当黑洞形成之后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(“毛发”)都丧失了,黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质,对前身物质的形状或成分都没有记忆。其实这是一种消繁归简的命名原则! 于是“黑洞”的术语发明家惠勒(J.A. Wheeler)戏称这特性为“黑洞无毛”。

黑洞无毛定理的详细内容

对于物理学家来说,一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体,因为对它们的完整描述,即包括它们的原子和原子核结构在内的描述,需要有亿万个参量。与此相比,一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体,如果知道了它的质量、角动量和电荷,也就知道了有关它的一切。

黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆,它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒,在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。

黑洞无毛定理的理论发展

一开始,这只是一种猜测。20世纪70年代得到了严格的数学证明,这是包括默东天文台的布兰登·卡特和澳大利亚的加里·班亭在内的理论物理学家15年努力的结果。他们证明,描述一个平衡态黑洞周围的时空几何只需要3个参量,从而证实了惠勒的表述。

黑洞无毛定理的应用实例

黑洞的参量是可以精确测量出来的,尽管是借助于理想实验。可以把一颗卫星放在围绕黑洞的轨道上,并测量卫星的轨道周期,从而得到黑洞的质量。黑洞的角动量可以通过比较朝向视界的不同部分的光线的偏转来测量。

对于有一定质量的克尔-纽曼黑洞,电荷和角动量都有上限,也就是都受到保证视界这一条件的限制。如果在某个大质量恒星的引力坍缩过程中,这个限制被违反,黑洞就成了裸奇点,并能影响到宇宙中的远距离处。然而,物理学家有充足的理由相信,这种情况被自然规律所禁止,因而不会发生。

既然只由3个参量支配,一个黑洞就像一个基本粒子一样简单。尽管基本粒子也是把质量、角动量、电荷集中在一个很小的体积内。但是,只要考虑一下视界存在的条件,就知道没有什么比基本粒子与黑洞的差别更大。以电子为例,实验已经确定它的3个参量,就相同质量来说,电子的电荷和角动量超过黑洞上限的1088。这个令人惊谔的数字甚至超过了可观测的宇宙基本粒子总数,而这正是一个电子和一个克尔-纽曼黑洞之间差异洞无毛定理是关于黑洞属性的定理. 根据目前的物理学理论, 黑洞的仅仅具有如下三个物理属性:

除了上述三个守恒的物理量外, 黑洞其他的信息在物体转变为黑洞的过程中都丧失了. 如果两个黑洞的质量, 电荷和角动量相同, 那么这两个黑洞就是完全一样的量度。

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