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霍金《時間簡史》摘要(中)

霍金《時間簡史》摘要()

作者:史蒂芬.霍金

 

第四章:不確定性原理

 

    牛頓引力論的成功,使得法國科學家普拉斯侯爵在19世紀初論斷,宇宙是完全決定論的。例如,假定我們知道某個時刻的太陽和行星的位置和速度,則可以用牛頓定律計算出在任何其他時刻的太陽系的狀態。另外,他還假定存在某種類似的定律,它們制約著其他所有事物,包括人類的行為。

    德國科學家馬克斯.普拉克在1900年提出,光波、X射線和其他波不能以任意的速率輻射,而只能以某種稱之為量子的波包(wave packet)發射。此外,每個量子具有確定的能量,波的頻率越高,其能量越大。

              

    實線是波包,虛線是波包的包絡。當波包傳播於空間時,包絡以群速度移動。

    量子假設可以非常成功地解釋所有觀察到的熱體的輻射發射率, 但直到1926年另外一個德國科學家威納.海森伯提出了著名的不確定性原理之後,人們才意識到它對決定性論的含義。海森伯指出,粒子位置的不確定性乘以粒子質量再乘以速度的不確定性不能小於一個確定量,該確定量稱為普朗克常量。不確定性原理是世界的一個基本的不可迴避的性質。對於我們世界觀有非常深遠的影響。它標誌著一個完全決定性論的宇宙模型夢想破滅。  如果人們甚至不能準確地測量宇宙的狀態,那麼肯定不能準確地預言將來的事情。

    但仍然我們可以想像,對於一些超自然的生物,存在一族完全地決定性事情的定律,這些生物能夠不干擾宇宙地觀察宇宙現在的狀態。

    一般而言,量子力學並不對一次觀察預言一個單獨的確定結果。而是預言一組可能發生結果出現的概率。因為量子力學把非預見性或者隨機性的不可避免因素引進科學。儘管愛因斯坦在發展這些觀念時引起了很大的作用,但他非常強烈反對這些,他之所以獲得諾貝爾獎也是因為他對量子力學的貢獻。

 

第五章:基本粒子和自然的力

 

    亞里士多德相信宇宙中的所有物種由四種基本元素:土、氣、水、火組成。還有兩種作用力:引力和浮力。他也相信物質是連續的。也就是說,人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊,即人們永遠不可能得到一個不可以再小的最小顆粒。

                                                  

                                愛因斯坦(Albert Einstein) 

 

    直到20世紀初原子論才最終確定,愛因斯坦(Albert Einstein)提供了一個重要的物理證據。然後,新西蘭物理學家盧瑟福在1911年最後證明了物質的原子確實具有內部結構:他們有更小的正電荷的核以及圍繞著它公轉的一些電子組成。1932年盧瑟福的另外一個劍橋大學同事查德威(Sir James Chadwick,另譯詹姆斯·查兌克)發現,原子核還包括另外稱為「中子的粒子。中子幾乎具有和質子一樣大的質量但不帶電荷,這個發現讓查德威獲得了諾貝爾獎。

               

                                                          查德威(Sir James Chadwick) 

    直到最近30年前,人們還一直以為質子和中子是基本的粒子,但是,質子和另外質子或者電子高速碰撞的實驗表明,它們事實上由更小的粒子構成,加州理工學院的牟雷.蓋爾曼將它稱之為夸克」(quark),他也因此獲得1969年的諾貝爾獎。

    一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克,一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克。    

                

    現在我們知道,不管是原子、質子、中子都不是不可分的。那麼什麼才是真正的粒子?構成世界萬物最基本的構件?

    量子力學告訴我們,實際上所有的粒子都是波,粒子的能量越高,則其對應的波的波長越短。如果我們利用更高的能量時,是否會發現更小的粒子呢?這一定是可能的!

    保羅.狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)在1928年提出一個理論,它與量子力學和狹義相對論一致,從數學上解釋了為什麼電子具有1/2的自旋,為什麼即不能轉一周也不給你轉兩周。它還預言了電子必須有它的配偶:反電子或者正電子。1932年正電子的發現也讓狄拉克獲得了1933年的諾貝爾獎。也有可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。

                   

                                     保羅.狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)

    在量子力學中,所有物理粒子之間的相互作用都認為是由自旋為整數0、1、2的粒子攜帶。自旋為0、1、2的粒子可以在某種情況下作為實粒子存在,這時它們就呈現出經典物理學家稱之為波動形式,例如,光波和引力波的東西。當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時,它們就時就可以被發射出來。

    攜帶力的粒子按照其強度以及與相互作用的粒子可以分為四個種類。

第一種力是引力,這種力是萬有的,也就是每一個粒子都因為它的質量或者能量而感受到引力。其他三種力要麼是短程的,要麼時而吸引時而排斥,所以我們傾向於相互抵消。以量子力學的方法來看待引力場,人們把兩個物質粒子之間的力描述成由稱作為引力子的自旋為2的粒子攜帶的。它自身沒有質量,所以攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結於構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換,也就是:它們使地球圍繞著太陽公轉。實引力子構成了經典的物理學稱之為引力波!

