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1700932069 当我到达西雅玛演讲的地方时,演讲的2/3已经过去了。我刹那间感到很遗憾,后悔没有早一点到。一方面,我不希望再次穿上我的跑步装备,到寒冷的雨夹雪中去。另一方面,天已经黑了,到西雅玛演讲结束时无疑会更冷。不过我不仅仅是因为害怕霜冻,而是希望西雅玛的演讲刚刚开始。正如彼得森所说,西雅玛是一个令人感到愉悦的演讲者。笑话确实是杰出的,然而更重要的是,我被黑板上的一个方程给吸引住了。通常情况下,在理论物理演讲结束的时候,黑板上充满了数学符号,但西雅玛很少用方程。当我到达时,黑板上的内容大约如图。在5分钟之内,我已破译了这些符号所代表的含义。事实上,它们都是物理学中常见量的标准符号。虽然我可以断定,它要么非常深刻,要么非常愚蠢。但是我不清楚来龙去脉,这个公式描述的究竟是什么呢?它仅含有自然界中最基本的常数:统领着引力的牛顿常数G位于分母上,它出现在这个位置可真奇怪;光速c表明涉及了狭义相对论;普朗克常数h暗示着量子力学;接下来还有玻尔兹曼常数k。最后那个常数离它该出现的场所实在太远,它究竟在那里做什么呢?玻尔兹曼常数和热量以及熵的微观起源有关,那么热量和熵在量子引力的公式中起什么作用呢?
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1700932074 数字16和π2又是什么呢?它们是数学数字,出现在所有种类的方程之中,不会给出暗示。字母M常常被人用来表示质量,西雅玛的话加强了我对它的意义的印象。几分钟之后,我断定它是黑洞的质量。
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1700932076 很好,黑洞、引力和相对论,这是有意思的,不过再加入量子力学就显得很奇怪。黑洞非常重,和它们的前身(恒星)一样重。然而量子力学却是为小物体:原子、电子和光子准备的。为什么要引入量子力学来讨论像恒星一样重的东西呢?
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1700932078 最令人迷惑的是,方程左边代表温度T,是什么的温度呢?
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1700932080 西雅玛演讲的最后15分钟或20分钟,已足够使我将这些片段连接在一起。西雅玛的一个学生发现了某种非常奇怪的东西:量子力学赋予黑洞以热力学性质,即热量以及伴随着它的温度。黑板上的方程就是黑洞温度的公式。
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1700932082 我想,一颗已耗尽燃料的没有丝毫活力的恒星,居然有一个不同于绝对零度的温度,这是多么奇怪呀!是什么使得西雅玛有如此疯狂的想法呢?
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1700932084 研究这个迷人的公式时,我发现了一个有趣的关系:黑洞的温度反比于它自身的质量。质量越大,温度就越低。如同恒星一样大的一个巨大的天体黑洞,会有微小的温度,比地球上任何实验室中的任何物体都要冷。但真正使我从椅子上跳起来的惊喜是,如果那些微小黑洞存在,那么它们就非常热,比我们想象的任何物体都要热。
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1700932086 然而西雅玛给出了一个更大的惊喜:黑洞蒸发。当时的物理学家认为,黑洞如同钻石一样是永恒的。黑洞一旦形成,物理科学中就没有任何机制可以破坏它或消灭它。在空间中,由死亡的恒星形成的黑空区域,将永远持续无限冷、无限安静的状态。
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1700932088 但是,西雅玛告诉我们,就像太阳光下的水滴一样,黑洞会一点一点地蒸发,并且最终会消失。作为他的解释,电磁热辐射搬走了黑洞的质量。
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1700932090 为了说明为什么西雅玛和他的学生会这样思考,我需要给你们补充一些关于热和热辐射的东西。我将回到黑洞,不过现在先离开一下。
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1700932092 热量和温度
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1700932094 热量和温度是物理学中最为人所熟知的概念。我们都有一个内在的温度计和自动调温箱,进化为我们提供了与冷暖密切相关的感觉。
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1700932096 温暖是热量,寒冷是缺乏热量。然而这种称为热量的东西确切的是什么呢?当浴缸中的水变冷时,热水不热的浴缸将缺损了什么呢?如果你通过一个显微镜来观测微小的尘斑或者悬浮在热水中的花粉粒,你会发现微粒就像喝醉酒的水手一样摇摇晃晃。水越热,微粒表现得越激烈。阿尔伯特·爱因斯坦[89]在1905年首先解释了这个布朗运动,它是快速、有力的分子频繁碰撞微粒的结果。如同其他材料一样,水是由到处运动的分子组成的,它们自身之间、与容器壁,以及与其他外来的杂质之间相互碰撞着。当运动是随机混沌时,我们就称它为热量。对通常物体而言,当你以热量的形式开始增加能量时,将导致分子随机动能的增加。
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1700932098 当然,温度与热量相关。当做矩齿形运动的分子撞击到你的皮肤上时,它们会刺激你的神经末梢,让你体验到了温度的感觉。单个分子的能量越大,你的神经末梢受到的影响就越强,你就感到越热。你的皮肤仅是许多类型的温度计之一,它可以感觉、记录分子的混沌运动。
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1700932100 因此,粗略地说来,一个物体的温度是它单个分子能量的量度。当物体冷却时,能量被排走了,分子缓慢下来。最终,当越来越多的能量被消除时,分子达到了最可能低的能量状态。如果我们忽略量子力学,此时分子运动完全静止下来。在这种情况下,没有更多的能量被排走,物体处在绝对零度。温度不能比它降得更低了。
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1700932102 黑洞是黑体
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1700932104 大多数物体至少反射一点儿光。朱漆是红色的原因在于它反射红光,更为精确地说,它反射了一定波长的组合,我们的眼睛和大脑认为它是红色的。类似的,蓝漆反射我们认为是蓝色的组合。雪是白色的,因为冰晶表面等同地反射所有的可见光。(雪和镜子般的冰片仅有一个区别,这个区别是雪颗粒状的结构朝各个方向散射光,将镜面反射的像打碎为成千上万个微小的部分。)然而某些表面几乎一点也不反射光。任何落入一个黑铁锅的乌黑表面的光被表层吸收,使外层温度升高,最终使铁自身的温度升高。这些就是我们大脑认为黑的东西。物理学家关于一个完全吸收光的物体的术语是黑体。直到西雅玛在纽约(在我的大学里)做演讲时,物理学家一直认为黑洞是黑体。拉普拉斯和米歇尔早在18世纪就想到了这一点,爱因斯坦的史瓦西解则证明了它,当光落入黑洞视界时,它完全被吸收。黑洞视界是所有黑色中最黑的。
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1700932109 然而霍金的发现之前,人们不知道黑洞有温度。如果你在那之前问一个物理学家:“黑洞的温度是多少?”最初的回答很可能是“黑洞没有温度”。你可能会回答:“胡说八道,任何物体都应该有温度。”这个想法可能会激起答案:“是呀,如果黑洞没有热量,那么它一定在绝对零度,也就是最可能低的温度。”事实上,霍金之前的所有物理学家都宣称,黑洞实际上就是黑体,不过是绝对零度的黑体。
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1700932111 现在,说黑体一点都不发出光是不正确的。取一个黑铁锅,将它加热到几百度,它会发出红光,接着是黄光,最终它将有一个明亮的、青白色的外观。
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1700932113 好奇的是,根据物理学家的定义,太阳是一个黑体。你想有多奇怪,太阳远不是你所想象的那样黑。事实上,太阳的表面辐射大量的光,但它一点也不反射光。对于物理学家而言,这样就形成了一个黑体。
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