科学前沿与哲学相对论.ppt

第4讲爱因斯坦与物理学革命 审天地之美 穷万物之理 一 两朵乌云二 狭义相对论三 弯曲的时空 广义相对论四 相对论的进展五 爱因斯坦的成就与影响 一 两朵乌云 1900 开尔文勋爵 物理学的大厦已经建成 未来的物理学家只需要做些修修补补的工作就行了 但是 明朗的天空还有两朵乌云 一朵与黑体辐射有关 另一朵与迈克尔逊实验有关 第一朵乌云 黑体辐射量子论第二朵乌云 迈克尔逊实验相对论 1900 1905 黑体辐射 绝对黑体 黑体 是在任何温度下都能全都吸收落在它上面的一切辐射的理想物体 根据经典物理学 可以得到 辐射的能量与频率的平方成正比 所以 当辐射频率极高时 能量必然趋于无穷大 即在紫色端发散 对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果 被称为 紫外灾难 迈克尔逊 地球就像一艘没有摩擦力的船穿过海水一样穿过 以太 C 游泳者的速度 V 水流速 L 距离游泳者往返一次所需时间 如果将游泳者换成光 地球的公转速度可以算出 v c 1 10000 因此在地球上验证地球穿越以太的实验 其精度起码达到一亿分之一 但是 迈克耳逊与莫雷在1881 1887年的实验中没有发现以太风 于是 要么以太随着地球一起运动 斯托克斯1846年的以太拖曳 基于1818年菲涅尔发现的光速在流水中的变化 而这就无法解释布拉德雷1728年发现的光行差现象 利用以太风理解恒星光的偏移 要么根本没有以太这种东西 迈克耳逊他们如实地报道了实验结果 但迈克耳逊没有意识到他们所做的实验给出的结果具有的重大意义 他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为 神圣 的经典物理学的根基 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖 他也是获得此奖的第一位美国人 运动光源实验 观察双星中每颗星的半周期 如果光速与光源速度有关 则二颗星的半周期不同 数学物理当前的危机 物理学的新发现已经推翻了物理学过去建立起来的基本原理 放射性和镭的永恒发热的发现 推翻了能量守恒定律 电子电磁质量随速度而变化的发现 推翻了质量守恒定律 以太漂移 实验的否定结果 推翻了伽利略相对性原理 电磁作用以有限速度传播 使电荷体之间的相互作用违反了牛顿第三定律 彭加勒 科学的价值 爱因斯坦生平 1879 3 14诞生于德国乌尔姆中 小学时代德国慕尼黑1895 1896瑞士阿劳中学一年1896 1900苏黎士工业大学学习1900 1902艰辛求职 四面碰壁 1902 1909伯尔尼发明专利局工作初期科研情况 1901 1篇论文1902 2篇论文1903 1篇论文1904 1篇论文 希尔伯特 没有比专利局对爱因斯坦更适合的工作单位了空闲 宽容 E mc2 狭义相对论 博士论文 获诺贝尔奖之作 导致Perrin获诺贝尔奖 1905 爱因斯坦生平 1909 1914进入大学工作 苏黎士 布拉格等地 1914 1933柏林大学教授 德国物理研究所所长 院士1915提出广义相对论 36岁 1933 1955德国法西斯上台 爱因斯坦到美国普林斯顿大学高级研究所任研究员1955年4月18日逝世 二 狭义相对论SpecialRelativity光是电磁波 是以太的波动理论上的困难 麦克斯韦电磁理论 作为相对性原理表达式的伽利略变换 光速对不同参考系应不同 不应是同一个C值 光速C是一个常数 实验上的困难 1728 1810 地球相对于以太运动吗 光行差现象 地球相对以太有运动 1887 迈克尔逊 莫雷实验 迈克尔逊莫雷物理学家化学家 零结果 洛伦兹的解释 以太相对于绝对空间静止 洛伦兹收缩 x x vty yz zt t 伽利略变换 速度叠加的平行四边形法则 洛伦兹变换 相对于绝对空间的变换 爱因斯坦的新理论相对性原理光速不变原理 洛伦兹变换 不存在绝对空间 一切运动都是相对的 洛伦兹变换是任意两个惯性系之间的变换 