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量的相互作用就可以按一个折衷方案来计算:时空连续体仍保持为“经典的”,并且可以由广义相对论来描述,只是其中容纳的物质和辐射才是量子化的。
霍金在1974年按这个方案行事,得到的结果完全出乎意料,以至于他以为自己算错了。他又检查了好几遍,终于被迫接受这样的结论:微型黑洞必定会蒸发,即向外发射粒子。
初看起来这是令人困窘的,这种行为是与黑洞禁止任何物质逃离视界这一“经典”概念公然对抗的。当然,一个“激发态”黑洞可以由缓慢地减少其角动量或电荷而失去一部分能量,但是粒子的发射仍然在视界之外。一个“退激发”的史瓦西黑洞必须保持其与面积和摘相联系的不可约质量能量,按照经典热力学第二定律面积和摘只能随时间增长,而现在霍金的计算表明,微型黑洞,不论是激发与否,都必须允许粒子逃离,即蒸发掉自己的质量和能量。怎么解决这个矛盾呢?
事后来认识一个重大的理论发现常常是容易的,因为它一下子使尚未理解的现象之间的关系得到了解释。在这个意义上,黑洞的量子蒸发来得正是时候,它证明黑洞的热力学图像是完全正确的,而这个图像的“经典”式描述,严格说来是不自治的,且看道理何在。
按照热力学定律,所有具有一定温度并沉浸在一种较冷介质(例如空气)中的物体,必定会发出辐射而损失能量。物体的摘减小而周围介质的墙增加。在这个交换中总结,即单个摘的总和,必定增加,这是第二定律所规定的。
关于黑洞,热力学是怎么说的呢?它有妨,由其表面积给出;有温度,由其表面引力给出。假设把黑洞放在一个浴器里,如果黑洞的温度比浴器的低,它将吸收能量并增加自己的摘;但是如果黑洞的温度高,我们就不得不承认黑洞应当把能量和摘交给浴器,而这与“经典”的黑洞热力学第二定律是矛盾的。
霍金的发现消除了这个不一致。由于量子力学的特定性质(这将在下面介绍),黑洞即使是在最低能量态也能发射粒子或辐射。由于丧失能量,黑洞的摘,亦即其面积减小,而周围环境的嫡则由于获得能量而增大,并且环境滴的增大量大于黑洞滴的减小量,于是总的摘仍然增大,热力学第二定律为黑洞加环境的整体系统所遵守。
隧道
经典观点认为没有任何东西能逃离黑洞,视界是一个“单向膜”,只许进而不许出。从黑洞内部看来,视界就像是一堵无限高的墙,越过它需要有无限大的能量。
但是量子力学提供了穿过任何一堵墙的可能性,哪怕是没有足够的能量。这种现象被称为隧道效应,是测不准原理的直接结果,而测不准原理则是量子力学的基石,就像等效原理之于广义相对论。
按照量子力学,对微观世界的描述有着某种“模糊性”。例如,如果我们要测量一个孤立电子的位置,它就必须是有确定位置并且是可见的,要成为可见,它就必须被照明。一个电子是如此之小,用来照明它的光子会给它一个小冲力并改变其运动速度,因此,对电子位置的高精度测量就会导致对其速度测量的一定程度的不准确性。反过来也是如此,如果电子速度的测量精确到1厘米/秒,其位置的测量就不可能精确到1厘米以内。
更普遍地说,所有测量都会干扰微观系统。测不准原理是维勒’海森堡(WernerHeisenberg)于1927年建立的。当然,当所涉及的质量大得多时,量子不确定性就会减小。质子的质量大约是电子的2000倍,因此如果它的速度测量精度为1厘米/秒,其位置测量精度就能达到约5微米。这个精度虽有提高,仍然是很差的,因为质子的直径还要小上10亿倍。对宏观物体来说,由于其质量比起基本粒子来是如此巨大,因而位置和动量的测不准性都完全消失,宏观世界是“决定论的”(与目前人们的信念相反,这并不意味着其演化能被预测。许多非常复杂但仍完全是经典的即所谓“非线性”的物理现象.虽然是由决定论方程支配,却朝着完全不可预测的状态演化。这就是一个星期以上的天气预报总是那么不可靠的缘故,不论使用的计算机威力有多大)。
测不准原理也可以运用于其他置于化的物理量,例如能量,在一个很短的时间间隔里能量会有一定的涨落。经典地讲,从黑洞逃离是被禁止的,但是测不准原理允许粒子在一定时间间隔里从黑洞借助一定量的能量。如果黑洞是微型的,即尺度与基本粒子相当,能量的“跃迁”可能足以使粒子运动一段大于视界半径的距离,其结果就是粒子逃出,黑洞损失能
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