黑洞問題再思考

PAGE15現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)的思考之十一：黑洞問題目錄第一章黑洞問題的提出1.經(jīng)典力學(xué)框架中的黑洞問題2.廣義相對(duì)論下黑洞的概念3.奇點(diǎn)定理與能量條件4.施瓦西黑洞與拉普拉斯黑洞完全相同5.量子力學(xué)與黑洞第二章黑洞問題的研究1.黑洞活動(dòng)的證據(jù)2.彭羅斯和霍金的爭論第三章：黑洞的存在性質(zhì)疑1.席瓦西度規(guī)并沒預(yù)言黑洞一定存在黑洞不存在的一個(gè)簡單證明2.黑洞的存在性質(zhì)疑3.現(xiàn)代天文學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于黑洞存在性的質(zhì)疑4.美科學(xué)家稱宇宙間不存在黑洞引發(fā)激烈討論黑洞問題的提出1.經(jīng)典力學(xué)框架中的黑洞問題1.1拉普拉斯黑洞概念的提出過程回顧雖然黑洞這個(gè)名字直到1968年才由美國科學(xué)家惠勒(Wheele)提出來【1】.然而，有關(guān)黑洞研究的歷史卻可追溯到200多年以前.在整個(gè)18世紀(jì)，科學(xué)家們大都相信牛頓的光粒子學(xué)說，這個(gè)學(xué)說認(rèn)為光是由光源以極高的速度發(fā)出的粒子組成.1783年，英國科學(xué)家米歇耳(Michell)假定光粒子也像其他物體一樣受到引力的作用，他計(jì)算了一個(gè)具有太陽密度的天體必須多大，才能使逃逸速度大于光速.米歇耳得出，直徑為太陽直徑500倍的這樣一個(gè)天體，其逃逸速度應(yīng)該超過光速.如果這樣的天體存在，光也不能逃離它們，所以這樣的天體人們是看不見的.【2】１７９５年，法國的拉普拉斯（Ｐ·Ｓ·Laplace，１７４９～１８２７）首次提出了“黑洞”的概念，他認(rèn)為地球的逃逸速度是11.186公里／秒，如果地球的半徑r縮小到幾厘米，其密度將非常大，地球表面物體的逃逸速度將超過光速３×１０５公里／秒，這時(shí)外部的光可以射到地球上來，但地球上的光卻無法逃逸到太空中去，太空外部的人看不到地球云層反射的光，地球就成了宇宙中的一只“黑洞”.同理，如果宇宙中有某些天體的密度特別大，也就會(huì)變成宇宙中的“黑洞”.1798年法國著名數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家拉普拉斯(Laplace)也獨(dú)立地推導(dǎo)出與米歇耳相同的結(jié)果.米歇耳和拉普拉斯所提出的看不見的天體，就是今天所說的黑洞.米歇耳和拉普拉斯的工作都是建立在牛頓引力理論基礎(chǔ)上的.由于米歇耳的研究沒有引起人們的注意，直到20世紀(jì)80年代才被重新發(fā)現(xiàn)，因此用牛頓力學(xué)得出的黑洞一直被稱為拉普拉斯黑洞.給定一個(gè)質(zhì)量為M，半徑為R的星球，并假設(shè)星球的質(zhì)量是均勻分布的，再給定一個(gè)靜止質(zhì)量為的質(zhì)點(diǎn)，<<M，下面研究質(zhì)點(diǎn)在星球引力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由于討論靜態(tài)球?qū)ΨQ的情況，因此可進(jìn)一步假設(shè)質(zhì)點(diǎn)只在星球的徑向做直線運(yùn)動(dòng).首先將球坐標(biāo)系固定在星球M上，并令坐標(biāo)原點(diǎn)與星球球心相重合.在牛頓力學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量是一個(gè)常量，根據(jù)牛頓第二定律和萬有引力定律，質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為：(1)，公式（1）中的是質(zhì)點(diǎn)的徑向速度，在球?qū)ΨQ問題中速度u只是r的函數(shù)，因此有：(2)，將公式(2)代入公式(1)中，整理后可得：（3），對(duì)上式積分，并注意邊界條件：r=時(shí)，u=0，積分后可得速度公式為：(4)，在后面研究中，需要經(jīng)常使用參數(shù)，即速度與光速之比，由公式（4)可得：(5)，注意公式（3）的右端只是的函數(shù)，因此可以引入勢(shì)函數(shù)，其中滿足：(6)，對(duì)上式積分，并引入邊界條件r=時(shí)，=0于是得到：(7)，將引力勢(shì)代入運(yùn)動(dòng)方程(3)中，則牛頓引力場中的運(yùn)動(dòng)方程為：(8)，對(duì)公式(8)取積分，并注意利用公式(2)，再代入邊界條件，在r=時(shí)，u=0，=0于是得到：(9)，公式(9)就是牛頓引力場的能量守恒方程.按照牛頓引力理論，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能若超過它的引力勢(shì)能，質(zhì)點(diǎn)就能擺脫星球的引力而逃逸，對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為M，半徑為R的星球來說，在它表面上一個(gè)質(zhì)量為質(zhì)點(diǎn)，根據(jù)能量守恒方程(9)，該質(zhì)點(diǎn)能夠從星球表面逃逸的最小速度很容易算出來，把(7)代入(9)，我們有：(10)，由公式(10)可求得逃逸速度：(11)，從上式可以看出，質(zhì)量越大半徑越小的星球，其逃逸速度越大.令逃逸速度等于光速，由方程(11)求出半徑，這個(gè)半徑就是拉普拉斯半徑.用這一方法，我們最終得到：(12)，式中c代表光速，稱為拉普拉斯半徑，利用公式(11)很容易得到，當(dāng)星球的半徑小于拉普拉斯半徑時(shí)，即≤時(shí)，我們有：≥c(13)，這個(gè)公式表明，如果光也同一般物體一樣受萬有引力作用，那么在≤的條件下，光線就不能克服引力場而逃逸.換句話說，根據(jù)牛頓引力理論，我們可以得出宇宙中存在這樣一種星球，它的半徑滿足≤的條件，即：≤(14)，這種星球的引力是如此之強(qiáng)，光也不能從其表面逃脫，以至一個(gè)遠(yuǎn)方的觀測者無法接收到從星球表面發(fā)出的光，這種星球拉普拉斯稱其為看不見的星，也就是今天所說的黑洞.定義1.1：一個(gè)星球，如果它的逃逸速度大于光速，即光也不能從其表面逃出，這個(gè)星球就是黑洞.1.2拉普拉斯黑洞的局限性黑洞問題屬于強(qiáng)引力問題，在強(qiáng)引力場質(zhì)點(diǎn)的速度可以接近光速.當(dāng)用相對(duì)論的方法計(jì)算的質(zhì)點(diǎn)速度大于光速的0.79倍時(shí)，用牛頓力學(xué)公式（4）得出的速度就會(huì)大于光速，而此時(shí)牛頓力學(xué)早已不適用了.因此，黑洞問題是不能用牛頓力學(xué)研究的.然而，在200多年前，拉普拉斯在不知道牛頓力學(xué)的適用范圍的情況下，用牛頓力學(xué)研究了黑洞，并推導(dǎo)出拉普拉斯黑洞.雖然用牛頓力學(xué)可以推導(dǎo)出黑洞，由于黑洞屬于強(qiáng)引力問題，超出了牛頓力學(xué)的適用范圍，因此拉普拉斯推導(dǎo)黑洞的方法是錯(cuò)誤的.筆者認(rèn)為，在經(jīng)典力學(xué)范圍推導(dǎo)黑洞是完全錯(cuò)誤的，沒有考慮萬有引力的反作用力——弱相互作用，光是電磁質(zhì)量，與引力質(zhì)量沒有相互作用.參考文獻(xiàn)：[1]WheelerJA.AmericanScientist，1968，56：1[2]Michel，J.Philos.Trans.1783，74：35-572.廣義相對(duì)論下黑洞的概念米歇耳和拉普拉斯的工作提出不久，托馬斯·楊(Young)發(fā)現(xiàn)了光的干涉與衍射現(xiàn)象.在以后的一百多年間，光的波動(dòng)學(xué)說代替了光的粒子學(xué)說，米歇耳和拉普拉斯建立在光的粒子學(xué)說基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，逐漸被人們淡忘了.直到1916年從愛因斯坦的廣義相對(duì)論中導(dǎo)出了與他們相同的結(jié)果，米歇耳和拉普拉斯的工作才再度引起人們的關(guān)注.1916年，在愛因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表后不久，施瓦西(Schwarzschild)導(dǎo)出了愛因斯坦場方程的一個(gè)準(zhǔn)確解，即施瓦西解.這個(gè)解給出了對(duì)靜態(tài)球?qū)ΨQ黑洞，即施瓦西黑洞的描述，這標(biāo)志著用廣義相對(duì)論研究黑洞的開始.按照廣義相對(duì)論，物質(zhì)決定時(shí)空如何彎曲，而光和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)將由彎曲時(shí)空的曲率決定，當(dāng)曲率大到一定程度時(shí)，光線就無法跑出去了，廣義相對(duì)論中黑洞的概念就是這樣產(chǎn)生的.下面是錢德拉塞卡（ChandrasekhanS）給出的黑洞定義.定義1：黑洞將三維空間分為兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)是以稱之為視界的二維光滑曲面為邊界的內(nèi)區(qū)域，一個(gè)是視界以外漸進(jìn)平直的外區(qū)域，而且內(nèi)區(qū)域的點(diǎn)不能與外區(qū)域的點(diǎn)交換訊息.定義2：一個(gè)星球，如果它的逃逸速度小于光速，即物體可以以小于光的速度從其表面逃逸，那么這個(gè)星球一定不是黑洞.愛因斯坦在廣義相對(duì)論中所建立的引力場方程為：，這個(gè)方程是高度非線性的，一般不能嚴(yán)格求解.只有在對(duì)時(shí)空度規(guī)附加一些對(duì)稱性或其他要求下，使方程大大簡化，才有可能求出一些嚴(yán)格解.在引力場球?qū)ΨQ的假定下，可以得到方程的史瓦西解：顯然，度規(guī)在和ｒ＝0處奇異（趨于無窮大）.但是處的奇異是由于坐標(biāo)系帶來的，可以通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系變換來避免.1960年代，克魯斯科(Kruskal)提出一個(gè)說法.他說愛因斯坦場方程的解之所以會(huì)無窮發(fā)散，是因?yàn)樽鴺?biāo)系選擇得不好.如果我們選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，便可以消除這個(gè)奇點(diǎn).他提出以下的坐標(biāo)變換，把時(shí)空坐標(biāo)(r，t)變換到一對(duì)沒有物理意義的抽象的數(shù)學(xué)坐標(biāo)(u，v)，叫做克魯斯科坐標(biāo)：其中rs=2GM是施瓦茲查爾德半徑.逆變換為：將這一變換畫成圖像，就得到克魯斯科變換的圖像.克魯斯科變換的幾個(gè)特征：1）空間的原點(diǎn)r=0從一個(gè)幾何點(diǎn)變成了一條最上面的拋物線.（其實(shí)是一個(gè)四維曲面.別忘了極角和方位角坐標(biāo).）2）施瓦茲查爾德半徑被變換到了u–v坐標(biāo)系中的兩條對(duì)角線.但是奇點(diǎn)并沒有消失.3）整個(gè)時(shí)空宇宙占據(jù)了u-v坐標(biāo)系中以對(duì)角線u=-v為界的右上方和以拋物線r=0為界的下面所界定的區(qū)域.4）施瓦茲查爾德半徑以內(nèi)的區(qū)域變換到了兩條對(duì)角線以上，原點(diǎn)拋物線以下的區(qū)域II.5）施瓦茲查爾德半徑以外的空間變換到了兩條對(duì)角線右面的區(qū)域I.