Physics 版 (精华区)

发信站: BBS 水木清华站 (Thu Jun 12 13:09:11 2003), 转信

                      十八

    终于可以讲到和偶的毕设相关的东西了。

    贝肯斯坦也意识到要让黑洞的熵具有真实的意义，就要找个办法说明
它是有限的，且和面积有关。他采取了一条曲线救国的方案，为了让黑洞
的自由度增加时面积变化尽量小（上一节提到的悖论），就考虑让一个质
量为m的粒子掉进去，现在这个粒子对外界不再可见，因此它对应着存在
和不存在两种状态，也就是黑洞增加了一比特的熵，可是粒子有个康普敦
波长，和质量成反比，这个波长的意义是你想用有限能量探测它的极限。
我们把康普敦波长当成粒子的大小，为了让粒子能够掉进黑洞，它不能比
黑洞还要大，这就给质量一个下限，因此黑洞面积的增加也不能是零。可
以看到，这里的关键是引入了量子效应的康普敦波长。

     考虑在黑洞上加进量子效应，在贝肯斯坦之前就有人做过，1971年
     考虑在黑洞上加进量子效应，在贝肯斯坦之前就有人做过，1971年

泽尔多 维奇用量子电动力学证明旋转的金属球能够放出辐射，所以他觉得
旋转的黑洞也会放出辐射。那个时候人人都有一套把广义相对论和量子力
学结合的方法，霍金去了一趟莫斯科，然后这世界上就又多了一种。

     差不多所有的物理学家都觉得贝肯斯坦是错的，因为他的确没有解
键的问题，除了惠勒，一如既往的支持自己的高徒。

     作为黑洞研究的领袖之一，霍金的意见举足轻重，他在1973年那篇
文章里已经说得很清楚了。可是莫斯科之行结束后，他用自己的方法考虑
黑洞的量子效应，得到的结果立刻震惊了全世界（文章是发表在nature上
的）黑洞会辐射，旋转的，带电的黑洞通过辐射世界上存在的各种粒子变
成史瓦西黑洞，而是瓦西黑洞继续辐射，蒸发自己的质量，直到。。。。
。。我们所不知道的由真正的量子引力来描述的状态。

      这是霍金一生中最重要的工作，他立刻明确的支持贝肯斯坦，黑洞
不黑，而且精确的遵守黑体的性质，这让一切都豁然开朗，“黑洞热力学
”这个词可以理直气壮的讲出来了。

      然后相对论大家们纷纷用自己的方法验证霍金的结果，他的方法经
受了考验，逐渐演变为今天的标准方法（北师大有个小组就是专门干这个
的），这就是弯曲时空的量子场论（总有偶的哥们觉得偶的毕设很玄，不
的），这就是弯曲时空的量子场论（总有偶的哥们觉得偶的毕设很玄，不
知道看了这堆东西会不会感觉亲近点），个人看法，这是一个半经典的量
子引力理论，霍金辐射就是它的巅峰之作，而到了今天，已经没什么有趣
的题目了。

      现在关于黑洞熵的一切悖论都可以用霍金辐射来解决，因为其实黑
洞就是一个浸在热辐射中的黑体。这个黑体有些奇异的性质，例如它的比
热是负的，因此吸收了能量，温度反而会降低，结果它不可能与周围辐射
达到平衡。现在宇宙的背景温度是2.7k，那么黑洞想要存活，它在出生的
时候质量就必须很大，因为它会一边蒸发，一边升高温度，结果蒸发得更
快。。。。。。。黑洞的受激辐射就是彭罗斯过程，它的自发辐射就是霍
金蒸发，你可以验证它们满足爱因斯坦A,B系数必要的限制。辐射出的黑
体谱仍然满足无毛定理的要求，只和电荷，角动量，质量有关，所以一个
由重子组成的黑洞会忘记自己的过去，结果轻松的造成了重子数不守恒，
这是今天宇宙学家们关心的。

      那么霍金辐射的图像是什么呢？简单说就是真空的量子涨落产生一
对正负粒子，然后强大的引力场把它们分开，反粒子（负质量）落进黑洞
，让黑洞质量减少，而正粒子飞向远方，成为霍金辐射。另有一种从路径
积分方法看出来的图像是，粒子从奇点处被创造，在视界处被散射到无穷
远。

      把量子效应考虑进去以后的黑洞，为我们提供了古老的热力学和时空

动力学间的深刻联系，让人神往。