黑洞与它的研究者

地球上真有一个叫“黑洞”的地方,在印度的加尔各答。那是一栋建筑内的一间石砌的囚室,英国殖民者用来关押犯人,通常可以关押3-4人。1757年围绕这栋建筑发生了一场可怕的战斗。武装的印度民众与英军血战。战斗结束后,死伤惨重的胜利者愤怒地把146名战败者塞进这间囚室,关押了10个小时。第二天早晨,只有23名俘虏从“黑洞”中活着出来。     

《相对论、宇宙与时空》连载⑧——相对论预言的天体(黑洞)(下)

5 黑洞热力学 人们认为激发态的黑洞具有生命力,而基态的黑洞则是一颗死亡的星,是恒星演化的最后归宿.基态的史瓦西黑洞除去能不断吞食物质外,不会再有任何物理过程.然而,这个认识很快就被推翻了,基态的黑洞,实际上也是一颗充满生命力的活跃的星.我们先看一下黑洞的"无毛定理"和"面积定理"[3-14].     

情系弯曲时空——刘辽教授的相对论研究生涯

刘辽先生是我国著名的引力与相对论天体物理学家,是改革开放后在我国普及和研究广义相对论的主要学者之一.他在我国首先开始黑洞物理与弯曲时空量子场论的教学和研究.上世纪70年代,他曾给出过当时普适性最好的强子质量的半经验公式,该公式把费曼发现的一个公式作为特例包含于其中[1,2].他证明了最一般的稳态黑洞热辐射狄拉克粒子[3];所有稳态时空中的未来视界均会产生热辐射[4];黑洞表面附近热辐射的状态方程与平直时空不同.他和他的学生在研究黑洞反作用的基础上,建立了黑洞的膜模型[5,6].     

《从零学相对论》连载(27)

正第9讲虫洞和时间机器美国康奈尔大学的天体物理学家萨根(Sagen)在1985年出版的著名小说《接触》(Contact)中描写了一个通过虫洞作快速星际旅行的故事.小说初稿写的是穿越黑洞的旅行,出版前,作者曾将书稿寄给美国加州理工学院的相对论专家索恩(Thorne),请他协助把小说中涉及引力物理的部分尽可能加以准确化.索恩对黑洞非常熟悉,深知穿越黑洞的旅行几     

《时间旅行》的课堂引入与相对论解析

科教片《与霍金一起了解宇宙》之《时间旅行》从物理理论出发,通过假想实验和真实证据讨论了人类实现"时间旅行"的途径,非常适合相对论教学的课堂引入.本文根据相对论对其内容进行了深入分析和数据推证,并以片中环绕黑洞飞行和GPS为例探讨了强、弱引力场改变时间流速的计算方法,证明了弱场条件下可以直接利用狭义相对论时间膨胀和广义相对论引力钟慢效应的定量公式,其综合效果近似等于这两者结果的简单相加.     

黑洞温度的奇异特性—量子温度

从经典理论看来，黑洞温度只能是绝对零度．只有考虑了黑洞的量子效应之后，黑洞才具有以视界引力加速度所标志的确定温度值．本文讨论了黑洞温度的这一奇异特性．     

相对论天体物理

 广义相对论在弱场条件下,例如在地面实验室和太阳系中得到很好的验证,但还缺乏强引力场条件下的检验。广义相对论在强场下的检验,以及引力波的探测必须在包含中子星和黑洞这样致密天体的系统中进行,这是相对论天体物理最重要的研究课题。     

认识黑洞的首个直接“视觉”证据

2019年4月10日,由黑洞事件视界望远镜(Event Horizon Telescope,EHT)合作组织协调召开新闻发布会,全球多地同时发布了黑洞的首个直接"视觉"证据。作为人类捕获的首张黑洞照片,它展示了5500万光年外的椭圆星系M87中心超大质量黑洞的图像,看到了黑洞"阴影"和周围环绕的新月状光环。EHT的此次观测结果从强引力场的角度验证了爱因斯坦广义相对论,有助于研究黑洞的吸积以及喷流的产生。文章着重介绍为什么给黑洞"拍照",选择哪些黑洞模特"拍照",如何给黑洞"拍照",获得的数据经过怎样的后期处理和分析才能生成大家看到的"照片";此外还将介绍在此次合作项目里的中国贡献,最后对黑洞高分辨率成像领域进行展望。     

