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宇宙传奇-17

2019.03.29

霍金刚提出霍金辐射的时候很多人都还是一头雾水,同一年有一个物理学家叫安鲁,他计算出了一个安鲁效应。这个效应很奇怪,在一个匀加速的观察者看来,周围的真空会放热。真空居然是有温度的诶,这是一个非常奇怪的事,加速度跟温度还成正比。安鲁自己也不是很明白这到底意味着啥,后来看到了霍金对于霍金辐射的证明过程,他恍然大悟,他就明白自己发现的这个效应和霍金那个有异曲同工之妙。按照爱因斯坦广义相对论,加速运动引起的那种惯性效应跟时空弯曲的引力效应是不能分辨的,这俩分辨不出哪个是惯性哪个是引力,因此霍金辐射那是在黑洞的视界附近,是真空量子效应引起的热辐射,而安鲁效应是在加速的参考系里引起的量子像热辐射,在加速的观察者背后会形成一个弧形的世界,这个跟黑洞实际上是一样的,它们本质相同,只不过霍金辐射太微弱了,很难做实验去验证出来,但是安鲁效应好像还有戏,虽然好像也没人能做实验去验证,但还是有可能可以做实验去验证的。当然了这个也给科幻找了很多麻烦,假如安鲁效应真的存在,那么飞快加速的飞船就有可能被真空的热能给烤熟了,加速加太快加太猛,结果就被热量给烧掉了,因为在加速过程中,真空中的虚粒子涨落就不再是正反对称恰好抵消了,而是不对称的,就会以热辐射的形式释放能量,所以就有可能把飞船给烧掉。 

 这个黑洞蒸发的理论就引起了一大堆量子学家的不满,他们就认为一堆纠缠的粒子,负粒子掉到黑洞里去了,正粒子就被辐射出去了,这时候负粒子的温度会急剧升高,因此黑洞的视界背面会出现有一道温度极高的火墙,能把一切烧得灰飞烟灭。量子学家很喜欢烧得灰飞烟灭这个词,好多地方都可以烧的灰飞烟灭。为了这个事,霍金和索恩一起和普雷斯基打赌,霍金和索恩一伙,普雷斯基自己一个人一伙。霍金很喜欢跟别人打赌,他号称有三大爱好,其一是物理学,这也是他的职业,其二是摇滚乐,那是他业余爱好,毕竟他是英国人嘛,英国是摇滚的国度,还一个爱好就是打赌。1975年他就跟索恩打过赌,那时候刚好发现了天鹅座X1,这是一个非常强烈的X射线源,能喷射出能量非常高的X射线和伽马射线,而且这还是个双星系统,一个天体从自己邻居身上偷吃气体,就是在偷吃的过程中产生了非常大的热量,然后喷射出非常高的温度出来,这种射线就是X射线和伽马射线。天鹅座X1距离我们那大约6000光年,霍金就打了个赌,他说这个X1不是黑洞,索恩就说这一定是个黑洞。如果霍金输了,那他就要给索恩买一年的《阁楼》杂志,霍金其实内心是希望这个天鹅座X1是一个黑洞的,那他为啥打赌说这不是黑洞呢?因为霍金是这么打算的,如果X1的确是个黑洞,那就是他自己的理论赢了,那他自己给索恩买一年的杂志他也开心啊。要如果说自己打赌赢了,X1的确不是个黑洞,那么就说明他自己的理论有问题,但好歹索恩还给要给他订一年的《私家侦探》杂志,那也划得来。可见经济学里对冲这个概念霍金是一清二楚啊,可见霍金不仅物理厉害,经济学也不差,他写时间简史赚了很多钱,估计他去银行当对冲基金经理也不会差。

