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1700932168 热和量子这两种晃动非常不同,在通常情况下,它们不相互混淆在一起。量子涨落是真空中不可分的一部分,无法将它消除,但热涨落是由于过剩能量而产生的。为什么我们感受不到量子涨落,它们与热涨落的区别究竟在哪里?尽管在一本书中,试图避免复杂的数学而使用任何类比或图像不免会产生它的逻辑缺陷,但这一切仍处于“可解释的边缘”。然而如果你想把握黑洞战争中什么是存亡攸关之处,某些解释必定是需要的。只要记住费曼关于解释量子现象的告诫即可。(见第4章的“预测未来”一节)
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1700932173 量子场论以定量化的方式解释了两种涨落。热涨落产生于实光子的出现,它们撞击我们的皮肤并向它转移能量。量子涨落是由于虚光子对所引起的,虚光子对产生之后迅速被真空吸收回去。下面是有关实光子和虚光子对时空的费曼图,垂直的轴为时间,水平的为空间。实光子的世界线是没有尽头的虚线,它们的存在表明热和热晃动。但是如果空间处在绝对零度,那么就不存在实光子,仅存在虚光子的微观圈,它们迅速地闪现又不复存在。虚光子对是真空的一部分,也就是我们通常所认为的一无所有的空间,即使在绝对零度也是如此。
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1700932175 在通常情形下,两种晃动之间不会有任何混淆之处。然而黑洞的视界非同寻常,在靠近视界处,两种涨落以任何人都无法预期的方式混合在一起。为了明白它是如何发生的,想象爱丽丝在一个绝对零度的环境(即完美的真空)中自由地落向黑洞。她被虚光子对所包围,却无法看到它们,因为在她身旁没有实光子。
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1700932177 现在考虑徘徊在视界之外的鲍勃。对他而言,事情更加混乱。爱丽丝没有注意到的某些虚光子对,可能一部分处于视界内部,一部分处于视界外部,但是视界后面的粒子和鲍勃不相干。鲍勃看到单个光子,无法认出它属于哪一个虚光子对。信不信由你,这样的一个光子陷于视界外部,而与它成对的伙伴在视界之后,它恰好就如同一个真实的热光子一样,影响到鲍勃和他的皮肤。在靠近视界处,热和量子的分离依赖于观测者:爱丽丝探测到的(或没有探测到的)是量子晃动,鲍勃探测到的是热能。对黑洞而言,热晃动和量子晃动是一个事物的两面。当我们在第20章中了解爱丽丝的飞机时,会回到这一点。
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1700932179 霍金利用量子场论的数学计算出,对黑洞的真空涨落的干扰,将导致光子的发射,黑洞的视界就仿佛是一个热的黑体一样,这些光子称为霍金辐射。最有趣的是,如果贝肯斯坦曾作出此类论点的话,那么黑洞辐射的温度,大约就像贝肯斯坦的观点所给出的那样。事实上,霍金比贝肯斯坦走得更远,他的方法是如此的精确,以至于他可以计算出黑洞的精确温度和熵。贝肯斯坦宣称,在普朗克单位下,只有熵正比于视界面积。霍金不再需要使用“正比于”这样的模糊术语,根据他的计算,在普朗克单位下黑洞的熵,精确地等于视界面积的1/4。
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1700932181 霍金所导出的黑洞的温度公式,正是西雅玛在黑板上所写的公式:
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1700932186 注意,在霍金的公式中,黑洞的质量出现在分母上。这意味着质量越大,黑洞越冷;相反,质量越小,黑洞越热。
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1700932188 我们对一个黑洞来具体应用这个公式。下面是常数的值。[96]
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1700932190 c=3×10  8
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1700932192 G=6.7×10  -11
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1700932194 h=7×10  -34
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1700932196 k=1.4×10  -23
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1700932198 我们以一个质量为太阳5倍的恒星为例,它最终坍缩而形成一个黑洞。它的质量用千克表示为:
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1700932200 M=10  31
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1700932202 如果将这些数值代入霍金的公式中,我们发现这个黑洞的温度是10-8开。这是一个非常小的温度,大约只比绝对温度高亿分之一度[97]。自然界中没有如此低的温度,恒星之间,甚至是星系之间的空间也比这个温度要高很多。
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1700932204 星系中心甚至存在温度更低的黑洞。它是比恒星重10亿倍、大10亿倍的黑洞,同样也要冷10亿倍。但是,我们同样可以仔细分析小得多的黑洞。假定某种大灾难事件侵袭地球。地球的质量大约是恒星质量的百万分之一。最终所形成的黑洞具有了不起的温度,大约为0.01开,这比恒星形成的黑洞的温度高,但依然是令人畏惧地冷,比液氢温度还低,远比固态的氧温度低。我们依样画葫芦地讨论月球质量般的黑洞,可得其温度为1开。
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1700932206 现在来考虑当黑洞发射霍金辐射和蒸发时,究竟发生了什么。由于质量减少使黑洞收缩了,因此导致温度上升了。黑洞迟早会变热。当它的质量为顽石那样大小时,它的温度会上升到100亿亿度。当它的质量为普朗克尺度时,温度会上升到1032度。宇宙中可能存在此种情况的地方和时间,只是在大爆炸开始时期。
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1700932208 霍金的计算表明,黑洞是如何蒸发的,这是才华横溢的杰作。我相信,当它的影响被充分地理解时,物理学家会认识到它是伟大科学革命的起源。准确地了解这个革命将如何进行到底,尚言之过早,但它会触及深层次的东西:空间和时间的本性、基本粒子的意义和宇宙的神秘起源。物理学家们不断地问,霍金能否位于有史以来最伟大的物理学家之列,以及他在等级中的级别。为了回应这些怀疑霍金是伟人的人,我建议他们回过头去阅读他在1975年的论文《由黑洞引起的粒子产生》。
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1700932210 然而无论他有多么伟大,至少在一种情况下,史蒂芬·霍金失去了他的比特的踪迹,这是引起黑洞战争的原因。
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1700932215 黑洞战争 [:1700930472]
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1700932217 黑洞战争
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