黑洞與時(shí)間的性質(zhì)

前言

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，是探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動基本規(guī)律的前沿學(xué)科。幾十年來，在生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的要求和推動下，人們對物理現(xiàn)象和物理學(xué)規(guī)律的探索研究不斷取得新的突破。物理學(xué)的各分支學(xué)科有著突飛猛進(jìn)的發(fā)展，豐富了人們對物質(zhì)世界物理運(yùn)動基本規(guī)律的認(rèn)識和掌握，促進(jìn)了許多和物理學(xué)緊密相關(guān)的交叉學(xué)科和技術(shù)學(xué)科的進(jìn)步。物理學(xué)的發(fā)展是許多新興學(xué)科、交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科產(chǎn)生、成長和發(fā)展的基礎(chǔ)和前導(dǎo)。為適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，為推動國內(nèi)物理學(xué)的研究、提高物理教學(xué)水平，我們決定推出《北京大學(xué)物理學(xué)叢書》，請?jiān)谖锢韺W(xué)前沿進(jìn)行科學(xué)研究和教學(xué)工作的著名物理學(xué)家和教授對現(xiàn)代物理學(xué)各分支領(lǐng)域的前沿發(fā)展做系統(tǒng)、全面的介紹，為廣大物理學(xué)工作者和物理系的學(xué)生進(jìn)一步開展物理學(xué)各分支領(lǐng)域的探索研究和學(xué)習(xí)，開展與物理學(xué)緊密相關(guān)的交叉學(xué)科和技術(shù)學(xué)科的研究和學(xué)習(xí)提供研究參考書、教學(xué)參考書和教材。

內(nèi)容概要

　　《黑洞與時(shí)間的性質(zhì)》講述建立在廣義相對論基礎(chǔ)上的黑洞理論和量子宇宙學(xué)，包括黑洞的幾何結(jié)構(gòu)，熱性質(zhì)與量子性質(zhì)，信息疑難，奇性定理，時(shí)空泡沫結(jié)構(gòu)，時(shí)空隧道與時(shí)間機(jī)器等，還介紹了古今學(xué)者對時(shí)間的認(rèn)識和對時(shí)間性質(zhì)的研究。書中用主要篇幅給出了作者近年來在上述領(lǐng)域的工作，包括計(jì)算動態(tài)黑洞溫度的方法，計(jì)算黑洞熵的薄膜模型，黑洞信息疑難和量子隧穿過程，奇性定理和自由光線的加速度，蟲洞對量子場論的影響，制造與維持時(shí)空隧道和時(shí)間機(jī)器的可能性，時(shí)間度量的理論基礎(chǔ)，如何調(diào)整異地鐘速的同步，如何定義相繼時(shí)間段的相等。還在上述研究的基礎(chǔ)上探討了時(shí)間性質(zhì)與熱力學(xué)的關(guān)系。　　《黑洞與時(shí)間的性質(zhì)》可供理論物理和天體物理工作者參考，也可供物理、數(shù)學(xué)、天文、自然哲學(xué)等專業(yè)的教師、研究生、大學(xué)生以及對上述領(lǐng)域感興趣而又具備理工科大學(xué)基礎(chǔ)知識的讀者閱讀。

