作者  马国梁

一说起黑洞，大家就会觉得神秘而有趣。在学术界，那些科学大家们更是将人的想象力发挥到极致，不仅做尽了天下文章，还给黑洞披上了“广义相对论”的面纱，让人感到好奇而又莫名其妙。他们故弄玄虚，各种说法相互矛盾，在认识上造成了很大的混乱。那么事实究竟是怎样的呢？下面我们就来揭开这层神秘面纱，看看黑洞的真面目。说实的，我的研究过程并不顺利，而是一波三折，几经反复。虽然曾经有过闪电般的灵感，但最终还是又回到了原点。科学研究真是无奈的事，不管你的方案多么完美，只要与事实不符，那么最终还是必须放弃。让人心疼！

恒星核反应停止的级别取决于它的质量。只有它的质量足够大，才能将核反应进行到底。当全部的核反应都完成以后，整个恒星即变成了清一色的铁离子和核外电子。此时的摩尔质量是0.0558千克。整个星体收缩，外表温度下降，中心温度上升，但再也不会发生核反应了。

随着半径的减小，中心密度越来越大。当质点间的电斥力开始起作用后，体积收缩便会减慢下来，但不会停止。只有当引力做功产生的热量不能抵偿向外辐射的热量以后，中心温度才能也开始下降。

温度越低，向外辐射的热功率就越小。与此同时，向外辐射的热功率还受到来自内外的两种阻碍。在内部就是透明度降低，最后变得完全不透明；在外部就是要受引力场的牵制。引力势越低，向外辐射的功率减少的就越多。只有当辐射功率被完全阻止后，恒星才能达到平衡状态。其表现就是温度不再下降，体积不再收缩。恒星在平衡后状态非常稳定，只要没有外来干扰，它就会一直保持下去。即使偶有陨石的坠入，虽然可能会引起它的一番动荡，但最终它总能稳定下来，重新达到平衡。

恒星在核反应停止后的最终结局取决于它的质量：

1. 当恒星质量不足太阳的一半时，它将平稳的降温收缩，最后形成一个液核的固体球。靠原子间的外层斥力来抵抗自身重力。从外到内，压强越来越大，温度越来越高，只有密度基本不变。平均密度小于铁的密度7800千克/立方米。这种星体肯定是不透明的，外表温度为绝对0开。

在透明的星体内，没有热源就无法建立温梯。所以即使起初内热外冷，但最终它总能降下来，整体温度趋于绝对0开。

2. 当质量是太阳的0.5～1.4倍时，恒星在降温收缩后要经过一次坍塌过程才能成为白矮星。这时它靠铁离子间的电斥力来抵抗自身重力。因为恒星的中心压强很大，原子级的斥力已经无法抵挡；且温度很高，铁原子已经电离，只有彼此靠得很近，才能产生很大的电斥力。这种星体还是不透明的，故从外到内，温度越来越高，外表温度等于0开；密度基本不变，大小为100亿千克/立方米，呈液体状态。

3. 当质量是在1.4～2个太阳的范围时，恒星在降温收缩的过程中要经历两次坍塌才能成为中子星。它靠中子间的核斥力来抵抗自身重力。因为原来离子间的电斥力再也无法支撑下去了。坍塌时先从中心开始，然后扩大到四周，星体迅猛收缩并向外释放能量。此时电子进入了原子核内部，质子都已变成中子，且各中子靠得很紧。中子星的密度是2.3×10^17千克/立方米，内外基本不变，性质也像液体。温度内高外低，最外面为绝对0开。

4. 只有质量是两个太阳以上的恒星才能在降温收缩的过程中经过三次或两次坍塌成为黑洞。因为黑洞形成的标志是“它表面的任何物体包括光都再也逃不出来”，所以我们可以据此算出它的半径。即

由    2GM/r。= cc

所以得    r。= 2GM/cc

这个半径叫做黑洞的视界。恒星在核反应停止后降温、收缩，一旦到了这个半径，它就会停止收缩，所以根本不可能出现半径小于视界的情况。当半径大于视界时那不叫黑洞。

其中质量是太阳两倍的黑洞是最小的。因为   M = 4×10^30千克

所以   r。= 2GM/cc = 5930.67 米

其平均密度  ρ= 3M/(4πr。^3) = 4.6×10^18千克/米^3

     是中子星密度的20倍，所以它不可能全由中子构成，定有密度更大的物质。

这个密度也是所有黑洞中平均密度最大的。在恒星中心，密度将会更大，有人据此担心：会不会发生无限的坍塌？这话猛一听似有道理，但再一想则毫无道理。因为星体坍塌是要向外释放能量的，可是由于引力的封锁，能量根本就放不出去。又如何坍塌呢？所以我们的结论是：黑洞根本不可能无限坍塌，它也是一种普通天体。

