3。2原初黑洞以及黑洞辐射

黑洞这一名词源于广义相对论的预言，开始是由于拉普拉斯以及米歇尔用到牛顿力学来推导出黑洞，然而牛顿力学并不适用于高速情况，从而导致这一错误概念的诞生。在此之后，施瓦西导出了爱因斯坦方程的一个准确解，这个解给出了一个静态球对称黑洞。然而根据现已有的观测数据，有些黑洞的自转速度非常之快，几乎接近光速，关于这样的物理情况，克尔黑洞给出了另一类解释。克尔黑洞是爱因斯坦场方程下一类带有角动量的黑洞，大多数恒星有着一定自转角动量，而在塌缩之后仍旧保留部分角动量。这一观点更加符合实际的物理情形。在此之上，同时具有质量、角动量、电荷三个物理特征的黑洞称为克尔—纽曼黑洞。虽然如今对黑洞的研究在学术界非常之多，但是在为数众多的黑洞理论背后，当然也有反对黑洞这一物理概念的观点存在。

在《黑洞探疑》一书中，蔡立先生根据引力场是保守力场这一特点，做出这样一个思想实验。由于保守力场的性质，在楼顶把一个物体扔到地面上，设物体落地的速度为v，则以相同的速度v竖直向上抛，物体能回到楼顶。若假设楼高为无穷大，则有一下思想过程及结果：来自优Y尔L论W文Q网wWw.YouERw.com 加QQ7520~18766

“在任意一个给定的星球上，有一人从无穷高的楼顶将物体投降星球表面，设物体到达星球表面速度为u，则在星球表面的另一人将物体以相同的速度u竖直向上抛，在星球引力场是一个保守力场的前提下，物体能重新回到无穷远处。而根据狭义相对论，任何物体的运动速度小于光速，所以到达星球表面的物体的速度u应小于光速。那么根据黑洞的定义，如果一个星球，物质可以以小于光速从其表面逃逸到无穷远处，那么这个星球一定不是黑洞。”

其实蔡立先生的本意是想藉此来否定黑洞的存在，因为根据狭义相对论，当物体速度等于光速时，其质量就会无穷大。如果我们认为黑洞会向外辐射物质，而物质无法超光速运动，那么那种向外辐射物质的星体不能是黑洞，这里便是黑洞与狭义相对论矛盾所在。而但随着越来越多的现象以及各种理论的诞生，黑洞这一概念已经被绝大多数人所相信存在。若是从哲学理论上讲，一切事物的封闭、发展都是相对的，而事物的开放发展则是绝对的。”在此，所谓封闭发展是针对一定范围内的事物，而开放发展则是对于这个范围来说的一个更大的范围而言的。所以，一切事物都是与其周围事物相联系的，黑洞亦是如此。而从物理学观测的角度上来看，目前已经观测到许多黑洞吞噬星体的间接证据。那么如果不否定狭义相对论，那么问题就出在黑洞辐射的方式上了，它一定不能像物体以速度u从星球中逃逸，那么黑洞中的物质应该以什么样方式辐射呢？或者说黑洞的蒸发形式是什么样的?这里应该要引入目前物理学科的新思路——量子力学。物体到达光速质量会无穷大必须建立在物体能到达光速且不解体这一前提下，然而能以光速运动的物质迄今为止只有我们所认知的部分粒子。也就是说黑洞辐射很有可能是依靠能量粒子的逃逸而表现出辐射的。另一方面，如果考虑吸入黑洞的物质，那么在物体不超过光速的要求下，物体一定会解体成基本粒子，也就是说到达黑洞内部时的形态就不是物质形态了。这样一来便可以解决蔡立先生这一思想实验的问题。论文网

而关于以上提到的黑洞的辐射方式，在这里就不得不谈及霍金教授的黑洞辐射理论。霍金教授提出这个理论的根据是海森堡不确定性原理。在量子力学的预言中，真空世界在微观上是非常混沌的，由于海森堡不确定性原理，一个粒子的能量和动量无法同时测准，而表现在真空中的微观形式即为正反虚粒子对在一定小范围内的产生湮灭。而在黑洞的事件视界边缘就发生着这样的情况，表现出来的结果就是一个粒子被黑洞吸引进去，另一个粒子逃逸的情况，在外界看来就是黑洞在辐射粒子。这一理论如今被许多物理学家所接收，但在仍旧有一点理论缺陷。在讲这个缺陷之前，先要来看这样一个问题，“在于能量和动量的疯狂涨落在这个事件视界边缘是否存在平衡，若逃逸出去的既有正的虚粒子，也有反的虚粒子，它们是否能相互抵消，从而导致辐射现象的消失？”虽然霍金对此有特别说明，“黑洞外的时空是普通时空，不允许实的负能粒子或负能反粒子存在。”但是这一说明应该还要包含另外一层意思，那就是粒子逃逸的瞬间就完成了虚粒子向实粒子的转化。那么什么理论能保证这一条件呢？如果不能保证在这一瞬间完成转化，虚粒子完全有可能在外时空与其他逃逸的反虚粒子相湮灭，那么辐射就不存在了。然而事实是霍金教授证明了黑洞的温度比周围温度要高，根据热力学物理定律，黑洞一定在向外发散热量，也就是进行着热辐射。另外，霍金辐射最终会导致黑洞蒸发并丢失所有信息，这与量子力学的幺正性相违背，唯一能对此作出解释的是黑洞的信息通向平行世界或者说连接着某一隧道，然而这一观点过于科幻，不能轻易下结论。所以说，霍金辐射理论仍旧存在无法让人十分信服的地方。以下，图2展示的就是黑洞辐射的模拟图，沿黑洞自转轴的方向是文献综述