黑洞仅仅是一个突变面

“黑洞”是科学家给一类宇宙现象所起的名字。而黑洞到底是怎么回事，为什么会出现，就没有人真正说清楚过。

早在1799年法国著名学者拉普拉斯曾基于牛顿引力理论指出：具有一定质量的恒星当其半径R小于某个特定数值，则恒星表面所辐射的光将不可能传到无限远处，从而远处的观测者就不能观测到这类恒星。现在人们常把它作为黑洞观念的萌芽。有趣的是，广义相对论引出的史瓦西黑洞的史瓦西半径Rs与拉普拉斯指出的数值完全符合，但从所表述的形式上分析起来，在本质观念上却存在着很大的区别。按照广义相对论目前流行的观点认为：物质的分布决定了时空的性质，而当满足黑洞条件时，球状对称无旋转的物质分布情况下，时空会有一个特殊的区域，在那里光和其他 （亚光速）粒子都只能单向地向引力源下落，而不可能静止或向外运动。恒星物质本身一旦达到此条件也只能不断收缩而变成密度为无穷大的奇点。这种特殊的时空区就叫做黑洞。

关于奇点的研究在广义相对论中是一个十分棘手的问题，而现代广义相对论的很多理论和观测的问题，往往都涉及广义相对论的奇点的本质问题。因此，对奇点本质的研究，必将影响广义相对论甚至整个物理学的未来发展。20世纪60年代以前，广义相对论几乎被表达成在单独坐标系统下的一堆繁杂的非线性偏微分方程。人们为找到一个精确解而兴高采烈，而很少顾及解的物理意义。以后由彭罗斯和霍金的倡导转到奇点和黑洞的经典理论研究。而在量子化引力理论的研究上他们又分道扬镳了。

时间和空间的拓扑变化导致了严重困难，正如克鲁斯卡对史瓦西解的处理那样，所谓非本性奇点可以通过坐标变换被消除，而彭罗斯的宇宙监督假设又认为宇宙中不可能存在裸奇点！于是奇点给经典广义相对论所带来的麻烦几乎全回避了。

但从数学观点来看，每个数学分支都会有奇点的概念。奇点未必不好！它或许为整体结构提供了极有价值的信息。莫尔斯理论就是极好的例子。然而目前几何中仍没有关于奇点的完整理论，它必然影响到称为几何动力学的广义相对论。

我们在前面介绍了莫尔斯引理，它是基于由描述体系的方程组的雅可比矩阵的行列式是否为零来将通常的点划分为正则点和非正则点；而对于非正则点可进一步用黑森矩阵的行列式是否为零将其分为退化奇点和非退化奇点。对于退化奇点函数可用莫尔斯鞍近似表述。通常莫尔斯鞍就是具有号差的二次形。莫尔斯理论指出：只有正定的二次形是稳定的。对照相对论的闵柯夫斯基度规我们立即可得出结论：狭义相对论本质上是处理的一个不稳定结构！这一点实际上可由光锥的特征反映出来。数学上人们曾尝试将罗仑兹度量解析延拓到黎曼度量发现，即使在黎曼度量非奇异时，许多经典解也带有奇性。这很可能是理解广义相对论奇性的一条好途径。

在爱因斯坦的相对论中，由于度规限于二次形 （平坦的闵柯夫斯基度规和弯曲的伪黎曼度规）因此我们没法利用莫尔斯理论去研究它的奇点的性质。而利用芬斯勒时空结构情况就大不一样了！

首先，由于芬斯勒结构F（x，y）对于y的欧拉齐性的要求使得希尔伯特形式对y的雅可比 （或梯度）一定为零，因此芬斯勒几何在切空间一定存在某个临界点。而当F2对y的黑森为零时一定会发生某种突变。但这个黑森就是度规张量，因此从相对论观点来看这个黑森为零就是度规ds2为零，也就是描述光锥或视界。换句话说，如果用芬斯勒时空结构来表述相对论，它不仅能完全包含爱因斯坦相对论的全部内容同时还进一步揭示了光锥和视界的突变性质。通过突变物质运动可以在类时类空和类光间发生转化，有如正反粒子对的产生或湮灭。

现代物理理论中，为了得到静质量不为零的规范粒子，常常借助于对称性破缺的观念，它在很大程度上重新招回了早为狭义相对论抛弃的 “以太”。这里的讨论表明，如果人们可以接受将芬斯勒时空作为构造物理学理论结构的基本框架，那么由之引入的时空突变就很自然地概括了对称性破缺的概念。它恰如当年的时空收缩代替了以太的奇怪性质一样。

