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.廣義相對論下黑洞的概念3.奇點定理與能量條件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簡單證明2.黑洞的存在性質(zhì)疑3.現(xiàn)代天文學(xué)實驗對于黑洞存在性的質(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18世紀，科學(xué)家們大都相信牛頓的光粒子學(xué)說，這個學(xué)說認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，他計算了一個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，再給定一個靜止質(zhì)量為的質(zhì)點，<<M，下面研究質(zhì)點在星球引力作用下的運動規(guī)律，由于討論靜態(tài)球?qū)ΨQ的情況，因此可進一步假設(shè)質(zhì)點只在星球的徑向做直線運動.首先將球坐標系固定在星球M上，并令坐標原點與星球球心相重合.在牛頓力學(xué)中，質(zhì)點質(zhì)量是一個常量，根據(jù)牛頓第二定律和萬有引力定律，質(zhì)點運動方程為：(1)，公式（1）中的是質(zhì)點的徑向速度，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），對上式積分，并注意邊界條件：r=時，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)，因此可以引入勢函數(shù)，其中滿足：(6)，對上式積分，并引入邊界條件r=時，=0于是得到：(7)，將引力勢代入運動方程(3)中，則牛頓引力場中的運動方程為：(8)，對公式(8)取積分，并注意利用公式(2)，再代入邊界條件，在r=時，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，一個質(zhì)點的動能若超過它的引力勢能，質(zhì)點就能擺脫星球的引力而逃逸，對于一個質(zhì)量為M，半徑為R的星球來說，在它表面上一個質(zhì)量為質(zhì)點，根據(jù)能量守恒方程(9)，該質(zhì)點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，當星球的半徑小于拉普拉斯半徑時，即≤時，我們有：≥c(13)，這個公式表明，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，光也不能從其表面逃脫，以至一個遠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引力問題，在強引力場質(zhì)點的速度可以接近光速.當用相對論的方法計算的質(zhì)點速度大于光速的0.79倍時，用牛頓力學(xué)公式（4）得出的速度就會大于光速，而此時牛頓力學(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)黑洞的方法是錯誤的.筆者認為，在經(jīng)典力學(xué)范圍推導(dǎo)黑洞是完全錯誤的，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：[1]WheelerJA.AmericanScientist，1968，56：1[2]Michel，J.Philos.Trans.1783，74：35-572.廣義相對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準確解，即施瓦西解.這個解給出了對靜態(tài)球?qū)ΨQ黑洞，即施瓦西黑洞的描述，這標志著用廣義相對論研究黑洞的開始.按照廣義相對論，物質(zhì)決定時空如何彎曲，而光和物質(zhì)的運動將由彎曲時空的曲率決定，當曲率大到一定程度時，光線就無法跑出去了，廣義相對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區(qū)域，一個是以稱之為視界的二維光滑曲面為邊界的內(nèi)區(qū)域，一個是視界以外漸進平直的外區(qū)域，而且內(nèi)區(qū)域的點不能與外區(qū)域的點交換訊息.定義2：一個星球，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，那么這個星球一定不是黑洞.愛因斯坦在廣義相對論中所建立的引力場方程為：，這個方程是高度非線性的，一般不能嚴格求解.只有在對時空度規(guī)附加一些對稱性或其他要求下，使方程大大簡化，才有可能求出一些嚴格解.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系帶來的，可以通過適當?shù)淖鴺讼底儞Q來避免.1960年代，克魯斯科(Kruskal)提出一個說法.他說愛因斯坦場方程的解之所以會無窮發(fā)散，是因為坐標系選擇得不好.如果我們選擇一個適當?shù)淖鴺讼?，便可以消除這個奇點.他提出以下的坐標變換，把時空坐標(r，t)變換到一對沒有物理意義的抽象的數(shù)學(xué)坐標(u，v)，叫做克魯斯科坐標：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特征：1）空間的原點r=0從一個幾何點變成了一條最上面的拋物線.（其實是一個四維曲面.別忘了極角和方位角坐標.）2）施瓦茲查爾德半徑被變換到了u–v坐標系中的兩條對角線.但是奇點并沒有消失.3）整個時空宇宙占據(jù)了u-v坐標系中以對角線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)域變換到了兩條對角線以上，原點拋物線以下的區(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坐標系中的兩條對角線.u-v坐標系沒有物理意義.真正有物理意義的是r–t坐標.時空坐標系中度規(guī)是否發(fā)散是可以觀測到的物理現(xiàn)象.一個無窮發(fā)散的物理現(xiàn)象不應(yīng)該僅憑坐標系的選擇而消除，這是常識，也是常理.克魯斯科認為一個坐標變換就可以改變物理現(xiàn)象，是對相對性原理的根本違反.ｒ＝0處的奇點是本質(zhì)的.在奇點上，時空曲率和物質(zhì)密度都趨于無窮大，時空流形達到盡頭.不僅在宇宙模型中起始的奇點是這樣，在星體中引力坍縮終止的奇點也是這樣.在奇點處，“一切科學(xué)預(yù)見都失去了效果”，沒有時間，也沒有空間.無窮大的出現(xiàn)顯然是廣義相對論的重大缺陷.２０世紀初，愛因斯坦認為“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“相對論”黑洞確立了一個“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.廣義相對論預(yù)言，當大質(zhì)量的恒星達到極高密度時，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，就好像一個無底洞，這樣的天體稱為黑洞.在黑洞的中心是一個奇點，那里所有的物質(zhì)都被無限壓縮，時空被無限彎曲.按照廣義相對論，黑洞并不是通常意義上的物質(zhì)實體，而是一個區(qū)域，一個極度彎曲了的空間.