黑洞相关资料（1）

早在1800年，拉普拉斯（第一个提出星云假说的人）就指出，一个物体的表面积和密度越大，那么它的表面引力和逃逸速度也就越大。物体的大面积和大质量相结合会产生很大的表面引力，以至于它的逃逸速度将等于甚至超过光速，在这种情况下，物体不向外发光。当时，这个假设只被认为是个理想的推测，因为关于物体处于上述状态时的极大面积和极稠密度，我们还一无所知。牧夫天文网Q v3[ K8V-k,{|)p-S

` CIIV2g&v'P8`+K9g01939年，奥本海默研究了中子星的特性，并指出如果中子星的质量超过3.2 个太阳质量，中子就无法与自身引力相抗衡，从而发生中子塌陷。这时没有任何力量能够抵挡住引力的作用，经过引力作用后中子会形成一个奇异点，一个没有体积只有大质量和高密度的点。就像拉普拉斯推测的那样，这样的超中子星不会向外发光。它被描述成一个无限深的空间洞，任何落在它上面的物体都会被它吞没，而且这些被吞没的物体不可能再出来，即使是光也不能逃出来。美国物理学家约翰。阿基伯德。维勒给它起了一个相应的名字叫黑洞。

-Pm/Q/U)zb4Z4l0英国物理学家史蒂芬。威廉。哈肯在1970年时指出黑洞可能会慢慢地消失，即黑洞并不是绝对永远存在的物体。牧夫天文网)V:h:^V~/S5q(|

黑洞最易在恒星表面最厚的地方和恒星碰撞最频繁的地方形成，这时恒星会吸在一起形成可以坍陷的大质量物体。牧夫天文网J,|L2M!v9yn!k`

K2qf0i X!EkJ;c"n0黑洞通常出现在球状星云的中心，并且更多的时候会出现在银河系的中心。

%Gqr-Gur0事实上，在人马座方向上银河系的小核心是非常活跃的——这就是说它释放出的巨大能量（央斯基就是从这个核心首次发现了太阳系外的放射源）使天文学家有理由确信，在中心处有一个由大约一亿个恒星组成的黑洞。这样一个巨大的黑洞将会随着它吞食附近的物体而继续变大，甚至可以吞食所有的恒星。但是无论如何，在不远的将来整个银河系还没有被吞食掉的危险，因为黑洞不可能把它周围的物质吞食干净。

(Wy(tI6f s%t0在茫茫宇宙中，人们该怎样观察黑洞来决定它是否真的存到它。当物质被绕着黑洞飞快旋转的引力源吸入黑洞时，会发生碰撞释放能量，以螺旋状进入黑洞。在螺旋下降过程中会发射X 射线，所以当天空中有X 射线被释放时，我们至少可以判断出那里有黑洞存在的可能。遗憾的是，某些其他过程也释放X 射线，所以，上述结论只能判断黑洞存在的可能性而无其他用处。即使我们知道星系的中心很活跃并产生大量的射线，我们也不能把它当作黑洞存在的直接证据。

假设黑洞是密近双星系统的一部分，普通的恒星是它的另一部分。由一个白矮星和一个普通恒星组成的密近双星系统是一颗新星。由两个中子星组成的密近双星系统也是存在的，有关它们运动的研究可以证实爱因斯坦的相对论。那么，为什么说密近双星系统是由一个黑洞和一个普通恒星组成的呢？如果存在这样一个物质，它从普通恒星中被吸入黑洞并在螺旋下降时发射X 射线，因为物质的吸引是无规律的，所以发射的X 射线在性质和强度上也产生无规律的变化。牧夫天文网:KI(H!dA&kO#Vp)?

