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黑洞的简单介绍及新动力源的设想

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黑洞的简单介绍及新动力源的设想

 

摘要:

本文前半部分首先对黑洞的研究发展进行简要介绍,随后对黑洞的性质进行简单阐述并介绍著名的霍金辐射及其引发的问题。文章后半部分将阐述利用黑洞作为能源来源的设想及此设想的来源。

一、黑洞的简介

黑洞物理学年表单列一篇文章:http://gndrive.org/?p=957

黑洞,闻其名即知此为及其贪婪之物。其实事实也近乎如此,它的名号来源也确实是这样。由万有引力定律可以做如下简单的计算得到黑洞的临界半径:

光子的动能:\(E_{k}=\frac{1}{2}mc^{2}\)

光子的势能:\(E_{p}=\frac{GM m}{r}\)

当光子的动能不足以抵挡势能时:\(\frac{1}{2} mc^{2}<\frac{GMm}{r}\)

即得出:\(r<\frac{2GM}{c^{2}}\)

也就是说当一个星球的半径满足上述情况时经过其表面的光均会被此星球的引力束缚住无法逃脱,即在远处的我们无法得到来自此星球光线。这就是最初始对黑洞的描述。历史上,第一个意识到一个致密天体密度可以大到连光都无法逃逸的人是英国地理学家John Michell。他在1783年写给亨利.卡文迪许一封信中提出这个想法的,他认为一个和太阳同等质量的天体,如果半径只有3公里,那么这个天体是不可见的,因为光无法逃离天体表面。1796年,法国物理学家拉普拉斯曾预言:“一个质量如250个太阳,而直径为地球的发光恒星,由于其引力的作用,将不允许任何光线离开它。由于这个原因,宇宙中最大的发光天体,却不会被我们看见”。

1939年,美国物理学家奥本海默等人最先认识到, 半径小于引力半径\(r=\frac{2GM}{c^{2}}\)的星,光线逃不出来因而是看不见的。奥本海默用相对论预言的黑洞形成条件,与拉普拉斯等人用万有引力定律预言的黑洞形成条件完全相同。经典物理学认为万有引力是真正的力,黑洞是由于引力太大,光逃不出去而形成的。相对论认为万有引力不是真正的力,而是时空弯曲的表现,黑洞是由于时空弯曲得太厉害,致使光跑不出去而形成的。殊途而同归,今天看来,用经典力学推导黑洞形成的条件时犯了两个错误,第一是把光子的动能\(mc^{2}\)写成了\(\frac{1}{2}mc^{2}\),第二是把广义相对论的时空弯曲当作了万有引力。但两个错误的作用相互抵消,最后得到了正确的结果。

人们认为处于激发态的黑洞是具有生命力的,而处于基态的黑洞则是一颗死亡的星体,是恒星演化的最后归宿。基态的史瓦西黑洞除去能不断吞噬物质外,不会再有任何物理过程。然而这个认识很快就被推翻了。基态的黑洞其实也是一颗充满生命力的星体。

后续的探讨就要进入霍金辐射的领地了。

二、黑洞的性质及霍金辐射

说到黑洞的性质首先要抬出来的必然是黑洞的四大定律:

第零定律:平衡态的黑洞事件视界面上所有点都有相同的表面引力。这对应于热力学的第零定律或热平衡定律:在热平衡状态下,系统各处都具有相同的温度。也就是说,对黑洞而言,无论黑洞的表面即事件视界是何种曲面,黑洞表面的引力总是处处一样的。这与其他有自转的天体,如我们的地球,中子星等,不同,因为趋向扁平,两极上的引力要比赤道面上的引力强。

第一定律:黑洞的质量、表面积、角动量、电荷等参量,其相互关系可以写成一个公式,这个公式与热力学第一定律具有相同的形式。

第二定律:实际上就是霍金的面积定律,即黑洞的表面积绝不会随着时间减小。对应于热力学第二定律:孤立系统的熵永不减少。

第三定律:黑洞的表面引力不可能为零。对应于热力学第三定律:绝对零度不可能通过任何有限的物理过程达到。

黑洞的分类:

