【第五节】从爱因斯坦相对论到霍金眼中的宇宙
从爱因斯坦到霍金的宇宙
霍金辐射（1974年）
霍金作报告时候，用弯曲时空量子场论证明：“黑洞有热辐射， 黑洞的温度是真温度！黑洞面积确实是黑洞的熵！”
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电影中的物理科学
许萍
• 诺兰的《星际穿越》是基于美国理论物理学家基普·索恩的理 论成果，而他的理论成果基本都在他的著作《黑洞与时间弯曲》 一书中，本文的科学知识基本都是我在这本著作中看到总结的。
• 基普·S·索恩(Kip Stephen Thorne ，1940年6月1日-至今 )
• 美国理论物理学家 • 主要贡献在于引力物理和天体物
G 8G T g
大质量的恒星会塌陷为黑洞，则是印裔物理学家钱德拉 塞卡的功劳——钱德拉塞卡极限（白矮星的质量上限）。
1.什么是黑洞?
黑洞是空间中有着强大引力的超高密度的天体， 假如太阳质量不变，大小却变成乒乓球那样， 这就是太阳坍缩成了黑洞。
电影中展示的“黑洞”形象
一道光轮环绕着里面的 球形大漩涡，看起来似 乎既从上面弯过去，也 从下面弯过去了。
这个条件在物理上可以由空间上有限 无边的宇宙来满足。
这个条件在物理上可以由局 部膨胀或收缩的宇宙来满足。
一个时空若满足以下条件， 就必 定是存在奇点:
① 强能量条件成立。 ② 一般性条件成立。 ③ 满足时序条件。 ④ 以下三个条件之一成立:
a. 存在封闭陷获面。 b. 存在紧致无边非时序点集。 c. 存在一个点，通过该点的 所有未来(或过去)方向的类光测 地线束的膨胀标量θ最终将变为 负值。
在量子物理中，有一种卡西米尔效 应，允许负能量的存在。假如你使 两块金属板间保持纯粹的真空，并 将它们互相靠近，其间的真空就会 被“压缩”，量子波动的模式也会 减少。最终结果显示，两块板之间 的真空能量会低于其周围的能量。 假如周围的能量为零，那么两板之 间的量子真空能量就会变成负的。
爱因斯坦到霍金的宇宙疑难解释
爱因斯坦到霍金的宇宙疑难解释
史蒂夫霍金在他的《时间简史》论文中是怎么解释宇宙诞生的？爱因斯坦的相对论解释宇宙爆炸理论有什么局限性？
宇宙源自于大爆炸奇点：在大约150～200亿年前，宇宙中的所有星系都聚集在一点，这就是所谓的“大爆炸”。
该时刻的宇宙密度及其空间——时间的曲率均为无穷大。
换言之，弗利德曼宇宙模型所依据的广义相对论预言了宇宙中存在大爆炸奇点，在该奇点处，所有的科学定律全部失效——因为数学上无法处理无穷大数。
如果大爆炸时刻前存在着事件，那么它们不会对大爆炸之后的事件造成任何影响，而依据大爆炸前发生的事件对大爆炸后作出判断的科学预见性也不存在。
这就是说，大爆炸形成宇宙之前的时间是没有意义的广义相对论（General Relativity）：
爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论，统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律，将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空，以取代传统对于引力是一种力的看法。
因此，狭义相对论和万有引力定律，都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。
狭义相对论是在没有重力时的情况；而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。
探索黑洞的奥秘——从爱因斯坦到霍金
探索黑洞的奥秘——从爱因斯坦到霍金黑洞是一种极为神秘的天体，它们吞噬着一切接近它们的东西，包括光线。
直到上世纪，人们才开始研究黑洞。
在这一过程中，许多科学家都为黑洞的研究做出了贡献，其中爱因斯坦和霍金这两位科学家的工作尤为重要。
爱因斯坦的贡献爱因斯坦是几何学和物理学理论及实证方面的杰出人物，在黑洞的研究中有着重要的地位。
他提出了广义相对论，该理论对黑洞的研究有着深远的影响。
广义相对论指出，质量会影响空间和时间的度量，使其变形。
当物体质量越来越大时，物体周围的空间弯曲程度也随之增大。
当物体质量越大时，空间的形变更加明显。
当一个物体的质量完全塌缩，就形成了一个黑洞。
