黑洞从猜测到论证到证实，有许多应予弄明

1．            很早就有人按万有引力猜测可能存在“暗星”

牛顿力学就已知道：所有的物体都有质量，都受万有引力作用。

因而，很早就有人猜测：当质量足够大，其边缘距其质量中心不太远的物团(星体)，之外的，甚至达到光速的粒子，在万有引力作用下，也不能逃离该物团(星体)。因而，人眼看不见该物团(星体)，当时，就称之为“暗星（Dark Stars）”。

进而，并有人根据对双星特性的观测，而推断 其中之一可能实际就是“暗星”。

就还是猜测，但有了实际可能的存在。

2．按广义相对论具体论证了黑洞

相对论，因包括高速(其3维空间速度与真空中光速相比，不可忽略)物体必须用时空观测系，当有力的作用，还必须计及相应的时空弯曲，而牛顿力学的引力场必须代之以爱因斯坦的广义相对论引力场方程。

而且，还认识到，光子的运动质量应由其形成的光波的频率除以光速的平方表达。

由此得到相应的引力公式，当质量足够大的物团沿3维空间位置矢对频率为可见光的最高频率的光子从r(3)作功到r(3)’使得光子向外的动能全部耗尽，则频率小于该频率的光子就都不能逃离该物团，而外界就看不到该物团。就称之为“黑洞（Black Hole）”

由此可见：从按牛顿力学猜测的“暗星”，到按广义相对论论证的“黑洞”，都是研讨：质量足够大，其边缘距其质量中心不太远的物团，的引力，而能使可见光的光子不能逃离该物团，而外界看不到该物团的问题。

但因光子这样高速运动粒子受引力的作用，仅由3维空间平直“观测系”的牛顿力学，还不能正确地研讨，而必需由4维时空弯曲“观测系”的广义相对论才能解决。

但是，由于没有相应的矢量表达和矢算工具，甚至作为广义相对论重要基础的爱因斯坦场方程也只能带有猜测性地由分析度规张量的特性而得到，并不能演绎地导出。

史瓦西按在一个静止的、不带电的、球对称的天体的外部，分析其度规张量的特性(即所谓：史瓦西度规。)建立的爱因斯坦引力场方程，并得到了该方程的解，称为史瓦西外部解。

这个解，存在两个所谓“奇点（其值的分母等于零，实际上是无意义的）”分别是：1。r=0；2。r=r(G)。（已定义：r(G)=2GM/c^2，

现在被称为史瓦西半径)。

r=0这个奇点,即在该星体的质量中心，实际上在计算引力做功中，应从其相应的Green函数积分的单连通区域中扣除；

而r=r(G) 实际上是以星体的质量中心为球心，以r(G)为半径的一个球面，它其实是一个可以通过坐标变换而消除的无物理意义的解，在计算引力做功中，也应从其相应的Green函数积分的单连通区域中扣除。

3．所谓坍缩至“奇点”的误解

由前节可知：所谓“黑洞”是因为“质量足够大的物团沿3维空间位置矢对频率为可见光的最高频率的光子从r(3)作功到r(3)’使得光子向外的动能全部耗尽，则频率小于该频率的光子就都不能逃离该物团，而外界就看不到该物团”而产生。

爱因斯坦引力场方程的解中的所谓“奇点”都是在计算引力做功中，应从其相应的Green函数积分的单连通区域中扣除的。

却被误认为是：“星体塌缩后，在史瓦西半径处有奇怪的性质，在那里时间被冻结，在这个半径之内，即使是光，也无法逃脱引力的束缚”。

这是应予“弄明”之一点。

4．罗杰 彭罗斯、史蒂芬 霍金(S. Hawking)引进的“新概念全局方法”

由节2．已知，广义相对论是被表达成在单独坐标系的一堆繁复、难解的偏微分方程。人们曾经只注重寻找其解，而忽略研讨其物理意义，致使其长期受到冷落。

罗杰 彭罗斯、史蒂芬 霍金先后引进和采用不必准确地解方程，即能研讨其一般特性，物理地分析一些宇宙学问题，特别是对“奇性”和黑洞的研究，新概念的全局方法，使广义相对论展现出新的活力。

霍金给出的两项预言：(1)在暴涨期“小微扰”的发展， (2)黑洞应有热辐射，还分别可为最近观察到的微波背景起伏所证实和在原则上可以检验，而名声大噪。

但是，这种对时空大尺度因果性结构进行物理分析，其关键技巧是将建立在由爱因斯坦引力场，例如：史瓦西、克尔的度规，方程的一些经典解，一般化的基础之上，进而用围绕作通常场论的“微扰”处理，研讨引力场自身相互作用的方法，就都显得非常间接和带有猜测性。

