黑洞概述 “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。 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。
实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。
这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。
如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。
与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。
这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。
这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。
这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！ “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。
有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。 黑洞系列之黑洞介绍 霍金在第二个黄金时代中对视界定义，是我们需要知道的对黑洞的描述十分 重要的一个重要思想，因为它还引出了另一个更加重要的结论：黑洞（热力学） 三定律，而这个定律最终带领我们找到了黑洞蒸发，即霍金辐射。
黑洞的视界，可以分为两个，一个是惠勒最早提出的视界——显视界，而另 一个是霍金的矫健思想的结晶——绝对视界。 显视界的定义，是光子被拉回到原来位置的地方（这个牵扯到了相对论引力 理论对时空在黑洞作用下的描述，在介绍相对论的时候会介绍到）。
绝对视界的定义，是物体是否可以和外界时空联系的分界面。 从定义上看，一些哲学思想比较好的人也许就可以看出不同了：显视界是顺 序的，而绝对视界是“目的论”的。 进一步分析可以知道：绝对视界的“果”——视界的位置，比视界的“因” ——物体是否落入黑洞，先表现了出来。
这个就是绝对视界和显视界的根本区别，也是它优越的地方。 显视界，在物体落入黑洞，即穿过了它以后，会突然地、毫无征兆地从原来 的位置跃迁到一个新的位置，然后安定下来。在这个时候，它的变化是不容易理 解的，而且在处理“动态”的黑洞（即在脉动、刚形成时候的黑洞）碰撞的时候， 会对引力波的辐射、黑洞的位置等问题带来许多麻烦和不方便。
而且物理定律似 乎也不允许这种突变的发生。 但是对于绝对视界，就没有这个问题了。它的位置取决于物体的运动是否会 导致物体落入黑洞，而不是物体是否已经落入了黑洞。如果一个运动的物体会落 入黑洞，那么在它落入以前，绝对视界就会膨胀，来“迎接”这个物体。
而这种 变化是连续的，而且对于那些关于黑洞视界的问题中，它的力量是巨大的，虽然 结果在原因以前出现在了这个宇宙中。 在这个战场上，黑洞击败了彭罗斯、泽尔多维奇、伊斯雷尔等杰出人物。其 中彭罗斯带来的数学工具曾经使得物理学上一片光辉，最终成功证明了黑洞无毛 定理，发现了宇宙监督定理等重要定理（可惜他没有最终证明这个他所提出的猜 想是否真的可能成为定理，但是霍金人从许多角度对它进行估算，证明这个猜想 十分可能是一个定理），是一个顶尖的数学家、物理学家，伊斯雷尔也是一个数 学家兼物理学家。
泽尔多维奇也是一个理论物理大家，一个思想十分活跃的人， 苏联物理学的代表。 但是霍金不是所有战场的胜利者。他在黑洞热力学这个方面，被惠勒的研究 生贝肯斯坦击败了。不过霍金毕竟不是一个平凡的人，他后来在这个战场上建立 了黑洞三定律，将黑洞和热力学完全结合了起来。
在黑洞建立绝对视界的同时，他也解决了黑洞引力辐射的能量多少问题，同 时，他发现了黑洞视界面积定理。他发现这个定理和热力学第二定律十分类似， 同时，其他黑洞研究者也发现在描述黑洞性质变化的时候（比如描述吸积盘形成 的过程中），黑洞的变化方程和热力学的方程十分相似。
但是这些仅仅被霍金以 及他的同事们认为是巧合而已。但是贝肯斯坦不这么认为，他在导师惠勒的鼓励 下，计算了如果黑洞符合热力学定律，视界和熵之间的一个对应关系（惠勒没有 帮助他计算，这个是惠勒在教育方面的一个特点，就是鼓励自己的学生来发挥他 们自己的才能，而他自己在关键的时候给予学生一些思想上的帮助），得到了熵 和黑洞视界面积的近似关系：熵近似等于视界面积与普朗克面积（在下文介绍量 子理论的时候会介绍这个十分重要的物理常数）的比值。
