博文
宇宙学交响乐暨飞碟狂想曲(IV)---黑洞不黑(1)之[黑洞三毛定理]
|
宇宙学交响乐暨飞碟狂想曲(IV)
宇宙学交响乐(第三乐章-3)
.
经典与量子的协奏曲(3)
.
黑洞不黑(1)
.
话说上回，在讨论恒星最终如何演变成白矮星，中子星乃至黑洞的过程中，二傻问道：“是否存在夸克星？解除夸克禁闭所需要的无穷大力量和黑洞的无穷大引力哪个更大？”
弄得霍金有点不高兴了…还好原子弹之父奥本海默及时解围, 建议绕开唯象的粒子物理还原论模式, 直接从广义相对论的形而上学的数学方程着手…可避开讨论恒星具体的塌缩过程和黑洞里面到底是什么东东的无聊的讨论…云云.
霍金这才说: “本来就是嘛! 管它黑洞里面到底是什么东东, 我和彭罗斯已经证明, 如果广义相对论正确, 宇宙一定存在时空奇点! 在时空奇点处, 我们所有的物理规律和预测未来的能力完全丧失…二傻说这在哲学上可能会对科学理论本身造成颠覆性的问题! 我上回懒得理他…”
二傻得意洋洋: “那您说到底有没有问题?”
霍金嘻嘻一笑: “哈哈! 你以为自己是谁啊? 逗你玩呢…其实我和彭罗斯当时就意识到这个问题的严重性了…(这个问题30年来, 一直到现在, 都还是让霍金失眠的最主要原因!)…彭罗斯专门为此提出一个‘宇宙监督原则’, 简单说就是‘上帝厌恶裸奇点’, 也就是说: 时空奇点要末被恒星黑洞视界完全覆盖, 要么完全存在于宇宙的过去(宇宙大爆炸奇点)或未来(宇宙大塌缩奇点)…从而对我们这个世界的事件不会产生破坏因果的影响!”
二傻讥笑道: “哦? 为了保护逻辑因果关系(是目前一切科学的基石)的科学霸主地位, 把上帝都请出来啦? ”
霍金倒也大度: “没办法, 以后讨论宇宙大爆炸的时候, 还要请出"超人"呢(人择原理)! 如果您对这方面感兴趣, 建议去看看彭罗斯最近的新书《皇帝的新脑》, 老彭在哲学方面比我想得多…我也非常相信老彭的宇宙监督原则, 所以我相信‘非裸奇点’的存在(即恒星黑洞,或宇宙大爆炸, 或宇宙大塌缩)…后来我的工作比较集中在对这些假想中的物理图象的理解…目前有很多人说我是物理大师, 也有相同数目的人说我是‘误导大师’...因为我的黑洞理论发展得那末完美, 几十年了, 人类还没真正发现黑洞…宇宙大爆炸学说就更被许多人批判…唉!
.
万一我真的错了, 我这辈子都干嘛了? 啊?
.
二傻都快要哭出来了: “唉!...真可谓:
真知可敬矣! 谁人辨之?
庸人可鄙矣! 谁人非之?
算了! 别想那末多…其实就算黑洞理论和宇宙大爆炸理论是错的, 您的宇宙奇点定理肯定没错! 它如果错了, 只能证明是爱因斯坦的广义相对论错了(或者干脆是整个数学理论体系都错了! 哥德尔就十分怀疑这点)...管它三七二十一, 对错自有后人评! 咱还是继续谈黑洞吧? OK?”
霍金喝了口茶, 说: “好吧! 自从钱德拉塞卡发现恒星塌缩之钱德拉塞卡极限后, 人们意识到当时的物理理论无法阻止大质量恒星在自身引力作用下的无限塌缩, 于是出现了现代黑洞的概念, 虽然这个词是惠勒发明的…在另一方面, 爱因斯坦的广义相对论也得到很多人的重视, 在广义相对论方程出来后不久, 卡尔-施瓦兹就在1917年率先找到一种特解, 对应一个完美球体的黑洞…”
二傻不解: “黑洞不是没有大小吗(奇点)? 怎么出来球体了?”
