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《柔软的宇宙:第15章 黑洞不黑》


本资料所属分类: 科技 科普 更新时间:2017年8月13日 如不能下载,请查看怎样下载


         在二十世纪的六十年代,科学家们又解算出了好多个黑洞的模型,黑洞家族不只是一个史瓦西黑洞了。就在史瓦西解算出第一个黑洞模型后不久,第二个黑洞模型RN黑洞也被解算出来,这是一个带电的史瓦西黑洞模型,这个黑洞当时并没有引起人们的重视。在二十世纪六十年代之前,黑洞普遍都没有引起重视,但是现在这个RN黑洞就给大家出了个难题,那就是裸奇点问题。

        火箭靠近黑洞被潮汐力拉长,同时产生引力红移让我们先来回顾一下最简单不过的史瓦西黑洞,这也是现在科普书籍上讲述最多的一个黑洞了。通常的描述是这样的:你是观察者A,开着飞船飞过黑洞,另外一个观察者B,在远方看着你;你勇敢地驾驶飞船向着黑洞开过去,随着你慢慢接近黑洞那黑乎乎的视界,因为超大的质量使得时空弯曲了,你的动作在远方的观察者B看起来显得越来越慢;你自己当然没感觉到异样,慢慢地,远方的观察者B发现,你的颜色越来越红了;这是因为大质量天体附近,时间会变慢,光的频率降低,颜色就会变红,你的动作也变成了慢镜头一般,一切都很缓慢;渐渐地你的身影看不见了,然而拿红外光摄像机来一看,还能看到你的图像,因为光的频率已经降到了红外波段。再过一会,红外光也看不到了,拿个天线对着你的方向,好像能收到微波;你身上发出的光线,已经降低到了无线电频段,最后就啥也收不到了,光子的能量取决于频率,频率降低到0,我们就接受不到任何能量了。外部观察者B看到的你与你自己的感受并不是一回事。

       你靠近黑洞的视界表面的时候,周围看到的一切都会扭曲假如你站在视界表面之上,贴着视界表面发射一束光,这一束光会弯曲,沿着表面转一圈转回原点。所以说,黑洞表面是一个分界线,在这里光都逃不出去你眼力好的话,可以直接看到自己的后脑勺,后脑勺出发的光,绕着黑洞转了一圈来到你的眼前被你看到。你也可想而知,周围的景物又会扭曲成什么样子。

        你穿越了黑洞的视界面,并没有啥特别的感觉。你会感觉眼前的景象更加扭曲,一个超大黑洞,并不会有那么大的潮汐力,你不会立刻被拉成面条。要是一个恒星级别的黑洞,你不到视界边缘就已经被扯碎了。超大黑洞反而比小黑洞温柔得多。但是,研究量子的物理学家们就比较黑心了,他们说视界面后面有一道火墙,你会烧得渣都不剩。相对论物理学家就善良多了,但也不过就是让你多活一会儿而已。

                                        图15-3 史瓦西黑洞

       在史瓦西黑洞(图15-3)里,时空已然倒置了。我们在正常的时空里面,你压根看不见时间轴,但是在黑洞里面,观察者A到奇点的连线,就是时间轴。时间不停流逝永不回头,空间变成了一层层的膜,组成洋葱一样的结构,我们称之为“单向膜区”。既然如此,你就无可避免地向奇点飞过去,逐渐被拉成面条。因为奇点附近时空起伏,可能在拉成面条的过程中还扭了几扭,最后,你已经变成了扭曲时空的一部分,为黑洞贡献了一份质量。或许,你应该盼望着物理法则失效,可能还有生路?也许吧!反正外部观察者B是再也不会见到你了,开个追悼会还是有必要的,你将永远活在我们心中。这就是你掉进史瓦西黑洞以后的情景,对于外部观察者来讲,你很悲催地消失了。史瓦西黑洞仅有一个参数,那就是质量,它既不旋转也不带电。可是RN黑洞那就不一样了,这家伙居然有两层视界面:一个叫外视界面,一个叫内视界面。你要是掉进了RN黑洞,那么外界的观察者B看不到啥差别,反正给你默哀就是了。你进去了,你也很绝望,但是向里飞了一段时间,你又觉得不对劲了。此时你已经穿过内视界面来到黑洞的最里面,这个RN黑洞(和史瓦西黑洞不同,RN黑洞的内部有一个正常的时空,外边是单向膜区,里面核心部分是正常的时空。你要是带的燃料足够,多带干粮多带水的话,或许一时半会儿还死不了,但是你也就别想着能出去了。你不想活了,一头撞向奇点,但是你会发现,一股斥力推着你,死活不让你靠近,想撞也撞不上去过一会你发现事情不对劲了,时间似乎循环了。简而言之,你走了一个“闭合类时线”。