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)廣義相對論，引力場將使時空彎曲.當恒星的體積很大時，它的引力場對時空幾乎沒什么影響，從恒星表面上某一點發(fā)的光可以朝任何方向沿直線射出.而恒星的半徑越小，它對周圍的時空彎曲作用就越大，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，就連垂直表面發(fā)射的光都被捕獲了.到這時，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)一旦掉進去，“似乎”就再不能逃出.黑洞是引力匯點.史瓦西的這個解奠定了整個黑洞物理學(xué)的基礎(chǔ)，此后在60年代克爾等人又找到另一個軸對稱解，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)實宇宙無法滿足這種“極限天體”所要求的物理條件，故它不可能得到任何觀測與實驗的檢驗.當我們在實驗室里把某種物質(zhì)的密度加大到一定程度時，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)密度維持在一個有限范圍之內(nèi).比如銀心的直徑已達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)量或擴大自身的體積，來維持一個合理的平均密度.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.他們認為：“由于能量漲落而躁動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.，，量子真空會被微型黑洞周圍的強引力場所極化.在狄拉克海里，虛粒子對不斷地產(chǎn)生和消失，一個粒子和它的反粒子會分離一段很短的時間，于是就有4種可能性：.兩個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)地損失能量，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】霍金對黑洞發(fā)射霍金輻射的解釋是：真空里的虛粒子對中的反粒子易被黑洞俘獲，而后與黑洞中的一個正粒子湮滅，使黑洞內(nèi)損失一個正粒子，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；這個公式是史瓦西將靜態(tài)球?qū)ΨQ引力場代入廣義相對論場方程得到的史瓦西解（SchwarzchildSolution）.史瓦西解告訴我們，廣義相對論預(yù)言一種物體，那就是黑洞.只要接近黑洞到一個限度，你就會發(fā)現(xiàn)時空被一個球面(半徑為史瓦西半徑)分割成兩個性質(zhì)不同的區(qū)域，這個球面稱為“事界”(Eventhorizon).史瓦西半徑的公式是說：一個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)，沿著短程線運動的粒子或光線會在奇性處“無中生有”或不知去向.按照廣義相對論，演化到晚期的星體只要還有兩三個太陽的質(zhì)量，就會遲早變?yōu)楹诙?，包括光線在內(nèi)的任何物體都會被黑洞的強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空奇性.時間停止了，空間成為一個點，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)典理論中的一個黑洞永遠不能分裂為兩個黑洞，只能是兩個或兩個以上的黑洞合為一個黑洞，其結(jié)果很可能是整個宇宙變?yōu)橐粋€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個射線源，經(jīng)篩選確認，天鵝座X-1最有希望是一個黑洞.另外，圓規(guī)座X-1與天鵝座X-1數(shù)據(jù)非常相似，也很有希望被證認為黑洞.現(xiàn)在關(guān)于黑洞的理論的研究正在進展，觀察結(jié)果還有待進—步證實.無論如何，廣義相對論竟然要求這類難以接受的奇性，無疑是一個難題.或者廣義相對論本身要修改，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，還是按照廣義相對論的方法定義，定義2均能成立，因為，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處，那么，這個星球顯然不是黑洞.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論后，史瓦西首先得到了描述時空的方程，也就是著名的史瓦西方程.這個方程描述了一種被稱為標準的恒星模型周圍的空間.史瓦西方程主要描述恒星外的時空和恒星內(nèi)的時空.惠勒根據(jù)這個方程首先提出了黑洞存在的可能性，同時也拉開了對致密星體尤其是黑洞研究的序幕.3.奇點定理與能量條件廣義相對論的經(jīng)典解-比如Schwarzschild解-存在奇異性.這其中有的奇異性-比如r=2m-可以通過坐標變換予以消除，因而不代表物理上的奇點；而有的奇異性-比如r=0-則是真正的物理奇點.很明顯，在奇點研究中，真正的物理奇點才是我們感興趣的對象.那么究竟什么是廣義相對論中真正的物理奇點(簡稱奇點)呢？初看起來，這似乎是一個很簡單的問題.奇點顯然就是那些時空結(jié)構(gòu)具有某種“病態(tài)性質(zhì)”(pathologicalbehavior)的時空點.但稍加推敲，就會發(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，廣義相對論與其它物理理論有一個很大的差異，那就是其它物理理論都預(yù)先假定了一個背景時空的存在[注一]，因此，那些理論如果出現(xiàn)奇點-比如電磁理論中點電荷所在處的場強奇點-我們可以明確標識奇點在背景時空中的位置.但是廣義相對論描述的是時空本身的性質(zhì).因此廣義相對論中一旦出現(xiàn)奇點，往往意味著時空本身的性質(zhì)無法定義.另一方面，物理時空被定義為帶Lorentz度規(guī)的四維流形[注二]，它在每一點上都具有良好的性質(zhì).因此，物理時空按照定義就是沒有奇點的，換句話說，奇點并不存在于物理時空中[注三].既然奇點并不存在于物理時空中，自然就談不上哪一個時空點是奇點，從而也無法把奇點定義為時空結(jié)構(gòu)具有病態(tài)性質(zhì)的時空點了.但即便如此，象Schwarzschild解具有奇異性這樣顯而易見的事實顯然是無法否認的，因此關(guān)鍵還在于尋找一個合適的奇點定義.為了尋找這樣的定義，我們不妨想一想，為什么即便把r=0從時空流形的定義中去除，我們?nèi)匀徽J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)：當一個觀測者在Schwarzschild時空中沿徑向落往中心(即r趨于0)時，他所觀測到的時空曲率趨于發(fā)散.由于觀測者的下落是沿非類空測地線進行的[注四]，這啟示我們這樣來定義奇點：如果時空結(jié)構(gòu)沿非類空測地線出現(xiàn)病態(tài)性質(zhì)，則存在奇點.這個定義不需要將奇點視為時空流形的一部分，從而避免了上面提到的困難.但是，這個定義還面臨兩個問題：一是“病態(tài)性質(zhì)”這個含糊概念仍未得到澄清，二是在這個定義中，假如觀測者沿非類空測地線需要經(jīng)過無窮長時間才會接觸到時空結(jié)構(gòu)的病態(tài)性質(zhì)，那么奇點的存在就不具有觀測意義.