霍金辐射和盎鲁效应之间的深刻内涵，值得物理人深究
国学大观2020-12-26 17:24
导读：霍金辐射和盎鲁效应之间的深刻内容，值得物理人深究。
惯性还有一个不为大众所熟知的效应，就是盎鲁效应，也叫安鲁效应，你听过吗？该效应说明，惯性真的不应该视为“简单”的属性。我将用通俗的语言，来为你解答为什么会有盎鲁效应出现。
安鲁效应认为：一名加速运动的观察者可以观测到惯性观察者无法看到的黑体辐射，即加速运动的观察者会发现自己处在一个温暖的宇宙背景中。用通俗讲法来说，一名等加速度观察者携带的温度计，排除掉其他可能的温度来源贡献后，仍可测到一个不为零的温度。
安鲁效应首先由如下人士提出：史蒂芬·傅苓（1973年）、保罗·戴维斯（1975年）以及1976年在英属哥伦比亚大学的威廉·安鲁。所以有时候也称为傅苓-戴维斯-安鲁效应。
这个效应说得再通俗点，就是一个人如果是静止的那么他在真空中就感到寒冷，而一个人如果是处于加速运动状态中，他就感觉真空是温热的。【这是思想实验，因为没有人能在真空中去做这个实验】。这也是很多怀疑该理论的人着重批评的一个点，也就是说他们认为你无法测量该效应。因为该效应极其微弱，难以直接测量。要观测真空加热到1开尔文，观察者的加速度必须达到最好火箭加速度的1017倍，所以是极其困难的，甚至不可能。但巴西圣保罗大学理论家Daniel Vanzella和同事认为，有可能通过研究电子辐射的光线检测到最关键的物质——加速观察者观测到的光子雾。
我们来看看他们设计的实验：假设你射出一束横向穿越磁场的电子。基础物理学表明电子会在场中绕圈。此时，施加一个垂直的电场给予电子向上的作用力。在转圈的同时，这一束电子也会加速上升。这就定义了两个参考坐标系。在加速上升坐标系中，电子在转圈。在非加速的实验室坐标系中，电子束的轨迹则是拉伸的螺旋形。
Vanzella和同事开始分析加速坐标系，其中假设绕圈的电子遇到光子雾。电子既吸收光子也会向雾中辐射光子。奇怪的是，无论加速坐标系中电子吸收还是释放光子，在实验室坐标系中电子都是辐射光子。研究人员在近日发表在《物理评论快报》的论文中提到，能使用相对论预测实验室坐标系中辐射光子的光谱。
Vanzella表示，他们计算出在实验室坐标系中，释放光子的光谱应该指示出有额外的长波，但前提是加速坐标系中一开始就有光子雾。粗略来讲，加速坐标系中的光子雾加热了电子，使其在实验室坐标系中释放了更多光子。因此，该实验提供了一种测试盎鲁效应存在与否的方式：观察实验室坐标系中额外的长波光子，就能知道加速坐标系空间充满了光子。
怀疑者称这个实验不会成功，但理由不同。德国哥廷根大学理论家Detlev Buchholz表示，如果能正确分析这种情形，加速坐标系中根本不会有光子雾，“盎鲁效应根本不存在”他说。不过，Buchholz还称，真空相对加速观察者的确会变热，但却是因为量子不确定性和加速之间的相互作用引起的摩擦力。因此，这一实验可能会显示期望的结果，但不会揭示加速坐标系中假想的光子雾。
相反，美国路易斯安那州立大学理论家Robert O’Connell却坚称，在加速坐标系中存在光子雾。不过，他认为不可能从雾中抽取能量，产生实验室坐标系中的额外辐射。O’Connell引用了一点基础物理知识——涨落耗散定理，该定理是指与热环境相互作用的粒子从环境中吸取多少能量，就会相应地释放多少能量。因此，他认为，盎鲁的光子雾的确存在，但该实验无论怎么都不会产生期望的信号。【实验内容来源科学网】
上面的实验看着很复杂，其实很好总结，相信该效应存在的人，设计了一个“加速”系统，如果看到了光子雾，那么就会认为该效应存在。而反对的人，认为即使出现了光子雾，也可能是摩擦作用产生的，和“加速”没有关系。还有一种观点认为光子雾存在，但不会观测到实验期望的数值。
