黑洞的结构

黑洞的结构

恒星的质量，用M⊙作为单位，代表是太阳质量的多少倍。如果一个恒星的质量小于等于10^－3M⊙，那么恒星就表现为行星的样子，其中静电力为主导，恒星不会塌缩，在自己的燃料都消耗完后，成为一个真正意义上的行星。如果质量比10^－3M⊙大，但是没有超过钱德拉塞卡极限：14M⊙，引力就占主导，而且恒星在它的晚年成为一个白矮星，继续消耗着自己的燃料。当燃料也消耗光了，白矮星就结晶为一个黑矮星，继续存在着，做几乎完全的刚体运动。质量比1．4M⊙大的恒星的命运就比较坎坷了。如果在它晚年爆发为红巨星的时候，将过多的物质喷射出去，那么它将进入白矮星坟墓。如果喷射的物质不够多，那么就会在爆发为红巨星后，迅速塌缩为一个白矮星，然后在极其短的时间内继续塌缩下去，冲破电子简并压的极限，终结在中子星的坟墓中。中子星比白矮星更加致密，也更加接近刚体。如果质量比2M⊙大许多，在爆发的时候喷射掉物质后的质量仍然比2M⊙大，那么它将成为一个黑洞。

在白矮星和中子星系列中，原本恒星的电磁场的能量保持不变，同时由于表面积的缩小，磁力线会被挤压在一个十分小的范围中，从而增加了磁场的强度。

脉冲星和超新星就是中子星和喷射出的物质的残留。

但是到了黑洞范围中，情况就不一样了。

在中子星和白矮星中，磁力线还是存在的，但是在黑洞内部，不存在磁力线。

所有的磁力线都被束缚在了视界上（膜规范）。不单单是磁力线，连恒星原本的电荷都是类似电子一样完全均匀地分布在整个视界上的。向外发射的磁力线在黑洞没有旋转的时候，和电子周围的电磁场分布一样，完全球对称。在黑洞旋转的时候，由于视界成为了椭球，因而发生了相应的形变。但是整体上，黑洞和基本粒子的电磁场分布几乎完全一样。

黑洞的视界周长与黑洞的质量成正比关系，这里用周长而不用物体到黑洞中心的距离，是因为如果黑洞存在，那么在黑洞周围的时空必定已经被黑洞的引力拉成了非欧几里德的，而是黎曼的了。因而距离的概念已经没有了必要，视界周长和轨道的周长取而代之，用来描述黎曼时空几何的弯曲程度。由于这里的时空是弯曲的，因此牛顿的万有引力定律已经失效了，取而代之的是爱因斯坦的场方程。

从这个结果，我们又可以知道什么呢？我们知道的是，当物体接近视界时，物体所受到的潮汐力反比于黑洞质量的平方！也就是说，黑洞越重，那么它的潮汐力越柔和，但是必须注意的是：我们这里说的潮汐力，而不是引力。潮汐力是引力引起的物体两端的引力差。无论什么黑洞，他的引力是保持巨大无比不会变的，变的是引力的变化率，以及这个变化率引起的潮汐力。

这里说的是黑洞的外部，现在来看看黑洞的内部。

在黑洞的内部，是量子理论的天下，相对论仅仅指明了一个模糊的方向，而具体潮汐力、引力如何，是量子理论决定的。

在这里，奇点的混沌效应使得一切计算都是徒劳的，不可能知道潮汐力在什么方向上以多大的力是拉还是压一个物体。质量越大的黑洞，内部的量子效应越柔和；距离奇点越远，你受到的平均潮汐力越柔和。

通过概率的计算，可以知道，在奇点周围，视界内的空间，随机的潮汐力总在三个方向上不断交替地、比较有周期地来回拉扯、挤压着物体。这种力在离奇点越近的地方越显著。在奇点这个位置，这种潮汐力的强度、变化周期都达到了无限大，物体被完全撕裂了。

理论上，我们可以在一个质量十分大的黑洞中，十分舒服的来到距离奇点一个特定的范围，期间，从你落入黑洞到达到这个位置，可能需要数十年的时间，需要的时间与黑洞质量的平方成反比。

当然，即使是这样，物体在接近奇点，到达奇点周围的量子效应区域以后，还是会被奇点的量子效应摧毁。但是无论黑洞的质量如何，奇点的量子效应的强度是不会变的，因为奇点的“质量”是不变的。黑洞的质量在黑洞形成的同时，其实已经被黑洞的奇点销毁了，但是由于引力的非线形效应，引力场的能量又形成了引力场，从而使得引力场在黑洞内部不断叠加，因而使得黑洞被维持着没有爆裂。由于一切引力效应来自引力的非线形，而黑洞的质量的贡献仅仅是决定了这种非线形的程度，因而在奇点周围的量子效应的时空在任何质量的黑洞内部都是一样的。

奇点的量子效应，使得物体在到达奇点前先被越来越大的量子效应完全撕成了小个体（大小由量子混沌潮汐力效应的强度决定），然后，一般在达到奇点以前就已经整个被奇点的混沌潮汐力摧毁，成为了基本粒子。这些基本粒子如夸克这样被强核力牢牢束缚着的基本粒子才可能熬到直接面临奇点的时候，但是即使是强力，在巨大引力效应和量子混沌效应的作用下，还是难逃被支解的命运，成为了纯粹的物质弦。随后可能通过史瓦西喉被抛到了外部空间，可能成为后来量子蒸发的材料，可能形成了子宇宙，可能在奇点周围不断游荡，可能成为了纯粹的能量，以潮汐力的形式继续存在，可能成为了纯能量以引力波的形式辐射掉，可能……总之，形成黑洞的恒星被所形成的黑洞摧毁了，不在对黑洞的引力提供任何贡献了。黑洞中引力的来源，在奇点形成以后，主要就是来自于引力的非线形结构。

