黑洞-第23部分

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


　　　　法国天体物理学家梯包·达摩（Thibaut　Damour）描绘了黑洞表面与一个运动的带电肥皂泡之间的相似性。尤其是，黑洞是一个有一定电阻的电导体，因此，当一个转动黑洞被置于磁场中时，就会发生发电机效应。转子（黑洞）和定于（外部磁场）之间的感应现象会造成从能层中流过的回路电流，从而减慢黑洞的转动，即提取其能量。这种电流类似于一些重型机械的制动装置里使用的“付科（Foucault）电流”。
　　　　有利于由发电机效应来提取黑洞能量的条件可能存在于一些含有巨型黑洞的星系中心。
　　　　　黑洞激光
　　　　另一种提取黑洞转动能的方式是由俄罗斯物理学家雅可夫·泽尔多维奇（YacovZeldovich）于1971年提出的。这种机制被称为超辐射，这是由于它与粒子的受激发射这一熟知的量子力学现象之间的相似性。
　　　　原子里电子所占有的轨道的能量是量子化的，就是说只能是一个基本单位的整数倍。较低的轨道具有较低的能量，“正常”原子里的电子总是趋向于占有较低的轨道，这就是为什么处在高能级的电子会自发地通过发射一个光子而跳跃到低能级。光子是与电磁波相联系的粒子，发射光子的频率与两个能级之差相对应。这就是所谓自发发射。
　　　　反过来，如果一个原子被适当频率的电磁波“照射”，波就会使电子从低能级跃迁到高能级，波也就被原子所部分地吸收，并以较低的能量再传播。现在设想一个有适当准备的原子，其中的大多数电子已占有高能级，这时的原子被称为处于激发态。这种情况下人射电磁波只能导致从高能级到低能级的转移，这就是所谓受激发射，在这个过程中波因获得能量而被加强。这个由爱因斯坦于1916年发现的机制，就是激光作用的原理。激光是以物质和辐射的量子性质为依据所取得的最美妙的技术进展之一。
　　　　一个与此类似的过程可以利用转动的或带电的黑洞（克尔一纽曼黑洞）来实现。这种黑洞可以看作是静止和中性的史瓦西黑洞的“激发态”。第10章已经讲过，一个被照射的黑洞是如何能够吸收并部分地反射外来的光线，而当辐射的不连续性被考虑进来时，新的效应出现，并揭示出引力与量子物理之间的联系。如果有一个适当频率和位相的电磁波或引力波射向一个克尔一纽曼黑洞，反射波就会被加强。也就是说，黑洞把能量给予被散射的波。这个超辐射现象原则上也能使我们提取黑洞的转动能或电官自。
　　　　不妨再对一个克尔一纽曼黑洞与一个激发态原子之间的相似性作进一步探究。黑洞既然允许受激发射，它也就应当允许粒子的自发发射。由于粒子被（经典地）禁止离开视界，粒子的自发产生就必定发生在黑洞之外。
　　　　这种直觉已由对黑洞（用广义相对论描述）与物质或辐射（用量子力学描述）之间相互作用的详细计算所证实。黑洞的“退激发”可以表现为通过发射带电粒子而趋向电中性，也可以表现为通过发射自旋与黑洞角动量同向的粒子而减慢转动。原则上，所有类型的粒子（光子、中子、电子、质子等等）都能被产生出来，不过质量越大的粒子被产生的机会就越小。
　　　　由上所述，黑洞热力学的发展已把我们带到了“经典”世界与“量子”世界的结合处。我们已经看到，黑洞不再是乍看之下的那种无生气的引力饼，而是有着更多的性质。量子黑洞概念于1974年出现，它证实了黑洞的黑颜色，但却除掉了黑洞作为一个洞这一最后的经典性质。第十四章　量子黑洞
