精华区文章阅读

发信人: Gforce ()第三个代表◎Paper fixing,ICIP2006@GIT(), 信区: Astronomy
标  题: [合集] 相对论简介(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Dec 30 23:42:08 2005), 站内

────────────────────────────────────────
  Gforce ()第三个代表|防震抗旱两手抓→请节约喝水() 于  (Tue Nov 29 22:09:27 2005)  说道:

1 相对论简介
　　　原著幽灵蝶
　　 2 狭义相对论的四维时空观
　　　狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，�
做讨论。
　　四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的
褪鞘奔涫堑谒奈辏肟占渥晔怯辛档模簿褪撬凳笨帐峭骋坏模豢煞指畹恼澹鞘且恢帧贝讼顺ぁ钡墓叵怠�
　　四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然
Ｔ谒奈笨绽铮亢湍芰渴迪至送骋唬莆芰慷克氖浮Ａ硗庠谒奈笨绽锘苟ㄒ辶怂奈俣龋奈铀俣龋奈Γ绱懦》匠套榈乃奈问降取Ｖ档靡惶岬氖牵绱懦》匠套榈乃奈问礁油昝溃耆骋涣说绾痛牛绯『痛懦∮靡桓鐾骋坏牡绱懦≌帕坷疵枋觥Ｋ奈笨盏奈
律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
　　相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
　　
　　3 狭义相对论基本原理
　　　物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。
　　伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，我们不知道我们整个宇宙的整
刺蛭钪媸欠獗盏摹０蛩固菇湟茫魑烈逑喽月鄣牡谝桓龌驹恚合烈逑喽孕栽怼Ｆ淠谌菔牵汗咝韵抵渫耆燃郏豢汕帧�
　　著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。
　　由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是(20-1
5))m/s左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那么地面观测者的结论不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是
Ｒ虼耍诱飧鲆庖迳纤担馑偈遣豢沙降模蛭蘼墼谀歉霾慰枷担馑俣际遣槐涞摹Ｋ俣缺浠灰丫涣Ｗ游锢硌У奈奘笛橹っ鳎俏蘅商籼薜摹Ｕ蛭獾恼庖欢捞匦灾剩虼吮谎∥奈笨盏奈ㄒ槐瓿摺�
　　 4 狭义相对论效应
　　　根据狭义相对性原理，惯性系是完全等价的，因此，在同一个惯性系中，存在统一的时间，称为同时性，而相对论证明，在不同的惯性系中，却没有统一的同时性，也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时，在另一个惯性系内就可能不同时，这就是同时的相对性，在惯性�
同一物理过程的时间进程是完全相同的，如果用同一物理过程来度量时间，就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道，非惯性系中，时空是不均匀的，也就是说，在同一非惯性系中，没有统一的时间，因此不能建立统一的同时性。
　　相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系，发现运动的惯性系时间进度慢，这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为，运动的钟比静止的钟走得慢，而且，运动速度越快，钟走的越慢，接近光速时，钟就几乎停止了。
　　尺子的长度就是在一惯性系中“同时“得到的两个端点的坐标值的差。由于“同时“的相对性，不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明，在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短，这就是所谓的尺缩效应，当速度接近光速时，尺子缩成一个点。
　　
　　　5 狭义相对论效应2
　　　由以上陈述可知，钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说，时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观，相对论认为，绝对时间是不存在的，然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中，哥哥乘飞船回来后是15岁，弟弟可�
是45岁了，说明时间是相对的，但哥哥的确是活了15年，弟弟也的确认为自己活了45年，这是与参考系无关的，时间又是“绝对的“。这说明，不论物体运动状态如何，它本身所经历的时间是一个客观量，是绝对的，这称为固有时。也就是说，无论你以什么形式运动，你都认为你喝咖
俣群苷＃愕纳罟媛啥济挥斜淮蚵遥鹑丝赡芸吹侥愫瓤Х扔昧�100年，而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。
　　
　　
　　
　　
　　

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:05:00

　　6 时钟佯谬或双生子佯谬
　　　相对论诞生后，曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不
比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系，B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系，真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式。�
是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节，有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是，无论在那个参考系中，B都比A年轻。
　　为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时B比A年轻。在火箭参考系内
蛟谠人俟讨惺嵌樱奔浣瘫然鸺诼罟丶牡胤绞腔鸺敉返墓獭Ｔ诘敉饭讨校厍蛴苫鸺蠓胶茉兜牡胤骄痰氖奔浠敫鲈仓埽酱锘鸺那胺胶茉兜牡胤健Ｕ馐且桓觥俺馑佟肮獭Ｖ皇钦庵殖馑儆胂喽月鄄⒉幻埽庵帧俺馑佟安⒉荒艽萑魏涡
不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中，地球的时间�
地加快了。在B看来，A现实比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。重逢时，自己仍比A年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾
　　 7 狭义相对论小结
　　　相对论要求物理定律要在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变。经典电磁理论可以不加修改而纳入相对论框架，而牛顿力学只在伽利略变换中形势不变，在洛伦兹变换下原本简洁的形式变得极为复杂。因此经典力学与要进行修改，修改后的力学体系在洛伦兹变换下形势不变，称�
论力学。
　　狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定
拍睢Ｎ颐强梢运倒咝韵凳枪咝远稍谄渲谐闪⒌牟慰枷怠９咝远墒抵室桓霾皇芡饬Φ奈锾灞３志仓够蛟人僦毕咴硕淖刺Ｈ欢安皇芡饬Α笆鞘裁匆馑�?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用
颐亲苣苷业椒浅＝频墓咝韵担钪嬷腥床淮嬖谡嬲墓咝韵担隼砺廴缤ㄖ谏程采弦话恪５诙鍪峭蛴幸σ鸬睦选Ｍ蛴幸Χ捎刖允笨战裘芟嗔匦胄拚湫薷奈迓鬃缺浠幌滦问撇槐涞娜魏纹笸级际О芰耍蛴幸ξ薹扇胂烈逑喽月鄣目蚣堋５笔蔽
只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。
　　爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系
降牡谝恢焕孤坊⒕褪枪咝粤ΑＴ谏钊胙芯苛斯咝粤螅岢隽酥牡刃栽恚⑾植慰枷滴侍庥锌赡芎鸵ξ侍庖徊⒔饩觥＜妇郏蛩固怪沼诮⒘送暾墓阋逑喽月邸９阋逑喽月廴盟形锢硌Ъ掖蟪砸痪υ侗认胂笾械母丛拥亩唷Ｖ两裎拱蛩固沟某》匠桃仓坏玫搅
不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本
伞Ｖ钡较衷谡刍姑挥型Ｖ梗皇窃嚼丛蕉嗟奈锢硌Ъ腋阆蛄孔永砺邸０蛩固刮饩稣庖晃侍夂姆蚜撕蟀肷旯庖跞匆晃匏瘛２还墓ぷ魑锢硌Ъ颐侵该髁朔较颍航闹肿饔昧Φ某骋焕砺邸Ｄ壳把踅绻系淖钣邢Ｍ暮蜓≌呤浅依砺塾氤だ砺邸�
　　 8 广义相对论概述
　　　相对论问世，人们看到的结论就是：四维弯曲时空，有限无边宇宙，引力波，引力透镜，大爆炸宇宙学说，以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等。这一切来的都太突然，让人们觉得相对论神秘莫测，因此在相对论问世头几年，一些人扬言“全世界只有十二个人懂相对论“。甚�
说“全世界只有两个半人懂相对论“。更有甚者将相对论与“通灵术“，“招魂术“之类相提并论。其实相对论并不神秘，它是最脚踏实地的理论，是经历了千百次实践检验的真理，更不是高不可攀的。
　　相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何，而是黎曼几何。相信很多人都知道非欧几何，它分为罗氏几何与黎氏几何两种。黎曼从更高的角度统一了三种几何，称为黎曼几何。在非欧几何里，有很多奇怪的结论。三角形内角和不是180度，圆周率也不是3。14等等。因此在刚
保妒艹胺恚蝗衔亲钗抻玫睦砺邸Ｖ钡皆谇蛎婕负沃蟹⑾至怂挠τ貌攀艿街厥印�
　　空间如果不存在物质，时空是平直的，用欧氏几何就足够了。比如在狭义相对论中应用的，就是四维伪欧几里得空间。加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i。当空间存在物质时，物质与时空相互作用，使时空发生了弯曲，这是就要用非欧几何。
　　相对论预言了引力波的存在，发现了引力场与引力波都是以光速传播的，否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出，遇到大质量天体，光线会重新汇聚，也就是说，我们可以观测到被天体挡住的恒星。一般情况下，看到的是个环，被称为爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程
接钪媸保⑾钟钪娌皇俏榷ǖ模磁蛘鸵词账酢５笔庇钪嫜衔钪媸俏尴薜模仓沟模阈且彩俏尴薜摹Ｓ谑撬幌薷某》匠蹋尤肓艘桓鲇钪嫦睿玫揭桓鑫榷ń猓岢鲇邢尬薇哂钪婺Ｐ汀２痪霉⑾种墓桑岢隽擞钪媾蛘脱怠０蛩固刮撕蠡诓灰眩
了宇宙项，称这是他一生最大的错误。在以后的研究中，物理学家们惊奇的发现，宇宙何止是在膨胀，简直是在爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内，宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型，而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发
游锢怼Ｕ庋锢硌е醒芯孔畲蠛妥钚〉牧礁瞿壳白罨钤镜姆种В毫Ｗ游锢硌Ш陀钪嫜Ь拐庋嗷ソ岷掀鹄础＞拖窀咧形锢硇蜓灾兴档哪茄缤煌饭烛ё×俗约旱奈舶汀Ｖ档靡惶岬氖牵淙话蛩固沟木蔡钪姹慌灼耍挠邢尬薇哂钪婺Ｐ腿词怯钪嫖蠢慈挚赡艿拿酥
而且是最有希望的。近年来宇宙项又被重新重视起来了。黑洞问题将在今后的文章中讨论。黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言，它们的内容却已经超出了相对论的限制，与量子力学，热力学结合的相当紧密。今后

