霍金与黑洞

霍金的反驳 Hawking，Carter，Bardeen1973 年中的论文
（3）黑洞力学与普通热力学的比较
（4）霍金辐射 霍金的突变：万一贝肯斯坦是对的呢？
1974.2霍金报告 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！ 面积确实是熵！


真空涨落产生的虚正反粒子对，负能反 粒子落入黑洞，趋向奇点，正能粒子飞 向远方。 这等价于一个正能粒子从奇点产生，逆 着时间飞向视界，被视界面散射，再顺 时飞向远方。
10 K 1018 K
12

黑洞热容量为负 除某些特殊情况外，黑洞与外界的热 平衡是不稳定平衡。
（6）黑洞的吸积与喷流
星系的喷流
四、真空热效应与边界效应
（1） 安鲁效应（Unruh，1973） 在真空中作匀加速直线运动的观测者 处在热浴中 观测者
a
T ~a
视界

惯性系的真空零点能，在加速系看来 是热辐射能。
虚正反粒子对是相互关联的量子纯态， 落入黑洞的粒子信息丢失，失去关联， 纯态 混合态 ∴信息丢失导致熵增加 霍金辐射为热辐射


霍金辐射破坏重子数守恒，轻子数守恒， 破坏信息守恒。
（5）黑洞的负比热 1 黑洞越小温度越高，T ~
M
10亿吨的黑洞 3000吨的黑洞
1M 的黑洞
106 K
二、霍金简介



1942.1.8生于牛津（伽利略逝世300周 年） 大学毕业，进行性肌肉萎缩 投考霍伊尔研究生未果，后跟Sciama 霍伊尔的稳恒态宇宙 Sciama的特点

我对物理学和天文学作了两个贡献，一 是培养了霍金这名学生，二是把彭若斯 拉过来研究广义相对论。
——Sciama
名师出高徒 Sciama：Hawking，Carter，Ellis，Rees Wheleer：Misna，Unruh，Bekenstein， Wald ， Thorne
两个黑洞的接触 黑洞与伦德勒视界靠近

黑洞与伦德勒视界的接触

两个黑洞的接触




刘辽、赵峥，广义相对论 高等教育出版社 （2004） 赵峥，黑洞的热性质与时空奇异性——零曲面 附近的量子效应 北京师范大学出版社（1999） 赵峥，黑洞与弯曲的时空 山西科技出版社 （2001） 刘辽、赵峥、田贵花、张靖仪，黑洞与时间的 性质，北京大学出版社（2008）
如果彭若斯过程中的入射物体小到量 子，从波粒二象性可知，将产生超辐射 出射波>入射波 产生条件 0 m H eV
粒子能量 静质量
超辐射是受激辐射
（3）爱因斯坦对原子吸收与辐射的研究
吸收 自发辐射 此即产生激光的原理
受激辐射
受激辐射的存在 自发辐射的存在 推论：转动黑洞还应有自发辐射
源自文库
霍金的主要成就 奇性定理，面积定理，霍金辐射 （1970） （1972） （1974）

三、黑洞的温度与热辐射
（1）面积定理 黑洞的表面积只能随时间增大，不能减 小。
dA 0

推论：一个黑洞不能分裂为两个，但两 个可以合成一个。


贝肯斯坦的猜想： 黑洞的表面积有可能是“熵”。 贝肯斯坦与惠勒的讨论
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 Kip Thorne

John Preskill
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 S.W.Hawking：我输了 K.Thorne：没有输 J.Preskill：没有听懂我为什么赢了。

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） 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。
（2）卡西米尔效应
（3）倒退的镜子 ——变速光源的多普勒效 应
Z (t ) t Ae
2t
B

坍缩的黑洞表面——倒退的镜子
五、我们组在黑洞热性质方面的工作
： Kerr—Newman黑洞热辐射电子、质子、 中子 创建了计算动态黑洞温度的方法，可逐 点计算黑洞表面每一点的温度 研究了两个黑洞接触时的温度变化 计算黑洞熵的薄膜模型 研究了黑洞的信息疑难
（2）贝肯斯坦公式 dM dA dJ VdQ 8 普通热力学 dU Tds pdV 转动刚体
dU Tds dJ VdQ
A多么像熵， 是温度吗？
黑洞表面引力的定义

黑洞的卡诺循环
1 TB / T
其中，TB ~
若把 视作温度，上式恰是卡诺定理。
六、信息疑难与霍金打赌
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、对霍金新观点的质疑

信息疑难 霍金 (S.W.Hawking) 普瑞斯基 索恩 (John Preskill) (Kip.Throne) 2004年7月21日，霍金“我输了”
一、黑洞的“激发态” 二、霍金简介 三、黑洞的温度与热辐射 四、真空的热效应与边界效应 五、我们组在黑洞热性质方面的工作 六、信息疑难与霍金打赌
一、黑洞的“激发态”
（1）彭若斯过程 能层中存在负能轨道 如果 E1<0， 则 E2>E 提取黑洞的转动能和角动量 Kerr黑洞 史瓦西黑洞
（2）米斯纳超辐射——受激辐射

（4）斯塔诺宾斯基—安鲁效应（自发辐射）
（5）黑洞的“基态”和“激发态” 自发辐射 Kerr黑洞 受激辐射 史瓦西黑洞 R—N黑洞 彭若斯过程 Kerr—Newman黑洞 （激发态） （基态）
转动和带电的黑洞是活跃的，它们通 过上述非热效应迅速蜕化为史瓦西黑洞。 史瓦西黑洞仍被视作死亡了的星。