關(guān)于黑洞的論文

關(guān)于黑洞的論文作者：張磊第35頁(yè)共35頁(yè)TOC\o"1-3"\h\z關(guān)于黑洞的論文 2序言 2黑洞以及相關(guān)知識(shí)介紹 4黑洞及其發(fā)展的介紹 4黑洞的產(chǎn)生 10黑洞結(jié)構(gòu)介紹 12黑洞的探索方法 14宇宙中的洞 16白洞 16蟲(chóng)洞 16幾個(gè)重要理論的介紹 19相對(duì)論 19量子理論 21超弦 23超引力和克萊茵——卡魯扎理論 23看法、想法和方法 24對(duì)彭羅斯宇宙監(jiān)督定理的看法 24拓?fù)淇从钪姹O(jiān)督定理 25對(duì)宇宙監(jiān)督定理證明的解釋以及拓展 27視界的疑問(wèn) 31結(jié)尾 33序言關(guān)于黑洞的論文本文中的許多重要的歷史資料和關(guān)于黑洞的知識(shí)，都來(lái)自與湖南科學(xué)技術(shù)出版社的《黑洞和時(shí)空彎曲》、《黑洞》，和中國(guó)對(duì)外翻譯出版公司的《超弦》。本文中的許多重要的歷史資料和關(guān)于黑洞的知識(shí)，都來(lái)自與湖南科學(xué)技術(shù)出版社的《黑洞和時(shí)空彎曲》、《黑洞》，和中國(guó)對(duì)外翻譯出版公司的《超弦》。進(jìn)才中學(xué)高二（7）班：張磊關(guān)鍵詞：黑洞，時(shí)空視界，宇宙監(jiān)督定理提要：序言黑洞，是一個(gè)從愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論以后最重要的物理理論結(jié)果，也是現(xiàn)在唯一一個(gè)可以統(tǒng)一相對(duì)論和量子理論，同時(shí)又可以使人類在對(duì)物理極至理論的探索道路上繼續(xù)邁進(jìn)的一種星體。黑洞是神秘的，但也不是神秘的。我的目的就是將黑洞展現(xiàn)在大家面前，讓大家了解什么是黑洞，什么是物理，什么是物理學(xué)家，什么是物理學(xué)家的教育。既然是關(guān)于黑洞的論文，那么了解什么是黑洞，知道黑洞的結(jié)構(gòu)以及一些相關(guān)性質(zhì)是必要的了。黑洞的發(fā)展黑洞以及相關(guān)知識(shí)介紹黑洞及其發(fā)展的介紹對(duì)黑洞的研究的開(kāi)端，可以分為兩個(gè)，一個(gè)是在牛頓引力時(shí)代，一個(gè)在相對(duì)論引力時(shí)代。在牛頓引力時(shí)代，黑洞的概念是在18世紀(jì)英國(guó)約克郡桑希爾教區(qū)長(zhǎng)米歇爾研究了圍繞星體轉(zhuǎn)動(dòng)的物體的向心力和引力公式中得到的。但是在那個(gè)時(shí)代，沒(méi)有任何人相信會(huì)有什么恒星的質(zhì)量會(huì)如此的大而體積如此的小。這種星體的密度是水的1016倍！而這個(gè)是幾乎無(wú)法想象的（在當(dāng)時(shí)如此）。因而黑洞的構(gòu)想在被提出后不久就被埋沒(méi)在科學(xué)文獻(xiàn)的歷史之二中。在愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論后，史瓦西首先得到了描述時(shí)空的方程，也就是著名的史瓦西方程。這個(gè)方程描述了一種被稱為標(biāo)準(zhǔn)的恒星模型周圍的空間。史瓦西方程主要描述恒星外的時(shí)空和恒星內(nèi)的時(shí)空。史瓦西將他的發(fā)現(xiàn)寄給了愛(ài)因斯坦，愛(ài)因斯坦對(duì)這個(gè)方程高度贊揚(yáng)，但是史瓦西本人卻無(wú)法聽(tīng)到和得到關(guān)于他的方程的任何贊揚(yáng)和應(yīng)用，因?yàn)樗诓痪靡院缶驮趹?zhàn)場(chǎng)上染病去世了。惠勒根據(jù)這個(gè)方程首先提出了黑洞存在的可能性，同時(shí)也拉開(kāi)了對(duì)致密星體尤其是黑洞研究的序幕。愛(ài)因斯坦雖然得到了廣義相對(duì)論的精華——愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程，但是他本人還是對(duì)黑洞抱著懷疑態(tài)度。愛(ài)因斯坦和愛(ài)丁頓這兩個(gè)當(dāng)時(shí)科學(xué)界的巨人對(duì)黑洞十分抵制，雖然他們?cè)谕七M(jìn)相對(duì)論引力理論發(fā)展中有著十分重要的作用。奧本海默，和惠勒一起是與愛(ài)因斯坦、愛(ài)丁頓齊名的幾個(gè)重要理論物理學(xué)家之一，對(duì)黑洞的看法和惠勒一樣，認(rèn)為是存在的。于是奧本海默和惠勒分別在兩個(gè)地方開(kāi)始帶領(lǐng)自己的“子弟兵”向致密星以及愛(ài)因斯坦、愛(ài)丁頓對(duì)黑洞不可能存在的理論發(fā)動(dòng)了挑戰(zhàn)。補(bǔ)充說(shuō)明：愛(ài)因斯坦和愛(ài)丁頓對(duì)黑洞不存在的想法是：如果物體的引力迫使物體的體積減小，那么組成恒星的原子必定要被壓縮，那么原子的核外電子就要被壓迫到比較內(nèi)部的軌道（這個(gè)時(shí)候量子理論還沒(méi)有發(fā)展出來(lái)，因而一些結(jié)論還不知道），那么電子的速度就會(huì)被迫增大。由于速度極限是光速，于是電子軌道的半徑就一定有一個(gè)極限小的值，那么就不可能出現(xiàn)引力戰(zhàn)勝一切的黑洞。在惠勒和奧本海默率領(lǐng)著自己的小組研究時(shí)，錢德拉塞卡率先找到突破口，建立了第一個(gè)有史瓦西方程和物態(tài)方程結(jié)合得到的白矮星的方程。隨后，瑞士的茨維基和德國(guó)的巴德首先提出了中子星的構(gòu)思模型，朗道建立了描述中子星的理論模型，而奧本海默和他的博士后塞伯一同驗(yàn)證、改進(jìn)了朗道的中子星模型，奧本海默和他的另一個(gè)博士后沃爾科夫在托爾曼的幫助下一同建立了中子星的標(biāo)準(zhǔn)方程，惠勒和他的學(xué)生哈里森和日本人若野一同研究了中子星和白矮星的質(zhì)量限定之間的恒星的命運(yùn)。在哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)家貝克霍夫?qū)κ吠呶鹘膺M(jìn)行拓展后，奧本海默和他的最特殊的學(xué)生斯尼德得到了黑洞！而后惠勒也證明了奧本海默的理論和計(jì)算是正確的。他們終于得到了一個(gè)真正意義上的黑洞！一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的史瓦西黑洞！從而有力地反駁了愛(ài)因斯坦、愛(ài)丁頓在黑洞問(wèn)題上的保守思想。雖然這個(gè)黑洞是標(biāo)準(zhǔn)理想化的真實(shí)恒星的實(shí)驗(yàn)室模型，但是它說(shuō)明了黑洞是可能存在的。奧本海默和斯尼德的勝利，鼓舞了許多物理學(xué)家向黑洞這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)軍，開(kāi)始了黑洞研究的第一個(gè)黃金時(shí)期，雖然期間還是被第二次世界大戰(zhàn)打斷，奧本海默也差點(diǎn)被抓。在隨后的時(shí)間中，許多更加精細(xì)的黑洞模型從愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程這個(gè)大模子中被制作了出來(lái)。克爾是繼史瓦西后第二批解開(kāi)愛(ài)因斯坦方程的人中的一個(gè)，當(dāng)然，他的研究和計(jì)算是建立在史瓦西的基礎(chǔ)上的?？藸柡褪吠呶鞯膮^(qū)別在于，史瓦西研究的是在絕對(duì)真空中完全球?qū)ΨQ的、在塌縮過(guò)程中沒(méi)有絲毫物質(zhì)異動(dòng)、不帶電荷、沒(méi)有絲毫旋轉(zhuǎn)的、標(biāo)準(zhǔn)理想化恒星的塌縮過(guò)程，以及它內(nèi)外時(shí)空的場(chǎng)方程解，而克爾在史瓦西的基礎(chǔ)上，讓這個(gè)模型旋轉(zhuǎn)，從而得到的解。別小看這個(gè)旋轉(zhuǎn)，在黑洞強(qiáng)大的引力下，不僅僅要考慮旋轉(zhuǎn)引起的離心現(xiàn)象，還要考慮黑洞對(duì)外部時(shí)空的拖曳、對(duì)內(nèi)部時(shí)空的擾動(dòng)，以及相應(yīng)的黑洞結(jié)構(gòu)的改變和從而產(chǎn)生的影響?？傊藸柍晒α?。但他不是唯一的成功者。在他之前，雷斯勒和諾斯特朗姆分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了帶電的史瓦西黑洞解。但是由于種種原因，他們的工作沒(méi)有得到像克爾黑洞這樣的重視，直到紐曼將愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程的克爾解和雷斯勒——諾斯特朗姆解融合在了一起，得到了一個(gè)描述范圍在量子理論正式大規(guī)模介入黑洞研究領(lǐng)域以前最完整的描述黑洞的愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程解，也是最符合自然的解——紐曼黑洞。在接下來(lái)介紹量子理論和數(shù)學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)黑洞的重要貢獻(xiàn)以前，我們先來(lái)認(rèn)識(shí)一下前面提到的黑洞的結(jié)構(gòu)是什么。史瓦西黑洞，是一切黑洞的發(fā)祥地。它有一個(gè)視界和一個(gè)奇點(diǎn)。視界，是物體能否回到外部宇宙的分界面（視界的準(zhǔn)確定義有兩種，會(huì)在下文介紹量子理論對(duì)黑洞的作用時(shí)介紹），在視界外面，物體可以離開(kāi)或者接近黑洞而保持安全。而在視界上，只有光速運(yùn)動(dòng)的物體可以保持不進(jìn)入毀滅熔爐黑洞，但是連光也無(wú)法從這個(gè)面中逃脫了。如果不幸進(jìn)入了視界內(nèi)部，那么你就再也無(wú)法出來(lái)或者和任何人聯(lián)絡(luò)了。你所面對(duì)的將只有一個(gè)：死亡。當(dāng)然，量子理論允許你選擇如何死去。此外，視界也是時(shí)間和空間屬性顛倒的地方：在視界內(nèi)，空間是類時(shí)的，時(shí)間是類空的。奇點(diǎn)，是黑洞奇異性的來(lái)源，也就是黑洞中允許相對(duì)論和量子理論同時(shí)大規(guī)模作用于同一個(gè)物體的源泉。任何接觸到奇點(diǎn)的物質(zhì)（包括場(chǎng)）必然被奇點(diǎn)摧毀，被分解為純粹的基本粒子和時(shí)空單體，即使是形成這個(gè)黑洞，這個(gè)視界，這個(gè)奇點(diǎn)的恒星，也將被它摧毀而不再對(duì)黑洞產(chǎn)生任何影響（這個(gè)問(wèn)題在下文簡(jiǎn)要介紹相對(duì)論和量子理論的時(shí)候會(huì)詳細(xì)說(shuō)明）。好了，現(xiàn)在來(lái)看克爾黑洞?？藸柡诙吹慕Y(jié)構(gòu)比史瓦西黑洞復(fù)雜了許多。在克爾黑洞的最外層，由于黑洞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)周圍時(shí)空的拖曳效應(yīng)（倫斯——梯林效應(yīng)），因?yàn)榇嬖谥粋€(gè)判斷物體是否可以靜止于時(shí)空中的靜止界面。靜止界面外的物體，可以通過(guò)推進(jìn)器等裝置在被拖曳的時(shí)空旋渦中相對(duì)于極遠(yuǎn)處的觀測(cè)者靜止不動(dòng)，而在靜止界面內(nèi)，可以斷定，物體一定會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力拖動(dòng)，開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)界面內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣存在著視界，但是它和史瓦西視界不一樣，比它更加復(fù)雜，因?yàn)樵谶@里，視界分為兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界。外視界是物體能否與外界通訊的分界面（這里使用的是霍金對(duì)視界定義的升華：絕對(duì)視界的定義。關(guān)于絕對(duì)視界和顯視界，我們會(huì)有一個(gè)探討），而內(nèi)視界是奇點(diǎn)的奇異性質(zhì)能否影響外界的分界面。也就是說(shuō)，進(jìn)入外視界的物體，必定會(huì)被吸入奇點(diǎn)，然后本摧毀，但是還可以在達(dá)到內(nèi)視界以前享受一段相對(duì)“安寧”的日子，而一旦進(jìn)入了內(nèi)視界，那么任何物體都會(huì)在內(nèi)視界中奇點(diǎn)奇異性質(zhì)的面前屈服，在達(dá)到奇點(diǎn)以前便被摧殘待盡。