【正文】 關(guān)于黑洞的論文關(guān)于黑洞的論文 2序言 2黑洞以及相關(guān)知識(shí)介紹 4黑洞及其發(fā)展的介紹 4黑洞的產(chǎn)生 10黑洞結(jié)構(gòu)介紹 12黑洞的探索方法 14宇宙中的洞 16白洞 16蟲洞 16幾個(gè)重要理論的介紹 19相對(duì)論 19量子理論 21超弦 23超引力和克萊茵——卡魯扎理論 23看法、想法和方法 24對(duì)彭羅斯宇宙監(jiān)督定理的看法 24拓?fù)淇从钪姹O(jiān)督定理 25對(duì)宇宙監(jiān)督定理證明的解釋以及拓展 27視界的疑問 31結(jié)尾 33作者：張磊第 35 頁 共35頁序言關(guān)于黑洞的論文 本文中的許多重要的歷史資料和關(guān)于黑洞的知識(shí)，都來自與湖南科學(xué)技術(shù)出版社的《黑洞和時(shí)空彎曲》、《黑洞》，和中國對(duì)外翻譯出版公司的《超弦》。進(jìn)才中學(xué) 高二（7）班： 張磊關(guān)鍵詞：黑洞，時(shí)空視界，宇宙監(jiān)督定理提要：序言黑洞，是一個(gè)從愛因斯坦建立廣義相對(duì)論以后最重要的物理理論結(jié)果，也是現(xiàn)在唯一一個(gè)可以統(tǒng)一相對(duì)論和量子理論，同時(shí)又可以使人類在對(duì)物理極至理論的探索道路上繼續(xù)邁進(jìn)的一種星體。黑洞是神秘的，但也不是神秘的。我的目的就是將黑洞展現(xiàn)在大家面前，讓大家了解什么是黑洞，什么是物理，什么是物理學(xué)家，什么是物理學(xué)家的教育。既然是關(guān)于黑洞的論文，那么了解什么是黑洞，知道黑洞的結(jié)構(gòu)以及一些相關(guān)性質(zhì)是必要的了。黑洞的發(fā)展黑洞以及相關(guān)知識(shí)介紹黑洞及其發(fā)展的介紹對(duì)黑洞的研究的開端，可以分為兩個(gè)，一個(gè)是在牛頓引力時(shí)代，一個(gè)在相對(duì)論引力時(shí)代。在牛頓引力時(shí)代，黑洞的概念是在18世紀(jì)英國約克郡桑希爾教區(qū)長米歇爾研究了圍繞星體轉(zhuǎn)動(dòng)的物體的向心力和引力公式中得到的。但是在那個(gè)時(shí)代，沒有任何人相信會(huì)有什么恒星的質(zhì)量會(huì)如此的大而體積如此的小。這種星體的密度是水的1016倍！而這個(gè)是幾乎無法想象的（在當(dāng)時(shí)如此）。因而黑洞的構(gòu)想在被提出后不久就被埋沒在科學(xué)文獻(xiàn)的歷史之二中。 在愛因斯坦提出廣義相對(duì)論后，史瓦西首先得到了描述時(shí)空的方程，也就是著名的史瓦西方程。這個(gè)方程描述了一種被稱為標(biāo)準(zhǔn)的恒星模型周圍的空間。史瓦西方程主要描述恒星外的時(shí)空和恒星內(nèi)的時(shí)空。史瓦西將他的發(fā)現(xiàn)寄給了愛因斯坦，愛因斯坦對(duì)這個(gè)方程高度贊揚(yáng)，但是史瓦西本人卻無法聽到和得到關(guān)于他的方程的任何贊揚(yáng)和應(yīng)用，因?yàn)樗诓痪靡院缶驮趹?zhàn)場上染病去世了。惠勒根據(jù)這個(gè)方程首先提出了黑洞存在的可能性，同時(shí)也拉開了對(duì)致密星體尤其是黑洞研究的序幕。 愛因斯坦雖然得到了廣義相對(duì)論的精華——愛因斯坦場方程，但是他本人還是對(duì)黑洞抱著懷疑態(tài)度。