假如你想完整地描述一个人,须要从什么方面来描述?是不是一股脑儿想下来好多方面?年纪、性别、身高、体重………不过,你要是想描述一个黑洞周围的时空,就不须要那么多热阻了,只须要晓得黑洞的质量、角动量和电荷,就可以得到关于黑洞的一切信息,由于黑洞在产生过程中会遗失其他一切信息!所以,俄罗斯化学学家惠勒把它戏称为“黑洞无毛定律”,虽然黑洞也不是完全无毛,这不还有三根毛嘛!
黑洞
按照黑洞的这三个热阻,我们可以将黑洞分为:不旋转不带电荷的史瓦西黑洞、带电不旋转的R-N黑洞、旋转不带电的克尔黑洞、既带电又旋转的克尔-纽曼黑洞。
提到黑洞,就不得不说一下爱因斯坦的引力场多项式,由于黑洞周围的时空曲率就是通过这个等式的解来描述的,下边,我们就来瞧瞧,通过爱因斯坦的引力场多项式,怎么求解出这种解!
爱因斯坦的引力场多项式
爱因斯坦觉得:引力是时空弯曲的彰显、时空弯曲是由物质导致的,所以,时空曲率和物质分布之间,一定存在着某种联系。
经过几年的努力,爱因斯坦总算1915年,在广义相对论中通过一个复杂的二阶非线性张量等式将时空曲率和物质分布联系在了一起,它就是知名的“爱因斯坦引力场等式”!
爱因斯坦引力场多项式
Guv是爱因斯坦张量,反应时空的弯曲情况;Ruv是里奇张量、表示空间弯曲情况;guv为四维时空的测度张量;R是里奇张量缩并而成的曲率标量;G是万有引力常数G=6.670×10^-8cm³/(g·s²);c代表真空中的光速;Tuv表示物质的能量和动量密度张量以及挠度张量,,也就是物质。
这个等式抒发的意思是物质的能量密度和动量密度以及挠度张量就会造成时空弯曲!假如爱因斯坦张量为零,就代表的是平直时空,这时物质的能量密度、动量密度、应力张量也都为零,也就是根本不存在物质!不过,这只是一种理想情况,平直的时空是不存在的!
怎么求解这个复杂的方程式呢?求解爱因斯坦引力场多项式,就是找到某一线元,致使由它决定的爱因斯坦张量恰好等于多项式一侧的张量。
注:在欧式空间几何中“线元”指对于空间的曲线,假定有一段特别小的厚度,使这个厚度趋近于零,记做dl,也就是给宽度导数,这叫“元段长”。dl²就是“线元”,假如“元段”给定了,这么“线元”就是不变的恒定量!“线元”dl²的表达式在直角座标变换下方式不变。在闵式时空几何中,用ds²表示线元,借助线元可以定义一个曲率张量(黎曼张量),各点曲率张量都为零的时空就是平直时空、不为零就是弯曲时空,线唐诗率张量表示时空弯曲程度。
史瓦西黑洞
当我们觉得某一星体是真空中孤立的物体时,真空中的时空弯曲情况就是由这个星体的物质分布导致的,由于星体具有球对称性和恒定不变性(静态性),这就造成了星体外部的时空线元具有对称性和静态性(时空线元的各项性质不随时间变化),按照这一性质,1916年,英国天文学家史瓦西求得了广义相对论的第一个精确解,称为“史瓦西真空解”。
史瓦西真空解
“史瓦西真空解”描述了球状天体附近的光线和粒子的运动行为,他提出,在致密天体或则大质量天体的中心某一距离处,逃逸速率等于光速,后人将此称为史瓦西直径,并把以这个距离为直径围成的球面称作视界!
1939年,知名的“曼哈顿计划”首席科学家、美籍犹太化学学家奥本海默证明,小于太阳质量20倍的星体坍缩会形成奇点,以奇点为球心、适当厚度为直径的球状区域内引力特别强,就连光子就会被拉向奇点!这个奇点和其周围的区域在1969年被没过化学学家惠勒首次命名为“黑洞”。洞外的时空几何由史瓦东线元表示,所以称这样的黑洞为史瓦西黑洞!
