這令人驚奇的事實導致羅杰·彭羅斯提出了宇宙監督猜測,它可以被意譯為:“上帝憎惡裸奇點?!睋Q言之,由引力坍縮所產生的奇點只能發生在像黑洞這樣的地方,在那兒它被事件視界體面地遮住而不被外界看見。嚴格地講,這是所謂弱的宇宙監督猜測:它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響,但它對那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。
廣義相對論方程存在一些解,這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點。他也許能避免撞到奇點上去,而穿過一個“蟲洞”來到宇宙的另一區域??磥磉@給空間——時間內的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是,所有這些解似乎都是非常不穩定的;最小的干擾,譬如一個航天員的存在就會使之改變,以至于他還沒能看到此奇點,就撞上去而結束了他的時間。換言之,奇點總是發生在他的將來,而從不會在過去。強的宇宙監督猜測是說,在一個現實的解里,奇點總是或者整個存在于將來(如引力坍縮的奇點),或者整個存在于過去(如大爆炸)。因為在接近裸奇點處可能旅行到過去,所以宇宙監督猜測的某種形式的成立是大有希望的。這對科學幻想作家而言是不錯的,它表明沒有任何一個人的生命曾經平安無事:有人可以回到過去,在你投胎之前殺死你的父親或母親!
事件視界,也就是空間——時間中不可逃逸區域的邊界,正如同圍繞著黑洞的單向膜:物體,譬如不謹慎的航天員,能通過事件視界落到黑洞里去,但是沒有任何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。(記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間——時間軌道,沒有任何東西可以比光運動得更快。)人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用于事件視界:“從這兒進去的人必須拋棄一切希望?!比魏螙|西或任何人一旦進入事件視界,就會很快地到達無限致密的區域和時間的終點。
廣義相對論預言,運動的重物會導致引力波的輻射,那是以光的速度傳播的空間——時間曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似,但是要探測到它則困難得多。就像光一樣,它帶走了發射它們的物體的能量。因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走,所以可以預料,一個大質量物體的系統最終會趨向于一種不變的狀態。(這和扔一塊軟木到水中的情況相當類似,起先翻上翻下折騰了好一陣,但是當漣漪將其能量帶走,就使它最終平靜下來。)例如,繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應將改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最后撞到太陽上,以這種方式歸于最終不變的狀態。在地球和太陽的情形下能量損失率非常小——大約只能點燃一個小電熱器,這意味著要用大約1干億億億年地球才會和太陽相撞,沒有必要立即去為之擔憂!地球軌道改變的過程極其緩慢,以至于根本觀測不到。但幾年以前,在稱為psr1913+16(psr表示“脈沖星”,一種特別的發射出無線電波規則脈沖的中子星)的系統中觀測到這一效應。此系統包含兩個互相圍繞著運動的中子星,由于引力波輻射,它們的能量損失,使之相互以螺旋線軌道靠近。j·h·泰勒和r·a·荷爾西由于對廣義相對論的這一證實,而獲得1993年的諾貝爾獎。大約3億年后它們將會碰撞。它們在碰撞之前,將會公轉得這么快速,甚至像ligo這樣的檢測器卻能接收到它們射出的引力波。
在恒星引力坍縮形成黑洞時,運動會更快得多,這樣能量被帶走的速率就高得多。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態。這最終的狀態將會是怎樣的呢?人們會以為它將依賴于形成黑洞的恒星的所有的復雜特征——不僅僅它的質量和轉動速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內氣體的復雜運動。如果黑洞就像坍縮形成它們的原先物體那樣變化多端,一般來講,對之作任何預言都將是非常困難的。