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:06:00

　　9 广义相对论基本原理
　　　由于惯性系无法定义，爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系，提出了广义相对论的第一个原理：广义相对性原理。其内容是，所有参考系在描述自然定律时都是等效的。这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中，一切物理定律完全等价，没有任何描述上的区别。但�
参考系中，这是不可能的，只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律。这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求。通过狭义相对论，很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3。14。因此，普通参考系应该用黎曼几何来描述。第二个原理是光速不变原理：光速在任意参考系�
不变的。它等效于在四维时空中光的时空点是不动的。当时空是平直的，在三维空间中光以光速直线运动，当时空弯曲时，在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折，但不可加速光子。第三个原理是最著名的等效原理。质量有两种，惯性质量是用来度量物体惯性
模鸪跤膳６俚诙啥ㄒ濉Ｒχ柿慷攘课锾逡傻拇笮。鸪跤膳６俚耐蛴幸Χ啥ㄒ濉Ｋ鞘腔ゲ幌喔傻牧礁龆伞９咝灾柿坎坏扔诘绾桑踔聊壳拔姑挥腥魏喂叵怠Ｄ敲垂咝灾柿坑胍χ柿�(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系。然而通过当代最精密的试验也无法�
们之间的区别，惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等)。广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容。惯性质量联系着惯性力，引力质量与引力相联系。这样，非惯性系与引力之间也建立了联系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一
〉淖杂山德洳慰枷怠Ｓ捎诠咝灾柿坑胍χ柿肯嗟龋诖瞬慰枷的诩炔皇芄咝粤σ膊皇芤Γ梢允褂孟烈逑喽月鄣囊磺欣砺邸３跏继跫嗤保戎柿坎坏鹊绾傻闹实阍谕坏绯≈杏胁煌墓斓溃撬兄实阍谕灰Τ≈兄挥形ㄒ坏墓斓馈５刃г硎拱蛩固谷鲜兜剑Τ『
不是时空中的外来场，而是一种几何场，是时空本身的一种性质。由于物质的存在，原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空。在广义相对论建立之初，曾有第四条原理，惯性定律：不受力(除去引力，因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动。在黎曼时空中，就是沿着测地线运动。测
侵毕叩耐乒悖橇降慵渥疃�(或最长)的线，是唯一的。比如，球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧。但广义相对论的场方程建立后，这一定律可由场方程导出，于是惯性定律变成了惯性定理。值得一提的是，伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动，匀速直线运动总�
为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿力学批的体无完肤，然而相对论又将它复活了，行星做的的确是惯性运动，只是不是标准的匀速圆周而已。
　　 10 蚂蚁与蜜蜂的几何学
　　　设想有一种生活在二维面上的扁平蚂蚁，因为是二维生物，所以没有第三维感觉。如果蚂蚁生活在大平面上，就从实践中创立欧氏几何。如果它生活在一个球面上，就会创立一种三角和大于180度，圆周率小于3。14的球面几何学。但是，如果蚂蚁生活在一个很大的球面上，当�
科学“还不够发达，活动范围还不够大，它不足以发现球面的弯曲，它生活的小块球面近似于平面，因此它将先创立欧氏几何学。当它的“科学技术“发展起来时，它会发现三角和大于180度，圆周率小于3。14等“实验事实“。如果蚂蚁够聪明，它会得到结论，它们的宇宙是一个弯曲
占洌彼炎约旱摹坝钪妗安饬勘榱耸保岬贸鼋崧郏堑挠钪媸欠獗盏�(绕一圈还会回到原地)，有限的，而且由于“空间“(曲面)的弯曲程度(曲率)处处相同，它们会将宇宙与自己的宇宙中的圆类比起来，认为宇宙是“圆形的“。由于没有第三维感觉，所以它无法想象，它们�
是怎样弯曲成一个球的，更无法想象它们这个“无边无际“的宇宙是存在于一个三维平直空间中的有限面积的球面。它们很难回答“宇宙外面是什么“这类问题。因为，它们的宇宙是有限无边的封闭的二维空间，很难形成“外面“这一概念。
　　对于蚂蚁必须借助“发达的科技“才能发现的抽象的事实，一只蜜蜂却可以很容易凭直观形象的描述出来。因为蜜蜂是三维空间的生物，对于嵌在三维空间的二维曲面是“一目了然“的，也很容易形成球面的概念。蚂蚁凭借自己的“科学技术“得到了同样的结论，却很不形象，是
Щ摹�
　　由此可见，并不是只有高维空间的生物才能发现低维空间的情况，聪明的蚂蚁一样可以发现球面的弯曲，并最终建立起完善的球面几何学，其认识深度并不比蜜蜂差多少。
　　黎曼几何是一个庞大的几何公理体系，专门用于研究弯曲空间的各种性质。球面几何只是它极小的一个分支。它不仅可用于研究球面，椭圆面，双曲面等二维曲面，还可用于高维弯曲空间的研究。它是广义相对论最重要的数学工具。黎曼在建立黎曼几何时曾预言，真实的宇宙可能
模镏实拇嬖诰褪强占渫淝脑颉Ｕ馐导噬暇褪枪阋逑喽月鄣暮诵哪谌荨Ｖ皇堑笔崩杪挥邢癜蛩固鼓茄岣坏奈锢硌е叮虼宋薹ń⒐阋逑喽月邸�
　　 11 广义相对论的实验验证
　　　爱因斯坦在建立广义相对论时，就提出了三个实验，并很快就得到了验证：(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动。直到最近才增加了第四个验证：(4)雷达回波的时间延迟。
　　(1)引力红移：广义相对论证明，引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。也就是说离天体越近，时间越慢。这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，在光谱中向红光方向移动，称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体，可以测量它们发出的光的�
并与地球的相应原子发出的光作比较，发现红移量与相对论语言一致。60年代初，人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22。5M产生的红移，结果与相对论预言一致。
　　(2)光线偏折：如果按光的波动说，光在引力场中不应该有任何偏折，按半经典式的“量子论加牛顿引力论“的混合产物，用普朗克公式E=hr和质能公式E=MC^2求出光子的质量，再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0。87秒，按广义相对论计算的偏折角是1。75秒�
述角度的两倍。1919年，一战刚结束，英国科学家爱丁顿派出两支考察队，利用日食的机会观测，观测的结果约为1。7秒，刚好在相对论实验误差范围之内。引起误差的主要原因是太阳大气对光线的偏折。最近依靠射电望远镜可以观测类星体的电波在太阳引力场中的偏折，不必等待日
窒∮谢帷＞懿饬拷徊街な盗讼喽月鄣慕崧邸�
　　(3)水星近日点的进动：天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒，人们考虑了各种因素，根据牛顿理论只能解释其中的5557秒，只剩43秒无法解释。广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差，这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。
　　(4)雷达回波实验：从地球向行星发射雷达信号，接收行星反射的信号，测量信号往返的时间，来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代，美国物理学家克服重重困难做成了此实验，结果与相对论预言相符。
　　仅仅依靠这些实验不足以说明相对论的正确性，只能说明它是比牛顿引力理论更精确的理论，因为它既包含牛顿引力论，又可以解释牛顿理论无法解释的现象。但不能保证这就是最好的理论，也不能保证相对论在时空极度弯曲的区域(比如黑洞)是否成立。因此，广义相对论仍面临
�
　　
　　　

