Lỗ đen
Lỗ đen là một vùng không thời gian bị cong mạnh đến mức không có gì, kể cả ánh sáng, có thể thoát ra khỏi chân trời sự kiện của nó; lỗ đen là một trong những dự đoán nổi bật nhất của thuyết tương đối rộng và hiện đã được quan sát trực tiếp.
Definition
Lỗ đen là một vùng không thời gian được giới hạn bởi chân trời sự kiện, một bề mặt một chiều mà từ bên trong không tín hiệu nào có thể đến được các quan sát viên ở xa, được hình thành khi vật chất bị nén trong bán kính Schwarzschild của nó và được đặc trưng ở trạng thái cân bằng chỉ bởi khối lượng, mô men động lượng và điện tích.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm định nghĩa và cấu trúc của lỗ đen: chân trời sự kiện và các điểm kỳ dị mà chúng bao quanh, các định lý không tóc (no-hair theorems) làm giảm một lỗ đen tĩnh thành khối lượng, điện tích và spin, các hình học Kerr quay và Reissner-Nordstrom tích điện, các định luật cơ học lỗ đen và cách giải thích nhiệt động lực học của chúng bao gồm bức xạ Hawking, và sự sụp đổ hấp dẫn hình thành lỗ đen.
Sub-topics
Core questions
- Điều gì định nghĩa chân trời sự kiện và điều gì nằm ngoài nó?
- Tại sao một lỗ đen tĩnh chỉ được mô tả bởi ba con số?
- Làm thế nào các hiệu ứng lượng tử khiến lỗ đen phát ra bức xạ và có entropy?
- Các lỗ đen vật lý thiên văn hình thành như thế nào do sự sụp đổ hấp dẫn?
Key concepts
- Chân trời sự kiện
- Điểm kỳ dị
- Định lý không tóc
- Entropy lỗ đen
- Bức xạ Hawking
- Sụp đổ hấp dẫn
Key theories
- Định lý không tóc
- Một lỗ đen tĩnh trong thuyết tương đối rộng được đặc trưng hoàn toàn bởi khối lượng, mô men động lượng và điện tích của nó, do đó tất cả các chi tiết khác của vật chất hình thành nên nó bị mất phía sau chân trời.
- Các định lý kỳ dị
- Penrose và Hawking đã chứng minh rằng, trong các điều kiện năng lượng và nhân quả hợp lý, sự sụp đổ hấp dẫn và vũ trụ sơ khai phải tạo ra các điểm kỳ dị không thời gian, thiết lập rằng các điểm kỳ dị là những đặc điểm chung của thuyết tương đối rộng chứ không phải là các tạo tác của đối xứng.
- Bức xạ Hawking
- Lý thuyết trường lượng tử gần chân trời dự đoán rằng một lỗ đen phát ra bức xạ nhiệt ở nhiệt độ tỷ lệ nghịch với khối lượng của nó, do đó các lỗ đen bay hơi chậm, liên kết hấp dẫn, lý thuyết lượng tử và nhiệt động lực học.
Clinical relevance
Lỗ đen là trung tâm của vật lý thiên văn hiện đại: các lỗ đen khối lượng sao hình thành từ các ngôi sao khối lượng lớn sụp đổ và cung cấp năng lượng cho các hệ nhị phân tia X, các lỗ đen siêu khối lượng neo giữ các thiên hà và điều khiển các nhân thiên hà hoạt động, và sự hợp nhất của các lỗ đen là nguồn sóng hấp dẫn lớn nhất được phát hiện cho đến nay.
History
Ẩn chứa trong lời giải năm 1916 của Schwarzschild, lỗ đen từ lâu được cho là phi vật lý cho đến khi Oppenheimer và Snyder mô hình hóa sự sụp đổ vào năm 1939; định lý kỳ dị năm 1965 của Penrose, việc Wheeler đặt tên 'lỗ đen', các kết quả không tóc, và khám phá về nhiệt động lực học lỗ đen của Bekenstein-Hawking vào những năm 1970 đã thiết lập chúng thành các đối tượng trung tâm, sau đó được xác nhận bằng các quan sát sóng hấp dẫn và Kính viễn vọng Chân trời Sự kiện.
Debates
- Nghịch lý thông tin
- Tính toán của Hawking cho thấy một lỗ đen bay hơi phá hủy thông tin, mâu thuẫn với tính đơn nhất của cơ học lượng tử; việc dung hòa hai điều này, thông qua thuyết toàn ảnh, tường lửa, hoặc các tương quan tinh tế trong bức xạ, vẫn là một vấn đề đang được nghiên cứu và chưa được giải quyết.
Key figures
- Roger Penrose
- Stephen Hawking
- Jacob Bekenstein
- John Wheeler
- Roy Kerr
Related topics
Seminal works
- penrose1965
- hawking1975
Frequently asked questions
- Liệu bạn có thể nhìn thấy những gì xảy ra bên trong lỗ đen không?
- Không thể từ bên ngoài: chân trời sự kiện ngăn chặn bất kỳ tín hiệu nào từ bên trong đến được các quan sát viên ở xa, do đó bên trong bị ngắt kết nối về mặt nhân quả; một quan sát viên rơi vào có thể về nguyên tắc thăm dò nó nhưng không bao giờ có thể báo cáo lại qua chân trời.
- Lỗ đen tồn tại mãi mãi không?
- Theo cổ điển thì có, nhưng bức xạ Hawking khiến chúng mất khối lượng và cuối cùng bay hơi; khung thời gian này cực kỳ dài đối với các lỗ đen khối lượng sao và lớn hơn, vì vậy các lỗ đen vật lý thiên văn thực sự là vĩnh viễn theo bất kỳ khung thời gian của con người hoặc vũ trụ nào được xem xét cho đến nay.