信息漸謬與信息堅守黑洞理論的疑難與重要啟示

信息漸謬與信息堅守黑洞理論的疑難與重要啟示

1廣義相對論:“暗星”的存第一個預(yù)言的黑洞（最初被稱為“黑暗”）的人是英國的邁克爾和法國的拉普拉斯。他們從牛頓的力學(xué)定律和光的微粒說出發(fā),認為當(dāng)天體的萬有引力強大到能夠把自身發(fā)出的光子拉回來的程度,光就不可能逃離天體。因此,他們認為“宇宙中最明亮的天體可能是看不見的”。拉普拉斯在他的巨著《天體力學(xué)》的第一版(1796)和第二版(1799)中都談到了上述“暗星”,并具體算出了這種暗星的質(zhì)量m與半徑r之間的關(guān)系r=2Gm/C2式中G是萬有引力常數(shù),C是光速。但是,在1808年出版的該書的第三版中,拉普拉斯刪去了有關(guān)“暗星”的內(nèi)容,這是因為托馬斯·楊在1801年完成了光的干涉實驗,證明了光是一種波動,光的波動說戰(zhàn)勝了微粒說,拉普拉斯對自己建立在光的微粒說基礎(chǔ)上的“暗星”理論產(chǎn)生了懷疑。1939年,美國的奧本海默等人從廣義相對論出發(fā),再次預(yù)言了“暗星”的存在。愛因斯坦的廣義相對論認為,萬有引力不是真正的力,而是時空彎曲的表現(xiàn)。物質(zhì)的存在使周圍的時空產(chǎn)生彎曲,質(zhì)量越大的地方,時空彎曲越厲害。當(dāng)恒星處的時空彎曲到使光都不能逃向遠方的時候,遠方的觀測者將看不見這顆“暗星”。有趣的是,奧本海默從廣義相對論算出的“暗星”條件與拉普拉斯從經(jīng)典物理學(xué)算出的相同。從今天的觀點看,拉普拉斯的計算有幾個缺陷,但上述缺陷的影響相互抵消,使他得出了正確的結(jié)果。奧本海默是在研究中子星的質(zhì)量上限時,得出有關(guān)“暗星”的結(jié)論的。恒星演化的晚期,作為熱核反應(yīng)(氫聚合成氦)燃料的氫燃燒殆盡,恒星的溫度下降,熱效應(yīng)產(chǎn)生的排斥不再能與萬有引力相抗衡,恒星將坍縮。如果坍縮恒星的質(zhì)量不大,電子間由于泡利不相容原理而產(chǎn)生的“斥力”將抗衡住萬有引力,形成密度為1×103kg/cm3左右的白矮星。印度學(xué)者錢德拉塞卡指出,白矮星有一個質(zhì)量上限,為太陽質(zhì)量的1.4倍,稱為錢德拉塞卡極限。質(zhì)量超過這一極限的恒星,電子間的“泡利斥力”頂不住萬有引力的作用,不可能停留在白矮星狀態(tài),它將繼續(xù)坍縮。后來的研究表明,進一步坍縮的結(jié)果是電子被壓入核中,與原子核中的質(zhì)子“中和”成中子,中子之間的泡利斥力遠比電子為大,這時將形成基本上由中子構(gòu)成的恒星——中子星。中子星的密度大約在每立方厘米1~10億噸。奧本海默發(fā)現(xiàn),中子星也有一個質(zhì)量上限——奧本海默極限,大約是2~3個太陽質(zhì)量。如果坍縮恒星的質(zhì)量超過奧本海默極限,中子間的泡利斥力將頂不住萬有引力,恒星不會穩(wěn)定在中子星階段,將進一步坍縮,形成“暗星”。奧本海默等人的觀點遭到包括愛因斯坦在內(nèi)的許多物理學(xué)家的反對。奧本海默此后獻身于世界上第一顆原子彈的研制,后來又陷入政治迫害之中,再也沒有回到“暗星”的研究上。愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對論,史瓦西在1916年就得到該理論的第一個重要的嚴格解——史瓦西解。