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宇宙传奇-16
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2019.03.23

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宇宙大爆炸传奇-16 

彭罗斯首先提出了一个彭罗斯过程这个概念,当然了这是以他的名字命名的,在这个概念里就提到了一个叫做赋能轨迹的东西。这个赋能是种什么概念呢?我们平时扔出去一个球,那这个球就是有动能的,不管把这个球往哪个方向扔,球拥有的能量总是正的。咱们初中就学过物理,知道动能的计算公式是1/2mv^2,正是因为这个平方速度就把这个能量给弄正了,所以动量跟方向没有关系。但是在克尔黑洞的能层里面就不是这么回事了,因为空间本身就被黑洞拖拽着高速旋转,这种扭曲的时空就存在这种非常特殊的轨迹就叫做赋能轨迹,把球扔出去这个球就是按照赋能轨迹走的,那么这个球的动能就可以是负的。那好,按照宇宙的基本规则出来混总要还,能量守恒总是要遵守的,一个物体分裂成两半,一个带负能量,那另外一半能量注定要增加啊,这样才能维持能量总数不变。因此前面讲到飞船掉到克尔黑洞的能层里会被弹出来的道理就是这样。它掉了个碎片,这个碎片恰好按照赋能轨迹掉到了黑洞里,飞船因此获得了一个正能量因此就被踢出来了。从黑洞的角度来说它其实不亏,毕竟它吃了个东西,一大块东西到肚子里。那这个总能量最后是谁来提供的呢,其实这个能量是黑洞的旋转动能给出来的,它旋转的能量减少了那么一丁点,然后这个能量分给你的飞船了,你的飞船就被弹走了。这个就好比现在的互联网经济,羊毛出在羊身上,最后让狗来埋单,大概就是这么个意思,最后就是黑洞自己埋单的。虽然黑洞自己付出了能量,但是它也吃到了东西,因此无限红移面和视界面这个夹层就叫能层,为什么叫能层,那是因为它里面的能量是可以取出来的。当然了这个能层的能量也不是可以无限取的,能取个30%就不错了,如果这些能量都被取光的话那这个克尔黑洞就会退化成一个标准的史瓦西黑洞了。当然了,如果那时候没有及时分裂出什么碎片,那还是有可能会掉入克尔黑洞里的,你穿过视界面,然后穿过内视界面,穿过内无限红移面,一直就冲到奇环面前了,你会发现这个奇环很有趣,就迫不及待想进去看看,结果就发现从正面钻进去并没有从背面出来,反而就像哆啦A梦的任意门一样传到了另外一个宇宙空间里了,这个宇宙就是以斥力为特征,是一个非常奇妙的世界。 

 黑洞内部的空间拓扑非常混乱,你千万别指望里面一切都那么完美,都能稳定存在下去。见到奇环千万别钻,万一这奇环不稳定钻进去了之后通道被掐死了你就回不来了,但是用科学家的话讲就不是什么掐死了,叫法矢量倒在表面上,说白了就是通道被堵住了回不来了。还有个词叫发散,发散这个词其实就是无穷大被零除的意思,奇点和奇环就属于时空发散的地方,反正这种话一听多半是有麻烦的,当年霍伊尔讲课的时候宣讲他那个新的稳恒态宇宙理论,结果当场就被当时还是学生的霍金指出来这其中有几个物理量会发散,说白了就是无穷大被零除。这种事一出来霍伊尔当时就发火了,但是你发火也没用啊,错了就是错了,反正碰上发散这种事就头疼。黑洞内部太凶险,那还是不要进去的好,能层并不属于黑洞内部,黑洞是以视界面为边界的。彭罗斯过程一发现立马就有人跟进,他们就想既然飞船能被弹出来,那粒子行不行呢?那如果是一束光行不行呢?后来发现好像这东西也行,朝着能层照射一束波,结果射出来的波比射进去的能量还要强,就好像里面有个放大器,这个现象就叫做米斯纳超辐射,顾名思义,就是有一个叫米斯纳的美国科学家提出来的。这个米斯纳跟惠勒一起写过论文,当然了,这个问题一提出来又提供了一个刷论文的机会了,你计算个光子写篇论文,那我计算个电子写篇论文对吧,通过超辐射就可以把克尔黑洞的能量不断提取出来。到后来安塔·鲁宾斯基和安卢两个人研究又有了新发现,这个黑洞别说你自己去往里面扔东西拿波去射它去这样惹它,它自己本身也不安分,它自己就会发出这种辐射粒子,这样的话又有一个观点动摇了。过去认为黑洞是一颗死亡的星,既然死了那就不会再有变化了,而现在看来这个观点是有问题的,最起码克尔黑洞还会活动,还有变化。这么说的话这个克尔黑洞就好比是个僵尸,你说它死了吧它还能蹦跶,就是传说中的死而不僵。到了70年代,人们仍然认为史瓦西黑洞是真正属于那种死透了的天体,史瓦西黑洞是不可能诈尸的。后来也还是这个70年代,就轮到霍金出来叱咤风云了。 

