黑洞热力学.doc

黑洞热力学黑洞热力学，或称作黑洞力学，是发展于1970年代将热力学的基本定律应用到广义相对论领域中黑洞研究而产生的理论。虽然至今人们还不能清晰地理解阐述这一理论，黑洞热力学的存在强烈地暗示了广义相对论、热力学和量子理论彼此之间深刻而基础的联系。尽管它看上去只是从热力学的最基本原理出发，通过经典和半经典理论描述了热力学定律制约下的黑洞的行为，但它的意义远超出了经典热力学与黑洞的类比这一范畴，而将强引力场中量子现象的本性包含其中。 产生过程 黑洞1-2的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重力的作用下迅速地收缩，塌陷，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星体，同时也压缩了内部的空间和时间。但在黑洞3情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高质量而产生的力量，使得 黑洞任何靠近它的物体都会被它吸进去。黑洞开始吞噬恒星的外壳，但黑洞并不能吞噬如此多的物质，黑洞会释放一部分物质，射出两道纯能量伽马射线。 也可以简单理解：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生聚变。由于恒星质量很大，聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素氦元素。接着，氦原子也参与聚变，改变结构，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定不能参与聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，就再不能逃出。跟白矮星和中子星一样，黑洞可能也是由质量大于太阳质量好几倍以上的恒星演化而来的。 当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直到最后形成体积接近无限小、密度几乎无限大的星体。而当它的半径一旦收缩到一定程度（一定小于史瓦西半径），质量导致的时空扭曲就使得即使光也无法向外射出“黑洞”诞生了。 编辑本段表现形式恒星的时空扭曲改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光在恒星表面附近稍微向内偏 黑洞折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星向内坍塌时，其质量导致的时空扭曲变得很强，光线向内偏折得也更强，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径（史瓦西半径）时，其质量导致时空扭曲变得如此之强，使得光向内偏折得这么也如此之强，以至于光线再也逃逸不出去 。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这样的区域称作黑洞。将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。 黑洞图片(20张)与别的天体相比，黑洞十分特殊。人们无法直接观察到它，科学家也只能对它内部结构提出各种猜想。而使得黑洞把自己隐藏起来的的原因即是弯曲的时空。根据广义相对论，时空会在引力场作用下弯曲。这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短光程传播，但相对而言它已弯曲。在经过大密度的天体时，时空会弯曲，光也就偏离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，时空的扭曲是微乎其微的。而在黑洞周围，时空的这种变形非常大。这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的“侧面”、甚至“后背”，这是宇宙中的“引力透镜”效应。 这张红外波段图像拍摄的是我们所居住银河系的中心部位，所有银河系的恒星都围绕银心部位可能存在的一个超大质量黑洞公转。 据美国太空网报道，一项新的研究显示，宇宙中最大质量的黑洞开始快速成长的时期可能比科学家原先的估计更早，并且现在仍在加速成长。 一个来自以色列特拉维夫大学的天文学家小组发现，宇宙中最大质量黑洞的首次快速成长期出现在宇宙年龄约为12亿年时，而非之前认为的2040亿年。天文学家们估计宇宙目前的年龄约为136亿年。 同时，这项研究还发现宇宙中最古老、质量最大的黑洞同样具有非常快速的成长。有关这一发现的详细情况将发表在最新一期的天体物理学报。 编辑本段大型黑洞巨型黑洞宇宙中大部分星系，包括我们居住的银河系的中心都隐藏着一个超大质量黑洞。这些黑洞质量大小不一，大约100万个太阳质量到大约100亿个太阳质量。天文学家们通过探测黑洞周围吸积盘发出的强烈辐射推断这些黑洞的存在。物质在受到强烈黑洞引力下落时，会在其周围形成吸积盘盘旋下降，在这一过程中势能迅速释放，将物质加热到极高的温度，从而发出强烈辐射。黑洞通过吸积方式吞噬周围物质，这可能就是它的成长方式。 