解析世界十大著名悖论之六：宇宙热寂说
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解析世界十大著名悖论之六：宇宙热寂说
我们生活中有很多过程是不可逆的，例如，覆水难收，这个过程就是不可逆的。你要把水收回来不是绝对不可以，但要做很多功。再比如，炸弹爆炸以后，不可能让弹片再聚集起来，回到爆炸前的状态。熵是度量这些不可逆过程的参数。如果有两个碗a和b，a中装满了溶液，溶液的成分包括蛋白质、糖、脂肪、无机盐等；b中有一条鱼，鱼周围的水是纯净水。假定鱼身体中的蛋白质、糖、脂肪、无机盐等的含量与a溶液中的含量相等，也就是说a和b两个碗中装的是成分完全相同的东西，那么这两个碗里的东西有什么差别呢？差别是结构不同。a里面的结构是对称的，各种成分在杯子里均匀分布，b里面是对称性破缺的，a的结构比较简单，b的结构很复杂。生物死亡以后，身体中的器官组织会腐烂分解，相当于从b变到a，这是一种退化，是从复杂结构变为简单结构。从简单变为复杂的变化是进化。热力学第二定理告诉我们：在孤立系统内，任何变化不可能导致熵的总值减少。也就是说，世界只能退化，不能进化。从这个定理可以推论出宇宙热寂说，即宇宙最终必然会走向热寂，像沙漠一样，各处都相同了，对称了，生物和人类这样的复杂结构都没有了，这时宇宙就会进入一个死寂的永恒状态。但我们看到的事实是世界的进化，生物从无到有，生物进化的过程中生物由简单的单细胞发展到复杂多样的各种生物，非生物和人类社会也有一个从简单到复杂的进化过程。其实宇宙之初，即宇宙大爆炸之后的状态就是热寂的状态，今天的宇宙是从热寂中一步步走出来的，是不断熵减的结果。克劳修斯说，宇宙进入热寂状态，那就任何进一步的变化都不会发生了。但事实上，宇宙轻而易举地走出了热寂，没有从外界引进任何负熵。宇宙不仅自己制造了负熵，而且一发不可收，不断制造新的粒子，不断制造新的物质的对称性破缺和能量的对称性破缺，宇宙的结构越来越复杂。熵减是从哪里来的？霍金的解释是熵减来自于系统外部，不可能来自内部。但如果真是这样，那么把宇宙作为一个孤立系统，就只能熵增，不可能熵减，宇宙必然走向最平衡的状态。你说有些地方熵减，有些地方熵增，大爆炸以后已经达到最大熵了，完全均匀了，熵还怎么增大呀？如果有一个容器，分为两部分，A和B，左边有一些低温气体，右边有一些同样成分的高温气体。高温气体向低温气体传热，最后两边温度会趋于相同。这种变化属于熵增。热量由低温物体向高温物体传热是熵减。那么怎么让这个系统出现熵减呢？麦克斯韦妖麦克斯韦发明了一个小妖精，被称为“麦克斯韦妖”。他说这个小妖精有极高的智能，可以追踪每个分子的行踪，并能辨别出它们各自的速度。在一个温度均匀的充满空气的容器里的分子，其运动速度并不均匀，虽然大量分子的平均速度是均匀的。现在假定在容器分界上有一个小孔，再设想麦克斯韦妖可以打开或关闭那个小孔，使得快分子从A跑向B，而慢分子从B跑向A。这样，就在不消耗功的情况下，B的温度提高，A的温度降低。这样对称性破缺就发生了，就熵减了，世界就可以进化了。麦克斯韦妖真的是世界进化的原因吗？不可能，因为它在制造非平衡时即使不消耗能量也必须消耗外来的信息，分子的运动速度是一种信息。所以如何解释世界的进化至今仍然是一个世界性难题。那么有没有不消耗能量和外来信息的麦克斯韦妖呢？有。虽然能量趋于不对称是不可能自发出现的，但物质趋于不对称是可能自发出现的。玻尔兹曼告诉我们能量趋于对称的本质是物质结构趋于对称。如果在两个相邻的盒子里有两个小球A和B，把盒子中间的隔板拿开以后，对称的即一边一个小球的状态有两种可能的分布方式（容配数等于2），一种是A在左边B在右边，第二种是B在左边A在右边。而两个小球都在左边的状态只有一种分布方式（容配数等于1），这是一种对称性破缺的状态。所以对称的状态出现的概率大，容配数大，对称性破缺的状态出现的概率小。玻尔兹曼就把这种容配数的对数定义为熵。