從圖表上我們看到，克魯斯科變換并沒有把施瓦茲查爾德半徑變掉，而是變成了u–v坐標(biāo)系中的兩條對(duì)角線.u-v坐標(biāo)系沒有物理意義.真正有物理意義的是r–t坐標(biāo).時(shí)空坐標(biāo)系中度規(guī)是否發(fā)散是可以觀測到的物理現(xiàn)象.一個(gè)無窮發(fā)散的物理現(xiàn)象不應(yīng)該僅憑坐標(biāo)系的選擇而消除，這是常識(shí)，也是常理.克魯斯科認(rèn)為一個(gè)坐標(biāo)變換就可以改變物理現(xiàn)象，是對(duì)相對(duì)性原理的根本違反.ｒ＝0處的奇點(diǎn)是本質(zhì)的.在奇點(diǎn)上，時(shí)空曲率和物質(zhì)密度都趨于無窮大，時(shí)空流形達(dá)到盡頭.不僅在宇宙模型中起始的奇點(diǎn)是這樣，在星體中引力坍縮終止的奇點(diǎn)也是這樣.在奇點(diǎn)處，“一切科學(xué)預(yù)見都失去了效果”，沒有時(shí)間，也沒有空間.無窮大的出現(xiàn)顯然是廣義相對(duì)論的重大缺陷.２０世紀(jì)初，愛因斯坦認(rèn)為“黑洞”的成因是引力造成了空間彎曲，故光子無法逃到這種至密天體的引力場外.后來，施瓦西（KarlSchwarzschild，１８７３～１９１６）為愛因斯坦的“相對(duì)論”黑洞確立了一個(gè)“視界”，光子只能被禁閉在“視界”之內(nèi)，“視界”之外的空間仍然是平直的歐幾里德空間，光子仍然遵守地球空間中的一切物理定律.廣義相對(duì)論預(yù)言，當(dāng)大質(zhì)量的恒星達(dá)到極高密度時(shí)，就在空間形成了一只很深的“引力陷阱”，最終把空間彎曲到這樣一個(gè)程度，以致附近的任何物體，包括光線在內(nèi)被其吞滅，就好像一個(gè)無底洞，這樣的天體稱為黑洞.在黑洞的中心是一個(gè)奇點(diǎn)，那里所有的物質(zhì)都被無限壓縮，時(shí)空被無限彎曲.按照廣義相對(duì)論，黑洞并不是通常意義上的物質(zhì)實(shí)體，而是一個(gè)區(qū)域，一個(gè)極度彎曲了的空間.一旦物質(zhì)落入這一彎曲了的空間，它就立刻消失得無影無蹤，不管黑洞吞掉了多少物質(zhì)，它本身依舊是彎曲的空間.根據(jù)廣義相對(duì)論，引力場將使時(shí)空彎曲.當(dāng)恒星的體積很大時(shí)，它的引力場對(duì)時(shí)空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點(diǎn)發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出.而恒星的半徑越小，它對(duì)周圍的時(shí)空彎曲作用就越大，朝某些角度發(fā)出的光就將沿彎曲空間返回恒星表面.等恒星的半徑小到一特定值（天文學(xué)上叫“史瓦西半徑”）時(shí)，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了.到這時(shí)，恒星就變成了黑洞.說它“黑”，是指它就像宇宙中的無底洞，任何物質(zhì)一旦掉進(jìn)去，“似乎”就再不能逃出.黑洞是引力匯點(diǎn).史瓦西的這個(gè)解奠定了整個(gè)黑洞物理學(xué)的基礎(chǔ)，此后在60年代克爾等人又找到另一個(gè)軸對(duì)稱解，被稱作克爾度規(guī)，在此基礎(chǔ)之上又有克爾黑洞.自２０世紀(jì)７０年代以來，英國的霍金（StephenHawking，１９４２～）相繼提出了“微型黑洞”、“量子黑洞”的概念，認(rèn)為“微型黑洞”可以在宇宙間四處游蕩，甚至經(jīng)常光顧太陽系，并曾對(duì)太陽與行星的引力場產(chǎn)生過影響.“量子黑洞”是一種“灰色天體”它里面的某種“虛粒子”可以從黑洞中“蒸發(fā)”出來，故“黑洞不黑”，仍然可以與“視界”外的空間交換能量.嚴(yán)格說來，“黑洞”理論本身就是另外一種“引力佯謬”或“引力悖論”，它是按牛頓“萬有引力”理論推導(dǎo)出來的一種“極限天體”，現(xiàn)實(shí)宇宙無法滿足這種“極限天體”所要求的物理?xiàng)l件，故它不可能得到任何觀測與實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn).當(dāng)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里把某種物質(zhì)的密度加大到一定程度時(shí)，這種物質(zhì)必然因理化環(huán)境的改變而抗拒密度的增加，或始終維持在固態(tài)的最小密度狀態(tài)，根本不可能實(shí)現(xiàn)黑洞所要求的密度條件.就天文觀測的角度講，如果某種天體的體積與質(zhì)量達(dá)到了一定極限，其內(nèi)部熱能必然導(dǎo)致它熔解、氣化、等離子化，通過向外“蒸發(fā)”來減少自己的質(zhì)量，從而使自身的物質(zhì)密度維持在一個(gè)有限范圍之內(nèi).比如銀心的直徑已達(dá)１光年多，它就不得不以蒸發(fā)、輻射的方式向外界排泄質(zhì)量，以減少自己的質(zhì)量或擴(kuò)大自身的體積，來維持一個(gè)合理的平均密度.黑洞的輻射很像另一種有相同顏色的東西，就是黑體.黑體是一種理想的輻射源，處在有一定溫度表征的完全熱平衡狀態(tài).它發(fā)出所有波長的輻射，輻射譜只依賴于它的溫度而與其它的性質(zhì)無關(guān).現(xiàn)今的主流科學(xué)家們對(duì)黑洞的霍金輻射的權(quán)威解釋包括霍金在內(nèi)都用“真空中的能量漲落而能生成基本粒子”的概念.他們認(rèn)為：“由于能量漲落而躁動(dòng)的真空就成了所謂的狄拉克海，其中偏布著自發(fā)出現(xiàn)而又很快湮滅的正-反粒子對(duì).，，量子真空會(huì)被微型黑洞周圍的強(qiáng)引力場所極化.在狄拉克海里，虛粒子對(duì)不斷地產(chǎn)生和消失，一個(gè)粒子和它的反粒子會(huì)分離一段很短的時(shí)間，于是就有4種可能性：.兩個(gè)伙伴重新相遇并相互湮滅.反粒子被黑洞捕獲而正粒子在外部世界顯形.正粒子捕獲而反粒子逃出.雙雙落入黑洞.霍金計(jì)算了這些過程發(fā)生的幾率，發(fā)現(xiàn)過程最常見.于是，能量的賬就是這樣算的：由于有傾向性地捕獲反粒子，黑洞自發(fā)地?fù)p失能量，也就是損失質(zhì)量.在外部觀察者看來，黑洞在蒸發(fā)，即發(fā)出粒子氣流.”【1】霍金對(duì)黑洞發(fā)射霍金輻射的解釋是：真空里的虛粒子對(duì)中的反粒子易被黑洞俘獲，而后與黑洞中的一個(gè)正粒子湮滅，使黑洞內(nèi)損失一個(gè)正粒子，導(dǎo)致黑洞損失能量而縮小.并使黑洞外面的真空中多出一個(gè)正粒子.談到黑洞，離不開史瓦西半徑(Schwarzchildraduis).史瓦西半徑的是說，在史瓦西半徑之內(nèi)的物體，即使加速到接近光速，也沒有辦法逃離黑洞.而在史瓦西半徑之外的物體，可以逃離黑洞的重力場.史瓦西半徑（Schwarzchildradius）的公式如下（文獻(xiàn)1）：Rs=2×G×M/C2上式中：Rs為史瓦西半徑，單位為m；G為萬有引力常數(shù)，畢姆斯（Beams，J.W.）等人得到的值為6.674×10-11m3s-2kg-1；M為黑洞的質(zhì)量，單位為kg；C為光速，其值為299792458m/s；這個(gè)公式是史瓦西將靜態(tài)球?qū)ΨQ引力場代入廣義相對(duì)論場方程得到的史瓦西解（SchwarzchildSolution）.史瓦西解告訴我們，廣義相對(duì)論預(yù)言一種物體，那就是黑洞.只要接近黑洞到一個(gè)限度，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)時(shí)空被一個(gè)球面(半徑為史瓦西半徑)分割成兩個(gè)性質(zhì)不同的區(qū)域，這個(gè)球面稱為“事界”(Eventhorizon).史瓦西半徑的公式是說：一個(gè)物體囚禁光的半徑與該物體的質(zhì)量成正比.已知太陽和地球的質(zhì)量，我們不難求出太陽的史瓦西半徑是3km，也就是說，質(zhì)量跟太陽一樣的黑洞，如果光接近到3km以內(nèi)，就逃不出來了.而地球的史瓦西半徑為0.9cm.廣義相對(duì)論的引力場在理論上存在著奇性，這種奇性具有十分奇特的性質(zhì)，沿著短程線運(yùn)動(dòng)的粒子或光線會(huì)在奇性處“無中生有”或不知去向.按照廣義相對(duì)論，演化到晚期的星體只要還有兩三個(gè)太陽的質(zhì)量，就會(huì)遲早變?yōu)楹诙?，包括光線在內(nèi)的任何物體都會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力吸到里面而消失得無影無蹤.不僅如此，黑洞還要不斷坍縮到時(shí)空奇性.時(shí)間停止了，空間成為一個(gè)點(diǎn)，一切物理定律，包括因果律都失去意義，一切物質(zhì)狀態(tài)都被撕得粉碎.此外，經(jīng)典理論中的一個(gè)黑洞永遠(yuǎn)不能分裂為兩個(gè)黑洞，只能是兩個(gè)或兩個(gè)以上的黑洞合為一個(gè)黑洞，其結(jié)果很可能是整個(gè)宇宙變?yōu)橐粋€(gè)大黑洞，并且早晚要坍縮到奇性.尋找黑洞的觀測工作也在穩(wěn)步進(jìn)展.1970年底，美國和意大利聯(lián)合發(fā)射了載有X射線探測裝置的衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星工作到1974年，共探測到161個(gè)射線源，經(jīng)篩選確認(rèn)，天鵝座X-1最有希望是一個(gè)黑洞.另外，圓規(guī)座X-1與天鵝座X-1數(shù)據(jù)非常相似，也很有希望被證認(rèn)為黑洞.現(xiàn)在關(guān)于黑洞的理論的研究正在進(jìn)展，觀察結(jié)果還有待進(jìn)—步證實(shí).無論如何，廣義相對(duì)論竟然要求這類難以接受的奇性，無疑是一個(gè)難題.或者廣義相對(duì)論本身要修改，或者物理學(xué)的其他基本概念和原理要有重大變更.不管黑洞如何定義，無論是用牛頓力學(xué)的方法定義，還是按照廣義相對(duì)論的方法定義，定義2均能成立，因?yàn)?，所謂黑洞是這樣一種星球，任何物質(zhì)都不能逃離出去，如果物質(zhì)可以以小于光的速度逃到無窮遠(yuǎn)處，那么，這個(gè)星球顯然不是黑洞.由此我們不難看出，黑洞概念與星球的逃逸速度密切相關(guān).在愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，史瓦西首先得到了描述時(shí)空的方程，也就是著名的史瓦西方程.這個(gè)方程描述了一種被稱為標(biāo)準(zhǔn)的恒星模型周圍的空間.史瓦西方程主要描述恒星外的時(shí)空和恒星內(nèi)的時(shí)空.惠勒根據(jù)這個(gè)方程首先提出了黑洞存在的可能性，同時(shí)也拉開了對(duì)致密星體尤其是黑洞研究的序幕.3.奇點(diǎn)定理與能量條件廣義相對(duì)論的經(jīng)典解-比如Schwarzschild解-存在奇異性.這其中有的奇異性-比如r=2m-可以通過坐標(biāo)變換予以消除，因而不代表物理上的奇點(diǎn)；而有的奇異性-比如r=0-則是真正的物理奇點(diǎn).很明顯，在奇點(diǎn)研究中，真正的物理奇點(diǎn)才是我們感興趣的對(duì)象.