走進不科學  第七百一十六章 搶了霍金飯碗(上)

類別: 科幻 | 超級科技   作者:新手釣魚人  書名:走進不科學  更新時間:2023-12-09
 
得到了徐云的肯定答復后。

楊振寧下意識在面前的算紙上畫了個O型的圓圈,眼神閃爍莫名:

“黑洞么”

早先提及過。

在眼下這個世紀的40年代末,人們成功的在平直時空中把各種物質場實現了量子化。

于是他們便很自然去試著如何將彎曲時空中把物質場量子化,以及將引力場本身量子化。

即使在建立自洽的量子引力理論遇到巨大疑難與阻力的時候,也依舊不妨礙人們在彎曲時空中建立量子場論。

彼時的時空仍然是經典的,物質場則是量子化的。

不過不同于經典物理的牛一牛二找個空地就能驗證,“場”這個概念計算起來容易,想要在現象上驗證它卻有點困難——至少對于60年代的科技水平來說確實如此。

而黑洞這玩意兒,無疑一個是檢驗彎曲時空量子場論的有力場所。

黑洞被提出的時間其實很早,早到可能有些顛覆許多人的認知:

黑洞這個概念最早問世的時間,是在1783年。

沒錯。

不是1983,也不是1883,而是1783。

這一年華夏正值乾隆四十八年,乾隆帝第四次東巡盛京完畢,大肆揮霍了一筆錢財。

同時在乾隆抵達吉林的第五天。

當時劍橋大學的地質學教授兼牧師約翰·米歇爾,在英國皇家學會的一次演講中推測了太陽引力對其輻射光線的影響。

比他更早的羅默在17世紀通過觀察木星的日食時間確定了光速是有限的,因此米歇爾認為自太陽的光子在離開太陽時由于太陽的引力會減速。

他的推測指出,如果太陽的直徑是原來的500倍大,密度相同,那么它的質量將是108個太陽質量,重力會阻止光從太陽中逃逸。

接著在1915年,愛因斯坦闡述了廣義相對論,得到了引力如何影響光的協調理論。

1916年。

基于愛因斯坦場方程的史瓦西解問世。

1939年。

奧本海默證明了死亡恒星如果質量大于一個界限,就會無法對抗自身引力,形成無限密度的黑洞,也就是赫赫有名的奧本海默極限。

至此,黑洞在數學和物理上的認知已經被推導到了一個不說多完美吧,至少相對成熟的區間。

理論上來說。

通過觀測黑洞周圍的引力效應,科學家們能夠驗證相對論的預測——例如光線彎曲和時空扭曲等等。

另外通過觀測黑洞吸積盤和噴流,物理界海可以研究高能物質在極端引力場中的行為,這幾乎是等離子體與射電波相關的入門基石。

當然了。

以上這句話是站在后世角度來說的,眼下這個時期對于黑洞的認知與探索還非常的淺顯。

如今黑洞這個名稱還沒完全確定,除了黑洞之外,它還有黑星、暗星之類的別稱。

隨后楊振寧的筆尖在自己畫出來的圓形內部點了點,對徐云說道:

“小徐,聽你這意思.你認為黑洞里藏著新物理?”

不同于此前寬泛的宇宙概念,楊振寧對于黑洞研究的價值還是比較清楚的——依舊是相對而言。

徐云則很快點了點頭:

“楊先生,我認為這句話應該是個肯定句。”

楊振寧面色不變,反問道:

“那么證據呢?你應該知道,目前幾乎所有有關黑洞的推導都是數學猜想而已。”

“如果極端一點說,黑洞這玩意兒存不存在都講不準呢。”

“黑洞的存在本身尚且如此,就更別說它內部的物理狀態了。”

“除非你能給我一個它內部存在新物理的證據,否則我個人對于這個項目持保留意見。”

徐云手指篤篤的在桌上敲了幾下:

“理論上的證據?還是要實際的現象?”

楊振寧的語氣依舊古井無波:

“當然是前者足矣,后者你要是能拿的出來,我真就要懷疑你是外星驢成精了。”

如今黑洞的跡象物理學界都沒發現幾樣呢,如果想要叫徐云給出現象上的證據,那這顯然有些強人所難了。

況且在楊振寧看來。

即便只是理論上的證據,徐云恐怕也拿不出來多少。

畢竟這可和元強子模型不一樣,元強子模型再怎么樣超脫這個時代,也終究是依靠加速器的實驗報告來構建的框架。

黑洞這玩意兒如今八字沒一撇,光靠數學和邏輯推導想要得出一些價值一般的成果不難,但顛覆性的成果就幾乎沒啥可能了。

然而令楊振寧有些意外的是,過了片刻,徐云的聲音卻幽幽從對面傳了過來:

“楊先生,不瞞您說,這個證據我還真拿得出來。”

楊振寧頓時一怔,下意識道:

“什么證據?”