        假如我们在宇宙中飘荡,只是受到引力的作用,那么我们在四维时空里画出来的就是一根漂亮的测地线。这个测地线的概念,我们在以前讲述过:我们这种静态质量大于0的物体,速度超不过光速,我们画出来的测地线,简称叫“类时线”。“闭合类时线”的含义就很值得玩味。打个比方吧,你早上八点钟从家里出发,上午十点钟先到了张庄,然后往下一站李庄进发。下午十四点来到了李庄,然后再往下一站马家河子进发。下午十六点,来到了马家河子。你并没有走回头路,继续向前进发,你会发现你居然走回了原来的出发点——自己家里。不但空间上回到了原来的出发点,时间上也回到了出点——今天早上八点钟。你在四维时空里面走了一条闭合曲线。

        四维时空出现闭合曲线,一切因果律都完蛋了,因为分不出时间的先后,谁是因谁是果也就分不清了。你从家里出门的时候带着个鸡蛋,走到马家河子的时候不小心打碎了,可是你继续向前走却莫名其妙的走回了早上八点钟的出发点——你家,矛盾就出现了:早上八点钟的时候,这个鸡蛋还没有打破,后来在路上你不小心打破了鸡蛋,现在又回到了早上八点钟的家里,鸡蛋是破的还是完好的呢?逻辑已经出问题了。裸奇点附近就存在这样的“闭合类时线”,也就是那个哥德尔相应爱因斯坦号召投身相对论计算以后整出来的奇葩玩意。因果律要是完蛋,那么物理学法则也就不存在了。彭罗斯在解释这一现象的时候,把心一狠,下了一个断言,他说:RN黑洞内部似乎会有那么一个正常时空的空腔,但是不稳定,很可能就塌了。说到底,就是为消灭这个闭合类时线,坚决不能让它出现。

      RN黑洞为什么内部会有个空腔呢?因为RN黑洞是带电的黑洞,电荷与质量的比值越大,那么空腔就越大,到达一定程度,内外两层视界面就贴在一起了。单向膜区厚度为0,这种黑洞被称为极端黑洞,要是荷质比再大。单向膜区就不存在了,内外两层视界面就消失了,奇点就彻底裸露出来了。天哪!包在黑洞里面,我们还可以眼不见心不烦。现在明目张胆跑出来还了得!于是彭罗斯又下了个断言:必定有条物理学定律是会防止裸奇点跑出来的,这就是“宇宙监督者假设”,可能就是热力学第三定律。

        到了六十年代,又有一种黑洞类型被计算出来,这就是克尔黑洞。克尔黑洞是个旋转的黑洞,当然是以计算者的名字来命名的。静态的史瓦西黑洞和带电的RN黑洞都很早就被算出来了,然而旋转黑洞却难了物理学家们几十年,克尔能搞定这个计算是非常不容易的。有一次在天文学家、天体物理学家和理论物理学家们的交流活动上,克尔讲解了他的计算,底下睡倒一大片,还有不少人离席走掉了。剩下一堆人在交头接耳小声聊着其他事情,说白了,他们也听不懂。一个礼拜下来,每天早上开会,后半夜才结束,铁人也受不了啊。相对论的权威一致盛赞克尔的工作很杰出,他们搞了三十年也没搞定,现在终于被克尔搞定了。到后来,那些走掉的天文学家不得不恶补克尔的计算过程,因为他们发现了星系中心的巨大喷流。

