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物理学的哲学意义(第四十八章)

(2020-09-28 17:00:38)
分类: 物理学的哲学意义

第四十八章 黑洞中是什么?

要回答这个问题,首先得弄明白什么是黑洞? 1738 年,约翰• 米歇尔首次讨论了黑洞。他论证如下:每个星体都有逃逸速度,质量越大,逃逸速度越大,物体越难以逃离该星体。当星体质量很大,使得它的逃逸速度大于光速时,连光都不能逃离该星体。根据爱因斯坦的相对论,所有物质速度都不能超过光速,因此,当一个大质量星体的逃逸速度大于光速时,什么物质,包括光都不能逃出该星体,人们将看不到该星体,它就会成为一颗暗星,既是黑洞。

米歇尔的论述依据了牛顿的万有到力。在引力作用下,万物都会受到形成黑洞的星体的吸引,当星体质量足够大时,一切都无法逃逸。但他忽视了一个事实,光是没有质量的,也就是说光是不受万有引力吸引的,它怎么能被星体束缚呢?光没有质量,不能用万有引力来解释光的行为。光不会在引力场中减速,光不受引力的作用,那么不管多大的质量产生的引力场,都不可能束缚光的行为。所以,传统上讲的黑洞的形成是因为引力场使光不能逃逸是错误的。同时也造成了对黑洞描述的错误。

爱因斯坦的广义相对论也对黑洞有预测。大质量星体周围会造成的时空极度扭曲,可能令光线无法逃逸而形成黑洞。但爱因斯坦相对论的本质是讲:在一个只有引力存在的世界中,物体只受引力的作用,或者说物体在引力场中做自由落体运动动时,时空的性质(受力物体的时空性质)。这个时空的性质虽然只与引起引力场的物体(场源物质)的物理性质(质量及运动状态)有关,但这讲的是受力体的时空性质。即在场源物质激发的引力场中,做自由落体运动的物体的时空性质。也可以讲是引力场的时空性质。它排除了引力场以外的其它作用。比如,相对地基运动的火车上的时空性质。虽然,时空的性质是由场源物质的性质决定的,但它仅指受力体的时空性质。即在引力场中自由落体的时空的性质。不能抛开以上约定,而仅就场源物质的空间位置而谈时空的性质。也就是说,宇宙之中某大质量星体周边的时空性质,是一个时空概念,而不仅仅是空间概念。不能仅仅就其空间位置讨论时空的性质。它是指做自由落体运动的物体在场源物质引力场中的时空性质。所以,不能说宇宙之中,某个大质量的星体周围一定存在黑洞,黑洞应当是个时空概念,而不能仅就空间谈论它。

另外,我们谈时空的性质,或者讲任何宇宙有关现象,一个必须的前提就是基础时空的选择,既观者的选择。因为,观者不同,一切都无法确定。比如,观者不同,场源物质的物理性质不同,引力场的性质不同,物体的受力状态不同。观者不同,一物可能受很大的力, 但在不同观者的世界里,也可能不受力。比如,以地球为观者,爱因斯坦电梯里的人受到了地球的引力。以电梯为观者,则不受力。这点很重要,观者不同,世界将大不相同。

爱因斯坦广义相对论所揭示的时空性质,其实就是:从某个基础时空——观者的角度看,在场源物质激发的引力场中,某质点做自由落体运动时的时空状态。它取决于三个要素,观者、质点的起始状态和自由落体的运动状态。让我们举个例子。选择地球为观者,观者静止时的时空中有一质点M做为场源物质激发引力场,其质量为M, M静止。一飞船m,静止于某点o, 质量m。o距M 的距离为s, m从o开始, 在M的引力场中做自由落体运动,运动到 p点,p到M的距离为r,则有m在p点的速度为v,那么

v=[2GM( 1/r-1/s)]1/2

G为引力常数。按照相对论,v必须小于光速c。根据上式,只要取值适当,那出v一定有大于光速的时候,这意味着什么? 这就是广义相对论预示的黑洞,即在上述试验条件下,v大于光速的空间范围就是飞船m的黑洞。它是一个球体,当v=c时,r就是黑洞半经,球面就是事件视界。

