霍金2016年BBC演講：黑洞有沒有毛？
查看: 0 調整字體
騰訊太空精選優質自媒體文章，文中所述為作者獨立觀點，不代表騰訊太空立場。
文/霍金 （微信公眾號：知社學術圈）
2016年1月，斯蒂芬·霍金在英國BBC的年度節目Reith Lectures中發表演講，知社摘取精華為大家呈現。今年火熱的引力波探測也驗證了霍金早年關於黑洞視界面積增長的理論。讓我們一起領略這位理論物理學大家的幽默感。
我要講的主題是黑洞。有句話說：真相比小說更不可思議。就黑洞而言，沒有什麼能比它更加真實了。黑洞比科幻作家編製出來的任何故事都要奇妙，但它同時又有著堅實的科學基礎。大質量恆星在自身重力作用下會發生塌陷，剩下的物質會怎麼樣呢？科學界對這些事的認識較晚。愛因斯坦在1939年的一篇論文中提出，恆星無法在重力下坍塌，因為物質在超過某個臨界點後無法被壓縮。很多科學家都認同了愛因斯坦的直覺。主要的異議來自美國科學家約翰·惠勒 (John Wheeler)，他可謂黑洞領域的英雄。在上世紀50年代和60年代，他強調很多星星最終都會坍縮，並指出了理論物理的很多問題。同時，他還預言了恆星坍縮後形成物質的諸多屬性，也就是現在說的黑洞。
一顆恆星生命歷程的大部分時間裡，長達幾十億年，它都靠自身核反應所產生的熱壓來抵抗其自身重力，氫在反應中轉變成了氦。不過最終，恆星還是會耗盡它的核燃料，然後收縮。有些情況下，它可能會演變為一顆白矮星。蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡 (Subrahmanyan Chandrasekhar) 在1930年提出，白矮星的最大質量約為太陽的1.4倍。蘇聯物理學家列夫·朗道曾計算出全部由中子構成的星體的最大質量就與此相近。
那數不勝數的星星，那些比白矮星或中子星更重的星星，當耗盡它們的核能量時，最終的命運是什麼呢？原子彈之父羅伯特·奧本海默 (Robert Oppenheimer) 研究了這一問題。在1939年的幾篇論文中，他與喬治·沃爾科夫 (George Volkoff)、哈特蘭·斯奈德 (Hartland Snyder) 一起指出這樣的星體無法靠壓力來支持。在沒有壓力的情況下，通常球形均勻體系的恆星將收縮成具有無限密度的一個點，即所謂的奇點。我們關於宇宙的所有理論都建立在時空是光滑而扁平的假設上，它們會在奇點瓦解，在那裡時空的曲率是無限的。這標誌著其自身時間的終結——這也正是令愛因斯坦非常不爽的事情。
在那之後，世界大戰爆發了。很多科學家，包括羅伯特·奧本海默，都把方向轉移到了原子核物理學。引力坍縮的問題也被拋到了九霄雲外。後來，隨著遙遠星體的發現，大家對這個問題的興趣又提了起來。首個類星體於1963年被發現，即3C273。許多其他類星體也很快被我們看到。儘管距離遙遠，它們卻非常明亮。核反應過程無法解釋它們的能量輸出，因為它們只把剩餘質量的極小部分作為純能量釋放出來。唯一的解釋就是通過引力坍縮釋放出的引力勢能。
星體的引力坍縮重新進入人們的視野。很明確，均勻的球狀恆星會收縮成具有無限密度的奇點。
