原初黑洞的演化与影响(2)

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1、黑洞概述

早在18世纪,就有理论物理学家根据牛顿力学理论预言宇宙中存在一种连光都不能从中逃逸的强引力天体。由于光都无法从其周围逃逸，所以这类天体本身不会发光，也不会反射其他恒星辐射来的光。在看向这类天体时，观察到的只是漆黑一片，故当时形象地称它为“暗星”（在美国物理学家惠勒正式用黑洞命名这类天体之前，“暗星”这名字一直沿用了将近200年）

1.1牛顿力学中预言的黑洞

18世纪米歇尔和拉普拉斯以牛顿力学定律和光的微粒说为依据，从理论上预言了在宇宙中存在一种连光都不能从其周围逃逸的超强引力宇宙天体。

当时预言黑洞的理论推到如下[5]：

物体能脱离中心天体的万有引力束缚而能运动到无穷远处的条件是

其中r为物体距离中心天体球心的距离，v是处在r位置处的物体要脱离中心天体万有引力束缚的最小速度（即背向中心天体运动情况下刚好脱离天体万有引力束缚的速度），M为中心天体质量，G为万有引力常数。再由光的微粒说出发，光作为一种微粒，必然也有质量，也受到万有引力作用，将（1）式中v换成光速c，再变形就可以得到

在大于r的区域中光还可以脱离引力束缚，在小于r的区域光就无法逃逸，将此临界值记作，包围的球面称为视界。

但是经过托马斯·杨双缝实验证实光是一种波，预言黑洞存在的理论依据被否定，黑洞理论也就被推翻。

1.2广义相对论预言的黑洞

1915年，爱因斯坦发表广义相对论,该理论是用于描述引力作用下的时空，它认为物体的质量会使得周围时空弯曲，在物体尺寸一定情况下,物体质量越大，空间弯曲越大，当天体周围的时空弯曲足够大时，就连光都无法从天体周围逃逸，这就从理论上预言了黑洞可能存在。一年后史瓦西便解出爱因斯坦引力场方程在静止不旋转、不带电、质量呈球对称分布条件下的严格的时空解——史瓦西解。史瓦西度规为[6]满足史瓦西解的线元空间为

分析史瓦西解可知，r=0是一个奇点，r= 是一个奇面。研究表明r=0处的奇点周围时空曲率发散,并且该点的奇异性无法经坐标变换来抵消，故它是本性奇点,是时间的终点[6]。在r= 的奇异面上时空曲率不发散,曲面的奇异性经坐标变换可以抵消,故它不是本性奇面[6]。这个奇面就是拉普拉斯理论推导出来的黑洞的表面——视界，即光无法逃逸的界面。

当时的物理学工作者根据以广义相对论为依据的黑洞理论普遍认为任何物质都不可能从黑洞中逃出来，所以黑洞外的观测者除了整个黑洞的总电荷Q、总角动量J和总质量M外，其他信息一概无法观测到。实际上，如果从量子力学出发，考虑到量子力学中的隧道效应，就可以得出黑洞也可以对外辐射物质。这种黑洞会对外辐射的理论最早是由霍金提出，因此，这种辐射被称为霍金辐射。

2、原初黑洞简介

20世纪70年代，英国物理学家史蒂芬·霍金提出原初黑洞的概念：宇宙大爆炸时期,“大爆炸”产生的巨大压力可将一定数量的物质挤压得极度致密,从而形成了的黑洞[1]。而现在的理论认为原初黑洞主要有两种产生方式：①宇宙早期，物质密度远比中子星的密度大，在一定的密度起伏下，原初黑洞有可能由密度较大区域的物质在自身的万有引力作用下坍缩形成；②宇宙暴胀阶段，原初黑洞可能在一些宇宙相变过程中形成。