然而,加拿大科學家外奈·伊斯雷爾(他生于柏林,在南非長大,在愛爾蘭得到博士)在1967年使黑洞研究發生了徹底的改變。他指出,根據廣義相對論,非旋轉的黑洞必須是非常簡單、完美的球形;其大小只依賴于它們的質量,并且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須是等同的。事實上,它們可以用愛因斯坦的特解來描述,這個解是在廣義相對論發現后不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的。一開始,許多人(其中包括伊斯雷爾自己)認為,既然黑洞必須是完美的球形,一個黑洞只能由一個完美球形物體坍縮而形成。所以,任何實際的恒星——從來都不是完美的球形——只會坍縮形成一個裸奇點。
然而,對于伊斯雷爾的結果,一些人,特別是羅杰·彭羅斯和約翰·惠勒提倡一種不同的解釋。他們論證道,牽涉恒星坍縮的快速運動表明,其釋放出來的引力波使之越來越近于球形,到它終于靜態時,就變成準確的球形。按照這種觀點,任何非旋轉恒星,不管其形狀和內部結構如何復雜,在引力坍縮之后都將終結于一個完美的球形黑洞,其大小只依賴于它的質量。這種觀點得到進一步的計算支持,并且很快就為大家所接受。
伊斯雷爾的結果只處理了由非旋轉物體形成的黑洞。1963年,新西蘭人羅伊·克爾找到了廣義相對論方程的描述旋轉黑洞的一族解。這些“克爾”黑洞以恒常速度旋轉,其大小與形狀只依賴于它們的質量和旋轉的速度。如果旋轉為零,黑洞就是完美的球形,這解就和施瓦茲席爾德解一樣。如果有旋轉,黑洞的赤道附近就鼓出去(正如地球或太陽由于旋轉而鼓出去一樣),而旋轉得越快則鼓得越多。由此人們猜測,如將伊斯雷爾的結果推廣到包括旋轉體的情形,則任何旋轉物體坍縮形成黑洞后,將最后終結于由克爾解描述的一個靜態。
1970年,我在劍橋的一位同事和研究生同學布蘭登·卡特為證明此猜測跨出了第一步。他指出,假定一個穩態的旋轉黑洞,正如一個自旋的陀螺那樣,有一個對稱軸,則它的大小和形狀,只由它的質量和旋轉速度所決定。然后我在1971年證明了,任何穩態旋轉黑洞確實有這樣的一個對稱軸。最后,在國王學院任教的大衛·羅賓遜利用卡特和我的結果證明了這猜測是對的:這樣的黑洞確實必須是克爾解。所以在引力坍縮之后,一個黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉、但是不能搏動的態。并且它的大小和形狀,只決定于它的質量和旋轉速度,而與坍縮成為黑洞的原先物體的性質無關。此結果以這樣的一句諺語表達而成為眾所周知:“黑洞沒有毛?!薄盁o毛”定理具有巨大的實際重要性,因為它極大地限制了黑洞的可能類型。所以,人們可以制造可能包含黑洞的物體的具體模型,再將此模型的預言和觀測相比較。因為在黑洞形成之后,我們所能測量的只是有關坍縮物體的質量和旋轉速度,所以“無毛”定理還意味著,有關這物體的非常大量的信息,在黑洞形成時損失了。下一章我們將會看到它的意義。
黑洞是科學史上極為罕見的情形之一,在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下,作為數學的模型被發展到非常詳盡的地步。的確,這經常是反對黑洞的主要論據:你怎么能相信一個其依據只是基于令人懷疑的廣義相對論的計算的對象呢?然而,1963年,加利福尼亞的帕羅瑪天文臺的天文學家馬丁·施密特測量了在稱為3c273(即是劍橋射電源編目第三類的273號)射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發現引力場不可能引起這么大的紅移——如果它是引力紅移,這類星體必須具有如此大的質量,并離我們如此之近,以至于會干擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的,進而表明此物體離我們非常遠。由于在這么遠的距離還能被觀察到,它必須非常亮,也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到,產生這么大量能量的唯一機制看來不僅僅是一個恒星,而是一個星系的整個中心區域的引力坍縮。人們還發現了許多其他類星體,它們都有很大的紅移。但是它們都離開我們太遠了,所以對之進行觀察太困難,以至于不能給黑洞提供結論性的證據。
