本文摘自《黑洞不是黑的-霍金B(yǎng)BC里斯講演》，[英]史蒂芬·霍金 著，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2017年6月
黑洞沒有毛嗎？
當(dāng)約翰· 惠勒在1967 年引進(jìn)“黑洞”這個(gè)術(shù)語時(shí)， 它取代了早先的“凍星”的名字?；堇招略斓脑~強(qiáng)調(diào)，坍縮恒星殘余本身是有趣的，而與它們?nèi)绾涡纬蔁o關(guān)。新名字很快就流行起來。這個(gè)詞讓人聯(lián)想到某種黑暗而神秘的東西。但是，法國人， 模式化的法國人，卻察覺到了這個(gè)詞更下流的一層意思。他們排斥trou noir 這個(gè)名字好多年（trou noir：法語中的黑洞，在某些俚語當(dāng)中也會(huì)被用作罵人的話），斷定這是個(gè)淫穢的詞語。不過，這就像要抵制le weekend （法語中的周末，源自英語） 和其他法式英語一樣。最終他們只好屈服。何人能夠抵制一個(gè)如此大獲全勝的名字呢？
在黑洞外部，你不可能知道它里面是什么。你能把電視機(jī)、鉆戒甚至你最恨的敵人扔進(jìn)一個(gè)黑洞， 可黑洞所能記憶的一切只不過是總質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)和電荷。約翰· 惠勒把這一原理形象地稱為
“黑洞無毛”而聞名。而對(duì)法國人來說，這正坐實(shí)了他們的猜疑。
黑洞是有邊界的，我們稱之為事件視界。在視界上，引力的大小恰好足以把光拉曳到視界內(nèi)并防止它逃逸。因?yàn)闆]有任何東西的速度比光還快， 因此經(jīng)過視界的所有其他東西也必然會(huì)被引力拉曳回去。穿過事件視界跌落到黑洞內(nèi)部有點(diǎn)像乘獨(dú)木舟順尼亞加拉瀑布而下。在瀑布上游，如果你槳?jiǎng)澋米銐蚩?，就能夠逃脫掉下瀑布的命運(yùn)， 然而一旦到達(dá)了瀑布邊緣，再怎么劃槳都無濟(jì)于事了， 無法返回。你越靠近瀑布， 水流就越急。這意味著，水流拉獨(dú)木舟前部的力量比拉后部的力量更強(qiáng)大。當(dāng)前后的拉力相差太多時(shí)，獨(dú)木舟就將面臨被拉斷的危險(xiǎn)。黑洞的情形也是類似的。如果你腳在前而頭在后向一個(gè)黑洞落去，因?yàn)槟_更接近黑洞，腳所在處的引力比頭所在處的引力更大。這個(gè)力差將導(dǎo)致你的身體沿著縱向被拉長， 而橫向被擠瘦。如果這個(gè)黑洞擁有幾倍我們太陽的質(zhì)量，那么在你抵達(dá)視界之前就已被撕開并變成像意大利面條那么細(xì)。然而，倘若你向質(zhì)量大得多的黑洞落去，比如質(zhì)量是太陽質(zhì)量的100 萬倍的黑洞， 你就將輕而易舉地到達(dá)視界。因此， 如果你要探索黑洞的內(nèi)部，確保選取一個(gè)大的。在我們銀河系中心就存在一個(gè)質(zhì)量約為400 萬個(gè)太陽質(zhì)量的黑洞。
DS : 科學(xué)家們相信，在幾乎所有星系的中心都有一個(gè)巨大的黑洞— 鑒于這個(gè)觀念的有關(guān)特征首次被確認(rèn)也才是不久以前的事，更讓人感到了這個(gè)觀念多么令人驚奇。
盡管在你落入黑洞時(shí)，自己不會(huì)注意到任何特異之事，但是在遠(yuǎn)處觀察你掉入黑洞過程的人永遠(yuǎn)
看不到你越過事件視界的瞬間。在這個(gè)觀察者的眼里，越接近視界，你運(yùn)動(dòng)的速度就顯得越緩慢， 而且就在外頭徘徊。觀測(cè)者眼里的你也會(huì)隨著接近視界的過程變得越來越紅，越來越暗淡，直到你實(shí)際上從他的視野里消失。就外部世界而言， 你已經(jīng)永遠(yuǎn)消失了。
DS :由于光不能從黑洞逃逸出來，從遠(yuǎn)處觀察你的任何人都無法真正地目擊你越過視界的過程。在太空中沒人能聽見你的尖叫；而在黑洞里，沒人能看到你失蹤。
1970 年的一個(gè)數(shù)學(xué)發(fā)現(xiàn)，極大地推動(dòng)了我們對(duì)這些神秘現(xiàn)象的理解。這就是事件視界— 即圍繞黑洞的邊界區(qū)域— 的表面積具有如下性質(zhì)，當(dāng)額外的物質(zhì)或輻射落入黑洞時(shí)，事件視界的面積總會(huì)增加。這個(gè)性質(zhì)暗示，黑洞的事件視界面積和傳統(tǒng)牛頓物理之間，特別是和熱力學(xué)中的熵的概念之間存在相似之處。你可以將熵理解為對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的混亂程度的測(cè)度，或者等效地，是對(duì)其精確的態(tài)的知識(shí)的缺失。著名的熱力學(xué)第二定律斷言，熵總是隨時(shí)間增加。1970 年的發(fā)現(xiàn)首次暗示了視界面積和熵之間的關(guān)鍵聯(lián)系。
