黑洞内部过程和宇宙大循环，本文主要内容关键词为：大循环论文,黑洞论文,宇宙论文,过程论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分类号：1207.2 文献标识码：A 文章编号：ISSN 1000-5218(2000)-01-0015-03
只有曾经到过高处的人，才有可能坠向低处；不断衰亡着的宇宙，一定曾经被创生过。
一、宇宙河之泵
克苏修斯曾经用热力学第二定律证明：宇宙就像一条发源于高山的河流，只能从高处流向低处，以流到最低的大海之中为终结。现代宇宙学的若干研究曾被认为有希望提供存在着违反热力学第二定律过程的证据。
霍金(S.Hawking)开始也曾相信宇宙收缩时熵会减小。然而，他后来发现并承认自己犯了一个错误：因为宇宙收缩的过程仍然引起熵增加，黑洞会因吸引周围物质能量而引起质量增大，面积增大而发生熵增，黑洞的吸引仍是一个符合热力学定律的从高温到低温的传热过程；而由量子效应引起的黑洞辐射，则相当于具有黑洞等效温度的黑体辐射，同样是符合热力学第二定律的过程。〔1〕(P.100)
如此，宇宙之河仍然有终点，只不过其终点不再是物质能量在宇宙中的均匀散布，而是位置更低的黑洞。
然而，黑洞并不是宇宙之河的绝对的终点。霍金等科学家指出：黑洞吸引过程进行到一定程度，会从吸引占优势转变为辐射占优势，直至发生爆炸。即使作为黑洞“进水管道”的黑洞吸引和黑洞“出水管通”的黑洞辐射全都遵从“从高向低流”的热力学第2定律，但黑洞的内部过程却可以将黑洞内部的温度从低于环境提升到高于环境和大大高于环境。所以说，尽管宇宙之河流进黑洞，以及后来又从黑洞流出都确实是从高往低流；但黑洞内部过程却是将河水重新从低处升到高处的泵。黑洞的进口像一个无限深的漏斗，其出口像一个无限高的源泉，那么是什么力量把河从无限深处提到无限高处呢？
这个力量是引力吗？在黑洞中引力是一种使物质坍缩到能态低于外界的势阱中，使能量流向低于环境的温度中的力量。人们目前认为：当高密天体质量超过中子星的最大限度之后，引力将冲破简并中子态的压力屏障，进入不受阻挡的引力坍缩过程，直到坍缩为密度无限大的奇点。由于同样坍缩尺度的势阱深度与质量成正比，因此势阱深度会随技师的增减而变深变浅，但变浅的极限只是零而不可能改变符号。所以引力的作用只可能是把河水引向更深处，只不过引力大小不同，引向的深度不同而已。引力不可能把河水引向高处。
为了能够说明黑洞内部存在着把“河水”引向高处的力量，必须改变目前人们所认为的黑洞仅仅是引力坍缩的奇点的观点。尽管这一观点是依据广义相对论推出的，但仍然可以怀疑推论所依据的前提、假定是否完备、恰当。
引力与排斥力相平衡是天体稳定的条件。只有引力而没有排斥力，物质当然会一直坍缩到一点；然而，这种设想包含着许多内在矛盾：
1.能量是守恒的。黑洞所吸收的能量及无限坍缩中引力势能所转化的巨大能量必定转化为其他能量，如果没有排斥力就只能转化为粒子动能。如此，在引力坍缩的过程中物质被不断加速，因为不存在任何排斥力，被加速的粒子就不可能发生任何碰撞，因此它的动能必定支持它重新飞出这一引力场，这使引力坍缩并不能得到一个稳定的物质密度无穷大的奇点。
2.如果是科尔(kerr)黑洞，由于它的动量矩守恒，当它坍缩为趋近无限小尺度时，它表面转动的线速度就应当达到，超过光速，乃至无限大。