V是相对速度 爱因斯坦 洛伦兹反对爱因斯坦的观点 给爱因斯坦的理论起了个名字 相对论 相对论认为 同时 是相对的动尺收缩 空间是相对的动钟变慢 时间是相对的质能关系 说明同时具有相对性 时间的量度是相对的 和光速不变紧密联系在一起的是 在某一惯性系中同时发生的两个事件 在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察 并不一定是同时发生的 同时的相对性 闵可夫斯基时空 引入闵可夫斯基四维时空的新表述 将时间处理为与三个空间坐标垂直的第四维 四维时空间隔定义为ds2 c2dt2 dx2 dy2 dz2 这是在各惯性系中不变的量 还出现了其他与四维时空间隔有关的相对论不变量 空间与时间 动量与能量 电场与磁场等形成了有机的统一体 并且推导出物体总能量E与质量m的关系式E mc2 在彭加勒和爱因斯坦看来 闵氏时空的结构不是先验的 而是与光速不变原理有关的操作约定的结果 洛伦兹变换 空间转动变换 时间和空间的伪转动 保持两个时空点之间的时空距离不变一个光子的世界线的切矢量是一个类光矢量 开平方后得到一对共轭旋量 如同环绕旗杆的旗帜面 时空结构与因果性 光锥 间隔分类的几何意义 机动目录上页下页返回结束 双生子佯谬 究竟是谁创造了相对论 爱因斯坦的创新之处 1 坚持相对性原理 2 认识到光速是绝对的 最困难的思想突破 3 时间能量空间动量 1905年以前 通过引入各种假设对牛顿理论修修补补 得到了用以解释新实验结果的各种公式 斐兹杰惹 1889 洛伦兹收缩假说 1892 拉摩时钟变慢假设 1900 洛伦兹质量 速度关系式 1904 爱因斯坦质量 能量关系式 洛伦兹变换真空光速c的极限性这些公式全与当时新的实验结果相符1 它们都包含真空光速c2 它们分别来自不同的假设或不同的理论 1898彭加勒 时间的测量 确立光速不变原理1902彭加勒否认绝对空间 绝对时间 但仍承认有以太 批评相对于绝对空间的动尺收缩假设 认为 相对性原理 适用于电磁理论 这影响了洛伦兹提出地方时间概念 1904彭加勒 正确表述 相对性原理 提到用光信号对钟 但认为得到的是地方时间 不是真实时间 推测真空中光速c是常数 且可能是极限速度 约定主义 彭加勒在哲学上既继承马赫的经验一元论 又继承了约翰 赫歇尔与威廉 惠威尔的假设主义 在 科学与方法 1902 科学的价值 1905 与 科学与假设 1908 等著作中提出了约定主义哲学 理论自然科学的许多一般的原理 惯性原理 能量守恒定律等等 往往很难说它们的起源是经验的 还是先天的 实际上它们既不属于前者 也不属于后者 它们都是以一些假说为前提的 完全是以人的意愿为转移的约定 凡原理都是一些伪装的定义和公约 不过它们仍是由实验的定律引出的 他把相对论取代牛顿力学 看作是时空定义约定的变化 1905爱因斯坦发表相对论 论运动物体的电动力学 只有他认识到 1 必须彻底抛弃绝对空间 以太 必须彻底抛弃绝对时间 同时的绝对性 2 同时 是相对的 可以用光来对钟 定义 同时 3 新理论是一个时空理论爱因斯坦的特点是斯宾诺莎式的用 望远镜 看世界和莱布尼茨式的用 显微镜 看世界的统一 认识原则性的东西的强烈愿望 导致了把大部分时间耗费在无结果的努力之中 杨振宁教授洛伦兹只有近距离眼光 没有远距离眼光洛伦兹 只重视解释实验与观测结果 局部修改物理理论 不从哲学角度考虑彭卡莱只有远距离眼光 没有近距离眼光彭卡莱只从哲学和数学的角度来考查问题 不从实验和测量的角度考查爱因斯坦具有自由的眼光 既近距离又远距离观察问题既重视实验和观测 又注重哲学探讨 马赫著作 奥林匹亚学院 洛伦兹是技术型的 彭卡莱是哲学型的 爱因斯坦是物理型的 洛伦兹变换 相对于绝对空间的变换 如果要求质点力学定律相对于洛伦兹变换也不变 则牛顿动力学方程就非加以修改不可 这就是后来爱因斯坦从一个全新的观念出发完成的工作 右边的齐次洛伦兹变换要求 t t 0时 k和k 系重合 v沿x正方向 在t t 0时 