分类方法一:

超巨质量黑洞,到目前为止可以在所有已知星系中心发现其踪迹。质量据说是太阳的数百万至100亿倍。迄今所知最大的两个黑洞,每个质量约为太阳的100亿倍。

小质量黑洞,质量为太阳质量的10至20倍,即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3至15倍就会形成黑洞。理论预测,当质量为太阳的40倍以上,可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。

中型黑洞,推论是由小质量黑洞合并形成,最后则变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然存疑。

分类方法二:根据黑洞本身的物理特性(质量、电荷、角动量):

不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由史瓦西求出称史瓦西黑洞。

不旋转带电黑洞,称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。

旋转不带电黑洞,称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。

一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。克尔 – 纽曼黑洞奇环附近有”闭合类时线“,有理论称通过这个线人可以回到过去,但是新的约束表示这条线完全不够稳定。

原初黑洞,原初黑洞是理论预言的一类黑洞,目前尚无直接证据支持原初黑洞的存在。宇宙大爆炸初期,宇宙早期膨胀之前,某些区域密度非常大,以至于宇宙膨胀后这些区域的密度仍然大到可以形成黑洞,这类黑洞叫做原初黑洞。原初黑洞的质量与密度不均匀处的尺度有关,因此原初黑洞的质量可以小于恒星坍塌生成的黑洞,根据霍金的理论,黑洞质量越小,蒸发越快。质量非常小的原初黑洞可能已经蒸发或即将蒸发,而恒星坍塌形成的黑洞的蒸发时标一般长于宇宙时间。天文学家期待能观测到某些原初黑洞最终蒸时发出的高能伽玛射线

黑洞热力学证明黑洞具有温度

贝肯斯坦在提出著名的 黑洞无毛理论 后,又首次引入了黑洞温度和熵等概念,并提出黑洞的熵和面积成正比的观点,开始建立了黑洞的热力学。英国物理学家在此基础上,证明了黑洞具有一定的温度,其数值与黑洞的质量成反比,用公式表示为\( T = \frac{h c^3}{ 8GkM}\) ,其中 \(T\) 为黑洞的温度;\(M\) 为黑洞的质量;\(G\)为万有引力常数;\(k\)为波耳茨曼常数;\(c\)为光在真空中的速度。结合上式及热力学第二定律,即能量必须由温度较高的物体流向温度较低的物体。果黑洞的温度高于外界环境的温度,则能量必须由黑洞流向外界。黑洞虽然有温度,但它却不能与外界处于稳定的热平衡,其原因是黑洞的热容量是负值( 升高 1所需的能量 \(\frac{dE}{dT_{B}}< 0\) ),而热容量是负值的物体是不能与外界处于稳定的热平衡的。

假设黑洞本来与外界处于热平衡,即 \(T_{B} = T\)。由于起伏,黑洞从外界吸收一定的能量 E。由上式可知,温度反而降低了,\(T_{B} < T\),这就要继续自外界吸收能量,使得 T B 更加降低,从而失去原有的平衡。反之, 黑洞向外界释放一定的能量 \(E\),温度升高, \(T_{B} > T\),这将使黑洞进一步向外界释放能量,使得\(T_{B}\) 更加升高,越辐射温度越高,这样热平衡就完全被破坏了。自发蒸发使黑洞的质量减少,从而使黑洞的温度升高, 这反过来又促使自发蒸发进一步加剧。这种正反馈继续下去, 黑洞的蒸发便会越演越烈,最后它将以一种 反坍缩 式的猛烈爆发而告终。一个质量与太阳相当的黑洞约需\(10^{66}\)a 才能蒸发殆尽;\(10^{- 23}\)s但是原生小黑洞却能在之内蒸发得一干二净。这样就有了黑洞不黑会蒸发,黑洞越小就越白结论。