但是如果同意了黑洞符合热力学公式，那么就相当于同意了黑洞具有一个温 度。但是根据热力学公式，我们可以知道：任何比周围温度高的物体，必定向周 围发出辐射。而宇宙的背景温度约为3K，而如果贝肯斯坦的计算是正确的，那么 黑洞的温度一定远高于这个值，那么似乎黑洞必定会辐射物质，而不是吸收。
贝肯斯坦和霍金在这个问题上都陷入了僵局。 在广义相对论在引力领域建立起绝对威望的同时，量子理论也已经发展成熟 了，成熟到了足以来到引力的领域，参加黑洞研究的地步了。 第一个使用量子理论来研究黑洞问题的，是苏联的泽尔多维奇，一个有着强 烈物理直觉的领导者，苏联理论物理学的权威，苏联黑洞研究小组的教练。
而他 使用这个理论来解决的第一个引力问题，是克尔黑洞的引力辐射。就是这个问题， 为贝肯斯坦和霍金的战争划上了圆满的句号，同时启发霍金发现并掌握了量子辐 射。 泽尔多维奇在应用量子理论解释引力问题的时候，惠勒在量子理论上的工作 是不可磨灭的。
惠勒第一个提出了量子真空涨落这个概念。 真空涨落说的是，在任意一个绝对真空中，即使你用无限大的能量来躯干这 个区域中的物质，量子理论总会使得这个区域的时空本身发生一个能量的起伏— —海森堡能量借贷——使得这个区域的各个部分的能量不同，但是总合保持为0。
在白矮星中，电子被压迫在一个十分小的区域中，但是电磁波的量子真空涨 落迫使电子继续随机地运动，而且速度十分大，进入了相对论范围中。这个就是 “电子简并运动”，产生的一个向外的压力就是“电子简并压”。这个也是当年 爱因斯坦和爱丁顿反对黑洞的证据。
在中子星中，也是这个简并运动迫使中子星 停止继续塌缩。 真空涨落无所不在，在生活中的最基本应用就是荧光灯。这种效应在量子理 论发展完全，惠勒提出真空涨落概念、海森堡提出能量借贷概念以前，一直困扰 着物理学家，被称为自发发射。 泽尔多维奇在接受了惠勒的思想后，先对旋转的金属球进行计算，发现了金 属球的旋转将周围空间发生的量子真空涨落加速、放大、催化和真实化，成为了 反向旋转能和向外发射的电磁波，同时自己的旋转速度变慢，直到停止为止。
随后，泽尔多维奇用类比，推出了克尔黑洞会辐射各类辐射（主要是电磁波 和引力波，其次是中微子等辐射）的结论。这个结论的试探性太强，没有人注意 到。同时，美国的米斯纳也提出了同样的想法，并且有了一定的反应。 霍金在去莫斯科参加一个会议的时候，和泽尔多维奇以及他的学生斯塔罗宾 斯基有了联系，得知泽尔多维奇和他的学生们已经开始结合量子理论和相对论， 并且已经得到了黑洞会辐射的猜想，十分感兴趣，于是在回到剑桥边开始着手研 究。
在大家都同意泽尔多维奇的同时，霍金的计算带来了另一个更加使人震惊的 结论：即使黑洞没有旋转，它也在辐射，而且有一个确定的熵和温度：熵和视界 面积的比正比于黑洞质量的平方，而温度和视界表面引力的比反比于黑洞质量。 到这里，霍金和贝肯斯坦的争论结束了，贝肯斯坦胜利了，他建立了黑洞三 定律，但是霍金却得到了霍金辐射，一个十分重要的定理，同时部分成功、正确 地结合了量子理论和相对论，得到了一个更加重要的理论——弯曲时空的量子场 定律。
量子理论还带来了许多东西，比如和实际情况最吻合的BKL 黑洞，一个比纽 曼黑洞更加具体、现实的黑洞。 卡拉特尼科夫和栗弗席兹在研究恒星的随机扰动（在史瓦西、克尔和RN黑洞 中，都没有涉及到恒星塌缩时的物质运动，即扰动）是发现，这些扰动会干扰黑 洞奇点的产生，从而根据相对论，恒星所在的时空会成为一个封闭的小空间在时 空组中运动（时空组这个名字是我起的，在后面会介绍到。
其实他就是一些同胚 ——拓扑术语——时空的集合）到达其他时空中在爆发出来。但是苏联和欧洲的 隔绝使得他们没有得到彭罗斯的一个重要的证明和他的一个重要的数学工具—— 整体方法，因而他们的计算错了。并且，在和索恩的争论中知道了一些整体方法 的内容，而研究生别林斯基一同找到了一个在我们这个宇宙中最基本的黑洞典型 ：BKL 黑洞。
BKL 黑洞是拓扑学的胜利，是数学和物理的融合，也是相对论和量子理论的 第一次亲密接触。 好了，到了这里，对于黑洞以及发现、发展黑洞的历史的介绍已经到了尾声 了，先让我们来看看黑洞的形成，在来整体认识一些最典型、最普通、最可能在 自然界出现的黑洞：BKL 黑洞的一些性质以及相关知识。