愛因斯坦的方程在奇點上無法被界定。這意味著在這個擁有無限密度的點上，我們無法預測未來。換句話說，當恆星收縮坍塌的時候，可能會發生一些奇異的事情。如果奇點並不是裸露的，即它們並非與外界隔離的，那麼預測的瓦解並不會影響到我們。當約翰·惠勒在1967年提出了「黑洞」這個詞的時候，它取代了之前的名字——凍星 (frozen star)。惠勒用的這個詞強調了坍塌恆星遺迹的自身特性，蘊含了其形成方式。黑洞的名稱自此迅速流行起來，它象徵了黑暗 (dark) 而神秘 (mysterious) 的東西。不過法國人，身為法國人的他們，看到了更為低俗的寓意。很多年來，他們都拒絕使用這個名稱「trou noir」，說這太淫穢了。不過這就像「Le Week-end」和其他外來語一樣，最後他們還是要接受。誰能擋住這樣一個流行語呢？
作為外部觀察者，你無法知道黑洞裡面到底是什麼樣的。你可以把電視機、鑽戒什麼的扔進去，甚至把你最討厭的敵人扔進黑洞。而黑洞所能記下的唯有其質量和旋轉狀態。約翰·惠勒把這一原則稱為「黑洞無毛」。對於法國人來說，這應該正好打消了他們的疑慮。(全場大笑)
黑洞是有邊界的，這叫做事件視界 (亦稱「視界」)。在視界上，引力的強度剛好可以把光拽回來，使其無法逃逸。由於沒有什麼比光速還快，所以任何其他東西也都會被拉回來。墜入視界有點像乘著獨木舟划過尼亞加拉大瀑布。如果你在瀑布上面，劃得足夠快，那麼你可以逃掉，可一旦你過了那個邊界，你就掉進去了，沒有回頭路。你離瀑布越近，水流速度越快。也就是說船頭受到的拉力要大於船尾受到的拉力，所以獨木舟是有一定風險被撕開的。黑洞也是如此，如果你的雙腳先墜向了黑洞，那麼引力對你腳的拉拽會大於對頭部的拉拽，因為腳離黑洞更近。結果就是你的身體被拉長壓扁，墜向一側。如果這個黑洞的質量有我們太陽的幾倍，那麼你將被撕開，在你到達視界的時候就已經成了義大利面。不過，假如你墜入一個更大的黑洞，比如質量為太陽的100萬倍，你將輕鬆地抵達視界。所以，誰要是想探索一下黑洞內部，記著要選一個大點的。目前在銀河系的中央，有一個質量約為太陽400萬倍的黑洞。
雖然你在掉入黑洞的時候不會感到異樣，但是別人從遠方觀察的話，永遠不會看到你穿過視界。相反，你會顯得慢下來，在事件視界外面徘徊。你的形象將越來越模糊，越來越紅，直到你完全在視線中淡去。就外部世界而言，你永遠地消失了。
1970年，數學上的發現極大地推進了我們對這些神秘現象的理解。隨著額外物質或輻射進入黑洞，視界的表面區域和黑洞的邊界會不斷擴大。這些性質表明，黑洞視界的面積與傳統經典力學有一定相似之處，尤其是熱力學熵的概念。熵可以視為對一個系統混亂程度的衡量手段，這也可以認為是對系統的精確狀態缺乏認知。著名的第二熱力學定律認為熵會隨著時間而增加。這一發現是這種重要關聯的首個線索。
儘管熵和視界面積具有如此清晰的相似性，對我們而言如何以黑洞自身的熵來確定視界面積也不是那麼容易的。黑洞的熵是什麼意思呢？1972年雅各布·貝肯斯坦 (Jacob Bekenstein) 提出了重要觀點。他先後在普林斯頓大學和耶路撒冷希伯來大學從事研究。他認為，當引力坍縮產生黑洞後，它很快穩定下來進入定態，其特徵只由三個參數決定：質量、角動量和電荷。除了這個三個屬性，黑洞不會保留坍縮前星體的任何信息。
他的理論涉及到了信息，即宇宙學家視角的信息：宇宙中的任何粒子和任何力就「是與否」問題都有一個含蓄的答案。這個理論意味著在引力坍縮中，大量的信息都消失了。比如，最後的黑洞不會反映出在坍塌前的星體是物質還是反物質，或者原來是球形的還是高度不規則的。換言之，具有給定質量、角動量和電荷的黑洞，可能形成於任何一種結構的物質的坍縮。所以看起來一樣的黑洞，可能來自於很多不同類型的星體。當然，量子效應被忽略了，星體結構的數量可能是無限多的，因為黑洞也可能形成於擁有巨大不確定數量且不確定低質量的粒子云團。不過，這些不同結構的數量真的是無限多麼？
