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宇宙中的大漩涡
在江河边长大的人都知道，蜿蜒曲折流淌的河水，在转弯处常常形成急速旋转的大漩涡，在水上漂浮的物体，一旦被卷入漩涡，就注定要被吸入漩涡中而有去无回，对人也是这样。老百姓把这样的地方叫“潭”。潭深无比。每一个潭都有许多神奇而恐怖的故事，如某某、某某勇敢者企图潜入潭底，都一去而杳无音讯。每个小孩都被大人警告过，不得靠近深潭。以至于胆小者一提起深潭，都胆颤心惊。每个在江河中游泳的人，都会小心翼翼地避开深潭。即使有胆大包天者从深潭旁游过，也绝不让自己靠近漩涡。
确实，漩涡的力量是巨大的。水库和堤坝从暗道中放水时，水流形成的漩涡，可把人体吸入暗道。龙卷风是气流的漩涡，它可以把整座房屋卷入空中(请举出日常见到的其它水流、气流漩涡)。对吞噬轮船和飞机的百慕大魔鬼黑三角，其一种解释也是那里有一个巨大的水流和气流的漩涡。
黑洞是宇宙中一类特殊的天体，它的巨大引力，不仅使以极限速度运动的光子无法从它那里逃出，而且还疯狂地吞食着它周围包括光线在内的一切物质。黑洞，是宇宙中的大漩涡。
黑洞的种类
目前，科学家们把理论上的黑洞按质量大小分为微型黑洞、恒星级黑洞和星系中心的巨型黑洞等几类。
微型黑洞是在宇宙早期的高温和高压条件下形成的，又叫太初黑洞或原初黑洞。它的尺度与质子相当，不到万亿分之一厘米，质量相当于一座大山，约10亿吨(1015克)。1974年，史蒂芬·霍金发现，与其它黑洞不同，微型黑洞的温度高达1012K。
恒星级黑洞是大质量恒星死亡后形成的，理论上有旋转带电(克尔－纽曼)黑洞、旋转不带电(克尔)黑洞、静态球对称带电(雷斯勒—诺斯特诺姆)黑洞和静态球对称不带电(史瓦西)黑洞。由于黑洞的电荷作用可以忽略，所以理论上可简化为旋转(克尔)黑洞和静态球对称(史瓦西)黑洞两类。实际上，所有恒星都有自转，因而由恒星的引力坍缩形成的黑洞也是旋转的，即为克尔黑洞。有的科学家估计，在银河系，平均每100年有一颗超新星爆发，每100颗超新星爆发有一颗黑洞形成。因而，在有100亿年历史的银河系中，应有100万个恒星级黑洞。另一些科学家则认为 ，银河系中的黑洞可能比恒星的数量还多。恒星级黑洞的温度很低，对一个太阳质量的黑洞来说，温度只有10-7K。
星系中心的巨型黑洞是从观测中推测出来的。在星系中心，若只有恒星，从它们的质量看，它们不可能有观测到的那样高的运动速度。在星系中心，一定有相当于10万～10亿个太阳质量的黑洞存在。由于它具有强大的引力，恒星如果太靠近它，就会被远端和近端之间的引力差(潮汐力)撕裂，其碎片连同行星、卫星和尘埃在落向黑洞的过程中，形成一个在黑洞上方旋转的吸积盘，不断增加的吸积盘物质在落向黑洞时，其巨大的能量使黑洞形成强大的磁场，随后下落的物质，会引起非常激烈的辐射爆发，并形成沿磁轴喷射的强大的高能粒子流。在迄今的观测中，确实发现星系中心是强射电源、强X射线源、红外线等其它形式能量的强源，以及有强大的喷射流存在。巨型黑洞的温度比恒星级黑洞更低。
黑洞的结构
由于黑洞不允许光线跑出来，所以黑洞不发光，是看不见的天体。科学家把光线消失的界线做为黑洞的表面，被称为“视界”。对静止的史瓦西黑洞来说，它的视界是一个半径正比于黑洞质量的球面。一个10倍太阳质量的黑洞，其表面积为5650平方千米，引力为地球的1500亿倍。静止黑洞的中心是一个引力和时空曲率都无限大的奇点。
对旋转的克尔黑洞来说，其中心不是一个奇点，而是一个奇异环。同时，它有内外两个视界。随着旋转的角动量增大，内视界膨胀而外视界收缩，二者趋向重合。由于黑洞旋转，会带动视界外的物质也跟随旋转。当然，跟随旋转的区域有一定的范围，所以在外视界之外还有一条静止界限。在静止界限和外视界之间的物质具有巨大的旋转能，所以这个区域被称为“能层(或贮能区)”。(请读者思考：进入能层后的宇宙飞船还能逃得出来吗?）
根据角动量守恒定律，黑洞的旋转速度应正好使视界上的离心力与引力相等，即视界上的线速度大约等于光速。因此，黑洞的旋转速度有一个极限，超过这个极限，黑洞(即黑洞的视界)会被离心力所瓦解，裸露出一个引力奇异环来。一个3倍太阳质量的黑洞，其极限旋转角速度为5000转/秒。
黑洞无毛
我们曾经说过，恒星是复杂宇宙中最单纯的事物，所以能用计算机演示恒星内部的发展。那是相对行星和生命等物质来说的，如果与黑洞比较，恒星要复杂得多。与用质量、角动量(即自旋)和电荷来描述基本粒子一样，科学家也只用质量、角动量和电荷3个参量来描述黑洞，说明黑洞与基本粒子一样简单。
