《关于黑洞的论文》word版.doc

关于黑洞的论文关于黑洞的论文 2序言 2黑洞以及相关知识介绍 4黑洞及其发展的介绍 4黑洞的产生 10黑洞结构介绍 12黑洞的探索方法 14宇宙中的洞 16白洞 16虫洞 16几个重要理论的介绍 19相对论 19量子理论 21超弦 23超引力和克莱茵——卡鲁扎理论 23看法、想法和方法 24对彭罗斯宇宙监督定理的看法 24拓扑看宇宙监督定理 25对宇宙监督定理证明的解释以及拓展 27视界的疑问 31结尾 33作者：张磊第 1 页 共35页序言关于黑洞的论文 本文中的许多重要的历史资料和关于黑洞的知识，都来自与湖南科学技术出版社的《黑洞和时空弯曲》、《黑洞》，和中国对外翻译出版公司的《超弦》进才中学 高二（7）班： 张磊关键词：黑洞，时空视界，宇宙监督定理提要：序言黑洞，是一个从爱因斯坦建立广义相对论以后最重要的物理理论结果，也是现在唯一一个可以统一相对论和量子理论，同时又可以使人类在对物理极至理论的探索道路上继续迈进的一种星体黑洞是神秘的，但也不是神秘的我的目的就是将黑洞展现在大家面前，让大家了解什么是黑洞，什么是物理，什么是物理学家，什么是物理学家的教育既然是关于黑洞的论文，那么了解什么是黑洞，知道黑洞的结构以及一些相关性质是必要的了。

黑洞的发展黑洞以及相关知识介绍黑洞及其发展的介绍对黑洞的研究的开端，可以分为两个，一个是在牛顿引力时代，一个在相对论引力时代在牛顿引力时代，黑洞的概念是在18世纪英国约克郡桑希尔教区长米歇尔研究了围绕星体转动的物体的向心力和引力公式中得到的但是在那个时代，没有任何人相信会有什么恒星的质量会如此的大而体积如此的小这种星体的密度是水的1016倍！而这个是几乎无法想象的（在当时如此）因而黑洞的构想在被提出后不久就被埋没在科学文献的历史之二中 在爱因斯坦提出广义相对论后，史瓦西首先得到了描述时空的方程，也就是著名的史瓦西方程这个方程描述了一种被称为标准的恒星模型周围的空间史瓦西方程主要描述恒星外的时空和恒星内的时空史瓦西将他的发现寄给了爱因斯坦，爱因斯坦对这个方程高度赞扬，但是史瓦西本人却无法听到和得到关于他的方程的任何赞扬和应用，因为他在不久以后就在战场上染病去世了惠勒根据这个方程首先提出了黑洞存在的可能性，同时也拉开了对致密星体尤其是黑洞研究的序幕 爱因斯坦虽然得到了广义相对论的精华——爱因斯坦场方程，但是他本人还是对黑洞抱着怀疑态度爱因斯坦和爱丁顿这两个当时科学界的巨人对黑洞十分抵制，虽然他们在推进相对论引力理论发展中有着十分重要的作用。

奥本海默，和惠勒一起是与爱因斯坦、爱丁顿齐名的几个重要理论物理学家之一，对黑洞的看法和惠勒一样，认为是存在的于是奥本海默和惠勒分别在两个地方开始带领自己的“子弟兵”向致密星以及爱因斯坦、爱丁顿对黑洞不可能存在的理论发动了挑战补充说明：爱因斯坦和爱丁顿对黑洞不存在的想法是：如果物体的引力迫使物体的体积减小，那么组成恒星的原子必定要被压缩，那么原子的核外电子就要被压迫到比较内部的轨道（这个时候量子理论还没有发展出来，因而一些结论还不知道），那么电子的速度就会被迫增大由于速度极限是光速，于是电子轨道的半径就一定有一个极限小的值，那么就不可能出现引力战胜一切的黑洞在惠勒和奥本海默率领着自己的小组研究时，钱德拉塞卡率先找到突破口，建立了第一个有史瓦西方程和物态方程结合得到的白矮星的方程随后，瑞士的茨维基和德国的巴德首先提出了中子星的构思模型，朗道建立了描述中子星的理论模型，而奥本海默和他的博士后塞伯一同验证、改进了朗道的中子星模型，奥本海默和他的另一个博士后沃尔科夫在托尔曼的帮助下一同建立了中子星的标准方程，惠勒和他的学生哈里森和日本人若野一同研究了中子星和白矮星的质量限定之间的恒星的命运在哈佛大学数学家贝克霍夫对史瓦西解进行拓展后，奥本海默和他的最特殊的学生斯尼德得到了黑洞！而后惠勒也证明了奥本海默的理论和计算是正确的。

