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霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?
霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?
2016/3/31 1:53:35 | 浏览:1358 | 评论:0


霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?

我要讲的主题是黑洞。有句话说:真相比小说更不可思议。就黑洞而言,没有什么能比它更加真实了。黑洞比科幻作家编制出来的任何故事都要奇妙,但它同时又有着坚实的科学基础。大质量恒星在自身重力作用下会发生塌陷,剩下的物质会怎么样呢?科学界对这些事的认识较晚。爱因斯坦在1939年的一篇论文中提出,恒星无法在重力下坍塌,因为物质在超过某个临界点后无法被压缩。很多科学家都认同了爱因斯坦的直觉。主要的异议来自美国科学家 约翰·惠勒(John Wheeler),他可谓黑洞领域的英雄。在上世纪50年代和60年代,他强调很多星星最终都会坍缩,并指出了理论物理的很多问题。同时,他还预言了恒星坍缩后形成物质的诸多属性,也就是现在说的黑洞。

一颗恒星生命历程的大部分时间里,长达几十亿年,它都靠自身核反应所产生的热压来抵抗其自身重力,氢在反应中转变成了氦。不过最终,恒星还是会耗尽它的核燃料,然后收缩。有些情况下,它可能会演变为一颗白矮星。苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)在1930年提出,白矮星的最大质量约为太阳的1.4倍。苏联物理学家列夫·朗道曾计算出全部由中子构成的星体的最大质量就与此相近。

霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?

那数不胜数的星星,那些比白矮星或中子星更重的星星,当耗尽它们的核能量时,最终的命运是什么呢?原子弹之父罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)研究了这一问题。在1939年的几篇论文中,他与乔治·沃尔科夫(George Volkoff)、哈特兰·斯奈德(Hartland Snyder)一起指出这样的星体无法靠压力来支持。在没有压力的情况下,通常球形均匀体系的恒星将收缩成具有无限密度的一个点,即所谓的奇点。我们关于宇宙的所有理论都建立在时空是光滑而扁平的假设上,它们会在奇点瓦解,在那里时空的曲率是无限的。这标志着其自身时间的终结——这也正是令爱因斯坦非常不爽的事情。

在那之后,世界大战爆发了。很多科学家,包括罗伯特·奥本海默,都把方向转移到了原子核物理学。引力坍缩的问题也被抛到了九霄云外。后来,随着遥远星体的发现,大家对这个问题的兴趣又提了起来。首个类星体于1963年被发现,即3C273。许多其他类星体也很快被我们看到。尽管距离遥远,它们却非常明亮。核反应过程无法解释它们的能量输出,因为它们只把剩余质量的极小部分作为纯能量释放出来。唯一的解释就是通过引力坍缩释放出的引力势能。

星体的引力坍缩重新进入人们的视野。很明确,均匀的球状恒星会收缩成具有无限密度的奇点。

爱因斯坦的方程在奇点上无法被界定。这意味着在这个拥有无限密度的点上,我们无法预测未来。换句话说,当恒星收缩坍塌的时候,可能会发生一些奇异的事情。如果奇点并不是裸露的,即它们是与外界隔离的,那么预测的瓦解并不会影响到我们。 当约翰·惠勒在1967年提出了“黑洞”这个词的时候,它取代了之前的名字——冻星(frozen star)。惠勒用的这个词强调了坍塌恒星遗迹的自身特性,蕴含了其形成方式。黑洞的名称自此迅速流行起来,它象征了黑暗(dark)而神秘(mysterious)的东西。不过法国人,身为法国人的他们,看到了更为低俗的寓意。很多年来,他们都拒绝使用这个名称“trou noir”,说这太淫秽了。不过这就像“Le Week-end”和其他外来语一样,最后他们还是要接受。谁能挡住这样一个流行语呢?

霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?

作为外部观察者,你无法知道黑洞里面到底是什么样的。你可以把电视机、钻戒什么的扔进去,甚至把你最讨厌的敌人扔进黑洞。而黑洞所能记下的唯有其质量和旋转状态。约翰·惠勒把这一原则称为“黑洞无毛”。对于法国人来说,这应该正好打消了他们的疑虑。(全场大笑)

黑洞是有边界的,这叫做事件视界(亦称“视界”)。在视界上,引力的强度刚好可以把光拽回来,使其无法逃逸。由于没有什么比光速还快,所以任何其他东西也都会被拉回来。坠入视界有点像乘着独木舟划过尼亚加拉大瀑布。如果你在瀑布上面,划得足够快,那么你可以逃掉,可一旦你过了那个边界,你就掉进去了,没有回头路。你离瀑布越近,水流速度越快。也就是说船头受到的拉力要大于船尾受到的拉力,所以独木舟是有一定风险被撕开的。黑洞也是如此,如果你的双脚先坠向了黑洞,那么 引力对你脚的拉拽会大于对头部的拉拽,因为脚离黑洞更近。结果就是你的身体被拉长压扁,坠向一侧。如果这个黑洞的质量有我们太阳的几倍,那么你将被撕开,在你到达视界的时候就已经成了意大利面。不过,假如你坠入一个更大的黑洞,比如质量为太阳的100万倍,你将轻松地抵达视界。所以,谁要是想探索一下黑洞内部,记着要选一个大点的。目前在银河系的中央,有一个质量约为太阳400万倍的黑洞。

