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科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终

茫茫宇宙,一直吸引着我们不竭地探索,不知道大家有没有对一部动画片有印象,叫《蓝猫淘气3000问太空历险记》,在蓝猫淘气护送啦啦公主回奥兹玛的过程中,向我们讲述了一系列航天、天文、物理等方面的有关知识,也是在这部动画片里,让我对宇宙产生了别样的憧憬。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

而说到对宇宙的探索,其中最为我们熟知的就是霍金了,他也被誉为“宇宙之王”。在探索黑洞的路上,霍金更是做出了卓越的贡献,在这40多年里霍金关于黑洞的两次大论战,让我们得以更进一步了解探索黑洞。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

1、黑洞无毛是否有熵之争

我们在以前的文章里说过,史瓦西通过对爱因斯坦场方程的计算,发现存在“黑洞”这一种特殊的天体。

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然而那个时候史瓦西并不喜欢这样的计算结果,所以并没有给这种特殊天体起名字,1939年,“原子弹之父”奥本海默在史瓦西的基础上,通过对爱因斯坦场方程的推导,得出了这样的结论:”一颗足够重量的死恒星将会崩裂,它制造出极密的堆积,以致光都无法穿越。这颗恒星会一直分裂下去,而宇宙空间则会像个黑斗篷一样将其包裹。在这个堆积中心,空间会无尽地弯曲,物质无穷密集,形成一种既密实又单一的矛盾景象。”

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这也就是我们现在说的物质为零的“黑洞中心”。但是那个时候还没有一个准确的词去描述这种现象。

曾研究出“液滴模型”,为后来的原子弹制造打下了基础的惠勒却反对奥本海默的说法,他在1958年与奥本海默的论战中,曾信誓旦旦地说:“这个崩溃理论未能很好地解释类似恒星中物质的命运,物质怎么可能竟然发展到无物质呢。毕竟,物理法则怎么可能发展到违背自己以达到“无物理”的地步呢?”

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然而,当随着解释这颗崩裂行星的内部和外部的数学公式出现时,他与其他一些学者都被说服了,成了忠实拥护者。

1969年在纽约的一次会议上,他为了说服场下听众,他灵机一动,冒出了“黑洞”这个词,以描述这些恒星可怕而充满戏剧性的命运。“黑洞”一词从此流传开来。

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当惠勒提出“黑洞”这个词时,科学家纷纷对这种特殊的天体产生了极大的兴趣,而自此开始了七十年代的黑洞大探索时代,这也是黑洞研究的“黄金十年”。在这段时间内人们给出了黑洞的数学定义和关于黑洞的一些重要性质。例如:奇异性定理、唯一性定理(无毛定理)、黑洞的力学四定律,和霍金辐射等等。这里我们做一点简单的介绍。

其中最有名的就是“黑洞无毛是否有熵”之争。

惠勒当时提出并命名了“黑洞无毛定理”。这个定理是对经典黑洞简单性的叙述,它说的是,无论什么样的天体,一旦塌缩成为黑洞,几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆,它就只剩下电荷、质量和角动量三个最基本的性质。质量M产生黑洞的视界;角动量L是旋转黑洞的特征,在其周围空间产生涡旋;电荷Q在黑洞周围发射出电力线,这三个物理守恒量唯一地确定了黑洞的性质。因此,也有人将此定理戏称为“黑洞三毛定理”。(毛发是形象地比喻黑洞就是光溜溜一个天体,没有任何复杂性质)

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虽然当时这个名字被很多科学家认为有淫秽之嫌,但是却非常快地流传开来,1973年霍金、卡特尔等人严格证明了“黑洞无毛定理”:“无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量(质量、角动量、电荷)唯一确定”。

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霍金在1971~1972年研究了黑洞事件视界截面面积的演化,并发现这个面积是不减的。这就是所谓的黑洞面积定理。黑洞无毛定理表明黑洞的形成会导致熵的丢失。

熵是由德国物理学家克劳修斯于1865年所提出。最初是用来描述“能量退化”的物质状态参数之一,然而惠勒的学生贝肯斯坦却认为黑洞的熵应该正比于黑洞事件视界截面的面积。

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当时惠勒和贝肯斯坦正在悠然自得地喝下午茶。惠勒突发奇想,问贝肯斯坦:“如果你倒一杯热茶到黑洞中,会如何?”惠勒的意思是说,热茶既有热量又有熵,但一切物质被黑洞吞下后就消失不见了,造成总体的“熵值”似乎不是增加而是减少了,这不是有悖热力学第二定律吗?