在外視界和靜止界面之間，有一個(gè)相對(duì)十分廣闊的區(qū)域，叫“能層”。在能層中蘊(yùn)藏著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)能。從理論上，可以在靜止界面外建立一個(gè)空間站，然后利用拋物投射來(lái)提取黑洞的旋轉(zhuǎn)能，得到幾乎無(wú)窮盡的能源（因?yàn)榇笮秃诙吹膲勖鼛缀蹩梢钥隙ū荣|(zhì)子的壽命長(zhǎng)）。此外，在能層中，由于黑洞旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的拖曳會(huì)將時(shí)空撕裂，產(chǎn)生蟲(chóng)洞。在早期引用量子效應(yīng)來(lái)處理黑洞的時(shí)候，第一個(gè)選擇的就是旋轉(zhuǎn)黑洞，而且得到了第一個(gè)量子黑洞定理：旋轉(zhuǎn)黑洞輻射。后來(lái)在霍金的推動(dòng)下成了霍金輻射。在內(nèi)視界內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣有一個(gè)奇異性質(zhì)匯聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那樣是一個(gè)奇點(diǎn)，而是一個(gè)獨(dú)特的奇異環(huán)，一個(gè)充滿了量子效應(yīng)奇異性質(zhì)的面，安靜地平躺在黑洞赤道面上，帶來(lái)的卻是徹底的破壞和隨機(jī)。第三個(gè)典型黑洞，就是雷斯勒——諾斯特朗姆黑洞（以下簡(jiǎn)稱為RN黑洞）。RN黑洞沒(méi)有自旋，但是帶有電荷。它和史瓦西黑洞、克爾黑洞在許多方面相似。比如對(duì)于帶有相反電荷的物體來(lái)說(shuō)，它有一個(gè)在視界外的靜止界面，它的視界有兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界。不過(guò)和克爾黑洞不同的是，RN黑洞內(nèi)視界和外視界在一般情況下完全獨(dú)立，而克爾黑洞的內(nèi)視界和外視界在黑洞的兩極相切；RN黑洞的兩個(gè)視界是絕對(duì)球形的，而克爾黑洞的視界是橢球形的。在靜止界面和外視界之間也有能層，但是蘊(yùn)藏的不是黑洞的旋轉(zhuǎn)能，而是電能。RN黑洞的中央有一個(gè)史瓦西黑洞的奇點(diǎn)，不是克爾黑洞的奇異環(huán)。不過(guò)RN黑洞并不十分著名，至少不像史瓦西黑洞那樣普遍，沒(méi)有克爾黑洞那樣出名，因?yàn)樵谧匀唤缰?，一個(gè)帶有電荷的黑洞會(huì)在十分短的時(shí)間內(nèi)從外界空間中吸收一定數(shù)量的相反電荷，是自己的電荷被嚴(yán)格控制在極限電量的10-44范圍以下，因而RN黑洞比史瓦西黑洞還要“學(xué)術(shù)氣”，所以沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。所謂的極限電量，和極限角速度一起，分別是RN黑洞和克爾黑洞允許帶有的電量和角速度的極限值。為什么會(huì)有極限值呢？是因?yàn)閮?nèi)視界和外視界與它們之間的聯(lián)系產(chǎn)生的。在克爾黑洞中，外視界會(huì)由于角速度的增大而縮小，而內(nèi)視界會(huì)隨著角速度的增大而增大（想一下牛頓引力定律和角速度的綜合應(yīng)用產(chǎn)生的在軌道上運(yùn)動(dòng)的物體的受力變化就可以明白了，不過(guò)這樣得到的是近似的推導(dǎo)）。當(dāng)內(nèi)、外視界重合的時(shí)候，兩層視界會(huì)同時(shí)消失，將一個(gè)裸露的奇點(diǎn)展現(xiàn)在宇宙時(shí)空中。而這個(gè)使黑洞的兩個(gè)視界重合在一起的極限角動(dòng)量和電量，就是極限速度和極限電量。而紐曼黑洞，是克爾黑洞和RN黑洞的結(jié)合體，性質(zhì)可以模擬、綜合考慮克爾黑洞和RN黑洞的性質(zhì)得到，這里就不說(shuō)了。在這個(gè)相對(duì)論統(tǒng)治一切引力問(wèn)題的時(shí)代，許多有價(jià)值的定理被人們發(fā)掘了出來(lái)。比如確定是否可以形成黑洞的索恩環(huán)猜想，用來(lái)確定遠(yuǎn)處觀測(cè)者和恒星觀測(cè)者對(duì)于恒星塌縮的觀察差異的聯(lián)系的芬克爾斯坦坐標(biāo)系（參照系），黑洞無(wú)毛定理，引力透鏡原理，黑洞吸積盤的描述，吸積盤激流噴射，有一個(gè)黑洞的雙星X射線輻射，黑洞（或者黑洞和一個(gè)中子星）雙星引力波輻射的理論發(fā)現(xiàn)，黑洞視界電磁場(chǎng)定律——膜規(guī)范定理，黑洞視界的準(zhǔn)確定義（也是等價(jià)拓展，從原來(lái)的顯視界成為了現(xiàn)在的絕對(duì)視界），奇點(diǎn)定理，宇宙監(jiān)督定理（我們會(huì)在下面第三部分中詳細(xì)看待這個(gè)至盡還是一個(gè)大猜想，但是十分可能是一個(gè)正確的定理的問(wèn)題）等。這些不單單是第一個(gè)黑洞黃金時(shí)代的成果，有的也是第二個(gè)黑洞黃金時(shí)代的結(jié)論。在第二個(gè)黃金時(shí)代，霍金的地位慢慢確立了起來(lái)。在第一個(gè)黃金時(shí)代中，彭羅斯的來(lái)到給物理界帶來(lái)了拓?fù)鋵W(xué)，一個(gè)原本被認(rèn)為和引力問(wèn)題完全無(wú)關(guān)的數(shù)學(xué)工具，并且利用這個(gè)工具最終解釋了黑洞無(wú)毛，一個(gè)一直困擾著物理學(xué)者的猜想；還利用它解釋了奇點(diǎn)是否會(huì)存在這個(gè)問(wèn)題，得到了奇點(diǎn)定理，同時(shí)推動(dòng)了BKL黑洞的誕生；他還和霍金等人用這個(gè)拓?fù)鋵W(xué)的方法結(jié)合幾何學(xué)證明了宇宙必定誕生于一個(gè)初始奇點(diǎn)。拓?fù)鋵W(xué)開(kāi)始在相對(duì)論引力研究者中普及了起來(lái)，成為重要的數(shù)學(xué)工具之一。彭羅斯的數(shù)學(xué)不單單是拓?fù)?，他是一個(gè)數(shù)學(xué)家，一個(gè)真正的物理數(shù)學(xué)家。他不但將拓?fù)湟搅宋锢碇?，還帶來(lái)了彭羅斯時(shí)空?qǐng)D，一種現(xiàn)在幾乎所有引力研究者必定使用的數(shù)學(xué)工具；彭羅斯——克魯斯卡圖，研究蟲(chóng)洞的首選，還有一些其他的數(shù)學(xué)工具?；艚鹪诘诙€(gè)黃金時(shí)代中對(duì)視界定義，是我們需要知道的對(duì)黑洞的描述十分重要的一個(gè)重要思想，因?yàn)樗€引出了另一個(gè)更加重要的結(jié)論：黑洞（熱力學(xué)）三定律，而這個(gè)定律最終帶領(lǐng)我們找到了黑洞蒸發(fā)，即霍金輻射。黑洞的視界，可以分為兩個(gè)，一個(gè)是惠勒最早提出的視界——顯視界，而另一個(gè)是霍金的矯健思想的結(jié)晶——絕對(duì)視界。顯視界的定義，是光子被拉回到原來(lái)位置的地方（這個(gè)牽扯到了相對(duì)論引力理論對(duì)時(shí)空在黑洞作用下的描述，在介紹相對(duì)論的時(shí)候會(huì)介紹到）。絕對(duì)視界的定義，是物體是否可以和外界時(shí)空聯(lián)系的分界面。從定義上看，一些哲學(xué)思想比較好的人也許就可以看出不同了：顯視界是順序的，而絕對(duì)視界是“目的論”的。進(jìn)一步分析可以知道：絕對(duì)視界的“果”——視界的位置，比視界的“因”——物體是否落入黑洞，先表現(xiàn)了出來(lái)。這個(gè)就是絕對(duì)視界和顯視界的根本區(qū)別，也是它優(yōu)越的地方。顯視界，在物體落入黑洞，即穿過(guò)了它以后，會(huì)突然地、毫無(wú)征兆地從原來(lái)的位置躍遷到一個(gè)新的位置，然后安定下來(lái)。在這個(gè)時(shí)候，它的變化是不容易理解的，而且在處理“動(dòng)態(tài)”的黑洞（即在脈動(dòng)、剛形成時(shí)候的黑洞）碰撞的時(shí)候，會(huì)對(duì)引力波的輻射、黑洞的位置等問(wèn)題帶來(lái)許多麻煩和不方便。而且物理定律似乎也不允許這種突變的發(fā)生。但是對(duì)于絕對(duì)視界，就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題了。它的位置取決于物體的運(yùn)動(dòng)是否會(huì)導(dǎo)致物體落入黑洞，而不是物體是否已經(jīng)落入了黑洞。如果一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)落入黑洞，那么在它落入以前，絕對(duì)視界就會(huì)膨脹，來(lái)“迎接”這個(gè)物體。而這種變化是連續(xù)的，而且對(duì)于那些關(guān)于黑洞視界的問(wèn)題中，它的力量是巨大的，雖然結(jié)果在原因以前出現(xiàn)在了這個(gè)宇宙中。在這個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上，黑洞擊敗了彭羅斯、澤爾多維奇、伊斯雷爾等杰出人物。其中彭羅斯帶來(lái)的數(shù)學(xué)工具曾經(jīng)使得物理學(xué)上一片光輝，最終成功證明了黑洞無(wú)毛定理，發(fā)現(xiàn)了宇宙監(jiān)督定理等重要定理（可惜他沒(méi)有最終證明這個(gè)他所提出的猜想是否真的可能成為定理，但是霍金人從許多角度對(duì)它進(jìn)行估算，證明這個(gè)猜想十分可能是一個(gè)定理），是一個(gè)頂尖的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，伊斯雷爾也是一個(gè)數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家。澤爾多維奇也是一個(gè)理論物理大家，一個(gè)思想十分活躍的人，蘇聯(lián)物理學(xué)的代表。但是霍金不是所有戰(zhàn)場(chǎng)的勝利者。他在黑洞熱力學(xué)這個(gè)方面，被惠勒的研究生貝肯斯坦擊敗了。不過(guò)霍金畢竟不是一個(gè)平凡的人，他后來(lái)在這個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)上建立了黑洞三定律，將黑洞和熱力學(xué)完全結(jié)合了起來(lái)。在黑洞建立絕對(duì)視界的同時(shí)，他也解決了黑洞引力輻射的能量多少問(wèn)題，同時(shí)，他發(fā)現(xiàn)了黑洞視界面積定理。他發(fā)現(xiàn)這個(gè)定理和熱力學(xué)第二定律十分類似，同時(shí)，其他黑洞研究者也發(fā)現(xiàn)在描述黑洞性質(zhì)變化的時(shí)候（比如描述吸積盤形成的過(guò)程中），黑洞的變化方程和熱力學(xué)的方程十分相似。但是這些僅僅被霍金以及他的同事們認(rèn)為是巧合而已。但是貝肯斯坦不這么認(rèn)為，他在導(dǎo)師惠勒的鼓勵(lì)下，計(jì)算了如果黑洞符合熱力學(xué)定律，視界和熵之間的一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系（惠勒沒(méi)有幫助他計(jì)算，這個(gè)是惠勒在教育方面的一個(gè)特點(diǎn)，就是鼓勵(lì)自己的學(xué)生來(lái)發(fā)揮他們自己的才能，而他自己在關(guān)鍵的時(shí)候給予學(xué)生一些思想上的幫助），得到了熵和黑洞視界面積的近似關(guān)系：熵近似等于視界面積與普朗克面積（在下文介紹量子理論的時(shí)候會(huì)介紹這個(gè)十分重要的物理常數(shù)）的比值。但是如果同意了黑洞符合熱力學(xué)公式，那么就相當(dāng)于同意了黑洞具有一個(gè)溫度。但是根據(jù)熱力學(xué)公式，我們可以知道：任何比周圍溫度高的物體，必定向周圍發(fā)出輻射。而宇宙的背景溫度約為3K，而如果貝肯斯坦的計(jì)算是正確的，那么黑洞的溫度一定遠(yuǎn)高于這個(gè)值，那么似乎黑洞必定會(huì)輻射物質(zhì)，而不是吸收。貝肯斯坦和霍金在這個(gè)問(wèn)題上都陷入了僵局。在廣義相對(duì)論在引力領(lǐng)域建立起絕對(duì)威望的同時(shí)，量子理論也已經(jīng)發(fā)展成熟了，成熟到了足以來(lái)到引力的領(lǐng)域，參加黑洞研究的地步了。