黑洞----比较科普的~~

卢平α

简介
基本粒子，天体演化，和生命起源是当代自然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与基本粒子，天体演化有密切关系。特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题，有助于我们深入认识自然界，因此，黑洞是本连载的重中之重。
牛顿理论也曾预言过黑洞，将光作为粒子，当光被引力拉回时，就成为一个黑洞。它与现代理论预言的黑洞不同，牛顿黑洞是一颗死星，是天体演化的最终归宿。而现代黑洞，却只是天体演化的一个中间阶段，黑洞也在变化，甚至有些变化异常激烈。黑洞可以发光，放热，甚至爆炸。黑洞不是死亡之星，甚至充满生机。黑洞是相对论的产物，却超出了相对论的范围，与量子论和热力学之间存在深刻的联系。由天体演化形成的黑洞称为常规黑洞。
1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理"：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量，角动量，电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。
由此定理可将黑洞分为四类。(1)不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。(2)不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。(3)旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。(4)一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

其中最重要的是施瓦西黑洞和克尔黑洞。因为黑洞一般不带电荷，却大都高速旋转，旋转一周只需千分之几秒甚至更小。一般来说，黑洞平均密度是非常大的，但黑洞质量越大密度越小。太阳质量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米，宇
宙质量的黑洞密度却只有10^(-23)克/立方米数量级与现在宇宙密度已相差不大，因此有人猜测宇宙可能是个黑洞也不无道理。
黑洞引出了奇点困难，体积为零，密度无穷大的数学奇点应该不会在物理界出现，但是自然界中实在找不到其它的力可以抵抗强大的引力，因此，在奇点附近有可能存在至今未被发现的相互作用或物理定律阻止奇点的形成，这也是研究黑洞的意义之一。

[ 本帖最后由 卢平α 于 2006-2-26 10:56 PM 编辑 ]

卢平α

静态中性黑洞
利用牛顿理论可知，当逃逸速度达到光速时，光也无法从星球表面射出，这就是牛顿黑洞。光的波动说战胜微粒说后，牛顿黑洞被人们淡忘了，因为波是不受引力影响的。有趣的是，从广义相对论计算出的黑洞条件与牛顿理论计算出的完全相同，从现代眼光看，牛顿理论的推导犯了两个错误：(1)将光子动能MC^2写成了(1/2)MC^2，(2)把时空弯曲当成了万有引力。两个错误相互抵消却得到了正确的结论。因此静态中性黑洞的视界半径与牛顿黑洞的半径完全相同。视界就是(在经典范围内，相对论属于经典物理)任何物质都无法逃离的边界。
我们说的黑洞大小是指它的视界大小，黑洞内部其实基本空无一物，只有一个奇点。这个点的体积无穷小，密度无穷大，所有的物质都被压缩到这个点里。先前我们说过，奇点可能不存在，我们把它当很小的点就可以了。我们来看黑洞吞噬物质的场面：假设两艘飞船里分别有两个人A和B，A远离黑洞，B被黑洞吸引。在B看来，它不断的接近黑洞，不断的加速，以接近光速的速度穿过视界，又以极短的时间撞向中心奇点，被压的粉身碎骨，连原子核都被压碎。在A看来，他看不到B的真实过程，他看到B先加速后减速最后停在视界处，逐渐变暗，最终消失。A看到的只是B的飞船上外壳发出的光的行为，B的真实部分早在A不知不觉中撞向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀，使A看到的速度变慢甚至接近零了。A看到的光停在视界上并不与光速不变原理相矛盾，光速不变原理指的是在四维时空中，光走过的四维距离是零。当时空平直时，三维光速是个常数。时空弯曲时，三维空间中光会偏折。在视界处，时空极度弯曲，无穷远处的观察者看到的光速是零。但在视界附近看到的光速还是光速，因为在小区域内时间进度是相同的。光速不变不是简单的指无论在什么情况下光都是所谓的匀速直线运动。不过三维空间中任何物质的速度都不超过光速目前仍是正确的。
通过坐标变换，可以得到宇宙的克鲁斯卡时空，它将全时空分为四个对称区域。奇怪的是我们的宇宙似乎只占两个区域，其中1区是我们普通的宇宙，2区是黑洞视界内的宇宙，3区是一个与我们的宇宙对称的宇宙，通过虫洞与我们的宇宙相连，只是这种虫洞只有超光速信号才能通过，光与普通物质无法通过这种黑洞的虫洞进入另一个宇宙。4区是白洞视界内的宇宙。可以说黑洞理论预言了白洞和另一个宇宙。白洞和黑洞相反，经典范围内是个只出不进的天体，它也符合物质不灭定律，它吐出的物质是原本就存在的。方程中虽有白洞解，但不等于现实中一定存在白洞，只是有存在的可能性。霍金等人证明，小黑洞与白洞不可区分。有人猜测黑洞和白洞可以相互转化，白洞喷发的物质来自黑洞吞噬的物质，甚至宇宙的原始大爆炸就是白洞喷发。按大爆炸标准模型，宇宙最可能的结局是物质收缩为原初奇点。全宇宙的物质收缩为一个点，在这样的极端条件下有可能存在黑洞向白洞转化的条件，从而引发下一轮宇宙大爆炸。

