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黑洞-第16部分
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这正是问题的关键。虽然广义相对论是迄今最好的引力理论，它显然仍是不完善的，因为它没有考虑支配微观世界演化的量子力学原理，而奇点现象恰恰涉及很小尺度的时空结构。一个经典理论运用于量子领域而出现恼人的奇异性，也就不足为怪了。
但是量子力学与广义相对论之间的关系似乎又很疏远。前者支配着基本粒子的领域，粒子在核力作用下在很小的范围内运动，其主要特点是对现象作出“模糊”的描述，即只能计算事件发生的几率。电磁力则支配着包括人类自身在内的过渡区域。在有些现象里（激光、晶体管等等）量子力学起着决定性的作用，而在别的现象里（无线电波的传播等等）其作用可以忽略。最后，在天文尺度上，量子效应完全不见，而由广义相对论描述的“经典”引力接管了一切。
但是，用谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年诺贝尔物理学奖获得者）的话来说，很有可能“蛇在吃自己的尾”。有的物理学家相信，在小于10ry3厘米的尺度，引力是起支配作用的力。这个极小的长度是一个世纪前由马克斯·普朗克在另一个意义上引入的，它由把自然界的基本常数（引力常数、光速和普朗克常数）作出机智的组合而得到，而与基本粒子的性质无关。它表示这样一个最小尺度，在它之上的时空见何可以被看作是平滑的，在它之下时空组织本身不再是连续的，而是像能量和物质一样，也由小颗粒组成。按照约翰·惠勒的说法，“广义相对论与量子力学之间的热烈婚礼”将在这里完成，而产儿显然将被取名为量子引力。
注意这里用的是将来时，因为量子引力与其说是一个理论，不如说还只是一个想法。爱因斯坦在他一生的后40年中试图统一广义相对论和量子力学，却劳而无功。今天，数以百计的理论家仍在致力于这项艰难的工作，除了令人沮丧的数学困难之外，更糟的是没有任何具体实验资料。无论是在距离上还是在能量上，这个研究领域都与实验室相去太远。现在可能做到的是，使用大型的粒子加速器来探测与质子这样的基本粒子半径相当的距离，即10’3厘米量级（用粒子加速器能得到的最高能量使我们能探测到10－‘6厘米尺度的物质性质），但是这与量子时空之间仍然如隔天堑：质子半径与普朗克长度之比，大约等于银河系半径与人的身高之比。
对当代物理学来说幸运的是，不管条件如何不利，新思想却层出不穷。约翰·惠勒提出，由于量子涨落的搅动，微观时空几何是湍动的和不断改变的。这可以用海面来作比拟（图利）。从飞机上看去，海面显得很平整；降低高度再看，海面仍是连续的，但是有起伏；再靠近去，它就变得汹涌翻腾，甚至成了不连续的，因为当波浪碎开时，可以看到抛散在空中的水滴。同样的道理，虽然时空结构在我们所处的高度看去是连续的，但在普朗克长度的尺度上它的“泡沫”就会显而易见，并且能够产生出“水滴”，也就是那些基本粒子。
阐发这个思想的最新尝试是求助于所谓“超空间”，其中的维数多于四（“超空间”的维度甚至可以不是整数，而是“分数型”的）。在日常生活中只有三个空间维度和一个时间维度是可觉察的，但是真实的宇宙可能还有以普朗克长度为特征长度的附加维度来完善自己。可以用一根长的软管子来作个简单比方。它有两个维度，一个是沿其长度方向，只是稍有弯曲；另一个是在其横截的圆周方向，尺度小得多，而弯曲程度却大得多。从远处看去，这根管子就会显得像一条线，只有一个维度，并且没有弯曲。
这些设想是很有趣的，但是还没有任何恰当的方案形成。由于没有任何实验检验，物理学家只能依据理论需求行事，需求之一正是消除引力奇点。奇点将被代之以时空几何的鼻子涨落，这种涨落将不导致无限大的物理量，但将具有阻塞转动黑洞的虫洞的效能。这就是维护因果律的代价。
可以肯定的是，黑洞对量子引力的发展起着关键作用。最近已有研究者提出一个模型，说是微观虫洞（其尺度是原子核的10“‘倍）能通过对量子时空力学的贡献来帮助确定自然界所有基本常数的值。两个世纪前在一片冷漠中诞生，现在才长成的黑洞，其生涯刚刚开始。后两章将更详细地说明，黑洞如何揭示出两个看似完全分离的物理领域之间的深刻联系。第十三章 黑洞机器
热力学
物理学家总是试图理解为什么宇宙是有序的而不是混乱的。从遥远的星系到生物的细胞，宇宙已经形成了所有尺度上的复杂结构。这些有组织的系统是如此复杂多样，像人体和恒星这样的两种系统又是如此不同，以至于任何认识支配系统结构的普遍原理的企图似乎都太不自量力。然而，这种企图却由热力学来部分地实现了。
