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霍金辐射 | 混乱博物馆

2018-03-20

霍金去世的消息真是突然,我们因此制作了这期节目——然而我们并不打算缅怀他的任何生平事迹。

因为这位在求知道路上顽强探索的战士是继爱因斯坦之后的相对论集大成者,霍金在黑洞研究中做出的巨大贡献,所以在一切悲悼的泛泛之谈以外,本期节目将就“霍金辐射”,霍金最著名的理论研究成果,用“知识”这种永恒的东西,让霍金留给我们的信息持存下去。


-文字稿-

霍金去世了,我们又损失了一个伟大的智者。但他的遗产将久远地流传下去,如果要给这些信息加上一个期限,从物理学上讲,那将是永远——黑洞也无法吞噬的永远。

如果让人类根据一切已知编写《宇宙宪法》,热力学第二定律一定会出现在第一页:

任何封闭的系统,都会越来越混乱无序——如果用“熵”这个概念描述系统的混乱程度,那么任何封闭系统的熵都会永恒增加,这种宏观上的不可逆性标定了宇宙的时间之矢。

然而广义相对论问世以后,一个尴尬的佯谬就渐渐浮出了水面:1939年,奥本海默根据爱因斯坦的方程,提出足够巨大的恒星将在死亡时。坍缩成引力巨大,连光都无法逃逸的残骸,使得物质无穷堆积,时空无限弯曲,超出所有人的理解。

1969年,约翰·惠勒将这种未知的存在称为“黑洞”,并提出了黑洞只有质量、电荷量和角动量三个守恒量,其余一切物理量都被巨大的引力“撕碎”在视界之内了——这个假说在1973年被霍金等人证明,就是著名的“黑洞无毛定理”。

那么不妨设想:如果将熵很大的物质,比如一整颗炽热的恒星,囫囵扔进黑洞中去,也将被洗刷得这样干净——那么其中的熵哪里去了?

如果要坚守热力学第二定律,就必须承认黑洞也有熵,有熵就有温度。

有温度就有辐射——然而黑洞连光都不会放过,又怎么辐射能量呢?这真是一个尴尬的难题

然而才到第二年,已经失去语言能力的霍金又给出了黑洞向外辐射能量的方式,就是更著名的“霍金辐射”了——我们要想理解这种辐射,还需要一些量子论的铺垫。

在经典物理中,宇宙中的物质和能量不会凭空出现,也不凭空消失。

比如电子与正电子相遇会成对湮灭,转化成光子,光子携带的能量将等于两个电子的质量,而足够高能的光子也可以突然分裂成一对电子和正电子——但在微观的量子世界,这事儿可就说不准了,在测不准原理的袒护下:真空中可以凭空出现一对正反粒子,随后又在极短的时间内相遇湮灭——整个过程只需满足这对粒子的质能与持续时间的乘积小于普朗克常数,这对粒子就会因为“测不准”而无法观测,也就不会违背质能守恒定律——所以我们叫它们虚粒子。

虚粒子意味着真空并不空,而如同沸腾的水面被不断涌现的虚粒子充满着——虽然听上去非常怪诞,然而当代物理就是用虚粒子模型完美解释了各种相互作用。

然而霍金辐射指出,在黑洞的视界附近,这些真空中涌现出来的虚粒子突然有了实化的机会:这一正一反两个粒子存续地时间虽然很短,但也有可能因为靠近黑洞视界而坠落进去——特别的,这种坠落不必同时发生,甚至另一个粒子也可能落入视界,因为它已经没有湮灭的伙伴,可以久远地留存在宇宙中了,那么当它离开黑洞的时候,就表现为黑洞发出了辐射,也就是霍金辐射。

进一步的,一对虚粒子中的某一个变成了实粒子,它们获得的质量就来自黑洞——所以在长远看来,所有饥饿的黑洞都会因为霍金辐射蒸发消失——正如霍金在2016年阐述的,“只有灰洞,没有黑洞”。

霍金辐射不但解决了“黑洞熵”的难题,还带来了另一种奇妙的宇宙观:熵在描述物体状态的时候蕴含了物体的信息,那么当物体坠入黑洞的时候,这些信息就留在了黑洞的视界上——这意味着视界内部这个三维空间的全部信息都编码在了视界表面这个二维平面上,坠入黑洞并不意味毁灭。

于是一种基于弦论的全系宇宙论就提出:我们这个世界是另一个“高维”世界的全息投影,我们日常体验的三维空间是一种宏观低能的描述,甚至可以想象成我们就生活在一个黑洞内部——这真是一件触发幻想的事情。

再见了,斯蒂芬·霍金,信息不灭!

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