那么究竟什么是廣義相對(duì)論中真正的物理奇點(diǎn)(簡稱奇點(diǎn))呢？初看起來，這似乎是一個(gè)很簡單的問題.奇點(diǎn)顯然就是那些時(shí)空結(jié)構(gòu)具有某種“病態(tài)性質(zhì)”(pathologicalbehavior)的時(shí)空點(diǎn).但稍加推敲，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這種說法存在許多問題.首先，“病態(tài)性質(zhì)”是一個(gè)很含糊的概念，究竟什么樣的性質(zhì)是病態(tài)性質(zhì)呢？顯然需要予以精確化.其次，廣義相對(duì)論與其它物理理論有一個(gè)很大的差異，那就是其它物理理論都預(yù)先假定了一個(gè)背景時(shí)空的存在[注一]，因此，那些理論如果出現(xiàn)奇點(diǎn)-比如電磁理論中點(diǎn)電荷所在處的場強(qiáng)奇點(diǎn)-我們可以明確標(biāo)識(shí)奇點(diǎn)在背景時(shí)空中的位置.但是廣義相對(duì)論描述的是時(shí)空本身的性質(zhì).因此廣義相對(duì)論中一旦出現(xiàn)奇點(diǎn)，往往意味著時(shí)空本身的性質(zhì)無法定義.另一方面，物理時(shí)空被定義為帶Lorentz度規(guī)的四維流形[注二]，它在每一點(diǎn)上都具有良好的性質(zhì).因此，物理時(shí)空按照定義就是沒有奇點(diǎn)的，換句話說，奇點(diǎn)并不存在于物理時(shí)空中[注三].既然奇點(diǎn)并不存在于物理時(shí)空中，自然就談不上哪一個(gè)時(shí)空點(diǎn)是奇點(diǎn)，從而也無法把奇點(diǎn)定義為時(shí)空結(jié)構(gòu)具有病態(tài)性質(zhì)的時(shí)空點(diǎn)了.但即便如此，象Schwarzschild解具有奇異性這樣顯而易見的事實(shí)顯然是無法否認(rèn)的，因此關(guān)鍵還在于尋找一個(gè)合適的奇點(diǎn)定義.為了尋找這樣的定義，我們不妨想一想，為什么即便把r=0從時(shí)空流形的定義中去除，我們?nèi)匀徽J(rèn)為Schwarzschild解具有顯而易見的奇異性？答案很簡單(否則就不叫顯而易見了)：當(dāng)一個(gè)觀測者在Schwarzschild時(shí)空中沿徑向落往中心(即r趨于0)時(shí)，他所觀測到的時(shí)空曲率趨于發(fā)散.由于觀測者的下落是沿非類空測地線進(jìn)行的[注四]，這啟示我們這樣來定義奇點(diǎn)：如果時(shí)空結(jié)構(gòu)沿非類空測地線出現(xiàn)病態(tài)性質(zhì)，則存在奇點(diǎn).這個(gè)定義不需要將奇點(diǎn)視為時(shí)空流形的一部分，從而避免了上面提到的困難.但是，這個(gè)定義還面臨兩個(gè)問題：一是“病態(tài)性質(zhì)”這個(gè)含糊概念仍未得到澄清，二是在這個(gè)定義中，假如觀測者沿非類空測地線需要經(jīng)過無窮長時(shí)間才會(huì)接觸到時(shí)空結(jié)構(gòu)的病態(tài)性質(zhì)，那么奇點(diǎn)的存在就不具有觀測意義.為了解決這兩個(gè)問題，我們進(jìn)一步要求定義中涉及的非類空測地線具有有限“長度”，并且是不可延拓的(inextendible)[注五].這種具有有限“長度”的不可延拓非類空測地線被稱為不完備非類空測地線(incompletenon-spacelikegeodesics).有了這一概念，我們可以這樣來定義奇點(diǎn)：如果存在不完備非類空測地線，則時(shí)空流形具有奇點(diǎn).這就是多數(shù)廣義相對(duì)論文獻(xiàn)采用的奇點(diǎn)定義.這種存在不完備非類空測地線的時(shí)空流形被稱為非類空測地不完備時(shí)空，簡稱測地不完備時(shí)空(geodesicallyincompletespacetime).在一些文獻(xiàn)中，按照不完備測地線的類型，還將測地不完備時(shí)空進(jìn)一步細(xì)分為類時(shí)測地不完備與類光測地不完備[注六].這個(gè)定義的合理性體現(xiàn)在：在一個(gè)測地不完備的時(shí)空流形中，試驗(yàn)粒子可以沿不完備的非類空測地線運(yùn)動(dòng)，并在有限時(shí)間內(nèi)從時(shí)空流形中消失.這種試驗(yàn)粒子在有限時(shí)間內(nèi)從時(shí)空流形中消失的行為-即測地不完備性-可以視為是對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)具有“病態(tài)性質(zhì)”這一含糊用語的精確表述.這樣我們就既解決了“病態(tài)性質(zhì)”精確化的問題，又使奇點(diǎn)具有了觀測意義.在一些文獻(xiàn)中，還對(duì)奇點(diǎn)存在于過去還是未來進(jìn)行區(qū)分：如果所涉及的非類空測地線是未來(過去)不可延拓的，則對(duì)應(yīng)的奇點(diǎn)被稱為未來(過去)奇點(diǎn).細(xì)心的讀者可能注意到我們?cè)谇懊娴摹伴L度”一詞上加了引號(hào).一般來說，類時(shí)測地線的長度定義為本征時(shí)間：τ=∫ds，但這一定義不適合描述類光測地線，因?yàn)楹笳邔?duì)應(yīng)的本征時(shí)間恒為零.因此，我們需要對(duì)長度的定義進(jìn)行推廣，將之定義為所謂的廣義仿射參數(shù)(generalizedaffineparameter).對(duì)于一條時(shí)空曲線C(t)(t為任意參數(shù))，廣義仿射參數(shù)定義為：λ=∫[ΣaVa(t)Va(t)]1/2dt，其中Va(t)為曲線在C(t)處的切向量?/?t沿該處某標(biāo)架場ea(t)的分量，曲線上各點(diǎn)的標(biāo)價(jià)場定義為由某一點(diǎn)的標(biāo)價(jià)場平移而來，求和則是歐式空間中的分量求和.顯然，這樣定義的廣義仿射參數(shù)是恒正的，它的數(shù)值與標(biāo)架場的選擇有關(guān).但可以證明，廣義仿射參數(shù)的有限與否與標(biāo)價(jià)場的選擇無關(guān).因此它對(duì)于我們表述奇點(diǎn)的定義已經(jīng)足夠了.需要注意的是，廣義仿射參數(shù)的定義適用于所有C1類(即一次連續(xù)可微)的時(shí)空曲線，而不限于測地線.不難證明，類時(shí)測地線的本征時(shí)間是廣義仿射參數(shù)的特例(請(qǐng)讀者自行證明).作為一個(gè)例子，我們來看看Schwarzschild解中r=0的奇點(diǎn)是否滿足上面所說的奇點(diǎn)定義.為此我們來證明從Schwarzschild視界(r=2m)出發(fā)沿r減小方向的徑向類時(shí)測地線的長度(即本征時(shí)間)是有限的.由Schwarzschild度規(guī)可知：ds2=-(2m/r-1)dt2+(2m/r-1)-1dr2因此(請(qǐng)讀者補(bǔ)全被省略的計(jì)算細(xì)節(jié))τ=∫ds<∫(2m/r-1)-1/2dr≤πm<∞由此可見這種測地線的長度是有限的.另一方面，沿這種測地線趨近r=0時(shí)，Kretschmann標(biāo)量RμνρσRμνρσ發(fā)散，因此這種測地線是不可延拓的.這表明Schwarzschild解中r=0的奇點(diǎn)滿足上面所說的奇點(diǎn)定義.從物理上講，這個(gè)結(jié)果表明落入Schwarzschild視界的觀測者會(huì)在有限本征時(shí)間內(nèi)從物理時(shí)空中消失(形象地說是“落入奇點(diǎn)”).現(xiàn)在我們?cè)倩氐蕉x上來，奇點(diǎn)的定義要求時(shí)空流形具有測地不完備性.讀者也許會(huì)問：測地線究竟由于什么原因而不完備？另外，雖說測地不完備性是對(duì)時(shí)空結(jié)構(gòu)所具有的病態(tài)結(jié)構(gòu)的精確描述，但這“精確”二字是以數(shù)學(xué)上無歧義為標(biāo)準(zhǔn)的.在物理上，我們?nèi)匀豢梢詥栠@樣一個(gè)問題：當(dāng)觀測者沿不完備的測地線運(yùn)動(dòng)時(shí)，究竟會(huì)觀測到什么樣的時(shí)空病態(tài)性質(zhì)？或者簡單地說，奇點(diǎn)究竟是什么樣子的？對(duì)此，人們?cè)?jīng)試圖給予直觀描述，可惜一直沒能找到一種直觀描述足以涵蓋所有可能的測地不完備性.比如，人們?cè)?jīng)認(rèn)為奇點(diǎn)的產(chǎn)生意味著某些幾何量(比如曲率張量)或物理量(比如物質(zhì)密度)發(fā)散，相應(yīng)地，沿不完備非類空測地線運(yùn)動(dòng)的觀測者觀測到的將是趨于無窮的潮汐作用或其它發(fā)散的物理效應(yīng).Schwarzschild奇點(diǎn)及大爆炸奇點(diǎn)顯然都具有這種性質(zhì).但細(xì)致的研究發(fā)現(xiàn)，并非所有的奇點(diǎn)都是如此.一個(gè)最簡單的反例是錐形時(shí)空：ds2=dt2-dr2-r2(dθ2+sin2θdφ2)，其中r>0，0<φ<a<2π，并且φ=0與φ=a粘連在一起.這個(gè)時(shí)空是局部平坦的(曲率張量處處為零)，顯然沒有任何發(fā)散性.但這一時(shí)空無法延拓到r=0(被稱為錐形奇點(diǎn))，因而是測地不完備的(類時(shí)與類光都不完備)[注七].這個(gè)反例表明奇點(diǎn)不一定意味著發(fā)散性.對(duì)奇點(diǎn)的另一種直觀描述是：奇點(diǎn)是時(shí)空中被挖去的點(diǎn)(或點(diǎn)集).比如Schwarzschild奇點(diǎn)與錐形奇點(diǎn)是被挖去的r=0，大爆炸奇點(diǎn)是被挖去的t=0.這種描述如果正確的話，那么通向奇點(diǎn)的所有測地線-無論類時(shí)還是類光-必定都是不完備的.換句話說，如果奇點(diǎn)是時(shí)空中被挖去的點(diǎn)(或點(diǎn)集)，那么它的存在將同時(shí)意味著類時(shí)測地不完備性與類光測地不完備性.我們上面舉出的所有例子都具有這一特點(diǎn).但細(xì)致的研究表明，這一描述同樣不足以涵蓋所有的奇點(diǎn).1968年R.P.Geroch給出了一個(gè)共形于Minkowski時(shí)空的時(shí)空(R4，Ω2ηab)，其中共形因子Ω2具有球?qū)ΨQ性，在區(qū)域r>1恒為1，在r=0上滿足t2Ω→0(t→∞).顯然(請(qǐng)讀者自行證明)，類時(shí)測地線r=0沿t→∞具有不完備性，因此這個(gè)時(shí)空流形具有類時(shí)測地不完備性.另一方面，所有類光測地線都將穿越區(qū)域r≤1而進(jìn)入平直時(shí)空，因而都是測地完備的.由此可見這個(gè)時(shí)空具有類時(shí)測地不完備性，但不具有類光測地不完備性[注八].這個(gè)反例表明奇點(diǎn)并非都能理解為是從時(shí)空中被挖去的點(diǎn)(或點(diǎn)集).注釋[注一]當(dāng)然，這里所謂的“其它物理理論”指的是不把時(shí)空本身作為研究對(duì)象的理論.[注二]Lorentz度規(guī)是指signature為(1，-1，-1，-1)的度規(guī)(有些文獻(xiàn)的定義與本文差一個(gè)整體符號(hào)).除Lorentz度規(guī)外，人們常常在時(shí)空定義中附加一些其它條件，比如Hausdoff性質(zhì)、連通性，等.對(duì)于度規(guī)的可微性則有的假定為C∞，有的假定為Cr(r為正整數(shù)-請(qǐng)讀者思考一下，r最小應(yīng)該是多少？)