黑洞的存在性问题.pdf

四、黑洞的存在性问题 （一）黑洞问题的提出 年，法国的拉普拉斯（Laplace，）首次提出了“黑洞”的概念，他认为，地球的逃逸速度是公里秒，如果地球的半径r 缩小到几厘米，其密度将非常大，地球表面物体的逃逸速度将超过光速的次方公里秒，这时，外部的光可以射到地球上来，但地球上的光却无法逃逸到太空中去，太空外部的人看不到地球云层反射的光，地球就成了宇宙中的一只“黑洞”。同理，如果宇宙中有某些天体的密度特别大，也就会变成宇宙中的“黑洞”。Einstein在广义相对论中所建立的引力场方程为：这个方程是高度非线性的，一般不能严格求解。只有在对时空度规附加一些对称性或其他要求下，使方程大大简化，才有可能求出一些严格解。在引力场球对称的假定下，可以得到方程的史瓦西解：显然，度规在和0 处奇异（趋于无穷大）。但是,处的奇异是由于坐标系带来的,可以通过适当的坐标系变换来避免。0 处的奇点是本质的。在奇点上，时空曲率和物质密度都趋于无穷大，时空流形达到尽头。不仅在宇宙模型中起始的奇点是这样，在星体中引力坍缩终止的奇点也是这样。在奇点处，“一切科学预见都失去了效果”，没有时间，也没有空间。无穷大的出现显然是广义相对论的重大缺陷。世纪初，Einstein认为“黑洞”的成因是引力造成了空间弯曲，故光子无法逃到这种至密天体的引力场外。后来，施瓦西（Karl Schwarzschild，）为 Einstein的“相对论”黑洞确立了一个“视界”，光子只能被禁闭在“视界”之内，“视界”之外的空间仍然是平直的欧几里德空间，光子仍然遵守地球空间中的一切物理定律。广义相对论预言，当大质量的恒星达到极高密度时，就在空间形成了一只很深的“引力陷阱”，最终把空间弯曲到这样一个程度，以致附近的任何物体，包括光线在内被其吞灭，就好像一个无底洞，这样的天体称为黑洞。在黑洞的中心是一个奇点，那里所有的物质都被无限压缩，时空被无限弯曲。按照广义相对论，黑洞并不是通常意义上的物质实体，而是一个区域，一个极度弯曲了的空间。一旦物质落入这一弯曲了的空间，它就立刻消失得无影无踪，不管黑洞吞掉了多少物质，它本身依旧是弯曲的空间。根据广义相对论，引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时，它的引力场对时空几乎没什么影响，从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小，它对周围的时空弯曲作用就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫“史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃出。黑洞是引力汇点。自世纪年代以来，英国的霍金（Stephen Hawking，）相继提出了“微型黑洞”、“量子黑洞”的概念，认为“微型黑洞”可以在宇宙间四处游荡，甚至经常光顾太阳系，并曾对太阳与行星的引力场产生过影响。“量子黑洞”是一种“灰色天体”它里面的某种“虚粒子”可以从黑洞中“蒸发”出来，故“黑洞不黑”，仍然可以与“视界”外的空间交换能量。严格说来，“黑洞”理论本身就是另外一种“引力佯谬”或“引力悖论”，它是按牛顿“万有引力”理论推导出来的一种“极限天体”，现实宇宙无法满足这种“极限天体”所要求的物理条件，故它不可能得到任何观测与实验的检验。当我们在实验室里把某种物质的密度加大到一定程度时，这种物质必然因理化环境的改变而抗拒密度的增加，或始终维持在固态的最小密度状态，根本不可能实现黑洞所要求的密度条件。就天文观测的角度讲，如果某种天体的体积与质量达到了一定极限，其内部热能必然导致它熔解、气化、等离子化，通过向外“蒸发”来减少自己的质量，从而使自身的物质密度维持在一个有限范围之内。比如银心的直径已达光年多，它就不得不以蒸发、辐射的方式向外界排泄质量，以减少自己的质量或扩大自身的体积，来维持一个合理的平均密度。“黑洞”理论家们正是把牛顿的“万有引力”绝对化，只强调宇宙物质相互吸引的一面，避而不谈物质吸在一起之后的离异与“蒸发”，只强调“万有引力”定律的数学结果，而回避“万有引力”造成的物理演化，只看到“万有引力”趋势所*近的极限，而不思考*近这一极限时出现的必然转化。