但是如果设想在盒子的两侧各有一个氧原子，它们肯定不会一边一个，一定会很快结合成一个氧分子。也就是说容配数最大的状态不是稳定的概率最大的状态，对称性破缺才是概率最大的状态。容配数小的状态自发地出现了，即熵减自发地出现了。这种对称性破缺的出现既不消耗能量，也不消耗外来信息，即不需要外界输入负熵，这是一个自发的熵减过程。是什么力量破坏了热力学第二定理呢？是化学键。化学键就是一个麦克斯韦妖，它可以区分不同的原子，氧原子的化学键“认识”其他的氧原子，也“认识”氢原子、铁原子等。这种“认识”意味着其中包含信息和负熵，但不是从系统外部输入的，也没有智能。气体分子之间没有电磁力，所以它们会趋向对称结构。但液体和固体就不同了，水分子的电荷有极性，其他液体和固体也都是靠电磁力把分子聚集在一起。当温度足够高的时候，分子才会挣脱束缚，变成气体。当你把若干个液态水的分子放在盒子里时，它们不会自发地在上下均匀分布。即对称状态的概率是零，系统会永远保持对称性破缺的状态。有位著名学者认为，麦克斯韦的思想实验中所提到的小球都是指气体分子，不能指其他分子，它们之间没有电磁力。但我认为，如果只考虑气体分子，那么麦克斯韦的这个思想实验就没有普遍性，因而其结论就不能推广到整个宇宙，就不能作为讨论宇宙热寂说的依据。如果要讨论整个宇宙的问题，那么我们设想的思想实验中的对象就应该具有普遍性，能代表任何物质，具有物质的各种属性。化学键是一种电磁力，除了电磁力之外，万有引力、强核力和弱核力也都会破坏热力学第二定理，它们都是麦克斯韦妖。我们可以把地球周围的空间划分为若干网格，地球占据其中一个格。地球由很多物质组成，这些物质没有在这些网格中均匀分布，而是集中在一起，从热力学第二定理的角度看，这种状态的存在概率几乎为零。是什么力量把它的存在概率从零提高到100%的呢？是万有引力。地球上的物质没有在空间均匀分布定理：万有引力、电磁力、强核力和弱核力是世界向复杂的、非平衡方向进化的动力。热力学第二定理指出了世界退化的必然性，而现在提出的这个定理指出了世界进化的必然性和进化的根源。有了这个定理之后，我们就可以看出熵减不仅可以来自于系统外部，还可以来自于内部，热力学第二定理不会使世界热寂。科学界一直自认为驱逐了麦克斯韦妖，其实它一直陪伴着我们的每一天。只不过不应该再称其为妖，它们是主宰这个世界的正神。任何物质都有很多属性，包括这四种力，还包括很多其他属性，这些属性都会或多或少地影响系统运动和相互作用的结果，促使复杂的、非平衡的系统出现。物质的各种化学性质，非生物的辐射、发光、动能守恒、量子力学特性、范德瓦尔斯力等所有物理性质，生物的生长、新陈代谢、再生、趋光、繁殖、变异等生物属性，都可以是世界向复杂的、非平衡方向进化的动力，因为它们都可能带来稳定的对称性破缺。所有的生物功能都可以是进化的动力，智能也可以是进化的动力，而且智能已经成为创造复杂和有序的最重要的动力，因此可以说每一个人都是一个麦克斯韦妖。定理：物质的各种属性都可能是世界向复杂的、非平衡方向进化的动力。其实，大家都知道，即使世界真的会走向死亡，那也是几十亿，甚至几万亿年以后的事情，没有几个人真正关心这种事。问题的关键在于，世界退化的趋势如果是普遍规律，那么也将主宰我们日常生活中的很多事物。我们的社会是否会越来越混乱，人性是否会越来越堕落，科学技术能否持续发展，人类现代文明是否会把我们引入深渊？有了前面这两个定理，我们就可以相信世界既有自发的退化趋势，也有自发的进化趋势，退化不是世界的宿命。
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黑色的光可能存在吗？收藏