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:11:00

　　12 黑洞漫谈之常规黑洞简介
　　　沸腾的黑洞，你将把物理学引向何方?透过奇异的黑暗，辐射出新世纪的曙光。
　　19世纪末20世纪初，物理界出现了两朵乌云：黑体辐射与迈克尔逊实验。一年后，第一朵乌云降生了量子论，五年后，第二朵乌云降生了相对论。经过一个世纪的发展，又在这世纪之交，物理界又降生了两朵乌云：奇点困难和引力场量子化困难。这两个困难可能通过黑洞与大爆炸
慷饩觥�
　　基本粒子，天体演化，和生命起源是当代自然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与基本粒子，天体演化有密切关系。特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题，有助于我们深入认识自然界，因此，黑洞是本连载的重中之重。
　　牛顿理论也曾预言过黑洞，将光作为粒子，当光被引力拉回时，就成为一个黑洞。它与现代理论预言的黑洞不同，牛顿黑洞是一颗死星，是天体演化的最终归宿。而现代黑洞，却只是天体演化的一个中间阶段，黑洞也在变化，甚至有些变化异常激烈。黑洞可以发光，放热，甚至爆
诙床皇撬劳鲋牵踔脸渎：诙词窍喽月鄣牟铮闯隽讼喽月鄣姆段В肓孔勇酆腿攘ρе浯嬖谏羁痰牧怠Ｓ商焯逖莼纬傻暮诙闯莆９婧诙础�
　　1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞“无毛定理“：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量，角动量，电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素(“毛发“)都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。
　　由此定理可将黑洞分为四类。(1)不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。(2)不旋转带电黑洞，称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。(3)旋转不带电黑洞，称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。(4)一般黑洞�
尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。
　　其中最重要的是施瓦西黑洞和克尔黑洞。因为黑洞一般不带电荷，却大都高速旋转，旋转一周只需千分之几秒甚至更小。一般来说，黑洞平均密度是非常大的，但黑洞质量越大密度越小。太阳质量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米，宇宙质量的黑洞密度却只有10^(-23)克/立方米数�
现在宇宙密度已相差不大，因此有人猜测宇宙可能是个黑洞也不无道理。
　　黑洞引出了奇点困难，体积为零，密度无穷大的数学奇点应该不会在物理界出现，但是自然界中实在找不到其它的力可以抵抗强大的引力，因此，在奇点附近有可能存在至今未被发现的相互作用或物理定律阻止奇点的形成，这也是研究黑洞的意义之一。
　　 13 黑洞漫谈之静态中性黑洞
　　　利用牛顿理论可知，当逃逸速度达到光速时，光也无法从星球表面射出，这就是牛顿黑洞。光的波动说战胜微粒说后，牛顿黑洞被人们淡忘了，因为波是不受引力影响的。有趣的是，从广义相对论计算出的黑洞条件与牛顿理论计算出的完全相同，从现代眼光看，牛顿理论的推�
两个错误：(1)将光子动能MC^2写成了(1/2)MC^2，(2)把时空弯曲当成了万有引力。两个错误相互抵消却得到了正确的结论。因此静态中性黑洞的视界半径与牛顿黑洞的半径完全相同。视界就是(在经典范围内，相对论属于经典物理)任何物质都无法逃离的边界。
　　我们说的黑洞大小是指它的视界大小，黑洞内部其实基本空无一物，只有一个奇点。这个点的体积无穷小，密度无穷大，所有的物质都被压缩到这个点里。先前我们说过，奇点可能不存在，我们把它当很小的点就可以了。我们来看黑洞吞噬物质的场面：假设两艘飞船里分别有两个
B，A远离黑洞，B被黑洞吸引。在B看来，它不断的接近黑洞，不断的加速，以接近光速的速度穿过视界，又以极短的时间撞向中心奇点，被压的粉身碎骨，连原子核都被压碎。在A看来，他看不到B的真实过程，他看到B先加速后减速最后停在视界处，逐渐变暗，最终消失。A看到的只是
船上外壳发出的光的行为，B的真实部分早在A不知不觉中撞向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀，使A看到的速度变慢甚至接近零了。A看到的光停在视界上并不与光速不变原理相矛盾，光速不变原理指的是在四维时空中，光走过的四维距离是零。当时空平直
馑偈歉龀ＪＪ笨胀淝保占渲泄饣崞邸Ｔ谑咏绱Γ笨占韧淝耷钤洞Φ墓鄄煺呖吹降墓馑偈橇恪５谑咏绺浇吹降墓馑倩故枪馑伲蛭谛∏蚰谑奔浣仁窍嗤摹９馑俨槐洳皇羌虻サ闹肝蘼墼谑裁辞榭鱿鹿舛际撬降脑人僦毕咴硕２还占渲腥魏挝
速度都不超过光速目前仍是正确的。
　　通过坐标变换，可以得到宇宙的克鲁斯卡时空，它将全时空分为四个对称区域。奇怪的是我们的宇宙似乎只占两个区域，其中1区是我们普通的宇宙，2区是黑洞视界内的宇宙，3区是一个与我们的宇宙对称的宇宙，通过虫洞与我们的宇宙相连，只是这种虫洞只有超光速信号才能通�
与普通物质无法通过这种黑洞的虫洞进入另一个宇宙。4区是白洞视界内的宇宙。可以说黑洞理论预言了白洞和另一个宇宙。白洞和黑洞相反，经典范围内是个只出不进的天体，它也符合物质不灭定律，它吐出的物质是原本就存在的。方程中虽有白洞解，但不等于现实中一定存在白洞�
有存在的可能性。霍金等人证明，小黑洞与白洞不可区分。有人猜测黑洞和白洞可以相互转化，白洞喷发的物质来自黑洞吞噬的物质，甚至宇宙的原始大爆炸就是白洞喷发。按大爆炸标准模型，宇宙最可能的结局是物质收缩为原初奇点。全宇宙的物质收缩为一个点，在这样的极端条件
赡艽嬖诤诙聪虬锥醋奶跫佣⑾乱宦钟钪娲蟊ā�
　　 14 黑洞漫谈之带电黑洞
　　　带电黑洞又称R-N黑洞，它与不带电黑洞的区别是，它有两个视界。落入黑洞的飞船，一旦穿过外视界，就不可抗拒的穿越内外视界间的空间，但穿过内视界后，飞船将自由的飞翔。在那里飞船不至于落到中心奇点上。在奇点附近有巨大的天体引潮力，会把包括飞船在内的所有
克核椤２还纱梢员芸娴恪：罄囱芯勘砻鳎纱静豢赡芸拷行钠娴悖挥泄獠趴梢缘执锬抢铩Ｈ魏斡芯仓柿康奈锾宥疾荒茉谟邢奘奔淠诘酱锲娴恪＝肽谑咏缰螅箍梢源恿硪桓鲇钪嬷械陌锥创┏觯肓硪桓鲇钪妗Ｕ饩褪谴绾诙吹某娑础Ｕ饫喑娑词强梢源┰降模
说我们有可能进入另一个宇宙。
　　如果不断增加R-N黑洞的电荷，将出现内外视界合二为一的局面。这时的黑洞称为极端R-N黑洞。如果再对极端黑洞加一点电荷，则视界消失，奇点将裸露出来，产生“裸奇异“现象。按目前的观点，奇点不属于时空，那里的性质完全不确定，裸奇点往往会向外发出不确定信息，导
蘸臀镏恃莼耆蝗范āＮ吮苊庹庖幌窒蟮某鱿郑砣羲固岢隽擞钪婕喽郊偕瑁捍嬖谝晃挥钪婕喽剑孤闫嬉斓某鱿帧Ｖ灰哑娴阌檬咏绨鹄矗⒊龅牟蝗范ㄐ畔⒕筒换崤艹龊诙矗虼瞬换嵊跋煊钪娴难莼５窃谀谑咏缒诓浚牒诙吹娜巳钥赡芸吹狡娴悖曰崾芩堑
性的影响。彭若斯改进他的宇宙监督假设，认为内视界内部的时空是不稳定的，在微扰下它会“倒“在内视界上阻止飞船进入这类区域。最近的研究表明，内视界内部的确有不稳定的倾向。因此，如果他的假设成立，这类虫洞仍是不可超越的，我们仍然不能进入另一个宇宙。但是，“
喽健熬烤故鞘裁�?这就像当年不了解大气压强而提出的“自然界害怕真空“一样，提出“自然界害怕奇点“。在物理学上没有解决任何问题。如果假设正确，它必定是一条物理定律。也许是我们还不知