k和k 系不重合 v沿x正方向 时 成为彭加勒变换 1905 1906 相对速度与坐标轴不平行的Lorentz变换 仍假定k和k 的原点在t t o时重合 并假设r和r 是同一点在两坐标系上的径矢 v vx vy vz 是k 系相对于k系的速度 那么齐次Lorentz变换改变为 r r v 1 rv 2 t t t rv c2 仍假定假定k和k 的原点在t t o时重合 但两个坐标系的轴的方向并不平行 两惯性系相对速度的方向也是随意的 在这种情况下 如果将k 系绕o 的某轴转动 使它变到与k系平行的k 1系 就可以在k系与k 1系之间应用上述Lorentz变换的矢式 我们用D代表这个转动算符 就有 Dr r v 1 rv 2 t t t rv c2 最一般的洛伦兹变换 它们的全体构成全洛伦兹群 初始条件 K 系 K系 闵可夫斯基时空的双曲几何 在牛顿力学中 位形空间 速度空间都是欧氏空间 而在狭义相对论中 闵氏时空是伪欧的 速度空间是双曲空间 加速度空间也是非欧空间 区分粒子纵质量与横质量是建立在加速度可以线性叠加的错误前提上的 惯性系条件等价于时空和速度均匀且各向同性 光速不变性是确定速度空间曲率半径的附加条件 洛伦兹变换相当于闵氏时空在包含时轴的平面上进行 旋转角是虚角 tg iv c 虚角的三角函数 相当于双曲函数 速度空间的双曲面的曲率半径是光速c 于是th v c 洛伦兹变换就成为 x xch ush y y z z t tch xsh 牛顿时间坐标与爱因斯坦时间坐标的差别 tN t0 x 牛顿 爱因斯坦 洛伦兹变换 伽利略变换 动力学 爱因斯坦 1916 狭义相对论与经典力学的分歧 不在于相对性原理 而只在于真空中光速不变的假设 牛顿时空 狭义时空 双程时空 普遍时空 双程不变单程可变 单程不变 物理效应相同 物理效应不同 1963 19491977 1905 盖莫夫的科幻曲解 相对论性的视觉形象 相对论中的 测量 不是通常意义下的 看 要看到一个物体的立体形象 就要求从物体上发出的光子同时落在我们的视网膜上成像 这就意味着这些光子并不是从物体的一切点同时发出的 而是较远的点上较早发出的光子和较近的点上较迟发出的光子 这就出现了相对论效应的视觉形象问题 分析可知 高速运动着的圆球和正方体 看起来不会成为扁椭球和长方体 看起来仍然是圆球和正方体 只不过是转动了一个角度 麦克斯韦方程在相对论中不变 但单个电荷的电力线会在运动方向更密集地分布 经常使用的洛伦兹变换要求相对速度与坐标轴平行 沿着x或x 轴方向 叫做特殊洛伦兹变换 如果相对速度与坐标轴不平行 就引入一个转动变换D 得到固有洛伦兹变换 固有洛伦兹变换群 特殊洛伦兹变换 空间转动 彭加勒变换群 特殊洛伦兹变换 空间转动 时间平移 空间平移 爱因斯坦早期的操作主义 爱因斯坦反对把相对论教条化为某种封闭的体系 认为相对论不过是某种启发性原理 它本身不过是关于固体 时钟和光信号的陈述 美国物理学家布里奇曼把爱因斯坦的早期哲学立场称为 操作主义 它不同于晚年爱因斯坦追求物理学统一的斯宾诺莎式的唯理论哲学理想 三 弯曲的时空 广义相对论 1 惯性系无法定义 2 万有引力定律纳不进相对论体系 引力场 惯性场 局域 等效原理广义相对性原理惯性质量 引力质量 弱等效原理 局域引力场被惯性场抵消 是广义相对论基础 强等效原理 并根据质能关系推出 引力自能也对惯性有同样贡献 甚强等效原理 广义相对论 引力 惯性与时空 万有引力不是真正的力 而是时空弯曲的表现行星绕日运动是惯性运动 伽利略的 错误 地球上的自由落体运动是惯性运动广义相对论受到马赫关于牛顿水桶实验的相对时空观启发 但广义相对论不能充分体现马赫原理 因为质量主要是物体内部运动引发的惰性 而很少依赖遥远天体对物体的引力作用 局部惯性系 在小体积内 引力场可视为均匀 从而可通过参考系的加速运动消除其中各点的引力影响 这种在局部空间范围消去了引力场的参考系称为局部惯性系 例如在引力场中自由下落的升降机 在一个局部惯性系中 