第七百一十六章 搶了霍金飯碗（上）

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得到了徐雲的肯定答覆後。

楊振寧下意識在面前的算紙上畫了個【O】型的圓圈，眼神閃爍莫名：

“黑洞麼”

早先提及過。

在眼下這個世紀的40年代末，人們成功的在平直時空中把各種物質場實現了量子化。

於是他們便很自然去試著如何將彎曲時空中把物質場量子化，以及將引力場本身量子化。

即使在建立自洽的量子引力理論遇到巨大疑難與阻力的時候，也依舊不妨礙人們在彎曲時空中建立量子場論。

彼時的時空仍然是經典的，物質場則是量子化的。

不過不同於經典物理的牛一牛二找個空地就能驗證，“場”這個概念計算起來容易，想要在現象上驗證它卻有點困難——至少對於60年代的科技水平來說確實如此。

而黑洞這玩意兒，無疑一個是檢驗彎曲時空量子場論的有力場所。

黑洞被提出的時間其實很早，早到可能有些顛覆許多人的認知：

黑洞這個概念最早問世的時間，是在1783年。

沒錯。

不是1983，也不是1883，而是1783。

這一年華夏正值乾隆四十八年，乾隆帝第四次東巡盛京完畢，大肆揮霍了一筆錢財。

同時在乾隆抵達吉林的第五天。

當時劍橋大學的地質學教授兼牧師約翰·米歇爾，在英國皇家學會的一次演講中推測了太陽引力對其輻射光線的影響。

比他更早的羅默在17世紀透過觀察木星的日食時間確定了光速是有限的，因此米歇爾認為自太陽的光子在離開太陽時由於太陽的引力會減速。

他的推測指出，如果太陽的直徑是原來的500倍大，密度相同，那麼它的質量將是10^8個太陽質量，重力會阻止光從太陽中逃逸。

接著在1915年，愛因斯坦闡述了廣義相對論，得到了引力如何影響光的協調理論。

1916年。

基於愛因斯坦場方程的史瓦西解問世。

1939年。

奧本海默證明了死亡恆星如果質量大於一個界限，就會無法對抗自身引力，形成無限密度的黑洞，也就是赫赫有名的奧本海默極限。

至此，黑洞在數學和物理上的認知已經被推導到了一個不說多完美吧，至少相對成熟的區間。

理論上來說。

透過觀測黑洞周圍的引力效應，科學家們能夠驗證相對論的預測——例如光線彎曲和時空扭曲等等。

另外透過觀測黑洞吸積盤和噴流，物理界海可以研究高能物質在極端引力場中的行為，這幾乎是等離子體與射電波相關的入門基石。

當然了。

以上這句話是站在後世角度來說的，眼下這個時期對於黑洞的認知與探索還非常的淺顯。

如今黑洞這個名稱還沒完全確定，除了黑洞之外，它還有黑星、暗星之類的別稱。

隨後楊振寧的筆尖在自己畫出來的圓形內部點了點，對徐雲說道：

“小徐，聽你這意思.你認為黑洞裡藏著新物理？”

不同於此前寬泛的宇宙概念，楊振寧對於黑洞研究的價值還是比較清楚的——依舊是相對而言。

徐雲則很快點了點頭：

“楊先生，我認為這句話應該是個肯定句。”

楊振寧面色不變，反問道：

“那麼證據呢？你應該知道，目前幾乎所有有關黑洞的推導都是數學猜想而已。”

“如果極端一點說，黑洞這玩意兒存不存在都講不準呢。”

“黑洞的存在本身尚且如此，就更別說它內部的物理狀態了。”

“除非你能給我一個它內部存在新物理的證據，否則我個人對於這個專案持保留意見。”

徐雲手指篤篤的在桌上敲了幾下：

“理論上的證據？還是要實際的現象？”

楊振寧的語氣依舊古井無波：

“當然是前者足矣，後者你要是能拿的出來，我真就要懷疑你是外星驢成精了。”

如今黑洞的跡象物理學界都沒發現幾樣呢，如果想要叫徐雲給出現象上的證據，那這顯然有些強人所難了。

況且在楊振寧看來。

即便只是理論上的證據，徐雲恐怕也拿不出來多少。

畢竟這可和元強子模型不一樣，元強子模型再怎麼樣超脫這個時代，也終究是依靠加速器的實驗報告來構建的框架。

黑洞這玩意兒如今八字沒一撇，光靠數學和邏輯推導想要得出一些價值一般的成果不難，但顛覆性的成果就幾乎沒啥可能了。

然而令楊振寧有些意外的是，過了片刻，徐雲的聲音卻幽幽從對面傳了過來：

“楊先生，不瞞您說，這個證據我還真拿得出來。”

