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??黑洞概述

“黑洞”很容易讓人望文生義地想象成一個“大黑窟窿”，其實不然。所謂“黑洞”，就是這樣一種天體：它的引力場是如此之強，就連光也不能逃脫出來。

根據(jù)廣義相對論，引力場將使時空彎曲。當恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出。

??而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面。

等恒星的半徑小到一特定值（天文學上叫“史瓦西半徑”）時，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了。到這時，恒星就變成了黑洞。說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出。

??實際上黑洞真正是“隱形”的，等一會兒我們會講到。

那么，黑洞是怎樣形成的呢？其實，跟白矮星和中子星一樣，黑洞很可能也是由恒星演化而來的。

我們曾經(jīng)比較詳細地介紹了白矮星和中子星形成的過程。當一顆恒星衰老時，它的熱核反應(yīng)已經(jīng)耗盡了中心的燃料（氫），由中心產(chǎn)生的能量已經(jīng)不多了。

??這樣，它再也沒有足夠的力量來承擔起外殼巨大的重量。所以在外殼的重壓之下，核心開始坍縮，直到最后形成體積小、密度大的星體，重新有能力與壓力平衡。

質(zhì)量小一些的恒星主要演化成白矮星，質(zhì)量比較大的恒星則有可能形成中子星。而根據(jù)科學家的計算，中子星的總質(zhì)量不能大于三倍太陽的質(zhì)量。

??如果超過了這個值，那么將再沒有什么力能與自身重力相抗衡了，從而引發(fā)另一次大坍縮。

這次，根據(jù)科學家的猜想，物質(zhì)將不可阻擋地向著中心點進軍，直至成為一個體積趨于零、密度趨向無限大的“點”。而當它的半徑一旦收縮到一定程度(史瓦西半徑)，正象我們上面介紹的那樣，巨大的引力就使得即使光也無法向外射出，從而切斷了恒星與外界的一切聯(lián)系——“黑洞”誕生了。

??

與別的天體相比，黑洞是顯得太特殊了。例如，黑洞有“隱身術(shù)”，人們無法直接觀察到它，連科學家都只能對它內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出各種猜想。那么，黑洞是怎么把自己隱藏起來的呢？答案就是——彎曲的空間。我們都知道，光是沿直線傳播的。這是一個最基本的常識。可是根據(jù)廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。

??這時候，光雖然仍然沿任意兩點間的最短距離傳播，但走的已經(jīng)不是直線，而是曲線。形象地講，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。

在地球上，由于引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。

??這樣，即使是被黑洞擋著的恒星發(fā)出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術(shù)。

更有趣的是，有些恒星不僅是朝著地球發(fā)出的光能直接到達地球，它朝其它方向發(fā)射的光也可能被附近的黑洞的強引力折射而能到達地球。

??這樣我們不僅能看見這顆恒星的“臉”，還同時看到它的側(cè)面、甚至后背！

“黑洞”無疑是本世紀最具有挑戰(zhàn)性、也最讓人激動的天文學說之一。許多科學家正在為揭開它的神秘面紗而辛勤工作著，新的理論也不斷地提出。不過，這些當代天體物理學的最新成果不是在這里三言兩語能說清楚的。

??有興趣的朋友可以去參考專門的論著。

黑洞系列之黑洞介紹

霍金在第二個黃金時代中對視界定義，是我們需要知道的對黑洞的描述十分

重要的一個重要思想，因為它還引出了另一個更加重要的結(jié)論：黑洞（熱力學）

三定律，而這個定律最終帶領(lǐng)我們找到了黑洞蒸發(fā)，即霍金輻射。

??

黑洞的視界，可以分為兩個，一個是惠勒最早提出的視界——顯視界，而另

一個是霍金的矯健思想的結(jié)晶——絕對視界。

顯視界的定義，是光子被拉回到原來位置的地方（這個牽扯到了相對論引力

理論對時空在黑洞作用下的描述，在介紹相對論的時候會介紹到）。

??

絕對視界的定義，是物體是否可以和外界時空聯(lián)系的分界面。

從定義上看，一些哲學思想比較好的人也許就可以看出不同了：顯視界是順

序的，而絕對視界是“目的論”的。

進一步分析可以知道：絕對視界的“果”——視界的位置，比視界的“因”

——物體是否落入黑洞，先表現(xiàn)了出來。

??

