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环球科学诺贝尔物理学奖揭晓授予黑洞研究！霍金或与诺奖擦肩而过( 三 )


广义相对论在中子星理论中扮演了重要角色 ， 实际上 ， 它适用于任何场合 ， 除非达到了黑洞那样的极端条件 。 物理学理论能很好地描述大小和密度相差悬殊的各色恒星 。 从这个角度看 ， 似乎没什么理由怀疑物理理论可以稍微外推一些覆盖到黑洞 。 但这个观点并不是很合理 。 用来描述黑洞的那部分物理理论 ， 即广义相对论在观测天文学中并不能说是不可替代的 ， 我们必须严肃考虑广义相对论存在错误的可能性 。 针对广义相对论的观测和实验检验 ， 成功的还不太多 。 尽管理论和观测之间没有矛盾 ， 但这些观测仍然没有确定地证实广义相对论 。 其他引力理论仍有存在的空间 。
然而必须指出 ， 广义相对论是一个出色的理论；几乎可以肯定 ， 它是现有最令人满意的引力理论 。 此外 ， 广义相对论最有力的竞争对手 ， 布兰斯-迪克-若当标量-张量理论（Br-ans-Dicke- Jordan scalar-tensor theory）得到的黑洞图景和爱因斯坦理论的结果是相同的 。 即便是在牛顿理论中也能出现和黑洞类似的情形 。 早在1798年 ， 皮埃尔·西蒙 ·德 · 拉普拉斯 （Pierre Simon de Laplace）根据牛顿力学预言 ， 质量足够大、足够致密的天体应该是不可见的 ， 因为其表面的逃逸速度将超过光速 。 所以 ， 从这种天体表面发出的一个光子 ， 或者说光的粒子将会落回表面 ， 因而无法逃逸并被远处的观察者观测到 。 这个描述可能是值得商榷的 ， 但它表明 ， 即使在牛顿理论中 ， 也需要面对这样的情况 。 不过 ， 综合考虑 ， 我打算将对黑洞的讨论完全限制在广义相对论范围内 。
首先 ， 考虑一下当前黑洞的标准图景 。 黑洞可以用一个半径正比于黑洞质量的球面来表示 。 这个面称为“绝对事件视界” ， 它的关键性质为 ， 内部发出的信号不能逃逸 ， 而从其外任何一点发出的信号都可能逃逸 。 球面的大小 ， 即事件视界的半径等于两倍质量乘以引力常数再除以光速的平方（2mG/c2） 。 代入太阳质量进行计算可以得出 ， 太阳要塌缩为直径约为6千米的球才能成为黑洞 ， 绝对事件视界就是这个6千米的球的表面 。
产生黑洞的那个天体已经落入事件视界深处 。 事件视界内的引力场变得非常强 ， 光无论向哪个方向发射 ， 都会在引力拉扯下落向内部 。 在事件视界之外 ， 光如果发射方向合适 ， 还是可以逃出来的 。 发射点越接近事件视界 ， 发出的信号的波前就越多地偏向黑洞中心 。 我们可以直观地把这个偏移想象成引力影响了光的运动 。 相比于向外的方向 ， 光看起来更容易沿着朝向黑洞引力中心的方向运动 。 在事件视界内 ， 向内的引力变得太强 ， 向外运动变得完全不可能 。 而在事件视界上 ， 光可以“原地踏步” ， 永久徘徊在与黑洞中心的距离保持不变的地方 。
这样的行为不仅适用于光 ， 也适用于任何信号或物体 。 在事件视界内 ， 光速仍然是极限速度 。 狭义相对论仍然局域地成立 ， 尽管在这个图景中并非显而易见 。 描述狭义相对论所用的局域参考系自身正快速地落向引力中心 。
对黑洞的时空描述 ， 要比上面给出的纯空间描述更令人满意 。 时空描述减少了一个空间坐标 ， 代之以一个时间坐标 。 它给出了全部时间内发生的事件的即时图像 ， 这样不需要用很多连续的“快照”来描述不断变化的情况 。
假设普通时空中某一点发出了闪光 ， 光会向周围所有方向传播 。 闪光的波前是球心位于发射点的球面 ， 按照光速随时间推移不断变大 。 对这个闪光的纯空间描述将是一系列球 ， 每个球比前一个大 ， 标记了某个给定时刻闪光的球面波前 。 而对闪光的时空描述是一个圆锥 ， 其顶点代表闪光发出的时间和位置 ， 圆锥本身描述了闪光的历史 。
按照同样的方法 ， 一颗恒星塌缩为黑洞的历史可以用时空表示的方法来更好地描述 。 在时空中的不同点上 ， 光锥的位置显示了光信号是如何在引力场中传播的 。 在某些点上 ， 光锥是倾斜的 ， 但对于这个点上的观察者而言 ， 是无法察觉到异常的 。 观察者会沿着一条路径 ， 在光锥内部行进；他的速度永远不会超过光速——只有在光锥内部才能满足这个条件 。 截取时空图的一个水平剖面 ， 我们就能得到相应物体行为的纯空间描述 。


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