特别是，将其解中含有的一个被“事界”包围的奇点，当成坍缩尘埃云。

而由节3．已知，虽然引力场确实有奇点，但它并无实际意义，而须在其单连通区域内从相应的Green函数积分中扣除。

这是应予“弄明”之又一点。

5．实际观测已证实宇宙中广泛地存在大量的黑洞

所谓“黑洞”无非是大量质量粒子的集团，由于总质量巨大，其引力足以吸入在其附近的任核具有运动质量的粒子，甚至进入其相应事界的光子，也不能逃脱。因而，人们无法通过光的反射直接观测到黑洞。

但是，仍有多种办法发现黑洞，例如：

5.1.“黑洞”的引力，也与普通物体一样，是与距其质量中心的距离的平方成反比。而且，当该物体在足够远处，切线运动速度所产生的离心力，能与所受它的引力达到平衡时，该物体就会围拢它作圆或椭圆形轨道运动，就像行星围绕太阳、月球围绕地球作轨道运动一样。并非对其周围的所有物体，一概撕开、吸入。可能就围绕它作圆或椭圆形轨道运动。而可通过对其周围存在物体的轨道运动状态，分析其中心黑洞的存在。进而间接地探测黑洞的质量大小。

2008年8月21日报道，科学家通过研究一大群漂浮在我们银河系的中央的巨大恒星，发现，它们盘旋附近的银河系中央潜伏着一个巨大的黑洞。

并按设计出一个模型，由这些星体的运行状态，分析其所受引力的情况，就应能具体判定中心黑洞的质量。并模仿演示出这些恒星在如此复杂混乱的黑洞环境中形成的过程。对黑洞附近恒星的形成原因给出了一个新的解释。

还推测：模型中演示的恒星形成过程在浩瀚的宇宙很普遍。我们银河系中存在的巨大黑洞，肯定在其他星系同样存在，甚至其他星系的黑洞比我们银河系中央的黑洞要大上几千倍。

5.2．物质被黑洞卷入，温度极高，可以放射出被观测到的射线。

来自欧洲和美国的天文学家们利用设在智利的ESO超大望远镜(VLT)和Atacama探路者望远镜(APEX)，就分别观测到源自“人马A座”黑洞的近红外波长光线和亚毫米波长光线。

2008-6-23根据美国宇航局利用钱德拉X射线太空天文台以及地面光学望远镜（Chandra X-ray Observatory and ground-based telescopes）所得到的最新数据，甚至分析到大、小黑洞的 “进食方式”，而且最大的黑洞在以一种特殊的方式“饲养”着身边的小黑洞。

5.3. 黑洞大爆发时，可观测到不断向外扩展的物质

2008-11-20据美国宇航局太空网报道，欧洲和美国天文学家利用两台望远镜，成功观测到了位于银河系中心的一个超大质量黑洞大爆发。爆发产生的物质都围绕着这个黑洞的四周，不断向外扩展。

美国波士顿大学艾伦•马斯奇领导的一支国际研究小组使用强大的射电望远镜，拍摄到特大黑洞正喷射超动力粒子，从而让科学家第一次看到这些宇宙喷射是如何形成的。

（《自然》（Nature），452, 966-969 (24 April 2008)，Alan P. Marscher, Wesley T. Ryle）

由日本大阪教育大学和芬兰图尔库大学等机构科学家组成的研究小组观测到小黑洞绕大黑洞一圈的周期为12年，每个周期内会有两次急剧变亮。这个黑洞距地球大约35亿光年，其质量是此前发现的最大质量黑洞的6倍，差不多相当于一个小星系的质量，而围绕它运行的小黑洞的质量是太阳的1亿倍。

通过理论计算和观测证实，周期性变亮是因为小黑洞以超过每秒10万公里的速度接近大黑洞时，与大黑洞周围的气体发生激烈摩擦，从而产生发光现象。

（《自然》（Nature），452, 851-853 (17 April 2008)，M. J. Valtonen, S. Dogru）

美国宇航局2007年3月13日说，借助几台大型望远镜的天际搜寻，天文学家们首次在银河系中全景式地观测到了1000多个超大质量黑洞。 

黑洞吞噬周围物质，当这些物质以高速落入黑洞时，会产生大量特殊电磁波，这些电磁波能以不同波长被探测到。这类天体系统被称为活跃星系核。黑洞越大，活跃星系核就越明亮，所以即便短时曝光，望远镜也能在较远的观测距离上分辨并捕捉那些超大黑洞的影像。

此前天文学界观测黑洞，通常都在相当长一段时期内通过超长时间的曝光来“紧盯”一片相对较小的天际空间。而这次天文学家小组采取了和以往截然不同的观测方式。观测小组通过美国宇航局的钱德拉x射线望远镜、斯皮策太空望远镜以及架设在地球上的一些光学望远镜，利用较短时间的曝光向着遥远宇宙空间进行“撒网”式的大面积黑洞搜索，最终通过全景式照片展现了1000多个超大质量黑洞。 