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:14:00

　　15 黑洞漫谈之旋转黑洞
　　　旋转黑洞又称克尔黑洞，它有两个视界和两个无限红移面，而且这四个面并不重合。视界才是黑洞的边界，是指任何物质(经典物理范围内)都无法逃脱的边界。无限红移面是指光在这个面上发生无限红移，即光从一个边界射出后发生引力红移，红移后的频率为零。这一边界就�
红移面。先前没有提到是因为施瓦西黑洞和带电黑洞的视界和无限红移面是重合的，但是克尔黑洞并不重合，两个无限红移面分别在内视界内部和外视界外部，它们与视界所围成的空间分别叫做内能层和外能层。由于视界才是黑洞的边界，因此外能层不属于克尔黑洞，只能算作黑洞的
糠帧Ｋ呛芟褚桓黾Φ埃硕诙词堑盎疲饽懿闶峭饷姘У囊蝗Φ扒濉Ｔ谝欢ㄌ跫拢饽懿阒械奈镏士赡艽┏鑫尴藓煲泼娼胪獠渴澜纭Ｅ砣羲怪っ髟谔囟ㄌ跫拢芰拷系偷牧Ｗ哟┤肽懿愫螅赡艽幽懿阒谢竦媚芰浚┏鍪庇薪细叩哪芰俊Ｕ饩褪桥砣羲构獭Ｍü斯谭锤
可以提取黑洞的能量，使能层变薄。这些能量是黑洞的转动动能。能层变薄，黑洞转动动能减少。当能层消失后，克尔黑洞退化为不旋转的施瓦西黑洞，因此不能再继续以这种方式提取能量了。克尔黑洞中的中心奇异区不是一个点，而是一个奇环，就是由奇点围成的一条圆圈线。
　　当黑洞旋转速度加快，内外视界可能合二为一，称为极端克尔黑洞。当旋转速度再增加一点，视界消失，奇环裸露在外面。这与彭若斯的宇宙监督假设矛盾。因此在这一前提下，黑洞的转速是有限制的。当外部飞船飞入克尔黑洞时，会不可抗拒的穿过内外视界间的区域，进入内视
亢罂梢栽谄渲性硕灰欢湓谄婊飞稀６曳纱梢源诱饫锝肫渌钪妫恿硪桓鲇钪娴陌锥闯隼础Ｕ饩褪强硕诙丛ぱ缘目纱┰匠娑础？墒巧掀谠倒钪婕喽饺衔谑咏缒诓壳虿晃榷ǎ纱赡芑姑挥械酱镎飧銮蚓鸵丫蚕蚱婊妨恕Ｒ虼擞钪婕喽讲唤霾辉市砦颐堑挠钪
异性的干扰，似乎也封住了一切可穿越虫洞的入口，不允许我们去发现另一个宇宙。
　　纽曼等人把克尔解推广到带电情况，得到了一般黑洞解。由于一般黑洞与克尔黑洞结构相似，主要性质和一些主要现象都非常类似，因此不多做讲解。米斯纳从彭若斯过程中得到启发，认为彭若斯过程没有设定物体的大小。若物体是个基本粒子，就与激光的超辐射原理非常相似。
芗し洹０蛩固寡芯吭臃⒐馐保岢龉嬖谑芗し涞耐币欢ù嬖谧苑⒎洌ㄋ椎憬簿褪窃臃⒐狻Ｒ虼嗣姿鼓商岢龊诙创嬖谧苑⒎洹：罄囱芯勘砻鳎诙吹娜房梢酝ü孔铀淼佬вΨ淞Ｗ樱獠糠至Ｗ咏吆诙吹哪芰浚嵌浚偷绾伞Ｗ钪湛硕诙矗琑-N黑洞和一
赐嘶┩呶骱诙础Ｊ┩呶骱诙此坪跞允且豢胖唤怀龅慕┧赖男牵允呛阈堑淖钪展樗蕖Ｈ欢艚鸫蚱屏私┚郑⑾至艘磺泻诙�(包括施瓦西黑洞)的共同性质，施瓦西黑洞仍是不断演化的。
　　16 黑洞漫谈之黑洞力学四定律
　　　贝肯斯坦和斯马尔各自独立发现了黑洞各参量之间的一个重要关系式，发现黑洞的静止能，转动动能，电势能三者之间存在相互转化关系。这一公式与热力学第一定律表达式非常相似，而且表达的内容也是能量守恒定律。这一公式被称为黑洞力学第一定律。
　　在热力学中我们知道，并不是所有满足能量守恒的过程都可以实现，只有同时满足第二定律：封闭系统的熵不能减少这一条件才可以实现。熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理。实践证明，只要忽略这一原理就会不可避免的遭到失败。1971年，霍金在不考虑量子效
钪婕喽郊偕韬颓磕芰刻跫闪⒌那疤嵯轮っ髁嗣婊ɡ恚汉诙吹谋砻婊谒呈狈较蛴啦患跎佟Ｕ媸档氖笨斩悸闱磕芴跫词笨盏挠αΣ荒芴。梢桓龉矫枋觥Ａ礁龊诙春喜⑽桓龊诙疵婊龃螅虼丝梢允迪帧５桓龊诙捶至盐礁龊诙矗婊跣。虼思词孤隳芰渴睾阋
可能实现的。在面积定理约束下，两个等质量黑洞合并，若面积不变可以放出约30%的黑洞能量。面积定理很容易使物理学家们联想到第二定律的熵，它是唯一显示时间箭头的物理定律。贝肯斯坦等人通过黑洞的微观分析，认为黑洞的确存在与面积成正比的熵。面积定理是热力学第二�
黑洞力学中的具体体现。
　　先介绍一个概念：黑洞的表面引力。表面引力就是将物体放在视界处(若黑洞旋转就认为物体与视界一起旋转，与视界相对静止)受到的引力场强度。一个系统存在熵就存在温度，在视界面积与熵成正比的前提下容易证明表面引力与温度成正比。前几期提到的极端黑洞证明它们的表
ξ恪Ｒ簿褪撬担撕诙词蔷粤愣鹊暮诙础Ｈ攘ρУ谌筛嫠呶颐牵荒芡ü邢薮尾僮靼盐露冉档骄粤愣取Ｒ虼丝梢源嬖诤诙戳ρУ谌桑翰荒芡ü邢薮尾僮靼岩桓龇羌撕诙醋湮撕诙础Ｋ肱砣羲沟挠钪婕喽郊偕枋堑燃鄣摹Ｋ且惶醵懒⒂诘谝欢捎氲诙
理。
　　热力学还有个第零定律：如果物体A与B达到热平衡，B与C达到热平衡，则A与C也一定达到热平衡。如果类比正确，应该指望黑洞存在一条类似的第零定律。目前已经证明稳态黑洞表面引力是一个常数。人们把这一结论称为黑洞力学第零定律。
　　因此，黑洞表面引力相当于温度，表面积相当于熵。如果是真温度，黑洞就是个热力学系统，应该存在热辐射，但通常对黑洞的理解是一个只进不出的天体，不会有热辐射。因此1973年前霍金等人强调，黑洞温度并不应该看作真正的温度，因此上述定律没有被称为黑洞力学斯定律
�1973年霍金发现，黑洞存在热辐射，上述四定律的确就是热力学四定律。
　　 17 黑洞漫谈之霍金辐射
　　　 1973年，霍金做出重大发现，他证明所有黑洞都有热辐射，其辐射谱是标准的黑体谱。霍金辐射不遵从面积定理，辐射过程中黑洞面积会缩小，质量也会减小。但仍然服从热力学第二定律，因为黑洞的熵虽然减小了，但辐射出的物质熵增加了。它们的和仍是增大的。到目前为�
然界中没有任何一种力量可以抗拒黑洞附近(视界内)的引力，那么这些粒子是怎样逃出来的呢?要说明这一问题首先要从真空说起。
　　为解决量子力学中的负能困难，狄拉克提出了“真空不空“的思想，在泡利不相容原理基础上克服了负能困难，并预言了正电子和反物质的存在。真空并不是一无所有的状态，而是能量最低的状态。也就是说正能态都空着，负能态都被粒子填满的状态。量子力学的测不准关系告诉
魏慰刹饬康氖倒潭急匦肼悴獠蛔脊叵担毫Ｗ幼瓴蝗范ǘ扔攵坎蝗范ǘ鹊某嘶荒苄∮谝桓龊苄〉某ＪＲ簿褪撬捣彩遣宦悴蝗范ǘ裙叵档牧Ｗ佣际俏薹ü鄄獾降模颐侵钥床坏秸婵崭耗芰Ｗ雍Ｖ械牧Ｗ泳褪且蛭遣宦悴獠蛔脊叵怠Ｕ缱樱粗首樱粗凶拥确戳
相继被发现，又发现了诸如开斯米尔效应等真空边界效应，都无可辩驳的证明了负能粒子海的存在，已为物理学家们广泛接受。
　　延伸这一思想可得到真空涨落的概念。负能粒子海不断发生负能粒子向正能区跃迁的过程，真空中每时每刻都在发生虚粒子对的产生和湮灭，真空并不平静，是一种非常热闹的状态。虚粒子对是由一个正能粒子和一个负能粒子组成，负能粒子不能在我们的宇宙中稳定存在，在极端
淠诰突嵊胝芰Ｗ愉蚊稹５耗芰Ｗ涌梢栽诤诙吹氖咏缒诓砍な奔浯嬖冢饩偷贾铝撕诙词咏缌讲嗟囊恢植欢猿疲佣恢挚晒鄄獾男вΑ５备耗芰Ｗ勇淙牒诙矗梢缘酱锲娴闶鼓抢锏闹柿考跎佟６芰Ｗ恿粼谕饷娣上蛟斗健６杂谠洞Φ墓鄄煺撸吹揭桓稣芰Ｗ臃晒矗

