Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第十一章　落入漩涡 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月26日08:22:07 星期天), 站内信件

    我被对旋涡的强烈好奇心支配着。我确实感到一种去探测其深度的愿望，即使
我将因此牺牲自己。我的最大遗憾是不能把看到的奥秘告诉岸上的老伙伴们。

    --edar德加·爱伦·坡（Edgar Allan POe）《落入旋涡》（回840）

    　克尔黑洞

    所有恒星都在自转，因而就不是严格球形的，而是在两极处稍稍变干，于是一
颗真实恒星的引力坍缩就不能由球对称的史瓦西解来精确地描述。实际上，恒星周
围时空的几何将由于引力波的产生而变得相当复杂。

    为什么引力波（见第18章）会扰乱几何呢？道理很简单：所有运动物质（例如
一颗转动恒星）的引力场都随时间变化。因此，由引力造成的时空弯曲在每个时刻
都会变化，以反映新的物质构造。这种再调节像一种"皱纹"，以光速在背景几何中
传播。

    球对称性最差的坍缩恒星发出最多的引力波。一旦视界形成，恒星坍缩成了黑
洞，则情况立即简化。在视界形成的瞬间，其形状可能仍不规则，并表现出剧烈的
振动，但在不到1秒钟之内引力波会抹去所有的不规则性（图34）。于是视界停止
振动并成为单一的平滑的形状，即一个两极因离心力而变扁平的椭球面。

    这就是为什么一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态，
这个状态只依赖于两个参量，即质量和角动量，后者表征恒星的转动，类似于基本
粒子的自旋（见"简并物质"一节）。

    爱因斯坦方程有一个只依赖于这两个参量的精确解。这个解由新西兰物理学家
罗伊·克尔（RoyKerr）于1962年得到，描述的是转动黑洞的引力场。这个理论发
现有着重要的天文学意义，其价值不亚于一种新基本粒子的发现。科学总是这样，
理论与实验相互促进发展。

    要注意的是，史瓦西几何描述的是一个球形物体的引力场，不论该物体是否处
于静止；而克尔几何描述的只是一个最后的平衡态，它只适用于视界已经形成和所
有的畸形都已被引力波扫除之后，而不能用于转动恒星的实际坍缩过程。

    　极端黑洞

    大多数恒星在作较差转动。它们由具有不同密度、以不同速度旋转的气体层组
成。在太阳系里，气体行星（如木星、上星）的大气呈现多条与赤道平行的长带，
这就是较差转动的效应。克尔黑洞的转动却是完全刚性的，视界上所有的点都以同
样角速度转动。

    另一方面，恒星不能以任意速度转动。即使像一个巨大的转动陀螺一样的中子
星，也不可能每秒转动1000周以上，因为超过这个极限，星体就会被离心力瓦解。
同样也存在一个临界角速度，超过了它，视界就会"破碎"，只留下裸露的中心奇点
。这个极限所对应的视界具有等于光速的转动速度，这种"极端"黑洞视界上的引力
场为零。用牛顿的语言来说，就是在视界上，离心排斥力与引力正相抵消。

    很有可能，大多数由大质量恒星引力坍缩而形成的黑洞所具有的角速度很接近
这个极限。实际上，有许多转动的恒星，虽然还远不是黑洞，却已经具有很高的角
速度（太阳的角速度是极限值的20％）。如果在坍缩过程中角动量守恒（角动量守
恒解释了中子星的高转动速度，见第7章），恒星级黑洞就应当很接近这个极限状
态。因此，被认为是双星X射线源"发动机"的3Mpe洞（见第四篇），就必然每秒钟
转动将近5000转。

