黑洞疑难
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。
黑洞的高考知识点
黑洞的高考知识点在宇宙中，黑洞是一种极其神秘而又令人着迷的天体现象。
黑洞由于其强大的引力和吞噬一切的特性，一直备受科学家们的关注。
而对于高中生来说，了解黑洞的相关知识点也是高考物理考试中不可忽视的一部分。
本文将为大家介绍一些与黑洞相关的高考知识点，帮助大家更好地理解和学习。
1. 黑洞的定义黑洞是宇宙中一种具有极强引力场的天体。
它的引力场是如此强大，以至于连光也无法逃脱。
黑洞内部的物质会被压缩到无限密度，形成一个无法想象的奇点。
2. 黑洞的形成黑洞通常由恒星坍塌而成。
当恒星质量非常大时，核聚变反应会耗尽，而引力将使恒星收缩和坍塌。
当恒星的质量大于一定的临界值时，坍塌形成黑洞。
3. 黑洞的结构黑洞分为黑洞事件视界和奇点两部分。
事件视界是黑洞最外部的边界，超过该边界的物质将无法逃脱，而奇点是黑洞中心的无限密度处。
4. 黑洞的特性黑洞具有三个基本特性：质量、旋转和电荷。
质量是黑洞最重要的属性，它决定了黑洞的引力强度。
黑洞的旋转是因为原恒星在坍缩过程中的角动量守恒导致的。
电荷则是黑洞带有的电磁特性，但目前尚未有确凿的证据表明黑洞带有电荷。
5. 黑洞的辐射相对论预测了一种黑洞辐射，称为“霍金辐射”。
霍金辐射是由虚实粒子对的产生和湮灭而引起的，即在黑洞周围产生了一个粒子/反粒子的对，其中一个粒子掉入黑洞而另一个逃逸。
6. 黑洞的观测由于黑洞的特殊性质，直接观测黑洞非常困难。
目前，科学家们主要借助于间接的观测方法来研究黑洞，如通过黑洞产生的引力对周围物质的影响进行观测。
总结起来，黑洞作为宇宙中最神秘、最具有挑战性的天体，对于高中生来说，掌握与黑洞相关的知识点有助于理解宇宙的奥秘以及物理学的基本原理。
希望本文所介绍的黑洞的定义、形成、结构、特性、辐射和观测等知识点能够对大家备战高考有所帮助。
什么是黑洞的原理
什么是黑洞的原理黑洞是一种极为特殊的天体，它的质量非常大，却坍缩成了一个无限小的点，即称为“奇点”。
黑洞的存在可以通过它的引力效应来体现——对于任何足够靠近的物质，都会被黑洞的引力所吸引，最终被拉入黑洞内部，永远无法逃脱。
在黑洞边缘，物质会被加速到极速，发出极强的辐射，这也是黑色的原因。
黑洞的形成是由于恒星陨落导致的，当足够大质量的恒星在引力坍缩作用下，以远高于常规恒星爆炸的速度发生内部坍缩时，就会形成一个黑洞。
当然，仅内部重力的坍缩是不足以形成黑洞的，它还需要满足另一个很特殊的条件——叫做“事件视界”。
“事件视界”是黑洞的边界，现在我们可以将其理解为黑洞表面，即黑洞造成的空间扭曲到一定程度。
在这个边界之内，所有的东西都无法逃离黑洞的引力，即使是光也不能穿过，在事件视界内，物质向黑洞注入的动能足够大，会使物质隐匿在黑洞的内部，成为了黑洞内的物质。
一旦物质被吞噬，黑洞的质量就会增加。
在物质被黑洞吞噬之后，黑洞内部逐渐形成一个非常密集的聚集体，坍缩到极限，核心形成一个超高密度的奇点。
在奇点内部，物质密度达到了无限大，引力场的形态随着奇点的存在变得无规律，成为了完全不可预测的存在。
在我们对黑洞的了解中，有一个经典的理论————”霍金辐射”。
这个理论就是指黑洞也有辐射，它会以极小的速率（这个速率和黑洞的质量成反比）向外发射一种叫做“黑洞辐射”的粒子。
虽然这个过程非常微小，但在极长的时间尺度上，“霍金辐射”将导致黑洞逐渐失去质量，逐渐“蒸发”，最后在某个时间点彻底消失。
当然这个过程的时间尺度是在亿万亿年以上级别的，所以我们不必担心这样的事情会在自己的生命周期内发生。
总的来说，黑洞的形成是因为恒星坍塌，满足了特殊的条件，形成了“事件视界”，使物质注入后形成一个无限密集的奇点。
而黑洞的特殊性质，让我们对它的探索与研究充满了兴趣和困惑。
黑洞的形成和原理