楊振寧頓時一怔，下意識道：

“什麼證據？”

徐雲又沉默一會兒：

“比如說黑洞這個系統之內有熵存在。”

熵？

由於這年頭電話訊號不太好的緣故，楊振寧聽到這個詞的第一時間，並沒有意識到徐雲所指的是什麼。

但緊接著。

嘩啦——

楊振寧整個便猛然從座位上站了起來，震驚的聲音之大連外頭的陸光達都有所感知：

“你說什麼？黑洞有熵？？！！”

徐雲篤定的點了點頭，接著又給自己話增加了幾份重量：

“準確來說，黑洞熵正比於黑洞的表面積。”

十多秒鐘後。

從震驚中回過神的楊振寧想要平復一下情緒，卻發現自己的臉頰都在微微顫抖：

“.”

實話實說。

如果不是徐雲此前展露出了很強的物理學功底，加之還有兔子官方為這通電話背書，這時候楊振寧估摸著都快掀桌了。

黑洞有熵？

這怎麼可能？

熵。

這是一個熱力學的概念，但在歷史的發展中，各種因素造就了它非常豐富的內涵，進入了很多學科的視野。

這個概念從定義上解釋起來非常複雜，涉及到了夏農、克勞修斯、玻爾茲曼等等，還包括了熱力熵、資訊熵、化學熵等等

但其實它也可以解釋的很通俗：

簡單來說，熵代表了物質混亂程度。

有臥室的同學應該都知道。

在保持有人生活的情況下，自己的臥室要是不去收拾它，就會變得越來越混亂。

最開始可能是衣服變得雜亂，接著是書本、智障、筆、資料線、快遞箱開始出現在各個位置，最終變成一個狗窩。

這裡屋子混亂的定義就是熵，混亂程度越高，熵就越高，也就是所謂的熵增。

熵減則是指在一個封閉系統中，系統的熵值隨著時間的推移而減少——這在正常情況下是不可能的，除非你人工干預性的對你的臥室進行整理，否則房子它自己無法自潔。

簡潔明瞭.JPG。

熵增概念同樣在宇宙角度成立，物理學界公認宇宙的熵一直在增加，因為行星不停在變化：

有的星球彼此相撞碎裂成小塊，有的星球壽命終止變成了紅巨星等等。

但是

對於黑洞這玩意兒，很多學者的看法就不一樣了：

他們認為黑洞是不存在熵的。

因為根據上面打掃屋子的舉例，再複雜的東西被黑洞吞下去後“狀態”都會變得簡單，那麼理論上來說這屬於熵減的情況。

可是熵減在獨立系統中是不允許出現的情況，因此黑洞只能是【萬無】狀態——沒有生命，沒有光，沒有熵。

也就是所謂的么正性原理。

結果沒想的是

徐雲張口不但說黑洞有熵，而且居然還說黑洞熵正比於它的表面積？

要知道。

黑洞的表面積是不停在增大的，如果黑洞熵正比於表面積，那麼豈不是說黑洞系統是熵增狀態？

想到這裡。

楊振寧忍不住再次深吸了一口氣，強忍著駁斥異端的衝動，對徐雲問道：

“小徐，口說無憑，你的證據呢？”

徐雲抬頭看了眼牆上的時間，不知不覺自己和楊振寧的聊天已經持續一個小時了：

“楊先生，首先我們要明確一點，引數化一個黑洞，理論上來說只需要三個量。”

“也就是質量M，電荷Q和角動量J，這個沒問題吧？”

楊振寧點了點頭：

“嗯。”

早先提及過。

愛因斯坦場方程有個最早同時也是最有名的特解，叫做史瓦西解。

這個解所描述的物體就是黑洞，其中黑洞的視距界限就是所謂的史瓦西半徑，因此有部分黑洞也叫作史瓦西黑洞。

史瓦西黑洞是靜止的球對稱黑洞，只有一個引數，即質量M，也是模型上最簡單黑洞。

接著在史瓦西黑洞的基礎上，物理學家推匯出了旋轉的黑洞，也就是克爾-紐曼黑洞。

它是Q=0的克爾黑洞的推廣，也是整個宇宙中最普遍的一種黑洞。

根據克爾-紐曼線元顯示，描述黑洞只需要質量M，電荷Q和角動量J就行了。

接著徐雲靜心聽了聽話筒對面的動靜，很快，電話對頭傳來了一道‘嗒吧’聲。

這是楊振寧將筆放到桌面上的聲音，代表著楊振寧已經寫好了算式。

於是徐雲很快便又說道：

“在這個基礎上，當年羅伯特·傑勒西提出了一個駁斥廣義第二定律的思想實驗。”

