即便关在果壳之中,仍是无限空间之王。——莎士比亚
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黑洞辐射:量子理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。
黑洞辐射问题,是人类理论能够到达的极限。包括广义相对论和量子力学在内的任何理论,在宇宙奇点处一律失效,因此我们对黑洞内部一无所知,甚至无法想象。黑洞的黑暗并不可怕,可怕的是理论存在“终点”。
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霍金:终于有人问我的问题了?好激动,各位大佬,容我解释一下“黑洞辐射”,根据量子力学,真空中存在量子涨落,可以产生正—反粒子对。正常情况下,正反粒子对会很快相互湮灭,但当发生在黑洞边缘时,由于强烈的引力场作用,一个粒子将落入黑洞而被禁锢,它的双胞胎伴侣可能会逃逸,留在黑洞外面,因此就无法湮灭。这一过程在黑洞的视界周围反复发生,从而形成了不间断的辐射流,远处观察者能观测到与辐射对应的温度,该温度由黑洞的引力场决定,只与质量有关:T=ℏc²/(8πkGM)。
拉格朗日:也就是说三个太阳当量的黑洞,温度只比绝对零度高一百万分之一度。
海森堡:@拉格朗日,不愧人称“数学中高耸的金字塔”。我补充一点,由于不确定性原理,真空中会瞬间凭空且自然地产生许多正-反粒子对,在极短的时间内成对湮灭,宏观上没有质量产生,因此称它们为虚粒子(i-particle)。
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不确定性原理:位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式ΔXΔP≥ℏ/2。
阿基米德:不明觉厉,给我一个支点,我想撬动黑洞。
史瓦西:然而并没有什么用,根本不存在支点,“黑洞”是时空曲率大到光都无法从其事件视界逃脱的天体。1916年第一次世界大战还没打完,我在计算炮弹弹道的同时,找到了爱因斯坦引力场方程的一个精确解,黑洞的视界半径只依赖于它的质量(R=2GM/c²)。
爱因斯坦:也是蛮拼的@史瓦西,竟然还存在精确解,压根我就没觉得有人会去算。
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爱因斯坦引力场方程:时空的弯曲程度等效于物质的分布及运动状态。
玻尔:何弃疗,方程都列出来了,不解一下?当年EPR佯谬,你仨要是算一下,也就得出量子纠缠了。
爱因斯坦、波多尔斯基、罗森:实名反对玻尔带节奏。
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霍金:特别感谢两位大神,正是因为将量子力学和广义相对论有限相容的部分结合起来,我才发现结果显示黑洞视界的温度并非是零,从而引出虚粒子对及黑洞辐射等问题。
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哥白尼:咳咳,宇宙的规律应该是简明和谐的,正因为如此,太阳取缔了地球的中心位置,日月星辰的轨道才显得纯粹。黑洞的结论来源于两种似乎矛盾的理论结合,我对它的真实性仍表示很怀疑啊。
杨振宁:大哥,2019年黑洞的照片已经出来了,引力波也经过检测,黑洞的置信度高于94%。早在1954年我通过推广麦克斯韦方程组,得出杨—米尔斯方程用以描述电弱统一,表明时空中的任意区域应该存在无限数目的不同波长,在真空涨落实验中可以观测到克西米尔效应,证明虚粒子的确是存在的。
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人类首张黑洞照片:该黑洞位于室女座一个巨椭圆星系M87的中心,距离地球5500万光年。
克西米尔、米尔斯:+1
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克西米尔效应:平板之间的真空涨落能量密度比外面小而产生的吸引力F=-Cπ/d²。
焦耳:表示有点懵,但无论如何,你如何保证这符合能量守恒定律?
霍金:因此我假设黑洞的质量会因为黑洞辐射而减少,黑洞的熵仍然遵循熵增原理。1974年我还构造了一个描述黑洞熵的公式:S=AKc³/(4ℏG),黑洞熵等于黑洞视界的面积。
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能量守恒定律:系统的总能量保持不变。总能量指静止能量固有能量、动能、势能三者的总量。
费曼:不可思议,如果假设成立,因为虚粒子的逃逸,黑洞付出的代价是其等效质量减少一个粒子,这就相当于黑洞向外蒸发出来一个粒子。可是这又不符合路径积分模型,在黑洞边缘,粒子若走过空间的全部路径,则它们必然掉入黑洞,这样一来,黑洞的存在限制了路径的可能性。Oh my God,头大!
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路径积分求和理论:一个粒子从某位置到另一位置的过程中,可取每一个可能的路径运动,最终除去仅有的一个路径外的所有路径都可以相互抵消。
爱因斯坦:尴尬的是我,赶脚我的宇宙常数又复活了?1917年我意识到,引力场方程不允许一个静态的宇宙解,因此加入了宇宙常数。@哈勃,这小子发现宇宙膨胀后,我还写了一篇检讨《宇宙常数——我一生最大的错误》。现在暗物质、暗能量和黑洞辐射理论摆明又要复活宇宙常数。哎,真是应了我自己的话,我一向蔑视权威,所以命运把我变成了权威。
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新宇宙常数Λ :引力场方程(Gμν=8πGTμν),描述了空间的曲率(Gμν)和物质能量的分布(Tμν)的关系,起初爱因斯坦加进宇宙项时,把它放在方程式的左边,认为宇宙项是空间性质的改变。现在科学家把它移到方程式的右边,代表了量子理论中一种真空能量密度,意义完全不同。
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哈勃:躺着都中枪?可惜望眼镜只能看到星系,看不到黑洞啊。1929年通过观测,我只看到河外星系在动,只能发现宇宙在膨胀。
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哈勃定律:v=Hd,视向退行速度v与距离d成正比。
勒梅特:爱因斯坦引力场方程还意味着宇宙大爆炸,宇宙和时间有过一个可怕的爆炸中的开端,这也可以解释夜空为何黑暗,因为恒星发光的时间不可能比大爆炸至今130亿年更久。
奥伯斯:我好想明白了什么?
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奥伯斯佯谬:若宇宙是稳定而无限的,则晚上应该是光亮而不是黑暗的。故黑暗的夜晚印证了宇宙是非稳恒态的。
大爆炸与光锥:当我们沿着事件的光锥回溯过去,经过足够质量的弯曲,过去的光锥中光线会往相反方向继续弯折,光锥的截面在有限的时间内缩小至零尺度——奇点。因此,我们的过去是梨子形状的。
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麦克斯韦:快到吃饭点了,我先做个小结,1865年我通过把电学和磁学定律合并在一起得出麦克斯韦方程组,意识到电磁扰动的场是动力学的实体,并根据波动方程(∂²ψ/∂t²-c²∂²ψ/∂x²=0)导出的电磁波的速度(c=1/√εμ),与光速相似,于是我大胆假设光就是电磁波。霍金通过假设虚粒子对的逃逸,得出方程式在形式上与热辐射相关,大胆假设黑洞辐射。表象的相似性往往暗示着本质的联系,英雄所见略同啊。
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麦克斯韦方程组:一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。
赫兹:看到这,我和我的小伙伴都惊呆了,麦克斯韦方程组,高端大气上档次,低调奢华有内涵!
众人:鼓掌!
牛顿:抱歉,刚才只顾着和惠根斯斗嘴了,大家记得关注我,偷偷拉你们进物理群,下次看我的!
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