黑洞的形成和原理
黑洞是宇宙中一种极其密集的天体，其形成和原理可以通过以下几个步骤来解释：
1. 星体演化：黑洞的形成通常与大质量恒星的演化过程有关。
当一颗大质量恒星耗尽了核心的氢燃料，核聚变反应停止，恒星内部的热核反应失去平衡。
在这种情况下，恒星的核心会坍缩，外层的物质会被抛射出去形成一个超新星爆发。
2. 坍缩形成黑洞：当恒星的核心质量超过了一定的临界值（通常为太阳质量的3倍左右），坍缩就会继续进行，形成一个黑洞。
这个过程被称为引力坍缩。
3. 事件视界：黑洞的主要特征是其具有非常强大的引力场，以至于它的引力能够阻止所有物质和光线逃离其表面。
这个边界被称为事件视界，超过事件视界的任何物体都无法逃脱黑洞的引力。
4. 奇点：黑洞的核心被称为奇点，是一个极端密度和温度的点。
在奇点中，物理学的规律无法解释，因为黑洞内部的情况超出了我们目前对宇宙的认知。
总的来说，黑洞的形成和原理涉及到大质量恒星的演化和引力坍缩的过程。
黑洞是宇宙中最极端的天体之一，对于我们理解宇宙和引力的本质有着重要的意义。
深度解析黑洞科学原理
深度解析黑洞科学原理黑洞是宇宙中最神秘的物体之一，拥有如此强大的引力以至于无法逃脱。
虽然黑洞在科幻小说中是一种奇幻的存在，但是它们的存在在现实生活中也得到了证实，并且是天文学研究中的热点之一。
然而，很多人可能还不太了解黑洞的科学原理。
本文将深入探究黑洞的形成、性质和实际应用。
一、黑洞形成黑洞是由巨大恒星坍塌而成的。
当恒星的核燃料耗尽时，核心会崩塌并形成一个非常致密的区域，称为中子星。
如果这个区域过于致密，引力将变得异常强大，引力场会将周围物质吞噬，并将这个区域拉成一个更小、更密集的物体——黑洞。
这种过程被称为亚原子核物质坍缩。
黑洞的形成需要一定的重量、半径和密度水平。
只有符合这些条件的物体才有可能成为黑洞。
二、黑洞的特性黑洞的引力非常强大，它将周围的一切物质吞噬。
这甚至连光线也无法逃脱，因此我们无法直接观测到黑洞。
但是，科学家推断黑洞的存在和性质的方式是观察周围物体的轨迹和其他可见量的变化。
事实上，黑洞周围的物体常常会形成“吸积盘”，这是一种高温、高压环境中的气体盘，由于物质被黑洞吸引，它们将绕着黑洞旋转。
这个过程会释放出高能辐射，包括X射线和伽玛射线。
另一个有趣的特性是黑洞的事件视界，这是一个半径为Schwarzschild半径的球体。
它是一种超出了事件视界的物体是无法回去的表面。
因此，当物体跨过这个边界时，它就永远地被黑洞吸收，无法逃脱。
三、黑洞的实际应用尽管黑洞是宇宙中最神秘和有趣的物体之一，但科学家们正尝试利用黑洞的某些特性来解决一些涉及宇宙探索、引力波探测等的问题。
事实上，黑洞在实际应用中有许多提高我们生活质量的潜力。
1.引力波引力波是从物体变形或加速时产生的扰动。
自上世纪末以来，科学家一直在尝试寻找引力波，因为它们可以帮助我们探索宇宙中更深层次的事物。
但是，引力波非常微弱，很难被检测到。
幸运的是，黑洞碰撞时的引力波是强大得多。
科学家通过探测到这些引力波来了解宇宙中更高级别的结构。
2.蓝移天体蓝移天体是指在宇宙中光谱中非常蓝的物体。
黑洞信息佯谬落入黑洞的信息丢失了吗
1271 黑洞信息的疑难黑洞无毛定理[1]是指所有掉入黑洞的物质其所有信息都将失去，从而无法得知黑洞内部状态。
外部观测者只能知道黑洞的总质量、总电荷和总角动量。
虽然外部观测者无法得知黑洞的内部信息，但这些信息并未消失，只是被“封锁”在黑洞内部“看不见”而已。
然而，霍金辐射[2]理论可推导出黑洞会通过热辐射蒸发。
由于纯粹热辐射带不走任何的信息，但在黑洞辐射的最后，所有的内部信息将彻底消失——黑洞信息佯谬。
显然，这一结果不仅会破坏物理学中许多重要定律，如重子数守恒、轻子数守恒等，而且会给目前以量子力学的基本原理——幺正性与几率守恒为基础所取得的所有重要成果带来灾难。
