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张洞生 新黑洞理论之2

张洞生 新黑洞理论之2
   时间:2016-11-27 23:59
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   张洞生 新黑洞理论之2
   
   ==只有用经典理论才能解释黑洞发射霍金辐射mss的机理==
   
    ==本文摘录改编自拙作《黑洞宇宙学概论[2]》==
   
    张洞生 [email protected]
   
   
   
   庞加莱:正是为了理想本身,科学家才献身于漫长而艰苦的研究之中。
   
   霍金:我的目标很简单,就是把宇宙整个弄明白——它为何如此,为何存在。
   
   
   
   <内容摘要>:黑洞Mb在其视界半径Rb上发射霍金量子辐射mss,简称霍金辐射。本文的目的就是要将霍金没有弄明白的霍金辐射mss,弄得更清楚更明白。
   
    宇宙中任何事物,包括我们视界的宇宙,都符合生长衰亡的规律,为什么?因为他们都必定有‘吐故纳新,新陈代谢’。史瓦西对广义相对论方程的特殊解,解决了黑洞的‘纳新’问题,但是不知道‘吐故’什么。霍金的黑洞理论指出了黑洞的‘吐故’是发射霍金量子辐射mss,但不知道霍金辐射mss是什么,不知道它的许多性质和量,不知道它与黑洞的关系,不知道mss被发射出来的机理。本文就是要解决和回答这些问题。
   
   霍金对黑洞理论划时代的伟大贡献是提出了在黑洞视界半径Rb上有作为冷源的阀温Tb,能像黑体一样发射量子辐射mss。这是建立在热力学和量子力学的坚实的基础上的,是符合实际物理世界的理论。
   
   由广义相对论史瓦西公式得出的黑洞是一个怪物。一旦形成,它就只能吞噬外界能量-物质而膨胀长大,在宇宙中永不消亡。霍金的黑洞理论证明,黑洞会因发射霍金量子辐射mss而缩小消亡,使黑洞与宇宙中的任何物体和事物一样,具有生长衰亡的普遍规律。所以是霍金的黑洞的理论挽救了不切实际的相对论黑洞理论。但是霍金没有得出霍金辐射mss的公式,所以他不可能知道任何黑洞最後只能收缩成为普朗克粒子mp,而不可能收缩为「奇点」。他对其发射机理的解释却不能让人信服和恭维的。霍金解释说,由於真空是大量的「虚粒子对」不断快速产生和湮灭的真空海洋,就使得虚粒子对中的负粒子被黑洞捕获而正粒子留在外部世界显形,这就成为黑洞中正粒子逃出黑洞的原因。这种解释是在用无法证实的新物理概念来忽悠人。作者在本文中将用经典理论所找出霍金辐射mss的正确公式(1d),并且论证:黑洞的霍金辐射mss就是直接从其视界半径上Rb逃到外界的,是从高温高能量场向低温低能量场的自然流动,是符合热力学定律的。
   
   <关键字>: 黑洞;黑洞Mb在视界半径Rb上的阀温Tb;黑洞的霍金辐射mss;狄拉克海真空的虚粒子对;黑洞在视界半径Rb上的3种能量;用经典理论解释霍金辐射;
   
   
   
   <前言>:黑洞的霍金辐射mss就是通过黑洞在Rb上的阀温Tb作为冷源,将其内部能量-物质转为相应温度Tb的辐射能,高温时可将黑洞内的物质粒子直接转变为辐射能,低温时就将辐射能的温度转变为Tb而向外发射的过程。
   
   约翰—皮尔·卢考涅重复霍金对霍金辐射的解释说:「黑洞的辐射很像另一种有相同颜色的东西,就是黑体。黑体是一种理想的辐射源,处在有一定温度表徵的完全热平衡状态。它发出所有波长的辐射,辐射谱只依赖於它的温度而与其它的性质无关。」[1] 现今的主流学者们对霍金辐射的权威解释包括霍金自己在内都用「真空中的能量涨落而能生成基本粒子对」的概念。他们认为:「由於能量涨落而躁动的真空就成了所谓的狄拉克海,其中遍布着自发出现而又很快湮灭的正-反粒子对。量子真空会被微型黑洞周围的强引力场所极化。在狄拉克海里,虚粒子对不断地产生和消失,一个粒子和它的反粒子会分离一段很短的时间,於是就有4种可能性:1、两个夥伴重新相遇并相互湮灭;2、反粒子被黑洞捕获而正粒子在外部世界显形;3、正粒子捕获而反粒子逃出;4、双双落入黑洞。」[1]
   
