黑洞与奇点

黑洞可以说是引力最极端的体现,其视界内是个连光也逃不出去的时空区域。近来黑洞在天 文观测方面取得令人惊讶的发展,这其中包括：黑洞碰撞的引力波探测以及M87 星系的超大质量 黑洞的所谓第一张黑洞照片。但是在理论的层面上,黑洞物理尚有许多未解之谜。其中,信息遗失 的悖论是最有名的。但是,有另一个问题至少和信息的丢失一样{甚至更加{令人费解的,就是黑洞 内部的奇点性质。时空奇点是广义相对论本身无法描述的,在那里究竟发生什么事？黑洞内部的奇 点和宇宙大爆炸时的奇点有何不同？奇点是否会裸露在黑洞外面？所谓“宇宙监督猜想”的假设目 前有何进展？我们在这篇半科普的文章中简单的介绍这些课题,希望本文章对物理和数学的本科生 有所帮助。     

黑洞与奇点（英文）

黑洞可以说是引力最极端的体现,其视界内是个连光也逃不出去的时空区域。近来黑洞在天文观测方面取得令人惊讶的发展,这其中包括:黑洞碰撞的引力波探测以及M87星系的超大质量黑洞的所谓第一张黑洞照片。但是在理论的层面上,黑洞物理尚有许多未解之谜。其中,信息遗失的悖论是最有名的。但是,有另一个问题至少和信息的丢失一样–甚至更加–令人费解的,就是黑洞内部的奇点性质。时空奇点是广义相对论本身无法描述的,在那里究竟发生什么事?黑洞内部的奇点和宇宙大爆炸时的奇点有何不同?奇点是否会裸露在黑洞外面?所谓"宇宙监督猜想"的假设目前有何进展?我们在这篇半科普的文章中简单的介绍这些课题,希望本文章对物理和数学的本科生有所帮助。     

时空奇点和黑洞——2020年诺贝尔物理学奖解读

2020年度诺贝尔物理学奖于北京时间2020年10月6日晚揭晓,其中一半奖金授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),表彰他"发现黑洞的形成是广义相对论的必然预言";另一半奖金授予莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez),因为他们"在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体"。文章着重对彭罗斯及其时空奇点研究进行介绍,包括黑洞、奇点定理、宇宙监督假设等内容。     

奇点与奇点定理简介（下）

讨论 我们对奇点定理的介绍就要结束了。有些读者可能会提出这样一个问题：那就是我们证明霍金-彭罗斯（Hawking-Penrose）奇点定理所用的是排除法,即通过证明测地完备性与奇点定理的四个前提不相容,来排除测地完备性,从而确立奇点的存在。但是,当一组命题不相容时,究竟哪个（或哪几个）命题应该被排除,在逻辑上是有很大随意性的。因此从逻辑上讲,由上面介绍的不相容性,原则上可以通过排除不同的命题,而得到不同的定理。为什么我们偏偏要选择时空的测地完备性作为被排除的命题,从而得到霍金-彭罗斯奇点定理呢？     

宇宙大爆炸的奇点(摘登)

现代物理学认为宇宙起源于150~200亿年前奇点的大爆炸,有的物理学家认为奇点范围在10_(-33)厘米,比质子,中子,甚至比夸克小得多,一切科学定理在     

三角奇点与XYZ类粲偶素结构

对强子谱的研究有助于加深量子色动力学中色禁闭现象的理解。强子谱中存在诸多疑难问题,特别是2003年以来各高能物理实验上发现了很多难以理解的新的强子共振结构,其中大量是在重夸克偶素质量区间发现的,它们被统称为$XYZ$结构。强子共振态对应于$S$矩阵的极点。除此之外,$S$矩阵还具有其它类型的奇点,比如由于三个中间态粒子同时在 壳导致的三角奇点。本文中,我们将讨论三角奇点在$XYZ$物理中的实现,注重于构造可以用来分析 其对$e^+e^-\to\psi\pi^+\pi^-$反应的$\psi\pi$不变质量谱中的带电$Z_c$结构的影响的振幅。     

《广义相对论入门讲座》连载——爱因斯坦场方程

1 场方程爱因斯坦认为,时空的弯曲由物质决定.有关方程的一端应该是时空曲率,另一端应该是能量和动量.时空曲率=能量动量(1)广义相对性原理要求物理规律在任何坐标系中都一样,广义相对论自身也不例外.     

用圈量子引力解除Schwarichild-de Sitter黑洞的时空奇点

通过引入圈量子引力中holonomy基本变量的类比变量和采用相应的量子化方法,对Schwarichild-de Sitter黑洞中心附近的引力场进行量子化.分析和计算了黑洞中心附近的1r和曲率标量的谱分布,得到了它们均存在有限上界的结果.通过求解经典时空奇点r=0附近的量子哈密顿约束方程,给出了黑洞波函数在黑洞中心附近的时间演化行为,得到了该波函数可以通过经典奇点进行量子演化的结果.     

精确的动态黑洞解

正黑洞的存在是广义相对论最重要的预言之一。1915年11月,爱因斯坦公布了他的广义相对论的基本方程。仅仅在两个月以后,史瓦西(K.Schwarzschild)便首先得出了广义相对论的第一个精确解。它是质量呈球对称分布的客体的外部解。当处于引力场中心的源是一个黑洞时,我们便称这个解为史瓦西黑洞。史瓦西黑洞是自然界中可能存在的最简     

Kerr-Newman裸奇点Bose子束缚态

本文采用线性微分算子的目共轭扩展谱分析法,讨论了Kerr-Newman型裸奇点与Bose子束缚态问题.结果表明:在能隙(—μ,μ)中,Bose子的哈密顿算子只能出现离散谱,由此推知,当μ=0时,不存在Bose子束缚态,当μ≠0时,Kerr-Newman裸奇点周围有Bose子束缚态形成.     

