霍金BBC讲演:黑洞里面真的什么都没有吗?

【英】史蒂芬·霍金

2017-06-10 16:00

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【编者按】
2016年,史蒂芬·霍金在英国BBC广播公司里斯讲演中向大众讲解黑洞,其中他谈及了“黑洞无毛定理”,使得黑洞研究变得极度纯粹,并直击自然的核心奥妙。黑洞里面真的什么都没有吗?《黑洞不是黑的》这本书便是这系列讲演的文字整理,并由BBC新闻科学编辑大卫·舒克曼(以下简称“DS”)导读,用极简的讲述,告诉我们一个不同以往的黑洞。最近,这本书的中文版推出,澎湃新闻获得授权摘录其中一章。
当约翰· 惠勒[1]在1967年引进“黑洞”这个术语时,它取代了早先的“冻星”的名字。惠勒新造的词强调,坍缩恒星残余本身是有趣的,而与它们如何形成无关。新名字很快就流行起来。这个词让人联想到某种黑暗而神秘的东西。但是,法国人,模式化的法国人,却察觉到了这个词更下流的一层意思。他们排斥Trou Noir这个名字好多年(Trou Noir:法语中的黑洞,在某些俚语当中也会被用作骂人的话),断定这是个淫秽的词语。不过,这就像要抵制Le Weekend(法语中的周末,源自英语)和其他法式英语一样。最终他们只好屈服。何人能够抵制一个如此大获全胜的名字呢?
在黑洞外部,你不可能知道它里面是什么。你能把电视机、钻戒甚至你最恨的敌人扔进一个黑洞,可黑洞所能记忆的一切只不过是总质量、旋转的状态和电荷。约翰·惠勒把这一原理形象地称为“黑洞无毛”而闻名。而对法国人来说,这正坐实了他们的猜疑。
黑洞是有边界的,我们称之为事件视界。在视界上,引力的大小恰好足以把光拉曳到视界内并防止它逃逸。因为没有任何东西的速度比光还快, 因此经过视界的所有其他东西也必然会被引力拉曳回去。穿过事件视界跌落到黑洞内部有点像乘独木舟顺尼亚加拉瀑布而下。在瀑布上游,如果你桨划得足够快,就能够逃脱掉下瀑布的命运,然而一旦到达了瀑布边缘,再怎么划桨都无济于事了,无法返回。你越靠近瀑布,水流就越急。这意味着,水流拉独木舟前部的力量比拉后部的力量更强大。当前后的拉力相差太多时,独木舟就将面临被拉断的危险。黑洞的情形也是类似的。如果你脚在前而头在后向一个黑洞落去,因为脚更接近黑洞,脚所在处的引力比头所在处的引力更大。这个力差将导致你的身体沿着纵向被拉长,而横向被挤瘦。如果这个黑洞拥有几倍我们太阳的质量,那么在你抵达视界之前就已被撕开并变成像意大利面条那么细。然而,倘若你向质量大得多的黑洞落去,比如质量是太阳质量的100万倍的黑洞,你就将轻而易举地到达视界。因此,如果你要探索黑洞的内部,确保选取一个大的。在我们银河系中心就存在一个质量约为400万个太阳质量的黑洞。
DS:科学家们相信,在几乎所有星系的中心都有一个巨大的黑洞——鉴于这个观念的有关特征首次被确认也才是不久以前的事,更让人感到了这个观念多么令人惊奇。
尽管在你落入黑洞时,自己不会注意到任何特异之事,但是在远处观察你掉入黑洞过程的人永远看不到你越过事件视界的瞬间。在这个观察者的眼里,越接近视界,你运动的速度就显得越缓慢,而且就在外头徘徊。观测者眼里的你也会随着接近视界的过程变得越来越红,越来越暗淡,直到你实际上从他的视野里消失。就外部世界而言,你已经永远消失了。
DS:由于光不能从黑洞逃逸出来,从远处观察你的任何人都无法真正地目击你越过视界的过程。在太空中没人能听见你的尖叫;而在黑洞里,没人能看到你失踪。
1970年的一个数学发现,极大地推动了我们对这些神秘现象的理解。这就是事件视界——即围绕黑洞的边界区域——的表面积具有如下性质,当额外的物质或辐射落入黑洞时,事件视界的面积总会增加。这个性质暗示,黑洞的事件视界面积和传统牛顿物理之间,特别是和热力学中的熵的概念之间存在相似之处。你可以将熵理解为对于一个系统的混乱程度的测度,或者等效地,是对其精确的态的知识的缺失。著名的热力学第二定律断言,熵总是随时间增加。1970年的发现首次暗示了视界面积和熵之间的关键联系。
DS:熵增意味着任何有序的事物随时间流逝而变得较混乱无序的倾向——打个比方,就像整齐垒着的砖头形成一堵墙(低熵),随着时间流逝,这堵墙最终将变成一堆杂乱的尘埃(高熵)。而这个从有序到混乱的过程可由热力学第二定律来描述。
虽然熵和事件视界面积之间存在明显的联系,但面积怎么会和黑洞本身的熵等同,对我们来说却一点都不清楚。黑洞的熵指的是什么呢?1972年,雅各布·柏肯斯坦提出了一个关键的设想,那时他是普林斯顿大学的一名研究生,后来在耶路撒冷的希伯来大学任教。其来龙去脉如下。当引力坍缩产生一个黑洞,它就快速地在一个静态安顿下来,这个态只用三个参数就能表征:质量、角动量(旋转的状态)和电荷。除了这三个性质,黑洞不保留已坍缩的天体的任何其他细节。
在宇宙学家的信息的意义上,这一定理对于信息论隐含了如下思想:在宇宙中的每个粒子和每个力对“是与否”问题都有隐含的答案。
DS:在这个语境里,信息是指与一个天体相关的每个粒子和每个力的所有细节。某物越是混乱无序,它的熵越高,就需要越多的信息去描述它。正如物理学家兼广播员吉姆·阿尔-卡里里说的那样,一副彻底洗过的纸牌比没洗过的拥有更高的熵,因此要描述它就需要更多得多的解释,或者信息。
柏肯斯坦定理意味着,在引力坍缩中,大量信息被丢失了。例如,黑洞最后的态与坍缩物体是由正物质还是反物质构成无关,与坍缩物体是球状的还是高度无规的形状无关。换言之,一个给定质量、角动量和电荷的黑洞可由大量不同的物质位形中的任一种——包括大量不同种类的恒星当中的任意一种坍缩形成。的确,如果不考虑量子效应,那么物质可能位形的数目会是无限多的,因为黑洞可能由巨大不确定数目、具有不确定低的质量的粒子的云团坍缩而形成。不过,位形的数量真能无限多吗?这就是量子效应参与进来之处。
注释:
1.美国科学家,他在诸多方面都是历史上推动黑洞理论的英雄。他在20世纪50年代和60年代的研究中强调,许多恒星最终会坍缩,并指出了这种可能性给理论物理学带来的问题。他还预见到坍缩的恒星转变成的天体,也就是黑洞的许多性质。
《黑洞不是黑的——霍金BBC里斯讲演》,【英】史蒂芬·霍金/著 吴忠超/译 大卫·舒克曼/导读,湖南科学技术出版社 2017年6月版。
责任编辑:顾明澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 霍金,演讲,黑洞

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