8．黑洞不黑

最后，我们来谈谈恒星演化的第三种归宿——黑洞。大家已经知道，质量较小的恒星演化到晚期，由于其自身的引力较弱，靠电子简并压就可以抗衡其自引力，从而成为白矮星；质量较大的恒星演化到晚期会发生超新星爆发，恒星爆发后剩下的内核其质量超过了1.44M_⊙的钱德拉塞卡极限，电子简并压已不能与恒星的自引力相平衡，恒星就要继续向内收缩，当它的密度达到核密度附近时，电子被压入原子核与核内的质子结合成中子，这时中子简并压可以和星体的自引力相抗衡，恒星将变成一颗中子星。中子星的质量也有一个上限，约为3.2M_⊙，称为奥本海默质量极限，如果超过了这个数值，中子简并压也无法与星体的自引力相抗衡了。因此，当大质量的恒星演化到晚期经超新星爆发以后剩下的内核的质量超过3.2M_⊙时，就没有什么力量能够抵挡引力的作用了，收缩将不可抗拒的进行下去，一泻千里，异常迅捷，造成恒星核心很快向中心坍陷。这种不可抗拒的收缩称为完全引力坍缩。

遭遇完全引力坍缩的恒星，其表面引力场将不断增强。任何物体休想从恒星表面逃离出去，所需要的逃逸速度也将越来越大。地球上的逃逸速度是每秒11.2km，这就是通常所说的第二宇宙速度。但是，当恒星坍缩到它的引力半径时，逃逸速度就增至每秒30万千米，这已经是光的速度了。一个物体的引力半径是和它的质量成正比的，太阳引力半径为3km，3个太阳质量的恒星，引力半径为9km；10个太阳质量的恒星，引力半径就是30km。由于任何粒子的速度都不能超过光速，所以恒星的半径坍缩到引力半径那么大的时候，它所发射的任何粒子都要被它强大的引力拉回来。光子也不例外，于是我们看不见它，这样的星体将完全是黑的。当星体收缩到引力半径以内时，它的所有物质将不可避免地在有限的时间内落向中心，结果便形成了黑洞。

按照现代天体理论，大质量恒星演化的结果，并非黑洞产生的唯一途径。恒星碰撞也可能产生黑洞。星系或球状星团的中心部分恒星密集，容易发生星体间的大规模碰撞。有人认为，我们的银河系中心就曾发生过这类超级碰撞。由这类碰撞就可能形成质量超过太阳1亿倍的黑洞。此外还可能存在所谓的原初黑洞，它是在宇宙早期形成的微型黑洞，其半径只有质子或中子那样大，质量为10亿吨左右。这种小黑洞可能回荡在我们太阳系或银河系中。

黑洞有些什么性质呢？在广义相对论中，黑洞是这样一个时空区域，无论是光或是其他任何物质都不能从它那里跑出来。黑洞的边界就是外界观察者视线的边界，所以叫做视界。对于球状黑洞，视界也是一个球面，半径就是前面说到的引力半径。当物体一旦越过视界进入黑洞内部，就永远无法返回了。所以，视界可以看成是一种单向膜。在视界外发生的事情，人们是可以洞察的；在视界内出现的过程，人们就无法直接看到了。

黑洞是一个极强的引力源，它会不断地将周围的气体、尘埃和其他物质吸过来，这个过程称为吸积。受黑洞吸积的物质可以获得很大的能量，并因此产生电磁辐射和引力辐射。所以，黑洞本身虽然不会发光，但由于吸积过程的存在，它往往又表现为天体中的X射线源、Υ射线源或引力辐射源，天文学家正是利用这些现象来搜寻和探测宇宙中的黑洞。

天体变成黑洞以后，它原来许多丰富多彩的属性都要丧失，所以黑洞比一般天体要简单得多，只要知道了它的质量、角动量和电荷，它的全部性质也就完全确定了。掉进黑洞的任何东西，也将失去一切原有的性质，只有它的质量、角动量和电荷被黑洞接管，其余的一切都化为乌有。因此，有人把黑洞说成是“三根毛”的秃头，这三根毛就是质量、自转角动量和电荷。

掉进黑洞的物体再也不能出来，黑洞具有只进不出的特性。这就是说：黑洞的质量只会增加不会减少，黑洞的质量增加了，其引力半径相应增长，于是黑洞视界的表面积也必然增加。两个黑洞的视界表面积必定大于原来那两个黑洞的视界表面积之和。这也就是说，在包含黑洞的任意过程中，所有黑洞的视界表面积之和是绝不会减小的，这就是黑洞的面积不减定理。

在热力学中有一个熵增加原理：孤立系统的熵永不减少。这和黑洞的面积不减定理很相似，于是有人就将黑洞的面积作为黑洞熵的量度。其理由是，物体落入黑洞后，黑洞的质量变大，因而表面积就要增加；而物体落入黑洞要失去大量信息，意味着作为体系无规程度量度的熵也会增加。黑洞有了熵，必然会有温度，有温度就必定要向外发出热辐射，这又和黑洞只进不出的特性相抵触。这个矛盾直到1974年才得到解决。1974年英国物理学家霍金发表了题为《黑洞爆发吗？》的论文以后，黑洞理论在观念上有突破性的进展。霍金的讨论仍旧是采用广义相对论来描述引力，但是他考虑了量子理论的影响，得到了惊人的结果，这个结果就是，计及量子效应以后，黑洞就不再是完全“黑”的了，它也会发射粒子，甚至引起剧烈的爆发！于是，黑洞的变化就不仅可以通过吸收使质量增大，还可以通过发射而使质量减小。这样，面积不减定理就只是一种经典近似的结果，考虑到量子效应以后，它就不再精确成立。

如何理解黑洞不黑这一现象？很多经典理论认为不可能发生的事情，在考虑量子效应以后，情况就将改观。例如，在原子核内的α粒子是被强大的核吸引力所禁锢的，按照经典理论，它们不可能自己跑到核外面来。但量子理论允许这种穿透发生，称为量子隧道效应，而且，实际上也存在这种现象。现在，黑洞也是这样，黑洞里面的粒子可以通过量子隧道效应穿透出来，称为黑洞的蒸发。不过，对于一个质量与太阳相当的黑洞来说，质量的蒸发是极不明显的，大约需要10⁶⁶年才能蒸发殆尽，但是对于一个质量只有10亿吨的原初黑洞来说，这种蒸发就相当可观了，它竟能在10^-23秒之内蒸发得一干二净，温度还急剧上升到1200亿度，实际上是一场猛烈的爆炸。一个10亿吨的小黑洞，从诞生到爆炸所经历的时间约为100亿年，如果它们是与我们的宇宙同时出现的话，很可能现在正处于爆炸中。