愛因斯坦和愛丁頓這兩個(gè)當(dāng)時(shí)科學(xué)界的巨人對(duì)黑洞十分抵制，雖然他們?cè)谕七M(jìn)相對(duì)論引力理論發(fā)展中有著十分重要的作用。奧本海默，和惠勒一起是與愛因斯坦、愛丁頓齊名的幾個(gè)重要理論物理學(xué)家之一，對(duì)黑洞的看法和惠勒一樣，認(rèn)為是存在的。于是奧本海默和惠勒分別在兩個(gè)地方開始帶領(lǐng)自己的“子弟兵”向致密星以及愛因斯坦、愛丁頓對(duì)黑洞不可能存在的理論發(fā)動(dòng)了挑戰(zhàn)。補(bǔ)充說明：愛因斯坦和愛丁頓對(duì)黑洞不存在的想法是：如果物體的引力迫使物體的體積減小，那么組成恒星的原子必定要被壓縮，那么原子的核外電子就要被壓迫到比較內(nèi)部的軌道（這個(gè)時(shí)候量子理論還沒有發(fā)展出來，因而一些結(jié)論還不知道），那么電子的速度就會(huì)被迫增大。由于速度極限是光速，于是電子軌道的半徑就一定有一個(gè)極限小的值，那么就不可能出現(xiàn)引力戰(zhàn)勝一切的黑洞。在惠勒和奧本海默率領(lǐng)著自己的小組研究時(shí)，錢德拉塞卡率先找到突破口，建立了第一個(gè)有史瓦西方程和物態(tài)方程結(jié)合得到的白矮星的方程。隨后，瑞士的茨維基和德國的巴德首先提出了中子星的構(gòu)思模型，朗道建立了描述中子星的理論模型，而奧本海默和他的博士后塞伯一同驗(yàn)證、改進(jìn)了朗道的中子星模型，奧本海默和他的另一個(gè)博士后沃爾科夫在托爾曼的幫助下一同建立了中子星的標(biāo)準(zhǔn)方程，惠勒和他的學(xué)生哈里森和日本人若野一同研究了中子星和白矮星的質(zhì)量限定之間的恒星的命運(yùn)。在哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)家貝克霍夫?qū)κ吠呶鹘膺M(jìn)行拓展后，奧本海默和他的最特殊的學(xué)生斯尼德得到了黑洞！而后惠勒也證明了奧本海默的理論和計(jì)算是正確的。他們終于得到了一個(gè)真正意義上的黑洞！一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的史瓦西黑洞！從而有力地反駁了愛因斯坦、愛丁頓在黑洞問題上的保守思想。雖然這個(gè)黑洞是標(biāo)準(zhǔn)理想化的真實(shí)恒星的實(shí)驗(yàn)室模型，但是它說明了黑洞是可能存在的。奧本海默和斯尼德的勝利，鼓舞了許多物理學(xué)家向黑洞這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)軍，開始了黑洞研究的第一個(gè)黃金時(shí)期，雖然期間還是被第二次世界大戰(zhàn)打斷，奧本海默也差點(diǎn)被抓。在隨后的時(shí)間中，許多更加精細(xì)的黑洞模型從愛因斯坦場方程這個(gè)大模子中被制作了出來。克爾是繼史瓦西后第二批解開愛因斯坦方程的人中的一個(gè)，當(dāng)然，他的研究和計(jì)算是建立在史瓦西的基礎(chǔ)上的?？藸柡褪吠呶鞯膮^(qū)別在于，史瓦西研究的是在絕對(duì)真空中完全球?qū)ΨQ的、在塌縮過程中沒有絲毫物質(zhì)異動(dòng)、不帶電荷、沒有絲毫旋轉(zhuǎn)的、標(biāo)準(zhǔn)理想化恒星的塌縮過程，以及它內(nèi)外時(shí)空的場方程解，而克爾在史瓦西的基礎(chǔ)上，讓這個(gè)模型旋轉(zhuǎn)，從而得到的解。