从大爆炸到黑洞--史蒂芬·霍金的宇宙观

设本页为首页　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　加入收藏
中文域名: 古今中外.com　　　　　　英文域名：www.1-123.com　　　　　丰富实用的古今中外人物库

您现在的位置：中国哲士网 >> 按拼音检索 >> H >> huo >> 霍金 >> 正文

从大爆炸到黑洞--史蒂芬·霍金的宇宙观

山的质量）的太初黑洞可以由于对其它可见物质的影响而被观察到。我们在下一章将会看到，也许小的黑洞比大的黑洞更容易被探测到。
（十一）黑洞并不黑！
　　由于大爆炸和黑洞奇点是如此的小，以致于其尺度趋向于零，所以科学家们不得不考虑其量子效应。在使用量子力学的理论对黑洞进行分析时，黑洞令人完全意想不到的性质被逐步揭示出来。我们将会看到，我们生活的宇宙比我们想象的还要神秘，并且十分完美。
　　1970年，霍金博士意识到并且成功证明?quot;黑洞边界定理"--当有物质落到黑洞中，或两个黑洞相撞并合并成一个黑洞时，新黑洞的"事件视界"面积将大于或等于原先黑洞"事件视界"面积的总和。
　　霍金博士为此发现激动不已，并认为是自己值得骄傲的几个发现之一。
　　相信一定有人会问："1+1=2离奇在哪里？"我们不要忘记黑洞的特殊性质。前面我们已经谈及，黑洞是一个区域，从黑洞中发出的光所能到达的最远距离就是黑洞最外层的边界，也就是"事件视界"。　　掉进黑洞中的物质再也没有任何信息能被我们所观察。在经典的定义中，黑洞是一个极为特殊的区域，我们所观察到的现象?quot;0+1=0"，掉进黑洞的物质犹如进入了另外一个世界般地彻底消失。因此黑洞边界不减的发现有重大的意义。
　　我们再用热力学来分析一下就会更清楚了。
　　热力学第二定律指出："一个孤立的系统的熵总是增加的，并且两个系统合为一个系统时，其合并系统的熵大于所有单独的熵的总和。"（熵就是物质运动的无序度、混乱度）例如有一个被中间的一个挡板分割为两半的密封盒子。盒子的左半部充满空气，右半部真空。当抽去挡板后，气体分子会均匀地充满整个盒子。由于气体所占的体积增大了，它的无序程度也就增加了，我们说气体的熵增加了。
　　如果盒子的左半部充满氧气，右半部充满氮气。当把挡板抽去后，两种气体将均匀地混合并充满整个盒子。这种状态比原先分开的气体的状态更无序，熵也增大了。
　　我们不妨设想，如果这些气体落到了黑洞里，由于我们无法测量到黑洞中的状态，只能认为黑洞没有熵，那么黑洞外界的总熵就会减小，换句话说，宇宙的总熵减小了。这无疑使体系严密而完整的热力学十分尴尬。我们固然可以说，将黑洞里的熵也考虑进去的话，宇宙的总熵并没有降低--但我们需要一个标帜黑洞熵的物理量。
　　黑洞事件视界不减的性质使我们不禁联想到，事件视界面积就是黑洞的熵。
　　虽然二者之间有很多相似之处，但是将二者等同起来还有一个致命困难：任何一个具有熵的物体都将有温度--假如黑洞有熵的话，也将不能例外；而且有温度的物体必然向外发出辐射。这与黑洞的定义显然矛盾。
　　前苏联的两位科学家雅可夫·捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基在1973年根据量子力学的不确定原理计算出，旋转黑洞应产生并向外辐射粒子。同年，霍金计算出即使是不旋转的黑洞也以不变的速率产生和辐射粒子，而且令人惊奇的是，黑洞辐射出的粒子谱刚好是一个非常准确的热谱（热的物体辐射的谱），显示著黑洞正以严格的速率辐射粒子以保证热力学第二定律不被违反。霍金等人的研究使大家看到，黑洞具有有限的熵，因为它能以一个不为零的温度保持热平衡，而这个熵恰恰就是黑洞的事件视界面积！
　　经典物理学中定义黑洞不能向外发出辐射，而量子力学却允许粒子从黑洞中逃逸出来，这种现象如何解释呢？霍金作了如下解释来帮助人们理解。