3.黑洞与坍缩并无必然联系。巨型的黑洞平均密度非常之小，它虽然也具有视界，但它的内部完全可以是正常的天体系统。确切说只有高密天体中的黑洞，坍缩的问题才比较突出。我们通常所说的黑洞，往往是专指高密天体黑洞。
4.高密天体黑洞如果发生无限的引力坍缩，那么当引力坍缩到使
即符合闭合空间条件。〔2〕(P.69)这时所坍缩的结果就是一个与原先空间完全分离的闭合空间，建议称为空洞。由于这一闭合空间与原先的空间之间不会有任何力的联系，因此就相当于黑洞从原来的空间消失。可见，对外具有影响的黑洞，它最小的坍缩尺度是大于rg/π，最大的密度是黑洞平均密度（指从在R=rg范围的密度）的π[3]倍。则质量为3.2倍太阳质量的黑洞的平均密度小于1.79×10[15]，所以对外具有影响的黑洞的最大密度为ρ＜55.5×10[15]。还可以证明：如果黑洞所收缩的空洞不是球状空间，则黑洞最小坍缩尺度较视界缩小的倍数小于π，密度较黑洞平均密度增加的倍数小于π[3]。
如果黑洞中只存在引力，那么它就只能是一个负能势阱，只不过阱深不同而已；它的内部等效温度也就只可能是低于环境温度的温度低谷，而不可能成为高于环境温度的山峰。尽管量子效应可以造成从低谷到高处的辐射，却不能使低谷反转为山峰。使黑洞内部“河水”从低谷上升到“山顶”的力量只能是与引力相对抗的一种排斥的力量。由于存在这种排斥的力量，黑洞也就未必不受限制地坍缩为密度无限大的奇点。正是黑洞内部存在排斥力，才使黑洞有可能从吸引为主转变为以辐射为主，使黑洞内部温度从低于环境转变为高于、大大高于环境，直至爆发。
本文认为黑洞内部存在排斥力、排斥势能这一思想的合理性虽然有可能得到一些人的认同；但是，求解考虑排斥力的广义相对论场方程，以及通过对高密黑洞内微观粒子运动规律的研究寻找或假定此种排斥力的具体形式，都是非常复杂、困难的工作。作者希望为此花费今后一些年的时间。不过，本文还是愿意在此先行探讨解决这一问题的一些线索，以期望更多研究者的参与。
一般认为“黑洞无毛”，史瓦西(Schwarzschild)黑洞除了质量所产生的引力外会什么都没有；但我认为应当是视界的阻挡使我们看不到它的毛，尽管视界内它可能是长满毛的。
二、黑洞内部的吸引、排斥和亚稳态
本文认为在高密黑洞中除引力外还存在着由更深层次物质的相互作用力所表现的与引力抗衡的斥力。斥力与引力共同作用使黑洞内部势阱之中出现势垒，使坍缩只能进展到一定程度；势垒的内部存在边缘高中间低的亚稳态，使物质进入势垒后具有自保持的性质。本文设想强子中的夸克在高能态下从强子的小口袋中释放出来；进入高能势垒的亚稳态之中，在亚稳态内部近于无相互作用力。
由势阱、势阱中的势垒、势垒中的亚稳态组成的势场，可以从直观上、定性地说明黑洞温度超环境温度的反弹与爆发。当黑洞处于以吸引为主的阶段，随黑洞总质量增加，势阱不断加深，等效温度下降；物质在进入势阱后，因加速获得能量而进入势垒。势阱越深，由势阱能量转化为势垒能量的量就越大，因此势垒对于势阱的相对高度也就越高。当黑洞总质量减少时，势阱深度减小；但势垒因为有亚稳态的束缚，它的相对高度却不会随之下降，从而使势垒的高度有可能高于势阱的边缘，造成等效温度的反弹。当等效温度超过环境达到一定程度时，势垒中的亚稳态就可能发生突变，冲出亚稳态，使势垒冲破势阱，形成爆发。黑洞以吸引为主转变为辐射为主，也是在黑洞等效温度近似于同外界温度平衡时，由辐射超过吸引的正涨落的正反馈放大而引起（负涨落恰恰为负反馈）。
