(五)黑洞相關效應
1.光錐與黑洞
我們試著模擬：在黑洞中光錐的變化。我們知道，黑洞的外成覆蓋著「事件視界」，是由逃離的光線所構成，而這些光線滯留於原處，和黑洞中心保持一定距離。而當事件視界形成之前發射出一到光線，正好是黑洞與光錐成45度角形狀，那時的光錐仍然不受影響，但是，隨著時間增長、重恆星逐漸塌縮，則光線也會隨事件視界的形成，而與黑洞幾乎重疊，這意味著光線與光錐即將落入黑洞中；待事件視界形成之際，光線被吸入，光錐也受困黑洞，使得時間漸漸停滯。
2.黑洞無毛
霍金、卡特爾等人嚴格證明了「無毛定理」：無論什麼樣的黑洞，其最終性質僅由質量、角動量、電荷唯一確定。即當黑洞形成之後，只剩下這三個不能變為電磁輻射的守恆量，其他一切資訊（暱稱為毛髮）都喪失了。簡單來說，恆星的表面雖凹凸不平，但進入視界後這一切都不存在；黑洞存在的特徵就是凝止住的彎曲空間，而表面非常光滑、一根毛都無，外界也只能判斷該處彎曲空間的質量、角動量以及電荷，他者(如中子、物質成分、其他特徵等等)全皆消失、不可見了，故而有「黑洞無毛」或「黑洞不毛」一詞。
3.黑洞熵
熵是熱力學第二定律的一個名詞，我們在第六篇會提到，也就是「失序」。霍金證明了「黑洞視界的表面積永不會減少，兩個黑洞合併後的黑洞面積不會小於原先兩個黑洞面積之和」，同時雅各布·貝肯斯坦借用了霍金關於黑洞面積永不減小的理論提出了「黑洞熵」，他提出黑洞的表面積與它的熵成正比。他提出：黑洞物理學和熱力學之間存在有很多相似之處，其中最顯著的是黑洞表面積和熵的行為的相似性-這兩個量都是不可逆地增加的。總之，熵是黑洞內部狀態的數目度量，這是具有給一定的質量、角動量和電荷的黑洞允許之所有內部狀態，作爲黑洞外部的觀察者只能觀察到黑洞的這三種參數。黑洞的熵等於視界的面積：視界面積的每一基本單位都存在關於黑洞內部狀態的一比特的信息，這表明在量子引力和熱力學之間存在一個深刻聯系。
◎黑洞熱力學主要證明如下─
(1)定態黑洞在整個視界表面具有相同的表面重力。
(2)孤立黑洞視界的表面積永不隨時間減少。
(3)黑洞的表面重力不可能為零。(否定了裸奇異點的存在)
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※黑洞並不黑:
普通觀念堅信，我們永遠無法看見一個黑洞，因為沒有任何東西可以從它那裡逃走，甚至連光都不行。不過，黑洞並不完全是黑的，當氣體被黑洞強大的引力拉入黑洞時，氣體會加熱發出輻射，這些輻射可以被用來照亮黑洞，描繪出黑洞的全貌，有如在黑暗中點一根蠟燭見到物體一樣。且黑洞也有所謂的「重力紅移效應」，可以此照亮黑洞。
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4.黑洞蒸發理論
(1)霍金輻射:
如果微黑洞在目前的宇宙中確實存在，而且數量可觀，那麼它們在黑洞蒸發時，有可能會釋放出反質子，這是霍金提出的黑洞蒸發理論所預言的。因為霍金輻射能夠讓黑洞失去質量，當黑洞損失的質量比增加的質量多的時候就會造成縮小，最終消失；而比較小的微黑洞的發散量通常會比正常的黑洞大，所以前者會比後者縮小與消失的速度還要快。如果按照比質子還小的微小尺度計算，能量和物質無法保持穩定，它們將發生波動。就連沒有物質的黑洞周圍的真空，也會由於這個原因，頻繁出現粒子和反粒子的生成和湮滅。假如黑洞表面的真空確實會如此波動，那麼粒子或反粒子的任何一方都有落入黑洞強引力場的可能，與此同時，對應的另一個粒子從黑洞被蒸發出去，這就是「霍金輻射」。