爱因斯坦的广义相对论为人们研究黑洞提供了重要的理论依据。
但与此同时，该理论也暴露了黑洞研究中的困境：黑洞太过神秘，人们无法得知其内部的信息。
霍金的贡献霍金是20世纪著名的天体物理学家和宇宙学家，他对黑洞的研究也有着极大的贡献。
霍金为黑洞的质量、旋转、电荷、能量和热力学性质等方面的研究做出了许多重要的贡献。
霍金的最著名的研究成果之一便是“霍金辐射”理论，该理论探讨了黑洞的基本热力学性质和辐射效应。
这一理论指出，黑洞的表面发出一种被称为“霍金辐射”的辐射能量。
这种辐射的温度与黑洞的大小相关，越小的黑洞的辐射越热。
霍金的这一发现进一步验证了黑洞对物质的吞噬不能永远持续下去，即它们会因为辐射失去能量，并以此逐渐蒸发。
结论爱因斯坦和霍金的贡献让我们对黑洞的理解更加深刻。
黑洞是宇宙中最神秘的天体之一，也是宇宙中最具有吞噬能力的天体之一。
尽管我们尚不完全了解它们的内部结构，但通过不断研究，人们总能够逐渐揭开它们神秘的面纱。
从爱因斯坦到霍金的宇宙
爱因斯坦的宇宙是静态宇宙模型，当然，不管爱因斯坦还是霍金，其实都用爱因斯坦广义相对论的爱英斯坦方程。
由于爱英斯坦的静态宇宙模型，所以他在计算一个静态宇宙的时候爱因斯坦方程需要有一个常数，其实这个常数就是后来的宇宙学常数，也就是我们这个时代主流宇宙模型中暗能量的来源。
霍金的宇宙模型其实就是代表现代主流宇宙模型。
现代主流宇宙观就是宇宙学的大爆炸理论，即宇宙起源于约138亿年前一个奇点，大爆炸引起极快速膨胀，当然这种膨胀是均匀的、各向同性的。
现在的宇宙之所以成为现在的样子，都源于此。
目前主流宇宙模型认为，我们的宇宙是有约5%的普通物质，即有电磁相互作用的物质，约25%的暗物质，即无电磁相互作用的物质，以及约70%“神秘”的暗能量。
暗能量是导致目前宇宙在加速膨胀的成分。
当然，这种主流的宇宙模型之所以成为主流，是因为跟我们人类对宇宙的实验观测数据相符得比较好，毕竟，物理学是门实验科学。
但最近哈勃望远镜对Ia型超新星爆炸等观测，得到的宇宙膨胀速度比观测宇宙微波背景辐射得到的数据大。
或许在不久的将来现在的主流宇宙模型会发生变化。
从爱因斯坦到霍金的宇宙答案完整版
白矮星、中子星与黑洞（一）已完成1加尔各答有一个地方叫黑洞。
正确答案：√我的答案：√2约翰·米歇尔提出“暗星”概念是在哪一年？（）A、1769年B、1821年C、1783年D、1785年正确答案： C 我的答案：C3《宇宙体系论》和《天体力学》的作者是（）。
A、约翰·米歇尔B、拉普拉斯C、爱因斯坦D、托马斯·杨正确答案： B 我的答案：B4产生暗星的条件是：（）A、R=2GM/C2B、R<2GM/CC、R>2GM/C2D、R<2GM/C2正确答案： D 我的答案：D5美国“原子弹之父”是：（）A、费米B、西那德C、奥本海默D、约里奥.居里正确答案： C 我的答案：C6白矮星的密度是：（）A、1.4克/CM3B、1吨/CM3C、100吨/CM3D、100亿/CM3正确答案： B 我的答案：B7爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞。
正确答案：√我的答案：√8双缝干涉实验证实了光是波。
正确答案：√我的答案：√9据《每月之星》中记载，白矮星的密度是每立方厘米（）左右。
A、3吨B、2吨C、1吨D、0.5吨正确答案： C 我的答案：C10最先提出暗星概念的人是白矮星、中子星与黑洞（一）已完成1加尔各答有一个地方叫黑洞。
正确答案：√我的答案：√2约翰·米歇尔提出“暗星”概念是在哪一年？（）A、1769年B、1821年C、1783年D、1785年正确答案： C 我的答案：C3《宇宙体系论》和《天体力学》的作者是（）。
A、约翰·米歇尔B、拉普拉斯C、爱因斯坦D、托马斯·杨正确答案： B 我的答案：B4产生暗星的条件是：（）A、R=2GM/C2B、R<2GM/CC、R>2GM/C2D、R<2GM/C2正确答案： D 我的答案：A5美国“原子弹之父”是：（）A、费米B、西那德C、奥本海默D、约里奥.居里正确答案： C 我的答案：C6白矮星的密度是：（）A、1.4克/CM3B、1吨/CM3C、100吨/CM3D、100亿/CM3正确答案： B 我的答案：B7爱因斯坦的广义相对论预言了黑洞。
从爱因斯坦到霍金的宇宙答案完整版