霍金笑笑: “如果存在黑洞(广义上理解, 只是意味着存在引力足够大的质量), 造成其周围的时空足够弯曲, 以致于连光都无法逃逸…当然也就包括一切‘时空事件’! 这个连光都无法逃逸的时空边界我们称之为‘事件视界’, 也可以理解为‘黑洞的表面’…当然可能有各种不同类型的形状了!”
二傻假装明白了: “哦! 那所有黑洞都是完美的球体吗?”
霍金笑道: “非也! 施瓦兹黑洞只是非旋转的黑洞(没有角动量), 所以对应完美球体…1963年, 罗伊-克尔找到了广义相对论方程的另一组特解, 对应于旋转的黑洞, 其黑洞表面的形状就不是完美球体了, 可以比喻为一个变形的球体(在赤道位置鼓出来)…”
二傻又问:“没有其它形状的黑洞了吗? 如果黑洞会旋转,它会不会搏动(象心脏一样忽大忽小)? 或者其它更复杂的运动形态?”
.
[注:二傻不太明白黑洞的角动量是如何定义的, 就象地球的角动量是多少俺一直无法明确知道一样...特请大师们指点! 也请参阅二傻的博文:《宇宙在旋转--您相信吗?》 ]
霍金得意洋洋地说:“问得好!事实上,是威纳-伊斯雷尔在1967年首先证明: 非旋转黑洞一定是个完美球体,而且其大小只取决于其质量(黑洞一毛定理); 后来兰登-卡特(1970),我本人(1971)和大卫-罗宾逊(1973)一步步地最终证明了: 任何稳态的旋转黑洞一定是个克尔黑洞, 而且其大小和形状只取决于其质量和角动量(黑洞二毛定理)…后来有人又发展了带电的旋转黑洞模型, 叫科尔纽曼黑洞, 其大小和形状只取决于其质量,电荷及角动量(黑洞三毛定理)。”
二傻笑道: “还真复杂! 不过由于中国漫画家张乐平的《三毛流浪记》和中国台湾女作家三毛（陈平）的《撒哈拉沙漠》，俺很小就听说过您的黑洞三毛定理…害得俺一直都想学宇宙学! 看来定理的名字起好了也很重要啊!哈哈!”
霍金直点头: “然也! 比如说‘热力学第二定律’这个名字就很不好, 没有任何足够的信息来反映其内涵…如果叫‘熵增原理’, 大家都明白该定理在说些什么…对了! 考考你:
‘黑洞的存在’是否会违反‘熵增原理’?
二傻一看霍大侠要考自己, 赶紧喝两口XO壮胆, 仔细回顾一下熵的知识, 却发现它在不同领域有不同定义, 而且与时间箭头, 概率统计甚至与无穷大问题等密切相关, 简直与时间本身一样难定义!
(请参阅二傻的文章: 熵、概率和时间反演---是上帝还是妖魔鬼怪(1)(2)(3) )
但是, 俺不想在这里和霍大侠讨论该问题, 便用教科书上教的说法回答曰: “熵, 乃系统无序度的度量, 无序度高则熵高; 熵, 亦可理解为系统可用自由能的度量, 熵极高情况下, 系统没有自由能可利用; 熵, 也有人理解为信息量的度量, 熵高者信息少, 熵低者信息高…”
霍金笑道: “什么乱七八糟的! 我问的是: ‘黑洞的存在’是否会违反‘熵增原理’?”
二傻猛然惊醒: “啊? 熵增原理? 就是说一个封闭系统的总熵一定随时间箭头方向而增大, 对吧? 但是:
宇宙是个封闭系统吗?
在黑洞附近, 时间箭头有意义吗?
黑洞视界的里面也算是我们的宇宙吗?
宇宙监督原则不是说黑洞里面不能算是我们的宇宙吗?
…………
二傻一边问, 一边又拿起桌上的XO喝了几大口…
.
惚兮恍兮…恍兮惚兮…
.
怎么老觉得XO这两个字特象天鹅座X-1中的那个吸积盘啊?
---------(未完待续)--------
.
https://blog.sciencenet.cn/blog-5190-23722.html
上一篇：宇宙学交响乐暨飞碟狂想曲(III)---广义相对论宇宙观
下一篇：宇宙学交响乐暨飞碟狂想曲(V)---黑洞不黑(2)之[黑洞熵]