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黑洞及其分类
沸腾的黑洞，你将把物理学引向何方?透过奇异的黑暗，辐射出新世纪的曙光。
19世纪末20世纪初，物理界出现了两朵乌云：黑体辐射与迈克尔逊实验。一年后，第一朵乌云降生了量子论，五年后，第二朵乌云降生了相对论。经过一个世纪的发展，又在这世纪之交，物理界又降生了两朵乌云：奇点困难和引力场量子化困难。
这两个困难可能通过黑洞与大爆炸的研究而解决。
基本粒子，天体演化，和生命起源是当代自然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与基本粒子，天体演化有密切关系。特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题，有助于我们深入认识自然界，因此，黑洞是本连载的重中之重。
牛顿理论也曾预言过黑洞，将光作为粒子，当光被引力拉回时，就成为一个黑洞。它与现代理论预言的黑洞不同，牛顿黑洞是一颗死星，是天体演化的最终归宿。而现代黑洞，却只是天体演化的一个中间阶段，黑洞也在变化，甚至有些变化异常激烈。黑洞可以发光，放热，甚至爆炸。
黑洞不是死亡之星，甚至充满生机。黑洞是相对论的产物，却超出了相对论的范围，与量子论和热力学之间存在深刻的联系。由天体演化形成的黑洞称为常规黑洞。
1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理"：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量，角动量，电荷三个基本守恒量继续起作用。
其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。
由此定理可将黑洞分为四类。
(1)不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。
(2)不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。
(3)旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。
(4)一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。
其中最重要的是施瓦西黑洞和克尔黑洞。因为黑洞一般不带电荷，却大都高速旋转，旋转一周只需千分之几秒甚至更小。
一般来说，黑洞平均密度是非常大的，但黑洞质量越大密度越小。太阳质量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米，宇宙质量的黑洞密度却只有10^(-23)克/立方米数量级与现在宇宙密度已相差不大，因此有人猜测宇宙可能是个黑洞也不无道理。
黑洞引出了奇点困难，体积为零，密度无穷大的数学奇点应该不会在物理界出现，但是自然界中实在找不到其它的力可以抵抗强大的引力，因此，在奇点附近有可能存在至今未被发现的相互作用或物理定律阻止奇点的形成，这也是研究黑洞的意义之一。
利用牛顿理论可知，当逃逸速度达到光速时，光也无法从星球表面射出，这就是牛顿黑洞。光的波动说战胜微粒说后，牛顿黑洞被人们淡忘了，因为波是不受引力影响的。有趣的是，从广义相对论计算出的黑洞条件与牛顿理论计算出的完全相同，从现代眼光看，牛顿理论的推导犯了两个错误：(1)将光子动能MC^2写成了(1/2)MC^2，(2)把时空弯曲当成了万有引力。
两个错误相互抵消却得到了正确的结论。因此静态中性黑洞的视界半径与牛顿黑洞的半径完全相汀。视界就是(在经典范围内，相对论属于经典物理)任何物质都无法逃离的边界。
我们说的黑洞大小是指它的视界大小，黑洞内部其实基本空无一物，只有一个奇点。这个点的体积无穷小，密度无穷大，所有的物质都被压缩到这个点里。
先前我们说过，奇点可能不存在，我们把它当很小的点就可以了。我们来看黑洞吞噬物质的场面：假设两艘飞船里分别有两个人A和B，A远离黑洞，B被黑洞吸引。在B看来，它不断的接近黑洞，不断的加速，以接近光速的速度穿过视界，又以极短的时间撞向中心奇点，被压的粉身碎骨，连原子核都被压碎。
在A看来，他看不到B的真实过程，他看到B先加速后减速最后停在视界处，逐渐变暗，最终消失。A看到的只是B的飞船上外壳发出的光的行为，B的真实部分早在A不知不觉中撞向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀，使A看到的速度变慢甚至接近零了。