“也就是將一個物體緩慢的挪到黑洞視界處，並把它扔進了黑洞裡頭。”

“這時可以發現，黑洞的熵並沒有增加，而物質的熵減小了，因此廣義熵在這一過程中是降低的。”

楊振寧點了點頭，這是一個非常有名的思想實驗。

隨後徐雲深吸一口氣，繼續說道：

“但實際上呢，由於物體有厚度為了方便舉例，這裡就假設用一個球做實驗好了。”

“對於一個球形物體，因為它具有有限的半徑R，實際上我們不可能把它降低到黑洞視界才能扔進去——在視界上方R（固有距離）的時候就截止了。”

“這時黑洞熵會增加一些，而物質的熵會消失，從而保證廣義第二定律的成立。”

楊振寧頓時虛起了眼，這倒是個挺新奇的角度。

接著不等楊振寧細思，徐雲又開口了：

“那麼楊先生，如果這個過程不是一個球和一個黑洞，而是”

“兩個黑洞同時合併呢？”

“黑洞合併？”

楊振寧下意識看向了自己最初在紙上畫的那個代表著黑洞的【O】，目光焦距迷失了片刻，緊接著便呼吸一滯，飛快拿起筆書寫了起來。

“一般穩態黑洞滿足dM=κ8πGdA+ΩdJ+ΦdQ”

“如果假設黑洞與黑洞合併，那麼由球例子可知dA/dt≥0，同時引入角動量”

聽到楊振寧計算中的自言自語，徐雲的臉上亦是忍不住浮現出了些許感慨。

黑洞。

這是一個物理學史上非常特殊的話題。

它的特殊性不僅在於它的現象性質，還在於它的時間跨度。

上頭提及過。

它的概念早在1783年就被提出來了，那時候小麥他爹都還是個受精卵呢.

但直到19世紀的第二個十年，物理學界才在數學上對它有了一定了解。

然而這僅僅還是個開始。

按照歷史發展。

從1920年開始，物理學界對黑洞的研究還會停滯整整五十年，直到1970年前後才會出現關鍵性的突破。

這個突破便是霍金提出的黑洞面積定律，以及雅各布·貝肯斯坦根據霍金定律提出的貝肯斯坦極限，也就是貝肯斯坦-霍金熵。

貝肯斯坦極限解釋起來很複雜，總結起來其實就一句話：

半徑r的球體，總能量（包括靜止質量相應的能量在內）為E，那麼這一球體的熵最多是2πkcEr。

從這個角度上來說，【人的想象力是無窮無盡的】這句話其實也是錯的。

人的大腦大約重1.5kg，體積是1260cm^3，如果看作球體則半徑為6.7cm。

按一般人腦的尺寸和質量計算，人最多隻能有10^42種念頭。

即便人們意識上傳，變成巨大計算機中流動的思維，這個界限仍然存在。

地球大小的計算機或“大腦”，也最多隻有10^75種念頭罷了。

256位金鑰就可能讓這計算機硬算快兩分鐘，512位金鑰則可能要硬算將近10的72次方年——因此某些裡某某角色一個念頭可以推演古今的情節壓根就不存在，實際上連個密碼鎖都未必破解的了，咳咳.

同時限制這點的還有佈雷莫曼極限，1kg物質1秒能夠達到的最快的運算速度是1.36*10^50次方個bits算了還是不毀玄幻了。

總而言之。

貝肯斯坦極限證明了黑洞擁有黑洞熵，並且與黑洞的視介面積成正比。

這個過程雖然是純數學推導，但2015年LIGO觀測到的引力波事件GW150914卻證明了這個推導的正確性。

同時很令人感慨的是。

貝肯斯坦極限這種後世你可以在《走進本土驢》這類網路裡看到的概念，在眼下這個時代卻屬於徹頭徹尾的奧秘極知識。

即便是楊振寧這樣的大佬，此前都聞所未聞。

(本章完)