黑洞和时空奇点

在大多数物理情况下,重力的影响相对较小,零锥稍微偏离他们的位置闵可夫斯基空间m .然而,黑洞,我们找到一个非常不同的情况下,当我试图显示在图2.24。这个时空图代表的崩溃在大量恒星(也许十个,甚至更多,倍太阳质量),用尽其资源的内部(核)能源、崩溃无法停下来地向内。在某个阶段,可能时确认为逃避velolcity[234]从恒星的表面达到光的速度向内倾斜的零锥变得如此极端,最外层的未来的一部分锥变成图中垂直。跟踪这些特殊的锥的信封,我们定位3-surface称为视界,成明星发现自己的身体是下降。(当然,我不得不抑制空间维度之一,在画这幅画,地平线上出现一个普通2-surface,但这应该不是混淆读者。)

因为这个倾斜的零锥,我们发现任何粒子的世界线或光信号原始视界内将无法逃到外面,因为它会违反§2.3的要求为了穿越地平线。如果我们追溯(时间)的光线进入外部观察者的眼睛,从洞坐落在一个安全的距离,朝它看,我们发现这条射线不能通过向后穿过视界进入其内部,但徘徊在略高于水面,满足身体的明星暴跌前稍等下地平线。理论上会这样不管外部观察者等待多久(即无论多远的图片我们观察者的眼睛),但实际上图像被观察者会变得非常红移,很快淡出查看后及时观察者坐落,这在短期内明星的形象将成为黑暗按照术语“黑洞”。

崩溃的问题

图2.24的崩溃在大量恒星黑洞。当未来的向内倾斜锥形垂直图中,光从恒星再也不能逃脱它的引力。这些锥的信封是视界。

崩溃的问题

图2.24的崩溃在大量恒星黑洞。当未来的向内倾斜锥形垂直图中,光从恒星再也不能逃脱它的引力。这些锥的信封是视界。

一个自然的问题是:这个进口下降的命运是什么材料的质量明星穿过地平线后?可能会沉迷于一些后续的复杂活动,可能与材料盘旋着,当它到达附近的中心,有效地导致向外反弹?的原始模型崩溃,像图2.24中,提出了由j .罗伯特•奥本海默和他的学生一起斯奈德在1939年,这是爱因斯坦方程的精确解。然而,各种简化的假设,以便他们可以以显式的方式表示他们的解决方案。最重要的(和限制)这些是准确的球对称假设,所以这样一个不对称的“旋转”不能代表。他们还认为恒星的物质的性质可以合理近似为无压的汗——那就由相对论理论被称为“灰尘”(参见§2.1)。奥本海默和斯奈德发现,在这些假设,向内崩溃只是一直持续到材料的密度变得无限点中心,以及随之而来的时空曲率因此也变得无限。这个中心点,solution-represented的垂直曲线表示在图2.24——因此被称为时空奇点,爱因斯坦的理论“放弃”,物理学和标准提出了我们没有办法进一步发展的解决方案。

这种时空奇点的存在与一个基本难题提出了物理学家,经常被视为逆问题的宇宙大爆炸的起源。大爆炸而被看作是时间的开始,黑洞的奇点现在自己是代表就任至少到年底,材料的命运,在某个阶段,掉进洞里。从这个意义上讲,我们可以把问题提出的黑洞奇点的time-reverse提出的大爆炸。

这的确是事实,每一个因果曲线产生在地平线,在黑洞崩溃的照片图2.24中,当扩展到未来就会,必须终止在中央奇点。同样,在弗里德曼的模型称为§2.1,每一个因果关系曲线(在整个模型),如果扩展到回到过去会,必须终止在大爆炸奇点(实际上产生)。将因此出现分解从黑洞中被越来越多的当地的两种情况,实际上,time-reverses。然而,我们考虑第二定律可能会建议我们这不能完全是这样。宇宙大爆炸一定是非常低的熵,相比,情况中遇到一个黑洞。一个之间的区别和其他time-reverse必须为我们考虑的一个关键问题。

在我们来之前(§2.6)这种差异的本质,必须面对一个重要的初步问题。我们必须解决的问题,或在多大程度上,我们有理由相信奥本海默和斯奈德的模式,一方面,和高度对称的宇宙学模型如弗里德曼,。我们必须注意的两个重要基础的假设Oppenheimer-Snyder引力坍缩的照片。这些都是球形对称和特定的理想化的材料构成的崩溃的身体是完全免费的压力。这两个假设也适用于弗里德曼宇宙学模型(球面对称申请所有FLRW模型),所以我们很可能有理由怀疑,这些理想化的模型需要一定代表不可避免的崩溃的行为(或爆炸),在这种极端的情况下,根据爱因斯坦的广义相对论。