，等.[注三]有些物理學(xué)家試圖將奇點(diǎn)視為時(shí)空流形的邊界-被稱為奇異邊界(singularboundary)，但迄今尚未建立令人滿意的處理方式.[注四]非類空即類時(shí)與類光的總稱.這里我們所說的“觀測者”是廣義的，即試驗(yàn)粒子，其中包括零質(zhì)量粒子.[注五]這里我們首先要求時(shí)空流形本身是“不可延拓”的，即無法等度規(guī)地(isometrically)嵌入更大的流形中.這一要求排除了一些trivial的奇點(diǎn)，比如在Minkowski時(shí)空中挖去一個(gè)時(shí)空點(diǎn)所造成的“奇點(diǎn)”.測地線的不可延拓性可以用來排除諸如Schwarzschild視界這樣的表觀奇點(diǎn).[注六]顯然我們也可以定義類空測地不完備性，但由于沿類空測地線的運(yùn)動(dòng)是物理上不可實(shí)現(xiàn)的，因此這種測地不完備性在奇點(diǎn)研究中不如其它兩種測地不完備性那樣受重視.[注七]這個(gè)例子比較平凡，一個(gè)更復(fù)雜的例子是所謂的Taub-NUT空間，它具有R1×S3拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，曲率張量處處有界，但同樣是測地不完備的(類時(shí)與類光都不完備).[注八]這個(gè)例子比較特設(shè)，一個(gè)更具物理意義的例子是Reissner-Nordstr?m解，它描述的是帶質(zhì)量及電荷的球?qū)ΨQ時(shí)空，Reissner-Nordstr?m解具有類光測地完備性，但不具有類時(shí)測地不完備性.4.施瓦西黑洞與拉普拉斯黑洞完全相同雖然用廣義相對(duì)論研究黑洞已經(jīng)將近100年了，然而仍有一些問題至今無法給出合理的解釋，而令人困惑，其中一個(gè)問題是為什么廣義相對(duì)論的施瓦西黑洞與牛頓力學(xué)的拉普拉斯黑洞完全相同？由于黑洞概念出自兩個(gè)不同的物理理論，根據(jù)這兩個(gè)理論可以各自推出一個(gè)黑洞.我們知道，黑洞問題屬于強(qiáng)引力問題，在強(qiáng)引力場質(zhì)點(diǎn)的速度可以接近光速.后面我們將證明，當(dāng)用相對(duì)論的方法計(jì)算的質(zhì)點(diǎn)速度大于光速的0.79倍時(shí)，用牛頓力學(xué)公式（4）得出的速度就會(huì)大于光速，而此時(shí)牛頓力學(xué)早已不適用了.因此，黑洞問題是不能用牛頓力學(xué)研究的.然而，在200多年前，拉普拉斯在不知道牛頓力學(xué)的適用范圍的情況下，用牛頓力學(xué)研究了黑洞，并推導(dǎo)出拉普拉斯黑洞.雖然用牛頓力學(xué)可以推導(dǎo)出黑洞，由于黑洞屬于強(qiáng)引力問題，超出了牛頓力學(xué)的適用范圍，因此，拉普拉斯推導(dǎo)黑洞的方法是錯(cuò)誤的.歷史上的第二個(gè)黑洞是施瓦西黑洞，這個(gè)黑洞是施瓦西從愛因斯坦場方程中推導(dǎo)出來的.1916年，在愛因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表后不久，施瓦西導(dǎo)出了愛因斯坦真空?qǐng)龇匠痰囊粋€(gè)準(zhǔn)確解，即靜態(tài)球?qū)ΨQ引力場的施瓦西解：(15)，施瓦西解描述的是一個(gè)球?qū)ΨQ天體的外部空間.從(15)可以看出，當(dāng)(16)時(shí)，(15)中的第二項(xiàng)趨于無窮大，即：(17)，這表明，球面是施瓦西解的一個(gè)奇面，其中稱為施瓦西半徑：=(18)在廣義相對(duì)論里，球面稱為施瓦西視界，也就是施瓦西黑洞的外邊界.一個(gè)星球如果它的半徑小于施瓦西半徑，即：R≤(19)，這個(gè)星球就被稱為施瓦西黑洞.前面我們用牛頓力學(xué)研究黑洞得出：對(duì)于任何給定質(zhì)量的星球，都存在一個(gè)臨界半徑，當(dāng)一個(gè)星球的半徑小于臨界半徑時(shí)，這個(gè)星球就是黑洞.用牛頓力學(xué)得出的臨界半徑是拉普拉斯半徑，一個(gè)質(zhì)量為M的星球，它的拉普拉斯半徑由公式(12)確定.將施瓦西半徑公式(18)與拉普拉斯半徑公式(12)相對(duì)比，可以看出(20)，即廣義相對(duì)論中的施瓦西黑洞與牛頓力學(xué)中的拉普拉斯黑洞二者完全重合.現(xiàn)在出現(xiàn)一個(gè)問題：同一個(gè)結(jié)果——靜態(tài)球?qū)ΨQ的黑洞，可以用兩種方法推導(dǎo)出來，一種是牛頓力學(xué)的方法，另一種是廣義相對(duì)論的方法，而且人們已經(jīng)知道牛頓力學(xué)的方法是錯(cuò)誤的，在這種情況下，人們不禁會(huì)問：①為什么廣義相對(duì)論的施瓦西黑洞與牛頓力學(xué)的拉普拉斯黑洞完全相同？②如果認(rèn)為廣義相對(duì)論的結(jié)果是正確的，而拉普拉斯推導(dǎo)黑洞的方法是錯(cuò)誤的，那么，為什么拉普拉斯用錯(cuò)誤的方法，還能得到正確的結(jié)果呢？目前在廣義相對(duì)論的許多書里，沒有對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，少數(shù)幾本書給出一個(gè)簡單的解釋：例如文獻(xiàn)【1】對(duì)這個(gè)問題是這樣解釋的：有趣的是今天從廣義相對(duì)論得出的黑洞條件，與當(dāng)年拉普拉斯等人從牛頓理論給出的暗星條件完全相同.從今天的眼光看，拉普拉斯的推導(dǎo)犯了兩個(gè)錯(cuò)誤，第一把光子的動(dòng)能寫成了，第二把廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲當(dāng)作了萬有引力.這兩個(gè)錯(cuò)誤相互抵消，最終卻得到了正確的結(jié)果.史瓦西黑洞，是一切黑洞的發(fā)祥地.它有一個(gè)視界和一個(gè)奇點(diǎn).視界，是物體能否回到外部宇宙的分界面（視界的準(zhǔn)確定義有兩種，會(huì)在下文介紹量子理論對(duì)黑洞的作用時(shí)介紹），在視界外面，物體可以離開或者接近黑洞而保持安全.而在視界上，只有光速運(yùn)動(dòng)的物體可以保持不進(jìn)入毀滅熔爐黑洞，但是連光也無法從這個(gè)面中逃脫了.筆者認(rèn)為廣義相對(duì)論是從萬有引力定律出發(fā)得到的，只是考慮到引力質(zhì)量之間的相互吸引作用，沒有考慮到它的反作用力——弱相互作用得到的結(jié)果類似.參考文獻(xiàn)：【1】劉遼，趙崢，田貴花，張靖儀.黑洞與時(shí)間的性質(zhì).北京：北京大學(xué)出版社，2008.5.量子力學(xué)與黑洞廣義相對(duì)論結(jié)合量子理論的產(chǎn)物，現(xiàn)在還沒有最終成形.就已經(jīng)掌握的科學(xué)理論來說，這種理論中，即便考慮電磁力、強(qiáng)力和弱力，也依然會(huì)產(chǎn)生黑洞——事實(shí)上，奧本海默最初計(jì)算出恒星的黑洞演化時(shí)就已經(jīng)考慮了這些因素了.輻射粒子，準(zhǔn)確地說是因?yàn)楹诙匆暯缑娓浇牧孔铀泶┬?yīng).在量子世界中，沒有什么是絕對(duì)的，所以不存在絕對(duì)只吸不出的物理.克爾黑洞的結(jié)構(gòu)比史瓦西黑洞復(fù)雜了許多.在克爾黑洞的最外層，由于黑洞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)周圍時(shí)空的拖曳效應(yīng)（倫斯——梯林效應(yīng)），因?yàn)榇嬖谥粋€(gè)判斷物體是否可以靜止于時(shí)空中的靜止界面.靜止界面外的物體，可以通過推進(jìn)器等裝置在被拖曳的時(shí)空旋渦中相對(duì)于極遠(yuǎn)處的觀測者靜止不動(dòng)，而在靜止界面內(nèi)，可以斷定，物體一定會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力拖動(dòng)，開始旋轉(zhuǎn).在這個(gè)界面內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣存在著視界，但是它和史瓦西視界不一樣，比它更加復(fù)雜，因?yàn)樵谶@里，視界分為兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界.外視界是物體能否與外界通訊的分界面（這里使用的是霍金對(duì)視界定義的升華：絕對(duì)視界的定義.關(guān)于絕對(duì)視界和顯視界，我們會(huì)有一個(gè)探討），而內(nèi)視界是奇點(diǎn)的奇異性質(zhì)能否影響外界的分界面.也就是說，進(jìn)入外視界的物體，必定會(huì)被吸入奇點(diǎn)，然后本摧毀，但是還可以在達(dá)到內(nèi)視界以前享受一段相對(duì)“安寧”的日子，而一旦進(jìn)入了內(nèi)視界，那么任何物體都會(huì)在內(nèi)視界中奇點(diǎn)奇異性質(zhì)的面前屈服，在達(dá)到奇點(diǎn)以前便被摧殘待盡.在外視界和靜止界面之間，有一個(gè)相對(duì)十分廣闊的區(qū)域，叫“能層”.在能層中蘊(yùn)藏著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)能.從理論上，可以在靜止界面外建立一個(gè)空間站，然后利用拋物投射來提取黑洞的旋轉(zhuǎn)能，得到幾乎無窮盡的能源（因?yàn)榇笮秃诙吹膲勖鼛缀蹩梢钥隙ū荣|(zhì)子的壽命長）.此外，在能層中，由于黑洞旋轉(zhuǎn)帶來的拖曳會(huì)將時(shí)空撕裂，產(chǎn)生蟲洞.在早期引用量子效應(yīng)來處理黑洞的時(shí)候，第一個(gè)選擇的就是旋轉(zhuǎn)黑洞，而且得到了第一個(gè)量子黑洞定理：旋轉(zhuǎn)黑洞輻射.后來在霍金的推動(dòng)下成了霍金輻射.在內(nèi)視界內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣有一個(gè)奇異性質(zhì)匯聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那樣是一個(gè)奇點(diǎn)，而是一個(gè)獨(dú)特的奇異環(huán)，一個(gè)充滿了量子效應(yīng)奇異性質(zhì)的面，安靜地平躺在黑洞赤道面上，帶來的卻是徹底的破壞和隨機(jī).雷斯勒——諾斯特朗姆黑洞（以下簡稱為RN黑洞）.RN黑洞沒有自旋，但是帶有電荷.它和史瓦西黑洞、克爾黑洞在許多方面相似.比如對(duì)于帶有相反電荷的物體來說，它有一個(gè)在視界外的靜止界面，它的視界有兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界.不過和克爾黑洞不同的是，RN黑洞內(nèi)視界和外視界在一般情況下完全獨(dú)立，而克爾黑洞的內(nèi)視界和外視界在黑洞的兩極相切；RN黑洞的兩個(gè)視界是絕對(duì)球形的，而克爾黑洞的視界是橢球形的.在靜止界面和外視界之間也有能層，但是蘊(yùn)藏的不是黑洞的旋轉(zhuǎn)能，而是電能.RN黑洞的中央有一個(gè)史瓦西黑洞的奇點(diǎn)，不是克爾黑洞的奇異環(huán).不過RN黑洞并不十分著名，至少不像史瓦西黑洞那樣普遍，沒有克爾黑洞那樣出名，因?yàn)樵谧匀唤缰?