因此，“黑洞”理论不是物理学说，而是片面的数学理论，是“万有引力”悖论群中的一种。近几十年来，随着“相对论”物理学的走红，“黑洞”这一传统“引力佯谬”又繁衍了一些现代版的“引力悖论”。一些“科学家”相信，支配宇宙运动的唯一力量是“万有引力”，在前宇宙时期，这种力曾经把整个宇宙星体吸在了一起，成了一个超大无比、独一无二的宇宙体，因为它质量太大，表面的地块不断向中心挤压，造成了一层层引力坍塌，最后塌缩成了一个半径为的宇宙奇点，这个奇点包含了全部宇宙的热量、质量与能量。亿年前，这个宇宙奇点再也忍受不住宇宙引力的禁锢，以“大爆炸”的形式来释放它内部的热量、质量与能量，最后就形成了我们现在所居住的宇宙。另一个版本的解释是，“万有引力”并没在奇点形成后失去作用，而是继续吸引收缩，只不过这时的引力矢量换向，由原来的实数值变成了虚数值，宇宙由半径为的奇点状态向半径为负值的虚数状态演进，这种虚数宇宙就是“白洞”。谈到黑洞，离不开史瓦西半径(Schwarzchild raduis)。史瓦西半径的是说，在史瓦西半径之內的物体，即使加速到接近光速，也沒有办法逃离黑洞。而在史瓦西半径之外的物体，可以逃离黑洞的重力场。史瓦西半径（Schwarzchild radius）的公式如下（文献 1）：Rs=2*G*M/C2上式中：Rs 为史瓦西半径，单位为 m；G 为万有引力常数，毕姆斯（Beams，J.W.）等人得到的 值为 6.674*10-11 m3s-2kg-1（文献 2）；M 为黑洞的质量，单位为 kg；C 为光速，其值为 299 792 458 m/s；这个公式是史瓦西将静态球对称引力场代入广义相对论场方程得到的史瓦西解（Schwarzchild Solution）。史瓦西解告诉我们，广义相对论预言一种物体，那就是黑洞。只要接近黑洞到一个限度，你就会发现时空被一個球面(半径为史瓦西半径)分割成两个性质不同的区域，这个球面称为“事界”(Event horizon)。史瓦西半径的公式是说：一个物体囚禁光的半径与该物体的质量成正比。已知太阳和地球的质量，我们不难求出太阳的史瓦西半径是 3km,也就是說,质量跟太阳一样的黑洞,如果光接近到 3km以內,就逃不出来了。而地球的史瓦西半径为 0.9cm。广义相对论的引力场在理论上存在着奇性，这种奇性具有十分奇特的性质，沿着短程线运动的粒子或光线会在奇性处“无中生有”或不知去向。按照广义相对论，演化到晚期的星体只要还有两三个太阳的质量，就会迟早变为黑洞，包括光线在内的任何物体都会被黑洞的强大引力吸到里面而消失得无影无踪。不仅如此，黑洞还要不断坍缩到时空奇性。时间停止了，空间成为一个点，一切物理定律，包括因果律都失去意义，一切物质状态都被撕得粉碎。此外，经典理论中的一个黑洞永远不能分裂为两个黑洞，只能是两个或两个以上的黑洞合为一个黑洞，其结果很可能是整个宇宙变为一个大黑洞，并且早晚要坍缩到奇性。寻找黑洞的观测工作也在稳步进展。1970 年底，美国和意大利联合发射了载有 X 射线探测装置的卫星，这颗卫星工作到 1974 年，共探测到 161 个射线源，经筛选确认，天鹅座 X-1 最有希望是一个黑洞。另外，圆规座 X-1 与天鹅座 X-1 数据非常相似，也很有希望被证认为黑洞。现在关于黑洞的理论的研究正在进展，观察结果还有待进步证实。无论如何，广义相对论竟然要求这类难以接受的奇性，无疑是一个难题。或者广义相对论本身要修改，或者物理学的其他基本概念和原理要有重大变更。美国天文学家借助“钱德拉”X 射线天文望远镜在双鱼座发现一个新级别黑洞。科学家们通过研究该黑洞的 X 射线爆发持续时间和爆发周期而大致确定了它的级别-质量相当于一万个太阳。科学家们称，新发现的这个黑洞只能算作是一种中等级别的黑洞。此前，科学家们所探测到的黑洞主要有两种类型，一种是质量仅相当于太阳质量十倍多的类恒星黑洞，另一种则是质量为太阳数十亿倍的超级黑洞。本次发现的这个黑洞位于双鱼座的 M74星系中，它与地球的距离约为 3200万光年。