广义相对论预言了黑洞===

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1、. 广义相对论预言了黑洞黑洞是广义相对论和量子力学运用于恒星演化终局问题的研究所得的一个必然命题；20世纪60年代以来，这一神奇的星空怪物吸引了众多智者的注意力。人们利用广义相对论、量子理论和热力学来探索黑洞的禀性质；使人惊奇地发现黑洞不但不黑，同时黑洞的熵不会减少；被黑洞无情吞噬的物质和光的大量的信息在进入黑洞的过程中被刮光，从而使黑洞的层面从外部宇宙所能看到的并不具有任何可识别的特征，这种不可识别的现象被物理学家称作“无毛”原理。黑洞，通过科学家们几十年不懈的探索，已为它赋予了丰富的物理学涵。5、1黑洞概念的形成 黑洞的概念要追溯到十八世纪末叶，1783年，英国乡村牧师约翰米歇尔（JMit

2、chell）在皇家学会上宣读了一篇论文，文中指出：“从恒星发出的光，由于受恒星引力的影响，光速有减慢的趋势”。这就是牛顿力学框架中黑洞概念的初期思想。1798年，法国大数学家和天文学家拉普拉斯（PLaplace）在法国天文学杂志上发表了一篇论文，文中说道：“质量和密度都很大的物体会成为不可见的”。在他的传世之作宇宙体系论中写到；“一颗密度与地球相同，直径比太阳大250倍的亮星，由于它的自身的引力会使它的任何光线都到不了我们这里，由于这种原因，很可能使得宇宙中最大的明亮天体也会变得看不见”。拉普拉斯的这一见解是非凡的，从某种意义上讲他已预见了黑洞的存在。1916年，爱因斯坦发表了他的广义相对论，

3、这个理论说明了强引力场中的时空性质以与物体运动的情况。论文发表几个月后，德国天文学家史瓦西在俄国前线休息期间开始思考爱因斯坦广义相对论的涵。史瓦西根据爱因斯坦的关于引力对光的作用这一理论得出一个可怕的临界半径，这一半径通常被称之为史瓦西半径，其大小为：。其中G是牛顿引力常数，c是光速。史瓦西预言：当某个天体的半径小于rg时，光和其他物质都不能从它上面逃脱掉，这个天体将会“隐然而逝”。一个质量和太阳一样的黑暗天体，史瓦西半径只有3公里，而质量和地球一样的黑暗天体，史瓦西半径还不到0.9厘米。史瓦西的观点当时未引起人们的注意，他的理治只被当成了广义相对论的一个数学解。20世纪30年代，联理论物理学

4、家列夫朗道（DLandau）记下了一些轰动的、沉思已久的想法：恒星中心由一个高密度星体组成，而这个高密度恒星大部分由不带电荷的叫做中子的亚核微粒组成。他把写好的论文送给哥本哈根的尼尔斯玻尔。玻尔把此论文发表在具有最高国际声誉的科学杂志自然上。美国物理学家奥本海默（ROppenheimei）和他的杰出助手海特兰斯纳德（HSnydor）拜读了朗道的论文，这篇充满新颖创意的论文使他们获益非浅，但有不足之处，奥本海默和斯纳德指出，当大质量恒星的核燃料耗尽后并完全冷却下来时，再没有热膨胀和辐射作用的排斥力去平衡自身引力，该天体在强大引力作用下无休止地塌缩下去，当塌缩到某一临界大小，便会形成一个封闭的边界

5、（后称为“视界”），视界之外的物质和辐射可以进入视界之，但视界之的物质和辐射却不能跑到外面，最后将成为一颗“黑暗的天体”。美国物理学家惠勒（JWheeler）在二战后把注意力转向了宇宙学，并对有关引力坍缩可能性的部分发生了兴趣，惠勒开始没有同意奥本海默的思想，但最终他的得到的结论却与奥本海默基本一致。惠勒继续更进一步研究，并把“引力作用下完全坍缩的物体”命名为“黑洞”。黑洞是一种极为奇特的天体，它既不像恒星，更不像行星，严格来讲它并不是星，而只是宇宙空间的一个区域；这个区域的表面是一个封闭的球面，人们称之为视界。黑洞的视界是将黑洞的部与外部空间完全隔离开来。外来的辐射和物质可以进入视界之，而视