70年代的时候霍金还不到30岁,他的博士论文就是把彭罗斯的奇点理论推广到了整个宇宙,由此他拿到了博士学位。他就证明我们的宇宙必定会存在一个奇点,要么是这个大爆炸的开始,要么是宇宙收缩的结束点,要么这两种都有。这就是一个非常重要的成就了,他读完博士之后就到剑桥大学凯斯学院当助教,那时候凯斯学院的院长是著名的科技史学者李约瑟,他跟我们中国关系也不浅,后来霍金的妹妹也跟随李约瑟搞过一段时间的中国科技史,也算是跟中国的渊源所在了。 

 李约瑟

后来霍金通过广义相对论和数学计算出一个结果,那就是黑洞的视界表面积只能增加不能减小,那推广开来就是说把俩黑洞合到一块那没问题,因为两个黑洞合并之后它的视界表面积是增加的,比单独放这两个黑洞的表面积加起来还要大。但是这个过程反过来就不行了,要想把一个黑洞拆成俩那还是死了这条心吧,这是做不到的,这就是所谓的黑洞面积定理。黑洞面积定理一出来,普林斯顿大学的贝肯斯坦就坐不住了,他就发现这东西很有意思,物理学的过程一般都是可逆的,不可逆的过程就只有一个,那就是熵增的不可逆的。热力学第二定律就发现我们整个绝热系统里的熵值是只增加不减少的,无论里面发生什么事都是如此。一杯水慢慢变冷,其实热量就从水里面流向了空气里,热量扩散以后熵就总是在增加的,比一杯水很烫的情况的那个熵要大。贝肯斯坦就怀疑了,这个黑洞表面积是不是跟熵就有关系呢?他就跟他老师惠勒开始讨论这个问题,惠勒也很支持他这个想法,惠勒还给他举例子,他说一杯水开始很热,我把它扔到黑洞里就没了,那对于整个黑洞里面来说平白无故这一杯水的熵没了,这不就是违反了热力学第二定律了嘛,整个宇宙的熵减少了啊。贝肯斯坦就说对啊,这不可能啊,他说他觉得应该是这样,虽然那杯水的熵没了,但因为黑洞吃了这杯水,它的质量就增加了,因此黑洞表面积增加了。假如黑洞的表面积就是熵,那这样一切就都说得通了,整个宇宙的熵并没有减少嘛。一杯热水的熵来了,黑洞表面积增加,既然表面积增加那熵肯定要比这杯水多嘛,这是不违反热二的,这样就必须把黑洞表面积跟熵统一到一起去。贝肯斯坦大受启发,有熵就有温度,那黑洞有温度吗?有温度就必定有辐射,那黑洞有辐射吗?貌似这史瓦西黑洞是死透了的黑洞,它不可能有其他任何的活动了,这不就矛盾了吗?如果说有辐射,那岂不是史瓦西黑洞是诈尸了啊。所以贝肯斯坦就把他的黑洞公式写成了热力学第一定律的样子,也就是能量守恒定律的样子。其实这个定律有好多种不同的写法,贝肯斯坦直接把什么质量啊角动量啊电荷啊全写进去了,整理完一看,这黑洞公式推导出来就跟热力学公式一一对应,简直就是一个模子刻出来的,两套公式长的非常像。公式里面有一个量叫咔巴,这个量就表示黑洞的表面引力,贝肯斯坦就断定这个表面引力就是黑洞的温度。 