為了解決這兩個問題，我們進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：如果存在不完備非類空測地線，則時空流形具有奇點.這就是多數(shù)廣義相對論文獻采用的奇點定義.這種存在不完備非類空測地線的時空流形被稱為非類空測地不完備時空，簡稱測地不完備時空(geodesicallyincompletespacetime).在一些文獻中，按照不完備測地線的類型，還將測地不完備時空進一步細分為類時測地不完備與類光測地不完備[注六].這個定義的合理性體現(xiàn)在：在一個測地不完備的時空流形中，試驗粒子可以沿不完備的非類空測地線運動，并在有限時間內(nèi)從時空流形中消失.這種試驗粒子在有限時間內(nèi)從時空流形中消失的行為-即測地不完備性-可以視為是對時空結(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，又使奇點具有了觀測意義.在一些文獻中，還對奇點存在于過去還是未來進行區(qū)分：如果所涉及的非類空測地線是未來(過去)不可延拓的，則對應(yīng)的奇點被稱為未來(過去)奇點.細心的讀者可能注意到我們在前面的“長度”一詞上加了引號.一般來說，類時測地線的長度定義為本征時間：τ=∫ds，但這一定義不適合描述類光測地線，因為后者對應(yīng)的本征時間恒為零.因此，我們需要對長度的定義進行推廣，將之定義為所謂的廣義仿射參數(shù)(generalizedaffineparameter).對于一條時空曲線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沿該處某標架場ea(t)的分量，曲線上各點的標價場定義為由某一點的標價場平移而來，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)的有限與否與標價場的選擇無關(guān).因此它對于我們表述奇點的定義已經(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)的時空曲線，而不限于測地線.不難證明，類時測地線的本征時間是廣義仿射參數(shù)的特例(請讀者自行證明).作為一個例子，我們來看看Schwarzschild解中r=0的奇點是否滿足上面所說的奇點定義.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測地線的長度(即本征時間)是有限的.由Schwarzschild度規(guī)可知：ds2=-(2m/r-1)dt2+(2m/r-1)-1dr2因此(請讀者補全被省略的計算細節(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，Kretschmann標量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的奇點滿足上面所說的奇點定義.從物理上講，這個結(jié)果表明落入Schwarzschild視界的觀測者會在有限本征時間內(nèi)從物理時空中消失(形象地說是“落入奇點”).現(xiàn)在我們再回到定義上來，奇點的定義要求時空流形具有測地不完備性.讀者也許會問：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時空結(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)上無歧義為標準的.在物理上，我們?nèi)匀豢梢詥栠@樣一個問題：當觀測者沿不完備的測地線運動時，究竟會觀測到什么樣的時空病態(tài)性質(zhì)？或者簡單地說，奇點究竟是什么樣子的？對此，人們曾經(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，人們曾經(jīng)認為奇點的產(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動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奇點及大爆炸奇點顯然都具有這種性質(zhì).但細致的研究發(fā)現(xiàn)，并非所有的奇點都是如此.一個最簡單的反例是錐形時空：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.這個時空是局部平坦的(曲率張量處處為零)，顯然沒有任何發(fā)散性.但這一時空無法延拓到r=0(被稱為錐形奇點)，因而是測地不完備的(類時與類光都不完備)[注七].這個反例表明奇點不一定意味著發(fā)散性.對奇點的另一種直觀描述是：奇點是時空中被挖去的點(或點集).比如Schwarzschild奇點與錐形奇點是被挖去的r=0，大爆炸奇點是被挖去的t=0.這種描述如果正確的話，那么通向奇點的所有測地線-無論類時還是類光-必定都是不完備的.換句話說，如果奇點是時空中被挖去的點(或點集)，那么它的存在將同時意味著類時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.但細致的研究表明，這一描述同樣不足以涵蓋所有的奇點.1968年R.P.Geroch給出了一個共形于Minkowski時空的時空(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(請讀者自行證明)，類時測地線r=0沿t→∞具有不完備性，因此這個時空流形具有類時測地不完備性.另一方面，所有類光測地線都將穿越區(qū)域r≤1而進入平直時空，因而都是測地完備的.由此可見這個時空具有類時測地不完備性，但不具有類光測地不完備性[注八].這個反例表明奇點并非都能理解為是從時空中被挖去的點(或點集).注釋[注一]當然，這里所謂的“其它物理理論”指的是不把時空本身作為研究對象的理論.[注二]Lorentz度規(guī)是指signature為(1，-1，-1，-1)的度規(guī)(有些文獻的定義與本文差一個整體符號).除Lorentz度規(guī)外，人們常常在時空定義中附加一些其它條件，比如Hausdoff性質(zhì)、連通性，等.對于度規(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)家試圖將奇點視為時空流形的邊界-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]非類空即類時與類光的總稱.這里我們所說的“觀測者”是廣義的，即試驗粒子，其中包括零質(zhì)量粒子.[注五]這里我們首先要求時空流形本身是“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，比如在Minkowski時空中挖去一個時空點所造成的“奇點”.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.[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動是物理上不可實現(xiàn)的，因此這種測地不完備性在奇點研究中不如其它兩種測地不完備性那樣受重視.[注七]這個例子比較平凡，一個更復(fù)雜的例子是所謂的Taub-NUT空間，它具有R1×S3拓撲結(jié)構(gòu)，曲率張量處處有界，但同樣是測地不完備的(類時與類光都不完備).[注八]這個例子比較特設(shè)，一個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時空，Reissner-Nordstr?m解具有類光測地完備性，但不具有類時測地不完備性.