Page 289 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

彭罗斯的奇点定理是建立在广义相对论的基础之上的，而广义相对论是一个经典理论，
于是有人提出，如果同时考虑量子效应，是否可以避免奇点的出现呢？为此，霍金等人曾做
过一些初步的尝试。霍金在量子力学的框架下寻求一种无边界宇宙的模型，认为时空可以用
四维的球面来描述（只比爱因斯坦三维空间的球面模型多一维），在临近大爆炸奇点处，量
子引力的效应非常显著，时间变成虚的，从而和空间不可区分，宇宙成为既没有开初也没有
终结的四维球面，这样一来，在经典模型中的大爆炸奇点在量子宇宙学中就被抹平了。霍金
通过引进虚时间并采用巧妙的数学计算技巧，得出宇宙不会有奇点。另外，霍金还考虑了黑
洞表面附近的量子涨落，发现涨落产生的粒子对中的一个会逃逸到远处，形成黑洞辐射，这
种辐射的温度和黑洞的质量成反比，所以在辐射的晚期，黑洞质量变得非常小，温度也就变
得非常高，黑洞就在爆炸中结束。黑洞辐射机制把引力论、量子论和统计力学统一到一起，
这被认为是量子引力论的开端。
如此看来，把广义相对论和量子力学相结合，可能是化解奇点疑难的关键。根据经典广
义相对论，只要引力足够大，物质是可以被无限压缩的，最终可以全部被挤压到时空零点，
亦即奇点。但是，根据量子力学和物质绝对运动模型，电磁波样物质只能以量子或粒子的形
式存在，而宇宙中尺度最小、能量最大的量子是普朗克量子，绝对真空就是由绝对对称分布
的普朗克量子无限叠加形成的。在这样的时空框架下，密度无限大而空间-时间为零的奇点
是不可能存在的。也就是说，黑洞中央不存在奇点，而可能存在的是由有限个普朗克量子（粒
子）组成的体积很小的球状物质结构，这里可参照“奇点”的称呼，将这种由普朗克量子组
成的球状物质结构称为普朗克“奇球”，以下简称“奇球”。
众所周知，恒星从产生到最后演化为黑洞，都是引力收缩的结果。如图 14-5 所示，星
云收缩形成恒星，在恒星的主序星阶段，恒星中的核燃料（主要是氢）燃烧发出的光和热所
形成的辐射压力可以对抗引力收缩，从而使恒星结构保持稳定。当核燃料消耗殆尽，氢全部
变成氦，辐射消失，形成红巨星或产生超新星爆发，随后将会发生引力坍缩，引力坍缩的最
终产物取决于恒星的初始质量。如果恒星质量（M）小于 1.4 倍太阳质量（即 M <1.4Ms，
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Ms 代表太阳的质量，Ms ≈2×10 kg），恒星就会坍缩成白矮星，直到白矮星气体中重叠电子
的简并压力足够大而阻止引力收缩。如果恒星质量大于 1.4 倍太阳质量（1.4Ms 称为钱德拉
塞卡极限），引力将大于电子简并压力，可将电子推进原子核内，电子就会和质子结合成中
子，形成中子星。如果恒星质量大于 1.4 倍太阳质量但小于 3 倍太阳质量（即 1.4Ms <M<3Ms），
中子星内部的中子简并压力与引力达成平衡，可以阻止引力收缩。如果恒星质量大于 3 倍太
阳质量（即 M >3Ms），引力将大于中子简并压力，恒星将完全坍缩，形成黑洞，按照经典
广义相对论，恒星物质将会全部被挤压进黑洞中央的时空奇点。但是，按照量子力学和物质
绝对运动模型，物质不能被无限挤压为奇点，只可能被挤压成最小尺度的物质单元——普朗
克量子。这种普朗克量子不同于构成绝对真空的普朗克量子。后者为玻色子，不服从泡利不
相容原理，可以无限叠加。前者为费米子，服从泡利不相容原理，不可叠加，其体积不可压
缩。引力坍缩可将恒星物质全部挤压成为普朗克费米子，这些费米子在黑洞中央形成一个体
积很小的奇球，奇球内部的普朗克费米子的简并压力足够大，可以阻止进一步的引力收缩，
因此不会形成奇点。由此可见，所谓奇球，实际上是不可压缩的普朗克费米子的简并态。可
以把内部包含一个普朗克奇球的黑洞称为普兰克量子黑洞，或简称量子黑洞。而把内部包含
一个奇点的黑洞称为经典黑洞。实际存在的黑洞可能都是量子黑洞，经典黑洞只是广义相对
论方程在不考虑量子效应的情况下的一个解，实际并不存在。由此推测，广义相对论可能是
不完备的，需要对其进行量子力学改造。这里提出一个设想：可以考虑在广义相对论的基本
方程中引进某种量子化规则，譬如设定普朗克量子为最基础的物质基元，使引力坍缩在普朗
克量子简并态有一个截止点，从而使量子黑洞成为方程的一个解。

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