別小看這個(gè)旋轉(zhuǎn)，在黑洞強(qiáng)大的引力下，不僅僅要考慮旋轉(zhuǎn)引起的離心現(xiàn)象，還要考慮黑洞對(duì)外部時(shí)空的拖曳、對(duì)內(nèi)部時(shí)空的擾動(dòng)，以及相應(yīng)的黑洞結(jié)構(gòu)的改變和從而產(chǎn)生的影響?？傊?，克爾成功了。但他不是唯一的成功者。在他之前，雷斯勒和諾斯特朗姆分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了帶電的史瓦西黑洞解。但是由于種種原因，他們的工作沒有得到像克爾黑洞這樣的重視，直到紐曼將愛因斯坦場方程的克爾解和雷斯勒——諾斯特朗姆解融合在了一起，得到了一個(gè)描述范圍在量子理論正式大規(guī)模介入黑洞研究領(lǐng)域以前最完整的描述黑洞的愛因斯坦場方程解，也是最符合自然的解——紐曼黑洞。在接下來介紹量子理論和數(shù)學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)黑洞的重要貢獻(xiàn)以前，我們先來認(rèn)識(shí)一下前面提到的黑洞的結(jié)構(gòu)是什么。史瓦西黑洞，是一切黑洞的發(fā)祥地。它有一個(gè)視界和一個(gè)奇點(diǎn)。 視界，是物體能否回到外部宇宙的分界面（視界的準(zhǔn)確定義有兩種，會(huì)在下文介紹量子理論對(duì)黑洞的作用時(shí)介紹），在視界外面，物體可以離開或者接近黑洞而保持安全。而在視界上，只有光速運(yùn)動(dòng)的物體可以保持不進(jìn)入毀滅熔爐黑洞，但是連光也無法從這個(gè)面中逃脫了。如果不幸進(jìn)入了視界內(nèi)部，那么你就再也無法出來或者和任何人聯(lián)絡(luò)了。你所面對(duì)的將只有一個(gè)：死亡。當(dāng)然，量子理論允許你選擇如何死去。此外，視界也是時(shí)間和空間屬性顛倒的地方：在視界內(nèi)，空間是類時(shí)的，時(shí)間是類空的。奇點(diǎn)，是黑洞奇異性的來源，也就是黑洞中允許相對(duì)論和量子理論同時(shí)大規(guī)模作用于同一個(gè)物體的源泉。任何接觸到奇點(diǎn)的物質(zhì)（包括場）必然被奇點(diǎn)摧毀，被分解為純粹的基本粒子和時(shí)空單體，即使是形成這個(gè)黑洞，這個(gè)視界，這個(gè)奇點(diǎn)的恒星，也將被它摧毀而不再對(duì)黑洞產(chǎn)生任何影響（這個(gè)問題在下文簡要介紹相對(duì)論和量子理論的時(shí)候會(huì)詳細(xì)說明）。好了，現(xiàn)在來看克爾黑洞?？藸柡诙吹慕Y(jié)構(gòu)比史瓦西黑洞復(fù)雜了許多。在克爾黑洞的最外層，由于黑洞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)周圍時(shí)空的拖曳效應(yīng)（倫斯——梯林效應(yīng)），因?yàn)榇嬖谥粋€(gè)判斷物體是否可以靜止于時(shí)空中的靜止界面。靜止界面外的物體，可以通過推進(jìn)器等裝置在被拖曳的時(shí)空旋渦中相對(duì)于極遠(yuǎn)處的觀測者靜止不動(dòng)，而在靜止界面內(nèi)，可以斷定，物體一定會(huì)被黑洞的強(qiáng)大引力拖動(dòng)，開始旋轉(zhuǎn)。