這個就是絕對視界和顯視界的根本區(qū)別，也是它優(yōu)越的地方。

顯視界，在物體落入黑洞，即穿過了它以后，會突然地、毫無征兆地從原來

的位置躍遷到一個新的位置，然后安定下來。在這個時候，它的變化是不容易理

解的，而且在處理“動態(tài)”的黑洞（即在脈動、剛形成時候的黑洞）碰撞的時候，

會對引力波的輻射、黑洞的位置等問題帶來許多麻煩和不方便。

??而且物理定律似

乎也不允許這種突變的發(fā)生。

但是對于絕對視界，就沒有這個問題了。它的位置取決于物體的運動是否會

導致物體落入黑洞，而不是物體是否已經(jīng)落入了黑洞。如果一個運動的物體會落

入黑洞，那么在它落入以前，絕對視界就會膨脹，來“迎接”這個物體。

??而這種

變化是連續(xù)的，而且對于那些關(guān)于黑洞視界的問題中，它的力量是巨大的，雖然

結(jié)果在原因以前出現(xiàn)在了這個宇宙中。

在這個戰(zhàn)場上，黑洞擊敗了彭羅斯、澤爾多維奇、伊斯雷爾等杰出人物。其

中彭羅斯帶來的數(shù)學工具曾經(jīng)使得物理學上一片光輝，最終成功證明了黑洞無毛

定理，發(fā)現(xiàn)了宇宙監(jiān)督定理等重要定理（可惜他沒有最終證明這個他所提出的猜

想是否真的可能成為定理，但是霍金人從許多角度對它進行估算，證明這個猜想

十分可能是一個定理），是一個頂尖的數(shù)學家、物理學家，伊斯雷爾也是一個數(shù)

學家兼物理學家。

??澤爾多維奇也是一個理論物理大家，一個思想十分活躍的人，

蘇聯(lián)物理學的代表。

但是霍金不是所有戰(zhàn)場的勝利者。他在黑洞熱力學這個方面，被惠勒的研究

生貝肯斯坦擊敗了。不過霍金畢竟不是一個平凡的人，他后來在這個戰(zhàn)場上建立

了黑洞三定律，將黑洞和熱力學完全結(jié)合了起來。

??

在黑洞建立絕對視界的同時，他也解決了黑洞引力輻射的能量多少問題，同

時，他發(fā)現(xiàn)了黑洞視界面積定理。他發(fā)現(xiàn)這個定理和熱力學第二定律十分類似，

同時，其他黑洞研究者也發(fā)現(xiàn)在描述黑洞性質(zhì)變化的時候（比如描述吸積盤形成

的過程中），黑洞的變化方程和熱力學的方程十分相似。

??但是這些僅僅被霍金以

及他的同事們認為是巧合而已。但是貝肯斯坦不這么認為，他在導師惠勒的鼓勵

下，計算了如果黑洞符合熱力學定律，視界和熵之間的一個對應(yīng)關(guān)系（惠勒沒有

幫助他計算，這個是惠勒在教育方面的一個特點，就是鼓勵自己的學生來發(fā)揮他

們自己的才能，而他自己在關(guān)鍵的時候給予學生一些思想上的幫助），得到了熵

和黑洞視界面積的近似關(guān)系：熵近似等于視界面積與普朗克面積（在下文介紹量

子理論的時候會介紹這個十分重要的物理常數(shù)）的比值。

??

但是如果同意了黑洞符合熱力學公式，那么就相當于同意了黑洞具有一個溫

度。但是根據(jù)熱力學公式，我們可以知道：任何比周圍溫度高的物體，必定向周

圍發(fā)出輻射。而宇宙的背景溫度約為3K，而如果貝肯斯坦的計算是正確的，那么

黑洞的溫度一定遠高于這個值，那么似乎黑洞必定會輻射物質(zhì)，而不是吸收。

??

貝肯斯坦和霍金在這個問題上都陷入了僵局。

在廣義相對論在引力領(lǐng)域建立起絕對威望的同時，量子理論也已經(jīng)發(fā)展成熟

了，成熟到了足以來到引力的領(lǐng)域，參加黑洞研究的地步了。

第一個使用量子理論來研究黑洞問題的，是蘇聯(lián)的澤爾多維奇，一個有著強

烈物理直覺的領(lǐng)導者，蘇聯(lián)理論物理學的權(quán)威，蘇聯(lián)黑洞研究小組的教練。

??而他

使用這個理論來解決的第一個引力問題，是克爾黑洞的引力輻射。就是這個問題，

為貝肯斯坦和霍金的戰(zhàn)爭劃上了圓滿的句號，同時啟發(fā)霍金發(fā)現(xiàn)并掌握了量子輻

射。

澤爾多維奇在應(yīng)用量子理論解釋引力問題的時候，惠勒在量子理論上的工作

是不可磨滅的。

??

惠勒第一個提出了量子真空漲落這個概念。

真空漲落說的是，在任意一個絕對真空中，即使你用無限大的能量來軀干這

個區(qū)域中的物質(zhì)，量子理論總會使得這個區(qū)域的時空本身發(fā)生一個能量的起伏—

—海森堡能量借貸——使得這個區(qū)域的各個部分的能量不同，但是總合保持為0。

??

