第6讲黑洞理论2
物理学中的黑洞理论
物理学中的黑洞理论物理学是一门探索宇宙奥秘的科学学科，而黑洞作为其中最为神秘的存在之一，一直是天文学家和物理学家们关注的焦点。
黑洞理论，作为物理学中的一个重要分支，引发了长期的探索和研究。
本文将介绍黑洞的定义、形成和性质，并探讨一些重要的黑洞理论及相关实证。
一、黑洞的定义和形成黑洞是一种极为致密的天体，其吸引力极强，甚至连光都无法逃逸。
根据爱因斯坦的广义相对论，黑洞是由质量极大的恒星坍缩而成的。
当质量足够大的恒星耗尽燃料，核聚变停止时，重力将克服核强力的作用，使恒星坍缩为一个极小且密度极高的天体，形成黑洞。
二、黑洞的性质1. 黑洞的事件视界黑洞的最外层，称为事件视界，是一种虚幻的表面，分离了黑洞内部和外部的空间。
若一个物体进入事件视界，将无法逃离黑洞的吸引力。
2. 黑洞的质量和自转黑洞的质量对吸引力的强度产生影响。
质量越大，吸引力越强。
此外，黑洞还有一个自转速度，这是来源于恒星坍缩时角动量守恒的结果。
3. 黑洞的奇点和引力奇点当恒星坍缩为黑洞时，质点将集中到一个无限小的点上，形成奇点。
奇点处的质量和空间曲率趋于无穷大，其中的物理定律失去了意义，称为引力奇点。
三、重要的黑洞理论1. 霍金辐射理论霍金辐射理论由物理学家斯蒂芬·霍金提出，他认为黑洞会以低热辐射的形式释放能量，最终引发黑洞的蒸发。
这一理论为黑洞研究带来了新的思路和方向。
2. 弦理论与黑洞熵弦理论是一种寻求描述宇宙最基本粒子和物理规律的理论，它为黑洞的熵提供了新的解释。
根据弦理论，黑洞的熵与其表面的信息有关，即黑洞吸收了大量的信息并储存在事件视界上。
3. 引力波和黑洞合并引力波是爱因斯坦广义相对论的预言之一。
通过引力波的探测，科学家们获得了黑洞合并的证据。
这些合并事件证实了黑洞的存在，并深化了我们对黑洞形成和进化的理解。
四、黑洞理论的实证1. 2019年拍摄到的黑洞影像在2019年，科学家们通过黑洞事件视界望远镜（EHT）拍摄到了首张黑洞影像，这是对黑洞理论的重大验证。
黑洞系列课件ppt
黑洞与星系的形成
黑洞强大的引力可以影响其周围的星 体运动，这种运动状态又会对星系的 形成产生影响。
在宇宙演化过程中，超大质量黑洞的 存在有助于吸引周围物质，形成恒星 和行星等天体，进而形成完整的星系 。
黑洞与宇宙演化
黑洞作为宇宙中强大的引力源，对宇宙的整体演化具有重要 影响。
通过对黑洞的研究，科学家可以更深入地理解宇宙的起源、 演化和终极命运。
力透镜”现象。
03
时空曲率影响黑洞周围物质 的旋转速度和运动轨迹。
黑洞的热性质
尽管黑洞不发出可见 光，但它们会释放出 X射线和伽马射线等 辐射。
黑洞的热量与其质量 有关，质量越大，热 量越高。
黑洞的强大引力会导 致其内部物质加速旋 转和摩擦，产生热量 。
黑洞的辐射
黑洞会释放出能量辐射，这些辐 射来自黑洞内部的物质和能量。
理论突破
随着理论物理的发展，对 黑洞的本质和性质将有更 深入的理解。
多波段观测
未来将加强多波段、多角 度的观测，以更全面地揭 示黑洞的奥秘。
05
黑洞与科幻文学艺术
科幻文学中的黑洞描绘
科幻小说中的黑洞描绘
黑洞在科幻文学中通常被描述为吞噬一切物质的神秘天体，同时也被赋予了超 光速旅行、时空穿越等神奇的功能。
在电影中，黑洞往往作为一个重要的元素推动故事情节的发展，如《星际穿越》 中通过黑洞穿越到其他星系寻找适合人类生存的星球。
艺术中的黑洞创意
黑洞主题的艺术创作
艺术家们以黑洞为主题进行创作，通过 绘画、雕塑、装置艺术等形式展现黑洞 的神秘和壮丽。
VS
黑洞在音乐创作中的表现
音乐家们也尝试将黑洞的魅力融入到音乐 中，通过音乐表达对宇宙和生命的思考。
《地球概论》第六讲恒星
