黑洞的性质

黑洞的性质

研究黑洞的性质，有助于我们同时理解大爆炸奇点，因为他们之间实在是太相似了。广义相对论预言，运动的有质量的物体（光子等轻子是没有静止质量的）会导致引力波的辐射，它是以光速传播的空间——时间的涟漪。如同物体辐射出的光子带走了它们的能量一样，物体辐射出的引力波同样将带走它们的能量，因此物质系统将最终会趋向于一种稳定的状态。这好像往池塘里扔一块木头，使水面产生涟漪。涟漪将木块的能量带走，使木块最终平静下来。地球围绕太阳公转而产生的引力波使地球能量损失，其轨道逐渐改变并最终落到太阳上，只是这种能量损失极小，要过一千亿亿亿年才会相撞。当恒星坍缩成黑洞时，运动会快得多，这时能量的损失也快得多，所以坍缩过程将很快达到不变的状态。这种不变的状态是如何的呢？由于坍缩之前的恒星的状态是多种多样的，包括它的物质形态、质量、旋转速度及恒星内部的复杂运动等等，似乎对坍缩的最终状态很难作出预言。加拿大科学家外奈·伊斯雷尔在1967年的研究非常出人意料。他指出：“根据广义相对论，不旋转的黑洞必须是非常简单的、完美的球体，其大小只依赖于它们的质量并且任何两个不旋转的等质量黑洞必定是完全相同的。”最初，包括伊斯雷尔在内的许多科学家认为，既然黑洞只能是完美的球形，那么黑洞应该由具有完美球形的物体坍缩而成。然而任何恒星都不是完美的球形，所以黑洞只能坍缩为一个点。而罗杰·彭罗斯等人提出了另外一种解释：恒星坍缩的快速运动释放出来的引力波使恒星越来越接近球形，当它最终达到静态时，就成为精确的球体。因此，“任何不旋转的恒星，无论其组成物质、质量和内部结果如何复杂，在其引力坍缩后都将终结于一个完美的球形黑洞，其大小只依赖于它的质量。”这就是著名的“黑洞无毛”定理。这个观点得到了进一步的计算支持，并很快为大家所接受。与此同时，新西兰科学家罗伊·克尔计算出广义相对论中描述旋转黑洞的一族解。这些解表明黑洞以恒常速度旋转，其大小形状只依赖于它们的质量和旋转速度，旋转速度越快，黑洞的赤道部分就越鼓（这和地球、太阳等星体是一样的）。如果旋转为零，黑洞就是完美的球体。伊斯雷尔的发现其实就是克尔解中的特解。“黑洞没有毛”意味着，物体复杂的和大量的特征信息在形成黑洞的过程中损失了。

1963年发现了一个暗淡的类星体红移。这个红移是如此之大，如果看做是引力红移的话，那么它的质量应该很大，而且离我们很近，因此会干扰太阳系的行星运动。所以它只能是宇宙膨胀引起的红移。红移很大则说明它离我们很远。如果在这么远的距离还能被我们观察到，那么它一定非常亮，也就是说它必须辐射出大量的能量。这么大的能量不可能仅仅是一个恒星发出的，它很可能是一个星系整个中心区域的引力坍缩。人们发现了很多这样的类星体，但它们都离我们非常远，由于很难观测而不能为黑洞提供结论性的证据。1967年中子星的发现为证明黑洞的存在带来了鼓舞。因为中子星的半径约10英里，只是黑洞坍缩临界半径的几倍而已。恒星能坍缩到更小尺度应该是理所当然的。由于光线无法从黑洞中逃逸，因此观测黑洞有些像在漆黑的夜里寻找黑猫。但值得庆幸的是，黑洞的引力效应仍将作用到其临近的星体上。人们观测到一些伴星系统是由一颗可见恒星和一颗不可见恒星互相围绕旋转组成。

这类系统中有一些是强X射线源。对这种现象最好的解释是，物质从可见星的表面被吹起来并落向不可见的伴星，这些物质在强大的引力作用下发展成螺旋轨道（如同水从浴缸中流出的情形），同时变得非常热而发射出X射线。这颗不可见伴星必须小到像白矮星、中子星或黑洞那样，才能引发上述机制。“天鹅X－1”就是这样一个伴星系统。通过对其可见星轨道的研究，科学家们推算出了不可见星的最小质量——大约是太阳的6倍。按照强德拉塞卡的结果来看，它只能是一个黑洞。宇宙漫长的岁月中，许多恒星应该已经耗尽了燃料并且坍缩了。黑洞的数目甚至比可见星还要多得多。以我们的银河系为例，巨大数量的黑洞的额外引力就可以解释为何银河系会有如此的转动速率，仅考虑可见星的质量是不足够的。

