关于黑洞的论文.pdf

1、关于黑洞的论文第 1页 共 35页关 于黑 洞的 论文 .2序 言 .2黑 洞以 及相 关知 识介 绍 .4黑 洞及 其发 展的 介绍 .4黑 洞的 产生 10黑 洞结 构介 绍 .12黑 洞的 探索 方法 .14宇 宙中 的洞 16白 洞 .16虫 洞 .16几 个重 要理 论的 介绍 .19相 对论 .19量 子理 论 .21超 弦 23超 引力 和克 莱茵 卡 鲁扎 理论 23看 法、 想法 和方 法 .24对 彭罗 斯宇 宙监 督定 理的 看法 .24拓 扑看 宇宙 监督 定理 25对 宇宙 监督 定理 证明 的解 释以 及拓 展 .27视 界的 疑问 31结 尾 .3序言第 2页 共

2、 35页关于黑洞的论文 i关 键词 ：黑 洞， 时空 视界 ，宇 宙监 督定 理 提 要： 序 言黑 洞 ， 是 一个 从爱 因斯 坦建 立广 义相 对论 以后 最重 要的 物理 理论 结果 ， 也 是现 在唯 一一个 可以 统一 相对 论和 量子 理论 ， 同 时又 可以 使人 类在 对物 理极 至理 论的 探索 道路 上继 续迈 进的 一种 星体 。 黑 洞是 神秘 的 ， 但 也不 是神 秘的 。 我 的目 的就 是将 黑洞 展现 在大 家面 前 ， 让 大家 了解 什么 是黑 洞， 什么 是物 理， 什么 是物 理学 家， 什么 是物 理学 家的 教育 。既 然是 关于 黑洞 的论 文

3、 ， 那 么了 解什 么是 黑洞 ， 知 道黑 洞的 结构 以及 一些 相关 性质 是必要 的了 。黑洞的发展第 3页 共 35页黑 洞以及相关知识介绍黑洞及其发展的介绍黑洞及其发展的介绍黑洞及其发展的介绍黑洞及其发展的介绍对 黑洞 的研 究的 开端 ， 可 以分 为两 个 ， 一 个是 在牛 顿引 力时 代 ， 一 个在 相对 论引 力时 代 。在 牛顿 引力 时代 ，黑 洞的 概念 是在 18世 纪英 国约 克郡 桑希 尔教 区长 米歇 尔研 究了 围绕星 体转 动的 物体 的向 心力 和引 力公 式中 得到 的 。 但 是在 那个 时代 ， 没 有任 何人 相信 会有 什么恒 星 的 质

4、 量 会 如 此 的 大 而 体 积 如 此 的 小 。 这 种 星 体 的 密 度 是 水 的 1016倍 ！ 而 这 个 是 几 乎 无法 想象 的（ 在当 时如 此 ） 。 因而 黑洞 的构 想在 被提 出后 不久 就被 埋没 在科 学文 献的 历史 之二中 。在 爱因 斯坦 提出 广义 相对 论后 ， 史 瓦西 首先 得到 了描 述时 空的 方程 ， 也 就是 著名 的史 瓦西 方程 。 这 个方 程描 述了 一种 被称 为标 准的 恒星 模型 周围 的空 间 。 史 瓦西 方程 主要 描述 恒星外 的时 空和 恒星 内的 时空 。 史 瓦西 将他 的发 现寄 给了 爱因 斯坦 ， 爱

5、 因斯 坦对 这个 方程 高度 赞扬 ， 但 是史 瓦西 本人 却无 法听 到和 得到 关于 他的 方程 的任 何赞 扬和 应用 ， 因 为他 在不 久以 后就 在战 场上 染病 去世 了 。 惠 勒根 据这 个方 程首 先提 出了 黑洞 存在 的可 能性 ， 同 时也 拉开 了对致 密星 体尤 其是 黑洞 研究 的序 幕。黑洞的发展第 4页 共 35页爱 因斯 坦虽 然得 到了 广义 相对 论的 精华 爱 因斯 坦场 方程 ， 但 是他 本人 还是 对黑 洞抱着 怀疑 态度 。 爱 因斯 坦和 爱丁 顿这 两个 当时 科学 界的 巨人 对黑 洞十 分抵 制 ， 虽 然他 们在 推进相 对论

6、引力 理论 发展 中有 着十 分重 要的 作用 。 奥 本海 默 ， 和 惠勒 一起 是与 爱因 斯坦 、 爱 丁顿齐 名的 几个 重要 理论 物理 学家 之一 ， 对 黑洞 的看 法和 惠勒 一样 ， 认 为是 存在 的 。 于 是奥 本海默 和惠 勒分 别在 两个 地方 开始 带领 自己 的 “ 子 弟兵 ” 向 致密 星以 及爱 因斯 坦 、 爱 丁顿 对黑 洞不 可能 存在 的理 论发 动了 挑战 。补 充说 明：爱 因 斯 坦 和 爱 丁 顿 对 黑 洞 不 存 在 的 想 法 是 ： 如 果 物 体 的 引 力 迫 使 物 体 的 体积 减 小 ， 那 么 组 成 恒 星 的 原