个人感觉这个可能存在，但又可能永远无法发现。楼主也知道这个存在悖论，也就是本身不发光，但在谱系里存在着，它是光的一种形态。这个听起来可能大家会感觉到不可思议吧。但理论上来说这个的确有可能的。当我们看看这光谱，我们就会发现这种问题，这里可不是说得颜色融合什么的。我们如果摊开光谱图，我们仔细寻找，我们就会发现，光谱的颜色与颜色之间是存在谱隙这东西的。也就是光谱的间隙。颜色与颜色之间的间隙，这个可能听起来很复杂是吧。让我们打开我们得脑洞，如果我们用一束白光照摄黑暗，我们会发现什么?有光亮的区域与无光亮的区域，然后我们会发现明暗交界线。当然这是可见光是这样得，然后我们根据光的波动性我们会发现，不可见光这些东西，但问题来了，波动与波动得中间到底存在什么？光谱的间隙中到底会存在什么，就像我们用光线照射黑暗一样，距离明暗交界线越远得越黑暗，最后完全变成黑暗，然而可不可能存在这种光而几乎可以说和黑暗得性质差不多，但不属于黑暗，它依然是属于一种光。拥有着光的特效，只能说非常得弱，而表现出黑暗得性质来。
谱隙中的光的世界可以说是非常神秘的，越接近它就越会发现黑暗，但这个却与现代我们所接受概念非常得不同，按我们一般的概念是世界本身是黑暗得，光的照射能穿越黑暗，而一旦窥探谱系中的世界时，就会发现，但你窥探黑暗时，黑暗也在窥探着你。
打错。谱隙中的光的世界可以说是非常神秘的，越接近它就越会发现黑暗，但这个却与现代我们所接受概念非常得不同，按我们一般的概念是世界本身是黑暗得，光的照射能穿越黑暗，而一旦窥探谱系中的世界时，就会发现，当你窥探黑暗时，黑暗也在窥探着你。
如果这个真得存在得话，呵呵！那么这个世界的逻辑就会变得非常搞笑了，当我们寻找光的足迹时，最终我们发现了黑暗。
不可见光算不算黑色光？楼主你打字真够多的。
回去重读小学
光谱的黑色线代表被某种元素吸收了。这个问题高中化学和物理课本都有讲，先不谈楼主是否认真听课的问题，我们想说的是黑色光是否存在？楼主可以参考以下文本，也许会有帮助。宇宙中应该存在着一种基本粒子对，它们就是光子与反光子（或者也可称之为正光子与负光子）。这是因为，既然宇宙中存在着正电荷与负电荷，存在着正电子与负电子，那么也就应该同时存在着光子与反光子。具体来说，正电荷（包括正电子，以及反物质）可以发射反光子、吸收反光子，负电荷（包括负电子，以及正物质）可以发射光子、吸收光子，这也是同性电荷相斥、异性电荷相吸的物理原因所在。如今我们人类能够检测到的都是负电荷（主要是电子）发射的光子，而反光子乃是光子的“影子”，我们如今尚没有办法观察到它们。由此可以得到如下结论及其相应的推论：推论1 、正物质，即由正原子核与负电子组成的原子、分子和物体，基本上只能够发射光子、吸收光子。也就是说，反光子可以无阻碍地穿越正物质，这正是我们至今尚未发现反光子的缘故。2 、反物质，即由负原子核与正电子组成的反原子、反分子和反物体，基本上只能够发射反光子、吸收反光子。也就是说，光子可以无阻碍地穿越反物质。3 、光子与反光子在真空中的光速相同。4 、在负电子与正电子发生湮灭的时候，转变成的不仅仅有光子，还同时有反光子。5 、主流物理学通常认为，电子（准确说是负电子）是最轻的带负电荷粒子，正电子是最轻的带正电荷粒子。对此有人提出不同意见，他们推测光子也带有微量的电荷。本文认为，如果负电子只能发射或吸收光子，正电子只能发射或吸收反光子，那么光子与反光子应该与正负电荷的结构有关。与此同时，由于负电子不与反光子发生作用，正电子也不与光子发生作用，这就表明无论光子与反光子是否携带微量电荷，都不影响正物质与反物质的基本性质。进一步说，如果实验证明光子和反光子都不携带任何数量的电荷，那么就意味着电荷既可以消失，也可以生成。也就是说，宇宙间可以不存在电荷量守恒原理，宇宙中可以存在着由无电荷物质组成的世界。6 、我们觉察到的某些暗物质，实际上可能是反物质，或者说至少有一部分是反物质。这是因为，我们根本就看不见反物质发射的反光子。与此同时，反物质世界的观察者，也把我们正物质世界称之为暗物质，因为它们也看不见我们发射的光子。也就是说，正物质世界与反物质世界互为暗物质。由此可知，宇宙是一种正物质世界与反物质世界既相邻又相对独立的多层次间隔的结构。显然在这种情况下，人类的星系际旅行不可避免存在着遭遇反物质“湮灭”的障碍。这也就意味着，宇宙是一种由彼此相互封闭、相互独立的正物质世界和反物质世界组成的，我们人类生活在正物质世界里。