第一個(gè)使用量子理論來(lái)研究黑洞問(wèn)題的，是蘇聯(lián)的澤爾多維奇，一個(gè)有著強(qiáng)烈物理直覺(jué)的領(lǐng)導(dǎo)者，蘇聯(lián)理論物理學(xué)的權(quán)威，蘇聯(lián)黑洞研究小組的教練。而他使用這個(gè)理論來(lái)解決的第一個(gè)引力問(wèn)題，是克爾黑洞的引力輻射。就是這個(gè)問(wèn)題，為貝肯斯坦和霍金的戰(zhàn)爭(zhēng)劃上了圓滿的句號(hào)，同時(shí)啟發(fā)霍金發(fā)現(xiàn)并掌握了量子輻射。澤爾多維奇在應(yīng)用量子理論解釋引力問(wèn)題的時(shí)候，惠勒在量子理論上的工作是不可磨滅的。惠勒第一個(gè)提出了量子真空漲落這個(gè)概念。真空漲落說(shuō)的是，在任意一個(gè)絕對(duì)真空中，即使你用無(wú)限大的能量來(lái)軀干這個(gè)區(qū)域中的物質(zhì)，量子理論總會(huì)使得這個(gè)區(qū)域的時(shí)空本身發(fā)生一個(gè)能量的起伏——海森堡能量借貸——使得這個(gè)區(qū)域的各個(gè)部分的能量不同，但是總合保持為0。在白矮星中，電子被壓迫在一個(gè)十分小的區(qū)域中，但是電磁波的量子真空漲落迫使電子繼續(xù)隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)，而且速度十分大，進(jìn)入了相對(duì)論范圍中。這個(gè)就是“電子簡(jiǎn)并運(yùn)動(dòng)”，產(chǎn)生的一個(gè)向外的壓力就是“電子簡(jiǎn)并壓”。這個(gè)也是當(dāng)年愛(ài)因斯坦和愛(ài)丁頓反對(duì)黑洞的證據(jù)。在中子星中，也是這個(gè)簡(jiǎn)并運(yùn)動(dòng)迫使中子星停止繼續(xù)塌縮。真空漲落無(wú)所不在，在生活中的最基本應(yīng)用就是熒光燈。這種效應(yīng)在量子理論發(fā)展完全，惠勒提出真空漲落概念、海森堡提出能量借貸概念以前，一直困擾著物理學(xué)家，被稱為自發(fā)發(fā)射。澤爾多維奇在接受了惠勒的思想后，先對(duì)旋轉(zhuǎn)的金屬球進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了金屬球的旋轉(zhuǎn)將周圍空間發(fā)生的量子真空漲落加速、放大、催化和真實(shí)化，成為了反向旋轉(zhuǎn)能和向外發(fā)射的電磁波，同時(shí)自己的旋轉(zhuǎn)速度變慢，直到停止為止。隨后，澤爾多維奇用類比，推出了克爾黑洞會(huì)輻射各類輻射（主要是電磁波和引力波，其次是中微子等輻射）的結(jié)論。這個(gè)結(jié)論的試探性太強(qiáng)，沒(méi)有人注意到。同時(shí)，美國(guó)的米斯納也提出了同樣的想法，并且有了一定的反應(yīng)?；艚鹪谌ツ箍茀⒓右粋€(gè)會(huì)議的時(shí)候，和澤爾多維奇以及他的學(xué)生斯塔羅賓斯基有了聯(lián)系，得知澤爾多維奇和他的學(xué)生們已經(jīng)開(kāi)始結(jié)合量子理論和相對(duì)論，并且已經(jīng)得到了黑洞會(huì)輻射的猜想，十分感興趣，于是在回到劍橋邊開(kāi)始著手研究。在大家都同意澤爾多維奇的同時(shí)，霍金的計(jì)算帶來(lái)了另一個(gè)更加使人震驚的結(jié)論：即使黑洞沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，它也在輻射，而且有一個(gè)確定的熵和溫度：熵和視界面積的比正比于黑洞質(zhì)量的平方，而溫度和視界表面引力的比反比于黑洞質(zhì)量。到這里，霍金和貝肯斯坦的爭(zhēng)論結(jié)束了，貝肯斯坦勝利了，他建立了黑洞三定律，但是霍金卻得到了霍金輻射，一個(gè)十分重要的定理，同時(shí)部分成功、正確地結(jié)合了量子理論和相對(duì)論，得到了一個(gè)更加重要的理論——彎曲時(shí)空的量子場(chǎng)定律。量子理論還帶來(lái)了許多東西，比如和實(shí)際情況最吻合的BKL黑洞，一個(gè)比紐曼黑洞更加具體、現(xiàn)實(shí)的黑洞?？ɡ啬峥品蚝屠醺ハ澰谘芯亢阈堑碾S機(jī)擾動(dòng)（在史瓦西、克爾和RN黑洞中，都沒(méi)有涉及到恒星塌縮時(shí)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即擾動(dòng)）是發(fā)現(xiàn)，這些擾動(dòng)會(huì)干擾黑洞奇點(diǎn)的產(chǎn)生，從而根據(jù)相對(duì)論，恒星所在的時(shí)空會(huì)成為一個(gè)封閉的小空間在時(shí)空組中運(yùn)動(dòng)（時(shí)空組這個(gè)名字是我起的，在后面會(huì)介紹到。其實(shí)他就是一些同胚——拓?fù)湫g(shù)語(yǔ)——時(shí)空的集合）到達(dá)其他時(shí)空中在爆發(fā)出來(lái)。但是蘇聯(lián)和歐洲的隔絕使得他們沒(méi)有得到彭羅斯的一個(gè)重要的證明和他的一個(gè)重要的數(shù)學(xué)工具——整體方法，因而他們的計(jì)算錯(cuò)了。并且，在和索恩的爭(zhēng)論中知道了一些整體方法的內(nèi)容，而研究生別林斯基一同找到了一個(gè)在我們這個(gè)宇宙中最基本的黑洞典型：BKL黑洞。BKL黑洞是拓?fù)鋵W(xué)的勝利，是數(shù)學(xué)和物理的融合，也是相對(duì)論和量子理論的第一次親密接觸。好了，到了這里，對(duì)于黑洞以及發(fā)現(xiàn)、發(fā)展黑洞的歷史的介紹已經(jīng)到了尾聲了，先讓我們來(lái)看看黑洞的形成，在來(lái)整體認(rèn)識(shí)一些最典型、最普通、最可能在自然界出現(xiàn)的黑洞：BKL黑洞的一些性質(zhì)以及相關(guān)知識(shí)。黑洞的產(chǎn)生黑洞的產(chǎn)生在宇宙中，一個(gè)恒星在靜靜地燃燒著。著顆恒星的質(zhì)量為50倍太陽(yáng)質(zhì)量。如此巨大的質(zhì)量，使得這個(gè)恒星的引力十分巨大，無(wú)論是在恒星外的太空，還是在恒星內(nèi)的時(shí)空。這顆恒星十分平靜地度過(guò)了它的少年期，它的青年期和它的中年期。在它的老年期，恒星內(nèi)部的核反應(yīng)越來(lái)越劇烈，釋放的能量也越來(lái)越多。在恒星的最外層，是氫和氦在大量“燃燒”；再向內(nèi)部推進(jìn)一層，是碳和氧的焚燒場(chǎng)。接著是氖和氧，氧和鎂，硅和硫，最后是一個(gè)呆滯核——鐵核。隨著黑洞“燃燒”的越來(lái)越迅速，釋放的能量越來(lái)越多，鐵核的體積開(kāi)始越來(lái)越巨大，同時(shí)其它各層的體積開(kāi)始變小。由于鐵發(fā)生聚變的時(shí)候，幾乎沒(méi)有什么聚變的能量可以使得鐵中的56個(gè)質(zhì)子和中子發(fā)生反應(yīng)，因而核反應(yīng)在發(fā)生到了鐵以后，就再也難以有寸進(jìn)。隨著燃燒的繼續(xù)，內(nèi)部的壓力開(kāi)始變大。這個(gè)時(shí)候，這個(gè)恒星在外表和內(nèi)在上開(kāi)始變得不一致起來(lái)：在外表，燃燒的能量迫使恒星的表面開(kāi)始膨脹；而同時(shí)，恒星的內(nèi)部由于一切元素的反應(yīng)都停止在鐵上，因而恒星的核開(kāi)始結(jié)晶，準(zhǔn)備著最后的爆發(fā)。同時(shí)，這個(gè)時(shí)候的恒星叫做紅超巨星。由于恒星內(nèi)部的鐵原子中的電子在電子簡(jiǎn)并壓力的作用下，有著一個(gè)巨大的反抗引力的壓力，因而紅超巨星有一個(gè)短暫的間歇。但是周圍的元素不斷發(fā)生反應(yīng)，成為鐵，并且向這個(gè)核匯聚過(guò)來(lái)。當(dāng)恒星的核的質(zhì)量超過(guò)1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量這個(gè)錢德拉塞卡極限的時(shí)候，引力和恒星的聚變能量迫使鐵也開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)。鐵發(fā)生反應(yīng)，鐵原子核在巨大的能量下，成為了氦原子核，并且在巨大引力下，被緊緊地壓在一起，由氦原子核內(nèi)部的電子簡(jiǎn)并壓承受著巨大的引力。但是，在這個(gè)巨大的核的周圍，恒星的物質(zhì)還是在引力的作用下向核落去。落在這個(gè)核上的物質(zhì)越來(lái)越多，逐漸接近，并且超過(guò)了錢德拉塞卡極限。這個(gè)時(shí)候，電子簡(jiǎn)并壓再也無(wú)法承受這巨大的引力，在質(zhì)量超過(guò)極限的瞬間，崩潰了，從一個(gè)白矮星核突然收縮了起來(lái)。巨大的引力，迫使電子的軌道被完全擠碎，電子不再是在軌道上運(yùn)行，而是全部擠在了原子核上。巨大的壓力迫使擠在原子核上的電子和原子核內(nèi)的質(zhì)子發(fā)生弱相互作用，結(jié)合成一個(gè)中子，同時(shí)釋放一個(gè)中微子。于是，這個(gè)時(shí)候，強(qiáng)大的中微子流從恒星的內(nèi)部沖了出來(lái)。雖然中微子不和其他任何粒子發(fā)生除了微弱引力作用以外的其他任何作用，但是強(qiáng)大的中微子流帶著強(qiáng)大的能量將紅超巨星的表面炸開(kāi)。炸開(kāi)的物質(zhì)在引力作用下，向中心的核高速落去。這個(gè)之后，由于中子的自旋為半整數(shù)，是一種費(fèi)米子（自旋就是粒子在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候自身發(fā)生的旋轉(zhuǎn)。帶電非零自旋的粒子通常伴隨著磁矩。費(fèi)米子是由費(fèi)米發(fā)現(xiàn)的符合費(fèi)米密度分布的基本粒子的總稱。這種粒子的共同特點(diǎn)是它們的自旋都是半整數(shù)。與費(fèi)米子的概念相對(duì)立的，是波色子，它們都不符合費(fèi)米密度分布，而且自旋為整數(shù)。），因而它和電子（同樣是一種費(fèi)米子）一樣遵守泡利不相融定理。因而在這個(gè)時(shí)候中子簡(jiǎn)并壓取代了電子簡(jiǎn)并壓存在，繼續(xù)和引力抗?fàn)幹?。這時(shí)，大量的物質(zhì)落在這個(gè)巨大的原子核（因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候恒星的核就是一個(gè)中子星核，中子星核中沒(méi)有除中子以外的任何其它粒子，而且由于中子簡(jiǎn)并時(shí)相互之間的距離和它的直徑相似，因而在中子星核——一種中子超流體——中的中子之間是沒(méi)有任何空隙的，密度比原子核的密度略大一點(diǎn)（因?yàn)橘|(zhì)子比種子輕））上，由于中子簡(jiǎn)并壓的強(qiáng)大抵抗力而被反彈。反彈產(chǎn)生的沖擊波也將外部表面的物質(zhì)完全崩落。沖擊波伴隨著巨大的能量，將核外一層的元素都突破了鐵的極限，聚變成了重金屬，伴隨著沖擊波向外沖去。而外界的較重的元素都根據(jù)到核的距離轉(zhuǎn)化為不同的重金屬，而較輕的元素也發(fā)生聚變，成為較中的元素，最外層的氫和氦則在來(lái)得及發(fā)生反應(yīng)以前被拋射到了太空中——紅超巨星爆發(fā)了，成為一個(gè)超新星。爆發(fā)的超新星將自己內(nèi)部“元素生產(chǎn)廠”中的貨物一次性售空，全部貢獻(xiàn)給了宇宙中的行星們了。而同時(shí)，中子星核也發(fā)生著致命的變化。爆發(fā)帶走了96%的質(zhì)量，而且速度十分快。但是巨大的質(zhì)量還是堆積在了核上，在爆發(fā)的反作用力的作用下（如果質(zhì)量再大一點(diǎn)，可以在爆發(fā)以前就發(fā)生這種變化，那么將不會(huì)有壯觀的爆發(fā)，取而代之的是一個(gè)小爆發(fā)，但是得到的是一個(gè)質(zhì)量更加大的黑洞），引力完全戰(zhàn)勝了中子簡(jiǎn)并壓，將中子星核再一次擠壓。這次擠壓是辛苦的，但是也是成功的。物質(zhì)在被以較快的速度擠壓到了由它的質(zhì)量和內(nèi)部壓力、時(shí)空張力決定的BKL限度以后，將再也沒(méi)有回復(fù)的余地，開(kāi)始瘋狂地塌縮。塌縮的告終使得中子發(fā)生反應(yīng)，發(fā)出巨大的能量，但是這些能量將再也不可能被外界的人知道，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)在了死亡界面——視界內(nèi)了，無(wú)限大的引力迫使一切形式的能量，無(wú)論是輻射還是動(dòng)能，是場(chǎng)還是粒子，都無(wú)條件地向這個(gè)恒星殘骸的中心——奇點(diǎn)進(jìn)發(fā)。