贝肯斯坦 

霍金看到了贝肯斯坦的文章,当时脑袋就大了。他就跟另外两个人,一个叫巴丁,另一个叫卡特,三个人一起写了一篇文章,他们组队来反驳贝肯斯坦。他们推了一遍,发现公式推导没有问题,贝肯斯坦在推导公式的时候是完全对的,但是贝肯斯坦想歪了。这个公式很像热力学公式,但仅仅是长的像,秃子和和尚也不是一回事啊。霍金的面积定理的推导过程完全是运用了相对论和数学,根本就没有碰到过热力学这东西,这会又凭空跳出来那是不可能的嘛,再说了如果黑洞有温度那就必定有热辐射,那不得了啊,黑洞是只进不出的,怎么可能有热辐射出来,所以说这个贝肯斯坦是不靠谱的。正好这时候有人来找霍金,这个人就是现在大名鼎鼎的基普·索恩,电影星际穿越的科学顾问。索恩当时还很年轻,当时也是惠勒的学生,和贝肯斯坦是师兄关系,他跟霍金关系也不错。索恩就问霍金想不想去跟几个俄国人见一见,然后他俩就去了苏联,到了苏联跟几个俄国人交流自然也是聊黑洞方面的事。索恩研究的是虫洞,在当时不算是什么热门研究,但研究黑洞的人就多了,霍金就发现这几个俄国人的想法还是挺有道理的,你不能只考虑相对论效应,量子力学效应也要考虑,熵这东西和量子是紧密联系的。霍金看他们的计算发现算的太粗糙了,如果自己来搞那肯定搞的比俄国人强。他回到剑桥之后就开始折腾了,越折腾越发现自己以前的理论毛病大,到最后他直接把自己的理论推翻了。这贝肯斯坦猜对了,虽然有很大程度是他自己猜的,他自己也说没有特别充分的理由来证明,但这回霍金是实打实推导出来了,黑洞的确是会发射辐射的,黑洞是有温度的。他老师夏马一看就说,仅凭这个霍金就可以成为20世纪最伟大的理论物理学家之一,霍金已经进入了顶尖的行列,而且他还是在病情日益加重的情况下做的这些成就。他当年和霍伊尔上课顶嘴的时候就一定要拄拐才能行动了,到后来他就直接瘫痪了,身体能动的部分也越来越少。 

 这个黑洞辐射是怎么回事呢?那就要从狄拉克的真空不空说起。狄拉克提出了一个真空不空的理论,大概意思就说真空并不是什么都没有,而是会伴随着剧烈运动,一对一对的虚粒子不断产生,然后迅速相互泯灭,从总体上来看一个正粒子一个负粒子相互抵消那就是零,从宏观上来看的确是啥都没有,但在那一瞬间并不是这样,真空是处于一个沸腾的量子海洋中。在普通的时空里正反粒子总是会相互抵消的,但是到了黑洞的视界面附近就不是这样了。瞬间产生一对虚粒子,一正一反,如果它们同时冒出来,那它们最后就相互抵消,我们就啥也看不到了,如果它们同时掉到黑洞里那我们也是啥也看不到,但如果它们之中负粒子掉到黑洞里了正粒子留在外面了,那它们俩就永远碰不到面了,因为一个在黑洞里一个在黑洞外,这样它们就永远无法泯灭,这样这种平衡就被打破了。从外界观察的话就好像正粒子是被黑洞辐射出来一样,掉到黑洞里的负粒子就使得黑洞减少了一份总质量,总质量就下降了。反过来说呢,正粒子掉到黑洞里,负粒子留在外面,负粒子在正常时空里是没办法稳定存在的,所以负粒子也会跟着一起掉到黑洞的视界面里去。在黑洞里面,因为时空的坐标是倒转的,所以是可以允许那种负能的粒子存在,但是在外面就不行了。 