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:16:00

　　18 黑洞漫谈之黑洞涉及的根本问题
　　　黑洞之所以被称为二十一世纪的主旋律是因为它涉及到了物理学中的一些根本问题。比如，小黑洞涉及到大爆炸，白洞，宇宙年龄，质子大小，静电力与引力强度比等等。总之，涉及到宇宙生成问题。常规黑洞涉及到宇宙大尺度模型，我们的宇宙是否真是一个大黑洞?是否存在
扌秃诙聪虬锥醋囊怀〈蟊�?“大爆炸“一般指物质和时空一起在大爆炸中产生，是时空本身在爆炸，而不是物质在现有时空中爆炸。
　　黑洞触动了物理学的基础。比如，可能破坏重子数守恒定律。重子数守恒是指质子，中子，超子等所谓重子的总数永远是不变的。此定律在基本粒子理论中有重要作用。例如：原子弹，氢弹，反应堆，以及恒星内部的热核反应可以释放巨大的静止能，但是它们的原子能利用率却不
Ｕ馐怯芍刈邮睾阆拗频摹２斡牒朔从Φ闹刈硬荒芗跎伲虼撕朔从κ头诺哪芰渴呛俗蛹浣岷夏艿牟疃睿话悴怀�1%。根据黑洞无毛定理，黑洞只有质量角动量电荷三个参量，物质的其他性质(比如重子数)进入黑洞后完全消失，因为重子已经在奇点附近被压碎了。但黑洞通过霍金�
出的粒子只决定于质量角动量电荷三个参量。黑洞发射重子和反重子的几率相等。因此，通过黑洞的形成和消失使物质中巨大数量的重子消失了，从而破坏重子数守恒。黑洞有比量子力学更大的不确定性，我们对黑洞内部细节并不十分清楚，对黑洞放出的粒子状态不能作多少预言。任
识伎梢运跷诙矗酥柿拷嵌康绾芍猓渌磺胁瘟慷汲沟紫Я恕Ｈ绻撕诙丛傧蛲夥懦鑫镏剩鸵丫蝗【鲇谡馊霾瘟苛恕Ｒ虼耍苯诙辞暗奈镏首刺秃诙丛傧У墓讨蟹懦龅奈镏时冉鲜保酥柿拷嵌康绾赏馄渌锢砹科渌锢砹靠赡芫腿疾皇睾懔
此，似乎只有两种可能，一是没有其他守恒律，二是黑洞产生和再消失是不可能的或者要受到极大的限制，使它不影响其他定律。
　　黑洞还引出了物理学中的奇点困难，奇点是时空曲率无限大的地方，是时空的病态部分。任何物理定律面对这样一个点都无能为力。目前绝大多数物理学家都不承认时空中存在奇点，然而却找不到解决的方法。奇点困难已经成为21世纪两大疑难之一。新的理论有希望从这里得到发

