星系內(nèi)黑洞的熵演化

時間：2022-10-05 18:36:25 物理學(xué)畢業(yè)論文我要投稿

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星系內(nèi)黑洞的熵演化

　　星系內(nèi)黑洞的熵演化

　　摘要在星系中形成的黑洞，自今都有許多爭論，尤其是在黑洞的熵及演化問題上，產(chǎn)生了多種學(xué)派，并形成了不一樣的研究理論。

　　本次分析探討了關(guān)于黑洞的熵及演化問題的爭論，并在此背景下，提出了星系內(nèi)黑洞熵演化是由“整肅”和“撞擊輻射”兩個過程中，熵變化決定的。

　　關(guān)鍵詞星系;黑洞;熵;演化

　　黑洞(Black hole)是根據(jù)現(xiàn)代的廣義相對論所預(yù)言的，在宇宙空間中存在的一種質(zhì)量相當(dāng)大的天體。

　　黑洞是由質(zhì)量足夠大的恒星在核聚變反應(yīng)的燃料耗盡而死亡后，發(fā)生引力坍縮而形成。

　　黑洞的稱謂源于其類似熱力學(xué)上完全不反射光線的黑體。

　　熵的一般意義就是：喪失、衰落、損耗，表征系統(tǒng)機能效率的衰減或創(chuàng)造能力下降乃至于喪失，關(guān)于星系內(nèi)黑洞的熵演化，目前一直在探討。

　　1關(guān)于黑洞的熵及演化爭論

　　自20世紀(jì)七八十年代來，關(guān)于黑洞的熵及演化問題，產(chǎn)生了一次劇烈的爭論，主要是來自兩個學(xué)派之間的爭論，為Bekenstein與Hawking的兩個不同學(xué)派，兩派的首先在黑洞的視野而積類比的爭論上，Bekenstein認(rèn)為可以將黑洞類比于黑體，因此，其視界而積就可以類比嫡，同時，其視界而上的引力加速度類比成黑洞的溫度，整個類比過程后，就形成了黑洞長大的熵增加過程，為Clausius嫡增加原理。

　　而Hawking的觀點明確反對此類比的過程，認(rèn)為黑洞并沒有任何的隨機性，而是簡單性，如果黑洞作為一個靜止?fàn)顟B(tài)，黑洞就為“無毛”狀態(tài)，質(zhì)量、角動量和電荷就是決定此狀態(tài)的因素，黑洞不存在隨機性，即沒有熵的存在。

　　之后，Bekenstein就Clausius嫡增加原理進行了反復(fù)的論證，且兩者都提出了各自的觀點，而是Bekenstein堅持認(rèn)為黑洞的Clausius嫡增加原理是符合普遍原理的。

　　隨著Hawking在1972至1976年這個階段時期，通過研究論證，形成了黑洞蒸發(fā)模型，次模型的研究角度是從量子場論為基礎(chǔ)，形成了黑洞蒸發(fā)理論，該模型的結(jié)論恰巧又與Bekenstein相統(tǒng)一，并且Bekenstein認(rèn)為，上述的模型論證，是與類比設(shè)相一致，并且證明了兩個重要觀點：一是視野溫度表示，而是黑洞熵與視野而積的正比相關(guān)性。

　　整個爭論過程，最后發(fā)現(xiàn)，兩者的理論是從兩個相反的角度出發(fā)，論證了熵增加的過程，一個是自發(fā)長大，一個是自發(fā)消亡過程。

　　此爭論的最后結(jié)論都已經(jīng)沒有論據(jù)可以證實理論的可行性，主要是由于兩派的理論都排除嫡作為狀態(tài)函數(shù)存在的基本問題，其次是物質(zhì)的創(chuàng)生從他們的理論而言，是由熵增加的自發(fā)過程所引致的結(jié)果。

　　同時，爭論中也面臨著三個重要命題需要明確，即Clausius熱力學(xué)第二定律在物質(zhì)演化理論中的普遍適用性如何去判定;Hawking的理論在熵的增加還是減少問題上如何認(rèn)定;黑洞自發(fā)性變化過程中的熵增加與減少的認(rèn)定問題。

　　從兩個學(xué)派的論證中，已經(jīng)對文獻對Clausius熱力學(xué)適用性問題提出了明確的論證，即該理論并不是絕對使用所有物質(zhì)演化的過程，具有一定的條件可行性。

