史瓦西黑洞.docx

1、史瓦西黑洞史瓦西黑洞RN黑洞(带电黑洞）克尔黑洞克尔纽曼黑洞极限黑洞、裸奇点太初黑洞、微型黑洞巨型黑洞黑洞的热性质、卡诺循环黑洞的激发态黑洞的量子态、霍金辐射视界和热效应，真空的边界效应黑洞与黑洞接触（视界和视界的接触）有没有人喜欢研究这方面的知识的陆续更新，码字需要时间，找图片需要时间，请耐心等待我不是这方面专家啊，也不靠这方面吃饭，借用这个论坛分区的名字来说只是“玩主”之一因此欠缺或错误难免，望各位指正包涵-分割线-目录：一。一.烧“黑洞”前的知识充电站：天体物理学1.恒星的演化2.离开主序后的太阳变成了什么？3.质量更大的恒星演变成什么？4.白矮星和中子星中的物理二。烧黑洞之前的知识充电

2、站：相对论1.相对论的基础2.狭义相对论的物理意义3.广义相对论的物理意义4.相对论的一些概念三。黑洞的种类和性质1.施瓦希黑洞2.观测现象和真实现象3.RN黑洞，数学家的模型4.克尔黑洞5.彭罗斯图-克尔黑洞模型的最神奇推论：多重平行宇宙6.一般稳态黑洞7.极限黑洞，裸奇点和宇宙监督假设四。了解量子黑洞前的充电站：热力学和量子力学1.热力学的基本概念2.热力学的四大定律3.时间箭头目前讲到这里。未完待续-分割线-一.烧“黑洞”前的知识充电站：天体物理学1.恒星的演化大家都知道恒星，例如太阳，是靠核聚变辐射光和热的这个概念在“主序星”阶段是正确的在了解“主序星”之前，先探讨一个问题为何太阳的体

3、积是那么大？目前公认的太阳半径测量结果是696000km，地球半径是6千多KM，也就是说太阳的半径是地球的100倍出头那么为何太阳的半径就是这么大，不是6km，也不是6亿KM呢？这里有一个平衡存在即：太阳的辐射压力和太阳的引力维持平衡例如有一个氢原子在太阳表面，那么太阳释放的光和热会迫使这个原子飞离，而太阳引力使得这个原子落入太阳内部，这两个力基本维持平衡（当然，日冕层即太阳高空的原子收到的辐射压力更大，因此飞离太阳表面趋势增加，形成太阳风，但飞离的部分和太阳整体体积相比，九牛一毛，大体还是相对平衡的）那么，类似于太阳的其它恒星呢？于是，天体物理学家就把很多恒星的数据记录下来，然后以表面温度作

4、为x轴，光度作为y轴，画在了坐标内这就是有名的赫罗图结果惊奇的发现，大部分恒星在赫罗图中的位置，是落在左上到右下的斜线中的接下来再通过研究，会发现，在这条斜线中的恒星，维持其发热的能量，都是来源于氢聚变为氦的过程而由于采集的恒星是随机的，因此可以认为，一颗恒星的大部分时间都在这条斜线中度过也可认为，恒星通过氢聚变提供能量，在其生命周期中占了大部分时间于是，这条斜线就叫做“主序”，在主序阶段的恒星，也叫做“主序星”再仔细分析主序阶段的恒星，会发现，其质量也按一定规律排序，越重的恒星越在左上方，越轻的恒星越在右下角因此，如果将y轴刻度按恒星质量来标注，得到的图的本质也是赫罗图，而且分布规律也是一样

5、的。最后，观测银河系中的几个星团，将星团中恒星标注在赫罗图上，会发现，不同的星团，主序往左上角延伸到一定程度就拐弯并断裂了由于星团的恒星基本是在同一时间（就宇宙150亿年的时间来说，即使是100万年，也可认为是同一时间）诞生的因此，可以推断出，越亮越重的恒星，越早离开主序阶段也就是说，越重的恒星，命越短为何有此规律？很容易理解，因为恒星散发热量是朝着3个维度散发的，因此，重量提高，虽然携带的核燃料更多，但散发速率是3次方的关系，因此燃烧速度也必须3次方，才能维持平衡。如果将恒星在主序的生命时间标注起来，就可以得到这张赫罗图2.离开主序后的太阳变成了什么？由于主序阶段的能量都是原子氢核聚变，因此