由于這個(gè)恒星是旋轉(zhuǎn)的，奇點(diǎn)不再是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)環(huán)——奇異環(huán)。恒星在視界內(nèi)部的部分在以接近光速來(lái)到奇異環(huán)的周圍后，在普朗克時(shí)間內(nèi)被瓦解為物質(zhì)弦，或者是基本粒子（視理論而定，在超弦中是物質(zhì)弦，在量子理論中是基本粒子。但是它們不是完全等價(jià)）。而在視界外的部分，還在以高速向視界沖。在視界這個(gè)面上，視界將這個(gè)恒星原來(lái)的磁場(chǎng)完全吸收。這些磁性將不被黑洞擁有，而成為視界的一種屬性（膜規(guī)范）。和中子星不一樣，磁力線被引力完全吸收，被迫完全蜷縮在了視界上。同時(shí)，恒星在塌縮時(shí)的任何形式的擾動(dòng)，在到達(dá)視界的時(shí)候都將擾動(dòng)的動(dòng)能貢獻(xiàn)給了視界，而自己十分乖巧地“安靜”地向奇異環(huán)沖去。同樣的，恒星上的任何不規(guī)則形狀，在遇到視界的時(shí)候都被無(wú)情地磨平。視界在恒星收縮的時(shí)候還不是十分平整，但是當(dāng)它將整個(gè)恒星都吞沒(méi)以后，它開(kāi)始了快速的“消化”：將視界表面的所有不平整的地方，視界上的任何由于擾動(dòng)帶來(lái)的動(dòng)能，都一致地轉(zhuǎn)化為引力能，即時(shí)空曲率波，引力波，向外界以光速輻射了出去，向宇宙高聲宣布：黑洞誕生了！黑洞的結(jié)構(gòu)黑洞結(jié)構(gòu)介紹恒星的質(zhì)量，用M⊙作為單位，代表是太陽(yáng)質(zhì)量的多少倍。如果一個(gè)恒星的質(zhì)量小于等于10-3M⊙，那么恒星就表現(xiàn)為行星的樣子，其中靜電力為主導(dǎo)，恒星不會(huì)塌縮，在自己的燃料都消耗完后，成為一個(gè)真正意義上的行星。如果質(zhì)量比10-3M⊙大，但是沒(méi)有超過(guò)錢德拉塞卡極限：14M⊙，那么引力就占主導(dǎo)，而且恒星在它的晚年成為一個(gè)白矮星，繼續(xù)消耗著自己的燃料。當(dāng)燃料也消耗光了，那么白矮星就結(jié)晶為一個(gè)黑矮星，繼續(xù)存在著，做幾乎完全的剛體運(yùn)動(dòng)。質(zhì)量比1.4M⊙大的恒星的命運(yùn)就比較坎坷了。如果在在晚年爆發(fā)為紅巨星的時(shí)候，將過(guò)多的物質(zhì)噴射出去，那么它將進(jìn)入白矮星墳?zāi)埂Ｈ绻麌娚涞奈镔|(zhì)不夠多，那么就會(huì)在爆發(fā)為紅巨星后，迅速塌縮為一個(gè)白矮星，然后在極其短的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)塌縮下去，沖破電子簡(jiǎn)并壓的極限，終結(jié)在中子星的墳?zāi)怪?。中子星比白矮星更加致密，也更加接近剛體。如果質(zhì)量比2M⊙大許多，在爆發(fā)的時(shí)候噴射掉物質(zhì)后的質(zhì)量仍然比2M⊙大，那么它將成為一個(gè)黑洞。在白矮星和中子星系列中，原本恒星的電磁場(chǎng)的能量將保持不變，同時(shí)由于表面積的縮小，磁力線會(huì)被擠壓在一個(gè)十分小范圍中，從而增加了磁場(chǎng)的強(qiáng)度。脈沖星和超新星就是中子星和中子星和噴射出的物質(zhì)的殘留。但是到了黑洞范圍中，情況就不一樣了。在中子星和白矮星中，磁力線還是存在的，但是在黑洞內(nèi)部，不存在磁力線。所有的磁力線都被束縛在了視界上（膜規(guī)范）。不單單是磁力線，連恒星原本的電荷都是類似電子一樣完全均勻地分布在整個(gè)視界上的。向外發(fā)射的磁力線在黑洞沒(méi)有旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，和電子周圍的電磁場(chǎng)分布一樣，完全球?qū)ΨQ。在黑洞旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，由于視界成為了橢球，因而發(fā)生了相應(yīng)的形變。但是整體上，黑洞和基本粒子的電磁場(chǎng)分布幾乎完全一樣。黑洞的視界周長(zhǎng)與黑洞的質(zhì)量成正比關(guān)系：，這里用周長(zhǎng)而不用物體到黑洞中心的距離，是因?yàn)槿绻诙创嬖?，那么在黑洞周圍的時(shí)空必定已經(jīng)被黑洞的引力拉成了非歐幾里德的，而是黎曼的了。因而距離的概念已經(jīng)沒(méi)有了必要，視界周長(zhǎng)和軌道的周長(zhǎng)取而代之，用來(lái)描述黎曼時(shí)空幾何的彎曲程度。由于這里的時(shí)空是彎曲的，因此牛頓的萬(wàn)有引力定律已經(jīng)失效了，取而代之的是愛(ài)因斯坦的場(chǎng)方程。我們這里僅僅使用其中的結(jié)果：從這個(gè)公式，我們可以得到一個(gè)描述潮汐力（就是物體在相對(duì)接近和遠(yuǎn)離的兩個(gè)部位受到的引力的差）的公式：，其中的l就是這兩個(gè)部位之間的距離。從這個(gè)公式，我們又可以知道什么呢？我們知道的是，當(dāng)物體接近視界時(shí)，物體所受到的潮汐力反比于黑洞質(zhì)量的平方！也就是說(shuō)，黑洞越重，那么它的潮汐力越柔和！但是必須注意的是：我們這里說(shuō)的潮汐力，而不是引力。潮汐力是引力引起的物體兩端的引力差。無(wú)論什么黑洞，他的引力是保持巨大無(wú)比不會(huì)變的，變的是引力的變化率，以及這個(gè)變化率引起的潮汐力。這里說(shuō)的是黑洞的外部，現(xiàn)在來(lái)看看黑洞的內(nèi)部。在黑洞的內(nèi)部，是量子理論的天下，相對(duì)論僅僅指明了一個(gè)模糊的方向，而具體潮汐力、引力如何，是量子理論決定的。在這里，奇點(diǎn)的混沌效應(yīng)使得一切計(jì)算都是徒勞的，我們不可能知道潮汐力在什么方向上以多大的力是拉還是壓一個(gè)物體。我們可以做的，僅僅是說(shuō)明一下，質(zhì)量越大的黑洞，內(nèi)部的量子效應(yīng)越柔和；距離奇點(diǎn)越遠(yuǎn)，你受到的平均潮汐力越柔和。至于細(xì)節(jié)，我們無(wú)能為力。但是也不是什么都不能說(shuō)。我們通過(guò)概率的計(jì)算，可以知道，在奇點(diǎn)周圍，視界內(nèi)的空間，隨機(jī)的潮汐力總在三個(gè)方向上不斷交替地、比較有周期地來(lái)回拉扯、擠壓著物體。這種力在離奇點(diǎn)越近的地方越顯著。在奇點(diǎn)這個(gè)位置，這種潮汐力的強(qiáng)度、變化周期都達(dá)到了無(wú)限大，物體被完全撕裂了。理論上，我們可以在一個(gè)質(zhì)量十分大的黑洞中，十分舒服的來(lái)到距離奇點(diǎn)一個(gè)特定的范圍，期間，從你落入黑洞到達(dá)到這個(gè)位置，可能需要數(shù)十年的時(shí)間，需要的時(shí)間與黑洞質(zhì)量的平方成反比。當(dāng)然，即使是這樣，物體在接近奇點(diǎn)，到達(dá)奇點(diǎn)周圍的量子效應(yīng)區(qū)域以后，還是會(huì)被奇點(diǎn)的量子效應(yīng)摧毀。但是無(wú)論黑洞的質(zhì)量如何，奇點(diǎn)的量子效應(yīng)的強(qiáng)度是不會(huì)變的，因?yàn)槠纥c(diǎn)的“質(zhì)量”是不變的。黑洞的質(zhì)量在黑洞形成的同時(shí)，其實(shí)已經(jīng)被黑洞的奇點(diǎn)銷毀了，但是由于引力的非線形效應(yīng)，引力場(chǎng)的能量又形成了引力場(chǎng)，從而使得引力場(chǎng)在黑洞內(nèi)部不斷疊加，因而使得黑洞被維持著沒(méi)有爆裂。由于一切引力效應(yīng)來(lái)自引力的非線形，而黑洞的質(zhì)量的貢獻(xiàn)僅僅是決定了這種非線形的程度，因而在奇點(diǎn)周圍的量子效應(yīng)的時(shí)空其實(shí)在任何質(zhì)量的的黑洞內(nèi)部都是一樣的。奇點(diǎn)的量子效應(yīng)，使得物體在到達(dá)奇點(diǎn)前先被越來(lái)越大的量子效應(yīng)完全撕成了小個(gè)體（大小由量子混沌潮汐力效應(yīng)的強(qiáng)度決定），然后，一般在達(dá)到奇點(diǎn)以前就已經(jīng)整個(gè)被奇點(diǎn)的混沌潮汐力摧毀，成為了基本粒子。這些基本粒子如夸克這樣被強(qiáng)核力牢牢束縛著的基本粒子才可能熬到直接面臨奇點(diǎn)的時(shí)候，但是即使是強(qiáng)力，在巨大引力效應(yīng)和量子混沌效應(yīng)的作用下，還是難逃被支解的命運(yùn)，成為了純粹的物質(zhì)弦。隨后可能通過(guò)史瓦西喉被拋到了外部空間，可能成為后來(lái)量子蒸發(fā)的材料，可能形成了子宇宙，可能在奇點(diǎn)周圍不斷游蕩，可能成為了純粹的能量，以潮汐力的形式繼續(xù)存在，可能成為了純能量以引力波的形式輻射掉，可能……總之，形成黑洞的恒星被所形成的黑洞摧毀了，不在對(duì)黑洞的引力提供任何貢獻(xiàn)了。黑洞中引力的來(lái)源，在奇點(diǎn)形成以后，主要就是來(lái)自于引力的非線形結(jié)構(gòu)。這個(gè)會(huì)在下文介紹相對(duì)論的時(shí)候介紹到引力的非線形，在介紹到量子理論的時(shí)候介紹到引力子的自作用。當(dāng)然，這個(gè)是量子引力——彎曲時(shí)空的量子場(chǎng)定律——所給的黑洞內(nèi)部的描寫，但不是最終描寫。物體在達(dá)到黑洞的時(shí)候可能會(huì)得到轉(zhuǎn)機(jī)，可能在黑洞內(nèi)部真的存在史瓦西喉——蟲(chóng)洞；也許在你達(dá)到黑洞以前就會(huì)在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)黑洞周圍被撕裂的空間吸走；也許你在達(dá)到奇點(diǎn)時(shí)，會(huì)進(jìn)入一個(gè)子宇宙，在時(shí)空組中蕩漾……黑洞的探索黑洞的探索方法前面討論了這么多黑洞的問(wèn)題，那么我們?nèi)绾尾拍苡^察到黑洞呢？黑洞的探索，主要有兩種：其一，是靠探索黑洞的吸積盤在被黑洞吸收的過(guò)程中發(fā)出的強(qiáng)大的X光射線。這種觀察方法的弊病是，中子星由于將原來(lái)恒星的磁場(chǎng)都強(qiáng)制壓縮在了一個(gè)十分小的范圍，而已中子星也可以發(fā)出十分強(qiáng)的X光線輻射。不過(guò)現(xiàn)代的射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)可以在一定程度上克服這種問(wèn)題。其二，是通過(guò)測(cè)量旋轉(zhuǎn)的克爾黑洞在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候輻射出的引力能，或者是兩個(gè)相撞的黑洞在結(jié)合的時(shí)候釋放出來(lái)的大量引力能來(lái)確定黑洞的存在。但是這種方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)的器材的靈敏度的要求非常的高。即使是理論計(jì)算上輻射出的引力能最多的碰撞引力能，也就是兩個(gè)相撞的黑洞在結(jié)合的時(shí)候放出的引力能，達(dá)到地球的時(shí)候的潮汐力（潮汐力和時(shí)空曲率是同一個(gè)事物的不同名稱）強(qiáng)度最樂(lè)觀的估計(jì)也僅僅是，對(duì)海洋的作用僅僅是幾個(gè)原子半徑，因而想在宏觀的領(lǐng)域中找尋黑洞的引力波是不可能的了。不過(guò)也不是完全沒(méi)有辦法。天文學(xué)家們實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們通過(guò)理論物理學(xué)家們的理論啟發(fā)，對(duì)上述兩種可能的探測(cè)情況想出了相應(yīng)的措施。在射電天文方面，現(xiàn)在的天文學(xué)家的技術(shù)已經(jīng)十分成熟了。利用高能射電望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家已經(jīng)為一些黑洞的候選人拍了許多照片，并且被理論物理學(xué)家們正式為黑洞，比如天鵝星座星的伴星天鵝X，已經(jīng)肯定是一個(gè)黑洞了。在引力波的觀測(cè)方面，現(xiàn)在在使用的主要有兩中裝置：棒引力波探測(cè)器和光波回路探測(cè)器。棒引力探波探測(cè)器的主要工作原理，是通過(guò)一個(gè)十分巨大的金屬棒，以及在這個(gè)金屬棒的外表包裹粘貼了十分多的電磁波探測(cè)器。