黑洞的新密碼

黑洞研究史。

經(jīng)典力學(xué)以牛頓和麥克斯韋為代表，但牛頓更出名一點(diǎn)。如果牛頓是塔頂上的一顆夜明珠，那么愛因斯坦就是夜明珠上空一顆非常耀眼的明星?，F(xiàn)代物理以愛因斯坦的相對(duì)論和量子力學(xué)為兩大支柱，而愛因斯坦又是當(dāng)今科學(xué)界最有名的科學(xué)家。

1916年德國(guó)史瓦西，通過計(jì)算得到了愛因斯坦場(chǎng)方程的一個(gè)真空解，這個(gè)解表明宇宙中存在黑洞這樣的天體。并隨此得出任何有質(zhì)量的物質(zhì)都存在一個(gè)臨界半徑，稱此為史瓦西半徑，即物體的實(shí)際半徑小于其史瓦西半徑就變成黑洞。隨后英國(guó)科學(xué)家霍金和羅杰·彭羅斯等又研究了黑洞的一些性質(zhì)；今年我國(guó)科學(xué)家通過慧眼研究了黑洞的冕，黑洞冕就是黑洞噴射出的等離子流，我國(guó)科學(xué)人員通過慧眼發(fā)現(xiàn)，當(dāng)黑洞的冕逐漸衰弱時(shí)，它對(duì)黑洞吸積盤的照射程度也會(huì)減弱。

縱觀研究史，愛因斯坦、史瓦西和霍金是到現(xiàn)在為止對(duì)黑洞研究貢獻(xiàn)最大的三位科學(xué)家。

黑洞的認(rèn)識(shí)。

黑洞要么質(zhì)量非常大；要么密度極其大，因?yàn)槊芏?質(zhì)量÷體積，所以質(zhì)量小的黑洞，其體積必須極其小。宇宙中的黑洞一般質(zhì)量非常大，是一種引力極大的天體，進(jìn)入黑洞的東西幾乎都不能出來，就連光這樣的物質(zhì)也無(wú)法逃脫黑洞的魔爪。

黑洞的黑，黑洞由于具有極其超強(qiáng)的引力，所以進(jìn)入黑洞視界的物質(zhì)無(wú)法出來，就連光也不能出來，這樣我們就無(wú)法看到黑洞視界里面的任何物質(zhì)。視界是一種界線，黑洞視界就是一個(gè)閉合曲面，其視界半徑大于等于史瓦西半徑（不旋轉(zhuǎn)黑洞的視界半徑為史瓦西半徑，一般都近似球面）。

黑洞的吸積，吸積是各種天體最普遍的行為，天體通過引力把周圍的物質(zhì)吸入自身，使自己變得越來越強(qiáng)壯。宇宙中的黑洞更是如此，他用超強(qiáng)的吸引力把自己周圍的物質(zhì)吸入進(jìn)去，使其質(zhì)量逐漸變大，引力逐漸變強(qiáng)。黑洞就是依靠吞噬落入其中的物質(zhì)而成長(zhǎng)；但是當(dāng)黑洞“進(jìn)食”大量物質(zhì)時(shí)，就會(huì)有高速等離子噴流從黑洞邊緣逃逸而出。

黑洞的蒸發(fā)，黑洞并不是完全的黑，在特殊情況下是會(huì)蒸發(fā)的。英國(guó)科學(xué)家霍金發(fā)現(xiàn)黑洞有蒸發(fā)現(xiàn)象，他指出黑洞既可以通過吸積物質(zhì)增加質(zhì)量，也可以向外發(fā)射物質(zhì)，使質(zhì)量減小。從此改變了黑洞的經(jīng)典圖像：黑洞是一個(gè)物質(zhì)只進(jìn)不出的完全“黑”的天體。今天的黑洞模型已經(jīng)不是那么黑了，他既可以吞進(jìn)物質(zhì)，也可以吐出物質(zhì)。比如前面說的我國(guó)科學(xué)家研究黑洞冕的噴發(fā)，再比如正反粒子對(duì)在黑洞附近的分離。

霍金發(fā)現(xiàn)，量子真空會(huì)被黑洞強(qiáng)引力場(chǎng)極化，從而產(chǎn)生一對(duì)正反粒子，黑洞更容易捕獲反粒子，而反粒子帶有負(fù)能量，這樣黑洞就損失了能量，根據(jù)愛因斯坦方程E=mc2，黑洞的質(zhì)量就減少了。反粒子進(jìn)入黑洞，正粒子留在宇宙時(shí)空中，從外部看粒子是從黑洞里出來，即黑洞蒸發(fā)了，這就是著名的霍金輻射。霍金輻射指出黑洞的溫度與質(zhì)量成反比，其質(zhì)量越大，溫度越低，輻射也越弱，所以質(zhì)量大的黑洞蒸發(fā)就慢；否則黑洞蒸發(fā)就快。巨型黑洞一般蒸發(fā)相當(dāng)緩慢；而小黑洞蒸發(fā)就快了，如果一些小黑洞蒸發(fā)加劇，最終可能導(dǎo)致爆炸而滅亡?；艚鹬赋?，如果宇宙的生命足夠長(zhǎng)，一些巨大黑洞也能蒸發(fā)完，即也能滅亡。

