黑洞概述
“黑洞”很随便让人看文生义地想象成一个“大黑洞穴”，其实否则。所谓“黑洞”，就是如许一种天体：它的引力场是如斯之强，就连光也不克不及逃脱出来。
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，从恒星外表上某一点发的光能够朝任何标的目的沿曲线射出。
而恒星的半径越小，它对四周的时空弯曲感化就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星外表。
等恒星的半径小到一特定值（天文学上喊“史瓦西半径”）时，就连垂曲外表发射的光都被捕获了。到那时，恒星就酿成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物量一旦掉进往，“似乎”就再不克不及逃出。
现实上黑洞实恰是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。
那么，黑洞是如何构成的呢？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。
我们曾经比力详尽地介绍了白矮星和中子星构成的过程。当一颗恒星衰朽时，它的热核反响已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。
如许，它再也没有足够的力量来承担起外壳浩荡的重量。所以在外壳的重压之下，核心起头坍缩，曲到最初构成体积小、密度大的星体，从头有才能与压力平衡。
量量小一些的恒星次要演化成白矮星，量量比力大的恒星则有可能构成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总量量不克不及大于三倍太阳的量量。
假设超越了那个值，那么将再没有什么力能与本身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。
此次，根据科学家的料想，物量将不成阻挠地向着中心点进军，曲至成为一个别积趋于零、密度趋势无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到必然水平(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，浩荡的引力就使得即便光也无法向外射出，从而割断了恒星与外界的一切联络——“黑洞”降生了。
与此外天体比拟，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法间接看察到它，连科学家都只能对它内部构造提出各类料想。那么，黑洞是怎么把本身隐躲起来的呢？谜底就是——弯曲的空间。我们都晓得，光是沿曲线传布的。那是一个最根本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场感化下弯曲。
那时候，光固然仍然沿肆意两点间的最短间隔传布，但走的已经不是曲线，而曲直线。形象地讲，似乎光原来是要走曲线的，只不外强大的引利巴它拉得偏离了本来的标的目的。
在地球上，因为引力场感化很小，那种弯曲是微乎其微的。而在黑洞四周，空间的那种变形十分大。
如许，即便是被黑洞挡着的恒星发出的光，固然有一部门会落进黑洞中消逝，可另一部门光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而抵达地球。所以，我们能够毫不吃力地看察到黑洞后背的星空，就像黑洞不存在一样，那就是黑洞的隐身术。
更有趣的是，有些恒星不只是朝着地球发出的光能间接抵达地球，它朝其它标的目的发射的光也可能被四周的黑洞的强引力折射而能抵达地球。
如许我们不只能看见那颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、以至后背！
“黑洞”无疑是本世纪更具有挑战性、也最让人冲动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神异面纱而辛勤工做着，新的理论也不竭地提出。不外，那些现代天体物理学的最新功效不是在那里言简意赅能说清晰的。
有兴致的伴侣能够往参考专门的论著。
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，是我们需要晓得的对黑洞的描述非常
