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黑洞长出了头发
黑洞是一种贪婪的天体,任何物质包括光都无法从它的引力中逃逸。黑洞周围存在着有去无回的临界点,称为事件视界,而事件视界内部仅有一个奇点,所有的物质穿过事件视界之后都不会停留,最终都会撞向奇点。
物理学家发现,黑洞其实是个十分简单的天体,描述黑洞只需三个参量,分别是质量、自转速度和电荷。黑洞的这种性质被物理学家惠勒称为“黑洞不长毛”,也称为“无毛定理”。
黑洞脱毛的过程
天文学家在描述恒星的时候,除了用质量、自转速度和电荷之外,还需要更多的参数,例如恒星的成分、形状、运动形态和磁场等等。那么一个大质量的恒星坍缩成一个黑洞后,这些“毛”是如何掉光的呢?物理学家给出的答案是通过辐射。下面通过一个例子来说明一下。
比如说一个正在坍缩的恒星表面上有个山丘,而这个山丘会对周围时空产生扭曲,而黑洞形成后,这种扭曲的时空会使得事件视界隆起。不过由于星体的山丘已经沉没在黑洞内部,无法继续使周围时空产生扭曲,所以残留在事件视界上的这种扭曲时空变得不稳定,会转化为引力的波澜,即引力波,并辐射到远处。引力波带走了能量使得事件视界逐渐变得光滑,最终黑洞变成了理想的球体。
黑洞其他的“毛”也通过类似的辐射机制,最终使得黑洞变“秃”。那么什么样的参数不会被辐射掉呢?物理学里存在着许多守恒量,它们不会通过辐射而变得不守恒以至于最终消失掉,这些守恒量分别是黑洞的质量、自转速度和电荷,所以最终黑洞只留下这三个参数了。
黑洞无毛意味着什么
黑洞一旦形成,我们对于这个黑洞的过去就一无所知了。我们不能通过观测此时的黑洞去推测形成它的恒星是个什么样的星体。黑洞把过去的自己隐藏起来了,变成了极其简单的天体。
黑洞这种无毛的性质,的确令人惊讶。因为正常情况下,宏观的世界十分复杂,参数极其多,这导致我们无法对其精确计算,所以科学家只能使用简化的理论和计算模型来研究,例如天气,科学家使用大气环流这种简单的理论来做研究,以预测天气情况。然而,对于黑洞这种巨大的天体,我们不仅有精确的理论,而且描述它只需要三个参数,这足以令人感到怪异。为什么黑洞如此简单?
物理学家描述基本粒子也需要三个参数,质量、自旋和力荷(或者是电荷,或者是其他作用力的荷),所以有人推测,黑洞其实是一种巨大的基本粒子。这个大胆的猜测有一定道理,因为一些科学家通过弦理论的计算发现,黑洞和无质量基本粒子(例如光子)其实是同一种物质的不同存在方式,就像冰块和液态水是水的不同存在方式一样,而且通过额外维空间的拓扑结构的变化,黑洞会逐渐变小,最终转化为无质量的基本粒子,如同由于温度变化使得冰块融化成液态水。
黑洞长出了毛发
尽管大家都认为黑洞是“秃”的,但是一些物理学家还是希望黑洞能
“长出毛发”来。之所以一些科学家会有这种想法,是因为他们认为广义相对论不是完美的,例如广义相对论无法说明,惯性或质量这些东西,究竟是物质的自身性质,还是源于与周围所有其他物质的相互作用呢?
所以有些科学家假设质量是物质与周围所有其他物质相互作用的结果,然后以此来推导计算,最终产生出了一种比广义相对论描述引力更加精确的理论,称为“标量—张量理论”。
物理学家使用“标量-张量理论”来分析黑洞,计算结果发现,落入黑洞的物质会使黑洞多了一种与热