黑洞新探究。

(一)黑洞的顏色：

落入黑洞視界的物質(zhì)都不能從黑洞里出來，就連光也無(wú)法逃脫此命運(yùn)，黑洞是一個(gè)只吞不吐的貪得無(wú)厭的神秘天體；除非在特殊情況下黑洞才能釋放物質(zhì)粒子，比如前面說的黑洞冕或霍金輻射。難道真的是這樣嗎？回答這個(gè)問題之前，我們先做一個(gè)規(guī)定，規(guī)定是這樣的：除了黑洞冕和霍金輻射兩種情況外，黑洞里再不可能出來任何物質(zhì)的情況稱為黑洞的“灰”色，簡(jiǎn)稱“灰”；黑洞只進(jìn)不出的情況，稱為黑洞的經(jīng)典“黑”；而除了黑洞冕和霍金輻射，黑洞里還會(huì)出來其他物質(zhì)的情況稱為黑洞的“黑灰”?，F(xiàn)在已經(jīng)確定黑洞不是完全的黑，他具有灰色的性質(zhì)，但是不是只是灰色的呢？答案是否定的，即黑洞除了灰這種顏色外，還有一種介于黑和灰之間的黑灰色，也就是說黑洞除了發(fā)生黑洞冕和霍金輻射外，還有別的物質(zhì)出來。

黑洞的黑灰和引力子的關(guān)系。量子力學(xué)認(rèn)為引力是兩個(gè)物體交換引力子形成的，而愛因斯坦相對(duì)論則認(rèn)為引力是時(shí)空彎曲導(dǎo)致的。

第一，如果引力只是由時(shí)空彎曲導(dǎo)致的，那么黑洞就可以只有灰色。愛因斯坦指出質(zhì)量造成時(shí)空扭曲，質(zhì)量越大，時(shí)空扭曲就越大，這樣引力也就越大。我們都知道，兩點(diǎn)之間線段最短，這是平面幾何的短程線；然而在被彎曲的四維時(shí)空里，短程線也被彎曲了，所以物體在彎曲的四維時(shí)空中走的短程線是曲線。黑洞這樣大質(zhì)量的天體，他周圍的時(shí)空是非常彎曲，物體在這樣的時(shí)空里運(yùn)動(dòng)自然就走時(shí)空曲線，而且是內(nèi)走向的時(shí)空曲線。依據(jù)這種理論，質(zhì)量造成時(shí)空彎曲，時(shí)空彎曲導(dǎo)致引力形成，物質(zhì)在彎曲的時(shí)空里自然而然走的是四維短程時(shí)空線。這樣黑洞不用和外界交換引力子也可以實(shí)現(xiàn)引力作用，所以黑洞可以只有灰色。

第二，如果引力是物質(zhì)交換引力子形成的，那么黑洞一定不只有灰這一種顏色。因?yàn)橐κ且ψ咏粨Q實(shí)現(xiàn)的，而黑洞又有極其強(qiáng)的吸引力，所以黑洞必然要和外界交換引力子，只有這樣黑洞和周圍的物體才能發(fā)生吸引關(guān)系，也只有這樣黑洞才可以把周圍的物體不斷吞噬進(jìn)去，從而實(shí)現(xiàn)逐漸壯大自己的夢(mèng)想。這樣黑洞除了灰，還有黑灰色。

第三，如果引力是時(shí)空彎曲和交換引力子二者共同形成的結(jié)果。那我們就要這樣定義引力：物質(zhì)的質(zhì)量導(dǎo)致時(shí)空扭曲從而產(chǎn)生物質(zhì)之間相互的吸引，相互吸引使物體之間通過彼此交換引力子而迫使他們發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，這就是萬(wàn)有引力的本質(zhì)。果真是這樣，那么引力子必定存在，而黑洞除了灰色還有一種介于黑色和灰色之間的“黑灰”的顏色。

總上三種情況，如果引力是時(shí)空扭曲形成的，那么就沒有引力子，黑洞就可以只有灰色；如果引力是物質(zhì)交換引力子或是時(shí)空扭曲和引力子交換共同形成，那么引力子就存在，黑洞就不能只有灰色，也應(yīng)該有一種介于黑色與灰色之間的黑灰色。

我猜想第三種可能性比較大，因?yàn)槠湟?，時(shí)空彎曲存在；其二，在力的作用下物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變了，就有能量的轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移。這只是一種猜想，所以在弄清楚之前想聽聽大家的一些想法，即使是蛛絲馬跡，我也如珍似寶。

