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黑洞面积不减定理首次得到观测证实霍金陈中源

作者: LYQ
- 2021 -
12/03
16:41

已故的伟大物理学家霍金1971年推导出了黑洞事件视界面积永远不会减少的定理——不考虑量子效应。基于引力波的最新观测研究,近期已首次证实了霍金黑洞面积不减定理:在发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters,Testing the Black-Hole Area Law with GW150914,2021年)上的新文章中,MaximilianoIsi等物理学家仔细观察了GW150914引力波,它由激光干涉引力波天文台(LIGO)于2015年首次观测到;两个黑洞以引力波的形式,揭示了其在时空中振荡的巨大能量;新的研究发现,合并后的黑洞事件视界的总面积确实没有减少;这项新发现标志着霍金面积不减定理首次得到了直接的观测证实。此前该定理已经得到了霍金数学上的证明,但我们距离自然界的观察得证,等待了整整50年。

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GW150914合并前后的黑洞视界面积的变化。《物理评论快报》供图

2013年,霍金曾发表了一篇论文,宣称传统意义上的黑洞不存在。人们调侃:“霍金这辈子主要干了两件事:一是发明黑洞理论;二是推翻黑洞理论。思想境界太高深了只能自己和自己玩!”作为我们这个时代世界最著名的物理学家,黑洞面积不减定理、霍金辐射、太初真空量子涨落作为宇宙空间大尺度结构种子和宇宙无边界条件都是人类文明史上划时代的杰作,他还和牛津大学数学物理学家、2020年诺贝尔物理学奖得主彭罗斯一起创立了现代宇宙论的数学结构理论;霍金在世时长期执掌剑桥大学卢卡斯数学教授,那是牛顿担任过的职务。

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根据广义相对论,不幸掉入黑洞的宇航员在穿过一去不复返的视界时,不会感觉到任何特殊;而量子力学却要求,黑洞视界之内存在一道火墙,会将宇航员瞬间烧成灰烬。《物理评论快报》供图

不过人们甚至大部分物理学家都误解或者没有完全领会霍金“传统意义上的黑洞不存在”的本意,他的意思是,不存在含有传统事件视界和奇点的黑洞。传统黑洞的一切物质能量都被集中在密度、温度和时空曲率无限大的零体积奇点——奇点定理由霍金和彭罗斯在假设物质能量自始至终只以实粒子组成的条件下根据爱因斯坦广义相对论证明,奇点周围存在任何事物都不能逃离其引力的边界——在黑洞外界静止参考系看来不能获取黑洞信息的事件视界。即黑洞还是存在,但不是大众通常认为的那种毁灭一切的奇点黑洞。

实际上,霍金这篇非论文之文完全是针对前些年兴起的“黑洞火墙悖论”而进行的。物理学中有一个著名的设想:一位不幸的宇航员在落入黑洞之后会发生什么?一直以来,物理学家都以为,那个不幸的宇航员在穿过事件视界时根本意识不到他的悲惨命运;他将被黑洞逐步吞入深处,并最终在到达黑洞核心奇点时被彻底毁灭——前提是黑洞核心必须是奇点。

加州大学Santa Barbara分校弦理论家Polchinski等人在仔细研究这一过程后得出一个惊人的结论:如果承认黑洞奇点的存在而且霍金辐射中包含被黑洞吞噬的事物的信息,那么描述微观世界的量子场论定理将彻底推翻物理学家的传统设想。根据量子场论,黑洞的事件视界必将被转化为一处充斥着超高能量的区域,即形成一堵“火墙”,宇航员在沉入黑洞之前便会被烧成灰烬。这样的推论令人烦恼,因为“火墙”尽管遵循量子场论,却完全违背了爱因斯坦广义相对论的等效原理。如果承认黑洞奇点存在,根据广义相对论,自由落体运动中的宇航员必将遵循相同的物理法则,这适用于宇宙的任何地方,无论是落入黑洞之中还是漂浮在空旷浩渺的星际空间之内。

广义相对论和量子力学在黑洞问题上打得不可开交,要调和二者之间的矛盾,在霍金看来,只能向黑洞下“狠手”。而实际上这个“狠手”早在1970年代他就下了,结合广义相对论和量子场论,他发现了黑洞不黑,必定霍金辐射。黑洞的强引力场将黑洞事件视界附近真空中的一负一正能量虚粒子对变为实粒子对:负能虚粒子落入黑洞变成实粒子消失的同时减少了黑洞的质量或能量,而剩下的正能粒子同时变实且相当于从黑洞中逃逸引力场辐射出来。黑洞视界附近产生的虚粒子对,不可能出现正能粒子落入黑洞,负能粒子飞向远方的情况,这是由于黑洞外的时空是常规时空,不允许实的负能实粒子存在,所以霍金辐射只能辐射出正能粒子。因为霍金辐射,黑洞将越来越小,直至收缩到普朗克尺度而最终爆炸消失;而传统黑洞是其事件视界一成不变的包含奇点的稳态时空区域。

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霍金墓碑,其上刻有霍金的黑洞辐射温度公式。《物理评论快报》供图

