三、黑洞

黑洞也是晚期恒星演化到最后的产物,条件是星体演化到最后的质量应超过奥本海默-沃尔科夫质量限,即超过3.2MS 。这时星体内部的中子简并压所产生的张力再也不能与坍缩压力相抗衡了,星体将进一步坍缩,成为黑洞。

黑洞是质量巨大的致密天体,它以强大的引力吸引并吞噬着它附近的一切物质,包括光。那么大家要问,“黑洞附近”的这个“附近”到底在何处?史瓦西(M.Schwarzschild)在球对称情况下求解了爱因斯坦广义相对论的引力场方程,得到一个非旋转的黑洞的临界半径为

                 .            (20-18)

式中G是万有引力常量,M是黑洞的质量,c是真空中的光速。rg 并不代表黑洞星体的大小,而是表示任何物质到达此处只能被黑洞吸入而不可能再脱离,故把球面 称为黑洞的视界,把rg称为史瓦西半径。所以,包围着静态球对称黑洞的球面 不是星体的物质面,它外部(r > rg)的观测者除了知道该球面所包围的总质量和总电荷之外,对它内部(r £ rg )的任何事物都一无所知。

虽然大家对黑洞内部的事物一无所知,但是有一点是可以肯定的,那就是在每一个物理过程中,黑洞都满足能量守恒和动量守恒。这个规律被称为黑洞物理学第一定律。这个定律的正确性是不容置疑的,这是因为黑洞的概念是由广义相对论派生出来的,而广义相对论是严格遵从能量守恒定律和动量守恒定律的。

既然黑洞只吸取周围的物质,而不放出任何物质,所以它总是在增加自身的质量。据此,大家可以把视界看作为总是使黑洞的质量增加的单向膜。这与下面的研究结果相一致:黑洞的面积(确切说,是黑洞视界的面积)只能增加不会减少。1971年霍金(S.Hawking)对此给出了一个正确的推导,后来把他的结果作为黑洞物理学第二定律:在黑洞涉及的全部物理过程中,有关黑洞的总面积绝不会减少。黑洞视界的面积真像热力学中孤立系统的熵一样。

一个稳定的黑洞必定具有一定大小的表面引力,正像一个处于平衡态的热力学系统具有一定的温度一样。稳定黑洞的表面引力也是不随时间变化的,用K表示,它定义为

                  .                    (20-19)

把黑洞的这一性质可以表述为,一个稳定的、轴对称的黑洞,整个视界上的K是一个常量。这个规律被称为黑洞物理学第零定律。

黑洞的另一重要性质是,不可能通过有限的物理过程使黑洞的表面引力K达到零。这个规律被称为黑洞物理学第三定律。由式(20-19)可以看出,黑洞的表面引力K与黑洞的质量M成反比,只有当M趋于无限大时,K才趋于零。显然,质量在有限的物理过程中是不可能达到无限大的。