封面说明

<正>"天空中最重的天体是看不见的",早在爱因斯坦提出广义相对论以前法国的数学家和物理学家拉普拉斯曾经这样说过.1916年德国的施瓦西(K.Schwarzschild)得到了第一个爱因斯坦引力场方程的精确解.它描述了一种特殊天体——黑洞.物质可以通过黑洞的边界(一个单向膜)掉入黑洞,而黑洞内的物质无法穿过这个单向膜跑到黑洞外.直到1967年"黑洞"这一术语才由美国的物理学家惠勒(J.Wheeler)提出,现在被广泛使用,它是广义相对论最惊奇的预言.一个大于3倍     

黑洞热力学

黑洞物理学是一门新兴学科.1970年以前,黑洞物理学主要研究黑洞的运动学和动力学.1970年起,霍金(S.W.Hawking)、贝肯斯坦(J.D.Bekenstein)等在黑洞物理学中引进热力学,不久,霍金等又在黑洞物理学中引进量子力学和量子场论.这些年来,由于许多人的大量而出色的工作,形成了黑洞热力学和黑洞量子力学这两个分支.黑洞热力学和黑洞量子力学是现代黑洞物理学的主要组成部分,它们的历史还不到十年.本文试图对黑洞热力学作一概要的介绍.     

黑洞辐射信息丢失之谜

黑洞为大众所熟知与霍金的科普著作<时间简史>有密切关系,但是黑洞这个概念早在18世纪已被提出.当时光以有限速度传播已经为科学家们所熟知,由此米歇尔(J.Michell)和拉普拉斯(P.Laplace)分别独立提出了黑洞(当时叫做暗星、即dark star)的想法:一定存在这样的星体,在它里面连光线都无法逃逸.他们使用经典力学的方法计算出来了此种星体的半径,令人惊奇的是,这个值竟然和100多年后施瓦兹(K.Schwarzschild)由广义相对论计算得出的施瓦兹黑洞的半径完全一致[1].     

恒星级黑洞的搜寻与研究进展

迄今为止,银河系内发现的约20颗恒星级黑洞都是通过黑洞吸积伴星物质所发出的X射线来识别.若黑洞的X射线辐射低于望远镜探测极限,人们仍可以通过监测伴星的视向运动来发现黑洞.我们利用LAMOST望远镜对银河系的一颗B型恒星进行速度测量,发现它在围绕一颗不可见天体——大质量恒星级黑洞做周期性运动.这是国际上利用视向速度监测发现黑洞的一次成功实践.尽管引力波探测实验已经发现相似质量的恒星级黑洞,但在富金属环境中形成如此大质量的黑洞对目前的恒星演化理论形成了巨大的挑战.本文介绍了恒星级黑洞的几种探测方法,并对近些年国内外搜寻黑洞所做的努力进行了回顾,最后对未来利用视向速度监测方法和天体测量方法寻找黑洞进行了展望.     

隧道效应影响下的量子黑洞面积谱

在Shahar Hod对黑洞量子化面积谱研究的启发下, 考虑量子化黑洞在辐射过程中的隧道效应, 利用量子统计的方法计算出黑洞熵, 再结合黑洞熵与面积的关系, 重新求得了史瓦西黑洞背景下量子化黑洞面积谱的表达式. 该表达式与Hod基于玻尔对应原理提出的涉及到渐近准正则模的方法求得的结果比较接近.     

黑洞的诺奖之路——2020年度诺贝尔物理学奖解读

从20世纪早期黑洞概念的提出到2020年黑洞获得诺贝尔物理学奖,这百余年间,一代又一代的科学家们孜孜不倦地前行在探索黑洞的漫长征程上.在黑洞艰辛的诺奖之路上,彭罗斯、根策尔和盖兹三位获奖者的贡献不容忽视.     

看见黑洞:“人类公布首张黑洞照片”事件解读

<正>北京时间2019年4月10日21时,全球六个城市(美国华盛顿、比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海、中国台北和日本东京)同时召开新闻发布会,公布了人类拍到的第一张黑洞照片.此次发布的黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系M87中心的黑洞.该黑洞距离地球5500万光年(1光年=9.4607×1015 m),质量为太阳的65亿倍.该照片不只是在天体物理学术界,甚至在整个社会上也引起了很大轰动.本文将介绍这张黑洞照片的来龙去脉.     