這個解描述一個靜態(tài)球?qū)ΨQ星體的外部時空。該解有一個奇點(在r=0處)和一個奇面(在r=2Gm/C2處)。人們逐漸認識到r=0處的奇點是本性奇點,時空曲率發(fā)散,而且這種發(fā)散不能通過坐標(biāo)變換加以消除。r=2Gm/C2處的奇異性則不同,該處時空曲率不發(fā)散,并且奇異性可以通過坐標(biāo)變換加以消除,因而不是時空的本性奇面。后來的研究表明,此奇面并非沒有物理意義,它恰是拉普拉斯和奧本海默預(yù)言過的“暗星”的表面。2時空與時空坐標(biāo)互換1961年,克爾得出了廣義相對論的另一個重要的嚴格解——克爾解。它描寫轉(zhuǎn)動軸對稱星體的外部時空。不久,該解被推廣到帶電情況,即所謂克爾-紐曼解。這個解遠比史瓦西解復(fù)雜,提供了更廣闊的研究空間,大大刺激了人們對“暗星”和時空奇異性的研究。1967年休伊士與貝爾發(fā)現(xiàn)了中子星,表明錢德拉塞卡和奧本海默等人提出的恒星坍縮理論是正確的,“暗星”很快成為相對論天體物理界研究的熱點。就在這一年,美國物理學(xué)家惠勒給“暗星”起了個特定的名字叫黑洞。掉入黑洞的任何物質(zhì)都不可能再跑出來。洞外觀測者只能觀測到黑洞的總質(zhì)量M、總角動量J和總電荷Q。伊斯雷爾等人提出“黑洞無毛猜想”,所謂“毛”就是信息。按照這一猜想,黑洞只剩下三根可為外界探知的“毛”:總質(zhì)量、總角動量和總電荷。外部觀測者失去了除這三根毛外的所有信息。這一階段的黑洞研究,停留在幾何和力學(xué)的水平上。大家認為黑洞是一顆死亡了的星。黑洞的表面稱為視界,進入黑洞的任何物質(zhì)和信息都不可能逃出視界。史瓦西黑洞(圖1)的視界位于rg=2GM/C2,它同時是無限紅移面。廣義相對論認為,時空彎曲的地方,鐘走得慢,彎曲越厲害,鐘走得越慢,太陽表面的鐘就比地球上的鐘慢。這種現(xiàn)象表現(xiàn)為,太陽表面發(fā)射的光,其光譜線比地球上同種元素的光譜線頻率要低,波長要長,即光譜線的位置要向紅端移動。這種現(xiàn)象稱為引力紅移。人們早已觀測到太陽光譜的這種紅移,認為這是對廣義相對論的一個驗證。然而太陽表面的時空“彎曲”得不夠厲害,觀測這一效應(yīng)十分困難。黑洞表面處的時空,“彎曲”得非常厲害,致使那里的鐘變得無窮慢。從地球上看,黑洞表面的鐘完全停止不走了。如果在那里放置一個光源,從地球上看,此光源射出的光會發(fā)生無限大的紅移,頻率會減小到零,波長會增大到無窮大。實際上,外界根本看不見這樣的光。如果一艘宇宙飛船趨近黑洞,靜止于無窮遠處(例如遠離黑洞的地球上)的觀測者將看到:飛船越接近黑洞,走得越慢。飛船內(nèi)的時間過程也越來越慢,那里的人好象逐漸凝固成塑像。另一方面,由于飛船發(fā)出的光線的紅移越來越大,而且單位時間內(nèi)從飛船逃到無窮遠的光子數(shù)越來越少,飛船將變得越來越紅,越來越暗,逐漸凍結(jié)在黑洞的表面上,消失在那里的黑暗中。然而,對于飛船上的人來說,情況并不是這樣。他除了感到潮汐力越來越大之外,感覺不到任何異常。他將在有限的時間里(飛船上的時間)穿過視界進入黑洞。黑洞內(nèi)部的時空坐標(biāo)要發(fā)生互換,原來的時間t成為空間坐標(biāo),而徑向坐標(biāo)r則成為時間坐標(biāo)。所以黑洞內(nèi)部的等r面不再是球面,而成為了等時面。