神秘莫测的黑洞

黑洞的结构是很简单的，可用“黑洞无毛”来形容。这是说，黑洞只需3个物理量，即质量、电荷和角动量。可见，如果知道了黑洞的质量、角动量和电荷，也就知道了它的一切。黑洞的大多数术语出自美国物理学家惠勒，他曾把黑洞的这种特征称为“黑洞无毛”。

根据黑洞本身的物理特性，即质量，角动量和电荷划分，可以将黑洞分为4类。

不考虑角动量和电荷的黑洞，它的时空结构于1916年由德国物理家史瓦西（1873～1916）求出，故而称为“史瓦西黑洞”。

不考虑角动量、但带电的黑洞，称为R-N黑洞。时空结构于1916～1918年由赖斯纳和纳自敦求出。

有角动量且不带电的黑洞称为克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

一般的黑洞则称为克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。

当超新星爆发后，它的“残骸”并非都形成中子星。如果恒星质量足够大，引力大到连中子也会被压碎，使恒星的半径小于史瓦西半径，就会形成一个黑洞。

形成黑洞的质量要使塌缩的内核质量超过3.2倍太阳的质量。

黑洞是大质量恒星走向死亡的另一种“残骸”。黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程，恒星在自身重力的作用下迅速向核心收缩，并发生强烈爆炸。超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的2～3倍，它就继续塌缩，最后成为一个体积无限小而密度无穷大的奇点，并从人们的视野中消失。围绕着这个奇点有一个边界，被称为“视界”，这个区域的半径称为“史瓦西半径”。任何进入这个区域的物质，包括光线，都无法摆脱这个奇点的巨大引力而逃逸，它们就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。

当核心物质都变成中子时收缩过程就停止，并形成一个极为致密的星体，同时也大大压缩了内部的空间和时间。形成黑洞后，由于恒星核心的质量大到使收缩无休止地进行，形成一个密度高得难以想象的物体。甚至使得任何靠近它的物体都会被它吸进去，最终形成了黑洞。这个“黑”字是说黑洞就像太空中的“无底洞”，任何物质一旦掉进去，就再不能逃出。

黑洞是人们无法直接观察的，其原因是弯曲的时空。对于普通恒星来说，恒星的时空弯曲使光线的路径改变了，光在恒星表面附近会向内偏折，在日食时可以看到这种偏折现象。当该恒星塌缩时，导致时空极度弯曲，光线向内偏折得也更厉害。由于黑洞使光线几乎逃不掉了，也就没有光线到达人的眼睛，那里只能是一片黑暗。

黑洞

宇宙中大部分星系，包括我们居住的银河系的中心都隐藏着一个超大质量的黑洞。这些黑洞的质量大小不一，有的质量相当于大约100万个太阳质量，还有的质量相当于大约100亿个太阳质量。美国加州大学伯克利分校的一个研究小组，曾发现了两个黑洞，这是到目前为止科学界发现的最大的黑洞了。它们位于银河系的中心地带，距离地球约2.7万光年，每个质量都达到太阳的100亿倍。

黑洞周围聚拢的气体产生辐射，这种现象被称为吸积。高温气体辐射会严重影响吸积流的特性。当吸积气体接近黑洞时，所产生的辐射对黑洞的自转极为敏感。

著名的英国物理学家斯蒂芬·霍金利用广义相对论和量子力学研究黑洞。根据广义相对论，没有任何物质或者信息可以从黑洞中逃出，但是量子力学允许一些例外（在特定条件下物质发生“隧道”现象，物质能够通过一条假想的隧道穿过障碍）。黑洞的存在被绝大部分天文学家支持。霍金是受灵感的启发，他运用广义相对论和量子理论，他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。

1973年，霍金和卡特尔等人严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定”。即当黑洞形成之后，只剩下这3个不能变为电磁辐射的量，其他的“毛发”都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。

黑洞也会发出强烈的光，体积也会缩小，甚至爆炸。当斯蒂芬·霍金做出这个预言时，整个科学界都为之震动了，大家觉得这个预言太不可思议了。霍金把广义相对论和量子理论结合起来后，他发现，黑洞不断地向周围释放着能量，消耗着黑洞的能量和质量。当黑洞的质量越来越小时，它的温度却越来越高。当黑洞损失质量，它的温度和辐射就增加，这使它的质量损失得更快。这种辐射被称为“霍金辐射”。对大多数黑洞来说“霍金辐射”可忽略不计，大质量的黑洞辐射很慢，但小黑洞则不同，它会以极高的速度辐射着能量，甚至引起黑洞的爆炸。

假设一对粒子在任何时刻、任何地点被创生，被创生的正粒子与反粒子，如果这一创生过程是在黑洞附近就会发生两种情况，即两粒子湮灭或一个粒子被吸入黑洞。当一个粒子被吸入黑洞时，在黑洞附近创生的另一个反粒子会被吸入黑洞，正粒子会逃逸。由于能量不能凭空创生，假设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的运动可以视为一个正粒子相反的过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的公式E＝mc2表明，能量的损失会导致质量的损失。

霍金还证明，每个黑洞都有一定的温度，温度的高低与黑洞的质量成反比例。也就是说，大黑洞温度低，蒸发微弱；小黑洞的温度高蒸发也强烈，剧烈的爆发。一个太阳大小的黑洞，大约要1066年才能蒸发殆尽；一颗小行星大小的黑洞在10-21秒内就会蒸发得干干净净。

对于黑洞的研究，在许多年天文学家的努力下，终于成功观测到黑洞。但是，科学家不满足于只是被动观测，而是试图在实验室内来造一个黑洞，以从实验上研究它。2005年3月，美国科学家制造出了第一个“人造黑洞”。在美国纽约布鲁克海文实验室，他们于20世纪90年代末建造了一台粒子加速器，将金离子以接近光速的速度对撞，并生成高密度的物质——黑洞。虽然这个黑洞的体积很小，却具有黑洞的许多特征。例如，这架重离子对撞机利用金离子相互碰撞，在实验室里产生灼热火球，它具备了黑洞的显著特性。“人造黑洞”的设想是20世纪80年代被科学家提出的。

2008年9月，欧洲的大型强子对撞机成功运行。这架大型强子对撞机也可以制造“人造黑洞”。在2009年10月，世界上第一个“可吸收微波的人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。这相当于，人们可以把这种“黑洞”装进自己的口袋里。