《星际穿越》: 一部精彩的太空史诗

2019年4月10日,一张仅有十个像素大小的照片吸引了全世界的目光,这是人类历史上第一次拍摄到的黑洞照片,它不仅直接帮助我们确认了黑洞的存在,而且也再一次验证了爱因斯坦相对论的正确性. 在这张照片问世之前,各式各样的黑洞图片充斥在我们的生活中,实际上,它们是人们对黑洞的遐想与艺术加工.而电影《星际穿越》中的黑洞,除了必要的影视艺术加工外,最大程度上模拟还原了真实的黑洞.导演诺兰特别邀请了物理学家基普·索恩担任科学顾问.作为黑洞和广义相对论领域最杰出的物理学家之一,基普·索恩曾在2017年获得诺贝尔物理学奖.     

关联与黑洞信息丢失问题

霍金计算发现黑洞会发出热辐射.由于热辐射之间不存在关联,因此辐射粒子无法将信息携带出黑洞,伴随着霍金辐射,黑洞内部的物质信息逐渐丢失.量子力学幺正性要求信息守恒,黑洞信息丢失与量子力学幺正性存在明确的冲突,此即黑洞信息丢失之谜.霍金辐射之间是否存在关联是解决黑洞信息丢失问题的关键.霍金最初的计算中没有考虑辐射粒子的反冲,得到的辐射谱为纯热谱.后来, Parikh和Wilczek的计算表明,如果计入辐射粒子的反冲,则辐射谱可能会轻微地偏离热谱.本文首先介绍了Parikh和Wilczek使用包含辐射粒子反冲的量子隧穿方法得到的非热谱.其次,介绍了张保成等人在非热谱基础上证明黑洞辐射粒子之间存在关联,并且黑洞辐射过程信息守恒的工作.最后,介绍了黑洞辐射之间如何产生关联的一种可能的物理机制,黑洞辐射粒子之间的引力关联可以携带信息,使得黑洞辐射过程中信息守恒.     

太空突破:人类捕获首张黑洞照片

<正>天文学家捕获首张黑洞照片,开启了人类对宇宙中最神秘天体的一场认知革命。照片显示了一个由尘埃和气体构成的光环,勾勒出了一个巨大黑洞的轮廓,这个黑洞位于距离地球5 500万光年外的大质量星系M87中心。什么是黑洞?100多年前,爱因斯坦提出广义相对论,把引力视为由物质和能量造成的时空弯曲,最早预言了黑洞的存在。     

史上首张黑洞照片的科学与技术

<正>黑洞是爱因斯坦广义相对论预言的产物,也是宇宙中最神秘的天体.2019年4月10日,事件视界望远镜(Event HorizonTelescope,EHT)国际合作团队公布了利用全球的8个毫米波望远镜组成的干涉阵以约20微角秒的分辨率拍摄的首张黑洞照片,直接测量了射电星系M87中心黑洞的阴影和黑洞周围光环的大小,得到了M87中心黑洞的质量     

原初密度扰动与原初黑洞

在宇宙早期形成的黑洞被称为原初黑洞.原初黑洞反映了宇宙早期的结构,研究原初黑洞将加深我们对早期宇宙演化规律的理解.同时,将有关原初黑洞的理论计算结果和相关观测数据进行比较,可以有效地对相关理论模型加以限制.因此原初黑洞在理论和观测两方面都具有重要的研究价值.形成原初黑洞的机制有多种,本文将主要介绍大幅度密度扰动产生原初黑洞的机制."Carr-Hawking"塌缩模型被相关文献广泛采用.该塌缩模型认为原初黑洞的质量近似等于塌缩区域进入视界时的视界质量.但是,近年的数值计算结果表明临界塌缩模型更加合理可靠.在临界塌缩模型中,原初黑洞的质量应由临界质量关系给出.本文首先介绍大幅度密度扰动塌缩形成原初黑洞的一些基本概念:原初黑洞的形成条件、原初黑洞的质量、形成时间及其寿命等;然后介绍原初黑洞丰度的计算以及如何从暴涨模型的结果计算原初黑洞的丰度.     