6、界的任何物质都不能跑到视界之外。黑洞的视界还有一个很有趣的性质，根据广义相对论，强引力场使黑洞附近的时间变慢，并且离视界越近，时间变得越慢。如果把一个时钟放在黑洞的视界上，时钟就会停顿（意味着时间停止）。时间是一种频率的周期性过程，与时间一样，其他频率的周期性过程在黑洞附近也会发生频率变慢的问题。频率变慢即波长变长。因此，天体越靠近黑洞，它的光谱红移就越大。5、2 黑洞的探测图9-9为惠勒正在讲演黑洞 黑洞是科学史上极为罕见的科学命题之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为一个模型已被发展到非常详尽的地步。怎样才能使人相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算所得到的推

7、论是正确的呢？况且黑洞是黑的，怎么能看到它呢？惠勒曾打比方说道：“你曾经去过舞会吗？你看到过年轻的男孩穿着黑色晚礼服而女孩穿着白衣裳在四周环绕着，当灯光变暗时，你只能看到这些女孩。所以女孩是正常恒星，则男孩就是黑洞。你看不到这些男孩，但是女孩的环绕使你坚信，有种力量维持她在轨道上运转。” 一个黑洞围绕着一个伴星作轨道运行的叫双星体系，双星体系是极为普遍的，大多数恒星至少会有一个邻近的伴星，而我们的太阳在这点上却是一个例外。双星也是容易识别的，因为两个星球之间的相互引力会使它们向相反方向摆动，产生有规则的变化，这些变化通过地球上的望远镜可以观察到。轨道的变差也向天文学家提供发现双星体的线索，这条

8、线索在识别可能的黑洞方面具有关键作用。1964年，联天体物理学家采多维奇（Zeldovich）和古塞诺夫（Guseynov）根据这种想法通过光谱双星作系统的搜索，某些双星即使在最大的望远镜里看起来也象是颗单星，有时候，即使用光谱分析也不能直接显示出两颗星来，而只有从其中一颗星体以一定周期交替地出现的兰移和红移才能推断这颗星正绕着另一颗看不见的伴星旋转着。那么，看不见的伴星真的是一个黑洞吗？在密近双星系统中的黑洞可能吸引来自伴星的气体和其它物质，并且在那里可能存在着恰好进入视界之前的来自这种物质的辐射，因为在视界附近的引力场是非常强的，落进黑洞的物质获得高的速度和加速度，并因此发出高能的电磁辐射

9、，这种辐射可能主要在X射线波段。因此，我们就可以在大气层上方对双星发出的X射线进行搜寻。人们在这方面也确实做了大量的观测和搜寻工作，轰动一时的黑洞候选者御夫座星的伴星就是通过这样的观测之后提出来的。御夫座星是交食变星，也是分光双星。它的主星是一颗明亮的红巨星，肉眼即可看见。当它的伴星通过主星前面把很亮的主星挡住时，整个双星系统就变得非常暗。而在非交食期间，伴星又完全看不见。这颗看不见的伴星可能就是一个黑洞。1970年12月，美国和意大利联合发射了一艘装有X射线望远镜的“自由”号人造卫星，在太空中对X射线源进行了探测，到1972年底，已获得了足够的资料，天文学家通过对离地球六千光年的天鹅座X1的

10、观测和分析，发现有大量的气体物质正源源不断地从这颗蓝超巨星流向它那个光学望远镜看不见的X射线伴星。而且天文学家还计算出这颗伴星的质量远远超过了中子星的质量极限，其质量约为太阳质量的八倍或十倍，并且相当致密，这种质量和大小正好为伴星和黑洞的要求相等。因此它很可能就是黑洞的一个最正确候选者。目前，理论家和实验家正在积极探索解决这个问题的方法，如果证明天鹅X1果真有一个黑洞，这将成为天文学史上最重要的发现之一。20世纪80年代以来，欧洲、美国、日本相继发射X射线卫星升空，寻获恒星级黑洞，并对双星X射线源的辐射作精细诊断，试图找出黑洞源与中子星源辐射特征的差异；并的确找到了一些有助于证认黑洞的线索，不

11、过还没有确定出一个独属于黑洞源的辐射特征。但天体物理学家坚信，这种努力离取得突破性进展应已为期不远。5、3黑洞的熵 1969年的一天，惠勒问他的研究生雅各布伯肯斯坦说：“当我把一杯热茶倒入一杯冷茶时，就增加了宇宙的无序度，我犯的罪过永远在时间长廊中不断回响。可假如有一个黑洞在附近徘徊，而我只要把这两个茶杯都扔进去，不就销毁了罪证了吗？”伯肯斯坦说：“不，你并没有销毁犯罪的证据。黑洞把你所有发生的事记录了下来。黑洞的熵也就是无序度增加了，因此永远会显现你的罪证。”伯肯斯坦还提供了黑洞的无序度的一个近似值。图9-10为史蒂芬霍金和他的前夫人简英国剑桥大学的宇宙学家史蒂芬霍金（SHawking）和布

