书城科普读物黑洞(科学探究丛书)
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第8章 黑洞学说的确立(2)

第一,就是真空涨落。根据波粒二象性我们知道,任何形式的能量波动都对应一种独特形式的粒子存在。真空涨落现象中,虽然总能量为0,不变,但是能量在各个足够小的区域中是在不断随机变化的。因而就会出现许多叠加在一起随机的波。这些波对应于粒子,因而就会有许多粒子——虚粒子对存在。这些粒子——虚粒子对就是狄拉克海洋(区别于量子泡沫)。它们在任何时空中不断地成对出现,然后在普朗克时间范围内消失。如果外界可以给予它们一些能量,让它们在普朗克范围内可以相对运动到二分之一个波长或者更长的地方,那么它们就可以分开,成为实实在在的粒子和反粒子。现实生活中出现地最多的这种应用,电灯。旧量子理论(在1926年以前的量子理论,区别于现在的量子理论)中可以用原子模型以及轨道能量来解释,但是其实质仍然是真空涨落。电流或者是其他形式的能量激发灯丝或者其他物质的原子周围的空间中的真空涨落产生的粒子——虚粒子对分开,从而产生了光。因为光子的反粒子伙伴仍然是光子,因而这种辐射需要的能量不是十分高。比如高温可以使得金属发出光来,但是要金属发出电子——正电子偶素,就十分困难了,需要的温度可以融化一切金属。在黑洞周围,黑洞的引力能给予周围的空间巨大的能量,于是在潮汐力的作用下,粒子——虚粒子对快速地分开了。如果可以在普朗克时间内,使得一个粒子进入视界而另一个没有,那么这个没有进入黑洞的粒子(或者反粒子)就会脱离海森堡能量借贷的契约,辐射出去。也就是说,粒子——虚粒子对欠了周围空间的能量,而黑洞帮忙偿还了这笔能量,同时吸收了一个反粒子(或者粒子),同时将粒子(或者反粒子)释放。

第二,是量子隧穿效应。被黑洞吞噬的物质的粒子,在黑洞中告诉震荡。如果他们在海森堡能量借贷的帮助下,得到了足够的能量,从而可以在普朗克时间内突破视界这个能量位垒(或者叫势垒),那么它就可以穿过视界,达到黑洞外部。

然而,无论是什么情况,海森堡能量借贷都充当了一个能量的银行,而粒子是贷款的人。如果在普朗克时间范围内,粒子可以逃脱“法律(引力)”的制裁,达到“国外(视界外)”,那么它就自由了,而它欠下的“债”,有“国家(黑洞)”来偿还。

提出绝对视界概念的英国著名物理学大师史蒂芬·霍金在提出这个视界概念的时候曾经说过,视界的两个概念是相互等同的,就和“膜规范”概念和视界概念的等同一样。但是两者真的完全没有差别吗?

绝对视界就是“时空中讯号能否逃逸到外部空间的分界面”。而绝对视界的一些特点之一就是,它是目的论的,也就是说如果粒子会进入黑洞的话,那么黑洞的绝对视界就会在粒子的下落过程中不断变大,直到粒子进入了黑洞以后,和显视界重合。

现来看这样一个实验:

如果一个飞行器向黑洞飞去,在一个位置开始返回,航线曲线的顶点为A;黑洞现在的视界的位置为B,如果飞行器被黑洞吞噬,那么这个时候的视界的位置在C。现在令A越来越靠近B,那么由于绝对视界的定义和演化可以知道,如果飞行器进入黑洞,那么视界会光滑地从B移动到C,那么必定有飞行器的航线和视界的变化中的位置重合的时候,那么物体会进入黑洞;然而,如果飞行器不会进入黑洞,那么绝对视界的位置就不应该变,那么飞行器就可以出来。

但是由于绝对视界是目的论的,因此导致这样一个问题:

物体到底有没有进入黑洞?如果绝对视界膨胀,那么就是进入,因此绝对视界就应该膨胀,而如果绝对视界没有膨胀,那么物体就不会进入黑洞,那么绝对视界就不应该膨胀,但是绝对视界的运动是目的论的,应该用物体的命运来决定它的变化方法,而现在物体的命运是由它的变化掌握的,那么物体到底进入黑洞了吗?

在面对这个问题的时候,我们得到的答案只有两种:

1.黑洞的视界概念在黑洞吞噬物体的时候不是等同的;

2.在黑洞吞噬物体的时候,物体和视界之间存在引力作用。

那么到底是怎么回事呢?要看待这个问题,需要从引力和时空的关系来谈起。

从量子理论(QT)可以看到:时空是在震动的,从而产生了定位于其上的物质在全局同一与局域差异之间的度量协调——量子效应。

从这个线索出发,不难得到推论:物质的运动依赖与时空定位,由于时空局域运动不同步,从而存在运动概率在方向上的分布差异。我称这个推论为运动概率随机性(PMR)。

通过PMR,进一步结合时空和物质的结构,可以知道,场,尤其是引力场,对时空起到了拉伸作用,而这个作用影响到了PMR。这个就是运动概率的场激化(IPF)。

物质,由物质膜构成。每一个物质膜都带有基元能量,同时,一个膜的面积非常大(相对普郎克尺度而言)。每个膜都和几根时空弦相交,所以存在这膜和弦的相互作用,也就是物质和时空的相互作用。由于时空弦本身的不断随机运动,物质也会跟着一起做无规则运动。这个就是不确定性的起因。同时,时空弦自身的拉伸变化也对物质膜的运动产生影响。