有鉴于此，我们人类不能排除，在反物质世界里，同样存在着与我们人类相同层次的智力结构物。一种有趣的想法是，反物质世界是我们的镜子，那里有我们的“反我”。可惜的是，我们无法证明他们的存在，他们也无法证明我们的存在，因为两者彼此之间存在着难以跨越的信息传输障碍。7 、我们在地球上（属于正物质世界）观察到的星系光谱线红移现象，不一定是星系远离的标志，而更可能是反物质世界对正物质世界光子的引力效应。与此同时，同样存在着正物质世界对反物质世界反光子的引力导致的光谱线红移效应。8 、我们在地球上（属于正物质世界）观察到的宇宙背景辐射现象，不一定是宇宙大爆炸的残留，而更可能是反物质世界“泄漏”的光子（应该是由负质子发射的）。与此同时，同样存在着正物质世界“泄漏”的反光子（应该是由正质子发射的）。也就是说，对于反物质世界来说，它们那里也能观察到与我们地球人看到的类似宇宙背景辐射。9 、一般认为，由于“反物质”与正物质具有“水火不相容”的性质，它们相遇时会很快湮灭，并释放出巨大能量。据计算，1克“反物质”与1克正物质相遇湮灭时，能释放出18X1013焦耳能量；因此，许多科学家乐观地认为“反物质”是一种人类可以无限利用的最终能源。但是，在宇宙中正物质与反物质并不总是能够相遇，而它们的不相遇，表明宇宙中存在着某种使正物质与反物质不会轻易相遇的物理机制。当然也有可能，某些宇宙物质的发光现象，实际上乃是正物质与反物质正在相遇“湮灭并转变为光”的证据。此外，还可能有一些粒子与反粒子对，它们相遇时并不发生湮灭，而是互不理睬、各奔东西，例如光子与反光子。10 、天文学上把宇宙中用光学方法看不到的物质称为暗物质，也有人把暗物质描述为“宇宙弦”或其他什么东西。关于暗物质探索，是当今天体物理和宇宙论的一个重大难题。
百度”词条上的“反光子”解释是相当错误的。阅读：-29 17:45标签：杂谈“百度”词条上的“反光子”解释是相当错误的。我现在对这篇文章逐一评论。1、“正物质，即由正原子核与负电子组成的原子、分子和物体，基本上只能够发射光子、吸收光子”，这些常识性的理论，不能作为推论“反光子可以无阻碍地穿越正物质”的理论依据，这个条件不成立，是偷换概念，也显得太突兀；这也不能成为无法发现反光子的根据。2、与第一条相同的方法，是有意偷换概念，得到所谓的“光子可以无阻碍地穿越反物质”的推论。3、这是多此一举的解释；坏人和好人都是一个物种，不会划分到动物与植物的区别。4、“转变成的不仅仅有光子，还同时有反光子”，那么，光子转变成了什么？反光子又转变成了什么？5、“那么光子与反光子应该与正负电荷的结构有关”，依靠猜测是解决不了任何问题的，没有一个完整的理论系统是得不到正确推论的；既然已提出了可能有“无电荷物质组成的世界”，那么它们又在哪里？存在于电子中还是夸克中？6、“宇宙是一种由彼此相互封闭、相互独立的正物质世界和反物质世界组成的”，“两者彼此之间存在着难以跨越的信息传输障碍”，想当然的做法是不可取的，没有什么根据能提供正物质世界和反物质世界是封闭的证据，正、反物质的湮灭是说明“正物质世界和反物质世界是封闭”的？这不是自相矛盾了吗？7、红移、背景辐射等等对它们不同的解释非常奇怪，如同玩弄某些公式得到的所谓的“快子”理论一样，这种颠来倒去的做法，不是认真研究宇宙的科学态度。还有许多的想法也非常奇怪，这里就不再列举了；整篇文章既没有科学依据，也没有完整的理论，那么，他只有一个想法，就是要抢先提出这个“反光子”的概念，不管它是不是真的存在。不能因为出现了正负电子，继而就推导出正负地球，正负光子的想法；那么，这些人真的有一个完整的理论系统，还是确实发现了某些证明方法？都没有，是一种瞎起哄的作为，在言论和证据上都是不堪一击的，证据链是如此地不搭界、无关联性和自相矛盾；没有完整的理论系统也没有关系，至少要提供是如何发现它存在的证明方法，甚至只要提出它究竟是什么构成的也可以，但是我们没有看到，都是一些乱七八糟的东西，不容易被发现的原因和理由非常牵强，也是违反科学规律的。文章所有的论点在科学上不存在合理性，也没有任何科学价值的东西，是一种极不负责任的抢夺首先“发现”权的行为；世上任何科学发现你都可以首先“注册”一下，这样所有的发现都归入你的名下，那么，你的“成就”远远超过了爱因斯坦了。如果通过你的理论和论证的方法，以及行之有效的判断和思路，找到了“反光子”的存在，只有这样才能证明真正是属于你首先发现和提出来的，否则，一切都是空谈，如同小孩的童言一般，不必当真。
