宇宙大爆炸傳奇-16
彭羅斯首先提出了一個(gè)彭羅斯過程這個(gè)概念，當(dāng)然了這是以他的名字命名的，在這個(gè)概念里就提到了一個(gè)叫做賦能軌跡的東西。這個(gè)賦能是種什么概念呢？我們平時(shí)扔出去一個(gè)球，那這個(gè)球就是有動(dòng)能的，不管把這個(gè)球往哪個(gè)方向扔，球擁有的能量總是正的。咱們初中就學(xué)過物理，知道動(dòng)能的計(jì)算公式是1/2mv^2，正是因?yàn)檫@個(gè)平方速度就把這個(gè)能量給弄正了，所以動(dòng)量跟方向沒有關(guān)系。但是在克爾黑洞的能層里面就不是這么回事了，因?yàn)榭臻g本身就被黑洞拖拽著高速旋轉(zhuǎn)，這種扭曲的時(shí)空就存在這種非常特殊的軌跡就叫做賦能軌跡，把球扔出去這個(gè)球就是按照賦能軌跡走的，那么這個(gè)球的動(dòng)能就可以是負(fù)的。那好，按照宇宙的基本規(guī)則出來(lái)混總要還，能量守恒總是要遵守的，一個(gè)物體分裂成兩半，一個(gè)帶負(fù)能量，那另外一半能量注定要增加啊，這樣才能維持能量總數(shù)不變。因此前面講到飛船掉到克爾黑洞的能層里會(huì)被彈出來(lái)的道理就是這樣。它掉了個(gè)碎片，這個(gè)碎片恰好按照賦能軌跡掉到了黑洞里，飛船因此獲得了一個(gè)正能量因此就被踢出來(lái)了。從黑洞的角度來(lái)說(shuō)它其實(shí)不虧，畢竟它吃了個(gè)東西，一大塊東西到肚子里。那這個(gè)總能量最后是誰(shuí)來(lái)提供的呢，其實(shí)這個(gè)能量是黑洞的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能給出來(lái)的，它旋轉(zhuǎn)的能量減少了那么一丁點(diǎn)，然后這個(gè)能量分給你的飛船了，你的飛船就被彈走了。這個(gè)就好比現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)，羊毛出在羊身上，最后讓狗來(lái)埋單，大概就是這么個(gè)意思，最后就是黑洞自己埋單的。雖然黑洞自己付出了能量，但是它也吃到了東西，因此無(wú)限紅移面和視界面這個(gè)夾層就叫能層，為什么叫能層，那是因?yàn)樗锩娴哪芰渴强梢匀〕鰜?lái)的。當(dāng)然了這個(gè)能層的能量也不是可以無(wú)限取的，能取個(gè)30%就不錯(cuò)了，如果這些能量都被取光的話那這個(gè)克爾黑洞就會(huì)退化成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的史瓦西黑洞了。當(dāng)然了，如果那時(shí)候沒有及時(shí)分裂出什么碎片，那還是有可能會(huì)掉入克爾黑洞里的，你穿過視界面，然后穿過內(nèi)視界面，穿過內(nèi)無(wú)限紅移面，一直就沖到奇環(huán)面前了，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)奇環(huán)很有趣，就迫不及待想進(jìn)去看看，結(jié)果就發(fā)現(xiàn)從正面鉆進(jìn)去并沒有從背面出來(lái)，反而就像哆啦A夢(mèng)的任意門一樣傳到了另外一個(gè)宇宙空間里了，這個(gè)宇宙就是以斥力為特征，是一個(gè)非常奇妙的世界。 黑洞內(nèi)部的空間拓?fù)浞浅；靵y，你千萬(wàn)別指望里面一切都那么完美，都能穩(wěn)定存在下去。見到奇環(huán)千萬(wàn)別鉆，萬(wàn)一這奇環(huán)不穩(wěn)定鉆進(jìn)去了之后通道被掐死了你就回不來(lái)了，但是用科學(xué)家的話講就不是什么掐死了，叫法矢量倒在表面上，說(shuō)白了就是通道被堵住了回不來(lái)了。