對于黑洞,時間方向指向r=0的奇點處。這樣,等r面成為“單向膜”,任何進入黑洞的物質(zhì)只能向r減小的方向運動,不能停留,也不可能反向運動,而且沒有任何力和任何物質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠抗拒這種運動。這是因為,這不是一般的運動,而是一個時間發(fā)展的過程,什么力量都不能抵擋,不能不順著時間方向前進。也就是說,任何物質(zhì)都必須“與時俱進”。黑洞內(nèi)部整個是單向膜區(qū),黑洞的邊界(視界)是單向膜區(qū)的起點。由于任何物質(zhì)均不能在單向膜區(qū)停留,單向膜區(qū)處于真空狀態(tài)?？梢哉f,黑洞內(nèi)部,除去r=0的奇點外,全部是真空區(qū)。廣義相對論指出,進入黑洞的飛船和任何其它物質(zhì)都將在有限的時間內(nèi)穿越單向膜區(qū)到達奇點。應(yīng)該說明,時空坐標(biāo)互換指的是黑洞外部觀測者用來描述黑洞的那套時空坐標(biāo),不是飛船上宇航員用的那套時空坐標(biāo)。飛船上的宇航員在穿越視界時,并未感到自己的時空坐標(biāo)和時空概念有任何變化。用他自己的鐘衡量,飛船將在有限的時間內(nèi)到達奇點。他感覺到的唯一變化是受到的潮汐力越來越大,最后終于把飛船及他自己撕碎,并壓入體積為零的奇點(r=0處)。值得注意的是,由于時空坐標(biāo)互換,r=0現(xiàn)在不是黑洞的“球心”,而是時間的終點。這就是說,飛船和宇航員在經(jīng)歷有限時間之后,就到達了時間的終點?；蛘哒f,他們的時間將在有限的經(jīng)歷中結(jié)束。也可以說,經(jīng)過有限的時間,他們就處在時間之外了。至于“時間之外”是什么意思?今天的自然科學(xué)還不能回答。黑洞是任何物體都能掉進去,進去就再也出不來的星體。按照廣義相對論,還可能存在白洞。白洞是黑洞的時間反演。它的內(nèi)部也是單向膜區(qū),只不過時間方向從奇點r=0處指向視界r=rg處。所以它的單向膜的單向性與黑洞相反。需要強調(diào)的是,白洞內(nèi)部的r=0處,不是時間的終點,而是時間的起點。白洞可以把內(nèi)部的一切物質(zhì)拋出來,但任何東西都不能落進白洞。廣義相對論只預(yù)言了“洞”的存在,并沒有指出究竟是黑洞還是白洞。從天體物理學(xué)知道,黑洞可以通過星體的塌縮而形成。這時物質(zhì)朝向中心運動,形成“洞”的演化方向指向r=0處,這樣形成的“洞”肯定是黑洞。目前還想象不出能夠形成白洞的物理過程。一些人認為,白洞的存在可能違背熱力學(xué)第二定律,因此是否有白洞存在,目前尚無定論。3黑質(zhì)量/熱輻射重要的發(fā)現(xiàn)開始于1971年,這一年英國物理學(xué)家霍金(S.W.Hawking)提出“面積定理”,指出黑洞的表面積隨著時間的發(fā)展只能增加不能減少。美國的一位相對論專業(yè)的研究生貝肯斯坦(J.D.Bekenstein)看出這一定理與熱力學(xué)第二定律的相似,作出了物理思想上的重大突破,指出黑洞的表面積是“熵”,黑洞具有熱力學(xué)性質(zhì),有熵和溫度?；艚饠嗳痪芙^貝肯斯坦的觀點,認為貝肯斯坦曲解了自己的“面積定理”。黑洞不可能有溫度和熵。理由是,如果有溫度,黑洞就會有熱輻射,但從黎曼幾何的研究可以知道,不可能有任何東西(包括熱輻射)從黑洞逸出,所以黑洞不可能具有溫度和熵。