1pG;E |b01965年，在天鹅座中探测到一个特殊的强X 射线源，并命名为天鹅座X －1.1971年，一个X 射线探测火箭表明，天鹅座X －1 发射的X 射线是无规律的，从而证实了黑洞存在的可能性。人们立刻投入极大的关注对天鹅座X －1进行研究，发现在天鹅座附近有一颗大而热的蓝白恒星，据估计这颗恒星比我们的太阳大30倍。这颗恒星和X 射线源绕着彼此互相旋转，从引力中心的位置判断，这个X 射线源是我们太阳的5 —8 倍。因为它无法被我们看见，所以一定是坍缩后的小尺寸恒星，又因为它的质量很大，不可能是一个中子星，所以它肯定是一个黑洞。

xzq|C} so0这就是我们所知道的有关黑洞的最新知识，很多天文学家都认为天鹅座X －1 是黑洞，并确信黑洞一定存在而且可能很普遍存在。牧夫天文网A-l"pnx1n(h['m

这个问题可以分解成以下三个更特定的问答。牧夫天文网a8oJy*wG4xM4M

YJmo2~%U;HG0　　宇宙在形成之初为什么没有坍缩成黑洞？

;{'A'VW(L&~ P0　　有些人很难理解为什么大爆炸不是一个黑洞。毕竟物质它在其最初的几分之一秒内的密度比所有已知恒星的密度都高得多，而且如此高密度的物质理应强烈地扭曲时空，当密度足够大时，一定会出现一个相对于其内部质量而言尺寸小于史瓦西半径(Schwarzschild Radius)的区域。然而大爆炸设法避免了限于自己制造的黑洞之中并且令人不可思议的是奇点附近的空间实际上并未紧紧地卷曲反而展平了。这是怎么回事？牧夫天文网!d.`%G oKYRrW

7mjP1\z(sf4r9u0　　简单的回答是这样的：因为大爆炸在初始时刻膨胀得很快，而此后膨胀速率才逐渐降低，所以它避免了变成黑洞。空间可以被展平而时空不会。卷曲可以来自于时空尺度的时间部分。该尺度确定了宇宙膨胀的减速度。因此时空卷曲的总和与物质的密度有关，但膨胀和任何空间的卷曲对其都有影响。史瓦西关于引力方程的解是静态的，而且是一个静态球体坍缩成黑洞前的极限。史瓦西极限不适用于快速膨胀的物质。

9jO&f#{_lF"F V0　　黑洞模型与大爆炸模型的区别是什么？牧夫天文网j y8_VOb

　　标准的大爆炸模型是佛莱德曼-罗勃特森-沃尔克(FRW)(Friedmann-Robertson-Walker)对于广义相对论引力场方程的解系。这些解可以用来描述开放或闭合的宇宙。所有的FRW宇宙都在时间的原点处有一个奇点以代表大爆炸。黑洞也有奇点。并且一个没有光可以从中逃逸的封闭宇宙的定义于一个黑洞的定义是完全相同的。那么区别在哪里呢？牧夫天文网/} L9GR!C\n2a

　　第一个显著的区别是FRW模型中的奇点位于该宇宙中所有事件的过去，而黑洞的奇点存在于未来。因此大爆炸更象一个作为黑洞在时间上反转的白洞。依据经典的广义相对论，与黑洞不可被消灭的（时间反转的）原因一样，白洞不能存在。如果它们存在这（指上述解释，译者）可能就不适用了。

　　但一个标准的FRW黑洞模型也和白洞不同。白洞有一个作为黑洞反转的白洞的视界。任何东西都不能进入白洞的视界，同样也不能逃离黑洞的视界。大致而言，这就是白洞的定义。注意，这本可以简单地用于比较FRW模型与标准黑洞或白洞模型（如静态史瓦西(Schwarzschild)或旋转的凯尔(Kerr)解）的不同。但对于与更一般的黑洞或白洞比较而言，这就困难得多。真正的区别在于FRW模型没有与黑洞或白洞同型的视界。在白洞视界之外的坐标轴可以追溯到无穷远的过去而不会触及白洞的奇点，而在FRW宇宙中所有的坐轴都源于奇点。

i,Z?%@B]Z0　　大爆炸可以既是黑洞又是白洞吗？

　　在前面的问答中我非常小心地只讨论了标准FRW大爆炸模型与黑洞或白洞的不同。真实的宇宙与FRW宇宙可能有所不同，我们能排除它是一个黑洞或白洞的可能吗？在此我不想讨论诸如“奇点到底存在吗？”一类的问题，而是假设广义相对论在我们所讨论的范围内是正确的。牧夫天文网 P T a3o7R