因此，黑洞信息丢失问题这一物理学危机，成为广义相对论与量子引力这两大物理理论碰撞的焦点。
1997年，霍金(Stephen Hawking)和另一位相对论专家索恩(Kip Thorne)就曾与粒子物理学家普瑞斯基(John Preskill)打赌(图1)：霍金与索恩认为黑洞发出的辐射过于杂乱无章，以至于即使理论上也无法检测到任何关于黑洞的有用信息；普瑞斯基的观点则是，即便物理学家可能需要一套完整的量子引力理论来完美解释其背后的机制，但信息仍会以某种方式逃离黑洞。
2004年7月，霍金突然宣布他输了，理由是：根据黑洞互补理论[3]，对于黑洞内外两个观测者分别而言，穿过黑洞事件视界的信息既反射出来又进入内部，永不逃逸(因为没有人可以同时观察到两种情况，所以并不会产生矛盾)。
霍金愿赌服输，以一本百科全书作为赌注赠给了普瑞斯基，但索恩却拒绝认输，为故事后来的发展埋下伏笔。
在近期的研究中，这个问题终于迎来突破性进展。
理论物理学家发现，黑洞内部的信息的确从黑洞中完全逃逸出来，并没有任何信息的丢失。
为表彰对这一系列研究作出重要贡献的几位杰出物理学家，2021年的新视野物理学奖颁发给了阿姆黑利(Ahmed Almheiri)、马克斯菲尔德(Henry Maxfield)、恩格哈尔特(Netta*国家自然科学基金项目(11875184)†通信作者，研究方向：引力与黑洞物理、规范场/引力对偶的应用、强关联体系输运性质和相变。
Kerr-Newman（KN）黑洞能层内的负能量疑难
Kerr-Newman（ KN）黑洞能层内的负能量疑难摘要：计算表明KN黑洞在能层内负能量态的表达式存在疑难，提出了KN黑洞的分层结构，分层结构可以部分地消除负能量疑难。
关键词：Kerr-Newman黑洞；能层；负能量；分层结构。
1．引言Keer-Newman黑洞在能层内的killing矢量场类空，物体在此区域内能量可正可负，通过物体能量的表达形式分析表明任何自由落体进入能层其能量都会变为负值，这与物体沿测地线运动能量守恒相矛盾，本文称此为“负能量疑难”，负能量疑难出现的原因在于能层内时空的结构。
2．KN黑洞的能层：2.1KN黑洞的度规［1］：2 .2 KN黑洞的能层：处为外视界，处为外无限红移面，区域为K-N黑洞的能层，由于在能层内大于0，此时killing矢量场类空，物体在此区域内能量可正可负。
2.3 物体在KN黑洞能层内的能量：τ为过程的固有时。
3．KN黑洞能层内的负能量疑难：3.1 KN黑洞能层内的负能量疑难：若物体在能层中的能量为负，整理2.3中的关系式有：考虑在的赤道面上，记为在能层内为正值，可见，对于黑洞的角动量J足够小，则亦足够小的情况，极限的情况是满足：此关系式是确保进入能层的物体不超光速。
只要满足此情况，任意物体进入能层其能量均为负。
自由落体沿测地线只要进入K-N黑洞的能层，（即便考虑到拖拽效应，自由落体在能层中的角速度要小于黑洞自转的角速度）应其能量便为负值。
能层内可以存在的物体满足：对于和为零情况的解为：由于在能层内和为正值，和不为零情况解的范围比以上范围要小。
可以证明与是有重叠区域的，而：负能量状态在的范围内。
正能量状态在的范围内。
由联合光速限制条件：，可得：，即：当黑洞的单位质量的角动量满足此关系式时，正能量物质才可以在能层内存在。
这样，人们在假设一个K-N黑洞的时候，必须同时要求该黑洞的角动量满足：，换言之，考虑到能量守恒，的K-N黑洞就不应该存在。
在外视界处，有：此即为粒子在外视界以光速运动时的角速度。
黑洞的奥秘发言稿
黑洞的奥秘发言稿尊敬的听众们，大家好！今天我非常荣幸能够站在这里，与大家分享关于黑洞的奥秘。
黑洞是宇宙中最神秘也最引人入胜的天体之一，它那强大的引力和奇特的性质令无数科学家和探索者着迷。
首先，让我们先了解一下黑洞的定义。
黑洞是一种由质量极大的天体诞生的天体，其中质量密度非常高，以至于弯曲周围空间时间，并形成了一个不可逆转的事件视界，将一切物质和辐射吞噬。
