黑洞的讨论和研究摘要：黑洞是现代物理学和天文学中研究的一个热点。

本文详细讨论了黑洞的概念、形成过程、种类和性质以及特点，从而证实了黑洞的存在；研究了经典黑洞和量子黑洞；研究表明要确定一个黑洞只需知道其质量、电荷、角动量；讨论黑洞的目的就是为了供人们开发利用，因而文章也列举了几种探测黑洞的方法；最后是明确了研究黑洞重大意义。

关键词：恒星；黑洞；引力塌缩；视界半径Black hole discussion and researchAbstract: Black hole is a hot spot in modern physical and astronomical research.This thesis discussed the concept of the Black hole.the process of the formation,the type,the natune as weii as the characters in detail,thus confirmed that the Black Hole did exist.Thcs article also studied classical Black Hole and Quantum Black Hole.The research indicated that we can determine a Black Hole only need to koow mass,electric charge and angular momentum.The purpose to discuss the Black Hole is for dendopment and utilization.so the article also enumerate seueral methods of detecting a Black Hole. The great significance of studying the Black Hole is specified at the end of this alticle.Key words: Star, Black hole, Gravitation Collapse, Hohzon Radius.目录1引言： (1)2 黑洞的概念 (1)3 黑洞的形成 (1)3.1 白矮星的形成 (2)3.2 中子星的形成 (2)3.3 黑洞的形成 (2)4 黑洞的种类和性质 (3)4.1 黑洞的种类 (3)4.2 黑洞的性质 (3)4.2.1奇性定理 (3)4.2.2 黑洞无毛定理 (4)4.2.3 黑洞面积不减定理 (4)4.2.4黑洞的霍金辐射 (4)4.2.5黑洞寿命与质量的关系 (4)4.2.6 黑洞的热力学性质 (5)5 黑洞的特点 (5)5.1 黑洞的力学特征 (5)5.2 黑洞的光学特征 (6)5.2.1 黑洞的电磁学特征 (6)5.2.2 黑洞对时空的影响 (6)6 黑洞真的存在吗？ (7)7 量子黑洞 (7)8 黑洞的探测 (8)8.1霍金的照明实验设想 (8)8.2 利用开普勒的行星运动三定律 (9)8.3 微透镜探测技术 (9)8.4利用射线观测黑洞 (10)9 黑洞的研究意义 (10)10 黑洞的利用 (11)10.1 黑洞望远镜 (11)10.2 黑洞发电机 (12)[参考文献] (13)谢辞 (14)1引言：黑洞是根据现代物理理论和天文学理论，所预言的在宇宙中存在的一种天体区域。

在现代物理学中，黑洞是最错综复杂的物体之一。

黑洞是一个质量相当大、密度相当高的天体，它是在核能耗完后而发生引力的塌缩形成的。

根据牛顿力学理论甚至光也无法逃逸出此区域，故名把这个天体称为“黑洞”。

在这个区域有强大的引力，其表面任何物体都不容易脱离其束缚，连光线也被其强大引力拉回，所以黑洞不会发光，不能用天文望远镜看到，但天文学家可通过观察黑洞周围物质被吸引时的情况，找到了黑洞的位置，发现和研究它。

本文就详细地对黑洞的概念、形成、种类和性质、特征进行了讨论；利用性质、特征等提出了几种探测黑洞的方法，以寻找出巨大黑洞供给人们的开发和利用；并讨论了研究黑洞的意义。

2 黑洞的概念“黑洞”是20世纪最具有神奇色彩的物理术语之一，形象而多少带有恐怖色彩的字眼使人联想到它犹如一头猛兽，具有强大的势力范围，只要周围物体一旦进入其势力范围之内都会被其吞噬掉。

黑洞最初仅仅是一种理论推理演绎的数学模型，但是随着科学的发展，在宇宙中逐步得到了证实，人们不得不承认黑洞的存在。

经典的“黑洞”概念源于1783年，是按照牛顿力学定理推导出的一种极限模型。

由牛顿理论可知：物体脱离地球地引力作用的第二宇宙速度V由此公式可知道，当M足够大时候，可导致V接近光的传播速度C，任何物体R都不能逃逸，连光也不可能逃逸。

20世纪的黑洞源于1915年爱因斯坦建立的广义相对论。

广义相对论在研究引力对光的作用的基础上所建立的引力场方程描述了引力场的完整时空结构。

在广义相对论中黑洞被定义为不能与外界宇宙空间相互交流的区域，这个区域的边界称为黑洞表或者事件视界。

从广义相对论力场方程的特解可以得出这种完整时空结构的特殊区域，落入该区域的任何物质都将被之吞噬，这种特殊的时空区域即称为“黑洞”[1]。

3 黑洞的形成要了解黑洞是如何形成的，我们先对恒星生命过程作以简单了解：众所周知：通常的恒星是靠万有引力的吸引效应将物质聚集在一起的。

同时恒星内部的热核反应所产生的大量热能造成粒子的剧烈运动而形成排斥效应，当这两种效应达到稳定平衡时候，恒星将会塌缩。

但是，由于热核反映能量逐渐消耗，以至耗尽，恒星就会冷却下来，万有引力的作用大于排斥效应的作用使恒星发生塌缩。

原子的壳层将被压碎形成原子核在电子海洋中的漂浮状态。

这时电子之间的 斥力与恒星自身引力相比处于劣势地位，恒星将发生塌缩，体积减少，导致塌缩的密度是非常大的。

3.1 白矮星的形成由于恒星热反应停止以后，辐射压力减少，使恒星发生收缩，在收缩过程中，核内高温使物质发生电离。

星体内部充满电子，由于电子服从泡利不相容原理。

物质粒子靠的十分接近时候不能具有完全相同的状态。

即两个相同的自旋为1/2的粒子不可能同时具有相同的位置与速度，这将导致粒子在吸引、接近的过程中产生很强的斥力平衡，按照相对论理论，粒子之间的相对速度不能超过光速。