转自果壳，这个看起来比较靠谱。对＂有没有反光子＂的简单粗暴回答是＂有＂，但很遗憾，反光子和光子是相同的粒子。有些粒子就是它们自己的反粒子，尤其是传递相互作用的传播子，如光子、Z玻色子、胶子，分别对应传递电磁力、弱核力、和强核力。自为反粒子的粒子必须是电中性的，因为反粒子和粒子电荷相反。还有一些性质也必须为零，如夸克数。中子就不是它自个的反粒子，因为它由夸克构成，反中子由反夸克构成。介子由一个夸克和一个反夸克构成，所以它也是自个儿的反粒子。高能量的电子正电子碰撞时，发生碰撞的往往不是电子或正电子本身，而是在电子和正电子束周围当＂小跟班儿＂的光子。这些高能光子汇集，携带的能量足以产生粒子对，比如电子-正电子，μ子反μ子，或一些夸克，取决于能量大小。产生的夸克可以具有很高的能量来摆脱束缚它们的强力，这样这些夸克可以产生成束的亚原子粒子。在高能的质子-反质子碰撞中也会发生类似的碰撞。质子和反质子周围也携带成团的光子，这些光子可以和另一束中的光子相作用，并产生粒子对。探测器可以捕捉到这些粒子对。不过啦，要发生这种情况，光子的能量要好高好高的说?对低能量的光子（像可见光、无线电、X光，大概就是高能物理实验室外面的那帮电磁波），通常这些光子只是互相穿过。这是由于电磁场方程是＂线性的＂ --- 俩电磁波在给定位置产生的场强就是它们俩分别在该位置产生的场强之和，没有相互作用。就好像池塘里的水波 -- 它们互不影响穿过对方。有个非常弱的效应，称为＂光子散射＂，指的是在极低的概率下一光子被另一光子＂弹开＂。这是由光子间互相交换虚粒子产生的。产生的光子和入射的一样没有质量。所以，如果你问光子对撞产生的粒子有没有质量，答案是有没有质量都可以，但总体系的质量（也就是总动量为零时总体系的能量）在碰撞前后必须守恒。
假设黑光存在，黑光照黑色物体是黑的，黑光照白色物体是黑的，黑光照彩色物体也是黑的，在黑光的世界，什么都看不到，一切都是黑的
→_→真的，楼主，开脑洞之前多看书
多啦A梦的黑光灯
楼主来自民科吧，鉴定完毕
挖坟了，wocao
画画的看不下去了。。。。。明暗交界线是物体上调子最暗的部分，物体的暗面不是一片死黑的啊，暗面部分离明暗交界线越远会相对更亮些，因为会受到反光之类的的影响
建议发到民科吧
機器貓好像有個黑光燈
回去重读初中物理
有本事证明。下一个诺贝尔有希望。并且黑色的光，说实在脑洞有点大。就像宇宙一样，人类可观察的地方叫宇宙。事实上，会不会有一个地方黑色才是彩。白色才是黑呢...没见过没法证明是是假想。也只是无意义，有价值而已。
谁tm规定光有颜色(?o . o?)那不是我们人类的感知吗？波长不同罢了(?o . o?)我来挖坑了，对了不要想用色动力学来反驳我，完全不是一个概念。
不可见光算黑光吗？
光没有颜色之分，人类感知的颜色只是大脑的应激效果罢了。比如大家都认定的黄色，如果能进入别人脑中观察，其实发现每个人看到的色彩并不一样，？这又怎么说？所以讨论光的颜色没意义
我都懒得反驳了(:з」∠)_
存在但不保证在我们所在的平行宇宙里
楼主你应该给自己说的光下个定义后者界限，如果做不到，就别瞎搅合了。
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日，英国物理学家霍金在轮椅上走完了他的一生，享年76岁。