還有個(gè)詞叫發(fā)散，發(fā)散這個(gè)詞其實(shí)就是無(wú)窮大被零除的意思，奇點(diǎn)和奇環(huán)就屬于時(shí)空發(fā)散的地方，反正這種話一聽多半是有麻煩的，當(dāng)年霍伊爾講課的時(shí)候宣講他那個(gè)新的穩(wěn)恒態(tài)宇宙理論，結(jié)果當(dāng)場(chǎng)就被當(dāng)時(shí)還是學(xué)生的霍金指出來(lái)這其中有幾個(gè)物理量會(huì)發(fā)散，說(shuō)白了就是無(wú)窮大被零除。這種事一出來(lái)霍伊爾當(dāng)時(shí)就發(fā)火了，但是你發(fā)火也沒用啊，錯(cuò)了就是錯(cuò)了，反正碰上發(fā)散這種事就頭疼。黑洞內(nèi)部太兇險(xiǎn)，那還是不要進(jìn)去的好，能層并不屬于黑洞內(nèi)部，黑洞是以視界面為邊界的。彭羅斯過程一發(fā)現(xiàn)立馬就有人跟進(jìn)，他們就想既然飛船能被彈出來(lái)，那粒子行不行呢？那如果是一束光行不行呢？后來(lái)發(fā)現(xiàn)好像這東西也行，朝著能層照射一束波，結(jié)果射出來(lái)的波比射進(jìn)去的能量還要強(qiáng)，就好像里面有個(gè)放大器，這個(gè)現(xiàn)象就叫做米斯納超輻射，顧名思義，就是有一個(gè)叫米斯納的美國(guó)科學(xué)家提出來(lái)的。這個(gè)米斯納跟惠勒一起寫過論文，當(dāng)然了，這個(gè)問題一提出來(lái)又提供了一個(gè)刷論文的機(jī)會(huì)了，你計(jì)算個(gè)光子寫篇論文，那我計(jì)算個(gè)電子寫篇論文對(duì)吧，通過超輻射就可以把克爾黑洞的能量不斷提取出來(lái)。到后來(lái)安塔·魯賓斯基和安盧兩個(gè)人研究又有了新發(fā)現(xiàn)，這個(gè)黑洞別說(shuō)你自己去往里面扔?xùn)|西拿波去射它去這樣惹它，它自己本身也不安分，它自己就會(huì)發(fā)出這種輻射粒子，這樣的話又有一個(gè)觀點(diǎn)動(dòng)搖了。過去認(rèn)為黑洞是一顆死亡的星，既然死了那就不會(huì)再有變化了，而現(xiàn)在看來(lái)這個(gè)觀點(diǎn)是有問題的，最起碼克爾黑洞還會(huì)活動(dòng)，還有變化。這么說(shuō)的話這個(gè)克爾黑洞就好比是個(gè)僵尸，你說(shuō)它死了吧它還能蹦跶，就是傳說(shuō)中的死而不僵。到了70年代，人們?nèi)匀徽J(rèn)為史瓦西黑洞是真正屬于那種死透了的天體，史瓦西黑洞是不可能詐尸的。后來(lái)也還是這個(gè)70年代，就輪到霍金出來(lái)叱咤風(fēng)云了。 70年代的時(shí)候霍金還不到30歲，他的博士論文就是把彭羅斯的奇點(diǎn)理論推廣到了整個(gè)宇宙，由此他拿到了博士學(xué)位。他就證明我們的宇宙必定會(huì)存在一個(gè)奇點(diǎn)，要么是這個(gè)大爆炸的開始，要么是宇宙收縮的結(jié)束點(diǎn)，要么這兩種都有。這就是一個(gè)非常重要的成就了，他讀完博士之后就到劍橋大學(xué)凱斯學(xué)院當(dāng)助教，那時(shí)候凱斯學(xué)院的院長(zhǎng)是著名的科技史學(xué)者李約瑟，他跟我們中國(guó)關(guān)系也不淺，后來(lái)霍金的妹妹也跟隨李約瑟搞過一段時(shí)間的中國(guó)科技史，也算是跟中國(guó)的淵源所在了。 