黑洞的热力学讨论

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作为现代物理学的两大支柱,相对论由爱因斯坦经过多年思考和总结所提出,相对论给我们描述了另一个不同于经典物理世界的时空观。在广义相对论的研究中,有提出广义质量与惯性质量是一致的观点,有重新给出行星做圆周运动的根本原因,也有物质为什么运动以及如何运动的重新解释。而黑洞作为其重要产物之一,它是近几十年来人们对引力本质认识的重要进展和标志,同时它的产生伴随着多种效应应运而生,例如拖曳效应,自发辐射,超辐射等。在最初认识黑洞的时候,因为黑洞的引力之强,所以认为只吸收而不辐射物质,故黑洞是“黑”的,而在20世界中期,科学家们以W.Israel和B.Carter发现,任何一个黑洞的性质都可以由其质量,角动量和所携带的电荷这三个物理量来决定。因为在引力坍缩过程中,描述其它性质的物理量便丢失了。后来,根据黑洞吸收一切物质的理论,物理学家惠勒就提出,当物体被黑洞吸收后,之前物体的熵便不复存在了,即整个系统的熵变成了零。这便与热力学第二定律相违背。后来,贝肯斯坦继续研究,提出了黑洞应该具有与其视界面积成正比的熵,但是,这一系数当时贝肯斯坦还未解决,直到1974年霍金提出了黑洞的霍金辐射并且把黑洞的熵与热力学统一起来,这才形成了黑洞热力学第二定律。霍金认为,黑洞并不全是黑的,它在以热辐射的形式向外辐射物质,并强调黑洞表面的重力加速度会影响黑洞的辐射温度。而霍金的霍金辐射问世后,其物理意义是显然的,它使人们发现量子力学,相对论和热力学便因黑洞热力学联系在一起,达到统一一致。而本文的写作主要分为四个部分再现了这一历史的发展历程,第一部分从认识狭义相对论到广义相对论基础,再到黑洞的研究,在黑洞的描述中,重点描述史瓦西黑洞的一般解,RN黑洞的性质,Kerr黑洞的一般性质和简单线元以及K-N黑洞的介绍。第二部分介绍了黑洞的基本性质,主要是非热效应,比如拖曳效应,超辐射等过程,大致对黑洞的非热性质有了基本的了解。既然黑洞有温度有熵,于是第三部分就回顾了黑洞的无毛定理,面积定理和霍金辐射,然后对照普通热力学定律,总结出黑洞热力学的四条定律。最后一部分对于相空间里AdS黑洞的热力学性质进行了讨论,主要是针对RN-AdS黑洞和Kerr-AdS黑洞的热力学学性质,在这一部分,文中用公式推导和图像类比的方法,引入焦耳-汤姆逊系数,计算出临界值和反演温度,并绘出了RN-AdS黑洞和Kerr-AdS黑洞在T-P面内的反演曲线和等焓曲线,并通过等焓曲线和反演曲线确定了冷却区和加热区,类比范得瓦尔斯流体,总结出三种不同对象的异同点,对于整个黑洞的热力学具有一定的参考意义。
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