由泡利不相容原理产生的斥力就有上限。

经过计算这种斥力上限为1.4个太阳质量，称为钱德拉卡极限。

当恒星质量小于1.4倍的太阳质量时，电子简并压可以完全抗衡引力，阻止恒星进一步塌缩，从而形成白矮星。

3.2 中子星的形成 根据万有引力公式2M m F G R 引公式可知，一颗恒星的质量越大，引力就越强，对于质量不太大的恒星而言，塌缩的速度还不算快，若恒星质量大于1.4个太阳质量，则电子之间的简并压就不能抗拒引力塌缩，导致星体密度继续增加，当温度足够高时候，高能光子把原子核分裂成质子和中子，质子又与电子结合成中微子，使得星体内部存在大量中子。

中子也服从泡利不相容原理，出现附加压强，称为中子简并压。

经过计算这种斥力上限为2-3个太阳质量，称为奥本海默极限。

当恒星的质量大于钱德拉卡极限而小于奥本海默极限时，从而形成中子星[2]。

3.3 黑洞的形成如果恒星的质量超过奥本海默极限，则没有任何力量能够抵制住强大的引力，星体将塌缩到自身的引力半径之内，从而形成黑洞。

从超新星爆发的角度来看，星体塌缩是一种非常猛烈的过程，爆炸崩掉恒星的外壳，同时产生指向星体中心的巨大压力，使星体的中心部分形成黑洞。

除去恒星塌缩以外，形成黑洞还有其他途径。

例如，在星系的中心聚集着亿万颗太阳和 别的物质，在演化过程中很可能发生物质收缩和恒星之间的碰撞，从而形成巨大质量的星级黑洞。

4 黑洞的种类和性质黑洞虽然神秘，但是黑洞结构、种类、性质并不是过于复杂。

因为无论什么形态的物质一旦进入黑洞视界将转化为黑洞的质能，而最终研究黑洞，仅仅需要质量、角动量、电荷量。

因此黑洞对前身物质的形成或者成分没有记忆作用。

4.1 黑洞的种类按照习惯的分法，可以将黑洞分为“施瓦西”黑洞、“莱斯纳”黑洞、“克尔”黑洞。

“施瓦西”黑洞质量呈对称分布的强引力场，但不旋转、无角动量、不带电荷。

视界半径与区域内质量的关系为：22G Mr C =。

“莱斯纳”黑洞也是质量呈对称分布的强引力场，引力源静止，有质量M ，也有电荷Q ，其引力半径为：21k r G M c ⎡=+⎣。

“克尔”黑洞描述的是质量呈轴对称分布的强引力场，它旋转、具有角动量，但没有电荷。

“克尔”黑洞的大小与形状依赖旋转速度，其视界半径为：21k r G M C ⎡=+⎣，其中L 为单位质量的角动量[3] 。

4.2 黑洞的性质4.2.1奇性定理克尔西黑洞和克尔－纽曼黑洞都是严格对称的，但是在实际当中我们研究的星体几乎都不是严格对称的，这一事实导致了爱因斯坦引力方程无法求解。

在上世纪60年代，牛津大学教授彭罗斯和剑桥大学教授霍金用整体微分几何得出了几个奇性定理，说明偏离球对称的，质量超过中子星上限的星体塌缩最终结果必然出现奇点。

由宇宙监督假设理论，在自然界不存在没有视界的裸露奇点，有奇点必然有视界，就存在黑洞，则质量超过中子星上限任何星体（不论是否严格对称），其最后归宿都成为黑洞。

奇性定理证明了：真实的时间一定有开始，或者一定有结束，或者既有开始又有结束。

4.2.2 黑洞无毛定理按照黑洞的研究理论，黑洞是一个单项膜。

无论怎么样的物质只能进入而不能出去。

塌缩的结果都是一样。

原子内的电子被质子俘获变成了相同的中子。

所有进入视界的物质只能改变黑洞的质量。

最终的黑洞只需要质量、角动量、电荷这三个参量完全确定其时空结构。

这一结论称为黑洞“无毛定理”。

它是由惠勒最先提出，经霍金等人证明。

其定理的意义告诉人们，黑洞与引力塌缩前的物质种类无关，也与物体的形状无关。

引力塌缩丢失了几乎全部信息。

任何有关黑洞形成之前的大量复杂信息都不可能在黑洞形成之后知道，我们能够得到的只是最终黑洞的质量、旋转速度、电荷量。

4.2.3 黑洞面积不减定理黑洞的边界称为“视界”，它是恰不能从黑洞逃逸的光线在时间－空间的轨迹形成的。

由施瓦西黑洞视界半径：222g G m r m c ==，其视界面积为2222416416g G m A r m c πππ===，即面积与其质量平方成正比。

在经典黑洞理论范围内，任何物质（包括光子）都不能逃离黑洞，黑洞的质量增大，其面积不会减少，显然这符合视界面积不减定理。

4.2.4黑洞的霍金辐射我们都知道真空是量子场系统的能量最低状态。

由于真空涨落，真空中不断有各种各样虚的正负粒子对产生，但是不允许有实的负能态存在，正负离子对产生后很快消失，观测都不能直接。