，一個(gè)帶有電荷的黑洞會(huì)在十分短的時(shí)間內(nèi)從外界空間中吸收一定數(shù)量的相反電荷，是自己的電荷被嚴(yán)格控制在極限電量的10-44范圍以下，因而RN黑洞比史瓦西黑洞還要“學(xué)術(shù)氣”，所以沒有得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展.所謂的極限電量，和極限角速度一起，分別是RN黑洞和克爾黑洞允許帶有的電量和角速度的極限值.為什么會(huì)有極限值呢？是因?yàn)閮?nèi)視界和外視界與它們之間的聯(lián)系產(chǎn)生的.在克爾黑洞中，外視界會(huì)由于角速度的增大而縮小，而內(nèi)視界會(huì)隨著角速度的增大而增大（想一下牛頓引力定律和角速度的綜合應(yīng)用產(chǎn)生的在軌道上運(yùn)動(dòng)的物體的受力變化就可以明白了，不過這樣得到的是近似的推導(dǎo)）.當(dāng)內(nèi)、外視界重合的時(shí)候，兩層視界會(huì)同時(shí)消失，將一個(gè)裸露的奇點(diǎn)展現(xiàn)在宇宙時(shí)空中.而這個(gè)使黑洞的兩個(gè)視界重合在一起的極限角動(dòng)量和電量，就是極限速度和極限電量.迄今為止在LoopQuantumGravity領(lǐng)域中取得的重要物理結(jié)果有兩個(gè)：一個(gè)是在Planck尺度上的空間量子化，另一個(gè)來自于對(duì)黑洞熱力學(xué)的研究.1972年，Princeton大學(xué)的研究生J.D.Bekenstein受黑洞動(dòng)力學(xué)與經(jīng)典熱力學(xué)之間的相似性啟發(fā)，提出了黑洞熵的概念，并估算出黑洞的熵正比于其視界面積.稍后，S.W.Hawking研究了黑洞視界附近的量子過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了著名的Hawking幅射，即黑洞會(huì)向外幅射粒子(也稱為黑洞蒸發(fā))，從而表明黑洞是有溫度的.由此出發(fā)Hawking也推導(dǎo)出了Bekenstein的黑洞熵公式，這就是所謂的Bekenstein-Hawking公式.黑洞熵的存在表明黑洞并不象此前人們認(rèn)為的那樣簡單，它含有數(shù)量十分驚人的微觀狀態(tài).這在廣義相對(duì)論的框架內(nèi)是完全無法理解的，因?yàn)閺V義相對(duì)論有一個(gè)著名的“黑洞無毛發(fā)定理”，它表明黑洞的內(nèi)部性質(zhì)由其質(zhì)量，電荷和角動(dòng)量三個(gè)宏觀參數(shù)所完全表示，根本就不存在所謂微觀狀態(tài).黑洞熵的計(jì)算，LoopQuantumGravity的基本思路是認(rèn)為黑洞熵所對(duì)應(yīng)的微觀態(tài)由能夠給出同一黑洞視界面積的各種不同的spinnetwork位形組成的.按照這一思路進(jìn)行的計(jì)算最早由K.Krasnov和Rovelli分別完成，結(jié)果除去一個(gè)被稱為Immirzi參數(shù)的常數(shù)因子外與Bekenstein-Hawking公式完全一致.因此LoopQuantumGravity與Bekenstein-Hawking公式是相容的.而超弦理論與量子引力最直接相關(guān)的一個(gè)，那就是利用D-brane對(duì)黑洞熵的計(jì)算；即超弦理論對(duì)黑洞熵的計(jì)算利用了所謂的“強(qiáng)弱對(duì)偶性”，即在具有一定超對(duì)稱的情形下，超弦理論中的某些D-brane狀態(tài)數(shù)在耦合常數(shù)的強(qiáng)弱對(duì)偶變換下保持不變.利用這種對(duì)稱性，處于強(qiáng)耦合下原本難于計(jì)算的黑洞熵可以在弱耦合極限下進(jìn)行計(jì)算.在弱耦合極限下與原先黑洞的宏觀性質(zhì)相一致的對(duì)應(yīng)狀態(tài)被證明是由許多D-brane構(gòu)成，美中不足的是，由于上述計(jì)算要求一定的超對(duì)稱性，因此只適用于所謂的極端黑洞或接近極端條件的黑洞.黑洞問題的研究1.黑洞活動(dòng)的證據(jù)《自然雜志》１９卷４期的‘探索物理學(xué)難題的科學(xué)意義'的９７個(gè)懸而未決的難題：６８．黑洞何時(shí)可以露真容？美國天文學(xué)家借助“錢德拉”X射線天文望遠(yuǎn)鏡在雙魚座發(fā)現(xiàn)一個(gè)新級(jí)別黑洞.科學(xué)家們通過研究該黑洞的X射線爆發(fā)持續(xù)時(shí)間和爆發(fā)周期而大致確定了它的級(jí)別--質(zhì)量相當(dāng)于一萬個(gè)太陽.科學(xué)家們稱，新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)黑洞只能算作是一種中等級(jí)別的黑洞.此前，科學(xué)家們所探測到的黑洞主要有兩種類型，一種是質(zhì)量僅相當(dāng)于太陽質(zhì)量十倍多的類恒星黑洞，另一種則是質(zhì)量為太陽數(shù)十億倍的超級(jí)黑洞.本次發(fā)現(xiàn)的這個(gè)黑洞位于雙魚座的M74星系中，它與地球的距離約為3200萬光年.科學(xué)家們解釋稱，該黑洞的X射線爆發(fā)周期約為2小時(shí)，其強(qiáng)度約相當(dāng)于10--1000個(gè)中子星或類恒星黑洞.科學(xué)家們認(rèn)為，該黑洞X射線輻射的周期性變化與其周圍聚集的熱氣體盤的變化有關(guān).此前，科學(xué)家們還通過長期的研究得知，黑洞輻射的周期與其質(zhì)量大小也有著密不可分的關(guān)系.根據(jù)上述這二個(gè)因素，科學(xué)家們才能判定該黑洞質(zhì)量約相當(dāng)于10000個(gè)太陽的質(zhì)量.科學(xué)家們還表示，此類黑洞的產(chǎn)生一般有兩種途徑：一，這種中等質(zhì)量的黑洞由高密星群中央的數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)恒星級(jí)黑洞合并而來；二，它是大型星系逐漸吞噬小型星系而形成的小星系核的殘留物質(zhì).黑洞的輻射很像另一種有相同顏色的東西，就是黑體.黑體是一種理想的輻射源，處在有一定溫度表征的完全熱平衡狀態(tài).它發(fā)出所有波長的輻射，輻射譜只依賴于它的溫度而與其它的性質(zhì)無關(guān).”北京時(shí)間2010年6月2日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，美國天文學(xué)家近日根據(jù)“雨燕”衛(wèi)星的長期觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了黑洞活動(dòng)的確鑿證據(jù).2010年5月26日，美國宇航局就“雨燕”衛(wèi)星的最新發(fā)現(xiàn)發(fā)布了新聞簡報(bào).這一發(fā)現(xiàn)將有助于天文學(xué)家解答數(shù)十年來一直困擾他們的神秘難題，即為什么一小部分黑洞可以釋放出巨大的能量據(jù)科學(xué)家介紹，只有百分之一的超大質(zhì)量黑洞有此行為.新的發(fā)現(xiàn)證實(shí)，當(dāng)星系發(fā)生碰撞時(shí)，這些黑洞可以“點(diǎn)亮”.通過“雨燕”衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，天文學(xué)家可以更加深入地了解銀河系黑洞的未來行為.天文學(xué)家們的研究成果將發(fā)表于6月20日出版的《天體物理學(xué)雜志通訊》（TheAstrophysicalJournalLetters）上.從星系中心或星系核發(fā)出的強(qiáng)烈輻射通常在超大質(zhì)量黑洞附近產(chǎn)生，這種超大質(zhì)量黑洞的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的100萬倍到10億倍之間.這些活動(dòng)星系核所發(fā)出的能量大約是太陽能量的100億倍，是宇宙中最明亮的事物，它們包括類星體和耀變體.美國馬里蘭大學(xué)帕克分校的邁克爾-科斯是該項(xiàng)研究的主要負(fù)責(zé)人.科斯表示，“理論家已經(jīng)證明，強(qiáng)烈的星系合并可以形成一個(gè)星系的中心黑洞.這項(xiàng)研究可以解釋黑洞是如何結(jié)合的.”在獲得“雨燕”衛(wèi)星高透力X射線觀測數(shù)據(jù)之前，天文學(xué)家一直無法確信，他們是否已經(jīng)將活動(dòng)星系核的大部分都已數(shù)清.在一個(gè)活動(dòng)星系中，黑洞周圍通常包圍著厚厚的塵埃和氣體.這種塵埃和氣體可以阻擋紫外線、可見光和低透力X射線.盡管從黑洞附近的溫暖塵埃中所發(fā)出的紅外輻射能夠穿透塵埃，卻容易與星系中恒星形成區(qū)的輻射相混淆.“雨燕”衛(wèi)星的高透力X射線可以幫助天文學(xué)家們直接探測到活躍的黑洞.自2004年起，“雨燕”衛(wèi)星上的爆發(fā)警報(bào)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)開始利用高透力X射線繪制天空?qǐng)D.美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心“雨燕”衛(wèi)星首席科學(xué)家尼爾-格雷爾斯介紹說，“經(jīng)過數(shù)年的建設(shè)和曝光，‘雨燕’衛(wèi)星爆發(fā)警報(bào)望遠(yuǎn)鏡高透力X射線探測已經(jīng)成為最大、最敏感和最全面的太空普查項(xiàng)目.”該探測器揭開了數(shù)個(gè)此前未被承認(rèn)的系統(tǒng)的面紗，它甚至對(duì)6.5億光年外的活動(dòng)星系核都非常敏感.研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)警報(bào)望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)的星系，大約有四分之一正在合并或形成了緊密的雙子星系.科斯認(rèn)為，“‘雨燕’衛(wèi)星爆發(fā)警報(bào)望遠(yuǎn)鏡高透力X射線探測項(xiàng)目讓我們對(duì)活動(dòng)星系核有了完全不同的認(rèn)識(shí).在這些星系中，大約有60%將會(huì)在未來十億年中完全合并.我們認(rèn)為，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了理論家此前預(yù)測的由合并所引發(fā)的活動(dòng)星系核的確鑿證據(jù).”研究團(tuán)隊(duì)的其他成員還包括：馬里蘭大學(xué)的理查德-穆什斯基、席爾瓦-維爾列克思和科羅拉多大學(xué)天體物理學(xué)和太空天文學(xué)中心的利薩-溫特等.密歇根大學(xué)天文學(xué)家喬爾-布萊格曼沒有參與該項(xiàng)研究，但他表示，“我們從來沒有如此清晰地看到活動(dòng)星系核活動(dòng)的開始.‘雨燕’研究團(tuán)隊(duì)利用高透力X射線探測器肯定可以識(shí)別出這一過程的早期階段.”筆者認(rèn)為，巨大能量的來源可能是電磁質(zhì)量的釋放，不是黑洞活動(dòng)的證據(jù).2.