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《柔软的宇宙 第16章 星际穿越》

基本信息

  • 书籍大小：未知
  • 书籍语言：简体中文
  • 书籍类别：科普
  • 书籍标签：科普
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内容介绍


        但是就在霍金提出黑洞辐射的前后脚，另一个物理学家安鲁计算证明了安鲁效应。这个效应很奇怪，在一个匀加速的观察者看来，周围的真空会放热，真空居然有温度了！这是非常奇怪的一件事。而温度与观察者的加速度有关系，安鲁自己也不是很明白，这到底意味着什么呢？后来看到了霍金对于霍金辐射的证明过程，他恍然大悟，自己发现的这个效应和霍金辐射有异曲同工之妙。因为按照爱因斯坦的广义相对论，加速运动引起的惯性效应，跟空间弯曲引起的引力效应是不能分辨的，因此在霍金辐射是黑洞视界附近真空量子效应引起的热辐射。安鲁效应是加速引起的量子效应热辐射，在一个加速观察者后面，会有一个弧形的视界，与黑洞视界是类似的。在加速运动的观察者看来，真空不再是正反对称抵消的，会以热辐射的方式释放能量，这又是一个毁三观的发现。原来，你感觉周围的真空是没有温度的，但是从你身边加速通过的另外一个观察者可不这么认为，他会感到周围的真空是有温度的，真空的温度居然也与观察者状态有关系。

        黑洞蒸发的问题引起一群量子物理学家的不满，他们认为：一对纠缠的粒子，负粒子掉进了黑洞，正粒子辐射出去了，这时候温度会急剧升高，那么在黑洞视界的背面就会出现一道温度极高的火墙。真空里面瞬间产生的一对虚粒子是相互纠缠的，你以为拆开纠缠的粒子那么省事吗？要是把这些复杂的情况考虑进去，哪还有那么简单！为了信息守恒的问题，霍金还和索恩一起跟普雷斯基打赌，他跟索恩是一个战壕里的战友。

        霍金很爱打赌，他平生有三大爱好，第一个物理学，是职业，第二个是摇滚乐，算是业余爱好。毕竟英国是摇滚的重量级国度，霍金青少年时代，披头士正流行，喜欢摇滚这也难免，第三个爱好就是打赌。1975年，他跟索恩就打过赌，那时候刚好发现了天鹅座X1（图16-1），是一个非常强烈的辐射源，能够喷射出高能的X射线和伽马射线。这是一个双星系统，距离我们六千光年。一个天体疯狂地从隔壁邻居身上偷吃气体，因此会发出强烈的辐射。霍金就打赌：这个X1不是黑洞，索恩则认为是黑洞，假如霍金输了，霍金就给索恩买一年的《阁楼》杂志。霍金其实内心非常希望X1是个黑洞，那他为啥要打赌X1不是黑洞呢？他是这么盘算的：假如X1是黑洞，那么自己的理论就赢了，就算给索恩订一年的杂志也不算亏；要是自己打赌赢了，X1的确不是黑洞，那么能获得索恩给订一年的《私家侦探》杂志也不错。这是金融领域常用的一招，叫做“对冲”，可见他经济头脑也不差，估计改行当基金经理都没啥问题。所以我们会发现，霍金打赌往往是反的，他希望存在黑洞，那么他跟人打赌必定是赌黑洞不存在。这样他不论输赢，都不会吃多亏。


                                                    图16-1　天鹅座X1

        这个赌约一直到了1990年才有比较确定的证据：X1就是黑洞。于是霍金话付前言，趁着到南加州演讲的机会去找索恩认输。恰巧当时索恩人在莫斯科，没在美国，霍金大张旗鼓地闯入索恩的办公室，把当年的赌据翻出来按了手印表示认输，给索恩订阅了一年的《阁楼》杂志。第二次打赌是有关会不会存在裸奇点的问题，霍金说不会有裸奇点。后来人家证明黑洞蒸发的时候，有可能剩下一个裸奇点。霍金耍赖不干了，说这个裸奇点是量子力学的裸奇点，跟那个广义相对论的裸奇点不是一回事，闹了半天想赖账，后来赖账不成，老老实实认输了事，赌注是一百英镑外加一件衣服。霍金弄了件T恤衫送去，衣服上还写上了一句话——“大自然讨厌裸奇点”，他还是死犟嘴。

        第三次打赌就是有关黑洞里面的信息是不是会消失的问题了，这一次霍金和索恩是一伙的。大概霍金吃了索恩好几次亏，这回学乖了，不打算跟索恩作对，俩人跳到了一个战壕里，合伙对付普雷斯基。霍金在1974年证明了霍金辐射，黑洞发射出的光谱就是标准的黑体谱，不带任何信息，你只能知道温度，其他的你啥也不知道了。黑洞的蒸发是纯态变成了混合态，宇宙的熵增加，但是重子数守恒、轻子数守恒、信息守恒全部被破坏了。所以普雷斯基认为这不可能，黑洞里面的信息一定会以某种形式跑出来。这时候有两个人出来证明了信息真的守恒，他们就是派瑞克和威尔切克。派瑞克是威尔切克的学生，威尔切克还因为夸克粒子理论（强作用）方面所取得的成就研究获得了2004年的诺贝尔物理学奖。