《广义相对论入门讲座》连载——狭义相对论

广义相对论诞生至今已快100年了,然而了解此领域的人依然十分稀少.一般人认为广义相对论与实验联系较少,缺乏科研上的动力,而且在物理理解和数学运算上都十分困难,需要付出巨大努力才能进入这一用处不大的领域.然而,近年来随着中子星、黑洞、引力波和宇宙学领域的发展,广义相对论找到了广阔的应用空间,越来越多的人感到了对广义相对论知识的需求.其实,广义相对论也不像一般人想象的那样难学.数学上的困难源于一般人不熟悉黎曼几何与张量分析.作者从长期的教学中体会到,实际上可以采用"急用先学,立竿见影"的方式,用较短的时间把初学者引入广义相对论和黎曼几何的大门,使他们不仅了解广义相对论的物理思想,学会初步的运算,而且能看懂相对论天体物理学的文献,并尝试参与广义相对论及相关领域的初步研究.有志于钻研广义相对论的人,还可以在此基础上,"干中学",在出科研成果的同时,不断加深对广义相对论的理解,逐步成长为这一领域的教师和科研专家.本讲座就是这方面的一次尝试,望对广义相对论有兴趣并有志于学习它的人,参与这一进入科研前沿的尝试.本讲座共分8讲,目录如下:狭义相对论;广义相对论的物理基础;黎曼几何中的张量;度规张量;时间与空间;测地线、联络、曲率与挠率;爱因斯坦场方程;广义相对论的实验验证.本刊将以连载的形式分8期刊登.     

量子史瓦茨黑洞和暗物质

引入Sommerfeld作用量量子化条件来处理Schwarzschild黑洞的量子化问题. 发现此类量子化黑洞存在一个质量为m_G=123m_p的基态，处于基态的量子Schwarzschild黑洞不再存在Hawking蒸发和任何其他辐射，可名之曰暗星. 它的存在不仅可以解决信息丢失的疑难，而且极可能是构成暗物质的主要候选者. 关键词： 量子史瓦茨黑洞 暗物质     

解读霍金有关黑洞的说法

<正>斯蒂芬·霍金,这个在轮椅上过了大半辈子,却对理论物理中的黑洞研究作出非凡贡献的当代科学传奇人物,再次以他与黑洞有关的最新见解而震惊世界。据媒体报道,说他在日前发表的一篇论文中否定了自己过去的说法,认为黑洞其实是不存在的。黑洞与霍金齐名,在物理学的专业词汇中,恐怕很难找出别的术语,能比"黑洞"一词更深入公众之心。40年之前,史蒂芬·霍金将量子论引入了黑洞的经典理论,提出霍金辐射(Hawking Radiation)的观     

声学黑洞简介

介绍了一种引力黑洞的类比模型———声黑洞.从几何声学和物理声学两方面对其类比原理进行了分析,介绍了声黑洞的定义及其结构参数.回顾了在声黑洞的研究历程中所取得的重要进展,分析指出声黑洞的研究目前存在的理论和实验上的困难,并对未来的研究进行了展望.     

关于相对论的体系结构——纪念相对论诞生110周年

首次引入"本底运动"和"相对运动"的概念,在此基础上,阐述了光速不变原理的实质.从哲学的高度和物理学的角度系统阐述了相对论的体系结构和核心思想.     

动态Dilaton-Maxwell黑洞的广义Stefan-Boltzmann定律

利用动态Dilaton-Maxwell黑洞视界面附近的熵密度,导出黑洞的瞬时辐射流量,得到了任一时刻黑洞沿某一方向的瞬时辐射流量总是正比于在该方向上黑洞事件视界温度的四次方的结论. 导出的广义Stefan-Boltzmann系数不再是一个恒量,而是一个与黑洞视界面附近的时空度规、黑洞视界的变化率及黑洞的吸收与辐射系数有关的动比例系数.揭示了黑洞周围的引力场与其热辐射之间存在着必然的内在联系. 关键词： 熵密度 薄膜模型 瞬时辐射流量 广义Stefan-Boltzmann系数     