黑洞的核心是奇异点，也称为奇点。
奇点是物质密度无限大和引力场也无限大的地方，在奇点附近，我们已经无法用目前的物理规律解释其中发生的事情。
这也是黑洞内部的真正奥秘所在。
我们目前对奇点的了解非常有限，需要更深入的研究和突破才能揭开其中的奥秘。
黑洞的奇特性质之一就是它的引力场非常强大。
黑洞对周围的物质和辐射具有极强的吸引力，甚至连光都无法逃离其引力场，因此我们看不见黑洞，只能通过其周围物质的运动轨迹来间接观测。
当物质接近黑洞时，被引力拉扯得越来越强，最终被黑洞吞噬，进入事件视界内。
另外一个有趣的特点是黑洞的质量越大，吞噬的物质和辐射越多，形成的事件视界就越大。
质量足够大的黑洞可以吞噬甚至整个恒星，甚至整个星系。
这也是我们发现宇宙中存在大量超大质量黑洞的原因之一。
关于黑洞的形成，目前有几种主要的理论。
一种理论是质量极大的恒星在它们的生命周期结束时，会发生重力坍缩，形成一个黑洞。
另一种理论是在宇宙的早期，原始物质凝聚形成原始黑洞。
还有一种理论是一些超级大质量恒星在超新星爆炸后，残余物质坍缩形成黑洞。
黑洞的研究是一个极具挑战性的领域，因为它涉及极端的物理条件和极高的能量。
我们需要更强大的望远镜和探测器来观测黑洞，并通过数值模拟和理论推导来研究黑洞的性质和行为。
同时，我们也需要深入研究和理解黑洞的内部结构和奇点。
黑洞的奥秘远未揭开，但我们有理由相信，在科学家们的不懈努力下，我们一定能够逐步揭开这个宇宙中最神秘的面纱。
黑洞不仅仅是宇宙中一个有趣的研究对象，它的研究也对我们理解宇宙的起源、演化和宇宙中的其他现象具有重要意义。
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由于能量守恒，辐射谱不是严格黑体谱
辐射谱必须修正
此修正保证了量子引力的幺正性
没有信息丢失！
• 张靖仪、赵峥等的工作： 把Parikh的证明推广到旋转、带电的稳态黑洞
Jingyi Zhang, Zheng Zhao, Modern Phys. Lett. A 20 (2005) No. 22. 1673
（2）真实黑洞与理想黑洞（平 庸拓扑和非平庸拓扑）
• 理想黑洞的度规是拓扑非平庸的，信息会 丢失。
• 真实黑洞的度规拓扑是平庸的，信息不会 丢失。
（3）散射过程
• 真实黑洞的形成和蒸发可以被视作散射过程。
∞ 弱场
强场
∞ 弱场
此散射过程，信息守恒。
5、对霍金新观点的质疑
（1）落入黑洞的信息必定有部分丢失。 （2）部分信息有可能从黑洞中重新逸出，部
的。
• 但是有两点疑问：辐射在穿越量子能层时， 会发生什么？
• 上述证明用的是渐近方程，如果不采用渐 近方程会否带来对热谱的修正？
（C）光锥张角改变
AB是类空曲线
如果光锥在扰动下张 开，AB将可能类光或 类时
假如黑洞视界附近的时空被扰动，将可能 使光锥张角涨落，有可能使洞中信息逸出。
Ⅱ 奇点疑难
1、什么是奇点 2、奇性定理 3、奇性带来的物理异常及引发的猜想 4、对奇性定理证明的质疑 5、自由光线的加速度 6、钟速同步与第零定律
1、什么是奇点
（1）时空曲率发散 描述曲率的标量
R, R R , R R
物质密度
• Shwarzschild 时空
r 0, R R
48M 2 r6
分信息有可能作为“炉渣”被留下来。
（1）为何必定有部分信息丢失？
• 对于微观黑洞，霍金的新观点也许正确。 • 对于宏观黑洞则不然
黑洞与外界的热平衡不稳定
T1 T2 11
0 C1 C2
• 黑洞与外部的温差，必将导致热流。这 是一个不可逆过程，必将导致熵增加。
• 按照信息理论
信息=负熵
熵
信息
∴落入黑洞的物质的信息必定会有丢失 （至少会丢失一部分）
• 我已经解决了黑洞蒸发的信息佯谬。对于 真实的黑洞，信息可以从洞中逸出。
