第1425節(jié)
惠勒開始對史瓦西在1917年描述的引力坍塌物體非常感興趣,這玩意兒也就是黑洞。 惠勒認(rèn)為黑洞就是一個標(biāo)準(zhǔn)的終結(jié)體,無論是什么扔進(jìn)黑洞,系統(tǒng)的無序度就永遠(yuǎn)消失了,因為沒有任何物體可以從黑洞逃逸出來。 后來的許多工作都證明,黑洞確實是一個高度有序的終極壓縮機,無論多么雜亂無章,都會在黑洞中心被壓縮成無限小,包括……信息。 這種描述有點類似無神論者對“去世”這個概念的判定——沒有生命氣息,也沒有靈魂前往地獄天堂。 但作為惠勒的學(xué)生,貝肯斯坦卻不認(rèn)同這點。 他提出也許信息并沒有消失在黑洞,而是轉(zhuǎn)化為了黑洞的一部分。 奈何當(dāng)時沒人相信貝肯斯坦的想法,直到霍金計算出了黑洞的面積定律,才給貝肯斯坦帶來了靈感。 于是他順勢推出了赫赫有名的貝肯斯坦上限,證明了黑洞存在信息以及信息上限。 當(dāng)然了。 最開始的時候霍金其實也不相信貝肯斯坦的這個結(jié)論,作為堅定的廣義相對論擁護(hù)者,霍金認(rèn)為這個小年輕是在碰瓷自己。 同時貝肯斯坦雖然有了正確的想法,然而他的論證不是非常準(zhǔn)確,計算中存在許多的不確定性。 例如他只是說黑洞的熵正比于視界面積——在物理學(xué)中,正/反比其實是一個難以捉摸的詞。 對于任何一個證明,物理學(xué)家都要求給出確切的比例。 例如引力和距離的平方成反比,磁場強度和距離的三次方成反比,那么黑洞熵呢? 是2倍的面積還是1/2倍的面積,這個數(shù)字得定下來。 就像網(wǎng)文里的加更一樣,手速快的作者兩萬字才算加更,手速慢的作者七千字就算加更了。 不過很有意思的是。 后來霍金忽然意識到由于量子力學(xué)的不確定性原理,黑洞真的是會釋放出一點點輻射的,并且滿足黑體輻射的公式,即霍金輻射。 在這種情況下。 霍金轉(zhuǎn)而接受了貝肯斯坦上限,并且靠著還算不錯的數(shù)學(xué)功底,幫助他計算出了黑洞的熱力學(xué)關(guān)系,將正比系數(shù)修正為了1/4。 因此這個公式被稱為貝肯斯坦-霍金方程,也就是大名鼎鼎的bk方程組。 而bk方程組問世的時間……足足在如今的14年后。 所以面對自己親手計算出來的結(jié)果,楊振寧依舊顯得有些驚訝。 “可是不對啊……” 只見楊振寧在自己算出來的【sbh=akc^3/4hg】公式下劃了道橫,皺著眉頭對徐云問道: “小徐,除了數(shù)學(xué),黑洞在邏輯上遵守?zé)崃W(xué)第二定律的原因是什么?它不是熵增的嗎?” 常理來說。 如果黑洞具有熵,那它也應(yīng)該具有溫度。 一個東西如果有溫度,那么即使這個溫度再低,也都會產(chǎn)生熱輻射。 可這樣一來,黑洞的理論體積就存在問題了。 更關(guān)鍵的是…… 它會讓超大質(zhì)量黑洞不存在。 “小徐,你看。” 楊振寧繼續(xù)在公式上圈了幾下,繼續(xù)了自己的話: “粒子溫度和粒子能量,存在關(guān)系kt=e=hf,頻率f最小只能是1赫茲。” “所以溫度最小只能是t=h/k,黑洞的輻射溫度,最小也只能達(dá)到t=h/k?!?/br> “也就是說h/k=hc/kr的情況下,此時黑洞半徑r達(dá)到最大值?!?/br> “如果黑洞半徑再增加,就會違背量子力學(xué),溫度就會小于h/k?!?/br> “因此根據(jù)黑洞熵理論,最大的黑洞半徑就只能是c的數(shù)值,那么超大質(zhì)量黑洞呢?豈不是不存在了?” 盡管此時徐云不在身邊,但楊振寧依舊做出了一副面對面交談的樣子。 不知為何。 他莫名對徐云有了一種信心: 他相信徐云即便隔著電話,也能夠理解自己的想法。 仿佛……二人曾經(jīng)在某個時候,面對面的共同做過交流一樣。 而正如他所說。 如果根據(jù)輻射公式,那么黑洞黑洞半徑應(yīng)該是存在一個極限的。 黑洞半徑是r=2gm/c^2,所以可以計算出,黑洞熵允許的最大黑洞質(zhì)量只能是m=c^3/2g。 這個數(shù)值就是10^35千克左右,也是黑洞熵允許的最大黑洞質(zhì)量。 