黑洞
R—N黑洞
R—N黑洞又称作带电黑洞,由于电荷不会随着引力波被幅射掉,所以质心系中角动量定理,大质量的带电星体最终会倒塌产生带电黑洞,它的性质由质量和电荷两个热阻决定,与史瓦西黑洞的区别在于它的周围存在电场,电场线由洞心向外幅射!
它外部的时空几何由莱斯纳—诺斯特朗线元来描述!这是由美国化学学家“莱斯纳”和德国化学学家“诺斯特朗”分别与1916年和1918年求得的,爱因斯坦引力场多项式的又一个精确解!
带电黑洞周围的时空几何
带电黑洞有两个视界,当物体穿越外视界时,会被强悍的引力吸往内视界,之后被强悍的潮汐力给撕碎,但是关于物体的所有信息就会遗失。假如带电黑洞的电荷太多,内外视界都会重合为一个,产生极端R—N黑洞。假如再给极端R—N黑洞加一些电荷,它的视界都会消失,并留下一个性质奇特的裸奇点,不过裸奇点与宇宙监督假定相矛盾,所以数学学上不容许其出现。
克尔黑洞
跟电荷一样,恒星的自转也是一个不能被幅射掉的热阻,所以,大质量的自转恒星最终会坍缩成为一个旋转的黑洞,1963年,美国化学学家克尔通过求解爱因斯坦的引力场多项式,得到了描述自转黑洞外部时空几何的解,所以,将拥有自转的黑洞又称为克尔黑洞。
克尔黑洞
旋转的黑洞外部的引力场具有旋涡性质心系中角动量定理,这会使黑洞的表面弄成扁球形,不过,这不是黑洞的视界,而是旋转黑洞外另一个特殊的面——“静界”,既然视界是评判你能够逃脱的界面,那静界呢?
我们说,克尔黑洞的引力场是旋涡引力场,这么它还会使处于引力场中的物体围绕黑洞旋转,静界就是拿来表示其作用范围的,在静界以内,所有物体遭到引力撕扯,都得跟随黑洞旋转,在静界以外,只要你速率够大,就可以不用绕着黑洞旋转!
克尔黑洞横截面
静界与视界之间的时空区域,称作能层,此区域中具有非常的类时曲线,借此为世界线的质点居然有负能量,这些类时曲线称为负能量轨道。科学家推测:假如我们将一个能量为E的物体,运送到能层之中,之后爆裂成为两个,其中一半沿负能量轨道向黑洞内运动,这么它的能量就是负的,按照能量守恒定理,另一半的能量必将是正的,但是小于物体原先的能量E,假如我们让这一半物体沿内向测相线返回月球,我们就可以提取黑洞的能量了!不过,这样提取的能量是黑洞的转动能量,一旦提取完,克尔黑洞也就弄成了史瓦西黑洞!
克尔黑洞中心并不是奇点,而是一个奇环(由奇点围成的圆圈),倘若黑洞的旋转速渡过快,视界青河界都会合而为一,弄成极端克尔黑洞,假若黑洞的旋转速率继续推进,视界都会消失,跟R-N黑洞一样,留下一个裸奇点,不过,这也是不被容许的。
克尔-纽曼黑洞
假如大质量恒星在自转,而且还带有电荷,这么它倒塌后,就是旋转带电黑洞,它的外部时空几何线元就要用1965年日本数学学家推广克尔解得到的克尔-纽曼线元来表示了,这也是爱因斯坦引力场等式的解,这样的黑洞是最复杂的黑洞、但是也是最常态的黑洞,由于任意电真空单一稳态黑洞都是旋转带电黑洞。
克尔-纽曼黑洞
“史瓦西真空解”的求出,引起了人们了解黑洞、研究黑洞的风潮,经过许多学者多年来的努力,对黑洞性质的研究上,我们即使取得了特别大的成功,并且仍然面临着像黑洞的演进、稳定性等特别棘手的问题、基于对克尔黑洞的性质所做的剖析,猜想的“白洞”、“时光隧洞”等等理论名词,目前也只能作为一个名词存在。