弯曲时空的量子力学,黑洞的温度和寿命

文摘   2024-06-13 14:31   北京  

七年级时买了本《时间简史》,当时来看虽然很难解,但是很痴迷里面的各种概念,窝在自己的小屋里翻看这本书,看累了就去摆弄天文远镜,多么有趣的初中生活有空得重新读一下,相信隔了这么多年,特别是学了这么多相关知识后,再看肯定会有不一样的收获。


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本文涉及很多概念,这不是个好的科普文章,可以只看加粗的黑体字

在本科的量子力学中,考虑一个不受外力的自由粒子,其能量为

在数学形式上,可以将上式中的能量E与动量P分别替换成算符从而得到薛定谔方程

但是如果我们考虑相对论,那么自由粒子的能量应该为

做同样的算符替换就可以得到

简单的移项整理可以得到(再推广到三维空间)

其中的符号“□”叫做达朗贝尔算符,包含了对时间的求导算符和拉普拉斯算符。达朗贝尔算符可以推广到广义相对论的弯曲时空,定义为

其中g为度规张量的行列式,那么上式就成了一个描述弯曲时空中运动的自由粒子(注意引力已经体现为时空的弯曲,所以在引力场中运动的粒子其实不受任何力,所以叫它自由粒子)的方程,称为克莱因-高登方程,描述弯曲时空(有引力的情况下)中的量子力学

如果求解施瓦西时空中的克莱因-高登方程,即在一个球状、无自转天体产生的引力场中的自由粒子如何运动,结合统计物理的知识,会发现黑洞有一个等效的温度

该温度称为霍金温度,结合黑体辐射的斯特藩-玻尔兹曼定律,黑洞在单位时间内向外辐射的能量为

黑洞具有的能量为Mc²,所以黑洞的寿命为

也就是大黑洞的寿命长,小黑洞的寿命短。这就可以理解为什么上次说“《三体》中把科学家高way吸入的那个微型黑洞的寿命短”了,因为小,所以寿命短。

恒星的寿命和质量的关系刚好相反,对于恒星来说,质量越大,核燃烧越剧烈,寿命越短,而小质量恒星的寿命长

本文完。

地球远征军
普通一本毕业的物理大学生,在普通一本继续读物理研究生,当个普通人的同时多多思考宇宙。记录学习物理之路上的有趣见闻,一起保持住刚学习物理时的惊喜感和好奇心,希望有生之年看到人类遨游宇宙,走向星空。
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