    但是，黑洞并不是在固定的外部空间中转动的陀螺。我们不可能在视界上放一
只灯泡井数它每秒钟转过的次数，克尔黑洞施曳着整个时空同它一起转动（按照广
义相对论，所有大质量的转动物体也都是如此，但是这种被称为伦斯＞锑林（
Lense－Thir－ring）效应的几何拖曳是极小的，除非该物体已经坍编成为黑洞）
。理论上，只有在无限远处时空才停止"转动"，因而才可以认为视界具有一个角速
度。靠近黑洞处的时空被不可抗拒地扭曲成旋涡状，黑洞是一个宇宙大旋涡，这是
它的第二条基本特征，仅次于对光的捕获。

    　宇宙大旋涡

    但是已经没有时间让我考虑自己的命运了。圆圈在迅速缩小--我们被旋涡疯狂
地抓住了，大海在翻腾，暴风在呼啸，我们的船在颤抖--一啊，上帝，它还在-…
·下沉！

    --德加·爱伦·坡《瓶子里发现的手稿》

    转动黑洞与人们熟悉的涡流现象很有些相似，从浴缸里的水流入底部的孔时形
成的涡流，到海洋的水流形成的巨大涡流，例如埃德加·爱伦·坡在他的《奇遇记
》中描绘的神话般的挪威海大旋涡，甚至由儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在他的
《绿光》一书中提到的苏格兰赫布里底群岛的巨大冰坑（也不要忘记，在《海底两
万俚》一书的结尾，儒勒·凡尔纳让潜水艇"鹦鹉螺"号消失在一个海底深渊里）。


    旋涡里水的螺旋运动可以分解为圆周运动和朝中心的下落两个部分。圆周运动
只有一个与到旋涡中心距离的平方根成反比的切向速度，下落运动则只有一个远小
于切向速度并与到中心的距离成反比的径向速度。

    现在设想有一只机器船冒险驶入旋涡（图35）。船在静水中的最大速度为20公
里／小时。在远离旋涡时船显然没有任何困难来克服水的运动的影响，船可以朝任
何方向行驶，可以趋近或远离旋涡，可以逆着水流航行，也可以不用抛锚而停在一
个固定位置。

    如果驾驶员决定朝向旋涡行驶，那么终将出现这样一种情况，即在与中心的某
一距离上，水的圆周运动速度等于船的最大航速即20公里／小时。在这个临界距离
以内，即使船开足马力，也不能保持在一个固定位置上，而是被迫沿着旋涡的旋转
方向运动。更准确地说，原先能自由地朝任何方向行驶的船，现在被限制在一个张
角以内的范围，这个角由从船的位置射出并与其前方的"航行圈"相切的两条直线组
成。这时的船虽然被环向水流拖曳，但仍能沿一条适当的轨道偏转，向外旋出，脱
离旋涡。

    如果这条船仍向内行驶，离旋涡中心太近，以至于水流的径向速度也达到了
20公里／小时（环向速度已远大于此），致命的时刻就来到了。航行圈直接落入了
旋涡口，正如埃德加·爱伦·坡所写的："船一被旋涡抓住，就被无可挽回地吸到
水底，并被辗成碎片。"

    转动黑洞周围的克尔几何也像一个大旋涡，旋涡的中心就是黑洞。被引力弯曲
的时空也以涡流的方式流动，正像被旋涡卷动的水面。与水里的船类似的，可以是
一只飞船，或是任何物质粒子，其最大的允许速度是光速。如图36所示，一个给定
点上的航行圈就是标明允许轨道的光锥的空间投影。

    光锥不仅朝引力中心倾斜，而且被沿黑洞转动的方向拖曳。这种螺线式运动在
所谓静止界限以内是不可抗拒的。在这个区域，光的航行圈，即光锥的投影，与其
发射点分离，并向前移动，于是飞船就不可能相对于一个固定参考系（例如远处的
恒星）保持静止，即使它是以光速航行。