在白矮星中，電子被壓迫在一個十分小的區(qū)域中，但是電磁波的量子真空漲

落迫使電子繼續(xù)隨機地運動，而且速度十分大，進入了相對論范圍中。這個就是

“電子簡并運動”，產(chǎn)生的一個向外的壓力就是“電子簡并壓”。這個也是當年

愛因斯坦和愛丁頓反對黑洞的證據(jù)。

??在中子星中，也是這個簡并運動迫使中子星

停止繼續(xù)塌縮。

真空漲落無所不在，在生活中的最基本應(yīng)用就是熒光燈。這種效應(yīng)在量子理

論發(fā)展完全，惠勒提出真空漲落概念、海森堡提出能量借貸概念以前，一直困擾

著物理學家，被稱為自發(fā)發(fā)射。

澤爾多維奇在接受了惠勒的思想后，先對旋轉(zhuǎn)的金屬球進行計算，發(fā)現(xiàn)了金

屬球的旋轉(zhuǎn)將周圍空間發(fā)生的量子真空漲落加速、放大、催化和真實化，成為了

反向旋轉(zhuǎn)能和向外發(fā)射的電磁波，同時自己的旋轉(zhuǎn)速度變慢，直到停止為止。

??

隨后，澤爾多維奇用類比，推出了克爾黑洞會輻射各類輻射（主要是電磁波

和引力波，其次是中微子等輻射）的結(jié)論。這個結(jié)論的試探性太強，沒有人注意

到。同時，美國的米斯納也提出了同樣的想法，并且有了一定的反應(yīng)。

霍金在去莫斯科參加一個會議的時候，和澤爾多維奇以及他的學生斯塔羅賓

斯基有了聯(lián)系，得知澤爾多維奇和他的學生們已經(jīng)開始結(jié)合量子理論和相對論，

并且已經(jīng)得到了黑洞會輻射的猜想，十分感興趣，于是在回到劍橋邊開始著手研

究。

??

在大家都同意澤爾多維奇的同時，霍金的計算帶來了另一個更加使人震驚的

結(jié)論：即使黑洞沒有旋轉(zhuǎn)，它也在輻射，而且有一個確定的熵和溫度：熵和視界

面積的比正比于黑洞質(zhì)量的平方，而溫度和視界表面引力的比反比于黑洞質(zhì)量。

到這里，霍金和貝肯斯坦的爭論結(jié)束了，貝肯斯坦勝利了，他建立了黑洞三

定律，但是霍金卻得到了霍金輻射，一個十分重要的定理，同時部分成功、正確

地結(jié)合了量子理論和相對論，得到了一個更加重要的理論——彎曲時空的量子場

定律。

??

量子理論還帶來了許多東西，比如和實際情況最吻合的BKL 黑洞，一個比紐

曼黑洞更加具體、現(xiàn)實的黑洞。

卡拉特尼科夫和栗弗席茲在研究恒星的隨機擾動（在史瓦西、克爾和RN黑洞

中，都沒有涉及到恒星塌縮時的物質(zhì)運動，即擾動）是發(fā)現(xiàn)，這些擾動會干擾黑

洞奇點的產(chǎn)生，從而根據(jù)相對論，恒星所在的時空會成為一個封閉的小空間在時

空組中運動（時空組這個名字是我起的，在后面會介紹到。

??其實他就是一些同胚

——拓撲術(shù)語——時空的集合）到達其他時空中在爆發(fā)出來。但是蘇聯(lián)和歐洲的

隔絕使得他們沒有得到彭羅斯的一個重要的證明和他的一個重要的數(shù)學工具——

整體方法，因而他們的計算錯了。并且，在和索恩的爭論中知道了一些整體方法

的內(nèi)容，而研究生別林斯基一同找到了一個在我們這個宇宙中最基本的黑洞典型

：BKL 黑洞。

??

BKL 黑洞是拓撲學的勝利，是數(shù)學和物理的融合，也是相對論和量子理論的

第一次親密接觸。

好了，到了這里，對于黑洞以及發(fā)現(xiàn)、發(fā)展黑洞的歷史的介紹已經(jīng)到了尾聲

了，先讓我們來看看黑洞的形成，在來整體認識一些最典型、最普通、最可能在

自然界出現(xiàn)的黑洞：BKL 黑洞的一些性質(zhì)以及相關(guān)知識。

??

。

??黑洞及其分類

沸騰的黑洞，你將把物理學引向何方?透過奇異的黑暗，輻射出新世紀的曙光。

19世紀末20世紀初，物理界出現(xiàn)了兩朵烏云：黑體輻射與邁克爾遜實驗。一年后，第一朵烏云降生了量子論，五年后，第二朵烏云降生了相對論。經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，又在這世紀之交，物理界又降生了兩朵烏云：奇點困難和引力場量子化困難。

??這兩個困難可能通過黑洞與大爆炸的研究而解決。

基本粒子，天體演化，和生命起源是當代自然科學的三大課題。黑洞與宇宙學的研究與基本粒子，天體演化有密切關(guān)系。特別是黑洞的研究涉及一些根本性的問題，有助于我們深入認識自然界，因此，黑洞是本連載的重中之重。

??