A看到的光停在视界上并不与光速不变原理相矛盾，光速不变原理指的是在四维时空中，光走过的四维距离是零。当时空平直时，三维光速是个常数。时空弯曲时，三维空间中光会偏折。在视界处，时空极度弯曲，无穷远处的观察者看到的光速是零。但在视界附近看到的光速还是光速，因为在小区域内时间进度是相同的。
光速不变不是简单的指无论在什么情况下光都是所谓的匀速直线运动。不过三维空间中任何物质的速度都不超过光速目前仍是正确的。
通过坐标变换，可以得到宇宙的克鲁斯卡时空，它将全时空分为四个对称区域。奇怪的是我们的宇宙似乎只占两个区域，其中1区是我们普通的宇宙，2区是黑洞视界内的宇宙，3区是一个与我们的宇宙对称的宇宙，通过虫洞与我们的宇宙相连，只是这种虫洞只有超光速信号才能通过，光与普通物质无法通过这种黑洞的虫洞进入另一个宇宙。
4区是白洞视界内的宇宙。可以说黑洞理论预言了白洞和另一个宇宙。白洞和黑洞相反，经典范围内是个只出不进的天体，它也符合物质不灭定律，它吐出的物质是原本就存在的。方程中虽有白洞解，但不等于现实中一定存在白洞，只是有存在的可能性。霍金等人证明，小黑洞与白洞不可区分。
有人猜测黑洞和白洞可以相互转化，白洞喷发的物质来自黑洞吞噬的物质，甚至宇宙的原始大爆炸就是白洞喷发。按大爆炸标准模型，宇宙最可能的结局是物质收缩为原初奇点。全宇宙的物质收缩为一个点，在这样的极端条件下有可能存在黑洞向白洞转化的条件，从而引发下一轮宇宙大爆炸。
带电黑洞又称R-N黑洞，它与不带电黑洞的区别是，它有两个视界。落入黑洞的飞船，一旦穿过外视界，就不可抗拒的穿越内外视界间的空间，但穿过内视界后，飞船将自由的飞翔。在那里飞船不至于落到中心奇点上。在奇点附近有巨大的天体引潮力，会把包括飞船在内的所有物质全部撕碎。
不过飞船可以避开奇点。后来研究表明，飞船根本不可能靠近中心奇点，只有光才可以抵达那里。任何有静质量的物体都不能在有限时间内到达奇点。进入内视界之后，还可以从另一个宇宙中的白洞穿出，进入另一个宇宙。这就是带电黑洞的虫洞。这类虫洞是可以穿越的，也就是说我们有可能进入另一个宇宙。
如果不断增加R-N黑洞的电荷，将出现内外视界合二为一的局面。这时的黑洞称为极端R-N黑洞。如果再对极端黑洞加一点电荷，则视界消失，奇点将裸露出来，产生"裸奇异"现象。按目前的观点，奇点不属于时空，那里的性质完全不确定，裸奇点往往会向外发出不确定信息，导致时空和物质演化完全不确定。
为了避免这一现象的出现，彭若斯提出了宇宙监督假设：存在一位宇宙监督，它禁止裸奇异的出现。只要把奇点用视界包起来，它发出的不确定信息就不会跑出黑洞，因此不会影响宇宙的演化。但是在内视界内部，进入黑洞的人仍可能看到奇点，仍会受它们的奇异性的影响。
彭若斯改进他的宇宙监督假设，认为内视界内部的时空是不稳定的，在微扰下它会"倒"在内视界上阻止飞船进入这类区域。最近的研究表明，内视界内部的确有不稳定的倾向。因此，如果他的假设成立，这类虫洞仍是不可超越的，我们仍然不能进入另一个宇宙。但是，"宇宙监督"究竟是什么?这就像当年不了解大气压强而提出的"自然界害怕真空"一样，提出"自然界害怕奇点"。
在物理学上没有解决任何问题。如果假设正确，它必定是一条物理定律。也许是我们还不知道的一条定律，但更可能是我们已经知道的一条定律。随着黑洞热力学的深入发展，物理学家们已经越来越肯定，宇宙监督极有可能就是热力学第三定律：不可能通过有限次操作将温度降到绝对零度。
旋转黑洞又称克尔黑洞，它有两个视界和两个无限红移面，而且这四个面并不重合。视界才是黑洞的边界，是指任何物质(经典物理范围内)都无法逃脱的边界。无限红移面是指光在这个面上发生无限红移，即光从一个边界射出后发生引力红移，红移后的频率为零。
这一边界就是无限红移面。先前没有提到是因为施瓦西黑洞和带电黑洞的视界和无限红移面是重合的，但是克尔黑洞并不重合，两个无限红移面分别在内视界内部和外视界外部，它们与视界所围成的空间分别叫做内能层和外能层。由于视界才是黑洞的边界，因此外能层不属于克尔黑洞，只能算作黑洞的附属部分。
它们很像一个鸡蛋，克尔黑洞是蛋黄，外能层是外面包围的一圈蛋清。在一定条件下，外能层中的物质可能穿出无限红移面进入外部世界。彭若斯证明在特定条件下，能量较低的粒子穿入能层后，可能从能层中获得能量，穿出时有较高的能量。这就是彭若斯过程。通过此过程反复操作可以提取黑洞的能量，使能层变薄。
