奇点和黑洞

Roger Penrose（1969年，1973年）着名，尽管裸体奇点与一般相对性兼容，但在物理上的现实情况下，他们永远不会形成; 也就是说，任何导致奇点的过程都将安全地确信活动地平线背后的奇点。 这个猜想，被称为宇宙审查假设，已经满足了一些成功和普及; 但是，它也面临了几个困难。 正如我们以前对奇点和黑洞的讨论一样，有关于制定假设的究竟是有问题，并且一旦制定了它，它是关于它是否常规相对论，或者至少在一些物理上合理的Spacetimes子集 - 再次，“物理上合理”可能是一个模糊和争议的概念。

Penrose的原始配方依靠黑洞：适当的普通奇点始终包含在黑洞（在黑洞外部的因果性不可见）中。 这有时被称为弱宇宙审查，在引力崩溃中调查。 （术语强大的宇宙审查人员用于猜想关于确定性的猜想，或者过去的唯一性和未来的解决方案的唯一性和对爱因斯坦野外方程的唯一性。）作为阐明弱宇宙审查假设的各种方式的反例已经积累了然而，多年来，它逐渐被遗弃（Geroch和Horowitz 1979; Krolak 1986; Penrose 1998; Christodoulou 1994,1999; Joshi等，2002; Joshi 2003,2007a; Joshi和Malafarina 2011年，2011年）。 最近的方法是开始为宇宙审查机构提供必要的和充分条件的尝试，产生赤裸奇点作为任何违反这些条件的现象的间接表征，否则他们开始尝试在不参考的情况下提供裸奇异性的表征黑洞，所以结论是宇宙审查的明确声明，因为没有这种现象（Geroch和Horowitz 1979）。 使用这两种方法制造的各种提案对于这里难以浮现来说; 感兴趣的读者称为RingStröm（2010），用于审查目前的艺术艺术状态，用于标准黑洞，Nielsen（2012）关于有关海沃德准局部黑洞的宇宙审查（第3.4节），Ringström（2010）关于宇宙审查一般相对论初始价值问题的初始价值问题的审查，并举行纪念员（1995年，CH.3）和库里尔（1999），以获得许多早期提案的哲学探讨。 Manchak（2011）赋予理由认为提供完全令人满意地对宇宙审查假设的问题的问题可能永远不会解决，理由是，作为“物理合理”的思想不是一个经验可确定的问题。 尽管如此，宇宙审查假设有几种不同，不当的配方可能仍然是开放的，每个都具有自己的优势和问题，无“规范”在明确的意义上，可能是奇点和黑洞的定义的情况。

最近的数学物理文献倾向于以这些问题的许多问题偏离，并将宇宙审查制定为动态问题，在一般相对性的初始值制定和使用部分微分方程方法的情况下调查它。 这假定了全球性旋转性的因果条件，而不是将其视为基本的假设，而不是将其解释为某种方式的数学上精确分析的有效性的先决条件，并将这一工作组视为探索这一的工作初始值配方仍然有效。 然后，目的是为了通用初始数据集，他们表现良好的发展是不展示的。 兰德斯曼（2021年）讨论了这个陈述的许多微妙之处; 最近的概述可以在Van de Moortel（2025）中找到。 在隔离中，其中一些结果似乎似乎似乎非常引人注目，例如，关于固定背景时空的线性化标量波方程的衰减率。 然而，许多人将更好地被视为在连续理解的情况下了解爱因斯坦场方程的动态的更大计划的部分。 与此处讨论的许多主题一样，这种复杂的数学物理学的这种哲学上令人不发的曝光领域经常开启比它关闭的更概念的问题，包括空间延长延长的重要性，许多稳定标准在戏剧中，他们的解释（作为认知或身体），最终，对稳定性的要求可能的理由。

