《从零学相对论》连载

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1、第32卷第11期大学物理Vol_32N0．112013年11月COLLEGEPHYSICSNOV．2013《从零学相对论》连载⑩梁灿彬，曹周键(1．北京师范大学物理系，北京100875；2．中科院应用数学所，北京100190)些公式中找到例如以下问题的答案：远方观者看到§7．3奇点、视界和黑洞的表现是什么?坍缩星内部看到的是什么?坍缩星如前所述，恒星在演化过程中会大量丢失质量．表面看到的又是什么?然而，由于奇点过于离奇，尤大致地说，原来质量小于8M的大多数恒星的晚期其是许多物理量在趋近奇点时都趋于无限大，许多质量都小于1．4M，最终成为白矮星；原来质量在物理学家当时

2、都无法相信奇点的物理存在性．反对8M～20M范围内的大多数恒星最终成为中子星．声浪来自美国、西欧和前苏联的一批大物理学家但是，质量大于20M的恒星的晚期归宿又是什么(不过朗道从一开始就是支持的)，反对的理由不只呢?还有什么力量可以抗衡引力以使星体保持平衡一个方面，很重要的一点就是奥本海默等所有的恒吗?答案是：没有了!这意味着星体会在引力作用星模型过于理想化．单是球对称性一条就招致不少下不断地、剧烈地、灾难性地坍缩下去，最终只能缩反对意见：任何恒星都不可能具有理论上所假定的为一点!这是密度、温度以及时空曲率都无限高的那种完美无缺的球对称性．通俗地说，他们认为不应点，称

3、为奇点，有极度离奇的性质，称为奇性(奇点排除“差之毫厘，失之千里”的可能性，就是说，虽然和奇性在英语中都是singularity)．物理学家(包括爱恒星的初始状态与球对称性只有微小的偏离，但晚因斯坦在内)长时期来都无法接受奇点的存在．奥期坍缩的结果却可能明显不同，最终的奇点就有可本海默是第一个证明恒星坍缩会产生奇点(以及黑能避免．一种强有力的反对意见来自前苏联的卡拉洞)的人，他与学生斯奈德(Snyder)对高度理想化的特尼科夫和栗弗席兹，他们认为奇点正是由奥本海球对称恒星①的晚期径向坍缩做了定量计算(求解默的理想化条件导致的，真实恒星的形状、密度等等爱因斯坦方程)，

4、并于1939年发表文章公之于众．结总有微弱的随机变化，这种随机变化在坍缩过程中论是，对这种高度简化的恒星而言，①最终必定坍会被放大，并在奇点形成之前遏止坍缩(通俗地说缩为奇点；②以奇点为球心、以某个适当长度为半就是“差之毫厘，失之千里”)．他们在文章中还用爱径的球状区域内的引力场是如此之强，以至于任何因斯坦方程在奇点附近的幂级数解来支持上述粒子(包括光子)都会被引力死死地拉向奇点．这个观点．区域的表面(球面)就成为一个有进无出的“单向就在多数物理学家和天文学家不相信奇点存在膜”——任何粒子一旦从外部穿越球面进入球内，的时候，英国的彭罗斯(Penrose)和霍金(Ha

5、wking)就再也不能出来，连光子也不例外．于是，这个区域却在1965-1970年借助于微分拓扑学(differential很自然地被称为黑洞(blackhole)，而黑洞的表面topology)独辟蹊径地证明了一系列定理(后来称为(那个有进无出的单向膜)则被称为视界(horizon)，奇性定理)，大意是：无需依赖对称性假设，大质量代表“视觉的分界面”．“blackhole”一词是美国大物恒星晚期坍缩和宇宙原初的“大爆炸”奇性在一定理学家惠勒(Wheeler)于1967年首次提出的(以前条件下都是不可避免的．彭罗斯在大学和读博期间别人用过不同称谓)，他是个很善于为物

6、理对象起名的人②．“黑洞”是对这一“怪物”的最确切不过的①“高度理想化”是指恒星内部压强为零、密度是常数[专业术语称谓，因为它不仅仅黑，而且还是一个洞：任何东西是“均匀密度尘埃球(dustbal1)”]，等等．当时的物理学家和计一旦掉了进去就再也不能出来．算机都不可能对更接近真实的恒星模型进行计算．即使是这样奥本海默和斯奈德的上述论文不但写作精美，高度理想化的模型，计算仍然十分困难，不过都被他们巧妙地克服了．结论明确，而且在短短几页的篇幅中就把恒星晚期②惠勒过去曾是奥本海默黑洞的激烈反对者，从20世纪6O年代坍缩的所有细节都用公式表达了出来．你可以在这开始转变为热情

7、的支持者．大学物理第32卷主修数学，本科四年级(1952年)时因为受到广义相是出现有趣的“一边倒反向”现象：从1965年前的“对论学家沙马(sciama，后来是霍金的博士导师)的一边倒”(普遍不相信奇点存在)变为1970年后影响而立志将数学用于物理．虽然大多数物理学家的、倒向另一边的“一边倒”(普遍接受奇点)．于是都很重视数学，但是此前的物理学家完全想不到在对奇性的研究应运而生．然而这种“奇性研究热”只物理学中应用微分拓扑学．由于具有坚实的微分拓持续了大约l0年，这与“量子引力论”的研究进展扑功底，彭罗斯在思考恒星坍缩问题时突然产生了密切相关，见下面的三段．一种