在這個(gè)界面內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣存在著視界，但是它和史瓦西視界不一樣，比它更加復(fù)雜，因?yàn)樵谶@里，視界分為兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界。外視界是物體能否與外界通訊的分界面（這里使用的是霍金對(duì)視界定義的升華：絕對(duì)視界的定義。關(guān)于絕對(duì)視界和顯視界，我們會(huì)有一個(gè)探討），而內(nèi)視界是奇點(diǎn)的奇異性質(zhì)能否影響外界的分界面。也就是說，進(jìn)入外視界的物體，必定會(huì)被吸入奇點(diǎn)，然后本摧毀，但是還可以在達(dá)到內(nèi)視界以前享受一段相對(duì)“安寧”的日子，而一旦進(jìn)入了內(nèi)視界，那么任何物體都會(huì)在內(nèi)視界中奇點(diǎn)奇異性質(zhì)的面前屈服，在達(dá)到奇點(diǎn)以前便被摧殘待盡。在外視界和靜止界面之間，有一個(gè)相對(duì)十分廣闊的區(qū)域，叫“能層”。在能層中蘊(yùn)藏著黑洞旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)能。從理論上，可以在靜止界面外建立一個(gè)空間站，然后利用拋物投射來提取黑洞的旋轉(zhuǎn)能，得到幾乎無窮盡的能源（因?yàn)榇笮秃诙吹膲勖鼛缀蹩梢钥隙ū荣|(zhì)子的壽命長）。此外，在能層中，由于黑洞旋轉(zhuǎn)帶來的拖曳會(huì)將時(shí)空撕裂，產(chǎn)生蟲洞。在早期引用量子效應(yīng)來處理黑洞的時(shí)候，第一個(gè)選擇的就是旋轉(zhuǎn)黑洞，而且得到了第一個(gè)量子黑洞定理：旋轉(zhuǎn)黑洞輻射。后來在霍金的推動(dòng)下成了霍金輻射。在內(nèi)視界內(nèi)部，和史瓦西黑洞一樣有一個(gè)奇異性質(zhì)匯聚的地方，但是不像史瓦西黑洞那樣是一個(gè)奇點(diǎn)，而是一個(gè)獨(dú)特的奇異環(huán)，一個(gè)充滿了量子效應(yīng)奇異性質(zhì)的面，安靜地平躺在黑洞赤道面上，帶來的卻是徹底的破壞和隨機(jī)。第三個(gè)典型黑洞，就是雷斯勒——諾斯特朗姆黑洞（以下簡稱為RN黑洞）。RN黑洞沒有自旋，但是帶有電荷。它和史瓦西黑洞、克爾黑洞在許多方面相似。比如對(duì)于帶有相反電荷的物體來說，它有一個(gè)在視界外的靜止界面，它的視界有兩個(gè)：內(nèi)視界和外視界。不過和克爾黑洞不同的是，RN黑洞內(nèi)視界和外視界在一般情況下完全獨(dú)立，而克爾黑洞的內(nèi)視界和外視界在黑洞的兩極相切；RN黑洞的兩個(gè)視界是絕對(duì)球形的，而克爾黑洞的視界是橢球形的。在靜止界面和外視界之間也有能層，但是蘊(yùn)藏的不是黑洞的旋轉(zhuǎn)能，而是電能。RN黑洞的中央有一個(gè)史瓦西黑洞的奇點(diǎn)，不是克爾黑洞的奇異環(huán)。不過RN黑洞并不十分著名，至少不像史瓦西黑洞那樣普遍，沒有克爾黑洞那樣出名，因?yàn)樵谧匀唤缰?，一個(gè)帶有電荷的黑洞會(huì)在十分短的時(shí)間內(nèi)從外界空間中吸收一定數(shù)量的相反電荷，是自己的電荷被嚴(yán)格控制在極限電量的1044范圍以下，因而RN黑洞比史瓦西黑洞還要“學(xué)術(shù)氣”，所以沒有得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展。