牛頓理論也曾預(yù)言過黑洞，將光作為粒子，當光被引力拉回時，就成為一個黑洞。它與現(xiàn)代理論預(yù)言的黑洞不同，牛頓黑洞是一顆死星，是天體演化的最終歸宿。而現(xiàn)代黑洞，卻只是天體演化的一個中間階段，黑洞也在變化，甚至有些變化異常激烈。黑洞可以發(fā)光，放熱，甚至爆炸。

??黑洞不是死亡之星，甚至充滿生機。黑洞是相對論的產(chǎn)物，卻超出了相對論的范圍，與量子論和熱力學之間存在深刻的聯(lián)系。由天體演化形成的黑洞稱為常規(guī)黑洞。

1972年，美國普林斯頓大學青年研究生貝肯斯坦提出黑洞無毛定理：星體坍縮成黑洞后，只剩下質(zhì)量，角動量，電荷三個基本守恒量繼續(xù)起作用。

??其他一切因素(毛發(fā))都在進入黑洞后消失了。這一定理后來由霍金等四人嚴格證明。

由此定理可將黑洞分為四類。

(1)不旋轉(zhuǎn)不帶電荷的黑洞。它的時空結(jié)構(gòu)于1916年由施瓦西求出稱施瓦西黑洞。

(2)不旋轉(zhuǎn)帶電黑洞，稱R-N黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。

??

(3)旋轉(zhuǎn)不帶電黑洞，稱克爾黑洞。時空結(jié)構(gòu)由克爾于1963年求出。

(4)一般黑洞，稱克爾-紐曼黑洞。時空結(jié)構(gòu)于1965年由紐曼求出。

其中最重要的是施瓦西黑洞和克爾黑洞。因為黑洞一般不帶電荷，卻大都高速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)一周只需千分之幾秒甚至更小。

??一般來說，黑洞平均密度是非常大的，但黑洞質(zhì)量越大密度越小。太陽質(zhì)量的黑洞密度為100億噸/立方厘米，宇宙質(zhì)量的黑洞密度卻只有10^(-23)克/立方米數(shù)量級與現(xiàn)在宇宙密度已相差不大，因此有人猜測宇宙可能是個黑洞也不無道理。

黑洞引出了奇點困難，體積為零，密度無窮大的數(shù)學奇點應(yīng)該不會在物理界出現(xiàn)，但是自然界中實在找不到其它的力可以抵抗強大的引力，因此，在奇點附近有可能存在至今未被發(fā)現(xiàn)的相互作用或物理定律阻止奇點的形成，這也是研究黑洞的意義之一。

??

利用牛頓理論可知，當逃逸速度達到光速時，光也無法從星球表面射出，這就是牛頓黑洞。光的波動說戰(zhàn)勝微粒說后，牛頓黑洞被人們淡忘了，因為波是不受引力影響的。有趣的是，從廣義相對論計算出的黑洞條件與牛頓理論計算出的完全相同，從現(xiàn)代眼光看，牛頓理論的推導犯了兩個錯誤：(1)將光子動能MC^2寫成了(1/2)MC^2，(2)把時空彎曲當成了萬有引力。

??兩個錯誤相互抵消卻得到了正確的結(jié)論。因此靜態(tài)中性黑洞的視界半徑與牛頓黑洞的半徑完全相汀。視界就是(在經(jīng)典范圍內(nèi)，相對論屬于經(jīng)典物理)任何物質(zhì)都無法逃離的邊界。

我們說的黑洞大小是指它的視界大小，黑洞內(nèi)部其實基本空無一物，只有一個奇點。這個點的體積無窮小，密度無窮大，所有的物質(zhì)都被壓縮到這個點里。

??先前我們說過，奇點可能不存在，我們把它當很小的點就可以了。我們來看黑洞吞噬物質(zhì)的場面：假設(shè)兩艘飛船里分別有兩個人A和B，A遠離黑洞，B被黑洞吸引。在B看來，它不斷的接近黑洞，不斷的加速，以接近光速的速度穿過視界，又以極短的時間撞向中心奇點，被壓的粉身碎骨，連原子核都被壓碎。

??在A看來，他看不到B的真實過程，他看到B先加速后減速最后停在視界處，逐漸變暗，最終消失。A看到的只是B的飛船上外殼發(fā)出的光的行為，B的真實部分早在A不知不覺中撞向了中心奇點。之所以會有減速過程是因為接近黑洞處時間膨脹，使A看到的速度變慢甚至接近零了。

??A看到的光停在視界上并不與光速不變原理相矛盾，光速不變原理指的是在四維時空中，光走過的四維距離是零。當時空平直時，三維光速是個常數(shù)。時空彎曲時，三維空間中光會偏折。在視界處，時空極度彎曲，無窮遠處的觀察者看到的光速是零。但在視界附近看到的光速還是光速，因為在小區(qū)域內(nèi)時間進度是相同的。

