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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( 六 )


另一方面 ， 引力塌缩产生的奇点可能总是隐藏的 ， 如果是球对称坍缩的话就是这样 。 在这种情况下 ， 就不会导致不确定性 。 有的研究者提出一个假设 ， 认为引力坍缩只可能导致这个不太让人担忧的结果 ， 这就是所谓的“宇宙监督”假设 。 这个假设简单地禁止裸奇点存在 。 或有少量理论证据支持这个假设 ， 但目前还没有确定的结论 。 我个人倾向于在初始条件偏离球对称不多的情况下相信这个假设 。 在更极端的情况下 ， 就很难讲了 。 我们甚至可能找到对这个假设不利的观测证据 。
如果我们认为这个假设正确 ， 那么就又可以得出一些推论 。 一旦满足光锥汇聚判据 ， “宇宙监督”假设表明 ， 坍缩的天体将会出现一个绝对事件视界 。 这个视界将具有定义明确的截面积 ， 不会随时间增长而减小 。 于是黑洞倾向于增大而不会缩小 。 另外一个合理假设是 ， 如果黑洞不受扰动 ， 那么它将达到稳态 。 你或许认为 ， 由于可以塌缩为黑洞的天体千奇百怪 ， 黑洞的这种稳态可能会非常复杂 。 但沃纳·伊萨艾尔（Werner Israel）、布兰登·卡特（Brandon Carter）和霍金的研究已经证明情况并非如此 ， 最终出现的稳态黑洞仅有非常有限的几个类型 。 它们仅用质量、自旋和电荷就可以完整描述 。 罗伊·P·克尔（Roy P. Kerr）和艾兹拉·纽曼（Ezra Newman）已经解出了描述这些黑洞的广义相对论方程 。 塌缩天体的不对称性没有出现在黑洞上的原因是 ， 一旦黑洞形成 ， 产生它的天体对其随后的行为几乎没有影响 。 黑洞可以看作受广义相对论动力学规律支配的自持引力场 。 这些动力学规律允许引力场通过辐射引力波来消除不对称性 。
我们已经看到 ， 物体一但被黑洞吞噬就无法逃脱 。 但另一方面 ， 也存在一些可以提取黑洞部分能量的机制 。 其中一个是让两个黑洞并合 。 合并过程可能伴随大量的引力波辐射 ， 其总能量可以占到原来两个黑洞静质量（能量）的很大一部分 。 另外一个机制则是让一个粒子落入旋转黑洞视界附近的区域 。 这个粒子分裂为两个粒子 ， 一个落入黑洞 ， 另一个携带着比初始粒子更多的能量逃离黑洞 ， 飞往无穷远处 。 黑洞的旋转能量就以这种方式转移给了黑洞外面的粒子 。
现在 ， 让我们考虑黑洞内部的情形以及时空奇点的存在 。 因为“奇点”是物理理论失效的区域 ， 有趣的是 ， 广义相对论预言了自己的失效 。 或许我们不用太惊奇 ， 因为我们仅将广义相对论作为一个经典理论处理 。 可以预期当时空曲率变得足够巨大时 ， 量子效应必然会占主导地位 。 当时空曲率半径小到10^-13厘米（大约是一个基本粒子的半径）时 ， 现有的粒子物理理论必然会失效 。 如果时空曲率半径小到10^-33厘米 ， 那么对时空结构本身 ， 我们也必须考虑量子效应 。 目前 ， 还没有令人满意的理论能把量子力学应用到时空上 。
在宇宙中寻找黑洞
最后的问题是：黑洞的观测现状是怎样的？过去几年 ， 不同的研究者有很多互相矛盾的发现 ， 但现在看来 ， 他们仍无法给出明确的结论 。 研究者讨论的主要是有一个成员疑似黑洞的双星系统 ， 以及球状星团之类的多星系统 。 我们可以通过黑洞对其他天体运动的影响来找到它们 。 如果发现某天体附近有一个不可见的天体质量过大 ， 不可能是白（或黑）矮星或中子星 ， 那么它就很可能是黑洞 。
黑洞在观测天文学中还有另一个角色 。 它现在的状况让我们想起当年的中子星 。 曾有许多年 ， 天文学家一直试图通过搜寻某种效应探测中子星 ， 比如X射线辐射 。 因为按照理论预言 ， 中子星理应发出这种辐射 。 但中子星最终却是通过完全没有想到的效应被探测到的 ， 而且这个效应依然没得到真正令人满意的解释：脉冲星标志性的快速、规律的电磁脉冲辐射 。 很有可能 ， 黑洞也会因某种未预料到的附带效应而被发现 。 今天的天文学不缺少可能与黑洞相关的未解现象 ， 比如类星体和射电星系庞大的能量输出、星系中心的爆发现象、一些类星体和星系光谱的异常红移以及星系质量测量结果的不一致 ， 甚至正常星系的旋臂结构也还有些严重的问题 。 最重要的是 ， 美国马里兰大学的约瑟夫·韦伯（Joseph Weber）似乎观测到了从我们星系中心传来的引力波 。 如果这些波是连续地从星系中心向所有方向发出的 ， 那么它们携带的能量会导致星系每年损失数千倍太阳质量 。 这个数值看起来和其他观测有严重冲突 。


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