黑洞视界内的时空背景特性
作者：陈金友
摘要：本文通过计算机仿真计算，验证了在黑洞的视界内存在奇点, 黑洞所处时空真空中的光速会超过我们所处太阳系真空中的光速,在黑洞视界内，其所处时空真空背景温度会比我们所处太阳系的真空背景温度更高，黑洞视界内的真空背景温度可以达到五十三万度——四十九亿亿度，并且越接近黑洞的奇点，真空背景温度就越高。
关键词：黑洞,引力质量,惯性质量，广义相对论，视界
PACS:04.70.-s
在现代物理学中，人们做了许多实验，以极高的精确度证明，物体的惯性质量总是和它的引力质量成正比，在选用适当的单位的情况下，可使惯性质量和引力质量在量值上完全相等，所以我们通常对物体的这两种质量不再加以区别。在爱因斯坦建立的广义相对论中，也认为惯性质量和引力质量是等同的（1）。本文根据爱因斯坦广义相对论中，物体的惯性质量与引力质量是等同的，研究了黑洞视界内的时空背景特性。
假设有一个黑洞，其引力质量为M，在与这个黑洞距离为R。的位置上，有一个引力质量为m。的物体A，设黑洞的引力质量M为太阳引力质量的100亿倍，已知太阳的引力质量（1）为mt=1.99*10^30千克，引力常数（1）G=6.67*10^(-11)（米3/秒2.千克），真空中光速C=3*10^8米/秒，R。=4.5*10^14米，则：GM=6.67*10^(-11)*1.99*10^40=1.334*10^30
黑洞的视界半径（黑洞的史瓦西半径）计算公式为：
Rs=2*GM/C^2
将G、M、C的数值带入上述公式，可以计算得出黑洞的视界半径为：2.964*10^13。
假设物体A在高速运动时，物体A的惯性质量mg和它的引力质量my都随物体A运动速度的增大而增大，惯性质量mg总是和它的引力质量my相等，则物体A在黑洞的引力作用下的运动，我们可以分别采用牛顿引力场方程和采用爱因斯坦广义相对论引力场方程两种情况进行研究：
一、采用牛顿引力场方程：
物体A受到的黑洞的引力为：
F=G*M*my/(R。-S)^2
这里S代表物体A在t时刻的运动距离。
物体A在黑洞的引力作用下，开始朝黑洞做加速度运动，假设加速度为a,则：
a=F/mg
所以：
F=a*mg
G*M*my/(R。-S)^2=a*mg
因为my=mg
所以：
G*M/(R。-S)^2=a
设S的二阶导数为S’’，则：
a=S’’
所以：
S’’=G*M/(R。-S)^2
S’’=1.334*10^30/(1.5*10^11-S)^2 (1)
根据（1）式，我们可以得到下面的matlab数字仿真模型：
模型文件hd1.mdl中的模型
得到的仿真图形如下：
模型文件hd1.mdl产生的仿真图形
在上面的图形中，上图为物体A与黑洞奇点的距离曲线，下图为物体A运动的速度曲线。从上面的图形中可以看出，当物体A进入黑洞的视界后，在接近黑洞的奇点时，物体A的运动速度出现急剧的增大，当到达黑洞的奇点处，最终速度达到1.329*10^11米/秒，是我们所处太阳系真空中光速的443倍。
二、采用爱因斯坦广义相对论引力场方程：
我们假设黑洞是一个球对称分布的天体，它产生球对称分布的引力场 ，并且只考虑物体A沿径向的运动，这样我们可以得到爱因斯坦广义相对论引力场方程的史瓦西外部解的时空线元为（2）：
S’’=[C^2*(R0-S)-2*G*M]^2/(2*G*M*(R0-S))
这里S代表物体A在t时刻的运动距离,S’’代表S的二阶导数。
所以：
S’’=[9*10^16*(R0-S)-2*1.334*10^30]^2/(2*1.334*10^30*(R0-S))
S’’=[9*10^16*(R0-S)-2.668*10^30]^2/(2.668*10^30*(R0-S)) (2)
根据（2）式，我们可以得到下面的matlab数字仿真模型：
模型文件hd2.mdl中的模型
得到的仿真图形如下：
模型文件hd2.mdl产生的仿真图形