亮度EM和绝对星等M。设EM表示绝对亮度，Em表示视亮度。由公式（2-1）可得， EM/Em＝2.512m－M
恒星的亮度与其距离的平方成反比，如该恒星的距离d以秒差距为单位，那么，
EM/Em＝d2/102 把这个关系式代入前面那个方程式的左边，便得，
d2/102＝2.512m－M
两边取对数，并记住lg2.512＝0.4，那么可得，
——在红巨星阶段，恒星的演化速度大大加快。中心区域的温度和密度因收缩而继 续升高，到 1 亿摄氏度时开始进行由氦核聚为碳核的新一轮热核反应；氦烧完后，温度 继续因收缩而升高，原子核再聚变产生更重的元素→能量有限，到了“垂暮之年”，一 旦核反应终止，对引力的抗衡全线崩溃→自行坍塌。
——红巨星收缩时，核心部分收缩最猛烈，外部处在较弱的引力下。核心温度因猛 烈收缩而急剧上升，由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉，剩下一颗致密和炽热的白矮星 →以后逐渐变冷，变成又小又暗的黑矮星→终其一生。
M=m＋5－5lgd
（2-4）
该式是现代恒星天文学最重要得公式之一。只要测定恒星得绝对星等，便可按平方反比
定律，求知该恒星的距离。
4．恒星的多样性： ——单星、双星和星团。一般的恒星是单个存在的。但是，有一些恒星是成双成对 的，被称为双星。还有许多恒星集中分布在一个较小的空间，彼此有物理联系，形成一 个稠密的恒星集团，叫做星团。 ——变星、新星和超新星。有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期 性的变化。变化的周期，长的可达几年到十几年，短的只有几日甚至几小时。这样的恒 星称为变星。按其成因，变星可分食变星、脉动变星和爆发变星三类。爆发变星中，亮 度在很短时间（几小时至几天）内突然剧增、然后缓慢减弱的恒星叫新星。爆发规模特 别大的变星叫超新星，其光度变幅超过 17 各星等，即亮度可突然增强到原来的几千万倍 甚至近万万倍。 ——巨星、超巨星和白矮星。上世纪初，丹麦天文学家赫茨普龙（1873-1967） 和美国天文学家罗素（1877-1957），不约而同地创制了恒星地光谱型和光度地坐标关 系图，简称光谱－光度图，通常也叫赫罗图。它以恒星地光谱型（或温度）为横坐标， 以它的光度（或绝对星等）为纵坐标，每颗恒星按照各自地光谱型赫光度，在图上占有 一定地位置。
关于黑洞的论文
史瓦西黑洞，是一切黑洞的发祥地。它有一个视界和一个奇点。
视界，是物体能否回到外部宇宙的分界面（视界的准确定义有两种，会在下文介绍量子 理论对黑洞的作用时介绍），在视界外面，物体可以离开或者接近黑洞而保持安全。而在视 界上，只有光速运动的物体可以保持不进入毁灭熔炉黑洞，但是连光也无法从这个面中逃脱 了。如果不幸进入了视界内部，那么你就再也无法出来或者和任何人联络了。你所面对的将 只有一个：死亡。当然，量子理论允许你选择如何死去。
关于黑洞的论文有关黑洞的几个问题的看法千丰人漏楞必够透日琢阶念碳比如确定是否可以形成黑洞的索恩环猜想用来确定远处观测者和恒星观测者对于恒星塌缩的观察差异的联系的芬克尔斯坦坐标系参照系黑洞无毛定理引力透镜原理黑洞吸积盘的描述吸积盘激流喷射有一个黑洞的双星射线辐射黑洞或者黑洞和一个中子星双星引力波辐射的理论发现黑洞视界电磁场定律膜规范定理黑洞视界的准确定义也是等价拓展从原来的显视界成为了现在的绝对视界奇点定理宇宙监督定理我们会在下面第三部分中详细看待这个至尽还是一个大猜想但是十分可能是一个正确的定理的问题等
关于黑洞的论文
