首页 我的图书馆 个图VIP

看到好文章,想保存怎么办!

下载APP
量子力学和广义相对论为什么不是''''好朋友''''

2017-12-21

爱因斯坦

在1905年提出狭义相对论时,驳斥了一项19世纪的观点:光波是由一种假想介质以太的振动而产生的。

他认为,光波可以在真空中行进,并不需要任何物质来支撑,不像在介质中传播的声波只是介质的振动而已。在近代物理的另外两大支柱(广义相对论和量子力学)中,这个狭义相对论的特性并没有再被修改。到目前为止,小至次原子核,大至星系,所有的实验数据都能用这三大理论圆满地解释。

尽管如此,物理学家还得面对一个深刻的观念问题。就现在的理解,广义相对论和量子力学是不相容的。广义相对论将引力归因于时空连续体的曲率,而这与量子理论的框架格格不入。一般认为,在极短的距离内,量子效应会导致时空结构的高度弯曲,

但理论物理学家对此的理论阐释,进展极其微小。在挫折之余,有些人便转向一条出人意表之路:凝聚态物理(研究晶体和流体等物质的学问),以寻求指引。

凝聚态物质在大尺度下就和时空一样,看起来也是连续体,不同之处仅在于它们的微观结构是由我们透彻了解的量子力学所支配的。此外,由于声波在不均匀流体中的传播行为和光波在弯曲时空中的传播十分类似,因此我们和其他同行正在研究一种声波的黑洞模型,试图通过这项模拟获得对时空微观行为的了解。这类研究的成果显示,时空也许正如流体物质一样,具有颗粒性,而且在微观的尺度下,会有某个特别优越的参考坐标──这和爱因斯坦的假设刚好相反。

黑洞其实并不黑

黑洞是验证量子引力论的最佳场所之一,因为不管是量子力学还是广义相对论,在黑洞附近都极为重要。1974年,霍金将量子力学套用在黑洞的“事件视界”上,自此,这两大理论的融合向前迈进了一大步。

根据广义相对论,“事件视界”就是将黑洞内部(这里的引力强到没有任何东西可以逃离)与外部分隔开来的曲面,它不是一种物质的界限。不幸掉进黑洞中的旅人,在通过“事件视界”时,并不会有特别的感觉;可是一旦通过了视界,他们就再也无法将光波信号传送给黑洞外的人了,更别说回到黑洞外头去了。至于洞外的观察者,只会收到旅人在通过视界前发送的信号。当光波爬出黑洞的引力位井时,它们会被拉长,使得频率向下偏移,信号的持续时间也变长。在观察者看来,旅人像是用慢动作移动,而且会比平常的颜色要红。

这种被称为引力红移的效应并不是黑洞所特有。举例来说,当信号在轨道卫星和地面基地之间传递时,其频率和时间也会因引力红移而改变。GPS导航系统必须把这个变量考虑进来,才能准确运作。不过黑洞特殊的地方在于,随着旅人向“事件视界”趋近,红移会变成无限大。从外部观察者的角度来看,旅人坠入黑洞得花上无限久,尽管旅人自己觉得只过了一段有限的时间。

以上对黑洞的描述,只是基于将光当作古典的电磁波来讨论。霍金所做的,是把光的量子性考虑进来,重新思考无限红移所衍生的结果。根据量子理论中的“海森堡不确定性”原理,就算完美的真空也不是空无一物,而是充满了量子涨落。量子涨落以虚光子对的形式出现。它们被称为虚光子,是因为在远离一切引力影响的非弯曲时空中,它们会不停地出现又消失,若是没有外力扰动,就无法观测得到。

可是在黑洞附近的弯曲时空中,虚光子对的其中一颗可能会陷进“事件视界”之内,而另一颗却留在“事件视界”之外。这对光子就会由虚转实,形成一股可观察到的向外光通量,而此时黑洞的质量也会相应下降。黑洞辐射整体的形态是热辐射,就和灼热木炭发出来的类似,其温度和黑洞的质量成反比。这种现象就是所谓的霍金效应。除非黑洞吞噬新物质或新能量来弥补损失,否则霍金辐射会把它所有的质量泄漏个精光。

有个重点在用流体模拟黑洞时非常重要,那就是非常靠近黑洞“事件视界”的空间会保持近乎完美的量子真空。事实上,这在霍金的论证中是最根本的条件。虚光子是最低能量子态(亦即基态)的一项特征,只有在和同伴分离并爬出“事件视界”的过程中,虚光子才会变成实光子。

研究黑洞信息悖论的物理学家分为两个阵营。一些支持霍金,认为“空”的空间并不空,它是在风暴中随着粒子与其反粒子的不断出现与消失,迅速重组对,信息真正消失时黑洞消失,如果违背了量子定律,则需要发现新的定律。而加州理工大学帕萨迪纳分校的量子物理学家则不认同。

