有趣有料的黑洞科普：有毛的黑洞，无毛定理

本文将给各位喜欢天体物理学，对黑洞好奇的小伙伴介绍黑洞的“无毛定理“。

爱因斯坦在研究原子对光的发射和吸收时，提出辐射有两种形式：自发辐射和受激辐射，这两种辐射的系数有一定关系。后来科学家利用受激辐射研究出来了激光，今天已经被我们用在生活、生产、军事等各个领域。从这个思路出发，由于存在着与受激辐射类似的超辐射，就应该同时存在自发辐射。按照这个思路，人们很快就得出了黑洞存在自发辐射的结论。

电子的自发辐射和受激辐射

黑洞的自发辐射

当年狄拉克提出了真空不空的思路来解决量子力学中负能困难（从这里我们也能看到，量子理论的发展真是举步维艰）。物理学家把这种研究方法应用到黑洞表面附近情况上，发现，狄拉克能级与广义相对论的能量动量关系相对应。在黑洞表面，粒子只能存在正能态或者负能态，两者之间没有粒子存在，也就是禁区存在。这当然也与泡利不相容原理吻合。

平直时空的狄拉克真空能级

当正能态粒子的能量大于粒子的静质量的时候，黑洞表面附近就会发生正负能级交错。这个时候，一部分负能态粒子的能量会大于静质量，并且大于附近的正能态。这个时候，负能粒子有可能通过隧道效应穿过禁区成为正能粒子，并飞向远方。这部分出射粒子将带走黑洞的能量、角动量和电荷，这种效应被称为斯塔诺宾斯基-安鲁效应。这种效应实际上是对应着受激辐射（米斯纳超辐射）的自发辐射。

黑洞量子热效应的发现，完全出乎了人们的意料。这说明黑洞并不是一颗死寂沉沉的星，而是有着自己的丰富内涵。黑洞不是一个只进不出的洞，它能向外辐射粒子。黑洞不黑，它不是恒星的最终归宿，而是恒星演化的一个阶段。

无毛定理

在研究带电的旋转的黑洞的时候，可以得到一个带电的史瓦西解，从这个解里面可以发现，这时候的时空度规是由黑洞的总质量、总角动量和总电荷决定的，与物质的成分和结构都没有关系。

由于我们只能在黑洞的外部探测到这个黑洞的总质量、总角动量和总电荷，探测不到其他任何信息。所以我们就不能知道这个黑洞过去是怎么变化过来的，不可能知道他原来事由什么星体、什么时候、用什么方式形成的。

惠勒等人把上面描述的性质总结为无毛定理：形成黑洞的星体，失去了除总质量、总角动量和总电荷外的全部信息。黑洞的全部性质只由总质量、总角动量和总电荷三个参数决定。

毛就是信息；无毛就是没有信息。其实黑洞还是有毛的，而且是三毛：总质量、总动量和总电荷，所以无毛定理确切地说应该叫做三毛定理。

我是郭哥论道，一个致力于科普相对论、量子力学、计算机、数学，让深奥的科学理论通俗易懂起来、让科学更有趣的科普搬运工。耐心看完的小伙伴，留个言、点个赞加个关注再走呗。