关于黑洞的论文...............................................................................................................................2 序言...................................................................................................................................................2 黑洞以及相关知识介绍................................................................................................................... 4
自然辩证法概论 第6讲 科学假说与与科学理论
2024/9/29
11
判断假说解释能力的标准
1、看假说推论的数量和种类 2、看假说应付反常的能力 3、看假说的局部解释能力
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假说的对应性
在原有理论适用的范围内，新假说肯定 原有理论的经验结果。
新假说应界定原有理论的适用范围，并 解释其相对的正确性，将其作为特例或 极限形式包容于自身。
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假说检验的方法
1， 逻辑分析〔理论检验〕——辅助手段
逻辑分析的意义：
筛选作用：概念应具简单性、精确性、明晰 性等
假说自身不应存在矛盾，
假说不应与其他理论存在矛盾。
在假说与经验事实之间建立更加明晰的关系，
推出科学预见。
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2， 实践检验——根本手段
科学知识和活动的整体性和历史性，使得 不可能通过一组实验决定性地肯定或否认 某一假说。
C, 判决性实验的心理学和社会学意义
判决性实验影响了科学共同体的心理取向 和游戏规那么。
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实验检验的双重性
确定性：在特定的知识和社会背景下， 可以重复的科学观察和实验是确定的， 对于相互竞争的假说的支持和批判也是 确定的。
来源：1，无法解释的新事实
2，理论外推到新范围
3，新旧事实之间的矛盾
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假说的结构
1，事实根底 2，理论背景 3，对现象本质的猜测 4 ,由猜测推演出的预言和预见
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科学假说的特征
1，科学性：建立在事实和理论背景上 2，假定性：对未知机制的猜测 3，易变性：根据新的知识不断调整、修
奥卡姆以不见于他本人著作中的一句格言而享有盛名， 这句格言获得了“奥卡姆的剃刀〞这一称号。这句格 言说：“如无必要，勿增实体。〞在他作品中有句类 似的话：“能以较少者完成的事物假设以较多者去作 却是徒劳。〞这也就是说，在某一门科学里，如能不 以这种或那种假设的实体来解释某一事物，人们就没 有理由去假设它。
黑洞的形成与发展过程
黑洞的形成与发展过程黑洞是宇宙中最神秘和最具挑战性的天体之一。
它们以其强大的引力和无法逃逸的特性而闻名于世。
然而，黑洞并非一日之功，而是经历了漫长而复杂的形成与发展过程。
本文将深入探讨黑洞形成的几种主要理论以及黑洞的发展过程。
首先，我们先来了解黑洞的形成理论之一，即恒星演化理论。
根据这一理论，大多数黑洞是由恒星在离开主序星时演化而来的。
恒星是由气体和尘埃云聚积而成的，当其中心核心中的氢燃料耗尽时，核心坍缩，使恒星外层层叠而下，形成了一个黑洞。