这项最新的研究采用了全世界最先进的地基观测设施，包括位于美国夏威夷莫纳克亚山顶，海拔4000多米处的北双子座望远镜，位于智利帕拉那山的南双子座望远镜，以及位于美国新墨西哥州圣阿古斯丁平原上的甚大阵射电望远镜。 特大黑洞 美国科学家发现三个特大黑洞的踪影。科学家对此十分振奋，黑洞之谜或许因此而揭开。 新发现的黑洞，位置在距地球5 0001亿光年的处女座与白羊座中。专家指出，大部分黑洞质量，只比太阳多出数倍，但是新搜集到的数据显示，这三个黑洞的质量，是太阳的50001亿倍。 大质量黑洞的成长观测结果显示，出现在宇宙年龄仅为12亿年时的活跃黑洞，其质量要比稍后出现的大部分大质量黑洞质量小10倍。但是它们的成长速度非常快，因而现在它们的质量要比后者大得多。通过对这种成长速度的测算，研究人员可以估算出这些黑洞天体之前和之后的发展路径。 该研究小组发现，那些最古老的黑洞，即那些在宇宙年龄仅为数亿年时便开始进入全面成长期的黑洞，它们的质量仅为太阳的100到1000倍。研究人员认为这些黑洞的形成和演化可能和宇宙中最早的恒星有关。 天文学家们还注意到，在最初的12亿年后，这些被观测的黑洞天体的成长期仅仅持续了1亿到两亿年。 这项研究是一个已持续7年的研究计划的成果。特拉维夫大学主持的这项研究旨在追踪研究宇宙中最大质量黑洞的演化，并观察它们对宿主星系产生的影响。 已知最大的黑洞美国加州大学伯克利分校华裔天文学家马中佩带领一个科研小组，最近发现了科学界迄今所知最大的两个黑洞。它们分别位于NGC 3842和NGC 4889星系，属银河系的中心地带，距离地球约2.7万光年，每个质量约为太阳的100亿倍。 编辑本段演化过程吸积黑洞通常是因为它们聚拢周围的气体产生辐射而被发现的，这一过程被称为吸积。高温气体辐射热能的效率会严重影响吸积流的几何与动力学特性。目前观测到了辐射效率较高的薄 黑洞拉伸，撕裂并吞噬恒星盘以及辐射效率较低的厚盘。当吸积气体接近中央黑洞时，它们产生的辐射对黑洞的自转以及视界的存在极为敏感。对吸积黑洞光度和光谱的分析为旋转黑洞和视界的存在提供了强有力的证据。数值模拟也显示吸积黑洞经常出现相对论喷流也部分是由黑洞的自转所驱动的。 天体物理学家用“吸积”这个词来描述物质向中央引力体或者是中央延展物质系统的流动。吸积是天体物理中最普遍的过程之一，而且也正是因为吸积才形成了我们周围许多常见的结构。在宇宙早期，当气体朝由暗物质造成的引力势阱中心流动时形成了星系。即使到了今天，恒星依然是由气体云在其自身引力作用下坍缩碎裂，进而通过吸积周围气体而形成的。行星（包括地球）也是在新形成的恒星周围通过气体和岩石的聚集而形成的。当中央天体是一个黑洞时，吸积就会展现出它最为壮观的一面。黑洞除了吸积物质之外，还通过霍金蒸发过程向外辐射粒子。 蒸发由于黑洞的密度极大，根据公式我们可以知道密度=质量/体积，为了 黑洞喷射物不断变亮4让黑洞密度无限大，那就说明黑洞的体积要无限小，然后质量要无限大，这样才能成为黑洞。黑洞是由一些恒星“灭亡”后所形成的死星，它的质量极大，体积极小。但黑洞也有灭亡的那天，按照霍金的理论，在量子物理中，有一种名为“隧道效应”的现象，即一个粒子的场强分布虽然尽可能让能量低的地方较强，但即使在能量相当高的地方，场强仍会有分布，对于黑洞的边界来说，这就是一堵能量相当高的势垒，但粒子仍有可能出去。 毁灭黑洞会发出耀眼的光芒，体积会缩小，甚至会爆炸。当英国物理学家史迪芬霍金于1974年做此预言时，整个科学界为之震动。 霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃，他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场释放出能量，同时消耗黑洞的能量和质量。 假设一对粒子会在任何时刻、任何地点被创生，被创生的粒子就是正粒子与反粒子，而如果这一创生过程发生在黑洞附近的话就会有两种情况发生：两粒子湮灭、一个粒子被吸入黑洞。“一个粒子被吸入黑洞”这一情况：在黑洞附近创生的一对粒子其中一个反粒子会被吸入黑洞，而正粒子会逃逸，由于能量不能凭空创生，我们设反粒子携带负能量，正粒子携带正能量，而反粒子的所有运动过程可以视为是一个正粒子的为之相反的运动过程，如一个反粒子被吸入黑洞可视为一个正粒子从黑洞逃逸。这一情况就是一个携带着从黑洞里来的正能量的粒子逃逸了，即黑洞的总能量少了，而爱因斯坦的公式E=mc2表明，能量的损失会导致质量的损失。 当黑洞的质量越来越小时，它的温度会越来越高。这样，当黑洞损失质量时，它的温度和发射率增加，因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”对大多数黑洞来说可以忽略不计，因为大黑洞辐射的比较慢，而小黑洞则以极高的速度辐射能量，直到黑洞的爆炸。 编辑本段分类特点按物理性质划分 根据黑洞本身的物理特性质量，角动量，电荷划分，可以将黑洞分为四类。 不旋转不带电荷的黑洞：它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。 不旋转带电黑洞：称R-N黑洞。