黑洞-北京大学物理学院.PDF

《天体物理学》 第九章 黑 洞(b) 讲授：徐仁新 北京大学物理学院天文学系 “Intro. to Astrophysics” /rxxu R. X. Xu 0，什么是黑洞？ 1，相对论的概念 2 ，Schwarzschild时空 3，Kerr 时空 4 ，黑洞的量子效应 5，黑洞可能存在与观测证认 “Intro. to Astrophysics” /rxxu R. X. Xu 3 ，Kerr时空 各种类型的黑洞： •黑洞的 “无毛= 三毛”定理 黑洞的性质由质量M 、角动量L 、电荷Q三个量完全刻画 •黑洞的分类 M0，L = Q = 0 ：Schwarzchild黑洞 M0，L0，Q = 0 ：Kerr黑洞 （旋转黑洞） M0，L = 0，Q 0 ：Reissner-Nordstrom黑洞 M0，L  0，Q 0 ：Kerr-Newman黑洞 •KN黑洞 （取Schwarzchild坐标） a = L/M ：单位 质量的角动量 视界： 无限红移面： r M  M 2 a2 Q2 s 2 2 2 2  r M  M a cos  Q “Intro. to Astrophysics” /rxxu R. X. Xu 3 ，Kerr时空 Kerr时空：场方程真空轴对称解！ •能层 在外视界和外无限红 E 2 E 移面之间的区域 1 •Penrose过程 相对于无穷远观者，在能层内 除了能量为正的正能轨道外， E 还存在负能轨道。 0 位于负能轨道运动粒子具有负角动量 （轨道运动反向于黑洞自转） 能量守恒：E0 = E1 + E2  E2 E0 •面积定理 （Hawking，1971 ） 黑洞演化过程中视界面积不可能减少(Penrose过程遵守面积定理) Schwarzschild黑洞可以看作黑洞的“基态” （？） “Intro. to Astrophysics” /rxxu R. X. Xu 4 ，黑洞的量子效应 所有基本“点”粒子都是黑洞？ • “是的”，如果经典广义相对论在任何尺度都成立的话。 2GM 55 M r   2.7 10 cm “点”粒子：r  0? S 2 c 1MeV •矛盾：黑洞只有M 、L 、Q等性质，而基本粒子特征丰富得多！  必须考虑时空的量子性：量子引力！ 1