按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
阋逑喽月鄣囊桓霰夭豢缮俚淖槌刹糠帧Ｒ桓稣媸岛阈堑囊μ跏欠褚欢ǖ贾率咏绾秃诙吹男纬桑源松胁幻魅罚坏翘醯慕峋质遣豢杀苊獾爻晌娴悖词侨范ㄎ抟伞；艚鸷团砺匏够谷啡希绻赐频接钪娴墓ィ心苋肥涤胂衷诘墓鄄饨峁系挠钪婺Ｐ投急匦胗善娴憧肌Ｈ绻钪姘凶愎坏奈镏剩踔粱够嵩僦战嵊谝桓銎娴悖蛭蛘妥刺战岜灰桓龆猿频氖账跆〈Ｄ鞘苯侨钪嬖谔酢�
这些非常重要的定理推广了牛顿引力理论已经知道的结果：一团由尘埃粒子组成的云会由于粒子的相互吸引而收缩成无限大密度的奇点。于是，奇点已成为引力的吸弓胜和“自加速”性的不可避免的结果。我们怎样去勇敢地对付它呢？
宇宙监督
自然界喜欢隐藏自己。
——拉克里特（Heracli山s）（公元前500年）
恒星引力坍缩成奇点以两种方式之一进行，取决于黑洞形成与否。如果黑洞形成，则视界将掩盖其内部的一切，包括物质被最后塞入奇点。这种情况发生于球对称坍缩，对于生活在外部宇宙的物理学家来说，奇点是否形成也无关紧要。由于黑洞内部不可能与外部联络，在奇点附近自然定律和常识可能都被推翻，但外界的物理学家对此一无所知。
第二种可能性是，奇点形成，没有黑洞来掩盖。比如说，设想一个快速转动的大质量恒星在坍缩时保留的角动量超过了临界值，由于离心力，稳定的黑洞视界不可能形成，奇点成为裸露，粒子或电磁信号可以从它那里逃出，并在远处被观测到。由于奇点所具有的无限性，它对时空见何的影响完全不可预测。没有视界的保护，物理学家就得失业，因为今天做的所有计算和预言，明天就会由于探奇点的捣乱而变得一无是处。
显然，宇宙中从来没有观测到探奇点，但这并不能证明它们不存在。为了脱离这个困境，罗杰·彭罗斯提出了一个假设：自然界禁止探奇点存在。按照这个假设，引力坍缩总是使奇点被包在视界里面，这就是所谓宇宙监督。
宇宙监督的思想很能使人消除忧虑，但是从来没有在广义相对论里被严格证明。对于与球对称相差不大的情况，这个假设是成立的，但对更极端的情况问题仍然悬而未决。更令人困惑不解的是，被认为是我们宇宙在150亿年前以之诞生的宇宙奇点，并没有隐藏在一个视界之后。
量子引力
假如上帝在创造世界之前问问我，我会建议他搞得简单些。
——阿尔玛索十世（AIPhonse）（13世纪）
即使宇宙监督假设能被严格证明，它仍然不能解决引力“反常”的问题。奇异环，虽然隐藏在转动黑洞里，却允许物体穿过虫洞，因而意味着因果律被破坏。
所以，真正的问题并不是要知道探奇点是否有所冒犯，而是它们在真实世界中究竟是否存在。为作出回答，必须追溯到问题的根源——广义相对论。一个给出含有无限大物理量的结构的理论怎么能够是正确的呢？
科学常常产生出有奇异性的理论，而随着理论的改进，奇异性又得以被消除。一个很好的例子是原子的早期模型，它把原子看作一个由电力控制的微型太阳系。按照本世纪初由恩斯特·卢瑟福（Emest Rutherford）建立的理论，围绕原子核运转的电子必然会很快地损失能量并掉到核上，但是我们的经验表明原子是稳定的，卢瑟福原子的反常行为只能说明理论是不完善的。量子物理的发展解决了这个难题，在这个新理论里电子的能级是量子化的，于是模型原子被稳定，奇异性被除去。
与广义相对论作一下类比是很有启发性的。霍金和彭罗斯所证明的引力奇异性的发生，可能表明理论被运用到了其适用范围之外，鼻子物理能对此也作出补救吗？