时空结构于1916至1918年由赖斯纳（Reissner）和纳自敦（Nordstrom）求出。 旋转不带电黑洞：称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。 一般黑洞：称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。 双星黑洞：与其他恒星一块形成双星的黑洞。 克尔-纽曼黑洞的特点 转动且带电荷的黑洞，叫做克尔-纽曼黑洞。这种结构的黑洞视界和无限红移面会分开，而且视界会分为两个（外视界r+和内视界r-），无限红移面也会分裂为两个（rs+和rs-） 。外视界和无限红移面之间的区域叫做能层，有能量储存在那里。越过外无限红移面的物体仍有可能逃离黑洞，这是因为能层还不是单向膜区。 r=M(M2-a2-Q2) rs=M(M2-a2cos2-Q2) r=GM/c2(GM/c2)2-(J/Mc)2-GQ2/c4 (其中，M、J、Q分别代表黑洞的总质量、总角动量和总电荷。a=J/Mc为单位质量角动量) 单向膜区内，r为时间，t是空间。穿过外视界进入单向膜区得物体，将只能向前，穿过内视界进入黑洞内部。内视界以里的区域不是单向膜区，那里有一个“奇环”，也就是时间终止的地方。物体可以在内视界内自由运动，由于奇环产生斥力，物体不会撞上奇环，不过，奇环附近有一个极为有趣的时空区，在那里存在“闭合类时线”，沿这种时空曲线运动的物体可以不断地回到自己的过去。 编辑本段物理探索历史1928年，一位印度研究生萨拉玛尼安钱德拉塞卡乘船来到英国剑桥跟英国天文学家阿瑟。爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。钱德拉塞卡意识到，不相容原理所能提供的排斥力有一个极限。恒星中的粒子的最大速度差被相对论限制为光速。这意味着，恒星变得足够紧致之时，由不相容原理引起的排斥力就会比引力的作用小。钱德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为钱德拉塞卡极限。）前苏联科学家列夫达维多维奇兰道几乎在同时也发现了类似的结论。 宇宙十大奇异黑洞现象(10张)这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星天狼星转动的那一颗。 兰道指出，对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍，但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间，而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右，密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时，并没有任何方法去观察它。实际上，很久以后它们才被观察到。 另一方面，质量比钱德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。爱丁顿为此感到震惊，他拒绝相信钱德拉塞卡的结果。爱丁顿认为，一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点：爱因斯坦自己写了一篇论文，宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家，尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威爱丁顿的敌意使钱德拉塞卡抛弃了这方面的工作，转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而，他获得1983年诺贝尔奖，至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。 钱德拉塞卡指出，不相容原理不能够阻止质量大于钱德拉塞卡极限的恒星发生坍缩。但是，根据广义相对论，这样的恒星会发生什么情况呢？这个问题被一位年轻的美国人罗伯特奥本海默于1939年首次解决。然而，他所获得的结果表明，用当时的望远镜去观察不会再有任何结果。以后，因第二次世界大战的干扰，奥本海默非常密切地卷入到原子弹计划中去。战后，由于大部分科学家被吸引到原子和原子核尺度的物理中去，因而引力坍缩的问题被大部分人忘记了。 1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲 黑洞的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼赫维许以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触！我的确记得在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM14，LGM表示“小绿人”（“Little Green Man”）的意思。