《黑洞與時間的性質》講述建立在廣義相對論基礎上的黑洞理論和量子宇宙學，包括黑洞的幾何結構，熱性質與量子性質，信息疑難，奇性定理，時空泡沫結構，時空隧道與時間機器等，還介紹了古今學者對時間的認識和對時間性質的研究。書中用主要篇幅給出了作者近年來在上述領域的工作，包括計算動態黑洞溫度的方法，計算黑洞熵的薄膜模型，黑洞信息疑難和量子隧穿過程，奇性定理和自由光線的加速度，蟲洞對量子場論的影響，製造與維持時空隧道和時間機器的可能性，時間度量的理論基礎，如何調整異地鐘速的同步，如何定義相繼時間段的相等。還在上述研究的基礎上探討了時間性質與熱力學的關係。《黑洞與時間的性質》可供理論物理和天體物理工作者參考，也可供物理、數學、天文、自然哲學等專業的教師、研究生、大學生以及對上述領域感興趣而又具備理工科大學基礎知識的讀者閱讀。
基本介紹
- 書名：理論物理專輯:黑洞與時間的性質
- 出版社：北京大學出版社
- 頁數：271頁
- 開本：16
- 品牌：北京大學出版社
- 作者：劉遼 趙靜
- 出版日期：2008年12月1日
- 語種：簡體中文
- ISBN：9787301146750
基本介紹,內容簡介,作者簡介,圖書目錄,文摘,序言,
基本介紹
內容簡介
《理論物理專輯:黑洞與時間的性質》：北京大學物理學叢書。
作者簡介
劉遼，北京師範大學物理系教授。1952年畢業於北京大學物理系，曾任中國物理學會理事，中國引力與相對論天體物理學會理事，理事長。國際廣義相對論和引力委員會委員。俄羅斯《引力和宇宙》雜誌中國編委。長期從事理論物理的教學與研究。在國內外重要刊物上發表論文60餘篇，在黑洞熱力學，黑洞量子化、基子宇宙學，蟲洞與時間機器，時空泡沫結構，量子引力與彎曲時空、量子場論等方面有創新性工作。主要著作有：《廣義相對論》，《最子場論》、《狹義相對論》，《暴脹字宙和字宙弦》，《李群與李代數》，編寫過《彎曲時空量子場論》、《量子宇宙學》等講義。1986年，1996年兩次獲國家教委科技進步二等獎。
趙靜，北京師範大學物理系教授、博士生導師。1967年畢業於中國科技大學物理系；師從劉遼教授學習廣義相對論。1981年獲北京師範大學天文系碩士學位；1987年獲布魯塞爾自由大學博士學位。曾任北京師範大學研究生院副院長。物理系主任，中國物理學會理事，中國引力與相對論天體物理學會理事、理事長。長期從事理論物理的教學與研究，參加和承擔過多項國家自然科學基金項目。在相對論，黑洞物理等領域發表論文100多篇，在黑洞熱性質、時空奇點，鐘速同步和熱力學的關係等方面有創新性工作。1986年、1996年兩次獲國家教委科技進步二等獎。2008年獲ThomsonReuters“中國卓越研究獎”。主要著作有：《黑洞的熱性質與時空奇異性》，《黑洞與彎曲的時空》，科普作品有《探求上帝的秘密》、《物理學與人類文明》。曾獲第11屆和第12屆中國圖書獎。
田貴花，北京郵電大學理學院教授，博士生導師。北京師範大學物理系博士。2006年完成中國科學院數學與系統科學研究院套用數學所的博士後工作。主要研究領域為：經典相對論，黑洞熵及其熱力學性質。開放體系的主方程及相關問題。半經典隨機引力理論，量子力學和量子場論中的基本問題。參加過多項國家自然科學基金面上項目，並主持完成一項國家自然科學基金面上項目及一項國家自然科學基金專項基金項目。
