司 今（jiewaimuyu@126.com）
黑洞是依据广义相对论推理出的“预言性”结果，这是科学史上极为罕见的情形之一，它在没有任何观测证据证明其理论是正确的情形下，仅作为一个数学模型却能够被发展到今天这样“非常详尽”的地步，真是不可思议！
我们从网上可以搜索出很多美轮美奂的黑洞图片，黑洞嫣然成了艺术想象的代名词，也成了科幻小说、电影等常见的素材——黑洞已不是严格意义上的物理学，而是物理与艺术相结合的幻想天堂…..
但黑洞概念最终还是被天文学界和物理学界绝大多数研究者所认同，并且天文界正在不时提出宇宙中“观测”、“发现”到了存在的“黑洞”……
那么，黑洞既然是看不到、摸不着的“天体”，物理学家们又是怎样知道它存在呢？
1963年，加利福尼亚帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向一个黯淡类星体的红移，他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离地球如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙膨胀引起的，进而表明此物体离地球非常远；由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量，于是人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅仅是一个恒星，而是一个星系整个中心区域的引力坍缩；人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移——以此为据，认为有一种“神秘”力量在使光线产生红移，这种“神秘”力量源就是被广义相对论“推理”出的“黑洞”。
目前理论认为，黑洞有多种存在形式，天文学家们根据黑洞本身质量、角动量、电荷等物理特性将黑洞划分为五类：
（1）、不旋转不带电荷的黑洞，称史瓦西黑洞。
（2）、不旋转带电黑洞，称R-N黑洞（冷黑洞）。
（3）、旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。
（4）、一般黑洞，称克尔-纽曼黑洞。
（5）、双星黑洞，与其他恒星一块形成双星的黑洞。
其中，克尔黑洞和克尔-纽曼黑洞在宇宙中存在最普遍，也最值得关注，因为这二种黑洞的形成都与质量、角动量有关，这与我们“看得见，摸得着”的真实物理量相接近。
克尔黑洞是指不随时间变化而绕轴转动的轴对称黑洞，它是爱因斯坦引力场方程预言下的一类带有角动量的黑洞，是二种旋转黑洞中的一种。爱因斯坦方程有一个只依赖于质量和角动量这两个参量的精确解，这个解由新西兰物理学家罗伊·克尔于1962年得到，描述的是转动黑洞的引力场；这个理论发现有着重要的天文学意义，其价值不亚于一种新基本粒子的发现。
相比于静态史瓦西黑洞，克尔黑洞更接近于实际物理上的黑洞，因为所有恒星都在自转，且大多数恒星都有一定的自转角动量，当它们坍缩成黑洞时仍然会保留部分角动量。
克尔黑洞又以两种状态存在：一种是当它们丧失能量时被加热；另一种则是被冷却。这两种状态还会相互转化，而转化的条件只有在其质量平方与角动量平方之比为“黄金比例”时才成立。
克尔黑洞以恒常速度旋转，根据爱因斯坦引力场方程，一颗规缩成黑洞的转动恒星的引力场会最终达到一个平衡状态，这个状态只依赖于两个参量，即质量和角动量，后者代表恒星的旋转的速度，类似于基本粒子的自旋。
一直以来，这类带有角动量的黑洞，被称之为自然界最完美的物体之一，其相关的守恒定律与理论假说在问世40年后仍然神秘莫测。
近期，美国华盛顿大学的物理学家协同法国学者成功模拟出克尔黑洞图像，它与其复杂的理论模型不同，该图像令人惊讶的简单；这项成果不但有助于更好地理解克尔黑洞的构造与转动黑洞的引力场，还可将理论假说和图像相比较，促进理论的进一步完善。
这个模拟图显示，克尔黑洞首先是轴对称的，即绕对称轴转动，作短程线运动的试验粒子其能量是守恒的；同时其绕对称轴的角动量分量也守恒；另外其还允许试验粒子遵循第三个守恒定律；而在克尔黑洞中，所有的数理方程，包括支配引力波传播的一些方程，都可以分离变量，因而可以得到明确的解。
克尔--纽曼黑洞是在克尔黑洞基础上推广出来的另一种黑洞存在形式，它是一种转动且带电荷的黑洞，也是宇宙中是最普遍存在的黑洞形式之一。