   霍金计算了这些过程发生的几率,发现过程2、最常见。於是,能量的账就是这样算的:由於有倾向性地捕获反粒子,黑洞自发地损失能量,也就是损失质量。在外部观察者看来,黑洞在蒸发,即发出粒子气流。」[1]
   
   如果上述这种解释是正确的话,那麽,推而广之,不仅黑洞发射霍金辐射,甚至任何物体发射能量-物质,就都可以用这种虚幻的「真空中虚粒子对的产生和湮灭」的概念来解释了,比如太阳发射电磁波、粒子和喷流,甚至人体发出红外线热能,呼出的二氧化碳甚至於出汗等等似乎都可以套用这种‘神通广大的虚粒子对’去解释了。由於黑洞不停地发射mss的相当质量是由小到大不停地改变的,可相差1060倍。那么,只有虚粒子对的相当质量与不同大小的每一个霍金辐射mss能够匹配,才能保证mss从黑洞发射出来,这就导致科学家们的计算出来真空能的密度会高达1093g/cm3的荒谬结论。
   
   与其用这种高深莫测的虚幻概念和复杂的数学公式去作故意兜圈子的证明黑洞外面多出一个正粒子,不如直接按照作者在本文中的论证:「黑洞向外发射的霍金辐射mss就是这个逃出黑洞的正粒子来得简单明了而自洽」。这就是作者在本文中试图用经典黑洞理论来更圆满地解释发射霍金辐射的缘由。作者将以公式证明:黑洞发射霍金辐射的机理无需神秘化,它与太阳发射可见光以及物体发射热辐射的机理是一样的,都是辐射能从高温高能向低温低能场的自然流动。
   
   霍金之所以解释不清黑洞发射霍金辐射mss,是因为他不知道mss=什么。
   
   
   
   <1>; 史瓦西黑洞Mb (球对称,无旋转,无电荷) 在其视界半径Rb上的5个守恒公式,这几个公式是对黑洞普遍适用的基本公式。
   
   下面(1a) (1b) (1c) (1d) (1e) 各式的来源和证明请参看本书《黑洞宇宙学概论[2]》的第一篇的1-1节,或者上谷歌或者百度搜索「张洞生:新黑洞理论」。
   
   下面(1a)式就是着名的霍金的黑洞在其视界半径Rb上的温度Tb的公式;
   
    Tb Mb=(C 3/4G)´(h /2πκ) ≈ 1027gk [5] (1a)
   
   Mb—黑洞的总质-能量;Rb—黑洞的视界半径, Tb--黑洞视界半径Rb上的温度,mss—黑洞在视界半径Rb上的霍金辐射的相当质量,lss 和νss 分别表示mss在Rb上的波长和频率,κ--波尔兹曼常数 = 1.38-´10--16g*cm2/s2*k,C—光速= 3´1010cm/s,h--普朗克常数 = 6.63´10--27g*cm2/s, G –-万有引力常数率 = 6.67´10—8 cm3/s2*g,mp—普朗克粒子,Mbm—最小黑洞,
   
   E = mssC2 = κTb 2 = Ch/2πl ss = νssh/2π (1b)
   
   (1b)是质-能互换公式的推广运用,是mss作为辐射能波粒两重性的表现。
   
   根据史瓦西对广义相对论方程的特殊解,(1c)式是黑洞存在的充要条件。
   
   GMb/Rb = C 2/2 [2] (1c)
   
   作者用 (1a) 和 (1b), 很容易推导出黑洞在其Rb上普遍有效的新公式 (1d) 和(1e),在极限条件下,mss = Mbm下,得出(1e)式。
   
   mss Mb = hC/8πG = 1.187´10--10g2 [2] (1d)
   
   mss = Mbm = mp = (hC/8πG)1/2 = 1.09´10--5g2 (1e)
   