带电黑洞
带电黑洞又称R-N黑洞，它与不带电黑洞的区别是，它有两个视界。落入黑洞的飞船，一旦穿过外视界，就不可抗拒的穿越内外视界间的空间，但穿过内视界后，飞船将自由的飞翔。在那里飞船不至于落到中心奇点上。在奇点附近有巨大的天体引潮力，会把包括飞船在内的所有物质全部撕碎。不过飞船可以避开奇点。后来研究表明，飞船根本不可能靠近中心奇点，只有光才可以抵达那里。任何有静质量的物体都不能在有限时间内到达奇点。进入内视界之后，还可以从另一个宇宙中的白洞穿出，进入另一个宇宙。这就是带电黑洞的虫洞。这类虫洞是可以穿越的，也就是说我们有可能进入另一个宇宙。
如果不断增加R-N黑洞的电荷，将出现内外视界合二为一的局面。这时的黑洞称为极端R-N黑洞。如果再对极端黑洞加一点电荷，则视界消失，奇点将裸露出来，产生"裸奇异"现象。按目前的观点，奇点不属于时空，那里的性质完全不确定，裸奇点往往会向外发出不确定信息，导致时空和物质演化完全不确定。为了避免这一现象的出现，彭若斯提出了宇宙监督假设：存在一位宇宙监督，它禁止裸奇异的出现。只要把奇点用视界包起来，它发出的不确定信息就不会跑出黑洞，因此不会影响宇宙的演化。但是在内视界内部，进入黑洞的人仍可能看到奇点，仍会受它们的奇异性的影响。彭若斯改进他的宇宙监督假设，认为内视界内部的时空是不稳定的，在微扰下它会"倒"在内视界上阻止飞船进入这类区域。最近的研究表明，内视界内部的确有不稳定的倾向。因此，如果他的假设成立，这类虫洞仍是不可超越的，我们仍然不能进入另一个宇宙。但是，"宇宙监督"究竟是什么?这就像当年不了解大气压强而提出的"自然界害怕真空"一样，提出"自然界害怕奇点"。在物理学上没有解决任何问题。如果假设正确，它必定是一条物理定律。也许是我们还不知道的一条定律，但更可能是我们已经知道的一条定律。随着黑洞热力学的深入发展，物理学家们已经越来越肯定，宇宙监督极有可能就是热力学第三定律：不可能通过有限次操作将温度降到绝对零度。