李約瑟 后來(lái)霍金通過廣義相對(duì)論和數(shù)學(xué)計(jì)算出一個(gè)結(jié)果，那就是黑洞的視界表面積只能增加不能減小，那推廣開來(lái)就是說(shuō)把倆黑洞合到一塊那沒問題，因?yàn)閮蓚€(gè)黑洞合并之后它的視界表面積是增加的，比單獨(dú)放這兩個(gè)黑洞的表面積加起來(lái)還要大。但是這個(gè)過程反過來(lái)就不行了，要想把一個(gè)黑洞拆成倆那還是死了這條心吧，這是做不到的，這就是所謂的黑洞面積定理。黑洞面積定理一出來(lái)，普林斯頓大學(xué)的貝肯斯坦就坐不住了，他就發(fā)現(xiàn)這東西很有意思，物理學(xué)的過程一般都是可逆的，不可逆的過程就只有一個(gè)，那就是熵增的不可逆的。熱力學(xué)第二定律就發(fā)現(xiàn)我們整個(gè)絕熱系統(tǒng)里的熵值是只增加不減少的，無(wú)論里面發(fā)生什么事都是如此。一杯水慢慢變冷，其實(shí)熱量就從水里面流向了空氣里，熱量擴(kuò)散以后熵就總是在增加的，比一杯水很燙的情況的那個(gè)熵要大。貝肯斯坦就懷疑了，這個(gè)黑洞表面積是不是跟熵就有關(guān)系呢？他就跟他老師惠勒開始討論這個(gè)問題，惠勒也很支持他這個(gè)想法，惠勒還給他舉例子，他說(shuō)一杯水開始很熱，我把它扔到黑洞里就沒了，那對(duì)于整個(gè)黑洞里面來(lái)說(shuō)平白無(wú)故這一杯水的熵沒了，這不就是違反了熱力學(xué)第二定律了嘛，整個(gè)宇宙的熵減少了啊。貝肯斯坦就說(shuō)對(duì)啊，這不可能啊，他說(shuō)他覺得應(yīng)該是這樣，雖然那杯水的熵沒了，但因?yàn)楹诙闯粤诉@杯水，它的質(zhì)量就增加了，因此黑洞表面積增加了。假如黑洞的表面積就是熵，那這樣一切就都說(shuō)得通了，整個(gè)宇宙的熵并沒有減少嘛。一杯熱水的熵來(lái)了，黑洞表面積增加，既然表面積增加那熵肯定要比這杯水多嘛，這是不違反熱二的，這樣就必須把黑洞表面積跟熵統(tǒng)一到一起去。貝肯斯坦大受啟發(fā)，有熵就有溫度，那黑洞有溫度嗎？有溫度就必定有輻射，那黑洞有輻射嗎？貌似這史瓦西黑洞是死透了的黑洞，它不可能有其他任何的活動(dòng)了，這不就矛盾了嗎？如果說(shuō)有輻射，那豈不是史瓦西黑洞是詐尸了啊。所以貝肯斯坦就把他的黑洞公式寫成了熱力學(xué)第一定律的樣子，也就是能量守恒定律的樣子。其實(shí)這個(gè)定律有好多種不同的寫法，貝肯斯坦直接把什么質(zhì)量啊角動(dòng)量啊電荷啊全寫進(jìn)去了，整理完一看，這黑洞公式推導(dǎo)出來(lái)就跟熱力學(xué)公式一一對(duì)應(yīng)，簡(jiǎn)直就是一個(gè)模子刻出來(lái)的，兩套公式長(zhǎng)的非常像。公式里面有一個(gè)量叫咔巴，這個(gè)量就表示黑洞的表面引力，貝肯斯坦就斷定這個(gè)表面引力就是黑洞的溫度。 貝肯斯坦 霍金看到了貝肯斯坦的文章，當(dāng)時(shí)腦袋就大了。他就跟另外兩個(gè)人，一個(gè)叫巴丁，另一個(gè)叫卡特，三個(gè)人一起寫了一篇文章，他們組隊(duì)來(lái)反駁貝肯斯坦。他們推了一遍，發(fā)現(xiàn)公式推導(dǎo)沒有問題，貝肯斯坦在推導(dǎo)公式的時(shí)候是完全對(duì)的，但是貝肯斯坦想歪了。這個(gè)公式很像熱力學(xué)公式，但僅僅是長(zhǎng)的像，禿子和和尚也不是一回事啊。霍金的面積定理的推導(dǎo)過程完全是運(yùn)用了相對(duì)論和數(shù)學(xué)，根本就沒有碰到過熱力學(xué)這東西，這會(huì)又憑空跳出來(lái)那是不可能的嘛，再說(shuō)了如果黑洞有溫度那就必定有熱輻射，那不得了啊，黑洞是只進(jìn)不出的，怎么可能有熱輻射出來(lái)，所以說(shuō)這個(gè)貝肯斯坦是不靠譜的。