爱因斯坦和量子论与相对论的诞生〔一〕已完成1浮力定律是阿基米德提出的。
正确答案：√我的答案：√2探究式的学习方式由西方传播而来。
正确答案：×我的答案：×3下列选项中属于伽利略的成就的是：〔〕A、重述惯性定律B、用科学的语言阐述了相对性原理C、自由落体定律D、以上都是正确答案： D 我的答案：D4提出杠杆原理的学者是：〔〕A、伽利略B、阿基米德C、亚里士多德D、牛顿正确答案： B 我的答案：B5最早用到物理学这个词的人物是：〔〕A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、孟德斯鸠正确答案： C 我的答案：C6最早使用物理学这个词的人是A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： C 我的答案：C7相对论是关于时空和引力的基本理论。
正确答案：√我的答案：√8爱因斯坦重要的科学发现和创新都是老年时期做的。
正确答案：×我的答案：×9静力学和流体静力学的奠基人是A、苏格拉底C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： D 我的答案：D10“吾爱吾师，吾更爱真理”是谁说的A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： C 我的答案：C11希腊三哲不包括A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、阿基米德正确答案： D 我的答案：D12提出了浮力定律、杠杆原理、重心概念的人是谁：A、柏拉图B、阿基米德C、苏格拉底D、爱因斯坦正确答案： B 我的答案：B13提出惯性定律、相对性原理、自由落体定律的科学家是：A、阿基米德B、牛顿C、伽利略D、哥白尼正确答案： C 我的答案：C14阿基米德的国家被罗马围攻时，他设计的抛石机运用了〔〕。
A、伽利略定律B、牛顿定律C、浮力定律D、杠杆原理正确答案： D 我的答案：D15“格物穷理”是我国哪位理学家提出：A、沈括B、毕升C、朱熹正确答案： C 我的答案：C16苏格拉底、柏拉图和亚里士多德被称为“希腊三贤”。
正确答案：√我的答案：√因斯坦和量子论与相对论的诞生〔二〕已完成1惯性定律的最早提出者是古希腊的德谟克利特。
从爱因斯坦到霍金的宇宙章节测验答案.
从爱因斯坦到霍金的宇宙章节测验答案第一章爱因斯坦和量子论与相对论的诞生一、物理学的开端：经验物理时期1、“给我一个支点，我就可以耗动地球”这句话是谁说的？（B、阿基米德）A、欧几里得B、阿基米德C、亚里士多德D、伽利略2、相对论是关于（A、时空和引力）的基本理论，分为狭义相对论和广义相对论。
A、时空和引力B、时空和重力C、时间和空间D、引力和重力3、“吾爱吾师，吾更爱真理”这句话是谁说的？（C、亚里士多德）A、苏格拉底B、柏拉图C、亚里士多德D、色诺芬4、下列人物中最早使用“物理学”这个词的是谁？（D、亚里斯多德）A、牛顿B、伽利略C、爱因斯坦D、亚里斯多德5、“格物穷理”是由谁提出来的？（B、朱熹）A、张载B、朱熹C、陆九渊D、王阳明6、欧洲奴隶社会比中国时间长，中国封建社会比西方时间长。
（√）7、西方在中世纪有很多创造。
（×）8 阿基米德是欧几里得的学生的学生。
（√）二、伽利略与经典物理的诞生1、哪位古希腊哲学家认为万物都是由原子构成的（D、德谟克利特）A、亚里士多德B、毕达哥拉斯C、色诺芬D、德谟克利特2、“地恒动而人不知，譬如闭舟而行，不觉舟之运也”体现了什么物理学原理？（A、相对性原理）A、相对性原理B、惯性原理C、浮力定理D、杠杆原理3、以下不属于伽利略的成就的是（ B、发现万有引力）A、重述惯性定律B、发现万有引力C、阐述相对性原理D、自由落体定律4、惯性定律认为物体在不受任何外力的作用下，会保持下列哪种运动状态？（C、匀速直线）A、匀速曲线B、加速直线C、匀速直线D、加速曲线5、伽利略的逝世和牛顿的出生都是在1642年。
（√）6、伽利略认为斜面上的运动是冲淡了的自由落体运动。
（√）7、伽利略是奥地利物理学家，近代实验科学的先驱者。