所以,黑洞是指,在引力场的作用下,自由落体运动的物质速度达到或大于光速时,运动物体所处的引力空间范围,这个范围只相对该物体为黑洞,其它物体,如与该物体物理性质不同,或受力状态不同,则该区域就未必是黑洞。也就是说,虽然黑洞是场源物质激发的,但它是相对运动物体而言的。所以,宇宙之中大质量星体周围的空间范围,不一定就是黑洞,不是所有的物质到达这个空间范围都会消失,是否消失还与物质起始时空性质及受力状态有关。我们谈论时空的性质,不能把时间和空间隔裂开来。所以,不能说宇宙哪个地方有黑洞,因为它不仅是个空间概念,还是个时间概念。黑洞是以某个观者看来,某个引力场中,某个自由落体的时空点速度达到或大于光速时的时空范围。那么,这个自由落体运动的物体 m 在到达黑洞时会有什么表现呢? 注意,是相对于选择的观者的表现。

当物体飞行到黑洞事件视界边缘时,速度接近于光速,由于引力红移它会越来越红,到达事件视界时,引力会造成它的光线无限红移。它的空间变为一点,时间停止,变得无限漫长。最后消失于事件视界之内。这里的时空变化是指其内部的时空变化( 在观者看来), 很多人认为由于其时间停止,它也会运动得很慢,这是个误解。那么,物质坠入黑洞意味着什么呢?当物体运动速度达到光速时,它与观者世界的相互作用会破裂,万有引力消失。我们知道,物质的存在是以相互作为甚础的,没有相互作用,也就没有了存在。也就是说它从观者的世界消失了。( 详见拙作《物理学的哲学意义》)。当然也不可能再向观者世界传递任何信息了,比如发光。所以, 才称其为黑洞。当然也可以用引力红移来解释,到达视界后,引力无限红移,光的波长无限长,频率为零,当然也就不存在了。根据守恒定律和相对论,物体消失后,会爆发巨大的能量,E=mc2。那么,我们的宇宙中存在黑洞吗?

现代物理学认为,恒星在演变过程中不断发生聚核发应,燃烧氢形成氦,当氢燃烧待尽时,聚核反应产生的膨胀力不足以抵挡恒星物质的万有引力时,恒星就会塌缩。当恒星的剩余质量产生的引力不足超过中子之间的斥力时,形成白矮星和中子星。当中子之间的斥力不足以抵抗恒星自身引力时,恒星就会向中心继续塌缩,最后到达奇点而形成黑洞。这个理论是不对的。首先,恒星在没有塌缩时,质量更大(核反应消耗了物质质量),为什么没有形成黑洞?如果说是密度不够(星体半经大于黑洞的半经), 但其实当恒星物质压入奇点后物质会消失,没有物质质量,当然也没有所谓的密度。一些科学家认为奇点是高温高压,密度无限大的点,这其实是不对的。一些科学家也认为恒星塌缩的奇点没有物质,但会留下极高的引力场,这也是不对的。因为,物质压入奇点,没有空间距离,根据万有引力定律,质点间引力与距离的平方成反比,距离为零,意味着万有引力无限大。存在是双方相互作用,没有距离意味着没有双方,没有作用,没有存在。也就是说,当物质压入奇点后,相互作用的关系破裂,物质毁灭,释放出巨大的能量。这就是类星体巨大能量输出的原因之一。

正象前文中讲的,黑洞是引力作用下自由落体时空达到光速的时空现象,它不仅是大质量星体周边的空间现象。其实根据上式,只要 s和r的选择适当,任何质量的物体都可能形成黑洞。也就是说,黑洞可能其远无涯,也可能其近无隅。对,也可能就在你的身边。也没必要必须很大的质量。因此,现代物理学对黑洞的描述是错误的。

那么,上述恒星塌缩有没有形成黑洞的可能呢? 答案是可能的。一个星系,或者大的恒星演化到一定阶段,氢燃烧待尽时,巨大的压力温度会发生大爆炸,把星际物质向空中四散撒播。之后,在星际重力的作用下,散落物质向中心做自由落体运动,由于质量大, 动力足,在中心之外的某些区域,星际物质速度达到光速形成黑洞。这个黑洞应当以某个中心为球心的球形,半经与星际爆炸的能量和物质质量有关。但事件视界应当有一定范围,因为星际物质不可能在相同的离心距离回落。视界内为黑洞无光,其外应当是耀眼的红光,越向外光的红移量越小,反之越大。这样黑洞再向内发展,物质到达奇点后会归于毁灭消失,黑洞也就消失了。

时空中的奇点,黑洞的事件视界以内,时空结构被破坏,爱因斯坦方程不再实用。那个区域应当是本宇宙外区域,即外宇宙。当然,它是基于观者而言的,观者不同它也会发生改变。现代物理学讨论黑洞时,一般把s取无限远处。则有

v=( 2GM/r)1/2

那么,黑洞的半径就是 r=2GM/c2。以无限远处为起点,黑洞的半径最大,比从宇宙内任何一点为起点,物质形成的黑洞都要大。但这没有观测意义,因为以无限远处为起点有意义吗?

