星系内黑洞的熵演化

时间：2021-02-06 17:16:18 物理学毕业论文我要投稿

星系内黑洞的熵演化

　　星系内黑洞的熵演化

　　摘要在星系中形成的黑洞，自今都有许多争论，尤其是在黑洞的熵及演化问题上，产生了多种学派，并形成了不一样的研究理论。

　　本次分析探讨了关于黑洞的熵及演化问题的争论，并在此背景下，提出了星系内黑洞熵演化是由“整肃”和“撞击辐射”两个过程中，熵变化决定的。

　　关键词星系;黑洞;熵;演化

　　黑洞(Black hole)是根据现代的广义相对论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。

　　黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力坍缩而形成。

　　黑洞的称谓源于其类似热力学上完全不反射光线的黑体。

　　熵的一般意义就是：丧失、衰落、损耗，表征系统机能效率的衰减或创造能力下降乃至于丧失，关于星系内黑洞的熵演化，目前一直在探讨。

　　1关于黑洞的熵及演化争论

　　自20世纪七八十年代来，关于黑洞的熵及演化问题，产生了一次剧烈的争论，主要是来自两个学派之间的争论，为Bekenstein与Hawking的两个不同学派，两派的首先在黑洞的视野而积类比的争论上，Bekenstein认为可以将黑洞类比于黑体，因此，其视界而积就可以类比嫡，同时，其视界而上的引力加速度类比成黑洞的温度，整个类比过程后，就形成了黑洞长大的熵增加过程，为Clausius嫡增加原理。

　　而Hawking的观点明确反对此类比的过程，认为黑洞并没有任何的随机性，而是简单性，如果黑洞作为一个静止状态，黑洞就为“无毛”状态，质量、角动量和电荷就是决定此状态的因素，黑洞不存在随机性，即没有熵的存在。

　　之后，Bekenstein就Clausius嫡增加原理进行了反复的论证，且两者都提出了各自的观点，而是Bekenstein坚持认为黑洞的Clausius嫡增加原理是符合普遍原理的。

　　随着Hawking在1972至1976年这个阶段时期，通过研究论证，形成了黑洞蒸发模型，次模型的研究角度是从量子场论为基础，形成了黑洞蒸发理论，该模型的结论恰巧又与Bekenstein相统一，并且Bekenstein认为，上述的模型论证，是与类比设相一致，并且证明了两个重要观点：一是视野温度表示，而是黑洞熵与视野而积的正比相关性。

　　整个争论过程，最后发现，两者的理论是从两个相反的角度出发，论证了熵增加的过程，一个是自发长大，一个是自发消亡过程。

　　此争论的最后结论都已经没有论据可以证实理论的可行性，主要是由于两派的理论都排除嫡作为状态函数存在的基本问题，其次是物质的创生从他们的理论而言，是由熵增加的自发过程所引致的结果。

　　同时，争论中也面临着三个重要命题需要明确，即Clausius热力学第二定律在物质演化理论中的普遍适用性如何去判定;Hawking的理论在熵的增加还是减少问题上如何认定;黑洞自发性变化过程中的熵增加与减少的认定问题。

　　从两个学派的论证中，已经对文献对Clausius热力学适用性问题提出了明确的论证，即该理论并不是绝对使用所有物质演化的过程，具有一定的条件可行性。

　　2 黑洞形成过程中需要确定两个基本过程

　　在星系中，黑洞的形成过程，基本的两个过程具有必然性，首先是在形成过程中，物质粒子的运动过程，在此过程中，主要是处于黑洞中心的的引力场，将物质粒子的吸入黑洞视界中，即为“整肃”过程;其次是黑洞视界面引来的物质粒子，具有高速运动性，沿径运动过程中撞击黑洞视界面，形成“撞击辐射”。

　　2.1“整肃”过程

　　黑洞形成过程之一是“整肃”过程，因为此过程是发生在黑洞中心体的引力场作用下，物质粒子的引力势能与动矩是呈现出了一个无序分布的粒子系状态，在此状态中，引力场作用形成了运动路径，射入视界运动状态。

　　所有的`粒子在引力场中的运动，是伴随着其自身特点形成不同的层级状态的，这个层级状态，根据的是粒子自身的动能，在视界中到达先后次序来形成的，此过程是一个自动分层的过程。

　　如图1所示，整个过程就是与 “无毛定理”的结论相统一的。

　　深入分析可知，在星系中的粒子运动轨迹的变化，是依据处于中心体引力场中的粒子具备了一定的动矩状态，此动矩状态是有大小和方向，确立了运动的轨迹是依据中心体为点，做类似于椭圆形状的轨迹运动，整个运动过程也处于持续变化的过程，调整各自的方向，最后的方向确立为中心体的径向，粒子再沿径到视界中。

　　粒子从无序化转变成了有序化的过程，并形成了粒子系。

　　据此，可知，“整肃”过程具备了热力学过程的要素，并且具备了熵变化的元素，最主要的是，本过程中，由于在星系中，逐步将无序分布的高熵态粒子系通过引力场的作用，运动轨迹变化后，在视界面中形成了有序分布的低熵态粒子系，无序转变成有序过程，形成了视界面积增加的熵减少过程。

　　因此，“整肃”过程中具备了重要的熵减少演化的基本信息。

　　2.2“撞击辐射”过程

　　粒子在“整肃”过程中，不断的运动，向黑洞视界面射入，即物质粒子因为黑洞的吸入，形成了射入的运动行径，具备了动量而撞击视界，并在视界周围产生了热辐射的状态。

　　此热辐射激发过程，只是从引力场论角度来分析的，但是也为必然的过程，实际上是因为全部处于视界的粒子必须是相对视界而处于静止状态，换而言之就是，所有的质量为m的粒子，若它吸入处于视界后，它的质量都转变成了m0(m0是粒子相对于视界的固有质量)，于是质量差额Δm=m-m0将用于产生光量子辐射。

　　但是需要进一步明确的是，在此过程中，形成的撞击产生的能量是并不高的，撞击的结果可能对粒子的核结构并不能造成相关的改变，据此，粒子在撞击中是不会因为核结构变化而形成的辐射反应。

　　与此同时，在Hawking的理论中，认为存在虚粒子并形成撞击辐射，认为是一种非零温度下的作用效应。

　　而在粒子的“撞击”过程中是不考虑此虚粒子的问题。

　　因此，可以得出此过程中，必然引致熵的增加。

　　总之，黑洞中形成的过程中其一是“整肃”过程，作用为熵减少，而“撞击辐射”过程作用为熵增加，据此，在星系内形成黑洞中，其熵的演化过程必定是这两个过程熵的变化之和来决定其演化的方向。

　　参考文献

　　[1]Bekenstein. Black Holes and Entropy[J].Physical Review，1973(7)：2333.

　　[2]基普・S・索恩.黑洞与时间弯曲[M].李泳,译.长沙：湖南科技出版社，2007：392-393.

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

　　[4]邓昭镜，陈华林，陈洪，等.负能谱及负能谱热力学[M].重庆：西南师范大学出版社，2007：53.

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