張靖儀，廣州大學物理與電子工程學院教授。北京師範大學物理系博士。長期從事理論物理的教學與研究工作。主要研究領域為：愛因斯坦場方程精確解，黑洞熵，黑洞的霍金輻射與信息疑難，宇宙學。2003年以來在黑洞霍金輻射和黑洞信息丟失問題上開展了一系列研究。主持和參與了四項國家自然科學基金項目及一個省級自然科學基金項目。2008年獲ThomsonReuters“中國卓越研究獎”。
趙靜，北京師範大學物理系教授、博士生導師。1967年畢業於中國科技大學物理系；師從劉遼教授學習廣義相對論。1981年獲北京師範大學天文系碩士學位；1987年獲布魯塞爾自由大學博士學位。曾任北京師範大學研究生院副院長。物理系主任，中國物理學會理事，中國引力與相對論天體物理學會理事、理事長。長期從事理論物理的教學與研究，參加和承擔過多項國家自然科學基金項目。在相對論，黑洞物理等領域發表論文100多篇，在黑洞熱性質、時空奇點，鐘速同步和熱力學的關係等方面有創新性工作。1986年、1996年兩次獲國家教委科技進步二等獎。2008年獲ThomsonReuters“中國卓越研究獎”。主要著作有：《黑洞的熱性質與時空奇異性》，《黑洞與彎曲的時空》，科普作品有《探求上帝的秘密》、《物理學與人類文明》。曾獲第11屆和第12屆中國圖書獎。
田貴花，北京郵電大學理學院教授，博士生導師。北京師範大學物理系博士。2006年完成中國科學院數學與系統科學研究院套用數學所的博士後工作。主要研究領域為：經典相對論，黑洞熵及其熱力學性質。開放體系的主方程及相關問題。半經典隨機引力理論，量子力學和量子場論中的基本問題。參加過多項國家自然科學基金面上項目，並主持完成一項國家自然科學基金面上項目及一項國家自然科學基金專項基金項目。
張靖儀，廣州大學物理與電子工程學院教授。北京師範大學物理系博士。長期從事理論物理的教學與研究工作。主要研究領域為：愛因斯坦場方程精確解，黑洞熵，黑洞的霍金輻射與信息疑難，宇宙學。2003年以來在黑洞霍金輻射和黑洞信息丟失問題上開展了一系列研究。主持和參與了四項國家自然科學基金項目及一個省級自然科學基金項目。2008年獲ThomsonReuters“中國卓越研究獎”。
圖書目錄
第一章 黑洞的幾何性質
§1.1 黑洞與無限紅移
1.歷史上的黑洞
2.史瓦西時空的奇點和奇面
3.引力紅移
4.無限紅移面
§1.2 黑洞的表面——事件視界
1.世界線
2.光錐
3.零超曲面
4.事件視界
5.單向膜區
6.時空坐標互換
§1.3 時空的延拓
1.史瓦西坐標的缺點
2.自由下落觀測者
3.烏龜坐標與愛丁頓坐標
4.克魯斯卡爾坐標
5.彭羅斯圖
§1.4 最一般的穩態黑洞
1.克爾一紐曼度規
2.無限紅移面與視界
3.單向膜區與能層
4.內稟奇異性
5.彭羅斯圖
6.極端黑洞、裸奇異與宇宙監督假設
7.不可抵達的奇點與奇環
§1.5 黑洞的非熱效應
1.拖曳效應
2.黑洞的表面積、表面引力和靜電勢
3.彭羅斯過程
4.黑洞的受激輻射
5.黑洞的自發輻射
第二章 黑洞的溫度與熱輻射
§2.1 黑洞的熱性質
1.無毛定理
2.面積定理
3.貝肯斯坦一斯馬爾公式
4.極端黑洞的熱性質
5.穩態黑洞的表面引力
6.黑洞力學的四條定律
§2.2 黑洞的熱輻射.