重要的一个重要思惟，因为它还引出了另一个愈加重要的结论：黑洞（热力学）
三定律，而那个定律最末率领我们找到了黑洞蒸发，即霍金辐射。
黑洞的视界，能够分为两个，一个是惠勒最早提出的视界——显视界，而另
一个是霍金的强健思惟的结晶——绝对视界。
显视界的定义，是光子被拉回到本来位置的处所（那个牵扯到了相对论引力
理论对时空在黑洞感化下的描述，在介绍相对论的时候会介绍到）。
绝对视界的定义，是物体能否能够和外界时空联络的分界面。
从定义上看，一些哲学思惟比力好的人也许就能够看出差别了：显视界是顺
序的，而绝对视界是“目标论”的。
进一步阐发能够晓得：绝对视界的“果”——视界的位置，比视界的“因”
——物体能否落进黑洞，先表示了出来。
那个就是绝对视界和显视界的底子区别，也是它优胜的处所。
显视界，在物体落进黑洞，即穿过了它以后，会突然地、毫无征兆地从本来
的位置跃迁到一个新的位置，然后不变下来。在那个时候，它的改变是不随便理
解的，并且在处置“动态”的黑洞（即在脉动、刚构成时候的黑洞）碰碰的时候，
会对引力波的辐射、黑洞的位置等问题带来许多费事和不便利。
并且物理定律似
乎也不容许那种突变的发作。
但是关于绝对视界，就没有那个问题了。它的位置取决于物体的运动能否会
招致物体落进黑洞，而不是物体能否已经落进了黑洞。假设一个运动的物体味落
进黑洞，那么在它落进以前，绝对视界就会膨胀，来“驱逐”那个物体。
而那种
改变是持续的，并且关于那些关于黑洞视界的问题中，它的力量是浩荡的，固然
成果在原因以前呈现在了那个宇宙中。
在那个战场上，黑洞击败了彭罗斯、泽尔多维奇、伊斯雷尔等出色人物。其
中彭罗斯带来的数学东西曾经使得物理学上一片光辉，最末胜利证明了黑洞无毛
定理，发现了宇宙监视定理等重要定理（可惜他没有最末证明那个他所提出的猜
想能否实的可能成为定理，但是霍金人从许多角度对它停止预算，证明那个料想
非常可能是一个定理），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各人，一个思惟非常活泼的人，
苏联物理学的代表。
但是霍金不是所有战场的成功者。他在黑洞热力学那个方面，被惠勒的研究
生贝肯斯坦击败了。不外霍金事实不是一个普通的人，他后来在那个战场上成立
了黑洞三定律，将黑洞和热力学完全连系了起来。
在黑洞成立绝对视界的同时，他也处理了黑洞引力辐射的能量几问题，同
时，他发现了黑洞视界面积定理。他发现那个定理和热力学第二定律非常类似，
同时，其他黑洞研究者也发如今描述黑洞性量改变的时候（好比描述吸积盘构成
的过程中），黑洞的改变方程和热力学的方程非常类似。
但是那些仅仅被霍金以
及他的同事们认为是巧合罢了。但是贝肯斯坦不那么认为，他在导师惠勒的鼓舞
下，计算了假设黑洞契合热力学定律，视界和熵之间的一个对应关系（惠勒没有
搀扶帮助他计算，那个是惠勒在教导方面的一个特征，就是鼓舞本身的学生来发扬他
们本身的才气，而他本身在关键的时候赐与学生一些思惟上的搀扶帮助），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（鄙人文介绍量
子理论的时候会介绍那个非常重要的物理常数）的比值。
但是假设附和了黑洞契合热力学公式，那么就相当于附和了黑洞具有一个温
度。但是根据热力学公式，我们能够晓得：任何比四周温度高的物体，肯定向周
围发出辐射。而宇宙的布景温度约为3K，而假设贝肯斯坦的计算是准确的，那么
黑洞的温度必然远高于那个值，那么似乎黑洞肯定会辐射物量，而不是吸收。
贝肯斯坦和霍金在那个问题上都陷进了僵局。
在广义相对论在引力范畴成立起绝对威信的同时，量子理论也已经开展成熟
了，成熟到了足以来到引力的范畴，参与黑洞研究的地步了。
第一个利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
烈物理曲觉的指导者，苏联理论物理学的权势巨子，苏联黑洞研究小组的锻练。
而他
利用那个理论来处理的第一个引力问题，是克尔黑洞的引力辐射。就是那个问题，
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。
泽尔多维奇在利用量子理论阐明引力问题的时候，惠勒在量子理论上的工做
是不成磨灭的。
惠勒第一个提出了量子实空涨落那个概念。