這些探測(cè)器的探測(cè)精度非常高，可以探測(cè)到這些金屬棒由于引力波的作用產(chǎn)生的在各個(gè)方向上受到的潮汐力的拉動(dòng)，以及這種拉動(dòng)效應(yīng)引起的金屬棒中的電磁波的小規(guī)模異常振動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流。在二十世紀(jì)末的時(shí)候，天文學(xué)家通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡得知在遙遠(yuǎn)的星系，有一個(gè)巨大的恒星爆發(fā)。通過(guò)對(duì)這個(gè)恒星爆發(fā)出的物質(zhì)和速度的計(jì)算，理論物理家們得知這個(gè)恒星的留下的核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于黑洞質(zhì)量下限，因此可以確定在這個(gè)方位一定會(huì)形成呢一個(gè)黑洞。但是十分可惜的是，在天文學(xué)家們得到這個(gè)消息，然后再通知理論物理學(xué)家計(jì)算的時(shí)候，全球的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們正在檢修他們的引力波探測(cè)器。于是，可以說(shuō)是一個(gè)世紀(jì)才幾次的十分珍貴的引力波探測(cè)的機(jī)會(huì)從我們的身邊溜走了。引力波的探測(cè)，不但可以幫助我們檢驗(yàn)我們對(duì)黑洞的計(jì)算是否正確，檢查相對(duì)論是否正確，還可以為我們帶來(lái)許多來(lái)自黑洞的訊息，告訴我們下一步應(yīng)該如何走，告訴我們黑洞還有哪些我們還不知道的資料。宇宙中的洞宇宙中的洞宇宙是十分巨大的，十分神秘、詭異，而黑洞是整個(gè)宇宙中可以說(shuō)是最神秘的星體了。但是是否在整個(gè)宇宙中只有黑洞這一種洞呢？是否一些神秘的線索都來(lái)源于黑洞呢？宇宙中的洞其實(shí)還有很多。除了黑洞，還有理論上的白洞、蟲(chóng)洞。白洞白洞是理論上通過(guò)對(duì)黑洞的類比而得到的一個(gè)十分“學(xué)者化”的理論產(chǎn)物。和白洞完全不一樣，白洞不會(huì)吸收任何物體，相反的，白洞會(huì)不斷釋放出物質(zhì)，包括基本粒子和場(chǎng)。白洞和黑洞一樣，有一個(gè)“視界”。不過(guò)和黑洞不一樣，時(shí)空曲率在這里是負(fù)無(wú)限大，也就是說(shuō)，在這里，白洞對(duì)外界的斥力達(dá)到無(wú)限大，即使是光筆直想白洞的奇點(diǎn)沖去，它也會(huì)在白洞的視界上完全停止住，不可能進(jìn)入白洞一步。理論上，白洞也可以根據(jù)是否旋轉(zhuǎn)，是否旋轉(zhuǎn)，是否帶有電荷分類，但是理論物理學(xué)家們認(rèn)為，白洞的無(wú)限大的斥力會(huì)迫使白洞不帶有任何電荷，因?yàn)殡姾珊苋菀拙捅悔s到了視界外。而旋轉(zhuǎn)，也被認(rèn)為是不可能的。不過(guò)白洞看來(lái)只可能是一種想象中的產(chǎn)物。因?yàn)槿绻锥床晃杖魏挝矬w而僅僅是噴射物質(zhì)，那么無(wú)論這個(gè)白洞的質(zhì)量有多大，它的物質(zhì)也會(huì)很快地被噴射光。當(dāng)然，物理學(xué)家們也為白洞提供了幾個(gè)存在的想法，其中有的人認(rèn)為白洞和黑洞通過(guò)蟲(chóng)洞連接。關(guān)于這種機(jī)制，我們會(huì)在后面的關(guān)于蟲(chóng)洞的介紹中說(shuō)明。我也有自己的看法：我認(rèn)為白洞并不輻射出物質(zhì)，它僅僅是擁有無(wú)限大的斥力，將一切靠近它的物體都排斥掉，而在它自己內(nèi)部的位置卻不會(huì)被輻射出去。蟲(chóng)洞蟲(chóng)洞的出現(xiàn)，幾乎何以說(shuō)是和黑洞同時(shí)的。在史瓦西發(fā)現(xiàn)了史瓦西黑洞以后，理論物理學(xué)家們對(duì)愛(ài)因斯坦常方程的史瓦西解進(jìn)行了幾乎半個(gè)世紀(jì)的探索。包括上面說(shuō)過(guò)的克爾解、雷斯勒——諾斯特朗姆解以及后來(lái)的紐曼解，都是圍繞史瓦西的解研究出來(lái)的成果。我在這里將介紹給大家的蟲(chóng)洞，也是史瓦西的后代。蟲(chóng)洞在史瓦西解中第一次出現(xiàn)，是當(dāng)物理學(xué)家們想到了白洞的時(shí)候。他們通過(guò)一個(gè)愛(ài)因斯坦的思想實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)時(shí)空可以不是平坦的，而是彎曲的。在這種情況下，我們會(huì)十分的發(fā)現(xiàn)，如果恒星形成了黑洞，那么時(shí)空在史瓦西半徑，也就是視界的地方是與原來(lái)的時(shí)空完全垂直的。在不是平坦的宇宙時(shí)空中，這種結(jié)構(gòu)就以為著黑洞的視界內(nèi)的部分會(huì)與宇宙的另一個(gè)部分相結(jié)合，然后在那里產(chǎn)生一個(gè)洞。這個(gè)洞可以是黑洞，也可以是白洞。而這個(gè)彎曲的視界，叫史瓦西喉，也就是一種特定的蟲(chóng)洞。自從在史瓦西解中發(fā)現(xiàn)了蟲(chóng)洞，物理學(xué)家們就開(kāi)始對(duì)蟲(chóng)洞的性質(zhì)感到好奇。我們先來(lái)看一個(gè)蟲(chóng)洞的經(jīng)典作用：連接黑洞和白洞，成為一個(gè)愛(ài)因斯坦——羅森橋，將物質(zhì)在黑洞的奇點(diǎn)處被完全瓦解為基本粒子，然后通過(guò)這個(gè)蟲(chóng)洞（即愛(ài)因斯坦——羅森橋）被傳送到這個(gè)白洞的所在，并且被輻射出去。當(dāng)然，前面說(shuō)的僅僅是蟲(chóng)洞作為一個(gè)黑洞和白洞之間傳送物質(zhì)的道路，但是蟲(chóng)洞的作用遠(yuǎn)不只如此。黑洞和黑洞之間也可以通過(guò)蟲(chóng)洞連接，當(dāng)然，這種連接無(wú)論是如何的將強(qiáng)，它還是僅僅是一個(gè)連通的“宇宙監(jiān)獄”。蟲(chóng)洞不僅可以作為一個(gè)連接洞的工具，它還開(kāi)宇宙的正常時(shí)空中出現(xiàn)，成為一個(gè)突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道。蟲(chóng)洞沒(méi)有視界，踏有的僅僅是一個(gè)和外界的分解面。蟲(chóng)洞通過(guò)這個(gè)分解面和超空間連接，但是在這里時(shí)空曲率不是無(wú)限大。就好比在一個(gè)在平面中一條曲線和另一條曲線相切，在蟲(chóng)洞的問(wèn)題中，它就好比是一個(gè)四維管道和一個(gè)三維的空間相切，在這里時(shí)空曲率不是無(wú)限大。因而我們現(xiàn)在可以安全地通過(guò)蟲(chóng)洞，而不被巨大的引力所摧毀。那么蟲(chóng)洞都有些什么性質(zhì)呢？利用相對(duì)論在不考慮一些量子效應(yīng)和除引力以外的任何能量的時(shí)候，我們得到了一些十分簡(jiǎn)單、基本的關(guān)于蟲(chóng)洞的描述。這些描述十分重要，但是由于我們研究的重要是黑洞，而不是宇宙中的洞，因此我在這里只簡(jiǎn)單介紹一下蟲(chóng)洞的性質(zhì)，而對(duì)于一些相關(guān)的理論以及這些理論的描述，這里先不涉及。蟲(chóng)洞有些什么性質(zhì)呢？最主要的一個(gè)，是相對(duì)論中描述的，用來(lái)作為宇宙中的告訴火車。但是，蟲(chóng)洞的第二個(gè)重要的性質(zhì)，也就是量子理論告訴我們的東西又明確的告訴我們：蟲(chóng)洞不可能成為一個(gè)宇宙的告訴火車。蟲(chóng)洞的存在，依賴于一種奇異的性質(zhì)和物質(zhì)，而這種奇異的性質(zhì)，就是負(fù)能量。只有負(fù)能量才可以維持蟲(chóng)洞的存在，保持蟲(chóng)洞與外界時(shí)空的分解面持續(xù)打開(kāi)。當(dāng)然，狄拉克在芬克爾斯坦參照系的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了參照系的選擇可以幫助我們更容易或者難地來(lái)分析物理問(wèn)題。同樣的，負(fù)能量在狄拉克的另一個(gè)參照系中，是非常容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槟芰康谋憩F(xiàn)形式和觀測(cè)物體的速度有關(guān)。這個(gè)結(jié)論在膜規(guī)范理論中同樣起到了十分重要的作用。根據(jù)參照系的不同，負(fù)能量是十分容易實(shí)現(xiàn)的。在物體以近光速接近蟲(chóng)洞的時(shí)候，在蟲(chóng)洞的周圍的能量自然就成為了負(fù)的。因而以接近光速的速度可以進(jìn)入蟲(chóng)洞，而速度離光速太大，那么物體是無(wú)論如何也不可能進(jìn)入蟲(chóng)洞的。這個(gè)也就是蟲(chóng)洞的特殊性質(zhì)之一。但是蟲(chóng)洞并沒(méi)有這么太平。前面說(shuō)的是在安靜的相對(duì)論中的蟲(chóng)洞，在暴躁的量子理論中，蟲(chóng)洞的性質(zhì)又有了十分重要的變化。我們想先來(lái)看在黑洞中的蟲(chóng)洞，也就是史瓦西喉和奇點(diǎn)周圍形成的子宇宙。黑洞周圍的量子真空漲落在黑洞巨大引力的作用下，會(huì)被黑洞的引力能“喂”大，成為十分的能量輻射。這種能量會(huì)毫不留情地將一切形式的蟲(chóng)洞摧毀。在沒(méi)有黑洞包圍的蟲(chóng)洞中，由于同樣的沒(méi)有黑洞巨大引力的“喂養(yǎng)”，蟲(chóng)洞本身也不可能開(kāi)啟太久。蟲(chóng)洞有很大幾率被隨機(jī)打開(kāi)，但是有更大的幾率突然消失。蟲(chóng)洞打開(kāi)的時(shí)間十分短，僅僅是幾個(gè)普朗克時(shí)間。在如此短的“壽命”中，即使是光也不可能走完蟲(chóng)洞的一半旅途，而在半路由于蟲(chóng)洞的消失而在整個(gè)時(shí)空中消失，成為真正的四維時(shí)空組旅行者。而且，在沒(méi)有物體通過(guò)蟲(chóng)洞的時(shí)候，蟲(chóng)洞還比較“長(zhǎng)壽”，而一旦有物體進(jìn)入了蟲(chóng)洞，如果這個(gè)物體是負(fù)能量的，那么還好，蟲(chóng)洞會(huì)被撐開(kāi)；但是如果物體是正能量的，那么蟲(chóng)洞會(huì)在自己“自然死亡”以前就“滅亡”掉。而在宇宙中，幾乎無(wú)時(shí)無(wú)刻不存在能量輻射通過(guò)宇宙的每一個(gè)角落，而這些輻射都是正能量的，因此幾乎可以肯定，在自然情況下是不存在蟲(chóng)洞的。那么蟲(chóng)洞是如何產(chǎn)生的呢？蟲(chóng)洞的自然產(chǎn)生機(jī)制有兩種：其一，是黑洞的強(qiáng)大引力能；其二，是克爾黑洞的快速旋轉(zhuǎn)，其倫斯——梯林效應(yīng)將黑洞周圍的能層中的時(shí)空撕開(kāi)一些小口子。這些小口子在引力能和旋轉(zhuǎn)能的作用下被擊穿，成為一些十分小的蟲(chóng)洞。這些蟲(chóng)洞在黑洞引力能的作用下，可以確定它們的出口在那里，但是現(xiàn)在還不可能完全完成，因?yàn)榱孔永碚摵拖鄬?duì)論還沒(méi)有完全結(jié)合。理論介紹之相對(duì)論幾個(gè)重要理論的介紹這里介紹的，自然都是和黑洞有關(guān)的理論，包括相對(duì)論、量子理論、超弦、M理論、超引力、克萊茵——卡魯扎理論。介紹他們，是因?yàn)槲覀儗?shí)在需要知道一些足夠的概念和思維方式，來(lái)接受接下來(lái)的東西。相對(duì)論到現(xiàn)在位置，任何理論都沒(méi)有相對(duì)論這樣優(yōu)美，這樣博大精深，這樣深刻。相對(duì)論分為狹義和廣義兩部分，但是無(wú)論是哪個(gè)，理論的主要思想就是參照系的轉(zhuǎn)換。狹義相對(duì)論就不用說(shuō)了，這個(gè)是基本的知識(shí)，但是在廣義相對(duì)論中，要理解參照系的轉(zhuǎn)換和引力的關(guān)系就難了。我們來(lái)看一下兩個(gè)在廣義相對(duì)論中的式子：然后來(lái)看這個(gè)參照系轉(zhuǎn)換的式子：現(xiàn)在，也許大家就可以明白廣義相對(duì)論引力理論的含義了。它其實(shí)就是通過(guò)黎曼幾何來(lái)描述引力引起的時(shí)空變換，而物體的慣性運(yùn)動(dòng)就是在這種時(shí)空變換下的參照系變換（不過(guò)這里愛(ài)因斯坦無(wú)意之間默認(rèn)了“以太”的存在，當(dāng)然這里以太不是以前說(shuō)的那個(gè)以太，這里的以太就是平直時(shí)空本身）以及對(duì)應(yīng)的直線的同胚映射。