2005年1月，钱德拉望远镜捕获了黑洞喷射出的气体产生的X射线，从而确定了黑洞的存在。研究人员相信喷射已经持续了1亿年，产生的能量相当于数以亿计的伽马暴。当大量的物质被黑洞吞噬后，引力的能量释放促成了喷发。研究还发现大量气体被黑洞以超音速抛出近100万光年远。这部分气体的质量相当于10000亿个太阳的质量，比我们的银河系所有的恒星加起来还多。2010年，美国宇航局公布观察到的六个最极端的黑洞图片。这些图片表明：黑洞是由超新星爆炸留下的残余物质形成的。美国宇航局有一台威力空前的X射线波段观测设备 “钱德拉塞卡X射线空间望远镜”，2011年9月，科学家们使用这台X射线空间望远镜，首次发现了在一个和我们银河系类似的旋涡星系中存在一对超大质量黑洞。这一对黑洞距离地球约1.6亿光年，是迄今发现的距离我们最近的 “几乎就在我们鼻子底下”的天体现象。

从恒星演化理论的观点出发，天文学家都认为，一个黑洞的产生，是由于遥远宇宙内的一颗具有足够大质量恒星爆炸死亡后留下的遗骸。2011年9月，天文学家们观察到，一颗类太阳恒星因为被潜伏在远方星系内的80亿倍太阳质量的黑洞 “消化吸收”而死亡的。令人深思的是，黑洞潜伏在远方星系内并没有动，而向它移动的是那颗大质量恒星。“雨燕”伽马射线卫星观测到，类太阳恒星靠近黑洞，黑洞强大的潮汐力不断扭曲恒星并最终撕裂它，破碎的恒星里的生命完全没有逃生的希望。

有趣的是到了2013年，科学家们发现吞噬一切的黑洞开始转换角色，从宇宙杀手变成了孕育新星的母亲。这实在太不可思议了！科学家们宣布，在我们银河系的中心，已经有证据显示超大质量黑洞不再是宇宙的破坏者，而是正在其周围 “创造”着宇宙的新天体。听起来像是神话故事，但却是由科学家眼睛看到的。

2014年1月，美国天文学家借助太空望远镜，发现了一片非常奇特的区域：那里密集地聚集着数百个黑洞。黑洞密集区的发现使得科学家们相信，宇宙中黑洞的实际数量可能要比先前的估计值多1～2倍。通过红外望远镜对上述部分星系开展的初步分析显示，其中有大约200个星系表现出了反常的强红外辐射。而 “钱德拉望远镜”则记录到了猛烈的X射线喷发现象。所有这些信息都说明，在这些星系中有可能存在着大量的黑洞。

2014年8月，俄国天体物理学家公布了一则关于超大质量黑洞“吃掉”恒星的调查发现，在分析了近20年的观测数据后，科学家发现三起黑洞吞噬恒星的 “宇宙事件”。报告说，当一颗恒星轨道穿过黑洞的引力控制范围时，强大的潮汐力会将恒星撕成碎片，这一幕发生时，恒星上的物质会被剥离，形成丝状结构送入黑洞的吸积盘方向，最终被黑洞吞噬，黑洞在吸积恒星后质量开始增加，并在两极附近释放出强大的喷流，似乎在向外界炫耀自己又已经吞噬了多少质量的物质。

2015年4月，科学家发现，尽管银河系中央的黑洞具有恐怖的引力场，可将 “路过”的恒星吸积吞噬，但是科学家发现，居然有恒星可形成于黑洞周围的阴影中！也就是说2014年公布的调查并不是固定不变的现象，而不过是2014年的某个时刻发生的事情而已。最新的观测确认，银河系中央黑洞的质量接近400万倍太阳质量，其周围却发现了明亮的大质量恒星，在黑洞周围两光年的位置上，不但有新的恒星系统诞生，同时还演化出行星世界。哇，“黑洞”真像一个扮演 “变脸”的川剧演员。

上述的天文观测特征，表面上看来难以理解，其实黑洞的这些多变的脾气，恰好支持了我们关于黑洞是一个突变面的理论，在黑洞的视界面有各种物理及时空几何性质的突变，诸如吸引和排斥、超光速和亚光速之间的转换和分裂。以致使黑洞一会表现为无情吞噬周围恒星的 “魔王”，一会成了孕育新恒星的 “温床”！