7、子 必 定 要 被 压 缩 ， 那 么 原 子 的 核 外 电 子 就 要 被 压 迫到 比 较 内 部 的 轨 道 （ 这 个 时 候 量 子 理 论 还 没 有 发 展 出 来 ， 因 而 一 些 结 论 还 不 知道 ） ， 那 么电 子的 速度 就会 被迫 增大 。 由 于速 度极 限是 光速 ， 于 是电 子轨 道的 半径 就一 定有 一个 极限 小的 值， 那么 就不 可能 出现 引力 战胜 一切 的黑 洞。在 惠勒 和奥 本海 默率 领着 自己 的小 组研 究时 ， 钱 德拉 塞卡 率先 找到 突破 口 ， 建 立了 第一个 有史 瓦西 方程 和物 态方 程结 合得 到的 白矮

8、星的 方程 。 随 后 ， 瑞 士的 茨维 基和 德国 的巴 德首 先提 出了 中子 星的 构思 模型 ， 朗 道建 立了 描述 中子星 的理 论模 型 ， 而 奥本 海默 和他 的博 士后 塞伯 一同 验证 、 改 进了 朗道 的中 子星 模型 ， 奥 本海默 和他 的另 一个 博士 后沃 尔科 夫在 托尔 曼的 帮助 下一 同建 立了 中子 星的 标准 方程 ， 惠 勒和 他的 学生 哈里 森和 日本 人若 野一 同研 究了 中子 星和 白矮 星的 质量 限定 之间 的恒 星的 命运 。 在 哈佛 大学 数学 家贝 克霍 夫对 史瓦 西解 进行 拓展 后 ， 奥 本海 默和 他的 最特 殊

9、的 学生 斯尼 德得 到了黑 洞 ！ 而 后惠 勒也 证明 了奥 本海 默的 理论 和计 算是 正确 的 。 他 们终 于得 到了 一个 真正 意义 上的 黑洞 ！ 一 个标 准的 史瓦 西黑 洞 ！ 从 而有 力地 反驳 了爱 因斯 坦 、 爱 丁顿 在黑 洞问 题上 的保 守思 想。 虽 然 这 个 黑 洞 是 标 准 理 想 化 的 真 实 恒 星 的 实 验 室 模 型 ， 但 是 它 说 明 了 黑 洞 是 可 能 存 在的 。 奥 本海 默和 斯尼 德的 胜利 ， 鼓 舞了 许多 物理 学家 向黑 洞这 个领 域进 军 ， 开 始了 黑洞 研究的 第一 个黄 金时 期， 虽然 期间

10、 还是 被第 二次 世界 大战 打断 ，奥 本海 默也 差点 被抓 。 在 随后 的时 间中 ， 许 多更 加精 细的 黑洞 模型 从爱 因斯 坦场 方程 这个 大模 子中 被制 作了 出来 。 克 尔是 继史 瓦西 后第 二批 解开 爱因 斯坦 方程 的人 中的 一个 ， 当 然 ， 他 的研 究和 计算 是建立 在史 瓦西 的基 础上 的 。 克 尔和 史瓦 西的 区别 在于 ， 史 瓦西 研究 的是 在绝 对真 空中 完全 球对黑洞的发展第 5页 共 35页称 的 、 在 塌缩 过程 中没 有丝 毫物 质异 动 、 不 带电 荷 、 没 有丝 毫旋 转的 、 标 准理 想化 恒星 的塌缩

11、 过程 ， 以 及它 内外 时空 的场 方程 解 ， 而 克尔 在史 瓦西 的基 础上 ， 让 这个 模型 旋转 ， 从 而得到 的解 。 别 小看 这个 旋转 ， 在 黑洞 强大 的引 力下 ， 不 仅仅 要考 虑旋 转引 起的 离心 现象 ， 还 要考 虑黑 洞对 外部 时空 的拖 曳 、 对 内部 时空 的扰 动 ， 以 及相 应的 黑洞 结构 的改 变和 从而 产生 的影 响 。总 之 ， 克 尔成 功了 。 但 他不 是唯 一的 成功 者 。 在 他之 前 ， 雷 斯勒 和诺 斯特 朗姆 分别 独立地 发现 了带 电的 史瓦 西黑 洞解 。 但 是由 于种 种原 因 ， 他 们的 工

12、作 没有 得到 像克 尔黑 洞这 样的重 视 ， 直 到纽 曼将 爱因 斯坦 场方 程的 克尔 解和 雷斯 勒 诺 斯特 朗姆 解融 合在 了一 起 ， 得 到了 一 个 描 述 范 围 在 量 子 理 论 正 式 大 规 模 介 入 黑 洞 研 究 领 域 以 前 最 完 整 的 描 述 黑 洞 的 爱 因 斯坦 场方 程解 ，也 是最 符合 自然 的解 纽 曼黑 洞。在 接下 来介 绍量 子理 论和 数学 的一 个重 要分 支 ， 对 黑洞 的重 要贡 献以 前 ， 我 们先 来认 识一 下前 面提 到的 黑洞 的结 构是 什么 。史 瓦西 黑洞 ，是 一切 黑洞 的发 祥地 。它 有一