徐云又沉默一會兒:

“比如說黑洞這個系統之內有熵存在。”

由于這年頭電話信號不太好的緣故,楊振寧聽到這個詞的第一時間,并沒有意識到徐云所指的是什么。

但緊接著。

嘩啦——

楊振寧整個便猛然從座位上站了起來,震驚的聲音之大連外頭的陸光達都有所感知:

“你說什么?黑洞有熵??!!”

徐云篤定的點了點頭,接著又給自己話增加了幾份重量:

“準確來說,黑洞熵正比于黑洞的表面積。”

十多秒鐘后。

從震驚中回過神的楊振寧想要平復一下情緒,卻發現自己的臉頰都在微微顫抖:

實話實說。

如果不是徐云此前展露出了很強的物理學功底,加之還有兔子官方為這通電話背書,這時候楊振寧估摸著都快掀桌了。

黑洞有熵?

這怎么可能?

這是一個熱力學的概念,但在歷史的發展中,各種因素造就了它非常豐富的內涵,進入了很多學科的視野。

這個概念從定義上解釋起來非常復雜,涉及到了香農、克勞修斯、玻爾茲曼等等,還包括了熱力熵、信息熵、化學熵等等

但其實它也可以解釋的很通俗:

簡單來說,熵代表了物質混亂程度。

有臥室的同學應該都知道。

在保持有人生活的情況下,自己的臥室要是不去收拾它,就會變得越來越混亂。

最開始可能是衣服變得雜亂,接著是書本、智障、筆、數據線、快遞箱開始出現在各個位置,最終變成一個狗窩。

這里屋子混亂的定義就是熵,混亂程度越高,熵就越高,也就是所謂的熵增。

熵減則是指在一個封閉系統中,系統的熵值隨著時間的推移而減少——這在正常情況下是不可能的,除非你人工干預性的對你的臥室進行整理,否則房子它自己無法自潔。

簡潔明了.JPG。

熵增概念同樣在宇宙角度成立,物理學界公認宇宙的熵一直在增加,因為行星不停在變化:

有的星球彼此相撞碎裂成小塊,有的星球壽命終止變成了紅巨星等等。

對于黑洞這玩意兒,很多學者的看法就不一樣了:

他們認為黑洞是不存在熵的。

因為根據上面打掃屋子的舉例,再復雜的東西被黑洞吞下去后“狀態”都會變得簡單,那么理論上來說這屬于熵減的情況。

可是熵減在獨立系統中是不允許出現的情況,因此黑洞只能是萬無狀態——沒有生命,沒有光,沒有熵。

也就是所謂的幺正性原理。

結果沒想的是

徐云張口不但說黑洞有熵,而且居然還說黑洞熵正比于它的表面積?

要知道。

黑洞的表面積是不停在增大的,如果黑洞熵正比于表面積,那么豈不是說黑洞系統是熵增狀態?

想到這里。

楊振寧忍不住再次深吸了一口氣,強忍著駁斥異端的沖動,對徐云問道:

“小徐,口說無憑,你的證據呢?”

徐云抬頭看了眼墻上的時間,不知不覺自己和楊振寧的聊天已經持續一個小時了:

“楊先生,首先我們要明確一點,參數化一個黑洞,理論上來說只需要三個量。”

“也就是質量M,電荷Q和角動量J,這個沒問題吧?”