6、，离开主序的恒星都不是氢核聚变引起的随着时间的延续，太阳（其它大于太阳质量或小于太阳质量的恒星均如此）中的氦越聚越多，最终引发了氦闪耀，此时，太阳也就离开了主序阶段，进入红巨星阶段此时的太阳体积膨大，因此光度将非常大，而表面温度降低，因此它将落在赫罗图的右上角由于红巨星阶段表面积非常大，因此为了维持压力平衡，所以输出的能量也必须非常大，而且氦的燃烧释放的能量和氢相比，又少的多因此，恒星在氦燃烧阶段是不长久的，公认的说法是太阳质量的恒星的氦燃烧阶段是100万年（氢燃烧即主序阶段是100亿年)氦燃烧的灰烬将是多种的，一般为碳于是，太阳中心就多出了一个以碳为主的核心。而碳在太阳那么大质量引起的压力下

7、，是无法进行核聚变的。表面残存的氢和氦层会逐渐以强大的太阳风形式吹离，最终露出裸露的核心。这就是我们常说的白矮星。它有着极小的光度（因为核心半径很小）和极高的表面温度（恒星核心的温度），因此它将落在赫罗图的左下角由于白矮星不再有核聚变，因此随着辐射，白矮星会逐渐冷却，最终变成黑矮星。其实这个冷却是一个长期的阶段，因为它表面积太小了，甚至可以认为它是一个热的绝缘体，一般天文界认为宇宙到现在还没有一颗黑矮星存在（还没有已经变凉的白矮星）由于其主要成分是碳，再加上高压和高温条件下逐渐冷却（和火山口的碳类似的环境），因此它冷却后不是石墨状态，而是金刚石状态，也就是说，是一颗巨大的钻石星球。3.质量更大

8、的恒星演变成什么？如果当一颗恒星演化到红巨星阶段时，还保留8个太阳质量以上的重量那么碳核心就会点燃，进行更深层次的聚变反应目前公认的模型是洋葱头模型在不同的界面上，进行这不同的聚变反应由于越重的原子聚变时释放的能量越少因此燃烧周期就越短按照一些模型推导出的25个太阳质量的恒星核心演化，碳可燃烧600年，氖燃烧1年，氧燃烧6个月，硅燃烧1天，最后生成的是铁铁是聚变反应的死区，无论铁裂变为轻原子，或聚变为更重的原子，都需要输入能量当这个铁核心越来越重，电子会突然无法支撑住压力（这里的支撑力不再是热辐射，而是简并压力，下面会详细说明），突然进入铁原子核于是，铁原子被轰的粉碎，质子和电子合并为中子，并

9、释放出巨大能量（比聚变能量要大的多）于是，整个恒星被炸碎了，外面的洋葱头被剥离，中间裸露出来的核心就是中子星。中子星中间不存在任何原子，也可以认为中子星就是一个巨大的原子，只是普通原子靠核力将质子和中子固定，而中子星靠引力将中子固定4.白矮星和中子星中的物理前面说过，白矮星不再进行核聚变，但其还是有压力可以维持平衡，不至于塌缩这里就是电子的简并压力这是一种量子化的作用力，其本质是泡利不相容原理： 指在原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。正是这种力，阻止了电子挤压到更小的空间中去，电子和电子之间形成了平衡，从而支撑起了整个白矮星。简并压力是一种非常强悍的作用力，在它面前，岩石，钢铁，支撑这些“

10、坚硬”物质的电磁力就是毛毛雨。但是，电子简并并不能无休止的低档引力当引力逐渐变大，电子和电子直接就靠的更紧密，简并压力就更大，电子的运动速度就更快，这里相对论起到了一个“反派角色”，由于电子运动速度趋向于光速，电子就更重（相对论会在后面仔细说），于是线性被破坏在一个临界点，电子简并将无法抵挡引力压力这个临界点由旅英的钱德拉塞卡博士计算出来，大约是1.4倍太阳质量也就是说，自然界不存在任何大于1.4被太阳质量的白矮星（注意并不是说超过1.4倍太阳质量的恒星就无法演化为白矮星）如果有一颗1.3倍太阳质量的白矮星，你不断向它转移质量，例如把砖头扔在上面，当你转移超过0.1倍太阳质量的砖头时，白矮星会