旋转黑洞 
旋转黑洞又称克尔黑洞，它有两个视界和两个无限红移面，而且这四个面并不重合。视界才是黑洞的边界，是指任何物质(经典物理范围内)都无法逃脱的边界。无限红移面是指光在这个面上发生无限红移，即光从一个边界射出后发生引力红移，红移后的频率为零。这一边界就是无限红移面。先前没有提到是因为施瓦西黑洞和带电黑洞的视界和无限红移面是重合的，但是克尔黑洞并不重合，两个无限红移面分别在内视界内部和外视界外部，它们与视界所围成的空间分别叫做内能层和外能层。由于视界才是黑洞的边界，因此外能层不属于克尔黑洞，只能算作黑洞的附属部分。它们很像一个鸡蛋，克尔黑洞是蛋黄，外能层是外面包围的一圈蛋清。在一定条件下，外能层中的物质可能穿出无限红移面进入外部世界。彭若斯证明在特定条件下，能量较低的粒子穿入能层后，可能从能层中获得能量，穿出时有较高的能量。这就是彭若斯过程。通过此过程反复操作可以提取黑洞的能量，使能层变薄。这些能量是黑洞的转动动能。能层变薄，黑洞转动动能减少。当能层消失后，克尔黑洞退化为不旋转的施瓦西黑洞，因此不能再继续以这种方式提取能量了。克尔黑洞中的中心奇异区不是一个点，而是一个奇环，就是由奇点围成的一条圆圈线。
当黑洞旋转速度加快，内外视界可能合二为一，称为极端克尔黑洞。当旋转速度再增加一点，视界消失，奇环裸露在外面。这与彭若斯的宇宙监督假设矛盾。因此在这一前提下，黑洞的转速是有限制的。当外部飞船飞入克尔黑洞时，会不可抗拒的穿过内外视界间的区域，进入内视界内部后可以在其中运动而不一定落在奇环上。而且飞船可以从这里进入其他宇宙，从另一个宇宙的白洞出来。这就是克尔黑洞预言的可穿越虫洞。可是上期曾说过，宇宙监督认为内视界内部区域不稳定，飞船可能还没有到达这个区域就已经撞向奇环了。因此宇宙监督不仅不允许我们的宇宙受奇异性的干扰，似乎也封住了一切可穿越虫洞的入口，不允许我们去发现另一个宇宙。
纽曼等人把克尔解推广到带电情况，得到了一般黑洞解。由于一般黑洞与克尔黑洞结构相似，主要性质和一些主要现象都非常类似，因此不多做讲解。米斯纳从彭若斯过程中得到启发，认为彭若斯过程没有设定物体的大小。若物体是个基本粒子，就与激光的超辐射原理非常相似。这是受激辐射。爱因斯坦研究原子发光时，提出过存在受激辐射的同时一定存在自发辐射，通俗点讲就是原子发光。因此米斯纳提出黑洞存在自发辐射。后来研究表明，黑洞的确可以通过量子隧道效应辐射粒子，这部分粒子将带走黑洞的能量，角动量，和电荷。最终克尔黑洞，R-N黑洞和一般黑洞退化为施瓦西黑洞。施瓦西黑洞似乎仍是一颗只进不出的僵死的星，仍是恒星的最终归宿。然而霍金打破了僵局，发现了一切黑洞(包括施瓦西黑洞)的共同性质，施瓦西黑洞仍是不断演化的。 

卢平α

黑洞力学四定律
贝肯斯坦和斯马尔各自独立发现了黑洞各参量之间的一个重要关系式，发现黑洞的静止能，转动动能，电势能三者之间存在相互转化关系。这一公式与热力学第一定律表达式非常相似，而且表达的内容也是能量守恒定律。这一公式被称为黑洞力学第一定律。
在热力学中我们知道，并不是所有满足能量守恒的过程都可以实现，只有同时满足第二定律：封闭系统的熵不能减少这一条件才可以实现。熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理。实践证明，只要忽略这一原理就会不可避免的遭到失败。1971年，霍金在不考虑量子效应，宇宙监督假设和强能量条件成立的前提下证明了面积定理：黑洞的表面积在顺时方向永不减少。真实的时空都满足强能条件，即时空的应力不能太小，由一个公式描述。两个黑洞合并为一个黑洞面积增大，因此可以实现。但一个黑洞分裂为两个黑洞，面积减小，因此即使满足能量守恒也是不可能实现的。在面积定理约束下，两个等质量黑洞合并，若面积不变可以放出约30%的黑洞能量。面积定理很容易使物理学家们联想到第二定律的熵，它是唯一显示时间箭头的物理定律。贝肯斯坦等人通过黑洞的微观分析，认为黑洞的确存在与面积成正比的熵。面积定理是热力学第二定律在黑洞力学中的具体体现。
先介绍一个概念：黑洞的表面引力。表面引力就是将物体放在视界处(若黑洞旋转就认为物体与视界一起旋转，与视界相对静止)受到的引力场强度。一个系统存在熵就存在温度，在视界面积与熵成正比的前提下容易证明表面引力与温度成正比。前几期提到的极端黑洞证明它们的表面引力为零。也就是说，极端黑洞是绝对零度的黑洞。热力学第三定律告诉我们，不能通过有限次操作把温度降到绝对零度。因此可以存在黑洞力学第三定律：不能通过有限次操作把一个非极端黑洞转变为极端黑洞。它与彭若斯的宇宙监督假设是等价的。它是一条独立于第一定律与第二定律的公理。
热力学还有个第零定律：如果物体A与B达到热平衡，B与C达到热平衡，则A与C也一定达到热平衡。如果类比正确，应该指望黑洞存在一条类似的第零定律。目前已经证明稳态黑洞表面引力是一个常数。人们把这一结论称为黑洞力学第零定律。
因此，黑洞表面引力相当于温度，表面积相当于熵。如果是真温度，黑洞就是个热力学系统，应该存在热辐射，但通常对黑洞的理解是一个只进不出的天体，不会有热辐射。因此1973年前霍金等人强调，黑洞温度并不应该看作真正的温度，因此上述定律没有被称为黑洞力学斯定律。然而1973年霍金发现，黑洞存在热辐射，上述四定律的确就是热力学四定律。  