这些能量是黑洞的转动动能。能层变薄，黑洞转动动能减少。当能层消失后，克尔黑洞退化为不旋转的施瓦西黑洞，因此不能再继续以这种方式提取能量了。克尔黑洞中的中心奇异区不是一个点，而是一个奇环，就是由奇点围成的一条圆圈线。
当黑洞旋转速度加快，内外视界可能合二为一，称为极端克尔黑洞。
当旋转速度再增加一点，视界消失，奇环裸露在外面。这与彭若斯的宇宙监督假设矛盾。因此在这一前提下，黑洞的转速是有限制的。当外部飞船飞入克尔黑洞时，会不可抗拒的穿过内外视界间的区域，进入内视界内部后可以在其中运动而不一定落在奇环上。而且飞船可以从这里进入其他宇宙，从另一个宇宙的白洞出来。
这就是克尔黑洞预言的可穿越虫洞。可是上期曾说过，宇宙监督认为内视界内部区域不稳定，飞船可能还没有到达这个区域就已经撞向奇环了。因此宇宙监督不仅不允许我们的宇宙受奇异性的干扰，似乎也封住了一切可穿越虫洞的入口，不允许我们去发现另一个宇宙。
纽曼等人把克尔解推广到带电情况，得到了一般黑洞解。
由于一般黑洞与克尔黑洞结构相似，主要性质和一些主要现象都非常类似，因此不多做讲解。米斯纳从彭若斯过程中得到启发，认为彭若斯过程没有设定物体的大小。若物体是个基本粒子，就与激光的超辐射原理非常相似。这是受激辐射。爱因斯坦研究原子发光时，提出过存在受激辐射的同时一定存在自发辐射，通俗点讲就是原子发光。
因此米斯纳提出黑洞存在自发辐射。后来研究表明，黑洞的确可以通过量子隧道效应辐射粒子，这部分粒子将带走黑洞的能量，角动量，和电荷。最终克尔黑洞，R-N黑洞和一般黑洞退化为施瓦西黑洞。施瓦西黑洞似乎仍是一颗只进不出的僵死的星，仍是恒星的最终归宿。
然而霍金打破了僵局，发现了一切黑洞(包括施瓦西黑洞)的共同性质，施瓦西黑洞仍是不断演化的。
贝肯斯坦和斯马尔各自独立发现了黑洞各参量之间的一个重要关系式，发现黑洞的静止能，转动动能，电势能三者之间存在相互转化关系。这一公式与热力学第一定律表达式非常相似，而且表达的内容也是能量守恒定律。
这一公式被称为黑洞力学第一定律。
在热力学中我们知道，并不是所有满足能量守恒的过程都可以实现，只有同时满足第二定律：封闭系统的熵不能减少这一条件才可以实现。熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理。实践证明，只要忽略这一原理就会不可避免的遭到失败。
1971年，霍金在不考虑量子效应，宇宙监督假设和强能量条件成立的前提下证明了面积定理：黑洞的表面积在顺时方向永不减少。真实的时空都满足强能条件，即时空的应力不能太小，由一个公式描述。两个黑洞合并为一个黑洞面积增大，因此可以实现。但一个黑洞分裂为两个黑洞，面积减小，因此即使满足能量守恒也是不可能实现的。
在面积定理约束下，两个等质量黑洞合并，若面积不变可以放出约30%的黑洞能量。面积定理很容易使物理学家们联想到第二定律的熵，它是唯一显示时间箭头的物理定律。贝肯斯坦等人通过黑洞的微观分析，认为黑洞的确存在与面积成正比的熵。面积定理是热力学第二定律在黑洞力学中的具体体现。
先介绍一个概念：黑洞的表面引力。表面引力就是将物体放在视界处(若黑洞旋转就认为物体与视界一起旋转，与视界相对静止)受到的引力场强度。一个系统存在熵就存在温度，在视界面积与熵成正比的前提下容易证明表面引力与温度成正比。前几期提到的极端黑洞证明它们的表面引力为零。
也就是说，极端黑洞是绝对零度的黑洞。热力学第三定律告诉我们，不能通过有限次操作把温度降到绝对零度。因此可以存在黑洞力学第三定律：不能通过有限次操作把一个非极端黑洞转变为极端黑洞。它与彭若斯的宇宙监督假设是等价的。它是一条独立于第一定律与第二定律的公理。
热力学还有个第零定律：如果物体A与B达到热平衡，B与C达到热平衡，则A与C也一定达到热平衡。如果类比正确，应该指望黑洞存在一条类似的第零定律。目前已经证明稳态黑洞表面引力是一个常数。人们把这一结论称为黑洞力学第零定律。
因此，黑洞表面引力相当于温度，表面积相当于熵。
如果是真温度，黑洞就是个热力学系统，应该存在热辐射，但通常对黑洞的理解是一个只进不出的天体，不会有热辐射。因此1973年前霍金等人强调，黑洞温度并不应该看作真正的温度，因此上述定律没有被称为黑洞力学斯定律。然而1973年霍金发现，黑洞存在热辐射，上述四定律的确就是热力学四定律。
1973年，霍金做出重大发现，他证明所有黑洞都有热辐射，其辐射谱是标准的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理，辐射过程中黑洞面积会缩小，质量也会减小。但仍然服从热力学第二定律，因为黑洞的熵虽然减小了，但辐射出的物质熵增加了。它们的和仍是增大的。