彭罗斯提出了宇宙监督猜想:由恒星或其它天体塌缩而成的奇点都隐藏在黑洞内部不被看到。这个原理对吗?我认为有待商榷。首先,奇点是物质相撞毁灭的点,对于某些观者可能形不成黑洞。那么,它就会在最后的爆炸中毁灭,在爆发巨大的光球后消失在宇宙之中。当然,如果它的质量很小,也可能在悄无声息中消失得无影无踪。黑洞是个时空概念,非单独的空间,或时间概念。它可能远在天边,也可能近在眼前。只不过你看不见,因为它不在我们的世界之中。它可能掩应在星光下,也可能隐藏在灯光中。所以,宇宙中一定有些东西在大爆炸中产生,有些东西在大爆炸中毁灭。一切来源于虚无,又归于虚无。其次,黑洞中也未必一定存在奇点。比如,一些大星体,如中子星,在形成过程,星际物质也可能超过光速,而形成黑洞,但物质并不必要落入奇点而最终毁灭, 说不定最终还能形成个星系也说不定。那么,黑洞中到底有什么呢?

想象一下如果我们进入黑洞,会发生什么? 首先,让我们看一下,在观者眼里,黑洞是什么样子的。在上述星际塌缩形成的黑洞里,场源物质就是运动星体本身。那么,在事件视界之内,对于观者来说,并无物质存在,或者说物质在事件视界边缘毁灭消失,并放出巨大的能量。视界内当是一个无光的空洞,而视界外是能量爆发的耀眼的光环,由于引力的红移作用,那个光环应该是红色的。这可能是人们希望看到的黑洞。但也有可能存在其它的黑洞。如果在黑洞形成之前,相对观者形成一个大质量星体,比如,一个巨大的,超重的恒星。一些星际物质在它的引为作用下,以自由落体的方式落向恒星。当速度达到光速时,会爆炸消失。这是非典型性黑洞,这有可能在恒星外形成一个光环,红色光环,越靠近恒星红移越强,再向内突然消失。也可能形成一些光点,爆发后消失,同样具有以上特点。当然,也许还存在其它形式。如果,一个人,或者一艘飞船落入黑洞,在观者眼里会看到什么现象呢? 一般认为,会越来越慢,越来越红,最后消失在视界面上。那个人,或者飞船会在强大的引力差作用下,被拉的很长,像意大利面条,当然也不能活下去了。我认为不是这样,人或飞船会加速坠入黑洞,在到达视界面时,在由于引力红移和相对论效应影响下,越来越红,越来越快,它的时钟会停止,最后被压缩成披萨饼,而不是意大利面条,最后爆发巨大能量后消失。霍金所描述的“你似乎会放慢速度并在外面盘旋。你的形象会越来越暗淡,越来越红,直到你实际上从视线中消失。就处部世界而言,你将永远消失。”这样的描述是不严谨的,你不会变慢,也不会在外面盘旋。这只是对相对论时间描述的误解。高速物体自身的时间变慢,是其内部变化变慢。就其整体而言,相对观者越来越快。因为,观者是以自身时间为测量标准的。你在消失前一定会爆发巨大能量。否则,即不符合守恒定律的要求,也不符合相对论。所以,你不会无声无息的消失, 一定有最后的辉煌。但不管是人,或者飞船,它们都不会死掉,或真正消失。以上现象只是相对于观者观测的结果。如果我们乘坐飞船穿越视界,什么都不会发生,因为引力场既时空,不同观者,引力场的存在状况不同。也就是说,一物是否受力,与观者存在状况有关。一个自由落体物体内以自身为观者,是感觉不到受力的,就像在爱因斯坦电梯里一样。所以,在飞船上,你处于失重状态, 静止状态,时钟和空间没有任何变化,不会变红,也不会消失,不被拉长,也不被压扁,一切都没有变化。在别的观者那里疾风骤雨般的惊天变化,在飞船里一切风平浪静,惬意悠闲。所以,不要相信你的眼晴,你看到的未必都是真理。这就是佛祖为什么要强调破执的原因。那么,飞船还能飞出黑洞吗?也许能吧。如果形成黑洞的物质落入奇点消失,质量亏损,引力消失,施放能量。如果飞船受到相反作用减速,当速度小于光速时(相对于观者),飞船就会回到观者的世界之中。当然,它要吸收很大能量,才能减速回来,E= mc2。m为飞船质量,c为光速。我们探索黑洞可乘飞船去,去看看黑洞里到底有什么。不过那里是飞船的世界,不是观者——我们的世界。另外,要历史地看待问题,因为飞船到达时,黑洞可能已经消失不见。宇宙很大,而我们探测宇宙的载体是光,光速是有限的,所以,在宇宙之中,空间即时间。黑洞是个演化的过程,它不会永存于宇宙的某处。另外,随着观者的改变,比如飞船,当它以自由落体飞向黑洞时,黑洞也会消失。