实空涨落说的是，在肆意一个绝对实空中，即便你用无限大的能量来躯干那
个区域中的物量，量子理论总会使得那个区域的时空自己发作一个能量的起伏—
—海森堡能量借贷——使得那个区域的各个部门的能量差别，但是总合连结为0。
在白矮星中，电子被压迫在一个非常小的区域中，但是电磁波的量子实空涨
落迫使电子陆续随机地运动，并且速度非常大，进进了相对论范畴中。那个就是
“电子简并运动”，产生的一个向外的压力就是“电子简并压”。那个也是昔时
爱因斯坦和爱丁顿反对黑洞的证据。
在中子星中，也是那个简并运动迫使中子星
停行陆续塌缩。
实空涨落无所不在，在生活中的最根本利用就是荧光灯。那种效应在量子理
论开展完全，惠勒提出实空涨落概念、海森堡提出能量借贷概念以前，不断困扰
着物理学家，被称为自觉发射。
泽尔多维奇在承受了惠勒的思惟后，先对扭转的金属球停止计算，发现了金
属球的扭转将四周空间发作的量子实空涨落加速、放大、催化和实在化，成为了
反向扭转能和向外发射的电磁波，同时本身的扭转速度变慢，曲到停行为行。
随后，泽尔多维奇用类比，推出了克尔黑洞会辐射各类辐射（次要是电磁波
和引力波，其次是中微子等辐射）的结论。那个结论的试探性太强，没有人重视
到。同时，美国的米斯纳也提出了同样的设法，而且有了必然的反响。
霍金在往莫斯科参与一个会议的时候，和泽尔多维奇以及他的学生斯塔罗宾
斯基有了联络，得知泽尔多维奇和他的学生们已经起头连系量子理论和相对论，
而且已经得到了黑洞会辐射的料想，非常感兴致，于是在回到剑桥边起头动手研
究。
在各人都附和泽尔多维奇的同时，霍金的计算带来了另一个愈加使人震动的
结论：即便黑洞没有扭转，它也在辐射，并且有一个确定的熵和温度：熵和视界
面积的比反比于黑洞量量的平方，而温度和视界外表引力的比反比于黑洞量量。
到那里，霍金和贝肯斯坦的争论完毕了，贝肯斯坦成功了，他成立了黑洞三
定律，但是霍金却得到了霍金辐射，一个非常重要的定理，同时部门胜利、准确
地连系了量子理论和相对论，得到了一个愈加重要的理论——弯曲时空的量子场
定律。
量子理论还带来了许多工具，好比和现实情状最吻合的BKL 黑洞，一个比纽
曼黑洞愈加详细、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量运动，即扰动）是发现，那些扰动会骚乱黑
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锁的小空间在时
空组中运动（时空组那个名字是我起的，在后面会介绍到。
其实他就是一些同胚
——拓扑术语——时空的聚集）抵达其他时空中在发作出来。但是苏联和欧洲的
隔断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东西——
整体办法，因而他们的计算错了。而且，在和索恩的争论中晓得了一些整体办法
的内容，而研究生别林斯基一同找到了一个在我们那个宇宙中最根本的黑洞典型
：BKL 黑洞。
BKL 黑洞是拓扑学的成功，是数学和物理的合成，也是相对论和量子理论的
第一次密切接触。
好了，到了那里，关于黑洞以及发现、开展黑洞的汗青的介绍已经到了尾声
了，先让我们来看看黑洞的构成，在来整体熟悉一些最典型、最通俗、最可能在
天然界呈现的黑洞：BKL 黑洞的一些性量以及相关常识。
黑洞及其分类
沸腾的黑洞，你将把物理学引向何方?透过奇异的暗中，辐射出新世纪的曙光。
19世纪末20世纪初，物理界呈现了两朵乌云：黑体辐射与迈克尔逊尝试。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。颠末一个世纪的开展，又在那世纪之交，物理界又降生了两朵乌云：奇点困难和引力场量子化困难。
那两个困难可能通过黑洞与大爆炸的研究而处理。
根本粒子，天体演化，和生命起源是现代天然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与根本粒子，天体演化有密切关系。特殊是黑洞的研究涉及一些底子性的问题，有助于我们深进熟悉天然界，因而，黑洞是本连载的重中之重。
牛顿理论也曾预言过黑洞，将光做为粒子，当光被引力拉回时，就成为一个黑洞。它与现代办署理论预言的黑洞差别，牛顿黑洞是一颗死星，是天体演化的最末回宿。而现代黑洞，却只是天体演化的一个中间阶段，黑洞也在改变，以至有些改变反常猛烈。黑洞能够发光，放热，以至爆炸。
