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请教黑洞的极限温度是多少?
一个黑洞犹如一个具有温度(T)的热体一样发射辐射,其温度只与它的质量有关。
更精确地讲,此温度由下式给出: T=hc^3/8πkGM 在此式中符号(C)表示光速,(h)是普朗克常数,(G)是牛顿引力常数,而(k)是玻尔兹曼常数。最后,(M)表示黑洞的质量,这样黑洞越小,其温度越高。这个公式告诉我们,几个太阳质量的一个黑洞,其温度大约只比绝对零度高一百万分之一度。黑洞理论公式?
黑洞是最经济的也是消耗能量最少的天体,它的引力势能我们认为完全由惯性能提供,有:一MC^2=U=M^2G/R,R为黑洞半径。上述公式写成方程式,两边同乘以G,并且用黑洞施瓦兹解表示G,获得方程:
2M^2C^2G=UC^2R;
由于黑洞由中心到视界半径是量子化的,R=Ct=Cn/u,n表示为黑洞内部的总量子态数目,u表示为总量子态的震动频率,获得方程:
2uMEG=UC^3n;
当一个震动频率是2πKT时,n个量子态恰好表达了黑洞总势能的态,这样方程式写成:
2uM2πKTG=UC^3,即:
2uM2πKG=SC^3;最后依据普朗克爱因斯坦关系,把u表示为黑洞质量M,则有方程:
2M^22πKG/hC=S。这个方程是黑洞质量与熵的通用公式,若把施瓦兹解黑洞半径表示质量,则得到S=4πR^2/4KC^3/hG,也就是霍金黑洞熵公式。
总结公式:
黑洞温度公式:T=(hc^3)/(8πkGM)
黑洞熵公式:S=Akc^3/4hG
理论上黑洞的质量应该达到多少?
普朗克质量即为最小黑洞质量,数值为21.7651 ± 0.0013 微克。黑洞的定义是光线无法逃脱,已知质量后,可以根据逃逸公式计算出半径,这个半径就是史瓦西半径。同一质量下的天体,其半径小于史瓦西半径,即是黑洞。稳定存在的黑洞需要其半径达到一定程度,而微型黑洞通常会因为霍金辐射而快速蒸发。你问理论上黑洞质量应该达到多少,那么就是普朗克质量。如果是问稳定存在的黑洞质量应该达到多少,这个没有定数,比如说你认为它在没有吞噬的情况下能存在一万年即是稳定,那么你可以通过霍金辐射公式计算它单位时间的“蒸发”量,然后推导质量。
黑洞热力学之父?
1971年,霍金证明了黑洞的面积定理,即在宇宙监督假设的前提下,黑洞的表面积在顺时针方向上是永不减少的。这意味着黑洞可以合并,但是不能分裂,否则其面积势必会减小,就违背了面积定理。霍金还用经典理论求出,黑洞的温度是绝对零度。
此时,贝肯斯坦尚在惠勒门下学习。他从黑洞的面积定理出发,联想到了热力学中熵的概念。前文我们提到,自然过程都是熵增加的过程,那么此处黑洞的面积与熵在某种意义上将非常相似,那么黑洞的面积是否就是熵呢?或者说,黑洞的面积定理与热力学第二定律之间是否有内在联系呢?
随后,贝肯斯坦将量子力学引入黑洞的熵的讨论中,与另一位物理学家斯马尔几乎同时独立地发现了贝肯斯坦-斯马尔公式。令人惊喜不已的是,这一公式与热力学第一定律的表达式极为相似。
在此基础上,贝肯斯坦认为,黑洞的熵与其面积成正比,正式将熵引入到黑洞的研究中。同时,贝肯斯坦考虑到量子力学效应,重新求出黑洞的温度,发现并非绝对零度。有趣的是,他求出的黑洞的熵的表达式,即霍金-贝肯斯坦公式中,熵与面积的比例系数,是由真空中的光速、普朗克常数、牛顿万有引力常数和玻尔兹曼常数的乘除法组成的。也就是说,相对论、量子力学、热力学在此汇聚一堂,好不热闹。而前文提到的宇宙监督假设,又与热力学第三定律不谋而合。就这样,黑洞热力学的大厦拔地而起,集各家之大成,又浑然一体。黑洞热力学的研究,正式拉开了黑洞物理的黄金年代。而贝肯斯坦则是群星荟萃的研究大军中最闪耀的那颗。
大师在授课
世界上最小的黑洞体积是多少?
位于地球将近1.6万光年的恒星系统中,就存在着一个最小黑洞。当然,这仅仅是当下发现的最小黑洞,宇宙如此广阔,还有许许多多的天体未被我们发现,所以可能还有更小的黑洞也说不定。因为发现不久,也还没完全验证完毕,所以就暂且用最小黑洞来予以命名,但有意思是的这个黑洞是在一个双星系统中,其中它就是这个双星系统中的一员,而另外一颗是真的恒星。
科学家将这个恒星系统命名为IGR J17091-3624,因为IGR J17091-3624恒星系统的独特性,瞬间引起了科学家的探索欲望。