当IPF达到一个临界条件:必须以反向光速运动,才可以避免IPF出现一个方向上出现概率发散(PR)时,这个IPF被称为视界IPF,简称为HIPF。

由于动态黑洞的HIPF是动态的,因而我们需要研究的就是这个HIPF是目的的,还是条件的,也就是说,它依赖于不可分割的未来集IF,还是不可分割的过去集IP。

由于IPF不但受到场势能F的控制,还受到动能K的控制,所以对于构成IPF的运动物体的动能K,也是决定IPF属于IF还是IP的关键。由于在物体进入视界以前,K直接决定于物体距离视界H的距离,因而是与IPF联系的,F和IPF的联系不单单依赖与距离视界H的距离,还取决于物体自身的加速场的Fa,因而是属于IP的,所以IPF是由IP决定的,因而HIPF的位置是IP决定的。所以霍金的绝对视界AH和显视界SH是不等价的,存在一种矛盾使得两者分歧。而由PMR决定的HIPF的边界——视界H,是条件性的,我称它为时空视界STH。

至于STH、AH和SH的区别就在于对物体运动和时空性质的差异。在一般情况下,STH和AH是可以等同的,和SH的稳定态也是兼容的,但是面对动态黑洞,物体具有自带力场F的事件中,STH和AH的差异就出现了:STH更加“尊重”物体自带立场的“意愿”。

显视界,可以认为就是黑洞的真正边界。它分割了黑洞的内外边界,对研究黑洞的熵有重要意义。

而绝对视界,相对来说,体现了黑洞的边界条件和物体运动对进入黑洞这个事情发生的影响。这个定义是介于显视界和时空视界之间的一个概念,不是十分完备。

考察如下的思想实验,就可以发现绝对视界的局限性:

从距离一个黑洞无限远的地方,静止释放一个物体A。物体在黑洞极度微弱引力的作用下,向黑洞运动。过了一定的时间以后,从同样的地方,朝黑洞以一定的速度释放一个物体B,使得A和B正好可以同时到达当时的黑洞视界。到了一定时候,绝对视界的问题便出现了:总存在一个时候,从B的参照系,可以发现黑洞的视界开始膨胀——因为绝对视界是目的论的,而物体B在这个时候必然进入黑洞——并且已经越过了物体A,距离B十分近了。而同时,从物体A的参照系,我们应该看到:黑洞视界的确膨胀了,但是膨胀的绝对视界距离A还有一定距离,离B就更加远了——因为按照目的论,这个时候A的速度不一定必然进入黑洞:从A的侧面发射的火箭可以阻止A进入黑洞,但是对于速度快了许多的B,火箭没有这个能力。按照黑洞的目的论性的绝对视界的性质,它应该没有越过A,但是对于B的观测和速度,视界应该已经越过A了。这个矛盾在黑洞的绝对视界体系中是无法解释的(至少理论解释上如此,在具体计算中,可以调节B的速度和发射的时间,使得上述情况发生。

对于这个思想实验,显视界没有什么疑问:因为视界是静止不动的。

时空视界也可以解释这个实验:视界的位置由观测物体参照系中的HIPF的位置决定,所以对于不同的运动物体,其HIPF的位置是不一样的,因而时空视界的位置是不固定的。

从而,可以看出绝对视界的局限性和不完备性。

而至于时空视界,对于物体的运动和时空之间的相互作用有着重要的作用。

顺便说一下,PMR与时空弦的长度L有关,和能量的流通量E也有关。

黑洞的超弦

超弦的前生是弦理论,原本是用来描述强相互作用力的理论。在强力的领域,没有量子色动力学突出。但是在进行了超对称操作以后,发现它比量子色动力学更加优秀,而且可以描写其他力的作用了。

超弦最主要的问题,是它现在不能告诉我们它是什么样的。

可以从超弦的模子中得到异常多的超弦理论。人们现在在利用自洽性、可重整化和是否有发散问题来验证,什么样的理论是合理的。

超弦的这个缺点并不妨碍它的发展,更不会妨碍超弦的一些重要概念的深入人心。

在超弦中,相对论和量子理论通过弦结合在了一起。弦可以十分好的解释波粒二象性测不准原理以及真空量子涨落,同时弦又可以描述为类似橡皮筋一般的拉伸,来符合弯曲时空的相对论理论。总之,超弦是量子理论和相对论最可能的结合场所。

在超弦中,我们需要知道的是:一切物质,包括场、时空和能量,都是由弦构成的。宇宙的维度是十,除了四维时空,其他六个维度蜷缩在普朗克长度范围内,而物体的许多内秉属性就是表现在这六个维度上的。

在超弦中,弦分为两种:开弦和闭弦。

开弦以弦为主体,两端不相连,各有一个荷——大统一力的源;