楊振寧點了點頭:

“嗯。”

早先提及過。

愛因斯坦場方程有個最早同時也是最有名的特解,叫做史瓦西解。

這個解所描述的物體就是黑洞,其中黑洞的視距界限就是所謂的史瓦西半徑,因此有部分黑洞也叫作史瓦西黑洞。

史瓦西黑洞是靜止的球對稱黑洞,只有一個參數,即質量M,也是模型上最簡單黑洞。

接著在史瓦西黑洞的基礎上,物理學家推導出了旋轉的黑洞,也就是克爾紐曼黑洞。

它是Q0的克爾黑洞的推廣,也是整個宇宙中最普遍的一種黑洞。

根據克爾紐曼線元顯示,描述黑洞只需要質量M,電荷Q和角動量J就行了。

接著徐云靜心聽了聽話筒對面的動靜,很快,電話對頭傳來了一道‘嗒吧’聲。

這是楊振寧將筆放到桌面上的聲音,代表著楊振寧已經寫好了算式。

于是徐云很快便又說道:

“在這個基礎上,當年羅伯特·杰勒西提出了一個駁斥廣義第二定律的思想實驗。”

“也就是將一個物體緩慢的挪到黑洞視界處,并把它扔進了黑洞里頭。”

“這時可以發現,黑洞的熵并沒有增加,而物質的熵減小了,因此廣義熵在這一過程中是降低的。”

楊振寧點了點頭,這是一個非常有名的思想實驗。

隨后徐云深吸一口氣,繼續說道:

“但實際上呢,由于物體有厚度為了方便舉例,這里就假設用一個球做實驗好了。”

“對于一個球形物體,因為它具有有限的半徑R,實際上我們不可能把它降低到黑洞視界才能扔進去——在視界上方R(固有距離)的時候就截止了。”

“這時黑洞熵會增加一些,而物質的熵會消失,從而保證廣義第二定律的成立。”

楊振寧頓時虛起了眼,這倒是個挺新奇的角度。

接著不等楊振寧細思,徐云又開口了:

“那么楊先生,如果這個過程不是一個球和一個黑洞,而是”

“兩個黑洞同時合并呢?”

“黑洞合并?”

楊振寧下意識看向了自己最初在紙上畫的那個代表著黑洞的O,目光焦距迷失了片刻,緊接著便呼吸一滯,飛快拿起筆書寫了起來。

“一般穩態黑洞滿足dMκ8πGdAΩdJΦdQ”

“如果假設黑洞與黑洞合并,那么由球例子可知dA/dt≥0,同時引入角動量”

聽到楊振寧計算中的自言自語,徐云的臉上亦是忍不住浮現出了些許感慨。

黑洞。

這是一個物理學史上非常特殊的話題。

它的特殊性不僅在于它的現象性質,還在于它的時間跨度。

上頭提及過。

它的概念早在1783年就被提出來了,那時候小麥他爹都還是個受精卵呢.

但直到19世紀的第二個十年,物理學界才在數學上對它有了一定了解。

然而這僅僅還是個開始。

按照歷史發展。

從1920年開始,物理學界對黑洞的研究還會停滯整整五十年,直到1970年前后才會出現關鍵性的突破。

這個突破便是霍金提出的黑洞面積定律,以及雅各布·貝肯斯坦根據霍金定律提出的貝肯斯坦極限,也就是貝肯斯坦霍金熵。

貝肯斯坦極限解釋起來很復雜,總結起來其實就一句話:

半徑r的球體,總能量(包括靜止質量相應的能量在內)為E,那么這一球體的熵最多是2πkcEr。

從這個角度上來說,人的想象力是無窮無盡的這句話其實也是錯的。

人的大腦大約重1.5kg,體積是1260cm3,如果看作球體則半徑為6.7cm。

按一般人腦的尺寸和質量計算,人最多只能有1042種念頭。

即便人們意識上傳,變成巨大計算機中流動的思維,這個界限仍然存在。

地球大小的計算機或“大腦”,也最多只有1075種念頭罷了。

256位密鑰就可能讓這計算機硬算快兩分鐘,512位密鑰則可能要硬算將近10的72次方年——因此某些里某某角色一個念頭可以推演古今的情節壓根就不存在,實際上連個密碼鎖都未必破解的了,咳咳.

同時限制這點的還有布雷莫曼極限,1kg物質1秒能夠達到的最快的運算速度是1.361050次方個bits算了還是不毀玄幻了。

總而言之。

貝肯斯坦極限證明了黑洞擁有黑洞熵,并且與黑洞的視界面積成正比。

這個過程雖然是純數學推導,但2015年LIGO觀測到的引力波事件GW150914卻證明了這個推導的正確性。

同時很令人感慨的是。

貝肯斯坦極限這種后世你可以在《走進本土驢》這類網絡里看到的概念,在眼下這個時代卻屬于徹頭徹尾的奧秘極知識。

即便是楊振寧這樣的大佬,此前都聞所未聞。

(本章完)

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