当然，这个是量子引力——弯曲时空的量子场定律——所给的黑洞内部的描写，但不是最终描写。物体在达到黑洞的时候可能会得到转机，可能在黑洞内部真的存在史瓦西喉——虫洞；也许在你达到黑洞以前就会在一个转动黑洞周围被撕裂的空间吸走；也许你在达到奇点时，会进入一个子宇宙，在时空组中荡漾……值得注意的是既然粒子是以成双成对的出现，为什么我们今天看到的粒子比反粒子多得多？

尚未发现天然的反粒子，仅在粒子对撞实验中证实了它们的存在。

我们知道，在量子力学中有三个分别叫做C、P、T对称。C（电荷）对称的意义是，科学定律对于粒子和反粒子（与粒子的电荷相反）都是相同的。P（宇称，也称做镜象）对称的意义是，科学定律对于某一情形及其镜象（例如右手方向自旋的粒子镜象为左手方向自旋的粒子）是不变的。T（时间）对称的意义是，科学定律对于前进或后退的时间方向都是一样的，也就是说，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应该回到原先的样子。

人们对这三个对称深信不疑，认为这是宇宙完美的体现。直到1956年，华裔物理学家杨振宁和李政道发现，弱相互作用力不服从P（宇称）对称，他们的同事吴健雄女士用实验证明了这一点，她将放射性元素的核在磁场中排列，使它们的自旋方向一致，然后看到电子在一个方向上比在另一个方向上发射出更多。杨振宁和李政道获得了1957年的诺贝尔奖，非常有争议的是，获奖者却不包括吴健雄。杨李二人提出将奖金与吴健雄平分，但被吴谦逊地推却了。他们是我们华人的骄傲，杨、李的发现意味着弱力使宇宙镜象的发展不同于我们宇宙！人们还发现。弱力也不服从C（电荷）对称，也就是说，由反粒子构成的宇宙和我们的宇宙不同！

当时杨振宇和李政道认为弱力服从CP联合对称——将所有的粒子以反粒子代替，由此构成的宇宙的镜象，其行为和我们的宇宙相同。然而1964年美国人J．W．克罗尔和瓦尔·费兹发现，在K子的衰变中，甚至连CP联合对称也不服从！他们也因此获得诺贝尔奖。他们进一步得出推论：由数学定理证明科学定律必须服从CPT联合对称，我们将不难理解：如果定律服从T对称，同时不服从CP联合对称，那么定律将无法服从CPT联合对称——而这种对称是被数学定理证明了的。我们不得不接受这个事实——定律在时间方向颠倒的情况下必须改变，也即科学定律不服从T（时间）对称！

虽然看似牢不可破的对称守恒已经终结，但我们对宇宙的疑问也得到了合理的解释。由于量子力学和相对论的不服从上述对称，在大爆炸及宇宙早期的膨胀过程中，虽然粒子成对产生，但粒子向其他种类转变时是不对称的——反电子变成夸克要比电子变成反夸克容易，于是早期宇宙产生的粒子中夸克和电子的数目就多于反夸克和反电子。当反夸克和反电子找到“同伴”并与之湮灭后，宇宙中过剩的夸克和电子就留了下来，组成了我们今天看到的宇宙以及我们自己。

1981年在梵蒂冈举行的一次宇宙学会议上，教皇作了演讲。他宣称：“大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但我们不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务”。然而奇点定理的真正意义在于指出了引力场必然会强到某种程度，使我们不能再忽视量子力学的效应。当采用量子力学的观点来研究奇点理论时，以霍金为首的科学家们加入了虚时间（用数学中的虚数计量的时间）的概念。虚时间是基于费因曼的“对历史求和”原理。所谓“对历史求和”是指粒子可以沿着任何时空中的任何路径前进。该原理是从“测不准原理”推导出来的。

如果时空从一个奇点（例如“大爆炸”）开始向前发展，那么它将沿着任何可能的路径延伸，结果时空将形成一个封闭的曲面（例如球面）。时空将如同我们的地球一样——当宇宙膨胀的最大尺度就是“时空赤道”，而大爆炸和大挤压是“时空北极”和“时空南极”，这就形成了一个有限但无界的曲面。它们如同地球的南北极一样，虽然纬度为零，但比起地球上的其他点来说并没有任何奇异之处。通常的科学定律在这里同样有效，我们不用针对奇点提出新的理论，因为量子力学中没有任何奇点。

我们看到，在虚时间中，奇点消失了！随着黑洞向外辐射粒子，导致黑洞最终蒸发殆尽，它会形成一个微小的并且是自足的“婴儿宇宙”。霍金研究发现，这种“婴儿宇宙”可以从时空分岔中重新回到我们所在的区域，这种情形在我们看来则是物质落入黑洞中，并且从另一个黑洞中被辐射出来。虽然这些物质回到了我们的区域，但其形态已经完全不同，甚至其粒子的种类也大相径庭，唯一相同的是它们的质量和能量。大爆炸和黑洞的周而复始就是宇宙的循环往复。

空间——时间形成一个在尺度上有限而没有任何边界的曲面，这个论断对于上帝在宇宙事务中所扮演的角色非常不利。时空没有边界，也就没有使科学定律失效的奇点，所以也不需要上帝来给定宇宙的定律和边界条件——因为宇宙的边界就是“没有边界”！正如霍金教授精辟地指出：“宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在！”