然而，最终他们和所有其他人都得到了不太浪漫的结论，这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星，这些中子星由于在黑洞这个概念刚被提出的时候，共有两种光理论：一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明引力对之可有重要效应。 1983年，剑桥的学监约翰米歇尔在这个假定的基础上，在伦敦皇家学会哲学学报上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸任何从恒星表面发出的光，还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。 事实上，因为光速是固定的，所以，在牛顿引力论中将光类似炮弹那样处理实在很不协调。（从地面发射上天的炮弹由于引力而减速，最后停止上升并折回地面；然而，一个光子必须以不变的速度继续向上，那么牛顿引力对于光如何发生影响呢？）直到1915年爱因斯坦提出广义相对论之前，一直没有关于引力如何影响光的协调的理论。甚至又过了很长时间，这个理论对大质量恒星的含意才被理解。 观察一个恒星坍缩并形成黑洞时，因为在相对论中没有绝对时间，所以每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场，在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩，按照他的表，每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到它的临界半径，此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去，他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时，他在空间飞船中的伙伴发现，航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间，他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间，然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表，光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出；从空间飞船上看，那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长，所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡，最后，该恒星变得如此之朦胧，以至于从空间飞船上再也看不见它，所余下的只是空间中的一个黑洞。然而，此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上，使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。 黑洞吞噬中子星但是由于以下的问题，使得上述情景不是完全现实的。离开恒星越远则引力越弱，所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前，这力的差就已经将航天员拉成意大利面条那样，甚至将他撕裂！然而，在宇宙中存在质量大得多的天体，譬如星系的中心区域，它们遭受到引力坍缩而产生黑洞；一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上，当他到达临界半径时，不会有任何异样的感觉，甚至在通过永不回返的那一点时，都没注意到。但是，随着这区域继续坍缩，只要在几个钟头之内，作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大，以至于再将其撕裂。 罗杰彭罗斯在1965年和1970年之间的研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似，只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点，科学定律和预言将来的能力都失效了。然而，任何留在黑洞之外的观察者，将不会受到可预见性失效的影响，因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达。这令人惊奇的事实导致罗杰彭罗斯提出了宇宙监督猜测，它可以被意译为：“上帝憎恶裸奇点。”换言之，由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方，在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲，这是所谓弱的宇宙监督猜测：它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响，但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。 