    更靠近黑洞中心，还有第二个临界面。在那里光锥向内倾斜得很严重，以至于
任何东西都不能再进出来，这就是视界，它才是克尔黑洞的真正边界。

    视界是在静止界眼里面，H者只在两极处相切。克尔黑洞的这两个特征面各有
自己的作用。在静止界限上，时间被"冻结"，辐射被无限地红移，但只是在视界上
物质才被完全囚禁（史瓦西黑洞的视界一身兼具这两种性质）。

    这两个面之间的时空区域称为能层，这个名称是由约翰·惠勒由希腊文的"功
"一词派生出来的，因为在理论上可以利用这个区域的独特性质来提取黑洞的转动
能量。第13竟将再谈到这个惊人的设想。

    　奇异环

    转动黑洞的内部结构比静止黑洞的要复杂得多。第一个重要差别是中心奇点，
即时空曲率变成无限大的地方。在转动黑洞里，那不再是一个点，而是一个平躺在
赤道面上的圆环，这个环不再是所有物质都必定向其聚集的时空结。现在已有可能
避开奇异环而在转动黑洞内部运动，或者是在种面的上、下方运动，或者是从环中
穿过。这种探索黑洞的新的可能性将在第门章中讨论。

    还有一个差别：在黑洞的真实边界以内还有着第二个视界。这个球形面包围着
奇异环，并"保护"着内、外视界之间的区域不受奇异性的影响（指从奇异环发出的
信号不可能逃出内视界）。随着黑洞角动量的增大，内视界膨胀而外视界收缩，二
者趋于重合。作为极限，对于以临界速度转动的极端黑洞，两个视界都将瓦解，只
留下一个裸露的引力奇点。

    　带电黑洞

    坍缩成黑洞的恒星通常都有磁场。另外，黑洞还从星际介质中吞噬带电粒子，
如电子和质子，因此黑洞就应当还有电磁性质。

    雷斯勒（H．Reissuer汗1916年，诺斯特朗姆（．Nordstro…于1918年，各自
发现了爱因斯坦方程在带电质量产生的引力场情况的一个精确解。这个解是史瓦西
解的一个推广形式，即增加了电荷这个参量，它描述带电黑洞视界外部的时空。

    如果黑洞的电磁性质缩减为只是带有电荷，其前身星的电磁结构（场线，磁极
的存在等等）就必然已被大为减化。这里再次是引力波带走了恒星的绝大部分电磁
属性，只留下一个总电荷，而且并不是分布在视界上，而是很像基本粒子所带的电
荷。这个电荷并不改变黑洞视界的形状，即在黑洞不转动时仍保持完美的球形c

    黑洞的带电量有一个限度。在这个限度以上视界就会被巨大的电斥力摧毁。保
持视界不被破坏所能允许的最大带电量与黑洞质量成正比，对一个10M质量的黑洞
来说是电子电量的1040倍。当然，黑洞带正电与带负电的可能性一样大。

    高度带电黑洞的内部结构与静止的中性黑洞或转动黑洞都有共同之处，与前者
共同的是奇异性都只在一个点，与后者共同的则是也多出一个内视界。随着带电量
的增大，内视界面积胀大而外视界缩小。当电量达到最大限度时，两个视界重合并
同时消失，把中心奇点显露给遥远的天文学家们。

    对高度带电黑洞的这些描述虽然精巧，却颇有些学究气，因为实际的黑洞很可
能是中性的。这与绝大多数常见物质呈电中性是同样道理，即引力与电磁力相比要
弱得多。一个宏观物体包含着巨大数量的基本粒于，带有几乎精确相等数量的正电
荷和负电荷（分别由质子和电子携带）。电力使这些电荷联系在一起并相互中和。
现在来想象一个黑洞已经形成，并带有大量正电荷，接近最大允许的电量。黑洞所
处的真实天体物理环境并不是完全真空，而是由质于和电子组成的星际介质。黑洞
的引力场同样地吸引着质子和电子，但它的电荷却只吸引异号电荷，即电子，而排
斥质子。静电力比乌I力强1040倍，因而在很短的时间里这个黑洞就会捕获足够的
电子，并几乎完全地成为电中性。一个"自然"的黑洞所带的电荷不可能大于极限电
量的10no。这个电量是如此之小，以至于黑洞电荷的天体物理效应完全可以忽略。