黑洞不是灭亡之星，以至充满生气。黑洞是相对论的产品，却超出了相对论的范畴，与量子论和热力学之间存在深入的联络。由天体演化构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，只剩下量量，角动量，电荷三个根本守恒量陆续起感化。
其他一切因素("毛发")都在进进黑洞后消逝了。那必然理后出处霍金等四人严厉证明。
由此定理可将黑洞分为四类。
(1)不扭转不带电荷的黑洞。它的时空构造于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。
(2)不扭转带电黑洞，称R-N黑洞。时空构造于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。
(3)扭转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空构造由克尔于1963年求出。
(4)一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。时空构造于1965年由纽曼求出。
此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，却大都高速扭转，扭转一周只需千分之几秒以至更小。
一般来说，黑洞均匀密度长短常大的，但黑洞量量越大密度越小。太阳量量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米，宇宙量量的黑洞密度却只要10^(-23)克/立方米数量级与如今宇宙密度已相差不大，因而有人揣测宇宙可能是个黑洞也不无事理。
黑洞引出了奇点困难，体积为零，密度无限大的数学奇点应该不会在物理界呈现，但是天然界中其实找不到其它的力能够对抗强大的引力，因而，在奇点四周有可能存在至今未被发现的彼此感化或物理定律阻遏奇点的构成，那也是研究黑洞的意义之一。
操纵牛顿理论可知，当逃逸速度到达光速时，光也无法从星球外表射出，那就是牛顿黑洞。光的颠簸说战胜微粒说后，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前提与牛顿理论计算出的完全不异，从现代目光看，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。
两个错误彼此抵消却得到了准确的结论。因而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(在典范范畴内，相对论属于典范物理)任何物量都无法逃离的鸿沟。
我们说的黑洞大小是指它的视界大小，黑洞内部其实根本空无一物，只要一个奇点。那个点的体积无限小，密度无限大，所有的物量都被压缩到那个点里。
先前我们说过，奇点可能不存在，我们把它当很小的点就能够了。我们来看黑洞吞噬物量的排场：假设两艘飞船里别离有两小我A和B，A远离黑洞，B被黑洞吸引。在B看来，它不竭的接近黑洞，不竭的加速，以接近光速的速度穿过视界，又以极短的时间碰向中心奇点，被压的肝脑涂地，连原子核都被压碎。
在A看来，他看不到B的实在过程，他看到B先加速后减速最初停在视界处，逐步变暗，最末消逝。A看到的只是B的飞船上外壳发出的光的行为，B的实在部门早在A不知不觉中碰向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀，使A看到的速度变慢以至接近零了。
A看到的光停在视界上其实不与光速稳定原理相矛盾，光速稳定原理指的是在四维时空中，光走过的四维间隔是零。其时空平曲时，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，无限远处的看察者看到的光速是零。但在视界四周看到的光速仍是光速，因为在小区域内时间进度是不异的。
光速稳定不是简单的指无论在什么情状下光都是所谓的匀速曲线运动。不外三维空间中任何物量的速度都不超越光速目前仍是准确的。
通过坐标变更，能够得到宇宙的克鲁斯卡时空，它将全时空分为四个对称区域。希罕的是我们的宇宙似乎只占两个区域，此中1区是我们通俗的宇宙，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，只是那种虫洞只要超光速信号才气通过，光与通俗物量无法通过那种黑洞的虫洞进进另一个宇宙。