        在克尔的基础上可以计算旋转带电黑洞了,科学家们三下五除二就计算出来一个旋转带电的黑洞,叫做克尔-纽曼黑洞。这两个黑洞大同小异,我们就来讲讲这种旋转的黑洞有啥神奇。首先,旋转的黑洞是个扁球,不是圆的,因为一旋转,赤道就鼓起来了。第二是无限红移面跟外视界分离了,无限红移面在赤道鼓出去一块。第三是内部有个沙漏状的内无限红移面,里面是正常时空,内外两个视界面之间是单向膜区,这个沙漏的喉部有个奇环,而不是奇点。在无限红移面和外视界面之间,有个非常神奇的能层,为什么叫能层呢?这还是彭罗斯的发现。我们先来看看你进了能层以后,会发生什么现象。假如你开着飞船飞进去,我们大家在外边拿望远镜看着你,你对准无限红移面飞过去,我们只感到你的颜色越来越红,最后越来越暗,最后看不到你了。无限红移面嘛,光波的波长会趋向无限大,频率为0,光子已经没了能量,我们也看不到了。

        你进去了以后也没打算能够活着回来,事情不凑巧,你的飞船出问题了,有一大块零件掉了下来,掉进了黑洞,这时候你感到一股强大的动力把你从能层里面给踢出来了。我们大家还在外面为你祈祷呢,就见你的飞船一溜烟地弹出了能层,飞离了黑洞范围,居然比飞进去的时候速度还快。外边的吃瓜群众齐声惊呼:“哇!又升仙啦!”你怎么会被扔出来呢?这个问题还要彭罗斯来搞定。彭罗斯首先提出了一个“彭罗斯过程”,需要理解一个概念叫“负能通道”,我们此处描述的“负能量”,并非是指人的消极情绪,而是物理学上真实的“负能量”。平常扔出一个球,这个球是具有动能的,不管你怎么扔这个球,这个球拥有的能量总是正的,中学物理课就学过了,动能是1/2mv 2 ,就因为这个平方,能量总是正的。

        但是在克尔黑洞的能层里就不是这么回事了,因为空间本身被黑洞拖拽着高速旋转,在这种扭曲的时空里面,存在着特殊轨迹,只要你按照这个迹扔砖头,这个砖头的动能居然是负的!按照本宇宙的基本规则——“出来混总是要还的”,能量守恒定律总是一定要遵守。一个物体分裂成两半,一半带有负能量,另一半必定能量增加,加起来总能量才会守恒,飞船掉进克尔黑洞的能层会被弹出来,道理就是如此。一个带着负能量的碎块,掉进了黑洞里面,整个黑洞的转动动能就减小了,但是黑洞也不算亏本啊,一大块物质掉进了它的肚子里,质量增加了。这就有点类似于互联网经济链:羊毛出在猪身上,最后由狗来埋单。所以无限红移面和视界面的夹层叫做能层,这里面有能量可以提取出来,如果能量全都提取光了,克尔黑洞将退化成一个标准的史瓦西黑洞。但是这个能层也不是可以无限提取的,大概提取个三成就不错了。

        如果你没有及时扔出个碎块,那么你肯定会掉进克尔黑洞的视界里,然后一如既往进入单向膜区。反正钻黑洞,你也不是一回两回了,单向膜区也已经是轻车熟路,不被拉成面条就是万幸,至于拉成兰州风格的还是意大利风格的,要看黑洞内部的稳定性。穿过单向膜区,通过内视界面、内无限红移面,一直到了奇环跟前。这里面是正常的闵可夫斯基时空,人可以存活,你发现这个奇环很有趣,迫不及待想钻过去试试。结果发现,就像机器猫的任意门一样,正面进去,并没有从背面出来,而是被传送到了另一个宇宙,这个宇宙是以斥力为特征的非常奇怪的宇宙。当然了,黑洞内部的空间拓扑结构是非常混乱的,你千万别指望着能在里面看到这一切稳定地存在下去,见到奇环还是千万别乱钻,万一不稳定,通道被掐死,你就危险了。物理学家们的词儿听起来学术味十足,称作“法矢量倒在表面上”,说白了就是你回不来了。