科学家们解释称，该黑洞的 X 射线爆发周期约为 2小时，其强度约相当于 10-1000个中子星或类恒星黑洞。科学家们认为，该黑洞 X 射线辐射的周期性变化与其周围聚集的热气体盘的变化有关。此前，科学家们还通过长期的研究得知，黑洞辐射的周期与其质量大小也有着密不可分的关系。根据上述这二个因素，科学家们才能判定该黑洞质量约相当于 10000个太阳的质量。科学家们还表示，此类黑洞的产生一般有两种途径：一，这种中等质量的黑洞由高密星群中央的数十个甚至上百个恒星级黑洞合并而来；二，它是大型星系逐渐吞噬小型星系而形成的小星系核的残留物质。（二）黑洞的存在性质疑 自然杂志卷期的 探索物理学难题的科学意义 的 个悬而未决的难题：黑洞何时可以露真容？Einstein并不相信黑洞，查普林争辩道，“不幸的是，他不能清楚地说明为什么。”问题的根源在于另一个 20 世纪物理学的革命性的理论量子力学，同样也是 Einstein协助建立起来的。在广义的相对论中，并没有一种所谓的“格林尼治时间”让其它地方的时钟以同样的速度转动。相反，在不同的地方，重力让时钟以不同的速度运转。但量子力学主要是描述细微空间中的物理现象，因而它只有在宇宙通用的时间的前提下才会体现其理论价值，否则就没有任何意义。这个问题在“视界(event horizon)”黑洞的边界尤为显著。对于一个遥远的观察者而言，这里的时间看似是静止的。一艘掉入黑洞的飞行器在遥远的观察者看来，似乎永远地陷在了黑洞的边界；但飞船中的宇航员们却能感觉到自己在继续下降。“广义相对论预示，黑洞边界并没有发生任何变化。”查普林说。然而，早在 1975，量子物理学家们曾经提出争议：在黑洞边界确实会发生奇怪的事情：遵守量子法则的物质对轻微干扰变得极为敏感。“这一结果很快地就被忘记，”查普林说，“因为它与广义相对论的预言不符。但是实际上，它是完全正确的。”他认为，这种奇怪的活动正是时空“量子相变(quantum phase transition)”的证据。卓别林认为，死亡后的恒星并不会简单地形成一个黑洞，而是在该时空内部，充斥着暗能量，而且这具有一些有趣的重力的效应。查普林称，暗能量星的“表面”外看，它的“行为”与黑洞十分相似，能够产生强大的重力牵引。但是内部，暗能量的“负”重力可能会引起物质重新反弹回来。而且查普林预言，如果暗能量星足够的大的话，任何反弹出的电子将会被转变成为正电子，它将在高能辐射中消灭其它电子。卓别林表示，这种情况可以解释我们观察到的银河系中心辐射现象。而此前对于这种现象，天文学家们认为是银河系中存在着一个巨大黑洞的证据。查普林还认为，宇宙可能充满着大量“原始”的暗能量星。这类星体并不是由恒星死亡而形成，而是由于时空自身的波动起伏所导致的，就像是从冷却的液态气体中自然冒出的气泡。这些与普通物质一样具有重力效应，但是无法被观察到，它们就是人们经常提到的暗物质。1974 年，霍金通过研究黑洞外的量子力学，发现黑洞不仅能够吸收黑洞外的物质，而且能以热辐射的形式向外“吐出”物质这一量子力学现象。由于黑洞在向外蒸发物质的同时，温度也随之升高；黑洞不断地向外蒸发物质，它的温度越来越高，蒸发越来越快，最后将以大爆炸的形式向外吐出所有的物质而结束它的生命。黑洞一旦形成就会“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，称为霍金辐射，亦称黑洞蒸发。霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时，霍金在 1976 年的另一篇论文中对此的阐述是：黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息，在黑洞损失殆尽之后，所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底抹掉的。这与霍金的说法似乎产生了矛盾，这就是“黑洞信息悖论”；而劳伦斯 M 克罗斯把它称为“怎样调和黑洞蒸发与量子力学？”另外可能存在带 electric charge的黑洞，一个带 electric charge的黑洞既有electric field 又有引力场，二者都可以储存能量。