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，其中一個問題是為什么廣義相對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不同的物理理論，根據(jù)這兩個理論可以各自推出一個黑洞.我們知道，黑洞問題屬于強引力問題，在強引力場質(zhì)點的速度可以接近光速.后面我們將證明，當用相對論的方法計算的質(zhì)點速度大于光速的0.79倍時，用牛頓力學(xué)公式（4）得出的速度就會大于光速，而此時牛頓力學(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)黑洞的方法是錯誤的.歷史上的第二個黑洞是施瓦西黑洞，這個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論發(fā)表后不久，施瓦西導(dǎo)出了愛因斯坦真空場方程的一個準確解，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球?qū)ΨQ天體的外部空間.從(15)可以看出，當(16)時，(15)中的第二項趨于無窮大，即：(17)，這表明，球面是施瓦西解的一個奇面，其中稱為施瓦西半徑：=(18)在廣義相對論里，球面稱為施瓦西視界，也就是施瓦西黑洞的外邊界.一個星球如果它的半徑小于施瓦西半徑，即：R≤(19)，這個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：對于任何給定質(zhì)量的星球，都存在一個臨界半徑，當一個星球的半徑小于臨界半徑時，這個星球就是黑洞.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)相對比，可以看出(20)，即廣義相對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)一個問題：同一個結(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，另一種是廣義相對論的方法，而且人們已經(jīng)知道牛頓力學(xué)的方法是錯誤的，在這種情況下，人們不禁會問：①為什么廣義相對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如果認為廣義相對論的結(jié)果是正確的，而拉普拉斯推導(dǎo)黑洞的方法是錯誤的，那么，為什么拉普拉斯用錯誤的方法，還能得到正確的結(jié)果呢？目前在廣義相對論的許多書里，沒有對這個問題進行詳細的分析，少數(shù)幾本書給出一個簡單的解釋：例如文獻【1】對這個問題是這樣解釋的：有趣的是今天從廣義相對論得出的黑洞條件，與當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)犯了兩個錯誤，第一把光子的動能寫成了，第二把廣義相對論的時空彎曲當作了萬有引力.這兩個錯誤相互抵消，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.它有一個視界和一個奇點.視界，是物體能否回到外部宇宙的分界面（視界的準確定義有兩種，會在下文介紹量子理論對黑洞的作用時介紹），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，只有光速運動的物體可以保持不進入毀滅熔爐黑洞，但是連光也無法從這個面中逃脫了.筆者認為廣義相對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：【1】劉遼，趙崢，田貴花，張靖儀.黑洞與時間的性質(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、強力和弱力，也依然會產(chǎn)生黑洞——事實上，奧本海默最初計算出恒星的黑洞演化時就已經(jīng)考慮了這些因素了.輻射粒子，準確地說是因為黑洞視界面附近的量子隧穿效應(yīng).在量子世界中，沒有什么是絕對的，所以不存在絕對只吸不出的物理.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)生的對周圍時空的拖曳效應(yīng)（倫斯——梯林效應(yīng)），因為存在著一個判斷物體是否可以靜止于時空中的靜止界面.靜止界面外的物體，可以通過推進器等裝置在被拖曳的時空旋渦中相對于極遠處的觀測者靜止不動，而在靜止界面內(nèi)，可以斷定，物體一定會被黑洞的強大引力拖動，開始旋轉(zhuǎn).在這個界面內(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，因為在這里，視界分為兩個：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視界定義的升華：絕對視界的定義.關(guān)于絕對視界和顯視界，我們會有一個探討），而內(nèi)視界是奇點的奇異性質(zhì)能否影響外界的分界面.也就是說，進入外視界的物體，必定會被吸入奇點，然后本摧毀，但是還可以在達到內(nèi)視界以前享受一段相對“安寧”的日子，而一旦進入了內(nèi)視界，那么任何物體都會在內(nèi)視界中奇點奇異性質(zhì)的面前屈服，在達到奇點以前便被摧殘待盡.在外視界和靜止界面之間，有一個相對十分廣闊的區(qū)域，叫“能層”.在能層中蘊藏著黑洞旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)能.從理論上，可以在靜止界面外建立一個空間站，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（因為大型黑洞的壽命幾乎可以肯定比質(zhì)子的壽命長）.此外，在能層中，由于黑洞旋轉(zhuǎn)帶來的拖曳會將時空撕裂，產(chǎn)生蟲洞.在早期引用量子效應(yīng)來處理黑洞的時候，第一個選擇的就是旋轉(zhuǎn)黑洞，而且得到了第一個量子黑洞定理：旋轉(zhuǎn)黑洞輻射.后來在霍金的推動下成了霍金輻射.在內(nèi)視界內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣有一個奇異性質(zhì)匯聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那樣是一個奇點，而是一個獨特的奇異環(huán)，一個充滿了量子效應(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.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.比如對于帶有相反電荷的物體來說，它有一個在視界外的靜止界面，它的視界有兩個：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黑洞的兩個視界是絕對球形的，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，但是蘊藏的不是黑洞的旋轉(zhuǎn)能，而是電能.RN黑洞的中央有一個史瓦西黑洞的奇點，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，因為在自然界中，一個帶有電荷的黑洞會在十分短的時間內(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.