1.霍金輻射的物理機制
2.粒子在黑洞附近的運動
3.視界對粒子的散射
4.輻射是黑體輻射
5.克爾一紐曼黑洞的熱輻射
§2.3 黑洞的熱平衡
1.一般系統的熱平衡
2.史瓦西黑洞與外界的熱平衡
3.R—N黑洞的相變
4.黑洞的演化
§2.4 安魯效應
1.倫德勒坐標
2.安魯效應
3.不等價的真空
4.博戈留波夫變換與安魯效應的證明
5.史瓦西時空與倫德勒時空的相似性
6.倫德勒時空的視界
§2.5 有視界就有熱效應
1.穩態時空中確定事件視界的普遍方法
2.表面引力、烏龜坐標與熱輻射
3.導致熱效應的坐標變換
4.慣性的起源
§2.6 非穩態黑洞的熱性質
1.黑洞的幾何定義——整體定義
2.黑洞的物理定義——局域定義
3.非穩態黑洞的研究
4.計算非穩態黑洞熱輻射的方法
第三章 黑洞熵與信息疑難
§3.1 黑洞熵綜述
1.黑洞熵的提出、貝肯斯坦一霍金熵
2.廣義熱力學第二定律、熵界
3.關於黑洞熵本質的探討
§3.2 黑洞熵，特霍夫特的磚牆模型
§3.3 薄膜模型——對磚牆模型的改進
1.史瓦西黑洞
2.史瓦西一deSitter黑洞的熵
3.Vaidya黑洞的熵
4.討論
§3.4 黑洞信息佯謬
§3.5 靜態球對稱黑洞的量子隧穿輻射
1.計算霍金輻射譜時存在的問題
2.Painleve坐標系
3.量子隧穿輻射譜
§3.6 穩態轉動黑洞的量子隧穿輻射
1.坐標鐘同時與克爾一紐曼一Painlev坐標系
2.霍金輻射修正譜
§3.7 靜止質量不為零的粒子的黑洞隧穿和deSitter隧穿
1.有靜止質量的粒子在穿越視界時的行為
2.黑洞事件視界處的勢壘貫穿
3.deSitter視界的勢壘貫穿幾率
§3.8 帶電粒子的量子隧穿效應
1.帶電粒子穿越視界時的行為
2.出射率
3.討論
§3.9 霍金輻射信息疑難的再討論
第四章 質疑彭羅斯與霍金的奇性定理
§4.1 奇點，時間的開始與終結
1.時空的本性奇點
2.對奇點的重新認識
§4.2 彭羅斯與霍金的奇性定理
1.奇點與奇異性的定義
2.時空的因果結構
3.能量條件
4.共軛點與最長線
5.奇性定理簡介
§4.3 奇點的若干性質
1.一類不可抵達的奇異區
2.奇環附近存在閉合類時線
3.奇環以光速轉動
4.奇環的溫度
§4.4 熱力學第三定律與宇宙監督假設
1.解釋霍金輻射的困難
2.霍金“吸收”和內稟奇區的熱輻射
3.奇區的溫度和熱力學第三定律
§4.5 熱力學第三定律與時空奇異性
1.第三定律與類時奇點
2.奇異區的坐標溫度
3.完備時空處在絕對零度
4.啟示與猜想
§4.6 彎曲時空中類光測地線的加速度
1.倫德勒變換的啟示
……
第五章 蟲洞，時空遂道與時間機器
第六章 時間的性質
參考文獻
索引
§1.1 黑洞與無限紅移
1.歷史上的黑洞
2.史瓦西時空的奇點和奇面
3.引力紅移
4.無限紅移面
§1.2 黑洞的表面——事件視界
1.世界線
2.光錐
3.零超曲面
4.事件視界
5.單向膜區
6.時空坐標互換
§1.3 時空的延拓
1.史瓦西坐標的缺點
2.自由下落觀測者
3.烏龜坐標與愛丁頓坐標
4.克魯斯卡爾坐標
5.彭羅斯圖
§1.4 最一般的穩態黑洞
1.克爾一紐曼度規
2.無限紅移面與視界
3.單向膜區與能層
4.內稟奇異性
5.彭羅斯圖
6.極端黑洞、裸奇異與宇宙監督假設
7.不可抵達的奇點與奇環
§1.5 黑洞的非熱效應
1.拖曳效應
2.黑洞的表面積、表面引力和靜電勢
3.彭羅斯過程
4.黑洞的受激輻射
5.黑洞的自發輻射
第二章 黑洞的溫度與熱輻射
§2.1 黑洞的熱性質
1.無毛定理
2.面積定理
3.貝肯斯坦一斯馬爾公式
4.極端黑洞的熱性質
5.穩態黑洞的表面引力
6.黑洞力學的四條定律
§2.2 黑洞的熱輻射.