   由于作者推导出来了公式(1d) (1e),就知道了霍金辐射mss的性质和黑洞总质-能量Mb的准确的量化关系,就可以正确解释黑洞Mb发射mss的机理。
   
   
   
   <2>; 霍金辐射mss在黑洞Mb的视界半径Rb上的受力和运动能量。公式(1c)和(1d)的物理意义。
   
   按照第一宇宙速度的原理,求黑洞Mb对霍金辐射mss在其视界半径Rb的引力Fbg与其离心力Fbc的平衡,即Fbg = Fbc,以判定能逃出黑洞的量子ms < mss,求黑洞总质-能量Mb在Rb上对mss的引力,按照前面(1d)式,
   
   mssMb = hC/8πG = 1.187´10--10g2 (1d)
   
   从(1d) 式的左右2边各 ´ 2G/Rb2,得,
   
   2GMbmss/Rb2 = hC/4πRb2 (2a)
   
   既然以Rb2除以2边,就是表示将Mb看做集中於黑洞中心的中心力,由於 mssMb = const,从形式上看,黑洞Mb在其视界半径Rb上对mss的引力 = Fbg,它反比於Rb2, 而与 Mb 和 mss的量无关。令Mb在Rb上对mss的引力Fbg为,
   
   Fbg = 2GMbmss/Rb2 (2b)
   
   再由前面(1c)式2GMb/Rb = C2, 可变为,
   
   2GMbmss/Rb2 = mss´C2/Rb, (2ba)
   
   由(2ba)可见,2GMbmss/Rb2是黑洞Mb在其视界半径Rb上对mss 的引力Fbg,由於Mb是分布在黑洞内整个空间,而不是集中於黑洞中心,所以Fbg= 2GMbmss/Rb2。 而mss´C2/Rb 则是mss以光速C在Rb作圆周运动(按广义相对论的说法是测地线运动)的离心力Fbc。从 (2a), (2ba) 得,
   
   Fbc = hC/4πRb2 = mss´(C2/Rb) (2c)
   
   因此,由(1c)和(1d),可推出的(2a),(2ba) 和(2c),都表示mss 在Rb 上以光速C围绕Mb 运动时,Mb对mss的引力与其离心力的平衡,而 C2/Rb 就是mss的离心加速度,于是,
   
   mss = h/4πCRb (2ca)
   
   \Fbg = Fbc= 2GMbmss/Rb2 = hC/4πRb2 = mss´(C2/Rb) (2d)
   
   由(2d)得,2GMbmss/(hC/4π) = 1 (2da)
   
   (2da)式表明霍金辐射mss 在其视界半径Rb上所受的引力2GMbmss与离心力(hC/4π)的平衡,而(hC/4π)= 常数。因此,黑洞内凡是粒子ms < mss的粒子或辐射能ms才可以逃离出黑洞。
   
   因此,(2da)式就成为ms逃离黑洞的一个判别式。
   
   
   
   <3>; 黑洞Mb在其视界半径Rb上有阀温(阀值温度)Tb:Tb就相当於黑体的温度,即冷源;所以从上面可见,Rb实际上像是一个严密的单向漏网,而Tb值就相当於漏网漏孔的大小。凡是黑洞内小于霍金辐射mss的量子ms就是其漏网之鱼,会自动地流向黑洞Rb的外界。
   
   用(2da)可判定只有黑洞内量子ms    
   第一;黑洞的视界半径Rb将黑洞内外分隔成2个完全不同的世界,2者有完全不同的状态和结构。任何物理参数在2者之间都没有连续性,所有的公式都不可以连续地通用於黑洞内外,黑洞内只有小於阀温Tb的霍金辐射mss(辐射能)的ms可以通过Rb发射向外界,而在黑洞Rb的外界附近,除了符合第一宇宙速度的质-能粒子(能量子和粒子)在黑洞外附近可形成围绕黑洞旋转的吸积盘外,黑洞外界的空间几乎就是真空。

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