书城科普读物黑洞(科学探究丛书)
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第9章 黑洞学说的确立(3)

但是霍金不是所有战场的胜利者。他在黑洞热力学这个方面,被惠勒的研究生贝肯斯坦击败了。不过霍金毕竟不是一个平凡的人,他后来在这个战场上建立了黑洞三定律,将黑洞和热力学完全结合了起来。

在黑洞建立绝对视界的同时,他也解决了黑洞引力辐射的能量多少问题,同时,他发现了黑洞视界面积定理。他发现这个定理和热力学第二定律十分类似,同时,其他黑洞研究者也发现在描述黑洞性质变化的时候(比如描述吸积盘形成的过程中),黑洞的变化方程和热力学的方程十分相似。但是这些仅仅被霍金以及他的同事们认为是巧合而已。但是贝肯斯坦不这么认为,他在导师惠勒的鼓励下,计算了如果黑洞符合热力学定律,视界和熵之间的一个对应关系(惠勒没有帮助他计算,这个是惠勒在教育方面的一个特点,就是鼓励自己的学生来发挥他们自己的才能,而他自己在关键的时候给予学生一些思想上的帮助),得到了熵和黑洞视界面积的近似关系:熵近似等于视界面积与普朗克面积的比值。

但是如果同意了黑洞符合热力学公式,那么就相当于同意了黑洞具有一个温度。但是根据热力学公式,我们可以知道:任何比周围温度高的物体,必定向周围发出辐射。而宇宙的背景温度约为3K,而如果贝肯斯坦的计算是正确的,那么黑洞的温度一定远高于这个值,那么似乎黑洞必定会辐射物质,而不是吸收。

贝肯斯坦和霍金在这个问题上都陷入了僵局。

广义相对论在引力领域建立起绝对威望的同时,量子理论也已经发展成熟了,成熟到了足以来到引力的领域,参加黑洞研究的地步了。

第一个使用量子理论来研究黑洞问题的,是前苏联的泽尔多维奇,一个有着强烈物理直觉的领导者,前苏联理论物理学的权威,前苏联黑洞研究小组的教练。而他使用这个理论来解决的第一个引力问题,是克尔黑洞的引力辐射。就是这个问题,为贝肯斯坦和霍金的战争划上了圆满的句号,同时启发霍金发现并掌握了量子辐射。

泽尔多维奇在应用量子理论解释引力问题的时候,惠勒在量子理论上的工作是不可磨灭的。

惠勒第一个提出了量子真空涨落这个概念。

真空涨落说的是,在任意一个绝对真空中,即使你用无限大的能量来驱赶这个区域中的物质,量子理论总会使得这个区域的时空本身发生一个能量的起伏——海森堡能量借贷——使得这个区域的各个部分的能量不同,但是总和保持为0。

在白矮星中,电子被压迫在一个十分小的区域中,但是电磁波的量子真空涨落迫使电子继续随机地运动,而且速度十分大,进入了相对论范围中。这个就是“电子简并运动”,产生的一个向外的压力就是“电子简并压”。这个也是当年爱因斯坦和爱丁顿反对黑洞的证据。在中子星中,也是这个简并运动迫使中子星停止继续塌缩。

真空涨落无所不在,在生活中的最基本应用就是荧光灯。这种效应在量子理论发展完全,惠勒提出真空涨落概念、海森堡提出能量借贷概念以前,一直困扰着物理学家,被称为自发发射。

泽尔多维奇在接受了惠勒的思想后,先对旋转的金属球进行计算,发现了金属球的旋转将周围空间发生的量子真空涨落加速、放大、催化和真实化,成为了反向旋转能和向外发射的电磁波,同时自己的旋转速度变慢,直到停止为止。

随后,泽尔多维奇用类比,推出了克尔黑洞会辐射各类辐射(主要是电磁波和引力波,其次是中微子等辐射)的结论。这个结论的试探性太强,没有人注意到。同时,美国的米斯纳也提出了同样的想法,并且有了一定的反应。

霍金在去莫斯科参加一个会议的时候,和泽尔多维奇以及他的学生斯塔罗宾斯基有了联系,得知泽尔多维奇和他的学生们已经开始结合量子理论和相对论,并且已经得到了黑洞会辐射的猜想,十分感兴趣,于是回到剑桥就开始着手研究。

在大家都同意泽尔多维奇的同时,霍金的计算带来了另一个更加使人震惊的结论:即使黑洞没有旋转,它也在辐射,而且有一个确定的熵和温度:熵和视界面积的比正比于黑洞质量的平方,而温度和视界表面引力的比反比于黑洞质量。

到这里,霍金和贝肯斯坦的争论结束了,贝肯斯坦胜利了,他建立了黑洞三定律,但是霍金却得到了霍金辐射,一个十分重要的定理,同时部分成功、正确地结合了量子理论和相对论,得到了一个更加重要的理论——弯曲时空的量子场定律。

量子理论还带来了许多东西,比如和实际情况最吻合的BKL黑洞,一个比纽曼黑洞更加具体、现实的黑洞。

卡拉特尼科夫和栗弗席兹在研究恒星的随机扰动(在史瓦西、克尔和RN黑洞中,都没有涉及到恒星塌缩时的物质运动,即扰动)是发现,这些扰动会干扰黑洞奇点的产生,从而根据相对论,恒星所在的时空会成为一个封闭的小空间在时空组中运动到其他时空中再爆发出来。但是前苏联和欧洲的隔绝使得他们没有得到彭罗斯的一个重要的证明和他的一个重要的数学工具——整体方法,因而他们的计算错了。并且,在和索恩的争论中知道了一些整体方法的内容,而研究生别林斯基一同找到了一个在我们这个宇宙中最基本的黑洞典型:BKL黑洞。

BKL黑洞是拓扑学的胜利,是数学和物理的融合,也是相对论和量子理论的第一次亲密接触。

白洞与虫洞

白洞是理论上通过对黑洞的类比而得到的一个十分“学者化”的理论产物。

和黑洞完全不一样,白洞不会吸收任何物体,相反的,白洞会不断释放出物质,包括基本粒子和场。

白洞和黑洞一样,有一个“视界”。不过和黑洞不一样,时空曲率在这里是负无限大,也就是说,在这里,白洞对外界的斥力达到无限大,即使是光笔直向白洞的奇点冲去,它也会在白洞的视界上完全停止住,不可能进入白洞一步。理论上,白洞也可以根据是否旋转,是否带有电荷分类,但是理论物理学家们认为,白洞的无限大的斥力会迫使白洞不带有任何电荷,因为电荷很容易就被赶到了视界外。而旋转,也被认为是不可能的。

不过白洞看来只可能是一种想象中的产物。因为如果白洞不吸收任何物体而仅仅是喷射物质,那么无论这个白洞的质量有多大,它的物质也会很快地被喷射光。

虫洞的出现,几乎可以说是和黑洞同时的。

在史瓦西发现了史瓦西黑洞以后,理论物理学家们对爱因斯坦常方程的史瓦西解进行了几乎半个世纪的探索。包括上面说过的克尔解、雷斯勒-诺斯特朗姆解以及后来的纽曼解,都是围绕史瓦西的解研究出来的成果。

虫洞在史瓦西解中第一次出现,是当物理学家们想到了白洞的时候。他们通过一个爱因斯坦的思想实验,发现时空可以不是平坦的,而是弯曲的。在这种情况下,我们会发现,如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径,也就是视界的地方是与原来的时空完全垂直的。在不是平坦的宇宙时空中,这种结构就是黑洞的视界内的部分与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,叫史瓦西喉,也就是一种特定的虫洞。