量子力學的不確定性原理告訴我們，只有波長小於黑洞本身波長的粒子才能夠形成黑洞。也就是說，波長是有限制的：這不會是無限多的。因此，對於給定質量、角動量和電荷的黑洞來說，能夠形成它的物質結構數量儘管很大，但可能還是有限的。雅各布·貝肯斯坦認為通過這一有限的數量，我們可以解釋黑洞的熵。對於在黑洞形成時丟失且無法取回的信息來說，這種方法將能夠測量那些信息的數量。
當然，貝肯斯坦的理論也有明顯的瑕疵：如果黑洞擁有與其視界面積相稱的有限的熵，它也應該具有切實的溫度，與其表明引力相稱的溫度。這說明黑洞可能處於熱輻射平衡狀態，具有一個非零的實際溫度。然而根據經典概念，這樣的平衡態是不可能的，因為黑洞能夠吸收所有進入其中的熱輻射，但是按定義來說，它不會釋放任何東西，也不會釋放熱量。
這是一個悖論，以後我將繼續這個話題，還會介紹黑洞如何挑戰宇宙中最基本的可預測性原理，以及歷史的確定性，並談談如果你被吸進黑洞了將會發生什麼。
提問：如果兩個黑洞發生碰撞，會發生什麼事情？
霍金：如果兩個黑洞碰撞並融合為一個新的黑洞，那麼新黑洞事件視界的面積要大於前兩個黑洞的視界面積之和。
提問：我們知道，您在生活中面對著種種艱難。能講講是什麼東西激勵著你前行的嗎？
霍金：我想是我的工作以及那麼點幽默感讓我得以繼續自己的生活。在我21歲的時候，我簡直絕望了。這些你可能都知道，有部電影講的就是我的故事。儘管我很不幸地患上了肌萎縮性脊髓側索硬化症，但可以說我在其他所有事情上都非常幸運。我有幸在這個迷人的時代從事理論物理學，而這正好不會受到我身體的太大影響。同樣重要的是，無論在生活中面對怎樣的艱難都不要憤怒，一旦你無法笑看自己，笑看人生的時候，也就失去了所有希望。
霍金的女兒露西·霍金可以說在過去四十年中一直照顧著霍金。作為最了解霍金的人之一，她是怎樣看待霍金對生活的態度呢？
露西·霍金：他是個極其固執的人，同時又有著令人羨慕的進取心，他能夠調動所有的能量和精力全心投入進去。這不僅是為了生存下去，他從事著非凡的工作，寫書，講課，激勵其他患病的殘疾人……對於很多人來說，他是個居家男人，是好朋友，是同事，他與全世界的朋友都步伐一致。所以，他擁有著很多特質。不過我覺得他的固執，他活下去的毅力，以及他自己談到的笑看人生的幽默感，這些會是他身上耀眼的符號。
責編：漢網
請您繼續閱讀更多來自 漢網 的精彩文章:※1000000000度！NASA發現黑洞恐怖一面！
※7800光年黑洞噴流：能量相當於1000顆恆星
※NGC 4696：黑洞周圍的絲狀結構
※10的100次方年后：最后一个黑洞将消失
※7800光年黑洞噴流 能量相當於1000顆恆星
※天鵝座V404黑洞探測到物質風：每秒3000公里
※天鵝座V404黑洞周圍探測到中性物質風：每秒3000公里
※科學家發現128億光年外120億倍黑洞
※天文學家拍攝到距地球7800光年的「天鵝座V404」黑洞蘇醒
※X射線深場中的1000個黑洞
※宇宙神秘天體：最近黑洞僅1600光年
※黑洞裡面有什麼?竟藏3000萬鑽石星球
※10的100次方年後：最後一個黑洞將消失
※Arp 299：碰撞星系中的黑洞
※今天梅姨隔壁的男人算出￡1220億黑洞，還要漲工資！修5G！砍中介費！
※「EXO」「分享」170514 跳繩天才D.O. 展現神級雙搖跳 黑洞世勛，額……連鞋都跳飛了
※美科學家：2017年開始給黑洞拍照
※NASA鏡頭下的2016：星球物質被超級黑洞吞噬
※如果朝黑洞發射10000000枚核彈並引爆，是否會影響黑洞？