这门学科开始于19世纪。其初始目的很平凡，工程师和工业公司想要控制热交换和机械能量，以提高蒸气机的效率。从这个小小的开端却发展出了能运用于绝大多数物理系统演化的深刻而普遍的观念（热力学对生命世界的严格应用会出现困难）。
热力学的优越性在于，它建立了不依赖于系统结构细节的普遍定律。例如，它能使我们认识物质的热性质而不必知道其原子结构。热力学可以概括为四条定律，由于历史的原因而从零到三编号。
第零定律是说一个热平衡系统的所有部分都有着同一的温度。第一定律指出热是能量的一种形式，并描述在一个演化系统中不同形式的能量如何交换。如果两个具有不同温度的系统（例如一升热水和一升冷水）相接触，两个系统之间将发生热交换，直到有一个共同的平衡温度为止。这个平衡温度当然是介于两个初始温度之间，一升热水和一升冷水就变成两升温水。第三定律断定绝对零度（－273．15t）不可达到。一个系统的温度可以通过适当的转换来降低，但是不可能通过有限次数的转换来使它完全冷却（目前在实验室里可以用冷却激光来把氦3的温度降至开氏10“度）。第二定律是热力学的核心，因为它的应用范围最广，简单地说，它是指系统在演化进程中会变得越来越无序：山峰被侵蚀，房屋倒塌，汽车破损，恒星爆发，人变老和死亡。当然，较有序的结构随时都在形成：婴儿出生，晶体生长，城市建设，如此等等。但是，一个系统中某一部分里秩序的产生必然以整个系统无序程度的增长为代价。物理学家已经发明了一个量度无序程度的量，它被称作摘。热力学第二定律的精确表述就是，一个孤立系统的摘只能随时间而增大。
摘是有真实意义的，它量度着无序，且看这是什么道理。数学上，摘表示一个系统在不改变其外部状态时所能采取的内部构型的总数。例如，气体的外部状态由其温度和压强确定，气体分子有许许多多种可能的无规运动，全都对应着同样的温度和压强。正是这个运动种类的巨大数目决定着气体的媳。同样道理，一块方糖的“宏观”状态是由化学成分、温度和体积等几个参量决定的，但是每一个宏观态都对应着巨大数目的隐蔽的微观态，这些微观态特别地依赖于分子结构和内部振动。一个系统的摘量度隐蔽的内部构型的总数，因而也量度我们对系统细节的无知。一个系统越是有组织，它的摘就越低，反之亦然。摘是无序的量度。
摘这个概念可以通过与信息的概念联系起来而变得更有普遍性。显然，一个系统的微观构型含有关于该系统的隐蔽信息，隐蔽的信息越多，摘就越大，而同时可得到的信息量就越是减小。一个很有序的系统有大量可得到的信息，因而有很低的摘。通过把字母组织成这本书，我已经传递了大量信息给我的读者——论如何，这正是我的目的。但是假如我突然决定杂乱无章地罗列字母，本书包含的信息将几乎为零，也许能留下一点，就是有个作者。这就是说，嫡量度一个系统的信息的缺乏。
黑洞动力学
黑洞决非一种只是永久地隐藏物质而毫无生气的物体。由于它的电荷，更重要的是由于它的角动量，黑洞是一个动力学系统，能够受力和施力，能够吸收和提供能量，也就是说它是随时间变化的。因此，研究支配黑洞演化的定律并与热力学定律作比较，是有重要意义的。
热力学里一个系统的状态一般可以由两个基本参量来表征：温度和摘。热力学定律表述的正是其他宏观参量，如能量、体积或压强等，在系统的转换中如何作为温度和摘的函数而变化。同样，一个黑洞的动力学状态也由两个参量来表征，一个是黑洞的面积，即对视界面的量度；一个是表面引力，即对视界上引力加速度的量度。
由于黑洞的平衡态只依赖于质量、角动量和电荷这三个参量，黑洞的面积和表面引力也就可以表示为这三个参量的函数。对于只由质量来表征的史瓦西静止黑洞，计算是很简单的。视界是一个半径正比于黑洞质量的球面（r—ZM），其面积因而就与质量的平方成正比，一个10MW量的球形黑洞面积为5650平方公里，与一个县的大小相当。类似地，表面引力与质量成反比，一个10Mpe形黑洞的表面引力为地球的1500亿倍。
黑洞动力学也可以概括为四条定律，与通常的热力学定律极为相似。
第零定律指出，平衡态黑洞视界上的所有点都有同样的表面引力。如果想到两极会由于离心力而变得扁平，这是出乎意料的。对于通常的转动天体如地球，两极上的引力比赤道面上要强。与此不同，无论视界是怎样扁平，黑洞的表面引力总是处处一样。
第一定律说的是在黑洞的演化过程中（例如，由于对一团尘埃云或一个小行星的捕获），其质量、转动速度和角动量如何作为表面积和表面引力的函数而变化。