13、个视 界和 一个 奇点 。视 界 ， 是 物体 能否 回到 外部 宇宙 的分 界面 （ 视 界的 准确 定义 有两 种 ， 会 在下 文介 绍量 子理 论对 黑洞 的作 用时 介绍 ） ， 在视 界外 面， 物体 可以 离开 或者 接近 黑洞 而保 持安 全。 而在 视界 上 ， 只 有光 速运 动的 物体 可以 保持 不进 入毁 灭熔 炉黑 洞 ， 但 是连 光也 无法 从这 个面 中逃 脱了 。 如 果不 幸进 入了 视界 内部 ， 那 么你 就再 也无 法出 来或 者和 任何 人联 络了 。 你 所面 对的 将只 有一 个： 死亡 。当 然， 量子 理论 允许 你选 择如 何死 去。 此

14、 外 ， 视 界也 是时 间和 空间 属性 颠倒 的地 方 ： 在 视界 内 ， 空 间是 类时 的 ， 时 间是 类空 的 。奇 点 ， 是 黑洞 奇异 性的 来源 ， 也 就是 黑洞 中允 许相 对论 和量 子理 论同 时大 规模 作用 于同一 个物 体的 源泉 。 任 何接 触到 奇点 的物 质 （ 包 括场 ） 必 然被 奇点 摧毁 ， 被 分解 为纯 粹的 基本粒 子和 时空 单体 ， 即 使是 形成 这个 黑洞 ， 这 个视 界 ， 这 个奇 点的 恒星 ， 也 将被 它摧 毁而 不再对 黑洞 产生 任何 影响 （这 个问 题在 下文 简要 介绍 相对 论和 量子 理论 的时 候会

15、 详细 说明 ） 。好 了， 现在 来看 克尔 黑洞 。 克 尔黑 洞的 结构 比史 瓦西 黑洞 复杂 了许 多。在 克 尔 黑 洞 的 最 外 层 ， 由 于 黑 洞 旋 转 产 生 的 对 周 围 时 空 的 拖 曳 效 应 （ 伦 斯 梯 林 效黑洞的发展第 6页 共 35页应 ） ， 因为 存在 着一 个判 断物 体是 否可 以静 止于 时空 中的 静止 界面 。静 止界 面外 的物 体， 可以 通过 推进 器等 装置 在被 拖曳 的时 空旋 涡中 相对 于极 远处 的观 测者 静止 不动 ， 而 在静 止界 面内 ， 可 以断 定 ， 物 体一 定会 被黑 洞的 强大 引力 拖动 ，

16、 开 始旋 转 。 在 这个 界面 内部 ， 和 史瓦 西黑 洞一 样存 在着 视界 ， 但 是它 和史 瓦西 视界 不一 样 ， 比 它更 加复 杂 ， 因 为在 这里 ， 视 界分 为两 个 ： 内 视界 和外 视界 。 外 视界 是物 体能 否与 外界 通讯 的分 界面 （ 这 里使 用的 是霍 金对 视界定 义的 升华 ：绝 对视 界的 定义 。关 于绝 对视 界和 显视 界， 我们 会有 一个 探讨 ） ， 而内 视界 是奇 点的 奇异 性质 能否 影响 外界 的分 界面 。 也 就是 说 ， 进 入外 视界 的物 体 ， 必 定会 被吸 入奇 点 ，然 后本 摧毁 ， 但 是还 可

17、以 在达 到内 视界 以前 享受 一段 相对 “ 安 宁 ” 的 日子 ， 而 一旦 进入 了内视 界 ， 那 么任 何物 体都 会在 内视 界中 奇点 奇异 性质 的面 前屈 服 ， 在 达到 奇点 以前 便被 摧残 待尽 。在 外视 界和 静止 界面 之间 ，有 一个 相对 十分 广阔 的区 域， 叫 “ 能 层 ” 。 在能 层中 蕴藏 着黑 洞旋 转时 的旋 转能 。 从 理论 上 ， 可 以在 静止 界面 外建 立一 个空 间站 ， 然 后利 用抛 物投 射来提 取黑 洞的 旋转 能 ， 得 到几 乎无 穷尽 的能 源 （ 因 为大 型黑 洞的 寿命 几乎 可以 肯定 比质 子的 寿

18、命 长 ） 。 此外 ，在 能层 中， 由于 黑洞 旋转 带来 的拖 曳会 将时 空撕 裂， 产生 虫洞 。在 早期 引用量 子效 应来 处理 黑洞 的时 候 ， 第 一个 选择 的就 是旋 转黑 洞 ， 而 且得 到了 第一 个量 子黑 洞定 理 ：旋 转黑 洞辐 射 。 后 来在 霍金 的推 动下 成了 霍金 辐射 。 在 内视 界内 部 ， 和 史瓦 西黑 洞一 样有 一个 奇异 性质 汇聚 的地 方， 但是 不像 史瓦 西黑 洞那 样是 一个 奇点 ，而 是一 个独 特的 奇异 环 ， 一个 充满 了量 子效 应奇 异性 质的 面 ， 安 静地 平躺 在黑 洞赤 道面 上 ， 带 来的

19、 却是 彻底 的破 坏和 随机 。第 三个 典型 黑洞 ，就 是雷 斯勒 诺 斯特 朗姆 黑洞 （以 下简 称为 RN黑 洞 ） 。RN黑 洞没 有自 旋 ， 但 是带 有电 荷 。 它 和史 瓦西 黑洞 、 克 尔黑 洞在 许多 方面 相似 。 比 如对 于带 有相 反电 荷的 物体 来说 ， 它 有一 个在 视界 外的 静止 界面 ， 它 的视 界有 两个 ： 内 视界 和外 视界 。 不 过和 克尔 黑洞 不同 的是 ， RN黑 洞内 视界 和外 视界 在一 般情 况下 完全 独立 ， 而 克尔 黑洞 的内 视界 和外 视界 在黑 洞的 两极 相切 ； RN黑 洞的 两个 视界 是绝 对