??光速不變不是簡單的指無論在什么情況下光都是所謂的勻速直線運動。不過三維空間中任何物質(zhì)的速度都不超過光速目前仍是正確的。

通過坐標變換，可以得到宇宙的克魯斯卡時空，它將全時空分為四個對稱區(qū)域。奇怪的是我們的宇宙似乎只占兩個區(qū)域，其中1區(qū)是我們普通的宇宙，2區(qū)是黑洞視界內(nèi)的宇宙，3區(qū)是一個與我們的宇宙對稱的宇宙，通過蟲洞與我們的宇宙相連，只是這種蟲洞只有超光速信號才能通過，光與普通物質(zhì)無法通過這種黑洞的蟲洞進入另一個宇宙。

??4區(qū)是白洞視界內(nèi)的宇宙。可以說黑洞理論預(yù)言了白洞和另一個宇宙。白洞和黑洞相反，經(jīng)典范圍內(nèi)是個只出不進的天體，它也符合物質(zhì)不滅定律，它吐出的物質(zhì)是原本就存在的。方程中雖有白洞解，但不等于現(xiàn)實中一定存在白洞，只是有存在的可能性。霍金等人證明，小黑洞與白洞不可區(qū)分。

??有人猜測黑洞和白洞可以相互轉(zhuǎn)化，白洞噴發(fā)的物質(zhì)來自黑洞吞噬的物質(zhì)，甚至宇宙的原始大爆炸就是白洞噴發(fā)。按大爆炸標準模型，宇宙最可能的結(jié)局是物質(zhì)收縮為原初奇點。全宇宙的物質(zhì)收縮為一個點，在這樣的極端條件下有可能存在黑洞向白洞轉(zhuǎn)化的條件，從而引發(fā)下一輪宇宙大爆炸。

??

帶電黑洞又稱R-N黑洞，它與不帶電黑洞的區(qū)別是，它有兩個視界。落入黑洞的飛船，一旦穿過外視界，就不可抗拒的穿越內(nèi)外視界間的空間，但穿過內(nèi)視界后，飛船將自由的飛翔。在那里飛船不至于落到中心奇點上。在奇點附近有巨大的天體引潮力，會把包括飛船在內(nèi)的所有物質(zhì)全部撕碎。

??不過飛船可以避開奇點。后來研究表明，飛船根本不可能靠近中心奇點，只有光才可以抵達那里。任何有靜質(zhì)量的物體都不能在有限時間內(nèi)到達奇點。進入內(nèi)視界之后，還可以從另一個宇宙中的白洞穿出，進入另一個宇宙。這就是帶電黑洞的蟲洞。這類蟲洞是可以穿越的，也就是說我們有可能進入另一個宇宙。

??

如果不斷增加R-N黑洞的電荷，將出現(xiàn)內(nèi)外視界合二為一的局面。這時的黑洞稱為極端R-N黑洞。如果再對極端黑洞加一點電荷，則視界消失，奇點將裸露出來，產(chǎn)生裸奇異現(xiàn)象。按目前的觀點，奇點不屬于時空，那里的性質(zhì)完全不確定，裸奇點往往會向外發(fā)出不確定信息，導致時空和物質(zhì)演化完全不確定。

??為了避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，彭若斯提出了宇宙監(jiān)督假設(shè)：存在一位宇宙監(jiān)督，它禁止裸奇異的出現(xiàn)。只要把奇點用視界包起來，它發(fā)出的不確定信息就不會跑出黑洞，因此不會影響宇宙的演化。但是在內(nèi)視界內(nèi)部，進入黑洞的人仍可能看到奇點，仍會受它們的奇異性的影響。

??彭若斯改進他的宇宙監(jiān)督假設(shè)，認為內(nèi)視界內(nèi)部的時空是不穩(wěn)定的，在微擾下它會倒在內(nèi)視界上阻止飛船進入這類區(qū)域。最近的研究表明，內(nèi)視界內(nèi)部的確有不穩(wěn)定的傾向。因此，如果他的假設(shè)成立，這類蟲洞仍是不可超越的，我們?nèi)匀徊荒苓M入另一個宇宙。但是，宇宙監(jiān)督究竟是什么?這就像當年不了解大氣壓強而提出的自然界害怕真空一樣，提出自然界害怕奇點。

??在物理學上沒有解決任何問題。如果假設(shè)正確，它必定是一條物理定律。也許是我們還不知道的一條定律，但更可能是我們已經(jīng)知道的一條定律。隨著黑洞熱力學的深入發(fā)展，物理學家們已經(jīng)越來越肯定，宇宙監(jiān)督極有可能就是熱力學第三定律：不可能通過有限次操作將溫度降到絕對零度。

??