霍金的一生极富传奇性。他以一副病躯，执着于思考宇宙、黑洞、时空等深奥的主题。一般人以这样的身体条件，大概能对科学泛泛地有所了解就已经很不错了，而霍金对宇宙的研究，可以说代表了当前人类对宇宙认识的高峰，所以他本人，早已成为人类强大的精神可以战胜脆弱的肉体的一个象征。在这篇文章里，让我们来盘点一下他留给我们的精神遗产——他对物理学的贡献。
证明黑洞内部必存在奇点
霍金一生的工作是跟黑洞联系在一起的，我们就从黑洞谈起。
2017年因引力波研究获诺贝尔物理学奖的美国物理学家基普·索恩在一本书中写道：
“在人类大脑所有的概念中，包括氢弹、独角兽，最为奇特的可能就是黑洞。它有确定的边界，任何东西都会掉进去却没有东西能逃出来。它有极强的引力场，以至光线也在它的掌握之中。它扭曲了空间和时间。像那些奇形怪状的野兽一样，黑洞似乎更适合安居在科学幻想或古老的神话里，而不是现实的宇宙中。然而现代物理学定律确实预言了黑洞的存在。银河系里就可能有上百万个黑洞。”
黑洞有两大特征：一是中心藏着一个密度无限大的点，叫奇点；二是外围有一个圈，叫视界。那是黑洞内外的分界线，外界的东西一过视界，连光也休想再从里面出来。不过要注意，视界并非实体。你要是掉进黑洞，在往奇点坠落的过程中是感觉不到视界的存在的。
如今，这两点已是关于黑洞的常识，但在上个世纪60年代，即霍金刚踏入学术圈的时候，大家却对奇点的存在深表怀疑。因为它的密度无限大，这一点让物理学家接受不了。在他们眼里，出现无限大，意味着预言黑洞存在的广义相对论有什么地方错了。
让物理学家不得不直面奇点的是英国物理家彭罗斯和霍金。1965年，他们在黑洞研究中引入拓扑学，从数学上严格证明：在广义相对论框架内，每个黑洞内部必然藏有一个密度无限大的奇点；要想让黑洞中心不出现奇点，是不可能的。这一结论被称为黑洞的“彭罗斯-霍金奇性定理”。
最令人惊讶的是，奇性定理具有很强的普适性，适用于一切现实中坍缩的恒星。这就打消了一些物理学家的念头，告诉他们必须接受奇点这个难以理解的东西。彭罗斯和霍金因此项贡献共同获得1988年的沃尔夫物理学奖。
此外，在整个1960年代，彭罗斯和霍金等一批物理学家结合拓扑学和广义相对论，创立了一套有力的数学工具，现在我们称之为“整体方法”。1970年，霍金和彭罗斯利用这套方法证明，我们的宇宙在它大爆炸膨胀的开端有一个时空的奇点；如果它有一天会再次坍缩，那么必然还会在大挤压中产生奇点。
黑洞蒸发和霍金辐射
1970年11月的一个晚上，霍金正准备睡觉，忽然有了一个想法，它来得那么急，令他差点喘不过气来。
这个思想是由一个简单的问题引起的：当两个黑洞碰撞合并在一起时，视界的面积会发生什么变化？
在那个不眠之夜，霍金凭着他深刻的直觉猜测：不论黑洞如何旋转，如何碰撞，最终黑洞视界的面积一定总是大于原来黑洞视界面积之和。后来，他从理论上严格证明了这一点。
这个结论被称为“黑洞面积定理”，其更准确的表达是：在某个区域内，只要没有黑洞移出这个区域，那么所有黑洞的表面积（即视界面积）之和随着时间的推移总是只增不减的。
没料到，这个发现开启了黑洞研究的新篇章。
首先是美国物理学家贝肯斯坦注意到，这个黑洞面积定律跟热力学第二定律极其相似。在热力学第二定律中，一个隔绝孤立系统的熵也具有“随着时间的推移只增不减”的性质。他认为，这不是巧合，黑洞的面积必定跟黑洞的熵有着某种内在的联系。
刚开始，这一想法受到包括霍金在内的许多物理学家的嘲笑。嘲笑是不无道理的。因为从经典的角度看，黑洞除了一个奇点，什么都没有；那个所谓的视界，其实并非实体；黑洞内部空空如也，所有东西都被奇点吞噬。你要是朝黑洞扔一袋气体，这袋气体连同它携带的分子运动随机性（即熵），也将一并被奇点消灭。在这种情况下，黑洞还有哪来的物质分布随机性呢？再说，如果黑洞有熵，那么从热力学角度看也应该有温度，有温度就会有辐射，可是黑洞是任何东西都不可能逃出的天体，怎么可能有热辐射呢？
但出乎意料的是，1974年霍金的态度来了个一百八十度的大转弯，他不仅承认黑洞有温度，其表面积代表它的熵，而且证明黑洞确实有热辐射，此即著名的霍金辐射。霍金辐射的提出应该是霍金对物理学最大的贡献，因为它完全改变了我们对黑洞的看法。原先我们以为黑洞是只进不出的吝啬鬼，现在知道它也并非“黑”到那一步。