20、球 形的 ， 而 克尔 黑洞 的视 界是 椭球 形的 。在 静止 界面 和外 视界 之间 也有 能层 ，但 是蕴 藏的 不是 黑洞 的旋 转能 ，而 是电 能。 RN黑 洞的 中央 有一 个史 瓦西 黑洞 的奇 点， 不是 克尔 黑洞 的奇 异环 。不 过 黑 洞并 不十 分著 名， 至少 不像 史瓦 西黑 洞那 样普 遍， 没有 克尔 黑洞 那样 出名 ，因 为在 自然 界中 ， 一 个带 有电 荷的 黑洞 会在 十分 短的 时间 内从 外界 空间 中吸 收一 定数 量的 相反 电 荷 ， 是 自 己 的 电 荷 被 严 格 控 制 在 极 限 电 量 的 10-4范 围 以 下 ， 因 而

21、 RN黑 洞 比 史 瓦 西 黑洞 还要 “ 学 术气 ” ， 所以 没有 得到 广泛 应用 和发 展。所 谓的 极限 电量 ， 和 极限 角速 度一 起 ， 分 别是 RN黑 洞和 克尔 黑洞 允许 带有 的电 量和 角速 度的 极限 值。 为什 么会 有极 限值 呢？ 是因 为内 视界 和外 视界 与它 们之 间的 联系 产生 的 。 在克 尔黑 洞中 ， 外 视界 会由 于角 速度 的增 大而 缩小 ， 而 内视 界会 随着 角速 度的 增大 而增 大 （ 想一 下 牛 顿 引 力 定 律 和 角 速 度 的 综 合 应 用 产 生 的 在 轨 道 上 运 动 的 物 体 的 受 力 变

22、 化 就 可 以 明 白了 ，不 过这 样得 到的 是近 似的 推导 ） 。 当内 、外 视界 重合 的时 候， 两层 视界 会同 时消 失， 将一 个裸 露的 奇点 展现 在宇 宙时 空中 。 而 这个 使黑 洞的 两个 视界 重合 在一 起的 极限 角动 量和 电量 ，就 是极 限速 度和 极限 电量 。 而 纽 曼 黑 洞 ， 是 克 尔 黑 洞 和 RN黑 洞 的 结 合 体 ， 性 质 可 以 模 拟 、 综 合 考 虑 克 尔 黑 洞 和黑洞的发展第 7页 共 35页RN黑 洞的 性质 得到 ，这 里就 不说 了。 在 这个 相对 论统 治一 切引 力问 题的 时代 ，许 多有 价

23、值 的定 理被 人们 发掘 了出 来。 比 如确 定是 否可 以形 成黑 洞的 索恩 环猜 想 ， 用 来确 定远 处观 测者 和恒 星观 测者 对于 恒星塌 缩的 观察 差异 的联 系的 芬克 尔斯 坦坐 标系 （参 照系 ） ， 黑洞 无毛 定理 ，引 力透 镜原 理， 黑洞 吸 积 盘 的 描 述 ， 吸 积 盘 激 流 喷 射 ， 有 一 个 黑 洞 的 双 星 X射 线 辐 射 ， 黑 洞 （ 或 者 黑 洞 和 一个 中子 星 ） 双 星引 力波 辐射 的理 论发 现 ， 黑 洞视 界电 磁场 定律 膜 规范 定理 ， 黑 洞视 界的准 确定 义（ 也是 等价 拓展 ，从 原来 的

24、显 视界 成为 了现 在的 绝对 视界 ） ， 奇点 定理 ，宇 宙监 督定 理 （ 我 们会 在下 面第 三部 分中 详细 看待 这个 至尽 还是 一个 大猜 想 ， 但 是十 分可 能是 一个 正确 的定 理的 问题 ） 等 。 这 些不 单单 是第 一个 黑洞 黄金 时代 的成 果 ， 有 的也 是第 二个 黑洞 黄金时 代的 结论 。在 第二 个黄 金时 代， 霍金 的地 位慢 慢确 立了 起来 。 在 第一 个黄 金时 代中 ， 彭 罗斯 的来 到给 物理 界带 来了 拓扑 学 ， 一 个原 本被 认为 和引 力问题 完全 无关 的数 学工 具 ， 并 且利 用这 个工 具最 终解

25、释了 黑洞 无毛 ， 一 个一 直困 扰着 物理 学者的 猜想 ；还 利用 它解 释了 奇点 是否 会存 在这 个问 题， 得到 了奇 点定 理， 同时 推动 了 BKL黑洞 的诞 生 ； 他 还和 霍金 等人 用这 个拓 扑学 的方 法结 合几 何学 证明 了宇 宙必 定诞 生于 一个 初始奇 点。 拓扑 学开 始在 相对 论引 力研 究者 中普 及了 起来 ，成 为重 要的 数学 工具 之一 。 彭 罗斯 的数 学不 单单 是拓 扑 ， 他 是一 个数 学家 ， 一 个真 正的 物理 数学 家 。 他 不但 将拓 扑引 到了 物理 中 ， 还 带来 了彭 罗斯 时空 图 ， 一 种现 在几

