各布·柏肯斯坦提出了关键的建议。他那时是普林斯顿大学的一名研究生，现在任职于以色列的涅吉夫大学。可以这么进行论证。由于引力坍缩而形成一颗黑洞，这颗黑洞迅速地趋向于一种稳定状态，这种状态只由三个参数来表征：质量、角动量和电荷。这个结论即是著名的“黑洞无毛定理”。它是由卡特、阿尔伯特大学的外奈·伊斯雷尔、伦敦国王学院的大卫。C。罗宾逊和霍金共同证明的。
无毛定理表明，在引力坍缩中大量的信息被损失了。例如，最后的黑洞和坍缩物体是否由物质或者反物质组成，以及它在形状上是球形的还是高度不规则的都没有关系。换言之，一颗给定质量、角动量以及电荷的黑洞可由物质的大量不同形态中的任何一种坍缩形成。的确，如果忽略量子效应的话，由于黑洞可由无限大数目的具有无限小质量的粒子云的坍缩形成，所以形态的数目是无限的。
然而，量子力学的不确定性原理表明，一颗质量为m的粒子的行为正像一束波长为h/mc的波，这里h是普朗克常数（一个值为6.62×10-27尔格·秒的小数），而C是光速。为了使一堆粒子云能够坍缩形成一颗黑洞，该波长似乎必须比它所形成黑洞的尺度更小。这样，能够形成给定质量、角动量和电荷的黑洞的形态数目虽然非常巨大，却可以是有限的。柏肯斯坦建议说，人们可把这个数的对数解释成黑洞的熵。这个数目的对数是在黑洞诞生时在通过事件视界坍缩之际的不可挽回的信息丧失的量的测度。
柏肯斯坦的建议中有一个致命的毛病，如果黑洞具有和它的事件视界面积成比例的熵，它就还应该具有有限的温度，该温度必须和它的表面引力成比例。这就意味着黑洞能和具有不为零温度的热辐射处于平衡。然而，根据经典概念，黑洞会吸收落到它上面的任何热辐射，而不能发射任何东西作为回报，所以这样的平衡是不可能的。
直到1974年初，当霍金根据量子力学研究物质在黑洞邻近的行为时，这个迷惑才得到解决，他非常惊讶地发现，黑洞似乎以恒定的速率发射出粒子。正如那时候的任何其他人一样，他接受黑洞不能发射任何东西的正统说法。所以他花了相当大的努力试图摆脱这个令人难堪的效应。它拒不退却，所以他最终只好接受了它。最后使霍金信服它是一个真正的物理过程的是，飞出的粒子具有准确的热谱，黑洞正如同通常的热体那样产生和发射粒子，这热体的温度和黑洞的表面引力成比例并且和质量成反比。这就使得柏肯斯坦关于黑洞具有有限的熵的建议完全协调，因为它意味着能以某个不为零的温度处于热平衡。
从此以后，其他许多人用各种不同的方法确证了黑洞能热发射的数学证据。以下便是理解这种辐射的一种方法。量子力学表明，整个空间充满了“虚的”粒子反粒子对，它们不断地成对产生、分开，然而又聚到一块并互相湮灭。因为这些粒子不像“实的”粒子那样，不能用粒子加速器直接观测到，所以被称作虚的。尽管如此，可以测量到它们的间接效应。由它们在受激氢原子发射的光谱上产生的很小位移（蓝姆位移）证实了虚粒子的存在。现在，在黑洞存在的情形，虚粒子对中的一个成员可以落到黑洞中去，留下来的另一个成员就失去可以与之相湮灭的配偶。这被背弃的粒子或者反粒子，可以跟随其配偶落到黑洞中去，但是它也可以逃逸到无穷远去，在那里作为从黑洞发射出的辐射而出现。
另一种看待这个过程的方法是，把落到黑洞中去的粒子对的成员，譬如讲反粒子，考虑成真正地在向时间的过去方向旅行的一颗粒子。这样，这颗落入黑洞的反粒子可被认为是从黑洞跑出来但向时间过去旅行的一颗粒子。当该粒子到达原先该粒子反粒子对产生的地方，它就被引力场散射，这样就使它在时间前进的方向旅行。
因此，量子力学允许粒子从黑洞中逃逸出来，而经典力学却不允许。然而，在原子和核子物理学中存在许多其他的场合，有一些按照经典原理粒子不能逾越的壁垒，按照量子力学原理的隧道效应可让粒子通过。