(二)黑洞的結(jié)構(gòu)：

黑洞無(wú)毛定理，即無(wú)論什么樣的黑洞，其最終性質(zhì)僅由質(zhì)量、角動(dòng)量、電荷這三個(gè)物理量唯一確定 。而實(shí)際上除了上面這三點(diǎn)，黑洞還有其他結(jié)構(gòu)稟性。黑洞有大有小，這個(gè)大小不僅僅限于質(zhì)量的多少，也有體積的大小。但實(shí)際觀測(cè)到黑洞體積的大小是根據(jù)黑洞的史瓦西半徑算出來的，這是黑洞的虛半徑；而黑洞的實(shí)際半徑是黑洞吸積盤內(nèi)側(cè)線到黑洞中心的距離。黑洞從史瓦西半徑視界之外的吸積盤到黑洞中心，至少可以一共分三層，它們從外到里依次是吸積盤、洞核、洞心。

吸積盤是一種由彌散物質(zhì)組成的、圍繞黑洞中心體轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，它是包圍黑洞的氣體盤，是黑洞體積的重要部分，但其質(zhì)量所占黑洞比例非常小。盤內(nèi)的氣體螺旋下落，逐漸被吸積到黑洞洞核。洞核是吸積盤與洞心之間的質(zhì)能粒子區(qū)域，他的體積非常小但質(zhì)量非常大。洞心是黑洞的中心區(qū)域，是黑洞體積最小、密度最大、引力也最強(qiáng)的部分，那里是黑洞所有物質(zhì)的歸屬地。

前面一篇文章《宇宙外面的奧秘》一文中講到，時(shí)間和空間是物質(zhì)存在和運(yùn)動(dòng)誕生的，并隨物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而變化。黑洞里有大量的物質(zhì)，所以黑洞內(nèi)部也有時(shí)空，只不過是扭曲非常厲害的時(shí)空。 黑洞里的物質(zhì)，總的方向是向洞心進(jìn)軍，但進(jìn)軍的過程不是一帆風(fēng)順的，是非常曲折的艱辛歷程，其中有物質(zhì)的碰撞、上下的反彈、彼此的相互作用等等，所以黑洞內(nèi)的空間至少三維甚至更多。黑洞里的時(shí)間雖然扭曲了，但也是一維的，至少在洞心之外的吸積盤以及洞核區(qū)域是一維的，在這兩個(gè)區(qū)域時(shí)間箭頭由外指向內(nèi)，直至洞心。洞心之內(nèi)的時(shí)空就比較復(fù)雜難測(cè)了。

(三)黑洞的蒸發(fā)：

霍金輻射認(rèn)為黑洞可以蒸發(fā)，如果宇宙的年齡足夠長(zhǎng)，所有黑洞都會(huì)蒸發(fā)直至滅亡。我認(rèn)為不一定。前面黑洞的結(jié)構(gòu)中說黑洞分三層，其最里層是洞心。洞心可能有兩種模型，洞心存在奇點(diǎn)或洞心沒有奇點(diǎn)。

第一，如果洞心存在奇點(diǎn)，由于奇點(diǎn)是一個(gè)體積無(wú)限小、密度能量無(wú)限大的具有極強(qiáng)引力的神秘幾何點(diǎn)，所以奇點(diǎn)內(nèi)的東西無(wú)論如何也不可能通過霍金輻射蒸發(fā)出來，更不存在蒸發(fā)完結(jié)，所以有奇點(diǎn)的黑洞是不能通過霍金輻射蒸發(fā)至滅亡。奇點(diǎn)內(nèi)的東西只有通過白洞的方式才能釋放出來，這跟霍金輻射有本質(zhì)的區(qū)別。

第二，如果洞心不存在奇點(diǎn)，理論上黑洞才可能通過霍金輻射蒸發(fā)直至滅亡。黑洞允許沒有奇點(diǎn)嗎？當(dāng)然允許。我們知道奇點(diǎn)是一個(gè)能量密度無(wú)限大的神秘幾何點(diǎn)，要形成這樣一個(gè)奇點(diǎn)，那條件是極其苛刻的，所以黑洞的洞心有不存在奇點(diǎn)的可能性，至少幼年黑洞有不存在奇點(diǎn)的情況。如果黑洞洞心沒有奇點(diǎn)且其形成奇點(diǎn)的時(shí)間特別長(zhǎng)，一些沒有奇點(diǎn)的黑洞就可以通過霍金輻射蒸發(fā)完，也就是說黑洞洞心還沒來得及形成奇點(diǎn)，黑洞就蒸發(fā)完了。

故黑洞中心有奇點(diǎn)或沒有奇點(diǎn)兩種可能，有奇點(diǎn)的黑洞不可能通過霍金輻射蒸發(fā)完；沒奇點(diǎn)的黑洞在理論上才可以通過霍金輻射蒸發(fā)直至滅亡。

再次渴求有愛心的、愛思維的熱心人，對(duì)萬(wàn)有引力以上那三種情況的選擇，給予寶貴意見！

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