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黑洞热力学与霍金黑洞辐射理论是伪学的铁证


长期以前,我一直认为奇异性黑洞热力学是一个完全错误的理论。在一个时空奇点上谈论热力学问题,就如中世纪经验哲学谈论一个针尖上能站几个天使跳舞,毫无意义。基于这种认识,对中科院理论物理研究所研究员蔡荣根因黑洞热力学研究获国家自然科学二等奖,并因此当选中国科学院院士问题,我们只是在总的大原则上提出异议。因为根本没有必要耗费心力,对这种明显是胡扯的东西做深入解剖。

去年11月,我和李子丰、黄新卫先生公开对蔡荣根竞选院士的资格进行质疑后,收到蔡荣根先生的一封电子邮件,内容如下:“梅晓春,你们这些人再如此不知自明,自以为是在网上诽谤我,我的容忍性是有限的。如果再如此,我将到法院去控告你们诽谤我!特此警告!”

蔡荣根先生把我们的学术质疑当成诽谤,显然言过其实。我们与蔡荣根先生并无私怨,这件事并不是只对他一个人的。任何人只要他因黑洞热力学研究获国家自然科学奖,并因此当选中国科学院院士,我们都会提出质疑,蔡荣根先生只是碰巧进入我们的射程罢了。

于是我就给蔡荣根先生写了封回信:“请去控告,我们欢迎你去控告。科学寻求真理,容不得有人以假乱真。”完全出于善意,第二天我又给蔡荣根先生发了封信:“广义相对论是一个彻头彻尾的伪科学,这个体系即将崩溃!因此我劝你还是退出院士圈,否则你的麻烦会没完没了,你会为这事身败名裂。这是我的善意忠告,希望你好自为之。”

我也深知,蔡荣根先生不会听我的劝告。面对他来势汹汹的警告,我觉得有必要从细节上考察黑洞热力学和霍金黑洞辐射理论,以应对未来可能的官司。考察的结果令人跌破眼镜,让人啼笑皆非。黑洞热力学理论之幼稚和错误之低级,霍金黑洞辐射理论之胡编乱造程度,大大超出了我的想象。以下仅简单说几点,它们都是一些常识性的错误,学过大学普通物理的人都能看懂,只不过以前没有人从反面仔细琢磨罢了。详细论证见附件,请国内物理学的同行们看看,是不是这么回事。

1.黑洞热力学温度违背卡诺热机的基本原则

黑洞热力学采用与理想卡诺热机类似的引力热机循环来定义黑洞温度。卡诺热机从高温热源吸热,在低温热源放热,吸热与放热不相等,二者之差等于热机系统对外做功。然而引力热机循环却是令高温热源的吸热等于在黑洞低温热源的放热,同时假设系统还对外做功。吸热等于放热,这算什么热机?这不但违背卡诺热机的基本原则,还破坏能量守恒原理。

2.霍金黑洞辐射与参考系的选择有关并不可观察

广义相对性认为,对于物理过程的描述,宇宙中所有的坐标系都是等价的,在什么坐标系描述取决于方便。然而霍金关于黑洞辐射的计算需要将施瓦西坐标系的度规和运动方程变换到乌龟坐标系计算。原因是在施瓦西坐标系的视界上无法将引力场中的量子力学运动方程简化成自由粒子运动方程,就无法导出霍金黑洞辐射公式,虽然施瓦西坐标系才是最简单和最直观的。

因此霍金黑洞辐射与参考系的选择有关,不符合广义相对论的逻辑。由于地球观察者只能在施瓦西坐标系上进行观察,无法在乌龟坐标系上进行观察,仅从这一点就可以认为霍金的黑洞辐射理论没有意义。

3.乌龟变换破坏空间点一一对应性,导致部分空间消失

计算表明,乌龟坐标变换导致部分空间重叠,会把施瓦西坐标系中的两个点变成乌龟坐标系的一个点,空间点的一一对应性被破坏。比如对于施瓦西坐标系黑洞中心的奇点与视界外的某点(离黑洞中心距离是视界的1.倍),在乌龟坐标系中都变成坐标原点。意味着在乌龟坐标系上,视界外的观察者会落入黑洞中心奇点,这显然是荒谬的。为了保证空间点的一一对应关系,又会导致乌龟坐标系中视界内所有的空间和视界外的部分空间消失。因此乌龟变换在现实中也是不可实现,所有在乌龟坐标系上计算的黑洞辐射理论都不可能是真的。

4.黑洞辐射的计算坐标混乱导致错误

霍金黑洞辐射理论存在严重的坐标混乱的问题,由于没有严格区分乌龟坐标系和施瓦西坐标系,运动方程中同时存在两个坐标系的坐标,导致完全错误的物理结果。在乌龟坐标系中,黑洞视界被变换到负无穷远,实际上不存在。将施引力场中的克莱因-高登方程变换到乌龟坐标系后,无法将黑洞引力势能消除。波函数无法写成自由粒子波函数的形式,也就无法得到黑洞的黑体辐射谱,无法证明存在霍金黑洞辐射。

