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黑洞简史:(六)霍金辐射 不指定

positron , 2012/09/02 15:09 , 黑洞 , 评论(0) , 阅读(2987) , Via 本站原创

对黑洞的早期认识是黑洞是只进不出的吝啬鬼,这从宇宙学角度来看,黑洞就是永恒的,黑洞形成以后,只会变大,不会变小,更不会消失。这预告了宇宙的一个可能终局:最后只剩下黑洞。但是1974年前后,霍金的发现改变了这一看法。

在霍金的工作之前,对黑洞的研究没有考虑量子效应。在考虑量子效应之后,利用弯曲时空的量子场论,霍金发现,黑洞会通过现被称为霍金辐射的方式丢失质量,从而变小乃至消失。

    

经过大量科学家多年的研究,终于得到下述思想:黑洞决不是一种永久的隐藏物质而毫无生气的物体。由于它具有质量、电荷,更重要的是它的角动量,黑洞是一个动力学系统,它能够受力和施力,能够吸收和提供能量,也就是随着时间变化的。

因为和热力学定律有意思的联系,黑洞动力学也称为黑洞热力学。热力学中的一个状态一般可以用两个参量来表征:温度和熵(熵是表示系统混乱程度的一个量,通俗的说,一间教室,里面有很多人,如果所有人都整体地坐在位子上,比较整齐,对应熵比较小的状态,如果是随意地坐着或站着,没有规律性,比较乱,对应熵比较 大的状态),其他宏观量都作为温度和熵的函数而变化。同样黑洞的动力学状态也由两个参量表征,一个是黑洞的表面积,即对事件视界的量度;另一个是表面引力,即对事件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。黑洞热力学也总结了四条定律,和热力学四定律对应,称其为黑洞动力学或黑洞热力学四定律。

20世纪60年 代末,至少已经有相当一部分物理学家相信黑洞的存在,对黑洞的研究也深入了很多,研究者从几何和物理学角度澄清了黑洞的许多性质。不过,当时对黑洞的研究基本上是基于广义相对论的讨论,基本上不涉及物理学的其他方向,如热力学、量子场论等。另外,当时对黑洞的认识中,很重要也很突出的一个是:黑洞是一种只 进不出的天体,任何东西都可以掉进去,但任何东西,包括光,都不可能跑出来。但是,很快,霍金等人的研究使学术界大大扩展了对黑洞的认识,并且,一些认识具有颠覆性特点。

就在费曼发表那段丧气话后不久,由于天文学的巨大发现,以及理论的突破,使暗星问题正式被学术界重视起来。

首先,早在费曼发表丧气话之前的1958年,美国物理学家David FinkelsteinCharles W. Misner发现引力结(Gravitational kink),并由此发现,史瓦西解中,在史瓦西半径处的奇性面是一个事件视界,即这个奇性面是一个单向膜,所有物体在这里只能朝一个方向运动:掉向黑洞中心。Finkelstein的结果虽然很奇怪,但并没有与早先的研究冲突,而且是对早先研究的巨大推进。

以此为开端,广义相对论以及黑洞理论在接下来的不到20年间,迎来了研究的黄金时代,这20年间,相关理论获得了极大进展,这一领域从费曼话中的“没有活力的领域”变成理论物理界的一个主流研究方向。这一研究高潮,可以说是研究顶点的、也是最为著名的恐怕是霍金辐射,这在后文还将详细说明。

历史总是充满巧合,200多年前,因为历史巨人牛顿的观点,而且还是不能说正确的观点,由其他人,而非牛顿本人,得出了可能存在“暗星”的观点。200多年后,又一次出现历史巨人爱因斯坦,同样由其他人根据爱因斯坦的理论,得出类似的观点。

暗星问题沉寂了200多年后,1915年,爱因斯坦提出了广义相对论(General RelativityGR),并给出了引力场方程,这是一个比牛顿的引力理论更加精确的引力理论,并且表明,引力场会对光的运动产生影响,“暗星”的存在再次有了理论基础。

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