浅谈黑洞的热辐射论文_精品.doc

浅谈黑洞热辐射 摘要：黑洞是当今最神秘的的天体之一，是当今最前沿的问题之一，对于黑洞的研究涉及了量子力学、广义相对论、热力学与统计物理和天体物理等多学科交叉课题，深入研究黑洞，对进一步认识宇宙的结构，对量子力学的发展有着重要的意义。本文主要介绍了黑洞的发展、性质，主要介绍了黑洞的热辐射，目的是其了解黑洞并非人们想象那样，吞噬一切，黑洞依然可以向外界发生热辐射。 关键词：黑洞；非热辐射；霍金辐射；卡尔-纽曼黑洞；史瓦西黑洞 1引言 黑洞是当今最神秘的的天体之一，是当今最前沿的问题之一，对于黑洞的研究涉及了量子力学、广义相对论、热力学与统计物理和天体物理等多学科交叉课题，深入研究黑洞，对进一步认识宇宙的结构，对量子力学的发展有着重要的意义。1974年，英国物理学家霍金证明了黑洞存在热辐射，从而确认了黑洞具有热性质，此后，又有人证明了对于转动和带电黑洞，不仅具有热辐射，还存在自发辐射，从此关于黑洞的辐射成了人们研究的热点问题之一。 1.1 暗星 黑洞，当今最神秘的的天体之一，人们对其的了解少之又少，无论是从科学研究，还是对科幻电影中，黑洞的提出多如牛毛，这也说明人们对黑洞的神秘，及想了解的渴望。跟黑洞涉及最紧密莫过于虫洞、时空隧道与时间机器诸如类，对于黑洞认识仅限于密度无穷大，吸入一切物质甚至是光，然而人们视乎忽略了黑洞的一另一个性质——黑洞的热辐射。 早在200多年前，1790年前后，米歇尔（R.J.Michell）和拉普拉斯（P.S.Laplace）从牛顿力学和光的微粒说出发，预言了“暗星”的存在，他们认为，当一颗恒星的万有引力强大到可以把自身发射的光子拉回来的时候，这颗星就将成为外部观察者看不到的暗星。 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）于1915年发表的广义相对论中，提出万有引力是时空弯曲的表现，并且预言了黑洞的存在。1916年卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild)得到了广义相对论场方程的一个重要的严格解——静态球对称真空解[1]。 随后的几十年，引力和相对论的研究一直处于低潮期，几乎没有什么的重大的发现，直到20世纪60年代和70年代，引力与广义相对论研究的有了重大改观。1963年克尔(R.P.Kerr)得到了广义相对论场的另一个重要姐——稳态轴对称真空解[1]。该解很好地描述了转动星体外部时空弯曲的情况。与此同时，中子星和类星体的发现也是更多物理学家和天文学家意识到了“暗星”存在的可能性。在对暗星的兴趣与日俱增的情况下，1967年，由惠勒(J.A.Wheeler)建议把暗星称作黑洞[2]。 1.2霍金辐射 20世界70年的，由霍金（S.W.Hawking）在1970年提出面积定理，指出黑洞的表面积随着时间的发展只会增加不会减少。1972年惠勒的学生贝肯斯坦（J.D.Bekenstein）大胆推测黑洞表面积可能是“熵” 。这种假设遭到了霍金等人的极力反对，霍金认为这一观点曲解了面积定理。 1973年霍金等人发表论文否定黑洞的热性质。次年，霍金态度来个180°转弯，不仅承认了黑洞的表面积是熵，黑洞有温度，而去用弯曲时空量子场论证明了黑洞有热辐射，此即著名的霍金辐射。 2黑洞基本性质 黑洞广义相对论所预言的一种特殊天体。由于强引力作用，使周围空间弯曲导致引力坍缩而形成黑洞。在黑洞的引力区域内，任何粒子包括光子都不能逃逸出来，因此它是黑色的不可能直接观测到。 根据广义相对论理论，强引力场会是光发生弯曲并引起光谱红移现象。 观测者观测到的光谱频率与光源发出频率v的关系： （1.2.1） 对应的能量关系： （1.2.2） 当强大的引力导致很行收缩到一临界半径时 （1.2.3） = 0，意味着包括光在内的任何辐射将完全无法逃逸。 2.1黑洞的分类 2.1.1史瓦西黑洞 1915年，爱因斯坦发表了广义相对论，次年，史瓦西便得到爱因斯坦方程的一个严格解——静态球对称真空解，称为史瓦西解，其线元为 （2.1.1） 它描述的是一个真空静止的、球对称的星体，其外部时空弯曲的情况.上述度规只对真空部分成立，称史瓦西外部解，有质量的星体部分，其度规成为史瓦西内部解[3]。 史瓦西求出的爱因斯坦引力场方程的解是假定引力源是球对称分布的,有质量M,它静止不旋转,也不带电荷,其引力半径r,，即前面所给出的几,与这样的引力源相应的黑洞称为史瓦西黑洞。 2.1.2莱斯纳黑洞 莱斯纳和诺斯特隆求出了另一个解，他们假设是质量呈对称分布的强引力场，引力源静止，有质量M，也有电荷Q，其引力半径为： 。 相应的黑洞成为莱斯纳黑洞[2]。 2.1.3克尔黑洞 瓦西黑洞是黑洞研究中最简