黑洞的量子理论

黑洞的量子理论

量子理论和相对论几乎是同一个时期的产物，是引起人们对时空、物质看法根本改变的两个重要理论之一。

它和相对论之间的差别十分明显：一个研究的是宏观的时空，一个研究的是微观的粒子；一个外观十分优美，一个外观十分简陋。

但是他们的威力都是巨大的，无法阻挡的。

而且，量子理论虽然丑陋，但是量子理论绝对是一个比相对论的范围更加大的理论。不单单是从他们涉及的物体、能量来看是这样，哪怕从其他方面来看也是这样。物体、粒子的波粒二象性、真空量子涨落、测不准都是已经被证实的东西（实验例子分别有光子和电磁波的互相转化或者电子双缝干涉，激光发射器和荧光灯中的光子闪动噪声，引力波探测器——棒一起上的自发振动），而这些在相对论中都没有包含，因而在一些辐射问题上，相对论永远没办法和量子理论相提并论。

在量子理论中，没有任何具体事情是确定的，唯一可以确定的，是这些具体事情发生的概率。在量子理论中，可以确定的是一个事情有多少发生的概率，而不是事情会怎么发生。物理定律在量子理论的范围中，和数学在赌博中一样，完全无法确定。连最起码的能量守恒，在这里也仅仅是概率和检测时间的问题而已（利用测不准时间——能量方程可以知道，如果能量守恒，那么你必须用无限长的时间来观察。如果你观察的时间有限，那么无论你的观察区域有多大，能量总会或多或少地发生改变，即使是观察整个宇宙的总能量的变化）。而且，只要你得到的时间足够多，你可以有一秒的时间，让一百吨的黄金出现在你的身边（你所需要的时间可以让组成你的身体的黄金的原子中的质子“轮回”1000次以上）。

在量子理论的范围中，我们不能确定除了概率以外的任何东西，但是量子理论的一些概念还是有必要来了解一下。

比如普朗克长度、面积和时间。他们是将光速、万有引力常数和普朗克常数进行机智的组合以后得到的三个描述时空性质的重要数据（此外也说明了万有引力常数和时空的属性相关，而不单单只是一个引力上的数据。从而告诉量子专家们引力其实是时空的事，而其他的力不是）。在普朗克长度（或者面积）范围中，空间是完全混乱的、分离的、量子化的。惠勒曾经说过，在普朗克范围内，空间是一个个分离的量子泡沫。此外，奇点的大小就是普朗克长度，而遇到奇点的物体都被奇点撕成了量子泡沫。而普朗克面积则被引用到了黑洞三定律中，被用来计算黑洞的熵（可见这个面积还有一些十分重要的性质没有被人们发现）。普朗克时间范围中，事件发生的时间是完全混乱的，没有谁发生得早，谁发生得晚的区别，有的是两个事件之间谁早谁晚的分布概率。普朗克时间在宇宙的开端问题中被广泛应用到了：宇宙在诞生以后的普朗克时间内，从一个基爆涨成了许多半径一光秒的泡沫，这些泡沫是同胚的（它们之间的一些反应和一些在黑洞中揭示的数学原理一样，表明了同胚的重要性），然后开始膨胀，同时这些泡沫之间发生了许多破裂、中和等反应，我们所在的宇宙仅仅是这些泡沫中的一个。

在量子理论中，我们现在需要了解的是：①三个普朗克分界值；②测不准原理；③波粒二象性；④真空涨落，等价于海森堡借贷；⑤事物的量子化（指一切事物，包括场、能量、时空等）；⑥力是靠力传播粒子来传递的。

在量子理论中，一切力都是由力传播粒子来传递的，引力自然也是。

引力的非线形现象用量子理论，也可以得到一个圆满的解释。

引力子是引力的传播粒子，自身的质量为0，以光速运动，自旋为2。引力子虽然没有质量，但是它不像光子那样，彼此互不干涉，引力子之间会在辐射出一个次一级的引力子，发生相互作用，同时引力子在相互碰撞的时候，也会发生耦合。因而，物体发出的引力子，在传递到其他物体上的时候，引力子自身已经反应过了，而且传递到对方物体上的引力的数目理论上是增加了，但是强度和方向却发生了变化。