围绕一颗黑洞的壁垒厚度和黑洞的尺度成比例。这表明非常少的粒子能从一颗像假想在天鹅X-1中存在的那么大的黑洞中逃逸出来，但是粒子可以从更小的黑洞迅速地漏出来。仔细的计算表明，发射出的粒子具有一个热谱，其温度随着黑洞质量的减小而迅速增高。对于一颗太阳质量的黑洞，其温度大约只有绝对温度的千万分之一度。宇宙中的辐射的一般背景把从黑洞出来具有那种温度的热辐射完全淹没了。另一方面，质量只有十亿吨的黑洞，也就是尺度大约和质子差不多的太初黑洞，会有大约1200亿度开文芬的温度，这相当于一千万电子伏的能量。处于这等温度下的黑洞会产生电子正电子对以及诸如光子、中微子和引力子（引力能量的假想的携带者）的零质量粒子。太初黑洞以60亿瓦的速率释放能量，这相当于六个大型核电厂的输出。
随着黑洞发射粒子，它的质量和尺度就稳恒地减小。这使得更多粒子更容易穿透出来，这样发射就以不断增加的速度继续下去，直到黑洞最终把自己发射殆尽。从长远地看，宇宙中的每个黑洞都将以这个方法蒸发掉。然而对于大的黑洞它需要的时间实在是太长了，具有太阳质量的黑洞会存活（1066）年左右。另一方面，太初黑洞应在大爆炸迄今的一百亿年间几乎完全蒸发光，正如我们所知的，大爆炸是宇宙的起始。这种黑洞现在应发射出能量大约为一亿电子伏的硬伽玛射线。
当·佩奇和霍金在SAS-2卫星测量伽玛辐射宇宙背景的基础上计算出，宇宙中的太初黑洞的平均密度必须小于大约每立方光年两百颗。那时当·佩奇是在加州理工学院。如果太初黑洞集中于星系的“晕”中，它在银河系中的局部密度可以比这个数目高一百万倍，而不是在整个宇宙中均匀地分布。晕是每个星系都要嵌在其中的稀薄的快速运动恒星的薄云。这意味着最邻近地球的太初黑洞可能至少在冥王星那么远。
黑洞蒸发的最后阶段异常快速，以至于它会在一次极其猛烈的爆发中终结。这个爆发的激烈程度取决于有多少不同种类的基本粒子而定。如果正如现在广为相信的，所有粒子都是由也许六种不同的夸克构成，则最终的爆炸会具有和大约1000万颗百万吨氢弹相等的能量。另一方面，日内瓦欧洲核子中心的H·哈格登提出了另一种理论。他论断道，存在质量越来越大的无限数目的基本粒子，随着黑洞变得越小越热，它就会发射出越来越多不同种类的粒子，也许会产生比按照夸克假定计算的能量大10万倍的爆炸。因此，观测黑洞爆发可为基本粒子物理提供非常重要的信息，这也许是用任何其他方式不能得到的信息。
一次黑洞爆发会倾注出大量的高能伽玛射线。虽然可以用卫星或者气球上的伽玛射线探测器观测它们，但要送上一台足够大的探测器，使之有极大的机会拦截到来自于一次爆炸的不少数量的伽玛射线光子，是很困难的。使用航天飞机在轨道上建立一个大的伽玛射线探测器是一种可能性。把地球的上层大气当成一台探测器是另外一种更容易也更便宜的做法。穿透到大气的高能伽玛射线会产生电子正电子爆，它们在大气中旅行的初速度比大气中的光速还快（光由于和空气分子相互作用而减慢下来。）。这样，电子和正电子将建立起一种音爆，或者是电磁场中的冲击波。这种冲击波叫作切伦科夫辐射，可以可见光闪烁的形式从地面上观测到它。
都柏林大学学院的奈尔·A·波特和特勒伏·C·威克斯的一个初步实验指出，如果黑洞按照哈格登理论预言的方式爆炸，则在银河系的我们区域中只有少于每世纪每立方光年两次的黑洞爆发。这表明太初黑洞的密度小于每立方光年一亿颗。我们有可能极大地提高这类观测的灵敏度。即便它们没有得到太初黑洞的任何肯定的证据，它们仍然是非常有价值的。观测结果在这种黑洞的密度上设下一个低的高限，表明早期宇宙必须是光滑和安宁的。
大爆炸和黑洞爆炸相类似，只不过是在一个极大的尺度范围内而已。所以人们希望，理解黑洞如何创生粒子将导致类似地理解大爆炸如何创生宇宙中的万物。在一颗黑洞中，物质坍缩并且永远地损失掉，但是新物质在该处创生。所以事情也许是这样的，存在宇宙更早的一个相，物质在大爆炸处坍缩并且重新创生出来。