作者簡介

劉遼，北京師范大學(xué)物理系教授。1952年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，曾任中國物理學(xué)會理事，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事，理事長。國際廣義相對論和引力委員會委員。俄羅斯《引力和宇宙》雜志中國編委。長期從事理論物理的教學(xué)與研究。在國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表論文60余篇，在黑洞熱力學(xué)，黑洞量子化、基子宇宙學(xué)，蟲洞與時(shí)間機(jī)器，時(shí)空泡沫結(jié)構(gòu)，量子引力與彎曲時(shí)空、量子場論等方面有創(chuàng)新性工作。主要著作有：《廣義相對論》，《最子場論》、《狹義相對論》，《暴脹字宙和字宙弦》，《李群與李代數(shù)》，編寫過《彎曲時(shí)空量子場論》、《量子宇宙學(xué)》等講義。1986年，1996年兩次獲國家教委科技進(jìn)步二等獎。趙靜，北京師范大學(xué)物理系教授、博士生導(dǎo)師。1967年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系；師從劉遼教授學(xué)習(xí)廣義相對論。1981年獲北京師范大學(xué)天文系碩士學(xué)位；1987年獲布魯塞爾自由大學(xué)博士學(xué)位。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長。物理系主任，中國物理學(xué)會理事，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事、理事長。長期從事理論物理的教學(xué)與研究，參加和承擔(dān)過多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。在相對論，黑洞物理等領(lǐng)域發(fā)表論文100多篇，在黑洞熱性質(zhì)、時(shí)空奇點(diǎn)，鐘速同步和熱力學(xué)的關(guān)系等方面有創(chuàng)新性工作。1986年、1996年兩次獲國家教委科技進(jìn)步二等獎。2008年獲ThomsonReuters“中國卓越研究獎”。主要著作有：《黑洞的熱性質(zhì)與時(shí)空奇異性》，《黑洞與彎曲的時(shí)空》，科普作品有《探求上帝的秘密》、《物理學(xué)與人類文明》。曾獲第11屆和第12屆中國圖書獎。田貴花，北京郵電大學(xué)理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。北京師范大學(xué)物理系博士。2006年完成中國科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院應(yīng)用數(shù)學(xué)所的博士后工作。主要研究領(lǐng)域?yàn)椋航?jīng)典相對論，黑洞熵及其熱力學(xué)性質(zhì)。開放體系的主方程及相關(guān)問題。半經(jīng)典隨機(jī)引力理論，量子力學(xué)和量子場論中的基本問題。參加過多項(xiàng)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，并主持完成一項(xiàng)國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及一項(xiàng)國家自然科學(xué)基金專項(xiàng)基金項(xiàng)目。張靖儀，廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院教授。北京師范大學(xué)物理系博士。長期從事理論物理的教學(xué)與研究工作。主要研究領(lǐng)域?yàn)椋簮垡蛩固箞龇匠叹_解，黑洞熵，黑洞的霍金輻射與信息疑難，宇宙學(xué)。2003年以來在黑洞霍金輻射和黑洞信息丟失問題上開展了一系列研究。主持和參與了四項(xiàng)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目及一個(gè)省級自然科學(xué)基金項(xiàng)目。2008年獲ThomsonReuters“中國卓越研究獎”。

書籍目錄

第一章 黑洞的幾何性質(zhì)§1.1 黑洞與無限紅移1.歷史上的黑洞2.史瓦西時(shí)空的奇點(diǎn)和奇面3.引力紅移4.無限紅移面§1.2 黑洞的表面——事件視界1.世界線2.光錐3.零超曲面4.事件視界5.單向膜區(qū)6.時(shí)空坐標(biāo)互換§1.3 時(shí)空的延拓1.史瓦西坐標(biāo)的缺點(diǎn)2.自由下落觀測者3.烏龜坐標(biāo)與愛丁頓坐標(biāo)4.克魯斯卡爾坐標(biāo)5.彭羅斯圖§1.4 最一般的穩(wěn)態(tài)黑洞1.克爾一紐曼度規(guī)2.無限紅移面與視界3.單向膜區(qū)與能層4.內(nèi)稟奇異性5.彭羅斯圖6.極端黑洞、裸奇異與宇宙監(jiān)督假設(shè)7.不可抵達(dá)的奇點(diǎn)與奇環(huán)§1.5 黑洞的非熱效應(yīng)1.拖曳效應(yīng)2.黑洞的表面積、表面引力和靜電勢3.彭羅斯過程4.黑洞的受激輻射5.黑洞的自發(fā)輻射第二章 黑洞的溫度與熱輻射§2.1 黑洞的熱性質(zhì)1.無毛定理2.面積定理3.貝肯斯坦一斯馬爾公式4.極端黑洞的熱性質(zhì)5.穩(wěn)態(tài)黑洞的表面引力6.黑洞力學(xué)的四條定律§2.2 黑洞的熱輻射.1.霍金輻射的物理機(jī)制2.粒子在黑洞附近的運(yùn)動3.視界對粒子的散射4.輻射是黑體輻射5.克爾一紐曼黑洞的熱輻射§2.3 黑洞的熱平衡1.一般系統(tǒng)的熱平衡2.史瓦西黑洞與外界的熱平衡3.R—N黑洞的相變4.黑洞的演化§2.4 安魯效應(yīng)1.倫德勒坐標(biāo)2.安魯效應(yīng)3.不等價(jià)的真空4.博戈留波夫變換與安魯效應(yīng)的證明5.史瓦西時(shí)空與倫德勒時(shí)空的相似性6.倫德勒時(shí)空的視界§2.5 有視界就有熱效應(yīng)1.穩(wěn)態(tài)時(shí)空中確定事件視界的普遍方法2.表面引力、烏龜坐標(biāo)與熱輻射3.導(dǎo)致熱效應(yīng)的坐標(biāo)變換4.慣性的起源§2.6 非穩(wěn)態(tài)黑洞的熱性質(zhì)1.黑洞的幾何定義——整體定義2.黑洞的物理定義——局域定義3.非穩(wěn)態(tài)黑洞的研究4.計(jì)算非穩(wěn)態(tài)黑洞熱輻射的方法第三章 黑洞熵與信息疑難§3.1 黑洞熵綜述1.黑洞熵的提出、貝肯斯坦一霍金熵2.廣義熱力學(xué)第二定律、熵界3.關(guān)于黑洞熵本質(zhì)的探討§3.2 黑洞熵，特霍夫特的磚墻模型§3.3 薄膜模型——對磚墻模型的改進(jìn)1.史瓦西黑洞2.史瓦西一deSitter黑洞的熵3.Vaidya黑洞的熵4.討論§3.4 黑洞信息佯謬§3.5 靜態(tài)球?qū)ΨQ黑洞的量子隧穿輻射1.計(jì)算霍金輻射譜時(shí)存在的問題2.Painleve坐標(biāo)系3.量子隧穿輻射譜§3.6 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)動黑洞的量子隧穿輻射1.坐標(biāo)鐘同時(shí)與克爾一紐曼一Painlev坐標(biāo)系2.霍金輻射修正譜§3.7 靜止質(zhì)量不為零的粒子的黑洞隧穿和deSitter隧穿1.有靜止質(zhì)量的粒子在穿越視界時(shí)的行為2.黑洞事件視界處的勢壘貫穿3.deSitter視界的勢壘貫穿幾率§3.8 帶電粒子的量子隧穿效應(yīng)1.帶電粒子穿越視界時(shí)的行為2.出射率3.討論§3.9 霍金輻射信息疑難的再討論第四章 質(zhì)疑彭羅斯與霍金的奇性定理§4.1 奇點(diǎn)，時(shí)間的開始與終結(jié)1.時(shí)空的本性奇點(diǎn)2.對奇點(diǎn)的重新認(rèn)識§4.2 彭羅斯與霍金的奇性定理1.奇點(diǎn)與奇異性的定義2.時(shí)空的因果結(jié)構(gòu)3.能量條件4.共軛點(diǎn)與最長線5.奇性定理簡介§4.3 奇點(diǎn)的若干性質(zhì)1.一類不可抵達(dá)的奇異區(qū)2.奇環(huán)附近存在閉合類時(shí)線3.奇環(huán)以光速轉(zhuǎn)動4.奇環(huán)的溫度§4.4 熱力學(xué)第三定律與宇宙監(jiān)督假設(shè)1.解釋霍金輻射的困難2.霍金“吸收”和內(nèi)稟奇區(qū)的熱輻射3.奇區(qū)的溫度和熱力學(xué)第三定律§4.5 熱力學(xué)第三定律與時(shí)空奇異性1.第三定律與類時(shí)奇點(diǎn)2.奇異區(qū)的坐標(biāo)溫度3.完備時(shí)空處在絕對零度4.啟示與猜想§4.6 彎曲時(shí)空中類光測地線的加速度1.倫德勒變換的啟示……第五章 蟲洞，時(shí)空遂道與時(shí)間機(jī)器第六章 時(shí)間的性質(zhì)參考文獻(xiàn)索引

