史瓦西公式计算机专业考研,史瓦西方程
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什么是裸奇点?什么是奇点?两者有什么联系吗?
最简单的回答:一个天体表面的逃逸速度小于或等于光速时,该天体视为裸奇点。当此天体表面的逃逸速度大于光速时,该天体即为奇点。
当天体表面的逃逸速度小于或等于光速时,该天体的视界半径小于或等于该天体的半径,我们可以对此天体进行直接观测,这就是说该奇点***在我们面前的意思,所以我们称之为裸奇点。裸奇点是恒量死亡星体坍缩成黑洞的最小值,严格意义上讲,视界半径正好等于该天体半径的天体是自然形成的最小黑洞(不包括外部压力的特殊情况形成的微型黑洞),而视界半径小于该天体的半径的天体的黑洞是很不稳定的,它随时会转化成为量子星乃至中子星。天体的视界半径大于此天体的半径即是普遍存在的黑洞,此天体即是奇点。
黑洞的大小与其视界半径成正比,所有物质粒子在视界位置所受的引力大小是相等的,与黑洞的大小无关,且等于裸奇点表面的引力。
所有黑洞天体的体积都是大于零的,当黑洞的质量增加到一定程度的时候,构建此黑洞的物质粒子不能继续承受自身压力就会由更小的物质粒子构建,此时新构建的黑洞的奇点半径较之前的会更小,但视界半径依然增大。在此种情况的转换过程中,如果外界条件具备,即可产生黑洞喷流现象。
我们宇宙中的黑洞奇点是由物质粒子构成的,它具有一定的体积,也就是说它是具有时间空间的,而产生宇宙大爆炸的奇点是不存在空间时间的,它是由还没有被人类认知的某种能量构成,所以这两个奇点的性质是有很大区别的……
奇点是时空曲率发散的地方,一般来说,黑洞的中心,以及宇宙的开端都存在奇点。这个奇点物质与能量密度是无限大的,因为无限大的东西物理学不好描述,所以称之为奇点。
在广义相对论中,奇点是可以描述的。存在霍金与彭罗斯的奇点定理等比较强的数学定理来刻画奇点的存在性。
当然了,在物理上,奇点被认为都是被视界所包围的,也就是说不存在***的奇点。所以彭罗斯提出一个“宇宙监督***设”,在这个***设中,裸奇点是被禁止的。但彭罗斯也不能证明为什么裸奇点不能存在,所以他说:“上帝禁止裸奇点”。这样一下把问题推到上帝那里去了。
宇宙监督***设是一个没有被证明的猜想,需要用到拓扑学与微分几何学来理解这个猜想。
为什么***的奇点不能存在呢?因为***的奇点会破坏时空的因果性。比如在你房间里如果存在一个裸奇点,那么你撞上它以后会突然在我们这个时空中消失,这就破坏了我们时空的因果性——因为裸奇点是没有预警机制的。
奇点最早由史瓦西在研究广义相对论的引力场方程时发现的,他发现大质量恒星当发生引力坍缩时,没有任何自然力能阻止其坍缩,它最终会坍缩成一个时空曲率无穷大的奇点,并在其周围形成一个光速都不能逃逸,史瓦西半径大小的***视界,这就是现在所说的黑洞。
但其实很长时间里,大家都不相信奇点会出现,直到一位数学家出现,他就是牛津大学的罗杰彭罗斯。他当时是一位数学家,但当他一旦涉足物理就不得了了,现在他已经同时是一位物理学家了,在广义相对论和量子力学上都有很高造诣。
彭罗斯用数学方法证明了奇点必然出现,并且无法通过坐标系变换来消除。后来霍金也加入了研究,最终两人共同证明了奇性定理,指出在大爆炸初期和恒星坍缩到黑洞都必然会出现奇点,那里是时间的终点。
由于奇点过于奇葩,它自身和在它的附近有可能会产生闭合类时线,用人话来说就是允许出现时间倒流回到过去。这显然是无法接受的,所以彭罗斯很快定了个规矩:奇点必须被视界包裹,大自然不允许出现裸奇点,这个被称为宇宙监督。虽然很霸道,很有神学意味,但大家都很乐于接受这个***设,因为大家更不接受裸奇点可能导致的时间倒流从而产生的时间悖论。
裸奇点顾名思义就是***的奇点,也就是没有视界禁闭着的奇点。这会导致正常时空产生时间循环从而造成时间悖论。
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