 黑洞还有一个奇怪的特性,那就是比热为负数,它吸收热量之后反而温度会下降,放热之后温度会升高,越上升辐射就越厉害,最后就恶性循环,温度越升越高,直到炸掉为止。所以越小的黑洞寿命越短,越大的寿命越长,基本上可以认为那些超大黑洞的寿命是寿与天齐的,但是稳定的黑洞是不存在的,要么它就在不断长胖,要么就在不断萎缩,它不变化不稳定是不可能的。霍金的贡献不仅仅在于证明了黑洞是有辐射的,而且还开启了一扇大门,那就是相对论和量子力学必须得同时考虑。对于黑洞这种极端的天体,仅仅只考虑一个因素是不行的,因为引力量子化到现在都没完全成功,因此量子力学和广义相对论是不可避免会有冲突的,它们俩之间是有矛盾的,很多东西都不一样。 

 霍金辐射一发表就差不多了,因为黑洞会蒸发,那就麻烦了,量子力学里什么中子数守恒、轻子数守恒、信息守恒就全完了,信息守恒是最重要的。你能想象抛硬币抛了半天,出现正面的概率和出现反面的概率加起来它不等于1,就算把硬币是立着的情况考虑进去,这三种可能的概率加起来也不是1。那我们现实中这三种情况概率加起来再怎么样它也不可能不等于1,它必定是1,这就是量子力学的幺正性,它必定是守恒的。大量的物质掉到黑洞里去啦,我们也就再也看不到它们了,说白了就是感受不到它们的信息了。一个物体拿在手里我们能感受到它的质量轻重,这就是信息嘛,摸一摸我们总能知道它的温度吧,咬一口还能知道它是软的还是硬的,舔一舔还能知道它是什么味道,这些都是信息,可是把这东西扔到黑洞里那这些信息全没办法观察了。 

 黑洞仅有质量、角动量和电荷这三个物理量来描述,这是贝肯斯坦提出来的,他老师就给这个定理起了个名字叫黑洞无毛定理。他老师惠勒就特别会起名字,无毛就是没有信息的意思,后来有人就觉得不妥,这明明还是有三个信息存在的,干脆就叫黑洞三毛定理。过去一个东西掉到黑洞里我们也不知道这些信息怎么样了,但至少还能眼不见心不烦,还能安慰一下自己说,哦,这东西说不定以某种形式在黑洞里藏着。但这下倒好,黑洞要是全蒸发完了,信息也就彻底被搞没了。黑洞辐射是一个标准的黑体谱,只能知道温度是不带任何信息的。过去被黑洞吸进去那些信息全没了,这信息总数不就不守恒了吗?在量子力学来看这是不可能存在的事,因为量子力学就建立在信息守恒的基础之上。这下量子学家就急眼了,当然霍金更急眼了,他们就想尽办法想证明这个信息还是守恒的,但是证来证去发现死活证不出来,这个量子的确是辐射出来是标准的黑体谱,什么信息都不带,这些就麻烦了。那怎么办呢?总得有个办法啊把这里面的信息提取出来。后来有一个小子发明了一个办法,说很有可能信息是守恒的,因为它会被辐射给带出来,那这个小伙子是谁呢?他到底是怎么回事呢?请看下回分解。

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