26、 乎所 有引 力研 究者 必定 使用 的数 学工 具 ；彭 罗斯 克 鲁斯 卡图 ，研 究虫 洞的 首选 ，还 有一 些其 他的 数学 工具 。霍 金在 第二 个黄 金时 代中 对视 界定 义 ， 是 我们 需要 知道 的对 黑洞 的描 述十 分重 要的 一个重 要思 想 ， 因 为它 还引 出了 另一 个更 加重 要的 结论 ： 黑 洞 （ 热 力学 ） 三 定律 ， 而 这个 定律 最终 带领 我们 找到 了黑 洞蒸 发， 即霍 金辐 射。 黑 洞的 视界 ， 可 以分 为两 个 ， 一 个是 惠勒 最早 提出 的视 界 显 视界 ， 而 另一 个是 霍金的 矫健 思想 的结 晶 绝 对视

27、 界。显 视界 的定 义 ， 是 光子 被拉 回到 原来 位置 的地 方 （ 这 个牵 扯到 了相 对论 引力 理论 对时 空在 黑洞 作用 下的 描述 ，在 介绍 相对 论的 时候 会介 绍到 ） 。绝 对视 界的 定义 ，是 物体 是否 可以 和外 界时 空联 系的 分界 面。 从 定义 上看 ， 一 些哲 学思 想比 较好 的人 也许 就可 以看 出不 同了 ： 显 视界 是顺 序的 ， 而 绝对 视界 是 “ 目 的论 ” 的 。进 一步 分析 可以 知道 ： 绝 对视 界的 “ 果 ” 视 界的 位置 ， 比 视界 的 “ 因 ” 物 体是否 落入 黑洞 ，先 表现 了出 来。这 个

28、就 是绝 对视 界和 显视 界的 根本 区别 ，也 是它 优越 的地 方。 显 视界 ， 在 物体 落入 黑洞 ， 即 穿过 了它 以后 ， 会 突然 地 、 毫 无征 兆地 从原 来的 位置 跃迁到 一个 新的 位置 ， 然 后安 定下 来 。 在 这个 时候 ， 它 的变 化是 不容 易理 解的 ， 而 且在 处理 “ 动态 ” 的 黑洞 （ 即 在脉 动 、 刚 形成 时候 的黑 洞 ） 碰 撞的 时候 ， 会 对引 力波 的辐 射 、 黑 洞的 位置等 问题 带来 许多 麻烦 和不 方便 。而 且物 理定 律似 乎也 不允 许这 种突 变的 发生 。 但 是对 于绝 对视 界 ， 就

29、没有 这个 问题 了 。 它 的位 置取 决于 物体 的运 动是 否会 导致 物体 落入 黑洞 ， 而 不是 物体 是否 已经 落入 了黑 洞 。 如 果一 个运 动的 物体 会落 入黑 洞 ， 那 么在 它落 入以 前 ， 绝 对视 界就 会膨 胀 ， 来 “ 迎 接 ” 这 个物 体 。 而 这种 变化 是连 续的 ， 而 且对 于那 些关 于黑 洞视 界的 问题 中， 它的 力量 是巨 大的 ，虽 然结 果在 原因 以前 出现 在了 这个 宇宙 中。 在 这个 战场 上 ， 黑 洞击 败了 彭罗 斯 、 泽 尔多 维奇 、 伊 斯雷 尔等 杰出 人物 。 其 中彭 罗斯 带来 的数 学工

30、 具曾 经使 得物 理学 上一 片光 辉 ， 最 终成 功证 明了 黑洞 无毛 定理 ， 发 现了 宇宙 监督定 理等 重要 定理 （ 可 惜他 没有 最终 证明 这个 他所 提出 的猜 想是 否真 的可 能成 为定 理 ， 但 是霍金 人从 许多 角度 对它 进行 估算 ， 证 明这 个猜 想十 分可 能是 一个 定理 ） ， 是 一个 顶尖 的数 学家 、物 理学 家 ， 伊 斯雷 尔也 是一 个数 学家 兼物 理学 家 。 泽 尔多 维奇 也是 一个 理论 物理 大家 ， 一 个黑洞的发展第 8页 共 35页思 想十 分活 跃的 人， 苏联 物理 学的 代表 。 但 是霍 金不 是所 有

31、战 场的 胜利 者 。 他 在黑 洞热 力学 这个 方面 ， 被 惠勒 的研 究生 贝肯 斯坦击 败了 。 不 过霍 金毕 竟不 是一 个平 凡的 人 ， 他 后来 在这 个战 场上 建立 了黑 洞三 定律 ， 将 黑洞和 热力 学完 全结 合了 起来 。 在 黑洞 建立 绝对 视界 的同 时 ， 他 也解 决了 黑洞 引力 辐射 的能 量多 少问 题 ， 同 时 ， 他 发现了 黑洞 视界 面积 定理 。 他 发现 这个 定理 和热 力学 第二 定律 十分 类似 ， 同 时 ， 其 他黑 洞研 究者也 发现 在描 述黑 洞性 质变 化的 时候 （比 如描 述吸 积盘 形成 的过 程中 ） ，