闭弦以环为主体,弦的两端相连,在弦上有一个荷。

美国科学家研究表明,宇宙中最巨大天体之一的黑洞像人一样独一无二,从理论上说,能识别它们的“面孔”,甚至能向它们“询问”遥远的过去。

以俄亥俄州立大学萨米尔·马图尔教授为首的科学家小组深入研究了黑洞结构的新理论,该理论能解决一直困扰物理学家的“信息佯谬”。按照黑洞的经典模型,黑洞由什么(任何比例的质子和电子、气体、行星或恒星)组成并不重要,黑洞的神奇引力会使一切物质变成某种完全相同的结构。因此,现在公认的一种观点是,所有黑洞的内部都是完全相同的,只是质量与所谓事件范围直径有区别,在事件范围直径内的任何东西都不可能逃离黑洞。

根据著名物理学家史蒂芬·霍金的计算,落入黑洞的粒子不会对黑洞产生任何作用。由此看来,黑洞质量相应增加的可能性被排除了。但是这一理论又会引起与另一个量子力学定律——可逆定律的矛盾。霍金指出,理论计算应该能检验任何过程,包括黑洞的诞生过程。如果一切黑洞都是相同的,则关于任何形成黑洞粒子的信息会永久消失。

马图尔教授对这样的假设表示怀疑,提出应求助于著名的弦理论,根据弦理论——一切基本粒子都是由取名为弦的物体组成。弦可以互相交织、拧成环状、形成螺线等,总之会形成一切神奇的形状。以马图尔教授为首的物理学家计算出,将非常巨大和延伸的物体统一的弦即特殊的巨大“基本粒子”会如何表现。与马图尔教授一起共同研究的有一个国际科学家团队,其中有奥列格·卢宁、阿希什·萨克谢纳、约格什·斯里瓦斯塔瓦等著名科学家。

以往认为,弦会形成非常复杂具有伸缩性的大延伸结构。但是这样的物理图像与现实有多少相似呢?马图尔教授在自己的模型中逐渐增加物质的质量,最终“获得”了黑洞。有趣的是,黑洞的直径与根据经典模型计算相同质量黑洞事件范围的直径完全相符。黑洞新结构被命名为“蓬松线团”。

在不同的黑洞中这种“线团”可以具有不同的形状,如同几百万张面孔或油画,在马图尔教授看来,黑洞具有独一无二性和不可重复性。这意味着,在黑洞里任何东西都会消失得无影无踪,但是在弦的错综复杂的交织中仍然保留有关诞生黑洞的粒子信息。

黑洞与拓扑学

霍金在第二个黄金时代中对视界定义,是我们需要知道的对黑洞的描述十分重要的一个重要思想,因为它还引出了另一个更加重要的结论:黑洞(热力学)三定律,而这个定律最终带领我们找到了黑洞蒸发,即霍金辐射。

黑洞的视界,可以分为两个,一个是惠勒最早提出的视界——显视界,而另一个是霍金的矫健思想的结晶——绝对视界。

显视界的定义,是光子被拉回到原来位置的地方(这个牵扯到了相对论引力理论对时空在黑洞作用下的描述,在介绍相对论的时候会介绍到)。

绝对视界的定义,是物体是否可以和外界时空联系的分界面。

从定义上看,一些哲学思想比较好的人也许就可以看出不同了:显视界是顺序的,而绝对视界是“目的论”的。

进一步分析可以知道:绝对视界的“果”——视界的位置,比视界的“因”——物体是否落入黑洞,先表现了出来。

这个就是绝对视界和显视界的根本区别,也是它优越的地方。

显视界,在物体落入黑洞,即穿过了它以后,会突然地、毫无征兆地从原来的位置跃迁到一个新的位置,然后安定下来。在这个时候,它的变化是不容易理解的,而且在处理“动态”的黑洞(即在脉动、刚形成时候的黑洞)碰撞的时候,会对引力波的辐射、黑洞的位置等问题带来许多麻烦和不方便。而且物理定律似乎也不允许这种突变的发生。

但是对于绝对视界,就没有这个问题了。它的位置取决于物体的运动是否会导致物体落入黑洞,而不是物体是否已经落入了黑洞。如果一个运动的物体会落入黑洞,那么在它落入以前,绝对视界就会膨胀,来“迎接”这个物体。而这种变化是连续的,而且对于那些关于黑洞视界的问题中,它的力量是巨大的,虽然结果在原因以前出现在了这个宇宙中。

在这个战场上,黑洞击败了彭罗斯、泽尔多维奇、伊斯雷尔等杰出人物。其中彭罗斯带来的数学工具曾经使得物理学产生了一片光辉,最终成功证明了黑洞无毛定理,发现了宇宙监督定理等重要定理(可惜他没有最终证明这个他所提出的猜想是否真的可能成为定理,但是霍金从许多角度对它进行估算,证明这个猜想十分可能是一个定理),是一个顶尖的数学家、物理学家,伊斯雷尔也是一个数学家兼物理学家。泽尔多维奇也是一个理论物理大家,一个思想十分活跃的人,前苏联物理学的代表。