　　　　总有好奇成为罪过的时刻，魔鬼就站在科学家身旁。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——阿纳托·弗兰斯（Ara加ie　France）
　　　　　黑洞会缩小
　　　　史蒂芬·霍金于1971年提出有微型黑洞存在。他认为，在宇宙的初始时刻，远在恒星和星系形成之前，“宇宙浴盆”的压力和能量是如此之大，足以迫使一些物质小团块收缩成为不同尺度和质量的黑洞（见第15章）。特别是，可以由此形成微型黑洞，其质量相当于一座山，而尺度如同一个基本粒子。这些黑洞与现在宇宙中形成的黑洞不同，后者要求大量物质的引力坍缩。
　　　　霍金接着考虑这些小黑洞与周围介质的相互作用。这里所涉及的尺度是微观的，物质和能量就必须由量子力学来描述。前面已经说过，现在还没有一个令人满意的量子引力理论，不过，引力场，包括时空本身，直到普朗克长度才真正表现出不连续性，而这个长度比基本粒子或微型黑洞的半径要小得多。因此，微型黑洞与周围物质和能量的相互作用就可以按一个折衷方案来计算：时空连续体仍保持为“经典的”，并且可以由广义相对论来描述，只是其中容纳的物质和辐射才是量子化的。
　　　　霍金在1974年按这个方案行事，得到的结果完全出乎意料，以至于他以为自己算错了。他又检查了好几遍，终于被迫接受这样的结论：微型黑洞必定会蒸发，即向外发射粒子。
　　　　初看起来这是令人困窘的，这种行为是与黑洞禁止任何物质逃离视界这一“经典”概念公然对抗的。当然，一个“激发态”黑洞可以由缓慢地减少其角动量或电荷而失去一部分能量，但是粒子的发射仍然在视界之外。一个“退激发”的史瓦西黑洞必须保持其与面积和摘相联系的不可约质量能量，按照经典热力学第二定律面积和摘只能随时间增长，而现在霍金的计算表明，微型黑洞，不论是激发与否，都必须允许粒子逃离，即蒸发掉自己的质量和能量。怎么解决这个矛盾呢？
　　　　事后来认识一个重大的理论发现常常是容易的，因为它一下子使尚未理解的现象之间的关系得到了解释。在这个意义上，黑洞的量子蒸发来得正是时候，它证明黑洞的热力学图像是完全正确的，而这个图像的“经典”式描述，严格说来是不自治的，且看道理何在。
　　　　按照热力学定律，所有具有一定温度并沉浸在一种较冷介质（例如空气）中的物体，必定会发出辐射而损失能量。物体的摘减小而周围介质的墙增加。在这个交换中总结，即单个摘的总和，必定增加，这是第二定律所规定的。
　　　　关于黑洞，热力学是怎么说的呢？它有妨，由其表面积给出；有温度，由其表面引力给出。假设把黑洞放在一个浴器里，如果黑洞的温度比浴器的低，它将吸收能量并增加自己的摘；但是如果黑洞的温度高，我们就不得不承认黑洞应当把能量和摘交给浴器，而这与“经典”的黑洞热力学第二定律是矛盾的。
　　　　霍金的发现消除了这个不一致。由于量子力学的特定性质（这将在下面介绍），黑洞即使是在最低能量态也能发射粒子或辐射。由于丧失能量，黑洞的摘，亦即其面积减小，而周围环境的嫡则由于获得能量而增大，并且环境滴的增大量大于黑洞滴的减小量，于是总的摘仍然增大，热力学第二定律为黑洞加环境的整体系统所遵守。
　　　　　隧道
　　　　经典观点认为没有任何东西能逃离黑洞，视界是一个“单向膜”，只许进而不许出。从黑洞内部看来，视界就像是一堵无限高的墙，越过它需要有无限大的能量。
　　　　但是量子力学提供了穿过任何一堵墙的可能性，哪怕是没有足够的能量。这种现象被称为隧道效应，是测不准原理的直接结果，而测不准原理则是量子力学的基石，就像等效原理之于广义相对论。