32、 黑洞 的变 化方 程和 热力 学的 方程 十分 相似 。 但 是这 些仅 仅被 霍金 以及 他的 同事 们认 为是 巧合 而已 。 但 是贝 肯斯 坦不 这么 认为 ， 他 在导 师惠 勒的 鼓励 下 ， 计 算了 如果 黑洞 符合 热力 学定 律 ， 视 界和 熵之 间的 一个 对应 关系 （ 惠 勒没 有帮 助他 计算 ， 这 个是 惠勒 在教 育方 面的 一个 特点 ， 就 是鼓 励自 己的 学生 来发 挥他 们自 己的 才能 ，而 他自 己在 关键 的时 候给 予学 生一 些思 想上 的帮 助 ） ， 得到 了熵和 黑洞 视界 面积 的近 似关 系 ： 熵 近似 等于 视界 面积 与

33、普 朗克 面积 （ 在 下文 介绍 量子 理论 的时候 会介 绍这 个十 分重 要的 物理 常数 ）的 比值 。 但 是如 果同 意了 黑洞 符合 热力 学公 式 ， 那 么就 相当 于同 意了 黑洞 具有 一个 温度 。 但 是根据 热力 学公 式 ， 我 们可 以知 道 ： 任 何比 周围 温度 高的 物体 ， 必 定向 周围 发出 辐射 。 而 宇宙 的背 景温 度约 为 3K， 而如 果贝 肯斯 坦的 计算 是正 确的 ，那 么黑 洞的 温度 一定 远高 于这 个值 ，那 么似 乎黑 洞必 定会 辐射 物质 ，而 不是 吸收 。 贝 肯斯 坦和 霍金 在这 个问 题上 都陷 入了 僵局

34、 。在 广义 相对 论在 引力 领域 建立 起绝 对威 望的 同时 ， 量 子理 论也 已经 发展 成熟 了 ， 成 熟到了 足以 来到 引力 的领 域， 参加 黑洞 研究 的地 步了 。 第 一个 使用 量子 理论 来研 究黑 洞问 题的 ， 是 苏联 的泽 尔多 维奇 ， 一 个有 着强 烈物 理直 觉的 领导 者 ， 苏 联理 论物 理学 的权 威 ， 苏 联黑 洞研 究小 组的 教练 。 而 他使 用这 个理 论来 解决 的第 一个 引力 问题 ， 是 克尔 黑洞 的引 力辐 射 。 就 是这 个问 题 ， 为 贝肯 斯坦 和霍 金的 战争 划上 了圆 满的 句号 ，同 时启 发霍 金

35、发 现并 掌握 了量 子辐 射。泽 尔多 维奇 在应 用量 子理 论解 释引 力问 题的 时候 ， 惠 勒在 量子 理论 上的 工作 是不 可磨 灭的 。 惠 勒第 一个 提出 了量 子真 空涨 落这 个概 念。 真 空涨 落说 的是 ， 在 任意 一个 绝对 真空 中 ， 即 使你 用无 限大 的能 量来 躯干 这个 区域 中的物 质 ， 量 子理 论总 会使 得这 个区 域的 时空 本身 发生 一个 能量 的起 伏 海 森堡 能量 借贷 使 得这 个区 域的 各个 部分 的能 量不 同， 但是 总合 保持 为 0。在 白矮 星中 ， 电 子被 压迫 在一 个十 分小 的区 域中 ， 但 是

36、电 磁波 的量 子真 空涨 落迫 使电 子继 续随 机地 运动 ，而 且速 度十 分大 ，进 入了 相对 论范 围中 。这 个就 是 “ 电 子简 并运 动 ” ， 产生 的一 个向 外的 压力 就是 “ 电 子简 并压 ” 。 这 个也 是当 年爱 因斯 坦和 爱丁 顿反 对黑 洞的 证据 。在 中子 星中 ，也 是这 个简 并运 动迫 使中 子星 停止 继续 塌缩 。 真 空涨 落无 所不 在 ， 在 生活 中的 最基 本应 用就 是荧 光灯 。 这 种效 应在 量子 理论 发展 完全 ，惠 勒提 出真 空涨 落概 念 、 海 森堡 提出 能量 借贷 概念 以前 ， 一 直困 扰着 物理

37、学家 ， 被 称为 自发发 射。 泽 尔多 维奇 在接 受了 惠勒 的思 想后 ， 先 对旋 转的 金属 球进 行计 算 ， 发 现了 金属 球的 旋转将 周围 空间 发生 的量 子真 空涨 落加 速 、 放 大 、 催 化和 真实 化 ， 成 为了 反向 旋转 能和 向外 发射的 电磁 波， 同时 自己 的旋 转速 度变 慢， 直到 停止 为止 。 随 后， 泽尔 多维 奇用 类比 ，推 出了 克尔 黑洞 会辐 射各 类辐 射（ 主要 是电 磁波 和引 力波 ，其 次是 中微 子等 辐射 ） 的 结论 。 这 个结 论的 试探 性太 强 ， 没 有人 注意 到 。 同 时 ， 美 国的 米斯