例如，有人提出在带电球对称黑洞中的量子不可克隆定理，如 Susskind 等在讨论史瓦西黑洞中提出量子克隆监督，即在史瓦希黑洞中，永无可能探测到被克隆的量子信息，并进一步得出结论，量子不可克隆定理和黑洞互补原理是两个相容的理论；但如果把讨论的范围扩大到一般球对称黑洞，在带电球对称黑洞中量子不可克隆定理和黑洞互补原理也似乎存在着不可调和的矛盾。黑洞中信息的丧失以及黑洞的体积随着质量的增加，密度逐渐减小。现代物理学已经证明，一个处在稳定状态的黑洞只能够有引力质量、电荷和自转角动量三个物理量，最简单的一类黑洞既没有电荷，也没有自转，而只有引力质量。既然引力质量之间同时存在着引力与斥力，那么自然界中应当不存在黑洞，而万有引力定律与广义相对论都无法排除黑洞的存在，而天文学又无法观察到黑洞。加利福尼亚大学洛杉矶分校的布拉德汉森等人近年来却发现，在距离银河系巨型黑洞不到 0.5光年的星团中，却存在着许多年轻的恒星，它们的年龄都不足 1000万年【1】。那么，它们又是如何在巨型黑洞的眼皮底下形成的呢？显然，这是一个极为突出的矛盾！因此说，现有的关于黑洞存在证据的科学解释，并没有自圆其说！他们认定大于三个太阳质量的中子星就会被引力压缩为一个黑洞，如果按天体原子模型，中子星并不是恒星的死尸，而实际上，中子星内部能级很高，反引力很大，考虑了反引力存在以后，大于三个太阳质量的中子星，引力就不可能把这颗中子星压缩为黑洞了。（三）、彭罗斯和霍金的争论 长期以来，人们认为黑洞会吞噬一切。1974 年，霍金通过研究黑洞外的量子力学，发现黑洞不仅能够吸收黑洞外的物质，而且能以热辐射的形式向外“吐出”物质这一量子力学现象。由于黑洞在向外蒸发物质的同时，温度也随之升高；黑洞不断地向外蒸发物质，它的温度越来越高，蒸发越来越快，最后将以大爆炸的形式向外吐出所有的物质而结束它的生命。黑洞一旦形成就会“蒸发”辐射出能量，同时损失质量，称为霍金辐射，亦称黑洞蒸发。霍金这一理论是黑洞研究中的一个重大进展。但与此同时，霍金在 1976 年的另一篇论文中对此的阐述是：黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息，在黑洞损失殆尽之后，所有信息都会丢失。而根据量子力学的定律，信息是不可能被彻底抹掉的。这与霍金的说法似乎产生了矛盾，这就是“黑洞信息悖论”；而劳伦斯M克罗斯把它称为“怎样调和黑洞蒸发与量子力学？”仅是表达“黑洞信息悖论”如何解答的进一步说法。黑洞信息丧失问题上的争论,首先由彭罗斯和霍金引起。这是因为在奇点和奇环是不同拓扑结构问题上，霍金和彭罗斯采取了不同的立场。霍金的宇宙，永远膨胀类似一个球面；反之，收缩也应是球面，而球面是有奇点的。而彭罗斯利用扭量理论理解的宇宙是复数的；扭量理论迈向了实、虚、正、负、零五元数量子时空，是一次飞跃，但扭量理论对复数的量子时空，仅用共形投影的黎曼球来处理，这是不完整的,所以扭量理论至今发展不大。如果复数量子时空的虚部分，可以看成是在“点内空间”,黎曼球的整个球面或者半个球面占据的地方,就类似一个环面。1、史瓦西黑洞是球对称的，是有奇点的。转动的克尔黑洞，内部有一个奇环，是没有奇点的。另外，带电的纽曼黑洞或既带电又旋转的克尔-纽曼黑洞，有复杂的奇环结构，也是没有奇点的。2、霍金认为，如果在宏观黑洞中信息丧失，那么信息也应在因度规量子起伏出现的微观的虚黑洞过程中丧失。在霍金看来，事件视界的出现和内禀引力熵的存在，以及相伴随的量子纯态向混合态的演变，在原来的量子不确定基础上引入了额外的不确定性。3、这里如果用虚黑洞的方生方灭,来理解纯态向混合态的演变，霍金思维和彭罗斯的扭量思维是等价的。从相互作用实在论的立场看，虚过程和所谓的可能发展趋势,是相对于实过程来定义的。如果把波函数相位视为信息，虚过程丧失的只是相位信息。4、彭罗斯认为虚黑洞对的涨落,会导致量子体系的相空间体积和信息的丧失，而作为量子测量的 R 过程，会导致波函数塌缩并引起相空间体积的补偿增益，而且这个过程不是时间对称的。如果上述过程是时间对称的，应该容许封闭量子体系内有白洞出现，但他认为这违背热力学第二定律；而真正的量子引力论一定会涉及时间不对称性。