（×）8、《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》与《天体运行论》都是伽利略的著作（×）三、经典物理的三大支柱：经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学1、物理学家焦耳是哪个国家的人？（C、英国）A、德国B、奥地利C、英国D、意大利2、以下哪一项属于经典物理的范畴（A、万有引力定律）A、万有引力定律B、热质学说C、量子论D、狭义相对性原理3、谁完成了光的双缝干涉实验，认识到光是横波，并提出了颜色的三色定理？（D、托马斯·杨）A、伽利略B、牛顿C、爱因斯坦D、托马斯·杨4、“热力学第三定律”的发现者是谁？（B、能斯特）A、克劳修斯B、能斯特C、开尔文D、焦耳5、以下哪个人没有提出“热力学第二定律”？（C、迈尔）A、卡诺B、克劳修斯C、迈尔D、开尔文6、以下哪个人不是“热力学第一定律”的发现者？（D、能斯特）A、迈尔B、焦耳C、赫姆霍兹D、能斯特7、下面哪项不属于电磁学定律？（C、能斯特定理）A、库仑定律B、安培定律C、能斯特定理D、电磁感应定律8、牛顿的主要著作有《自然哲学的数学原理》和《光学》。
从爱因斯坦到霍金宇宙作业答案
从爱因斯坦到霍金的宇宙分)选择题(60分)0000021469 2.01、爱因斯坦在对等效原理的反复试探当中悟出了一个很重要的东西，以为万有引力是一个分)A．场能效应B．几何效应C．时空效应0000021470 2.02、“质量确实是物质的量”那个概念是谁下的分)A．伽利略B．普朗克C．牛顿0000021471 2.03、狭义相对论发表的时期，那时人们所明白的两种力是什么分)A．推动力和摩擦力B．浮力和推力C．万有引力和电磁力0000021472 2.04、太阳的粒子流，像起风一样刮向彗星，形成彗尾，这就叫分)A．宇宙风B．太阳风C．动感光波0000021473 2.05、牛顿的亲人之因此编造苹果故事，是为了让牛顿在和谁争夺万有引力定律的发觉权时取得优势分)A．莱布尼茨B．达朗贝尔C．胡克0000021474 2.06、开普勒发觉行星运动的第三定律以后，开始编什么那个表在后来被航海家和天文学家利用了一百连年。
分)A．《地谷新表》B．《开普勒新表》C．《鲁道夫新表》0000021475 2.07、牛顿和苹果的故事，最先是谁在书中写出的分)A．伏尔泰B．狄尔泰C．泰戈尔0000021476 2.08、谁改良了地心说，开普勒取得了大量他教师的精准的天文观测资料，提出了行星运动的第必然律和第二定律分)A．波普尔B．鲁道夫C．地谷0000021477 2.09、据咱们所知，事实上第一个完成环球航行的人是分)A．恩利基B．郑和C．麦哲伦0000021478 2.010、毕达哥拉斯提出了一个宇宙模型，外面确实是大地等，他那个模型中间的是什么分)A．地心火B．岩浆C．磁铁0000021479 2.011、以下不属于核反映堆的慢化剂的选项是分)A．重水B．石墨C．盐酸0000021480 2.012、以下不属于最先一批在中国开始核弹研究的物理学家的是分)A．钱三强B．杨振宁C．邓稼先0000021481 2.013、向美国联邦调查局进谗言，使得奥本海默调离原子弹实验场的是分)A．惠勒B．泰勒C．席勒0000021482 2.014、以下不属于使原子弹爆炸的方式是分)A．内爆法B．外控法C．枪法0000021483 2.015、二战期间，在美国制造原子弹的核物理专家不包括分)A．希拉德B．泰勒C．魏格纳0000021484 2.016、利用核聚变原理能够制造什么分)A．原子弹B．氢弹C．核反映堆0000021485 2.017、氦一般是两个质子两个中子，因此氦三有分)A．2个质子和1个中子B．3个质子和0个中子C．1个质子和2个中子0000021486 2.018、1930年，普朗克的研究生玻特用阿法粒子，轰击那种铍元素以后，发觉有一种看不见的射线，这种射线穿透能力比X射线还强，这种射线是分)A．伽马射线B．伦琴射线C．中子0000021487 2.019、在约里奥居里发布核裂变实验以后，紧接着又有两个实验室做出该实验。
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v 2Gm R
v----逃逸速度 G----引力常数 R----星球半径 m----星球质量 当星球质量足够大，星球半径足够小，逃逸速度会趋向速度极限——光速
地球被压缩到3mm，太阳被压缩到3km将成为黑洞。
广义相对论对黑洞的解释