        他们要在霍金的理论上挑出毛病来才能够推翻霍金的理论，然而霍金的黑洞辐射计算是非常严谨的，想要鸡蛋里挑骨头，难度很大。不过毛病还真给他们挑出来了。他们说：霍金你有个因素没想到，一个黑洞，跑出来一个光子，黑洞就减少了一丝的质量，半径那么一缩，导致黑体谱偏移了一丝，因此这个黑体谱就带上信息了，信息就跑出来了。大家都懵了，谁也没想到少掉一个光子也要计算进去，黑洞的质量太大了，即便是恒星级别的黑洞，质量起码也是太阳的好多倍。黑洞这么大的质量，跑出一个光子，你还好意思计账吗？大家都觉得这一个光子引起的变化完全可以忽略不计，但派瑞克认为这一个光子是必须计算在内的，正是因为少了个光子，黑洞轻了一丝，半径一缩小，导致黑体谱偏移，信息就带出来了。我们讲的好像很简单，其实计算起来麻烦透顶，要计算量子隧穿效应。他们计算的是史瓦西黑洞和RN黑洞，派瑞克因此获得了国际引力学会的一等奖。

        他们的论文一发表，世界人民又一次开启刷论文模式：你算个RN黑洞，那好啊，还有克尔黑洞没人算呢，我去算个克尔黑洞；你算个光子辐射，那电子行不行啊？其他粒子行不行啊？基本粒子不要太多哦！你别以为灌水刷屏是没有意义的事啊，大家灌水一多，会发现他们的论文里面有瑕疵。派瑞克的计算过程里用到了可逆过程，但此处不可以使用可逆过程，那么他们的证明很有可能就是无效的，一朝回到解放前。论文无效的话，奖项是不是也无效了呢？那倒是不必，如此尖端的领域，思想突破比最终的计算更重要。

        到了2004年，霍金做了一个演讲。他认为自己输了，认为黑洞可能过于理想化了，真实情况恐怕不是这个样子，信息是守恒的。索恩不服气啊，他说这事不能霍金一个人说了算，你也不商量一下就认输了。普雷斯基听得一头雾水，他也不知道自己怎么就赢了。不管怎么样，霍金是认输了，答应给人家一本《棒球百科全书》，这次打赌的赌注是信息本身，哪知道这本书绝版了，买不到，霍金就给人家找了一本《板球百科全书》凑合了。

        索恩不依不饶，就是不认账，反正他也不亏，那本书本来他也需要掏钱，他没给。他自己也很喜欢打赌，而且经常赢。霍金输多赢少，索恩赢的比较多。当然索恩也输过，他跟苏联人打赌，结果输了一瓶上等的威士忌，苏联人爱喝酒那是出名的。索恩的研究范围很广，到处都有涉足，最出名的成就就是对于虫洞的研究。这个虫洞要从爱因斯坦讲起了。爱因斯坦-罗森桥，顾名思义是爱因斯坦与助手罗森合作完成的。他们认为：黑洞的奇点，会通向另外一个宇宙，那边是个白洞，会喷出来。但是后来研究发现，黑洞到白洞之间的那个喉部是封死的，物质或者信息要想穿越过去是不可能的，只有
超光速的信号才能传过去。现在我们找不到超光速的信号，光速是物理极限，因此这个爱因斯坦罗森桥是死口，通不过去。

        到了1957年，米斯纳和惠勒一起研究，发现了虫洞的确可能存在。惠勒非常擅长起名字，“虫洞”这个名字又是惠勒给起的，这个名字很形象。他们研究的这个虫洞，依然无法通过，两个黑洞的奇点可能一瞬间能够联通起来，但是马上就断了，连光都来不及穿过去。假如是克尔黑洞行不行呢？毕竟奇环比奇点可爱多了，奇环不是像一个机器猫的任意门吗？可以穿进穿出才对啊。但索恩认为这是不行的，有个“柯西视界”，你一碰，这个通道就塌了。这时候量子科学家们又出来搅局，他们说奇点和奇环附近有大量的量子效应，你会烧得渣都不剩，说起来也很有道理。假如把虫洞附近量子涨落之类的情况全考虑进去，真不知道是什么景象。