旋轉(zhuǎn)黑洞又稱克爾黑洞，它有兩個視界和兩個無限紅移面，而且這四個面并不重合。視界才是黑洞的邊界，是指任何物質(zhì)(經(jīng)典物理范圍內(nèi))都無法逃脫的邊界。無限紅移面是指光在這個面上發(fā)生無限紅移，即光從一個邊界射出后發(fā)生引力紅移，紅移后的頻率為零。

??這一邊界就是無限紅移面。先前沒有提到是因為施瓦西黑洞和帶電黑洞的視界和無限紅移面是重合的，但是克爾黑洞并不重合，兩個無限紅移面分別在內(nèi)視界內(nèi)部和外視界外部，它們與視界所圍成的空間分別叫做內(nèi)能層和外能層。由于視界才是黑洞的邊界，因此外能層不屬于克爾黑洞，只能算作黑洞的附屬部分。

??它們很像一個雞蛋，克爾黑洞是蛋黃，外能層是外面包圍的一圈蛋清。在一定條件下，外能層中的物質(zhì)可能穿出無限紅移面進入外部世界。彭若斯證明在特定條件下，能量較低的粒子穿入能層后，可能從能層中獲得能量，穿出時有較高的能量。這就是彭若斯過程。通過此過程反復操作可以提取黑洞的能量，使能層變薄。

??這些能量是黑洞的轉(zhuǎn)動動能。能層變薄，黑洞轉(zhuǎn)動動能減少。當能層消失后，克爾黑洞退化為不旋轉(zhuǎn)的施瓦西黑洞，因此不能再繼續(xù)以這種方式提取能量了。克爾黑洞中的中心奇異區(qū)不是一個點，而是一個奇環(huán)，就是由奇點圍成的一條圓圈線。

當黑洞旋轉(zhuǎn)速度加快，內(nèi)外視界可能合二為一，稱為極端克爾黑洞。

??當旋轉(zhuǎn)速度再增加一點，視界消失，奇環(huán)裸露在外面。這與彭若斯的宇宙監(jiān)督假設(shè)矛盾。因此在這一前提下，黑洞的轉(zhuǎn)速是有限制的。當外部飛船飛入克爾黑洞時，會不可抗拒的穿過內(nèi)外視界間的區(qū)域，進入內(nèi)視界內(nèi)部后可以在其中運動而不一定落在奇環(huán)上。而且飛船可以從這里進入其他宇宙，從另一個宇宙的白洞出來。

??這就是克爾黑洞預(yù)言的可穿越蟲洞。可是上期曾說過，宇宙監(jiān)督認為內(nèi)視界內(nèi)部區(qū)域不穩(wěn)定，飛船可能還沒有到達這個區(qū)域就已經(jīng)撞向奇環(huán)了。因此宇宙監(jiān)督不僅不允許我們的宇宙受奇異性的干擾，似乎也封住了一切可穿越蟲洞的入口，不允許我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)另一個宇宙。

紐曼等人把克爾解推廣到帶電情況，得到了一般黑洞解。

??由于一般黑洞與克爾黑洞結(jié)構(gòu)相似，主要性質(zhì)和一些主要現(xiàn)象都非常類似，因此不多做講解。米斯納從彭若斯過程中得到啟發(fā)，認為彭若斯過程沒有設(shè)定物體的大小。若物體是個基本粒子，就與激光的超輻射原理非常相似。這是受激輻射。愛因斯坦研究原子發(fā)光時，提出過存在受激輻射的同時一定存在自發(fā)輻射，通俗點講就是原子發(fā)光。

??因此米斯納提出黑洞存在自發(fā)輻射。后來研究表明，黑洞的確可以通過量子隧道效應(yīng)輻射粒子，這部分粒子將帶走黑洞的能量，角動量，和電荷。最終克爾黑洞，R-N黑洞和一般黑洞退化為施瓦西黑洞。施瓦西黑洞似乎仍是一顆只進不出的僵死的星，仍是恒星的最終歸宿。

??然而霍金打破了僵局，發(fā)現(xiàn)了一切黑洞(包括施瓦西黑洞)的共同性質(zhì)，施瓦西黑洞仍是不斷演化的。

貝肯斯坦和斯馬爾各自獨立發(fā)現(xiàn)了黑洞各參量之間的一個重要關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)黑洞的靜止能，轉(zhuǎn)動動能，電勢能三者之間存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。這一公式與熱力學第一定律表達式非常相似，而且表達的內(nèi)容也是能量守恒定律。

??這一公式被稱為黑洞力學第一定律。

在熱力學中我們知道，并不是所有滿足能量守恒的過程都可以實現(xiàn)，只有同時滿足第二定律：封閉系統(tǒng)的熵不能減少這一條件才可以實現(xiàn)。熵增原理是一條與能量守恒有同等地位的物理學原理。實踐證明，只要忽略這一原理就會不可避免的遭到失敗。