到目前为止，自然界中没有任何一种力量可以抗拒黑洞附近(视界内)的引力，那么这些粒子是怎样逃出来的呢?要说明这一问题首先要从真空说起。
为解决量子力学中的负能困难，狄拉克提出了"真空不空"的思想，在泡利不相容原理基础上克服了负能困难，并预言了正电子和反物质的存在。
真空并不是一无所有的状态，而是能量最低的状獭。也就是说正能态都空着，负能态都被粒子填满的状獭。量子力学的测不准关系告诉我们，任何可测量的实过程都必须满足测不准关系：粒子坐标不确定度与动量不确定度的乘积不能小于一个很小的常数。也就是说凡是不满足不确定度关系的粒子都是无法观测到的，我们之所以看不到真空负能粒子海中的粒子就是因为它们不满足测不准关系。
正电子，反质子，反中子等反粒子已相继被发现，又发现了诸如开斯米尔效应等真空边界效应，都无可辩驳的证明了负能粒子海的存在，已为物理学家们广泛接受。
延伸这一思想可得到真空涨落的概念。负能粒子海不断发生负能粒子向正能区跃迁的过程，真空中每时每刻都在发生虚粒子对的产生和湮灭，真空并不平静，是一种非常热闹的状獭。
虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子组成，负能粒子不能在我们的宇宙中稳定存在，在极端的时间内就会与正能粒子湮灭。但负能粒子可以在黑洞的视界内部长时间存在，这就导致了黑洞视界两侧的一种不对称，从而产生一种可观测的效应。当负能粒子落入黑洞，可以到达奇点使那里的质量减少。
而正能粒子留在外面飞向远方。对于远处的观察者，他看到一个正能粒子飞过来，黑洞减少了相应的质量和电荷，因此他认为黑洞辐射出一个粒子。霍金用量子场论的方法严格证明了这种辐射的存在。
对于施瓦西黑洞，温度与质量成反比，也就是说黑洞越小温度越高。
常规黑洞温度很低，接近绝对零度，霍金等人认为宇宙中不止存在常规黑洞，在宇宙大爆炸初期会产生巨大的压力，在一些局部区域会将一些物质压缩为微型黑洞，这些黑洞迅速吸收周围的物质而长大，成为10亿吨级的小黑洞。这类黑洞的特点是温度高达一千亿度，辐射功率约一千万千瓦，相当于一个特大型发电站，不仅不黑，反而是最明亮的光源，半径只有质子大小，核子数约为10^39个，与基本粒子间静电力与万有引力之比大致相等。
小黑洞的寿命大约是100亿年相当于宇宙年龄。也许只是巧合，也许隐含着深刻的道理。黑洞存在负的热容，温度越高放热越多，使质量减少，从而促进温度升高，放出更多的热量，形成雪崩效应，最终小黑洞会爆炸消失，小黑洞爆炸类似于宇宙大爆炸，研究小黑洞对天体演化这一课题意义重大。
黑洞之所以被称为二十一世纪的主旋律是因为它涉及到了物理学中的一些根本问题。比如，小黑洞涉及到大爆炸，白洞，宇宙年龄，质子大小，静电力与引力强度比等等。总之，涉及到宇宙生成问题。常规黑洞涉及到宇宙大尺度模型，我们的宇宙是否真是一个大黑洞?是否存在一个超巨型黑洞向白洞转化的一场大爆炸?"大爆炸"一般指物质和时空一起在大爆炸中产生，是时空本身在爆炸，而不是物质在现有时空中爆炸。
黑洞触动了物理学的基础。比如，可能破坏重子数守恒定律。重子数守恒是指质子，中子，超子等所谓重子的总数永远是不变的。此定律在基本粒子理论中有重要作用。例如：原子弹，氢弹，反应堆，以及恒星内部的热核反应可以释放巨大的静止能，但是它们的原子能利用率却不到1%。
这是由重子数守恒限制的。参与核反应的重子不能减少，因此核反应释放的能量是核子间结合能的差额，一般不超过1%。根据黑洞无毛定理，黑洞只有质量角动量电荷三个参量，物质的其他性质(比如重子数)进入黑洞后完全消失，因为重子已经在奇点附近被压碎了。但黑洞通过霍金辐射放出的粒子只决定于质量角动量电荷三个参量。
黑洞发射重子和反重子的几率相等。因此，通过黑洞的形成和消失使物质中巨大数量的重子消失了，从而破坏重子数守恒。黑洞有比量子力学更大的不确定性，我们对黑洞内部细节并不十分清楚，对黑洞放出的粒子状态不能作多少预言。任何物质都可以塌缩为黑洞，但除了质量角动量电荷之外，其他一切参量都彻底消失了。
如果此黑洞再向外放出物质，就已经只取决于这三个参量了。因此，当将产生黑洞前的物质状态和黑洞再消失的过程中放出的物质比较时，除了质量角动量电荷外其他物理量其他物理量可能就全都不守恒了。因此，似乎只有两种可能，一是没有其他守恒律，二是黑洞产生和再消失是不可能的或者要受到极大的限制，使它不影响其他定律。