在恒星演化的过程中，当一个恒星耗尽核能源时，它的质量足够大，核心坍缩就会变得无法阻挡。
核心坍缩将恒星的质量集中在一个非常小而密集的区域内，形成一个极其紧凑的天体，即黑洞。
这一过程称为“恒星坍缩”或“引力崩溃”，是黑洞形成的重要理论之一。
另一种黑洞形成的理论是超大质量恒星的坍缩。
根据这个理论，当在恒星形成的过程中初始质量非常巨大时，恒星的核心坍缩形成的黑洞将是超大质量黑洞。
这些黑洞质量通常超过太阳的几十倍甚至上百倍，被称为“超大质量黑洞”。
在黑洞形成后，它们并不会立即停止演化。
黑洞的发展过程主要通过吸积物质和与其他天体发生碰撞来完成。
当附近存在大量气体和尘埃云时，它们开始被黑洞的引力吸引，形成一个称为“黑洞吸积盘”的结构。
这个吸积盘会在黑洞周围形成类似于漩涡的结构，物质会从吸积盘向黑洞中坠落。
与此同时，黑洞可能也会与其他天体，如恒星或其他黑洞相互碰撞。
这些碰撞可能会导致黑洞的合并，形成更大质量的黑洞。
例如，当两个超大质量黑洞碰撞后，它们可能会合并成一个更大的黑洞，同时释放出大量的引力波。
黑洞的发展过程中还有一个重要的现象是黑洞的蒸发。
根据霍金辐射理论，黑洞不仅可以吸收物质，还可以以极微小的方式向外部辐射粒子和能量。
这个过程被称为“黑洞蒸发”，而释放的能量会使黑洞质量逐渐减小。
然而，由于目前尚未观测到蒸发黑洞的实际证据，这个理论还没有得到完全的证实。
尽管黑洞形成和发展过程仍有很多未解之谜，但通过观测和模拟实验，我们对它们有了更深入的了解。
拓展训练《黑洞》(项目讲解)
黑洞操作步骤开场：经过前面的轻松环节后，接下来进入一个比较严肃的环节。
首先，我要求大家做出一个承诺，每一个人都要参与进来，能不能做到？我相信大家都是一个诚信的人，一个能承担责任的人，是还是不是？能做到的请举手示意一下。
讲解：这个项目的名称叫穿越电网，还有一个名字叫突围。
此项目源于二战时期，一次真实的事例。
盟军的小分队在执行任务时被俘，关在战俘营，结果他们通过协作从战俘营里成功穿越电网，全体安全逃生。
相应，今天我们也来体验这个项目。
那么，首先我想问一下各位，对战俘有怎样的了解？1.我们想象一下，战俘营里的环境：没有自由，阴暗、狭小、拥挤的空间，四面高墙，高墙上还架着高压电网，不断地有士兵端着钢枪巡逻，没有安全，生命时刻受到威胁。
2.战俘受日内瓦公约保护，国际法律规定不允许杀战俘。
3.战俘的处境：二战时期德军和日军根本不把战俘当人对待，不仅不给战俘饭吃，还随意屠杀战俘。
德国人怎样对待犹太人的，日本人是怎样对待中国人的。
4.假设一下，我们抓到战俘了，我们会怎样对他？我记得上一次做这个项目中，有一个学员问我，要看战俘是日本人还是美国人，我说这有区别吗？他回答说如果要是日本人就杀，是美国人就得手下留情。
5.我记得全几年放得一部很火热的国产电影《集结号》，当谷子李的指导员被国民党的炮弹炸成两节，最后胜利国民党投降时，谷子李让国民党兵拿起放下的枪，再一一将他们击毙。
6.再假设我们是一个突击队，在执行任务时，遇到狙击手，一声枪响有战友被击毙，当你们判断出枪声的来源时，身边又一名战友被击毙，这个时候你们绕过狙击手的背后将他俘虏，狙击放下枪说不打了我投降，此时身边躺着的两位战友血还未干，还在说临终遗言。
这个时候你能平静下跟对方狙击手说，放心，你不要害怕，我们不会杀你吗？7.我想问一下各位，如果此时的你们被关在战俘营，假设这个战俘营里的电网孔够大，我们想不想突围出去，想不想回家。
任务：首先选出一名总指挥，有谁愿意来承担这个角色，1分钟内选出一名总指挥。
史蒂芬。霍金生平简介
生平简介:史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），1942年1月8日在英国伦敦出生，曾先后毕业于牛津大学和剑桥大学三一学院，并获剑桥大学哲学博士学位。