　　2 黑洞形成過程中需要確定兩個基本過程

　　在星系中，黑洞的形成過程，基本的兩個過程具有必然性，首先是在形成過程中，物質(zhì)粒子的運動過程，在此過程中，主要是處于黑洞中心的的引力場，將物質(zhì)粒子的吸入黑洞視界中，即為“整肅”過程;其次是黑洞視界面引來的物質(zhì)粒子，具有高速運動性，沿徑運動過程中撞擊黑洞視界面，形成“撞擊輻射”。

　　2.1“整肅”過程

　　黑洞形成過程之一是“整肅”過程，因為此過程是發(fā)生在黑洞中心體的引力場作用下，物質(zhì)粒子的引力勢能與動矩是呈現(xiàn)出了一個無序分布的粒子系狀態(tài)，在此狀態(tài)中，引力場作用形成了運動路徑，射入視界運動狀態(tài)。

　　所有的粒子在引力場中的運動，是伴隨著其自身特點形成不同的層級狀態(tài)的，這個層級狀態(tài)，根據(jù)的是粒子自身的動能，在視界中到達先后次序來形成的，此過程是一個自動分層的過程。

　　如圖1所示，整個過程就是與 “無毛定理”的結(jié)論相統(tǒng)一的。

　　深入分析可知，在星系中的粒子運動軌跡的變化，是依據(jù)處于中心體引力場中的粒子具備了一定的動矩狀態(tài)，此動矩狀態(tài)是有大小和方向，確立了運動的軌跡是依據(jù)中心體為點，做類似于橢圓形狀的軌跡運動，整個運動過程也處于持續(xù)變化的過程，調(diào)整各自的方向，最后的方向確立為中心體的徑向，粒子再沿徑到視界中。

　　粒子從無序化轉(zhuǎn)變成了有序化的過程，并形成了粒子系。

　　據(jù)此，可知，“整肅”過程具備了熱力學(xué)過程的要素，并且具備了熵變化的元素，最主要的是，本過程中，由于在星系中，逐步將無序分布的高熵態(tài)粒子系通過引力場的作用，運動軌跡變化后，在視界面中形成了有序分布的低熵態(tài)粒子系，無序轉(zhuǎn)變成有序過程，形成了視界面積增加的熵減少過程。

　　因此，“整肅”過程中具備了重要的熵減少演化的基本信息。

　　2.2“撞擊輻射”過程

　　粒子在“整肅”過程中，不斷的運動，向黑洞視界面射入，即物質(zhì)粒子因為黑洞的吸入，形成了射入的運動行徑，具備了動量而撞擊視界，并在視界周圍產(chǎn)生了熱輻射的狀態(tài)。

　　此熱輻射激發(fā)過程，只是從引力場論角度來分析的，但是也為必然的過程，實際上是因為全部處于視界的粒子必須是相對視界而處于靜止?fàn)顟B(tài)，換而言之就是，所有的質(zhì)量為m的粒子，若它吸入處于視界后，它的質(zhì)量都轉(zhuǎn)變成了m0(m0是粒子相對于視界的固有質(zhì)量)，于是質(zhì)量差額Δm=m-m0將用于產(chǎn)生光量子輻射。

　　但是需要進一步明確的是，在此過程中，形成的撞擊產(chǎn)生的能量是并不高的，撞擊的結(jié)果可能對粒子的核結(jié)構(gòu)并不能造成相關(guān)的改變，據(jù)此，粒子在撞擊中是不會因為核結(jié)構(gòu)變化而形成的輻射反應(yīng)。

　　與此同時，在Hawking的理論中，認(rèn)為存在虛粒子并形成撞擊輻射，認(rèn)為是一種非零溫度下的作用效應(yīng)。

　　而在粒子的“撞擊”過程中是不考慮此虛粒子的問題。

　　因此，可以得出此過程中，必然引致熵的增加。

　　總之，黑洞中形成的過程中其一是“整肅”過程，作用為熵減少，而“撞擊輻射”過程作用為熵增加，據(jù)此，在星系內(nèi)形成黑洞中，其熵的演化過程必定是這兩個過程熵的變化之和來決定其演化的方向。

　　參考文獻

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　　[3]HAWKING S W. Particle Creation by Black Holes [J].Communication in Math Physics, 1973，43：199.

　　[4]鄧昭鏡，陳華林，陳洪，等.負(fù)能譜及負(fù)能譜熱力學(xué)[M].重慶：西南師范大學(xué)出版社，2007：53.

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