关于黑洞的面积定理。霍金论证说,黑洞的表面积——事件视界面积,会因额外物质坠入而扩大。两个黑洞合并,面积也会大于原有面积和。根据黑洞的半经公式,这是个简单的计算。这就是黑洞的面积定理。而热力学第二定律说熵总是随着时间的推移而增加。根据这个提示,黑洞的性质和热力学定律之间可以类比。热力学第一定律说,一个系统的熵的微小变化伴随着系统能量的成比例变化。这里要先增加个概念,黑洞的表面引力,它是事件视界面上引力场强度的度量。很明显事件视界是引力场的等势面,意味着事件视界面上的引力场强度的度量——黑洞的表面引力相等。正如热平衡的物体的温度处处相同一样。霍金发现,如果把黑洞的表面积类比它的熵,把表面引力类比温度,那么,黑洞表面积与表面引力的关系,类似于热力学熵与温度的关系。霍金认为黑洞是有温度的,它可以象其它有温度的物体一样向外发生辐射,这就是霍金辐射。也就是说,黑洞不但能把所有物质吸收,还能向外辐射,从而达到某种平衡。这与传统上认为黑洞吸收一切,毁灭一切,发生了改变。黑洞不但能进,还能出。

相对于观者来说,物质坠入黑洞,只是消失在它的世界之外, 是一种观测效应,物质自身并不必然被毁。物质会继续向内坍塌,直至相撞毁灭。但不管怎样,物质的毁灭总会伴随着能量的释放。根据相对论,能量与质量是相关的量,是可以相互转化的。黑洞内物质毁灭,能量诞生。而能量可能转化为质量,从而生成物质。这些物质就是霍金辐射。虽然,我们还不知道能量转化为质量的机制,但这不是和大爆炸一样,由能量产生物质吗? 根据 m=E/c2 。这是符合物理定律的。能量或许是存在的另一种方式, 另一种能被感知的方式。(存在在于被感知)。它通过影响物质的相互作用而被认知。而物质就是相互作用的双方,质量就是作用的量的量度。( 详见本人拙作《物理学的哲学意义》)。

如果宇宙中有在黑洞,它是时空中的奇点,是时间(世界)开始之地,终结之时。说明宇宙中物质的产生,不只一次,可能经历过许许多多的开始与终结,但总体保持平衡。这或许能成为一种稳态的宇宙模型。世界在永不停止的开始与终结中循环往复,永不停止。这样就避免了一次大爆炸模型的世界终结论。我十分讨厌这个模型。

世界的产生与终结,伴随着物质的生成与毁灭。在这个过程中,只有物质的质量、能量等少数物理量得以延续,而其它的信息或许永远不能回归,但宇宙的历史仍可延续。因为,究其所以,存在永无变化,自在自然根本就没有历史,因为没有时间。

回到我们本来的问题,黑洞中有什么? 回答这个问题,首先要确定观者。一般情况下,这个观者是地球。那么,黑洞中什么都没有,万物皆毁。但无就是有,所以,黑洞中有宇宙的一切,那是一切开始的地方。但对于不同的观者,比如飞向黑洞的飞船,那里可能什么都没变,仍是一片灿烂的星空。观者不同, 想法不一样,世界与生活便不相同。这是一个多么熟悉而富有哲理的启示。心有多大,世界就有多大。世界是贯通的,生活是多彩的,想法不同,这可能就是时空穿越的奥秘。下章再讲,末完待续。

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