许多奇怪的特征在各种玩具模型中出现了一般相对论的空间，似乎是不透视的情况，或在溶液空间的单独区域中。 因此，Kerr Spacetime在单个解决方案中显示大多数（Doboszewski 2022）是非常重要的。 更具体地说，是子放映（即，不旋转太快）Kerr黑洞的子塞子孔中的内部Cauchy视野。 它们被定义为空间切片的依赖范畴的边界：直观地，不能仅基于在该切片上定义的物理数据的基础确定Cauchy Horizo n的事件。 通过此Cauchy Horizo n的任何延期都将具有Mally-Hogarth属性。 也就是说，未来的完整时间曲线（并且实际上是黑洞的整个无限外部区域）包含在位于Cauchy Horizo n的一点的时代过去（参见超级核，以讨论这些空间）。 而最自然的延伸（具有与Kerr Spacetime相同的对称）包含封闭的时间曲线。 从这个意义上讲，在这类空间中共同出现不确定，超级努力和时间旅行。 然而，外部KERR解决方案是我们宇宙中每个隔离的旋转黑洞最合理的模型！ 人们希望这些Cauchy视野作为完美轴对称的伪像不稳定，如果强大的宇宙审查是真的，那么这些属性可能被约束。 但SCC的有效性仍然是开放的，部分结果表明，在各种情况下，某些版本可能在各种情况下（Hintz和Vasy 2017，Dafermos和Luk 2017，Cardoso等，2018）。 也许需要调用某种形式的量子效应以恢复它（Hollands等人2020）。 在任何情况下，在没有关于黑洞内部的任何可想到的观察数据的情况下，唯一接近这些问题的手段是数学方法和概念分析。

从认知角度来看，确定主义的问题与可靠预测的可能性密切相关。 （参见因果决定论的条目。）一般相对论的可预测性本身的一般问题，即使除了奇异结构可能升高的具体问题，令人着迷，哲学上丰富，非常令人不安。 例如，可以使PRIMA面部强大的论据，例如，只有在具有奇点的空间相对中的一般相对性（Hogarth 1997; Manchak 2013）！ 查看Geroch（1977），Glymour（1977），Mallyment（1977），以及Manchak（2008,208,208,2013），以讨论这些和许多其他相关问题。 另一个调查领域与宇宙审查问题一般密切相关，特别是相对性的决定论问题特别是：间隔是“无孔的”。 有关进一步讨论，请参阅补充文件：带孔的空间。

同样，与奇点和黑洞的此条目几乎讨论的几乎所有问题都讨论过的几乎所有问题，都是在没有明确甚至明确定义的物理参数的物理学中工作的大量传代媒体的一个例子，以通知调查，并且没有指导甚至只是限制了他们的经验证据，由少数领先的研究人员的直觉所强加的争论的参数。 来自社会学，物理和哲学的有利点，一个人可能会奇怪，那么，为什么这么多的物理学家继续努力工作，他们从事他们从事什么样的调查。也许在一般的相对性，甚至在物理学中都可以看出一方面，一方面，技术结果，定义和标准的微妙相互作用，另一方面，概念性难题甚至不连贯，在很大程度上受到物理学家的英雄直觉的推动。 然而，不是每个人都认为兴奋或甚至更平等的情况：请参阅CURIEL（1999）对整个努力的态度持怀疑态度。

5.黑洞和热力学

在成功的量子重力理论中单位量子理论和一般相对性的挑战可以说是过去八十年来面临理论物理学的最大挑战。 似乎特别有前途的一个大道是试图将量子理论应用于黑洞。 这部分是因为，作为纯度引力实体，黑洞向显现简单而是物理上重要的案例，用于研究重力量化。 此外，由于引力力在没有绑定的情况下，由于一个接近标准的黑洞奇点，因此人们会期望量子重力效应（这应该在极高的能量上发挥作用），以在黑洞内部表现出来。

在该事件中，黑洞时代的量子机械系统的研究揭示了几种惊喜，威胁要推翻空间，时间的观点，以及一般相对论和量子场理论的所有暗示或依赖于其所依赖的。 自60年代后期和20世纪70年代初期和20世纪70年代初期的惠顾，彭尔多斯，Bekenstein，Hawking和其他人的接地工作以来，越来越清楚的是，一般相对论，量子场理论和热力学之间存在深远的联系。 这一领域已成为所有理论物理中最活跃和富有成效的，从各种领域带来诸如宇宙学，通用相对性，量子场理论，粒子物理，流体动力学，冷凝物和量子重力等领域的工人。提供桥梁现在密切联系的纪律一旦被视为很大程度上。

特别地，黑洞定律与热力学定律之间的显着平行表明，重力和热力学可能以基本（和以前未想明的）方式联系起来。 这种联系强烈建议，在许多事情中，必须重新考虑我们的熵的基本思想和第二种热力学定律的性质，并且可能需要修改量子演化本身的标准形式。 虽然这些建议是投机性的，但他们毫无触及物理基础的深层问题。 实际上，因为所有这些不同的研究领域的中央主题都在于当前的实验和观察的范围，因此即使在理论物理学中也是一种不寻常的方式。 因此，在调查中，从跨本体论，认识论和方法论的微妙哲学考虑，即使在理论物理学中也不寻常，技术复杂性质的物理问题是密不可分性的。