霍金压根没管黑洞到底含不含奇点就发现证明了霍金辐射,所以他在1976年发表了一篇论文:假定黑洞中心包含奇点,证明了霍金辐射不包含形成黑洞或者落入黑洞的任何事物的信息——因为奇点离黑洞事件视界一个宏观距离而且其毁灭一切即为宇宙的边界或者奇点不属于这个宇宙,这破坏了量子物理的幺正性或者信息守恒,物理学界称之为“黑洞信息悖论”。为此,1999年诺贝尔物理学奖得主杰拉德·特·胡夫特和斯坦福大学物理学教授萨斯坎德于1990年代根据霍金辐射的霍金熵公式提出了全息原理:三维空间中的黑洞等价于它的二维事件视界,黑洞信息没有丢失,而是被保存在二维边界上了。

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硬币上的霍金熵公式即霍金辐射熵公式,全息原理来自这个公式——三维黑洞的一切可以用它的二维事件视界来度量! 霍金熵公式和黑洞辐射温度公式都包含了万有引力常数、真空中光速、普朗克常数和玻尔兹曼常数,因此霍金辐射在一定程度上统一了广义相对论、量子场论和热力学,和在此基础上的宇宙无边界条件一起,是自爱因斯坦之后物理学最重要的突破。《物理评论快报》供图

事实上,由于霍金辐射是结合广义相对论、量子场论和热力学得出来的,所以它不会破坏量子物理的幺正性,必然包含形成黑洞或者落入黑洞的事物的所有信息,只是因为热力学第二定律的缘故,我们很难找回这些信息;再结合他信息悖论的推导,就可以得出黑洞中心的奇点不存在,事件视界也不再是那种包含奇点的事件视界,否则量子力学将崩溃,霍金辐射也不会存在;霍金辐射本身意味着奇点不存在,可惜当时不能给出具体的物理原因和过程。

不单只黑洞有霍金辐射,加拿大物理学家W.G. Unruh1976年发现一个在空空间中加速运动的参考系将探测到来自其事件视界的霍金辐射;霍金和剑桥大学物理学教授G.W. Gibbons1977年发现德西德空间和所有加速膨胀的空间都有来自宇宙学事件视界的霍金辐射。而且,这些场景都不存在任何奇点。此外霍金1981年的基于霍金辐射的另一个不弱于霍金辐射的重要工作宇宙无边界条件也需要否定作为宇宙边界的奇点的存在,无论是大爆炸时空奇点还是黑洞奇点。

如果不存在奇点,则既没有黑洞信息丢失,也没有黑洞火墙,量子场论和广义相对论都没有出错。2012年起,在通过陈中源方程组证明无边界宇宙后,世界新一代物理学家中的重量级人物陈中源推导出黑洞中所有物质能量形式都被归源成了真空能或虚粒子态,由于真空能的引力为排斥性,所以不会出现奇点。含宇宙学常数项或者真空能的爱因斯坦场方程才是最终的广义相对论,广义相对论不意味着存在奇点,因此严格来说黑洞火墙悖论及黑洞信息悖论皆不成立,没有违背广义相对论及量子场论。至此,我们可以得出结论:霍金辐射蕴含虚无造物即万物起源的奥秘。陈中源还根据无边界宇宙陈中源方程组推导出力不是力、定律不是定律——宇宙中的四种基本力都不是力而是不受任何力的万事万物都在走弯曲时空和弯曲内空间中的“直线”——量子场论来自广义相对论——把霍金黑洞面积不减定理推广到哈勃视界后可由弗里德曼方程导出海森堡不确定关系——闭合宇宙空间收缩时哈勃视界的收缩等同于黑洞必然会霍金辐射而减少视界面积,因为本质上不存在力,故而所谓定律不过是表观效应;这正是从牛顿到爱因斯坦都苦苦探索的终极答案。让人类成为多行星物种是霍金生前最重视的事,陈中源和大名鼎鼎的马斯克及SpaceX包括Neuralink正在用物理学使人类成为多行星物种甚至宇宙文明,他们已造出正真的星际飞船,甚至正在开发广义相对论爱因斯坦场方程及无边界宇宙理论体系中的空间跳跃技术——建造正能量密度源空间泡。

霍金去世前关于黑洞软毛的提议则也是根据事件视界上真空能中零能量虚粒子对来存储信息。软毛显然不是真毛,而是黑洞事件视界真空中那些零能量状态的软粒子,比如虚光子等。所有被黑洞吸进去的物质,都将在这些软粒子上留下信息,即使黑洞消失,信息也不会随之而去,都挂在那些软毛上了。

从这些简单论证中可以得出:稳态的事件视界和奇点是一体的,而传统黑洞这种稳态时空区域并不存在,传统黑洞名不副实。名不副实是传统黑洞不存在的根本原因。

2015年,LIGO引力波天文台通过观测两个黑洞的合并,首次直接测量到了引力波;这不但测量到了引力波,其实也同时观察到了黑洞!当然不是那种含有奇点的黑洞了。2019年,人类首张黑洞照片面世,2021年,霍金黑洞面积不减定理首次得到观测证实。未来,我们可以通过引力波等技术来了解弯曲时空、黑洞、大爆炸和无边界宇宙,这是充满挑战与希望的旅程。

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