如果你来回答，你会怎么解释？思考半小时再往下看。你得从这几个点去回答。
第一点：前面的章节，我们提到过真空不空，列了好几条真空不空的支撑点。既然真空不空，那么真空与加速物体的摩擦效应就不能被忽视。而且你肯定知道，时空是可以弯曲的，这说明时空无论是真空还是不真空，它都是有“硬度”的，不是你脑海中以为的软乎乎的那样。所以物体在时空中加速运动，或者匀速运动，都是紧紧贴着时空的，懂了吗？所以摩擦作用肯定不能排除。
第二点：温度是一个什么概念，你一定要清楚。温度是一个有统计学意义的概念，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度表现。可以把它朝着“熵”的方向去理解，因为熵也是具有统计学意义的一个概念。从熵增角度理解，一个处于“加速”运动的物体，所表现出来是逆熵；而一个处于静止或者匀速运动的物体是会慢慢走向熵寂，即走向寒冷。所以“加速”运动的物体一定是在“加热”系统。
第三点：从运动的角度讲，静止状态和匀速运动状态都是相对的，而加速运动，是绝对运动状态。只有它是绝对运动的情况下，等效原理才是靠谱的。这点无比重要，你要细心体会。
等效原理：等效原理是广义相对论的第一个基本原理，其基本含义是指重力场与以适当加速度运动的参考系是等价的。
所以到这里，你如果物理嗅觉敏感的话，就能发现，加速度得和引力联系起来，而加速度又和惯性有关。同时我们已经知道了，惯性质量严格相等于引力质量，这就是很有意思了。爱因斯坦就是思考了这个有意思的点，才打通了广义相对论的“任督二脉”。上面为什么说等效原理是广义相对论的第一个基本原理？你理解了吗？是因为另一个广义相对性原理，就是根据等效原理来的。这个顺序是绝对不能倒过来的！你再读读：爱因斯坦在深入分析引力质量同惯性质量等价的基础上，提出引力场与加速度场局域等效的概念；将狭义相对论中惯性运动的相对性推广到加速运动，得到广义相对性原理。把握相对中的“绝对”是什么？立刻回答！是“加速度运动”！
而给我的启示是什么呢？引力和惯性是什么关系？读了前面的章节，大家都知道答案了：引力是惯性的源泉。也就是说惯性是由于引力才产生的。相对论这部分知识，后面还会陆续科普，现在我们继续回到盎鲁效应这里来。
上面的实验的一个细节说：“Vanzella表示，他们计算出在实验室坐标系中，释放光子的光谱应该指示出有额外的长波，但前提是加速坐标系中一开始就有光子雾。”
这个不难理解，我刚才说静止和匀速运动是相对的，加速运动是绝对的。事实上在现实宇宙环境中静止和匀速运动，以及惯性系是不存在的，我们通常说的惯性系，也只能是近似惯性系。绝对的惯性系，只能存在于我们的大脑中，而在现实中不存在。所以绝对“加速度”运动是绝对存在的，这样在加速坐标系中一开始就有“光子雾”就是非常合理的，没有才是不正常的！
还有人认为盎鲁效应和霍金辐射紧密相连。霍金辐射是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出来的热辐射。通俗讲是这样的：根据海森堡测不准原理，在真空中会瞬间凭空且自然地产生许多粒子-反粒子（虚粒子）对，并且在极短的时间内成对湮灭，在宏观上没有质量产生。
雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇、雅各布·贝肯斯坦和史蒂芬·霍金等物理学者将量子力学和广义相对论结合起来，结果显示视界的温度并非是零，而且还会发光，虽然极其微弱。这种光就是所谓的“霍金辐射”；当成双成对的粒子——如电子和正电子，或一对光子——在强烈的引力场中被制造出来时，其中一个粒子会坠入黑洞，另一个会逃离，从而产生这种辐射。