（1）对偶猜想 （2）真实黑洞与理想黑洞（平庸拓扑和非平
庸拓扑） （3）散射过程
（1）对偶猜想
• ADS/CFT 反de Sitter空间中的超引力 反de Sitter空间边界上的共形场论
• CFT理论是幺正的 反de Sitter空间一定信息守恒 落入反de Sitter空间中的黑洞的任 何信息必定会跑出来
＊Phys. Lett. B 618 (2005) 14
Nuclear Phys. B 725 (2005) 173 J.High Energy Physics 10 (2005)055:1-6 Phys.Lett.B 638 (2006) 110 （＊Thomson 奖文章，2008）
• 推广到各种黑洞，发现均用了公式
（＊张靖仪与赵峥获Thomson中国卓越研究 奖文章探讨此问题）
1、无毛定理（1967）
• 对洞外观测者来说，坍缩进黑洞的所有物 质的信息（毛）全部丢失，只有总质量、 总角动量和总电荷除外。 只剩三根毛：M, J, Q
• 失去的信息永远保留在黑洞内部
2、Hawking热辐射 ——量子效应（1974）
• 物理学中 有质量守恒、能量守恒、电荷守恒…… 但 没有信息守恒定律。 热力学第二定律 熵不守恒 信息 不守恒 ∴应该预期：量子引力不一定具有幺正性
（2）信息从洞中部分逸出的可 能途径
（A）隧道效应 （B）非稳黑洞 （C）光锥的改变
（A）隧道效应
辐射谱是严格 黑体谱吗？
• F.Wilczek和M.Parikh：对史瓦西黑洞和R-N 黑洞（球对称静态黑洞），辐射时黑洞会 有收缩
黑洞疑难
赵峥 北京师范大学
2008定律有关）
Ⅱ 奇点疑难 （可能与热力学第三定律有关）
Ⅲ 动力学黑洞 （霍金辐射产生自何处？）
Ⅳ 时间度量 （可能与热力学第零定律有关）
Ⅰ 黑洞信息疑难
1、无毛定理（1967） 2、霍金热辐射——量子效应（1974） 3、打赌（1997） 4、霍金的新观点（2004） 5、对霍金新观点及信息守恒的质疑
• 考虑量子隧道效应，黑洞会以精确的黑体 谱进行热辐射，不带出任何信息。
• 黑洞将“蒸发”干净，洞内信息全部从宇 宙中消失。
• 信息的丢失意味着，形成黑洞的量子纯态 全部衰变成混合态。
这将导致
• 熵大量增加 • 轻子数、重子数等守恒定律破缺。 • 量子引力不具有幺正性。
3、打赌（1997）
S.W.Hawking
dQ TdS
因而假定了是可逆过程。
所以，Wilczek与Parikh的方案计算正确，但 是只对理想的〝可逆过程〞成立 ，然而， 所有的真实过程是不可逆的。所以，他们的 工作还不能证明信息守恒。
（B）动态黑洞
• Vaidya 黑洞
ds2 1 2m(v) dv2 2dvdr r 2 (d 2 sin 2 d 2 )
John Preskill
Kip Thorne
黑洞中的信息不会失
黑洞中的信息失去了。 去，一定会以某种机
（信息不守恒）
制跑出来。
（信息守恒）
2004年7月21日
• S.W.Hawking：我输了 • K.Thorne：没有输 • J.Preskill：没有听懂我为什么赢了。
4、Hawking的新观点
r
rEH 2m 1 2rEH 2m(1 4m )
rAH 2m
k 1 2rEH 4m
T k
2k B
N2 1
e
k
BT
1
rEH 事件视界 rAH 表观视界 rTLS 准静极限面
rAH rTLS rEH
量子能层
我们已证明：Hawking辐射来自事件视
界rEH，不是表现视界 rA，H且热谱是严格
r0
• Kerr-Newman 时空
r M M 2 a2 Q2
外视界（事件视界）和内视界
r 0
奇环，内禀奇异性
2
大爆炸奇点（k=-1, 0的宇宙） 大爆炸与大挤压的奇点（k=+1的宇宙）
（2）用测地不可延伸来定义奇 点
• 假如把曲率发散点从时空中挖掉，时空还 奇异吗？
奇异性（奇点）的定义