黑洞究竟是什么?

天狼星YAN

黑洞究竟是什么？

1916年广义相对论出现不久，卡尔.史瓦西（Karl Schwarzchild）就求出了用以描述时
空的爱因斯坦方程的一个十分有用的解。该解作为时空的一种可能的形状，可以用来描
述一个球对称的、不带电、无自旋的物体（可能也可用于近似描述如地球和太阳等缓慢
自旋的物体）之外的引力场。其原理就和当你想研究地表之外的牛顿引力而将地球视为
质点一样。
这个解很象一个“公制”。它和将毕达哥拉斯公式加以归纳以给出平面上线段长度一样
，此“公制”可以作为获取时空中曲线段“长度”的公式。物体沿时间（“时间的坐标
轴”）运动的曲线的长度如果用此公式计算，就恰是该运动物体所经历的时间。公式的
最终形式取决于你选择用来描述事物的坐标系。公式可以因坐标不同而变形，但象时空
弯曲这样的物理量却不会受影响。史瓦西用坐标的术语表述了它的“公制”概念：在距
离物体很远的地方，近似于一个带有一条用以表示时间的附加t轴的球坐标，另一个坐标
r用作该处的球坐标半径；而更远的地方，它只给出物体的距离。
然而当球坐标很小的时候，这个解开始变得奇怪起来。在r=0的中心处有一个“奇点”，
那里的时空弯曲是无限的；围绕该点的区域内，球坐标的负方向实际成为时间（而非空
间）的方向。任何处于这个范围内的事物，包括光，都会为潮汐力扯碎并被强迫坠向奇
点。这个区域被一个史瓦西坐标消失的面与宇宙的其他部分分离开来。当然该处的时空
弯曲没有任何问题（这个球面半径被称作史瓦西半径，稍后就会发现史瓦西坐标并未消
失。它是一个人为的坐标，这个问题有点象定义北极点的经度时所遇到的问题。史瓦西
半径的物理意义不在于该处的坐标问题，而在于其内的方向变为时间方向这一事实）。

当时的人们并未为此担心，因为所有已知的物体的密度都达不到使这个内部区域扩大到
物体之外的程度，即对于所有已知情况，史瓦西解的这个奇怪部分都不适用。阿瑟.斯坦
雷.爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）曾考虑过一颗死亡的恒星坍塌后可能达到这个
密度，但从审美的角度出发不太愉快地将其抛弃了，并人为应该有新的理论补充进来。
1939年欧文海默（Oppenheimer）和施内德（Snyder）最终严肃地提出比太阳质量稍大几
倍的恒星在其声明的末期可能会坍缩到这种状态。
一旦一颗恒星的坍缩超过史瓦西坐标消失的球面（称为不带电、无自旋物体史瓦西半径
或“视界”）它就不可避免地继续坍缩下去。同你无法停住时间的车轮一样，它将一直
坍缩至奇点。没有任何进入那个区域的东西可以幸免，至少在这个简单的例子中是如此
。视界是一个有去无回的转折点。
1971年约翰.阿奇贝尔德.威勒（John Archibald Wheeler）命名这样的事物为“黑洞”
，因为光无法从中逃逸。基于许多证据，天文学家有许多他们认为可能是黑洞的候选天
体（其证据是：它们的巨大质量可以从其对其他物体的相互作用中得到；并且有时它们
会发出X射线，这被认为是正在坠入其中的物质发出的）。但我们这里所讲述的黑洞的性
质纯属理论，它们基于广义相对论──一个目前尚被证明为正确的理论。