得到了徐云的肯定答复后。
杨振宁下意识在面前的算纸上画了个O型的圆圈,眼神闪烁莫名:
“黑洞么”
早先提及过。
在眼下这个世纪的40年代末,人们成功的在平直时空中把各种物质场实现了量子化。
于是他们便很自然去试着如何将弯曲时空中把物质场量子化,以及将引力场本身量子化。
即使在建立自洽的量子引力理论遇到巨大疑难与阻力的时候,也依旧不妨碍人们在弯曲时空中建立量子场论。
彼时的时空仍然是经典的,物质场则是量子化的。
不过不同于经典物理的牛一牛二找个空地就能验证,“场”这个概念计算起来容易,想要在现象上验证它却有点困难——至少对于60年代的科技水平来说确实如此。
而黑洞这玩意儿,无疑一个是检验弯曲时空量子场论的有力场所。
黑洞被提出的时间其实很早,早到可能有些颠覆许多人的认知:
黑洞这个概念最早问世的时间,是在1783年。
没错。
不是1983,也不是1883,而是1783。
这一年华夏正值乾隆四十八年,乾隆帝第四次东巡盛京完毕,大肆挥霍了一笔钱财。
同时在乾隆抵达吉林的第五天。
当时剑桥大学的地质学教授兼牧师约翰·米歇尔,在英国皇家学会的一次演讲中推测了太阳引力对其辐射光线的影响。
比他更早的罗默在17世纪通过观察木星的日食时间确定了光速是有限的,因此米歇尔认为自太阳的光子在离开太阳时由于太阳的引力会减速。
他的推测指出,如果太阳的直径是原来的500倍大,密度相同,那么它的质量将是108个太阳质量,重力会阻止光从太阳中逃逸。
接着在1915年,爱因斯坦阐述了广义相对论,得到了引力如何影响光的协调理论。
1916年。
基于爱因斯坦场方程的史瓦西解问世。
1939年。
奥本海默证明了死亡恒星如果质量大于一个界限,就会无法对抗自身引力,形成无限密度的黑洞,也就是赫赫有名的奥本海默极限。
至此,黑洞在数学和物理上的认知已经被推导到了一个不说多完美吧,至少相对成熟的区间。
理论上来说。
通过观测黑洞周围的引力效应,科学家们能够验证相对论的预测——例如光线弯曲和时空扭曲等等。
另外通过观测黑洞吸积盘和喷流,物理界海可以研究高能物质在极端引力场中的行为,这几乎是等离子体与射电波相关的入门基石。
当然了。
以上这句话是站在后世角度来说的,眼下这个时期对于黑洞的认知与探索还非常的浅显。
如今黑洞这个名称还没完全确定,除了黑洞之外,它还有黑星、暗星之类的别称。
随后杨振宁的笔尖在自己画出来的圆形内部点了点,对徐云说道:
“小徐,听你这意思.你认为黑洞里藏着新物理?”
不同于此前宽泛的宇宙概念,杨振宁对于黑洞研究的价值还是比较清楚的——依旧是相对而言。
徐云则很快点了点头:
“杨先生,我认为这句话应该是个肯定句。”
杨振宁面色不变,反问道:
“那么证据呢?你应该知道,目前几乎所有有关黑洞的推导都是数学猜想而已。”
“如果极端一点说,黑洞这玩意儿存不存在都讲不准呢。”
“黑洞的存在本身尚且如此,就更别说它内部的物理状态了。”
“除非你能给我一个它内部存在新物理的证据,否则我个人对于这个项目持保留意见。”
徐云手指笃笃的在桌上敲了几下:
“理论上的证据?还是要实际的现象?”
杨振宁的语气依旧古井无波:
“当然是前者足矣,后者你要是能拿的出来,我真就要怀疑你是外星驴成精了。”
如今黑洞的迹象物理学界都没发现几样呢,如果想要叫徐云给出现象上的证据,那这显然有些强人所难了。
况且在杨振宁看来。
即便只是理论上的证据,徐云恐怕也拿不出来多少。
毕竟这可和元强子模型不一样,元强子模型再怎么样超脱这个时代,也终究是依靠加速器的实验报告来构建的框架。
黑洞这玩意儿如今八字没一撇,光靠数学和逻辑推导想要得出一些价值一般的成果不难,但颠覆性的成果就几乎没啥可能了。
然而令杨振宁有些意外的是,过了片刻,徐云的声音却幽幽从对面传了过来:
“杨先生,不瞒您说,这个证据我还真拿得出来。”
杨振宁顿时一怔,下意识道:
“什么证据?”