1.霍金輻射的物理機制
2.粒子在黑洞附近的運動
3.視界對粒子的散射
4.輻射是黑體輻射
5.克爾一紐曼黑洞的熱輻射
§2.3 黑洞的熱平衡
1.一般系統的熱平衡
2.史瓦西黑洞與外界的熱平衡
3.R—N黑洞的相變
4.黑洞的演化
§2.4 安魯效應
1.倫德勒坐標
2.安魯效應
3.不等價的真空
4.博戈留波夫變換與安魯效應的證明
5.史瓦西時空與倫德勒時空的相似性
6.倫德勒時空的視界
§2.5 有視界就有熱效應
1.穩態時空中確定事件視界的普遍方法
2.表面引力、烏龜坐標與熱輻射
3.導致熱效應的坐標變換
4.慣性的起源
§2.6 非穩態黑洞的熱性質
1.黑洞的幾何定義——整體定義
2.黑洞的物理定義——局域定義
3.非穩態黑洞的研究
4.計算非穩態黑洞熱輻射的方法
第三章 黑洞熵與信息疑難
§3.1 黑洞熵綜述
1.黑洞熵的提出、貝肯斯坦一霍金熵
2.廣義熱力學第二定律、熵界
3.關於黑洞熵本質的探討
§3.2 黑洞熵，特霍夫特的磚牆模型
§3.3 薄膜模型——對磚牆模型的改進
1.史瓦西黑洞
2.史瓦西一deSitter黑洞的熵
3.Vaidya黑洞的熵
4.討論
§3.4 黑洞信息佯謬
§3.5 靜態球對稱黑洞的量子隧穿輻射
1.計算霍金輻射譜時存在的問題
2.Painleve坐標系
3.量子隧穿輻射譜
§3.6 穩態轉動黑洞的量子隧穿輻射
1.坐標鐘同時與克爾一紐曼一Painlev坐標系
2.霍金輻射修正譜
§3.7 靜止質量不為零的粒子的黑洞隧穿和deSitter隧穿
1.有靜止質量的粒子在穿越視界時的行為
2.黑洞事件視界處的勢壘貫穿
3.deSitter視界的勢壘貫穿幾率
§3.8 帶電粒子的量子隧穿效應
1.帶電粒子穿越視界時的行為
2.出射率
3.討論
§3.9 霍金輻射信息疑難的再討論
第四章 質疑彭羅斯與霍金的奇性定理
§4.1 奇點，時間的開始與終結
1.時空的本性奇點
2.對奇點的重新認識
§4.2 彭羅斯與霍金的奇性定理
1.奇點與奇異性的定義
2.時空的因果結構
3.能量條件
4.共軛點與最長線
5.奇性定理簡介
§4.3 奇點的若干性質
1.一類不可抵達的奇異區
2.奇環附近存在閉合類時線
3.奇環以光速轉動
4.奇環的溫度
§4.4 熱力學第三定律與宇宙監督假設
1.解釋霍金輻射的困難
2.霍金“吸收”和內稟奇區的熱輻射
3.奇區的溫度和熱力學第三定律
§4.5 熱力學第三定律與時空奇異性
1.第三定律與類時奇點
2.奇異區的坐標溫度
3.完備時空處在絕對零度
4.啟示與猜想
§4.6 彎曲時空中類光測地線的加速度
1.倫德勒變換的啟示
……
第五章 蟲洞，時空遂道與時間機器
第六章 時間的性質
參考文獻
索引
文摘
第一章 黑洞的幾何性質
黑洞是廣義相對論預言的天體。愛因斯坦的廣義相對論認為，物質的存在會造成時空的彎曲，人們通常所說的萬有引力就是時空彎曲的表現。在時空彎曲得非常厲害的地方，時空幾何性質會發生重要的變化，形成黑洞。