引力的效应消失了 其中所有物理定律和在远离任何引力物体的真正的惯性系中一样 反过来说 一个在太空中加速的参考系中将会出现表观的引力 在这样的参考系中 物理定律就和该参考系静止在一个引力物体附近一样 比较 等效原理 对于一切物理过程 引力场与匀加速运动的参考系局部等效 即引力与惯性力局部等效 非欧几何 判断空间是否弯曲的方法 测圆周长与直径的比 黎曼几何 1854 Gauss的曲面内蕴几何修改了3维空间的勾股定理的距离公式 Riemann把它推广到n维流形中 假定两个一般点的距离的平方是ds2 g dx dx 其中g 是坐标dx1 dx2 dxn的函数 g g 由于允许g 是坐标的函数 所以Riemann提供了空间的性质可以逐点而异的可能性 度规分量代表每对坐标对距离的权重 如果Riemann流形上的一条曲线由n个函数x1 x1 t x2 x2 t xn xn t 给定 在两个给定点t 和t 之间的最短曲线 测地线 随之可以用变分法确定 即适合条件 ds 0的曲线 仿射联络 Euclid的几何学暗中假定向量在平行移动下是不变的 Riemann放弃了这个暗中的假定 那么比较流形上不同点的切空间内的向量 需要一个 联络 代表向量在平行移动后方向的偏离程度 而流形的曲率可以从联络 中构造出来 Riemann关于任意n维流形的曲率的概念 是Gauss关于曲面的总曲率概念的推广 联络反映了曲面上一点附近的几何性质的相互关系 是由曲面本身的性质决定的 因此它是一个内蕴量 联络系数虽然是内蕴量 但并非几何量 它与坐标系的选择有关 在2维曲面上 有3个指标 故有8个分量 但由于两个下指标对称 所以有6个独立分量 仿射联络的对称性意味着空间没有挠率 协变导数 协变导数反映了切矢量沿曲线移动时 在切平面上的变化情况 如果曲面上一条曲线的切矢量的协变导数为0 则称切矢量沿曲线是平行的 设球面上一个大圆 例如赤道 有基矢量 假想球在一个平面上的轨迹是一条直线 平面是球面的切平面 基矢量在移动中始终沿着直线 因此沿赤道是平行的 于是基矢量的协变导数为0 再设大圆上有另一个切矢量 可以证明它与赤道基矢量的夹角是不变的 这个矢量在球面滚动时做平行移动 但是 如果球面滚动时 让纬度为45的圆周与平面接触 则接触点在平面上的轨迹是一条圆弧 故此圆周的基矢量在移动中不平行 协变导数不为0 可见 测地线有两种等价的定义 1 短程性 通过两点的所有曲线中弧长最短的曲线 2 平行性 各个点的基矢量都平行的曲线 2 非惯性系中的弯曲时空 由洛仑兹变换 3 引力场的几何化 用时空的几何结构来描述引力 1 Weyl Eddington 引力几何化 2 Einstein 时空几何引力化 引力场强越大处的钟越慢 竖直尺越短 在局部惯性系的速度空间中 速度曲线的切矢量表示粒子的加速度 余切矢量代表固有速度间隔 引力场中不同位置处的时空标度不同 Einstein 1907 从等效原理出发 爱因斯坦得到引力场的时间延缓公式 dt d 1 c2 对于处于引力势为0处的观察者来说 只要光速按下式变化 则Maxwell方程组就是形式不变的 c r c 1 r c2 在广义相对论中 1 无引力场的平直时空 光速均匀而各向同性 恒为c 2 在有引力场时 对于非时轴正交系 光速不均匀和各向异性 对于时轴正交系 光速各向同性 但可能不均匀 坐标钟测得的光速是变化的 而用固有时的标准钟和标准尺测得的光速为c 旋转圆盘上没有时轴正交系 各处没有统一的时间标准 曲面的曲率 按照 见到方程就微分 的方法 对矢量的协变微分再作一次协变微分 就可以引出曲率张量 设曲面的切矢量是X X u 对u 求协变导数 DX du X u X 再对u 求协变导数 可以证明D DX du du D DX du du R X 上式表明 切矢量对坐标的二阶协变导数不对易 这正是曲面弯曲的表现 弯曲的信息包含在式中的几何量R 中 变换后为我们称之为曲率张量或Riemann符号 广义相对论中的同时性 在广义相对论的柔性度规中 1 由于全空间没有统一的时间 