黑洞及其视界附近的物理规律

1796年，法国天文学家拉普拉斯在他的《宇宙系统理论》一书中预言，如果它的引力足够强，光速不足以成为逃逸速度，我们可能看不到它。宇宙中最大的天体可能是完全看不见的。这一观点基于牛顿的引力理论。当时，没有办法证实他的想法。直到100年后，爱因斯坦发表了他的广义相对论，这是完全不同于牛顿的引力理论的基本概念。在广义相对论中，空间和时间构成四维时空。时空和物质的几何性质通过爱因斯坦的引力方程联系在一起。物质是重力的来源，也决定了时空的曲率。广义相对论发表后不久，德国天文学家史瓦西立即解决了爱因斯坦球形对称的引力方程。根据这个解，质量为m的非旋转球形天体有一个临界半径Rg，它被定义为引力半径或schwarzschild半径，并且在半径内外有非常不同的时空特性。像拉普拉斯以前一样，他不知道这个天体是否真的存在。这个问题直到1939年才被证明，当时奥本海默和一名学生共同证明了一颗质量非常大的冷却恒星理论上必须无限期地坍缩成一个黑洞，也就是说，黑洞可能是一个真正的天体。黑洞的形成目前被认为是在一颗质量是太阳几十倍的巨大行星生命的最后一刻发生大爆炸后形成的。在恒星内部的高温高压条件下，原子核正在发生强烈的聚变反应。这种热核反应释放的核能与朝向中心的引力相竞争，这种引力使恒星保持稳定状态，并在数十亿年里向外界辐射巨大的光能和热能。然而，稳定的热核反应不可能永远持续下去。当热核反应不能稳定进行时，恒星就会被摧毁。老化恒星的演化取决于剩余恒星核的质量。其中，拥有中小质量原子核的恒星将成为白矮星；当剩下的恒星核心的质量达到太阳质量的1.4倍时，其重力足以将恒星核心中的原子压缩到电子和质子结合形成中子的程度，恒星核心就变成了中子星。然而，当恒星核心的质量超过太阳质量的2-3倍时，没有任何力量能够与重力竞争，恒星将不可避免地一直坍缩——理论上，它最终将成为一个体积为零、密度无限的点。应该注意的是，上述黑洞的形成过程在天体物理学理论中仍然只是一种推测。史瓦西半径内的任何天体都有一个临界半径，即史瓦西半径Rg。在Rg内部，时空弯曲如此之大，以至于光线无法逃逸。根据狭义相对论，光速是任何物体能达到的最大速度，所以没有其他物体能从史瓦西半径范围内逃脱。史瓦西半径的数学表达式是RG = 2GM/C2 (1)，其中C是光速，G是牛顿引力常数，M是质量。从这个数学表达式中，我们可以看到史瓦西几何的普遍性，因为它与恒星的类型无关，而只取决于一个参数——质量。因此，任何球形天体(如太阳)的史瓦西半径大小都可以根据方程式(1)计算出来。一颗质量像太阳一样的恒星在被纳入公式后，被计算出其史瓦西半径约为2.95公里，也就是说，如果太阳被压缩成直径为5.9公里的球体，它将变成一个黑洞。如果地球变成一个黑洞，地球上的所有物质，包括大气、海洋、山脉、河流和所有生物，都会被压缩成一个直径为1厘米的小球。事件视界是黑洞的边界，是一个距离黑洞表面半径为r的球体。所以它的半径取决于黑洞的质量。地平线是时间和空间的分界线，它将所有事件分为两类。在地平线之外，光信号可以在任何距离相互连接。这是我们生活的正常宇宙。在地平线上，光不能*地从一个物体传播到另一个物体，而是向中心聚集。此外，进入地平线的外部辐射将继续进入黑洞，无法被反射。由奇点的视界所包围的质量和体积计算出的平均密度与质量的平方成反比，因此黑洞的质量越小，平均密度就越大。当天体坍缩到地平线以外时，重力仍然占主导地位，它将继续向中心坍缩，天体的所有物质将最终聚集在中心的一个点上。体积是零，质量是有限的，但密度是无限的。这一点就是奇点。天体(或天体系统)的引力半径Rg与其实际标度r = 2gm/(rc2)的比值Rg/r表示天体(或天体系统)引力场的强度:如果Rg/r“l”，则为弱引力场。如果rg/r ≤ 1，则属于强重力场。可以看出，大多数天体(或天体系统)的引力场很弱，时空曲率很小，因此牛顿的引力理论是完全适用的。然而，黑洞造成的时空曲率非常大，必须用广义相对论来处理。从上面列出的数字，我们可以理解黑洞有很强的引力，没有任何力量可以与之竞争。