事实上,这些问题都是重要的,我担心当我开始认真考虑在1964年秋天引力坍塌。这被担忧刺激我的深深深刻的美国物理学家约翰·a·惠勒最近发现后,由Maarten施密特,一个显著的对象[2351的非凡的亮度和可变性的性质表明,接近我们现在称之为“黑洞”可能要参与。当时,有一个共同的信念,基于一些详细的理论工作,由两名俄罗斯物理学家Evgeny Mikhailovich谨言,伊萨克马尔科维奇Khalatnikov,在一般情况下,在不对称将适用条件,时空奇点不会出现在引力坍缩。只是模模糊糊地知道俄罗斯的工作,但我怀疑这种数学分析他们一直使用可能会导致任何明确的结论在这个问题上,我开始思考我自己的的问题,而更多的几何方法。这涉及我试图理解各种全球性的光线传播,他们怎么可能集中到时空曲率,什么样的奇异表面开始时可能出现皱纹和跨越。

我早些时候一直想在这些方面相对于宇宙的稳态模型,称为初§2.2。一直很喜欢这种模式,但不喜欢这是我一直的爱因斯坦的广义相对论与宏伟的统一时空几何的基本概念与基本物理法则怀疑可能有任何的可能性两个可以保持一致。如果坚持纯理顺稳态模型,一个是被迫迅速得出结论,这种一致性离不开负能量密度的引入,这些效应,在爱因斯坦的理论中,能够喷出光线,为了对抗的无情的向内弯曲效应的积极能量密度正常物质(见§2.6)。一般地,负能量的存在在物理系统是“坏消息”,因为它可能会导致无法控制的不稳定。所以我想知道是否偏离对称可能允许一个避免这种不愉快的结论。不过,全球参数,可用于解决这种光线的拓扑行为表面是如此强大,如果行使应有的关心,他们常常可以被应用在一般情况下获得同样的结论适用于高对称。结果是(尽管我从未发表这些结论),合理的偏离对称不真正帮助,所以稳态模型,即使允许相当大的偏离对称理顺模型,无法逃脱被符合广义相对论,除非存在的负能量。

我也使用了一些类似的观点调查时可能出现的不同的可能性考虑远程重力系统的未来。我导致的技术,包括保形的想法时空几何(§2.3以上,将扮演着重要角色,在第3部分中),也让我考虑光线的聚焦特性系统[236]在一般情况下,

我开始相信我是相当多在家里这些事情,和我把注意力转向了引力坍缩的问题。这里的主要额外的困难是需要某种准则来描述一个崩溃的情况下通过了一个“临界点”,因为有许多情况下,身体的崩溃可以推翻,因为压力变得足够大逆转崩溃,所以材料“跳”出来。这样只能进不能退的地步似乎出现在地平线的形式,自引力变得如此强大,它克服了一切。然而,地平线的存在和位置是一件尴尬的事指定数学,实际上它的精确定义要求行为检查所有的无限大。因此,这对我来说是幸运的一个想法我37[2]——的“困表面”——这是一个更具地方特色,38[2]他在时空可能会作为一个条件是一个不可阻挡的引力坍缩确实发生了。

利用光线/拓扑的参数的类型,我一直发展我就能够建立一个定理[2 39],每当这种引力坍缩发生,无法避免奇异点,提供了几个“合理”的时空条件感到满意。其中一个是,光线集中不能是负数;更多的身体而言这意味着如果爱因斯坦方程被假定(有或没有的宇宙学常数a),能量通量在光线从来不是消极的。第二个条件是,整个系统必须能够从一个开放的进化(即所谓的“非紧化”)spacelike 3-surface e .这是一个非常标准的情况考虑合理的本地化(即non-cosmological)身体发展的情况。几何,我们需要的是,任何因果关系曲线时空下的考虑,未来的E,当向后扩展(时间)会,必须相交E(见图2.25)。唯一的其他需求(除了困表面)的假定存在问题实际上是由“奇点”意味着在这个上下文。基本上,一个奇点仅仅代表一个时空阻碍继续顺利,无限未来,[240]只是让一致的假设。

图2.25一个初始的柯西表面2;任何点p其未来的属性,每一个因果曲线终止在p,扩展足够远回到过去时,必须满足表面。

这个结果的力量在于其普遍性。不仅有不需要对称的假设,也没有对其它任何简化条件可能使方程更容易解决,但材料的性质限制了引力场的只是物理上合理的根据这些材料的物理要求能量通量在任何光线必须永远不会- a的情况称为“弱能量条件”。这种情况肯定是满意的一点压力尘埃奥本海默和斯奈德认为,弗里德曼也。但这远比这更普遍,包括所有类型的物理现实的经典材料被相对论理论家。

互补的力量,然而,这个结果的弱点,它告诉我们几乎没有任何的详细性质问题面对我们的恒星崩溃。它给不知道奇点的几何形式。它甚至不告诉我们,这件事将达到无限密度或时空曲率将变得无限以任何其他方式。此外,它告诉我们甚至没有的奇异行为将开始显现。