其实彭罗斯忽视了类似大小相等、方向相反而对称的力线，也可以不作用在同一点上。即量子理论的“时间对称”曾被笼统地理解了。虚黑洞可以有时间是对称的，也可以有时间不是对称的。宇宙大爆炸，就类似虚数的封闭量子体系运动到“零”出现的白洞。或者如霍金认为，在一定程度上，量子力学的霍金辐射可被看作是经典的物质被黑洞“吞没”的时间反演。5、在量子宇宙学中，霍金将黑洞的熵与时空拓扑的变化联系起来，也是与彭罗斯的设想是一致的。彭罗斯的扭量复数量子时空，认为黑洞产生的概率是与量子测量得到的信息量非定域地关联在一起的，即使不出现黑洞，量子测量也能进行。而霍金按照费曼路径积分的方法来理解量子理论，一个粒子不像在经典理论中那样，不仅只有一个历史；相反地，它被认为是通过时空中的每一条可能的途径，每一条途径有一对相关的数，一个代表波的幅度，一个代表它的相位。粒子通过一指定点的概率是将通过此点的所有可能途径的波叠加而求得。但人们不是对发生在你我经验的“实”时间内的路径求和，而是对发生在所谓的“虚”时间内的粒子的路径求和，把波加起来，这就是量子场论中的维克旋转，用 it 代替 t 实现时间轴的旋转，同时把闵可夫斯基空间翻译成欧氏空间，在欧氏理论中量子场论的某些表达式（譬如路径积分）可被更好地定义。霍金进一步把“维克旋转”运用到洛化度规这一类弯曲时空的度规中，以便得到欧氏度规的空间的更高水平上的维克旋转。即依据霍金的说明，要用费曼的历史求和方法确定宇宙波函数，在数学上非常困难，要运用鞍点近似和维克旋转等数学技巧，这就要求时间值取虚值，并且虚时间所对应的度规还要周期等同。在实时间中，只能朝着时间将来的方向前进，或沿着时间将来方向夹一个小角度的方向前进，在这个方向上不可避免地会遭遇到奇性，实时间在此到达尽头，而虚时间和实时方向夹正直角，在虚时间中就可转弯绕过奇性了。在霍金看来，虚时的引入意味着时间和空间之间的差别完全消失了；在欧几里德时空里，在时间方向和空间方向之间没有任何区别，而在闵氏时空或普通弯曲时空中，所有点上的时间方向都位于光锥里，而空间方向则位于外面。霍金认为，在普通量子力学中虚时和欧几里德时空的运用，仅仅视作一种计算实时空答案的数学方法的理解。但是，霍金同时又推测对虚时间概念作实在论解释的可能性，认为虚时间很可能比实时间更基本，广义相对论中的实时间在合理的因果性和物质分布的条件下不可避免地导致奇点，而量子引力论中的虚时间可以回避奇点，从中可以延拓出实时间，很可能是更为基本的时间概念。这里,实际是霍金超越或解读了彭罗斯的扭量时空理论。6、其实量子引力作用量，虚时间的引入平心而论,就类似在“点内空间”的事情，而且这只不过在强化实在性结构。实际上各种描述,包括真空和物理场在内的非实物的相互作用量，就都预设了类似“点内空间”的物质过程的存在，这在不同的理论中,可以指称不同类型的真空态量子场，它们的物理场及其涨落也可以不同，其宇宙的边界条件也就自然成了它没有边界。而有了无边界条件和虚时间，通过对宇宙所有可能的时空度规求和，也能类似如霍金找到那个理想化宇宙波函数，即“点内空间”能更多更好描写一个没有物质只有宇宙常数的理想化宇宙自发创生的过程。这个过程可想象成半个欧氏四维球面或环面，或者旋转的整个球面或环面。这里也能满足彭罗斯需要的，把场论分解为正频和负频部分，因这实际是指趋向于零的正虚数与负虚数频部分、正实数与负实数频部分。7、不管是牛顿还是 Einstein 引力公式，对质量巨大的星体，都会形成将三维空间分为两个区域：一个是以称之为视界的二维光滑曲面为边界的内区域；一个是以视界以外的渐近平直的外区域；而且要求内区域中的点不能与外区域中的任何点通信息。球面和环面拓扑结构不分的人，认为只要与坐标系的选择无关，就能反映时空的内在性质，而不必区分奇点和奇环的存在，或者认为在奇点和奇环处，就都只是时空的曲率无穷大（弯曲程度无穷大），物质的密度也无穷大。由于他们只是希望时空中最好不存在奇点，也就推测真实的时空中没有奇点。其实这是对的，情形也简单，只要了解宇宙大爆炸类似起于奇环就行。因为上述奇点的出现，是由于他们把时空的对称性只想象得如球面造成的。