那么，霍金辐射又是什么呢？

霍金辐射的产生机制，有许多种。我们这里来讲两种。

第一，就是真空涨落。根据波粒二象性我们知道，任何形式的能量波动都对应一种独特形式的粒子存在。真空涨落现象中，虽然总能量为0，不变，但是能量在各个足够小的区域中是在不断随机变化的。因而就会出现许多叠加在一起随机的波。这些波对应于粒子，因而就会有许多粒子——虚粒子对存在。这些粒子——虚粒子对就是狄拉克海洋（区别于量子泡沫）。它们在任何时空中不断地成对出现，然后在普朗克时间范围内消失。如果外界可以给予它们一些能量，让它们在普朗克范围内可以相对运动到二分之一个波长或者更长的地方，那么它们就可以分开，成为实实在在的粒子和反粒子。现实生活中出现地最多的这种应用，电灯。旧量子理论（在1926年以前的量子理论，区别于现在的量子理论）中可以用原子模型以及轨道能量来解释，但是其实质仍然是真空涨落。电流或者是其他形式的能量激发灯丝或者其他物质的原子周围的空间中的真空涨落产生的粒子——虚粒子对分开，从而产生了光。因为光子的反粒子伙伴仍然是光子，因而这种辐射需要的能量不是十分高。比如高温可以使得金属发出光来，但是要金属发出电子——正电子偶素，就十分困难了，需要的温度可以融化一切金属。在黑洞周围，黑洞的引力能给予周围的空间巨大的能量，于是在潮汐力的作用下，粒子——虚粒子对快速地分开了。如果可以在普朗克时间内，使得一个粒子进入视界而另一个没有，那么这个没有进入黑洞的粒子（或者反粒子）就会脱离海森堡能量借贷的契约，辐射出去。也就是说，粒子——虚粒子对欠了周围空间的能量，而黑洞帮忙偿还了这笔能量，同时吸收了一个反粒子（或者粒子），同时将粒子（或者反粒子）释放。

第二，是量子隧穿效应。被黑洞吞噬的物质的粒子，在黑洞中告诉震荡。如果他们在海森堡能量借贷的帮助下，得到了足够的能量，从而可以在普朗克时间内突破视界这个能量位垒（或者叫势垒），那么它就可以穿过视界，达到黑洞外部。

然而，无论是什么情况，海森堡能量借贷都充当了一个能量的银行，而粒子是贷款的人。如果在普朗克时间范围内，粒子可以逃脱“法律（引力）”的制裁，达到“国外（视界外）”，那么它就自由了，而它欠下的“债”，有“国家（黑洞）”来偿还。

提出绝对视界概念的英国著名物理学大师史蒂芬·霍金在提出这个视界概念的时候曾经说过，视界的两个概念是相互等同的，就和“膜规范”概念和视界概念的等同一样。但是两者真的完全没有差别吗？

绝对视界就是“时空中讯号能否逃逸到外部空间的分界面”。而绝对视界的一些特点之一就是，它是目的论的，也就是说如果粒子会进入黑洞的话，那么黑洞的绝对视界就会在粒子的下落过程中不断变大，直到粒子进入了黑洞以后，和显视界重合。

现来看这样一个实验：

如果一个飞行器向黑洞飞去，在一个位置开始返回，航线曲线的顶点为A；黑洞现在的视界的位置为B，如果飞行器被黑洞吞噬，那么这个时候的视界的位置在C。现在令A越来越靠近B，那么由于绝对视界的定义和演化可以知道，如果飞行器进入黑洞，那么视界会光滑地从B移动到C，那么必定有飞行器的航线和视界的变化中的位置重合的时候，那么物体会进入黑洞；然而，如果飞行器不会进入黑洞，那么绝对视界的位置就不应该变，那么飞行器就可以出来。

但是由于绝对视界是目的论的，因此导致这样一个问题：

物体到底有没有进入黑洞？如果绝对视界膨胀，那么就是进入，因此绝对视界就应该膨胀，而如果绝对视界没有膨胀，那么物体就不会进入黑洞，那么绝对视界就不应该膨胀，但是绝对视界的运动是目的论的，应该用物体的命运来决定它的变化方法，而现在物体的命运是由它的变化掌握的，那么物体到底进入黑洞了吗？

