第17部分(2 / 4)

小說:黑洞 作者:蒂帆

量的相互作用就可以按一個折衷方案來計算:時空連續體仍保持為“經典的”,並且可以由廣義相對論來描述,只是其中容納的物質和輻射才是量子化的。

霍金在1974年按這個方案行事,得到的結果完全出乎意料,以至於他以為自己算錯了。他又檢查了好幾遍,終於被迫接受這樣的結論:微型黑洞必定會蒸發,即向外發射粒子。

初看起來這是令人困窘的,這種行為是與黑洞禁止任何物質逃離視界這一“經典”概念公然對抗的。當然,一個“激發態”黑洞可以由緩慢地減少其角動量或電荷而失去一部分能量,但是粒子的發射仍然在視界之外。一個“退激發”的史瓦西黑洞必須保持其與面積和摘相聯絡的不可約質量能量,按照經典熱力學第二定律面積和摘只能隨時間增長,而現在霍金的計算表明,微型黑洞,不論是激發與否,都必須允許粒子逃離,即蒸發掉自己的質量和能量。怎麼解決這個矛盾呢?

事後來認識一個重大的理論發現常常是容易的,因為它一下子使尚未理解的現象之間的關係得到了解釋。在這個意義上,黑洞的量子蒸發來得正是時候,它證明黑洞的熱力學影象是完全正確的,而這個影象的“經典”式描述,嚴格說來是不自治的,且看道理何在。

按照熱力學定律,所有具有一定溫度並沉浸在一種較冷介質(例如空氣)中的物體,必定會發出輻射而損失能量。物體的摘減小而周圍介質的牆增加。在這個交換中總結,即單個摘的總和,必定增加,這是第二定律所規定的。

關於黑洞,熱力學是怎麼說的呢?它有妨,由其表面積給出;有溫度,由其表面引力給出。假設把黑洞放在一個浴器裡,如果黑洞的溫度比浴器的低,它將吸收能量並增加自己的摘;但是如果黑洞的溫度高,我們就不得不承認黑洞應當把能量和摘交給浴器,而這與“經典”的黑洞熱力學第二定律是矛盾的。

霍金的發現消除了這個不一致。由於量子力學的特定性質(這將在下面介紹),黑洞即使是在最低能量態也能發射粒子或輻射。由於喪失能量,黑洞的摘,亦即其面積減小,而周圍環境的嫡則由於獲得能量而增大,並且環境滴的增大量大於黑洞滴的減小量,於是總的摘仍然增大,熱力學第二定律為黑洞加環境的整體系統所遵守。

隧道

經典觀點認為沒有任何東西能逃離黑洞,視界是一個“單向膜”,只許進而不許出。從黑洞內部看來,視界就像是一堵無限高的牆,越過它需要有無限大的能量。

但是量子力學提供了穿過任何一堵牆的可能性,哪怕是沒有足夠的能量。這種現象被稱為隧道效應,是測不準原理的直接結果,而測不準原理則是量子力學的基石,就像等效原理之於廣義相對論。

按照量子力學,對微觀世界的描述有著某種“模糊性”。例如,如果我們要測量一個孤立電子的位置,它就必須是有確定位置並且是可見的,要成為可見,它就必須被照明。一個電子是如此之小,用來照明它的光子會給它一個小衝力並改變其運動速度,因此,對電子位置的高精度測量就會導致對其速度測量的一定程度的不準確性。反過來也是如此,如果電子速度的測量精確到1厘米/秒,其位置的測量就不可能精確到1厘米以內。

更普遍地說,所有測量都會干擾微觀系統。測不準原理是維勒’海森堡(WernerHeisenberg)於1927年建立的。當然,當所涉及的質量大得多時,量子不確定性就會減小。質子的質量大約是電子的2000倍,因此如果它的速度測量精度為1厘米/秒,其位置測量精度就能達到約5微米。這個精度雖有提高,仍然是很差的,因為質子的直徑還要小上10億倍。對宏觀物體來說,由於其質量比起基本粒子來是如此巨大,因而位置和動量的測不準性都完全消失,宏觀世界是“決定論的”(與目前人們的信念相反,這並不意味著其演化能被預測。許多非常複雜但仍完全是經典的即所謂“非線性”的物理現象.雖然是由決定論方程支配,卻朝著完全不可預測的狀態演化。這就是一個星期以上的天氣預報總是那麼不可靠的緣故,不論使用的計算機威力有多大)。

測不準原理也可以運用於其他置於化的物理量,例如能量,在一個很短的時間間隔裡能量會有一定的漲落。經典地講,從黑洞逃離是被禁止的,但是測不準原理允許粒子在一定時間間隔裡從黑洞藉助一定量的能量。如果黑洞是微型的,即尺度與基本粒子相當,能量的“躍遷”可能足以使粒子運動一段大於視界半徑的距離,其結果就是粒子逃出,黑洞損失能

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