彭罗斯也认为，只要 Einstein 的广义相对论正确，并且因果性成立，那么任何有物质的时空，都至少存在一个奇点。而霍金参加进来，只是补充了另外的证明。不过，彭罗斯提出了“宇宙监督假设”来改善奇点的处境。他提出，“存在一位宇宙监督，它禁止裸奇点的出现”。也就是说，“宇宙监督”要求奇点必须包含在黑洞里面，这样生活在黑洞外面的人，不会受到奇点的“不良”影响。因为任何信息都不可能跑到黑洞外面来。8、但研究也表明，裸奇点出现时，黑洞的温度会处在绝对零度。因此这位“宇宙监督”很可能类似就是热力学第三定律。奇点定理表明，时空中至少存在一条具有如下性质的类光（光速）或类时（亚光速）曲线，它在有限的长度内会断掉，而且断掉的地方不能用任何手段修补，以使这条曲线可以延伸过去。即“奇点”就是时间过程断掉的地方。彭罗斯等人相信真正的量子引力论应该取代奇性处的时空的目前观念，以一种明晰的方式来谈论经典广义相对论中的时空奇点。彭罗斯主张把实际的“奇异点”以及“无穷远处的点”，也就是理想点合并到时空中去。例如,令 IP 是不可分解的过去集。“过去集”是包括自身过去的一个集合，类似宇宙“膜”外的“点外空间”或“膜”内的“点内空间”。“不可分解”是指它不能被分离成两个互不包含的过去集合，即“点外空间”和“点内空间”不能被分离成两个互不包含的集合。IP 有两个范畴，即 PIP 和 TIP。一个 PIP 是一个正规的 IP，即一个实际时空点的过去。一个 TIP 是一个终端的 IP，而不是时空中的一个实际点的过去。TIP 是未来理想点的过去。如果这个理想点“在无穷”，则称为TIP，类似“点外空间”；如果这个理想点是奇点，称为奇性 TIP，类似“点内空间”。彭罗斯指出，为了使一切分类行得通，我们必须假定没有两点有相同的未来或相同的过去。这样一来，黑洞内部的那些封闭类时线在彭罗斯看来可能是没有物理意义的数学虚构；即使它们是实在的，由于被视界所包围，因果性和时序的混乱也不会影响黑洞外部的物理过程。霍金后来也提出“时序保护猜想”，认为时空的真空量子涨落必然会堵塞封闭类时线构成的虫洞或时间机器；而且，霍金从量子论的费曼图计算中得出 Godel 宇宙解出现的概率趋向于零。9、彭罗斯相信在引入宇宙监督假设后，经典广义相对论可以保证因果性和时序。而霍金却相反，他认为在引入虚时和无边界条件，“点内空间”也可以倾向于一个闭合的宇宙；当然这仅是相对于他认为经典的广义相对论无法给出明确的时间箭头而说的。而彭罗斯认为，大爆炸奇性不同于黑洞奇性，由韦尔曲率假设，初始奇点（大爆炸）的韦尔曲率为零，而终结奇点（大挤压和黑洞）的韦尔曲率可能会发散；两种类型的奇性也许满足完全不同的定律，可能量子引力对于它们的定律是完全不同的。其实，这不是怀疑统一场论的可能存在，不是否定宇宙演化遵循统一的规律。彭罗斯和霍金的不同理解，都是把连续统中实数与虚数分开的，都是对的。例如，霍金认为，这种分开后，奇点的经典分类对于量子引力定律是无意义的。实际上，如果在宇宙“膜”内考虑引力熵和韦尔曲率假设的联系，热力学第二定律也可以从物质系统趋向稳定运动分布的这一更普适的事实中推导出来。参考文献：【1】中国科技网：银河系中心可能存在黑洞。资料：1、美国当地时间 4 月 2 日(北京时间 4 月 3 日)消息，美国加州劳伦斯-利弗莫尔(Lawrence Livermore)国家实验室物理学家乔治-卓别林(George Chapline)表示，宇宙中并不存在着所谓的“黑洞”，并认为人们通常所指的黑洞神秘物质实际上是“黑能(dark-energy)星体”。长期以来，黑洞已经成为了科幻小说中的重要材料之一。不少人认为，天文学家可以通过间接方式来观察到黑洞的存在，而巨型恒星死亡后就会形成黑洞。但卓另林认为，恒星死亡只会形成“黑能”物质。过去数年中，天文学家对银河系的观察表明，宇宙的 70%左右是一种奇怪的“黑能”所组成，正是它们在加速着宇宙的膨胀。卓别林说：“几乎可以肯定地说，宇宙中并不存在着黑洞。”黑洞是 Einstein广义相对论中最为著名的预言之一。广义相对论解释了受巨型恒星重力影响，会导致时空结构产生扭曲的现象。