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第14章 黑洞(2)

在恒星引力坍缩形成黑洞时,运动会快得多,这样携带走能量的速率就会高得多。因此不用太长的时间就会达到不变的状态。这最终的状态将会是怎样的呢?人们会以为,它将依赖于形成黑洞的恒星的所有复杂特征——不仅它的质量和转动速度,而且恒星不同部分的不同密度以及恒星内气体的复杂运动。而如果黑洞就像坍缩形成它们的原先物体那样变化多端,那么一般来讲,对黑洞作任何预言都会非常困难。

然而,加拿大科学家威纳·伊斯雷尔(他生于柏林,在南非长大,在爱尔兰得到博士学位)在1967年使黑洞研究发生了彻底的改变。伊斯雷尔指出,根据广义相对论,非旋转的黑洞必须是非常简单的;它们是完美的球形,其大小只依赖于它们的质量,并且任何两个这样的同质量的黑洞必须等同。事实上,它们可以用爱因斯坦的特解来描述,这个解是在广义相对论发现后不久的1917年被卡尔·施瓦兹席尔德找到的。起初许多人,其中包括伊斯雷尔本人,认为,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形成。因此,任何实际的恒星——从来都不是完美的球形——只会坍缩形成一个裸奇点。

然而,对于伊斯雷尔的结果,一些人,特别是罗杰·彭罗斯和约翰·惠勒提倡一种不同的解释。他们论证道,牵涉恒星坍缩的快速运动表明,其释放出来的引力波使之越来越接近于球形,到它终结于静态的时刻,就变成准确的球形。按照这种观点,任何非旋转恒星,不管其形状和内部结构如何复杂,在引力坍缩之后都将终结于一个完美的球形黑洞,其大小只依赖于它的质量。这种观点得到进一步计算的支持,并且很快就被大家接受。

伊斯雷尔的结果只处理了由非旋转物体形成的黑洞。

1963年,新西兰人罗伊·克尔找到了广义相对论方程的描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转,其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。

如果旋转为零,黑洞就是完美的球形,这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果旋转不为零,黑洞在赤道附近就会鼓出去(正如地球或太阳由于旋转而鼓出去一样),而旋转得越快则鼓得越厉害。由此人们猜测,如将伊斯雷尔的结果推广到包括旋转物体的情形,则任何旋转物体坍缩形成黑洞后,将最后终结于由克尔解描述的一个稳态。

1970年,我在剑桥的一位同事和研究生同学布兰登·卡特为证明此猜测跨出了第一步。他指出,假定一个稳态的旋转黑洞,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,只由它的质量和旋转速度决定。然后我在1971年证明了,任何稳态的旋转黑洞确实有这样的一个对称轴。最后在1973年,在伦敦国王学院任教的大卫·罗宾逊利用卡特和我的结果证明了这猜测是对的:这样的黑洞确实必须是克尔解。这样,在引力坍缩之后,一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转,但是不能搏动的态。此外,它的大小和形状,只决定于它的质量和旋转速度,而与坍缩形成黑洞的原先物体的性质无关。此结果因如下一句格言而众所周知:“黑洞没有毛。”“无毛”定理具有巨大的实际重要性,因为它极大地限制了黑洞的可能类型。因此,人们可以制造可能包含黑洞的对象的详细模型,再将此模型的预言和观测相比较。因为在黑洞形成之后,我们所能测量的只是有关坍缩物体的质量和旋转速度,所以“无毛”定理还意味着,有关这物体的非常大量的信息,在黑洞形成时损失了。下一章我们将会理解这个意义。

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