半年之后,霍金來了個180度的大轉(zhuǎn)彎,不僅承認黑洞有溫度和熵,還證明了黑洞有熱輻射(霍金輻射)逸出?；艚疠椛洳皇芙?jīng)典黎曼幾何的限制,是一種量子效應(yīng),隧道效應(yīng)。此后,黑洞熱力學(xué)有了長足的發(fā)展。量子理論告訴我們,真空并非一無所有。真空會發(fā)生漲落,即不斷有虛的正反粒子對產(chǎn)生,其中一個粒子具有正能,另一個具有負能。它們產(chǎn)生后很快湮滅。由于存在的時間極短,我們觀測不到它們。假如有人試圖去觀測,由于虛粒子對存在的時間極短,時間-能量測不準(zhǔn)關(guān)系導(dǎo)致的能量增量,會掩蓋住它們,使我們測不到它們。霍金指出,如果上述真空漲落發(fā)生在黑洞表面附近,則會導(dǎo)致明顯的物理效應(yīng)。這是因為黑洞內(nèi)部的時空與外部時空不同,允許負能粒子存在。在視界(黑洞表面)附近產(chǎn)生的虛正反粒子對,可能象通常一樣湮滅,也可能一起掉進黑洞。這兩種情況都不導(dǎo)致明顯效應(yīng)。然而還有第三種情況:負能反粒子(或粒子)掉進黑洞,正能粒子(或反粒子)飛向遠方。由于黑洞內(nèi)部允許負能態(tài)存在,負能反粒子穿過單向膜區(qū)落到奇點上,使那里的能量減少。而減少的能量正好等于飛向遠方的正能粒子的能量。這一總過程,相當(dāng)于黑洞發(fā)射了一個正能粒子。霍金說:黑洞表面附近所產(chǎn)生的正反粒子對,其中負能反粒子落入黑洞,順著時間前進,落向奇點,使那里的能量減少,正能粒子則從視界處飛向遠方。這一過程相當(dāng)于奇點發(fā)射一個正能粒子,逆著時間前進到達視界,然后被視界散射,再順著時間飛向遠方?；艚鹩昧孔訄稣摰姆椒?嚴格證明了上述過程,并得出黑洞輻射是熱輻射(黑體輻射)的結(jié)論。為了紀(jì)念霍金的功績,人們把黑洞熱輻射稱做霍金輻射(圖2)。黑洞發(fā)射熱輻射,因而具有溫度。包括史瓦西黑洞在內(nèi)的一切黑洞,都不再是死亡了的星體。黑洞不斷地吸積周圍的物質(zhì)和能量,同時不斷地向周圍發(fā)出熱輻射。黑洞是一顆具有生命力的星體。然而,大黑洞的溫度極低,質(zhì)量越大的黑洞,溫度越低。太陽質(zhì)量的黑洞溫度只有絕對溫度10-6℃,即百萬分之一度。所以大黑洞的熱輻射很難觀測到。但是小黑洞具有高溫,10億噸重的小黑洞,溫度高達1012℃,即一萬億度。史瓦西黑洞的溫度與質(zhì)量成反比。它越吸收外界輻射,自身質(zhì)量越大,溫度越低。越向外發(fā)出輻射,自身質(zhì)量越小,溫度越高。小黑洞最后會發(fā)生爆炸,這種情況與黑洞具有負的熱容量有關(guān)。通常的熱力學(xué)系統(tǒng)熱容量都是正的,所以,一旦達到熱平衡,平衡就會是穩(wěn)定的。黑洞的負熱容量,使它與外界熱輻射很難達到穩(wěn)定的熱平衡。當(dāng)黑洞與外界熱輻射溫度相同時,它們處于熱平衡態(tài)。這時如果出現(xiàn)一個微擾,使黑洞溫度略低于外界,黑洞就會吸收外界的熱輻射,負熱容使得吸熱后的黑洞溫度進一步降低,這將導(dǎo)致它吸收更多的熱輻射,溫度再進一步降低……熱平衡被完全打破。如果微擾使黑洞溫度略高于外界,黑洞將對外界給出熱輻射,負熱容使放熱的黑洞升溫,導(dǎo)致給予外界更多的熱輻射,黑洞再進一步升溫,最后導(dǎo)致黑洞爆炸消失。