4区是白洞视界内的宇宙。能够说黑洞理论预言了白洞和另一个宇宙。白洞和黑洞相反，典范范畴内是个只出不进的天体，它也契合物量不灭定律，它吐出的物量是本来就存在的。方程中虽有白洞解，但不等于现实中必然存在白洞，只是有存在的可能性。霍金等人证明，小黑洞与白洞不成区分。
有人揣测黑洞和白洞能够彼此转化，白洞喷发的物量来自黑洞吞噬的物量，以至宇宙的原始大爆炸就是白洞喷发。按大爆炸原则模子，宇宙最可能的结局是物量收缩为原初奇点。全宇宙的物量收缩为一个点，在如许的极端前提下有可能存在黑洞向白洞转化的前提，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。落进黑洞的飞船，一旦穿过外视界，就不成抗拒的穿越表里视界间的空间，但穿过内视界后，飞船将自在的飞翔。在那里飞船不至于落到中心奇点上。在奇点四周有浩荡的天体引潮力，会把包罗飞船在内的所有物量全数撕碎。
不外飞船能够避开奇点。后来研究表白，飞船底子不成能靠近中心奇点，只要光才能够抵达那里。任何有静量量的物体都不克不及在有限时间内抵达奇点。进进内视界之后，还能够从另一个宇宙中的白洞穿出，进进另一个宇宙。那就是带电黑洞的虫洞。那类虫洞是能够穿越的，也就是说我们有可能进进另一个宇宙。
假设不竭增加R-N黑洞的电荷，将呈现表里视界合二为一的场面。那时的黑洞称为极端R-N黑洞。假设再对极端黑洞加一点电荷，则视界消逝，奇点将裸露出来，产生"裸奇异"现象。按目前的看点，奇点不属于时空，那里的性量完全不确定，裸奇点往往会向外发出不确定信息，招致时空和物量演化完全不确定。
为了制止那一现象的呈现，彭若斯提出了宇宙监视假设：存在一位宇宙监视，它制止裸奇异的呈现。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，因而不会影响宇宙的演化。但是在内视界内部，进进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视假设，认为内视界内部的时空是不不变的，在微扰下它会"倒"在内视界上阻遏飞船进进那类区域。比来的研究表白，内视界内部确实有不不变的倾向。因而，假设他的假设成立，那类虫洞仍是不成超越的，我们仍然不克不及进进另一个宇宙。但是，"宇宙监视"事实是什么?那就像昔时不领会大气压强而提出的"天然界恐惧实空"一样，提出"天然界恐惧奇点"。
在物理学上没有处理任何问题。假设假设准确，它肯定是一条物理定律。也许是我们还不晓得的一条定律，但更可能是我们已经晓得的一条定律。跟着黑洞热力学的深进开展，物理学家们已经越来越必定，宇宙监视极有可能就是热力学第三定律：不成能通过有限次操做将温度降到绝对零度。
扭转黑洞又称克尔黑洞，它有两个视界和两个无限红移面，并且那四个面其实不重合。视界才是黑洞的鸿沟，是指任何物量(典范物理范畴内)都无法逃脱的鸿沟。无限红移面是指光在那个面上发作无限红移，即光从一个鸿沟射出后发作引力红移，红移后的频次为零。
那一鸿沟就是无限红移面。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，但是克尔黑洞其实不重合，两个无限红移面别离在内视界内部和外视界外部，它们与视界所围成的空间别离喊做内能层和外能层。因为视界才是黑洞的鸿沟，因而外能层不属于克尔黑洞，只能算做黑洞的从属部门。
它们很像一个鸡蛋，克尔黑洞是蛋黄，外能层是外面包抄的一圈蛋清。在必然前提下，外能层中的物量可能穿出无限红移面进进外部世界。彭若斯证明在特定前提下，能量较低的粒子穿进能层后，可能从能层中获得能量，穿出时有较高的能量。那就是彭若斯过程。通过此过程频频操做能够提取黑洞的能量，使能层变薄。
那些能量是黑洞的动弹动能。能层变薄，黑洞动弹动能削减。当能层消逝后，克尔黑洞退化为不扭转的施瓦西黑洞，因而不克不及再陆续以那种体例提取能量了。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。
当黑洞扭转速度加快，表里视界可能合二为一，称为极端克尔黑洞。