彭羅斯和霍金的爭論長期以來，人們認(rèn)為黑洞會(huì)吞噬一切.1974年霍金通過研究黑洞外的量子力學(xué)，發(fā)現(xiàn)黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質(zhì)，而且能以熱輻射的形式向外“吐出”物質(zhì)這一量子力學(xué)現(xiàn)象，Hawking推導(dǎo)出了Bekenstein的黑洞熵公式，并確定了比例系數(shù)，這就是所謂的Bekenstein-Hawking公式：S=k(A/Lp2)/4，式中k為Boltzmann常數(shù)，它是熵的微觀單位，A為黑洞視界面積，Lp為Planck長度，它是由廣義相對(duì)論和量子理論的基本常數(shù)組合成的一個(gè)自然長度單位(大約為10-35米).由于黑洞在向外蒸發(fā)物質(zhì)的同時(shí)，溫度也隨之升高；黑洞不斷地向外蒸發(fā)物質(zhì)，它的溫度越來越高，蒸發(fā)越來越快，最后將以大爆炸的形式向外吐出所有的物質(zhì)而結(jié)束它的生命.黑洞一旦形成就會(huì)“蒸發(fā)”輻射出能量，同時(shí)損失質(zhì)量，稱為霍金輻射，亦稱黑洞蒸發(fā).黑洞輻射的預(yù)言是把愛因斯坦廣義相對(duì)論和量子原理合并的第一個(gè)非平凡的結(jié)果.它顯示引力坍縮并不像過去以為的那樣是死亡的結(jié)局.黑洞中粒子的歷史不必在一個(gè)奇點(diǎn)處終結(jié).相反的，它們可以從黑洞中逃逸出來，并且在外面繼續(xù)它們的歷史.量子原理也許表明，人們還可以使歷史避免在時(shí)間中有一個(gè)開端，也就是在大爆炸處的創(chuàng)生的一點(diǎn).霍金這一理論是黑洞研究中的一個(gè)重大進(jìn)展.但與此同時(shí)，霍金在1976年的另一篇論文中對(duì)此的闡述是：黑洞輻射并不含有任何黑洞內(nèi)部的信息，在黑洞損失殆盡之后，所有信息都會(huì)丟失.而根據(jù)量子力學(xué)的定律，信息是不可能被徹底抹掉的.這與霍金的說法似乎產(chǎn)生了矛盾，這就是“黑洞信息悖論”；而勞倫斯·M·克羅斯把它稱為“怎樣調(diào)和黑洞蒸發(fā)與量子力學(xué)？”僅是表達(dá)“黑洞信息悖論”如何解答的進(jìn)一步說法.黑洞信息喪失問題上的爭論，首先由彭羅斯和霍金引起.這是因?yàn)樵谄纥c(diǎn)和奇環(huán)是不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)問題上，霍金和彭羅斯采取了不同的立場.霍金的宇宙，永遠(yuǎn)膨脹類似一個(gè)球面；反之，收縮也應(yīng)是球面，而球面是有奇點(diǎn)的.而彭羅斯利用扭量理論理解的宇宙是復(fù)數(shù)的；扭量理論邁向了實(shí)、虛、正、負(fù)、零五元數(shù)量子時(shí)空，是一次飛躍，但扭量理論對(duì)復(fù)數(shù)的量子時(shí)空，僅用共形投影的黎曼球來處理，這是不完整的，所以扭量理論至今發(fā)展不大.如果復(fù)數(shù)量子時(shí)空的虛部分，可以看成是在“點(diǎn)內(nèi)空間”，黎曼球的整個(gè)球面或者半個(gè)球面占據(jù)的地方，就類似一個(gè)環(huán)面1、史瓦西黑洞是球?qū)ΨQ的，是有奇點(diǎn)的.轉(zhuǎn)動(dòng)的克爾黑洞，內(nèi)部有一個(gè)奇環(huán)，是沒有奇點(diǎn)的.另外，帶電的紐曼黑洞或既帶電又旋轉(zhuǎn)的克爾--紐曼黑洞，有復(fù)雜的奇環(huán)結(jié)構(gòu)，也是沒有奇點(diǎn)的.2、霍金認(rèn)為，如果在宏觀黑洞中信息喪失，那么信息也應(yīng)在因度規(guī)量子起伏出現(xiàn)的微觀的虛黑洞過程中喪失.在霍金看來，事件視界的出現(xiàn)和內(nèi)稟引力熵的存在，以及相伴隨的量子純態(tài)向混合態(tài)的演變，在原來的量子不確定基礎(chǔ)上引入了額外的不確定性.3、這里如果用虛黑洞的方生方滅，來理解純態(tài)向混合態(tài)的演變，霍金思維和彭羅斯的扭量思維是等價(jià)的.從相互作用實(shí)在論的立場看，虛過程和所謂的可能發(fā)展趨勢(shì)，是相對(duì)于實(shí)過程來定義的.如果把波函數(shù)相位視為信息，虛過程喪失的只是相位信息.4、彭羅斯認(rèn)為虛黑洞對(duì)的漲落，會(huì)導(dǎo)致量子體系的相空間體積和信息的喪失，而作為量子測量的R過程，會(huì)導(dǎo)致波函數(shù)塌縮并引起相空間體積的補(bǔ)償增益，而且這個(gè)過程不是時(shí)間對(duì)稱的.如果上述過程是時(shí)間對(duì)稱的，應(yīng)該容許封閉量子體系內(nèi)有白洞出現(xiàn)，但他認(rèn)為這違背熱力學(xué)第二定律；而真正的量子引力論一定會(huì)涉及時(shí)間不對(duì)稱性.其實(shí)彭羅斯忽視了類似大小相等、方向相反而對(duì)稱的力線，也可以不作用在同一點(diǎn)上.即量子理論的“時(shí)間對(duì)稱”曾被籠統(tǒng)地理解了.虛黑洞可以有時(shí)間是對(duì)稱的，也可以有時(shí)間不是對(duì)稱的.宇宙大爆炸，就類似虛數(shù)的封閉量子體系運(yùn)動(dòng)到“零”出現(xiàn)的白洞.或者如霍金認(rèn)為，在一定程度上，量子力學(xué)的霍金輻射可被看作是經(jīng)典的物質(zhì)被黑洞“吞沒”的時(shí)間反演.5、在量子宇宙學(xué)中，霍金將黑洞的熵與時(shí)空拓?fù)涞淖兓?lián)系起來，也是與彭羅斯的設(shè)想是一致的.彭羅斯的扭量復(fù)數(shù)量子時(shí)空，認(rèn)為黑洞產(chǎn)生的概率是與量子測量得到的信息量非定域地關(guān)聯(lián)在一起的，即使不出現(xiàn)黑洞，量子測量也能進(jìn)行.而霍金按照費(fèi)曼路徑積分的方法來理解量子理論，一個(gè)粒子不像在經(jīng)典理論中那樣，不僅只有一個(gè)歷史；相反地，它被認(rèn)為是通過時(shí)空中的每一條可能的途徑，每一條途徑有一對(duì)相關(guān)的數(shù)，一個(gè)代表波的幅度，一個(gè)代表它的相位.粒子通過一指定點(diǎn)的概率是將通過此點(diǎn)的所有可能途徑的波疊加而求得.但人們不是對(duì)發(fā)生在你我經(jīng)驗(yàn)的“實(shí)”時(shí)間內(nèi)的路徑求和，而是對(duì)發(fā)生在所謂的“虛”時(shí)間內(nèi)的粒子的路徑求和，把波加起來，這就是量子場論中的維克旋轉(zhuǎn)，用it代替t實(shí)現(xiàn)時(shí)間軸的旋轉(zhuǎn)，同時(shí)把閔可夫斯基空間翻譯成歐氏空間，在歐氏理論中量子場論的某些表達(dá)式（譬如路徑積分）可被更好地定義.霍金進(jìn)一步把“維克旋轉(zhuǎn)”運(yùn)用到洛化度規(guī)這一類彎曲時(shí)空的度規(guī)中，以便得到歐氏度規(guī)的空間的更高水平上的維克旋轉(zhuǎn).即依據(jù)霍金的說明，要用費(fèi)曼的歷史求和方法確定宇宙波函數(shù)，在數(shù)學(xué)上非常困難，要運(yùn)用鞍點(diǎn)近似和維克旋轉(zhuǎn)等數(shù)學(xué)技巧，這就要求時(shí)間值取虛值，并且虛時(shí)間所對(duì)應(yīng)的度規(guī)還要周期等同.在實(shí)時(shí)間中，只能朝著時(shí)間將來的方向前進(jìn)，或沿著時(shí)間將來方向夾一個(gè)小角度的方向前進(jìn)，在這個(gè)方向上不可避免地會(huì)遭遇到奇性，實(shí)時(shí)間在此到達(dá)盡頭，而虛時(shí)間和實(shí)時(shí)方向夾正直角，在虛時(shí)間中就可轉(zhuǎn)彎繞過奇性了.在霍金看來，虛時(shí)的引入意味著時(shí)間和空間之間的差別完全消失了；在歐幾里德時(shí)空里，在時(shí)間方向和空間方向之間沒有任何區(qū)別，而在閔氏時(shí)空或普通彎曲時(shí)空中，所有點(diǎn)上的時(shí)間方向都位于光錐里，而空間方向則位于外面.霍金認(rèn)為，在普通量子力學(xué)中虛時(shí)和歐幾里德時(shí)空的運(yùn)用，僅僅視作一種計(jì)算實(shí)時(shí)空答案的數(shù)學(xué)方法的理解.但是，霍金同時(shí)又推測對(duì)虛時(shí)間概念作實(shí)在論解釋的可能性，認(rèn)為虛時(shí)間很可能比實(shí)時(shí)間更基本，廣義相對(duì)論中的實(shí)時(shí)間在合理的因果性和物質(zhì)分布的條件下不可避免地導(dǎo)致奇點(diǎn)，而量子引力論中的虛時(shí)間可以回避奇點(diǎn)，從中可以延拓出實(shí)時(shí)間，很可能是更為基本的時(shí)間概念.這里，實(shí)際是霍金超越或解讀了彭羅斯的扭量時(shí)空理論.6、其實(shí)量子引力作用量，虛時(shí)間的引入平心而論，就類似在“點(diǎn)內(nèi)空間”的事情，而且這只不過在強(qiáng)化實(shí)在性結(jié)構(gòu).實(shí)際上各種描述，包括真空和物理場在內(nèi)的非實(shí)物的相互作用量，就都預(yù)設(shè)了類似“點(diǎn)內(nèi)空間”的物質(zhì)過程的存在，這在不同的理論中，可以指稱不同類型的真空態(tài)量子場，它們的物理場及其漲落也可以不同，其宇宙的邊界條件也就自然成了它沒有邊界.而有了無邊界條件和虛時(shí)間，通過對(duì)宇宙所有可能的時(shí)空度規(guī)求和，也能類似如霍金找到那個(gè)理想化宇宙波函數(shù)，即“點(diǎn)內(nèi)空間”能更多更好描寫一個(gè)沒有物質(zhì)只有宇宙常數(shù)的理想化宇宙自發(fā)創(chuàng)生的過程.這個(gè)過程可想象成半個(gè)歐氏四維球面或環(huán)面，或者旋轉(zhuǎn)的整個(gè)球面或環(huán)面.這里也能滿足彭羅斯需要的，把場論分解為正頻和負(fù)頻部分，因這實(shí)際是指趨向于零的正虛數(shù)與負(fù)虛數(shù)頻部分、正實(shí)數(shù)與負(fù)實(shí)數(shù)頻部分.7、不管是牛頓還是愛因斯坦引力公式，對(duì)質(zhì)量巨大的星體，都會(huì)形成將三維空間分為兩個(gè)區(qū)域：一個(gè)是以稱之為視界的二維光滑曲面為邊界的內(nèi)區(qū)域；一個(gè)是以視界以外的漸近平直的外區(qū)域；而且要求內(nèi)區(qū)域中的點(diǎn)不能與外區(qū)域中的任何點(diǎn)通信息.球面和環(huán)面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不分的人，認(rèn)為只要與坐標(biāo)系的選擇無關(guān)，就能反映時(shí)空的內(nèi)在性質(zhì)，而不必區(qū)分奇點(diǎn)和奇環(huán)的存在，或者認(rèn)為在奇點(diǎn)和奇環(huán)處，就都只是時(shí)空的曲率無窮大（彎曲程度無窮大），物質(zhì)的密度也無窮大.由于他們只是希望時(shí)空中最好不存在奇點(diǎn)，也就推測真實(shí)的時(shí)空中沒有奇點(diǎn).其實(shí)這是對(duì)的，情形也簡單，只要了解宇宙大爆炸類似起于奇環(huán)就行.因?yàn)樯鲜銎纥c(diǎn)的出現(xiàn)，是由于他們把時(shí)空的對(duì)稱性只想象得如球面造成的.彭羅斯也認(rèn)為，只要愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確，并且因果性成立，那么任何有物質(zhì)的時(shí)空，都至少存在一個(gè)奇點(diǎn).而霍金參加進(jìn)來，只是補(bǔ)充了另外的證明.不過，彭羅斯提出了“宇宙監(jiān)督假設(shè)”來改善奇點(diǎn)的處境.