所謂的極限電量，和極限角速度一起，分別是RN黑洞和克爾黑洞允許帶有的電量和角速度的極限值。為什么會(huì)有極限值呢？是因?yàn)閮?nèi)視界和外視界與它們之間的聯(lián)系產(chǎn)生的。在克爾黑洞中，外視界會(huì)由于角速度的增大而縮小，而內(nèi)視界會(huì)隨著角速度的增大而增大（想一下牛頓引力定律和角速度的綜合應(yīng)用產(chǎn)生的在軌道上運(yùn)動(dòng)的物體的受力變化就可以明白了，不過這樣得到的是近似的推導(dǎo)）。當(dāng)內(nèi)、外視界重合的時(shí)候，兩層視界會(huì)同時(shí)消失，將一個(gè)裸露的奇點(diǎn)展現(xiàn)在宇宙時(shí)空中。而這個(gè)使黑洞的兩個(gè)視界重合在一起的極限角動(dòng)量和電量，就是極限速度和極限電量。而紐曼黑洞，是克爾黑洞和RN黑洞的結(jié)合體，性質(zhì)可以模擬、綜合考慮克爾黑洞和RN黑洞的性質(zhì)得到，這里就不說了。在這個(gè)相對(duì)論統(tǒng)治一切引力問題的時(shí)代，許多有價(jià)值的定理被人們發(fā)掘了出來。比如確定是否可以形成黑洞的索恩環(huán)猜想，用來確定遠(yuǎn)處觀測者和恒星觀測者對(duì)于恒星塌縮的觀察差異的聯(lián)系的芬克爾斯坦坐標(biāo)系（參照系），黑洞無毛定理，引力透鏡原理，黑洞吸積盤的描述，吸積盤激流噴射，有一個(gè)黑洞的雙星X射線輻射，黑洞（或者黑洞和一個(gè)中子星）雙星引力波輻射的理論發(fā)現(xiàn)，黑洞視界電磁場定律——膜規(guī)范定理，黑洞視界的準(zhǔn)確定義（也是等價(jià)拓展，從原來的顯視界成為了現(xiàn)在的絕對(duì)視界），奇點(diǎn)定理，宇宙監(jiān)督定理（我們會(huì)在下面第三部分中詳細(xì)看待這個(gè)至盡還是一個(gè)大猜想，但是十分可能是一個(gè)正確的定理的問題）等。這些不單單是第一個(gè)黑洞黃金時(shí)代的成果，有的也是第二個(gè)黑洞黃金時(shí)代的結(jié)論。在第二個(gè)黃金時(shí)代，霍金的地位慢慢確立了起來。在第一個(gè)黃金時(shí)代中，彭羅斯的來到給物理界帶來了拓?fù)鋵W(xué)，一個(gè)原本被認(rèn)為和引力問題完全無關(guān)的數(shù)學(xué)工具，并且利用這個(gè)工具最終解釋了黑洞無毛，一個(gè)一直困擾著物理學(xué)者的猜想；還利用它解釋了奇點(diǎn)是否會(huì)存在這個(gè)問題，得到了奇點(diǎn)定理，同時(shí)推動(dòng)了BKL黑洞的誕生；他還和霍金等人用這個(gè)拓?fù)鋵W(xué)的方法結(jié)合幾何學(xué)證明了宇宙必定誕生于一個(gè)初始奇點(diǎn)。拓?fù)鋵W(xué)開始在相對(duì)論引力研究者中普及了起來，成為重要的數(shù)學(xué)工具之一。彭羅斯的數(shù)學(xué)不單單是拓?fù)?，他是一個(gè)數(shù)學(xué)家，一個(gè)真正的物理數(shù)學(xué)家。他不但將拓?fù)湟搅宋锢碇校€帶來了彭羅斯時(shí)空?qǐng)D，一種現(xiàn)在幾乎所有引力研究者必定使用的數(shù)學(xué)工具；彭羅斯——克魯斯卡圖，研究蟲洞的首選，還有一些其他的數(shù)學(xué)工具?