他在之所以轮椅上坐了40年，是因为他在21岁时就不幸患上了会使肌肉萎缩的卢伽雷氏症，演讲和问答只能通过语音合成器来完成。
英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是本世纪享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。
1942年1月8日生于英国牛津的霍金刚好出生于伽利略逝世300周年纪念日之时。
70年代他与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。
他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。
他还证明了黑洞的面积定理。
霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一。
他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务，那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。
他拥有几个荣誉学位，是英国皇家学会会员。
他因患“渐冻症”（肌肉萎缩性侧索硬化症卢伽雷氏症），禁锢在一把轮椅上达40年之久，他却身残志不残，使之化为优势，克服了残废之患而成为国际物理界的超新星。
他不能写，甚至口齿不清，但他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”。
尽管他那么无助地坐在轮椅上，他的思想却出色地遨游到广袤的时空，解开了宇宙之谜。
霍金的魅力不仅在于他是一个充满传奇色彩的物理天才，也因为他是一个令人折服的生活强者。
他不断求索的科学精神和勇敢顽强的人格力量深深地吸引了每一个知道他的人。
他被誉为“在世的最伟大的科学家”＂另一个爱因斯坦＂"不折不扣的生活强者＂"敢于向命运挑战的人"。
[编辑本段]相关作品:《时间简史续编》作为宇宙学无可争议的权威，霍金的研究成就和生平一直吸引着广大的读者，《时间简史续篇》是为想更多了解霍金教授生命及其学说的读者而编的。
第六讲：黑洞
更有趣的是，有些恒星不仅是朝着地球发出的 光能直接到达地球，它朝其它方向发射的光也 可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。
这样我们不 仅能看见这 颗恒星的 “脸”，还 同时看到它 的侧面、甚 至后背！
“黑洞”无疑是目前最具有挑战性、也最 让人激动的天文学说之一。许多科学家 正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着， 新的理论也不断地提出。 既然黑（理论预言）那么如何探测呢？
等恒星的半径小到一特定值（天文学上叫 “史瓦西半径”）时，就连垂直表面发射的 光都被捕获了。到这时，恒星就变成了黑洞。 说它“黑”，是指它就像宇宙中的无底洞， 任何物质一旦掉进去，“似乎”就再不能逃 出。实际上黑洞真正是“隐形”的。 那么，黑洞是怎样形成的呢？其实，跟白矮 星和中子星一样，黑洞很可能也是由恒星演 化而来的。
当时的人们并未为此担心，因为所有 已知的物体的密度都达不到使这个内 部区域扩大到物体之外的程度，即对 于所有已知情况，史瓦西解的这个奇 怪部分都不适用。
阿瑟.斯坦雷.爱丁顿（Arthur Stanley Eddington） 曾考虑过一颗死亡的恒星坍塌后可能达到这个密 度，但从审美的角度出发不太愉快地将其抛弃了， 并人为应该有新的理论补充进来。
根据科学家的猜想，物质将不可阻挡地 向着中心点进军，直至成为一个体积趋 于零、密度趋向无限大的“点”。