研究表明,只有把黑洞裝在一個盒子里,并使盒子里充滿與黑洞同溫的熱輻射,而且輻射的質(zhì)量不超過黑洞質(zhì)量的四分之一時,熱輻射才能與黑洞處于穩(wěn)定熱平衡狀態(tài)。黑洞熱輻射的發(fā)現(xiàn),是黑洞研究的重大突破,也是時空理論的重大突破?；艚鸬睦蠋熚靼斅暦Q,霍金的重大發(fā)現(xiàn),使他成為20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一。霍金與貝肯斯坦等人證明黑洞有熱性質(zhì)(溫度和熵)的工作具有極大的啟示性。它不僅指出了黑洞的一些基本性質(zhì),更重要的是揭示了萬有引力與熱效應(yīng)之間可能存在本質(zhì)的聯(lián)系。黑洞原本是由廣義相對論預(yù)言的天體,是從力學(xué)和幾何導(dǎo)出的東西,然而它卻具有統(tǒng)計性質(zhì),表現(xiàn)出溫度和熵,這是人們始料不及的。4熱譜修正項的出現(xiàn)在黑洞熱性質(zhì)的研究取得很大進展的同時,許多粒子物理學(xué)家表示對霍金輻射有保留意見。理由是,純粹的熱輻射幾乎帶不出任何信息。如果黑洞真的輻射到最后,全部轉(zhuǎn)化為熱,則形成黑洞的那些物質(zhì)帶進去的信息將從宇宙中徹底消失。這不僅會破壞輕子數(shù)守恒、重子數(shù)守恒等許多重要的物理定律,而且信息不守恒將使正在創(chuàng)建的量子引力理論不滿足么正性,這將給已經(jīng)取得輝煌成就的量子場論帶來重大危機?；艚鹋c另一位相對論專家索恩(KipThorne)曾與粒子物理學(xué)家普瑞斯基(JohnPreskill)打賭,霍金與索恩認為黑洞會造成信息丟失,普瑞斯基則認為不會。普瑞斯基等人認為落入黑洞的信息,一部分會被霍金輻射帶出黑洞(即霍金輻射不會是純熱譜),另一部分會在黑洞蒸發(fā)到最后時作為“爐渣”留下來。2004年7月,霍金突然宣布他輸了,普瑞斯基贏了,黑洞不會使信息丟失,理由是以前把黑洞描述得過于理想化了,真實的黑洞會通過熱輻射泄漏或殘留信息。索恩表示不同意霍金的意見,這件事不能由霍金一個人說了算。普瑞斯基則表示沒有聽懂霍金的報告,搞不清楚為什么自己贏了。遺憾的是,霍金當(dāng)時作的只是一個定性的科普報告,其中一個公式都沒有。2005年6月霍金終于發(fā)表了一篇有關(guān)此問題的論文,但其中只有兩個半公式?？梢哉f至今還未見到他承諾要發(fā)表的包括計算內(nèi)容的科研論文,人們?nèi)匀浑y以了解其中的“奧妙”。不過,2004年度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者弗蘭克·維爾切克(F.Wilczek)與他的學(xué)生派瑞克(M.Paiikh)的論文給出了支持信息守恒的一種具體計算。派瑞克等人指出,霍金雖然在論證黑洞產(chǎn)生熱輻射的時候,聲稱這是一種量子隧道效應(yīng)。然而他在具體計算中并未用到隧穿過程,甚至沒給出勢壘的位置。派瑞克考慮能量守恒后認為,黑洞輻射時自身質(zhì)量的減少將造成黑洞半徑收縮,這種收縮會導(dǎo)致勢壘的出現(xiàn)?？紤]上述修正之后,派瑞克等得到的黑洞輻射譜不再是嚴格的黑體譜,因而會有信息隨同輻射從黑洞中逸出。他們進一步指出,這一結(jié)果與量子理論的幺正性一致,也與量子力學(xué)理論所預(yù)期的“沒有信息丟失”的結(jié)果精確一致?？