       鉴于黑洞内部太过凶险,所以还是不要进去的好。能层并不属于黑洞内部,偶尔去玩耍一趟也还凑合。彭罗斯过程一被提出,立刻有人跟进,他们发现,飞船会被弹出来,那么粒子束行不行呢?要是一束光行不行呢?后来发现也可以,朝着能层射进去的一束波,结果射出来的比射进去的还强,好像有个放大器一样,这个现象叫做“米斯纳超辐射”。顾名思义,这是一个叫做米斯纳的美国科学家提出的,他跟惠勒还一起合作过论文。这个研究方向又提供了一个刷论文的好题材,你针对光子做个论文,那好,我挑选一个别的什么粒子再写一篇,一群人扑进去,什么粒子都被拿出来研究一下超辐射的问题。通过超辐射,的确是可以把克尔黑洞的能量不断地提取出来。后来,斯塔鲁宾斯基和安鲁又有了新发现:即便你不去惹它,这个克尔黑洞自己也不老实,也会自发地辐射出粒子,过去认为黑洞是一颗死亡的星,现在看,起码克尔黑洞还会活动,还会变化,就好比是个僵尸,说是死了,其实还在蹦跶克尔黑洞算是“僵尸”,那史瓦西黑洞呢?到二十世纪七十年代之前,大家仍然认为史瓦西黑洞属于真的死透了的天体。但是,理论物理是个常常刷新人类三观的领域,突然一个爆炸性消息传来,史瓦西黑洞“诈尸”了!

        这事是谁干的呢?他就是科学史上的大明星之一——霍金。霍金那时候身体已经全部瘫痪,身体能动的部分只剩下手指,但是他的天才依然在闪烁着光芒。凭此成果,霍金一举奠定了自己的江湖地位。通过黑洞的“三毛定理”,人们似乎搞清楚了黑洞到底是个什么玩意,这前后花了十几年的时间。黑洞不就是那么一个光都跑不出来的东西嘛!科学家们也都约定俗成,从来没人想过给黑洞下个定义,黑洞到底是什么呢?大部分人都没觉得这是个问题,然而霍金对此可没有放过。原来对黑洞的描述太依赖于观察者,这样的定义,并不有利于计算。于是霍金提了个新的定义:他认为一块区域,如果其中发生的事件永远与无穷远处无法发生因果联系,那么这块区域就是黑洞。黑洞的表面,就是事件的边界,里面发生什么,外界都别想知道,因此史瓦西半径球面,也就称为“事件视界”。

        霍金据此推算出了一个“面积定理”。黑洞“视界事件”的表面积只增加不减少,比如两个黑洞要是合并的话,那是没有问题的,因为总表面积会增大,但是一个黑洞一定没有办法拆成两个独立的黑洞,因为总表面积会比原来小。总之,黑洞表面积是只增不减的。

        1972年,在阿尔卑斯山的一个研讨班里,一帮物理学家在一起研究问题,惠勒的学生,霍金的好朋友基普索恩也参加了。他后来回忆,他在和别讨论的问题是假如黑洞吸收了大量气体,这些气体是否会激发很强的x射线。还有人在讨论旋转的黑洞遇到微扰是不是稳定的问题。巴丁、卡特和霍金在一起讨论黑洞定律。

       他们三个很快就有了成果,提出了四个定律:
1.第零定理:黑洞的表面引力是常数(黑洞表面引力,处处相
等);
2.第一定律:稳态轴对称黑洞满足dM=k/8π dA+ΩdJ+VdQ(自
然单位制)其中,M,k,A,Ω,J,V,Q分别为质量(能量),表面
引力,表面积,转动角速度,角动量,表面静电势,电荷;
3.第二定律:黑洞的表面积只增加不减少;
4.第三定律:不可能通过有限次操作,把黑洞的表面引力降成0;
当时已经有不少人开始疑惑,这四个定理看着特别眼熟啊,跟热力
学定律简直是一个模子刻出来的。热力学定律是这么描述的:
1.第零定律:若两系统分别与一系统处于热平衡态,则这两个系
统之间处于热平衡态(热平衡以后,温度处处相等);
2.第一定律:能量守恒定律;
3.第二定律:熵增定律,绝热系的熵只增不减;
4.第三定律:不可能通过有限次操作把一个物体的温度降到绝对0
度。