而当它的半径一旦收 缩到一定程度(史瓦 西半径)，正象我们 上面介绍的那样，巨 大的引力就使得即使 光也无法向外射出， 从而切断了恒星与外 界的一切联系—— “黑洞”诞生了。
与别的天体相比，黑洞是显得太特殊了。例 如，黑洞有“隐身术”，人们无法直接观察 到它，连科学家都只能对它内部结构提出各 种猜想。
霍金的黑洞理论
霍金的黑洞理论黑洞是宇宙中最神秘、最具吸引力的天体之一。
而霍金的黑洞理论则是对黑洞性质的深入研究和解释。
本文将介绍霍金的黑洞理论的基本概念、原理以及对宇宙学和物理学的重要影响。
一、黑洞的基本概念黑洞是一种极为紧密且强大的天体，它的引力非常强大，甚至连光也无法逃脱。
黑洞的形成是由于恒星在耗尽燃料后发生坍缩，形成极为紧密的物质团块。
根据质量的不同，黑洞可以分为恒星质量黑洞和超大质量黑洞。
二、霍金的黑洞理论的原理霍金的黑洞理论是基于量子力学和广义相对论的结合，他提出了黑洞辐射的概念，即“霍金辐射”。
根据他的理论，黑洞并非完全黑暗，而是会发出微弱的辐射。
这种辐射是由于黑洞周围的虚粒子对的产生和湮灭所引起的。
三、霍金辐射的原理根据量子力学的原理，虚粒子对可以在真空中的短暂存在。
当这些虚粒子对在黑洞附近产生时，其中一个粒子可能会被黑洞吸收，而另一个则逃逸到外部空间。
这个逃逸的粒子就是霍金辐射。
由于黑洞吸收了一个粒子，它的质量会减小，从而导致黑洞的蒸发。
四、霍金辐射的影响霍金辐射的发现对宇宙学和物理学产生了重要的影响。
首先，它改变了人们对黑洞的认识。
以前人们认为黑洞是完全吸收一切的，但霍金辐射的发现表明黑洞也会发出物质。
其次，霍金辐射也对宇宙学的起源和演化提供了新的思路。
它使得人们能够研究黑洞的演化过程，了解宇宙的起源和发展。
此外，霍金辐射还对量子引力理论的发展产生了重要影响，为人们探索统一理论提供了新的线索。
五、未来的研究方向尽管霍金的黑洞理论已经取得了重要的突破，但仍然有许多问题有待解决。
例如，如何解释黑洞内部的物质状态以及黑洞的信息丢失问题等。
未来的研究将继续深入探索黑洞的性质和行为，以及黑洞与宇宙学、量子力学之间的关系。
总结：霍金的黑洞理论是对黑洞性质的深入研究和解释。
他的理论提出了黑洞辐射的概念，即“霍金辐射”，改变了人们对黑洞的认识。
霍金辐射的发现对宇宙学和物理学产生了重要的影响，为人们研究宇宙的起源和演化提供了新的思路。
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（4）钱德拉塞卡极限
1.4M
1934年提出（24岁） 爱丁顿反对！ 爱因斯坦也不赞同。
1983年（73岁）获诺贝尔物理奖！
四、中子星与脉冲星
（1）中子星的预言 中子的发现 玻特（1930） 约里奥夫妇（1931） 查德威克（1932）
中子星的预言 朗道（1932） （几乎与钱德拉塞卡同时指出，白矮星 有质量上限，结论相似）
10 M 的黑洞， 与水差不多
8
二 恒星的演化 赫罗图 （赫茨普龙-罗素）
恒星的演化 赫罗图
光谱型：O,B,A,F,G,K,M
Oh, be a fine girl, kiss me!
恒星的演化
主序星→红巨星→白矮星
~1吨/cm3
~10亿吨/cm3
~100亿吨/cm3
1.4 M
1731年，英国的一个医生发现蟹状星云。 1919年，认识到蟹状星云为1054年超新 星爆发遗迹。 1928年，测出膨胀速度1100公里/秒，认 识到中心小暗星为爆发残留物。 1968年，发现小暗星是脉冲星。 结论：超新星爆发 中子星（脉冲星）
（2）超新星简介 银河系平均 4 颗/百年 1天发的光=太阳1亿年发的光
事件视界（类光超曲面， 零超曲面） 法矢量倒在了曲面上， 与一个切矢量重合 法矢量长度为零 视界以内的任何物体 和信号均不能跑出视 界