12、兰登卡特（BCarter）读到了伯肯斯坦的结论，他们开始深感困扰并甚至着手去证明这是错的。可是，后来越研究就越发现和他的结论一致。霍金在思考黑洞的事件视界光线时发现：形成事件视界的光线和黑洞表面绝不能彼此接近，因为它们悬浮着，既不能逃离，又不能吞进黑洞里；因而黑洞表面积绝不会减少。事实上，只要物质或辐射落到黑洞中去，这面积就会增大；或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，这最后的黑洞的事件视界面积就会大于或等于原先黑洞的事件视界面积的总和。事件视界面积的不减性质给黑洞的可能行为加上了重要的限制。人们非常容易从黑洞面积的不减性联想起叫做熵的物理量的行为。熵是测量一个系统的无序的程度。常识告诉

13、我们，如果不进行外加干涉，事物总是倾向于增加它的无序度。人们可以从无序中创造出有序来，但是必须消耗精力或能量，因而减少了可得到的有序能量的数量。热力学第二定律是这个观念的一个准确的述说：一个孤立系统的熵总是增加的，并且将两个系统接在一起时，其合并系统的熵大于所有单独系统熵的总和。如果黑洞也具有这一特征，黑洞外的观察者因之可知道它的熵，并且只要携带熵的物体落入黑洞，它就会增加，柏肯斯坦根据黑洞面积定理和黑洞的熵得出结论：事件视界的面积即是黑洞熵的量度。由于携带熵的物质落到黑洞中，它的事件视界的面积就会增加，这样黑洞外物质的熵和事件视界面积的和就永远不会降低。1970年，霍金产生了具有如此说服力的

14、引人注目的思想：既然黑洞表面积与黑洞的熵相对应，那么黑洞行为符合热力学第二定律；则如果两个这种系统合起来，结合起来的熵一定大于以前的熵总和。1974年，霍金和詹姆巴丁以与布兰登卡特首次发表了题为黑洞力学的四个定律的著名文章。文章写到：事件视界的面积增加，暗示黑洞具有熵的含量，熵和黑洞的面积成正比。如果黑洞具有熵，它就必须有温度，如果具有温度就应该发出辐射，黑洞的温度和质量成反比，那就意味着小质量的黑洞比大质量的黑洞更热。5、4 黑洞不黑1974年2月，霍金以“黑洞爆炸？”为题，在自然杂志上发表一篇论文，这篇被霍金的老师和合作者戴维希阿马（DSciama）描述成是“物理学历史上最美丽的论文之一”

15、。霍金指出：黑洞并不是完全黑的；由于黑洞具有熵就应该具有温度。跟太阳一般大的黑洞大约温度是高于绝对零度的一百万分之一度，虽很微小不过仍有温度。同时他根据量子理论对黑洞的辐射做出推测，从而诞生量子黑洞说。量子黑洞说认为：黑洞周围的引力场可以看作是一个势垒，足以阻止物质粒子逃出黑洞。对一般的黑洞，强大的引力场延与很远的距离，可以理解为这个势垒很厚，粒子穿过这个势垒几乎是不可能的；在小的原始黑洞的情形下，引力场只在很短的距离骤然变强，可以认为小黑洞的势垒很薄，粒子可以以一定的概率穿过势垒逃到洞外。由于这时黑洞表面有物质辐射，它具有的温度值为：；式中M为黑洞质量，h为普朗克常数，c为光速，G为万有引力

16、常数，k为玻耳兹曼常数。通常黑洞是“冷的”。小黑洞一面发射物质和辐射，一面又吸积物质；但发射效应会超过吸积效应，使黑洞的质量愈来愈小，温度愈来愈高，蒸发的速度愈来愈快，以致最后剧烈爆发中完全消失。因而，宇宙中的小的原始黑洞早已不复存在，而那些质量超过数十亿吨的黑洞至今仍可能存在，甚至在太阳系里可能就有。由此可见，量子力学是允许粒子逃离黑洞的，而在爱因斯坦的广义相对论中是不允许的；这种观念从根本上改变我们对物理学的理解。霍金所描述的黑洞辐射还未被观测到，但这并不意味着霍金错了；而是因为对于自然产生的黑洞这个效应太弱以至于观测不到。霍金曾经努力寻找观测效应，并在一系列有趣的工作中得到了可能存在低质