38、纳 也提 出了 同样 的想 法， 并且 有了 一定 的反 应。 霍 金在 去莫 斯科 参加 一个 会议 的时 候 ， 和 泽尔 多维 奇以 及他 的学 生斯 塔罗 宾斯 基有 了联黑洞的发展第 9页 共 35页系 ， 得 知泽 尔多 维奇 和他 的学 生们 已经 开始 结合 量子 理论 和相 对论 ， 并 且已 经得 到了 黑洞 会辐 射的 猜想 ，十 分感 兴趣 ，于 是在 回到 剑桥 边开 始着 手研 究。 在 大家 都同 意泽 尔多 维奇 的同 时 ， 霍 金的 计算 带来 了另 一个 更加 使人 震惊 的结 论 ： 即 使黑 洞没 有旋 转 ， 它 也在 辐射 ， 而 且有 一个 确定

39、 的熵 和温 度 ： 熵 和视 界面 积的 比正 比于 黑洞 质量 的平 方， 而温 度和 视界 表面 引力 的比 反比 于黑 洞质 量。 到 这里 ， 霍 金和 贝肯 斯坦 的争 论结 束了 ， 贝 肯斯 坦胜 利了 ， 他 建立 了黑 洞三 定律 ， 但 是霍 金却 得到 了霍 金辐 射 ， 一 个十 分重 要的 定理 ， 同 时部 分成 功 、 正 确地 结合 了量 子理 论和 相对 论， 得到 了一 个更 加重 要的 理论 弯 曲时 空的 量子 场定 律。量 子理 论还 带来 了许 多东 西， 比如 和实 际情 况最 吻合 的 BKL黑 洞， 一个 比纽 曼黑 洞更加 具体 、现 实的

40、 黑洞 。 卡 拉特 尼科 夫和 栗弗 席兹 在研 究恒 星的 随机 扰动 （ 在 史瓦 西 、 克 尔和 RN黑 洞中 ， 都 没有 涉及 到恒 星塌 缩时 的物 质运 动 ， 即 扰动 ） 是 发现 ， 这 些扰 动会 干扰 黑洞 奇点 的产 生 ， 从 而根 据相 对论 ， 恒 星所 在的 时空 会成 为一 个封 闭的 小空 间在 时空 组中 运动 （ 时 空组 这个 名字 是我 起的 ， 在 后面 会介 绍到 。 其 实他 就是 一些 同胚 拓 扑术 语 时 空的 集合 ） 到 达其 他时空 中在 爆发 出来 。 但 是苏 联和 欧洲 的隔 绝使 得他 们没 有得 到彭 罗斯 的一 个

41、重 要的 证明 和他 的一 个重 要的 数学 工具 整 体方 法 ， 因 而他 们的 计算 错了 。 并 且 ， 在 和索 恩的 争论 中知 道了一 些整 体方 法的 内容 ， 而 研究 生别 林斯 基一 同找 到了 一个 在我 们这 个宇 宙中 最基 本的 黑洞 典型 ： BKL黑 洞。黑 洞 是 拓 扑 学 的 胜 利 ， 是 数 学 和 物 理 的 融 合 ， 也 是 相 对 论 和 量 子 理 论 的 第 一 次 亲密 接触 。 好 了 ， 到 了这 里 ， 对 于黑 洞以 及发 现 、 发 展黑 洞的 历史 的介 绍已 经到 了尾 声了 ， 先 让我们 来 看 看 黑 洞 的 形 成

42、 ， 在 来 整 体 认 识 一 些 最 典 型 、 最 普 通 、 最 可 能 在 自 然 界 出 现 的 黑 洞 ：BKL黑 洞的 一些 性质 以及 相关 知识 。黑洞的产生第 10页 共 35页黑洞的产生黑洞的产生黑洞的产生黑洞的产生在 宇宙 中， 一个 恒星 在静 静地 燃烧 着。 着颗 恒星 的质 量为 50倍 太阳 质量 。如 此巨 大的质 量， 使得 这个 恒星 的引 力十 分巨 大， 无论 是在 恒星 外的 太空 ，还 是在 恒星 内的 时空 。 这 颗恒 星十 分平 静地 度过 了它 的少 年期 ，它 的青 年期 和它 的中 年期 。在 它的 老年 期， 恒星 内部 的核 反

43、应 越来 越剧 烈， 释放 的能 量也 越来 越多 。 在 恒星 的最 外层 ，是 氢和 氦在 大量 “ 燃 烧 ” ； 再向 内部 推进 一层 ，是 碳和 氧的 焚烧 场。接 着是 氖和 氧， 氧和 镁， 硅和 硫， 最后 是一 个呆 滞核 铁 核。随 着黑 洞 “ 燃 烧 ” 的 越来 越迅 速， 释放 的能 量越 来越 多， 铁核 的体 积开 始越 来越 巨大 ，同 时其 它各 层的 体积 开始 变小 。 由 于铁 发生 聚变 的时 候， 几乎 没有 什么 聚变 的能 量可 以使 得铁 中的 56个 质子 和中 子发生 反应 ，因 而核 反应 在发 生到 了铁 以后 ， 就再 也难 以有