??1971年，霍金在不考慮量子效應(yīng)，宇宙監(jiān)督假設(shè)和強能量條件成立的前提下證明了面積定理：黑洞的表面積在順時方向永不減少。真實的時空都滿足強能條件，即時空的應(yīng)力不能太小，由一個公式描述。兩個黑洞合并為一個黑洞面積增大，因此可以實現(xiàn)。但一個黑洞分裂為兩個黑洞，面積減小，因此即使?jié)M足能量守恒也是不可能實現(xiàn)的。

??在面積定理約束下，兩個等質(zhì)量黑洞合并，若面積不變可以放出約30%的黑洞能量。面積定理很容易使物理學家們聯(lián)想到第二定律的熵，它是唯一顯示時間箭頭的物理定律。貝肯斯坦等人通過黑洞的微觀分析，認為黑洞的確存在與面積成正比的熵。面積定理是熱力學第二定律在黑洞力學中的具體體現(xiàn)。

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先介紹一個概念：黑洞的表面引力。表面引力就是將物體放在視界處(若黑洞旋轉(zhuǎn)就認為物體與視界一起旋轉(zhuǎn)，與視界相對靜止)受到的引力場強度。一個系統(tǒng)存在熵就存在溫度，在視界面積與熵成正比的前提下容易證明表面引力與溫度成正比。前幾期提到的極端黑洞證明它們的表面引力為零。

??也就是說，極端黑洞是絕對零度的黑洞。熱力學第三定律告訴我們，不能通過有限次操作把溫度降到絕對零度。因此可以存在黑洞力學第三定律：不能通過有限次操作把一個非極端黑洞轉(zhuǎn)變?yōu)闃O端黑洞。它與彭若斯的宇宙監(jiān)督假設(shè)是等價的。它是一條獨立于第一定律與第二定律的公理。

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熱力學還有個第零定律：如果物體A與B達到熱平衡，B與C達到熱平衡，則A與C也一定達到熱平衡。如果類比正確，應(yīng)該指望黑洞存在一條類似的第零定律。目前已經(jīng)證明穩(wěn)態(tài)黑洞表面引力是一個常數(shù)。人們把這一結(jié)論稱為黑洞力學第零定律。

因此，黑洞表面引力相當于溫度，表面積相當于熵。

??如果是真溫度，黑洞就是個熱力學系統(tǒng)，應(yīng)該存在熱輻射，但通常對黑洞的理解是一個只進不出的天體，不會有熱輻射。因此1973年前霍金等人強調(diào)，黑洞溫度并不應(yīng)該看作真正的溫度，因此上述定律沒有被稱為黑洞力學斯定律。然而1973年霍金發(fā)現(xiàn)，黑洞存在熱輻射，上述四定律的確就是熱力學四定律。

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1973年，霍金做出重大發(fā)現(xiàn)，他證明所有黑洞都有熱輻射，其輻射譜是標準的黑體譜。霍金輻射不遵從面積定理，輻射過程中黑洞面積會縮小，質(zhì)量也會減小。但仍然服從熱力學第二定律，因為黑洞的熵雖然減小了，但輻射出的物質(zhì)熵增加了。它們的和仍是增大的。

??到目前為止，自然界中沒有任何一種力量可以抗拒黑洞附近(視界內(nèi))的引力，那么這些粒子是怎樣逃出來的呢?要說明這一問題首先要從真空說起。

為解決量子力學中的負能困難，狄拉克提出了真空不空的思想，在泡利不相容原理基礎(chǔ)上克服了負能困難，并預(yù)言了正電子和反物質(zhì)的存在。

??真空并不是一無所有的狀態(tài)，而是能量最低的狀獺。也就是說正能態(tài)都空著，負能態(tài)都被粒子填滿的狀獺。量子力學的測不準關(guān)系告訴我們，任何可測量的實過程都必須滿足測不準關(guān)系：粒子坐標不確定度與動量不確定度的乘積不能小于一個很小的常數(shù)。也就是說凡是不滿足不確定度關(guān)系的粒子都是無法觀測到的，我們之所以看不到真空負能粒子海中的粒子就是因為它們不滿足測不準關(guān)系。

??正電子，反質(zhì)子，反中子等反粒子已相繼被發(fā)現(xiàn)，又發(fā)現(xiàn)了諸如開斯米爾效應(yīng)等真空邊界效應(yīng)，都無可辯駁的證明了負能粒子海的存在，已為物理學家們廣泛接受。

延伸這一思想可得到真空漲落的概念。負能粒子海不斷發(fā)生負能粒子向正能區(qū)躍遷的過程，真空中每時每刻都在發(fā)生虛粒子對的產(chǎn)生和湮滅，真空并不平靜，是一種非常熱鬧的狀獺。

??虛粒子對是由一個正能粒子和一個負能粒子組成，負能粒子不能在我們的宇宙中穩(wěn)定存在，在極端的時間內(nèi)就會與正能粒子湮滅。但負能粒子可以在黑洞的視界內(nèi)部長時間存在，這就導致了黑洞視界兩側(cè)的一種不對稱，從而產(chǎn)生一種可觀測的效應(yīng)。當負能粒子落入黑洞，可以到達奇點使那里的質(zhì)量減少。

