AL123 人文社科会员免费专区文学 2022-09-20

李·斯莫林讲量子引力_AZW3_MOBI_EPUB_【美】李·斯莫林;高晓鹰译

内容节选

06黑洞热力学2：不断加速的观察者要想真正了解黑洞是什么样子，我们必须想象自己在近距离观察。如果我们在黑洞的视界外徘徊（如图6-1所示），能看到什么？黑洞像行星和恒星一样有引力场，所以要在它的表面上空盘旋，我们必须让火箭引擎持续运转。一旦引擎关闭，我们就会自由落体，迅速地穿过视界，进入黑洞内部。为了避免这种情况，我们必须不断加速，以免被黑洞的引力场拖垮。这种情况类似于月球着陆器中的宇航员盘旋在月球表面上方，只不过我们看不到黑洞的表面。任何落入黑洞附近的东西都会加速从我们身边经过，如同落向视界。但是我们看不到由光子组成的视界，因为光子即使在不断朝着我们的方向运动，也永远无法抵达我们，它们被黑洞的引力场固定住了。我们能看到的光来自我们和视界之间的事物，但我们看不到来自视界本身的光。图6-1 一枚在黑洞的视界外盘旋的火箭通过保持引擎运转，火箭可以在视界上方保持固定的距离。你可能会认为这不太对。我们真的能在一个由永远无法到达我们的光子组成的表面上方盘旋吗？相对论认为没有什么能超过光速，这肯定与相对论矛盾吗？这是事实，但也有一些特殊条件。如果你是一个惯性观察者，也就是说，你以恒定的速度运动而不加速，光就能赶上你。但是如果你不断地加速，那么一束光如果从离你足够远的地方开始，将永远无法赶上你。事实上，这与黑洞没有任何关系。任何在宇宙中任何地方持续加速的观察者，都会发现自己处于一种类似于在黑洞的视界上方盘旋的状态。我们可以从图6-2中看到这一点：只要有足够的提前量，一个不断加速的观察者就可以超过光子。所以一个加速的观察者有一个隐藏区域仅仅是因为光子无法追上他。并且他有一个视界，也就是对他而言的隐藏区域的边界。这个边界把能追赶上他的光子与追不上的光子分开。它是由那些尽管以光速运动，但永远不会靠近他的光子组成的。当然，这个视界完全依赖于加速度。一旦观察者关掉其引擎，以惯性运动，那么来自视界和更远处的光线就能追赶上他。图6-2 加速观察者的视界线粗实线之一是一个不断加速的观察者的视界线。他不断靠近，但永远不会经过那道光线的路径，也就是他的视界。因为即使他继续加速，他的视野也无法超越视界。在视界的后面，我们能看到一道永远追不上他的光线。如果他停止加速，他就会穿过他的视界，从而看到另一边是什么。这似乎有些令人困惑。如果不可能比光速快，那么观察者怎么才能持续加速呢？请放心，我所说的绝不与相对论矛盾。原因是，尽管不断加速的观察者永远不会超过光速，但他却能够越来越接近这个极限。在每个时间间隔内，相同的加速幅度导致速度的增加越来越小。他越来越接近光速，但却永远无法到达。原因在于，当他接近光速时，他的质量会增加。如果他的速度与光速相等，他的质量就会变得无穷大。但是一个有无穷大质量的物体无法被加速，因此一个物体不能被加速到光速或更快。与此同时，随着他的速度越来越接近光速，相对于我们的时钟，他的时间会越来越慢。只要他开着引擎继续加速，这种情况就会一直持续下去。我们在这里描述的是一个对于思考黑洞非常有用的比喻。一个在黑洞表面上方盘旋的观察者在很多方面就像一个在远离任何恒星或黑洞的区域并不断加速的观察者。这两种情况下都有一个隐藏区域，其边界就是视界。视界是由与观察者同向运动却永远无法靠近他的光构成的。想要穿越视界，观察者只需关掉引擎。此时，形成视界的光就会追上他，他则会进入视界后面的隐藏区域。虽然加速观察者的情况类似于黑洞外的观察者，但在某些方面，他的情况更简单。因此，在这一章中，我们将绕一小段弯路，探讨一下一个不断加速的观察者眼中的世界，这有助于我们理解黑洞的量子特性。当然，上述两种情况并不完全相似。不同之处在于，黑洞的视界是其客观属性，可被许多其他观察者看到。但是一个加速观察者的隐藏区域和视界只是加速的结果，只有他能看见。不过，这个比喻还是很有用。为什么？让我们先来问一个简单的问题：不断加速的观察者环顾四周时会看到什么？假设他加速穿越的区域是空的，附近没有物质和辐射，只有真空。让我们先给加速观察者装备一套科学仪器，比如太空探测器携带的仪器：粒子探测器、温度计等。在他打开引擎之前，什么也看不见，因为其所在的区域是真空。那么，若他打开引擎，真的会不一样吗？答案是肯定的。首先，他会体验到加速度，并因此感到沉重，就像突然置身于引力场一样。从生活经验和科幻小说中关于旋转空间站的人造引力的想象中，我们都知道加速度和引力效应之间的等效性。这是爱因斯坦广义相对论中最基本的原理，爱因斯坦称之为等效原理（equivalence principle）。该原理指出，如果一个人待在一个没有窗户的房间，没有跟外人接触，他就不可能区分这个房间是坐落在地球表面，还是在一个远离地球、加速度和引力效应相同的真空环境中。但是，现代理论物理学最引人注目的进步之一是发现加速度有另一......