图1显示了球对称恒星引力坍缩的四个阶段，越来越多的光被逐渐保留下来。在坍缩之前(图1a)，恒星的体积比史瓦西半径指定的比例大得多。根据广义相对论，它的引力场对光几乎没有影响，从恒星表面的一个点发出的光可以在任何方向直线传播。然后，恒星坍缩(图1b)。随着它的半径接近史瓦西半径，引力陷阱加深，时空弯曲程度增加，光*弯曲并偏离直线。当恒星半径等于史瓦西半径的1.5倍时，发出的光将向相反的方向传播，并回到恒星表面，就像喷泉中的水一样。这些光线形成一个光球，像茧一样包裹着坍缩的恒星。远处的观察者只能偶尔看到几个逃逸的光子。随着重力崩溃的继续，越来越少的光子可以逃逸，光的“逃逸锥”正在收缩(图1c)。当恒星到达临界史瓦西半径时，所有的光都被捕获，甚至是那些径向发射的光。逃逸锥完全关闭，光球消失，黑洞形成(图1d)。它的表面，史瓦西球，是看不见的区域的边界，也称为地平线。黑洞无毛定理对于物理学家来说，黑洞或方糖是极其复杂的物体，因为它们的完整描述，包括它们的原子和核结构，需要数亿个参数。相比之下，研究黑洞外部的物理学家没有这样的问题。黑洞是一个极其简单的物体。如果你知道它的质量、角动量和电荷，你就会知道它的一切。黑洞几乎不保留形成它的物质的任何复杂性质。它对前体物质的形状或组成没有记忆，只保留质量、角动量和电荷。降低复杂性也许是黑洞最基本的特征。关于黑洞的大多数术语的发明者约克·惠勒(York Wheeler)在60年前称这个特征为“无毛黑洞”。起初，这只是一种猜测，并在20世纪70年代被数学严格证明。这是包括默顿天文台的布兰登·卡特和澳大利亚的加里·万津在内的理论物理学家15年努力的结果。他们证明了描述平衡黑洞周围的时空几何只需要三个参数，从而证实了惠勒的说法。黑洞的参数可以精确测量，尽管是通过理想的实验。一颗卫星可以被放置在黑洞周围的轨道上，它的轨道周期可以被测量以获得黑洞的质量。黑洞的角动量可以通过比较光线向地平线不同部分的偏转来测量。对于上面提到的具有一定质量的克尔-纽曼黑洞，电荷和角动量都有上限，也就是说，两者都受确保视界条件的限制。如果在一颗大质量恒星的引力坍缩过程中违反了这个极限，黑洞就会变成一个赤裸裸的奇点，并会影响宇宙中遥远的地方。然而，物理学家有充分的理由相信这种情况是自然规律所禁止的，不会发生。因为只有三个参数占主导地位，所以黑洞就像基本粒子一样简单。虽然基本粒子也将质量、角动量和电荷集中在一个小体积内。然而，考虑到地平线存在的条件，我们知道没有什么比基本粒子和黑洞更不同的了。以电子为例，实验确定了它的三个参数。对于相同的质量，电子的电荷和角动量超过黑洞上限的1088倍。这个惊人的数字甚至超过了可观察到的宇宙基本粒子的总数，这是一个衡量电子和克尔-纽曼黑洞之间差异的指标。X射线辐射定律理论上认为当物质落入黑洞时会有X射线辐射。让我们以气体为例来描述物质辐射的物理过程。当气体围绕黑洞旋转并接近黑洞时，它相对于黑洞会有更大的角动量，也会形成一个气盘。气盘中的气体将被挤压，相邻气体的粘度将引起摩擦，产生热能。随着气体转速的加快，它们受到的压缩越来越严重，温度也越来越高。这种下降的热涡流的温度和密度最终变得非常高，当它们接近地平线时发出x光。这里不详细介绍黑洞的其他一些物理性质，因为它们涉及量子理论和现代物理原理，如黑洞熵和黑洞蒸发。因为黑洞的量子理论似乎已经导致了物理学中新的不可预测性，它超越了通常与量子力学相关的不确定性。这是因为黑洞似乎具有内在熵，并且丢失了来自我们宇宙区域的信息。应该指出的是，这些说法是有争议的:许多研究量子引力的人(包括几乎所有从粒子物理学进入这个领域的人)本能地反对关于系统的量子态信息可能丢失的概念。量子理论认为黑洞发射辐射并失去质量，最终它们似乎完全消失，带走了储存在里面的信息。不幸的是，与海森堡的测不准原理不同，这种额外水平的黑洞很难通过实验来验证。随着更先进的观测方法和物理理论的不断进步，对黑洞的研究和理解将取得新的成果。这个神秘的天体最终将以崭新的面貌出现在我们面前。到那时，我们对宇宙和自然的理解将会取得更多的成果。