5.霍金不是证明黑洞发射光子

最最奇怪的是事情是,霍金实际上从来没有证明黑洞能够辐射光子。黑洞最初的定义是光都不能透射出来的天体,有质量的粒子更不可能从黑洞中逃脱。然而霍金却用有质量的标量粒子运动方程来计算黑洞辐射,不用电磁场方程计算黑洞辐射光子。

写作本文时我们做了大量的文献检索,至今没有发现一篇称得上严格的学术论文,用霍金的乌龟坐标变换方法,证明黑洞能够辐射光子。原因在于电磁场方程是四维矢量方程,考虑引力场的影响后,四个分量方程中只有两个能被分离变量。即使在黑洞的视界上,也无法一致性地将运动方程简化成自由粒子运动方程的形式,就无法证明黑洞辐射光子。

这种结果很具有讽刺意义,它意味着黑洞无法辐射没有质量的光子,却能辐射有质量的微观粒子。然而霍金的工作给一般人的印象却是,按照量子力学,光子能从黑洞中逃脱。既然无法证明这一点,霍金先生与黑洞辐射研究者们为什么不明说呢?

因此我们的结论是:黑洞热力学违背卡诺循环的基本原则,认为从高温热源的吸热等于在黑洞低温热源的放热,是一个物理学低级错误的产物。霍金黑洞辐射理论纯属胡编乱造,数学物理错误一大堆,根本不可能成立。一个自诩是牛顿、爱因斯坦传人者,霍金先生盛名之下,其实难副!

因此我觉得蔡荣根先生不要急着与我们打官司,他首先要做到事情是,证明我们这篇对黑洞热力学和霍金黑洞辐射理论质疑的文章是错误的。只要他能做到这一点,我们自然会心悦诚服,知难而退,不必法庭上见了。蔡荣根先生也会因成功捍卫爱因斯坦理论体系免受民科的攻击而名声大振,当选院士就名实同归。又何必大费周折,去寻找法律援助呢?

如果蔡荣根先生不能证明我们这篇文章是错误的,他的麻烦就真的大了。我们将继续追问,蔡荣根先生的黑洞热力学研究是否具有科学性,将国家自然科学奖授予黑洞热力学研究是否正确,国家科学管理机构是否应当停止对黑洞热力学研究的资助。

为了科学与职业的尊严,蔡荣根先生有必要回答我们的质疑。但我相信蔡荣根先生一定怯战,因为早有先例。在果壳网和中科大副研究员张文卓侮辱民科事件中,清华大学物理系教授王青等人将民间学者质疑相对论的研究定义成伪科学。而我和李子丰、黄新卫先生则认为,爱因斯坦的狭义相对论性原理和弯曲时空引力理论才是真正的伪科学。为此我们三人向王青和蔡荣根等人发出论战书,提出三个爱因斯坦理论体系最基本、最核心问题,要他们对科学界和全体中国人民,把谁是谁非的问题说清楚。

然而奇怪的是,他们至今一直保持沉默。事实上,他们总是愿意找些弱小的、不能真正代表民间学者实力的人来调侃,通过电视台和媒体不客观的报道,贬低和打压非主流意识的科学研究。比如对提出引力波的郭英森先生,以及对提出“电荷不存在”的凡伟先生。然而对于来自民间真正的挑战,他们却总是避之不及,躲得远远的,从来不敢进行面对面的交锋。他们欺软怕硬,柿子找软的捏。对于这种关乎学术命运的真正的挑战,他们总是怯战。除了知错心虚之外,还能有其他解释吗?

自古战争有一条规则,对于挑战必须应战,否则就得投降。因此论战也应当确立一条规则,对于挑战必须应战,保持沉默就等于默认,等于认输。由于事关科学真理与谬误之争,涉及大是大非,绝非市井之斗。我们希望王青教授等人有勇气站出来,承担维护爱因斯坦体系正统地位的责任,证明民间学者的质疑是伪科学。如果他们不能证明这一点,不但自己做作伪科学,反而倒打一耙,压制别人的批评,试图阻止科学进步,那真是岂有此理了!

科学研究探索未知,允许犯错。重要的允许质疑,知错必改。如果知错不认,仍然继续坚持,那就是伪科学了。不能知错犯错,这是从事科学研究的底线,跨过这个底线就无异于欺骗。如果蔡荣根先生不能为黑洞热力学进行有效辩护,却仍然误导科学管理机构和青年学子,继续浪费国家资源,要将广义相对论和黑洞热力学进行到底,就别怪以后做伪科学的帽子会如影随行了。

第二次鸦片战争期间英军包围广州,两广总督叶名琛不战、不和、不走、不降。最后城破人亡,留下千古笑名。试问蔡荣根院士和王青教授等,你们不战、不和、不走、不降为哪般?难道也想留在科学史上留下千古笑名吗?

当然,如果蔡荣根先生能够公开承认黑洞热力学和广义相对论是错误的,知错能改,为物理学界做出表率,以实际行动为新物理学在中国的催生做出贡献,我们则是非常欢迎。但这需要心胸坦荡无私念,有一颗为追求科学真理的赤子之心。如果蔡荣根先生能够这样做,我等自将负荆请罪,与蔡荣根先生泯笑于江湖。

我相信这才是蔡荣根院士摆脱困境的唯一途径,这才是大格局者具有的气度。但我不看好这种结局,不相信蔡荣根先生有这种大智慧。

论文见下附:

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