辐射总是要损失能量，意味着黑洞可以蒸发。据霍金的计算，黑洞的寿命与其质量的三次方成正比。黑洞越小，辐射得越快，寿命越短。例如，一个太阳质量的黑洞，它的寿命约为1065年，比宇宙年龄还大1054倍！但一个质量仅相当于一辆小车的黑洞（其直径仅为一个原子核直径的十亿分之一），其寿命只有1纳秒，在蒸发的瞬间，亮度将是太阳的200多倍。
霍金提出，我们或许可以通过观测宇宙中微型黑洞的蒸发来检验他的理论，不过这太难了，所以至今仍没观测到，否则霍金生前得个诺贝尔奖是不成问题的。
黑洞信息悖论和霍金的赌局
霍金提出的黑洞辐射，对于黑洞的认识是革命性的。但霍金很快发现，这会带来一个新的问题。
这种辐射看上去杂乱无章，相当随机。霍金推测，既然如此，辐射就不可能携带任何与掉入黑洞的物质有关的信息。譬如，朝黑洞掷一只猫和掷一只狗，所发出的霍金辐射是一样的，因此一直到黑洞死亡消失，我们也没法知道有什么东西掉到里面。就好比我们无法利用一杯热水里蒸发出来的水分子来判断这杯水是糖开水还是盐开水一样。这意味着，待黑洞蒸发殆尽，它所包含的信息就被毁掉了。然而，这与量子力学的一项核心原则相冲突。这项原则说：宇宙中的信息是不可摧毁的。
这就是黑洞的信息悖论。
当然，如果不存在霍金辐射，黑洞也会摧毁信息。霍金等人曾经证明了一条“黑洞无毛定理”，说：不管一个黑洞是如何形成的，最后只要用三个参数，即质量、电荷和角动量，就能完全地描述这个黑洞。至于形成过程中的细节，譬如究竟是阿猫还是阿狗掉进去，坍缩成黑洞的恒星是方的还是球形的，这一切统统都会被“灭迹”。不过呢，因为奇点的性质特殊，你可以说，所有的信息都藏在奇点，但取不出来；你也可以说，奇点密度无穷大，所有的科学规律连时空概念本身在该处都统统失效了，所以量子力学也不适用。反正只要奇点存在，就暂时可以当作回避这一问题的挡箭牌。但有了霍金辐射之后，“挡箭牌”没了，所有黑洞里的物质又回到日常世界中，所以我们不得不直面这个问题。
围绕这个悖论，1974年霍金和他的好友量子物理学家约翰·普利什基尔曾打了一场赌：霍金赌黑洞蒸发殆尽时信息真的会丢失，而普利什基尔坚称信息不会丢失。30年之后，霍金认输了。但由于这一悖论的复杂性，问题并没有随霍金认输彻底解决。事实上，前些年普利什基尔主动为霍金“翻案”：也许霍金是对的，只是他认输太早了。
说句题外话，霍金一生“好赌成性”，而且总是赌运不佳：他曾经跟朋友打赌天鹅座X1不是黑洞；他曾经打赌，希格斯粒子不存在；他曾经打赌“自然厌恶裸奇点”；但所有这些赌局中，最后认输的总是霍金。
提出无边界宇宙模型
众所周知，宇宙大爆炸理论迄今已取得巨大的成功，其对大爆炸之后百分之一秒到今天的宇宙的演化情况已描述非常清楚，而且得到了实际观测的有力支持。然而，对宇宙极早期的研究却遇到了极大的困难。
最大的难题是那个“奇点”。细心的读者也许还记得，霍金的研究生涯就是从研究“奇点”开始的。最初是研究黑洞的奇点，然后他和彭罗斯一道证明，宇宙大爆炸的开端必存在一个奇点。而在这样一个遭遇无穷大的地方，所有科学定律甚至时空概念本身，都面临失效。换句话说，奇点是无法研究的。
这个奇点让物理学家如鲠在喉。现在，霍金又着手消除这个自己之前证明了的东西，办法是在广义相对论的基础上引入量子论。
霍金是在宇宙学研究中最早试图让物理学上两个互不相容的理论——广义相对论与量子论——联姻的。联姻的第一个成果就是霍金辐射。现在，他又想用量子论来研究“婴儿宇宙”。这样做的理由是，在宇宙极早期，整个宇宙都非常微小，可把它看作微观粒子，而统治微观世界的是量子论。
1983年，霍金和美国物理学家哈特尔发表论文《宇宙的波函数》，开创了量子宇宙学的研究。他们提出一个“无边界宇宙模型”。在这个宇宙模型中，宇宙在时空中没有边界，在大爆炸之前，时间并不存在，谈论大爆炸之前的宇宙是没有意义的。经典大爆炸理论中绕不开的奇点，在更高维度的时空中，被类似地球北极的一个点所代替。北极是地球的一个尽头，沿着球面，你不可能走到比北极更北的地方，但那里并没有边界，那个点也只是球面上一个普通的点，仅仅只是所有朝北走的路线都汇集到这个点上了而已。