霍金辐射

霍金率先基于现代物理学家对微观世界的设想提出了黑洞的量子理论。现代理论认为, 任何产生强作用力的物体周围都环绕着虚粒子 。这些虚粒子与真实粒子的不同之处,仅仅在于虚粒子皆在极其短暂的时间内产生而又消失。物体之间的相互作用,实际上伴随着它们的虚粒子云 之间的相互作用。黑洞的辐射是通过量子效应来实现的。黑洞附近的真空产生虚粒子对,虚粒子对在不断的产生和消失。虚粒子对的质量与能量涨落关系符合爱因斯坦的质能关系,寿命遵从不确定性原理。虚粒子对在存在的时间内会分离一段时间。于是就有 4 种可能的过程:一是两个粒子重新相遇并相互湮没;二是负能虚粒子被黑洞捕获而正能虚粒子逃离黑洞;三是正能虚粒子被黑洞捕获而负能虚粒子逃出;四是双双落入黑洞。 经过理论推算,霍金发现过程二的概率最大。于是, 由于黑洞有倾向性地捕获带负能量的虚粒子,即逃逸出来的一个是正能粒子,落入黑洞的一个是负能粒子,结果使黑洞的能量( 或质量) 减小。而正能量虚粒子由于没有负能量虚粒子与之相遇湮没而成为实粒子向外运动,可能穿出黑洞的外引力区。在外部看来,黑洞在辐射正能粒子流。

霍金辐射理论的提出解决了一些问题,但是却引出了比它解决了的更多的更令人头痛的问题,例如:信息疑难、奇性疑难、钟速问题等。

三、黑洞能源

最初令我将黑洞与能源联系在一起的是动漫里的设定:

太阳炉若利用的是拓扑缺陷网络上说它是使用太阳能,其中必有一个低势位 即拓扑缺陷。当太阳光流经其表面时 太阳光处于相对高势位 自然界中的一个普遍规律是能量密度的差异倾向于变成均等 换句话说 “熵将随着时间而增大”当光由高势位流向低势位时便有了能量的流动这个低势位从何而来 能量又存贮在哪里?这时我们不得不提到GN粒子和木星 由弦理论可知 我们的宇宙和物质不过是高维世界中振荡的弦 GN粒子便是利用了这个原理 将能量的脉动转化为更高维的弦 GN粒子本身即是一个容器 将高维弦的脉动存储的容器 其容量是相当可观的势位从何而来在宇宙大爆炸时期 曾经形成过相当多的微型黑洞,捕获这些微型黑洞,并用磁场将其束缚在“太阳炉”中 黑洞是绝对的低势位 光是单向流向它 在光子将黑洞湮灭前用GN粒子将光子捕获作为能量存贮 此乃拓扑缺陷。具体的就不扯了,可以参考这里:http://gndrive.org/?p=781。下面本文将讨论以上说法的可靠性究竟有多少。

首先,我是确信黑洞绝对可以是一个很理想的能源来源,逼近极限的特性可以源源不断的从空间里提取能源。大型黑洞是个危险的存在,本文不打算从老虎嘴里撕肉末玩儿。那些超小型黑洞是些相对温顺且勤奋的孩子。它们有更小的质量和壮观的输出,而且对于尺寸合适的黑洞,其要求的温度(辐射强度)是较容易维持的。

去那里找微小黑洞呢?说木星周围有飘着黑洞,以现在的知识来看是不太现实的,太初黑洞着就不知道蒸发干净多少年了。小黑洞还是自己制造更现实些。在进行粒子对撞时给与足够高的能量,调整合适的温度,原则上是可以维持黑洞尺寸的(真的?)。

如何固定黑洞和如何利用它的能量。黑洞是可以有电荷的,那么,用磁场或电场就好了,跟固定一个电子的技术没本质区别,只不过需要更强的磁场和精密的控制。

 

by 高达数字实验室 http://gndrive.org/

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  1. :( 太高深啦
    ZtyHome2012-05-28 21:31 回复| Google Chrome 19.0.1084.46| Windows XP
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