　　 19 黑洞漫谈之奇点困难
　　　空间究竟有限还是无限?时间究竟有没有开始和结束?数千年来，这两个问题一直停留在哲学思辨上。广义相对论问世后，改变了这一状况，它提出，空间肯定是无边的，虽然不能确定它是否有限，但已明确给出了决定空间是否有限的判据。热力学第三定律禁止时间有开始和结�
要第三定律正确，时间就应该是无限的。时间的无限性与广义相对论的奇点困难密切相关。
　　广义相对论告诉我们，黑洞内部有一个奇点或奇环，膨胀的宇宙起源于大爆炸初始奇点，脉动的宇宙还有一个终结奇点。这些奇点和奇环与坐标系选择无关，反映时空内在的性质。奇点处时空曲率无限大，物质密度无穷大。奇点是物理理论无法了解的地方，随时可能产生无法预测
ⅰＦ婊犯浇褂小氨蘸侠嗍毕摺埃刈耪饫嗲咴硕娜嘶峄氐阶约旱墓ァＵ庑┦录胍蚬煞⑸顺逋弧�
　　人们不希望时空中有奇点，有些人推测真实的事空没有奇点，上述奇点是因为我们的模型太理想化了。比如，黑动要“球对称“或“轴对称“，这都是理想化模型，只要对称性不绝对严格就不会出现奇点和奇环。但是彭若斯不相信这些推测，他认为奇点是不可避免的，通过微分几
细裰っ鳎敕嫦喽缘奶岢隽恕捌娴愣ɡ怼啊Ｕ庖欢ɡ硭担灰阋逑喽月壅罚蚬猿闪ⅲ敲慈魏文芰糠歉呵矣形镏蚀嬖诘氖笨斩贾辽儆幸桓銎娴恪；艚鹨膊渭咏矗隽肆硗獾闹っ鳌Ｅ砣羲购突艚鹪谥っ鞴讨卸浴捌娴恪案拍罱辛酥匦氯鲜叮岢隽思渲匾男滤枷耄浩
该看作时间的开始或终结。因此奇点定理的实质内容是：广义相对论正确，因果性成立，能量非负且有物质存在的时空中，至少有一个可实现的物理过程，它的时间有开始或有终结，或既有开始又有终结。
　　总之，奇点定理告诉我们，时间是有限的。这与热力学第三定律发生了冲突。后来研究表明，奇点定理是在绝对零度或温度无穷大环境下证明的，没有考虑温度的影响，也就是说，奇点定理是在非物理的情况下证明的，它违背了热力学第三定律。有理由相信，热力学第三定律可以
娴悖Ｖな奔涞奈尴扌浴Ｔ谡庖换睾现械谌烧剂松戏纭５谌删咛逋ü裁捶绞嚼醋柚蛊娴愕男纬扇圆皇智宄虼耸奔涫欠裼邢拚庖晃侍饣共荒茏龀龇浅？隙ǖ幕卮稹�
　　由霍金辐射一节我们知道，黑洞的热效应与真空密不可分。真空并不像想象的那样简单，它有着极为丰富的内涵。为使我们对真空有一个大致的了解，下期内容将以黑洞漫谈之真空效应结束黑洞方面的内容。
　　 20 黑洞漫谈之真空效应
　　　在霍金辐射一期中已经提到了真空的一些性质，这些内容不再重述。在霍金提出黑洞有热辐射之前，安鲁证明了安鲁效应：匀加速直线运动参考系中的观察者处在热浴中。也就是说，原本一无所有的空间，所有的惯性观察者都认为是真空，而在非惯性系中的观察者却发现自己�
空间不是真空，自己周围充满了热辐射，其温度与加速度成正比。这证明真空与参考系的选择有关，真空也是相对的。而且温度也不是绝对的，它也依赖于参考系的选择。由于这一效应过于微弱，目前实验还无法观测到。安鲁还证明，真空态与热平衡态有共同的本质，选择不同的能量
咧淇梢韵嗷プ�
　　霍金提出黑洞热效应后，安鲁意识到安鲁效应可能与霍金效应有相同的本质。后来证明，这两个效应都是弯曲时空的一种普遍性质，与时空弯曲的细节无关，在证明的过程中甚至用不到爱因斯坦的场方程。它们不是动力学效应，而是一种“边界“效应，取决于坐标系的选择。安鲁
砻鳎确淦鹪从谡婵漳芗兜谋浠０猜承вΦ奈露日扔诩铀俣龋簿褪钦扔诖思铀傧档墓咝猿∏俊Ｋ怨咝粤煽闯晒咝缘木湫вΓρвΓ猜承в煽闯晒咝缘牧孔有вΓ刃вΑ＠嗨频模艚鸱湟财鹪从谡婵漳芗兜谋浠艚鹦вΦ奈露日扔诤诙吹谋砻嬉Γ
是正比于引力场强度。因此万有引力可看作引力场的经典效应，力学效应，而霍金效应可看作引力场的量子效应，热效应。因此惯性力与万有引力也起源于真空能级的变化，惯性力与万有引力有相同的本质和起源，这就是爱因斯坦著名的等效原理。惯性力既不像牛顿认为的那样起源于
占洌膊幌衤砗斩涎缘哪茄鹪从谝Ｔ缎窍担咝孕вκ抵噬鲜且桓銎鹪从诩铀僖鸬恼婵铡靶伪洹暗木钟蛐вΓ咝粤褪钦婵铡靶伪洹八斐傻姆醋饔昧ΑＲ虼斯咝宰饔靡膊皇浅嘧饔茫肫胀σ谎灿蟹醋饔昧ΑＭ蛴幸σ膊皇侵苯酉嗷プ饔茫峭ü靶伪洹暗恼婵障
用。引力场就是“形变“的真空场。由此可见真空传递信息的速度为光速。
　　霍金辐射一节中曾提到过开斯米尔效应。它是指放在真空中相距很近的两块板，由于板间真空的量子涨落而存在一种吸引力(不是万有引力)，这一引力是由真空发生变化引起的，理论计算两板间的引力与板间距的四次方成反比。此效应首先被荷兰莱顿实验室观测到，与理论计算相
苤薮Σ辉谟直浠喽说恼婵沾嬖诤芏嘈вΓ绕涫峭淝笨罩姓婵盏难芯渴谷嗣谴罂劢纾诙蠢砺塾胝婵绽砺巯嘟岷希邢Ｍ饪锢硌е械男矶嘁赏拧�
　　
　　
　　
　　