17、量的“太初黑洞”的结论。他认为，我们越接近时间的开端，所看到的密度和压力就越高。如果我们不断地追溯时间的历史直到这样的一个时刻，此时压力达到足够大以挤压你能想象到的任何东西使它们变成黑洞。这一时刻就是宇宙的大爆炸初期，在大爆炸初期可能会产生一些低质量的“太初黑洞”。按照霍金的推导，黑洞质量越小温度就越高；黑洞越热它释出的辐射功率就越大。随着它的辐射和质量损失，它越变得更热，辐射得更快，最终的结局是一次剧烈的爆炸。这种爆炸除了宇宙本身的大爆炸起源以外，比科学中任何已知爆炸都更激烈。那么要发生这种爆炸需要多长时间？如果有一个太阳质量的黑洞，而且现在开始辐射，则需要花费比现在宇宙年龄长大约1066倍

18、的时间后才会发生这么剧烈的爆炸，这个时间真是长得不可思议。可是，如果你有一个质量大约像一座小山那么大的黑洞，就会在大约宇宙年龄的时间里爆炸。因此霍金说，具有这种质量且在早期宇宙形成的“太初黑洞”，也许现在正在爆发，我们可以在射线以与射电波中寻找这些爆炸来探知它的存在。5、5 黑洞无毛1963年，美国得克萨斯大学的数学家克尔（RKerr）在求解引力场方程时，得到一种旋转的黑洞。天文学家认为，天体应该是旋转的，因而，克尔的解应该比史瓦西求得的静止质量解更完善。1975年，有人证明克尔的解是唯一的，这种具有球对称质量，快速旋转的理论上存在的黑洞，称为克尔黑洞。1965年，著名数学家纽曼（Newman

19、）领导下的一个小组求出了一个更复杂的黑洞的解，即具有质量、电荷和角动量的黑洞，称为克尔纽曼（Kerr-Newman）黑洞，这种黑洞是具有轴对称关系的，它不一定呈球形，也可以是扁平的或椭球形的。后来科学家们一致研究认为，描述黑洞只需要三个基本量：质量、电荷和角动量。黑洞的部是很简单的，但是，当视界边界层的物质落入黑洞时，都会发生一些奇异的相互作用效应。上述几种黑洞都是通过求解广义相对论引力场方程从理论上得出的“黑洞解”，可以称它们为“寻常黑洞”。加拿大科学家外奈伊斯雷尔在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。他指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单、完美的球形；其大小只依赖于它们的质量

20、，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。罗杰罗斯和约翰惠勒解释道：任何非旋转恒星，不管其形状和部结构如何复杂，在引力坍缩之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。这种观点得到进一步的计算支持，并且很快就为大家所承受。1970年，布兰登卡特指出，假定一个稳态的旋转黑洞正如一个回旋的陀螺那样，有一个对称轴，则它的大小和形状，只由它的质量和旋转速度所决定。1971年，霍金进一步证明，任何稳态旋转黑洞确实有这样的一个对称轴，在引力坍缩之后，一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转、但是不能闪动的态。并且它的大小和形状，只决定于它的质量和旋转速度，而与坍缩成为黑洞的原先物体的性质无关。由

21、于黑洞中心的引力无穷大，任何物体一旦进入黑洞的视界，都必将以光速向黑洞中心坠落。由于黑洞部的引力异常强大，它的起潮力也异常强大。任何进入黑洞视界的物质，都会被无比强大的起潮力扯得粉碎，从而完全丧失它原来所具有的各种物质属性。这些被粉碎的物质彼此极为紧密地挤压在一起，成为一个密度无限大而体积为零的点，人们称这一点为中心奇点。在奇点四周，黑洞视界以的其他地方则都是空空荡荡、一无所有。对于外界观测者来说，黑洞是一个统一的整体，它只有质量、电荷和角动量这三个基本物理量，其它一切属性都一无所知、甚至连物质是由粒子还是反粒子组成的信息都不可能知道，这就是根据广义相对论得到的黑洞形象。而我们从外部宇宙所能看

22、到的黑洞的层面，并不具有任何可识别的特征可以告诉我们这一黑洞到底是由什么构成的；这种不具有可识别特征的现象被约翰惠勒，这位有关黑洞的大多数术语的发明家称作“无毛”原理（no hair theorem）。“无毛”定理具有巨大的实际重要性，它极限制了黑洞的可能类型；“无毛”定理还意味着，有关这物体的非常大量的信息，在物体进入黑洞的过程中被刮光了；这反倒使得对黑洞的数学研究要比科学家们所担心的简单得多。5、6 奇妙的白洞物理定律是时间对称的。如果存在东西能落进去而不能跑出来的，那就还应该存在东西能跑出来而不能落进去的，人们把这些天体叫做白洞。20世纪60年代以来，由于空间探测技术在天文观测中的广泛应