终极显微镜

在建构完整量子引力理论的各种尝试中,霍金的分析扮演了重要的角色。想成为量子引力的候选理论(例如弦论),就必须先证明它能否重现与阐明这项效应。不过,虽然大多数物理学家都接受霍金的论证,但它的实验或观测确认却迟迟无法达成。科学家原以为可以观测到星体或是星系黑洞所发出的辐射,后来发现其可能太过微弱,至今未能观测到。观测霍金辐射的希望,只剩下找到早期宇宙残存或是在加速器里制造出小型黑洞,但这些也许都不可能了。

缺乏验证的霍金效应有一个恼人的阴影,特别让人心烦。这个理论中有个潜在的瑕疵,就是光子有无限大的红移。想一想,要是把时间倒转来看,发射光子的过程会变成什么样子呢?随着霍金光子越来越靠近黑洞,它会蓝移到一个较高的频率与相对较短的波长。它的时间回溯得越早,就越靠近“事件视界”,而波长也就变得越短。一旦波长变得比黑洞辐射还短得多的时候,这个粒子就和它的伙伴结合起来,变成了之前讨论过的虚光子对。蓝移会持续到任意短的距离。可是到了比10-35厘米还小时,不管是相对论还是标准的量子理论,都没办法预测粒子会有什么行为了。这时候你需要量子引力理论才行。因此,黑洞的“事件视界”就像是一个神奇的显微镜,可带领观察者去接触未知的物理。可是,对理论物理学家而言,这种放大功能却让人忧虑。假如霍金的预测建立在未知的物理学上,我们难道不该怀疑它的效力吗?就像物质的热容量和声速会和它的微观结构与动力学有关一样,霍金辐射的性质以及存在与否,会不会和时空的微观性质有关?还是说,情况就和霍金原始的论证一样,这个效应完全是由黑洞的宏观性质(它的质量和自转角动量)决定的呢?

响声与亮光

为了回答这些令人坐立难安的问题,英属哥伦比亚大学的威廉·昂鲁开启了一项新的研究。1981年,他证明了声波在流体中的传播和光在弯曲空间中的传播有极为接近的模式。他提出,在评估微观物理对霍金辐射起源的影响时,这种模式也许很有用。而且,它说不定可让模拟霍金现象的实验观测成真。

声波就和光波一样,以频率、波长和传播速度为特征。

我们对声波的观念,只适用于波长比流体分子间距大得多的时候;在更小的尺度下,声波就不存在了。而正是这个限制,让这项模拟这么有趣,因为它可以让物理学家研究微观结构对宏观现象的影响。然而,真要让这项模拟派上用场,它必须要能延伸到量子的层次。通常,分子的随机热运动会让声波的行为和光量子有区别。不过当温度接近绝对零度的时候,声波就表现得和量子一样了。物理学家称之为“声子”,以强调它对“光子”(光的粒子)的模拟。实验物理学家早就对声子在晶体以及低温下仍保持流体状态的物质(如液态氦)中的行为进行例行观测了。

声子在静止与均匀流动的流体中的行为,就和光子在没有引力的平坦空间中一样。这类声子以固定波长、频率与速度沿直线传播。在游泳池或是平顺流动的河流中,声音就是从音源以直线形式传递到我们耳朵的。

然而,在流动不均匀的流体中,声子的速度会改变,而且它们的波长也会被拉长,正如弯曲空间中的光子一般。在流入峡谷的河流中,或是在旋进排水孔的涡流中,声波会变形扭曲,并且沿弯曲的路径行进,就像是星体附近的光一样。事实上,这类情况可以用广义相对论的数学几何工具来描述。

流体对声音的作用方式,甚至可以像黑洞对光的作用方式一样。创造这种声学黑洞的方法之一,是利用一种被流体力学家称为“拉瓦尔喷管”的装置,让流体在最狭窄处达到并且超过声速,而不会产生冲击波(一种流体性质上的突然变化)。其等效的声学几何与黑洞的时空几何非常类似。超音速的区域与黑洞的内部相对应:传播方向与流动方向相反的声波,只能被冲往下游,就像被黑洞中心拉住的光一样。次音速的区域则对应于黑洞之外的时空:声波能够往上游传播,代价是波长被拉长,就像光会被红移一样。在这两个区域的交界处,行为和黑洞的“事件视界”是一模一样的。

本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,可拔打24小时举报电话4000070609 或 在线举报
来自:程浩瀚  > 待分类
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
黑洞可能并非“只进不出”
实验室中的“黑洞”,证实了霍金的预测?
制造黑洞
量子力学和相对论并非水火不容丨纪念霍金
科学网—黑洞信息悖论
如果有一个很小的黑洞,如果将手指伸向它会发生什么?
更多类似文章 >>
生活服务