黑洞还引出了物理学中的奇点困难，奇点是时空曲率无限大的地方，是时空的病态部分。任何物理定律面对这样一个点都无能为力。目前绝大多数物理学家都不承认时空中存在奇点，然而却找不到解决的方法。奇点困难已经成为21世纪两大疑难之一。新的理论有希望从这里得到发展。
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“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。 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。
实际上黑洞真正是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演化而来的。 我们曾经比较详细地介绍了白矮星和中子星形成的过程。当一颗恒星衰老时，它的热核反应已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。
这样，它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下，核心开始坍缩，直到最后形成体积小、密度大的星体，重新有能力与压力平衡。 质量小一些的恒星主要演化成白矮星，质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。
如果超过了这个值，那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。 这次，根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地向着中心点进军，直至成为一个体积趋于零、密度趋向无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到一定程度(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，巨大的引力就使得即使光也无法向外射出，从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。
与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察到它，连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么，黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢？答案就是——弯曲的空间。我们都知道，光是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场作用下弯曲。
这时候，光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播，但走的已经不是直线，而是曲线。形象地讲，好像光本来是要走直线的，只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。 在地球上，由于引力场作用很小，这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围，空间的这种变形非常大。
这样，即使是被黑洞挡着的恒星发出的光，虽然有一部分会落入黑洞中消失，可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以，我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一样，这就是黑洞的隐身术。 更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。
这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、甚至后背！ “黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。不过，这些当代天体物理学的最新成果不是在这里三言两语能说清楚的。
有兴趣的朋友可以去参考专门的论著。
黑洞有可能是我们通往另一个世界的通道。那是一片乐土
答：无定论，>=45亿年。详情>>
问：明亮的月亮叫什么月？月初的月亮叫什么月？十五的月亮叫什么月？月末的月亮叫什么月？
答：分别是：明月,新月,圆月,残月详情>>