这种黑洞具有质量、电（磁）荷和角动量三种特征，并由这3个参量所支配，因此说这种黑洞就像一个基本粒子（如质子），因为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，但它必然比质子大，因为形成黑洞有一个质量下限，那就是奥本海默质量下限，大概是2到3个太阳质量，也就是说，在经典广义相对论中，不能把质子想象成为一个黑洞，因为两者在尺度上具有天壤之别。
在克尔-纽曼黑洞模型中，当电量Q=0时，它退化为克尔黑洞；当角动量J=0时，它退化为赖斯纳-诺兹特隆黑洞；当Q=J=0时，它可以还原为最简单的史瓦西黑洞。
霍金等人提出的有关黑洞力学四定律，它们在形式上很类似热力学四定律：
第零定律：稳态黑洞表面引力为常数。
第一定律：dM=k/8π dA+ΩdJ+VdQ（自然单位制c=G=h bar=1）
其中，M,k,A,Ω,J,V,Q分别为质量（能量），表面引力，表面积，转动角速度，角动量，表面静电势，电荷。
与热力学基本微分式类比：dU=TdS+ΩdJ+VdQ
其中，U,T,S,Ω,J,V,Q分别为内能，温度，熵，转动角速度，角动量，表面静电势，电荷。
第二定律：黑洞面积随时间不会减少。
第三定律：不可能通过有限步骤使表面引力降为0（达到极端黑洞，即产生裸奇点）
由此可见，黑洞内部只有三个物理量具有真正意义，即质量、电荷、角动量。
1973年霍金、卡特尔（B.Carter）等人“严格证明”了“黑洞无毛定理”的存在，即“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）惟一确定”；
我们从这个结论中可以看出，黑洞并不神秘，说白了就是一个空间物质自旋体，它与地球、质子等自旋体并没有什么本质区别；它由于自旋而产生了自旋磁场，从而对其周围空间表现出强大的磁场力效应。
可见，黑洞研究首先要考虑物质自旋时对周围空间所产生的物理效应——自旋磁场性，只有将自旋磁场与黑洞旋转结合才能看清黑洞形成、运动的物理机制！
从广义上讲，黑洞就是指自旋物体在其周围空间表现出的自旋磁场效应，这种效应以p=mω形式表现出来，其中，p是质量m自旋所产生的自旋磁量大小，ω是质量m的自旋角速度大小。
物体质量越大、自旋角速度越快，其表现的黑洞效应越明显，相反，自旋体质越小、自旋越慢，其表现的黑洞效应越不明显。如中子星，由于其自旋快、质量大，虽其体积很小但却有极大的磁量P，故它会在其周围空间表现出极强的磁场效应，强大的自旋磁场使它对周围其它存在物体产生强大的吸引力；再如木星、土星、海王星等，因其自旋速度和质量都比地球大，故其表现出的自旋磁场就比地球强，而金星质量虽比火星、水星大，但因其自旋速度较小，故其表现出的自旋磁场就比火星、水星弱。
一切自旋物体都可看做是黑洞，如微观的电子、原子、甚至光子等，宏观的行星、太阳，银河系等，地球上快速旋转的大洋涡流、台风、陆地龙卷风等。
不过，原子、电子、甚至光子等只能称为“微观黑洞”，因为它们的物质组成空间、质量、自旋角速度与星体、星系等不可同日而语。地球上的大洋涡流、台风、陆地龙卷风等因与地球连成为一体，因此只能视为半闭合自旋体；如果将它们放到太空中运动，就可以看出它们的自旋运动也有闭合性。
当然，黑洞运动还必须遵守能量与角动量守恒规律，但我们对它须要遵守的能量守恒规律的看法与相对论、经典力学则不同，具体说就是：
对于一个旋转运动物体来讲，其总动能应是“平动+自旋”的动能，当我们不考虑物体自旋空间大小时，就得出总动能的另一种描述形式：E=mv2+mω2；当这个旋转体运动体进入其他引力场空间时，它的总动能是保持不变的，但其平动动能与自旋动能可以在守恒下相互转换，即v增大时，ω会减小，反之亦然。
目前，人们对黑洞存在与探知主要是通过“引力效应”来完成的，那么二个自旋体或黑洞之间的相互作用力该如何计算呢？通过多年探索与研究，我们总结出如下力效应计算公式：
F=P?·P?/πr2=（ω?·ω?/π）m?m?/r2.
这其实就是牛顿万有引力公式F=Gm?m?/r2的形式，只不过这里G=ω? ·ω?/π罢了。
至于这个公式的具体推导可参阅司今/《物质自旋与力的形成》一文。
通过上述分析可以得出，黑洞强大的引力效应起源于它的大质量和高自旋性，并由此可以断言，宇宙中并不存在角动量J=0的黑洞，史瓦西、R-N等无自旋黑洞只能是“附着”在广义相对论方程之上的“数学存在形式”！
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