為什么會有極限值呢？是因為內(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，外視界會由于角速度的增大而縮小，而內(nèi)視界會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)生的在軌道上運動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)）.當內(nèi)、外視界重合的時候，兩層視界會同時消失，將一個裸露的奇點展現(xiàn)在宇宙時空中.而這個使黑洞的兩個視界重合在一起的極限角動量和電量，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：一個是在Planck尺度上的空間量子化，另一個來自于對黑洞熱力學(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).這在廣義相對論的框架內(nèi)是完全無法理解的，因為廣義相對論有一個著名的“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，電荷和角動量三個宏觀參數(shù)所完全表示，根本就不存在所謂微觀狀態(tài).黑洞熵的計算，LoopQuantumGravity的基本思路是認為黑洞熵所對應(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.按照這一思路進行的計算最早由K.Krasnov和Rovelli分別完成，結(jié)果除去一個被稱為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，那就是利用D-brane對黑洞熵的計算；即超弦理論對黑洞熵的計算利用了所謂的“強弱對偶性”，即在具有一定超對稱的情形下，超弦理論中的某些D-brane狀態(tài)數(shù)在耦合常數(shù)的強弱對偶變換下保持不變.利用這種對稱性，處于強耦合下原本難于計算的黑洞熵可以在弱耦合極限下進行計算.在弱耦合極限下與原先黑洞的宏觀性質(zhì)相一致的對應(yīng)狀態(tài)被證明是由許多D-brane構(gòu)成，美中不足的是，由于上述計算要求一定的超對稱性，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個懸而未決的難題：６８．黑洞何時可以露真容？美國天文學(xué)家借助“錢德拉”X射線天文望遠鏡在雙魚座發(fā)現(xiàn)一個新級別黑洞.科學(xué)家們通過研究該黑洞的X射線爆發(fā)持續(xù)時間和爆發(fā)周期而大致確定了它的級別--質(zhì)量相當于一萬個太陽.科學(xué)家們稱，新發(fā)現(xiàn)的這個黑洞只能算作是一種中等級別的黑洞.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)十億倍的超級黑洞.本次發(fā)現(xiàn)的這個黑洞位于雙魚座的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，其強度約相當于10--1000個中子星或類恒星黑洞.科學(xué)家們認為，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)上述這二個因素，科學(xué)家們才能判定該黑洞質(zhì)量約相當于10000個太陽的質(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)十個甚至上百個恒星級黑洞合并而來；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).”北京時間2010年6月2日消息，據(jù)國外媒體報道，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.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，當星系發(fā)生碰撞時，這些黑洞可以“點亮”.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-科斯是該項研究的主要負責(zé)人.科斯表示，“理論家已經(jīng)證明，強烈的星系合并可以形成一個星系的中心黑洞.這項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)將活動星系核的大部分都已數(shù)清.在一個活動星系中，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)警報望遠鏡已經(jīng)開始利用高透力X射線繪制天空圖.美國宇航局戈達德太空飛行中心“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)警報望遠鏡高透力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目.”該探測器揭開了數(shù)個此前未被承認的系統(tǒng)的面紗，它甚至對6.5億光年外的活動星系核都非常敏感.研究團隊發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)警報望遠鏡所發(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.科斯認為，“‘雨燕’衛(wèi)星爆發(fā)警報望遠鏡高透力X射線探測項目讓我們對活動星系核有了完全不同的認識.在這些星系中，大約有60%將會在未來十億年中完全合并.我們認為，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)的活動星系核的確鑿證據(jù).”研究團隊的其他成員還包括：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研究，但他表示，“我們從來沒有如此清晰地看到活動星系核活動的開始.‘雨燕’研究團隊利用高透力X射線探測器肯定可以識別出這一過程的早期階段.”筆者認為，巨大能量的來源可能是電磁質(zhì)量的釋放，不是黑洞活動的證據(jù).2.彭羅斯和霍金的爭論長期以來，人們認為黑洞會吞噬一切.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，它是由廣義相對論和量子理論的基本常數(shù)組合成的一個自然長度單位(大約為10-35米).由于黑洞在向外蒸發(fā)物質(zhì)的同時，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“蒸發(fā)”輻射出能量，同時損失質(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論和量子原理合并的第一個非平凡的結(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奇點處終結(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間中有一個開端，也就是在大爆炸處的創(chuàng)生的一點.霍金這一理論是黑洞研究中的一個重大進展.但與此同時，霍金在1976年的另一篇論文中對此的闡述是：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“黑洞信息悖論”如何解答的進一步說法.