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黑洞定律是什么

作者: formermaster/发布时间2021-08-16 11:35:38/点击5121℃
导读黑洞力学四定律是霍金等人提出的有关黑洞的四条定律,它们在形式上很类似热力学四定律。 内容 热力学四定律: 第零定律:若两系统分别与一系统处于热平衡态,则这两个系统之间处于热平衡态。 第一定律:dU=dW+dQ 第二定律:孤立系统的熵随时间不会减少 第三...
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黑洞力学四定律是霍金等人提出的有关黑洞的四条定律,它们在形式上很类似热力学四定律。

内容

热力学四定律:

第零定律:若两系统分别与一系统处于热平衡态,则这两个系统之间处于热平衡态。

第一定律:dU=dW+dQ

第二定律:孤立系统的熵随时间不会减少

第三定律:不可能通过有限步骤达到绝对零度。

黑洞力学四定律:

第零定律:稳态黑洞表面引力为常数。

第一定律:dM=k/8πdA+ΩdJ+VdQ(自然单位制c=G=hbar=1)

其中,M,k,A,Ω,J,V,Q分别为质量(能量),表面引力,表面积,转动角速度,角动量,表面静电势,电荷。

与之类比:dU=TdS+ΩdJ+VdQ

其中,U,T,S,Ω,J,V,Q分别为内能,温度,熵,转动角速度,角动量,表面静电势,电荷。

第二定律:黑洞面积随时间不会减少。

第三定律:不可能通过有限步骤使表面引力降为0(达到极端黑洞,即产生裸奇点)黑洞定律

贝肯斯坦和斯马尔各自独立发现了黑洞各参量之间的一个重要关系式,发现黑洞的静止能,转动动能,电势能三者之间存在相互转化关系.这一公式与热力学第一定律表达式非常相似,而且表达的内容也是能量守恒定律.这一公式被称为黑洞力学第一定律。

在热力学中我们知道,并不是所有满足能量守恒的过程都可以实现,只有同时满足第二定律:封闭系统的熵不能减少这一条件才可以实现.熵增原理是一条与能量守恒有同等地位的物理学原理.实践证明,只要忽略这一原理就会不可避免的遭到失败。

1971年,霍金在不考虑量子效应,宇宙监督假设和强能量条件成立的前提下证明了面积定理:黑洞的表面积在顺时方向永不减少.真实的时空都满足强能条件,即时空的应力不能太小,由一个公式描述.两个黑洞合并为一个黑洞面积增大,因此可以实现.但一个黑洞分裂为两个黑洞,面积减小,因此即使满足能量守恒也是不可能实现的.在面积定理约束下,两个等质量黑洞合并,若面积不变可以放出约30%的黑洞能量.面积定理很容易使物理学家们联想到第二定律的熵,它是唯一显示时间箭头的物理定律.贝肯斯坦等人通过黑洞的微观分析,认为黑洞的确存在与面积成正比的熵.面积定理是热力学第二定律在黑洞力学中的具体体现。

先介绍一个概念:黑洞的表面引力.表面引力就是将物体放在视界处(若黑洞旋转就认为物体与视界一起旋转,与视界相对静止)受到的引力场强度.一个系统存在熵就存在温度,在视界面积与熵成正比的前提下容易证明表面引力与温度成正比.前几期提到的极端黑洞证明它们的表面引力为零.也就是说,极端黑洞是绝对零度的黑洞.热力学第三定律告诉我们,不能通过有限次操作把温度降到绝对零度.因此可以存在黑洞力学第三定律:不能通过有限次操作把一个非极端黑洞转变为极端黑洞.它与彭若斯的宇宙监督假设是等价的它是一条独立于第一定律与第二定律的公理。

热力学还有个第零定律:如果物体A与B达到热平衡,B与C达到热平衡,则A与C也一定达到热平衡.如果类比正确,应该指望黑洞存在一条类似的第零定律.目前已经证明稳态黑洞表面引力是一个常数.人们把这一结论称为黑洞力学第零定律。

因此,黑洞表面引力相当于温度,表面积相当于熵.如果是真温度,黑洞就是个热力学系统,应该存在热辐射,但通常对黑洞的理解是一个只进不出的天体,不会有热辐射.因此1973年前霍金等人强调,黑洞温度并不应该看作真正的温度,因此上述定律没有被称为黑洞力学斯定律.然而1973年霍金发现,黑洞存在热辐射,上述四定律的确就是热力学四定律。

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