NS^SM+e"o0　　前述对于否定大爆炸是黑洞的讨论仍然适用。黑洞的奇点总是位于未来的光锥内而天文学的观测已清楚地指出大爆炸发生于过去。有可能大爆炸实际上是白洞的遗物。

　　FRW模型的主要假设（前提）是宇宙在宏观上看是同质的、等温的。这也就是说：在任何给定的宇宙时间（点）上，从任何方向看，它都是相同的。天文学很好地证明了星系的分布在几百万光年以上的大尺度范围内是相当同质和等温的。这种高度的宇宙背景辐射（CBR）的等温性有力地支持了同质性。然而可观测的宇宙的尺寸受光速和宇宙年龄所限。我们只能看到大约100到200亿光年远（的东西），这大约是已知星系分布结构尺寸的100倍。牧夫天文网2K$U&\E#d

~B4}s.HJ7DD%BiM0　　同质性总是一个争论中的话题。宇宙自身（的尺寸）很可能是我们可观测的几百万的数量级以上，或许就是无限的。天文学家马丁.瑞斯（Martin Rees）将我们的观测比喻为从大海深处的一艘船上观察海洋。当我们排除近处波浪的影响向外看时，我们显然会发现海是无边无际并且有无穷特征的。从船上看来，地平线只在几英里之外，而海洋可能还要延伸成百上千英里远才有陆地。当我们用我们最大的望远镜观察宇宙时，我们的视野也被限制在一个有限的范围内。不论物质（的分布）看起来有多么均匀，我们都不可能假定在我们视野之外也是如此。因此同质性在比我们可观测的宇宙大得多的尺度上而言是十分不确定的。我们可能在哲学上对此（进行）争论，但无法验证它。牧夫天文网C$||0M i(C0GN

5y"G;C2G}eCx0　　因此我们会问宇宙中是否存在同FRW模型一样可供持久观测的白洞模型呢。有些人起初认为答案一定是否，因为白洞（和黑洞一样）有潮汐力，它在不同的方向上（进行）挤压或拉伸。因此它们与我们所观察的（东西）完全不同。因为这只适用于没有物质存在的黑洞的时空，所以这并非定论。恒星内部可以没有潮汐力。

　　与宇宙观测相一致的白洞模型应是恒星坍缩成黑洞的时间的反转。作为一个良好的近似，我们可以忽略压力而将其视为一个除引力外无内部作用力的球形星尘云。自从1939年施耐德（Snyder）和欧文海默（Oppenheimer）的开创性工作以来，恒星的坍缩就一直被密切地注意并研究着。（因此）这种简单的情形很好理解。有可能可以（在不考虑压力的情况下）建造一个精确的恒星坍缩模型：在球形形体的外部将所有的FRW解和其外部的史瓦西解粘合在一起。牧夫天文网,n/x_sYUS&~

　　接下来的问题是：如果星尘球比可观测的宇宙要大得多的话，作为时间反转的星尘球坍缩的这个模型与FRW模型就会无法区分。另言之，我们不能排除宇宙是一个极大的白洞的可能。（这）只有等上几十亿年直到球的边界进入我们的视野时才能知道。牧夫天文网q-P)_p0WM B Z

　　必须承认如果我们放弃同质等温的假设，还有许多其他可能的宇宙模型，其中有些拓扑结构并不太复杂。但从这些理论中难以推导出任何象这样（指FRW模型，译者）严谨的东西。最令人兴奋的假设是在1987年由海勒比（C.Hellaby）提出的：他构想宇宙初创是一串相互隔绝的珠子，在某一确定时刻它们各自独立地爆裂出洞并合并成宇宙。这些都可用一个广义相对论的精确的单解所描述。

　　有关本问答的最后一个问题：施坦芬.霍金（Stephen Hawking）提出，一旦计算量子效应，白洞和黑洞的界限将不会象它们看上去那么清晰。这是因为霍金辐射证明黑洞可以丢失物质（参相对论FAQ霍金辐射的文章）。一个处于热平衡态的向四周散发辐射的黑洞可能是关于时间对称的。如果是这样，它就和白洞相同。对于这个观点的争论还很多。但如果它是正确的，它将意味着宇宙可能同时既是白洞又是黑洞。或许真正的答案更古怪。换言之，谁知道呢？牧夫天文网"yq(hX7Za z[?B

