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科学家解读黑洞热力学:一段从彭罗斯到霍金的历史

前瞻网    2021-10-25 17:22

 

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1969年,英国物理学家罗杰-彭罗斯(Roger Penrose)发现了一个属性,该属性后来在热力学和相隔甚远的黑洞力学之间建立了联系。通过发表在EPJ H上的新分析,巴西圣保罗大学的科学家卡拉·罗德里格斯·阿尔梅达(Carla Rodrigues Almeida)对彭罗斯的动机和方法进行了新的解读,并探讨了他们对斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking)辐射这一开创性发现的历史影响。

在20世纪50年代之前,许多物理学家都不愿意接受黑洞是物理物体的观点,这与公认的热力学定律是一致的。在接下来的20年里,这种情况完全改变了。1969年,彭罗斯首次展示了如何从旋转的黑洞中提取能量。他的理论取决于一个新设想的区域,名为“能层”。

虽然能层位于黑洞的边界之外,但它里面的时空与黑洞一起旋转,就像行星大气中的气体一样。如果一个物质进入该区域,彭罗斯提出,它可能会分裂成两部分:其中一部分可以落入黑洞;而另一部分可以逃逸,同时携带比原始粒子更多的能量。

在接下来的几年里,苏联物理学家亚科夫·泽尔多维奇(Yakov Zel'dovich)通过量子力学的视角探讨了彭罗斯的发现。虽然他的工作受到政治环境的阻碍,但泽尔多维奇与西方物理学家建立了友好的合作关系。最终,通过这些关系产生的理论帮助霍金发现了新的量子效应,该量子效应可以使黑洞辐射损失质量。最后,物理学界确信,黑洞确实能够遵守热力学定律。

在她的研究中,阿尔梅达在这个历史背景下调查了彭罗斯的提议。通过重温原始论文,分析技术细节,以及探索西方和苏联物理学家之间的关系,她揭开了他们所隐藏的历史。文章的推理链为:彭罗斯的提议、热力学和黑洞物理学之间的类比、最终到霍金辐射的提出。

该研究论文题为'The thermodynamics of black holes: from Penrose process to Hawking radiation',已发表在《欧洲物理学报H》期刊上。

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责任编辑: 3976DBC

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