我不想對(duì)相對(duì)論說(shuō)太多，只要大家了解一下相對(duì)論中的幾個(gè)重要的思想：任何慣性系和引力非慣性系是對(duì)等的；物體在慣性系和引力非慣性系中的運(yùn)動(dòng)都是沿著時(shí)空幾何的測(cè)地線運(yùn)動(dòng)的。我們只要了解這些就可以了，因?yàn)槲覀儾皇且パ芯肯鄬?duì)論，僅僅是為了看這篇文章而已?，F(xiàn)在來(lái)解釋一下相對(duì)論中引力的非線形。線形，就是一個(gè)量的總體是部分的和（也就是一個(gè)集合有一個(gè)覆蓋）。而非線形就是一個(gè)量的總體大于或者小于部分的和（不存在覆蓋的集合）。我們現(xiàn)在看的引力就屬于總體大于部分的和的那種。恒星消失在了奇點(diǎn)周圍，把質(zhì)量大部分轉(zhuǎn)換為了引力能（這里說(shuō)的是恒星被分解為基本粒子的情況。如果是被完全轉(zhuǎn)化，那么引力能更加強(qiáng)。而如果是進(jìn)入了蟲(chóng)洞或者形成了其他的子宇宙，那么對(duì)應(yīng)的能量就十分小了），然后非線形這個(gè)萬(wàn)能膠水將引力能和時(shí)空、奇點(diǎn)粘在了一起，繼續(xù)展現(xiàn)在外界時(shí)空中。引力非線形的來(lái)源，就是引力波之間的相互作用。雖然一個(gè)引力波的方向和振動(dòng)不干涉另一個(gè)引力波的行為，但是引力波之間仍然存在引力作用。就是這個(gè)引力作用使得引力波傳到空間中的一個(gè)位置以后的發(fā)生的次波比其他力的次波來(lái)的強(qiáng)，因而可以維持黑洞的存在。接著。來(lái)描述一下時(shí)空的一些性質(zhì)和區(qū)別閩可夫斯基統(tǒng)一了空間和時(shí)間，統(tǒng)一為時(shí)空。同時(shí)他也告訴我們平直時(shí)空中兩個(gè)世界點(diǎn)之間的時(shí)空間隔的明確定義，以及告訴我們時(shí)空是可以任意互化的。但是后來(lái)人們對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)告訴我們：時(shí)間和空間的區(qū)別是非常大的。在正常的時(shí)空區(qū)域中，物體在時(shí)間中的運(yùn)動(dòng)方向是固定的，而在空間中的運(yùn)動(dòng)方向是任意的。這種方向的固定，被稱為“類時(shí)”，而方向的任意被稱為“類空”。在一般的時(shí)空區(qū)域，類時(shí)和類空是兩個(gè)相互對(duì)立的性質(zhì)。但是在黑洞中，類時(shí)和類空是相對(duì)的了。在這里，黑洞中的時(shí)間是類空的，而空間是類時(shí)的。這個(gè)是什么意思？原來(lái)在這里任何物體無(wú)論在什么時(shí)候，運(yùn)動(dòng)的方向只有一個(gè)：朝向奇點(diǎn)。而時(shí)間的方向卻是任意的。無(wú)論你從哪個(gè)時(shí)候看，物體總是向著黑洞奇點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)改變。理論介紹之量子理論量子理論量子理論和相對(duì)論幾乎是同一個(gè)時(shí)期的產(chǎn)物，是引起人們對(duì)時(shí)空、物質(zhì)看法根本改變的兩個(gè)重要理論之一。它和相對(duì)論之間的差別十分明顯：一個(gè)研究的是宏觀的時(shí)空，一個(gè)研究的是微觀的粒子；一個(gè)外觀十分優(yōu)美，一個(gè)外觀十分簡(jiǎn)陋。但是他們的威力都是巨大的，無(wú)法阻擋的。而且，量子理論雖然丑陋，但是量子理論絕對(duì)是一個(gè)比相對(duì)論的范圍更加大的理論。不單單是從他們涉及的物體、能量來(lái)看是這樣，哪怕從其他方面來(lái)看也是這樣。物體、粒子的波粒二相形、真空量子漲落、測(cè)不準(zhǔn)都是已經(jīng)被證實(shí)的東西（實(shí)驗(yàn)例子分別有光子和電磁波的互相轉(zhuǎn)化或者電子雙縫干涉，激光發(fā)射器和熒光燈中的光子閃動(dòng)噪聲，引力波探測(cè)器——棒一起上的自發(fā)振動(dòng)），而這些在相對(duì)論中都沒(méi)有包含，因而在一些輻射問(wèn)題上，相對(duì)論永遠(yuǎn)沒(méi)辦法和量子理論相提并論。在量子理論中，沒(méi)有任何具體事情是確定的，唯一可以確定的，是這些具體事情發(fā)生的概率。在量子理論中，你可以相信的是一個(gè)事情有多少發(fā)生的概率，而不是事情會(huì)怎么發(fā)生。物理定律在量子理論的范圍中，和數(shù)學(xué)在賭博中一樣，完全無(wú)法確定。連最起碼的能量守恒，在這里也僅僅是概率和檢測(cè)時(shí)間的問(wèn)題而已（利用測(cè)不準(zhǔn)時(shí)間——能量方程可以知道，如果能量守恒，那么你必須用無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)觀察。如果你觀察的時(shí)間有限，那么無(wú)論你的觀察區(qū)域有多大，能量總會(huì)或多或少地發(fā)生改變，即使是觀察整個(gè)宇宙的總能量的變化）。而且，只要你得到的時(shí)間足夠多，你可以有一秒的時(shí)間，讓一百噸的黃金出現(xiàn)在你的身邊（你所需要的時(shí)間可以讓組成你的身體的黃金的原子中的質(zhì)子“輪回”1000次以上）。在量子理論的范圍中，我們不能確定除了概率以外的任何東西，但是量子理論的一些概念還是有必要來(lái)知道一下的。比如普朗克長(zhǎng)度、面積和時(shí)間。他們是將光速、萬(wàn)有引力常數(shù)和普朗克常數(shù)進(jìn)行機(jī)智的組合以后得到的三個(gè)描述時(shí)空性質(zhì)的重要數(shù)據(jù)（此外也說(shuō)明了萬(wàn)有引力常數(shù)和時(shí)空的屬性相關(guān)，而不單單只是一個(gè)引力上的數(shù)據(jù)。從而告訴量子專家們引力其實(shí)是時(shí)空的事，而其他的力不是）。在普朗克長(zhǎng)度（或者面積）范圍中，空間是完全混亂的、分離的、量子化的。惠勒曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，在普朗克范圍內(nèi)，空間是由一個(gè)個(gè)分離的量子泡沫。此外，奇點(diǎn)的大小就是普朗克長(zhǎng)度，而遇到奇點(diǎn)的物體都被奇點(diǎn)撕成了量子泡沫。而普朗克面積則被引用到了黑洞三定律中，被用來(lái)計(jì)算黑洞的熵（可見(jiàn)這個(gè)面積還有一些十分重要的性質(zhì)沒(méi)有被人們發(fā)現(xiàn)）。普朗克時(shí)間范圍中，事件發(fā)生的時(shí)間是完全混亂的，沒(méi)有誰(shuí)發(fā)生得早，誰(shuí)發(fā)生得晚的區(qū)別，有的是兩個(gè)事件之間誰(shuí)早誰(shuí)晚的分布概率。普朗克時(shí)間在宇宙的開(kāi)端問(wèn)題中被廣泛應(yīng)用到了：宇宙在誕生以后的普朗克時(shí)間內(nèi)，從一個(gè)基爆漲成了許多半徑一光秒的泡沫，這些泡沫是同胚的（它們之間的一些反應(yīng)和一些在黑洞中揭示的數(shù)學(xué)原理一樣，表明了同胚的重要性），然后開(kāi)始膨脹，同時(shí)這些泡沫之間發(fā)生了許多破裂、中和等反應(yīng)，我們所在的宇宙僅僅是這些泡沫中的一個(gè)（在這里我用了拓?fù)渲械恼f(shuō)法，沒(méi)有按照原文來(lái)。我認(rèn)為這樣更加容易理解和推廣）。在量子理論中，我們現(xiàn)在需要了解的是：1，三個(gè)普朗克分界值；2，測(cè)不準(zhǔn)原理；3，波粒二相形；4，真空漲落，等價(jià)于海森堡借貸；5，事物的量子化（指一切事物，包括場(chǎng)、能量、時(shí)空等）；6，力是靠力傳播粒子來(lái)傳遞的。在量子理論中，一切力都是由力傳播粒子來(lái)傳遞的，引力自然也是。引力的非線形現(xiàn)象用量子理論，也可以得到一個(gè)圓滿的解釋。引力子是引力的傳播粒子，自身的質(zhì)量為0，以光速運(yùn)動(dòng)，自旋為2。引力子雖然沒(méi)有質(zhì)量，但是它不想光子那樣，彼此互不干涉，引力子之間會(huì)在輻射出一個(gè)次一級(jí)的引力子，發(fā)生相互作用，同時(shí)引力子在相互碰撞的時(shí)候，也會(huì)發(fā)生耦合。因而，物體發(fā)出的引力子，在傳遞到其他物體上的時(shí)候，引力子自身已經(jīng)反應(yīng)過(guò)了，而且傳遞到對(duì)方物體上的引力的數(shù)目理論上是增加了，但是強(qiáng)度和方向卻發(fā)生了變化。然后，來(lái)看看霍金輻射?；艚疠椛涞漠a(chǎn)生機(jī)制，有許多種。我們這里來(lái)講兩種。就是真空漲落。根據(jù)波粒二相形我們知道，任何形式的能量波動(dòng)都對(duì)應(yīng)一種獨(dú)特形式的粒子存在。真空漲落現(xiàn)象中，雖然總能量為0，不變，但是能量在各個(gè)足夠小的區(qū)域中是在不斷隨機(jī)變化的。因而就會(huì)出現(xiàn)許多疊加在一起隨機(jī)的波。這些波對(duì)應(yīng)于粒子，因而就會(huì)有許多粒子——虛粒子對(duì)存在。這些粒子——虛粒子對(duì)就是狄拉克海洋（區(qū)別于量子泡沫）。它們?cè)谌魏螘r(shí)空中不斷地成對(duì)出現(xiàn)，然后在普朗克時(shí)間范圍內(nèi)消失。如果外界可以給予它們一些能量，讓它們?cè)谄绽士朔秶鷥?nèi)可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)到二分之一個(gè)波長(zhǎng)或者更長(zhǎng)的地方，那么它們就可以分開(kāi)，成為實(shí)實(shí)在在的粒子和反粒子。現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)地最多的這種應(yīng)用，電燈。舊量子理論（在1926年以前的量子理論，區(qū)別于現(xiàn)在的量子理論）中可以用原子模型以及軌道能量來(lái)解釋，但是其實(shí)質(zhì)仍然是真空漲落。電流或者是其他形式的能量激發(fā)燈絲或者其他物質(zhì)的原子周圍的空間中的真空漲落產(chǎn)生的粒子——虛粒子對(duì)分開(kāi)，從而產(chǎn)生了光。因?yàn)楣庾拥姆戳Ｗ踊锇槿匀皇枪庾?，因而這種輻射需要的能量不是十分高。比如高溫可以使得金屬發(fā)出光來(lái)，但是要金屬發(fā)出電子——正電子偶素，就十分困難了，需要的溫度可以融化一切金屬。在黑洞周圍，黑洞的引力能給予周圍的空間巨大的能量，于是在潮汐力的作用下，粒子——虛粒子對(duì)快速地分開(kāi)了。如果可以在普朗克時(shí)間內(nèi)，使得一個(gè)粒子進(jìn)入視界而另一個(gè)沒(méi)有，那么這個(gè)沒(méi)有進(jìn)入黑洞的粒子（或者反粒子）就會(huì)脫離海森堡能量借貸的契約，輻射出去。也就是說(shuō)，粒子——虛粒子對(duì)欠了周圍空間的能量，而黑洞幫忙償還了這筆能量，同時(shí)吸收了一個(gè)反粒子（或者粒子），同時(shí)將粒子（或者反粒子）釋放。是量子隧穿效應(yīng)。被黑洞吞噬的物質(zhì)的粒子，在黑洞中告訴震蕩。如果他們?cè)诤Ｉつ芰拷栀J的幫助下，得到了足夠的能量，從而可以在普朗克時(shí)間內(nèi)突破視界這個(gè)能量位壘（或者叫勢(shì)壘），那么它就可以穿過(guò)視界，達(dá)到黑洞外部。然而，無(wú)論是什么情況，海森堡能量借貸都充當(dāng)了一個(gè)能量的銀行，而粒子是貸款的人。如果在普朗克時(shí)間范圍內(nèi)，粒子可以逃脫“法律（引力）”的制裁，達(dá)到“國(guó)外（視界外）”，那么它就自由了，而它欠下的“債”，有“國(guó)家（黑洞）”來(lái)償還。理論介紹之其它超弦超弦的前生是弦理論，原本是用來(lái)描述強(qiáng)相互作用力的理論。在強(qiáng)力的領(lǐng)域，沒(méi)有量子色動(dòng)力學(xué)突出。但是在進(jìn)行了超對(duì)稱操作以后，發(fā)現(xiàn)它比量子色動(dòng)力學(xué)更加優(yōu)秀，而且可以描寫其他力的作用了。超弦最主要的問(wèn)題，是它現(xiàn)在不能告訴我們它是什么樣的。我們手上有的，是超弦的模子，而從這個(gè)模子中，我們得到了異常多的超弦理論。