试想，我拥有一艘不错的带有自毁报警器的飞船，并准备跳进一个不带电、无自旋的史瓦西（Schwarzschild）黑洞。在掉入黑洞之前，我不能看到这类或其他黑洞视界以内的任何东西。但视界与周围的区域相比并不会有什么特殊之处。然而当我到达视界的时候，我就完蛋了，连超人也救不了我，因为他没法阻止星期天变成星期一。最终我会一头扎在奇点上。但在此之前，将会有无比巨大的潮汐力－－由于时空扭曲而引起的力－－从某些方向上将我压扁，又从另外一些方向上将我抻长，直到我看起来象一根意大利面条。在奇点处会发生什么，目前的物理学对此一无所知。但我根本不关心这个，因为我将死去。
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　　对于普通的有着几个太阳质量的黑洞来说，在视界之外的确有巨大的潮汐力，因此在到达视界之前我可能早就承受不住而被解体了。例如对于有8个太阳质量的黑洞来说，致命的潮汐力作用半径r在400公里左右，而其史瓦西半径仅有24公里。但潮汐力的大小于M/r3成比例，即致命半径r是质量的三次方根，而黑洞的史瓦西半径与其质量成正比。对于有1000个太阳质量的黑洞，我可能会活着掉进去；对于一些更大的黑洞，在通过史瓦西半径一去不回之前我可能根本不会感到潮汐力的存在。牧夫天文网9g*O}7C\hw

根据相对论，下列叙述是正确的：牧夫天文网1y6z^t
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　　1.当一个物体的运动速度接近光速时，它的动量将无限增加牧夫天文网 D2be-\w
　　2.能量与质量的关系公式E=mc^2牧夫天文网b6l Bb%i;h;m [,Hv
　　3.当一个物体的运动速度接近光速时，其长度趋于0牧夫天文网E z'q!lu
　　4.如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞

　　把这些事实相加，把这些事实相加，我们似乎可以得出结论：一个以足够接近光速运动的物体会坍缩成黑洞。我们甚至可以声称当你相对于一颗恒星的运动速度足够快时，恒星对于你而言会由于你观测到它的能量增加而变成黑洞。这些当然是似是而非的，因为果真如此，一个相对于恒星固定不动的观测者看到的将会是完全不同的景象。那么哪里搞错了呢？

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fv+H%w4W0　　事实上物体不会由于其外在动能的增加而趋于变成黑洞。对一个相对于物体固定不动的参照系而言，该物体只具有静质量能。并且除非其质量足够大，否则它不会变成黑洞。如果它在一个参照系中不是黑洞，那么它在其他所有的参照系中也不会是黑洞。牧夫天文网eIc2k;I;?

"qZ(rg0S#H'O8h0　　导致此种错误认识产生的部分原因在于错误地理解了公式E=mc^2中的质量。随着物质的速度和动能增加的相对论质量，不能被盲目地代入向类似用质量求解黑洞半径这样的公式中去。避免这个错误的方法是只考虑静质量（参相对论FAQ质量随速度变化吗？）而不提及相对论质量。牧夫天文网'ACS,ibQ6Q}

5{g*Sr8zL.ln0　　“如果一定的质量被挤压进一个足够小的空间，它会形成一个黑洞”这种叙述是十分含糊不清的。不太严格地讲，如果一定的质量M存在于半径为2GM/c2（史瓦西(Schwarzchild)半径）的球中，那么它必定是一个黑洞。但这是基于对爱因斯坦广义相对论场方程在忽略动量、角动量以及时空自身的动力学特征后得出的一个特殊的静态解。牧夫天文网 \:MdL
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　　在广义相对论中，引力不象在牛顿引力中那样只与质量有关，它还和动量及动量流有关，甚至和自身相关。确切地定义黑洞的形成条件是十分困难的。霍金（Hawking）和潘罗斯（Panrose）提出了一些黑洞形成的奇异理论，并且从天体物理学的角度看，这些理论适用于质量足够大的恒星在其生命晚期坍缩成很小的体积之时。