美国物理学家慧勒，曼哈顿计划 参与者，黑洞的命名者
黑洞：质量大于8个太阳的，经过爆发后核心形成黑洞。
2、超级大黑洞（星系级黑洞）：普遍存在于星系中心，是星系核心凝聚力 的主要源头。
3、原始黑洞（微体积黑洞）：霍金提出，在宇宙创世之初，能量突变会产生 原始黑洞，体积和分子原子差不多，质量大于10亿吨，由于微小，很容易蒸发。 小于10亿吨的黑洞从宇宙创世之初到现在基本挥发完了。
4、微型黑洞：前苏联科学家提出，普遍存在于空间之中，体积和质量都很小 很快会蒸发完。
双生子佯谬
狭义相对论主要结论： 运动的物体时间会变慢，长度会增加，质量会增加
广义相对论的验证 1919年，英国爱丁顿在西非普林西比在6-8分钟时间拍了15张照片
广义相对论对万有引力的解释——时空弯曲
在大质量星体附近，时间会变慢
GPS导航
卫星高度：20000公里 卫星速度：14000公里/小时
----狭义相对论（9月份发表） 9月 E=mc2 （11月发表）
希尔伯特： 没有比专利局更适合对艾
因斯坦的工作了。
狭义相对论的基本假设：
狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都 是相同的。
光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的。
同时的相对性
时间间隔的相对性
t t 1 (v)2 c
假设太阳被压缩成三类致密星核的半径与密度比较
角色
太阳
白矮星
中子星
黑洞
半径
70万千米 1万千米
10千米
3千米
平均密度 1.4g/cm3
1t/cm3
1亿t/cm3 100亿t/cm3
恒星内部存在着两种力量的斗争：
向内收拾 天 体 内 部
向外扩张
万有引力 来自核心的辐射膨胀压
如何发现黑洞： 1、引力透镜：引力透镜表明镜轴中心有超强质量的致密星体
卫星提供的信息：卫星的轨道位置，信号发射时刻 GPS接收器可算出参数：距卫星的距离r=ct 有效导航需要t的误差不超过20纳秒。 由于引力时间延迟效应，卫星上的时钟比地面上的时钟每天快45微妙。
广义相对论预言了引力波的存在
引力波是指时空弯曲中的涟漪，2016年2月11日,激光干涉仪引力波天 文台(LIGO)的科学家宣布首次发现引力波,创造了历史。
黑洞的特点：
·
r=0，奇点
r
2GM c2
，奇面，视界
落向黑洞
·
远处观察者：火箭越来越慢，越来越红，越来越暗 火箭里的观察者：穿过视界进入黑洞，接近奇点时潮汐力非常大。
虫洞：链接不同宇宙的管道
二维时空的三维虫洞
撑开虫洞需要的能量： 撑开1cm虫洞需要地球质量的能量。 撑开1km的虫洞需要太阳质量的能量。 撑开1光年的虫洞需要银河系所有发光星体质量100倍的能量。
天体物理学
EP07 从爱因斯坦到霍金
26岁的爱因斯坦
1879年3月14日，爱因斯坦出生于德国 乌尔姆。 小学、中学时期， 德国慕尼黑 1895-1896 瑞士阿劳中学 1896-1900 苏黎世工业大学 1900-1902 艰辛求职，四处碰壁 1902-1909 伯尔尼发明专利局
初期科Байду номын сангаас情况：
2、超强X射线或γ射线法：黑洞在吞噬周围星体时会喷射超强x射线和γ射线
搜索宇宙喷流：哪里有高能宇宙喷流，哪里就可能有黑洞
天鹅座X-1双星系统
麒麟座x射线新星
银河系的中心是一个超大质量的黑洞
黑洞的分类：
1、寻常黑洞（史瓦西黑洞）：质量大于8个太阳质量，是恒星演化到晚期的 产物，普遍存在于宇宙之中。
1901年-------1篇论文 1902年-------2篇论文 1903年-------1篇论文 1904年-------1篇论文
爱因斯坦的丰收年：
1905年-------5篇论文 3月 解释光电效应---光子说
（6月发表） 4月 博士论文：测定分子大小
的新方法（4月提交） 5月 解释布朗运动（7月发表） 6月 “论运动物体的电动力学”
霍金简介
1942.1.8生于牛津（伽利略逝世300周年） 大学毕业时被确诊为进行性肌肉萎缩 投考霍伊尔研究生未果，后跟Scianma 否定了霍伊尔的稳恒态宇宙
霍金对黑洞的主要研究贡献
奇性定理 面积定理 霍金辐射
对宇宙学主要研究贡献：
推翻稳恒态宇宙模型 时空隧道与时间机器 无边界宇宙
黑洞
1798年拉普拉斯预言黑洞的存在，称之为暗星