如果坍缩并形成黑洞的物质具有净电荷，则产生的黑洞将携带同样的电荷。这意味着该黑洞喜欢吸引虚粒子反粒子对中带相反电荷的那个成员，而排斥带相同电荷的成员。因此，黑洞优先的地发射和它同性的带电粒子，并且从而迅速地丧失其电荷。类似地，如果坍缩物质具有净角动量，产生的黑洞便是旋转的，并且优先地发射携带走它角动量的粒子。由于坍缩物质的电荷、角动量和质量和长程场相耦合：在电荷的情形和电磁场耦合，在角动量和质量的情形和引力场耦合，所以黑洞“记住”了这些参数，而“忘记”了其他的一切。
普林斯顿大学的罗伯特·H·狄克和莫斯科国立大学的弗拉基米尔·布拉津斯基进行的实验指出，不存在和命名为重子数的量子性质相关的长程场（重子是包括质子和中子在内的粒子族。）。因此由一群重子坍缩形成的黑洞会忘掉它的重子数，并且发射出等量的重子和反重子。所以，当黑洞消失时，它就违反了粒子物理的最珍贵定律之一，重子守恒定律。
虽然为了和柏肯斯坦关于黑洞具有有限熵的假设协调，黑洞必须以热的方式辐射，但是粒子产生的仔细量子力学计算引起带有热谱的发射，初看起来似乎完全是一桩奇迹。这可以解释为，发射的粒子从黑洞的一个外界观测者除了它的质量、角动量和电荷之外对之毫无所知的区域穿透出来。这意味着具有相同能量、角动量和电荷的发射粒子的所有组合或形态都是同等可能的。的确，黑洞可能发射出一台电视机或者十卷皮面包装的布鲁斯特（法国小说家）全集，但是对应于这些古怪可能性的粒子形态的数目极端接近于零。迄今最大数目的形态是对应于几乎具有热谱的发射。
黑洞发射具有超越通常和量子力学相关的额具有不确定性或不可预言性。在经典力学中人们既可以预言粒子位置，又可以预言粒子速度的测量结果。量子力学的不确定性原理讲，只能预言这些测量中的一个，观察者能预言要么位置要么速度的测量结果，而不能同时预言两者。或者他能预言位置和速度的一个组合的测量结果。这样，观察者作明确预言的能力实际上被减半了。有了黑洞情形就变得更坏。由于被黑洞发射出的粒子来自于观察者只有非常有限知识的区域，他不能明确预言粒子的位置或者速度或者两者的任何组合，他所能预言的一切是某些粒子被发射的概率。所以这样看来，爱因斯坦在说“上帝不玩弄骰子”时，他是双重地错了。考虑到从黑洞发射粒子，似乎暗示着上帝不仅玩弄骰子，而且有时会把它们扔到看不见的地方去。
3.现代科学的惊人答案：最大的
黑洞是宇宙可能的最大黑洞是什么？答案是现代科学中的一个最惊人的设想：宇宙本身。
要弄懂为什么这个答案并非妄言，必须介绍一些宇宙学的基本知识。现代宇宙学家已经超越了人类为求得一个可认识和无疑虑的宇宙图像所编过的神话和所作过的玄想，他们有三个观测事实，在对之作了仔细的物理解释后，就能据以反推出宇宙的过去历史。星系的运动，轻元素（指氢、氘和氦，它们不是在恒生中产生的）的相对丰度，以及均匀的宇宙辐射，全都表明宇宙在自极高密、极高温的大爆炸状态以来的150亿年中一直在膨胀。
观测已经提供了对宇宙历史的透视，然而只有理论才能猜测宇宙的未来。由于决定大尺度物理结构的是引力，爱因斯坦广义相对论给出了与过去的状态相符的宇宙学模型。关于将来，则有两个可能的解答：一个膨胀再收缩的宇宙，在时间上和空间上都是有限的；或者是一个无限地膨胀的宇宙（与某些宇宙学家有的流行观念相反，宇宙在时间上的无限并不意味着在空间上的无限）。
宇宙中物质的平均密度决定着宇宙未来的命运。如果密度小于临界值10-29克/立方厘米（相当于每立方米的空间里有六个氢原子），则宇宙的引力场不足以束缚住物质，宇宙将继续无休止地膨胀。相反，如果平均密度大于临界值，则引力终将使宇宙停止膨胀并重新收缩，在1000亿年内宇宙将坍缩成一种与大爆炸相反的状态，不妨叫作大挤压。
