度具有相同的含义。例如，温度相同的物体应当达到热平衡

等等。

我们也可以定义黑洞的温度。这个温度也应与热力学中的温

度具有相同的含义。例如，温度相同的物体应当达到热平衡

等等。

体

A和

B在达到平衡时，二者是有能量交换的。但是，单位

时间从

A传到

B的能量，等于从

B传到

A的能量，所以总的效

果应是

AB的温度都不变化。这样，如果一定温度的黑洞也

能与同样温度的其它物体达到热平衡，那么，单位时间内从物

体传给黑洞的热量，应等于单位时间从黑洞传给物体的热量。

然而，经典的黑洞理论认为不可能有任何物质从黑洞内部出

来。这就是黑洞热力学中的矛盾。

1974年霍金解决了这个矛盾。最关键之点就是考虑了量子

论的作用。按照量子论的观点，真空并不是简单意义下的

“空”，它具有丰富的物理内容。整个物理空间中都充满着

“虚粒子”。这种虚粒子的作用，可以通过它们的物理效应加

以证实。在通常的情况下，“虚”粒子不断地产生，也不断地湮

灭。所以，真空中永远不会自动产生“实”的粒子或反粒子。但当

存在引力场，特别是存在黑洞时，情况就不同了。这时，如果

真空中产生了一对虚的电子和正电子，其中有一个掉到黑洞

中，它永远不可能再出来，于是剩下另一个就失去了伴儿，再也

无法湮灭。这个孤独的粒子或者不久之后也掉进黑洞，或者

能逃离黑洞附近，其效果看起来就如同黑洞在发­射­一样（图

12-1）。这是黑洞强场引起的真空发­射­，发­射­的结果是使黑

洞的质量变小。

·140·

图

12-1 在黑洞的附近，正反粒子对中有一个

可能会掉进黑洞，留下的另一个粒子就没有对

象可以和它湮灭。剩下的那个粒子有可能逃到

无穷远处。于是，看起来就好象黑洞在发­射­粒

子或反粒子一样

黑洞的发­射­，是一种热发­射­，即各种辐­射­谱都是黑体类型

的。因此，无论黑洞由什么物质演化而形成的，我们只能给出

某种粒子在某种模式上的几率的预言。这就是前面已谈到的

结论。这个理论只考虑到真空的量子涨落­性­质，而对黑洞的

引力场仍然采用经典的结果，所以总的说是一种半经典半量

子的结果。

超统一和奇­性­

尽管量子引力理论遇到上述种种问题，引力的统一化和

量子化还是有进展的。有希望的途径是把广义相对论推广到

超引力理论或最近发展起来的超弦理论。这种超统一、超对

·141·

称或超弦理论都是企图把所有作用都合而为一，而且它们有

一个非常诱人的­性­质，即把物理学中传统的“物质”与“相互

作用”之间的界限也打破了。在物理学中，往往用半整数自

旋的场来表示“物质”粒子，用整数自旋的场来表示“相互作

用”粒子，而在超对称理论中，半整数自旋与整数自旋之间也

统一了。此外，在超引力理论中也不引入外加的参数值。这

样，这种理论不仅在统一所有物理粒子和相互作用的意义上

是完整的，而且在没有任何不确定参数的意义上也是完整的。

称或超弦理论都是企图把所有作用都合而为一，而且它们有

一个非常诱人的­性­质，即把物理学中传统的“物质”与“相互

作用”之间的界限也打破了。在物理学中，往往用半整数自

旋的场来表示“物质”粒子，用整数自旋的场来表示“相互作

用”粒子，而在超对称理论中，半整数自旋与整数自旋之间也

统一了。此外，在超引力理论中也不引入外加的参数值。这

样，这种理论不仅在统一所有物理粒子和相互作用的意义上

是完整的，而且在没有任何不确定参数的意义上也是完整的。

广义相对论虽然消除了牛顿理论中的奇­性­，但也带来了

一系列新的奇­性­。在黑洞解中有奇点，在宇宙学中也有奇点。

引力坍缩的结局是奇点；大爆炸的起始也是一个奇点。

有一段时间里物理学家相信，上述奇点只是数学形式上

带来的东西，而实际上是可以避免的。如果不用完全对称的

几何结构，也许就没有奇点。但是七十年代以来的一系列工

作证明，在广义相对论中，奇点是一个普遍不可避免的东西，

在宇宙的演化中一定要遇到奇点。

·142·

现在我们则期望，量子引力理论也许能避免上述奇­性­。姑

且不论量子­性­是否能避免上述奇­性­，而引力的量子效应带来

了上述的

1028电子伏特的界限已是确实的。

这样，就出现了一种大胆的猜想。一当我们找到了预期

统一完整的超引力理论之后，就可以追溯到宇宙年龄小于

10-43秒的绝早期，在那里，奇点没有了，代之以宇宙的创生，

故可叫做创生期。在创生期，宇宙中只有一种相互作用，即

“超引力”。在

10-43秒之后，由于宇宙的膨胀发生“相变”，才

逐一出现引力、强作用、弱作用及电磁作用的现今形态。这

样，大爆炸的起点就是宇宙的创生。如果宇宙真是以这种方

式统一起来的话，那么，“奇点”亦即创生是否就是人类两千多

年来孜孜以求的物元呢？(1)

(1)有关这一问题的更全面论述，请参见方励之、李淑娴著的《宇宙的创生》，

科学出版社

1986年。

·143·

《物理学基础知识丛书》编委会

《物理学基础知识丛书》编委会

赵凯华 赵静安俞文海钱玄薛丕友

潘桢镛

* * *

本书责任编辑：汪 容 陆埮

统一书号：13031 ·3372

统一书号：13031 ·3372

Ken777校对及文字输入说明：

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说 明

16页/01行“哪一个……？”原书误为“那一个……？”。

70页/05行“哪一点是……？”原书误为“那一点是……？”。

全部原书黑体文字用绛红­色­显示，如：“重点”显示“重点”。

珍

珍珍爱

嗳嗳书

书书籍

籍籍，

，，开

开开卷

卷卷有

有有益

益益，

，，请

请请支

支支持

持持正

正正式

式式出

出出版

版版物

物物。

。。

《从牛顿定律到爱因斯坦相对论》（第二版）二校版，­精­确版面还原

全书由凡剑（Ken777）OCR、校对、翻拍Сhā图、制作。

2008年 04月 14日一校

(图章注释 ken777

2009-6-3 15:24:59

空白)

2009年 06月 03日二校

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