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霍金辐射
1973年，霍金做出重大发现，他证明所有黑洞都有热辐射，其辐射谱是标准的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理，辐射过程中黑洞面积会缩小，质量也会减小。但仍然服从热力学第二定律，因为黑洞的熵虽然减小了，但辐射出的物质熵增加了。它们的和仍是增大的。到目前为止，自然界中没有任何一种力量可以抗拒黑洞附近(视界内)的引力，那么这些粒子是怎样逃出来的呢?要说明这一问题首先要从真空说起。
为解决量子力学中的负能困难，狄拉克提出了"真空不空"的思想，在泡利不相容原理基础上克服了负能困难，并预言了正电子和反物质的存在。真空并不是一无所有的状态，而是能量最低的状态。也就是说正能态都空着，负能态都被粒子填满的状态。量子力学的测不准关系告诉我们，任何可测量的实过程都必须满足测不准关系：粒子坐标不确定度与动量不确定度的乘积不能小于一个很小的常数。也就是说凡是不满足不确定度关系的粒子都是无法观测到的，我们之所以看不到真空负能粒子海中的粒子就是因为它们不满足测不准关系。正电子，反质子，****子等反粒子已相继被发现，又发现了诸如开斯米尔效应等真空边界效应，都无可辩驳的证明了负能粒子海的存在，已为物理学家们广泛接受。
延伸这一思想可得到真空涨落的概念。负能粒子海不断发生负能粒子向正能区跃迁的过程，真空中每时每刻都在发生虚粒子对的产生和湮灭，真空并不平静，是一种非常热闹的状态。虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子组成，负能粒子不能在我们的宇宙中稳定存在，在极端的时间内就会与正能粒子湮灭。但负能粒子可以在黑洞的视界内部长时间存在，这就导致了黑洞视界两侧的一种不对称，从而产生一种可观测的效应。当负能粒子落入黑洞，可以到达奇点使那里的质量减少。而正能粒子留在外面飞向远方。对于远处的观察者，他看到一个正能粒子飞过来，黑洞减少了相应的质量和电荷，因此他认为黑洞辐射出一个粒子。霍金用量子场论的方法严格证明了这种辐射的存在。
对于施瓦西黑洞，温度与质量成反比，也就是说黑洞越小温度越高。常规黑洞温度很低，接近绝对零度，霍金等人认为宇宙中不止存在常规黑洞，在宇宙大爆炸初期会产生巨大的压力，在一些局部区域会将一些物质压缩为微型黑洞，这些黑洞迅速吸收周围的物质而长大，成为10亿吨级的小黑洞。这类黑洞的特点是温度高达一千亿度，辐射功率约一千万千瓦，相当于一个特大型发电站，不仅不黑，反而是最明亮的光源，半径只有质子大小，核子数约为10^39个，与基本粒子间静电力与万有引力之比大致相等。小黑洞的寿命大约是100亿年相当于宇宙年龄。也许只是巧合，也许隐含着深刻的道理。黑洞存在负的热容，温度越高放热越多，使质量减少，从而促进温度升高，放出更多的热量，形成雪崩效应，最终小黑洞会爆炸消失，小黑洞爆炸类似于宇宙大爆炸，研究小黑洞对天体演化这一课题意义重大。