因为这是文章的特别长而密集的部分，所以我们从它的轮廓开始。 第5.1节规定了古典一般相对论中的黑洞法律，并阐述了他们与普通热力学定律相处的正式类比。 第5.2节简要介绍了在黑洞附近考虑量子效应的考虑到霍克辐射的预测和随后的结论，与普通热力学规律的类比不仅仅是正式的，而且代表了真正和亲密的物理连接。 第5.3节讨论了在试图理解熵归属于黑洞时出现的谜题。 第5.4节包括若干小节，每次审查所谓的通用第二法的不同令人困惑的方面：宇宙总熵的假设，普通物质加上黑洞，永不减少。 我们在第5.5节中得出结论，简要介绍了将物理熵的归因扩展到引力系统的归因，而不是只是黑洞。

5.1。 黑洞的古典定律

假设一个人在给定时刻观察静态黑洞，忽略任何可能的量子效应。 如上所述在第3.3节中，有三种物理数量的动态兴趣，黑洞具有或多或少地均衡的，并且完全表征了黑洞的物理状态：其质量，其角动量及其电荷。 这些数量，就像经典机制中的系统一样，随着黑洞动态发展的彼此的明确关系，即表示，它们满足了一种表征其行为的一组方程。[11]

Zeroth法

固定黑洞的表面重力在其整个表面上是恒定的。

第一法

通过其面积，角动量和电荷的变化以固定的方式确定黑洞的总质量的变化，从而节省了总量。

第二法（区域定理）

黑洞的总表面积从未减少。

第三法律

没有物理过程可以将黑洞的表面重力降低到零。

（如果，粗略地说，一个黑洞是静止的，它不会随着时间的推移而变化;更确切地说，如果它的事件范围是由渐近的时间杀灭场产生的。）

面对它，第一个和第三种法律很简单地理解。 然而，第二种法律并不是如此“明显”，因为它可能乍一看。 似乎，由于一旦进入，没有任何东西可以从黑洞中逃脱，黑洞只能长大或至少保持相同的尺寸，如果没有进一步落入。然而，这种假设始终总是产生增加的表面积，而不是一些其他空间程度的表面积。 令人惊讶的是，它可能听起来很令人惊讶的是，虽然没有进入黑洞可以逃逸的情况，但是仍然可以通过称为彭胚（PenRose和Floyd 1971）的旋转黑洞从旋转黑洞中提取能量（即质量）。 因此，不明显，通过提取足够的质量或角动量，可以不能通过从中提取足够的质量或角动量来缩小黑洞。 它似乎至少可以通过将质量能量辐射成重力辐射来缩小黑洞，或者两个碰撞黑洞的残余物可以具有比原始两个的总和更小的表面积。 （这次最后一个可能性现在可以面对引力波天文学的观察，并且该面积增加定理似乎通过了测试，至少在一些个别事件中;参见Cabero等，2019年进行GW150914的分析。

因此，最令人惊讶的是，要了解第二种法律是一个深刻的严谨性定理，这些定理只有相对论的基本数学（1971年）的基本数学，并且不依赖于相对论的细节封装在爱因斯坦野外方程中的动态（CURIEL 2017）。 这严格对古典热力学中第二法律的反对，这是通过经验概括得出的或多或少的现象学原理，也许在某种意义上通过“减少”来统计力学，随时不对称基于初始状态的可能性与初始状态的可能性结合与物质领域的动态演进“物理允许”的形式，基于初始国家的可能性，熵无减少。 （参见统计力学哲学的进入。）

对于那些了解经典热力学的人，其法律与黑洞的法律之间的正式类比应该是显而易见的。 （对于古典热力学定律的阐述和讨论，参见，例如，Fermi 1937用于更少的技术，更有身心的方法; Fowler和Guggenheim 1939为一个更具技术和严格的方法;和Uffink 2007对于更历史和哲学上的一个。）一种热力学Zeroth定律的一种制定，使得热平衡中的身体始终具有恒定的温度。 第一项法律是能源保护的陈述。 因此，通过其相关的物理量的变化，例如熵，温度，角动量和电荷，所以诸如通过其相关物理量的变化来补偿和测量的任何变化。 第二律规定熵永远不会减少。 在一个制定的第三律上，指出，不可能通过任何物理过程将系统的温度降低到零。 因此，如果在黑洞的法律中，一个人需要“静止”，可以代表'热平衡'，'表面重力'代表'温度'，'质量'代表'能量'，并“区域”代表“熵”，那么正式的比喻是完美的。