在上面的图形中，上图为物体A与黑洞奇点的距离曲线，下图为物体A运动的速度曲线。从上面的图形中可以看出，当物体A进入黑洞的视界后，在接近黑洞的奇点时，物体A的运动速度出现急剧的增大，当到达黑洞的奇点处，物体A的运动速度最终达到1.273*10^16米/秒，是我们所处太阳系真空中光速的4.243*10^7倍。
从上面的讨论中我们可以看出，当物体在高速运动时，如果我们认为它的惯性质量mg和它的引力质量my都随物体运动速度的增大而增大，惯性质量mg总是和它的引力质量my相等，则物体在巨大的引力作用下，其运动速度将会超过我们所处太阳系真空中的光速。
采用前面matlab数字仿真模型，通过对质量为100倍太阳质量到100亿倍太阳质量的黑洞的仿真计算（相应的仿真时间设置为558700到100）得知，当物体在黑洞引力作用下向黑洞运动时，不管黑洞的质量大小如何，当物体进入黑洞的视界后，就会出现上面讨论的情形。即如果假设物体的惯性质量mg总是和它的引力质量my相等，当物体进入黑洞的视界后，其运动速度将会超过我们所处太阳系真空中的光速。
根据爱因斯坦建立的广义相对论，我们知道，任何有质量的物体，其运动速度都不可能超过其所处时空真空中的光速，因此在黑洞中，当物体进入黑洞的视界后，其运动速度也不可能会超过其所处时空真空中的光速。因此我们可以得出结论：在黑洞视界内，真空中的光速会超过我们所处太阳系真空中的光速，这时物体运动速度越快，其质量不会增大，反而会减少，并且物体会向外输出能量，这时物体会以这种形式不断将物质转换成能量。
根据麦克斯韦的电磁场方程组可以推导出如下的真空光速（c）公式：
（3）
上式中，ε0表示真空介电常数（或称真空电容率），μ0表示真空磁导率。
真空磁导率和真空介电常数是与时空背景有关的。如果宇宙性质和环境发生变化，那么光速值自然会变化，真空磁导率和真空介电常数也会变化,真空介电常数与真空背景温度成反比。
综合前面的讨论，我们可以得出如下结论：
由于任何有质量的物体，其运动速度都不可能超过其所处时空真空中的光速，因此在黑洞视界内，真空中的光速会超过我们所处太阳系真空中的光速，根据（3）式，黑洞视界内的真空磁导率和真空介电常数都会小于我们所处太阳系的真空磁导率和真空介电常数，由于真空介电常数与真空背景温度成反比，所以黑洞视界内的真空背景温度会比我们所处太阳系的真空背景温度更高。在黑洞视界内，真空背景温度是我们所处太阳系的真空背景温度的4432倍—(4.243*10^7)^2倍，即2*10^5—1.8*10^15倍，由于我们所处太阳系的真空背景辐射温度是2.726K，因此在黑洞视界内，真空背景温度可以达到2.726*4432=五十三万度——2.726*(4.243*10^7)^2=四十九亿亿度。
通过上面的讨论，我们可以得出如下结论：
1、从模型文件hd1.mdl产生的仿真图形和模型文件hd2.mdl产生的仿真图形中我们都可以看到，在物体即将到达黑洞的中心点时，物体的运动速度都出现了剧烈的增大，这时物体的运动速度都超过了我们所处太阳系真空中的光速，表明在这里存在有一个奇点，因此验证了在黑洞的中心存在有奇点。
2、进入黑洞视界的物体，运动速度会超过我们所处太阳系真空中的光速，所以物体会不断地将自身物质转换成能量，因此黑洞视界内的物质是以能量的形式存在的。同时这些能量又会将其所处的时空进一步弯曲，从而黑洞中的能量又会转换成以弯曲时空的形式存在，并且极度弯曲的时空会对外展示出巨大的引力。因此黑洞中的奇点就是一个实心的能量球，这个实心的能量球也是一个会对外展示出巨大引力的极度弯曲的时空，在黑洞的奇点处，时间处于静止状态，空间只有零维。
3、在黑洞视界内，真空背景温度极高，并且越接近黑洞的奇点，真空背景温度就越高。在黑洞内真空背景温度可以达到五十三万度—四十九亿亿度。
因此所谓黑洞，就是一个时空极度弯曲，真空背景温度极高，别的什么也没有的区域，并且越接近黑洞的奇点，真空背景温度就越高。
参考文献：
【1】高等学校普通物理学 程守洙 江云永 人民教育出版社
【2】广义相对论简介之五_爱因斯坦引力场方程和史瓦西外部解_李复