因此在黎曼空间中一般无法建立同时性概念 但是可以定义两个坐标钟 同时 的概念 应用光信号来校钟 两个异地事件 同时 发生时的坐标钟相差 x0 g0idxi g00 一般来说 沿不同途径调整两异地钟会有不同结果 但在g0i 0的时轴正交系中 有可能在各处校对时钟 这时全空间有统一的时间标准 2 空间某点处的坐标时与该处局部惯性系中的固有时有关系d g00 1 2dxi c 等效原理与广义相对性原理 惯性质量和引力质量的同一性 与电磁感应现象中感生电动势和动生电动势的同一性类似 后者导致狭义相对论 前者引向广义相对论 但等效原理是局域的 而广义相对性原理适用于整个非惯性系 Einstein 普遍的自然规律 是对那些对一切坐标系都有效的 也就是说 对于无论哪种代换都是协变 广义协变 的方程来表示的 广义协变性是广义相对性的数学表示 爱因斯坦从广义协变性原理 等效原理 对应原则 静态 弱场 低速时退化为牛顿引力场方程 定域性原则 相互作用不超光速 出发 建立了广义相对论场方程 R g R 2 8 GT c4 时间能量空间动量 时空曲率 物质 爱因斯坦与格罗斯曼合作得到场方程 爱因斯坦与希尔伯特讨论后得到正确的场方程 数学家对爱因斯坦的帮助 广义相对论的三个实验验证 1 引力红移 2 水星进动 3 光线偏折 水星轨道近日点的进动 5600 730 41 百年 观测 5557 620 20 百年 计算 43 11 百年的进动无法解释 广义相对论的回答 43 百年 勒维叶的猜测 火神星 勒维叶与亚当斯发现海王星 光线偏折 广义相对论 1 75 牛顿理论 0 875 实验观测 1918年 爱丁顿西非普林西比 巴西 阴雨 1 980 12 今天 1 89 爱因斯坦说 狭义相对论如果我不发现 五年之内就会有人发现 广义相对论如果我不发现 50年之内也不会有人发现 爱因斯坦早期倾向于经验主义的怀疑论 在哲学上还受到休姆与康德的影响 但对他们持批判态度 爱因斯坦的出发点是 观察到的现象序列不能单值地决定这些现象的因果关系 表现因果关系的概念是一种自由构造 经过引力问题 我转变成为一个信仰唯理论的人 也就是说 成为一个到数学的简单性中去寻求真理的唯一可靠源泉的人 我信仰斯宾诺莎的上帝 统一场论 爱因斯坦的梦想 爱因斯坦后来构造了把电磁场也表示为弯曲时空结构的统一场论模型 早期是追随克莱因 卡鲁扎理论 把电磁场处理为卷曲为圆柱管的第5个额外维 圆柱曲率与电荷有关 最后是用非对称张量代表电磁场 并加入到对称的引力场张量中 但是 微观物理学的巨大进步以及引发的新问题 使得爱因斯坦构造统一场论的梦想变得遥遥无期 四 相对论的进展 引力波现代宇宙学黑洞奇性定理时空隧道与时间机器规范场 韦尔尺度变换理论被伦敦 杨振宁等发展为量子相位变换理论 引力波广义相对论预言 有引力波 以光速传播J H Taylar R A Hulse发现脉冲双星 PSR1913 16 轨道周期每年减少约万分之一秒 恰好可用引力辐射来解释 由于对脉冲双星研究的贡献获1993年诺贝尔物理奖 但未明确指明发现引力波 现代宇宙学爱因斯坦 有限 无边的静态宇宙模型加入宇宙项 这个天才的错误阻碍了爱因斯坦认识到宇宙膨胀 但却被用来解释宇宙加速膨胀的暗能量 宇宙项代表真空排斥能 暗物质 加强星系内部引力 与暗能量 物质 亮星 暗物质 暗能量 重子 热暗物质 中微子 冷暗物质 起源于 动力学暗能量 广义相对论在宇观尺度失效 0 5 4 0 3 29 65 时间简史 没有完结的历史 在解释宇宙起源上 大爆炸学说取得了很大的成功 但是 仍然有许多的疑难尚未解决 其中最大的困难是宇宙的 奇点 问题 这暴露了广义相对论的巨大漏洞 对宇宙 奇点 的研究 引出了又一位科学巨人 轮椅上的巨人 霍金 在 时空的大尺度结构 1973 中 奇点定理被表述为 如果时空满足下述条件 1 不含类时曲线 2 满足 无宇宙学项的 爱因斯坦方程和能量条件 pi pi 0 3 足够一般 并且 4 包含闭类空双曲面 