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费曼关于黑洞衰变的想法
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问题是,需要巨大的量子涨落才能使一个大黑洞分裂成两半。费曼感到存在一个更为合理的图景,即视界分为一块几乎等同于原来视界大小的部分,另一微观部分飞走了。当这种过程重复进行时,大黑洞会逐渐收缩,直到一无所有。这听起来是正确的,视界的微小部分脱离出去似乎比黑洞分裂为两个大的部分的可能性更大。
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谈话大约持续了一个小时。我不记得我们说再见了没有,也不记得我们有没有定下计划,去追寻这个想法。我晋见了狮王,他没有让我失望。
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如果我们对这个问题思考得更为深入一些,可能会意识到引力很可能会将这些微小的部分拉回视界,某些发射的部分可能会与落下的部分相碰撞。视界正上方是一个复杂的碰撞区域,由于反复碰撞,它可能会因此而升高温度。我们甚至可能认为视界正上方的区域是由沸腾的粒子形成的一个热环境。同时我们可能想到这加热的质量的行为如同任何热的物体一样,它会以热辐射的形式辐射热量。但我们没有这样做下去,费曼回到了他的部分子理论,我回到了是什么将夸克禁闭在质子内部的问题。
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现在正是一个大好时机,我将确切地告诉你们信息是什么了。信息、熵和能量是三个不可分割的概念,这是下一章的主题。
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第7章 能量与熵
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能量
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能量像一个模型拼盘。模型拼盘可以拼出人、动物、植物和岩石,能量也可以改变它的形式。动能、势能、化学能、电能、原子能和热能是能量可以呈现的许多形式当中的几种。它不断地从一种形式变到另一种形式,但有一样东西是不变的:能量是守恒的,能量所有形式的总和永不发生改变。
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下面是有关能量形式改变的几个例子。
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·西西弗斯的能量偏低。[59]因此,在他一次又一次将巨石推向山顶之前,他停下来吃一顿蜂蜜来使自己精神饱满。当巨石到达山顶时,这个囚徒眼睁睁地看着引力将石头拉回山底,只得再进行下一次。可怜的西西弗斯注定要永远将化学能(蜂蜜)转化成势能,接着再转化成动能。不过等一下,当巨石静止在山底时,动能又发生了什么变化呢?它转化为热量。一部分热量流进大气中和地下,西西弗斯也因此而受热。西西弗斯造成的能量转化的整个过程如下:
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化学能→势能→动能→热能
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·尼亚加拉瀑布中的水流获得速度。[60]流动的水饱含着动能,流向涡轮机口,使得转子旋转,电能产生了,通过电线流向电网。你可以画出这个过程中能量的转化形式吗?转化的整个过程如下:
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势能→动能→电能
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此外,某些能量被转化成无法利用的热能:从涡轮机中流出的水比流进的水温度高。
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·爱因斯坦宣称质量是能量。当爱因斯坦说E=mc2时,他所指的是任何物体都有某种潜在的能量,如果它的质量以某种方式被改变,该能量可以被释放。例如,铀核最终会分裂成钍核和氦核。钍核与氦核的质量之和比最初的铀核的质量小一点儿。这微小的盈余质量会转化为钍核和氦核的动能,同时还产生一些光子。当原子静止下来,光子又被吸收时,盈余的能量便转变为热。
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在能量的一切通常的形式当中,热量是最神秘的。什么是热量呢?它是类似于水一样的物质吗?或者它更像某种极为短暂的东西呢?在热的现代分子理论出现之前,早期物理学家和化学家认为它是一种行为像流体的物质。他们称它为燃素,想象它从热物体流到冷物体,使得热的物体变冷,冷的物体变热。事实上,我们现在仍然在说热流这个词。
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但热量并不是一种新的物质,它只是能量的一种形式。将你自身缩小到分子的尺寸,在浴缸中环顾热水。你可以看到分子随机地运动着,熙熙攘攘地碰撞着,混乱地舞动着。让水冷却一下,再环顾你的四周:分子的运动缓慢多了。将它冷却到冰点,分子被固定在冰的晶体之中。不过即使在冰中,分子继续振动。只有当所有的能量被排走时,它们才停止运动(忽略量子零点振动)。就在这时,当水在-273.16℃或者在绝对零度时,温度再也不能进一步降低了。每个分子都被牢牢地固定在合适的位置,处于一个完美的晶格之中,所有混乱的、无序的运动都停止了。从热量到其他形式的能量守恒有时称为热力学第一定律。
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熵
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将你的宝马车停在雨林中500年,是一个糟透的做法。当你再回来时,发现宝马车成了一堆铁锈。这就是熵的增加。如果你让这堆铁锈再呆上500年,你很确定铁锈不会还原,成为一辆能正常运转的宝马车。这就是热力学第二定律,简而言之:熵增加。每个人都谈论熵,包括诗人、哲学家和电脑怪才,但它真正是什么呢?为了回答这个问题,需要更好地考虑宝马车和一堆铁锈之间的差异。它们都是由大约1028个原子组成的集合体,主要是铁原子(在铁锈的情况下,还要加上氧原子)。它们聚合到一起形成一个正常运转的汽车的可能性是多少呢?需要很多专门的知识才能说明它如何不可能。显然,你非常可能得到的是一堆铁锈,而不是崭新的汽车,也不会是原来的那堆铁锈。如果你反复地将原子分开,再将它们放在一起,你最终也许会得到一辆汽车,但更多的可能是你将得到铁锈堆。为什么会这样呢?汽车或铁锈堆的特征差异在哪里呢?
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如果你想象可以将原子集合在一起的所有可能的方式,那么大多数组装所得的更像铁锈堆,只有很小一部分像汽车。即使那样,如果你将车盖打开往里看,很可能又会发现一些铁锈,不过组装方式中的更小一部分,会形成一辆能正常运转的汽车。汽车的熵和一堆铁锈的熵,与我们能辨认出铁锈堆和汽车的数目有关。如果你将小汽车的原子打散后重新组合,你将更可能得到一堆铁锈,因为组合成铁锈的方式要比组合成小汽车的方式多得多。
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这里还有另外一个例子。类人猿不停地敲击键盘,尽管砰砰直响,但几乎总是打出杂乱无章的符号。它能够打出一个语法正确的句子的情况是罕见的,例如类人猿偶然打出了“我想用分号来仲裁我的斜边”这样的句子。少之又少的情况是,它打出了像“克努特国王的下颌上有个疣”这样有意义的句子。[61]更进一步地说,如果你把一个有意义的句子的字母混乱后重新组合,就像拼图游戏中的牌一样,结果几乎是混乱的。原因是什么呢?组合20或30个字母得到没有意义的句子的方式要比有意义的句子的方式多得多。英语字母表中有26个字母,但存在更为简洁的书写体系,它只利用两个符号,点和短划。严格地说,有3个符号,是点、短划和空格,但我们总可以用点和短划的某种特殊序列来代替空格,以使空格不再出现。无论如何,我们可以忽略空格,下面是描述克努特和他的疣的莫尔斯电码,[62]总共有65个符号。
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由65个点或短划能组成多少不同的莫尔斯电码信息呢?你只要将2自身相乘65次,得到265,大约是千亿亿个不同的莫尔斯电码。
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