黑洞信息喪失問題上的爭論，首先由彭羅斯和霍金引起.這是因為在奇點和奇環(huán)是不同拓撲結(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，永遠膨脹類似一個球面；反之，收縮也應(yīng)是球面，而球面是有奇點的.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、虛、正、負、零五元數(shù)量子時空，是一次飛躍，但扭量理論對復(fù)數(shù)的量子時空，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)量子時空的虛部分，可以看成是在“點內(nèi)空間”，黎曼球的整個球面或者半個球面占據(jù)的地方，就類似一個環(huán)面1、史瓦西黑洞是球?qū)ΨQ的，是有奇點的.轉(zhuǎn)動的克爾黑洞，內(nèi)部有一個奇環(huán)，是沒有奇點的.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)，也是沒有奇點的.2、霍金認為，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的.從相互作用實在論的立場看，虛過程和所謂的可能發(fā)展趨勢，是相對于實過程來定義的.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、彭羅斯認為虛黑洞對的漲落，會導(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，會導(dǎo)致波函數(shù)塌縮并引起相空間體積的補償增益，而且這個過程不是時間對稱的.如果上述過程是時間對稱的，應(yīng)該容許封閉量子體系內(nèi)有白洞出現(xiàn)，但他認為這違背熱力學(xué)第二定律；而真正的量子引力論一定會涉及時間不對稱性.其實彭羅斯忽視了類似大小相等、方向相反而對稱的力線，也可以不作用在同一點上.即量子理論的“時間對稱”曾被籠統(tǒng)地理解了.虛黑洞可以有時間是對稱的，也可以有時間不是對稱的.宇宙大爆炸，就類似虛數(shù)的封閉量子體系運動到“零”出現(xiàn)的白洞.或者如霍金認為，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”的時間反演.5、在量子宇宙學(xué)中，霍金將黑洞的熵與時空拓撲的變化聯(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)量子時空，認為黑洞產(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，量子測量也能進行.而霍金按照費曼路徑積分的方法來理解量子理論，一個粒子不像在經(jīng)典理論中那樣，不僅只有一個歷史；相反地，它被認為是通過時空中的每一條可能的途徑，每一條途徑有一對相關(guān)的數(shù)，一個代表波的幅度，一個代表它的相位.粒子通過一指定點的概率是將通過此點的所有可能途徑的波疊加而求得.但人們不是對發(fā)生在你我經(jīng)驗的“實”時間內(nèi)的路徑求和，而是對發(fā)生在所謂的“虛”時間內(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實現(xiàn)時間軸的旋轉(zhuǎn)，同時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式（譬如路徑積分）可被更好地定義.霍金進一步把“維克旋轉(zhuǎn)”運用到洛化度規(guī)這一類彎曲時空的度規(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，要運用鞍點近似和維克旋轉(zhuǎn)等數(shù)學(xué)技巧，這就要求時間值取虛值，并且虛時間所對應(yīng)的度規(guī)還要周期等同.在實時間中，只能朝著時間將來的方向前進，或沿著時間將來方向夾一個小角度的方向前進，在這個方向上不可避免地會遭遇到奇性，實時間在此到達盡頭，而虛時間和實時方向夾正直角，在虛時間中就可轉(zhuǎn)彎繞過奇性了.在霍金看來，虛時的引入意味著時間和空間之間的差別完全消失了；在歐幾里德時空里，在時間方向和空間方向之間沒有任何區(qū)別，而在閔氏時空或普通彎曲時空中，所有點上的時間方向都位于光錐里，而空間方向則位于外面.霍金認為，在普通量子力學(xué)中虛時和歐幾里德時空的運用，僅僅視作一種計算實時空答案的數(shù)學(xué)方法的理解.但是，霍金同時又推測對虛時間概念作實在論解釋的可能性，認為虛時間很可能比實時間更基本，廣義相對論中的實時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，而量子引力論中的虛時間可以回避奇點，從中可以延拓出實時間，很可能是更為基本的時間概念.這里，實際是霍金超越或解讀了彭羅斯的扭量時空理論.6、其實量子引力作用量，虛時間的引入平心而論，就類似在“點內(nèi)空間”的事情，而且這只不過在強化實在性結(jié)構(gòu).實際上各種描述，包括真空和物理場在內(nèi)的非實物的相互作用量，就都預(yù)設(shè)了類似“點內(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間，通過對宇宙所有可能的時空度規(guī)求和，也能類似如霍金找到那個理想化宇宙波函數(shù)，即“點內(nèi)空間”能更多更好描寫一個沒有物質(zhì)只有宇宙常數(shù)的理想化宇宙自發(fā)創(chuàng)生的過程.這個過程可想象成半個歐氏四維球面或環(huán)面，或者旋轉(zhuǎn)的整個球面或環(huán)面.這里也能滿足彭羅斯需要的，把場論分解為正頻和負頻部分，因這實際是指趨向于零的正虛數(shù)與負虛數(shù)頻部分、正實數(shù)與負實數(shù)頻部分.7、不管是牛頓還是愛因斯坦引力公式，對質(zhì)量巨大的星體，都會形成將三維空間分為兩個區(qū)域：一個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)域中的點不能與外區(qū)域中的任何點通信息.球面和環(huán)面拓撲結(jié)構(gòu)不分的人，認為只要與坐標系的選擇無關(guān)，就能反映時空的內(nèi)在性質(zhì)，而不必區(qū)分奇點和奇環(huán)的存在，或者認為在奇點和奇環(huán)處，就都只是時空的曲率無窮大（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空中最好不存在奇點，也就推測真實的時空中沒有奇點.其實這是對的，情形也簡單，只要了解宇宙大爆炸類似起于奇環(huán)就行.因為上述奇點的出現(xiàn)，是由于他們把時空的對稱性只想象得如球面造成的.彭羅斯也認為，只要愛因斯坦的廣義相對論正確，并且因果性成立，那么任何有物質(zhì)的時空，都至少存在一個奇點.而霍金參加進來，只是補充了另外的證明.不過，彭羅斯提出了“宇宙監(jiān)督假設(shè)”來改善奇點的處境.他提出，“存在一位宇宙監(jiān)督，它禁止裸奇點的出現(xiàn)”.也就是說，“宇宙監(jiān)督”要求奇點必須包含在黑洞里面，這樣生活在黑洞外面的人，不會受到奇點的“不良”影響.因為任何信息都不可能跑到黑洞外面來.8、但研究也表明，裸奇點出現(xiàn)時，黑洞的溫度會處在絕對零度.因此這位“宇宙監(jiān)督”很可能類似就是熱力學(xué)第三定律.