如果一个粒子对在黑洞附近形成，由于黑洞的引力场很强，导致配对诞生的正反粒子被扯开，有可能有一个跌入事件视界，而另一个没有，从而被黑洞的引力提升成实粒子。但这样就违反了能量守恒定律，所以另一个粒子的质量一定是从黑洞本身的质量而来——这就是黑洞释放辐射的一个简化解释。
而把盎鲁效应和霍金辐射联系起来，是因为有人把盎鲁效应也叫盎鲁辐射，这回你懂了吧。
甚至认为霍金辐射与盎鲁辐射其实是同一种效应在不同条件和不同坐标选择下产生的不同结果(应用等效原理）。并且贴出了盎鲁辐射热平衡时的温度为
， 对比一下一个史瓦西黑洞的温度
,两个公式都出现了玻尔兹曼常数和普朗克常数，在真空中加速中出现了加速度a，在引力场中则代以黑洞质量和牛顿引力常数，利用等效原理，加速度和在引力场中是一样的。因此如果盎鲁效应被证实，也等同于霍金辐射被证实。你赞同这个观点吗？
显然它们是有联系的，从真空，从测不准原理以及熵增方向都可以看到这一点。但很明显，盎鲁效应存在是合理，也是比较好证明的，难度大概和测量引力波类似；而霍金辐射，根据霍金辐射的描述可以理解为一种自相互作用，所以要检测到难上加难，难度系数和寻找引力子类似。
而且芝加哥大学研究人员做了一个物质场的实验观察，该物质场的热波动与盎鲁辐射预测一致，其研究发现发表在《自然物理》上，为探索弯曲时空中量子系统的动力学开辟了新可能性。开展这项研究的研究人员之一Cheng Chin：我们一直在研究一种叫做玻色烟火的新量子现象，这是我们两年前发现的，与一种叫做盎鲁辐射的引力现象之间隐藏的联系。在实验中，Chin和同事们准备了6万个铯原子，并将它们冷却，然后开始对磁场进行调制。在调制后几毫秒，观察到原子在各个方向的热发射。为了确定原子的热分布，研究人员收集了大量的样品，结果表明原子数的波动与热玻尔兹曼分布密切相关，从这些图像中提取的温度非常符合盎鲁的预测。除了热分布，他们还观察了物质波发射的时空相干性。相干性是量子力学的重要特征，揭示了盎鲁辐射起源于量子力学。从本质上说，Chin和同事使用非惯性框架下的量子物理模拟框架观察了物质波场。观察到这种物质波的波动，以及长程相位相干性和它的时间相干性与盎鲁预测一致。这意味着描述引力的广义相对论和量子力学在这里是“一致”的。
我给大家再举一个通俗的例子，说一个人被催眠了，催眠师暗示他此刻左手的温度很烫，烫得像开水，结果去测量左手温度明显高于右手，你知道是为什么吗？我们今天不讨论这个问题的为什么，我们知道如果真的左手温度变高了，那么一定是身体机能调动“能量”给到了左手，这是显而易见的。同理，如果一个加速的物体表现出盎鲁效应，那它一定是从时空中“借”到了能量。同样霍金辐射也是，黑洞吞噬能量，再以另一种辐射形式发散出去，所以从大的哲学层面讲，这种情况是统一的，那就是逆熵总是伴随着熵增。
大家看到了“辐射”，要想到量子力学，而盎鲁效应和引力能联系上，所以其实引力量子化，就是时空量子化。只有这样的体系，才能最终和量子力学融洽。
总结：盎鲁效应存在，盎鲁效应的“温热”能量来自于时空本身。准确的说是物体与时空的相互作用——“引力盎鲁效应”。【这个词是我临时想的，因为找不一个现有的词汇。】为什么叫引力引力盎鲁效应？很明显，时空和这个引力盎鲁效应有关系，而引力的本源是时空！引力又是惯性的本源，所以叫引力盎鲁效应。提示大家，去从时空高度去看问题，理解物理效应。要深深地知道空间，时间，物质是一体的。
兴趣阅读：你就是下一个居里夫人！分享居里夫人的三句话。
她说过：“我们生活似乎都不容易，但是那有什么关系？我们应该有恒心，尤其是要有自信心！”
她也说过：“生活中没有什么可怕的东西，只有需要理解的东西。”
她更说过：“荣誉就像玩具，只能玩玩而已，绝不能永远守着它，否则就将一事无成。”
独立学者，科普作家灵遁者科普书籍《变化》。最新补增收录。
举报/反馈
0
0
收藏
分享