正好這時(shí)候有人來(lái)找霍金，這個(gè)人就是現(xiàn)在大名鼎鼎的基普·索恩，電影星際穿越的科學(xué)顧問。索恩當(dāng)時(shí)還很年輕，當(dāng)時(shí)也是惠勒的學(xué)生，和貝肯斯坦是師兄關(guān)系，他跟霍金關(guān)系也不錯(cuò)。索恩就問霍金想不想去跟幾個(gè)俄國(guó)人見一見，然后他倆就去了蘇聯(lián)，到了蘇聯(lián)跟幾個(gè)俄國(guó)人交流自然也是聊黑洞方面的事。索恩研究的是蟲洞，在當(dāng)時(shí)不算是什么熱門研究，但研究黑洞的人就多了，霍金就發(fā)現(xiàn)這幾個(gè)俄國(guó)人的想法還是挺有道理的，你不能只考慮相對(duì)論效應(yīng)，量子力學(xué)效應(yīng)也要考慮，熵這東西和量子是緊密聯(lián)系的?；艚鹂此麄兊挠?jì)算發(fā)現(xiàn)算的太粗糙了，如果自己來(lái)搞那肯定搞的比俄國(guó)人強(qiáng)。他回到劍橋之后就開始折騰了，越折騰越發(fā)現(xiàn)自己以前的理論毛病大，到最后他直接把自己的理論推翻了。這貝肯斯坦猜對(duì)了，雖然有很大程度是他自己猜的，他自己也說(shuō)沒有特別充分的理由來(lái)證明，但這回霍金是實(shí)打?qū)嵧茖?dǎo)出來(lái)了，黑洞的確是會(huì)發(fā)射輻射的，黑洞是有溫度的。他老師夏馬一看就說(shuō)，僅憑這個(gè)霍金就可以成為20世紀(jì)最偉大的理論物理學(xué)家之一，霍金已經(jīng)進(jìn)入了頂尖的行列，而且他還是在病情日益加重的情況下做的這些成就。他當(dāng)年和霍伊爾上課頂嘴的時(shí)候就一定要拄拐才能行動(dòng)了，到后來(lái)他就直接癱瘓了，身體能動(dòng)的部分也越來(lái)越少。 這個(gè)黑洞輻射是怎么回事呢？那就要從狄拉克的真空不空說(shuō)起。狄拉克提出了一個(gè)真空不空的理論，大概意思就說(shuō)真空并不是什么都沒有，而是會(huì)伴隨著劇烈運(yùn)動(dòng)，一對(duì)一對(duì)的虛粒子不斷產(chǎn)生，然后迅速相互泯滅，從總體上來(lái)看一個(gè)正粒子一個(gè)負(fù)粒子相互抵消那就是零，從宏觀上來(lái)看的確是啥都沒有，但在那一瞬間并不是這樣，真空是處于一個(gè)沸騰的量子海洋中。在普通的時(shí)空里正反粒子總是會(huì)相互抵消的，但是到了黑洞的視界面附近就不是這樣了。瞬間產(chǎn)生一對(duì)虛粒子，一正一反，如果它們同時(shí)冒出來(lái)，那它們最后就相互抵消，我們就啥也看不到了，如果它們同時(shí)掉到黑洞里那我們也是啥也看不到，但如果它們之中負(fù)粒子掉到黑洞里了正粒子留在外面了，那它們倆就永遠(yuǎn)碰不到面了，因?yàn)橐粋€(gè)在黑洞里一個(gè)在黑洞外，這樣它們就永遠(yuǎn)無(wú)法泯滅，這樣這種平衡就被打破了。從外界觀察的話就好像正粒子是被黑洞輻射出來(lái)一樣，掉到黑洞里的負(fù)粒子就使得黑洞減少了一份總質(zhì)量，總質(zhì)量就下降了。反過來(lái)說(shuō)呢，正粒子掉到黑洞里，負(fù)粒子留在外面，負(fù)粒子在正常時(shí)空里是沒辦法穩(wěn)定存在的，所以負(fù)粒子也會(huì)跟著一起掉到黑洞的視界面里去。在黑洞里面，因?yàn)闀r(shí)空的坐標(biāo)是倒轉(zhuǎn)的，所以是可以允許那種負(fù)能的粒子存在，但是在外面就不行了。 黑洞還有一個(gè)奇怪的特性，那就是比熱為負(fù)數(shù)，它吸收熱量之后反而溫度會(huì)下降，放熱之后溫度會(huì)升高，越上升輻射就越厲害，最后就惡性循環(huán)，溫度越升越高，直到炸掉為止。