克尔时空

黑洞演化到终点时呈现的状态

科学家们尚无法确切理解黑洞的内部状况。爱因斯坦的广义相对论通常会被用来理解黑洞的物理特性。幸运的是，对于黑洞演化最终状态的物理学描述可能相对更简单一些。科学家们注意到，广义相对论的一个解可以得出一种状态，称为“克尔时空”(Kerr spacetime)。学术界相信，克尔时空便是黑洞演化到终点时呈现的状态。

简介

黑洞演化的终点或许是成为一种让人费解的，时间呈现停滞的时空状态。一项最新的研究提出了一种新方法，可以了解某个黑洞离到达演化的终点还有多远。对于黑洞演化最终状态的物理学描述可能相对更简单一些。科学家们注意到，广义相对论的一个解可以得出一种状态，称为“克尔时空”(Kerr spacetime)。学术界相信，“克尔时空”便是黑洞演化到终点时呈现的状态。

无法确切理解

黑洞的内部状况

黑洞是宇宙中最神秘的天体之一。简单地说，它们就是当大量物质被压缩进入一个极小的区域，从而使其物质密度达到极高的状态。尽管观测显示黑洞应当是宇宙中非常普遍的现象，但科学家们尚无法确切理解黑洞的内部状况。爱因斯坦的广义相对论通常会被用来理解黑洞的物理特性。“但这是超出我们现有的物理知识的，”朱安·安东尼·瓦伦丁·克农(Juan Antonio Valiente Kroon)说。他是伦敦大学玛丽皇后学院的数学家。

发明新物理方法

“要想理解黑洞内部发生的状况，我们需要发明新的物理方法。”“一般而言，相对论方程及其复杂，因此对于一个相对论系统，你应用这些方程的唯一方法便是借助计算机，”瓦伦丁·克农告诉记者说。“正因为如此，像克尔解这样的情况实在是一种例外。克尔解是广义相对论少数几个清晰明确的解之一，拥有直接的物理学意义。”

时间独立

“克尔时空”是“时间独立”(time-independent)的，这意味着“克尔时空”中的任何东西都不会随时间发生改变。这也就意味着，时间停滞了。处在这种状态的黑洞事实上处于静止状态。“有人可能会说，黑洞一旦演化到这一阶段，就不会再发生任何改变。”瓦伦丁·克农说。在他们的最新研究中，瓦伦丁·克农和他在玛丽皇后学院的同事，托马斯·贝克达尔(Thomas Backdahl)已经找到一个方程，可以描述一个黑洞距离达到“克尔时空”状态还有多远。这一过程可以很快发生，甚至在数秒内完成，一切完全取决于其质量。

克尔黑洞

为了应用这一方程，科学家们首先必须考察黑洞周围的一个区域，成称为“视界”。“视界”一般被定义为黑洞的边界，任何物质，甚至光线，一旦进入视界范围，将无法逃逸。研究人员认为这项研究将有助于对黑洞的计算机模拟，并使其更逼近真实的观测数据。天文学家们认为大多数星系，包括我们所在的银河系的核心存在超大质量黑洞。一些研究者认为这些黑洞正是克尔黑洞。瓦伦丁·克农和贝克达尔已经将他们的研究结果发表在了1月19日出版的《英国皇家学会会报》A版。

黑洞

黑洞的定义

黑洞是根据现代的物理理论和天文学理论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力塌缩而形成。黑洞质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来，故名为黑洞。

综述

黑洞是根据现代的广义相对论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力塌缩而形成。黑洞质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来，故名为黑洞。在黑洞的周围，是一个无法侦测的事象地平面，标志着无法返回的临界点。

历史上，法国物理学家拉普拉斯曾预言：「一个质量如250个太阳，而直径为地球的发光恒星，由于其引力的作用，将不允许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的发光天体，却不会被我们看见」。

现代物理中的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。比如说，恒星在被吸入黑洞时会在黑洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧烈摩擦，强烈发热，而发出X射线。借由对这类X射线的观测，可以间接发现黑洞并对之进行研究。迄今为止，黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数研究者所认同。

广义相对论

定义

广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。

综述

广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦於1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为时空的一种几何属性（曲率）；而这种时空曲率与处于时空中的物质与辐射的能量-动量张量直接相联系，其联系方式即是爱因斯坦的引力场方程（一个二阶非线性偏微分方程组）。

从广义相对论得到的有关预言和经典物理中的对应预言非常不相同，尤其是有关时间流逝、空间几何、自由落体的运动以及光的传播等问题，例如引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间延迟效应。广义相对论的预言已经通过了所有观测和实验的验证——虽说广义相对论并非当今描述引力的唯一理论，它却是能够与实验数据相符合的最简洁的理论。不过，仍然有一些问题未能解决，典型的即是如何将广义相对论和量子物理的定律统一起来，从而建立一个完备并且自洽的量子引力理论。

爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台（LIGO）这样的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。

视界

视界的定义

事界即事件穹界，亦称事像地平面（event horizon），是一种时空的曲隔界线，指的是在事界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事界以内的任何事件的资讯，或者受到事界以内事件的影响。因为即使速度快如光也无法出脱事界的范围，因此又演绎出「视界」的译词，作为外界观察者可看见范围的界线。

综述

事界即事件穹界，亦称事象地平面（event horizon），是一种时空的曲隔界线，指的是在事界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事界以内的任何事件的资讯，或者受到事界以内事件的影响。因为即使速度快如光也无法出脱事界的范围，因此又演绎出“视界”的译词，作为外界观察者可看见范围的界线；从这点，事界所包住的时空对外界的观察者而言看起来是黑的，而出现了“黑洞”这名称。

事件穹界，即在此以后的事件将不再能被观察。因为黑洞的重力场在此界后将大得连光子也逃不出来。

依照广义相对论的理论计算，若有自愿的太空旅行者往黑洞前进（无异自杀行为），在接近事界之前，若其不断对远方观察者送出光波讯号，此远方观察会发现光波的波长逐渐红移；在事界那一刻，波长为无限大。太空旅行者通过事界时，并不会感到特别的重力场异常，直到进入事界范围内后，会发现潮汐力越来越大，最终将其撕裂。

对“黑洞”候选星的观测惊讶地发现，“事象地平面”在实际的天体观测当中，竟然不存在，没有任何一个“黑洞”候选星的具有强烈特征可以证明“事象地平面”的存在，即便是“夸克星”其“事象地平面”亦位于星体内部。天体物理学家新近提出两类新品种“模糊球”及“灰洞”(Q Star, Gray Hole)的星体做为实际观测到的现象替代星体。

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