徐云又沉默一会儿:
“比如说黑洞这个系统之内有熵存在。”
由于这年头电话信号不太好的缘故,杨振宁听到这个词的第一时间,并没有意识到徐云所指的是什么。
但紧接着。
哗啦——
杨振宁整个便猛然从座位上站了起来,震惊的声音之大连外头的陆光达都有所感知:
“你说什么?黑洞有熵??!!”
徐云笃定的点了点头,接着又给自己话增加了几份重量:
“准确来说,黑洞熵正比于黑洞的表面积。”
十多秒钟后。
从震惊中回过神的杨振宁想要平复一下情绪,却发现自己的脸颊都在微微颤抖:
实话实说。
如果不是徐云此前展露出了很强的物理学功底,加之还有兔子官方为这通电话背书,这时候杨振宁估摸着都快掀桌了。
黑洞有熵?
这怎么可能?
这是一个热力学的概念,但在历史的发展中,各种因素造就了它非常丰富的内涵,进入了很多学科的视野。
这个概念从定义上解释起来非常复杂,涉及到了香农、克劳修斯、玻尔兹曼等等,还包括了热力熵、信息熵、化学熵等等
但其实它也可以解释的很通俗:
简单来说,熵代表了物质混乱程度。
有卧室的同学应该都知道。
在保持有人生活的情况下,自己的卧室要是不去收拾它,就会变得越来越混乱。
最开始可能是衣服变得杂乱,接着是书本、智障、笔、数据线、快递箱开始出现在各个位置,最终变成一个狗窝。
这里屋子混乱的定义就是熵,混乱程度越高,熵就越高,也就是所谓的熵增。
熵减则是指在一个封闭系统中,系统的熵值随着时间的推移而减少——这在正常情况下是不可能的,除非你人工干预性的对你的卧室进行整理,否则房子它自己无法自洁。
简洁明了.JPG。
熵增概念同样在宇宙角度成立,物理学界公认宇宙的熵一直在增加,因为行星不停在变化:
有的星球彼此相撞碎裂成小块,有的星球寿命终止变成了红巨星等等。
对于黑洞这玩意儿,很多学者的看法就不一样了:
他们认为黑洞是不存在熵的。
因为根据上面打扫屋子的举例,再复杂的东西被黑洞吞下去后“状态”都会变得简单,那么理论上来说这属于熵减的情况。
可是熵减在独立系统中是不允许出现的情况,因此黑洞只能是万无状态——没有生命,没有光,没有熵。
也就是所谓的幺正性原理。
结果没想的是
徐云张口不但说黑洞有熵,而且居然还说黑洞熵正比于它的表面积?
要知道。
黑洞的表面积是不停在增大的,如果黑洞熵正比于表面积,那么岂不是说黑洞系统是熵增状态?
想到这里。
杨振宁忍不住再次深吸了一口气,强忍着驳斥异端的冲动,对徐云问道:
“小徐,口说无凭,你的证据呢?”
徐云抬头看了眼墙上的时间,不知不觉自己和杨振宁的聊天已经持续一个小时了:
“杨先生,首先我们要明确一点,参数化一个黑洞,理论上来说只需要三个量。”
“也就是质量M,电荷Q和角动量J,这个没问题吧?”