某些证据说明，银河系中心有非常巨大的黑洞，其质量大约是太阳的10万倍。

恒星若是太靠近这个黑洞，它近端和远端的引力差就会将它撕开，并被黑洞吸引而落到上面去。虽然落到黑洞上的物质没有像“天鹅X－1”那样热到发出X射线，但可以用来说明在银河系中心观测到的非常紧致的射电源和红外线源。在类星体的中心被认为是质量更大的黑洞，大约是太阳质量的1亿倍。当物质旋转落入黑洞时，它将使黑洞向同一方向旋转，使黑洞产生强大的类似地球的磁场。落入黑洞的物质会产生高能的粒子，它们在黑洞强磁场的作用下聚焦，形成沿黑洞北极和南极方向向外喷射的粒子流。在许多星系和类星体中我们观测到了这种射流。

也可能存在着比太阳质量小得多的黑洞。它们由于低于强德拉塞卡极限而不可能由引力坍缩形成，只能由巨大的压力压缩而成。在早期宇宙的高温高压条件下会产生这样的小黑洞。一个质量在10亿吨（一座大山的质量）的太初黑洞可以由于对其他可见物质的影响而被观察到。

迄今为止，已知的X射线双星系统最亮者达到太阳光度的100万倍程度，M82星系发现的X射线天体在此基础上又增高了10倍。由此估计这个黑洞的质量约为太阳的460倍到最大为1亿倍。总之，这个黑洞的质量很可能远远超过了太阳。

这说明，在M82星系发现的是待确认的黑洞，而不单纯是超新星爆发后残存物。

由于大爆炸和黑洞奇点是如此的小，以至于其尺度趋向于零，所以科学家们不得不考虑其量子效应。在使用量子力学的理论对黑洞进行分析时，黑洞令人完全意想不到的性质被逐步揭示出来。我们将会看到，我们生活的宇宙比我们想象的还要神秘，而且十分完美。

1970年，霍金博士意识到并且成功证明了“黑洞边界定理”——当有物质落到黑洞中，或两个黑洞相撞并合并成一个黑洞时，新黑洞的“事件视界”面积将大于或等于原先黑洞“事件视界”面积的总和。

霍金博士为此发现激动不已，并认为是自己值得骄傲的几个发现之一。

相信一定有人会问：“1＋1＝2离奇在哪里？”我们不要忘记黑洞的特殊性质。

黑洞是一个区域，从黑洞中发出的光所能到达的最远距离就是黑洞最外层的边界，也就是事件视界。掉进黑洞中的物质再也没有任何信息能被我们所观察。在经典的定义中，黑洞是一个极为特殊的区域，我们所观察到的现象是“0＋1＝0”，掉进黑洞的物质犹如进入了另外一个世界般地彻底消失。

因此黑洞边界不减的发现有重大的意义。

用热力学来分析一下就会更清楚了。

热力学第二定律指出：“一个孤立的系统的熵总是增加的，并且两个系统合为一个系统时，其合并系统的熵大于所有单独的熵的总和。”（熵就是物质运动的无序度、混乱度）例如有个被中间的一个挡板分割为两半的密封盒子。盒子的左半部充满空气，右半部真空。当抽去挡板后，气体分子会均匀地充满整个盒子。

由于气体所占的体积增大了，它的无序程度也就增加了，我们说气体的熵增加了。

如果盒子的左半部充满氧气，右半部充满氮气。当把挡板抽去后，两种气体将均匀地混合并充满整个盒子。这种状态比原先分开的气体的状态更无序，熵也增大了。

我们不妨设想，如果这些气体落到了黑洞里，由于我们无法测量到黑洞中的状态，只能认为黑洞没有熵，那么黑洞外界的总熵就会减小，换句话说，宇宙的总熵减小了。这无疑使体系严密而完整的热力学十分尴尬。我们固然可以说，将黑洞里的熵也考虑进去的话，宇宙的总熵并没有降低——但我们需要一个标志黑洞熵的物理量。