    另外一種是電磁力,兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億(在1後面42個0)倍。

    第三種力是弱核力,它負責放射性現象,並只作用於自旋1/2的所有物質粒子。

    第四種力是強核力,它將質子和中子中的夸克束縛在一起,並將原子核中的質子和中子束縛在一起。

                

                                                                      夸克(quark) 

第六章:黑洞

 

    黑洞這個詞是1969年美國科學家約翰.惠勒(John Archibald Wheeler)提出的,為了形象地描述至少可回溯到200年前的一個觀念時,他創造了這個詞。那時候有兩種光理論:一種是牛頓贊成的光的微粒說;另一種是光由波構成的波動說。現在我們知道,實際上兩種都是正確的。由於量子力學的波粒二象性,光即可認為是波也可認為是粒子。

    1783年,劍橋的學監約翰.米歇爾發表了一篇文章,他指出:一個質量足夠大並且足夠緻密的恆星會有如此強大的引力場,甚至連光線都不能逃逸:任何從恆星表面發出來的光,在還沒有到達遠處前就會被恆星的引力吸回來。米歇爾暗示,可能存在這一的恆星。雖然我們不能看到它們,但是我們可以感到它們的引力的吸引。這就是我們現在稱之為黑洞的物體!,它是名副其實的:在空間中的黑的空洞。

    為了理解黑洞是如何形成的,我們首先要理解恆星的生命周期。大量的氣體受自身的引力吸引,而開始自身坍縮形成了恆星。在恆星坍縮過程中,由於氣體原子越來越頻繁地以越來越大的速度相互碰撞,導致了氣體溫度升高,從而導致恆星內聚集大量能量。我們太陽大概足夠再燃燒50億年,但是更大質量的恆星可以在短的時間內耗盡燃料。當恆星燃料耗盡,它開始變冷收縮。在20世紀科學家算出了當耗盡燃料後,多大的恆星仍然可以對抗自己的引力而維持自身。當恆星冷卻不斷變小時,一顆恆星可因引力的吸引和不相容原理引起的排除達到平衡。

                                                               

                                                           前蘇聯知名物理學家郎道

    另外,前蘇聯知名物理學家郎道指出,恆星還存在另外一個可能的終態。它們質量比太陽大1-2倍,體積比白矮星還小,這些恆星是由中子和質子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力支持的。我們叫它中子星。

    愛因斯坦寫了一篇文章宣佈恆星的體積是不會收縮為零的。恆星的引力場改變了光線在時空中的路徑,使之和如果沒有恆星的情況的路徑不一樣。隨著恆星收縮,其表面的引力場變得更加強大,而光錐向內偏折得更多。最後,當恆星收縮到某一臨界半徑時,表面上的引力場變得如此強大,使光錐向內偏折的更厲害,以至於光線再也逃不出去。根據相對論,沒有任何東西比光行進更快,這樣如果光都逃不出去,其他東西更不可能,所有東西被引力場拉回去。這樣,存在一個時間的集合或者時空區域,光或者任何東西都不可能從該區域逃逸,現在我們將這片區域稱之為:黑洞。將其邊界稱之為事件視界(Event horizon),而它和剛好不能從黑洞逃逸的光線那些路徑相重合。

    如果一個恆星坍縮形成黑洞時,由於相對論中的沒有絕對時間理論,由於恆星的引力場,在恆星上某個人的時間將和遠處某人的時間不同。羅傑.彭羅斯和作者(霍金)在1965年和1970年之間的研究指出,根據廣義相對論,在黑洞中必然存在密度和時空曲率無限大的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似。在此奇點,科學定律和我們預言將來的能力都崩潰了。然而,任何留在黑洞之外的觀察者,將不會受到可預見性失效的影響,因為從奇點出發的,不管光還是任何其他信號,都不能到達那裏。

    廣義相對論方程存在一些解,我們的航天員在這些解中可能看到裸奇點(Naked

singularity是一種理論推測出的重力奇異點,其外沒有事件視界包圍住。):他也許能避免撞到奇點上去,相反地穿過一個「蟲洞」來到宇宙的另外一區域。這樣給時空內的旅行提供了很大的可能性。但不幸的是,所有這些解非常不穩。奇點總是發生在他的將來,而絕不是他的過去。(: 霍金後來承認穿過一個「蟲洞」來到宇宙的另外一區域的說法是錯誤的。)