DS :熵增意味著任何有序的事物隨時(shí)間流逝而變得較混亂無序的傾向— 打個(gè)比方，就像整齊壘著的磚頭形成一堵墻（低熵）， 隨著時(shí)間流逝，這堵墻最終將變成一堆雜亂的塵埃（高熵）。而這個(gè)從有序到混亂的過程可由熱力學(xué)第二定律來描述。
雖然熵和事件視界面積之間存在明顯的聯(lián)系，但面積怎么會(huì)和黑洞本身的熵等同，對(duì)我們來說卻一點(diǎn)都不清楚。黑洞的熵指的是什么呢？1972 年， 雅各布· 柏肯斯坦提出了一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)想，那時(shí)他是普林斯頓大學(xué)的一名研究生，后來在耶路撒冷的希伯來大學(xué)任教。其來龍去脈如下。當(dāng)引力坍縮產(chǎn)生一個(gè)黑洞，它就快速地在一個(gè)靜態(tài)安頓下來，這個(gè)態(tài)只用三個(gè)參數(shù)就能表征：質(zhì)量、角動(dòng)量（旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)）和電荷。除了這三個(gè)性質(zhì)，黑洞不保留已坍縮的天體的任何其他細(xì)節(jié)。
在宇宙學(xué)家的信息的意義上，這一定理對(duì)于信息論隱含了如下思想：在宇宙中的每個(gè)粒子和每個(gè)力對(duì)“是與否”問題都有隱含的答案。
DS :在這個(gè)語境里，信息是指與一個(gè)天體相關(guān)的每個(gè)粒子和每個(gè)力的所有細(xì)節(jié)。某物越是混亂無序，它的熵越高，就需要越多的信息去描述它。正如物理學(xué)家兼廣播員吉姆· 阿爾- 卡里里說的那樣，一副徹底洗過的紙牌比沒洗過的擁有更高的熵，因此要描述它就需要更多得多的解釋，或者信息。
柏肯斯坦定理意味著，在引力坍縮中，大量信息被丟失了。例如，黑洞最后的態(tài)與坍縮物體是由正物質(zhì)還是反物質(zhì)構(gòu)成無關(guān)，與坍縮物體是球狀的還是高度無規(guī)的形狀無關(guān)。換言之，一個(gè)給定質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷的黑洞可由大量不同的物質(zhì)位形中的任一種—包括大量不同種類的恒星當(dāng)中的任意一種坍縮形成。的確，如果不考慮量子效應(yīng)，那么物質(zhì)可能位形的數(shù)目會(huì)是無限多的，因?yàn)楹诙纯赡苡删薮蟛淮_定數(shù)目、具有不確定低的質(zhì)量的粒子的云團(tuán)坍縮而形成。不過，位形的數(shù)量真能無限多嗎？這就是量子效應(yīng)參與進(jìn)來之處。
作品簡介
《黑洞不是黑的-霍金B(yǎng)BC里斯講演》，[英]史蒂芬·霍金 著，湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2017年6月
只能用機(jī)器人與我們交流的霍金現(xiàn)在仍保持著異常的活力，他懂得宇宙學(xué)中很罕見的數(shù)學(xué)語言，而且他力求贏得更多大眾的理解。《黑洞不是黑的》是霍金2016年在英國BBC廣播公司里斯講演中向大眾傳遞的對(duì)黑洞的洞見，其中談及的“黑洞無毛定理”使得黑洞研究變得極度純粹，并直擊自然的核心奧妙。他以游刃有余的通俗講解，將我們帶向宇宙最奇異的角落。這位傳奇物理學(xué)家斷言，只要能理解黑洞以及它們?nèi)绾翁魬?zhàn)時(shí)空的本性，我們就會(huì)更接近揭開宇宙的奧秘。黑洞里真的什么都沒有嗎，這個(gè)問題也許不是作為大眾的我們所要關(guān)心的問題，卻是我們偶爾想起會(huì)好奇的一個(gè)話題，這本書則以極簡的講述，告訴我們一個(gè)不同以往的黑洞。在經(jīng)典引力物理中，霍金除了貢獻(xiàn)了奇性定理，還發(fā)現(xiàn)了黑洞視界面積不減定理。霍金這次要告訴我們，黑洞并不像想象的那么黑，事物可以從黑洞逃逸，信息可以某種方式保存。本書由大衛(wèi)·舒可曼撰寫導(dǎo)言，并特別收錄吳忠超《黑洞極簡史》。
鄂公網(wǎng)安備 42010302001612號(hào) 