该理论认为，当某颗恒星死亡后，会受自己的重力影响而缩成一个点。但卓别林却认为，Einstein本人也不相信黑洞的存在。卓别林说：“不幸的是，他也无法说出准确的原因。”而解决该问题的根源就在于 20 世纪物理学的另一项革命性理论：量子力学。广义相对论认为，并不存在使任何一处时钟速度都相同的“宇宙时间”，相反，不同地方的重力不同，所导致的时钟速度也各不相同。但量子力学主要是描述细微空间中的物理现象，因而它只有在“宇宙时间”的前提下才会体现其理论价值，否则就没有任何意义。卓别林认为，问题解决的焦点就在于黑洞边界(event horizon)。对一个非常遥远的观察者来说，我们这儿的时间看起来会处于停止状态。同理，如果一艘飞船落入了某个黑洞之后，对遥远的观察者来说，飞船似乎被永远陷在了黑洞边界上，但飞船中的宇航员们却能感觉到自己在继续下降。卓别林说：“广义相对论预示，黑洞边界并没有发生任何变化。”1975年期间，量子力学专家们表示，黑洞边界确实发生了一些奇怪的事情：遵守量子法则的物质对轻微干扰变得极为敏感。卓别林说：“这个发现很快就被大家忘记了，因为它不符合广义相对论的预言。然而今天看来，它却是完全正确的发现。”他认为，这种奇怪的活动正是时空“量子阶段转变”的证据。卓别林认为，死亡后的恒星并不会简单地形成一个黑洞，而是在该时空内部，它却充斥着黑能，并具备重力影响。卓别林称，在某颗黑能星的“表面”，它看起来很象一个黑洞，并能制造强大的重力牵引。然而在它的内部，黑能的“负”重力又有可能将物质重新弹出来。如果某颗黑能星体积很大，任何反弹出来的电子转变成了正电子，然后会在高能辐射中消灭其它电子。卓别林表示，这种情况可以解释我们观察到的银河系中心辐射现象。而此前对于这种现象，天文学家们认为是银河系中存在着一个巨大黑洞的证据。卓别林还认为，宇宙中还有可能充满了大量“原始”类黑能星，这类星体并不是由恒星死亡而形成，而是由于时空自身的波动起伏所导致。而这种星体有可能就是人们通常据说的暗物质：它们与普通物质一样具有引力，只是无法被观察到。2、美国宇航局 9 月 9 日宣布，钱德拉 X 射线太空天文台监测到来自距地球两亿五千万光年的英仙座星系巨大黑洞声波的证据。这是人类首次发现黑洞可以发射声波，有媒体将此戏称为“黑洞在歌唱”。然而黑洞的“歌声”实在是太过低沉，它比钢琴的中央 C 低 57 个八度音阶，远远超出了人类的听力范围，使得人类无法直接欣赏到黑洞的“美丽歌喉”，这也是目前人类在宇宙中监测到的最低音调。“黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”，其实不然。所谓“黑洞”，就是这样一种天体：它的引力场是如此之强，就连光也不能逃脱出来。当英国科学家霍金根据量子力学研究物质在黑洞邻近的行为时，非常惊讶地发现，黑洞如同平常热体那样产生和发射粒子，这就意味着黑洞不是完全黑的。为了进一步研究黑洞，很多科学家把重点集中在物质被黑洞吸进之前，也就是研究黑洞边缘的情况。英国剑桥天文研究所的安迪?费边教授和他的同事研究钱德拉天文台的 X 射线图片时发现，英仙座星系黑洞附近的太空气体以其为中心呈同心圆排列，波的距离为 3 万光年，据此可确定声波的音调。科学家认为黑洞声波是由双重压力造成的。也就是说在物质被吸引进黑洞时会对太空气体产生的压力，而黑洞自身喷射物质时也会产生压力。在此之前，科学家已经发现黑洞可以发光发热，但黑洞可以发声还是首次为人类所发现。该发现除了有助于人类了解英仙座星系的形成外，还有助于解开人类多年未解的谜团，即英仙座黑洞周围的太空气体为什么不会冷却下来，形成星体。科学家认为可能是由于黑洞声波的巨大能量对太空气体加热造成的。(2005年9月18日)摘自天文探索 多年来，神秘的黑洞理论令众多顶级科学家心驰神往，为如何描述它而费尽心力。然而，一批美国科学家日前却提出全新的看法，认为所谓的黑洞根本是子虚乌有。据卫报7 月 29 日报道，提出该理论的是科学家席尔德领导的哈佛史密森天体物理研究中心的研究小组。他们观察到在距离地球 90 亿光年以外的宇宙间有一个类星体，它有很大的红移(光源远离观测者时，接受到的光波频率比其固有频率低，即向红端偏移)并放射出大量的蓝光，而且经常还有无线电波发出。