在面对这个问题的时候，我们得到的答案只有两种：

1．黑洞的视界概念在黑洞吞噬物体的时候不是等同的；

2．在黑洞吞噬物体的时候，物体和视界之间存在引力作用。

那么到底是怎么回事呢？要看待这个问题，需要从引力和时空的关系来谈起。

从量子理论（QT）可以看到：时空是在震动的，从而产生了定位于其上的物质在全局同一与局域差异之间的度量协调——量子效应。

从这个线索出发，不难得到推论：物质的运动依赖与时空定位，由于时空局域运动不同步，从而存在运动概率在方向上的分布差异。我称这个推论为运动概率随机性（PMR）。

通过PMR，进一步结合时空和物质的结构，可以知道，场，尤其是引力场，对时空起到了拉伸作用，而这个作用影响到了PMR。这个就是运动概率的场激化（IPF）。

物质，由物质膜构成。每一个物质膜都带有基元能量，同时，一个膜的面积非常大（相对普郎克尺度而言）。每个膜都和几根时空弦相交，所以存在这膜和弦的相互作用，也就是物质和时空的相互作用。由于时空弦本身的不断随机运动，物质也会跟着一起做无规则运动。这个就是不确定性的起因。同时，时空弦自身的拉伸变化也对物质膜的运动产生影响。

当IPF达到一个临界条件：必须以反向光速运动，才可以避免IPF出现一个方向上出现概率发散（PR）时，这个IPF被称为视界IPF，简称为HIPF。

由于动态黑洞的HIPF是动态的，因而我们需要研究的就是这个HIPF是目的的，还是条件的，也就是说，它依赖于不可分割的未来集IF，还是不可分割的过去集IP。

由于IPF不但受到场势能F的控制，还受到动能K的控制，所以对于构成IPF的运动物体的动能K，也是决定IPF属于IF还是IP的关键。由于在物体进入视界以前，K直接决定于物体距离视界H的距离，因而是与IPF联系的，F和IPF的联系不单单依赖与距离视界H的距离，还取决于物体自身的加速场的Fa，因而是属于IP的，所以IPF是由IP决定的，因而HIPF的位置是IP决定的。所以霍金的绝对视界AH和显视界SH是不等价的，存在一种矛盾使得两者分歧。而由PMR决定的HIPF的边界——视界H，是条件性的，我称它为时空视界STH。

至于STH、AH和SH的区别就在于对物体运动和时空性质的差异。在一般情况下，STH和AH是可以等同的，和SH的稳定态也是兼容的，但是面对动态黑洞，物体具有自带力场F的事件中，STH和AH的差异就出现了：STH更加“尊重”物体自带立场的“意愿”。

显视界，可以认为就是黑洞的真正边界。它分割了黑洞的内外边界，对研究黑洞的熵有重要意义。

而绝对视界，相对来说，体现了黑洞的边界条件和物体运动对进入黑洞这个事情发生的影响。这个定义是介于显视界和时空视界之间的一个概念，不是十分完备。

考察如下的思想实验，就可以发现绝对视界的局限性：

从距离一个黑洞无限远的地方，静止释放一个物体A。物体在黑洞极度微弱引力的作用下，向黑洞运动。过了一定的时间以后，从同样的地方，朝黑洞以一定的速度释放一个物体B，使得A和B正好可以同时到达当时的黑洞视界。到了一定时候，绝对视界的问题便出现了：总存在一个时候，从B的参照系，可以发现黑洞的视界开始膨胀——因为绝对视界是目的论的，而物体B在这个时候必然进入黑洞——并且已经越过了物体A，距离B十分近了。而同时，从物体A的参照系，我们应该看到：黑洞视界的确膨胀了，但是膨胀的绝对视界距离A还有一定距离，离B就更加远了——因为按照目的论，这个时候A的速度不一定必然进入黑洞：从A的侧面发射的火箭可以阻止A进入黑洞，但是对于速度快了许多的B，火箭没有这个能力。按照黑洞的目的论性的绝对视界的性质，它应该没有越过A，但是对于B的观测和速度，视界应该已经越过A了。这个矛盾在黑洞的绝对视界体系中是无法解释的（至少理论解释上如此，在具体计算中，可以调节B的速度和发射的时间，使得上述情况发生。

对于这个思想实验，显视界没有什么疑问：因为视界是静止不动的。

时空视界也可以解释这个实验：视界的位置由观测物体参照系中的HIPF的位置决定，所以对于不同的运动物体，其HIPF的位置是不一样的，因而时空视界的位置是不固定的。

从而，可以看出绝对视界的局限性和不完备性。

而至于时空视界，对于物体的运动和时空之间的相互作用有着重要的作用。

顺便说一下，PMR与时空弦的长度L有关，和能量的流通量E也有关。