11、突然塌缩。塌缩的结果是一样的，出现一颗中子星中子星非常细小，一颗太阳质量的白矮星的半径大概在一万km，而同样质量的中子星大概在10km那么中子星是如何抵抗引力的？也是靠简并压力。不同的是不再是电子简并，而是中子简并。这种压力会阻碍中子星进一步塌缩。那么，中子简并是否会被相对论“策反”呢。答案是肯定的（如果是否定的就没有黑洞了，这贴也白开了）物理界的结论是在34个太阳质量之间，中子简并将无法抵抗引力。具体精确值是多少？不清楚，因为对于相对论状态下的物态方程还没确切解。也就是说，如果你有一双很牛逼的手，可以把白矮星当橡皮泥捏那么你拿2个太阳质量的白矮星捏一起，可以创造一颗中子星如果你再捏入2颗白矮

12、星，那么很有可能中子星就不见了有没有比中子简并更牛逼的力量来阻挡塌缩？没有。塌缩的结果，就是黑洞二。烧黑洞之前的知识充电站：相对论1.相对论的基础整个相对论的大厦建立在光速不变原理上19世纪末，麦克斯韦建立了一组优美的方程组，电磁学方程。它的形式简洁而优美，能推导解释一切电磁学的物理现象，因此是被公认的。而光速可以从这组方程中推导出来。大约是30万km每秒。当时由于光的波动说占了上风当时物理学界的观点是，光是一组波，波是存在于介质中的因此光在宇宙中传播也是存在于一种均匀的介质中，被称作以太，这是一种无重量无密度的介质。于是1881-1894年间，迈克尔逊和莫雷做了一个实验，利用一种精密的干涉仪

13、来测量垂直地球公转方向和沿着地球公转方向的两束光（互相垂直的光）的速度差异，由此来推断出地球相对于以太的运动速度。测量结果雷到了现场的所有人，两束光的速度完全一致！也就是说，地球相对于以太是静止的！也就是说，是太阳绕这地球转，地球是宇宙的中心，这不是活生生的地心说复辟么？于是，其中肯定有个理论是错误的。以太是建立在牛顿力学上的推论，牛顿力学的框架建立在，速度，重量，时间都是线性的关系，任何地点的时间都是均匀流逝的，速度是线性叠加的（例如在光速飞船上向前再发射一束光，地球上观测到那束光是2倍光速）于是，要么是麦克斯韦错了，要么是牛顿错了。爱因斯坦认为是牛顿错了，因为麦克斯韦的方程组太完美了，完美

14、的东西永远是和谐简洁的（和谐宇宙理论的鼻祖？ )锁定光速不变性，其它方程式重新推导，最终建立了狭义相对论。2.狭义相对论的物理意义动钟变慢运动的物体的流逝时间是缓慢的。例如你和一架飞机校准了时间，你站在地球上，飞机在天上飞行，一段时间后，你发现，飞机的钟比你的钟慢了。动尺变短运动的物体在运动径向的长度会缩短动物变重运动的物体的质量比它在静止时候的质量要重能量和质量的关系E=mc平方，大家都熟悉能量和动量(P)的关系E平方=P平方c平方+M0平方c四次方上面M0是指静止质量上述推论都是由基于光速不变的洛伦茨变换推导出来的，方程组可以相互变化，动钟变慢的方程也可以变化为动尺变短，也可以变化为动物变

15、重罗伦茨变换的方程组很简洁优美，只要将公式中的质点速度v趋向于c求极限，就会理解上述意义。方程组就不写了，任何一本大学物理讲义都会有介绍。可以看到，相对论的物理学意义，描述了时间和空间的不可分割性，也描述了能量和动量的不可分割性。3.广义相对论的物理意义广义相对论可以通俗的理解为：1.惯性质量=引力质量2.等效原理：引力场与惯性场的一切物理效应都是局域不可分辨的。也就是说，你在无穷小范围内（质点运动），无法分辨你是在太空漂浮（惯性场），还是在地球上空自由落体（引力场）进一步可以推论，根本不存在于引力，而是大质量引起的时空弯曲因此卫星在绕着地球旋转，其本质也是在惯性场中匀速运动，只是因为时空弯曲