基普索恩和霍金

我们发现霍金打赌往往都是反的,他希望存在黑洞,那他就会跟别人打赌说黑洞不会存在,反正到最后不管怎么样他都不会输,都是赚的。这个赌约就一直持续到了1990年,才有了比较确切的证据,证据说明X1就是个黑洞。那没办法啊,愿赌服输,1990年霍金到南加州大学演讲,他说索恩不在家,那时候索恩在莫斯科,于是霍金也不管索恩在不在,直接闯到索恩的办公室里把当年写赌约的条子翻出来,然后按了个手印表示认输,然后给索恩订了一年的《阁楼》杂志。这《阁楼》杂志是个色情杂志,索恩的老婆还不乐意,你怎么能给他订这种东西呢!第二次霍金打赌就是赌黑洞会不会有裸奇点,结果后来霍金耍赖不干了,他说我这个奇点是量子力学的裸奇点,和广义相对论的裸奇点不是一码事,他就想赖账,结果赖来赖去赖不掉就只好认输。他们当时打赌是赌了100英镑外加一件衣服,这衣服就叫做包住裸奇点的衣服,你让霍金去哪找这种包住裸奇点的衣服去,最后霍金弄了件T恤给别人,但他还是耍赖,他在衣服上印了几个字--大自然讨厌裸奇点,说白了就是还再犟嘴,然后就把衣服送别人了。第三次打赌就是我们讲有关黑洞里面的信息会不会消失的问题,这一次霍金就跟索恩是一伙的,大概是因为霍金吃亏吃了好多次了,特别是吃索恩的亏吃的特别多,所以这次就学乖了,他不打算去跟索恩作对,俩人一起合伙对付普雷斯基。霍金1974年证明了霍金辐射,就说黑洞发射出的光谱是标准黑体谱,不带任何信息的,你只知道这温度是多少,其他的你啥有不知道了。黑洞的蒸发就是从纯态变成了混合态,整个宇宙的熵值增加了。霍金这一搞不要紧,什么中子数守恒、轻子数守恒、信息守恒全破坏了,所以普雷斯基就说这不可能,这一定是守恒的,黑洞里面的信息一定能以某种形式跑出来。这时候有两个人就跳了出来,证明了信息真的是守恒的,这两个人就是帕瑞克和维尔泽克。帕瑞克是维尔泽克的学生,维尔泽克还因为夸克粒子的强相互作用方面的贡献拿了2004年的诺贝尔物理学奖。他们需要在霍金的理论计算上挑出毛病来,然后推翻霍金的计算。 

 维尔泽克

霍金的黑洞辐射计算过程是非常严谨的,要想挑他的毛病那就跟鸡蛋里挑骨头一样,难度是相当大的,但是挑来挑去这俩人还真挑到毛病了,他们就是伙计啊你有没有考虑到一个黑洞辐射出一个光子,黑洞就减少了那么一丝质量,黑洞的半径就会缩小那么一丁点,这缩的过程就会导致黑洞发出的黑体辐射谱偏移了一丝丝,因此黑体辐射谱就带上了信息了,就不是纯粹的黑体谱了,这信息也就跑出来了。他们的论文一发表人们全傻眼了,谁也没想到是这种结果,因为黑洞质量太大了,起码是太阳的好几倍,假如把太阳压缩成一个黑洞,它半径也就三公里。太阳的质量得有多大,太阳系99.85%的质量都在太阳身上,可见这玩意儿有多重。这么重一个东西辐射出一个光子,你还好意思去算它半径缩小了多少,这不都是可以忽略不计的嘛?但是帕瑞克就说忽略不计怎么行,少了个光子也得把它算进去,正因为少了一个光子,半径一缩,黑体谱一偏,信息就出来了。他们计算的是史瓦西黑洞和R-N黑洞,帕瑞克是年轻人,因此获得了国际引力学会的一等奖。这个奖拿的特别值,因为这个结果的确是太出乎大家意料了,人们谁会想到跑出一个光子还要去算。他们论文一发表,全世界又开启了一波刷论文模式,人们都开始跟帖灌水,你算个R-N黑洞是吧,那我算个克尔黑洞,你算了个光子辐射那我算个电子行不行啊,其他辐射粒子行不行啊?反正粒子种类多了去了那就一个一个算呗。