实际上，相对主义地质量只是能量，所以至少第一律似乎已经不仅仅是一个正式的类比。 此外，静止黑洞的状态的事实完全仅仅是少数参数，完全独立于任何可能使其施加的微结构的性质和配置（例如，任何折叠以形成物品），已经使其声音不仅仅是一个性格中的少量热力学。 （回想起上面第3.3节没有发定理的讨论。）虽然类比在TOTO中非常暗示，但是要认真地将一个人分配给黑洞的非零温度，这是第一次，卡特特和抱怨的黑洞在1973年制定并证明了法律，几乎每个人都同意是荒谬的。 所有热体都发出热辐射（就像从炉子上的热量一样，或由燃烧的木炭发出的可见光）; 然而，根据一般相对论，一个黑洞应该是能量，质量和辐射的完美沉没，因为它吸收了一切（包括光），并且没有发出（包括光）。 所以似乎唯一一个能够分配它的温度是绝对的零点。 （有关此效果的更详细的参数，请参阅下面的第5.4.2节。）

在20世纪70年代初，仍然是Bekenstein（1972,1973,1974）认为，第二热力学定律需要一个将有限熵分配给黑洞。 他的担心是，人们可以将任何高度熵物质崩溃到一个黑洞 - 这是我们强调的，这是一个极其简单的对象 - 留下与原始物质的高熵相关的原始疾病的痕迹。 这似乎违反了热力学的第二律，这归咎于封闭系统的熵（无序） - 例如事件地平线的外部 - 永远不会减少。 然而，将质量增加到一个黑洞，这将增加其尺寸，这导致Bekenstein建议黑洞的面积是其熵的量度。 本猜想在1971年获得了支持，当Hawking证明了黑洞的表面积，如封闭系统的熵，永远不会减少（抱怨1971）。 尽管如此，仍然没有人认真对待Bekenstein的提议，因为所有黑洞都具有温度绝对零，如上所述，如果甚至首先将温度归结为它们。[12]

因此，当黑洞和热力学对象之间的类比时，当在纯粹的古典相对论的理论中处理时，只是一个正式的，没有真正的物理意义。

5.2。 黑洞热力学

“明显的事实”，黑洞的温度最多，只有绝对零被显示出在霍金（1974年，1975年）显示的时候是虚幻的，因为毕竟黑洞并不完全黑。 他对黑洞时刻中量子场的行为的分析显示，黑洞将发出具有特征性热谱的辐射：黑洞在与其表面重力成比例的温度下产生热量。 对于一个非调节的不带电的黑洞，该数量与黑洞的质量成反比。 即使光应该不能逃离它，它也会像闷闷不乐的煤一样发光！ 对于恒星和银河系级黑洞而言，这种霍金辐射的温度极低，但对于非常非常小的黑洞，温度将很高。 （银河中心中心的黑洞的叫约袋温度，具有大约400万太阳能群众的射手座A *，约为10-14个开尔文;对于一个黑洞是室温，它必须具有约1018 kg-的质量大约1000倍的Mt.珠穆朗玛峰 - 因此约为10-7米，病毒的大小。 因此，当考虑量子效应时，黑洞将不满足区域定理，黑洞力学的古典定律的第二个，因为它们的区域在蒸发时缩小。 （海沃德等人2009年讨论了推导出“当地”通量的抱怨的霍克林辐射的状态; Nielsen 2009讨论了这一点，随着试图证明准局部黑色的黑洞力学规律的状态洞。）

这些结果 - 现在被统称为抱怨的效果 - 建立了黑洞法律与热力学定律之间的平行并不是仅仅是正式的侥幸：似乎他们真的处于相同的深层物理学。 Hawking效果建立了黑洞的表面重力，实际上必须被解释为物理温度。 （因此，表面重力通常被称为“霍克宁温度”。）连接两组法律还需要将黑洞的表面积与熵连接，因为Bekenstein早期建议：黑洞的熵与该区域成比例它的事件范围，它本身与其质量的平方成比例，因为它是一个不协调，没有充电的黑洞。 （因此，该区域通常被称为“Bekenstein熵”。）此外，黑洞力学的质量被热力学中的能量反映，我们从相对论理论中知道质量和能量是相同的，因此黑洞的质量是它的热力学能量。 因此，当今物理界的压倒性共识是，黑洞真正是热力学物体，黑洞力学的规律就是普通热力学的规律延伸到新的制度中，以覆盖一种新型的物理系统。