他提出，“存在一位宇宙監(jiān)督，它禁止裸奇點(diǎn)的出現(xiàn)”.也就是說，“宇宙監(jiān)督”要求奇點(diǎn)必須包含在黑洞里面，這樣生活在黑洞外面的人，不會(huì)受到奇點(diǎn)的“不良”影響.因?yàn)槿魏涡畔⒍疾豢赡芘艿胶诙赐饷鎭?8、但研究也表明，裸奇點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，黑洞的溫度會(huì)處在絕對(duì)零度.因此這位“宇宙監(jiān)督”很可能類似就是熱力學(xué)第三定律.奇點(diǎn)定理表明，時(shí)空中至少存在一條具有如下性質(zhì)的類光（光速）或類時(shí)（亞光速）曲線，它在有限的長度內(nèi)會(huì)斷掉，而且斷掉的地方不能用任何手段修補(bǔ)，以使這條曲線可以延伸過去.即“奇點(diǎn)”就是時(shí)間過程斷掉的地方.彭羅斯等人相信真正的量子引力論應(yīng)該取代奇性處的時(shí)空的目前觀念，以一種明晰的方式來談?wù)摻?jīng)典廣義相對(duì)論中的時(shí)空奇點(diǎn).彭羅斯主張把實(shí)際的“奇異點(diǎn)”以及“無窮遠(yuǎn)處的點(diǎn)”，也就是理想點(diǎn)合并到時(shí)空中去.例如，令I(lǐng)P是不可分解的過去集.“過去集”是包括自身過去的一個(gè)集合，類似宇宙“膜”外的“點(diǎn)外空間”或“膜”內(nèi)的“點(diǎn)內(nèi)空間”.“不可分解”是指它不能被分離成兩個(gè)互不包含的過去集合，即“點(diǎn)外空間”和“點(diǎn)內(nèi)空間”不能被分離成兩個(gè)互不包含的集合.IP有兩個(gè)范疇，即PIP和TIP.一個(gè)PIP是一個(gè)正規(guī)的IP，即一個(gè)實(shí)際時(shí)空點(diǎn)的過去.一個(gè)TIP是一個(gè)終端的IP，而不是時(shí)空中的一個(gè)實(shí)際點(diǎn)的過去.TIP是未來理想點(diǎn)的過去.如果這個(gè)理想點(diǎn)“在無窮”，則稱為∞―TIP，類似“點(diǎn)外空間”；如果這個(gè)理想點(diǎn)是奇點(diǎn)，稱為奇性TIP，類似“點(diǎn)內(nèi)空間”.彭羅斯指出，為了使一切分類行得通，我們必須假定沒有兩點(diǎn)有相同的未來或相同的過去.這樣一來，黑洞內(nèi)部的那些封閉類時(shí)線在彭羅斯看來可能是沒有物理意義的數(shù)學(xué)虛構(gòu)；即使它們是實(shí)在的，由于被視界所包圍，因果性和時(shí)序的混亂也不會(huì)影響黑洞外部的物理過程.霍金后來也提出“時(shí)序保護(hù)猜想”，認(rèn)為時(shí)空的真空量子漲落必然會(huì)堵塞封閉類時(shí)線構(gòu)成的蟲洞或時(shí)間機(jī)器；而且，霍金從量子論的費(fèi)曼圖計(jì)算中得出Godel宇宙解出現(xiàn)的概率趨向于零.9、彭羅斯相信在引入宇宙監(jiān)督假設(shè)后，經(jīng)典廣義相對(duì)論可以保證因果性和時(shí)序.而霍金卻相反，他認(rèn)為在引入虛時(shí)和無邊界條件，“點(diǎn)內(nèi)空間”也可以傾向于一個(gè)閉合的宇宙；當(dāng)然這僅是相對(duì)于他認(rèn)為經(jīng)典的廣義相對(duì)論無法給出明確的時(shí)間箭頭而說的.而彭羅斯認(rèn)為，大爆炸奇性不同于黑洞奇性，由韋爾曲率假設(shè)，初始奇點(diǎn)（大爆炸）的韋爾曲率為零，而終結(jié)奇點(diǎn)（大擠壓和黑洞）的韋爾曲率可能會(huì)發(fā)散；兩種類型的奇性也許滿足完全不同的定律，可能量子引力對(duì)于它們的定律是完全不同的.其實(shí)，這不是懷疑統(tǒng)一場論的可能存在，不是否定宇宙演化遵循統(tǒng)一的規(guī)律.彭羅斯和霍金的不同理解，都是把連續(xù)統(tǒng)中實(shí)數(shù)與虛數(shù)分開的，都是對(duì)的.例如，霍金認(rèn)為，這種分開后，奇點(diǎn)的經(jīng)典分類對(duì)于量子引力定律是無意義的.實(shí)際上，如果在宇宙“膜”內(nèi)考慮引力熵和韋爾曲率假設(shè)的聯(lián)系，熱力學(xué)第二定律也可以從物質(zhì)系統(tǒng)趨向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)分布的這一更普適的事實(shí)中推導(dǎo)出來.黑洞的存在性質(zhì)疑1、席瓦西度規(guī)并沒預(yù)言黑洞一定存在黑洞不存在的一個(gè)簡單證明1916年在愛因斯坦廣義相對(duì)論發(fā)表后不久，施瓦西推導(dǎo)出愛因斯坦場方程的一個(gè)準(zhǔn)確解——施瓦西解.這個(gè)解給出了對(duì)靜態(tài)球?qū)ΨQ黑洞，即施瓦西黑洞的描述，這標(biāo)志著用廣義相對(duì)論研究黑洞的開始.1930年印度學(xué)者錢德拉塞卡(Chandrasekhar)提出了恒星演化過程的臨界質(zhì)量的概念，錢德拉塞卡證明：白矮星僅當(dāng)其質(zhì)量小于1.4倍太陽的質(zhì)量時(shí)才是穩(wěn)定的，任何恒星在演化結(jié)束時(shí)的質(zhì)量若超過這個(gè)數(shù)值，將會(huì)繼續(xù)塌縮下去，現(xiàn)在人們將這個(gè)數(shù)值稱為錢德拉塞卡極限.1932年朗道(Landau)也獨(dú)立地得到了錢德拉塞卡極限，并進(jìn)一步推測恒星內(nèi)部可能存在著中子核.這個(gè)工作直接導(dǎo)致了奧本海默(Oppenheimer)的中子星理論.1939年奧本海默等人提出了天體演化中可能存在中子星，并根據(jù)廣義相對(duì)論進(jìn)一步推測，當(dāng)某個(gè)時(shí)空彎曲得非常厲害的時(shí)候，光線將不能從這個(gè)區(qū)域逃離到遠(yuǎn)方，在遠(yuǎn)方的觀測者看來，這個(gè)區(qū)域?qū)⑹且活w看不見的“暗星”.奧本海默的“暗星”也就是今天人們所說的黑洞.無論是施瓦西對(duì)黑洞的數(shù)學(xué)描述，還是奧本海默對(duì)黑洞所做的物理預(yù)測，并沒有得到普遍的認(rèn)同，許多物理學(xué)家，例如愛因斯坦和愛丁頓，都對(duì)黑洞表示過明確的反對(duì).愛因斯坦雖然得到了廣義相對(duì)論的精華——愛因斯坦場方程，但是他本人還是對(duì)黑洞抱著懷疑態(tài)度.愛因斯坦和愛丁頓這兩個(gè)當(dāng)時(shí)科學(xué)界的巨人對(duì)黑洞十分抵制，雖然他們?cè)谕七M(jìn)相對(duì)論引力理論發(fā)展中有著十分重要的作用.奧本海默，和惠勒一起是與愛因斯坦、愛丁頓齊名的幾個(gè)重要理論物理學(xué)家之一，對(duì)黑洞的看法和惠勒一樣，認(rèn)為是存在的.于是奧本海默和惠勒向致密星以及愛因斯坦、愛丁頓對(duì)黑洞不可能存在的理論發(fā)動(dòng)了挑戰(zhàn).1939年，愛因斯坦在一篇文章中專門論述了施瓦西黑洞在物理時(shí)空中不可能存在.在這篇文章里，愛因斯坦利用狹義相對(duì)論的一個(gè)規(guī)律——任何物體的速度不能超過光速，解釋了施瓦西黑洞不能存在的原因.雖然，用今天的眼光看，愛因斯坦的論述并不完美，然而這篇文章中所包含的一個(gè)思想，即施瓦西黑洞如果存在，必然與狹義相對(duì)論中任何物體的速度不能超過光速這一規(guī)律相矛盾，這一觀點(diǎn)對(duì)我們今天研究黑洞仍有重要的價(jià)值.在20世紀(jì)60年代以前，大多數(shù)物理學(xué)家們都持有與愛因斯坦相同的觀點(diǎn).但是到20世紀(jì)60年代中期，人們對(duì)黑洞的態(tài)度發(fā)生了轉(zhuǎn)變，造成這一情況的原因有兩個(gè)：第一個(gè)原因是脈沖星的發(fā)現(xiàn).1967年，脈沖星的發(fā)現(xiàn)表明奧本海默對(duì)中子星的預(yù)測是正確的，于是人們開始對(duì)他的另一個(gè)預(yù)測——黑洞產(chǎn)生了興趣.第二個(gè)原因是奇點(diǎn)定理的證明.在1965年至1970年之間，彭羅斯和霍金證明了幾個(gè)奇點(diǎn)定理，他們得出：在廣義相對(duì)論中奇點(diǎn)是不可避免的，即只要愛因斯坦的廣義相對(duì)論正確，并且因果性成立，那么任何有物質(zhì)的時(shí)空，都至少存在一個(gè)奇點(diǎn).由于上面兩個(gè)原因，導(dǎo)致一些物理學(xué)家開始改變他們的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為廣義相對(duì)論是正確的，奇點(diǎn)是不可避免的，于是與奇點(diǎn)密切相關(guān)的“暗星”有可能是存在的，惠勒還給“暗星”起了一個(gè)新名字“黑洞”.自此之后，黑洞逐漸成為物理學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn).從1916年至今已將近100年了，回顧黑洞研究的這段歷史，我們不難發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)60年代之前的50年，大多數(shù)物理學(xué)家并不相信黑洞，他們的一個(gè)理論依據(jù)是：愛因斯坦狹義相對(duì)論是正確的，任何物體的速度不能超過光速，并由此得出在真實(shí)的物理時(shí)空中，不應(yīng)該存在黑洞.在20世紀(jì)60年代之后的50年，大多數(shù)物理學(xué)家又改變了觀點(diǎn)，他們相信黑洞存在，其理論依據(jù)是：愛因斯坦廣義相對(duì)論是正確的，根據(jù)這個(gè)理論奇點(diǎn)不可避免，于是得出與奇點(diǎn)密切相關(guān)的黑洞似乎應(yīng)該存在.現(xiàn)在又出現(xiàn)一個(gè)令人困惑的問題，為什么愛因斯坦狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論在黑洞問題上會(huì)產(chǎn)生矛盾，宇宙中真的存在施瓦西黑洞嗎？黑洞是廣義相對(duì)論的一個(gè)預(yù)言，同時(shí)也是物理學(xué)中一個(gè)有爭議的問題.雖然黑洞是愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言，但是，愛因斯坦本人卻拒絕接受這一結(jié)果，1939年，愛因斯坦專門寫了一篇文章，論述施瓦西黑洞在真實(shí)的物理時(shí)空中不會(huì)存在.然而，最近幾十年，一些理論物理學(xué)家，在黑洞是否存在這一問題還沒有確定的情況下，從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出黑洞的許多性質(zhì).用霍金的話說：“黑洞是科學(xué)史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據(jù)證明其理論是正確的情形下，作為數(shù)學(xué)的模型被發(fā)展到非常詳盡的地步.”我們知道，對(duì)于靜態(tài)的球?qū)ΨQ物質(zhì)，其引力源外的度規(guī)是（1）是固有時(shí)，即固定在該質(zhì)點(diǎn)上的鐘的記時(shí).因?yàn)槎纫?guī)應(yīng)是連續(xù)的時(shí)空坐標(biāo)的函數(shù)，所以（1）應(yīng)能適用于引力源邊界上的質(zhì)點(diǎn).因此對(duì)于半徑為R的引力源邊界上的一個(gè)靜止質(zhì)點(diǎn)來說應(yīng)有.