黑洞熱力學

1、本文發(fā)表在本文發(fā)表在《物理教學探討物理教學探討》2008》2008年1212月上半月第月上半月第2626卷總第卷總第329329期第期第1頁相對論、引力理論和宇宙學的發(fā)展相對論、引力理論和宇宙學的發(fā)展張元仲中科院理論物理所十九世紀末、二十世紀初，電磁學的很多實驗與牛頓理論的矛盾很尖銳。為此，物理學家意識到牛頓理論存在的問題和新理論的必然產生。1905年，愛因斯坦以狹義相對性原理和光速不變原理為基礎建立了狹義相對論（四維平直時空理論），該

2、理論以慣性系之間的洛倫茲坐標變換代替牛頓理論中的伽利略變換，因而要求一切物理定律在洛倫茲坐標變換下保持不變（即“狹義相對性原理”）。在1905年之前，物理學理論都是以牛頓絕對時間和空間的理論為基礎的。既然狹義相對論比牛頓絕對時間和空間的理論更接近物理現(xiàn)象中的時空結構，那么我們就必須修改這些經(jīng)典物理理論使之滿足狹義相對論的要求。在愛因斯坦的第一篇狹義相對論的論文中已經(jīng)把牛頓力學第二定律修改成了相對論性力學。而且還使真空中的電動力學滿足了狹

3、義相對性原理；后來，閔柯夫斯基在1908年給出了滿足狹義相對性原理的運動介質中的電動力學。另方面，狹義相對論問世之前很久，用牛頓理論計算出來的水星近日點的進動數(shù)值比觀測值每百年大約小43角秒，這表明牛頓萬有引力定律不夠精確。但是，如果仍然把時間和空間看作是平直的來修改牛頓萬有引力定律的話則無法解釋這43角秒。為此，愛因斯坦借助于彎曲空間的黎曼幾何才得以把牛頓引力理論推廣成與狹義相對論相容的廣義相對論（一種彎曲時空中的引力理論）并于191

4、6年公布。此外，后來發(fā)現(xiàn)在微觀粒子之間還存在弱相互作用和強相互作用，與之相應的理論是相對論性的現(xiàn)代基本粒子理論。狹義相對論狹義相對論的許多直接預言已經(jīng)有了很多實驗驗證，例如時鐘變慢效應、長度收縮效應、慣性質量與運動速度的關系、能量與質量的關系、光子無靜止質量等等。更高精度的衛(wèi)星檢驗正在計劃之中。另一類證據(jù)就是現(xiàn)代基本物理理論的成果。即廣義相對論、量子電動力學、基本粒子理論等理論的成功也是狹義相對論的證據(jù)。狹義相對論在理論上一直沒有什么新

5、的發(fā)展。等效原理等效原理是廣義相對論的二個基本假設之一，其中包含了（伽利略）弱等效原理，即引力質量與慣性質量相等；從牛頓開始直至今天已經(jīng)在不同技術條和意大利合作的）“Virgo”引力波探測儀；在美國路易斯安那州建立的二個臂長均為4公里的直角激光干涉儀引力波觀測站（LIGO）；英德聯(lián)合建在德國漢諾威的長600米的GEO項目；建在日本東京附近長300米的TAMA項目；在南半球的澳大利亞正在建造一個僅80米長的引力波探測器（Perth）。以上

6、這些引力波探測器構成了異地觀測網(wǎng)絡。此外，歐洲和美國的聯(lián)合項目——激光干涉空間天線（LISA）是由三顆衛(wèi)星組成的三角形激光干涉儀，其三角形的邊長為500萬公里，可以探測低頻率低強度的引力波。黑洞黑洞是廣義相對論預言的最為奇特的天體；它不發(fā)光，任何物質包括光子只能從外部進入黑洞而不能從黑洞逃逸。但是黑洞天體吸引周圍物質而形成吸積盤，由于其極強的引力場以及物質不斷落入黑洞，所以會產生X射線和氣體噴注；天文觀測表明，星系（包括我們銀河系）的中

7、心都存在一個超大質量的黑洞，其周圍吸積盤也產生X射線和氣體噴注。最近，在歐洲核子中心運行的大型強子對撞機（LHC）計劃觀測微觀黑洞的存在。黑洞理論的研究一直是理論物理中的前沿熱點課題。黑洞也存在四個熱力學定律（“黑洞熱力學”）。1974年，霍金依據(jù)黑洞附近的量子場論發(fā)現(xiàn)黑洞會以熱輻射的形式輻射出物質（霍金輻射）。但是“霍金輻射”對普通天體大小的黑洞的影響微不足道。目前，人們在理論方面重點研究的有關黑洞的問題包括黑洞形成和隨后輻射的過程中

8、信息丟失的問題、黑洞熵的統(tǒng)計自由度問題、全息原理等。量子引力和超弦理論：量子引力和超弦理論：廣義相對論作為一種經(jīng)典場論同樣需要量子化，即建立起引力場的量子化理論，即量子引力。但是由于理論上的困難迄今為止還沒有成功發(fā)現(xiàn)這種理論（包括圈量子引力理論仍在探索之中）。單獨把引力場量子化或者把四種基本相互作用的大統(tǒng)一理論量子化是追求引力場量子化的不同途徑。后者的研究產生了超弦理論（包含了費米子和波色子之間的對稱性）。額外維度和膜宇宙：額外維度和膜

9、宇宙：我們的宇宙是4維時空（3維空間、1維時間）。大統(tǒng)一理論的時間仍是一維的，而空間的維數(shù)則大于3維；這種超過3維的空間維度稱為“額外維度”。最早的高維理論是5維（4維空間和1維時間）的卡魯查－克萊因統(tǒng)一理論。自洽的超弦理論是10維的。值得一提的額外維度的模型是1998年的膜世界圖像（ADD模型）。這個模型預言，在亞毫米尺度上引力定律會偏離牛頓引力的反平方定律；為此而進行的許多實驗還沒有觀測到這種偏離。宇宙學：宇宙學：廣義相對論給出的（