16、了，因此我们观测到它不是走的直线，而是走的一个闭合圆圈4.相对论的一些概念世界线质点在T1时刻，在a点，在T2时刻运动到了b点在四维时空中可以以思维坐标系描述为（t1，xa,ya,za）运动到（t2，xb,yb,zb）那么，连接这2点的线段称之为世界线两点之间的间隔s可以用一组公式计算s平方=-（ct）平方+x平方+y平方+z平方可以当作四维时空的勾股定理短程线物体按惯性运动，走过的世界线就是短程线这里要注意的是，因为已经取消了引力，因此物体在“引力场”中运动，不受到任何“引力”的吸引，它还是惯性运动引力红移红移大家都知道，运动物体发出的频率会因为有速度而变化呼啸而来的救护车，音调较高，呼啸而

17、去的救护车，音调较低音调就是空气振动频率，频率变高就是紫移，频率变低就是红移运动物体发射的光谱也有此现象引力（实际是弯曲的时空）也会改变物体发射的谱线频率，造成红移这种红移就叫做引力红移光锥前面可以看到，两点的间隔的公式里面是带了一个负号的，当我们描述的是一束光，那么这束光走过的世界线=0也就是说s平方=0，那么这两点的间隔就是类光间隔在时空中任取一点，然后将与其关系为类光间隔的点集合起来，就组成了一个光锥在光锥内部，任意点之间都是可以进行质量交流的（内部到达任意两点都只需要vc，而这是相对论禁止的下面是光锥图：舍去了一维空间，xy轴代表空间，z轴代表时间在光锥内，质点之间可以物质交流，光锥表

18、面，只能通过光来沟通，而光锥之外，是禁区，无法到达。同时超曲面、零超曲面假设有一个质点，那么它就有一个同时超曲面，也就是在这个表面的其他质点，只有通过光线才能和其沟通，而t轴（时间）就是同时超曲面的法矢量（垂直于此曲面）当一个质点的运动速度趋于光速，那么它的光锥就会变窄，当它到达光速时（假设，实际上除非光子等0静止质量物质，有限质量物体是无法到达的）它的光锥会关闭，而它所在的同时超曲面的法矢量也会倒在超曲面上也就是说法矢量平行于切矢量这里也可以理解为弯曲时空造成的，因为平直时空，例如欧几里德时空，法线怎么可能平行于切线？法矢量倒在超曲面上的超曲面，称为零超曲面，零曲面，也叫类光超曲面，光锥表面

19、，光波的波前，黑洞表面都是零曲面类时间隔，类时世界线指有限质量质点可以到达的间隔，质点走过的轨迹就是类时视界线类光间隔，类光世界线只有光子才能到达的间隔，光子走过的轨迹就是类光世界线类空间隔如果存在一个超光速质点，那么其走过的轨迹就是“类空世界线”这被相对论所禁止的，因为没有任何物质可以超越光速同样也可以理解为，如果两点之间的间隔是类空的，那么这两点就永远无法通联三。黑洞的种类和性质从天体物理学来讲，星体塌缩为黑洞，所有的物质都集中到了一点，那里引力无穷大黑洞没有一个固态的外壳，只有一个黑洞表面（几何学的表面，那里没有物体，是真空），叫做视界，视界上内部的一切，包括光线，都无法摆脱引力的吸引。

20、上面天文角度解释了黑洞的诞生过程但是，这个解释太笼统，太通俗了，例如我问，根据相对论光速不变性，无论是不是在黑洞表面，光永远以光速飞向我，哪里会被引力吸回去呢？这样的问题，根本无从回答。下面，对于黑洞的一些性质的详细分析，更像是物理学家和数学家无聊时做的一种游戏因为黑洞无法观测到，它周围的物理环境太极端了，也无法测量因此所有的推论都是基于数学模型而来的（第二段相对论知识，就是准备更好的理解这个复杂的数学游戏）任何天体一旦变成黑洞，它的一切性质就完全消失了，只剩下3个参数可以描述：质量，电荷，角动量这叫做无毛定理,就是说黑洞没有毛发，其实应该叫三毛定理接下来的一些黑洞的种类，正是根据三毛定理来分