通常的恆星（主序星、紅巨星等）靠熱核反應產生的熱來維持生存。粒子熱運動產生的“排斥”效應與萬有引力平衡，形成穩定的恆星狀態。當主序星的氫基本聚合成氦之後，主序星的溫度下降，外層膨脹形成紅巨星。隨著熱運動的減弱，“熱排斥”難以抗衡萬有引力造成的收縮效應。恆星在自身物質的巨大重力下發生塌縮後，其中剩餘質量小於錢德拉塞卡極限的恆星會形成白矮星。這是一種靠電子的簡併壓力（泡利斥力）來與了有引力抗衡而形成的穩定天體，其主要成分是碳和氧。剩餘質量超過1.4M的星體，電子的運動速度會趨近光速，形成相對論性電子氣，電子間的泡利斥力將迅速減弱，星體將進一步坍縮。質量小於奧本海默極限（約3M。）的星體，會形成中子星，這是一種靠中子間的泡利斥力來與萬有引力相抗衡的星體。剩餘質量超過奧本海默極限的星體，中子間的泡利斥力頂不住萬有引力，星體將繼續坍縮形成黑洞。
黑洞是廣義相對論預言的天體。愛因斯坦的廣義相對論認為，物質的存在會造成時空的彎曲，人們通常所說的萬有引力就是時空彎曲的表現。在時空彎曲得非常厲害的地方，時空幾何性質會發生重要的變化，形成黑洞。
通常的恆星（主序星、紅巨星等）靠熱核反應產生的熱來維持生存。粒子熱運動產生的“排斥”效應與萬有引力平衡，形成穩定的恆星狀態。當主序星的氫基本聚合成氦之後，主序星的溫度下降，外層膨脹形成紅巨星。隨著熱運動的減弱，“熱排斥”難以抗衡萬有引力造成的收縮效應。恆星在自身物質的巨大重力下發生塌縮後，其中剩餘質量小於錢德拉塞卡極限的恆星會形成白矮星。這是一種靠電子的簡併壓力（泡利斥力）來與了有引力抗衡而形成的穩定天體，其主要成分是碳和氧。剩餘質量超過1.4M的星體，電子的運動速度會趨近光速，形成相對論性電子氣，電子間的泡利斥力將迅速減弱，星體將進一步坍縮。質量小於奧本海默極限（約3M。）的星體，會形成中子星，這是一種靠中子間的泡利斥力來與萬有引力相抗衡的星體。剩餘質量超過奧本海默極限的星體，中子間的泡利斥力頂不住萬有引力，星體將繼續坍縮形成黑洞。
序言
物理學是自然科學的基礎，是探討物質結構和運動基本規律的前沿學科。幾十年來，在生產技術發展的要求和推動下，人們對物理現象和物理學規律的探索研究不斷取得新的突破。物理學的各分支學科有著突飛猛進的發展，豐富了人們對物質世界物理運動基本規律的認識和掌握，促進了許多和物理學緊密相關的交叉學科和技術學科的進步。物理學的發展是許多新興學科、交叉學科和新技術學科產生、成長和發展的基礎和前導。
為適應現代化建設的需要，為推動國內物理學的研究、提高物理教學水平，我們決定推出《北京大學物理學叢書》，請在物理學前沿進行科學研究和教學工作的著名物理學家和教授對現代物理學各分支領域的前沿發展做系統、全面的介紹，為廣大物理學工作者和物理系的學生進一步開展物理學各分支領域的探索研究和學習，開展與物理學緊密相關的交叉學科和技術學科的研究和學習提供研究參考書、教學參考書和教材。
為適應現代化建設的需要，為推動國內物理學的研究、提高物理教學水平，我們決定推出《北京大學物理學叢書》，請在物理學前沿進行科學研究和教學工作的著名物理學家和教授對現代物理學各分支領域的前沿發展做系統、全面的介紹，為廣大物理學工作者和物理系的學生進一步開展物理學各分支領域的探索研究和學習，開展與物理學緊密相關的交叉學科和技術學科的研究和學習提供研究參考書、教學參考書和教材。