        这简直太像了!黑洞这个表面引力,假如跟热力学公式对比的话,很像是温度啊。普林斯顿的贝肯斯坦就坐不住了,那时候他只有二十来岁,锐气正盛。他发觉,物理学的过程一般都是可逆的,不可逆的过程只有一个熵。根据热力学第二定律,绝热系里面的总熵只增加不减少,不论过程究竟发生什么,一杯热水,慢慢地变冷,其实是热量从水里流向了周围的空气,热量扩散了,扩散以后,总的熵是增加的。贝肯斯坦怀疑,这个黑洞的表面积跟熵是有关系的,他就跟他的导师惠勒讨论这个问题,惠勒也很支持他的想法。惠勒启发自己的学生,一杯很热的开水,扔进黑洞里面,啥都没了,整个宇宙里,平白无故的,这一杯水所含的熵没了,总熵不就减少了吗?这不是违反热力学第二定律的吗?贝肯斯坦说对啊!这不可能的。虽然那杯开水的熵没了,但是黑洞因为吃了这杯热水,表面积增加了。假如黑洞的表面积就是熵,那么这一切就都说得通了。整个宇宙的熵,并没有减少,一杯热水的熵,换来了黑洞的表面积增加。

        当然,贝肯斯坦也不会直截了当地用类比的办法推导,还是选择了通过量子效应来计算。他的论文一发表,大多数科学家是不支持的,只有老师惠勒支持。不得不说,这师徒俩的胆子的确很大,你想啊!敢往别人椅子腿上绑鞭炮的老顽童,怎么可能是安分守己的省油灯呢?霍金认为贝肯斯坦的想法是有问题的,把黑洞定理和热力学定律类比的话会出现麻烦。黑洞什么东西都吸,那么应该是个绝对零度的玩意,熵会无限大。假如拿个小盒子装一个光子慢慢放到黑洞表面上,然后打开盒子光子飞进黑洞,光子发生无限红移,频率降低为0,能量也为0。按理说黑洞什么都没吃到,表面积不增加。另外一方面,光子包含的信息可是跑进去了,这怎么算啊?信息与熵可是相关的,这样会出现矛盾。霍金他们几个人组队写论文反驳了贝肯斯坦的想法,霍金认为,黑洞定理和热力学定律只是长得相似,实质上不是一回事。

        研究相对论的时候考虑量子效应的,贝肯斯坦并不是第一个,很多人都在想法子统一量子力学和广义相对论。爱因斯坦后半辈子都在寻找统一场理论,但是没有什么结果,毕竟微观世界的游戏规则与宏观宇宙相差太远。但是在具体计算的时候,考虑一下某些量子效应还是可以做到,至于如何结合,家家都有自己的办法。霍金跟苏联人交流了一下,斯塔鲁宾斯基和泽尔多维奇正在研究旋转黑洞的自发辐射,霍金觉得苏联人还是做得粗糙了一点,他可以做得比苏联人更好。当时的剑桥已经成了一个黑洞研究的中心,霍金他们使用的工具叫做“弯曲时空量子场论”。既然引力场没有办法量子化,与量子力学彻底融合,那么退而求其次,把弯曲时空和量子结合起来进行计算。万有引力无法量子化,那么继续按照弯曲时空去进行处理,不考虑量子引力效应,也不考虑量子场对弯曲时空的影响。所以这个学科现在不太热门,现在大家偏爱那种能够大一统的理论,比如“弦理论”。但是在二十世纪七十年代,弯曲时空量子场论在霍金他们一干人等的手里放出了异样的光彩。