Kerr-Newman裸奇点与Bose子束缚态

本文采用线性微分算子的自共轭扩展谱分析法, 讨论了Kerr-Newman型裸奇点与Bose子束缚态问题. 结果表明: 在能隙(—μ,μ)中, Bose子的哈密顿算子只能出现离散谱, 由此推知, 当μ=0时, 不存在Bose子束缚态, 当μ≠0时, Kerr-Newman裸奇点周围有Bose子束缚态形成.     

引力波探测展望

早在1916年，爱因斯坦在发表广义相对论时就预言引力辐射的存在．但在初期，大多数人都怀疑引力波（Gravitational　Waves）仅仅是爱因斯坦提出的引力场方程的一个近似解…而没有实质的物理效应．直到1950年代末期，从理论上证明引力波是携带能量的并可以被探测到，引力波的存在才在理论上得到了充分的确认．广义相对论预言引力波的主要特性有：在真空中以光速传播；     

关于柔软无弹性轻绳中加速度奇点问题的讨论

不少大学物理教材将“柔软无弹性轻绳”作为一种经典模型并围绕其理想性提出了一系列的题目,而不同的求解方法可能得到不同的答案,这本质上是因为这种模型中隐含着加速度奇点,而各解法对加速度奇点的处理不同。为了系统性地解决不同解法之间的分歧,本文首先选取了有关加速度奇点的三个经典物理问题,然后综述了这些题目的若干解法,接着分析其正确性,最后归纳出了有关加速度奇点的物理问题的一般规律,并提出了多种应对方法,以更准确地处理有关加速度奇点的物理问题。     

低信噪比下激波信号奇点检测方法

针对低信噪比下的激波信号检测问题,利用激波信号奇点在小波变换中的路径传递特征及信号奇点小波系数与噪声小波系数明显幅度差异,提出了一种基于信号奇点的连续小波变换检测算法。仿真实验结果表明,在恒定虚警概率下,该方法检测性能相较于能量检测器能提升约3 dB;实际数据实验结果说明,该方法在-3 dB信噪比下检测性能明显优于能量检测器和传统小波多尺度积检测器。      

圆环摆的对称性的讨论

一个问题可以用不同的方法解决是我们在学习物理过程中经常会碰到的事情,比如,有的问题既可以用牛顿运动定律解又可用能量守恒去解,既可选用直角坐标又可选用极坐标,选用这些不同的方法往往只是在数学计算上繁简的不同.而在解题中有一点常常被初学者所忽视的,就是尽可能地利用对称的性质.     

SU(5)无色双子场中的费米子

在SU(5)大统一模型中找到了一组P-S型的、无色的、能量有限的双子解的解析形式, 这是目前见到的唯一真正物理的双子解. 在SU(5)的理论框架中, 具体导出了费米子在这双子场中运动的Dirac方程, 指出了求解此方程的具体数学方法, 并讨论此方法的物理意义.     

黑洞内部是什么?——正则量子引力的新视角

我们在最新的一份研究工作中找到了带有分层不均匀特征动态塌缩星内部时空度规的一般形式,结合爱因斯坦场方程,该度规告诉我们构成黑洞的物质很可能在视界内经历着反复的收缩—收缩过头—反向膨胀到极大—再收缩—再过头的呼吸运动。我们同时在广义相对论和正则量子引力的水平上,提供了这种过零点"呼吸"运动可能恰好具有exp(A/l_(pl)~2)种可能本征态的数值证据,此处A为视界面积,从而为史瓦西奇点的消解、黑洞熵的微观解释以及信息丢失疑难的解决提供了一条新思路。本文是对这一技术性研究工作所揭示物理图像的中文版介绍,并添加了跟弦理论、圈量子引力图像的对比以及关于其可证伪性的讨论。     

亚历山大·弗里德曼和现代宇宙学的起源

1925年英年早逝的弗里德曼堪称大爆炸宇宙学之父．然而,他杰出的贡献常常被误解和低估． 90年前,俄罗斯物理学家弗里德曼（1888—1925）首次阐述了爱因斯坦的广义相对论存在非静态的解．他发现这些解可以描述宇宙的膨胀、收缩、坍缩,甚至可能从奇点中诞生．     

双星放射引力辐射的阻尼力

本文计算了双星的辐射阻尼。按照广义相对论,在广义坐标变换下,星体的运动方程中出现的力是与坐标的选择有关的。不同坐标条件将原则上导致不同的阻尼力。现在人们已经成功地观察到双星辐射阻尼效应。这表明应该找出一个物理的坐标系。在这个坐标系中算出的阻尼力等于观察到的值。我们提出下面物理条件代替通常的坐标条件。这个条件就是不存在时间方向和纵向极化的引力波。这个条件在所要求的近似下决定了我们认为是物理的坐标系。在这个坐标系中得出双星公转周期p的变化为P=-6.5×10^-12(m₁m₂)/M_⊙²((m₁+m₂)/m_⊙)^-1/3。 关键词：     

双孔干涉产生偏振奇点分析

在近轴近似的条件下,采用标量衍射积分的方法,对电磁场的双孔干涉进行了研究,并对千涉场中产生偏振奇点的情况进行了推广。在研究中通过双孔的光电场为线偏振状态,具有不同的偏振方向。数值计算结果表明,即使通过双孔的光电场的相位相同,只要双孔的尺寸存在一定的差异,干涉场中除了能够产生普通的的线偏振外,圆偏振奇点也会出现。