太陽質(zhì)量是10^30千克上下,也就是大概10^5個……即十萬倍的太陽質(zhì)量。 可根據(jù)史瓦西的黑洞模型,別說十萬倍了,比太陽重千萬倍、一億倍的超大質(zhì)量黑洞,理論上也應(yīng)該存在。 所以要么是黑洞熵有問題,要么就是…… 不存在超大質(zhì)量黑洞。 而且這還沒完呢。 倘若是后者出了問題,那么支持它的黑洞相關(guān)理論肯定也有問題——最差也是得打個補丁修正一下啥的。 而這種修正勢必要改變或者增減某個參數(shù),那么這樣一來,黑洞熵的推導(dǎo)也要跟著出問題。 換而言之。 這屬于一個邏輯閉環(huán),和后世的祖父悖論有點類似,屬于誰殺了誰的討論。 果不其然。 如同楊振寧所想的那樣,電話對頭的徐云只是思索了很短一會兒,便很快傳來了回答: “楊先生,我想……您可能陷入一個誤區(qū)了。” 楊振寧眉頭一掀,筆尖無規(guī)律的在桌面上點了幾下: “什么誤區(qū)?” 只見徐云同樣在紙上寫下了和楊振寧一模一樣的公式,在另一個參數(shù)上畫了個圈: “黑洞輻射里的頻率并不是量子頻率,而是……機械頻率。” 楊振寧點著紙面的筆尖頓時停了下來,目光重新投向了自己的推導(dǎo)過程。 不是量子頻率? 與此同時,電話對面的徐云又說道: “楊先生,如您所說,量子力學(xué)的能量必須是h的整數(shù)倍,不存在0.1h的能量子,更不存在0.01h的能量子——零點能例外,不過我們今天不做零點能的探討?!?/br> “但黑洞輻射譜是連續(xù)譜,頻率并不是分立的——因為黑洞和黑體輻射類似。” “另外這個問題還可以從公式上去理解,kt=e=hf這個遞推其實是不對的,kt=e這個部分是指平均動能,e=hf是單粒子?!?/br> “如果從這個角度去思考,您覺得是不是能解釋開了?” 雖然是在指正楊振寧的錯誤,但徐云卻沒有絲毫輕視這位大佬的想法。 黑洞輻射的頻率是機械頻率。 這算是一個折磨了很多物理學(xué)家的尖銳難題,不知道多少人被它頂?shù)挠捎馈?/br> 黑洞和黑體輻射譜一樣,都是一種連續(xù)譜,頻率并不是分立的,所以沒有任何機制要求ν最小值為1。 比如說光電效應(yīng)里面,電子只能一個一個發(fā)射,不能說一次發(fā)射1.5個電子——這就是量子頻率。 而實際應(yīng)用里面呢,頻率小于1hz的情況很多。 比如現(xiàn)在很火的納赫茲引力波,它的頻率就小于1hz。 因此哪怕黑體輻射溫度低于單個表面粒子的最低能量,也不代表說不能發(fā)射粒子了。 只要拉長時間,平均來說總有輻射,最多就是輻射出粒子的間隔時間變長而已。 畢竟黑洞是有極端引力場存在的體系,不是那種能用一個溫度代表一切的東西。 再舉個例子。 一個簡單的有兩種以上溫度的體系是led。 led有不同的光,按照黑體輻射公式都能算出一個色溫來。 但哪個led的表面粒子,你摸上去有那個溫度? 黑洞輻射溫度說白了就是黑洞發(fā)光的色溫,而表面粒子的平均動能的溫度又是另外一個東西了,因此二者并不能看成一體然后去聯(lián)立方程。 楊振寧如今的視野雖然不如徐云,但他的理解能力卻沒有因為回國而降低分毫。 聽徐云這么一提,他頓覺面前仿佛開了一扇窗戶,于是連忙迎著照射入戶的陽光提起了筆: “……那就再加入一個玻爾茲曼常數(shù)kb平衡量綱,熵在傳統(tǒng)的熱力學(xué)里面可以定義為s=∫dq/t,上面是吸收熱量,下面是熱源溫度,所以量綱正是j/k……” “如果是機械頻率的話,那么表面引力就要考慮表征加速度了,可以直接認(rèn)為它的量綱是lt-2?!?/br> “熵的話,可以除以普朗克長度的平方來抵消面積的量綱,溫度可以乘以一個h/c……” 三分多鐘后。 楊振寧有些欣喜的重新拿起了話筒: “小徐,還真是這樣!二者對上了!” “黑洞……居然真的遵守?zé)崃W(xué)第二定律,既會熵增,也會蒸發(fā)……” 說到最后。 楊振寧的語氣中已經(jīng)帶上了無盡的感慨。 熱力學(xué)第二定律,這是一個經(jīng)典物理中極其重要的概念。 這條鐵律的提出者便是1850副本中的老湯威廉·湯姆森,以及在副本最后登場的克勞修斯。