杨振宁点了点头:
“嗯。”
早先提及过。
爱因斯坦场方程有个最早同时也是最有名的特解,叫做史瓦西解。
这个解所描述的物体就是黑洞,其中黑洞的视距界限就是所谓的史瓦西半径,因此有部分黑洞也叫作史瓦西黑洞。
史瓦西黑洞是静止的球对称黑洞,只有一个参数,即质量M,也是模型上最简单黑洞。
接着在史瓦西黑洞的基础上,物理学家推导出了旋转的黑洞,也就是克尔纽曼黑洞。
它是Q0的克尔黑洞的推广,也是整个宇宙中最普遍的一种黑洞。
根据克尔纽曼线元显示,描述黑洞只需要质量M,电荷Q和角动量J就行了。
接着徐云静心听了听话筒对面的动静,很快,电话对头传来了一道‘嗒吧’声。
这是杨振宁将笔放到桌面上的声音,代表着杨振宁已经写好了算式。
于是徐云很快便又说道:
“在这个基础上,当年罗伯特·杰勒西提出了一个驳斥广义第二定律的思想实验。”
“也就是将一个物体缓慢的挪到黑洞视界处,并把它扔进了黑洞里头。”
“这时可以发现,黑洞的熵并没有增加,而物质的熵减小了,因此广义熵在这一过程中是降低的。”
杨振宁点了点头,这是一个非常有名的思想实验。
随后徐云深吸一口气,继续说道:
“但实际上呢,由于物体有厚度为了方便举例,这里就假设用一个球做实验好了。”
“对于一个球形物体,因为它具有有限的半径R,实际上我们不可能把它降低到黑洞视界才能扔进去——在视界上方R(固有距离)的时候就截止了。”
“这时黑洞熵会增加一些,而物质的熵会消失,从而保证广义第二定律的成立。”
杨振宁顿时虚起了眼,这倒是个挺新奇的角度。
接着不等杨振宁细思,徐云又开口了:
“那么杨先生,如果这个过程不是一个球和一个黑洞,而是”
“两个黑洞同时合并呢?”
“黑洞合并?”
杨振宁下意识看向了自己最初在纸上画的那个代表着黑洞的O,目光焦距迷失了片刻,紧接着便呼吸一滞,飞快拿起笔书写了起来。
“一般稳态黑洞满足dMκ8πGdAΩdJΦdQ”
“如果假设黑洞与黑洞合并,那么由球例子可知dA/dt≥0,同时引入角动量”
听到杨振宁计算中的自言自语,徐云的脸上亦是忍不住浮现出了些许感慨。
黑洞。
这是一个物理学史上非常特殊的话题。
它的特殊性不仅在于它的现象性质,还在于它的时间跨度。
上头提及过。
它的概念早在1783年就被提出来了,那时候小麦他爹都还是个受精卵呢.
但直到19世纪的第二个十年,物理学界才在数学上对它有了一定了解。
然而这仅仅还是个开始。
按照历史发展。
从1920年开始,物理学界对黑洞的研究还会停滞整整五十年,直到1970年前后才会出现关键性的突破。
这个突破便是霍金提出的黑洞面积定律,以及雅各布·贝肯斯坦根据霍金定律提出的贝肯斯坦极限,也就是贝肯斯坦霍金熵。
贝肯斯坦极限解释起来很复杂,总结起来其实就一句话:
半径r的球体,总能量(包括静止质量相应的能量在内)为E,那么这一球体的熵最多是2πkcEr。
从这个角度上来说,人的想象力是无穷无尽的这句话其实也是错的。
人的大脑大约重1.5kg,体积是1260cm3,如果看作球体则半径为6.7cm。
按一般人脑的尺寸和质量计算,人最多只能有1042种念头。
即便人们意识上传,变成巨大计算机中流动的思维,这个界限仍然存在。
地球大小的计算机或“大脑”,也最多只有1075种念头罢了。
256位密钥就可能让这计算机硬算快两分钟,512位密钥则可能要硬算将近10的72次方年——因此某些里某某角色一个念头可以推演古今的情节压根就不存在,实际上连个密码锁都未必破解的了,咳咳.
同时限制这点的还有布雷莫曼极限,1kg物质1秒能够达到的最快的运算速度是1.361050次方个bits算了还是不毁玄幻了。
总而言之。
贝肯斯坦极限证明了黑洞拥有黑洞熵,并且与黑洞的视界面积成正比。
这个过程虽然是纯数学推导,但2015年LIGO观测到的引力波事件GW150914却证明了这个推导的正确性。
同时很令人感慨的是。
贝肯斯坦极限这种后世你可以在《走进本土驴》这类网络里看到的概念,在眼下这个时代却属于彻头彻尾的奥秘极知识。
即便是杨振宁这样的大佬,此前都闻所未闻。
(本章完)