广义相对论相关广义相对论方程存在一些解，这些解使得我们的航天员可能看到裸奇点。他也许能避免撞到奇点上去，而穿过一个“虫洞”来到宇宙的另一区域。看来这给空间时间内的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有这些解似乎都是非常不稳定的；最小的干扰，譬如一个航天员的存在就会使之改变，以至于他还没能看到此奇点，就撞上去而结束了他的时间。换言之，奇点总是发生在他的将来，而从不会在过去。强的宇宙监督猜测是说，在一个现实的解里，奇点总是或者整个存在于将来（如引力坍缩的奇点），或者整个存在于过去（如大爆炸）。因为在接近裸奇点处可能旅行到过去，所以宇宙监督猜测的某种形式的成立是大有希望的。 事件视界，也就是空间时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。（记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间时间轨道，没有任何东西可以比光运动得更快。）人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界：“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界，就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。 广义相对论预言，运动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速度传播的空间时间曲率的涟漪。引力波和电磁场的涟漪光波相类似，但是要探测到它则困难得多。就像光一样，它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走，所以可以预料，一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。（这和扔一块软木到水中的情况相当类似，起先翻上翻下折腾了好一阵，但是当涟漪将其能量带走，就使它最终平静下来。）例如，绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应将改变地球的轨道，使之逐渐越来越接近太阳，最后撞到太阳上，以这种方式归于最终不变的状态。在地球和太阳的情形下能量损失率非常小大约只能点燃一个小电热器， 这意味着要用大约1千亿亿亿年地球才会和太阳相撞，没有必要立即去为之担忧！地球轨道改变的过程极其缓慢，以至于根本观测不到。但几年以前，在称为PSR1913+16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出无线电波规则脉冲的中子星）的系统中观测到这一效应。此系统包含两个互相围绕着运动的中子星，由于引力波辐射，它们的能量损失，使之相互以螺旋线轨道靠近。 在恒星引力坍缩形成黑洞时，运动会更快得多，这样能量被带走的速率就高得多。所以不用太长的时间就会达到不变的状态。人们会以为它将依赖于形成黑洞的恒星的所有的复杂特征不仅仅它的质量和转动速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端，一般来讲，对之作任何预言都将是非常困难的。 然而，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，并且任何两个这样的同质量的黑洞必须是等同的。事实上，它们可以用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发现后不久的1917年卡尔施瓦兹席尔德找到的。一开始，许多人（其中包括伊斯雷尔自己）认为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩而形成。所以，任何实际的恒星从来都不是完美的球形只会坍缩形成一个裸奇点。 然而，对于伊斯雷尔的结果，一些人，特别是罗杰彭罗斯和约翰惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速运动表明，其释放出来的引力波使之越来越近于球形，到它终于静态时，就变成准确的球形。按照这种观点，任何非旋转恒星，不管其形状和内部结构如何复杂，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接受。 伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。1963年，新西兰人罗伊克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转，黑洞的赤道附近就鼓出去（正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样），而旋转得越快则鼓得越多。由此人们猜测，如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转体的情形，则任何旋转物体坍缩形成黑洞后，将最后终结于由克尔解描述的一个静态。 黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离地球如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明此物体离地球非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开地球太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能。 编辑本段专家研究黑洞等离子体德国在实验室制造出黑洞等离子体 德国马克斯普朗克核物理研究所和赫尔姆霍茨柏林中心的研究人员使用柏林同步加速器（BESSY ）在实验室成功产生了黑洞周边的等离子体。通过该研究，之前只能在太空由人造卫星执行的天文物理实验，也可以在地面进行，诸多天文物理学难题有望得到解决。黑洞的重力很大，会吸附一切物质。进入黑洞后，任何东西都不可能从黑洞的边界之内逃逸出来。随着被吸入的物体的温度不断升高，会产生核与电子分离的高温等离子体。 黑洞吸附物质会产生X射线，X射线反过来又会刺激其中的大量化学元素发射出具有独特线条（颜色）的X射线。分析这些线条可以帮助科学家了解更多有关黑洞附近等离子体的密度、速度和组成成分等信息。 在这个过程中，铁起了非常关键的作用。尽管铁在宇宙中的储量并不如更轻的氢和氦丰富，但是，它能够更好地吸收和重新发射出X射线，发射出的光子因此也比其他更轻的原子发射出的光子具有更高的能量、更短的波长（使得其具有不同的颜色）。 铁发射出的X射线在穿过黑洞周围的介质时也会被吸收。在这个所谓的光离化过程中，铁原子通常会经历几次电离，其包含的26个电子中有超过一半会被去除，最终产生带电离子，带电离子聚集成为等离子体。而现在，研究人员在实验室中重现了这个过程。 实验的核心是马克斯普朗克核物理研究所设计的电子束离子阱。在这个离子阱中，铁原子经由一束强烈的电子束加热，从而被离子化14次。实验过程如下：一团铁离子（仅仅几厘米长并且像头发丝一样薄）在磁场和电场的作用下被悬停在一个超高真空内，同步加速器发射出的X射线的光子能量被一台精确性超高的“单色仪”挑选出来，作为一束很薄但却集中的光束施加到铁离子上。 实验室测量到的光谱线与钱德拉X射线天文台和牛顿X射线多镜望远镜所观测的结果相匹配。也就是说，研究人员在地面实验室人为制造出了太空中的黑洞等离子体。 这种新奇的方法将带电离子的离子阱和同步加速器辐射源结合在一起，让人们可以更好地了解黑洞周围的等离子体或者活跃的星系核。研究人员希望，将EBIT分光检查镜和更清晰的第三代（2009年开始在德国汉堡运行的同步辐射源PETRA）、第四代（X射线自由电子激光XFEL）X射线源结合，将能够给该研究领域带来更多新鲜活力。 美国制成“人造黑洞”2005年3月18日英国卫报报道，美国布朗大学物理教授霍拉蒂纳斯塔西在地球上制造出了第一个“人造黑洞“。美国纽约布鲁克海文实验室七年前建造了当时全球最大的粒子加速器，将金离子以接近光速对撞而制造出高密度物质。虽然这个黑洞体积很小，却具备真正黑洞的许多特点。纳斯塔西介绍说，纽约布鲁克海文国家实验室里的相对重离子碰撞机，可以以接近光速的速度把大型原子的核子（如金原子核子）相互碰撞，产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。纳斯塔西在纽约布鲁克海文国家实验室里利用原子撞击原理制造出来的灼热火球，具备天体黑洞的显著特性。比如：火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收，这比目前所有量力物理学所推测的火球可吸收的粒子数目还要多。 人造黑洞的设想最初由加拿大“不列颠哥伦比亚大学”的威廉昂鲁教授在20世纪80年代提出，他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似，如果使流体的速度超过声速，那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而，利昂哈特博士打算制造的人造黑洞由于缺乏足够的引力，除了光线外，它们无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。然而，纳斯塔西教授制造的人造黑洞已经可以吸收某些其他物质。因此，这被认为是黑洞研究领域的重大突破。 欧洲“人造黑洞”2008年9月10日，随着第一束质子束流贯穿整个对撞机，欧洲大型强子对撞机正式启动。曾有人担心建于欧洲日内瓦的世界最大大型强子对撞机会制造出黑洞吞噬地球生物（新闻报道，印度一女孩曾因为担心欧洲大型强子对撞机会制出黑洞毁灭地球而自杀）。尽管欧洲的科学家一再解释这个不会对地球造成威胁，但大型强子对撞机就相当于一个人造黑洞制造机器。 欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，它位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。系统第一负责人是英国著名物理学家林恩埃文斯，大型强子对撞机最早就是由他设想出来并主导制造的。