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1975年霍金（Hawking）和贝肯斯坦（Bekenstein）令人瞩目地将热动力学、量子力学和黑洞联系起来。他们预言黑洞将慢慢蒸发掉（参相对论常见问题之霍金辐射）。人们立即意识到这导致了一个信息丢失问题，该问题从此成为量子力学中的重要议题。

3i~G~_K0　　为了理解为什么“信息丢失问题”是一个问题，我们必须首先理解它是什么。从纯理想状态中取出一个量子系统并将其投入黑洞中。等待一定的时间，直到黑洞的质量蒸发回复到投入东西以前的大小。我们从一个纯状态和一个质量为M的黑洞开始，而终止状态是一个热状态和一个质量为M的黑洞。但这正是佯谬之所在。一个热状态是一种混合状态（对一致密母体用量子力学加以描述而非波动描述）。在混合状态和纯净状态相互转换过程中必须丢弃信息。例如，在本例中，我们将一个用一系列特征值、系数和大量数字描述的状态变化成一个用单一的温度值描述的状态。此状态的所有其他的结构信息都在变形中丢失了。

m,baZ0Tf0　　用术语讲，黑洞在状态系统上进行了一次非一元的变换。正如你所知道的那样，量子理论中不允许非一元变化自然发生。因为它不能保持概率性。即：非一元变化后，一次试验的所有可能结果的可能值之和会大于1。

　　从这个变化的表面来看，量子力学分崩离析了，我们陷入窘境。到底是黑洞公然违抗量子理论的信条还是我们在所假设的试验中漏掉了什么。或许蒸发后质量为M的黑洞与原先质量为M的黑洞并不相同；或许在霍金辐射中存在某种我们没注意到的精妙关系，而该关系正提供了纯净状态丢失的信息。

　　这，就是黑洞信息丢失问题。信息丢失的事实反映在所发出辐射的热特性上。但任何热系统都可通过吉普斯（Gibbs）规则dE=S dT被赋予一个熵值。我认为这就是当人们说黑洞的熵与信息丢失有关时所想到的。关于此事简单的事实是它们是稍有区别的同一件事情。牧夫天文网]]j| \u5S

I~;E^q,y/f Yja;[0　　结束前再提两点：第一，你可能认为因为黑洞会辐射所以其热特性是不可避免的。但你可能错了。在大多数此类量子辐射的计算中，辐射的广谱中并没有普朗克（Planck）广谱。如果那也是黑洞的特性，那么我们就无法给黑洞指定一个温度或一个熵值。在这种情况下，人们可能还不相信贝肯斯坦（Bekenstein），并且除了信息丢失佯谬之外，我们可能还会疑惑怎样使黑洞与第二条法则相符。霍金辐射的热广谱是现代物理学最意外的发现。依我之见，这从另一方面说明了某些深层次且并不为人所知的东西正在进行着。

~bnR/~`f0　　第二点是有趣的侧光。尽管吉普斯法则通过计算温度给出了贝肯斯坦──霍金辐射的正确熵值，但直到几个月前，没有人能够直接用量子力学/静力学来解释其熵。事实上，已经证实半经典的引力不足以解释熵。这是一个复杂的结果，因为热动力熵是从半经典的水平上获得的（事实上由于某些我怀疑与非线性引力有关的怪异现象，（解释）必须是经典的）。这样我们就面临着窘迫的选择：

!?mbF)n0　　A、热动力熵不一定总有一个静力学基础。
3\ P
jPi!Z \0　　B、引力不是一种基本相互作用，它是一些更基本的底层理论的综合效应。

*[Q2JXC*@0　　选项B并没有使一些前卫的理论家惊惶失措，其实这正是他们的观点。有趣的是，大约从今年初开始，这些前卫的人跳进“黑洞熵之起源”的争论之中。有迹象表明通过使用一些在某些类型的场论中的关于单极的古老结论，他们已经能够对线性状态进行计算，这对于某些（非物理的）有给定质量的黑洞将有所帮助。（而且）其熵与贝肯斯坦公式所给出的完全一致。专家们保证这种理论在未来会发展成更物理化的模型。如果成功的话，这的确很令人鼓舞。牧夫天文网Ix!@0wg
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