当然了别以为这是跟风,是给他们灌水捧场刷屏,不是这意思,不过论文一刷多人们就发现不对劲,帕瑞克用的计算过程里是用到了可逆过程,但这黑洞貌似不是一个可逆过程。这就麻烦了,有可能他们之前证明的是不算数的,那一切就会又回到原点,一夜退回解放前了,这个问题还是我们国家一个学者发现的,后来还得了汤森路透奖。

到了2004年,霍金就做了一个演讲,他演讲的时候就认为自己已经输了,他认为黑洞可能过于理想化了,真实情况恐怕不是这个样子,信息是守恒的,会辐射出来。索恩老爷子就不一样了,他就不服气,他说这个赌不能只霍金一个人说了算,你得跟我商量一下是吧,这个普雷斯基就听的一头雾水,他说他知道赢了,但不知道自己究竟是怎么赢的。不过之前霍金也没把话说清楚,不管怎样,霍金是认输了,答应了给普雷斯基一本棒球百科全书。这次打赌的赌注就是信息本身,就是送一本百科全书。结果谁知道这本百科绝版了,外面都买不到,霍金找来找去最后给他找了一本板球百科全书,板球和棒球的区别好像就是一个用板子打一个用棒子打,就这点区别,凑合看吧。霍金认输了但是索恩不认账啊,反正索恩也不亏,本来那本书的钱索恩也要是掏一部分的结果他没掏。索恩也喜欢打赌,而且他打赌跟霍金不一样,霍金是输多赢少,索恩是赢多输少,索恩有次跟苏联人打赌,结果输了一瓶上等的威士忌,苏联人爱喝酒是出了名的。 

 索恩研究范围非常的广,什么方面都有涉足,但是最著名的就莫过于对虫洞的研究了。要说虫洞就要从爱因斯坦开始讲了,他和助手罗森算出来一个概念,叫做爱因斯坦-罗森桥,他们认为黑洞里的奇点会通向另外一个宇宙,对面是一个白洞,白洞就是往外面喷物质的,但是后来研究发现黑洞和白洞之间的那个眼是封死的,根本过不去,要想玩穿越基本是不可能的,或者说是信息传不过去,只有超光速信号才能传过去。我们现在根本找不到超光速信号嘛,光速就是一切物体运动速度的极限,所以这个爱因斯坦-罗森桥就是一个堵死的口,根本过不去。不过这也给虫洞的研究打开了一扇大门,人们也开始管虫洞叫爱因斯坦-罗森桥了。

爱因斯坦罗森桥

到了1957年,米斯纳就和惠勒一起研究,他们就发现了虫洞的存在,之所以说惠勒特别会起名字,黑洞就是惠勒给起的名字,这虫洞也是惠勒起的名字,名字起的很形象啊。他们研究虫洞发现依然是没办法通过的,这两个黑洞的奇点能在一瞬间连起来,但是过了那一瞬间马上就断了,连光都来不及穿过去。那假如说不是奇点呢?是奇环行不行呢?那个克尔黑洞行不行呢?毕竟奇环比奇点可爱多了,那是不是奇环就能像任意门一样可以随意进出呢?前面讲克尔黑洞的时候也说了它好像就是机器猫的任意门一样唰一下就穿过去。但是索恩认为这个也不行,这中间有个柯西视界这个概念,看着门好像是开的,但只要你碰一下它它立马就关了。这时候量子学家又出来搅局了, 他们就说奇点和奇环附近有大量的量子效应,你一去就会被烧的渣都不剩。这最后也没啥结论,到了80年代也没什么进展,索恩毕竟是惠勒的学生,老师的研究方向做学生的肯定很清楚,但那时候确实也没什么太大的进展。那时候黑洞这个概念不像现在人人都知道,虫洞也是几乎没什么人知道,人们顶多听说过这个名词,但具体是啥没什么人清楚。直到80年代出了一个卡尔萨根,这人是科普界的大牛,名气大实力大影响力大,而且还是个科幻作家。1985年卡尔萨根就写了一本小说叫《接触》,在小说里他是这么设想的,人类要跟织女星周围的外星人联系,那就要想办法到织女星周围去,卡尔萨根就想那要怎么穿过去呢,那就用爱因斯坦-罗森桥吧,我唰一下从这边黑洞跳进去,唰一下从对面白洞里出来,这样就穿越了。要回来的时候再找个黑洞,恰好这边又有个白洞出来这样就行了。等他写完小说就找索恩让他帮自己把把关,索恩看了一遍就说你这小说写的不错啊,只是穿越黑洞这事纯粹就是找死,你要想穿就穿虫洞,这东西是我和我老师研究出来的,这玩意儿能穿至少不会死的那么惨。结果卡尔萨根的小说大卖还拍成了电影,算是电影史上最硬核的科幻电影之一了,好莱坞也不会放过这么宏大的题材,到了这时候虫洞也就从一个科学计算的模型变成了人们所熟知的那种名词了。 

