逃脫黑洞的可能:《時空旅行的夢想家:史蒂芬‧霍金》選摘(2)

2017-12-21 05:10

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當年八月和九月,就在劍橋放長假之時,霍金和潔恩聯袂前往華沙,慶祝哥白尼五百歲冥誕,隨後又轉往莫斯科。由於索恩當時和蘇俄幾位物理學家合作研究已有五年,也深知蘇聯內情,於是他們要求索恩一道前往。霍金希望和雅可夫.澤爾多維奇(Yakov Borisovich Zel'dovich),以及他的研究生亞歷山大.斯塔羅賓斯基(Alexander Starobinsky)討論。這兩位俄羅斯物理學家已經有辦法闡明:從測不準原理可以推知,旋轉黑洞能生成、釋出粒子,而促成這種現象的是黑洞的轉動能量。這種輻射應該是發自事件視界外側接壤位置,而且會減緩黑洞轉速,到最後就不再轉動並停止輻射。霍金認為,澤爾多維奇和斯塔羅賓斯基確實能夠做出重要成果,不過他也覺得他們的計算還不夠好。回到劍橋之後,他決意設計一種更好的數學處理做法。

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霍金期許自己的計算結果能夠驗證俄羅斯物理學家的預測,顯示旋轉黑洞確實發出輻射。結果他的發現還更搶眼:「結果讓我驚訝、煩惱,我發現,就連無旋轉黑洞顯然也應該以穩定速率生成、發出粒子。」起初,他以為自己的計算肯定是哪裡出了錯,於是花了許多時間查核。霍金特別在意的是,別讓貝肯斯坦知道這項發現,免得被他拿來當成佐證,用來支持自己的事件視界和熵的論點。然而霍金思索愈深,愈覺得必須承認,自己的計算絕對不會離譜。關鍵在於發出的粒子頻譜,完全就是你心目中一切熱體都該有的樣式。

貝肯斯坦對了:你拿黑洞當成大垃圾桶,把具有熵的物質拋進黑洞,並不能讓熵減少,讓宇宙變得更為有序。具有熵的物質進入黑洞,事件視界的面積就會變大:黑洞的熵增多,宇宙(包括黑洞內、外)的總熵量並沒有絲毫減少。

為什麼黑洞不黑,上下圍繞著一圈「光環」?(圖/擷取自youtube)
「貝肯斯坦對了:你拿黑洞當成大垃圾桶,把具有熵的物質拋進黑洞,並不能讓熵減少,讓宇宙變得更為有序。」(翻攝自youtube)

不過這時霍金還鑽研一個更大的謎題。倘若沒有東西能夠逸出事件視界,黑洞又怎麼可能有溫度並發出粒子?他在量子力學裡面找到了這個答案。

我們認為空間是真空的,這種想法並不完全正確。我們已經明白,空間永遠不是完全真空。現在我們就來找出原因。

測不準原理指稱,我們永遠沒辦法同時完全準確得知一顆粒子的位置和動量。這項原理的意涵還不只於此:我們永遠不能同時完全準確地知道一個場(好比重力場或電磁場)的場值,以及該場隨時間的改變率。我們愈確切知道一個場的場值,就愈不能準確知道該場的時變率,反之亦然:像是一種蹺蹺板。結果是一個場的測量值永遠不會是零。零是個非常準確的測量值,就場的場值和時變率而言都是如此,測不準原理不容許出現這種情形。除非所有場都完全等於零,否則你就不會有空無空間:沒有零,沒有真空空間。

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