21、类的1.施瓦希黑洞这是一个最简单的黑洞模型它描述了一个不带电的，不自传的静态黑洞视界根据相对论的施瓦希解，可以看到时空曲率在2个地方有发散（就是无穷大），一个是奇点，一个是黑洞表面其中黑洞表面的时空曲率发散只是因为选取坐标轴不当而引起的，其本身曲率并不发散。当一个质点从外界无穷接近于黑洞表面时，处于无穷远处的观测者会看到，质点的时间变慢，质点发出的光线越来越红，越来越暗淡。在质点穿越黑洞表面的一瞬间，我们就再也无法观测到它了，它和我们的世界已经彻底切断了联系。这是因为在黑洞表面，引力引起的红移无穷大，光线的频率变为0，波长变为无穷大。因此，在视界发出的光线，可以认为它还是到达了我们，只是光的频

22、率变为0了，我们知道，光子的静止质量是0，它的能量完全依赖于其频率。因此，当频率=0，光子也就消失了。没有任何能量，就是真空，不再存在物质我们也自然看不到那束光线了。再看接近于施瓦希黑洞视界的质点的光锥当质点靠近视界时，光锥会变窄，在视界上，光锥关闭（零曲面性质）在通过视界时，光锥会反转，也就是横躺光锥横躺光锥是沿着距离轴线的我们知道，普通光锥是沿着时间轴线的，而时间箭头是不可反转的，因此，光锥也可以认为是顶点的质点可以移动的范围，那么，由于光锥横躺，因此，顶点质点无论如何，都只能朝奇点运动，最终终结在奇点上。这也是施瓦希黑洞的特点，就是说，如果你掉入了黑洞内部，纵然你的飞船有着多么巨大的发动

23、机引擎，你也不可能再低挡黑洞引力，最后你终将到达奇点下面是进入史瓦西黑洞视界前后的质点光锥y轴是时间，向上代表时间箭头，x轴是离开奇点的距离，c点代表视界处，0点就是奇点可以看到质点在进入奇点前，它的光锥是正常的，朝着时间箭头方向（就是我们熟知的世界）到达视界时光锥关闭前面我们知道，光锥外部是禁区，不可到达，因此，如果质点到达视界，它发出的光线也就不可能跑到光锥（已闭合）外部，到达我们熟知的世界进入视界后光锥平躺，由于光锥代表着质点的时间箭头，因此，无论采取何种措施，质点终将到达奇点并毁灭2.观测现象和真实现象取无穷远作为观测点，观察掉入史瓦西黑洞的质点在质点到达视界之前，我们是可以正常观测到

24、的，但质点发出的光线有越来越显著的引力红移由于前面我们说过，视界和光波波前一样，都是零曲面因此接近视界的质点和接近光速的质点一样，都表现出相对论性质，其中一点就是动钟变慢于是我们观察到，质点接近视界时，质点的时间流逝会越来越慢，它也越来越趋向于凝固在视界上换句话说：任意物质都不可能被黑洞吸入了？最终都只是到达视界而已？这仅仅是观测现象，前提是我们去了无穷远作为观测点换一个观测点，就以质点作为观测点（例如你就是一个掉入黑洞的宇航员，以你作为参照系）你会发现，在掉入黑洞的过程中，你的手表还是正常走的，时间还是均匀流逝的，穿过视界的一瞬间，你体会不到任何异常（这里忽略了潮汐引力），直至你到达奇点并毁

25、灭因此，质点只要进入视界，还是会到达奇点，而并不是凝固在视界表面凝固只是因为参照系的选取不同而造成的观测现象3.RN黑洞，数学家的模型如果给一个史瓦西黑洞带上电荷，它就变成了RN黑洞RN黑洞有很多奇怪的性质双视界除了外面的一个视界外，RN黑洞的视界内还包含了一个视界，叫做内视界奇点被内视界所包围，内视界又被外视界所包围由于我们前面知道，质点在穿过视界时它的光锥会反转，因此当质点穿过外视界进入RN黑洞时，它的光锥平躺，保证了质点不可避免的超内视界运动而到达内视界后，光锥再次反转，反转后光锥和时间箭头又一致了。如果是宇航员开着飞船进入，穿越内视界后，他可以驾驶飞船避开奇点裸奇点当电荷逐渐增加，内视