埃文斯博士是英国威尔士一位矿工的孩子，当他还是孩子时就表示要做惊天动地的事情。果然没有失言，他终于负责打造出了令世界瞩目的世界最强大的机器大型强子对撞机，为此他被外界称为“埃文斯原子能”。 当比我们的太阳更大的特定恒星在生命最后阶段发生爆炸时，自然界就会形成黑洞。它们将大量物质浓缩在非常小的空间内。假设在大型强子对撞机内的质子相撞产生粒子的过程中，形成了微小黑洞，每个质子拥有的能量可跟一只飞行中的蚊子相当。天文学上的黑洞比大型强子对撞机能产生的任何东西的质量更重。据爱因斯坦的相对论描述的重力性质，大型强子对撞机内不可能产生微小黑洞。然而一些纯理论预言大型强子对撞机能产生这种粒子产品。所有这些理论都预测大型强子对撞机产生的此类粒子会立刻分解。因此它产生的黑洞将没时间浓缩物质，产生肉眼可见的结果。 中国的人造电磁黑洞中国科学家造出第一个“人造电磁黑洞” 它有着“黑洞”之名，虽然尺寸“迷你”，但任何经过的电磁波或光，都不可能逃离它的引力。2009年10月15 日，科学杂志宣布，世界上第一个“可吸收电磁波的微波人造黑洞”在中国东南大学实验室里诞生。 不过，这个小型“黑洞”不仅不会毁灭世界，还能帮助人们更好地吸收太阳能。 在宇宙中，黑洞吞噬万物，甚至包括光。人们乐意议论这种天体，因为它神秘、“性情”怪异：它身处宇宙最幽暗的地方，没有人能直接观测到它，而靠近它的任何物质，都会被无情地拖曳到它的深渊里，小行星、星尘、光波、时间，无一例外。 人们对黑洞这种天体感到好奇，但绝不会希望有任何一个黑洞接近自己，或我们的星球。然而现在却有一些科学家在自己的实验室里造出了一个“迷你小型”黑洞。 2009年10 月15 日的科学杂志在介绍这种“人造黑洞”时建议，人们可以把这种“黑洞”装进自己的大衣口袋里。 制造出“人造黑洞”的是中国东南大学的一个研究组，崔铁军教授和程强教授是其中最主要的两位研究者。 “实际上，我们做的黑洞不是严格意义上的黑洞。”在接受外滩画报采访时，程强教授对记者说。 实验室里的“人工黑洞”，目的当然不是为了将一个吞噬一切的“恶魔”装进口袋。据程强介绍，现在存在于东南大学毫米波国家实验室的“人造黑洞”，实际上是一个模拟装置，这种模拟装置目前可以吸收微波频段的电磁波，在未来，它还可以吸收光。 但是除此之外，它并不能吸收任何实质的东西。“它只吸收电磁波，不吸收能量。”程强对记者说。崔铁军（左一）、程强在“人造电磁黑洞”实验装置前(东南大学资料图 丛 婕摄) 这是一个不具有危险性的“黑洞”，不仅如此，这种装置还能在未来用于收集太阳能。在这方面，“人造黑洞”将比世界上任何一种太阳能电池板都更高效。 一些物理爱好者甚至为这种全新的装置设计了一些新功能，比如将它装置在航天器中的太阳帆上，或者用来吸收空气中游散的电磁波因为手机和无线网络的普及，这种看不见的电磁波据说侵害了我们的健康，成为一种新的污染。 不过，制造“黑洞”的研究者却从来不想那么多，现在崔铁军和程强正在继续的，是如何把实验室里的装置变成样机，“实现工程化”。 面对关于“人造黑洞”的各式各样的议论，程强认为， “成果公布以后，被许多国际媒体转载和评论，确实也大大出乎我们意料。从我们个人角度而言，只觉得这是一个比较有意义的工作。 实验室里的“黑洞”“我觉得很惊奇，崔和程这么快就做出了人造黑洞！”看到这个研究成果后，纳瑞马诺维说。 伊维根纳瑞马诺维(Evgenii Narimanov) 是美国印第安纳州西拉斐特市普渡大学的一名教授。 今年年初，他和合作者亚历山大基尔迪谢维(Alexander Kildishev) 一起，发表论文，提出了一种制造小型“黑洞”的理论和设计方案。 他们的想法是通过模拟黑洞的一些性质，使在“人造黑洞”附近出现的放射性物质被吸引，然后螺旋式地进入“黑洞”中心。 “我们的确是受到他的论文的启发，但研究本身是我们独立完成的。”程强对记者说。 之所以能这么快将之变成现实，是因为他们所在的实验室也一直从事着这方面的研究，在理论和实验两方面都积累了很多年的经验，实验过程中也用到了很多他们自己的独创性想法。 不过虽然名为“黑洞”，他们受纳瑞马诺维启发而造的“黑洞”，和真正存在于宇宙中的黑洞还是有大差别的，这种差别并不仅仅体现在质量的大小上。两种“黑洞”的原理其实并不一样。 宇宙间的黑洞之所以能吞噬一切，是因为它质量巨大，而实验室里的“黑洞”，实际上是根据光波在被吸进宇宙黑洞时的性质，模拟出来的仪器，可以令光波接近时产生相似的扭曲，并被吸引。 也就是说，两种“黑洞”可以让附近的光波出现相似的“结局”，但是光波遇到的却并不是同一回事。 不过目前东南大学实验室里的“黑洞”，还只是适用于某些微波频率，比如人们常用的通信频率， 如GSM、CDMA 和蓝牙等，吸引光波还有待进一步研究，因为光波的频率更短，需要设计的“人造黑洞”尺寸也要更小些。 超强吸波装置这样的“人造黑洞”，在未来可以用于发电。 “当电磁波遇到这台仪器，就会立刻被捕获，并且立刻被引入到仪器里，一直被吸进黑洞中心。没有电磁波可以逃离这个黑洞。”崔铁军向科学美国人杂志描述“人造黑洞”时说。在他们的仪器中，被吸入的电磁波在中心位置转化为热能。 白洞之说科学家们提出设想，既然宇宙中有黑洞，那么一定存在“白洞”。