奇點定理表明，時空中至少存在一條具有如下性質(zhì)的類光（光速）或類時（亞光速）曲線，它在有限的長度內(nèi)會斷掉，而且斷掉的地方不能用任何手段修補，以使這條曲線可以延伸過去.即“奇點”就是時間過程斷掉的地方.彭羅斯等人相信真正的量子引力論應(yīng)該取代奇性處的時空的目前觀念，以一種明晰的方式來談?wù)摻?jīng)典廣義相對論中的時空奇點.彭羅斯主張把實際的“奇異點”以及“無窮遠處的點”，也就是理想點合并到時空中去.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集合，類似宇宙“膜”外的“點外空間”或“膜”內(nèi)的“點內(nèi)空間”.“不可分解”是指它不能被分離成兩個互不包含的過去集合，即“點外空間”和“點內(nèi)空間”不能被分離成兩個互不包含的集合.IP有兩個范疇，即PIP和TIP.一個PIP是一個正規(guī)的IP，即一個實際時空點的過去.一個TIP是一個終端的IP，而不是時空中的一個實際點的過去.TIP是未來理想點的過去.如果這個理想點“在無窮”，則稱為∞―TIP，類似“點外空間”；如果這個理想點是奇點，稱為奇性TIP，類似“點內(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)；即使它們是實在的，由于被視界所包圍，因果性和時序的混亂也不會影響黑洞外部的物理過程.霍金后來也提出“時序保護猜想”，認為時空的真空量子漲落必然會堵塞封閉類時線構(gòu)成的蟲洞或時間機器；而且，霍金從量子論的費曼圖計算中得出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)典廣義相對論可以保證因果性和時序.而霍金卻相反，他認為在引入虛時和無邊界條件，“點內(nèi)空間”也可以傾向于一個閉合的宇宙；當然這僅是相對于他認為經(jīng)典的廣義相對論無法給出明確的時間箭頭而說的.而彭羅斯認為，大爆炸奇性不同于黑洞奇性，由韋爾曲率假設(shè)，初始奇點（大爆炸）的韋爾曲率為零，而終結(jié)奇點（大擠壓和黑洞）的韋爾曲率可能會發(fā)散；兩種類型的奇性也許滿足完全不同的定律，可能量子引力對于它們的定律是完全不同的.其實，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)中實數(shù)與虛數(shù)分開的，都是對的.例如，霍金認為，這種分開后，奇點的經(jīng)典分類對于量子引力定律是無意義的.實際上，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)定運動分布的這一更普適的事實中推導(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簡單證明1916年在愛因斯坦廣義相對論發(fā)表后不久，施瓦西推導(dǎo)出愛因斯坦場方程的一個準確解——施瓦西解.這個解給出了對靜態(tài)球?qū)ΨQ黑洞，即施瓦西黑洞的描述，這標志著用廣義相對論研究黑洞的開始.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：白矮星僅當其質(zhì)量小于1.4倍太陽的質(zhì)量時才是穩(wěn)定的，任何恒星在演化結(jié)束時的質(zhì)量若超過這個數(shù)值，將會繼續(xù)塌縮下去，現(xiàn)在人們將這個數(shù)值稱為錢德拉塞卡極限.1932年朗道(Landau)也獨立地得到了錢德拉塞卡極限，并進一步推測恒星內(nèi)部可能存在著中子核.這個工作直接導(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)廣義相對論進一步推測，當某個時空彎曲得非常厲害的時候，光線將不能從這個區(qū)域逃離到遠方，在遠方的觀測者看來，這個區(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.無論是施瓦西對黑洞的數(shù)學(xué)描述，還是奧本海默對黑洞所做的物理預(yù)測，并沒有得到普遍的認同，許多物理學(xué)家，例如愛因斯坦和愛丁頓，都對黑洞表示過明確的反對.愛因斯坦雖然得到了廣義相對論的精華——愛因斯坦場方程，但是他本人還是對黑洞抱著懷疑態(tài)度.愛因斯坦和愛丁頓這兩個當時科學(xué)界的巨人對黑洞十分抵制，雖然他們在推進相對論引力理論發(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、愛丁頓齊名的幾個重要理論物理學(xué)家之一，對黑洞的看法和惠勒一樣，認為是存在的.于是奧本海默和惠勒向致密星以及愛因斯坦、愛丁頓對黑洞不可能存在的理論發(fā)動了挑戰(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空中不可能存在.在這篇文章里，愛因斯坦利用狹義相對論的一個規(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思想，即施瓦西黑洞如果存在，必然與狹義相對論中任何物體的速度不能超過光速這一規(guī)律相矛盾，這一觀點對我們今天研究黑洞仍有重要的價值.在20世紀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.但是到20世紀60年代中期，人們對黑洞的態(tài)度發(fā)生了轉(zhuǎn)變，造成這一情況的原因有兩個：第一個原因是脈沖星的發(fā)現(xiàn).1967年，脈沖星的發(fā)現(xiàn)表明奧本海默對中子星的預(yù)測是正確的，于是人們開始對他的另一個預(yù)測——黑洞產(chǎn)生了興趣.第二個原因是奇點定理的證明.在1965年至1970年之間，彭羅斯和霍金證明了幾個奇點定理，他們得出：在廣義相對論中奇點是不可避免的，即只要愛因斯坦的廣義相對論正確，并且因果性成立，那么任何有物質(zhì)的時空，都至少存在一個奇點.由于上面兩個原因，導(dǎo)致一些物理學(xué)家開始改變他們的觀點，他們認為廣義相對論是正確的，奇點是不可避免的，于是與奇點密切相關(guān)的“暗星”有可能是存在的，惠勒還給“暗星”起了一個新名字“黑洞”.自此之后，黑洞逐漸成為物理學(xué)的一個熱點.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，他們的一個理論依據(jù)是：愛因斯坦狹義相對論是正確的，任何物體的速度不能超過光速，并由此得出在真實的物理時空中，不應(yīng)該存在黑洞.在20世紀60年代之后的50年，大多數(shù)物理學(xué)家又改變了觀點，他們相信黑洞存在，其理論依據(jù)是：愛因斯坦廣義相對論是正確的，根據(jù)這個理論奇點不可避免，于是得出與奇點密切相關(guān)的黑洞似乎應(yīng)該存在.現(xiàn)在又出現(xiàn)一個令人困惑的問題，為什么愛因斯坦狹義相對論和廣義相對論在黑洞問題上會產(chǎn)生矛盾，宇宙中真的存在施瓦西黑洞嗎？黑洞是廣義相對論的一個預(yù)言，同時也是物理學(xué)中一個有爭議的問題.雖然黑洞是愛因斯坦廣義相對論的預(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的物理時空中不會存在.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，即固定在該質(zhì)點上的鐘的記時.因為度規(guī)應(yīng)是連續(xù)的時空坐標的函數(shù)，所以（1）應(yīng)能適用于引力源邊界上的質(zhì)點.