傊?他們認為能量守恒所導(dǎo)致的熱譜修正項的出現(xiàn),似乎保證了黑洞熱輻射過程的信息守恒。最近,我們把派瑞克等人的工作推廣到更為一般的穩(wěn)態(tài)黑洞[11,12,13,14,15,16]。研究表明,派瑞克等從霍金輻射導(dǎo)致黑洞收縮,進而得出熱譜修正項的結(jié)果具有普遍意義。對各種黑洞,不管輻射粒子是否有靜止質(zhì)量,是否帶電,均可推出與派瑞克論文一致的結(jié)果。然而,我們注意到一個重要的情況,派瑞克的計算只在輻射過程為準(zhǔn)靜態(tài)的可逆過程時才成立。但正如前文所述,黑洞的熱容量為負,黑洞與外界不存在穩(wěn)定的熱平衡,不論黑洞輻射還是吸收,原則上都與外界存在溫差,過程一定是不可逆的,一定會有不可逆熵產(chǎn)生,不可能出現(xiàn)派瑞克預(yù)期的只存在可逆的熵流動的情況。因此,派瑞克的工作有很大局限性,還不能證明黑洞輻射過程保證信息守恒及量子理論的幺正性。對于黑洞造成的信息佯謬其實可以從兩方面看。一方面,物理學(xué)中有能量守恒、動量守恒、電荷守恒等許多守恒定律,但沒有“信息守恒定律”。相反,如果信息論中把信息看作“負熵”的觀點正確,而且信息熵與熱力學(xué)熵確實有相同的本質(zhì),那么信息原則上應(yīng)該不守恒。這是因為熱力學(xué)第二定律的靈魂就在于“熵增加”,在于指出自然過程的不可逆性。既然熵不守恒,信息當(dāng)然不會守恒。另一方面,霍金2005年7月的意見也應(yīng)當(dāng)重視,我們確實有可能把黑洞想像得太理想化了。黑洞的熱輻射有可能偏離黑體譜,黑洞蒸發(fā)的最后也有可能留下部分爐渣?？傊?真實的黑洞過程不會保證信息守恒,但也可能會有部分信息從黑洞中泄出來或殘留到最后。5類光測地線“農(nóng)業(yè)”黑洞研究中的另一個重要疑難與奇點有關(guān)。這里指的是時空曲率發(fā)散,而且發(fā)散不能通過坐標(biāo)變換來消除的內(nèi)稟奇點。例如,史瓦西黑洞和克爾—紐曼黑洞r=0處的奇點和奇環(huán)。1964年,彭若斯(R.Penrose)初步證明了一個奇性定理,該定理是說真實的物理時空一定至少存在一個奇點。重要的是,彭若斯把奇點解釋為時間開始或結(jié)束的地方。也就是說他證明了時間一定有開始或結(jié)束。時間有沒有開始或結(jié)束的爭論自古以來就有,但那是哲學(xué)家和神學(xué)家的事情,現(xiàn)在數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家站出來表態(tài),其重要性可想而知。事實上,該定理形成了廣義相對論的一個基本困難。我們前面已經(jīng)談到,黑洞內(nèi)部的奇點是時間終結(jié)的地方,白洞內(nèi)部的奇點則是時間開始的地方。大爆炸宇宙的奇點,也是時間開始的地方,而大坍縮宇宙的奇點則是時間終結(jié)的地方。彭若斯和霍金用整體微分幾何陸續(xù)對該定理給出了幾個證明。證明的主要思路是:(1)如果時空因果性良好,則在時空中A、B兩點之間一定存在最長線,此線一定是無共軛點的類時(或類光)測地線。(2)如果時空中能量密度非負、存在靜質(zhì)量不為零的物質(zhì)且廣義相對論成立,則A、B兩點之間的測地線一定存在共軛點,因而此線不再是A、B間的最長線,A、B間將沒有最長線。