无论宇宙的最后命运如何（宇宙密度的实际测量值稍小于临界值，但还不能由此得出“开放”宇宙的结论，因为并非所有的物质都已被观测到），黑洞都将是其中的主角。普林斯顿高级学术研究所的弗里曼·戴森和伦敦大学的雅玛尔·伊思兰已经研究了持续膨胀的宇宙的长时期演化（见伊思兰的著作《宇宙的最终命运》，剑桥大学出版社1983年）。虽然宇宙已经存在了150亿年，这种长时间的物理过程尚未开始，但迟早将会来临。在大约1027年里，所有已熄灭的恒星都将聚集在星系中心，成为1011M⊙质量的大黑洞。星系团中星系轨道运动的能量也将由于引力辐射而消散，在大约1031年里星系都将落到团的中心，并聚合成1015M⊙质量的超巨型黑洞。在更大得多的时间尺度上，反过程即黑洞的量子蒸发将会发生。恒星级黑洞将在1067年里蒸发，星系级巨型黑洞需要1097年，超巨型黑洞则需要10106年。作为能量和熵的最后蓄积，黑洞将变得与白洞类似，把自己的物质散布到膨胀的宇宙中。
戴森最后问自己，面对宇宙不可避免地变得稀薄和冷却这种不利的条件，高级文明能否通过从黑洞中提取能量来无限期地维持生存？这个设想使人回忆起一些典型的科学幻想故事，而与现代粒子物理的一个预测相抵触，那就是，质子并不是永存的，而是会在大约1032年后衰变（现有实验并未证实关于质子寿命的这个预测）。那么，远在黑洞开始释放其能量之前，所有的物理结构和生命组织就都已消亡。
现在来考查一下时间上和空间上都有限的膨胀—收缩宇宙的后果。使宇宙成为一个闭合系统所需的最低密度是一个质量为1023M⊙、半径为400亿光年的黑洞的平均密度（黑洞的平均密度是随其半径的增大而减小的），而对我们的宇宙而言，光所走过的最大距离不超过150亿光年。这就是说宇宙是在其史瓦西半径之内，能由此得出结论说我们是生活在一个极其巨大的黑洞内部吗？
更深入地作一番考虑，就会发现有一系列的理论证据支持黑洞宇宙的假设。广义相对论证明，如果恒星类似于一团压强为零、密度均匀的球状“云”，即类似于充满于宇宙的星系气体，则云的内部几何与闭合宇宙的几何完全一致，而且内部和外部几何在云的表面完好地相连接。
另一方面，闭合的膨胀一收缩宇宙也有一个视界，即这样一个时空边界，在其之外的事件是我们所不可联络的，因为那些事件的光信号不能到达我们这里。这个宇宙学视界（不要与粒子视界相混淆，后者是指在一个给定时刻宇宙中可观测部分的空间边界）是与将来奇点（即大挤压）相联系着，从内部看，它就像黑洞视界从外部看时规定着黑洞的边界一样（事实上闭合宇宙的最大半径与它在外部观测者眼中的史瓦西半径精确相等）。
因此可以想象，如果宇宙是闭合的，就必定有一个外部世界，我们的宇宙是其中的一个隐藏在黑洞内的区域。显然，如果这个（仍令人迷惑不解的）假设能得到证明，宇宙学将展开一个全新的领域。
例如，科学家们首先想知道的是，我们的宇宙是怎样成为一个黑洞的。它是外部宇宙中的一个原初黑洞呢，还是由一个1023M⊙质量的“超级恒星”的引力坍缩而形成的呢？这样看来，外部宇宙就不是真空，那里的星系（或许是由我们完全不知道的物质组成的）可以整个地掉进我们的宇宙。
宇宙作为一个黑洞的最吸引人的结果将是黑洞内物质完全出乎意料的行为。广义相对论指出，恒星在史瓦西半径以内的引力收缩必定以中心奇点为终结。但是，广义相对论是不完整的。由于没有量子引力理论，我们必须承认对支配黑洞内物质行为的定律实际上一无所知。膨胀—收缩的黑洞宇宙似乎暗示着，黑洞内的引力坍缩可以在奇点之前停止。物质的某种最后阻抗，例如一种只在很小距离上才显示出来的强排斥作用，可能造成坍缩恒星的物质“反弹”，类似地，整个宇宙就在极密状态和充满史瓦西球内部的膨胀状态之间无限地振荡。
黑洞宇宙理论最后提出的问题是关于我们宇宙的唯一性。我们的封闭宇宙相对于外部宇宙是处于什么地位呢？也许可以有一个套一个的宇宙等级，也就是黑洞之中又有黑洞。最新的物理理论允许这种“气泡宇宙”的存在。