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由此贝肯斯坦才提出黑洞无毛却有熵的论断。他认为:“当你扔进黑洞一些物质,例如像惠勒问题中所说的一杯茶。之后,黑洞获得了质量,黑洞的面积是和质量成正比的,质量增加使得面积增加,因而熵也增加了。黑洞熵的增加抵消了被扔进去的茶水的熵的丢失。”所以贝肯斯坦才提出黑洞的熵应该正比于黑洞事件视界截面的面积。

霍金认为贝肯斯坦理解错了他的面积不减定理,1973年,霍金与巴丁以及卡特建立了黑洞的力学四定律,来反驳贝肯斯坦,霍金认为,如果有熵的话,就需要一个温度的概念。有温度就会存在热辐射,而这对于经典黑洞来说是不可能的。因为爱因斯坦广义相对论所预言的“经典黑洞”是无毛的,看起来似乎无熵可言!盖罗奇甚至在1971年设计了一个模型来反驳贝肯斯坦的说法。

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贝肯斯坦陷入了一个非常尴尬的境地,然而惠勒却很支持他的看法,前苏联物理学家泽尔多维奇、斯塔罗宾斯基和美国物理学家米斯纳等认为黑洞辐射粒子也不是不可能的,1973年霍金访问莫斯科,与泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基讨论了超辐射的问题。霍金认为泽尔多维奇和斯塔罗宾斯基关于超辐射的讨论在物理上是可靠的,但不太喜欢他们计算超辐射的方式。所以在他们的基础上提出了霍金辐射与霍金温度。然而这两项理论的提出却证明了贝肯斯坦的论断是正确的!

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最终,霍金不得不接受了贝肯斯坦关于黑洞熵的想法,并给出了黑洞熵和面积的比例系数-1/4。这个黑洞的熵的表达式被人们称为贝肯斯坦霍金熵。这次的论战可以说促进了黑洞研究的大进步,“黑洞无毛定理”、“黑洞熵概念”、“霍金辐射”、“肯斯坦霍金熵”等都是黑洞理论中的经典概念!

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霍金辐射

2、霍金悖论之争

1972年,以色列物理学家雅各布·贝肯斯坦发现,黑洞球形事件视界占据的区域对应于它的“熵”。这是黑洞内全部粒子所有可能的微观排列方式的数量,或者就像现代理论物理学家描述的那样,熵是黑洞存储信息的能力。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

贝肯斯坦的见解让史蒂芬·霍金在两年后认识到,黑洞是有温度的,因此它会辐射出热量。这种辐射会导致黑洞慢慢蒸发掉,1975年,霍金称自己通过计算得出结论,他认为黑洞在形成过程中,其质量减少的同时还不断在以能量的形式向外界发出辐射。这就是我们前面刚刚提到的的“霍金辐射”理论。但是,理论中提到的黑洞辐射中并不包括黑洞内部物质的任何信息,一旦这个黑洞浓缩并蒸发消失后,其中的所有信息就都随之消失了,根据爱因斯坦的理论,信息从我们的这个宇宙中消失,似乎是不可避免的结果。这便是广受热议的“黑洞信息悖论”。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

霍金认为任何被黑洞吸入的物质会永久消失

该悖论提出了一个疑问:那些落入黑洞的信息发生了什么?