黑洞内部酝酿的最后结果就是使它呈现一种混合的圈层结构。它表面的温度也是等于0开，它的内部不透明，对外是既没有辐射也没有吸收。

其实所有孤立热系统的外表温度都只能是0开。因为在边界上的质点不应该有热运动，如果有热运动它就不是边界，必然要超越过去。除非有容器把它挡住。

从黑洞表面开始，首先就是固体层和液体层；再往里则是铁原子和铁离子的混合气，直到各离子紧紧靠在一起成为中子的液体层，最后则是由中子和中子核混合成的液体核。

“中子核”是笔者提出来的一种比中子更小的粒子。它集中了中子的全部质量。因为此时中子的“外壳”已被挤破，下边似乎再无斥力可以抵抗外层压力。假如坍塌真的没有下限，最后只剩下一个体积无限小的、密度无限大的“质点”，那么我们就要面对许多更难解决的问题。与其这样，倒不如假设还有一种密度更大的粒子，这样我们需要解决的困难反而小了些。中子核的的摩尔质量是0.001千克，密度估算是2.75×10^19千克/米^3 .为中子的100多倍，具有无限大的抗压能力。它可能混在中子里面，也可能集中在一起。

再由式     M/r。= cc/2G

可知：黑洞的质量和半径之比为一定值。即它的质量M越大，视界半径r。就越大。视界球面上的引力场强就越小，平均密度也越小。可以证明：黑洞的平均密度与半径的平方成反比，即

ρ∝ 1/(r。^2)

恒星在降温、收缩的过程中，只要向外辐射的热功率没有被完全阻止，那么它就会继续降温、收缩。在这期间，只要它的质量与半径之比一旦达到黑洞的条件，那么它就停止降温、收缩，成为黑洞。但如果它在收缩停止后还没有成为黑洞，那它就永远不能成为黑洞了。

在恒星降温、收缩的过程中，当外侧温度低到一定程度时，它就会凝结成不透明的液体和固体，从而进一步阻碍向外的辐射。如果单靠传导、对流的方式向外散热，那么降温、收缩过程就会进行的很慢，我们把它叫做“准静态”。这种状态的恒星表面温度高于0开，因为只有真正的静态才能等于0开。

黑洞的内部结构绝对不是过去人们想像的一个密度无限高的质点，而是一个具有层次的实心球体。从外到内，温度遵循引力温梯的规律连续升高，压强遵循重力压强积累的规律连续增大，即便密度悬殊很大的各种物质在经过不同比例的混合后，其大小也能够连续变化了，趋势还是越来越大。黑洞并不特殊，它也同样遵循现有的力学和热学定律。

下面我们还是以二倍太阳质量的黑洞为例，来具体估算一下它的数据。

我们假设最大的铁球质量只能是是半个太阳，如果质量再大它的中心就要发生坍塌。那么据此可以算出铁原子所能承受的极限压强是8.3×10^14帕，这个压强在黑洞的最外层只有0.014米厚；温度升高是4.8亿开。

再往里是铁原子和离子的混合层。我们已知最大的白矮星质量是1.4个太阳，如果质量再大它的中心也要发生坍塌。那么根据白矮星的密度我们可以算出铁离子所能承受的极限压强是2.3×10^23帕，这个压强使黑洞的第二层超过3米厚；温度升高超过900亿开。

再往下就是铁离子坍塌后所构成的气态层，虽然各离子的运动相当自由，但密度却越来越大。既然它们是气体，那么我们就可以利用气态方程进行推算了。

最后剩下的则是液态的中子层和掺有“中子核”的液体核。虽是液体，但各质点仍有一定的自由，具有气体的性质。笔者推算的结果是：

中心温度    T = 1.6×10^14   开

中心密度    ρ= 2.75×10^19  千克/米^3

中心压强    P = 6.6×10^35  帕

我们不认为这是它能承受的极限压强。

所有的黑洞可以说都是相似的。当黑洞的质量更大时，虽然它的外部圈层会略有改变，但其主体部分还是相似的。下面我们再来算一个质量是太阳20倍的黑洞。

因为黑洞质量比前一个扩大了10倍，那么半径就应该也扩大10倍，为59306.7米。表面引力场强降为原来的1/10，那么在铁原子层的极限压强不变的情况下，它的厚度将增大10倍，为0.14米厚；温度升高幅度不变，还是4.8亿开。

既然所有的黑洞都相似，质量与半径之比为定值，那我们就可以推出：中心温度基本不变，中心密度与半径的平方成反比，中心压强也与半径的平方成反比。即：

T ∝ 定值    ρ∝ 1/(r。^2)     P ∝ 1/(r。^2)

黑洞的质量越大，其平均密度就越低，中心压强也越小，这样以来粒子反而不容易被压塌了，高密度粒子形成的机会反倒减少了。

在高压下，高密度粒子的形成并不是同时进行的，而是在各处随机发生的。它们的生成减轻了彼此间的挤压，增大了平均密度。

黑洞的寿命似乎是无限长的。在它存在的漫长岁月里，它还可以通过吞并的方式无限生长，只是机会甚少。更多的行星只是从它旁边一掠而过。

黑洞半径的增量与落入星体的质量成正比，其比值与母体的相同。即

    Δr。/ΔM = r。/M

通过精确的计算已经证明：当遥远的行星坠入其中时，它所释放的能量与黑洞升温膨胀所需的热量恰好相等。所以黑洞不会因此发生任何辐射，更不会自行“蒸发”。因为一切物质都受万有引力的束缚，一切能量的传递都必须通过物质的运动才能实现。蒸发现象与黑洞的定义是相矛盾的。

黑洞具有热胀冷缩的性质。假若它的质量与半径之比偏离了标准，那么它也能够通过吸热或放热的办法调整自己的大小，使之得到恢复。

我们是坚定的辩证唯物主义者，黑洞没有什么让我们可以迷信的。它既然是由物质组成的，那么它就必然遵循物质的规律，让我们认识它。