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黑洞質量成正比,對一個10M質量的黑洞來說是電子電量的1040倍。當然,黑洞帶正電與帶負電的可能性一樣大。
高度帶電黑洞的內部結構與靜止的中性黑洞或轉動黑洞都有共同之處,與前者共同的是奇異性都只在一個點,與後者共同的則是也多出一個內視界。隨著帶電量的增大,內視介面積脹大而外視界縮小。當電量達到最大限度時,兩個視界重合並同時消失,把中心奇點顯露給遙遠的天文學家們。
對高度帶電黑洞的這些描述雖然精巧,卻頗有些學究氣,因為實際的黑洞很可能是中性的。這與絕大多數常見物質呈電中性是同樣道理,即引力與電磁力相比要弱得多。一個宏觀物體包含著巨大數量的基本粒於,帶有幾乎精確相等數量的正電荷和負電荷(分別由質子和電子攜帶)。電力使這些電荷聯絡在一起並相互中和。現在來想象一個黑洞已經形成,並帶有大量正電荷,接近最大允許的電量。黑洞所處的真實天體物理環境並不是完全真空,而是由質於和電子組成的星際介質。黑洞的引力場同樣地吸引著質子和電子,但它的電荷卻只吸引異號電荷,即電子,而排斥質子。靜電力比烏I力強1040倍,因而在很短的時間裡這個黑洞就會捕獲足夠的電子,並幾乎完全地成為電中性。一個“自然”的黑洞所帶的電荷不可能大於極限電量的10no。這個電量是如此之小,以至於黑洞電荷的天體物理效應完全可以忽略。
黑洞無毛
宇宙中的黑洞也有恆星那樣多的種類嗎?換句話說,除了質量、角動量和電荷之外,黑洞還能有別的參量嗎?
對一個物理學家來說,一顆恆星或一塊方糖都是極為複雜的物體,因為對它們的完整描述,即包括它們的原子和原子核結構在內的描述,需要有億萬個參量。與此相反,一個研究黑洞外部的物理學家就沒有這樣的問題。黑洞是一種極其簡單的物體,如果知道了它的質量、角動量和電荷,也就是知道了有關它的一切。
黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質。它對前身物質的形狀或成分都沒有記憶,它保持的只是質量、角動量和電荷。這種消繁歸簡或許是黑洞最基本的特徵。約翰·惠勒,這位有關黑洞的大多數術語的發明家,在60年代把這種特徵稱為“黑洞無毛”。
這個開始時只是一種猜測的定理,最近得到了嚴格的數學證明。這是包括默冬(Meudon)天文臺的布蘭登·卡特(Brandon Carter)和澳大利亞的加里·班亭(GaryBunting)在內的半打理論家經15年努力的結果。他們證明,只需要三個參量來描述一個平衡態黑洞周圍的時空幾何,從而證實了惠勒的表述。對理論家來說,這意味著事情已大為簡化:按照這三個參量的重要程度來劃分,總共只有四種黑洞(質量作為引力場的源當然總是必不可少的)。這就是:只由質量來表徵的球對稱、靜態的史瓦西黑洞;也是球對稱和靜態的,但還有電荷的雷斯勒一諾斯特諾姆黑洞;轉動而顯電中性的克爾黑洞;最後是最一般的平衡態黑洞,轉動而且帶電,在1965年被計算出來並命名為克爾一紐曼(Newman)黑洞。最後這個解表示著視界以內引力坍縮的唯一的自然的最後狀態,其他三個解只是它的某種簡化。如前所述,黑洞電荷的作用可以忽略,因此最“現實”的黑洞是由克爾解給予正確的描述。
再次是引力波來掃除形成黑洞的物質的所有複雜結構。黑洞的“毛髮”都被颳去,只剩下質量、角動量和電荷。這些物理參量表徵著形成的黑洞所呈現的兩種長程作用,即引力(對質量和角動量)和電磁力(對電荷)。決定原子核結構的短程核作用對黑洞的形成沒有貢獻。
黑洞的參量是可以精確測量出來的,儘管是藉助於理想實驗。可以把一顆衛星放在圍繞黑洞的軌道上,並測量衛星的軌道週期,從而得出黑洞的質量。黑洞的角動量可以透過比較朝向視界的不同部分的光線的偏轉來測量。
對於一個有一定質量的一般克爾一紐曼黑洞,電荷和角動量都有上限,也就是都受到保證視界存在這一條件的限制。如果在某個大質量恆星的引力坍縮過程中,這個限制被違反了,黑洞就會成為一個探奇點,並能影響到宇宙中的遠距離處。然而,物理學家有很好的理由相信,這樣一種情況是被自然規律禁止而不會發生的(下一章 將涉及這個重要問題)。
既然只由三個參量支配,一個黑洞就像一個基本粒子一樣簡單。但是,只要考慮一下視界存在的條件,就知道沒有別的東西比基本粒子與黑洞更不同的了,儘管基