如果你燃烧两本大小相同的书但有不同的内容,可能实际上无法重建任何一本书的文字,纸张上的墨水图案,分子结构的变化以及其他微小差异都包含信息,并且该信息仍然编码在烟雾,灰,周围空气和所有其他正在传播的粒子。如果能够以任意精确的方式监控书籍周围的环境并包括书本,就能够重新构建你想要的所有信息,信息会混乱,但不会丢失。然而黑洞信息悖论是:在黑洞视界上留下的所有信息一旦蒸发,在我们可观测宇宙(即哈勃体积直径约1000亿光年)中不会留下任何痕迹(故不能被重建)。

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物质进入黑洞

在当时“黑洞悖论”观点受到了量子物理学者的质疑,科学家们认为被黑洞“吞掉”的物质的信息最终将会随黑洞一起消失,在量子物理的角度上是无法解释的。量子力学称,宇宙保留了有关过去的所有信息。这种信息丢失应该被量子力学的规则所限制,任何系统都可以用量子波函数来描述,每个波函数都是唯一的。如果在时间上发展量子系统,两种不同的系统不可能达到相同的最终状态。

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波函数

也就是说在黑洞信息悖论里有一件事情是必须发生的:

1、当黑洞蒸发时,任何信息都会以某种方式被破坏,告诉我们有关于黑洞蒸发的新规则和规律(霍金的观点,符合爱因斯坦的相对论)

2、或者释放出的辐射包含了这些信息、这意味着霍金辐射比我们迄今为止所做的计算还要多。(其他量子物理学者的观点)

为此,30年来学术界一直存在着争论。说通俗一些就是霍金认为被吸入黑洞的物体会真正在外部世界“消失”,不留一点痕迹,即使黑洞蒸发了,也不会再出现。而量子物理学者则认为物质的形式可以相互转换,但不可能完全消失。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

而这正是爱因斯坦的相对论与量子力学的又一次激烈交锋!

由此霍金和加州理工学院理论物理学家约翰·普瑞斯基尔进行了20世纪最为著名的一次打赌:输者向胜利者提供一部百科全书,从百科全书中可以随意再现信息。

黑洞信息悖论由此被称为”跨世纪的十大物理问题”,被科学界广为关注。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

为了解释黑洞里的信息去哪里了,为什么会消失,霍金提出黑洞可能可以通往另一个宇宙空间,这正好可以用来解释被黑洞吞噬的物质和能量去了哪里。

然而2004年霍金的态度令人吃惊的逆转,他在都柏林举行的“第17界国际广义相对论和万有引力大会”上,他表示自己对有关信息,问题的看法错了,因而上了纽约时报的头版,他重新的进行了某些他早期的计算,得出结论说,“(黑洞里)没有我曾设想过的子宇宙分支,物质信息仍然牢牢地保存在我们这个宇宙里。我很遗憾这让科幻迷们失望了,但如果物质信息被保存了,(我们)就不可能利用黑洞去别的宇宙空间旅行。”

“如果你跳进一个黑洞,你的物质能量将以一种‘被撕裂'的形式返回到我们的宇宙中,其中包含你以前的信息,但是已经处于无法辨认的状态。”

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科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

2004年,霍金在柏林发表自己对于黑洞信息悖论的最新看法

然而霍金的言论却掀起了轩然大波,无论霍金的支持者信念崩塌,苦苦研究了几十年,却在一朝之间却被否定。

芝加哥大学教授黑洞专家沃尔德说:“霍金完全改变了他自己以前的观点,霍金以前认为进入黑洞的一切都会被‘冲走'。现在他相信从黑洞释放出的任何物质都能追溯到来源。他已经偏离了我们仍然坚信的理论。”

哥伦比亚大学翁鲁说:“部分问题在于他提供的详细证据太少,因此我们不可能知道这些计算结果是否值得相信。斯蒂芬·霍金并不傻,因此我们会认真考虑他的话……但我们所听到的整个理论似乎纯粹来自推理。”

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

虽然霍金自败赌局,然而关于黑洞信息悖论的争议却远远没有结束,这一悖论本身暴露,广义相对论和量子力学的不协调性,其中一定蕴藏着更为奇特的物理学规律。如何找到两者的相同点,实现量子力学与相对论的大融合,是许多弦理论科学家探索的目标。

科学史上两次著名的“黑洞理论”大论战,为何都以霍金失败而告终?

霍金虽然在两次论战中都以失败告终,可是他对与科学的不竭探索以及实事求是的精神,永远值得我们学习。

他创造的一系列的划时代黑洞研究成果,也并不会因为这些论战而被抹杀,他证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型,在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。

如今,我们依然拍摄到黑洞的照片,黑洞完全暴露在我们面前,还会远吗?

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