引力彩虹时空中Kerr黑洞的熵谱和面积谱

利用黑洞的绝热不变性,研究了引力彩虹时空中Kerr黑洞的熵谱和面积谱.首先,在引力彩虹时空背景下,计算了Kerr黑洞的绝热不变作用量,并将其与玻尔-索末菲量子化条件相结合,给出了黑洞的熵谱.得到的熵谱没有引力彩虹时空本身具有的粒子能量依赖性,且是与经典Kerr黑洞中原始贝肯斯坦熵谱相同的等间距熵谱.然后,根据黑洞热力学第一定律和黑洞熵谱,给出了与原始贝肯斯坦谱不同的面积谱.该面积谱是非等间距的,而且有对黑洞面积的依赖性,但不依赖于探测粒子的能量.面积谱表明,随着黑洞面积的减少,面积间隔逐步变小;当黑洞达到普朗克尺度时,面积量子可降为零.这表示黑洞面积不再减少,黑洞出现辐射剩余.而在忽略色散关系的修正效应或在大黑洞极限下,面积谱的修正项可以忽略,引力彩虹Kerr黑洞面积谱可以回归到原始贝肯斯坦谱.此外,对引力彩虹时空Kerr黑洞的熵进行了讨论,得到了带有面积倒数修正项的黑洞熵,分析了黑洞熵的量子修正与面积谱量子修正的一致性.     

加速运动动态黑洞的瞬时辐出度

利用加速黑洞视界面附近的熵密度，导出黑洞的瞬时辐出度，得到了任一时刻黑洞沿某一方向的瞬时辐出度总是正比于在该方向上黑洞事件视界温度的四次方的结论. 导出的广义Stefan-Boltzmann系数不再是一个恒量，而是一个与黑洞视界的变化率、黑洞视界面附近的时空度规及黑洞的吸收与辐射系数有关的动比例系数. 揭示了黑洞周围的引力场与其热辐射之间存在着必然的内在联系. 关键词： 薄膜模型 瞬时辐出度 广义Stefan-Boltzmann系数     

静态球对称黑洞热力学与爱因斯坦场方程

建立在广义相对论基础上的黑洞理论与热力学定律之间有着深刻的内在联系.具体考虑球对称黑洞,研究表明通过史瓦西黑洞和Reissner-Nordstrom黑洞在其视界附近的爱因斯坦场方程可以直接得到对应的黑洞热力学第一定律.这揭示了爱因斯坦引力场方程与黑洞热力学的关系,表明了在广义相对论理论框架下黑洞热力学规律的必然性.     

人类首张黑洞照片

<正>这段时间一张照片引起了人们高度的关注,被世界各国媒体争相报道,这便是黑洞的照片。多年以来,人们只知道宇宙间有黑洞,却不知黑洞长什么样?没有影像资料,过去人们对黑洞的认识也只能靠科学家大概的描述。但是北京时间2019年4月10日21时,由多个国家科研人员组成的"事件视界望远镜"     

《从零学相对论》连载(23)

正§8.6相对论在GPS(全球定位系统)中的应用相对论在许多人的心目中有如下特点:①新奇有趣;②难度颇高;③毫不实用.下面谈谈特点③.狭义相对论在日常生活中毫不实用的关键原因是日常接触到的速率都太低.一旦涉足高能物理学领域,由于高能粒子通常都有很高的速率,狭义相对论就大有用武之地,而且变得不可或缺.然而,与物理学的其他分支相比,狭义相对论在国民经济和日常生活中的应用似乎还是非常罕见.至于广义相对论,虽然它在近代天体物理学(特别是黑洞和宇宙论)中必不可少,但过去一直认为它与国计民生以及日常生活毫无关联.有趣的是,有一件与日常生活息息相关     

类比Ba?ados-Teitelboim-Zanelli黑洞的辐射屏蔽

虽然类比引力理论表明可以使用实验室的物理系统类比黑洞的时空结构,但是旋转黑洞的结构很难在实验室体系中找到较好的对应.本文使用特设的涡旋光,在理论上找到了一种接近Ba?ados-Teitelboim-Zanelli(BTZ)黑洞的类比结构,通过计算无质量粒子和声波在类比BTZ黑洞和引力的BTZ黑洞时空中的运动来比较它们的异同.两种黑洞时空无质量粒子和声波的有效势能给出了相同的能量和角动量的辐射禁区分布,不同的是, BTZ黑洞经典禁区沿径向将趋近固定的能量值,而类比BTZ黑洞的经典禁区沿径向将闭合.幸运的是,在视界和能层附近,无质量粒子和声波的运动行为几乎一致,从这个角度来说,类比实验体系能够很好地模拟BTZ黑洞.特别地,在两种黑洞时空下,低能量高角动量的粒子的经典禁区都更宽.