为了解决这些问题,需要的东西,更符合俄罗斯物理学家谨言的详细分析和Khalatnikov提到以上。然而,定理,我发现在1964年似乎与他们曾声称直接冲突!事实上确实如此,在接下来的几个月有很多恐慌和混乱。然而,所有解决俄罗斯的时候,一个年轻同事的帮助下弗拉基米尔·a . Belinski能够定位,然后纠正一个错误在他们以前的工作。而似乎原本爱因斯坦方程的奇异的解决方案非常特殊的情况,纠正工作我获得了同意的结果,表明奇异行为确实是一般情况下。此外,Belinski-Khalatnikov-Lifshitz工作提供了一个合理的理由非常复杂混乱的方法一个奇点的类型的活动现在称为BKL-conjecture。这种行为已经由美国相对论预期从考虑理论家查尔斯·w·Misner-referred搅拌机的宇宙和在我看来很可能至少在一种广泛的可能的情况下,这样的疯狂和混乱的“万能胶”活动可能在一般情况下。

我将有更多的关于这件事之后(§2.6),但是,就目前而言,我们必须解决另一个问题,即是否类似的发生被困的表面实际上是可能发生在任何合理的情况下。最初预测的原因是因为在大量恒星实际上可能灾难性的崩溃在后期阶段的进化源自Subrahmanyan塞卡的工作,在1931年,当他表明,微型,非常密集的恒星被称为白矮星(第一个著名的例子是神秘的黑暗同伴的亮星天狼星),质量可比与太阳但半径约地球的。白矮星相距举行由电子简并压力的量子力学原理防止电子从上变得拥挤。钱德拉塞卡表明,当(特殊)相对论的影响,是有限度的质量可以维持自身重力通过这种方式,他关注的难题,这引发了寒冷的质量比这个“钱德拉塞卡极限”。这个极限©约1.4米(M©表示太阳质量的)。

一个普通的进化('主序像太阳这样的恒星”)包括一个外层膨胀的后期阶段,所以它变成了一个巨大的红巨星,伴随着electron-degenerate核心。这个核心逐渐积累越来越多的明星的材料,如果这不会导致钱德拉塞卡极限被超过,整个星可以最终成为白矮星,最终冷却结束它的存在作为一个黑矮星。事实上,这是预期我们的太阳的命运。但对于更大的恒星,污染已经变成白矮星的核心可能崩溃在某个阶段,由于钱德拉塞卡极限被超过,明星的陨落的材料导致极其猛烈的超新星爆炸(可能,几天,整个它所在星系)。足够的材料可能会脱落,在这个过程中,这样产生的核心是能够持续在一个甚至更大的密度(1.5,说,M©压缩成直径约10公里)的地区,形成中子星,持续的中子简并压。

中子星有时透露自己是脉冲星(见§2.1和注意2.6),我们现在已经观察到许多星系。却又有一种限制的质量这样的明星,这是大约1.5©(有时称为朗道限制)。如果原恒星足够大(超过10 M©)说,然后很有可能爆炸物质将被炸掉,不足和核心将无法维持自己的中子星。然后向左没有停止其崩溃,和在所有概率一个阶段会出现困表面达到。

当然,这并不是一个确定的结论,一个很可能会认为不够了解此类异常的物理凝聚状态,之前的材料将达到达到trapped-surface政权(尽管只有3倍半径,从一个中子星)。然而,黑洞产生相当强大,如果我们考虑质量浓度更大尺度的集合许多恒星的星系中心附近。这是简单的事情。越来越大的系统,被困的表面会出现在越来越小的密度。有足够的空间,例如,大约一百万白矮星,实际上没有必要接触,占领一个直径106公里的区域,这将足够小困表面周围出现。“未知的物理”的问题以极高的密度是不相关时黑洞的形成。

有一个进一步的理论问题到目前为止我所掩盖了。我一直在暗中假设困表面的存在意味着会形成一个黑洞。然而这演绎,取决于什么是被称为“宇宙审查”,尽管普遍认为是真实的,仍然是一个未被证明的猜想,现在[2411。随着信息推测,这可能是经典广义相对论的主要的尚未解决的问题。时空宇宙审查断言的是,裸奇点并不发生在通用重力崩溃,“裸”意味着因果曲线原始在奇点可以逃避到一个遥远的外部观察者(这样奇点不是屏蔽从外部观察视界)。我将回到宇宙§2.6审查的问题。

在任何情况下,观察形势目前强烈倾向于黑洞的存在。证据表明某些双星系统包含几倍太阳质量的黑洞是相当令人印象深刻的,尽管它是有点“负面”的角色,一个无形的组件从动力系统使其存在明显的动作,无形的组件的质量大大超过可能的任何紧凑的对象,根据标准理论。最令人印象深刻的观察这种发生快速轨道运动的观察到恒星围绕着一个无形的但非常巨大的紧凑的实体在我们银河系的中心。这些运动的速度,这样的实体必须有大量的大约4 000 000©!很难想象,这可以是任何东西除了一个黑洞。除了这种“消极”的证据,也有这种性质的实体,观察到在周围拖动材料,这个材料没有证据显示加热表面的实体。缺乏一个有重量的表面是明确一个黑洞。[2421的直接证据

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