1.经典力学框架中的黑洞问题

经典力学框架中的黑洞问题虽然黑洞这个名字直到1968年才由美国科学家惠勒(Wheele)提出来【1】.然而，有关黑洞研究的历史却可追溯到200多年以前.在整个18世纪，科学家们大都相信牛顿的光粒子学说，这个学说认为光是由光源以极高的速度发出的粒子组成.1783年，英国科学家米歇耳(Michell)假定光粒子也像其他物体一样受到引力的作用，他计算了一个具有太阳密度的天体必须多大，才能使逃逸速度大于光速.米歇耳得出，直径为太阳直径500倍的这样一个天体，其逃逸速度应该超过光速.如果这样的天体存在，光也不能逃离它们，所以，这样的天体人们是看不见的.【2】１７９５年，法国的拉普拉斯（Ｐ·Ｓ·Laplace，１７４９～１８２７）首次提出了“黑洞”的概念，他认为，地球的逃逸速度是１１．１８６公里／秒，如果地球的半径r缩小到几厘米，其密度将非常大，地球表面物体的逃逸速度将超过光速３×１０的５次方公里／秒，这时，外部的光可以射到地球上来，但地球上的光却无法逃逸到太空中去，太空外部的人看不到地球云层反射的光，地球就成了宇宙中的一只“黑洞”.同理，如果宇宙中有某些天体的密度特别大，也就会变成宇宙中的“黑洞”.1798年，法国著名数学家和天文学家拉普拉斯(Laplace)也独立地推导出与米歇耳相同的结果.米歇耳和拉普拉斯所提出的看不见的天体，就是今天所说的黑洞.米歇耳和拉普拉斯的工作都是建立在牛顿引力理论基础上的.由于米歇耳的研究没有引起人们的注意，直到20世纪80年代才被重新发现，因此，用牛顿力学得出的黑洞一直被称为拉普拉斯黑洞.拉普拉斯黑洞可以这样理解：每个星球都有一个逃逸速度，所谓逃逸速度就是物体摆脱星球引力场所需要的最小速度.一个星球的引力场越强，其逃逸速度就越大.用牛顿力学很容易计算出一个质量为，半径为的球状星球的逃逸速度为(1-1),公式（1-1）的推导我们将在后面给出.当一个星球的逃逸速度超过光速，即≥c(1-2)时，如果这样的天体存在，光也不能逃离它们，所以，这样的天体人们是看不见的.拉普拉斯黑洞的概念最初就是这样产生的，根据这一思想，可以给黑洞下一个定义.定义1.1：一个星球，如果它的逃逸速度大于光速，即光也不能从其表面逃出，这个星球就是黑洞.黑洞的另一定义出自广义相对论，按照广义相对论，物质决定时空如何弯曲，而光和物质的运动将由弯曲时空的曲率决定，当曲率大到一定程度时，光线就无法跑出去了，广义相对论中黑洞的概念就是这样产生的.下面是钱德拉塞卡（ChandrasekhanS）给出的黑洞定义.定义1.2：黑洞将三维空间分为两个区域，一个是以称之为视界的二维光滑曲面为边界的内区域，一个是视界以外渐进平直的外区域，而且内区域的点不能与外区域的点交换讯息.虽然有关黑洞的定义不只一个，但是定义1.1是最基本的，因为这个定义给出了黑洞的最重要的物理特征——光也不能从其表面逃逸.由于本书主要研究什么样的星球不是黑洞，所以上面两个定义并不使用，我们将要使用的是下面这个定义.定义1.3：一个星球，如果它的逃逸速度小于光速，即物体可以以小于光的速度从其表面逃逸，那么这个星球一定不是黑洞.不管黑洞如何定义，无论是用牛顿力学的方法定义，还是按照广义相对论的方法定义，定义1.3均能成立，因为，所谓黑洞是这样一种星球，任何物质都不能逃离出去，如果物质可以以小于光的速度逃到无穷远处，那么，这个星球显然不是黑洞.由此我们不难看出，黑洞概念与星球的逃逸速度密切相关.笔者认为,根据引力质量与电磁质量之间的关系,引力质量与电磁质量没有相互作用,因此在经典力学范围内不存在黑洞.参考文献：Whe