章節(jié)摘錄

第一章 黑洞的幾何性質(zhì)黑洞是廣義相對論預(yù)言的天體。愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為，物質(zhì)的存在會造成時(shí)空的彎曲，人們通常所說的萬有引力就是時(shí)空彎曲的表現(xiàn)。在時(shí)空彎曲得非常厲害的地方，時(shí)空幾何性質(zhì)會發(fā)生重要的變化，形成黑洞。通常的恒星（主序星、紅巨星等）靠熱核反應(yīng)產(chǎn)生的熱來維持生存。粒子熱運(yùn)動產(chǎn)生的“排斥”效應(yīng)與萬有引力平衡，形成穩(wěn)定的恒星狀態(tài)。當(dāng)主序星的氫基本聚合成氦之后，主序星的溫度下降，外層膨脹形成紅巨星。隨著熱運(yùn)動的減弱，“熱排斥”難以抗衡萬有引力造成的收縮效應(yīng)。恒星在自身物質(zhì)的巨大重力下發(fā)生塌縮后，其中剩余質(zhì)量小于錢德拉塞卡極限的恒星會形成白矮星。這是一種靠電子的簡并壓力（泡利斥力）來與了有引力抗衡而形成的穩(wěn)定天體，其主要成分是碳和氧。剩余質(zhì)量超過1.4M的星體，電子的運(yùn)動速度會趨近光速，形成相對論性電子氣，電子間的泡利斥力將迅速減弱，星體將進(jìn)一步坍縮。質(zhì)量小于奧本海默極限（約3M。）的星體，會形成中子星，這是一種靠中子間的泡利斥力來與萬有引力相抗衡的星體。剩余質(zhì)量超過奧本海默極限的星體，中子間的泡利斥力頂不住萬有引力，星體將繼續(xù)坍縮形成黑洞。

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《理論物理專輯:黑洞與時(shí)間的性質(zhì)》：北京大學(xué)物理學(xué)叢書。

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