黑洞事件视界不减的性质使我们不禁联想到，事件视界面积就是黑洞的熵。

虽然两者之间有很多相似之处，但是将两者等同起来还有一个致命困难：任何一个具有熵的物体都将有温度——假如黑洞有熵的话，也将不能例外；而且有温度的物体必然向外发出辐射。这与黑洞的定义显然矛盾。

前苏联两位科学家雅可夫·捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基在1973年根据量子力学的不确定原理计算出，旋转黑洞应产生并向外辐射粒子。同年，霍金计算出即使是不旋转的黑洞也以不变的速率产生和辐射粒子，而且令人惊奇的是，黑洞辐射出的粒子谱刚好是一个非常准确的热谱（热的物体辐射的谱），显示着黑洞正以严格的速率辐射粒子以保证热力学第二定律不被违反。霍金等人的研究使大家看到，黑洞具有有限的熵，因为它能以一个不为零的温度保持热平衡，而这个熵恰恰就是黑洞的事件视界面积！

经典物理学中定义黑洞不能向外发出辐射，而量子力学却允许粒子从黑洞中逃逸出来，这种现象如何解释呢？霍金作了如下解释来帮助人们理解。

由于量子力学的不确定性原理指出，粒子的位置和速率不能同时被测出（爱因斯坦所谓的“上帝在掷色子”），因此我们的宇宙空间不能是“真空”，否则就意味着引力场和电磁场等必须恰为零，那么它们的数值和时间变化率将同时被固定为零，这违反了“测不准原理”。既然场不为零而且“测不准”，那么场的数值就会有一定的起伏，人们将这些量子起伏理解为光或引力的粒子对。它们同时出现并互相离开，然后又互相靠近而湮灭（这种量子起伏已经被实验精确地证明）。

这对正反粒子中一个粒子的能量为正，另一个能量为负，其能量和为零，以遵守“能量守恒定律”。如果这对粒子恰好在黑洞的边缘出现，其中一个粒子落入黑洞里，另一个粒子由于找不到相互湮灭的“伴侣”而获得自由逃逸出去。对于在远处的观察者来说，这就像是从黑洞中辐射出来的一样。

我们知道，一个物体越靠近引力场的中心，它的能量就越小，因为远处的物体需要花费更大的能量来抵抗吸引力，尽管如此，物体的能量仍然是正的。而黑洞的引力场是如此的强，以至于落入它里面的粒子的能量变为负值，这就使黑洞的总能量减少。根据爱因斯坦著名的质能方程E＝mc²，落入黑洞的质量由于能量的减少而减少，黑洞的事件视界面积随之减小。从黑洞外观察，黑洞辐射产生的熵补偿了物质落入黑洞而减少的熵；从整个宇宙的范围考虑，质量守恒、能量守恒及热力学第二定律均被不折不扣地遵守着。

由于黑洞质量越小，其引力场就越小，粒子逃逸的过程就变得越容易，因此黑洞粒子的发射率和其表观温度就越大。黑洞向外辐射粒子导致黑洞质量减小，进一步导致了辐射速率和温度的上升，因而黑洞的质量就减小得更快！当黑洞的质量变得极小的时候，它将在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射中结束自己的历史！

具有太阳质量的黑洞只有千万分之一度的绝对温度，这要比2．7K的宇宙微波辐射温度低得多，所以这种黑洞的辐射小于吸收。如果宇宙永远膨胀下去，微波辐射的温度最终将减小到比这种黑洞的还低，黑洞就将开始损失质量。它的温度实在太低了，以至于需要一百亿亿亿亿亿亿亿亿（1的后面跟66个0）年才蒸发完，这远大于宇宙的年龄了！一个10亿吨的太初黑洞的尺度只有10的负13次方厘米的半径（质子的尺度），它的寿命大体和宇宙相同，而比这质量还小的黑洞已经蒸发完毕；比它稍大的黑洞仍在发射着X射线或伽玛射线，其能量相当于十个大型核电站的功率。不管你相不相信，这些黑洞并不黑，正相反，它们是白热的！

科学家们计算出，每立方光年中又大约300个太初黑洞。由于它们辐射出的伽玛粒子极少，因此观测它们十分困难。