26、界会增大，当达到一定值，内视界会和外视界重合，导致奇点裸露奇点的不可抵达性通过一系列冗长的公式推导，可以发现，如果一个有限质量的物体试图接近奇点该飞船的加速度必须趋向于无穷大（被撕裂压碎）该飞船需要花的时间必须取向无穷大（相当于永远到达不了）该飞船的静止质量必须下降为0（飞船化为光子）最后，RN黑洞最重要的性质：一切都是胡扯的特性就像自然界所有的物质都是电中性一样，你不可能抓起一把质子（完全的正电），你也不可能抓起一把电子（完全的负电）摩擦后的玻璃棒带的静电，会在空气中迅速中和变为电中性因此，自然界的黑洞都是电中性的，即使带了微弱的电荷，也是可以忽略不计的，更何况它会在短时间内吸引符号相反电荷

27、的物质而中和掉因此，RN黑洞仅仅是数学家的游戏，自然界是找不到的4.克尔黑洞我们知道，地球，太阳，大致银河系，都有自传现象高密度恒星也有自传，而且凶悍很多例如1054年爆炸的一刻超新星，我国宋代就有明确的史书记载目前它的痕迹就是蟹状星云，通过大型射电望远镜，可以发现它的中间有一棵中子星其自传达到每秒30周！这其实很好理解，冬奥会上的花样滑冰当运动员转圈时，将手收拢在胸前，其转动速度会变快这就是角动量守恒引起的恒星也是如此，当一颗普通恒星演化为末期的致密星时，因为角动量守恒，因此它必将高速自传因此，由恒星塌缩形成的黑洞，多数是在自传中的，史瓦西黑洞反而只是理想化的模型就像我们学习几何一样，线段的

28、定义是一条没有宽度的有长度直线但我们知道，真实世界中不可能有东西是没有宽度的，但理想化模型可以帮助我们更好的分析问题克尔黑洞的结构克尔黑洞相对于史瓦西黑洞甚至RN黑洞来说，有着更为有趣的结构最外面，它拥有一个无限红移面，这个面是个椭球体内部有一个球形的视界在两极，无限红移面同视界相切再内部同RN黑洞一样，有一个内视界最中间，有一个奇环（注意不是奇点）能层能层是加在无限红移面和单向膜区（外视界）的一个区域接下去为了避免概念混淆我们会把外视界改称单向膜区我们知道，视界一开始的概念是定义为在视界内部，我们就无法观测了但通过史瓦西黑洞的分析，我们对于视界有了更深刻的理解，是时空互换的分界线（光锥方向变

29、化）而一开始的“无法观测”，只是视界的表观现象，其实是因为无限红移面和视界重叠引起的（史瓦西黑洞无自传因此重叠）。还记得前面的分析吗？质点靠近视界，其发出的光因为引力红移，因此波长变长，最终波长趋于无穷，光子能量趋于0，因此无法观测了。其实就是“无限红移”引起的。能层有着极为有趣的性质，下面会详细分析奇环根据冗长的数学公式推导，可以得到一个奇异性的解，它的物理意义代表了奇异区不再是中央的奇点，而是一个奇环，在奇环上，时空的连续性被破坏后面我们会分析，奇环附近时空的拓扑可以导致我们能够进入其他“平行宇宙”裸奇环和RN黑洞类似，当角动量达到一定值，内外视界将重合，最终导致视界消失，从而导致奇环裸露克尔黑洞的拖拽效应克尔黑洞不但自传，而且拖拽着其周围的时空一起旋转大家可以想象下一洗脸池子的水，拔掉底部的塞子，池水留下去的时候形成了一个漩涡克尔黑洞对空间的影响也是如此那么，拖拽效应会引起什么现象呢先举一个简单的例子，假设一条河流上有一艘船在航行因为发动机功率有限，船的最高速度只能到每小时30km，假设河水的流速是10km每小时，那么，如果船开向上游，相对于岸边只能以20km每小时运动，如果船开向下游，则相对于岸边可以以40km每小时运动，这里就有一个航速的“航行圈”概念。假设河水速度达到了30