黑洞

黑洞是时空区域，其弯曲程度如此之强，以至于任何事物，甚至光，都无法从其事件视界内部逃逸；黑洞是广义相对论最引人注目的预测之一，现在已被直接观测到。

Definition

黑洞是由事件视界限定的时空区域，事件视界是一个单向表面，从其内部发出的任何信号都无法到达远处的观测者，当物质被压缩到其史瓦西半径内时形成，并且在平衡状态下仅由质量、角动量和电荷来表征。

Scope

本领域涵盖黑洞的定义和结构：事件视界及其所包围的奇点，将静止黑洞简化为质量、电荷和自旋的无毛定理，旋转的克尔几何和带电的雷斯纳-诺德斯特罗姆几何，黑洞力学定律及其热力学解释（包括霍金辐射），以及形成黑洞的引力坍缩。

Sub-topics

• 黑洞热力学与霍金辐射
• Event Horizons and Singularities
• 引力坍缩
• 旋转黑洞和带电黑洞

Core questions

• 事件视界由什么定义，其之外是什么？
• 为什么静止黑洞只能用三个数字来描述？
• 量子效应如何使黑洞辐射并拥有熵？
• 天体物理黑洞如何通过引力坍缩形成？

Key concepts

• 事件视界
• 奇点
• 无毛定理
• 黑洞熵
• 霍金辐射
• 引力坍缩

Key theories

无毛定理

广义相对论中的静止黑洞完全由其质量、角动量和电荷来表征，因此形成它的物质的所有其他细节都消失在视界之后。

奇点定理

彭罗斯和霍金证明，在合理的能量和因果条件下，引力坍缩和早期宇宙必然会产生时空奇点，从而确立了奇点是广义相对论的普遍特征，而非对称性的产物。

霍金辐射

视界附近的量子场论预测，黑洞会以与其质量成反比的温度发射热辐射，因此黑洞会缓慢蒸发，从而将引力、量子理论和热力学联系起来。

Clinical relevance

黑洞是现代天体物理学的核心：恒星质量黑洞由大质量恒星坍缩形成并驱动X射线双星，超大质量黑洞是星系的中心并驱动活动星系核，黑洞合并是迄今为止探测到的最响亮的引力波源。

History

黑洞隐含在史瓦西1916年的解中，长期以来被认为是虚构的，直到奥本海默和斯奈德在1939年模拟了坍缩；彭罗斯1965年的奇点定理，惠勒将之命名为“黑洞”，无毛定理的结果，以及贝肯斯坦-霍金在1970年代发现的黑洞热力学，确立了它们作为核心天体的地位，后来通过引力波和事件视界望远镜观测得到证实。

Debates

信息悖论

霍金的计算表明，蒸发的黑洞会摧毁信息，这与量子力学的幺正性相冲突；通过全息原理、防火墙或辐射中微妙的相关性来调和两者，仍然是一个活跃且未解决的问题。

Key figures

• Roger Penrose
• Stephen Hawking
• Jacob Bekenstein
• John Wheeler
• Roy Kerr

Seminal works

• penrose1965
• hawking1975

Frequently asked questions

你有可能看到黑洞里面发生了什么吗？

从外面看不到：事件视界阻止了内部的任何信号到达远处的观测者，因此内部是因果不连通的；一个坠入的观测者原则上可以探测它，但永远无法将信息传回视界之外。

黑洞会永远存在吗？

经典上是的，但霍金辐射会导致它们失去质量并最终蒸发；对于恒星级和更大的黑洞来说，这个时间尺度是天文数字般的漫长，因此在迄今为止考虑的任何人类或宇宙时间尺度上，天体物理黑洞都有效地是永久性的。