1967年,劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾發現了天空發射出無線電波的規則脈沖的物體,這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維許以為,他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸!我的確記得在宣布他們發現的討論會上,他們將這四個最早發現的源稱為lgm1-lgm4,lgm表示“小綠人”(“littlegreenman”)的意思。然而,最終他們和所有其他人都得到了不太浪漫的結論,這些被稱為脈沖星的物體,事實上是旋轉的中子星,這些中子星由于它們的磁場和周圍物質復雜的相互作用,而發出無線電波的脈沖。這對于寫空間探險的作者而言是個壞消息,但對于我們這些當時相信黑洞的少數人來說,是非常大的希望——這是第一個中子星存在的證據。中子星的半徑大約10英里,只是恒星變成黑洞的臨界半徑的幾倍。如果一顆恒星能坍縮到這么小的尺度,預料其他恒星會坍縮到更小的尺度而成為黑洞,就是理所當然的了。
書友正在讀: 我和我的冒險團 冰山美人的貼身保鏢 龍崽崽三歲半 大明天朝 至尊人生陳歌馬曉楠 說好的互掐呢,發什么狗糧?摔! 王妃脾氣不太好 快穿:我家宿主超級萌 斗羅之神雪傳說 小豆蔻 無敵拍攝系統 透視醫武兵王 灰白之寂 領主時代:開局獲得十四階黑龍 別看了,秀恩愛的 傅先生的高調寵婚 奶爸兵王 朋友,交往嗎? 韓娛之光影交錯 火影之瞳術巔峰 玫瑰刺的城堡(超限制級?簡體版) 假面騎士:開局變身Amazons 詭仙錄 牧塵鴻鈞 斗羅大陸之淫神獵艷記 醫道神婿葉天蘇輕語 全修真界都在傳我不是凡人 人在洪荒,看熱鬧不怕事大 呈歡 半島知恩漸滿月 毒婦不從良 若是愛下去 若麟 與熾光探近 欲鎖狂龍 三十而戀 魚苗與貓 穿成瑪麗蘇寵文女配后 神眼天醫 春意遲遲 我的同學謝子瑜 妖怪休走! hp 沈默的狂熱 我真不是黑心小反派 合家歡(重生) 惹月光 快穿優質**攻略系統 助攻女配穿書記 快穿有h才有愛np丁柔 與你有關的事 古代農家子的科舉之路 5t5反對悠仁改姓太宰 (HP同人)哈利波特與意外魂器 八爺,你認了吧 陳琳茜的命運 睡前小黃餅:邊操邊愛 花生米嚼豆干(年下,H) 我混了堆假童話[綜童話gl] 綠帽夫的背德妻(np) [瓶邪同人]墨色黎明 我有一座隨身海島[天災] 末世一角 不小心把男主掰彎了[穿書] 紅樓賴大爺 BOSS的護夫萌獸[快穿] 惑亂三世[雙重生] 柳暗花落 關于我在戀綜暴富 重生馬甲:大小姐A爆全球 天臺見 美味仙妻 脫軌 星宿枕山河 失憶后的每個世界都在初戀[快穿] 獨步冷宮 我用身體拯救黑化男主【快穿】 [綜]天生女配 卿本佳人 總裁老公追上門 [快穿]勾引反派計劃 一世兩清歡 妙醫神相 白雪辭 HP:華夏交換生 陳先生我是陳太太 薄顏司靳夜 重生豪門繼女 云夢在未來 絆腳石的自我修養(快穿) 我的徒弟不可能害我 裝窮追星后我爆紅了[娛樂圈] 穿成瑪麗蘇女主她妹 魔王的升級之路 無完 半生誤我是情深 好可憐一家人 [殘次品同人]if陸總長x林上將 快穿渣男洗白論 只手遮天女性野心家[直播] [綜崩鐵]開拓者在橫濱的開拓之旅 撐腰 HP食死徒修煉手冊 靈魂聲噪 命運之環 落入掌中 都市:每周表白一次,我成了千億神豪 鄉村艷福 下一冬 病王爺的殺手男妃 旖夢(偽父女1V1H) 韓瀟蘇芊雪君王殿 我在廢土合成萬物 霍總別裝窮了,夫人簽了離婚書 重生后我成了老公的小跟班 撩你成婚 卿卿吾妻 諸天之上下五千年 反派:綠主變強,開局嫂子喝我茶 醉一場述深情落文冉楚昊謙 怪談筆記 我被序列綁架了 慕向彤戰馳 被瘋批管教的惡毒美人 霍少的錯嫁甜妻 四合院之愜意人生 征戰寰宇 過繼子的科舉之路 開局強化癌細胞,我獨獲登神序列 七零:對照組女配覺醒了 變成萌妹我很絕望 荒野巔峰 遮天:聽勸后,我茍到大帝 穿成一條座頭鯨 (位面)繼子難為 重生毒妃一笑,兇猛殘王折了腰 終章【回響】 踹了總裁后,被迫嬌養了反派大佬 懷孕是什么體驗 京港回信 學長不乖:擄獲邪魅美男團 心機病美人人設崩塌后 綺園 綜英美心之怪盜的哥譚奇妙冒險 隨北 底牌 我三歲,但是瓜王! 24小時的糖與毒 臉盲暴君心聲洩露后[星際] 萬人嫌怨種覺醒后[重生] 原來你也不是人類