答案的第一部分显由对霍金和彭罗斯理论的更严格的检查所得到的。他们的结论依赖于一个看来是合理的假设，即物质具有正能量。这个条件对所有已知的物质形式显然是成立的，包括中子星这样的虽然不能在实验室仿制，但却可以由我们对核物质的知识来外推的极端形式。但是，即使所有的“经典”物质都有正能量，量子物质却未必如此。最近的计算已经显示，基本粒子物理的某些现象违反了正能条件（例如按照量子力学所可能发生的真空中粒子的自发生成，见第14章）。
这正是问题的关键。虽然广义相对论是迄今最好的引力理论，它显然仍是不完善的，因为它没有考虑支配微观世界演化的量子力学原理，而奇点现象恰恰涉及很小尺度的时空结构。一个经典理论运用于量子领域而出现恼人的奇异性，也就不足为怪了。
但是量子力学与广义相对论之间的关系似乎又很疏远。前者支配着基本粒子的领域，粒子在核力作用下在很小的范围内运动，其主要特点是对现象作出“模糊”的描述，即只能计算事件发生的几率。电磁力则支配着包括人类自身在内的过渡区域。在有些现象里（激光、晶体管等等）量子力学起着决定性的作用，而在别的现象里（无线电波的传播等等）其作用可以忽略。最后，在天文尺度上，量子效应完全不见，而由广义相对论描述的“经典”引力接管了一切。
但是，用谢尔顿·格拉肖（Sheldon Glashow，1979年诺贝尔物理学奖获得者）的话来说，很有可能“蛇在吃自己的尾”。有的物理学家相信，在小于10ry3厘米的尺度，引力是起支配作用的力。这个极小的长度是一个世纪前由马克斯·普朗克在另一个意义上引入的，它由把自然界的基本常数（引力常数、光速和普朗克常数）作出机智的组合而得到，而与基本粒子的性质无关。它表示这样一个最小尺度，在它之上的时空见何可以被看作是平滑的，在它之下时空组织本身不再是连续的，而是像能量和物质一样，也由小颗粒组成。按照约翰·惠勒的说法，“广义相对论与量子力学之间的热烈婚礼”将在这里完成，而产儿显然将被取名为量子引力。
注意这里用的是将来时，因为量子引力与其说是一个理论，不如说还只是一个想法。爱因斯坦在他一生的后40年中试图统一广义相对论和量子力学，却劳而无功。今天，数以百计的理论家仍在致力于这项艰难的工作，除了令人沮丧的数学困难之外，更糟的是没有任何具体实验资料。无论是在距离上还是在能量上，这个研究领域都与实验室相去太远。现在可能做到的是，使用大型的粒子加速器来探测与质子这样的基本粒子半径相当的距离，即10’3厘米量级（用粒子加速器能得到的最高能量使我们能探测到10－‘6厘米尺度的物质性质），但是这与量子时空之间仍然如隔天堑：质子半径与普朗克长度之比，大约等于银河系半径与人的身高之比。
对当代物理学来说幸运的是，不管条件如何不利，新思想却层出不穷。约翰·惠勒提出，由于量子涨落的搅动，微观时空几何是湍动的和不断改变的。这可以用海面来作比拟（图利）。从飞机上看去，海面显得很平整；降低高度再看，海面仍是连续的，但是有起伏；再靠近去，它就变得汹涌翻腾，甚至成了不连续的，因为当波浪碎开时，可以看到抛散在空中的水滴。同样的道理，虽然时空结构在我们所处的高度看去是连续的，但在普朗克长度的尺度上它的“泡沫”就会显而易见，并且能够产生出“水滴”，也就是那些基本粒子。
阐发这个思想的最新尝试是求助于所谓“超空间”，其中的维数多于四（“超空间”的维度甚至可以不是整数，而是“分数型”的）。在日常生活中只有三个空间维度和一个时间维度是可觉察的，但是真实的宇宙可能还有以普朗克长度为特征长度的附加维度来完善自己。可以用一根长的软管子来作个简单比方。它有两个维度，一个是沿其长度方向，只是稍有弯曲；另一个是在其横截的圆周方向，尺度小得多，而弯曲程度却大得多。从远处看去，这根管子就会显得像一条线，只有一个维度，并且没有弯曲。
这些设想是很有趣的，但是还没有任何恰当的方案形成。由于没有任何实验检验，物理学家只能依据理论需求行事，需求之一正是消除引力奇点。奇点将被代之以时空几何的鼻子涨落，这种涨落将不导致无限大的物理量，但将具有阻塞转动黑洞的虫洞的效能。这就是维护因果律的代价。
