假如你想完整地描述一個人,須要從什么方面來描述?是不是一股腦兒想下來好多方面?年紀、性別、身高、體重………不過,你要是想描述一個黑洞周圍的時空,就不須要那么多熱阻了,只須要曉得黑洞的質量、角動量和電荷,就可以得到關于黑洞的一切信息,由于黑洞在產生過程中會遺失其他一切信息!所以,俄羅斯化學學家惠勒把它戲稱為“黑洞無毛定律”,雖然黑洞也不是完全無毛,這不還有三根毛嘛!
黑洞
按照黑洞的這三個熱阻,我們可以將黑洞分為:不旋轉不帶電荷的史瓦西黑洞、帶電不旋轉的R-N黑洞、旋轉不帶電的克爾黑洞、既帶電又旋轉的克爾-紐曼黑洞。
提到黑洞,就不得不說一下愛因斯坦的引力場多項式,由于黑洞周圍的時空曲率就是通過這個等式的解來描述的,下邊,我們就來瞧瞧,通過愛因斯坦的引力場多項式,怎么求解出這種解!
愛因斯坦的引力場多項式
愛因斯坦覺得:引力是時空彎曲的彰顯、時空彎曲是由物質導致的,所以,時空曲率和物質分布之間,一定存在著某種聯系。
經過幾年的努力,愛因斯坦總算1915年,在廣義相對論中通過一個復雜的二階非線性張量等式將時空曲率和物質分布聯系在了一起,它就是知名的“愛因斯坦引力場等式”!
愛因斯坦引力場多項式
Guv是愛因斯坦張量,反應時空的彎曲情況;Ruv是里奇張量、表示空間彎曲情況;guv為四維時空的測度張量;R是里奇張量縮并而成的曲率標量;G是萬有引力常數G=6.670×10^-8cm3/(g·s2);c代表真空中的光速;Tuv表示物質的能量和動量密度張量以及撓度張量,,也就是物質。
這個等式抒發的意思是物質的能量密度和動量密度以及撓度張量就會造成時空彎曲!假如愛因斯坦張量為零,就代表的是平直時空,這時物質的能量密度、動量密度、應力張量也都為零,也就是根本不存在物質!不過,這只是一種理想情況,平直的時空是不存在的!
怎么求解這個復雜的方程式呢?求解愛因斯坦引力場多項式,就是找到某一線元,致使由它決定的愛因斯坦張量恰好等于多項式一側的張量。
注:在歐式空間幾何中“線元”指對于空間的曲線,假定有一段特別小的厚度,使這個厚度趨近于零,記做dl,也就是給寬度導數,這叫“元段長”。dl2就是“線元”,假如“元段”給定了,這么“線元”就是不變的恒定量!“線元”dl2的表達式在直角座標變換下方式不變。在閔式時空幾何中,用ds2表示線元,借助線元可以定義一個曲率張量(黎曼張量),各點曲率張量都為零的時空就是平直時空、不為零就是彎曲時空,線唐詩率張量表示時空彎曲程度。
史瓦西黑洞
當我們覺得某一星體是真空中孤立的物體時,真空中的時空彎曲情況就是由這個星體的物質分布導致的,由于星體具有球對稱性和恒定不變性(靜態性),這就造成了星體外部的時空線元具有對稱性和靜態性(時空線元的各項性質不隨時間變化),按照這一性質,1916年,英國天文學家史瓦西求得了廣義相對論的第一個精確解,稱為“史瓦西真空解”。
史瓦西真空解
“史瓦西真空解”描述了球狀天體附近的光線和粒子的運動行為,他提出,在致密天體或則大質量天體的中心某一距離處,逃逸速率等于光速,后人將此稱為史瓦西直徑,并把以這個距離為直徑圍成的球面稱作視界!
1939年,知名的“曼哈頓計劃”首席科學家、美籍猶太化學學家奧本海默證明,小于太陽質量20倍的星體坍縮會形成奇點,以奇點為球心、適當厚度為直徑的球狀區域內引力特別強,就連光子就會被拉向奇點!這個奇點和其周圍的區域在1969年被沒過化學學家惠勒首次命名為“黑洞”。洞外的時空幾何由史瓦東線元表示,所以稱這樣的黑洞為史瓦西黑洞!