那么这种时空不可能在所有类时和类光的方向上是测地完备的 xkong xkong 2020 2 9 xkong 83 1783 Michell和Laplace 光速有限 逃逸速度1915年11月 A Einstein发表广义相对论方程1915年12月 德国物理学家KarlSchwarzschild求解了Einstein引力场方程 给出静态球对称引力场的外部解1963年 R Kerr给出旋转的球对称引力场的外部解 历史回顾 引力半径 2020 2 9 xkong 84 1967年12月29日J Wheeler在纽约的一次讲演中首次使用 blackhole 一词 1972年 Bekenstein引入了黑洞的温度和熵等概念 1972年 Hawking Bardeen和Carter等人提出黑洞力学性质和四条定律 1974年 Hawking提出黑洞量子力学理论 黑洞辐射 1915年12月 爱因斯坦发表他的广义相对论后仅一个月 德国物理学家卡尔 史瓦西得到了一个描述球状物体周围真空中引力场的解 在c h G 1的自然单位制下 ds2 1 2M r dt2 1 2M r 1dr2 r2sin2 d 2容易看出 史瓦西时空有两处奇异 一是r 0处的奇点 那里度规分量g00 1 2M r 是无穷大 这是时空的内禀奇点 没有任何数学物理方法可以消除 二是r 2M的奇异面 度规张量g11 1 2M r 1也是无穷大 这个奇异面正是黑洞的事件视界 另外 广义相对论还有带电或转动的黑洞解 广义相对论的黑洞解 宇宙中的晚期天体 引力坍缩形成黑洞 2020 2 9 xkong 88 星体塌缩成黑洞以后 只剩下质量 角动量和电荷三个守恒量 星体的其他一切信息进入黑洞以后彻底消失 黑洞的分类只由质量来表征的球对称 静态的史瓦西黑洞球对称 静态的 带电的Reissner Nordstr m黑洞转动而显电中性的克尔黑洞转动且带电的克尔 纽曼黑洞 三毛定理 Israel Wheeler 1968 霍金的重要贡献是建立了黑洞的力学定律 即 奇点理论 宇宙的膨胀是从奇点开始的 霍金与彭罗斯 奇点存在 不可避免 人们希望时空最好不存在奇点 但是 彭罗斯与霍金在1965 1970年间证明了 奇点定理 只要爱因斯坦的广义相对论正确 并且因果性成立 那么任何有物质的时空 都至少存在一个奇点 裸露的奇点会破坏因果性 彭罗斯提出 宇宙监督假设 来改善我们的处境 他提出 存在一位宇宙监督 它禁止裸奇点的出现 也就是说 宇宙监督 要求奇点必须包含在黑洞里面 这样至少我们这些生活在黑洞外面的人 不会受到奇点的 不良 影响 不至陷入狼狈的境地 宇宙监督有用吗 不难看出 所谓的 宇宙监督假设 只是一种权益之机 这种说法并不比 自然害怕真空 更高明 宇宙监督假设 只不过暗示我们 应该存在某种物理规律 会禁止 裸奇点 的出现 研究表明 裸奇点出现时 黑洞的温度会处在绝对零度或无穷大 这是违背热力学第三定律的 黑洞 r 视界 r 0奇点 tr洞外时间空间洞内空间时间 黑洞的辐射 黑洞辐射引发的问题 黑洞热辐射引发了两个深刻的问题 1 时空的几何是否也具有原子结构呢 如果时空具有原子结构 那么黑洞的熵就能跟物质的熵一样被理解为对原子运动的信息所进行的一种度量 2 当我们理解了几何的原子结构之后 黑洞的视界面积跟它所隐藏的信息量成正比的原因就一目了然了吗 圈量子引力和弦论都宣称 时空具有原子结构 检测空间几何离散性的方法是研究 射线暴 当一个光子穿过一段离散时空时 它将从由连续统物理预言的轨道略微偏离一些 因为当光波受到离散的量子集合节点散射时 就会产生相干效应 这个效应又会引起轨道的偏离 黑洞的热力学 温度要求统一的同时面 热力学第零定律要求热平衡具有传递性 在相对论中 静置于不同地点的钟 要靠光速不变原理来对准 在狭义相对论中 静置于平直时空同一个惯性系的钟 同时性具有传递性 但是 广义相对论的研究表明 在弯曲时空中同时性不一定具有传递性 静置于同一参照系的钟 不一定能相互对准 根据朗道等人的研究表明 钟速同步的传递性与热力