　　由于量子力学的不确定性原理指出，粒子的位置和速率不能同时被测出（爱因斯坦所谓的"上帝在掷色子"），因此我们的宇宙空间不能是"真空"，否则就意味著引力场和电磁场等必须恰好为零，那么它们的数值和时间变化率将同时被固定为零，这违反了"测不准原理"。
　　既然场不为零而且"测不准"，那么场的数值就会有一定的起伏，人们将这些量子起伏理解为光或引力的粒子对。它们同时出现并互相离开，然后又互相靠近而湮灭（这种量子起伏已经被实验精确地证明）。这对正反粒子中一个粒子的能量为正，另一个能量为负，其能量和为零以遵守"能量守恒定律"。如果这对粒子恰好在黑洞的边缘出现，其中一个粒子落入黑洞里，另一个粒子由于找不到相互湮灭的"伴侣"而获得自由逃逸出去。对于在远处的观察者来说，这就像是从黑洞中辐射出来的一样。
　　我们知道，一个物体越靠近引力场的中心，它的能量就越小，因为远处的物体需要花费更大的能量来抵抗吸引力，尽管如此物体的能量仍然是正的。而黑洞的引力场是如此的强，以致于落入它里面的粒子的能量变为负值，这就使黑洞的总能量减少。根据爱因斯坦著名?quot;质能方程"--E=mc^2，落入黑洞的质量由于能量的减少而减少，黑洞的事件视界面积随之减小。从黑洞外观察，黑洞辐射产生的熵补偿了物质落入黑洞而减少的熵；从整个宇宙的范围考虑，质量守恒、能量守恒及热力学第二定律均被不折不扣地遵守著。
　　由于黑洞质量越小，其引力场就越小，粒子逃逸的过程就变得越容易，因此黑洞粒子的发射率和其表观温度就越大。黑洞向外辐射粒子导致黑洞质量减小，进一步导致了辐射速率和温度的上升，因而黑洞的质量就减小得更快！当黑洞的质量变得极小的时候，它将在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射中结束自己的历史！
　　具有太阳质量的黑洞只有千万分之一度的绝对温度，这要比2.7K的宇宙微波辐射温度低得多，所以这种黑洞的辐射小于吸收。如果宇宙永远膨胀下去，微波辐射的温度最终将减小到比这种黑洞的还低，黑洞就将开始损失质量。它的温度实在太低了，以致于需要一百亿亿亿亿亿亿亿亿（1的后面跟66个0）年才蒸发完，这远大于宇宙的年龄了！而我们上一章谈到的太初黑洞更高的温度。一个10亿吨的太初黑洞的尺度只有10的负13次方厘米的半径（质子的尺度），它的寿命大体和宇宙相同，而比这质量还小的黑洞已经蒸发完毕；比它稍大的黑洞仍在发射著射线或伽玛射线，其能量相当于十个大型核电站的功率。不管你相不相信，这些黑洞并不黑，正相反，它们是白热的！
　　科学家们计算出，每立方光年中又大约300个太初黑洞。由于它们辐射出的伽玛粒子的极少，因此观测它们十分困难。
　　我们在这一章中看到，科学定律并没有在黑洞奇点处完全失效。这使我们看到了希望，也许奇点可以避免！
（十二）宇宙的生命历程
　　对黑洞的研究同时使我们了解了大爆炸，两者在性质上基本一致，只不过大爆炸是发生在一个极大的尺度上，并且是黑洞的时间反演而已。
　　让我们回顾一下前面章节论述到的宇宙特性。
　　宇宙在不停地膨胀，星体距离我们越远，则离我们而去的速度就越快。在大约150~200亿年以前这些星体是聚集在一点的，这就是大爆炸奇点，它的密度和空间--时间曲率均为无穷大，因此一切科学定律在此奇点处完全失效。宇宙中还存在著另一种奇点，它们是由已经"死亡"并发生引力坍缩

上一页 [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] 下一页

来源：中国哲士网

世界人物库,古今中外人物资料 霍金简介，介绍,生平事迹 图片照片

有关作品从大爆炸到黑洞--史蒂芬·霍金的宇宙观详细资料

上一篇文章：史蒂芬·霍金:《黑洞、婴儿宇宙及其他》出版者前言

下一篇文章：史蒂芬霍金--因病致残的卓越科学家

人物资料查询方法：你可以按拼音字母检索的方法查询,也可以按分类列表查看的方法查询

人物字典　 A　B　C　D　E　F　G　H　J

K　L　M　N　O　P　Q　R　S　T　W　X　Y　Z