因此必有.所以對(duì)于在引力源外（）沿徑向運(yùn)動(dòng)的光子來說有，即，這說明源外的光速不能為零，靜態(tài)黑洞不存在.對(duì)于沿徑向振蕩的源來說，其邊界上的點(diǎn)必有靜止的一瞬間，同樣有，因此振蕩的引力源也不導(dǎo)致黑洞.收縮的源邊界上的點(diǎn)總有靜止的時(shí)后，因此收縮的源也不會(huì)導(dǎo)致黑洞.膨脹的源最終解體也不會(huì)導(dǎo)致黑洞.總之席瓦西度軌并沒真正地預(yù)言黑洞一定存在.以往忽視了引力源的作用，才出現(xiàn)了有黑洞的錯(cuò)誤預(yù)言.附錄：推翻現(xiàn)代宇宙學(xué)說宇宙間可能根本不存在"黑洞"簡單說來，黑洞就是空間中的一個(gè)點(diǎn)，它的萬有引力趨于無限大.在距離黑洞中心一定范圍之內(nèi)，它的引力大得連光都無法逃脫，這個(gè)范圍就是所謂的“視界”.1974年理論物理學(xué)家史蒂芬.霍金提出，量子物質(zhì)能夠以某種“狡猾”的方式逃出黑洞.他認(rèn)為，粒子-反粒子對(duì)有一定的隨機(jī)幾率能夠瞬間以實(shí)物形式“跨”于“視界”之上——其中一個(gè)墜入黑洞，另一個(gè)則將能夠自由.這就是著名的“霍金輻射”(HawkingRadiation).這一理論表明，黑洞并非只進(jìn)不出，它可以緩慢地釋放出一些物質(zhì)，被吸入黑洞的一切事物都最終能在幾十億甚至幾萬億年后“重見天日”.這樣看來，黑洞就成了一個(gè)矛盾體：即“密不透風(fēng)”，又有所疏漏.這個(gè)兩難的問題已經(jīng)困擾了科學(xué)家40年之久.在最新的研究中，美國凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的物理學(xué)家LawrenceKrauss和同事構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，能夠證明黑洞并不存在.Krauss表示，公式的關(guān)鍵在于引入了愛因斯坦提出的時(shí)間延緩效應(yīng).愛因斯坦在廣義相對(duì)論中指出，飛向黑洞的宇宙飛船中的乘客會(huì)感覺到飛船在加速，而在黑洞外部的觀測者看來，飛船的速度卻在變慢.而當(dāng)飛船到達(dá)“視界”時(shí)，這個(gè)速度可以慢到觀測者認(rèn)為飛船似乎會(huì)永遠(yuǎn)停在那里，但永遠(yuǎn)不會(huì)被湮沒.Krauss表示，時(shí)間能夠在那個(gè)點(diǎn)上停止下來，這就意味著時(shí)間對(duì)于黑洞而言是無限的.如果黑洞會(huì)不斷向外釋放物質(zhì)，質(zhì)量逐漸減少，那么它們?cè)谛纬芍熬鸵呀?jīng)蒸發(fā)消失了.他說，這就好比是向一個(gè)沒有底的瓶子里倒水，永遠(yuǎn)倒不滿.Krauss表示，沒有人真正見過黑洞.科學(xué)家會(huì)認(rèn)為宇宙中遍布著黑洞，可能是由能夠產(chǎn)生巨大引力的特大質(zhì)量恒星遺骸引起的類似效果.實(shí)際上，Krauss不是第一個(gè)這樣認(rèn)為的人.2005年3月，美國天體物理學(xué)家喬治?錢普拉因表示，宇宙中沒有黑洞，所謂的黑洞是由“暗能量”組成的巨大星體(參見更多閱讀4).而在2006年7月，另一位美國科學(xué)家席爾德也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)一直被當(dāng)作黑洞的類星體.NASA戈達(dá)德空間飛行中心的天文學(xué)家KimberlyWeaver評(píng)論說，人們對(duì)黑洞和宇宙的認(rèn)識(shí)不會(huì)如此之快.盡管她十分欣賞凱斯西儲(chǔ)大學(xué)科研小組所描述的結(jié)論，但問題是人類目前的觀測還沒有找到任何能夠支持這一觀點(diǎn)的事實(shí)證據(jù).Weaver說，天文學(xué)家確實(shí)在銀河系中央的超大黑洞附近觀測到星際物質(zhì)毫無蹤跡地消失.不過，到目前為止，也沒有人真正探測到“霍金輻射”，找到黑洞蒸發(fā)的證據(jù).(科學(xué)時(shí)報(bào))2.黑洞的存在性質(zhì)疑“黑洞”理論家們正是把牛頓的“萬有引力”絕對(duì)化，只強(qiáng)調(diào)宇宙物質(zhì)相互吸引的一面，避而不談物質(zhì)吸在一起之后的離異與“蒸發(fā)”，只強(qiáng)調(diào)“萬有引力”定律的數(shù)學(xué)結(jié)果，而回避“萬有引力”造成的物理演化，只看到“萬有引力”趨勢(shì)所接近的極限，而不思考接近這一極限時(shí)出現(xiàn)的必然轉(zhuǎn)化.因此“黑洞”理論不是物理學(xué)說，而是片面的數(shù)學(xué)理論，是“萬有引力”悖論群中的一種.近幾十年來，隨著“相對(duì)論”物理學(xué)的走紅，“黑洞”這一傳統(tǒng)“引力佯謬”又繁衍了一些現(xiàn)代版的“引力悖論”.一些“科學(xué)家”相信，支配宇宙運(yùn)動(dòng)的唯一力量是“萬有引力”，在前宇宙時(shí)期，這種力曾經(jīng)把整個(gè)宇宙星體吸在了一起，成了一個(gè)超大無比、獨(dú)一無二的宇宙體，因?yàn)樗|(zhì)量太大，表面的地塊不斷向中心擠壓，造成了一層層引力坍塌，最后塌縮成了一個(gè)半徑為０的宇宙奇點(diǎn)，這個(gè)奇點(diǎn)包含了全部宇宙的熱量、質(zhì)量與能量.１５０億年前，這個(gè)宇宙奇點(diǎn)再也忍受不住宇宙引力的禁錮，以“大爆炸”的形式來釋放它內(nèi)部的熱量、質(zhì)量與能量，最后就形成了我們現(xiàn)在所居住的宇宙.另一個(gè)版本的解釋是，“萬有引力”并沒在奇點(diǎn)形成后失去作用，而是繼續(xù)吸引收縮，只不過這時(shí)的引力矢量換向，由原來的實(shí)數(shù)值變成了虛數(shù)值，宇宙由半徑為０的奇點(diǎn)狀態(tài)向半徑為負(fù)值的虛數(shù)狀態(tài)演進(jìn)，這種虛數(shù)宇宙就是“白洞”.有關(guān)黑洞方面的研究，大體有兩類問題：①關(guān)于黑洞是否存在的問題.②如果黑洞存在，它具有什么性質(zhì).目前有關(guān)黑洞的研究，大多屬于第二類問題.即在假設(shè)黑洞存在的前提下，得出許多有關(guān)黑洞的性質(zhì)，然而對(duì)黑洞是否存在這個(gè)問題，目前還沒有一個(gè)明確的回答.顯然，目前黑洞研究存在一個(gè)問題：人們?cè)诤诙词欠翊嬖谶@個(gè)問題尚未解決之前，就花費(fèi)了大量的時(shí)間和精力研究黑洞的各種性質(zhì)，例如，量子力學(xué)性質(zhì)或熱力學(xué)性質(zhì).我們認(rèn)為，黑洞是否存在這個(gè)問題，應(yīng)該是黑洞研究中首先解決的問題.這個(gè)問題不解決，即使研究得出黑洞的許多性質(zhì)，一旦最終證明宇宙中根本就不存在黑洞，這些研究都將失去意義.愛因斯坦并不相信黑洞，查普林爭辯道，“不幸的是，他不能清楚地說明為什么.”愛因斯坦自己就說過：“對(duì)于很大的場密度和物質(zhì)密度，場方程以及這些方程中的場變數(shù)，都不會(huì)有實(shí)在意義……這些方程不可擴(kuò)展到這樣的一些區(qū)域中去.”對(duì)此，霍金也說：“廣義相對(duì)論導(dǎo)致了自身的失敗，它預(yù)言它不能預(yù)言宇宙.”1970年，彭羅斯和霍金證明了：如果廣義相對(duì)論正確，那么，時(shí)空一定存在奇點(diǎn).這里所謂的奇點(diǎn)，就是場密度和物質(zhì)密度趨向無限大的點(diǎn)，這是廣義相對(duì)論局限性的一個(gè)表現(xiàn).在廣義的相對(duì)論中，并沒有一種所謂的“格林尼治時(shí)間”讓其它地方的時(shí)鐘以同樣的速度轉(zhuǎn)動(dòng).相反，在不同的地方，重力讓時(shí)鐘以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn).但量子力學(xué)主要是描述細(xì)微空間中的物理現(xiàn)象，因而它只有在宇宙通用的時(shí)間的前提下才會(huì)體現(xiàn)其理論價(jià)值，否則就沒有任何意義.這個(gè)問題在“視界(eventhorizon)”——黑洞的邊界尤為顯著.對(duì)于一個(gè)遙遠(yuǎn)的觀察者而言，這里的時(shí)間看似是靜止的.一艘掉入黑洞的飛行器在遙遠(yuǎn)的觀察者看來，似乎永遠(yuǎn)地陷在了黑洞的邊界；但飛船中的宇航員們卻能感覺到自己在繼續(xù)下降.“廣義相對(duì)論預(yù)示，黑洞邊界并沒有發(fā)生任何變化.”查普林說.然而，早在1975，量子物理學(xué)家們?cè)?jīng)提出爭議：在黑洞邊界確實(shí)會(huì)發(fā)生奇怪的事情：遵守量子法則的物質(zhì)對(duì)輕微干擾變得極為敏感.“這一結(jié)果很快地就被忘記，”查普林說，“因?yàn)樗c廣義相對(duì)論的預(yù)言不符.但是實(shí)際上，它是完全正確的.”他認(rèn)為，這種奇怪的活動(dòng)正是時(shí)空“量子相變”的證據(jù).卓別林認(rèn)為，死亡后的恒星并不會(huì)簡單地形成一個(gè)黑洞，而是在該時(shí)空內(nèi)部，充斥著暗能量，而且這具有一些有趣的重力的效應(yīng).查普林稱，暗能量星的“表面”外看，它的“行為”與黑洞十分相似，能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的重力牽引.但是內(nèi)部，暗能量的“負(fù)”重力可能會(huì)引起物質(zhì)重新反彈回來.而且查普林預(yù)言，如果暗能量星足夠的大的話，任何反彈出的電子將會(huì)被轉(zhuǎn)變成為正電子，它將在高能輻射中消滅其它電子.卓別林表示，這種情況可以解釋我們觀察到的銀河系中心輻射現(xiàn)象.而此前對(duì)于這種現(xiàn)象，天文學(xué)家們認(rèn)為是銀河系中存在著一個(gè)巨大黑洞的證據(jù).查普林還認(rèn)為，宇宙可能充滿著大量“原始”的暗能量星.這類星體并不是由恒星死亡而形成，而是由于時(shí)空自身的波動(dòng)起伏所導(dǎo)致的，就像是從冷卻的液態(tài)氣體中自然冒出的氣泡.這些與普通物質(zhì)一樣具有重力效應(yīng)，但是無法被觀察到，它們就是人們經(jīng)常提到的暗物質(zhì).1974年霍金通過研究黑洞外的量子力學(xué)，發(fā)現(xiàn)黑洞不僅能夠吸收黑洞外的物質(zhì)，而且能以熱輻射的形式向外“吐出”物質(zhì)這一量子力學(xué)現(xiàn)象.由于黑洞在向外蒸發(fā)物質(zhì)的同時(shí)，溫度也隨之升高；黑洞不斷地向外蒸發(fā)物質(zhì)，它的溫度越來越高，蒸發(fā)越來越快，最后將以大爆炸的形式向外吐出所有的物質(zhì)而結(jié)束它的生命.黑洞一旦形成就會(huì)“蒸發(fā)”輻射出能量，同時(shí)損失質(zhì)量，稱為霍金輻射，亦稱黑洞蒸發(fā).霍金這一理論是黑洞研究中的一個(gè)重大進(jìn)展.但與此同時(shí)，霍金在1976年的另一篇論文中對(duì)此的闡述是：黑洞輻射并不含有任何黑洞內(nèi)部的信息，在黑洞損失殆盡之后，所有信息都會(huì)丟失.而根據(jù)量子力學(xué)的定律，信息是不可能被徹底抹掉的.這與霍金的說法似乎產(chǎn)生了矛盾，這就是“黑洞信息悖論”；而勞倫斯·M·克羅斯把它稱為“怎樣調(diào)和黑洞蒸發(fā)與量子力學(xué)？”另外可能存在帶electriccharge的黑洞，一個(gè)