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彭罗斯的宇宙轮回(5)

已有 4544 次阅读 2014-1-8 09:27 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

 

 

上回说了,CMB的均匀是引力自由度被约束的结果,大爆炸奇点是低熵的。与之相对的是,黑洞是高熵的,因为它是“引力的结晶”,藏着最大的引力自由度。然而另一方面,两个奇点有着很多相似——不是“几乎相同的相似”,而是几何意义的相似(也就是“共形”),即只有尺度的差别。彭老师正是根据这一点发展了他的CCC理论。 

最突出的相似是两个时期的所有物质都是零质量(无静止质量)的粒子。严格说来,这只是一个假定,涉及很多未解的难题,如粒子衰变、静止质量、黑洞蒸发、信息丢失等等。如果不管那些细节,那么物质演化就仿佛粒子与黑洞的生灭游戏——这是近年来的一个新认识:基本粒子与黑洞没有根本的不同,黑洞是基本粒子的自然延伸。随着宇宙的膨胀(时间尺度为10100年),粒子会逐渐失去质量——要么通过与反粒子伙伴湮灭,要么自我衰变——留下无质量的粒子和大质量的黑洞(它们是星系或大恒星留下的)。相应地,温度越来越低,当它低于黑洞温度时,黑洞就开始蒸发,产生无质量的粒子。最后,整个宇宙的粒子都成了无质量的,一切信息都将丢失。因为粒子没有质量,所以不但没有空间的度量工具,时间也将失去度量(借彭老师的话说,我们不能用无质量粒子来做时钟),甚至连共形因子也将被“遗忘”。于是,最后的宇宙看起来就跟大爆炸之前的那个宇宙一样。彭老师将它解释为下一个宇宙的前大爆炸时期……(牛津大学的Barrow早在1978年就根据熵增原理提出,初始的宇宙应该是各项同性的“宁静”的,而不是Misner说的“混沌”的。那个宁静的状态,正是CCC需要的初始态。) 

因为整体的尺度变化不会影响熵的度量,那么,热力学第二定律从哪儿来呢?当然要从前面说过的两个奇点的不同来考虑。具体说来,黑洞最终会在弱弱的一声“砰响”中消失,黑洞里的信息也跟着消失。在奇点的“信息丢失”是什么意思呢?更准确的说法是自由度的丢失。自由度丢失了,相空间的某些参数就消失了,那么相空间就变得比原来小,宇宙重新回到一个低熵的状态,这样就满足第二定律的要求。 

黑洞信息是一个老问题。霍金在19758月的一篇文章(“可预言性在引力坍缩下的崩溃”)里提出,系统状态的部分信息丢失在黑洞里了。所以,黑洞蒸发后的最终状态不是一个纯量子态。信息丢失显然违背了量子力学的基本法则(也就是彭老师说的幺正演化或“U过程”)。举例来说,假如我们点燃两卷百科全书,它们的火苗和灰烬是不同的,因而在原则上有可能从火苗和灰烬恢复各自的内容。于是,19972月,Preskill向霍金和他的朋友Thorne提出了挑战,他认为“当初始的纯量子态经过引力坍缩形成黑洞时,黑洞蒸发的最终状态将仍然是一个纯量子态。”

20047月,霍金摇着轮椅跑到都柏林去,在第17届国际广义相对论与引力论会议(GR17)上报告说,他解决了“黑洞的信息疑难”。他考虑了两类经典时空,有黑洞的(非平凡拓扑)和没有黑洞(平凡拓扑)的。然后,在这两类空间上进行半经典近似的路径积分。在没有黑洞的空间积分,没有信息丢失;而在有黑洞的空间积分,结果是“零”,信息丢了。 

在彭老师看来,幺正(U)演化终究是要破坏的。在一个世代的遥远未来,所有黑洞都消失了,宇宙整体的相空间会大大地收缩,熵要重新“清零”。下一个世代的大爆炸将被严格约束——例如满足Weyl曲率猜想,这就为新世代的引力作用提供了强大的潜能。

但“这是一个微妙的问题,相空间体积的减小还存在很多具体的一致性问题需要解决,才能满足CCC的要求。”老师最后猜想,“我们可以估计最大黑洞可能达到的贝肯斯坦-霍金熵(只要它不在霍金辐射中丢失),并且将这个总熵作为可能相空间为开启下一个世代所需要的减小量。显然,为了明确CCC在这个方面是否可行,我们还有很多问题需要更详细的研究。”

 

 

 

 



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