黑洞理论的新进展

黑洞是一个超密天体,当大质量恒星耗尽其全部热核燃料后,便坍缩成黑洞.天文学家还认为,类星体的中心存在着几十亿个太阳质量的巨大黑洞,类星体是位于可观测宇宙的边界上的极亮天体.在星系(如我们银河系)的中心也同样存在着黑洞.理论物理工作者曾计算得:一个黑洞的特性可由质量、电荷和自     

关于黑洞熵的物理意义的探讨

七十年代初,Bekenstein在黑洞物理学中引进了黑洞熵S_(BH)的概念。在Hawking发现了黑洞的“蒸发”现象后,黑洞熵作为黑洞热力学的基本概念得到了广义相对论工作者的     

活动星系核准周期振荡时延与频率呈关联演化

<正>黑洞的吸积过程在黑洞X射线双星(black hole X-ray binaries, BHB)和活动星系核(active galactic nucleus, AGN)中发挥着重要的作用.这个过程可以发射出强烈的多波段电磁波辐射.由于X射线辐射起源自吸积盘的内区,其成为了探索黑洞吸积过程的重要窗口.在BHB和AGN中, X射线亮度变化的特征已经被广泛地分析,其中X射线准周期振荡(quasiperiodic oscillation, QPO)是在两种系统中都观测到的一种特别有趣的现象.     

黑洞物理学综述

朱培豫同志《黑洞物理学综述》一文是篇综合性很强的文章,基本上概括了当前国际上有关黑洞研究的成果.     

封面说明

正霍金预言黑洞能像普通黑体一样发出热辐射,引发了黑洞信息丢失之谜.黑洞信息丢失之谜反映了引力理论和量子理论之间的潜在冲突,引起了物理学家们的广泛关注.霍金辐射之间是否存在关联是解决黑洞信息丢失问题的关键.在量子隧穿图像下,计入辐射粒子反冲,可证明辐射谱为非热谱.而非热谱表明黑洞辐射粒子之间存在关联,使得黑洞辐射过程信息守恒.为了进一步研究黑洞辐射之间关联的原因,何东山和蔡庆宇给出了     

黑洞故事

黑洞理论是1784年由英国地质学家提出来的,得到了爱因斯坦和史蒂芬·霍金等著名科学家的证认,而且大量空间探测也证明了黑洞的存在。然而,最近有天文学家宣称,所谓黑洞可能根本就不存在。如果这一说法能够得以证实,那么黑洞理论就将被彻底颠覆。难道黑洞理论真的错了吗?我们特邀专家撰写文章,以帮助读者了解有关背景资料并作出自己的判断。     

黑洞的内禀角动量

在此以前,人们认为黑洞的角动量就是经典意义下的角动量。如果角速度为零,那么角动量肯定为零。但是最近发现了一些稳态轴对称的非Kerr黑洞,文献[4,5]讨论了它们的角动量性质。结果表明这类黑洞的角速度虽然等于零,但其角动量不为零。这是与传统的关于黑洞角动量的认识相悖的,于是文献[4,5]提出黑洞存在一种新形式的内禀的角动量。本文对轴对称黑洞的角动量的一般形式进行了探讨,发现角动量确实可以分为两个部分,其中一部     

美哉物理(二)黑洞、白洞交相衬映

黑洞,一种看不见的特殊天体,却蒙上了一圈又一圈的神秘"光环",令人捉摸不透、莫测其高深.公众谈论黑洞,不免带有几分猎奇的心理;科学家搜索黑洞,着眼于检验理论预言的正确性.我们则认为,黑洞探讨之所以成为热门课题,是因为它显露了广义相对论这块"美玉"之微瑕;为促使时空理论的新世纪发展,冀望由此而找到合适的突破口.诚然,瑕不掩瑜,广义相对论历来被赞誉成"理论物理中最典雅的艺术杰作".