第一章 奇妙的黑洞.doc

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1、第一章奇妙的黑洞什么是黑洞早在1795年,著名的数学家拉普拉斯曾指出,可能存在一种星球,由于它具有的引力是如此之大,以至于光都不能从它的表面跑出来。拉普拉斯写道:有一个发光体,它的密度与地球密度一样,其直径比太阳的直径大250倍,可是由于被吸引的缘故,无法使其光线达到地球。因此,在宇宙中,最大的星体可能由于这个原因而成为看不见的星体。传说,牛顿由苹果落地发现了万有引力。当我们站在地面,向上抛出一个物体时,无论你使多大劲,物体上升到一定高度后,终归还是要落到地面上来,这是由于物体受到地球对它的吸引力的

2、缘故。但是,如果我们赋与物体的速度足够大,例如用多级火箭来加速,可以把人造卫星送到地球上空绕地球旋转,人造卫星可以在很长时间以至数年内不落回地面。进而,我们还可以把仪器和宇航员送到月球,甚至送到火星和其它太阳系的星球上去。美国的宇宙飞船“旅行者号”就在太阳系中飞行了17年之久,最近到达海王星附近,它们可以永远不再回到地面上来。根据物理学的计算,物体逃出星体的引力范围必须具有的最低速度为,即(1.1)被称为第二宇宙速度。其中,,是万有引力常数,M是星球的质量,R是星球的半径。公式（1.1）的推导十分容

3、易:当物体离开星球引力范围时,可以认为它的总能量正好为零,它从星球出发的速度为,相当于具有动能。物体的动能用来克服星球引力,当它脱离星球的引力范围时,正好将全部动能耗尽。按照能量守恒定律,物体在星球表面出发时的总能量应等于物体脱离星球引力范围时的总能量,即(1.2)上式中,是物体在星球表面具有的势能,m是物体的质量。由（1.2）式可得到（1.1）式。如此看来,只要具有足够大的速度v,且(1.3)物体就可以逃出这个星球。然而,实际上并非所有的情况下,只要v足够大物体就能达到离开星球的目的。因为物理学中

4、还有另一条规律,那就是宇宙中任何物体上的速度都有一个上限,这个上限为光在真空中的速度所以,当一个星球的质量M很大,半径R很小时,则可能有下面情况出现,即(1.4)（1.4）式表明,物体逃出星球的速度起码要大于光速c,这显然是不可能的。于是,包括光在内,任何物体都不可能逃出这样一个质量大、半径小的星球。拉普拉斯所指的看不见的星球讲的就是这个意思,我们把这种星球称为牛顿黑洞。拉普拉斯的结论是从牛顿引力理论推出来的，根据广义相对论也会得到类似的结果。现代黑洞是如此定义的∶黑洞是时空中这样的一个区域∶任何物

5、质一旦进入该区域,便永远不能出来。最简单的黑洞是一个不旋转的，不带电荷的球对称的星球,叫做史瓦西黑洞（Schwarzchildblackhold）。还有能旋转的，轴对称的克尔—纽曼黑洞（Kerr-Newmanblackhold）。以克尔黑洞为例,介绍黑洞的各个部分。静界S外视界HKerr黑洞静界和视界图1-1克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是一个旋转椭圆面，外视界是一个球面,包含在静界和外视界之间的空间称为能层。物体进入能层尚还可以从中再返回到黑洞外部的空间,一旦物体进入了外视界,便永远不能再逃

6、出来了。值得指出的是，静界和外视界都无法观察，即看不见，它们只是一个几何尺度。由于外视界具有单向可通性,即物质只可进入，不可逃出，故称外视界为单向膜。史瓦西黑洞的静界与外视界重合，同在一个球面。静界还有一个名称，叫无限红移面。如果有一束光从静界出发来到无穷远的观察者处，则其波长将变为无穷大。黑洞有些什么性质JMQ图1-2黑洞有三根“毛”EE+△E图1-3从能层中获取能量由于没有任何东西能从黑洞中逃出来,所以,有人说,黑洞最主要的性质就是从黑洞那里得不到任何信息,包括光讯号,这个性质被称为黑洞的无毛定

7、理（Nohair）。如果真是如此,我们就没有办法用实验的手段去探测和证实黑洞的存在了。其实,无毛定理只是说从黑洞直接得到的信息很少,并非绝对没有。例如,黑洞有质量M,它对其它星球能产生引力;黑洞有自转角动量J,它也能产生引力效应。其次,黑洞带有电荷Q,还可以产生电场力。因此,又有人把黑洞说成是长着三根毛的秃头,这三根毛是M,J,Q,见图1-2。不过读者千万不要理解成黑洞头上真长着辫子式的三根毛,这只是形象地表示能在黑洞视界之外观察和测量到黑洞确实具有的三个量。旋转的黑洞有一个能层,里面贮存着黑洞的转

8、动能量。英国学者潘罗斯设想了一个大胆的试验,即让一个装置先进入黑洞的能层,再从能层中出来,于是这个装置就可以从能层中携带出能量。好象用一个瓢伸进能层中把能量舀出来一样。如果潘氏的的设想得以实现,这也许是世界上解决能源危机的绝妙方法之一。物体吸热温度上升图1-4黑洞的另一个重要性质是具有负的热容量或比热！物体吸收热量后，温度要升高,而放出热量后,温度降低。比如在炉子上烧水,冷水吸收燃料放出的热量,温度上升,变成热水。物体的热容量定义为使该物体温度升高摄氏10所需供给它的