在沒有霍金輻射的概念以前，物理界有一個難題，就是如果把有很多熵的東西丟進黑洞裡，那豈不是把那些熵給消滅掉了嗎？但是熵在宇宙裡是永增不減的，因此這代表黑洞應該也有很多熵，而有熵的任何東西都會釋放黑體輻射，因此黑洞也會釋放黑體輻射？但釋放的機制又如何？霍金輻射就解釋了黑洞釋放黑體輻射的機制。
根據海森堡測不準原理(第七篇)，在真空中會瞬間憑空且自然地產生許多粒子-反粒子（虛粒子）對，並且在極短的時間內成對湮滅，在宏觀上沒有質量產生，如果一個粒子對在黑洞附近形成，由於黑洞的引力場很強，導致配對誕生的正反粒子被扯開，有可能有一個跌入事件視界，而另一個沒有，從而被黑洞的引力提昇成實粒子。但這樣就違反了能量守恆定律，所以另一個粒子的質量一定是從黑洞本身的質量而來—這就是黑洞釋放輻射的一個簡化解釋。
(2)黑洞蒸發
根據相對論，「事件水平」內部的任何東西都是無法逃出的，但這些剛剛產生的量子具有高能量，能夠有足夠的機率經由「量子穿隧效應」到「事件水平」外，進而逃離黑洞。因此久未吞噬其他物質的黑洞，就會這樣一點一滴的失去能量和質量(質量能量同等)，幾百億年後終於無法維持高重力坍縮，黑洞就崩潰消失了，這就是黑洞蒸發理論。
具有太陽質量的黑洞只有千萬分之一度的絕對溫度，這要比2.7K的宇宙微波輻射溫度低得多，所以這種黑洞的輻射小於吸收。如果宇宙永遠膨脹下去，微波輻射的溫度最終將減小到比這種黑洞的還低，黑洞就將開始失去質量，由於它的溫度實在太低了，以致於需要一百億億億億億億億億（1066，1的後面跟66個0）年才蒸發完，遠遠大於宇宙的年齡了。一個十億噸的原初黑洞的尺度只有10-13厘米的半徑（質子的尺度），它的壽命大體和宇宙相同，而比這質量還小的黑洞已經蒸發完畢；比它稍大的黑洞仍在發射著X射線或伽瑪射線，其能量相當於十個大型核電站的功率。而這些黑洞並不黑，因為它們是白熱的。至於黑洞蒸發後，則有可能在強烈的霍金輻射暴下消失於另一宇宙中(詳見第九篇)。基本上，大質量的黑洞可存活比較久一些。一般恆星死亡產生的黑洞可以活1066年，而星系黑洞則可以活1090年，霍金輻射也可以說明為什麼我們無法觀測到宇宙誕生時所產生的原初黑洞──因為它們已經蒸發殆盡。
5.聲學黑洞
來自以色列理工大學的拉海夫表示，他們創造出一種「聲學黑洞」，它會吸收聲波，使其無法逃離。這種聲音黑洞轉瞬即逝，不過他們仍然希望能藉此觀察到神秘的「霍金輻射」。
先前已提過，霍金輻射將使黑洞收縮並最終完全蒸發消失，但目前為止，想要探測到這種輻射仍極具挑戰性。科學家創造出聲音的人造黑洞─凝聚態物質被分成兩部分，一部分的流速大於音速，而其餘部分小於音速，中間的區域流速恰好等於音速，構成一個類似黑洞的效果。
就和黑洞能拴住光子一樣，聲學黑洞能拴住聲子和其他波長介於16~18微米的波戈留夫激發。波長非常短的激發將可以逃逸，而波長長於這一數值範圍的激發本身就無法存在於這一超音速流部分。研究人員表示，相信在未來這種聲音黑洞將有助於科學家們首次目睹霍金輻射的情景。
6.星系與生命的動力─黑洞效應
「絕望吧！所有進來的人。」人們最好在徹底了解黑洞前，在黑洞旁立上這個警示牌──這是大多數人對黑洞的印象。在宇宙中除了黑洞之外，沒有其他物體能比他更有效率地將物質轉變為能量，因為一旦物質在被黑洞吸入時撞擊了擋在路徑上的任何物，所釋放出的巨大動能就可以轉化為原子與次原子粒子的運動以及電磁輻射。由於這些粒子和光子在到達事件視界前便已產生，他們便可以掙脫黑洞控制而洶湧的奔回宇宙。若把同一星系發出的光加總起來，不是偏藍就是偏紅，紅星系通常是橢圓星系，藍星系通常就是螺旋星系，處於兩色群之間的為過渡時期系統，可能因為藍恆星相繼死去，朝向偏紅階段，而天文學家稱此中間時期為「綠谷」。而每十個這種星系，就有一個星系包含了正在消耗物質的活躍黑洞，就宇宙而言，他們正不斷開啟、關閉。所以，黑洞不只吞噬物質，也會釋放出巨大能量驅動星系演化，孕育出地球的多樣生命。