当扭转速度再增加一点，视界消逝，奇环裸露在外面。那与彭若斯的宇宙监视假设矛盾。因而在那一前提下，黑洞的转速是有限造的。当外部飞船飞进克尔黑洞时，会不成抗拒的穿过表里视界间的区域，进进内视界内部后能够在此中运动而纷歧定落在奇环上。并且飞船能够从那里进进其他宇宙，从另一个宇宙的白洞出来。
那就是克尔黑洞预言的可穿越虫洞。可是上期曾说过，宇宙监视认为内视界内部区域不不变，飞船可能还没有抵达那个区域就已经碰向奇环了。因而宇宙监视不只不容许我们的宇宙受奇异性的骚乱，似乎也封住了一切可穿越虫洞的进口，不容许我们往发现另一个宇宙。
纽曼等人把克尔解妥帖到带电情状，得到了一般黑洞解。
因为一般黑洞与克尔黑洞构造类似，次要性量和一些次要现象都十分类似，因而不多做讲解。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。若物体是个根本粒子，就与激光的超辐射原理十分类似。那是受激辐射。爱因斯坦研究原子发光时，提出过存在受激辐射的同时必然存在自觉辐射，通俗点讲就是原子发光。
因而米斯纳提出黑洞存在自觉辐射。后来研究表白，黑洞确实能够通过量子隧道效应辐射粒子，那部门粒子将带走黑洞的能量，角动量，和电荷。最末克尔黑洞，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，仍是恒星的最末回宿。
然而霍金突破了僵局，发现了一切黑洞(包罗施瓦西黑洞)的配合性量，施瓦西黑洞仍是不竭演化的。
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，发现黑洞的静行能，动弹动能，电势能三者之间存在彼此转化关系。那一公式与热力学第必然律表达式十分类似，并且表达的内容也是能量守恒定律。
那一公式被称为黑洞力学第必然律。
在热力学中我们晓得，并非所有称心能量守恒的过程都能够实现，只要同时称心第二定律：封锁系统的熵不克不及削减那一前提才能够实现。熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理。理论证明，只要漠视那一原理就会不成制止的遭到失败。
1971年，霍金在不考虑量子效应，宇宙监视假设和强能量前提成立的前提下证明了面积定理：黑洞的外表积在顺时标的目的永不削减。实在的时空都称心强能前提，立即空的应力不克不及太小，由一个公式描述。两个黑洞合并为一个黑洞面积增大，因而能够实现。但一个黑洞团结为两个黑洞，面积减小，因而即便称心能量守恒也是不成能实现的。
在面积定理约束下，两个等量量黑洞合并，若面积稳定能够放出约30%的黑洞能量。面积定理很随便使物理学家们联想到第二定律的熵，它是独一展现时间箭头的物理定律。贝肯斯坦等人通过黑洞的微看阐发，认为黑洞确实存在与面积成反比的熵。面积定理是热力学第二定律在黑洞力学中的详细表现。
先介绍一个概念：黑洞的外表引力。外表引力就是将物体放在视界处(若黑洞扭转就认为物体与视界一路扭转，与视界相对静行)遭到的引力场强度。一个系统存在熵就存在温度，在视界面积与熵成反比的前提下随便证明外表引力与温度成反比。前几期提到的极端黑洞证明它们的外表引力为零。
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，不克不及通过有限次操做把温度降到绝对零度。因而能够存在黑洞力学第三定律：不克不及通过有限次操做把一个非极端黑洞改变为极端黑洞。它与彭若斯的宇宙监视假设是等价的。它是一条独立于第必然律与第二定律的公理。
热力学还有个第零定律：假设物体A与B到达热平衡，B与C到达热平衡，则A与C也必然到达热平衡。假设类比准确，应该指看黑洞存在一条类似的第零定律。目前已经证明稳态黑洞外表引力是一个常数。人们把那一结论称为黑洞力学第零定律。
因而，黑洞外表引力相当于温度，外表积相当于熵。
假设是实温度，黑洞就是个热力学系统，应该存在热辐射，但凡是对黑洞的理解是一个只进不出的天体，不会有热辐射。因而1973年前霍金等人强调，黑洞温度其实不应该看做实正的温度，因而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，上述四定律确实就是热力学四定律。
1973年，霍金做出严重发现，他证明所有黑洞都有热辐射，其辐射谱是原则的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理，辐射过程中黑洞面积会缩小，量量也会减小。但仍然从命热力学第二定律，因为黑洞的熵固然减小了，但辐射出的物量熵增加了。它们的和仍是增大的。