    　黑洞无毛

    宇宙中的黑洞也有恒星那样多的种类吗？换句话说，除了质量、角动量和电荷
之外，黑洞还能有别的参量吗？

    对一个物理学家来说，一颗恒星或一块方糖都是极为复杂的物体，因为对它们
的完整描述，即包括它们的原子和原子核结构在内的描述，需要有亿万个参量。与
此相反，一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的
物体，如果知道了它的质量、角动量和电荷，也就是知道了有关它的一切。

    黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或
成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量和电荷。这种消繁归简或许是黑洞最
基本的特征。约翰·惠勒，这位有关黑洞的大多数术语的发明家，在60年代把这种
特征称为"黑洞无毛"。

    这个开始时只是一种猜测的定理，最近得到了严格的数学证明。这是包括默冬
（Meudon）天文台的布兰登·卡特（Brandon Carter）和澳大利亚的加里·班亭（
GaryBunting）在内的半打理论家经15年努力的结果。他们证明，只需要三个参量
来描述一个平衡态黑洞周围的时空几何，从而证实了惠勒的表述。对理论家来说，
这意味着事情已大为简化：按照这三个参量的重要程度来划分，总共只有四种黑洞
（质量作为引力场的源当然总是必不可少的）。这就是：只由质量来表征的球对称
、静态的史瓦西黑洞；也是球对称和静态的，但还有电荷的雷斯勒一诺斯特诺姆黑
洞；转动而显电中性的克尔黑洞；最后是最一般的平衡态黑洞，转动而且带电，在
1965年被计算出来并命名为克尔一纽曼（Newman）黑洞。最后这个解表示着视界以
内引力坍缩的唯一的自然的最后状态，其他三个解只是它的某种简化。如前所述，
黑洞电荷的作用可以忽略，因此最"现实"的黑洞是由克尔解给予正确的描述。

    再次是引力波来扫除形成黑洞的物质的所有复杂结构。黑洞的"毛发"都被刮去
，只剩下质量、角动量和电荷。这些物理参量表征着形成的黑洞所呈现的两种长程
作用，即引力（对质量和角动量）和电磁力（对电荷）。决定原子核结构的短程核
作用对黑洞的形成没有贡献。

    黑洞的参量是可以精确测量出来的，尽管是借助于理想实验。可以把一颗卫星
放在围绕黑洞的轨道上，并测量卫星的轨道周期，从而得出黑洞的质量。黑洞的角
动量可以通过比较朝向视界的不同部分的光线的偏转来测量。

    对于一个有一定质量的一般克尔一纽曼黑洞，电荷和角动量都有上限，也就是
都受到保证视界存在这一条件的限制。如果在某个大质量恒星的引力坍缩过程中，
这个限制被违反了，黑洞就会成为一个探奇点，并能影响到宇宙中的远距离处。然
而，物理学家有很好的理由相信，这样一种情况是被自然规律禁止而不会发生的（
下一章　将涉及这个重要问题）。

    既然只由三个参量支配，一个黑洞就像一个基本粒子一样简单。但是，只要考
虑一下视界存在的条件，就知道没有别的东西比基本粒子与黑洞更不同的了，尽管
基本粒子也是把质量、角动量和电荷集中在一个很小的体积内。以电子为例，实验
已经确定出它的质量、角动量（自旅）和电荷。相对于其质量来说，电子的电荷和
角动量超过黑洞上限的If倍。这个令人惊愕的数字甚至超过了可观测宇宙中基本粒
子的总数，而这正是一个电子与一个克尔f 纽曼黑洞之间差异的量度（这决不是说
电子是一个探奇点）。

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