此前科学家一直相信，类星体中央便是黑洞。研究小组动用 14 部天文望远镜，对这个类星体进行前所未有的全面观察，通过分析其光谱，深入探测了其内部结构。他们发现，类星体的中央周围有一圈碟形的物质形成的洞，宽度相当于地球与太阳距离的 4000 倍。他们相信，那个洞是由一个强力磁场喷发出大量物质形成的，其中有许多等离子形成的奇特圆球体。黑洞理论最早于1784年由一名英国地质学家提出，后经Einstein加以确认。英国著名天体物理学家霍金也在不久前进一步确定黑洞的存在。根据黑洞理论，这个可以吞噬一切的无底黑洞是没有磁场的。科研小组据此提出，类星体中央带有磁力的等离子球体的存在就排除了黑洞的可能。该研究小组的科学家莱特表示：“我相信，这是第一个能证明整个黑洞理论错误的证据。”科学家新的研究表明，黑洞可能并不存在 没有人知道宇宙中到底有没有黑洞。从黑洞这个概念提出的第一天起，科学家关于黑洞存在与否的争论就没有停止过。尽管黑洞理论能够解释一些问题，但宇宙也变得越发“诡异”和难以捉摸。最近，美国科学家在物理评论 D(Physical Review D)上撰文指出，黑洞是不可能存在的。如果他们的认识是正确的，那么天文物理学将经历一次新的变革，困扰科学家 40 余年的难题也将不攻自破。推翻现代宇宙学说 宇宙间可能根本不存在黑洞 简单说来，黑洞就是空间中的一个点，它的万有引力趋于无限大。在距离黑洞中心一定范围之内，它的引力大得连光都无法逃脱，这个范围就是所谓的“视界”(event horizon)。1974年，理论物理学家史蒂芬?霍金提出，量子物质能够以某种“狡猾”的方式逃出黑洞。他认为，粒子-反粒子对有一定的随机几率能够瞬间以实物形式“跨”于“视界”之上其中一个坠入黑洞，另一个则将能够自由。这就是著名的“霍金辐射”(Hawking Radiation)。这一理论表明，黑洞并非只进不出，它可以缓慢地释放出一些物质，被吸入黑洞的一切事物都最终能在几十亿甚至几万亿年后“重见天日”。这样看来，黑洞就成了一个矛盾体：即“密不透风”，又有所疏漏。这个两难的问题已经困扰了科学家 40 年之久。在最新的研究中，美国凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的物理学家Lawrence Krauss 和同事构建了一个复杂的数学公式，能够证明黑洞并不存在。Krauss 表示，公式的关键在于引入了爱因斯坦提出的时间延缓效应(relativistic effect of time)。爱因斯坦在广义相对论中指出，飞向黑洞的宇宙飞船中的乘客会感觉到飞船在加速，而在黑洞外部的观测者看来，飞船的速度却在变慢。而当飞船到达“视界”时，这个速度可以慢到观测者认为飞船似乎会永远停在那里，但永远不会被湮没。Krauss 表示，时间能够在那个点上停止下来，这就意味着时间对于黑洞而言是无限的。如果黑洞会不断向外释放物质，质量逐渐减少，那么它们在形成之前就已经蒸发消失了。他说，这就好比是向一个没有底的瓶子里倒水，永远倒不满。Krauss 表示，没有人真正见过黑洞。科学家会认为宇宙中遍布着黑洞，可能是由能够产生巨大引力的特大质量恒星遗骸引起的类似效果。实际上，Krauss 不是第一个这样认为的人。2005 年 3 月，美国天体物理学家乔治?钱普拉因表示，宇宙中没有黑洞，所谓的黑洞是由“暗能量”组成的巨大星体(参见更多阅读 4)。而在 2006 年 7 月，另一位美国科学家席尔德也发现了一个一直被当作黑洞的类星体(参见更多阅读 5)。NASA 戈达德空间飞行中心(Goddard Space Flight Center)的天文学家 Kimberly Weaver评论说，人们对黑洞和宇宙的认识不会如此之快。尽管她十分欣赏凯斯西储大学科研小组所描述的结论，但问题是人类目前的观测还没有找到任何能够支持这一观点的事实证据。Weaver 说，天文学家确实在银河系中央的超大黑洞附近观测到星际物质毫无踪迹地消失。不过，到目前为止，也没有人真正探测到“霍金辐射”，找到黑洞蒸发的证据。(科学时报)