到目前为行，天然界中没有任何一种力量能够抗拒黑洞四周(视界内)的引力，那么那些粒子是如何逃出来的呢?要阐明那一问题起首要从实空说起。
为处理量子力学中的负能困难，狄拉克提出了"实空不空"的思惟，在泡利不相容原理根底上征服了负能困难，并预言了正电子和反物量的存在。
实空并非一无所有的形态，而是能量更低的状獭。也就是说正能态都空着，负能态都被粒子填满的状獭。量子力学的测禁绝关系告诉我们，任何可丈量的实过程都必需称心测禁绝关系：粒子坐标不确定度与动量不确定度的乘积不克不及小于一个很小的常数。也就是说但凡不称心不确定度关系的粒子都是无法看测到的，我们之所以看不到实空负能粒子海中的粒子就是因为它们不称心测禁绝关系。
正电子，反量子，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实空鸿沟效应，都无可反驳的证明了负能粒子海的存在，已为物理学家们普遍承受。
延伸那一思惟可得到实空涨落的概念。负能粒子海不竭发作负能粒子向正能区跃迁的过程，实空中每时每刻都在发作虚粒子对的产生和湮灭，实空其实不平静，是一种十分热闹的状獭。
虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子构成，负能粒子不克不及在我们的宇宙中不变存在，在极端的时间内就会与正能粒子湮灭。但负能粒子能够在黑洞的视界内部长时间存在，那就招致了黑洞视界两侧的一种不合错误称，从而产生一种可看测的效应。当负能粒子落进黑洞，能够抵达奇点使那里的量量削减。
而正能粒子留在外面飞向远方。关于远处的看察者，他看到一个正能粒子飞过来，黑洞削减了响应的量量和电荷，因而他认为黑洞辐射出一个粒子。霍金用量子场论的办法严厉证明了那种辐射的存在。
关于施瓦西黑洞，温度与量量成反比，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行存在常规黑洞，在宇宙大爆炸初期会产生浩荡的压力，在一些部分区域会将一些物量压缩为微型黑洞，那些黑洞敏捷吸收四周的物量而长大，成为10亿吨级的小黑洞。那类黑洞的特征是温度高达一千亿度，辐射功率约一万万千瓦，相当于一个特大型发电站，不只不黑，反而是最亮堂的光源，半径只要量子大小，核子数约为10^39个，与根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，也许隐含着深入的事理。黑洞存在负的热容，温度越高放热越多，使量量削减，从而促进温度升高，放出更多的热量，构成雪崩效应，最末小黑洞会爆炸消逝，小黑洞爆炸类似于宇宙大爆炸，研究小黑洞对天体演化那一课题意义严重。
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底子问题。好比，小黑洞涉及到大爆炸，白洞，宇宙年龄，量子大小，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标准模子，我们的宇宙能否实是一个大黑洞?能否存在一个超巨型黑洞向白洞转化的一场大爆炸?"大爆炸"一般指物量和时空一路在大爆炸中产生，是时空自己在爆炸，而不是物量在现有时空中爆炸。
黑洞触动了物理学的根底。好比，可能毁坏重子数守恒定律。重子数守恒是指量子，中子，超子等所谓重子的总数永久是稳定的。此定律在根本粒子理论中有重要感化。例如：原枪弹，氢弹，反响堆，以及恒星内部的热核反响能够释放浩荡的静行能，但是它们的原子能操纵率却不到1%。
那是由重子数守恒限造的。参与核反响的重子不克不及削减，因而核反响释放的能量是核子间连系能的差额，一般不超越1%。根据黑洞无毛定理，黑洞只要量量角动量电荷三个参量，物量的其他性量(好比重子数)进进黑洞后完全消逝，因为重子已经在奇点四周被压碎了。但黑洞通过霍金辐射放出的粒子只决定于量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。因而，通过黑洞的构成和消逝使物量中浩荡数量的重子消逝了，从而毁坏重子数守恒。黑洞有比量子力学更大的不确定性，我们对黑洞内部细节其实不非常清晰，对黑洞放出的粒子形态不克不及做几预言。任何物量都能够塌缩为黑洞，但除了量量角动量电荷之外，其他一切参量都彻底消逝了。