这些有点过度的猜测更像是幻想而不是真实。它们在学术机构的研究工作中并不怎么受重视，因为它们实在延伸得超出我们的实际知识太远，而对科学的真正进展又没有什么帮助。或许有一天我们能拥有赖以回答这些问题的理论工具，但是我们决不要欺骗自己：所有这些理论都建立在想象之上，而现实常常与想象大不相同。为了抓住真实世界的哪怕是一个碎片，我们必须用自己的脑和手工作，做千百次的测量，而不是依靠那些过于优美的主意和理论。
但是黑洞的出现无疑标志着一场革命的开始，这是变化着的思想和理论世界的革命，也是恒星、星系和宇宙本身的命运正在缓慢地展示出来的真实世界的革命。但是所有的革命都有隐藏的危险。作为毛里斯·梅特林克（Maurice Maeterlink）一句格言的释义，黑洞一词仍然常常只是掩盖我们无知的一件豪华伪装。
4.作为时间隧道的黑洞
我们已看到：黑洞畸变了其附近的空间路径。按照爱因斯坦的格言，空间与时间是混杂的，因此，在这种物体附近，时间也是被弯曲了的。据此，一些研究工作者曾建立用黑洞作为时间机器。
确实，如果一个太空人在飞往黑洞以前在她的飞船上放一只大钟，则一个船外的观测者（例如，在飞船附近的空间站上）在太空人接近于坍缩星的周边时，将发觉该钟走得慢下来。旁观者也会感觉到她运动得越来越慢，从未感觉到她达到了黑洞视界的边缘。最后，她将被看上去在时间上冻结了——发愣了，像鹿被汽车前灯“照瞎”了双眼，一动不动了。
但从太空人看来，这些事件的发生完全是另一种情景。飞船上的钟正常地走着。这样，无法阻止她很快地钻进黑洞深渊里去。她还可能察觉不到她穿越视界的时刻，但她将从那一点起被黑洞粘住。
假定，当她下降时，仍能观察到她上面的空间区域，看飞船外面的景色，倒霉的旅行者将看到所有的事物随时间而加速。未来的历史在她眼前一闪而过。但这种时间旅行是毫无意义的，她不能与宇宙的其余部分相互沟通；取而代之的是她本人及飞船的毁灭（除非她能及时掉转船头）。总之，虽然一个太空人能在黑洞的视界附近经受一种形式的时间旅行，但终将是一个悲惨的——因而是毫无意义的——探险。
5.与黑洞性格相反的“白洞”
有些人认为，宇宙是对称的，有此必有彼。当人们热衷于讨论“黑洞”的时候，又有人针锋相对地提出了“白洞”。
我们知道，黑洞是极端自私的，它就像一个贪得无厌的饕餮，张开大口，吞食着宇宙中的一切物质。只要进入它的“视界”之内，就休想再出来，其中包括光。那么，它把物质吞进去之后，又消化到哪里去了呢？因为物质是不灭的。“白洞”的观点便应运而生。
白洞的性格与黑洞截然相反，它允许内部的超高密度物质离开它的边界，进入广阔的太空，却不允许任何物质进入它的边界之内。换句话说，它向外界发出辐射，抛出最终能够构成气体和恒星的物质，即不肯吸收外界的物质来中饱私囊。正因为它具有这样的特性，人们就很自然地把X射线爆发、γ射线爆发以及超新星爆发等现象联系起来。
白洞不断向空间喷射物质，那么谁是它的后勤供应呢？有人认为，白洞的源源不断的能源取自黑洞。进入黑洞的物质并不是完全被它消化了，而是以“热辐射”的方式稳定地向外发射粒子，科学家们称为“自发 蒸发”。英国物理学家霍金经研究发现，黑洞具有一定的温度，其数值与黑洞的质量成反比。自发蒸发使黑洞质量减少，使其温度升高，又反过来促使自发蒸发加剧。由于这样地正反促进，使黑洞的蒸发越演越烈，最后便以“反坍缩”的猛烈爆发，形成了不断向外喷射物质的白洞。黑洞把宇宙中的物质吞食了，白洞又把物质归还给宇宙，这是一个多么和谐的宇宙啊！
前苏联学者诺维柯夫把白洞的形成同宇宙大爆炸的理论联系起来，提出了“延迟核”理论。他认为，宇宙在大爆炸时的最初时刻，由于爆发的不均匀，有些超高密度物质并没有立刻膨胀，而是过了一段时间才发生爆炸，成为新的局部膨胀的核心，这就是白洞，有的核心则延迟了百亿年才发生爆发。
不过关于白洞，仍像黑洞一样，还没有证据证实它的存在。