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:18:00

　　21 宇宙模型之大爆炸标准模型
　　　标准模型是建立在宇宙学原理和爱因斯坦场方程基础上的宇宙模型，也就是大爆炸模型。这是40年代由伽莫夫，阿尔芬和赫尔曼提出的。他们认为宇宙是在100多一年前由一个超高温超高密度的原始火球(宇宙蛋)发生大爆炸而产生的。宇宙学原理是指宇宙中所有的空间位置都是
模簿褪撬倒鄄煺哒驹谟钪嬷械娜魏挝恢霉鄄煊钪妫吹降拇蟪叨忍卣鞫际且谎模钪嬖诳占渖鲜蔷鹊模飨蛲缘摹�
　　通过求解场方程可得到三个解，宇宙的未来由现在的宇宙平均物质密度决定。若小于或等于临界密度，宇宙会一直膨胀下去。若大于临界密度，宇宙膨胀到一定阶段会转向收缩，最终会回到一个奇点。目前测得的宇宙密度小于临界密度，似乎宇宙应该永远膨胀下去，宇宙是无限无
５钪嫜Ъ颐谴蠖既衔钪嬗Ω檬锹龆模聪扰蛘秃笫账酢Ｒ蛭舛ㄓ钪嫖蠢椿褂幸恢植舛ḿ跛僖蜃拥姆椒ǎ床舛ㄓ钪媾蛘吐实谋浠省Ｕ庵址椒ǜ煽恳恍ü跛僖蜃拥牟饬浚っ饔钪媸锹龆摹Ｒ虼擞钪嫜Ъ颐侨衔钪嬷谢褂写罅棵挥斜环⑾值陌敌窃疲敌窍档劝滴镏
有人猜测中微子有静止质量来补充失落的物质。
　　大爆炸初期的万分之一秒，光子能量非常大，甚至超过强子的静止能，因此可以通过强相互作用产生各种强子。温度降到一万亿度时粒子处于热平衡状态，进行着激烈的强子反应。大爆炸后百分之几秒，温度降到一千亿度时，光子能量低于重子静止能，重子反应停止，正反重子也
蚊穑次镏氏В刈又兄皇Ｒ恍┲首雍椭凶印Ｓ捎谒蔷材苤畈淮螅梢酝ü颓嶙拥姆从ο嗷プ首雍椭凶邮负跸嗟龋捎谥凶又柿柯源笥谥首又柿浚孀盼露冉档停凶酉蛑首拥淖加攀疲峁凶蛹跎伲首釉龆唷４笤�4秒钟后，温度降到50亿度以下，不足以产生
缱佣裕吹缱涌间蚊穑缱酉АＪ怪首雍椭凶拥淖Ｖ梗凶诱�14%，质子占86%。大约三分钟后，温度降到十亿度，热运动不足以破坏氘核，中子和质子迅速结合为氘核，又通过各种反应形成氦核。反应完成后氦约占28%左右，刚好和天文观测的氦丰度一致。大约50万年后
冉档饺У剿那Ф龋首雍偷缱咏岷衔庠樱渌榷ㄔ右残纬闪恕４耸钡墓庾幽芰亢艿停巡荒芤鹪拥缋耄荒芤鸷朔从α恕Ｒ虼舜诱馐逼穑钪娑怨庾踊臼峭该鞯模庾雍土Ｗ拥难莼哟司突ハ喾挚恕Ｕ馐钡姆湓�3000K，为黑体辐射谱。经过一百多亿年的膨胀
拢饧盖Ф鹊娜裙獗涑闪吮涞�3K左右微波背景辐射。这正是美国的彭齐亚斯和威尔逊发现的2。7K微波背景辐射。由于大爆炸理论的前提是公认的宇宙学原理和广义相对论，而且该模型又和哈勃红移，氦丰度，背景辐射及射电源计数等主要天文观测结果相吻合，因此是目前公认的宇
停莆曜寄Ｐ汀５褂行矶辔侍饷挥薪饩觯胰杂腥鲈蛐晕侍猓�(1)初始奇点(2)极早期宇宙情况(3)正反物质初始不对称的原因没有解决。所以标准模型还不能定论。
　　 22 宇宙模型之稳恒态宇宙学和等级宇宙模型
　　　稳恒态宇宙学是几位年轻的英国天体物理学家邦迪，戈尔德和霍伊尔在1948年提出的。他们的观点是：在相对论中时空是统一的，既然宇宙学原理认为所有的空间位置都是等价的，那么所有的时刻也应该是等价的。也就是说，天体(物质)的大尺度分布不但在空间上是均匀的和�
性的，而且在时间上也应该是不变的。也就是在任何时代，任何位置上观察者看到的宇宙图像在大尺度上都是一样的，这一原理称为“完全宇宙学原理“。
　　根据“完全宇宙学原理“，哈勃常数不仅对空间各点是常数，而且不随时间变化。所以宇宙空间的膨胀在时间和空间上都是均匀的。宇宙空间在膨胀，而物质的分布又与时间无关，这样就必须有物质不断产生出来以“填补真空“，也就是填补宇宙膨胀所产生出来的空间。通过完全
г砗桶蛩固钩》匠炭梢郧蟪鲇钪娴氖笨战峁梗梢缘玫接钪娴娜饰悖簿褪侨占涫瞧街钡摹Ｎ群闾钪嫜ё畲蟮奶氐闶且笪镏屎湍芰坎皇睾悖菁扑悖镏实南喽圆饰兜墓Ｊ簿褪敲磕暝诙饺⒎焦锏奶寤诓嗟庇谝桓鲋首又柿康奈镏世础
态宇宙学可以避免奇点，但它也有许多原则性困难，比如，它要求物质不灭定律不成立。为此，霍伊尔提出修改爱因斯坦场方程，他认为新产生的物质是由新产生的真空由高能级向低能级跃迁引起的真空相变产生的。稳恒态宇宙学出台后曾经引起过轰动，但这种原则性的大改动是不能
扇〉模切吕砺廴〉昧舜蟮某删停⑶矣牍鄄馐率捣系煤芎茫导噬衔群闾钪嫜в牍鄄夥系某潭炔⒉缓茫蝗绱蟊ㄓ钪嫜В虼四壳盎刮薹ê扯蟊ǖ母晌曜寄Ｐ汀�
　　月亮绕地球转，地球绕太阳转，太阳绕银河的银心转，银河又在星系团中转……从朴素的观点来看，宇宙应该是有这样一种无限的阶梯组成的，无穷无尽。观测表明，在星系团的尺度上，也就是一千万光年到一亿光年尺度上，天体分布是这种阶梯状，但再往上就没有这种现象了，
旁诳占涞姆植际蔷鹊摹Ｒ苑饫瘴淼纳偈巳衔谝灰诠饽暌陨弦彩钦庵纸滋葑捶植迹皇悄壳肮鄄饽芰Σ还唬挥蟹⑾终庵窒窒蟆Ｕ庖荒Ｐ统莆燃队钪婺Ｐ汀５捎谌狈砺刍。姨煳墓鄄庵ぞ菁负趺挥校虼说燃队钪婺Ｐ偷那熬安蝗堇止邸�
　　
　　
　　

