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宇宙学交响乐暨飞碟狂想曲(VI)---黑洞不黑(3)之[霍金辐射]
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宇宙学交响乐暨飞碟狂想曲(VI)
宇宙学交响乐(第三乐章-5)
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经典与量子的协奏曲(5)
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黑洞不黑(3)
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话说上回，二傻认为霍大侠对熵的理解有误…并提了几个问题希望霍大侠能继续往深里思考…
霍大侠说: “也许吧?...大家想想再说! 俺不象您, 是不可以信口开河的哦?...嗨! 话说回来, 其实最先将黑洞和熵联系在一起的不是俺…最先提出这个联想的是雅可布-柏肯斯坦, 他发现当黑洞外面的东西掉到黑洞里面去之后, 黑洞的质量要增大, 因而黑洞的视界面积也要增大…他也认为黑洞外面的熵丢失了, 但是黑洞的视界面积增加了! 如果把黑洞的视界面积当作‘黑洞熵’来看, 宇宙黑洞外面的丢失的熵就变成了黑洞熵, 不就不违反熵增原理了吗? ”
二傻直摇头: “这里面有几个重大逻辑问题:
(1). 前面说过的: 黑洞外面的宇宙的熵真的减少了吗?
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(2). 黑洞视界面积是由质量,电荷及角动量所完全决定的! 和熵完全没有关系! 熵难道也是由质量,电荷及角动量所完全决定的吗?
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(3). 产生这种奇怪的联想的唯一理由是: 希望宇宙熵增原理继续得到维护! 谁说宇宙熵增原理必须得到维护了? 想想受精卵和小鸡的问题吧! 你们的宇宙学完全忽略了生命的存在! 生命就是熵减的…而俺非常相信宇宙本身就是有生命的…
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请参阅二傻的博文: 《宇宙的自由意志》
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霍金说: “柏肯斯坦的联想确实比较突兀! 俺开始也不信…主要理由是: 如果黑洞有熵, 它就必须有温度(按熵的热力学定义), 而有温度的东东必须发出辐射(黑体辐射)…黑洞怎么会发出辐射呢? 我和詹姆-巴丁还在1972年专门写了篇论文批判柏肯斯坦的说法!”
二傻奇怪了: “黑洞不黑, 会发出霍金辐射不正是您的功劳吗? ”
霍金笑笑: “俺绝不敢贪天之功!...这要说到俺在1973年访问苏联时, 与雅可夫-捷尔多维奇和亚利山大-斯塔拉宾斯基讨论黑洞问题时, 他们强烈地说服了我: 按照量子力学的测不准原理, 黑洞应该产生并辐射粒子…只是当时他们的计算太粗糙…后来, 我自己发明了一种好的近似计算方法, 发现无论是旋转黑洞还是非旋转黑洞确实都会以不变的速率发射粒子! ”
二傻问道: “即便黑洞会发射粒子(一会儿就会解释其中的量子力学图像), 您怎么就能说有黑洞熵呢? ”
霍金笑曰: “问得好! 俺当初也是这么想的…毕竟在直觉上不喜欢柏肯斯坦的突兀联想…可是, 后来俺的详细计算发现黑洞辐射出来的粒子的能谱竟然是严格的黑体辐射谱! 其黑体辐射谱对应的温度只依赖与黑洞的质量(质量越大,温度越低)…这使俺不得不相信黑洞熵的概念确实存在!”
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二傻善意地提醒到: “您要十分小心理论逻辑循环论证的可能性(这在数学中经常发生)! 量子力学是从解释黑体辐射谱开始的…您又用量子力学来计算黑洞的辐射能谱, 又得到了黑体辐射谱好像不是特别奇怪吧? 特别是您的计算中好象没有涉及更多的其他物理要求了…”
霍金笑笑: “还没有人仔细研究过这个问题…也许您二傻来玩玩?”
二傻说: “没时间啊…不过就算有逻辑循环论证或其它计算错误, 也最多说明黑洞辐射出来的粒子的能谱不是黑体辐射谱, 也就是说熵和温度的概念不适用于黑洞而已! …辐射总还是有吧? 对了, 那两个苏联人是怎么说服您黑洞一定要辐射粒子的?”
霍金说: “嗨, 其实图象上挺简单: 根据量子力学测不准原理, 真空会有真空量子涨落, 对吧? 就是从真空中会自发出现正反虚粒子对…设想一下如果这发生在黑洞的视界附近, 其中的一个虚粒子掉到黑洞视界里面去, 另外一个在视界外面的虚粒子就自由了…成为实粒子辐射出去了…”
二傻大悟: “原来这么简单! ”
霍金笑笑: “IDEA一般都很简单(如光速不变, 如能量量子化…), 复杂的是具体计算(需要过硬的数学和物理功底)! 更复杂的是计算结果与观测的拟合(需要天才的实验设计和过硬的人品)…..所以, 现在人们把黑洞辐射称为‘霍金辐射’而不是‘斯塔拉宾斯基辐射’…当然对于科学整体而言, IDEA最重要! 所以我要把功劳算一半在那两位苏联同行和柏肯斯坦身上啊!”
二傻道: “佩服! 不愧是大师! …能简单介绍一下黑洞辐射的强度吗?”
霍金说: “根据我和许多其他同行的计算, 质量越大的黑洞, 其温度越低…一个几倍于太阳质量的黑洞的辐射所对应的黑体辐射温度约为一千万分之一K, 比目前我们的宇宙微波背景辐射温度(2.7K)还低很多, 所以这样的恒星级黑洞事实上目前从我们宇宙微波背景辐射中吸收的能量比它辐射出去的还要多…所以它们实际上还将不断增大, 而不是消亡!”
二傻挺失望: “那末目前所有的恒星级黑洞都还是跟以前理解的一样, 一直在贪婪地吸取宇宙其余地方的能量了? … 但是, 记得天狼星的朋友说过: 他们一直在利用黑洞的巨大辐射能量! 这又是怎么回事呢?”
霍金大喜: “真的?! 那就说明宇宙中存在小质量的‘原始黑洞’! 我们人类的能源危机问题终于彻底有救了! 哈哈…哈哈哈… ”
---------(未完待续)--------
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