哈佛－史密森天体物理学中心的赖恩·希科克斯说：“我们想对整个宇宙中的黑洞及其习性来一个完全的‘人口普查’，所以这次使用了特殊的观测策略，来‘捕获’这些超大黑洞。”

6．所谓“霍金辐射”

1974年前后，霍金考虑量子效应，用弯曲时空的量子场论，发现，黑洞会通过所谓“霍金辐射”的方式丢失质量，而变小乃至消失。

即，按现在的量子场论，认为：

由于所谓“不确定关系”，真空中会不停地、大量地发生所谓“真空涨落”。每次真空涨落，就产生一对，分别有正、负能量(总能量为零,遵守能量守恒定律)的，虚粒子。因产生后，在极短的时间内，就彼此碰撞消失，存在的时间极短。且能量越高（质量越大）存在的时间越短，在此过程，不可能测量到它们的存在。

而在黑洞视界附近，真空量子涨落，产生的虚粒子 就可能有一个被吸入黑洞，而一个仍被留在起外。两个粒子，就都得以分别在黑洞内、外“实化”，长期存在，成为了实粒子。

当黑洞吸收了一个负能量的实粒子，则使其质量减少；而外界在此过程中就得到了一个正能量的实粒子。就相当于粒子从黑洞里跑出来，黑洞减少了质量。

如此，按热平衡计算，可得：当黑洞的温度低于外界，黑洞将从外界吸收物质，并逐渐变大；当黑洞的温度高于外界，便会通过霍金辐射逐渐“蒸发”，并在一定条件下达到爆炸，释放极高能量的γ射线暴。

还按此，估算一定质量黑洞的尺度、温度和寿命。对黑洞寿命，T，的数量级估算，是： 秒。

其中M是黑洞的质量，单位为克。即黑洞的寿命与其质量的三次方成正比。黑洞越小，辐射的越快，寿命越短。

并根据如此算得的数据，以外界温度为宇宙微波背景辐射的，2.7K，分析各类质量黑洞，是正在逐渐蒸发、消失；还是从不断从外界吸收辐射和物质，而不断长大。

由于确实观测到黑洞发出的辐射，霍金辐射已被学术界广泛接受，但30多年以来，仍然没有存在如霍金所描述的辐射，的任何强有力证据。

    实际上，量子力学及其场论，都是大量粒子的统计力学及其场论。通常所谓“测不准关系”，只是大量粒子的位置矢与动量矢各分量模长误差平方的平均值间的相互关系，表明大量粒子的位置矢与动量矢各分量模长误差平方的平均值不能同时为零。它反映的只是这大量粒子的位置矢与动量矢各分量模长的一种统计规律，并不是个别粒子的位置矢与动量矢各分量模长误差平方的平均值间的相互关系。并不是粒子的位置矢与动量矢不能同时测准。

只能表明各相应粒子在相应条件下，在各相应时空位置出现的几率。因而，甚至在单个粒子不能出现的地点，例如：在通常应为真空的位置，也可能以一定的几率出现，而并非所谓“真空能量涨落”。

因而，根本不会有所谓“霍金辐射”。

这也应予“弄明”之又一点。

但是，各类辐射的动能与其频率成正比，各类辐射的动能=h /2

=(3.3086 0003.) 10 (尔格)。 各类光子的波长与动能如下表：

            热辐射   红外线   可见光   紫外线    X射线   射线

波长(厘米)  更长     5.     2.     5.     5.    

5.   2.   5.   5.       更短

频率(次/秒)  更低     1.5(12)    6.0(14)    1.5(15)    1.5(17)    3.0(20)

1.5(12) 6.0(14) 1.5(15)  1.5(17) 3.0(20)  更高

动能(尔格)   更小     5.0(-14)   2.0(-12)    5.0(-12)   5.0(-10)   9.9(-6)

5.0(-14) 2.0(-12) 5.0(-12) 5.0(-10) 9.9(-6)  更大

可见，它们的动能相差悬殊。因而，波长比最短可见光 波长更短的“光子” 仍能逃出 能使最短可见光波长的“光子”也不能逃出其“事界” 的“黑洞

但这些光子因受引力作功还会大大降低其频率，乃至可能成为“热辐射”。甚至，在较小“黑洞”内的中心部分，或很大“黑洞”内接近边缘处，还会

因核聚变发出的高能光子 (实际上，“黑洞”并不均匀，在其某些局部，在一定条件下，可能发生光辐射甚至核反应) 还可能成为“可见光”、紫外线”、“X射线” 甚至“ 射线” 而逃出其“事界”。

因而，黑洞不仅可能热辐射，并进而指出：还可能辐射出“可见光” 、“紫外线” 、“X射线”甚至“ 射线”。

这些也都已为实际观测所证实。