    事件視界,也就是時空中不可逃逸區域的邊界。其行為猶如圍繞黑洞的單向膜:物體,事件視界其實是企圖逃離黑洞的光在時空中的路徑,而且沒有任何東西比光行進更快。任何東西或者人,一旦進入事件視界,很快地到達無限致命的區域和時間的終點。

    廣義相對論預言,運動的重物會導致引力波的輻射,那是以光速行進的時空曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似,但是要探測到它困難很多。

就像光一樣,引力波帶走了發射它們的物體的能量。圍繞著太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應就要改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最後撞上太陽,但這個時間會非常非常久,沒有必要擔憂。

    在恆星引力坍縮形成黑洞時,運動會加快,這樣攜帶走能量的速率會高很多。因此不用太長時間就會達到不變的狀態。引力坍縮之後,黑洞終結是一個完美的球形,其大小依賴於它的質量。

    1970年,作者和另外一位劍橋同事證明了,假定一個穩態的旋轉黑洞,它有一個對稱軸,則它的大小和形狀,只由它的質量和旋轉速度決定。

    按照黑洞的定義,它不能發光,我們何以希望能觀察到它呢?在1783年先驅性論文章指出,黑洞仍然將它的引力作用到它周圍的物體上,天文學家觀察到許多系統,這些系統中兩顆恆星由於相互之間的引力吸引而相互圍繞轉動。同時,他們還觀察到一些只有一顆恆星圍繞這一顆看不見的伴星運動。這顆伴星就是黑洞。

    在茫茫宇宙中,黑洞的數量非常多,甚至比我們看得見的恆星要多很多(恆星大約1000億顆)。某些證據表明,在我們星系的中心有一個大得多的黑洞,其質量約是太陽的10萬倍。人們認為,在類星體的中心也類似的,有一個比太陽大1億倍的黑洞存在。

 

第七章:黑洞不是這麼黑的

 

    在1970年以前,作者(霍金)關於廣義相對論的研究,主要集中在是否存在大爆炸奇點。那時候還不存在關於時空的那些點是在黑洞之內還是黑洞之外的準確定義。作者和羅傑.彭羅斯定義了黑洞邊界即事件視界:是由剛好不能從黑洞逃逸,只能在邊緣上盤旋的光線在時空中的路徑形成的。後來作者發現假定黑洞已經終止於不隨時間變化的狀態,按照兩種定義,黑洞的邊界並因此其面積應該是一樣的。

    1973年作者訪問莫斯科兩位科學家討論黑洞的問題,他們說服了作者,按照量子力學的不確定性原理,旋轉黑洞應該產生並輻射粒子。那是還沒有計算出實際上有多少輻射,但是當作者計算出時,作者甚至發現非旋轉的黑洞顯然也應以不變的速率產生和發射粒子。這輻射的粒子譜剛好是一個熱體輻射的譜,而且黑洞以剛好防止第二定律被違反的正確速率發射粒子。後來很多人也證明了,黑洞必須如同一個熱體那樣發射粒子和輻射,其溫度只依賴於黑洞的質量,質量越大則溫度越低。

    我們知道任何東西都不能從黑洞中逃離,那麼黑洞是怎麼發射粒子的呢?根據量子理論,粒子不是從黑洞裏面出來的,而是從緊靠黑洞的事件視界的外面「空虛的」空間出來的。另外,不確定性原理還預言了存在類似的虛的物質粒子對,類似電子對和夸克對。然後在這樣情況下,粒子對的一個成員為粒子,而另外一成員成為反粒子。

    黑洞的質量越小,其溫度就越高,伴隨著黑洞損失質量,它的溫度和發射率增加,它的質量就損失越快。當黑洞的質量變得極其小時會發生什麼?人們並不清楚,但是合理的猜想是:它最終將會是一次巨大的輻射爆炸。

    正如第六章提及的,在宇宙極早期階段由於無規則引起的坍縮而形成了質量極小的太初黑洞,具有極大的能量,想要駕馭太初黑洞何其困難,但即使我們不能駕馭太初黑洞的輻射,我們有多少幾率能觀察到呢?我們可以尋找太初黑洞在其主要生存期里發出的伽馬射線輻射。伽馬射線背景的觀察並沒有給太初黑洞提供任何肯定的證據,但是它明確告訴我們,在宇宙中平均每立方光年不可能有多於300個太初黑洞。這表明,太初黑洞最多只能構成宇宙中的一百萬分子一的物質,但我們並不知道,太初黑洞在我們星系中有多普遍,如果它的密度比這個普遍100萬倍,則離開我們最近的黑洞可能大約在10億千米遠,大約在冥王星那麼遠。

 

(未完)

 

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