其实，类似的过程也发生在许多普通的物态变化之中。物质变化由吸引和排斥的对抗所支配已被无数的事实证明。物体自身万有引力的压力可以使气体液化，使液体凝固，使粉末状物质结合为一体，使恒星收缩，使冷天体坍缩为白短星或中子星。它们都可以用势阱中带亚稳态的势垒去说明。当势阱较浅时，它所提供的能量不足以进入势垒，物态变化不足以发生；只有当势阱足够深时，它所提供的能量才能使物质进入势垒，使物态变化发生。特态变化一旦发生，就被亚稳态束缚于势垒之中；即使将外力去掉，势垒的高度并不随之降低，已变化的物态并不会随之复原。但当物态变化发生后如果势垒高差过大，在遇到扰动时仍有可能发生突变，使亚稳态决口和势垒爆发式地崩溃。用钻井机从地层深处取出的岩芯虽然已不再受到地层的高压，却仍然保持着内部高应力的状态，并随时有爆炸的危险，就与黑洞质量减小时温度的反弹与突变爆发十分相似。地层中未能缓慢释放的应力引起地震也是类似的突变现象。可见，斥力势垒的存在是与引力形成平衡的条件，亚稳态的存在则是势垒反弹与突变的关键。
对于广义相对论效应很微弱的一般的物态变化，可以提出下述一种由势阱、势阱中的势垒、势垒中的亚稳态组成的势函数的模型：
上述模型，有可能会比通常惯用的理想气体模型更好一些。尽管上述描述普通物态变化的模型不能直接用于广义相对论效应不可忽略的黑洞，但却可以为研究黑洞的变化提供一些启发。这些启发除了前面谈过的外，还可找到一些。如物体受压时，不仅会在压力去掉后因亚稳态的突变发生爆裂，而且会在压力不断增大时失去稳定而爆裂。那么也就可以推测黑洞的爆炸不仅会发生于质量大大减少后的亚稳态突变；也有可能在质量不断增大过程中因失去稳定而爆炸，能量巨大的类星体就有可能是由后一类爆炸所产生。此外，还有可能由收缩后的空洞膨胀重新打开而引起爆炸。如此，目前所推算的几倍太阳质量的黑洞从形成到爆炸的超过10[66]年的不可思议的漫长时间，就有希望大大缩短。
三、宇宙大循环及其模型
总之，本文认为黑洞演化的内部过程不是单纯的引力坍缩，而是一个由吸引与排斥共同决定的过程。本文推荐采用一个势阱之中有势垒，势垒之中有亚稳态的势函数作为进一步研究黑洞内部过程的思路。十分报歉，本文只是提出了问题而未能解决问题。但不论今后这一问题得到如何的解决，黑洞内部过程将流到低处的宇宙之河重新提升到高处，推动着生生不息的宇宙大循环却是无可置疑的。这一循环的时空模型，是一个两极之间有隧道相连的球面。经线为时间维，纬线为空间维。从一极沿球面向另一极是宇宙大爆炸到宇宙大坍缩的演化，从宇宙大坍缩的一极进入隧道，便是作为宇宙之泵的黑洞的内部过程，至隧道尽头的一极再发生新的宇宙大爆炸；隧道将旧的终结与新的开始连接为循环的过程，并使造物主的作用不再是必需的。如果把黑洞看作趋近于位于两极的奇点，那么代表黑洞内部过程的隧道就趋近于在球内连接两极的轴线。吸引与排斥这两种相反的力量在宇宙大循环的不同阶段中起着不同的作用：从大爆炸到大坍缩，无论是排斥占优势的过程还是吸引占优势的过程都是遵循热力学第二定律的过程，是宇宙从高到低的衰亡过程；在黑洞的内部过程中，从大坍缩到新的大爆炸，吸引起着把“弹簧”压紧的作用，排斥则准备并体现着“弹簧”的反弹，把宇宙从低处重新推向高处，亚稳态则执行着弹簧锁扣、脱扣的作用。正是因为黑洞内部过程创造出低熵的开端，无所不在的熵增原理，才有表现自己的机会。因此，黑洞外部遵循热力学第二定律的过程与黑洞内部违反热力学第二定律的过程都是宇宙大循环中互为条件、缺一不可的。
收稿日期：1999-08-19