2
时空坐标互换
2GM 2 2 2GM 1 2 ds (1 2 )c dt (1 2 ) dr r 2 d 2 r 2 sin 2 d 2 c r c r 2GM + + + r 2 c 2GM r + + + 2 c
陶宏（陶行知先生之子）著
1949.1.22 北平停战之日写于北大红楼
对白矮星的描述 对中子星的预言 广义相对论对黑洞的预言
《陶行知文集》
陶行知先生 上知天文 下知地理 中晓人和 全心致力于平民教育事业， 不愧为伟大的教育家
一、历史上的黑洞
200年前（拿破仑时代） 米歇尔（1783） 暗星 拉普拉斯（1796） 《宇宙体系论》 《天体力学》
奇环 2 单向膜区在r+与r-之间 存在能层
r M M 2 a 2 cos 2 Q 2 r 0 且
a 0 回到R—N黑洞 Q 0 回到Kerr黑洞 a 0, Q 0 回到史瓦西黑洞 2 2 2 a Q M 极端黑洞，r r M 2 2 2 a Q M 裸奇环 存在闭合类时线！
（2）转动的黑洞（Kerr黑洞） 两个视界 r M M a ，
2 2
a
r
GM GM 2 J 2 ( ) ( ) 2 2 c c Mc
J Mc
两个无限红移面
奇环 r 单向膜区在r+与r-之间 存在能层
r M M 2 a 2 cos2 0且 2
1939年，奥本海默在研究中子星时， 再次预言“暗星”的存在。
广义相对论 光子 m c2
2GM rg c 2
太阳半径 70万千米，密度1.4克/cm3 暗星半径 3千米，密度100亿吨/cm3 当时已知密度最大的物质是构成白矮星 的物质 ~1吨/cm3
黑洞的密度
质量 M ~ 3 ，rg ~ 2M 密度= 体积 rg 1 黑洞 ~ 2 M
r
无穷远观测者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗 火箭上的飞行员：穿过视界进入黑洞，潮汐力不断加大
潮汐力
从静止开始自由下落的质点，4.7微秒后 到达视界，5.3微秒后到达奇点。
1M 的黑洞，在洞外距奇点12公里处
火箭上的人：感到潮汐力增大，被撕碎 压入奇点，时间终结。 洞外的人：火箭冻结在黑洞表面，并未 进入黑洞，但消失在黑暗中。
s
a 0 回到史瓦西黑洞 a M 极端黑洞， r r M
a M 裸奇环
裸奇环附近存在闭合类时线 穿越奇环的游戏
（2）Kerr—Newman黑洞（转动且带电） r M M a Q , 两个视界
2 2 2
两个无限红移面
s
GM GM J 2 GQ 2 r 2 ( 2 ( ) 4 c c Mc c
（2）奥本海默极限 M 1.4M 中子星 M 3M 继续坍缩（1939年） 奥本海默极限 约 3M 中子星密度 1~10亿吨/cm3
（3）脉冲星的发现 休伊士，贝尔（1967） 巡天观测，“小绿人”
（4）脉冲星就是中子星 中子星磁场极强 自转轴与磁轴不重合 自转极快（恒星收缩时角动量守恒） 660转/秒
∴ 洞外 洞内
r空间 r时间
t时间 t空间
单向膜区 洞内是单向膜区 时间指向奇点 进入黑洞的物体不能停留，落向奇点 （与时俱进！） 黑洞内部全是真空 r=0不是球心，而是时间的终点
黑洞表面 事件视界 单向膜区的起点 无限红移面
落向黑洞的火箭
2GM （视界） r r=0奇点 c2
1834年发现，天狼星位置有周期变化， 28年后发现伴星， ~2.5吨/cm3 白矮星，2万度
（2）白矮星的形成 主序星（100亿年）
中心1500万度 H He
红巨星 （外层 H He，
白矮星 （内核收缩，
温度达1亿度） 氦闪！宇宙的 一瞬间
膨胀）
氦闪： He C,O 100万年