黑洞
R—N黑洞
R—N黑洞又稱作帶電黑洞,由于電荷不會隨著引力波被幅射掉,所以質心系中角動量定理,大質量的帶電星體最終會倒塌產生帶電黑洞,它的性質由質量和電荷兩個熱阻決定,與史瓦西黑洞的區別在于它的周圍存在電場,電場線由洞心向外幅射!
它外部的時空幾何由萊斯納—諾斯特朗線元來描述!這是由美國化學學家“萊斯納”和德國化學學家“諾斯特朗”分別與1916年和1918年求得的,愛因斯坦引力場多項式的又一個精確解!
帶電黑洞周圍的時空幾何
帶電黑洞有兩個視界,當物體穿越外視界時,會被強悍的引力吸往內視界,之后被強悍的潮汐力給撕碎,但是關于物體的所有信息就會遺失。假如帶電黑洞的電荷太多,內外視界都會重合為一個,產生極端R—N黑洞。假如再給極端R—N黑洞加一些電荷,它的視界都會消失,并留下一個性質奇特的裸奇點,不過裸奇點與宇宙監督假定相矛盾,所以數學學上不容許其出現。
克爾黑洞
跟電荷一樣,恒星的自轉也是一個不能被幅射掉的熱阻,所以,大質量的自轉恒星最終會坍縮成為一個旋轉的黑洞,1963年,美國化學學家克爾通過求解愛因斯坦的引力場多項式,得到了描述自轉黑洞外部時空幾何的解,所以,將擁有自轉的黑洞又稱為克爾黑洞。
克爾黑洞
旋轉的黑洞外部的引力場具有旋渦性質心系中角動量定理,這會使黑洞的表面弄成扁球形,不過,這不是黑洞的視界,而是旋轉黑洞外另一個特殊的面——“靜界”,既然視界是評判你能夠逃脫的界面,那靜界呢?
我們說,克爾黑洞的引力場是旋渦引力場,這么它還會使處于引力場中的物體圍繞黑洞旋轉,靜界就是拿來表示其作用范圍的,在靜界以內,所有物體遭到引力撕扯,都得跟隨黑洞旋轉,在靜界以外,只要你速率夠大,就可以不用繞著黑洞旋轉!
克爾黑洞橫截面
靜界與視界之間的時空區域,稱作能層,此區域中具有非常的類時曲線,借此為世界線的質點居然有負能量,這些類時曲線稱為負能量軌道。科學家推測:假如我們將一個能量為E的物體,運送到能層之中,之后爆裂成為兩個,其中一半沿負能量軌道向黑洞內運動,這么它的能量就是負的,按照能量守恒定理,另一半的能量必將是正的,但是小于物體原先的能量E,假如我們讓這一半物體沿內向測相線返回月球,我們就可以提取黑洞的能量了!不過,這樣提取的能量是黑洞的轉動能量,一旦提取完,克爾黑洞也就弄成了史瓦西黑洞!
克爾黑洞中心并不是奇點,而是一個奇環(由奇點圍成的圓圈),倘若黑洞的旋轉速渡過快,視界青河界都會合而為一,弄成極端克爾黑洞,假若黑洞的旋轉速率繼續推進,視界都會消失,跟R-N黑洞一樣,留下一個裸奇點,不過,這也是不被容許的。
克爾-紐曼黑洞
假如大質量恒星在自轉,而且還帶有電荷,這么它倒塌后,就是旋轉帶電黑洞,它的外部時空幾何線元就要用1965年日本數學學家推廣克爾解得到的克爾-紐曼線元來表示了,這也是愛因斯坦引力場等式的解,這樣的黑洞是最復雜的黑洞、但是也是最常態的黑洞,由于任意電真空單一穩態黑洞都是旋轉帶電黑洞。
克爾-紐曼黑洞
“史瓦西真空解”的求出,引起了人們了解黑洞、研究黑洞的風潮,經過許多學者多年來的努力,對黑洞性質的研究上,我們即使取得了特別大的成功,并且仍然面臨著像黑洞的演進、穩定性等特別棘手的問題、基于對克爾黑洞的性質所做的剖析,猜想的“白洞”、“時光隧洞”等等理論名詞,目前也只能作為一個名詞存在。