［摘 要］自史蒂芬•霍金提出黑洞理论以来,虽然黑洞的存在与否至今尚未得到验证,但是由此而引发的围绕“黑洞理论”而生的各种观点层出不穷,本文在对黑洞进行基本概述的基础上,分析其特性,并就目前黑洞研究中的“信息佯谬”与“奇性困难”两个争论比较激烈的问题进行探讨分析。并进一步就最近发现的具有强磁场的中子星进行探索,由此对黑洞的诞生理论形成巨大挑战。
［关键词］黑洞理论；信息佯谬；奇性困难；辐射效应
［中图分类号］G316 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-6432（2011）9-0116-02
霍金“黑洞理论”的思想自提出之后,紧接着又创造了“事件视界”这一名词,然后进一步论证了“面积定理”、“黑洞无毛定理”,最后与热力学结合起来,给黑洞“信息佯谬”和黑洞“奇性困难”一个较为合理的解释。
1 “黑洞理论”综述
何谓黑洞？英国的米歇尔和法国的拉普拉斯从牛顿的力学定律和光的微粒说出发,认为当天体的万有引力强大到能够把自身发出的光子拉回来的程度,光就不可能逃离天体。因此,他们给“黑洞”定义为：时空中的一个区域,其中引力场是足够的强,以至于连光线都不能从中逃逸。
由物理计算可知,物体逃出星体的引力范围必须具有的最低速度为,即VI,且VI=2GMR,被称为第二宇宙速度。M是质量,R是半径,G是万有引力常数。如此看来,只要具有足够大的速度V,且V＞VI时,物体就可以逃出这个星球。当一个星球的质量M很大,半径R很小时,则可能有下面的情况出现,即VI-2GMR ＞0；也就是说物体逃出星球的速度起码要大于光速c,这显然是不可能的,由此产生了“黑洞”一说。
2 黑洞的性质
对于之前停留在几何和力学水平上对黑洞的研究我们在此不做赘述。直接看位于rg=2GM/c2的史瓦西黑洞,提出了著名的史瓦西半径：rmax=2GM/c2。
其中rmax是黑洞的最大半径,也称为视界；G为万有引力常数,M为星体质量,c为光速。星体半径一旦小于rmax,就成为外界看不见的黑洞。后来,为了解释高密度星体喷射能量的现象,英国理论物理学家霍金又提出黑洞不黑,它能辐射出大量能量,因而又称为热洞。广义相对论认为,时空弯曲的地方,时钟就走得慢,其速度与弯曲程度呈反比。由此我们知道太阳表面的钟比地球上的钟慢。这种现象说明太阳表面发射的光,其光谱线比地球上同种元素的光谱线频率要低,波长要长,即光谱线的位置要向红端移动,这种现象称为引力红移。这在一定程度上验证了广义相对论。然而黑洞表面处的时空,“弯曲”程度相对于太阳表面则显得非常厉害,因此那里的钟变得无穷慢。从地球上看,黑洞表面的钟完全停止不走了。如果在那里放置一个光源体,则从地球上观看,此光源体射出的光会发生无限大的红移,频率会减小到零,波长会增大到无穷大。而实际上,外界根本看不见这样的光。如下图：
霍金(Hawking)则提出了黑洞的量子论,指出黑洞里的粒子并非绝对不能逃出来的,它可以通过一种量子隧道过程蒸发出来,这就是黑洞的蒸发。当黑洞在蒸发时,自身温度会越来越高,蒸发也越来越快。当霍金正式向世界宣布,黑洞不断地辐射出X光、伽马射线等,有名的“霍金辐射”出现了,同时黑洞密度公式也被提出：ρ=3M/4лr3=3c6/32лG3M2。
黑洞密度ρ与质量M2呈反比,只要M充分大,ρ就可以充分小。例如,如果宇宙密度在9×10-30-10-29g/cm3之间,则我们所在的宇宙就是一个正在膨胀中的黑洞。它不是奇点,可观测检验,应该是我们研究的起始点。
3 黑洞的“信息佯谬”与“奇性困难”