??而正能粒子留在外面飛向遠方。對于遠處的觀察者，他看到一個正能粒子飛過來，黑洞減少了相應(yīng)的質(zhì)量和電荷，因此他認為黑洞輻射出一個粒子。霍金用量子場論的方法嚴格證明了這種輻射的存在。

對于施瓦西黑洞，溫度與質(zhì)量成反比，也就是說黑洞越小溫度越高。

??常規(guī)黑洞溫度很低，接近絕對零度，霍金等人認為宇宙中不止存在常規(guī)黑洞，在宇宙大爆炸初期會產(chǎn)生巨大的壓力，在一些局部區(qū)域會將一些物質(zhì)壓縮為微型黑洞，這些黑洞迅速吸收周圍的物質(zhì)而長大，成為10億噸級的小黑洞。這類黑洞的特點是溫度高達一千億度，輻射功率約一千萬千瓦，相當于一個特大型發(fā)電站，不僅不黑，反而是最明亮的光源，半徑只有質(zhì)子大小，核子數(shù)約為10^39個，與基本粒子間靜電力與萬有引力之比大致相等。

??小黑洞的壽命大約是100億年相當于宇宙年齡。也許只是巧合，也許隱含著深刻的道理。黑洞存在負的熱容，溫度越高放熱越多，使質(zhì)量減少，從而促進溫度升高，放出更多的熱量，形成雪崩效應(yīng)，最終小黑洞會爆炸消失，小黑洞爆炸類似于宇宙大爆炸，研究小黑洞對天體演化這一課題意義重大。

??

黑洞之所以被稱為二十一世紀的主旋律是因為它涉及到了物理學中的一些根本問題。比如，小黑洞涉及到大爆炸，白洞，宇宙年齡，質(zhì)子大小，靜電力與引力強度比等等。總之，涉及到宇宙生成問題。常規(guī)黑洞涉及到宇宙大尺度模型，我們的宇宙是否真是一個大黑洞?是否存在一個超巨型黑洞向白洞轉(zhuǎn)化的一場大爆炸?大爆炸一般指物質(zhì)和時空一起在大爆炸中產(chǎn)生，是時空本身在爆炸，而不是物質(zhì)在現(xiàn)有時空中爆炸。

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黑洞觸動了物理學的基礎(chǔ)。比如，可能破壞重子數(shù)守恒定律。重子數(shù)守恒是指質(zhì)子，中子，超子等所謂重子的總數(shù)永遠是不變的。此定律在基本粒子理論中有重要作用。例如：原子彈，氫彈，反應(yīng)堆，以及恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)可以釋放巨大的靜止能，但是它們的原子能利用率卻不到1%。

??這是由重子數(shù)守恒限制的。參與核反應(yīng)的重子不能減少，因此核反應(yīng)釋放的能量是核子間結(jié)合能的差額，一般不超過1%。根據(jù)黑洞無毛定理，黑洞只有質(zhì)量角動量電荷三個參量，物質(zhì)的其他性質(zhì)(比如重子數(shù))進入黑洞后完全消失，因為重子已經(jīng)在奇點附近被壓碎了。但黑洞通過霍金輻射放出的粒子只決定于質(zhì)量角動量電荷三個參量。

??黑洞發(fā)射重子和反重子的幾率相等。因此，通過黑洞的形成和消失使物質(zhì)中巨大數(shù)量的重子消失了，從而破壞重子數(shù)守恒。黑洞有比量子力學更大的不確定性，我們對黑洞內(nèi)部細節(jié)并不十分清楚，對黑洞放出的粒子狀態(tài)不能作多少預(yù)言。任何物質(zhì)都可以塌縮為黑洞，但除了質(zhì)量角動量電荷之外，其他一切參量都徹底消失了。

??如果此黑洞再向外放出物質(zhì)，就已經(jīng)只取決于這三個參量了。因此，當將產(chǎn)生黑洞前的物質(zhì)狀態(tài)和黑洞再消失的過程中放出的物質(zhì)比較時，除了質(zhì)量角動量電荷外其他物理量其他物理量可能就全都不守恒了。因此，似乎只有兩種可能，一是沒有其他守恒律，二是黑洞產(chǎn)生和再消失是不可能的或者要受到極大的限制，使它不影響其他定律。

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黑洞還引出了物理學中的奇點困難，奇點是時空曲率無限大的地方，是時空的病態(tài)部分。任何物理定律面對這樣一個點都無能為力。目前絕大多數(shù)物理學家都不承認時空中存在奇點，然而卻找不到解決的方法。奇點困難已經(jīng)成為21世紀兩大疑難之一。新的理論有希望從這里得到發(fā)展。

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黑洞有可能是我們通往另一個世界的通道。那是一片樂土