1刹那=1念=0.018秒 1瞬间=20念=0.36秒 1弹指=20瞬间=7.2秒 1罗预=20弹指=2.4分 1须臾=20罗预=48分 1昼夜=30须臾=24小时
2~3 M
中子星
超新星爆发
黑洞
钱德拉塞卡极限
奥本海默极限
恒星的演化
全部炸飞
恒星密度与半径的比较
半径 太阳 70万千米 密度 1.4克/cm3白ຫໍສະໝຸດ 星中子星 黑洞1万千米
10千米 3千米
1吨/cm3
1~10亿吨/cm3 100亿吨/cm3
恒星尺度的比较图
三、白矮星与红巨星
（1）天狼伴星（天狼B星） 天狼（大犬座 ），距我们9光年， 最亮的恒星。
举长矢兮射天狼,操余弧兮反沦降——屈原 会挽雕弓如满月,西北望,射天狼——苏东坡
唐宋八大家 • 韩 愈，柳宗元。 • 欧阳修 苏 洵， 苏 轼，苏 辙 王安石 曾 巩
后汉书. 范滂传
离我们最近的恒星 南门二（半人马座 ） 三合星（聚星），其中A、B星相互 较近，较亮，4.35光年；C星（比邻星） 4.28光年。 牛郎星距地球16.5光年， 织女星距地球26.3光年， 牛郎距织女16光年。
（4）中国现代对超新星的观测
北京天文台，李卫东
（5）是否存在夸克星或奇异星 对中子星的疑问： 为何观测到的脉冲星质量均在 1.4M 左右？ 是否存在其他致密星？ 有人认为中子态并非基态，基态是奇异夸克 态 中子星 夸克星（中心是夸克汤） 为何钱德拉塞卡极限与奥本海默极限接近？
用万有引力定律，未用广义相对论。
1 2 2 光子动能误为 mc ，而不是 m c 2
两个错误相互抵消
正确的结论！
当时不知道光速是极限速度，因此光虽 无法逃离暗星，其它物体仍有可能逃离。
天体力学第一版、第二版均谈到暗星， （1796）（1799） 但第三版取消 （1808） 托马斯·杨1801年完成双缝干涉实验
超新星爆发
爆发过程 主序星 超红巨星（中心30亿度，形成铁核） M 8M 白矮星状态铁核 如铁核 1.4M 会突然坍缩，0.1秒内 升温达50亿度（形成中子态） 非中子化外层坍缩砸在核上，发生反 弹，即超新星爆发 中子星或黑洞
（3）超新星与地球 构成固体行星的重元素是超行星爆发 的产物，爆发时抛入太空，被恒星吸引， 聚集成行星。
氦闪之后，红巨星继续膨胀，抛出气体 形成行星状星云，内核坍缩成为白矮星。
（3）白矮星的原理与演化 白矮星的支撑力：泡利斥力
电子自旋 泡利不相容原理 电子自旋 ——乌伦贝克，高斯密特（爱仑菲斯特） 1925 （泡利的失误）
白矮星大量存在 白矮星靠电子间泡利不相容原理的斥力 支撑 白矮星的结局——黑矮星
第六讲 白矮星、中子星与黑洞
赵峥 北京师范大学
一、历史上的黑洞 二、恒星的演化 三、白矮星与红巨星 四、中子星与脉冲星 五、超新星爆发 六、对黑洞的早期认识
引子一：加尔各答黑洞
加尔各答黑洞
20平方米，3个犯人 关进146名俘虏，10小时后，123人死 去，仅23人存活。
引子二： 《每月之星》
“天空中存在着黑暗的天体，像恒星那样 大，或许像恒星那样多。一个具有与地 球同样密度，而直径为太阳250倍的明 亮星体，它发射的光将被它自身的引力 拉住，而不能被我们接收。正是由于这 个道理，宇宙中最明亮的天体很可能却 是看不见的。” ——拉普拉斯
GMm 1 2 mc r 2
2GM r rg 2 c
史瓦西黑洞 r 0 奇点（曲率发散）
2GM r 奇面（曲率不发散） 2 c
无限红移面 dt d / 1 2GM 2
c r
无穷远观测者时间
星球表面处的时间
0
无穷远观测者收到的光的频率 星体发出的光的频率
2GM 1 2 c r
2GM 当星球形成黑洞时， r 2 c 0 此时 dt ，
（6）黑洞的形成 奥本海默极限 ～ 3M 坍缩星体质量 奥本海默极限 2GM 物质坍缩进引力半径 rg c 2 黑洞 惠勒反对；内爆模拟证明奥本海默对！