第三定律是指，经过有限次数的转换而把黑洞的表面引力缩减为零是不可能的。极端克尔黑洞是表面引力为零的黑洞的例子，其角动量已达极限值。按照这个定律，极端黑洞是自然界里不可达到的极限。对一个缓慢转动的黑洞，可以由输入来自适当轨道上的物质以增加其角动量，但不可能达到极端状态。
最后，黑洞动力学第二定律断定，黑洞的表面积决不会随时间减小。一个孤立黑洞可以保持恒定的表面积，但实际黑洞的表面积会随着对物质和辐射的捕获而增大。同样道理，两个黑洞碰撞会并成一个黑洞，这个新黑洞的面积大于原来那两个黑洞面积之和（图52）。
由史蒂芬·霍金发现的这条基本定律，揭示了黑洞面积与热力学系统的摘之间的密切联系。我们能否把这种相似性再向前推进一步，认为黑洞确实也具有烦呢？
以色列物理学家雅可市·伯肯斯坦（Jaco Bekens比in）的回答是肯定的。黑洞是一座禁止一切物质和辐射，也就是禁止一切信息逃逸的宇宙监狱；另一方面，当一个物体消失在黑洞中时，对外部观测者来说所有关于它内部性质的知识也都丧失了，留下的只是黑洞新的质量、角动量和电荷值。这就是说，黑洞吞噬一切信息，那么它就必定有一个媳。如同热力学中一样，这个摘的星度对应着同一个给定状态的所有可能内部构型的总数。对这个媳值的计算结果确实与黑洞的表面积成正比。
IMW量黑洞的摘比太阳的摘大10亿倍。这个差别可以解释为，黑洞在其形成过程中“刮去了毛发”，即吞掉了物质除质量、电荷和角动量以外的所有信息。正因为如此，黑洞是宇宙中最大的摘库。
黑洞作为能源
按照黑洞动力学第一定律，虽然黑洞禁止任何物质或辐射逃逸，它却能将能量给予外界媒质。事实上，黑洞的总质能可以分成三个部分：与角动量相联系的转动能量，与电荷相联系的电能量，以及静质量能量。希腊物理学家德梅特里奥斯·克里斯托多罗（Demetrios Christodolou）inHB，前两种形式的能量可LjA黑洞中提取出来，而第三种是不可约的即不可减少的。这个不可约能量直接对应着黑洞面积，而按照第二定律黑洞在演化进程中面积不可减小（嫡最多能在可逆变化中保持恒定）。
球形和中性的史瓦西黑洞能量最低。它始终是一个引力协，每次吞噬粒子和辐射都增大自己的质量。相反地，一个接近极端状态的黑洞饱含着能量。而且并不吝啬，它的至少占总能量三分之一的转动能是可被提取的。
原则上可被提取的能量总额大得令人难以置信，相比之下超新星爆发实在是小巫见大巫。但是，黑洞转动能的提取并不像恒星爆发那样具有激变性，要真做到可得大为费神。能层，即静止极限与视界之间的区域，在这里起着决定性作用，罗杰·彭罗斯建议了下面的提取机制。
远处的实验者朝能层方向抛射出一个物体。抛射体进入能层后分裂成两片，一片被黑洞捕获，另一片飞出能层并被实验者收回（图53）。彭罗斯证明，实验者可以调节抛射体的方向，使得返回的碎片具有比原抛射体更大的能量。具体地说，就是要使被黑洞捕获的碎片是在反转轨道上（即与黑洞转动方向相反）运转，于是它落入黑洞时就会使后者的角动量稍稍减小，净效果就是黑洞失掉一些转动能，而这份能量由逃出的碎片带走。
这个理想实验为科学幻想小说作家又打开了一片新天地。图54见于查尔斯·米斯勒（Charles MisnerL吉波·索恩（KIPThorne）和约翰·惠勒合著的《引力》一书（旧金山弗里曼公司1973年出版），该书堪称广义相对论的“圣经”。其意图是利用转动黑洞的能层来解决未来世界的能源问题。具体设想是围绕黑洞建造一个巨大的刚性骨架，当然得离黑洞足够远，以避免过大的潮汐力作用。然后在这个骨架上建设一座工业城市，每天有数百万吨垃圾被收集起来，装上小车，倾入黑洞。小车一辆接一辆沿螺旋线落向黑洞，每辆车在进入能层并到达“抛射点”时，一个自动装置打开，把垃圾倒进仔细设计好的反转轨道。黑洞由于捕获垃圾而稍稍减小了转动速度，与此同时，空车以增大的能量离开能层，最后被一个巨大的转手回收，释放出大量的转动能。这个转子是接在发电机上的，于是就可以为城市提供电力。由每辆小车的回收所净得的能量等于抛出垃圾的质量能量再加上黑洞本身质量能量的一部分。所以，由这样一个聪明的方案，城市居民不仅把他们的垃圾的全部质量转变成了电能，而且还提取了黑洞的一部分能量。多么光辉的生态学成就啊！
黑洞发电机
彭罗斯机制不只是一种趣谈。黑洞转动能量的提取，有可能已经在自然的天体物理条件下，即通过一个适当分布的外部磁场而实际发生。
法国天体物理学家梯包·达摩（Thibaut Damour）描绘了黑洞表面与一个运动的带电肥皂泡之间的相似性。尤其是，黑洞是一个有一定电阻的电导体，因此，当一�
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