44、 寸进 。随 着燃 烧的 继续 ， 内 部的 压力 开始 变大 。 这 个时 候 ， 这 个恒 星在 外表 和内 在上 开始 变得不 一致 起来 ： 在 外表 ， 燃 烧的 能量 迫使 恒星 的表 面开 始膨 胀 ； 而 同时 ， 恒 星的 内部 由于 一切元 素的 反应 都停 止在 铁上 ， 因 而恒 星的 核开 始结 晶 ， 准 备着 最后 的爆 发 。 同 时 ， 这 个时 候的恒 星叫 做红 超巨 星。 由 于恒 星内 部的 铁原 子中 的电 子在 电子 简并 压力 的作 用下 ， 有 着一 个巨 大的 反抗 引力 的压 力 ， 因 而红 超巨 星有 一个 短暂 的间 歇 。 但 是周

45、 围的 元素 不断 发生 反应 ， 成 为铁 ， 并 且向 这个 核汇 聚过 来 。 当 恒星 的核 的质 量超 过 1.4倍 太阳 质量 这个 钱德 拉塞 卡极 限的 时候 ， 引 力和恒 星的 聚变 能量 迫使 铁也 开始 发生 反应 。 铁 发生 反应 ， 铁 原子 核在 巨大 的能 量下 ， 成 为了 氦原 子核 ， 并 且在 巨大 引力 下 ， 被 紧紧 地压 在一 起 ， 由 氦原 子核 内部 的电 子简 并压 承受 着巨 大的 引力 。 但 是 ， 在 这个 巨大 的核 的周 围 ， 恒 星的 物质 还是 在引 力的 作用 下向 核落 去 。 落 在这 个核上 的物 质越 来越

46、多 ， 逐 渐接 近 ， 并 且超 过了 钱德 拉塞 卡极 限 。 这 个时 候 ， 电 子简 并压 再也 无法 承受 这巨 大的 引力 ，在 质量 超过 极限 的瞬 间， 崩溃 了， 从一 个白 矮星 核突 然收 缩了 起来 。巨 大的 引力 ， 迫 使电 子的 轨道 被完 全挤 碎 ， 电 子不 再是 在轨 道上 运行 ， 而 是全 部挤 在了原 子核 上 。 巨 大的 压力 迫使 挤在 原子 核上 的电 子和 原子 核内 的质 子发 生弱 相互 作用 ， 结 合成一 个中 子， 同时 释放 一个 中微 子。 于 是 ， 这 个时 候 ， 强 大的 中微 子流 从恒 星的 内部 冲了 出来

47、 。 虽 然中 微子 不和 其他 任何 粒子 发生 除了 微弱 引力 作用 以外 的其 他任 何作 用 ， 但 是强 大的 中微 子流 带着 强大 的能 量将 红超巨 星的 表面 炸开 。 炸 开的 物质 在引 力作 用下 ， 向 中心 的核 高速 落去 。 这 个之 后 ， 由 于中 子的自 旋为 半整 数 ， 是 一种 费米 子 （ 自 旋就 是粒 子在 运动 的时 候自 身发 生的 旋转 。 带 电非 零自 旋的 粒子 通常 伴随 着磁 矩 。 费 米子 是由 费米 发现 的符 合费 米密 度分 布的 基本 粒子 的总 称 。 这 种粒 子的 共同 特点 是它 们的 自旋 都是 半整 数

48、 。 与 费米 子的 概念 相对 立的 ， 是 波色 子 ， 它 们都 不符 合费 米密 度分 布 ， 而 且自 旋为 整数 。 ） ， 因 而它 和电 子 （ 同 样是 一种 费米 子 ） 一 样遵 守泡 利不 相融 定理 。因 而在 这个 时候 中子 简并 压取 代了 电子 简并 压存 在， 继续 和引 力抗 争着 。 这 时， 大量 的物 质落 在这 个巨 大的 原子 核（ 因为 这个 时候 恒星 的核 就是 一个 中子 星核 ，中 子星 核中 没有 除中 子以 外的 任何 其它 粒子 ， 而 且由 于中 子简 并时 相互 之间 的距 离和 它的 直径 相似 ， 因 而在 中子 星核 一

49、 种中 子超 流体 中 的中 子之 间是 没有 任何 空隙 的 ， 密 度比原 子核 的密 度略 大一 点 （ 因 为质 子比 种子 轻 ） ） 上 ， 由 于中 子简 并压 的强 大抵 抗力 而被 反弹 。反 弹产 生的 冲击 波也 将外 部表 面的 物质 完全 崩落 。 冲 击波 伴随 着巨 大的 能量 ， 将 核外 一层 的元 素都 突破 了铁 的极 限 ， 聚 变成 了重 金属 ， 伴 随着 冲击 波向 外冲 去 。 而 外界 的较 重的 元素 都根 据到 核的 距离 转化 为不 同的 重金 属 ， 而 较轻 的元 素也 发生 聚变 ， 成 为较 中的 元素 ， 最 外层黑洞的产生第 1页 共 35页的 氢 和 氦 则 在 来 得 及 发 生 反 应 以 前 被 抛 射 到 了 太 空 中 红 超 巨 星 爆 发 了 ， 成 为 一 个 超 新星 。 爆 发的 超新 星将 自己 内部 “ 元 素生 产厂 ” 中 的货 物一 次性 售空 ， 全 部贡 献给 了宇 宙中 的行 星们 了。 而同 时， 中子 星核 也发 生着 致命 的变 化。 爆 发 带 走 了 96%的 质 量 ， 而 且 速 度 十 分