黑洞

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第463页（3110字）

是广义相对论所预言的一种特殊天体，是引力场极强的时空区域，它的边界称为事件视界(event horizon)。

对黑洞的研究形成了由广义相对论、量子场论、统计热力学、高能天体物理及X一射线天文学诸学科相交叉的新兴分支学科，主要研究内容包括黑洞的经典理论、黑洞的量子理论(弯曲时空中黑洞的量子力学)、黑洞热力学、黑洞的天体物理及吸积过程，以及对黑洞的探测。

米歇尔(R．J．Michel)于1783年提出黑洞概念，他根据牛顿引力定律和逃逸速度不超过光速，预言存在一种特殊天体，一切物质(包括光)都不能逃离这类天体。他指出，双星中的不可见伴星可能就是这种天体。1798年，拉普拉斯(P．S．Laplace)也独立地作出过类似的计算。

1916年，史瓦西(K．Schwarzschild)求得爱因斯坦方程的静态球对称解。总质量为M的球对称星体，若其半径R≤R_s(称为引力半径)=2GM／C²，其中G为万有引力常数，C为真空中的光速，则称该星体为史瓦西黑洞，半径为R_s的球面是黑洞的边界。

1931年钱德拉赛卡(S．Chandrasekhar)、1939年奥本海默(J．R．Oppenheimer)等相继得出白矮星和中子星的质量上限约分别为1．4M_☉和3M_☉(其中M_☉表示太阳质量)。进一步的研究指出，更大质量的天体将发生引力塌缩，其最终产物是黑洞。

1963年克尔(R．P．Kerr)求得具有M和J(总角动量)的黑洞(称为克尔黑洞)解。

1965年纽曼(E．T．Newman)等求得具有M，J和Q(总电量)的黑洞(称为克尔一纽曼黑洞)解。

1973年霍金(S．W．Hawking)等证明了黑洞的唯一性定理：一个黑洞的外部时空唯一地由其M，J和Q确定，所有的黑洞解均归结为上述三类解。同时，黑洞动力学三定律也已建立。

在此基础上，1973年贝肯斯坦(J．D．Bekenstein)提出黑洞熵的概念并开创了黑洞热力学。1974～1975年，霍金、潘罗斯(R．Penrose)和瓦尔德(R．M．Wald)等建立了黑洞的量子力学，从而预言了黑洞发射粒子的量子效应。

黑洞附近的真空被极化，将产生粒子对，若负能(相对于无穷远观察者)粒子进入黑洞，则正能粒子远离黑洞而形成黑洞的粒子发射(又称霍金辐射或黑洞蒸发)。

对于史瓦西黑洞，其温度T为hc³／8πGkM，其中h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数，黑洞发射的能谱与温度为T的热辐射一样，由于黑洞的温度与其质量成反比，所以质量越小，蒸发越快。

近期，在黑洞的理论研究方面有重要进展，也存在许多难题。1990年恩偌(W．G．Unruh)根据黑洞附近的引力场中粒子对的产生得出，粒子是粒子探测器与场相互作用的结果，粒子的概念是导出概念，因而只有场论才是物质的基本理论。

该论点无疑对物理学理论具有根本性的影响，但是，该论点的确立还需要在更广的范围内得到论证。在黑洞热力学方面，从近年瓦尔德、张镇九(Zhang Z．)等的研究看来，黑洞热力学定律就是普通热力学定律应用于包含黑洞的体系，而且A／4(其中A表示黑洞视界的面积)就是黑洞的物理学熵，但是，作为普通热力学基础的各态历经概念可否应用于黑洞系统，如果不能，应用什么概念来代替，目前仍然是难题。在黑洞物理中，除了奇点问题和量子发散没有一个一致的消去方案外，更根本的难题还在于，现有的黑洞量子论，其引力场(即弯曲时空)还没有被量子化；还没有一个成功的量子引力理论。当前对黑洞感兴趣的一个重要原因在于黑洞附近的强引力和微观粒子对的产生在小质量黑洞的蒸发中同时起着重要作用。对这一问题的深入研究，可能为建立量子引力理论，甚至为建立统一所有相互作用(包括引力)的理论，提供重要的依据。但是，与其它相关研究一样，都同样在一系列基本概念问题上遇到困难，例如，在广义相对论中如何引入不确定关系，对于加速观察者如何引入可观测量概念和如何解释波函数的意义等，这些问题都是黑洞理论研究的热点。

在黑洞的探找方面，根据理论预计，宇宙中可能存在3种不同类型的黑洞。第1种是质量约为10^－16g，在极早期宇宙时形成的微黑洞，现正处于激烈蒸发阶段，因而可能与天文观测到的γ射线爆相关；第2种是质量M＞3M_☉(～10³³g)，由恒星经过引力塌缩而形成的黑洞，这类黑洞吸积物质，在其周围形成吸积盘，在吸积过程中将辐射X－射线，通过对天体X－射线源的探测和分析，已发现了一系列黑洞的候选者。70年代以来，发现在天鹅X－1双星中的一颗看不见的伴星，辐射X－射线，质量为6－8M_☉，经过近年的反复证认，是一个重要的黑洞候选者。

第3种是具有极大质量(～10⁶－10⁹M_☉，～10³⁹－10⁴²g)，存在于星系和类星体中心的黑洞。

1992年初由哈勃空间望远镜在M87星系中心观察到了这类黑洞的候选者，支持了以前的地面观测。今后，对广义相对论性的黑洞吸积的研究和利用X－射线探测卫星、空间望远镜等为黑洞的存在提供观测证据，无疑是黑洞天体物理和黑洞观测研究的热点。

。【参考文献】：

1 Misner C W,Thorne K S. Wheeler J A. Gravitation. San Francisco:Freeman, 1973. 872～915

2 Hawking S W , Ellis G F R, The Large Scale Structure of Space - time. Cambridge; Cambridge University Press, 1973,299～347

3 Sorkin R,Wald R M, Zhang Z. (张镇九). Gen Rel Grav, 1981,13(12).1127～1146

4 Birrell N D, Davies P C W. Quantum Fields in Curved Space. Cambridge: Cambridge University Press, 1982, 249～291

5 Chandrasekhar S. The Mathematical Theory of Black Holes. Oxford:Clarendon Press, 1983,1～646

6 Wald R M. General Relativity. Chicago :The University of Chicago Press,1984,298～339

7 俞允强．广义相对论引论．北京：北京大学出版社，1987．116～142

8 张镇九．现代相对论及黑洞物理学．武汉：华中师范大学出版社，1988修订版，1～404

9 Sabbata V，Zhang Z(张镇九)．Black Hole Physics，Dordrecht：kluwer，1992，1～426

(华中师范大学张镇九教授撰)