所謂測地線即不受外力的自由粒子作慣性運動時描出的時空曲線。類光線描繪光子的慣性運動,類時線描繪亞光速粒子的慣性運動。共軛點是測地線匯的“交點”。對于真實的物理時空,上述兩組條件(因果性、物質(zhì)性)似乎都應(yīng)成立,這將導(dǎo)致A、B間的測地線既要有共軛點又要沒有共軛點,唯一的可能是測地線在到達共軛點前斷掉,斷掉的地方就是奇點,即時間開始或終結(jié)的地方。這樣彭若斯與霍金就證明了重要的奇性定理。近年來,我們用整體微分幾何對該定理進行了探討。我們工作的思路是,凡是存在共軛點的測地線(無論類時或類光)均必定微擾出類時非測地線匯,我們在此線匯上定義加速度,然后取極限讓線匯收縮到原來的那根測地線上,結(jié)果發(fā)現(xiàn)類時測地線加速度為零,而類光測地線加速度為無窮大。類時測地線加速度為零是熟知的結(jié)果,但類光測地線加速度發(fā)散卻是一般人想不到的結(jié)果。如何理解自由光線加速度發(fā)散可能是個極為重要的問題。一個可能的解釋是,由于波粒二象性,光不能簡單地看作“點粒子”,光的運動不能簡單地看作沿類光測地線運動。然而,這里暴露的矛盾有可能反映更深層次的問題,需要我們深化對光的認識。20世紀(jì)初,量子論和相對論的誕生,都與人類深化對光的認識有關(guān)。認識到光的量子性,導(dǎo)致了量子論的誕生;認識到光速的絕對性(即光速不變原理)導(dǎo)致了相對論的誕生。光的量子性和光速的絕對性都是當(dāng)時人們難以想象和理解的東西。1973年,安魯(W.G.Unruh)指出,在絕對零度的真空中作勻加速直線運動的觀測者將感受到溫度(熱輻射),溫度與他的固有加速度成正比.從安魯效應(yīng)我們可以預(yù)期,沿上面討論的具有加速度的類時線運動的觀測者,將處在熱浴之中。類時測地線由于加速度為零,對應(yīng)的觀測者處在絕對零度,而類光測地線由于加速度為無窮大,對應(yīng)的溫度也為無窮大。奇性定理是用類時或類光測地線證明的,因此是在溫度為絕對零度或無窮大的情況下證明的。熱力學(xué)第三定律禁止任何系統(tǒng)達到絕對零度或溫度發(fā)散,因此奇性定理的證明與第三定律沖突,它雖然是一個數(shù)學(xué)證明,但不是一個物理證明,不能說明時間一定有開始或結(jié)束。我們介紹了黑洞的基本性質(zhì),同時列舉了黑洞研究領(lǐng)域的兩個重要疑難,上述性質(zhì)和疑難有一個共同點,就是顯示出萬有引力、時間與熱力學(xué)之間存在深刻的內(nèi)在聯(lián)系,非常值得物理和天文工作者去深入探討。(2006年6月5日收到)1劉遼,趙崢.廣義相對論[M].北京:高等教育出版社,2004.2趙崢.黑洞與彎曲的時空[M].太原:山西科學(xué)技術(shù)出版社,2005.3HAWKINGSW,ELLISFR.Thelargescalestructureofspace-time[M].Cambridge:CambridegeUniversityPress,1973.4WALDRM.Generalrelativity[M].ChicagoandLondon:theuniversityofChicagoPress,1984.5BEKENSTEINJD.Black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