人們現(xiàn)在在利用自洽性、可重整化和是否有發(fā)散問(wèn)題來(lái)驗(yàn)證，什么樣的理論是合理的。超弦的這個(gè)缺點(diǎn)并不妨礙它的發(fā)展，更不會(huì)妨礙超弦的一些重要概念的深入人心。在超弦中，相對(duì)論和量子理論通過(guò)弦結(jié)合在了一起。弦可以十分好的解釋波粒二相形、測(cè)不準(zhǔn)原理以及真空量子漲落，同時(shí)弦又可以描述為類似橡皮筋一般的拉伸，來(lái)符合彎曲時(shí)空的相對(duì)論理論?？傊沂橇孔永碚摵拖鄬?duì)論最可能的結(jié)合場(chǎng)所。在超弦中，我們需要知道的是：一切物質(zhì)，包括場(chǎng)、時(shí)空和能量，都是由弦構(gòu)成的。宇宙的維度是10，除了4維時(shí)空，其它6個(gè)維度蜷縮在普朗克長(zhǎng)度范圍內(nèi)，而物體的許多內(nèi)秉屬性就是表現(xiàn)在這6個(gè)維度上的。在超弦中，弦分為兩種：開(kāi)弦和閉弦。開(kāi)弦以弦為主體，兩端不相連，各有一個(gè)荷——大統(tǒng)一力的源；閉弦以環(huán)為主體，弦的兩端相連，在弦上有一個(gè)荷。超引力和克萊茵——卡魯扎理論和超弦一樣，超引力同樣引入了超對(duì)稱這種數(shù)學(xué)工具。不過(guò)不同的是，超引力是對(duì)原本的引力定律相對(duì)論進(jìn)行超對(duì)稱操作。經(jīng)過(guò)超對(duì)稱處理以后的相對(duì)論，從原本的4個(gè)維度拓展到了11個(gè)維度。超引力的理論基礎(chǔ)是：除了引力以外的3種力其實(shí)都是引力的不同側(cè)面，而超對(duì)稱就恰好就是描述這種側(cè)面性質(zhì)的不二選擇?？巳R茵曾對(duì)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論進(jìn)行過(guò)一些嘗試性的修改，結(jié)果將4維的引力理論拓展到了5維中，并且在保持引力部分不變的同時(shí)，自然地將麥克斯威方程組引入了這個(gè)克萊茵場(chǎng)方程中了。隨后在克萊茵和卡魯扎的合作下，愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程被拓展為了11維的克萊茵——卡魯扎場(chǎng)方程，從而應(yīng)用到了TOE理論的研究中。在這里介紹超引力和克萊茵——卡魯扎理論，是為了在說(shuō)明某些問(wèn)題的時(shí)候更加方便?？捶ㄏ敕ㄖ钪姹O(jiān)督看法、想法和方法光看其他人的東西，不是研究。研究，就必須要有自己的思想。即使是這個(gè)現(xiàn)在研究起來(lái)還太早的東西，沒(méi)有一些看法，就不是研究課題了。對(duì)彭羅斯宇宙監(jiān)督定理的看法宇宙監(jiān)督定理，到現(xiàn)在為止還僅僅是一個(gè)猜想，它猜想在每一個(gè)奇點(diǎn)外面都會(huì)有一個(gè)視界包圍著，防止奇點(diǎn)將它的奇異性質(zhì)拋到外面整個(gè)宇宙時(shí)空中。彭羅斯曾經(jīng)用拓?fù)涞姆椒?，十分?yōu)美的解釋了黑洞無(wú)毛定理的一個(gè)十分重要的部分：任意形狀的任何星體，只要符合了環(huán)猜想，就一定會(huì)塌縮為一個(gè)黑洞，而且這個(gè)黑洞的形狀一定是利用它的角速度、電荷和質(zhì)量唯一確定的。此外，彭羅斯用他的數(shù)學(xué)工具，和霍金一起證明了一個(gè)宇宙學(xué)的重要問(wèn)題：宇宙如果起源于一個(gè)奇點(diǎn)，那么宇宙必定會(huì)終結(jié)在一個(gè)奇點(diǎn)中。但是，我們到現(xiàn)在還僅僅只能用一些相對(duì)論、量子理論在多重微擾論（微擾論：一種為了是煩瑣的微積分方程擁有有意義的結(jié)果的近似運(yùn)算規(guī)則體系）作用下，從許多看來(lái)是正確的假設(shè)中得到“它可能是正確的”這條信息。宇宙監(jiān)督定理（和費(fèi)馬定理一樣，雖然僅僅是一個(gè)猜想，但是它所帶來(lái)的東西卻和定理一樣珍貴，因而人們還是沿用了“定理”這個(gè)稱號(hào)）是彭羅斯帶來(lái)的，彭羅斯也帶來(lái)了拓?fù)洌覀儸F(xiàn)在便要用拓?fù)涞难酃鈦?lái)看這個(gè)問(wèn)題。彭羅斯的到來(lái)，為物理學(xué)帶來(lái)了拓?fù)洹６負(fù)涞牡絹?lái)，將一直困繞在物理學(xué)家心中的黑洞形成問(wèn)題中的重要一環(huán)：大質(zhì)量恒星的塌縮是否一定會(huì)形成奇點(diǎn)？拓?fù)涫茄芯课矬w內(nèi)在屬性的數(shù)學(xué)工具，在研究物體的外在表現(xiàn)形式之一的引力效應(yīng)的時(shí)候，到底有什么作用呢？同時(shí)，彭羅斯在利用拓?fù)浣鉀Q了奇點(diǎn)問(wèn)題以后，又提出了宇宙監(jiān)督猜想，這個(gè)猜想是否可能被證明呢？宇宙的奇點(diǎn)是否真的那么“不安分”呢？我們?cè)谶@里提出一種想法，一種看法，是從拓?fù)涞臍W拉示性數(shù)入手的一種方法。拓?fù)淇从钪姹O(jiān)督定理我在這里使用的是拓?fù)鋵W(xué)中的基礎(chǔ)知識(shí)：歐拉示性數(shù)的計(jì)算。歐拉示性數(shù)可以表達(dá)為：，其中的為n維基本幾何體的數(shù)目。比如點(diǎn)為0維基本幾何體，線為1維基本幾何體。在了解如何利用拓?fù)鋪?lái)解決宇宙監(jiān)督定理以前，先來(lái)看看我們要使用的數(shù)學(xué)工具：幾何體的基本運(yùn)算。這里說(shuō)的幾何的運(yùn)算就是物體拓?fù)淇臻g展開(kāi)圖的基本操作。最基本的操作有3種：分割（重分）、粘合（合并）和彎折（卷縮）。其中用以計(jì)算歐拉示性數(shù)的最基本操作就是粘合。粘合時(shí)的歐拉示性數(shù)變化公式為：，其中的V面表示的是粘合面的歐拉示性數(shù)，V1、V2表示的是兩個(gè)分開(kāi)物體的歐拉示性數(shù)，V12表示粘合以后的聯(lián)合體的歐拉示性數(shù)。特別的，當(dāng)一個(gè)物體自身的一部分與自身另一部分粘合的時(shí)候，看做這個(gè)物體的一個(gè)拷貝的A1部分和B1部分和原來(lái)物體的B部分、A部分的粘合。由于分割操作可以看成是粘合操作的逆操作，于是分割的計(jì)算和粘合的計(jì)算互逆，即：其中的V合表示原來(lái)物體的歐拉示性數(shù)，V面是分割面的歐拉示性數(shù)，V1是分割得到的另一部分的歐拉示性數(shù)。彎折可以看是將一個(gè)物體分割以后在重新粘合，因此彎折操作只改變物體的外形而不改變它的歐拉示性數(shù)。然后來(lái)看替代這個(gè)聯(lián)合操作。替代操作即使就是將一個(gè)物體先分割，然后將分割得到的物體中的其中某些部分和另一個(gè)物體粘合。在粘合的時(shí)候，物體可以做同胚變換來(lái)適合新的位置和大小。在拓?fù)渲?，同胚變換保持物體的所有拓?fù)湫再|(zhì)不變，包括歐拉示性數(shù)這個(gè)拓?fù)湫再|(zhì)。它的公式如下：其中的V原表示原來(lái)原來(lái)物體的歐拉示性數(shù)，V新表示替換上的物體的歐拉示性數(shù)，V舊表示被替換的部分的歐拉示性數(shù)?，F(xiàn)在有了足夠的數(shù)學(xué)工具，我們就可以來(lái)看宇宙監(jiān)督定理了?，F(xiàn)來(lái)看黑洞出現(xiàn)以前的宇宙的歐拉示性數(shù)V宇。宇宙由于是有限無(wú)界的，所以宇宙的歐拉示性數(shù)就是0。（不是所有的有限無(wú)界的幾何體的歐拉示性數(shù)都是0，這個(gè)和物體的維度有關(guān)。比如有限無(wú)界的面——球面——的歐拉示性數(shù)就是2。關(guān)于歐拉示性數(shù)的物理含義在附錄中會(huì)說(shuō)到。）然后來(lái)看一個(gè)有限有界的空間的歐拉示性數(shù)V空。一個(gè)有限有界的空間，無(wú)論形狀如何，都和一個(gè)正方體同胚，所以只要看正方體的歐拉示性數(shù)就可以了。（一些無(wú)限無(wú)界的幾何體——如開(kāi)球，一種沒(méi)有邊界的球；開(kāi)區(qū)間，沒(méi)有端點(diǎn)的線段——就和正方體不同胚，但是和（0，1）這個(gè)開(kāi)區(qū)間同胚。應(yīng)該還有一些是無(wú)限有界的幾何體，由于比較特殊，我至今沒(méi)有找到。）而正方體的歐拉示性數(shù)就是1，因此一個(gè)有限有界的空間的歐拉示性數(shù)就是1了。最后來(lái)看看黑洞的歐拉示性數(shù)V黑。在黑洞中，由于空間的類時(shí)性和時(shí)間的類空性（在計(jì)算歐拉示性數(shù)的時(shí)候主要使用空間的類時(shí)性，時(shí)間的類空性不考慮），因此在黑洞中央有一個(gè)奇點(diǎn)，在周圍還有一些點(diǎn)，而這些點(diǎn)組成的弦是輻射狀的，只有向外輻射出去的線，但是沒(méi)有其他和視界平行的線。就好象一個(gè)地球模型，只是這里之后經(jīng)線，沒(méi)有緯線。不過(guò)，黑洞這個(gè)幾何體看上去復(fù)雜，其實(shí)只要將黑洞進(jìn)行充分的分割和，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它其實(shí)是有許多錐狀時(shí)空粘合成（這里說(shuō)錐狀時(shí)空是因?yàn)槌诵螤钕皴F子，其他性質(zhì)和一般的物體是不一樣的。這里可以用錐子來(lái)進(jìn)行計(jì)算是因?yàn)橥負(fù)渲蛔⒅貛缀误w的拓?fù)湫再|(zhì)，和幾何體所代表的實(shí)體的性質(zhì)沒(méi)有關(guān)系。當(dāng)然，黑洞的一些屬性也是可以用拓?fù)湫再|(zhì)來(lái)描述的，比如可以用拓?fù)渲械倪B通性來(lái)確定黑洞的視界內(nèi)的一些性質(zhì)。但是這些性質(zhì)在歐拉示性數(shù)上的顯示是不顯著的，我們不必考慮它）。由于錐子的歐拉示性數(shù)是1，而錐子和錐子之間的粘合面是一個(gè)三角形，三角形的歐拉示性數(shù)還是1，因此黑洞這個(gè)粘合體的歐拉示性數(shù)就是1了（利用粘合公式計(jì)算）?，F(xiàn)在來(lái)看有視界和沒(méi)有視界這兩個(gè)情況下宇宙歐拉示性數(shù)的變化。在有視界的時(shí)候，宇宙歐拉示性數(shù)的改變可以用替換的公式計(jì)算，答案就是0?，F(xiàn)在的關(guān)鍵是在黑洞沒(méi)有世界的時(shí)候，歐拉示性數(shù)的改變應(yīng)該如何計(jì)算呢？相對(duì)論和量子理論告訴我們，如果黑洞沒(méi)有視界，那么黑洞中間奇點(diǎn)的奇異性就會(huì)暴露在離它任何距離的觀測(cè)者的面前。因此我們可以知道，所謂的黑洞沒(méi)有視界，說(shuō)的就是黑洞變成和宇宙一樣，成了一個(gè)有限無(wú)界的幾何體了。更進(jìn)一步說(shuō)，就是宇宙整個(gè)被黑洞替換了。但是問(wèn)題沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。黑洞成為一個(gè)有限無(wú)界體以后，一些性質(zhì)就發(fā)生了變化。比如將線段變成圓以后，歐拉示性數(shù)也發(fā)生了變化。當(dāng)黑洞從一個(gè)有限有界體邊成一個(gè)有限無(wú)界體的時(shí)候，歐拉示性數(shù)也發(fā)生了變化。首先看，一個(gè)點(diǎn)的歐拉示性數(shù)：1；一個(gè)球面的歐拉示性數(shù)：2。在黑洞成為一個(gè)吞沒(méi)了整個(gè)宇宙的巨大黑洞的時(shí)候，它在拓?fù)渲芯屯哂趦蓚€(gè)黑洞的奇點(diǎn)和視界完全粘合以后的幾何體。根據(jù)上面的粘合公式，我們可以知道：，于是，因而宇宙的歐拉示性數(shù)發(fā)生了改變。由于宇宙在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，僅僅是改變了內(nèi)部的時(shí)空和物質(zhì)的布置，而不改變時(shí)空本身的屬性，因而歐拉示性數(shù)應(yīng)該是不發(fā)生改變的。因而可以知道，凡是歐拉示性數(shù)發(fā)生改變的事件，都是宇宙本身所禁止的。因而，只要恒星形成了奇點(diǎn)，那么一定形成一個(gè)視界包圍著它。對(duì)宇宙監(jiān)督定理證明的解釋以及拓展宇宙監(jiān)督定理的證明，主要是從拓?fù)鋷缀蔚慕嵌葋?lái)看待的，那么為什么拓?fù)鋷缀慰梢越忉層钪姹O(jiān)督問(wèn)題呢？