作者：陈金友
摘要：本文通过计算机仿真计算，验证了在黑洞的视界内存在奇点, 黑洞所处时空真空中的光速会超过我们所处太阳系真空中的光速,在黑洞视界内，其所处时空真空背景温度会比我们所处太阳系的真空背景温度更高，黑洞视界内的真空背景温度可以达到五十三万度——四十九亿亿度，并且越接近黑洞的奇点，真空背景温度就越高。
关键词：黑洞,引力质量,惯性质量，广义相对论，视界
PACS:04.70.-s
在现代物理学中，人们做了许多实验，以极高的精确度证明，物体的惯性质量总是和它的引力质量成正比，在选用适当的单位的情况下，可使惯性质量和引力质量在量值上完全相等，所以我们通常对物体的这两种质量不再加以区别。在爱因斯坦建立的广义相对论中，也认为惯性质量和引力质量是等同的（1）。本文根据爱因斯坦广义相对论中，物体的惯性质量与引力质量是等同的，研究了黑洞视界内的时空背景特性。
假设有一个黑洞，其引力质量为M，在与这个黑洞距离为R。的位置上，有一个引力质量为m。的物体A，设黑洞的引力质量M为太阳引力质量的100亿倍，已知太阳的引力质量（1）为mt=1.99*10^30千克，引力常数（1）G=6.67*10^(-11)（米3/秒2.千克），真空中光速C=3*10^8米/秒，R。=4.5*10^14米，则：GM=6.67*10^(-11)*1.99*10^40=1.334*10^30
黑洞的视界半径（黑洞的史瓦西半径）计算公式为：
Rs=2*GM/C^2
将G、M、C的数值带入上述公式，可以计算得出黑洞的视界半径为：2.964*10^13。
假设物体A在高速运动时，物体A的惯性质量mg和它的引力质量my都随物体A运动速度的增大而增大，惯性质量mg总是和它的引力质量my相等，则物体A在黑洞的引力作用下的运动，我们可以分别采用牛顿引力场方程和采用爱因斯坦广义相对论引力场方程两种情况进行研究：
一、采用牛顿引力场方程：
物体A受到的黑洞的引力为：
F=G*M*my/(R。-S)^2
这里S代表物体A在t时刻的运动距离。
物体A在黑洞的引力作用下，开始朝黑洞做加速度运动，假设加速度为a,则：
a=F/mg
所以：
F=a*mg
G*M*my/(R。-S)^2=a*mg
因为my=mg
所以：
G*M/(R。-S)^2=a
设S的二阶导数为S’’，则：
a=S’’
所以：
S’’=G*M/(R。-S)^2
S’’=1.334*10^30/(1.5*10^11-S)^2 (1)
根据（1）式，我们可以得到下面的matlab数字仿真模型：
模型文件hd1.mdl中的模型
得到的仿真图形如下：
模型文件hd1.mdl产生的仿真图形
在上面的图形中，上图为物体A与黑洞奇点的距离曲线，下图为物体A运动的速度曲线。从上面的图形中可以看出，当物体A进入黑洞的视界后，在接近黑洞的奇点时，物体A的运动速度出现急剧的增大，当到达黑洞的奇点处，最终速度达到1.329*10^11米/秒，是我们所处太阳系真空中光速的443倍。
二、采用爱因斯坦广义相对论引力场方程：
我们假设黑洞是一个球对称分布的天体，它产生球对称分布的引力场 ，并且只考虑物体A沿径向的运动，这样我们可以得到爱因斯坦广义相对论引力场方程的史瓦西外部解的时空线元为（2）：
S’’=[C^2*(R0-S)-2*G*M]^2/(2*G*M*(R0-S))
这里S代表物体A在t时刻的运动距离,S’’代表S的二阶导数。
所以：
S’’=[9*10^16*(R0-S)-2*1.334*10^30]^2/(2*1.334*10^30*(R0-S))
S’’=[9*10^16*(R0-S)-2.668*10^30]^2/(2.668*10^30*(R0-S)) (2)
根据（2）式，我们可以得到下面的matlab数字仿真模型：
模型文件hd2.mdl中的模型
得到的仿真图形如下：
模型文件hd2.mdl产生的仿真图形
