□作者: 徐冬松

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　　在用量子力學考慮大爆炸奇點之前，我們先看看另一個在廣義相對論框架下的奇點——黑洞。
　　
　　我們都知道逃逸速度。星體所產生的引力場（和星體的質量及密度有關）越大，從其表面逃逸所需的極限速度就越大。如果這個引力場大到某個極限，使以光速運動的物體也不能掙脫它的束縛而逃逸，那麼我們將無法觀察到這個星體，僅能感受到它的引力效應。。這就是在200年前對黑洞的最初定義。
　　
　　實際上，對于光不能象對待普通物體那樣考慮，因為普通物體在上拋的過程中速度逐漸變慢，並最終落回地面，而光是以不變的速率前進的。因此必須以廣義相對論的觀點重新解釋黑洞現象，也就是︰
　　
　　光由于強大的引力場造成的空間——時間扭曲，而被強烈地折彎並回到星體表面，不能從其表面逃逸。
　　
　　黑洞是一個空間——時間區域，它的最外圍是光所能從黑洞向外到達的最遠距離，這個邊界稱為“事件視界”。它如同一個單向的膜，只允許物質穿過視界並落到黑洞里去，但沒有任何物質能夠從里面出來！
　　
　　那麼黑洞是如何形成的呢？讓我們先從恆星的生命周期說起。宇宙早期的星雲物質——絕大部分是氫的極其稀薄的氣體——由于自身的引力作用而收縮成恆星。由于收縮過程中氣體原子相互踫撞的頻率和速度越來越高，導致氣體溫度上升並最終使恆星發光。當溫度如此之高，以致于氫原子踫撞後不再離開而是聚合成氦，這被稱為“熱核聚變”。聚變釋放出的巨大能量使恆星氣體的壓力進一步升高，並達到足以平衡恆星內部引力的程度，于是恆星的收縮停止下來，並在相當長的時間里穩定地燃燒。當恆星耗盡了這些氫之後，由于核反應的減弱而開始變冷，恆星氣體的壓力不足以抵抗自身引力的而導致恆星重新開始收縮。恆星中的氦元素發生聚變形成碳或氧之類較重的元素。但這一過程並沒有釋放太多的能量，恆星繼續收縮。
　　
　　諾貝爾獎得主，印度裔美籍科學家強德拉塞卡在1928年指出，由于“泡利不相容原理”（在同一軌道不存在兩個運動狀態完全相同的粒子）的作用，當恆星進一步縮小時，物質粒子靠得非常近並且必須嚴格地遵守不相容原理，因而粒子之間發散的趨勢平衡了恆星自身的引力，使恆星不再縮小。如果這個不相容原理引起的排斥力是電子間產生的，那麼恆星將坍縮成為一顆半徑為幾千英里，密度為每立方英寸幾百噸的冷恆星——“白矮星”。科學家們已經觀測到大量的白矮星。坍縮的另一種形式為“中子星”——它上面的的電子早已被引力拉到質子上，因此這種恆星全部由中子組成，並靠中子間不相容原理引起的排斥力抗衡自身引力以維持“體形”。它們的半徑只有10英里左右，密度為每立方英寸幾億噸。中子星同樣已經為觀測所證實。
　　
　　強德拉塞卡同時計算出，當恆星質量大于太陽質量的一倍半時，即使不相容原理也無法阻擋恆星的繼續坍縮，恆星將無休止的收縮，直至體積為零！此時的物質密度和空間——時間曲率將無窮大。所有的科學定律將在此失效。這就是我們前面所提到的“黑洞奇點”。
　　
　　事實上存在著這樣一種情形︰超過強德拉塞卡極限的恆星在耗盡自己的燃料時，它們可能會在被稱為“超新星爆發”的巨大爆炸中拋出大量的物質，使自己降到極限質量之下從而避免坍縮。但這不可能總是發生，即使總是發生，那麼如果將額外的物質加在白矮星或中子星上，結果又將這樣呢？
　　
　　科學家們感到震驚，他們無法相信這一理論並對它懷有敵意。他們紛紛撰文試圖證明恆星的體積不會收縮到零，這其中也包括愛因斯坦。
　　
　　但是，史蒂芬•霍金和羅杰•彭羅斯于1965和1970年的研究指出，如果廣義相對論是正確的話，那麼在黑洞中必然存在著無限大密度和空間——時間曲率的奇點。這個奇點和大爆炸類似，是一切事件的終結之處，科學定律可預見性都將失效。
　　
　　我們用廣義相對論來描述和理解一下黑洞。當恆星坍縮時，恆星發出的光波被強烈的紅移。當恆星收縮到它的臨界半徑時，它發出的引力場是如此之強，使得光波被散開到無限長的時間間隔內。在黑洞外的觀察者則會看到，恆星發出的光越來越紅，越來越淡，最終再也看不到這顆恆星了。這是一個名副其實的黑的“洞”！
　　
資料來源︰網易 作者︰徐冬松