作者：fzpluck 回复日期：2005-11-21 18:20:00

　　23 引力，热与时间
　　　物理学中两个特别值得注意的领域是广义相对论和热力学。除去广义相对论外的所有物理领域(包括热力学)都将时空看作与物质和运动无关的背景，只有广义相对论认为时空背景不能脱离物质和运动。除去热力学之外所有的物理领域(包括广义相对论)都不认为时间由方向，都�
的，时间反演成立。只有热力学，他的第二定律显示时间箭头，认为时间有方向，真实的物理过程是不可逆的。第三定律认为真实的物理过程不应该处在绝对零度。
　　广义相对论认为时间是可逆的，比如如果我们看太阳系行星运动的录像，无论是正放还是倒放，它们都符合广义相对论。行星运动不是热运动，它们的运动不涉及温度。从这里我们无法判断时间的流向，时间无论向哪个方向流都没有矛盾。但是我们将镜头聚焦在地球的一个农村里
颐强吹揭煌放３褰┓蚣抑幸徽蠛岢逯弊玻氲榱艘坏刂笈Ｓ殖辶顺隼矗颐蔷椭朗奔涫窍蚯傲魇诺模枷袷钦诺摹５绻颐强吹揭煌放５棺懦褰┓蚣抑校厣系乃槠楹铣赏氲职诘阶郎希Ｓ值棺懦宄隼矗颐蔷涂梢耘卸下枷穹欧戳耍媸档奈锢硎澜缡遣豢赡艹鱿
现象的。也就是说，真实的物理世界受到许多基本原理的制约，并不像数学世界那样随心所欲。
　　物质所有的属性中只有“热“和“引力“(时空弯曲)是万有的，任何物质都存在的，而且它们都是不可屏蔽的，所谓绝热壁只是一种想象的东西。恒星和星系之所以稳定存在，是靠万有引力和热运动的排斥作用使物质能够达到一定的平衡，稳定存在。当星体塌缩为黑洞时，居然有
鱿郑蛴幸Ψ⒄沟郊诵纬傻钠娴阄ケ橙攘ρУ谌伞？杉扔胍τ猩羁痰谋局柿担荒芙τ氲绱帕Γ苛Γ趿Φ韧创Σ皇钦嬲牧Γ唤鼋鍪鞘笨盏耐淝矣肴炔豢煞指睢Ｒ虼耍魏尾豢悸侨鹊囊砺鄱伎赡芑嵊龅揭恍┰蛐岳眩喽月壑械钠娴
就是其中之一，引力场量子化困难也可能与不考虑热有关。如果建立一种有限温度下的引力理论，也许能克服这两个困难。
　　热力学理论至今未纳入相对论的框架，与相对论之间存在着矛盾冲突。广义相对论告诉我们，引力与时间有关，刚刚又谈到引力与热有关，而热是与时间有关的，热力学四定律都是关于时间的公理。我们可以朦胧的感觉到引力，热与时间之间存在一个三角关系。因此有必要将热力
煳胂喽月巯嗍视Φ男问剑锌赡芤τ肴鹊慕岷匣岬碌睦砺邸�
　　 24 相对论总结
　　　在20世纪的100年中，量子论和相对论都获得了极大的成功。从波尔和索末菲的早期量子论到薛定谔、海森堡、波恩、泡利、狄拉克的量子力学，从二次量子化、重正化到杨振宁和米尔斯的规范场论的建立，从弱电统一、大统一到超弦理论的提出，量子论已经发展为相当成熟的
⒐惴荷钊氲饺死嗟目蒲小⑸蜕钪小�
　　爱因斯坦最初提出狭义相对论，是一个宏观高速运动的理论。他把时间和空间联系为一个不可分割地整体（四维时空），把能量和动量联系为一个不可分割的整体（四维动量）。后来的广义相对论进一步认为物质与时空也是不可分离的，它们存在相互作用：物质引起时空弯曲，时
煳镏试硕９阋逑喽月酆罄从糜谘芯坑钪娴慕峁购脱莼谷嗣侨鲜兜剑钪嫱锝缂叭死嘧陨硪谎泊υ诓欢涎荼浜徒讨小�
　　广义相对论预言和描述了一朵至今尚未发现的灿烂花朵——黑洞。黑洞最初被认为是一颗死亡之星，后来突然发现黑洞有丰富的内涵，它有量子效应和热效应，有着充沛的生命力，是一颗生命之星。黑洞表面引力可视为温度，表面积可看作熵，有负的热容量，发出热辐射后，自身
炊撸虼擞胪饨缒岩孕纬晌榷ǖ娜绕胶狻４蠛诙次露群艿停『诙从屑叩奈露龋钪栈岜ā�
　　广义相对论的研究，特别是黑洞理论的研究，引出了物理学的一个基本困难——奇点困难。物理学的另一个困难也来自弯曲时空的研究。多年探讨表明，引力场量子化后不能重正化，存在一些无穷大项没法消除，即使采用现在的任何一种超对称、超引力和超弦方案都解决不了这一
Ｏ喽月勖魅分赋鲆Σǖ拇嬖冢拦蒲Ъ姨├蘸秃斩⑾至寺龀逅牵峁┝艘Σǖ募浣又ぞ荩虼怂枪餐竦昧�1993年的诺贝尔物理学奖。所以引力场量子化的想法是合理的，却总不能成功。人类知道的四种相互作用中，前三种都量子化了，唯独引力场碰到了大麻烦。奇�
和引力场量子化困难是21世纪前夜摆在物理学工作者面前的两大难题，它们有可能把物理学导向一场新的革命。我们可以隐约的感到，物理学似乎再一次处于重大变革的前夜，新的理论必定是现代物理学各分支的一种统一，尤其是相对论和量子论在更高水平的统一。
　　从人类有自我意识起，就开始不懈的寻求自然界的终极奥秘。从亚里士多德到伽利略，再到牛顿、爱因斯坦……每一步都走得那么艰辛，每一步却又都掀起一场空前的变革，科学的威力已经使人们深信，科学可以使这个时代的傻瓜胜过上个时代的天才。我们可以嘲笑亚里士多德，
痪弥蠡嵊腥顺靶Π蛩固梗庵站坎还巧倒显诔靶μ觳拧Ｎ颐侵姥抢锸慷嗟牟恢赖亩鳎热绲厍蛉谱盘糇颐怯涤械闹皇潜鹑烁嫠呶颐堑闹叮颐歉枰氖撬枷耄且恢痔觳诺脑ぜ浴Ｄ愀乙桓銎还腋阋桓銎还颐敲咳酥挥幸桓銎还荒愀乙恢炙
我给你一种思想，我们就各自拥有两种思想。只有知识而没有思想的人，可能会是个很好的老师，却绝不会是一个真正的科学家。
　　

────────────────────────────────────────
  zjliu (秋天的萝卜)               于  (Wed Nov 30 11:00:20 2005)  说道:

相对论整不明白,当时也没有仔细去想
【在 Gforce ()第三个代表|防震抗旱两手抓→请节约喝水() 的大作中提到: 】
: 1 相对论简介
: 　　　原著幽灵蝶
: 　　 2 狭义相对论的四维时空观
: ...................

────────────────────────────────────────
  wangsj (seraph)                  于  (Sat Dec 10 00:56:41 2005)  说道:

【在 Gforce ()第三个代表|防震抗旱两手抓→请节约喝水() 的大作中提到: 】
: 1 相对论简介
: 　　　原著幽灵蝶
: 　　 2 狭义相对论的四维时空观
: 　　　狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，�..
: 　　四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空..
: 　　四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量..
: 　　相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也..
: ...................

我们的宇宙是一个四维的宇宙，五维宇宙相对于四维宇宙，就像是一堆气泡，而单个的气
泡就是我们的宇宙。这些小的气泡之间，有的相互连通，但和四维空间的概念不同，并不
是四维中相临的气泡才相连。这些连通的气泡之间，就是我们说的虫洞，从四维空间来看
，虫洞就是黑洞（白洞）。宇宙通过黑洞（白洞）不停的与其它的宇宙进行能量（物质）
的交换。黑洞吸收的能量大于白洞释放的能量，则宇宙处于膨胀状态，反之，宇宙塌缩。
对于每一个宇宙来说，黑洞或白洞的数目是不一样的，可以是零，也可以是很多，而这个
数目也不是恒定不变的，宇宙处于一种扰动的状态。暗能量是其他的宇宙，包括四维，也
包括五维，甚至八维、十维。其实，说光速不可突破是不恰当的，因为当运动速度达到光
速后，便可以脱离四维宇宙而进入更高的纬度，这时再用四维的概念来表述是不恰当的。

科幻看多了，脑子就开始乱想了，呵呵！

────────────────────────────────────────
  wangsj (seraph)                  于  (Sat Dec 10 01:02:04 2005)  说道:

【在 wangsj (seraph) 的大作中提到: 】
: 我们的宇宙是一个四维的宇宙，五维宇宙相对于四维宇宙，就像是一堆气泡，而单个..
: 泡就是我们的宇宙。这些小的气泡之间，有的相互连通，但和四维空间的概念不同，..
: 是四维中相临的气泡才相连。这些连通的气泡之间，就是我们说的虫洞，从四维空间..
: ，虫洞就是黑洞（白洞）。宇宙通过黑洞（白洞）不停的与其它的宇宙进行能量（物..
: 的交换。黑洞吸收的能量大于白洞释放的能量，则宇宙处于膨胀状态，反之，宇宙塌..
: 对于每一个宇宙来说，黑洞或白洞的数目是不一样的，可以是零，也可以是很多，而..
: 数目也不是恒定不变的，宇宙处于一种扰动的状态。暗能量是其他的宇宙，包括四维..
: 包括五维，甚至八维、十维。其实，说光速不可突破是不恰当的，因为当运动速度达..
: ...................

奇点是宇宙之间进行能量交换的通道，相对于我们的宇宙，这是一个垂直于四维的坐标，
它是没有尺寸的。物质经过奇点，在所有的四维尺度上都受到“压缩”，而在五维尺度上
得到“延长”。

────────────────────────────────────────
  wangsj (seraph)                  于  (Sun Dec 18 09:02:15 2005)  说道:

我们的宇宙可以看作是在五维尺度上的一个球体，而球面即为我们的四维宇宙。所以说，
我们的宇宙是有限的，但是无边无际。也许有一天，当你沿着一个方向一直往前走，你会
发现你又回到了出发前的那时那点。

Astronomy 版 (精华区)