在对黑洞的性质研究基础之上,霍金推翻了自己之前认为黑洞会造成信息丢失的观点,他进一步说明,“假如我们跳入黑洞,我们自身的质量和能量将会回到我们的宇宙,只是以一种彻底分化与瓦解的形式出现而已,但是它含有的信息正如我们原来拥有的那样,只是它是以不能加以辨别的状态出现的”。这样恢复了波函数信息的完整性,似乎就找到了黑洞信息佯谬的答案,到底结果是否是这样的,恐怕只有到最终的量子引力或者说是M理论成熟之日,才是黑洞信息佯谬的最终答案浮出水面之时。
总之,对于黑洞造成的信息佯谬我们可以从两方面看：一是物理学中有能量守恒、动量守恒、电荷守恒等许多守恒定律,但没有“信息守恒定律”。倒推则容易得知,如果信息论中把信息看做“负熵”的观点是正确的,加上信息熵与热力学熵确实有相同的本质,那么信息原则上应该不守恒。
黑洞研究中的另一个重要疑难与奇点有关。这里指的是时空曲率发散,而且发散不能通过坐标变换来消除的内禀奇点。比方说史瓦西黑洞和克尔—纽曼黑洞r=0处的奇点和奇环。1964年,彭若斯(R.Peose)初步证明了一个奇性定理,该定理是说真实的物理时空一定至少存在一个奇点,并把奇点理解为时间开始或结束的地方。前述提及到黑洞内部的奇点是时间终结点,白洞内部的奇点则是时间开始点。霍金在证明这一观点的基本思路是：①假设时空因果性良好,则在时空中A、B两点之间一定存在最长线,此线必定是无共轭点的类时(或类光)测地线。②如果时空中能量密度非负、存在静质量不为零的物质且广义相对论成立,则A、B两点之间的测地线一定存在共轭点,简言之,就是A、B之间将没有最长线。
黑洞的“奇性定理”是用类时或类光测地线证明的,安鲁(W.G.Uuh)曾经指出,在绝对零度的真空中作匀加速直线运动的观测者将感受到温度(热辐射),温度与它的固有的加速度呈正比。因此是在温度为绝对零度或无穷大的情况下奇性定理是容易得到证明的。热力学第三定律禁止任何系统达到绝对零度或温度发散,因此奇性定理的证明与第三定律冲突。它仅仅只是一个数学证明,并非一个物理证明,不能说明时间一定有开始或结束。
以上主要就黑洞的起源以及黑洞的基本性质,同时列举了黑洞研究领域的两个重要疑难,结合了物理领域的万有引力、时间定理,将之与热力学深刻联系在一起,对物理和天文工作者极富有研究的挑战性,值得去深入探讨。
4 强磁场的中子星的发现对黑洞理论的挑战
发表在《天文学和天体物理学》杂志上的有关位于距离地球1.6万光年的著名恒星簇Westerlund1里的“磁星”对黑洞的诞生理论形成巨大挑战。Westerlund1是为数不多的几颗“磁星”之一,这是一种特殊的中子星,由超新星爆炸形成,它的磁场强度有可能比地球的磁场强数百万倍甚至数亿倍。据该研究显示,最终变成“磁星”的这颗Westerlund1恒星,质量至少是太阳的40倍。若事实果真如此,它将导致人们对黑洞理论产生质疑。
主流假设认为,质量是太阳10~25倍的恒星,最终将演变成中子星。但是质量超过太阳25倍的恒星,最终会形成黑洞,黑洞是一种可以吞噬一切,连光都不放过的怪物,它是在一颗大质量垂死恒星的瓦解过程中形成的。在这种情况下,“磁星”的“母亲”因为很大,最终变成一个黑洞。不过论文作者表示,另一种可能是恒星变得越来越轻,这促使它演变成一颗中子星。
总之,霍金对黑洞理论的贡献也大大改变了人们对黑洞的认识,目前人们对于黑洞的存在与否仍在探索求证中,但霍金对黑洞的理论研究意义已经超出了物理学和天文学的范围,对后人有相当程度的指导意义。
参考文献：
殷春英.黑洞理论分析与探索［J］.科教论丛,2006(3).