　　　　按照量子力学，对微观世界的描述有着某种“模糊性”。例如，如果我们要测量一个孤立电子的位置，它就必须是有确定位置并且是可见的，要成为可见，它就必须被照明。一个电子是如此之小，用来照明它的光子会给它一个小冲力并改变其运动速度，因此，对电子位置的高精度测量就会导致对其速度测量的一定程度的不准确性。反过来也是如此，如果电子速度的测量精确到1厘米／秒，其位置的测量就不可能精确到1厘米以内。
　　　　更普遍地说，所有测量都会干扰微观系统。测不准原理是维勒’海森堡（WernerHeisenberg）于1927年建立的。当然，当所涉及的质量大得多时，量子不确定性就会减小。质子的质量大约是电子的2000倍，因此如果它的速度测量精度为1厘米／秒，其位置测量精度就能达到约5微米。这个精度虽有提高，仍然是很差的，因为质子的直径还要小上10亿倍。对宏观物体来说，由于其质量比起基本粒子来是如此巨大，因而位置和动量的测不准性都完全消失，宏观世界是“决定论的”（与目前人们的信念相反，这并不意味着其演化能被预测。许多非常复杂但仍完全是经典的即所谓“非线性”的物理现象．虽然是由决定论方程支配，却朝着完全不可预测的状态演化。这就是一个星期以上的天气预报总是那么不可靠的缘故，不论使用的计算机威力有多大）。
　　　　测不准原理也可以运用于其他置于化的物理量，例如能量，在一个很短的时间间隔里能量会有一定的涨落。经典地讲，从黑洞逃离是被禁止的，但是测不准原理允许粒子在一定时间间隔里从黑洞借助一定量的能量。如果黑洞是微型的，即尺度与基本粒子相当，能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离，其结果就是粒子逃出，黑洞损失能量。粒子并没有真的跳过视界“墙”，而是从一个由测不准原理短暂地打通的“隧道”穿过。
　　　　　真空极化
　　　　黑洞蒸发还可以由所谓真空极化来作出一种等价的解释。
　　　　在量子力学里，真空并不意味着没有任何场、粒子或能量。量子真空是一种能量为最低的状态，它只是被称作“真空”而已，实际上能量严格为零的状态是不可能存在的。
　　　　时间和能量的测不准原理解释了为什么真空不空。由于质量与能量的等价性，真空中的能量涨落就可以导致基本粒子生成。1928年，泡尔·狄拉克（Paul　Dirac）发现，每一种基本粒子都有一种对应的反粒子，二者质量相同，其他性质呈“镜像”对称。电子带负电荷，其反粒子，即正电子，质量相同而电荷相反。光子没有质量，它的反粒子也就是它自己。一个粒子与其反粒子相遇，就会相互湮灭，将质量转化为能量。因此，一个粒子和它的反粒子就表示相当于它静质量2倍的能量，反过来，一定量的能量也可以被看作是一对正二反粒子。于是，由于能量涨落而躁动的量子真空，就成了所谓“狄拉克海”，其中遍布着自发出现而又很快湮灭的正二叵粒子对。
　　　　一对正一负电子在10“’秒内自发地产生和消失。质量更大的粒子对也可以在真空中出现，但是按照测不准原理，它们只能存在短得多的时间。真空中产生的质子、区质子对平均存活的时间比电子一正电子对要短2000倍。
　　　　在不存在任何力的量子真空里，粒子对不断地产生和消灭，所以平均说来就没有任何粒子或反粒子真正产生或是消灭。这些粒子也不能被直接观测，所以被称为虚粒子。现在设想有一个力场，例如电场，作用在真空上。当一对正、负电子在真空中出现时，它们就会被电场沿相反方向分离。如果电场足够地强，它们就会分离得足够地远，以至于不能再相互碰撞和