        一直到了二十世纪八十年代，对虫洞的研究进展都不大。那时候的虫洞，并没有如今这么大名气，直到出现了卡尔·萨根。这位可是科普界的达人，人家名气大，影响力强，不仅是科普达人，还是科幻作家。1985年，他写了一部科幻小说叫做《接触》，在小说里面需要一个星际穿越的情节。假如要跟织女星周围的人做联系，就必须想法子穿越到织女星周围去。卡尔·萨根想利用黑洞，从这边的黑洞跳进去，然后从那边的白洞喷出来，这不就完成穿越了吗？他写完了小说以后，找索恩把把关找找BUG，索恩看后告诉卡尔·萨根，不作死就不会死，不要用黑洞，进黑洞是自寻死路，要改用虫洞，这玩意还是有可能玩儿出星际穿越的。

        卡尔·萨根听从了索恩的意见，后来小说大卖，还拍成了电影，算是最硬的硬科幻电影之一。好莱坞不会放过这么优秀的宏大题材，换成今天国内互联网业界术语这叫“IP”。虫洞也就从一个科学计算的模型，变成了一个公众常常挂在嘴边的名词。索恩决定要好好地研究一下虫洞（图16-2），探索可以穿越的虫洞到底需要什么条件才能成立。1988年，他和学生莫里斯发表了一篇论文，这篇文章发表在了《美国物理学》杂志上，这名字虽然带着“国字号”，其实只是给物理教师看的半科普性质的杂志，这相当于小庙来了尊大神仙。他们的论文就发表在了这么一本杂志上，严谨地证明了一个虫洞如果有足够多的负能物质是可以撑开的，可以稳定地存在一段时间。但是，需要的负能物质的量太大了，撑开一个半径一厘米的虫洞，需要地球质量的负能物质，撑开一个半径1千米的虫洞，需要太阳质量的负能物质，假如撑开一个一光年半径的虫洞，那就需要银河系星星总量一百倍的负能物质。


                                                            图16-2　虫洞

        即便是撑开一个直径一厘米的仅能偷窥的虫洞，我们需要的负能物质也多得惊人。想让一个大活人钻过去，那是不可能的。1千米够不够呢？其实也不够。直径过小，张力会扯碎任何物质。说白了，时空不平摊，扭曲太厉害，物质受不了，只有超过一光年大小的虫洞，才有可能不会扯碎物质。原子可能不会扯碎，人就保不齐了。况且需要的并不是我们宇宙中随处可见的正能量物质，而是负能量物质，这种物质恐怕找都找不到。

        什么是负能物质呢？大家知道质量可以折算成能量，E＝mc 2 这个公式，大家都不陌生。光速的平方，一定是个正值，能量要形成负数，只有质量是负的才行。负质量物质，一切行为都与正质量物质相反，万有引力变成斥力了，你明明向前推，它却反过来向后加速。中学生都知道F＝ma，F是正的，m是负的，a当然是负的，F与a的符号总是相反，反正这种物质非常奇怪。

        那么，能不能用其他的途径获得负能量的物质呢？答案是可以的。按照量子力学的描述，真空不空，真空并非空无一物，而是一片沸腾的量子海洋，各种虚粒子在其中不断出现，然后又不断泯灭。在1948年，卡西米尔描述了一个现象，这个现象后来被称为“卡西米尔效应”：在真空里，插入两块金属板，相互平行不接触，当距离非常近的时候，两块金属板会感受到一股向内的压力。两块金属板是电中性的。那么这股压力是å摢閲屾潵鐨勫憿锛熷崱瑗跨背灏旂粰鍑轰簡瑙ｉ噴锛氫袱鍧楅噾灞炴澘涔嬮棿锛屽苟闈炰粈涔堥鐜囩殑娉㈤兘鑳界ǔ瀹氬瓨鍦紝鍥犱负椹绘尝鐨勪綔鐢紝鍙湁鐗瑰畾棰戠巼鐨勬尝鎵嶈兘瀛樺湪銆傞噺瀛愬姏瀛︽湁涓�涓緢鏈夋剰鎬濈殑鐜拌薄锛屽彨鍋氣�滄尝绮掍簩璞℃�р�濓細涓�涓矑瀛愶紝鏃㈡槸绮掑瓙鍙堟槸娉€�備袱鍧楅噾灞炴澘涔嬮棿锛屽彧鏈夋尝闀垮悎閫傜殑绮掑瓙鎵嶈兘瀛樺湪锛岄噾灞炴澘澶栦晶锛屾病杩欎釜闄愬埗锛屼换浣曠矑瀛愰兘鍙互瀛樺湪銆傚洜姝や袱鍧楅噾灞炴澘鍐呬晶涓庡渚х殑閲忓瓙鎬佷笉涓�鏍凤紝瀵艰嚧浜х敓浜嗕竴鑲″悜鍐呯殑鍘嬪姏銆備袱鍧楅噾灞炴澘鐩歌窛鍗佺撼绫崇殑璇濓紝鍘嬪己鍙互杈惧埌涓�涓ぇ姘斿帇銆�

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