23、用，人们陆陆续续发现了许多高能天体物理现象，例如宇宙 X射线爆发、射线爆发、超新星爆发、星系核的活动和爆发以与类星体、脉冲星等等。这些高能天体物理现象用人们已知的物理学规律已经无法解释的。例如，类星体的体积与一般恒星相当，而它的亮度却比普通星系还亮。类星体这种个头小、亮度大的独特性质，是人们从未见到过的，这就使科学家们想到类星体很可能是一种与人们已知的任何天体都遏然不同的天体。为了解释类星表达象，科学家们提出了各种各样的理论模型；联的诺维柯夫和以色列的尼也曼提出的白洞模型引起了人们广泛的注意，白洞概念就这样问世了。白洞是广义相对论所预言的一种与黑洞相反的特殊天体；和黑洞类似，它也有一个封闭的边

24、界。聚集在白洞部的物质，只可经边界向外运动而不能反向运动。因此，白洞可以向外部区域提供物质和能量，但不能吸收外部区域的任何物质和辐射。球状白洞的几何边界也是以史瓦西半径为半径的球面，其外部时空由史瓦西度规描述。白洞是一个强引力源，其外部引力性质与黑洞相同。白洞可以把它周围的物质吸积到边界上形成物质层，从而能解释一些高能天表达象。诺维柯夫和尼也曼认为，类星体的核心就可能是一个白洞；当白洞中心奇点附近所聚集的超密态物质向外喷射时，就会同它周围的物质发生猛烈碰撞，而释放出巨大的能量。白洞物质既然只出不进，那么它里面的超高密态物质最初是从那儿来的？一种观点认为，白洞可能是由黑洞来的。根据霍金的理论，由

25、于黑洞的“自发蒸发”，质量越大的黑洞温度越低，蒸发得越慢；反之，质量越小的黑洞温度越高，蒸发得越快。这种过程继续下去，黑洞的蒸发便会越演越烈，最后以一种“反坍缩”式的猛烈爆发而告终；这个黑洞就转变成不断向外喷射物质的白洞。另一种观点认为，黑洞和白洞并不能存在于同一地点，白洞是由黑洞通过某种“隧道效应”把物质或能量输送到遥远的（或另一个宇宙中的）白洞里去，从而使白洞成为抛射物质或能量的源泉。从白洞部发射出来的物质都具有很高的速度，而被白洞吸引到其边界上的物质也具有很高的速度。不难想象，这进进出出，又都是高速度，它们在白洞边界上的碰撞该有多么猛烈。随着猛烈的碰撞，必然就会有异常巨大的能量释放出来。

26、假若类星体或活动星系核的中心有大质量白洞存在的话，那么，它们所释放的巨大能量，就可以看成是白洞向外喷射物与其边界上吸积物相互作用的结果。利用白洞模型除能解释宇宙中的类星体、射电爆等一些高能现象外，还极为成功地解释宇宙微波背景辐射能谱。但至今为止，白洞还只是一种假想的天体，宇宙中是否存在着白洞，还有待于科学家们寻找更新的证据。相对论的建立，深刻地揭示出时间、空间、物质与其运动的统一性，从而改变了人们所习惯的关于时间和空间的传统看法即绝对时空观，并为辩证唯物主义的时空观提供了充分的科学依据。同时，相对论作为人们探索自然奥秘的强有力的理论武器，不仅为物理学的发展开辟了一个全新的方向，而且为现代科学技

27、术的发展奠定了牢固的基础。因此，无论在科学上还是在哲学世界观与方法论上，无论在理论上还是在实践上，相对论都具有极其重要的意义。人们普遍认为，爱因斯坦在20世纪科学史上占据着至高无上的地位。爱因斯坦的物理发现的压倒一切的重要性和他在科学史中独一无二的地位是无可争辩的。著名的物理学家朗之万（Langevin Paul，18721946）在评价爱因斯坦时说：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦的地位将在最前列。他现在是并且将来也还是人类宇宙中有头等光辉的一颗巨星。很难说他是否同牛顿一样伟大，或者是比牛顿更伟大，不过，可以肯定地说，他的伟大是可以同牛顿比拟的。按我的意思，他也许比牛顿更伟大一些，因为他对于科学的贡献更深入到人类思想基本概念的结构中。”14 / 14