 到了这个情况,索恩就决定好好研究一下虫洞,要想穿越虫洞究竟需要什么样的条件才能成立,他就把这东西当真了。到了1988年,他就和学生莫里斯发表了一篇论文,这篇文章发表在了美国物理学杂志上,这杂志听上去是一本国字号的杂志但实际上不是一本特别正经的杂志,它只是一本给中学老师办的科普杂志,想来美国老师也不好当,肚子里没点货是镇不住那帮学生的。就这么一本杂志发表了他们的论文那相当于一个小破庙迎来了大神啊,那是蓬荜生辉。他们在这篇论文里就严谨地证明了一个虫洞是需要足够多负能量的物质才可以稳定地撑开一段时间,这个负能物质就显得有些奇怪了,它的特性是反的。我们在现实中用力推个车,车会往前跑,越用力推它它跑得越快,那是因为你的力量让车做加速运动,可是要是碰到负能物质那就要小心了,你往前推这车就往后跑,它的加速方向跟你用力的方向是相反的,用中学物理公式计算一下就知道如果质量为负的时候那算出来加速度也是反的。就这么个东西可以把虫洞稳定地撑开了,这事还没完,因为需要负能量的物质数量太大了,根本满足不了,比如说要想撑开一个半径一厘米的虫洞那就需要地球质量这么多的负能物质,整个地球给搭进去了,光地球不行,还得是负能的地球。要想撑一个半径一千米的虫洞就需要太阳质量那么多的负能物质,假如要想撑开一光年半径的虫洞那就要把银河系里所有物质打个包再乘以100这么多质量的负能物质才够用,这么多物质才能撑开一个一光年半径的虫洞,一光年半径也差不多就是太阳系的大小,显然是找不到这么多负能物质的。假如撑个两厘米的虫洞,你顶多拿它来偷窥,看一看对面,别的啥也干不了,那是不是一千米半径的虫洞就够用了?其实也不行,因为飞船在穿越的时候是会被撕碎的,虫洞里面有一股很强的张力,会把所有物质都扯掉,本质上它是一种排斥效应,虫洞越小张力越强,虫洞越大张力反而越小,但只有半径大于一光年的虫洞,里面的张力才会小于原子核的核力。要想穿越起码得保证原子不会被扯碎吧,这是最基本的条件了,要把原子扯碎了那剩下的都免谈了。即便做出了半径一光年的虫洞那也没办法保证人过去是完整的,原子不扯碎人难免不被扯碎啊,所以这也是一个底线了。为啥穿越虫洞这么难,那是因为实在找不到那么多的负能物质,否则有个半斤八两就能让你穿越虫洞的话那宇宙里应该到处都有穿越的情况存在,它就应该不是一个罕见的现象。我们找来找去也没发现在我们地球上有这种负能物质,那我们能不能找到呢?请看下回分解。

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