可以肯定的是，黑洞对量子引力的发展起着关键作用。最近已有研究者提出一个模型，说是微观虫洞（其尺度是原子核的10“‘倍）能通过对量子时空力学的贡献来帮助确定自然界所有基本常数的值。两个世纪前在一片冷漠中诞生，现在才长成的黑洞，其生涯刚刚开始。后两章将更详细地说明，黑洞如何揭示出两个看似完全分离的物理领域之间的深刻联系。第十三章 黑洞机器
热力学
物理学家总是试图理解为什么宇宙是有序的而不是混乱的。从遥远的星系到生物的细胞，宇宙已经形成了所有尺度上的复杂结构。这些有组织的系统是如此复杂多样，像人体和恒星这样的两种系统又是如此不同，以至于任何认识支配系统结构的普遍原理的企图似乎都太不自量力。然而，这种企图却由热力学来部分地实现了。
这门学科开始于19世纪。其初始目的很平凡，工程师和工业公司想要控制热交换和机械能量，以提高蒸气机的效率。从这个小小的开端却发展出了能运用于绝大多数物理系统演化的深刻而普遍的观念（热力学对生命世界的严格应用会出现困难）。
热力学的优越性在于，它建立了不依赖于系统结构细节的普遍定律。例如，它能使我们认识物质的热性质而不必知道其原子结构。热力学可以概括为四条定律，由于历史的原因而从零到三编号。
第零定律是说一个热平衡系统的所有部分都有着同一的温度。第一定律指出热是能量的一种形式，并描述在一个演化系统中不同形式的能量如何交换。如果两个具有不同温度的系统（例如一升热水和一升冷水）相接触，两个系统之间将发生热交换，直到有一个共同的平衡温度为止。这个平衡温度当然是介于两个初始温度之间，一升热水和一升冷水就变成两升温水。第三定律断定绝对零度（－273．15t）不可达到。一个系统的温度可以通过适当的转换来降低，但是不可能通过有限次数的转换来使它完全冷却（目前在实验室里可以用冷却激光来把氦3的温度降至开氏10“度）。第二定律是热力学的核心，因为它的应用范围最广，简单地说，它是指系统在演化进程中会变得越来越无序：山峰被侵蚀，房屋倒塌，汽车破损，恒星爆发，人变老和死亡。当然，较有序的结构随时都在形成：婴儿出生，晶体生长，城市建设，如此等等。但是，一个系统中某一部分里秩序的产生必然以整个系统无序程度的增长为代价。物理学家已经发明了一个量度无序程度的量，它被称作摘。热力学第二定律的精确表述就是，一个孤立系统的摘只能随时间而增大。
摘是有真实意义的，它量度着无序，且看这是什么道理。数学上，摘表示一个系统在不改变其外部状态时所能采取的内部构型的总数。例如，气体的外部状态由其温度和压强确定，气体分子有许许多多种可能的无规运动，全都对应着同样的温度和压强。正是这个运动种类的巨大数目决定着气体的媳。同样道理，一块方糖的“宏观”状态是由化学成分、温度和体积等几个参量决定的，但是每一个宏观态都对应着巨大数目的隐蔽的微观态，这些微观态特别地依赖于分子结构和内部振动。一个系统的摘量度隐蔽的内部构型的总数，因而也量度我们对系统细节的无知。一个系统越是有组织，它的摘就越低，反之亦然。摘是无序的量度。
摘这个概念可以通过与信息的概念联系起来而变得更有普遍性。显然，一个系统的微观构型含有关于该系统的隐蔽信息，隐蔽的信息越多，摘就越大，而同时可得到的信息量就越是减小。一个很有序的系统有大量可得到的信息，因而有很低的摘。通过把字母组织成这本书，我已经传递了大量信息给我的读者——论如何，这正是我的目的。但是假如我突然决定杂乱无章地罗列字母，本书包含的信息将几乎为零，也许能留下一点，就是有个作者。这就是说，嫡量度一个系统的信息的缺乏。
黑洞动力学
黑洞决非一种只