因此對于半徑為R的引力源邊界上的一個靜止質(zhì)點來說應(yīng)有.因此必有.所以對于在引力源外（）沿徑向運動的光子來說有，即，這說明源外的光速不能為零，靜態(tài)黑洞不存在.對于沿徑向振蕩的源來說，其邊界上的點必有靜止的一瞬間，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總有靜止的時后，因此收縮的源也不會導(dǎo)致黑洞.膨脹的源最終解體也不會導(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點，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.他認為，粒子-反粒子對有一定的隨機幾率能夠瞬間以實物形式“跨”于“視界”之上——其中一個墜入黑洞，另一個則將能夠自由.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，黑洞就成了一個矛盾體：即“密不透風(fēng)”，又有所疏漏.這個兩難的問題已經(jīng)困擾了科學(xué)家40年之久.在最新的研究中，美國凱斯西儲大學(xué)的物理學(xué)家LawrenceKrauss和同事構(gòu)建了一個復(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間延緩效應(yīng).愛因斯坦在廣義相對論中指出，飛向黑洞的宇宙飛船中的乘客會感覺到飛船在加速，而在黑洞外部的觀測者看來，飛船的速度卻在變慢.而當飛船到達“視界”時，這個速度可以慢到觀測者認為飛船似乎會永遠停在那里，但永遠不會被湮沒.Krauss表示，時間能夠在那個點上停止下來，這就意味著時間對于黑洞而言是無限的.如果黑洞會不斷向外釋放物質(zhì)，質(zhì)量逐漸減少，那么它們在形成之前就已經(jīng)蒸發(fā)消失了.他說，這就好比是向一個沒有底的瓶子里倒水，永遠倒不滿.Krauss表示，沒有人真正見過黑洞.科學(xué)家會認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.實際上，Krauss不是第一個這樣認為的人.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)了一個一直被當作黑洞的類星體.NASA戈達德空間飛行中心的天文學(xué)家KimberlyWeaver評論說，人們對黑洞和宇宙的認識不會如此之快.盡管她十分欣賞凱斯西儲大學(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的事實證據(jù).Weaver說，天文學(xué)家確實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)時報)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”絕對化，只強調(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”趨勢所接近的極限，而不思考接近這一極限時出現(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，支配宇宙運動的唯一力量是“萬有引力”，在前宇宙時期，這種力曾經(jīng)把整個宇宙星體吸在了一起，成了一個超大無比、獨一無二的宇宙體，因為它質(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，最后塌縮成了一個半徑為０的宇宙奇點，這個奇點包含了全部宇宙的熱量、質(zhì)量與能量.１５０億年前，這個宇宙奇點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.另一個版本的解釋是，“萬有引力”并沒在奇點形成后失去作用，而是繼續(xù)吸引收縮，只不過這時的引力矢量換向，由原來的實數(shù)值變成了虛數(shù)值，宇宙由半徑為０的奇點狀態(tài)向半徑為負值的虛數(shù)狀態(tài)演進，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)，然而對黑洞是否存在這個問題，目前還沒有一個明確的回答.顯然，目前黑洞研究存在一個問題：人們在黑洞是否存在這個問題尚未解決之前，就花費了大量的時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).我們認為，黑洞是否存在這個問題，應(yīng)該是黑洞研究中首先解決的問題.這個問題不解決，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)，都不會有實在意義……這些方程不可擴展到這樣的一些區(qū)域中去.”對此，霍金也說：“廣義相對論導(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：如果廣義相對論正確，那么，時空一定存在奇點.這里所謂的奇點，就是場密度和物質(zhì)密度趨向無限大的點，這是廣義相對論局限性的一個表現(xiàn).在廣義的相對論中，并沒有一種所謂的“格林尼治時間”讓其它地方的時鐘以同樣的速度轉(zhuǎn)動.相反，在不同的地方，重力讓時鐘以不同的速度運轉(zhuǎn).但量子力學(xué)主要是描述細微空間中的物理現(xiàn)象，因而它只有在宇宙通用的時間的前提下才會體現(xiàn)其理論價值，否則就沒有任何意義.這個問題在“視界(eventhorizon)”——黑洞的邊界尤為顯著.對于一個遙遠的觀察者而言，這里的時間看似是靜止的.一艘掉入黑洞的飛行器在遙遠的觀察者看來，似乎永遠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)家們曾經(jīng)提出爭議：在黑洞邊界確實會發(fā)生奇怪的事情：遵守量子法則的物質(zhì)對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，“因為它與廣義相對論的預(yù)言不符.但是實際上，它是完全正確的.”他認為，這種奇怪的活動正是時空“量子相變”的證據(jù).卓別林認為，死亡后的恒星并不會簡單地形成一個黑洞，而是在該時空內(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)生強大的重力牽引.但是內(nèi)部，暗能量的“負”重力可能會引起物質(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.而此前對于這種現(xiàn)象，天文學(xué)家們認為是銀河系中存在著一個巨大黑洞的證據(jù).查普林還認為，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，而是由于時空自身的波動起伏所導(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，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“蒸發(fā)”輻射出能量，同時損失質(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重大進展.但與此同時，霍金在1976年的另一篇論文中對此的闡述是：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