王为民（四川省南充市龙门中学 邮编637103）
1798 年 法国著名的天文学家和数学家拉普拉斯（ Pierre Simon Laplace ，1749-1827 ）应用牛顿万有引力定律预言了宇宙中应该存在一种天体。如果这个天体的半径 R 与质量M满足如下关系式

那么，在这个天体的表面的逃逸速度就达到光速 c 了，因此，任何物体也不能摆脱该天体的引力束缚而发射出来。

1939年美国科学家罗伯特· 奥本海默等人用广义相对论推导出了同一公式，这就是黑洞的视界半径（黑洞的边界）。

黑洞的名字是美国科学家惠勒在1969 年取的。

黑洞的中心是一个内禀奇点。从黑洞中心到黑洞的边界叫做单向膜区。在这一区域内，任何物体或信号都不能静止或反向运动，只能在有限的时间内落入奇点。

黑洞除了存在视界，还存在无限红移面。

对于不转动的静止黑洞（史瓦西黑洞），任何光源在接近黑洞某一区域的表面时，光源发出的光产生的红移为

当光源在接近黑洞的视界半径R（黑洞的边界）处，即 r 趋于R时，在黑洞外面的我们观测到的 红移为无穷大，所以，黑洞的这个表面为无限红移面。

静止黑洞（史瓦西黑洞）的无限红移面与视界重合。

稳态轴对称的转动黑洞叫做克尔黑洞。

转动而带电的黑洞叫做克尔-纽曼黑洞。它由质量 M 、角动量J、电荷Q三个参数描述。

如果令c=G==1 ，a=J/M

那么，克尔 - 纽曼黑洞的视界半径为

而无限红移面为

所以，克尔- 纽曼黑洞的视界半径和无限红移面不再重合。克尔 - 纽曼黑洞的视界和无限红移面之间的区域叫做能层。物体在能层区域有可能逃出黑洞。

克尔-纽曼黑洞外面的观测者不能从克尔 - 纽曼黑洞中获得有关克尔-纽曼黑洞的质量、角动量、电荷大小的任何信息，这叫做黑洞的无毛定理。

克尔-纽曼黑洞是史瓦西黑洞的激发态。它通过所谓彭罗斯过程自发辐射或受激辐射损失角动量与电荷而成为角动量与电荷为零的史瓦西黑洞。而史瓦西黑洞就不再有彭罗斯过程了。因为史瓦西黑洞处于黑洞的基态。

1972~1973年柏肯斯坦和霍金等人研究了黑洞的动力学性质，并与热力学定律相对应，提出：

1、黑洞力学第零定律

一个与时间无关的黑洞的视界上的表面引力处处相等。（热力学第零定律是一个处于热平衡的系统的温度处处相等）

1、 黑洞力学第一定律

（热力学第一定律为 δE=Tδ S+PδV）

这里黑洞能量E就是黑洞质量M， T是黑洞的温度，S是黑洞的熵 ，J是黑洞的角动量，Q是黑洞的电荷。Ω和φ是广义力。

得出柏肯斯坦黑洞的熵S与黑洞的 视界面积A的关系为

k为玻尔兹曼常数。

2、 黑洞力学第二定律

δA≥0 ( 热力学第一定律为δ S≥0)

即两个或多个黑洞合并，合并后的视界面积A 比没有合并前所有黑洞 视界面积的和都大，所以，这个定律也叫黑洞面积不减定律，这和热力学中 熵永不减少相一致。就是总系统的熵比它的组成部分的熵的总和都大。

史蒂芬· 霍金在考虑了黑洞的量子效应后认为，宇宙存在真空涨落，在时空某处有虚粒子对的不断产生和湮灭，所以，真空不会自动产生粒子。但是，在黑洞的视界处，一个虚粒子对的一个成员一旦落入黑洞中，剩下的另一个成员就可以自由地逃到无穷远处。从远处的观测者看来，逃逸出来的粒子就被认为是黑洞辐射出来的，黑洞的辐射谱和热体辐射谱是一样的。这就是说，黑洞存在热辐射，这个机制被称为霍金辐射。史瓦西黑洞的温度

c是光速， 是普朗克常数，G是牛顿引力常数，k是玻尔兹曼常数， M代表黑洞的质量。可见，史瓦西黑洞的温度与它的质量成反比。

由公式可知，黑洞质量越小，黑洞的温度就越高。几个太阳质量的黑洞温度大约只有一百万分之一度，这里的单位是绝对温度。一个更大的黑洞的温度更低，这使得由黑洞完全湮没在宇宙背景温度 2.7K之中，而无法被人们观测到。

但是，对于质量只有10¹²Kg 的小黑洞，由上式计算出的温度却是 10 ¹¹K，远远高于环境温度，它必须向外界环境辐射能量。由于 史瓦西黑洞的温度与它的质量成反比，所以，它是一个负热容系统，没有热平衡状态。它的特点是辐射能量后温度反而会升高，直到将能量辐射耗尽，甚至发生爆炸。

黑洞的寿命t与黑洞质量M。的立方成正比，即

一个质量为10¹¹Kg的小黑洞寿命为10¹⁷s ，小于宇宙年龄；而只有质量为 10¹²Kg的黑洞才能存活到现在。

但是，和恒星质量相当的黑洞，其温度低于环境温度2.7K ，所以要从环境中吸收能量，从而进一步增大自己的质量，降低自己的温度，寿命越来越长。

天体物理学研究表明，核燃料用完的晚期恒星，将在自身引力作用下塌缩，这叫做引力塌缩。

对于质量小于1.3个太阳质量的恒星，依靠泡利不相容原理引起的电子简并压抵抗晚期恒星的引力塌缩，形成白矮星。

质量在1.3— 3.2个太阳质量的恒星，依靠泡利不相容原理引起的中子简并压抵抗晚期恒星的引力塌缩，形成中子星。

质量大于3.2个太阳质量的恒星没有任何力量抵抗晚期恒星的引力塌缩，从而形成黑洞。

2005年2 月11 日笔者提出了“光洞”这一概念。认为黑洞不黑，而是一个光洞。

由于在黑洞中，任何物体或信号都不能静止或反向运动，只能在有限的时间内落入奇点。 黑洞里面的物质运动速度最后必然是光速。相对论研究结果表明：任何以光速运动的物体静止质量必须为零。所以，黑洞里的一切物质最后都必须湮灭为光。而光能达到一定数值又转化为正反物质，正反物质迅速湮灭为光。所以，黑洞不黑，而是一个光洞。显然光洞不存在时空奇点。这样，这一特殊天体的外面看，它是黑的，叫黑洞，但是，在里面看它充满了光和各种物质的正反粒子，所以，它是一个光洞。

目前，科学家利用一个黑洞和一颗正常恒星之间形成的密近双星来寻找黑洞存在证据。天文学家发现质量为太阳 5.5 倍，发射 X 射线的CygX-1 就是黑洞，它与质量为 20 倍太阳质量的 B 型超巨星 HDE226868 构成密近双星，公转周期为 5.6 天，但是，这还没有得到最后确认。