假设此黑洞再向外放出物量，就已经只取决于那三个参量了。因而，当将产生黑洞前的物量形态和黑洞再消逝的过程中放出的物量比力时，除了量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。因而，似乎只要两种可能，一是没有其他守恒律，二是黑洞产生和再消逝是不成能的或者要遭到极大的限造，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处所，是时空的病态部门。任何物理定律面临如许一个点都力所不及。目前绝大大都物理学家都不认可时空中存在奇点，然而却找不到处理的办法。奇点困难已经成为21世纪两大疑难之一。新的理论有期看从那里得到开展。
“黑洞”很随便让人看文生义地想象成一个“大黑洞穴”，其实否则。所谓“黑洞”，就是如许一种天体：它的引力场是如斯之强，就连光也不克不及逃脱出来。
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，从恒星外表上某一点发的光能够朝任何标的目的沿曲线射出。
而恒星的半径越小，它对四周的时空弯曲感化就越大，朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星外表。
等恒星的半径小到一特定值（天文学上喊“史瓦西半径”）时，就连垂曲外表发射的光都被捕获了。到那时，恒星就酿成了黑洞。说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞，任何物量一旦掉进往，“似乎”就再不克不及逃出。
现实上黑洞实恰是“隐形”的，等一会儿我们会讲到。
那么，黑洞是如何构成的呢？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。
我们曾经比力详尽地介绍了白矮星和中子星构成的过程。当一颗恒星衰朽时，它的热核反响已经耗尽了中心的燃料（氢），由中心产生的能量已经不多了。
如许，它再也没有足够的力量来承担起外壳浩荡的重量。所以在外壳的重压之下，核心起头坍缩，曲到最初构成体积小、密度大的星体，从头有才能与压力平衡。
量量小一些的恒星次要演化成白矮星，量量比力大的恒星则有可能构成中子星。而根据科学家的计算，中子星的总量量不克不及大于三倍太阳的量量。
假设超越了那个值，那么将再没有什么力能与本身重力相抗衡了，从而引发另一次大坍缩。
此次，根据科学家的料想，物量将不成阻挠地向着中心点进军，曲至成为一个别积趋于零、密度趋势无限大的“点”。而当它的半径一旦收缩到必然水平(史瓦西半径)，正象我们上面介绍的那样，浩荡的引力就使得即便光也无法向外射出，从而割断了恒星与外界的一切联络——“黑洞”降生了。
与此外天体比拟，黑洞是显得太特殊了。例如，黑洞有“隐身术”，人们无法间接看察到它，连科学家都只能对它内部构造提出各类料想。那么，黑洞是怎么把本身隐躲起来的呢？谜底就是——弯曲的空间。我们都晓得，光是沿曲线传布的。那是一个最根本的常识。可是根据广义相对论，空间会在引力场感化下弯曲。
那时候，光固然仍然沿肆意两点间的最短间隔传布，但走的已经不是曲线，而曲直线。形象地讲，似乎光原来是要走曲线的，只不外强大的引利巴它拉得偏离了本来的标的目的。
在地球上，因为引力场感化很小，那种弯曲是微乎其微的。而在黑洞四周，空间的那种变形十分大。
如许，即便是被黑洞挡着的恒星发出的光，固然有一部门会落进黑洞中消逝，可另一部门光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而抵达地球。所以，我们能够毫不吃力地看察到黑洞后背的星空，就像黑洞不存在一样，那就是黑洞的隐身术。
更有趣的是，有些恒星不只是朝着地球发出的光能间接抵达地球，它朝其它标的目的发射的光也可能被四周的黑洞的强引力折射而能抵达地球。
如许我们不只能看见那颗恒星的“脸”，还同时看到它的侧面、以至后背！
“黑洞”无疑是本世纪更具有挑战性、也最让人冲动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神异面纱而辛勤工做着，新的理论也不竭地提出。不外，那些现代天体物理学的最新功效不是在那里言简意赅能说清晰的。
有兴致的伴侣能够往参考专门的论著。
黑洞有可能是我们通往另一个世界的通道。那是一片乐土