虽然你在掉入黑洞的时候不会感到异样,但是别人从远方观察的话,永远不会看到你穿过视界。相反,你会显得慢下来,在事件视界外面徘徊。你的形象将越来越模糊,越来越红,直到你完全在视线中淡去。就外部世界而言,你永远地消失了。

1970年,数学上的发现极大地推进了我们对这些神秘现象的理解。随着额外物质或辐射进入黑洞,视界的表面区域和黑洞的边界会不断扩大。这些性质表明, 黑洞视界的面积与传统经典力学有一定相似之处,尤其是热力学熵的概念。熵可以视为对一个系统混乱程度的衡量手段,这也可以认为是对系统的精确状态缺乏认知。著名的第二热力学定律认为熵会随着时间而增加。这一发现是这种重要关联的首个线索。

霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?

尽管熵和视界面积具有如此清晰的相似性,对我们而言如何以黑洞自身的熵来确定视界面积也不是那么容易的。黑洞的熵是什么意思呢?1972年雅各布·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)提出了重要观点。他先后在普林斯顿大学和耶路撒冷希伯来大学从事研究。他认为,当引力坍缩产生黑洞后,它很快稳定下来进入定态,其特征只由三个参数决定: 质量、角动量和电荷。除了这个三个属性,黑洞不会保留坍缩前星体的任何信息

他的理论涉及到了信息,即宇宙学家视角的信息:宇宙中的任何粒子和任何力就“是与否”问题都有一个含蓄的答案。这个理论意味着在引力坍缩中,大量的信息都消失了。比如,最后的黑洞不会反映出在坍塌前的星体是物质还是反物质,或者原来是球形的还是高度不规则的。换言之,具有给定质量、角动量和电荷的黑洞,可能形成于任何一种结构的物质的坍缩。所以看起来一样的黑洞,可能来自于很多不同类型的星体。当然,量子效应被忽略了,星体结构的数量可能是无限多的,因为黑洞也可能形成于拥有巨大不确定数量且不确定低质量的粒子云团。不过,这些不同结构的数量真的是无限多么?

量子力学的不确定性原理告诉我们,只有波长小于黑洞本身波长的粒子才能够形成黑洞。也就是说,波长是有限制的:这不会是无限多的。因此,对于给定质量、角动量和电荷的黑洞来说,能够形成它的物质结构数量尽管很大,但可能还是有限的。雅各布·贝肯斯坦认为通过这一有限的数量,我们可以解释黑洞的熵。对于在黑洞形成时丢失且无法取回的信息来说,这种方法将能够测量那些信息的数量。

当然,贝肯斯坦的理论也有明显的瑕疵:如果黑洞拥有与其视界面积相称的有限的熵,它也应该具有切实的温度,与其表明引力相称的温度。这说明黑洞可能处于热辐射平衡状态,具有一个非零的实际温度。然而根据经典概念,这样的平衡态是不可能的,因为黑洞能够吸收所有进入其中的热辐射,但是按定义来说,它不会释放任何东西,也不会释放热量。

这是一个悖论,以后我将继续这个话题,还会介绍黑洞如何挑战宇宙中最基本的可预测性原理,以及历史的确定性,并谈谈如果你被吸进黑洞了将会发生什么。

提问:如果两个黑洞发生碰撞,会发生什么事情?

霍金:如果两个黑洞碰撞并融合为一个新的黑洞,那么新黑洞事件视界的面积要大于前两个黑洞的视界面积之和。

提问:我们知道,您在生活中面对着种种艰难。能讲讲是什么东西激励着你前行的吗?

霍金:我想是我的工作以及那么点幽默感让我得以继续自己的生活。在我21岁的时候,我简直绝望了。这些你可能都知道,有部电影讲的就是我的故事。尽管我很不幸地患上了肌萎缩性脊髓侧索硬化症,但可以说我在其他所有事情上都非常幸运。我有幸在这个迷人的时代从事理论物理学,而这正好不会受到我身体的太大影响。同样重要的是,无论在生活中面对怎样的艰难都不要愤怒,一旦你无法笑看自己,笑看人生的时候,也就失去了所有希望。

霍金BBC演讲:黑洞有没有毛?

霍金的女儿露西·霍金可以说在过去四十年中一直照顾着霍金。作为最了解霍金的人之一,她是怎样看待霍金对生活的态度呢?

露西·霍金:他是个极其固执的人,同时又有着令人羡慕的进取心,他能够调动所有的能量和精力全心投入进去。这不仅是为了生存下去,他从事着非凡的工作,写书,讲课,激励其他患病的残疾人……对于很多人来说,他是个居家男人,是好朋友,是同事,他与全世界的朋友都步伐一致。所以,他拥有着很多特质。不过我觉得他的固执,他活下去的毅力,以及他自己谈到的笑看人生的幽默感,这些会是他身上耀眼的符号。

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