第14章 黑洞(2)

事件视界，也就是时空中不成逃逸地区的鸿沟，其行动如同环绕着黑洞的单向膜：物体，比方粗心的航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西能够通过事件视界而逃离黑洞。（记着事件视界是诡计逃离黑洞的光在时空中的途径，并且没有任何东西能够比光行进得更快）。人们能够将墨客但丁针对天国入口所说的话恰到好处天时用于事件视界：“从这里出来的人必须丢弃统统但愿。”任何东西或任何人，一旦进入事件视界，就会很快地达到无穷致密的地区和时候的起点。

在地球和太阳的景象下，能量丧失率非常小――约莫只能扑灭一个小电热器。这意味着要用约莫1000亿亿亿年地球才会撞到太阳上，没有需求当即为之担忧！地球轨道窜改极其迟缓，底子观察不到。但几年之前，在称为PSR1913+16（PSR表示“脉冲星”，一种特别的发射出射电波法则脉冲的中子星）的体系中观察到这同一效应。

广义相对论预言，活动的重物会导致引力波的辐射，那是以光的速率行进的空间曲率的波纹。引力波和电磁场的波纹光波附近似，但是要探测到它则困难很多。引力波引发邻近自在落体之间间隔的非常藐小的窜改，由此能够察看到它。在美国、欧洲和日本正在制作一些检测器，将把十万亿亿（1前面跟21个0）分之一的位移，或者把在10英里间隔中的比一个原子核还小的位移测量下来。

此体系由两个相互环绕着公转的中子星构成，因为引力波辐射，它们的能量丧失，使它们相互沿着螺旋线轨道靠近。J・H・泰勒和R・A・荷尔西因为对广义相对论的这一证明获得1993年的诺贝尔奖。约莫3亿年后它们将会碰撞。它们在碰撞之前，将会公转得这么快速，发射出的引力波，足以让像LIGO如许的检测器领遭到。

伊斯雷尔的成果只措置了由非扭转物体构成的黑洞。

但是，对于伊斯雷尔的成果，一些人，特别是罗杰・彭罗斯和约翰・惠勒倡导一种分歧的解释。他们论证道，牵涉恒星坍缩的快速活动表白，其开释出来的引力波使之越来越靠近于球形，到它闭幕于静态的时候，就变成精确的球形。遵循这类观点，任何非扭转恒星，不管其形状和内部布局如何庞大，在引力坍缩以后都将闭幕于一个完美的球形黑洞，其大小只依靠于它的质量。这类观点获得进一步计算的支撑，并且很快就被大师接管。

在恒星引力坍缩构成黑洞时，活动会快很多，如许照顾走能量的速率就会高很多。是以不消太长的时候就会达到稳定的状况。这终究的状况将会是如何的呢？人们会觉得，它将依靠于构成黑洞的恒星的统统庞大特性――不但它的质量和转动速率，并且恒星分歧部分的分歧密度以及恒星内气体的庞大活动。而如果黑洞就像坍缩构成它们的本来物体那样窜改多端，那么普通来讲，对黑洞作任何预言都会非常困难。

如果扭转为零，黑洞就是完美的球形，这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果扭转不为零，黑洞在赤道四周就会鼓出去（正如地球或太阳因为扭转而鼓出去一样），而扭转得越快则鼓得越短长。由此人们猜想，如将伊斯雷尔的成果推行到包含扭转物体的景象，则任何扭转物体坍缩构成黑洞后，将最后闭幕于由克尔解描述的一个稳态。

1963年，新西兰人罗伊・克尔找到了广义相对论方程的描述扭转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速率扭转，其大小与形状只依靠于它们的质量和扭转的速率。

但是，加拿大科学家威纳・伊斯雷尔（他生于柏林，在南非长大，在爱尔兰获得博士学位）在1967年使黑洞研讨产生了完整的窜改。伊斯雷尔指出，按照广义相对论，非扭转的黑洞必须是非常简朴的；它们是完美的球形，其大小只依靠于它们的质量，并且任何两个如许的同质量的黑洞必须划一。究竟上，它们能够用爱因斯坦的特解来描述，这个解是在广义相对论发明后不久的1917年被卡尔・施瓦兹席尔德找到的。开初很多人，此中包含伊斯雷尔本人，以为，既然黑洞必须是完美的球形，一个黑洞只能由一个完美球形物体坍缩构成。是以，任何实际的恒星――向来都不是完美的球形――只会坍缩构成一个裸奇点。

就像光一样，引力波带走了发射它们的物体的能量。

1970年，我在剑桥的一名同事和研讨生同窗布兰登・卡特为证明此猜想跨出了第一步。他指出，假定一个稳态的扭转黑洞，正如一个自旋的陀螺那样，有一个对称轴，则它的大小和形状，只由它的质量和扭转速率决定。然后我在1971年证了然，任何稳态的扭转黑洞确切有如许的一个对称轴。最后在1973年，在伦敦国王学院任教的大卫・罗宾逊操纵卡特和我的成果证了然这猜想是对的：如许的黑洞确切必须是克尔解。如许，在引力坍缩以后，一个黑洞必须终究演变成一种能够扭转，但是不能搏动的态。别的，它的大小和形状，只决定于它的质量和扭转速率，而与坍缩构成黑洞的本来物体的性子无关。此成果因以下一句格言而众所周知：“黑洞没有毛。”“无毛”定理具有庞大的实际首要性，因为它极大地限定了黑洞的能够范例。是以，人们能够制造能够包含黑洞的工具的详细模型，再将此模型的预言和观察比拟较。因为在黑洞构成以后，我们所能测量的只是有关坍缩物体的质量和扭转速率，以是“无毛”定理还意味着，有关这物体的非常大量的信息，在黑洞构成时丧失了。下一章我们将会了解这个意义。

因为任何活动中的能量都会被引力波的辐射带走，以是能够预感，一个大质量物体的体系终究会趋势于一种稳定的状况。（这和扔一块软木到水中的环境相称近似：起先翻上翻下折腾了好一阵，但是跟着波纹将其能量带走，它终究安静下来。）比方，环绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量丧失的效应就要窜改地球的轨道，使之逐步越来越靠近太阳，最后撞到太阳上，归于一种稳定的状况。