；艚鹪诘诙€(gè)黃金時(shí)代中對(duì)視界定義，是我們需要知道的對(duì)黑洞的描述十分重要的一個(gè)重要思想，因?yàn)樗€引出了另一個(gè)更加重要的結(jié)論：黑洞（熱力學(xué)）三定律，而這個(gè)定律最終帶領(lǐng)我們找到了黑洞蒸發(fā)，即霍金輻射。黑洞的視界，可以分為兩個(gè)，一個(gè)是惠勒最早提出的視界——顯視界，而另一個(gè)是霍金的矯健思想的結(jié)晶——絕對(duì)視界。顯視界的定義，是光子被拉回到原來位置的地方（這個(gè)牽扯到了相對(duì)論引力理論對(duì)時(shí)空在黑洞作用下的描述，在介紹相對(duì)論的時(shí)候會(huì)介紹到）。絕對(duì)視界的定義，是物體是否可以和外界時(shí)空聯(lián)系的分界面。從定義上看，一些哲學(xué)思想比較好的人也許就可以看出不同了：顯視界是順序的，而絕對(duì)視界是“目的論”的。進(jìn)一步分析可以知道：絕對(duì)視界的“果”——視界的位置，比視界的“因”——物體是否落入黑洞，先表現(xiàn)了出來。這個(gè)就是絕對(duì)視界和顯視界的根本區(qū)別，也是它優(yōu)越的地方。顯視界，在物體落入黑洞，即穿過了它以后，會(huì)突然地、毫無征兆地從原來的位置躍遷到一個(gè)新的位置，然后安定下來。在這個(gè)時(shí)候，它的變化是不容易理解的，而且在處理“動(dòng)態(tài)”的黑洞（即在脈動(dòng)、剛形成時(shí)候的黑洞）碰撞的時(shí)候，會(huì)對(duì)引力波的輻射、黑洞的位置等問題帶來許多麻煩和不方便。而且物理定律似乎也不允許這種突變的發(fā)生。但是對(duì)于絕對(duì)視界，就沒有這個(gè)問題了。它的位置取決于物體的運(yùn)動(dòng)是否會(huì)導(dǎo)致物體落入黑洞，而不是物體是否已經(jīng)落入了黑洞。如果一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)落入黑洞，那么在它落入以前，絕對(duì)視界就會(huì)膨脹，來“迎接”這個(gè)物體。而這種變化是連續(xù)的，而且對(duì)于那些關(guān)于黑洞視界的問題中，它的力量是巨大的，雖然結(jié)果在原因以前出現(xiàn)在了這個(gè)宇宙中。在這個(gè)戰(zhàn)場上，黑洞擊敗了彭羅斯、澤爾多維奇、伊斯雷爾等杰出人物。其中彭羅斯帶來的數(shù)學(xué)工具曾經(jīng)使得物理學(xué)上一片光輝，最終成功證明了黑洞無毛定理，發(fā)現(xiàn)了宇宙監(jiān)督定理等重要定理（可惜他沒有最終證明這個(gè)他所提出的猜想是否真的可能成為定理，但是霍金人從許多角度對(duì)它進(jìn)行估算，證明這個(gè)猜想十分可能是一個(gè)定理），是一個(gè)頂尖的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家，伊斯雷爾也是一個(gè)數(shù)學(xué)家兼物理學(xué)家。澤爾多維奇也是一個(gè)理論物理大家，一個(gè)思想十分活躍的人，蘇聯(lián)物理學(xué)的代表。但是霍金不是所有戰(zhàn)場的勝利者。他在黑洞熱力學(xué)這個(gè)方面，被惠勒的研究生貝肯斯坦擊敗了。不過霍金畢竟不是一個(gè)平凡的人，他后來在這個(gè)戰(zhàn)場上建立了黑洞三定律，將黑洞和熱力學(xué)完全結(jié)合了起來。在黑洞建立絕