他们终于得到了一个真正意义上的黑洞！一个标准的史瓦西黑洞！从而有力地反驳了爱因斯坦、爱丁顿在黑洞问题上的保守思想虽然这个黑洞是标准理想化的真实恒星的实验室模型，但是它说明了黑洞是可能存在的奥本海默和斯尼德的胜利，鼓舞了许多物理学家向黑洞这个领域进军，开始了黑洞研究的第一个黄金时期，虽然期间还是被第二次世界大战打断，奥本海默也差点被抓在随后的时间中，许多更加精细的黑洞模型从爱因斯坦场方程这个大模子中被制作了出来克尔是继史瓦西后第二批解开爱因斯坦方程的人中的一个，当然，他的研究和计算是建立在史瓦西的基础上的克尔和史瓦西的区别在于，史瓦西研究的是在绝对真空中完全球对称的、在塌缩过程中没有丝毫物质异动、不带电荷、没有丝毫旋转的、标准理想化恒星的塌缩过程，以及它内外时空的场方程解，而克尔在史瓦西的基础上，让这个模型旋转，从而得到的解别小看这个旋转，在黑洞强大的引力下，不仅仅要考虑旋转引起的离心现象，还要考虑黑洞对外部时空的拖曳、对内部时空的扰动，以及相应的黑洞结构的改变和从而产生的影响总之，克尔成功了但他不是唯一的成功者在他之前，雷斯勒和诺斯特朗姆分别独立地发现了带电的史瓦西黑洞解但是由于种种原因，他们的工作没有得到像克尔黑洞这样的重视，直到纽曼将爱因斯坦场方程的克尔解和雷斯勒——诺斯特朗姆解融合在了一起，得到了一个描述范围在量子理论正式大规模介入黑洞研究领域以前最完整的描述黑洞的爱因斯坦场方程解，也是最符合自然的解——纽曼黑洞。

在接下来介绍量子理论和数学的一个重要分支，对黑洞的重要贡献以前，我们先来认识一下前面提到的黑洞的结构是什么史瓦西黑洞，是一切黑洞的发祥地它有一个视界和一个奇点 视界，是物体能否回到外部宇宙的分界面（视界的准确定义有两种，会在下文介绍量子理论对黑洞的作用时介绍），在视界外面，物体可以离开或者接近黑洞而保持安全而在视界上，只有光速运动的物体可以保持不进入毁灭熔炉黑洞，但是连光也无法从这个面中逃脱了如果不幸进入了视界内部，那么你就再也无法出来或者和任何人联络了你所面对的将只有一个：死亡当然，量子理论允许你选择如何死去此外，视界也是时间和空间属性颠倒的地方：在视界内，空间是类时的，时间是类空的奇点，是黑洞奇异性的来源，也就是黑洞中允许相对论和量子理论同时大规模作用于同一个物体的源泉任何接触到奇点的物质（包括场）必然被奇点摧毁，被分解为纯粹的基本粒子和时空单体，即使是形成这个黑洞，这个视界，这个奇点的恒星，也将被它摧毁而不再对黑洞产生任何影响（这个问题在下文简要介绍相对论和量子理论的时候会详细说明）好了，现在来看克尔黑洞克尔黑洞的结构比史瓦西黑洞复杂了许多在克尔黑洞的最外层，由于黑洞旋转产生的对周围时空的拖曳效应（伦斯——梯林效应），因为存在着一个判断物体是否可以静止于时空中的静止界面。

静止界面外的物体，可以通过推进器等装置在被拖曳的时空旋涡中相对于极远处的观测者静止不动，而在静止界面内，可以断定，物体一定会被黑洞的强大引力拖动，开始旋转在这个界面内部，和史瓦西黑洞一样存在着视界，但是它和史瓦西视界不一样，比它更加复杂，因为在这里，视界分为两个：内视界和外视界外视界是物体能否与外界通讯的分界面（这里使用的是霍金对视界定义的升华：绝对视界的定义关于绝对视界和显视界，我们会有一个探讨），而内视界是奇点的奇异性质能否影响外界的分界面也就是说，进入外视界的物体，必定会被吸入奇点，然后本摧毁，但是还可以在达到内视界以前享受一段相对“安宁”的日子，而一旦进入了内视界，那么任何物体都会在内视界中奇点奇异性质的面前屈服，在达到奇点以前便被摧残待尽在外视界和静止界面之间，有一个相对十分广阔的区域，叫“能层”在能层中蕴藏着黑洞旋转时的旋转能从理论上，可以在静止界面外建立一个空间站，然后利用抛物投射来提取黑洞的旋转能，得到几乎无穷尽的能源（因为大型黑洞的寿命几乎可以肯定比质子的寿命长）此外，在能层中，由于黑洞旋转带来的拖曳会将时空撕裂，产生虫洞在早期引用量子效应来处理黑洞的时候，第一个选择的就是旋转黑洞，而且得到了第一个量子黑洞定理：旋转黑洞辐射。

