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黑洞无毛定理与黑洞的种类

时间:2023-02-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:在黑洞理论中有一个定理,即黑洞的无毛定理。黑洞的无毛定理表明,跟其他天体相比,黑洞更为简单,其他天体的许多性质它都没有。克尔黑洞的视界,无限红移面,以及外部时空的其他性质均由质量M和角动量J确定,克尔黑洞的视界与无限红移面不重合,这是克尔黑洞与施瓦西黑洞的一个重要区别。上述这4种黑洞中,施瓦西黑洞是最简单也是最基本的黑洞,其他的黑洞,如果令电荷和角动量为0,均可以简化成施瓦西黑洞。

在黑洞理论中有一个定理,即黑洞的无毛(no hair)定理。1972年,美国普林斯顿大学的研究生贝肯斯坦提出一个定理,其内容是:当星体形成黑洞后,只剩下质量、角动量和电荷三个基本守恒量还在继续起作用,其他一切因素,即“毛发”,都在进入黑洞时消失了,所以说黑洞是无毛的。这就是著名的黑洞无毛定理,这个定理后来被霍金、卡特和伊斯雷尔等人证明了。

黑洞的无毛定理表明,跟其他天体相比,黑洞更为简单,其他天体的许多性质它都没有。例如,地球有磁场,太阳有黑子,中子星有电磁脉冲和γ射线爆发,组成这些星体的原子和分子都有复杂的结构……所有这些性质黑洞都没有,黑洞只有3个性质,即质量、电荷和角动量,只要这3个参数定了,黑洞的全部性质也确定了,除此之外黑洞就没有任何其他性质了。

根据这个定理,宇宙中只有下面4种类型的黑洞[80-81]

(1)施瓦西黑洞:只有质量的最简单的黑洞,其度规是在1916年由施瓦西求出。黑洞的全部性质都反映在它的时空度规中,施瓦西度规只有一个参数——质量M。这是球对称黑洞所具有的唯一参数,施瓦西黑洞除了质量外,再也没有其他性质了,黑洞的任何性质,如黑洞视界面的半径,视界面外部空间的曲率,试验粒子的加速度等,都由黑洞的质量决定,因此,施瓦西黑洞只有“一根毛”。

(2)R-N(Reissner-Nordstrom)黑洞:只有质量与电荷,而角动量为0的黑洞。这个黑洞的度规是在1918年由两位俄国科学家,雷斯耐尔和诺尔斯特罗姆给出的,简称R-N度规,这一度规只含两个参数——质量M和电荷Q,所以R-N黑洞只有“两根毛”。

(3)克尔黑洞:只有质量与角动量,电荷为0的黑洞。这个黑洞的外部时空度规是在1963年由克尔求出的,克尔度规也有两个参数——质量M和角动量J。克尔黑洞的视界,无限红移面,以及外部时空的其他性质均由质量M和角动量J确定,克尔黑洞的视界与无限红移面不重合,这是克尔黑洞与施瓦西黑洞的一个重要区别。

(4)克尔-纽曼黑洞:质量、电荷和角动量均不为0的黑洞。其度规是1965年由纽曼求出的,这个度规的表达式中含有3个参数——质量M、电荷Q和角动量J,所以,这个黑洞有“三根毛”。

上述这4种黑洞中,施瓦西黑洞是最简单也是最基本的黑洞,其他的黑洞,如果令电荷和角动量为0,均可以简化成施瓦西黑洞。由此可见,其他几种黑洞实际上是在施瓦西黑洞基础上,再增加电荷和角动量等性质而形成的。于是,我们不难得出这样的结论:如果在真实的物理时空中没有施瓦西黑洞,那么,其他几种黑洞也不可能存在,因此,研究黑洞是否存在这个问题,实际上只需讨论施瓦西黑洞就可以了。

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