实际上，黑洞比基本粒子更简单。前面说到黑洞的旋转角动量是有上限的。如果按质量比较，黑洞角动量的上限，也只有一个电子角动量的10万分之一。同样，黑洞的带电量也有极限，超过极限的10-40，黑洞的视界就会被巨大的电斥力摧毁。因此，黑洞的电量很小。黑洞的带电量与它的质量成正比，对一个10倍太阳质量的黑洞来说，带电量只是一个电子电量的1040倍。以相同质量来比较，一个电子的电荷比黑洞的带电量的上限还高1088倍。有些科学家甚至认为，黑洞的正电荷与负电荷的数量几近相等，是电中性的。不管怎么认为，一般来说，在黑洞中，由电荷引起的天体物理效应可以忽略。
正因为如此，研究黑洞的权威约翰·惠勒形象地称“黑洞无毛”。
黑洞之所以“无毛”，是因为黑洞在形成过程中，只有引力(对质量和角动量)和电磁力(对电荷)两种长程作用力起作用，而短程的核作用力没有起作用。所以黑洞几乎不保存形成它的物质和以后吞食的物质的复杂性质，也就是说，这些物质的“毛”几乎被“刮光”了。
黑洞的密度
黑洞并不一定是密度(质量与体积之比)极高的天体，只要致密度(临界半径与实际半径之比，又叫引力参数)达到足以囚禁光线即可。因此，理论上存在各种尺度和质量的黑洞，有尺度同基本粒子，质量同一座山的微型黑洞；有几倍太阳质量，直径几千米的黑洞；有尺度同太阳系，质量为几十亿倍太阳质量的巨型黑洞。由大质量恒星坍缩而成的恒星级黑洞的密度约为1014克/厘米3，而几十亿倍太阳质量的星系中心的巨型黑洞，密度只有水的1%。地球的半径如缩小到1厘米，太阳的半径如缩小到1千米，也可成为黑洞。一个原子的半径(10-8厘米)如果缩小到10-51厘米，100千克重的人体化成球体，半径缩小到10-23厘米，也会成为黑洞。
黑洞蒸发
微型黑洞由于尺度极小，又有很高的温度，根据量子力学的不相容原理和隧道效应，一些粒子由于能量的跃迁足以从微型黑洞中逃出来，不仅形成可见光辐射，还形成γ射线光子和大质量基本粒子混合的射线辐射，使它损失能量，即微型黑洞有蒸发，质量为1015克的微型黑洞，经过100亿年可以完全蒸发掉。有些科学家进一步认为微型黑洞在蒸发的最后0.1秒里会产生能量爆发，释放的能量相当于100万颗100万吨级的氢弹爆炸，会产生突发性的射电脉冲。不过，天文学家迄今没有检测到这种突发性的射电脉冲。科学家认为，这是因为在每立方光年的宇宙空间中，每300万年才有一次微型黑洞的爆发，所以很难检测到。
史蒂芬·霍金等人研究认为，恒星级黑洞和星系中心的巨型黑洞也有蒸发。不过，由于一个太阳质量的黑洞，温度只有10-7K，比充满宇宙的微波辐射的温度2.7K还要低得多，因此，它的蒸发辐射比它吸收的质量要少，黑洞的总质量仍在增大。如果宇宙继续膨胀下去，则总有一天，黑洞周围环境的温度会降到低于黑洞的温度。这样，黑洞就会损失热量(能量)，粒子的蒸发辐射量也会增大，因而总质量开始减少。同时，能量损失会使黑洞收缩，而收缩又会使温度升高，即黑洞的质量越小，它的温度越高。结果，使热量损失和蒸发辐射率增大，质量损失加快，走向不可遏制的蒸发过程。不过，总的来说，由于温度太低，以至1倍和几倍太阳质量的黑洞，分别需要1066年和1064年才能全部蒸发掉。因此，对巨型黑洞来说，一般可以忽略它的蒸发作用。但无论如何，黑洞总有蒸发完的时候。
蛇吃自己的尾巴
微型黑洞蒸发到最后有能量爆发，那么，恒星级黑洞和巨型黑洞蒸发到最后如何消亡呢?科学家坦承，目前并不知道黑洞如何消亡。上面说的也仅仅是理论探讨。对黑洞蒸发到最后如何结束的问题，最合理的推测是，当黑洞缩小到只有0.01毫克，直径10-33厘米(普朗克长度)时，由于温度变得极高，开始创造物质，密度增大，最后发生巨大的爆炸，质量变成能量，以γ射线的形式发射殆尽，未留下往昔黑洞的任何残迹。
但是，要真正了解蒸发到只有普朗克长度的微小黑洞的结局，仅用描述宏观宇宙的广义相对论和描述基本粒子微观世界的量子理论已无能为力，需要建立量子理论与广义相对论相结合的量子引力理论。科学家把这种宏观和微观理论的结合，形象地称为“蛇在吃自己的尾巴”。不过，蛇还没有最后咬住自己的尾巴，量子引力论还是一种没有完成的理论。目前利用大型粒子加速器只能探测10-16厘米尺度的物质性质，这只比基本粒子(如质子)的半径(10-13厘米)略小一些。可是，质子半径与普朗克长度之比，如同银河系半径与人的身高之比，相差还非常非常远。
黑洞的消亡是宇宙消亡的缩影。因此，研究黑洞的消亡，已成为科学界的一个十分热门的课题。(巨尤）
下期我们介绍黑洞的利用。★