霍金虚时间.docVIP

霍金的虚时间　奇点是什么？　　　1974年，年仅32岁的斯蒂芬·霍金发表了黑洞蒸发理论，其实早在4年前28岁时，他就曾经提出过膨胀宇宙的奇点定理：在宇宙的初创期不可避免地存在着奇点。　　前文讲过，在通常黑洞的中心存在着奇点，在旋转黑洞的赤道上存在着环状的奇点。在介绍黑洞、大爆炸、大塌缩的读物里，‘奇点’这个陌生的名词频频出现。既别扭又难懂，难道就找不到其它的表达方法吗？读者们大概都有这样的抱怨。　　但是，我们只能原样照搬地使用这个数学名词。所谓奇点，浅显易懂地说（也许笔者的解释并不浅显易懂），是一个非常奇特的点，它存在于黑洞中以及大爆炸的起始点、大塌缩的终结点。　　在数学上，当分数的分子为有限值，而分母变成零时，或者三角函数里的正切函数tanx当x成为90度时的值都是无穷大。当x从89度开始渐渐接近90度时，tanx的值就无限地接近正无穷大；反过来当x从91度开始一点点地变小接近90度时，函数值将无限地接近负无穷大；当x正好是90度时，函数值（的绝对值）为无限大，无法判定其正负。数学上的奇点就是如此奇妙的点。　　虽然简单地使用了无穷大，但是笔者个人认为这样的数在物理学里是不存在的……人们为了进行加减乘除开平方等各种数学计算，引入了分数、无理数、负数等等，但是无论什么数都不许被零除，在每一所学校里教师都这样严格地教导学生。无穷大只是嘴上说说而已，实际中从不使用。比如：我们说宇宙的大小为150亿光年，尽管极为广阔，但绝不是无穷大。　　笔者认为，把数学套用到物理的现实世界时，所谓无穷大的数只是不得已而暴露出的不真实的数值。尽管是不真实的数值，如果它能够给我们带来方便的话，用之也无妨。　　下面举个简单的例子。在物理问题中经常出现‘有个质量为m的点’之类的用词，质点是为了把力学问题简化而设想的非现实的点状物体，常有脑子好用且爱钻牛角尖的学生提出‘那个质点的密度是多大？’的问题，令教师为难，最合适的回答也许是‘不考虑质点的密度’。事实上正是因为所处理的问题不涉及密度，我们才放心地把‘质点’的概念引入力学之中。　　在物理学里，对于（认真去分析的话）很奇怪的概念，只要我们不是直接地研究它，通常都采取默认的态度，这样的事例很多。当其影响不可避免时，则重新修正我们的思考方式。质点是力学中的约定俗成的概念。当我们分析发生在时空中的电子-光子相互作用时，也会出现刚才说过的无穷大的困难，该困难至今仍未得到完美的解决。奇点真的存在吗？　　接下来我们要讨论的问题是霍金等人指出的宇宙的奇点。对于不带自转的黑洞来说，视界或者说史瓦西半径以内的任何物质（包括光）都不可能跑出来，它们都落向中心点。黑洞大概是密度极高的球状物体……我们很愿意这样去想像，但它也可能是由中子星进一步缩聚而成，仍然保持着天体的形状。总之，黑洞的形状无人知晓。　　原因在于，谁也无法知道黑洞之中究竟是什么状态。从它的外面来想像，我们只知道中心的引力值是无穷大，所以不妨认为黑洞内部的质量全部集中在中心点上。　　由于引力强的地方空间弯曲得也厉害，随着接近中心，弯曲程度也愈来愈激烈。假如在不带自转的正球形黑洞里，空间将一下子靠向中央（那里的情景很难打比方，也很难想像），并且急剧地弯曲起来。在任何曲线的任何部位上，只要取无限短的一小段，都可以将其视为某个圆弧的一部分，圆的半径越小，曲线在该处的弯曲程度就越大。　　我们乘火车时，在转弯处的铁路旁边经常能够看到标有转弯半径的标记，列车的设计时速越高，所要求的最小转弯半径就越大。我们将半径的倒数（1除以半径）叫做曲率，曲率越大，曲线越弯曲。　　　　新买来的蚊香是由二根盘成一片的，二根都从外缘盘向中心，由外向内，曲率越来越大。不过蚊香比较粗，如果是一根细线紧密地盘向中心点的话，在终点处曲率的理论值将成为无穷大，在到达终点前需要绕无数圈。　　重要的是，在黑洞的中心引力为无穷大，空间曲率（谁也无法想像三维空间如何弯曲）也是无穷大，因此该点被称为奇点。　　奇点是作为数学上的极限被提出来的，在现实世界里那样的东西是否存在呢？如果数学计算的结果令我们不得不承认黑洞的中心是奇点的话，落入黑洞中的物质在到达奇点之前或许经过蛀洞从另一侧的白洞飞了出来……这种解释也许能成立吧。　霍金的思想　　　彭罗斯和霍金以前的理论研究认为：宇宙始于大爆炸终于大塌缩，即宇宙从奇点创生并且终结于奇点。在奇点处物理定律失效，所以有关初始及终结的问题被排除到了物理定律的适用范围之外，但是对于从不回避实际问题的科学家来说，在感情上不能容忍奇点这样的超现实的东西。在数学上碰到奇点时，总是想方设法绕道而行，换句话说，绝对不承认分母为零的事情。大家可以从稍后的介绍看出，霍金的思想正是如此。　　霍金为了调查宇宙从大爆炸到大塌缩的路径，使用了一种特别的数学手段——路径积分。　　最先使用这种方法的人是擅长用画图的