第九章 关于黑洞的论文
在《Nature》上，科技类的论文一般可以分为3种类型，分别是学术论文、研究报道和通讯。这些论文都有篇幅方面的限制，并不是说你想写多少就写多少的。 由于版面有限，所以要求作者投稿时对论文的页数做出限制，对文章的内容来说就必须简明扼要一些，尽可能简洁的将研究的要点准确无误的表达出来。 这样的文章其实非常考验作者的写作功底，书写起来会比较困难，因为每个字句都要经过仔细推敲，相对来说耗时也会多一些。 周晨的英语水平还算过得去，大学时期便过了英语六级，不过要将自己这篇极具专业性的论文翻译成英文，难度还是不小。 这就好像翻译一篇文言文和翻译一篇用文言写成的佛经之间的区别，前者是单纯的古今对比，据词翻译，难度会相对较小，而后者除了要懂得文言的翻译外，还要深刻懂得佛经当中蕴涵的佛理，没有一定的修为实在难以胜任这项工作。 周晨的论文关于黑洞，而黑洞是什么，想必绝大多数人都不清楚。而麻烦的是，这类论文往往都会涉及到复杂的运算，所以想让它变得不怎么生涩难懂，难度是非常大的。 周晨知道，一篇好的科技文章，不仅要让本专业的人能理解，还要让非专业的读者也至少能够理解文章的主要意义，这就要求文章的开头必须开宗明义，让读者一眼看懂文章的背景，内容和结论是什么。 如果做不到这一点，那这篇论文注定了只能在小圈子内流传，也就做不到科普效果，无法引起社会效应了。而这类文章，是不太容易通过《Nature》的审核的。 这大概是他这篇论文的最大硬伤，而且还是无法弥补的硬伤。他只能用自己严谨的专业性来挽回这方面的不利了。 …… 晚上九点，夜色一片朦胧，如一块浓稠的墨砚泼洒在天空中，让人看不清它背后若隐若现的繁星。 周晨的论文终于完成了，检查了一遍，确认没有错误之后，周晨将它制成PDF文件，试阅了下效果。 嗯，不错，算上参考文献一共7页的论文，看上去整整齐齐，隔着显示屏似乎都能够闻到油墨芳香的味道。 标题是《关于一种特殊黑洞状态及“极端克尔黑洞”与“宇宙监督假设”的联系》，名字起得很长，翻译过来有一种不明觉厉的冲击感。 周晨对这个名字非常满意，隐约中展现出了作者的逼格。 下面是作者的名字、地址，及联系方式。 接着是摘要、关键词，然后是正文部分。 正文中周晨层次分明的运用层级标题对文章进行了切分，主要讲述了两大块内容，分别是特殊黑洞的状态和它的数学模型，以及“极端克尔黑洞”与“宇宙监督假设”之间的联系。前者是周晨研究生毕业论文的内容，后面则是新添加上去的内容。 在论文当中，周晨先是通过一组组复杂的数学偏微分方程运算，结合度规张量等描述了在极端克尔黑洞环境下的局部时空几何性质，然后又用数学工具重新推导论证了黑洞的几大定律，最后严格得出“宇宙监督假设”即“黑洞第三定律”的准确数学推导。 这些结论，放在关于黑洞的基础理论研究当中已经是硬邦邦的新成果，如果公布出去，绝对是一场轰动。 “宇宙监督假设”即是“黑洞第三定律”，多少年来，有多少科学家为了解决这个问题而苦思冥想，它所背负的学术价值，超出一般人的想象。 “宇宙监督假设”的核心内涵是假设宇宙间存在一个监督者，使黑洞的奇点不能裸露到外面。它脱胎于欧洲的文化传统，据说在古罗马时期，欧洲的城市里会有一名监督官，他不允许任何人不穿衣服走在大街上。 英国科学家彭罗斯认为，黑洞的视界就好比是“衣服”，为保证时空中的因果性，宇宙应该有一个“监督者”，他不许奇点和奇环“不穿衣服”裸露出来。正因为有视界的存在，黑洞外的人才得不到任何来自黑洞内部的信息，当然也就看不见洞内的奇点和奇环，不受它们的“不良影响”，这样，因果性才不会被破坏。 但“监督者”是谁，彭罗斯没有说，就像大气层被发现前，有人提出“自然害怕真空”一样，实际上没有给出问题的答案。 