黑洞可以用强大的吸力把任何物体都吸进去，而白洞可以把这些东西都吐出来。科学家们设想，黑洞与白洞是连在一起的，黑洞把物质吸进去，物质在里面会经过一个叫做奇异点的东西，然后物质就到达了白洞的“管辖范围”，会被白洞“吐”出来。然后物质就到达了另一个宇宙（第一平行宇宙到达）。但是，如果白洞存在，所有的物体将会以极快的速度离开。不仅如此，无论什么东西都有两面性，黑洞和白洞一个能吸一个能吐，而在第二平行宇宙中的物质则通过白洞来到宇宙所以第一平行宇宙间的物质才不会全都消失。这在在理论上是成立的。 编辑本段黑洞物理学年表黑洞的物理学年表 1640年 法国天文学家布利奥（Ismael Bullialdus）建议重力的大小与距离平方成反比。 1684年 - 牛顿导出了平方反比的重力定律。 1758年 - 拉古萨共和国（现今克罗地亚南部的港市杜布罗夫尼克）的Rudjer Josip Boscovich发展出自己的力学理论，在短距离内重力会互斥。依据他这奇特的理论，可能存在类似白洞的物体，能使其他的物体不能接近它的表面。 1784年 英国的自然哲学家John Michell论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。 1795年 法国的数学与天文学家拉普拉斯亦论及经典物理有逃逸速度超过光速的物体。 1798年 英国的物理学家亨利卡文迪什测量重力常数常数G。 1876年 英国的数学与科学哲学家威廉金顿克利福德 建议物体的运动可能源自于空间上的几何变化。 1909年 - 爱因斯坦和葛罗斯曼开始发展束缚度量张量的理论gik，用以定义与质量有关，源自的重力空间几何。 1910年 - 汉斯莱纳和根拿诺德斯德伦定义了莱纳-诺德斯德伦奇点，赫尔曼魏尔解出特解为一个点。 1916年 - 卡尔史瓦西解出球面对称且不转动的无电性系统在真空下的爱因斯坦场方程。 1917年 - 保罗埃伦费斯特给初三度空间的条件原则。 1918年 -汉斯莱纳和根拿诺德斯德伦解出球面对称且不转动的荷电系统的爱因斯坦-麦克斯韦场方程。 1918年 - Friedrich Kottler得到非真空的爱因斯坦场方程史瓦西解。 1923年 美国数学家伯克霍夫证明史瓦西的时空几何是爱因斯坦场方程唯一的球对称解。 1939年 - 欧本海默和哈特兰史奈德计算无压力均直流体的重力坍缩时，发现他会自己切除与宇宙其余部分的联系。 1963年 - 克尔解出不带电对称旋转体在真空的爱因斯坦场方程，并导出克尔度规 1964年 - 罗杰彭罗斯证明一颗内爆的恒星一旦形成事件视界就必然会成为奇点。 1965年 - 艾兹T.纽曼、 E. 考契（Couch）、K. Chinnapared、A. Exton、A. Prakash、和Robert Torrence解出带电并旋转系统的爱因斯坦-麦克斯韦场方程。 1967年 在英国伦敦国王学院的以斯列证明了无发理论。 1967年 - 约翰惠勒提出黑洞这个名词。 1968年 - 布兰登卡特应用汉米顿-贾可比方程导出带电的亚原子粒子在克尔-纽曼黑洞场外的一阶运动方程。 1969年 - 罗杰彭罗斯论述由克尔黑洞题取自旋能量的罗杰彭罗斯过程。 1969年 - 罗杰彭罗斯提出宇宙审查假说。 1971年 确认天鹅座X-1/HDE 226868 是一个双星的黑洞系统候选者。 1972年 - 史蒂芬霍金证明，经典黑洞的视界事件区域不可能减少。 1972年 - 詹姆斯巴丁、布兰登卡特、和史蒂芬霍金提出等同于热力学定律的黑洞第四定律。 1972年 - 雅各柏肯斯坦建议黑洞也有熵，就是事件视界的面积。 1974年 - 史蒂芬霍金将量子场论运用于黑洞时空，并证明黑洞会像黑体一样辐射出光谱 而导致黑洞的蒸发。 1989年 证明天鹅座的GS2023+338/V404是一个双星黑洞系统的候选者。 1996年 - 安蒂斯楚明格和伐发运用弦论计算黑洞的熵，得到与史蒂芬霍金和雅各柏肯斯坦相同的结果。 2002年 - 马克斯普郎克外太空物理学院的天文学家提出目前的证据假设银河系的中心人马座A*是个超重质量黑洞。 2002年 - 美国国家航空航天局的昌德拉X-射线天文台的观测，怀疑在NGC 6240内的黑洞是由星系吞噬产生的。 2004年 在量子力学和弦论上的计算，都认为讯息可以自黑洞溢出。源自弦论的黑洞模型对奇点的想法抱持怀疑。参见Fuzzballs。 2004年 加州大学洛杉矶分校进一步的观测证据，强烈的支持人马座A是一个黑洞。 黑洞并不仅仅是在宇宙空间吞噬气体，如果形成黑洞的恒星处于快速旋转，那么这个黑洞也会持续旋转。相比静止状态的黑洞，旋转黑洞能够更好地控制环绕其周围的宇宙物质盘。 这个快速旋转的黑洞叫做GRS 1915+105，大约每秒旋转1000次。这几乎是黑洞旋转的最快速度，这一速度是快速旋转恒星崩溃之前测定的。 所谓“超大质量黑洞”是指每个质量约为太阳的100亿倍。如果 星系中心的超大质量黑洞不再是“无色的”存在超大质量黑洞，那么在它周围的物质亦应当像绕太阳旋转的行星那样，遵循“开普勒行星运动三定律”，哈勃太空望远镜就在NGC4261.室女座M84星系、室女座M87星系等星系中心发现了高速旋转的气体，而且发现银河系中心有几颗恒星按照轨道环绕