时间本性和热力学

读书评论

时间本性和热力学

评《黑洞与时间的性质》

吴忠超

半年前，我收到了这部题为“黑洞与时间的性质”的电子书稿。这部专著的作者是两位理论物理工作者刘辽、赵峥教授以及他们以前的学生田贵花、张靖仪两位教授。这是一部富有智慧的作品。我阅读之际写下一些感想，供大家分享。

刘辽、赵峥从70年代迄今对引力物理做了多方面的研究，撰写了大量论文。这些论文涉及引力物理的测量问题、引力热力学、黑洞霍金辐射、奇点定理、虫洞、量子宇宙学、时序猜测、黑洞信息丢失等等，这些都已纳入了这部专著。限于篇幅，这篇短文只能就他们对时间本性与热力学关系的贡献作一点介绍。

我们知道，古今中外的思想家都为探索时间的本性绞尽脑汁，而时间仍一如既往地保持着它永恒的神秘。在爱因斯坦之前，康德以自然科学家和哲学家的双重身份对时间和空间提出了一些真知灼见，而其余的人只不过以不同的语言对时间进行了一些描述。我们谈论最多的是时间，最不了解的也是时间。只有在爱因斯坦提出狭义相对论和广义相对论之后，时间本性的研究才真正进入科学的王国，这只是近一百年的事。

广义相对论的意义是，时空被其中的物质的能量动量张量所弯曲，而引力物理最基础的实验无非是时空的测量问题。从某种意义上讲，广义相对论早期三大验证也是时空测量问题。在爱因斯坦与朗道等人研究工作的基础上，赵峥从80年代起就开始关注这方面的探讨。他发现热力学第零定律，即热平衡具有传递性，与钟速同步的传递性等价。无论是热力学第零定律，还是钟速同步传递性，若不成立，这个物理世界就会面目全非。

在经典广义相对论中，霍金和彭罗斯在上个世纪70年代证明了，在非常广泛的物理条件下，时空中至少存在一个固有时间有限的物理过程。赵峥等指出，“固有时间有限”必然伴随着系统温度达到绝对零度或出现发散的情况，这违背了用固有温度表达的广义热力学第三定律。这就进一步增强了下述信念：考虑引力量子化的广义热力学定律将排除时空奇点，保证时间的无始无终性。

田贵花与赵峥用整体微分几何探讨了这方面的问题，并意外地发现，如果采用固有时间进行量度，则沿类光测地线运动的“自由光线”的加速度不是零，而是无穷大。这是一个耐人寻味的结果。

热力学第一定律，即热物理框架中的能量守恒定律，显示了时间流逝的均匀性。热力学第二定律因霍金辐射的发现而在引力物理中大放异彩。科学界已达成共识：黑洞视界的面积代表了黑洞的熵。本书作者历年来在霍金辐射的方向做了很多贡献，发表了大量论文。近年来，对黑洞过程是否破坏信息守恒的问题，威尔切克（F. Wilczek，诺贝尔奖得主）和帕利克（M. K. Parikh）就史瓦兹黑洞提出了富有创见的隧穿机制，证明了黑洞辐射过程信息守恒。张靖仪与赵峥把他们的工作推广到克尔黑洞族以及更一般的黑洞，同时指出，他们的证明中假设了黑洞辐射是可逆过程，而真实的过程肯定不可逆，因此威尔切克和帕利克的证明有很大局限性，他们还未能证明信息守恒。这对黑洞信息丢失问题给出了新的启示。

“时间机器”最早出现于科幻小说。从1988年开始，索恩等人对这一课题展开了科学探讨，他们用广义相对论研究了制造“时间机器”的可能性。由于“时间机器”可

作者简介：吴忠超，浙江工业大学物理系教授。

能造成因果关系的混乱，霍金提出了“时序保护猜想”来否定制造“时间机器”的可能性。十分有趣的是，刘辽先生和他的学生李立新、许建梅指出，有可能避开霍金的猜想来制造“时间机器”。

刘辽先生还指出，可以利用“虫洞”来消除量子电动力学中的发散困难，从而给出了重正化的新思路。

对时间本性与热力学关系的研究还会继续深化。我衷心地为我们同胞在引力物理学上的贡献感到高兴。

我想强调，这是一本富有启发性的科学专著，它既包含丰富新颖的物理思想，又给出了严格的数学物理证明。这本书对于理论物理工作者和热爱相对论的研究生、大学生都有相当的参考价值。

今年是刘辽教授八十周岁。他是中国引力物理研究中的重要人物之一。他所领导的北师大相对论小组是中国最大的相对论研究小组，全国相对论研究人员中的许多人或者受教于这个小组，或者和他们有密切关系。我首次认识刘辽先生是在1980年巴尔的摩的国际相对论天体物理会议，之后一直保持学术交往。我每次到京应邀到他的小组宣讲或交流，都会得到他多方面的支持和帮助。赵峥教授则是我60年代在中国科大的校友，他在科大求学时正值中科大黄金时期之一（60年代和80年代）。他先是受教于严济慈、钱临照等老一辈物理学家，而后追随刘辽先生学习广义相对论，后来又在布鲁塞尔自由大学获得博士学位，导师是诺贝尔奖获得者普里高津。刘辽、赵峥教授先后担任过中国引力与相对论天体物理学会理事长。

去年是中科大50周年校庆。上世纪60年代和80年代科大学子那种超功利地追求科学真理的精神非常值得怀念，也许这样的时代真的已经过去了。那些最宝贵的瞬间无论是对于曾经身临其境的我们，还是对于功利的世界都是可遇不可求的。