在上面的图形中，上图为物体A与黑洞奇点的距离曲线，下图为物体A运动的速度曲线。从上面的图形中可以看出，当物体A进入黑洞的视界后，在接近黑洞的奇点时，物体A的运动速度出现急剧的增大，当到达黑洞的奇点处，物体A的运动速度最终达到1.273*10^16米/秒，是我们所处太阳系真空中光速的4.243*10^7倍。
从上面的讨论中我们可以看出，当物体在高速运动时，如果我们认为它的惯性质量mg和它的引力质量my都随物体运动速度的增大而增大，惯性质量mg总是和它的引力质量my相等，则物体在巨大的引力作用下，其运动速度将会超过我们所处太阳系真空中的光速。
采用前面matlab数字仿真模型，通过对质量为100倍太阳质量到100亿倍太阳质量的黑洞的仿真计算（相应的仿真时间设置为558700到100）得知，当物体在黑洞引力作用下向黑洞运动时，不管黑洞的质量大小如何，当物体进入黑洞的视界后，就会出现上面讨论的情形。即如果假设物体的惯性质量mg总是和它的引力质量my相等，当物体进入黑洞的视界后，其运动速度将会超过我们所处太阳系真空中的光速。
根据爱因斯坦建立的广义相对论，我们知道，任何有质量的物体，其运动速度都不可能超过其所处时空真空中的光速，因此在黑洞中，当物体进入黑洞的视界后，其运动速度也不可能会超过其所处时空真空中的光速。因此我们可以得出结论：在黑洞视界内，真空中的光速会超过我们所处太阳系真空中的光速，这时物体运动速度越快，其质量不会增大，反而会减少，并且物体会向外输出能量，这时物体会以这种形式不断将物质转换成能量。
根据麦克斯韦的电磁场方程组可以推导出如下的真空光速（c）公式：
（3）
上式中，ε0表示真空介电常数（或称真空电容率），μ0表示真空磁导率。
真空磁导率和真空介电常数是与时空背景有关的。如果宇宙性质和环境发生变化，那么光速值自然会变化，真空磁导率和真空介电常数也会变化,真空介电常数与真空背景温度成反比。
综合前面的讨论，我们可以得出如下结论：
由于任何有质量的物体，其运动速度都不可能超过其所处时空真空中的光速，因此在黑洞视界内，真空中的光速会超过我们所处太阳系真空中的光速，根据（3）式，黑洞视界内的真空磁导率和真空介电常数都会小于我们所处太阳系的真空磁导率和真空介电常数，由于真空介电常数与真空背景温度成反比，所以黑洞视界内的真空背景温度会比我们所处太阳系的真空背景温度更高。在黑洞视界内，真空背景温度是我们所处太阳系的真空背景温度的4432倍—(4.243*10^7)^2倍，即2*10^5—1.8*10^15倍，由于我们所处太阳系的真空背景辐射温度是2.726K，因此在黑洞视界内，真空背景温度可以达到2.726*4432=五十三万度——2.726*(4.243*10^7)^2=四十九亿亿度。
通过上面的讨论，我们可以得出如下结论：
1、从模型文件hd1.mdl产生的仿真图形和模型文件hd2.mdl产生的仿真图形中我们都可以看到，在物体即将到达黑洞的中心点时，物体的运动速度都出现了剧烈的增大，这时物体的运动速度都超过了我们所处太阳系真空中的光速，表明在这里存在有一个奇点，因此验证了在黑洞的中心存在有奇点。
2、进入黑洞视界的物体，运动速度会超过我们所处太阳系真空中的光速，所以物体会不断地将自身物质转换成能量，因此黑洞视界内的物质是以能量的形式存在的。同时这些能量又会将其所处的时空进一步弯曲，从而黑洞中的能量又会转换成以弯曲时空的形式存在，并且极度弯曲的时空会对外展示出巨大的引力。因此黑洞中的奇点就是一个实心的能量球，这个实心的能量球也是一个会对外展示出巨大引力的极度弯曲的时空，在黑洞的奇点处，时间处于静止状态，空间只有零维。
3、在黑洞视界内，真空背景温度极高，并且越接近黑洞的奇点，真空背景温度就越高。在黑洞内真空背景温度可以达到五十三万度—四十九亿亿度。
因此所谓黑洞，就是一个时空极度弯曲，真空背景温度极高，别的什么也没有的区域，并且越接近黑洞的奇点，真空背景温度就越高。
参考文献：
【1】高等学校普通物理学 程守洙 江云永 人民教育出版社
【2】广义相对论简介之五_爱因斯坦引力场方程和史瓦西外部解_李复