拓?fù)涞难芯繉?duì)象十分廣泛，有群、域、環(huán)、空間等等數(shù)學(xué)對(duì)象，而這些對(duì)象都可以認(rèn)為是抽象的幾何體和集合。拓?fù)鋷缀问峭負(fù)渲袑?duì)幾何學(xué)幾何體的內(nèi)在屬性進(jìn)行研究的一門拓?fù)浞种?。拓?fù)鋷缀魏蛶缀螌W(xué)的研究對(duì)象都是幾何體，但是拓?fù)鋷缀魏蛶缀螌W(xué)對(duì)于這些幾何體的研究角度是不一樣的。拓?fù)鋷缀沃饕芯康氖菐缀误w的內(nèi)在屬性，而幾何學(xué)研究的是幾何體的外在表現(xiàn)。幾何體的內(nèi)在屬性會(huì)導(dǎo)致幾何體外在表現(xiàn)的改變，而外在表現(xiàn)的改變卻不一定會(huì)導(dǎo)致內(nèi)在屬性的變化。幾何體的內(nèi)在屬性，有歐拉示性數(shù)、連通性、維度、型（以莫比烏斯帶為代表的N型和以環(huán)面為代表的M型）等。而這些性質(zhì)之間也是有聯(lián)系的，一個(gè)性質(zhì)的改變將導(dǎo)致其它性質(zhì)的連鎖改變。那么四維宇宙時(shí)空在拓?fù)渲惺窃趺礃拥哪?？由于宇宙誕生于大爆炸也結(jié)束于大爆炸，而時(shí)空在兩個(gè)奇點(diǎn)之間是連續(xù)變化的，因?yàn)闀r(shí)空在膨脹和收縮時(shí)的加速度的變化是連續(xù)，而且是近似不變的，因而宇宙的大小發(fā)生變化時(shí)的速度也是連續(xù)的，也就是說(shuō)是光滑變化的。通過(guò)歐拉示性數(shù)定理可以知道，一切光滑變化的幾何體的歐拉示性數(shù)都等于1，因而也就是說(shuō)一切保持歐拉示性數(shù)不變的變換都是允許的，而一切使得歐拉示性數(shù)發(fā)生變化而不再等于1的變換都是不允許的。因而，當(dāng)宇宙僅僅是某個(gè)區(qū)域出現(xiàn)黑洞的時(shí)，這個(gè)時(shí)候歐拉示性數(shù)守恒，因而是允許的，而當(dāng)宇宙中的黑洞誕生而沒(méi)有一個(gè)視界包圍著它的時(shí)候，宇宙的歐拉示性數(shù)發(fā)生了變化，因而是不允許的。通過(guò)對(duì)拓?fù)湫再|(zhì)的了解和對(duì)宇宙歐拉示性數(shù)的計(jì)算，可以知道，宇宙中有一條基本原則就是歐拉示性數(shù)守恒。那么現(xiàn)在我們還有一個(gè)問(wèn)題，就是在宇宙終結(jié)為一個(gè)奇點(diǎn)的時(shí)候，宇宙不是被一個(gè)黑洞完全吞噬了嗎？這個(gè)時(shí)候不是和我們前面所說(shuō)的黑洞沒(méi)有視界的時(shí)候的狀況差不多嗎？這個(gè)時(shí)候的歐拉示性數(shù)又應(yīng)該如何確定呢？而且還有一個(gè)問(wèn)題，宇宙現(xiàn)在的致密度已經(jīng)可以確定為1了，那么也就是說(shuō)宇宙已經(jīng)是被一個(gè)黑洞“吞噬”了，那么為什么當(dāng)它再被一個(gè)黑洞吞噬的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題呢？第一個(gè)問(wèn)題中，問(wèn)題的關(guān)鍵是宇宙要終結(jié)為一個(gè)奇點(diǎn)是否一定要形成黑洞？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)看宇宙在形成的時(shí)候。宇宙在剛剛形成的時(shí)候，由于是剛剛誕生，宇宙的能量總和應(yīng)該為0，因?yàn)槿绻芰坎粸?就可以知道在誕生宇宙以前一定存在了能量，那么又怎么能說(shuō)是誕生呢？而由于能量守恒，我們可以知道我們現(xiàn)在宇宙的能量和一定和宇宙誕生時(shí)的能量和相等，即為0?？墒俏覀冇种牢覀儸F(xiàn)在的宇宙中有許多的物質(zhì)，這些物質(zhì)的靜質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量是非常的，那么是什么東西和這些正能量抵消呢？答案是勢(shì)能。勢(shì)能是反映兩個(gè)物體的基本物理屬性和它們距離的關(guān)系的能量，是一種負(fù)能量。比如引力勢(shì)能，通過(guò)積分我們也可以證明這點(diǎn)。同樣的，電勢(shì)能也是一種負(fù)能量，四大力的勢(shì)能都是一種負(fù)能量，宇宙中物體的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的正能量就是被這些負(fù)能量所抵消的。于是我們也可以知道，在宇宙終結(jié)的時(shí)候，宇宙中的能量的總和也一定為0。我們?cè)賮?lái)看宇宙起源的時(shí)候的引力問(wèn)題。由于宇宙在大爆炸的時(shí)候突然間釋放出了大量的物質(zhì)，這些物質(zhì)都帶有一定的能量，因而宇宙中這些物質(zhì)的引力也是不可忽視的。那么為什么宇宙在誕生的時(shí)候其中的物質(zhì)的引力效應(yīng)沒(méi)有阻止宇宙的膨脹呢？宇宙在剛誕生的時(shí)候是在一個(gè)非常小的范圍中出現(xiàn)大量物質(zhì)的，而這個(gè)小范圍一定比這些物質(zhì)的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的史瓦西半徑小，那么也就是說(shuō)，宇宙在剛誕生的時(shí)候就是在一個(gè)黑洞中的了？可是為什么物質(zhì)可以向外運(yùn)動(dòng)呢？這個(gè)問(wèn)題就必須從相對(duì)論場(chǎng)方程和引力的起源來(lái)看了。在場(chǎng)方程中，決定引力有一個(gè)十分重要的度規(guī)張量，叫能量——?jiǎng)恿繌埩?。在這個(gè)張量中，恒星內(nèi)部的壓力、張力對(duì)應(yīng)的能量是和質(zhì)量對(duì)應(yīng)的能量、物體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量聯(lián)系在一起的。也就是說(shuō)，引力是和物體所含有的能量的總和聯(lián)系在一起的，因而電磁場(chǎng)也可以產(chǎn)生引力效應(yīng)，引力場(chǎng)也有引力效應(yīng)（這個(gè)也就是引力非線形的原因），一切形式的能量都有引力效應(yīng)。知道了這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，我們就可以對(duì)宇宙在剛誕生和要終結(jié)時(shí)的引力問(wèn)題進(jìn)行回答了。由于宇宙的總能量為0，因而我們可以知道，一切由物質(zhì)的正能量產(chǎn)生的引力效應(yīng)和由物體之間的位能（即勢(shì)能）產(chǎn)生的引力效應(yīng)是完全抵消掉的！因而無(wú)論宇宙處在什么階段，它的史瓦西半徑都保持為0！現(xiàn)在來(lái)看第二個(gè)問(wèn)題：由于宇宙在四維中看來(lái)就是一個(gè)兩頭尖的一個(gè)時(shí)空組，因而所謂的致密度僅僅表現(xiàn)為宇宙的體積和時(shí)空的總能量對(duì)應(yīng)的質(zhì)量產(chǎn)生的史瓦西長(zhǎng)度的比。但是難道這個(gè)比就可以反應(yīng)一個(gè)物體是否是黑洞了嗎？如果宇宙真的是在一個(gè)黑洞中，那么由于黑洞的特殊特性即在黑洞中時(shí)空的屬性顛倒可以知道，一切物體只可能向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，也就是說(shuō)，如果我們可以把手舉過(guò)頭頂，那么要讓手再下來(lái)就是不可能的了。因?yàn)榧热豢梢詫⑹峙e過(guò)頭頂，就表示手的這個(gè)運(yùn)動(dòng)方向是指向黑洞奇點(diǎn)的，那么通過(guò)黑洞的性質(zhì)就可以知道，在反方向上物體的運(yùn)動(dòng)是不允許的。即使這個(gè)黑洞的質(zhì)量非常大，其中的潮汐力異常的小，但是它的引力效應(yīng)仍然不能忽視，因而可以斷言在與指向奇點(diǎn)的方向不一樣的方向上的物體的運(yùn)動(dòng)是不存在的。由于我們?cè)谶@個(gè)時(shí)空中可以向任意的三維方向中運(yùn)動(dòng)，可以知道，我們的宇宙現(xiàn)在不可能在一個(gè)黑洞中。于是宇宙的致密度等于1這點(diǎn)并不意味著宇宙就是一個(gè)黑洞的內(nèi)部。而且通過(guò)第一個(gè)問(wèn)題的一個(gè)結(jié)論，我們知道宇宙的總能量為0，對(duì)應(yīng)的引力效應(yīng)也為0，因而宇宙不可能存在在一個(gè)黑洞中。既然黑洞等等時(shí)空區(qū)域可以用歐拉示性數(shù)來(lái)表示這個(gè)區(qū)域中的時(shí)空的屬性，那么是否宇宙中的洞都滿足宇宙的歐拉示性數(shù)守恒這條原則呢？宇宙中的洞有黑洞、白洞和蟲(chóng)洞，以及在一些小質(zhì)量的黑洞、白洞的外視界內(nèi)的史瓦西喉都是時(shí)空中的洞，那么既然歐拉示性數(shù)是一定守恒的，我們是不是可以來(lái)看看在顯示宇宙中那些在理論上才會(huì)出現(xiàn)的東西到底是否存在呢？首先來(lái)看蟲(chóng)洞和史瓦西喉。蟲(chóng)洞和史瓦西喉都可以從時(shí)空的一個(gè)區(qū)域到達(dá)時(shí)空的另一個(gè)區(qū)域，甚至可以連接不同的時(shí)空組，但是它們又是有區(qū)別的。蟲(chóng)洞的特點(diǎn)是物體在蟲(chóng)洞的任意一個(gè)端口都可以進(jìn)入蟲(chóng)洞或者是從蟲(chóng)洞中出來(lái)，但是史瓦西喉就不一樣了。在黑洞中的史瓦西喉只能讓物體進(jìn)入這個(gè)史瓦西喉，到達(dá)一個(gè)其它的時(shí)空區(qū)域中，而在白洞中的史瓦西喉的作用就不一樣了，它只允許物體從這個(gè)端口中出去而不允許物體進(jìn)入。也就是說(shuō)，它們的連通性是不一樣的。但是它們的歐拉示性數(shù)如何呢？蟲(chóng)洞和史瓦西喉都是引力使得時(shí)空發(fā)生扭曲從而使得時(shí)空的不同部分發(fā)生連接的現(xiàn)象，那么從這個(gè)角度出發(fā)我們就可以得到蟲(chóng)洞的模型了。先從二維的時(shí)空的扭曲來(lái)看這個(gè)蟲(chóng)洞和史瓦西喉的結(jié)構(gòu)。如果將時(shí)空看成是二維的，那么這個(gè)時(shí)空必定是一個(gè)三維球體的表面，那么在這個(gè)模型上的扭曲一定是三維球體表面的兩個(gè)區(qū)域在這個(gè)球體的內(nèi)部連接了起來(lái)，從而形成一個(gè)環(huán)。球面的表面的歐拉示性數(shù)為2，環(huán)面的歐拉示性數(shù)也是2，因而保證了歐拉示性數(shù)守恒。但是對(duì)于三維的宇宙模型而言，在第四個(gè)維度中的扭曲會(huì)帶來(lái)計(jì)算上的不便，因?yàn)槿祟惐旧硎遣恢赖谒膫€(gè)維度的扭曲是什么樣的，所以我們必須從二維時(shí)空模型的扭曲的發(fā)生過(guò)程來(lái)看待扭曲到底是如何發(fā)生的。在二維的模型中，扭曲后的時(shí)空就相當(dāng)于一個(gè)二維的有界平面先在第三個(gè)維度的角度上使得兩個(gè)對(duì)邊重合，然后將這個(gè)粘合體的兩個(gè)相對(duì)的環(huán)粘合。對(duì)應(yīng)的，在三維的模型中，三維時(shí)空模型也是先兩個(gè)相對(duì)的面在第四個(gè)維度上發(fā)生粘合，然后是在兩外一個(gè)相對(duì)的類環(huán)面上發(fā)生粘合，再是在第三對(duì)相對(duì)的類環(huán)面發(fā)生重合。通過(guò)這種類比我們可以知道，有蟲(chóng)洞的宇宙的歐拉示性數(shù)和沒(méi)有蟲(chóng)洞時(shí)的宇宙的歐拉示性數(shù)是一樣的，為0。對(duì)于史瓦西喉來(lái)說(shuō)也是一樣的。在蟲(chóng)洞的三維模型中，可以用下面的圖來(lái)解釋：上面所顯示的是一個(gè)正方體的一個(gè)側(cè)面，其它的側(cè)面在這里看上去就是一條線。要形成一個(gè)蟲(chóng)洞，在模型上為了計(jì)算方便，就可以通過(guò)三步來(lái)構(gòu)成。第一步，是將ab和cd所表示的面在第四個(gè)方向上粘合，得到的物體在原來(lái)這個(gè)正方體所表示的三維空間中是無(wú)法表示出來(lái)的，但是通過(guò)嵌入圖可以得到下面的圖（這個(gè)圖中的兩個(gè)維度中，一個(gè)是原來(lái)的時(shí)空維度，一個(gè)是由來(lái)彎曲時(shí)所朝向的維度）：現(xiàn)在得到的是在一個(gè)特定的維度中“看”到的剛才那個(gè)正方形的圖象。由于一個(gè)正方體有3對(duì)面，因而還需要兩個(gè)操作。第二