这又是一个深奥的理论，涉及很多量子物理学的知识，甚至引入了“虚时间”的概念，已经远远超出了一般读者的理解能力，在此我们不再赘述。据说霍金十分珍爱这个思想，一般人把提出黑洞辐射视作他对物理学的最大贡献，但霍金自己却认为，无边界宇宙模型才是他的最大成就。他相信，现在虽然能懂这一理论的人寥寥无几，但以后它会像哥白尼的日心说、爱因斯坦的相对论一样，成为人类的“常识”的。
以上就是霍金对物理学的主要贡献。回顾他的一生，可谓硕果累累。这些成果极大地丰富了我们对宇宙的认识。考虑到这些研究的抽象和艰深，以及霍金从事这些研究时的身体条件，当然更要让我们肃然起敬。一些人把霍金称为“继爱因斯坦之后最伟大的物理学家”，虽然就其成就而言，似有过誉之嫌，但他所代表的精神对于这一称呼应该说是当之无愧的。
所谓裸奇点，就是没有视界的奇点。奇点外面一般总是有个视界包着，但计算机模拟显示，在黑洞碰撞或蒸发过程中，视界可以消失，让奇点裸露出来。
熵和热力学第二定律
熵是热力学上用来代表系统无序度或者随机性的一个物理量。什么叫无序度或随机性？我们来举个例子。
在一个正方形的玩具屋里，有20个玩具。屋子地板上铺着100块瓷砖。妈妈打扫完屋子，把玩具都扫到了屋子靠墙的一行地砖上，它们被随机地堆放在一起。假设玩具足够小，即使在一块瓷砖上，全部玩具也能堆得下。现在我们来看看有多少种摆放方式：第1个玩具可以选择放在10块瓷砖中的任意一块，共有10种选择；第2个玩具，也有10种选择；……于是20个玩具在10块瓷砖上的分布方式就有10×10×……×10种选择,也就是1020种可能。这就是此时玩具的无序度。因为1020这个数太大，物理学上通常取它的对数20，作为此时这堆玩具的熵。
假设等妈妈扫完地后，小朋友在屋子里又玩起来了，把玩具满屋子乱甩。现在，每一个玩具都可以有100种选择，于是无序度就变成了100×100×……×100=。对应的熵是40。
跟上面的玩具一样，假如系统是一袋气体，其熵就是所有分子在空间的“摆放”方式。热力学第二定律说的是，一个孤立隔绝的系统，它的熵随着时间的推移总是只增不减的。
这个结论其实是分子无规则运动的结果。比如，一瓶香水倘若敞口放在一间屋子里，那么分子的无规则运动会驱使它们自动地去占据整个房间（也就是通常所谓的挥发）。挥发过程是不可逆的，即你不要指望挥发出去的香水分子自动钻回香水瓶里，又变回一瓶香水。用热力学第二定律的话说，就是香水分子占据整个房间时的熵要大于只占据整个瓶子时的熵，所以瓶子里的香水注定要随着时间的推移挥发殆尽；但其逆过程注定是不可能自动实现的，因为这违反了热力学第二定律。
如何理解霍金辐射？
从经典广义相对论的角度，黑洞当然是不存在辐射的。但一旦考虑量子效应，就不一样了。霍金正是在试图把广义相对论和量子理论结合起来时，发现黑洞是可以产生辐射的。
要理解这一点，首先要从量子论说起。根据量子论，真空并不是什么都没有，而是不停地、大量地发生着真空涨落。涨落中，每次产生一对虚粒子，一个正能，一个负能，总能量为零，遵守能量守恒定律。但是它们存在的时间极短，产生后，在极短的时间内便碰撞湮灭。
通常情况下，真空涨落没有什么影响，但是如果涨落发生在黑洞视界附近，情况就不同了。让我们来考虑这样一种情况：两个虚粒子，一个被吸入黑洞，另一个留在视界外面。
因为失去了碰撞湮灭的对象，两个粒子都得以长期存在，这样虚粒子就变成了实粒子。在这个过程中，黑洞因为吸收了一个负能实粒子，从而使其质量减少；而外界在此过程中得到了一个正能实粒子。这个过程可以等价地理解为一个粒子从黑洞里跑出来，从而黑洞减少了质量。
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