所以越小的黑洞壽命越短，越大的壽命越長(zhǎng)，基本上可以認(rèn)為那些超大黑洞的壽命是壽與天齊的，但是穩(wěn)定的黑洞是不存在的，要么它就在不斷長(zhǎng)胖，要么就在不斷萎縮，它不變化不穩(wěn)定是不可能的?；艚鸬呢暙I(xiàn)不僅僅在于證明了黑洞是有輻射的，而且還開啟了一扇大門，那就是相對(duì)論和量子力學(xué)必須得同時(shí)考慮。對(duì)于黑洞這種極端的天體，僅僅只考慮一個(gè)因素是不行的，因?yàn)橐α孔踊浆F(xiàn)在都沒完全成功，因此量子力學(xué)和廣義相對(duì)論是不可避免會(huì)有沖突的，它們倆之間是有矛盾的，很多東西都不一樣。 霍金輻射一發(fā)表就差不多了，因?yàn)楹诙磿?huì)蒸發(fā)，那就麻煩了，量子力學(xué)里什么中子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒、信息守恒就全完了，信息守恒是最重要的。你能想象拋硬幣拋了半天，出現(xiàn)正面的概率和出現(xiàn)反面的概率加起來(lái)它不等于1，就算把硬幣是立著的情況考慮進(jìn)去，這三種可能的概率加起來(lái)也不是1。那我們現(xiàn)實(shí)中這三種情況概率加起來(lái)再怎么樣它也不可能不等于1，它必定是1，這就是量子力學(xué)的幺正性，它必定是守恒的。大量的物質(zhì)掉到黑洞里去啦，我們也就再也看不到它們了，說(shuō)白了就是感受不到它們的信息了。一個(gè)物體拿在手里我們能感受到它的質(zhì)量輕重，這就是信息嘛，摸一摸我們總能知道它的溫度吧，咬一口還能知道它是軟的還是硬的，舔一舔還能知道它是什么味道，這些都是信息，可是把這東西扔到黑洞里那這些信息全沒辦法觀察了。 黑洞僅有質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷這三個(gè)物理量來(lái)描述，這是貝肯斯坦提出來(lái)的，他老師就給這個(gè)定理起了個(gè)名字叫黑洞無(wú)毛定理。他老師惠勒就特別會(huì)起名字，無(wú)毛就是沒有信息的意思，后來(lái)有人就覺得不妥，這明明還是有三個(gè)信息存在的，干脆就叫黑洞三毛定理。過去一個(gè)東西掉到黑洞里我們也不知道這些信息怎么樣了，但至少還能眼不見心不煩，還能安慰一下自己說(shuō)，哦，這東西說(shuō)不定以某種形式在黑洞里藏著。但這下倒好，黑洞要是全蒸發(fā)完了，信息也就徹底被搞沒了。黑洞輻射是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的黑體譜，只能知道溫度是不帶任何信息的。過去被黑洞吸進(jìn)去那些信息全沒了，這信息總數(shù)不就不守恒了嗎？在量子力學(xué)來(lái)看這是不可能存在的事，因?yàn)榱孔恿W(xué)就建立在信息守恒的基礎(chǔ)之上。這下量子學(xué)家就急眼了，當(dāng)然霍金更急眼了，他們就想盡辦法想證明這個(gè)信息還是守恒的，但是證來(lái)證去發(fā)現(xiàn)死活證不出來(lái)，這個(gè)量子的確是輻射出來(lái)是標(biāo)準(zhǔn)的黑體譜，什么信息都不帶，這些就麻煩了。那怎么辦呢？總得有個(gè)辦法啊把這里面的信息提取出來(lái)。后來(lái)有一個(gè)小子發(fā)明了一個(gè)辦法，說(shuō)很有可能信息是守恒的，因?yàn)樗鼤?huì)被輻射給帶出來(lái)，那這個(gè)小伙子是誰(shuí)呢？他到底是怎么回事呢？請(qǐng)看下回分解。
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