         霍金发现贝肯斯坦是对的,他以前的认识有错误。黑洞的确与热力学有关系,黑洞有温度,会发出辐射,即便是过去认为死透了的史瓦西黑洞也照样会发出辐射,我们可以说:史瓦西黑洞一直在“诈尸”。论文一发表,物理学界立刻震动,霍金的江湖地位由此奠定。夏玛老师看过以后,他评价:霍金凭此成就,足可以成为二十世纪最伟大的理论物理学家之一。霍金已经进入了顶尖人物的行列,况且他还是在病情日益加重的情况下达到这些成的。

        霍金认为,旋转黑洞会不断地辐射出各种粒子,能层会不断地瘪下去,最后完全退化成一个史瓦西黑洞。史瓦西黑洞仍然会持续辐射出粒子,逐渐减少质量,最后越来越小。黑洞是个标准的黑体,它发出的辐
射是标准的黑体辐射,它的表面积就是熵。那么只吃不吐的黑洞是怎么
会发射出辐射的呢?照理说,黑洞内部的任何东西都是出不来的呀!那
就要从霍金的师爷狄拉克说起了。

        狄拉克提出了一个真空不空的理论。我们以为真空里面空无一物,什么都没有,其实不然,真空是有着剧烈活动的。一对对的虚粒子对不断地产生,然后又迅速相互泯灭。总体看来,一个正粒子,一个反粒子相互抵消等于0。宏观上的确是啥都没有,但是瞬时并非如此,真空是处于沸腾的量子泡沫之中的,在普通的时空里面,正反粒子总是相互抵消。但是到了黑洞的视界附近可就不是这样了,瞬间产生一对虚粒子,一正一反都没掉进黑洞里,那么就相互抵消了,与普通的情况没什么差别,假如一对虚粒子同时掉进去,那我们什么也看不到,就当没这回事。假如负粒子掉进去,正粒子没掉进去,那么负粒子永远也碰不到正粒子了,两者无法互相抵消,成对的平衡状况就打破了。正粒子看上去就像被黑洞辐射出来一样,掉进去那个负粒子,使得黑洞减少了一份能量,总质量下降了。这个过程不断地出现,黑洞也就不断的减肥,最后蒸发干净。

        黑洞还有个奇怪的特性,那就是比热为负数。在日常极速分分彩中,物体的比热总是正的,吸热以后,温度变高,然后逐渐与环境温度一致,大家进入热平衡状态。黑洞可不是这样,吸热以后,温度反而下降;放热以后,温度上升,越上升辐射越厉害,辐射越厉害,温度就越高,最后恶性循环,一直到炸掉为止。越小的黑洞寿命越短,越大的寿命就越长,要么不断长胖,要么不断地萎缩,稳定不变是不可能的。霍金辐射带给物理学界很大的启示,质量居然与温度有相关,引力居然与热力学有联系,大大出乎物理学家们的预料,而且还透着一丝丝的诡异。黑洞熵居然是与面积成正比,而不是与体积成正比。一些科学家陷入了深深的思考之中,难道时空是二维的?其他维度只是幻象?细细想来,极其恐怖……

        先不说“细思极恐”的话,霍金的理论一发表,研究相对论的学者都喜大普奔,研究量子力学的差点哭晕在厕所,因为霍金辐射打破了好多守恒,比如重子数守恒、信息守恒等等,尤其是信息守恒完蛋了!你能想象吗?扔了半天硬币,出现正面的概率和出现反面的概率加起来不等于1。这么一搞,幺正性不就完蛋了。过去虽然也不知道掉进黑洞的那些信息怎么样了,大伙还是可以安慰自己一下,说不定信息以某种形式在黑洞里面藏着呢,这倒好,蒸发没了!信息彻底被抹光了!黑洞辐射是个标准的黑体辐射,你只能知道温度,不带其他任何信息。扔进黑洞的那些信息,完全都消失了,从量子力学角度看来是不可能的!量子理论告诉我们,信息只会被扰乱,不会被消灭,信息总数总是守恒的,哪怕像过去地下党传递情报,一张字条看完以后立刻烧了,那也只是扰乱了信息,信息总数还是守恒的。量子力学整个是建立在信息守恒基础上的,现在信息守恒被黑洞给蒸发给破坏了,搞量子的科学家们能不急眼吗?

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