后来在霍金的推动下成了霍金辐射在内视界内部，和史瓦西黑洞一样有一个奇异性质汇聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那样是一个奇点，而是一个独特的奇异环，一个充满了量子效应奇异性质的面，安静地平躺在黑洞赤道面上，带来的却是彻底的破坏和随机第三个典型黑洞，就是雷斯勒——诺斯特朗姆黑洞（以下简称为RN黑洞）RN黑洞没有自旋，但是带有电荷它和史瓦西黑洞、克尔黑洞在许多方面相似比如对于带有相反电荷的物体来说，它有一个在视界外的静止界面，它的视界有两个：内视界和外视界不过和克尔黑洞不同的是，RN黑洞内视界和外视界在一般情况下完全独立，而克尔黑洞的内视界和外视界在黑洞的两极相切；RN黑洞的两个视界是绝对球形的，而克尔黑洞的视界是椭球形的在静止界面和外视界之间也有能层，但是蕴藏的不是黑洞的旋转能，而是电能RN黑洞的中央有一个史瓦西黑洞的奇点，不是克尔黑洞的奇异环不过RN黑洞并不十分著名，至少不像史瓦西黑洞那样普遍，没有克尔黑洞那样出名，因为在自然界中，一个带有电荷的黑洞会在十分短的时间内从外界空间中吸收一定数量的相反电荷，是自己的电荷被严格控制在极限电量的10-44范围以下，因而RN黑洞比史瓦西黑洞还要“学术气”，所以没有得到广泛应用和发展。

所谓的极限电量，和极限角速度一起，分别是RN黑洞和克尔黑洞允许带有的电量和角速度的极限值为什么会有极限值呢？是因为内视界和外视界与它们之间的联系产生的在克尔黑洞中，外视界会由于角速度的增大而缩小，而内视界会随着角速度的增大而增大（想一下牛顿引力定律和角速度的综合应用产生的在轨道上运动的物体的受力变化就可以明白了，不过这样得到的是近似的推导）当内、外视界重合的时候，两层视界会同时消失，将一个裸露的奇点展现在宇宙时空中而这个使黑洞的两个视界重合在一起的极限角动量和电量，就是极限速度和极限电量而纽曼黑洞，是克尔黑洞和RN黑洞的结合体，性质可以模拟、综合考虑克尔黑洞和RN黑洞的性质得到，这里就不说了在这个相对论统治一切引力问题的时代，许多有价值的定理被人们发掘了出来比如确定是否可以形成黑洞的索恩环猜想，用来确定远处观测者和恒星观测者对于恒星塌缩的观察差异的联系的芬克尔斯坦坐标系（参照系），黑洞无毛定理，引力透镜原理，黑洞吸积盘的描述，吸积盘激流喷射，有一个黑洞的双星X射线辐射，黑洞（或者黑洞和一个中子星）双星引力波辐射的理论发现，黑洞视界电磁场定律——膜规范定理，黑洞视界的准确定义（也是等价拓展，从原来的显视界成为了现在的绝对视界），奇点定理，宇宙监督定理（我们会在下面第三部分中详细看待这个至尽还是一个大猜想，但是十分可能是一个正确的定理的问题）等。

这些不单单是第一个黑洞黄金时代的成果，有的也是第二个黑洞黄金时代的结论在第二个黄金时代，霍金的地位慢慢确立了起来在第一个黄金时代中，彭罗斯的来到给物理界带来了拓扑学，一个原本被认为和引力问题完全无关的数学工具，并且利用这个工具最终解释了黑洞无毛，一个一直困扰着物理学者的猜想；还利用它解释了奇点是否会存在这个问题，得到了奇点定理，同时推动了BKL黑洞的诞生；他还和霍金等人用这个拓扑学的方法结合几何学证明了宇宙必定诞生于一个初始奇点拓扑学开始在相对论引力研究者中普及了起来，成为重要的数学工具之一彭罗斯的数学不单单是拓扑，他是一个数学家，一个真正的物理数学家他不但将拓扑引到了物理中，还带来了彭罗斯时空图，一种现在几乎所有引力研究者必定使用的数学工具；彭罗斯——克鲁斯卡图，研究虫洞的首选，还有一些其他的数学工具霍金在第二个黄金时代。