科学家们认为，“宇宙监督”毫无疑问是一条自然定律，它可能是我们目前还不知道的什么定律，然而自然界的定律又不会太多，所以它更可能是一条我们已经知道的重要定律，只不过还没有把它与“裸奇异”联系起来。 事实上，关于彭罗斯提出的“宇宙监督”有可能就是黑洞第三定律的猜测一直存在，人们寄希望于黑洞第三定律能够像“热力学第三定律限制熵减不可实现”那样，巧妙契合“宇宙监督”这个假说。 但在推广黑洞第三定律的数学证明过程中，却遭遇了不可逾越的鸿沟。 热力学第三定律告诉我们，世间万物总是朝着越来越混乱的方向发展的，在热力学中，描述这种混乱程度的物理量是熵值，熵值是一直在增加的。什么意思呢，就好比一团面粉，你将它洒向空中后它会不断扩散，这个过程它变得混乱了，于是熵值增加了。 你能将这团面粉恢复到原先的状态吗？答案是不能！即使你一点一点将散落的面粉粒全部聚集到最开始盛装它们的袋子里，让它们看起来像恢复原状了，不过实际上在整个系统里，总的熵值还是增加的。 自然界有许多定律都是讲究守恒的，人们似乎也特别喜欢守恒的东西，比如能量守恒、动量守恒等等，但总有那么些东西不喜欢墨守成规。 自然界中有两项定律就是不守恒的，一项是质量不守恒，另一项便是熵值不守恒。 所谓熵值不守恒，通俗的讲，就是熵值是在不断增长的，它不能停下来，也不会减小，它就像一辆没有刹车且拥有无穷能源的失控列车，只能继续朝“仪表中里程增加”的方向发展。 好比你不能让一团撒出去的面粉从混乱状态恢复到原先稳定的状态一样，这是万物都必须遵循的硬道理。 熵值的存在，实际上规定了时间的方向性，认为“孤立系统”时间是不能倒流的，时间倒流，不正是熵值减小吗？ 这是一个非常完美的限制，热力学第三定律约束着时间不可停止、也不可倒流！让我们从理论上找到了自然界关于时光不可停止、不可倒流的原因。 于是相应的，如果黑洞第三定律也能在数学上进行严格证明，让它也具备相似的否定性规定，并最终与“宇宙监督假说”中所预言的现象合二为一，那该有多好？ 黑洞第三定律认为，黑洞的表面引力不能降为零，用定律的方式规定了黑洞不能将它的奇点暴露出来。这种表述本质上就是“宇宙监督假说”。 但这是为什么呢？在严格意义上的数学证明过程中，黑洞第三定律却遇到了推广受阻的问题。 这是因为黑洞的表面引力相当于“温度”，而黑洞的表面积相当于“熵值”，要想让黑洞第三定律成立，必须证明黑洞具有热辐射！ 这就是难点所在！ 好在对于这方面的研究，周晨可以算是站在前人的肩膀上，事实上关于黑洞具有热辐射的论文已经数不胜数，有以前那么多人的研究成果作储备，让周晨的论文变得不再那么没有头绪。 在关于黑洞的发展史上，霍金证明了球对称的史瓦西黑洞能热辐射各种粒子后，很快也有人证明了克尔黑洞可以热辐射自旋为整数的各种粒子，不过在证明克尔黑洞热辐射为半整数的费米子上却遇到了困难。 关键是这一证明过程要用到弯曲时空中的旋量方程，只是这种旋量方程中粒子波函数的各分量耦合得很厉害，很难求解。 而这次论文中，周晨却十分聪明地运用了一个数学工具，从而巧妙的做到了退耦处理，最终找到了一个严格解，证明了这一过程。 如此一来，周晨便在计算的过程中将克尔黑洞与史瓦西黑洞严格地等同了起来，为实现概念的推广化提供了基础，同时也使黑洞的各项描述变得更加自洽。 ps：关于质量不守恒。质量守恒是单纯的质量问题，在核反应中一部分质量会直接转化为能量，而能量只有在相对论的范畴里才有质量，所以这里守恒也只在相对论里成立，我们在普通物理里就不会上升到那种理论高度。 核反应中遵循质量数守恒而不能体现质量守恒，核反应过程中反应前后的总质量一般会发生变化而释放出核能。