7. LHC與人造黑洞
歐洲核子研究中心的「大型強子對撞機」(LHC)正式啟動，將第一束質子束流注入對撞機。一個廣為流傳的謠言：對撞機可能生成黑洞，從而毀滅世界。人造黑洞真的會毀滅地球嗎？
根據科學家們的計算，強子對撞機每秒鐘可以發生約8億次的高速碰撞，而每次碰撞都能夠產生一些亞原子碎片，供科學家們篩選和研究。強子對撞機可以轟開人類所不知道的其他宇宙維度，它就可能釋放出巨大的能量，從而將其周圍的物質吸進去，形成人造的微型黑洞。然而，這個人造黑洞非常小，直徑只有百億億分之一米；而且這些黑洞不可能長大，它們能吸收的物質也就是周圍強子束中的一些物質。這些人造微型黑洞可能會被地球重力場捕獲，但是它們生存時間僅為數萬億分之一秒，根本不可能成長為巨型黑洞，也不會對人類造成威脅。
大型強子對撞機人造黑洞不僅不可怕，而且會為我們的生活帶來好處。如果它能夠揭示物質品質的形成原理，更多的物質奧秘就將揭開，比如:反物質的形成與合成、黑洞的形成與合成都將變得可能。反物質將有可能解決我們的能源危機問題，並且成為太空旅行和星際旅行的首選燃料。或許有一天，你能乘坐反物質火箭推動的飛船遨遊太空。
(下圖:LHC內部設備/設想中的反物質的飛船)
8.建造黑洞家園
近年來，人類對於太空開發頗有發展，方案甚多。例如月球的太空城、火星的生物圈二號等等。那麼，我們是否也能將黑洞納入太空家園建設方案之一？
(1)黑洞的應用特性
具有強大引力的黑洞，吞食包括光線在內的一切物質，令人毛骨悚然，在那裡建設城市，似乎有悖常理。但它卻不是某些人的譁眾取寵，而是科學家建立在對黑洞本質深刻認識上的、最具想像力的太空移民方案。黑洞旋轉，也會帶動周圍物質旋轉，這就會與周圍靜止物質形成一條分界線「靜止界限」，包括光線在內的物質越過靜止界限後，並不會立即被黑洞吞噬，而圍繞黑洞高速旋轉，因而具有巨大的旋轉能，當到達一定位置後，圍繞黑洞旋轉的所有物質都會被黑洞吞沒，往內探測，什麼也看不見了，這就形成了黑洞的「視界」。在靜止界限與視界之間有「貯能區」或「能層」，據認為，旋轉黑洞有內外兩個視界，中心奇點也變為「奇異環」。
(2)黑洞家園的設想
將一個物體沿著與黑洞旋轉相反的方向拋入貯能區，這個物體在黑洞強大潮汐力（引力）作用下一分為二，其中一部分被黑洞捕獲，進入黑洞；另一部分則飛出貯能區。由於物體是沿黑洞旋轉的反方向拋入貯能區的，黑洞在捕獲物體的一部分時會損失一些旋轉能，而這些能量正好被物體的另一部分攜帶飛出貯能區，回收這部分物體，就可利用它所攜帶的能量。在黑洞的靜止界限外建造一個巨大的環形密閉生態系統—「黑洞城市」，提取黑洞的旋轉能發電，作為維持城市正常營運的能源。辦法是將城市垃圾裝在一串相互連結的小車中，小車串沿螺旋線依次落向黑洞，每輛小車在到達拋射點時將車內垃圾倒出，黑洞在捕獲垃圾時損失的旋轉能則由小車帶出，小車在被一個巨大的轉子回收時，釋放出它所獲得的巨大旋轉能，驅動發電機的轉子高速旋轉，使發電機發出強大的電流。這種辦法不僅一勞永逸解決了長期困擾城市的一個難題—垃圾處理問題，而且變廢為寶，同時也為城市提供了能源。
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