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黑洞战争  

2016-12-31 00:21:13|  分类: 格致 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       读《黑洞战争》。这是一部回忆录,作者是美国斯坦福大学教授伦纳德·萨斯坎德。他是当代最后一名费曼式的物理学家,他参与了一场旷日持久的战争,一场对黑洞本质的辩论大战。这场大论战扭转了物理学家对世界本质的认识,引发了一场全新的革命,极大地推动了物理学的发展。参加论战的一方主要是萨斯坎德本人和1999年诺贝尔物理学奖获得者、荷兰国宝级物理学家赫拉德·特霍夫特;另一方则是公众心目中最熟悉的物理学家斯蒂芬·霍金。
  两百多年前,拉普拉斯提出了一个类似于黑洞的概念;1917年,卡尔·史瓦西构造出了黑洞的数结构;1939年,奥本海默等人提出了物理学上严格意义的黑洞概念;但直到1965年,著名物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”这个通俗易懂的名词以后,它的特性才为公众所熟知,并迅速引起人们的极大关注。
  关于黑洞的特性,我们谁都能说上几句,比如,物体一旦进入黑洞视界,就永远不能再逃出黑洞的魔爪;黑洞中心有奇点,任何物质进入黑洞后都会被撕裂;黑洞周围的时空会发生极大的错乱,掉进黑洞的物体,从外界来看似乎永远在往下掉,这个过程一直持续到无穷远的未来;等等。
  如此神奇的一个物理学对象,物理学家当然会趋之若鹜。但研究越是深入,物理学家对黑洞本质的争议也就越大。在黑洞研究史上,曾经有过四次赌局,霍金参与了其中三次赌局。第一次是钱德拉塞卡与索恩为旋转黑洞的稳定性问题而打赌,索恩赢;第二次是1975年索恩与霍金为天鹅座X-1是否包含黑洞打赌,霍金输;第三次是1991年霍金与索恩、约翰·普雷斯基尔为黑洞的奇点是否存在而打赌,霍金输;第四次1997年霍金再次与索恩和普雷斯基尔打赌,物质掉入黑洞后信息是否会丢失。《黑洞战争》一书所描述的,正是这第四次赌局。
  所谓“黑洞信息丢失”,意指任何物质进入黑洞视界后都是有去无回,原本饱含信息的物质,一旦掉入黑洞,其信息将丢失殆尽。“黑洞信息丢失”理论认为,黑洞只会放出几乎不含信息的热辐射,黑洞辐射到了最后,将彻底变成热,形成黑洞的那些物质所带进去的信息将会从宇宙中彻底消失。一直以来,量子物理学家对霍金辐射抱有保留意见,因为霍金的观点破坏了他们所珍视的轻、重子数守恒等重要的守恒定律。“黑洞信息丢失”理论直接违反了量子力学的基本原理。如果黑洞真的导致信息丢失,那么量子力学这座宏伟的理论大厦就要坍塌。量子力学和广义相对论是现代物理的两大基础,这两个理论都极为成功,获得了众多实验的精确验证。不过,这两个理论似乎水火不相容,一直以来,人们试图融合这两个看起来毫不相干的理论,但总是以失败告终。黑洞信息丢失问题只是广义相对论与量子理论相冲突的又一个典型例子。因此,虽然这次打赌的人只有霍金、索恩和普雷斯基尔这三位广义相对论学家,但由于这次论战涉及到两大基本原理的本质冲突,整个物理学界都极为关注。一般来说,广义相对论界是支持霍金的,而量子界则普遍怀疑霍金的观点。
  问题解决的关键在于特霍夫特和萨斯坎德所提出的一个全新的物理学原理:全息原理。这个原理认为,世界上每一比特的信息都存储在这个宇宙的边界上。边界就像全息图一样记载了全空间的所有信息,包括所有的物质组成,所有的相互作用。最重要的是,物质落入黑洞的过程完全可以用边界上的量子理论来描述,所有过程都是既不违反量子力学,也不违反引力理论。
  全息原理是物理学最近五十年中最具革命性、最重要的物理思想,其地位相当于量子论的测不准原理、相对论的相对性原理和光速不变原理或等效原理,是物理学的公理性原理。萨斯坎德在这本书中详尽地介绍了他和特霍夫特如何从黑洞熵等工作中猜出全息原理,如何将全息原理应用到黑洞中,如何和其他超弦学家合作构造出一些具体黑洞的熵,弦理论如何结合全息原理获得巨大发展,等等。
  萨斯坎德在他的这本书中还介绍了他所钟爱的黑洞互补原理。物体进入黑洞时,存在两类观测者,在黑洞外部的观测者和伴随物质掉入黑洞的观测者。在外部观测者看来,信息被极热的量子视界面上加热并蒸发出来,整个过程是量子力学式的,信息未被丢失,而是被“反射”出了黑洞;而从伴随观测者看来,信息随着物体下落,没有任何特殊事件发生。这两种观测者是互补的,但两种参考者不可能同时存在,就像量子力学中不能同时精确测量动量和位置一样。
  萨斯坎德非常喜爱黑洞互补原理,其实如果用最新的观点来看,“黑洞信息丢失”理论可以更简洁地解释为:在全息原理中,空间中的黑洞可以用边界上的非零温量子场论来描述,表面上看物质的信息被黑洞视界遮住了,看不见了;可是在边界上对应的信息仍然存在,信息并未丢失。
  黑洞熵的计算是极大的成功,很多对弦论抱有怀疑态度的物理学家因为这个工作转而支持弦论。而这一切,都离不开全息原理,离不开萨斯坎德、特霍夫特与霍金长达三十年的学术争论。萨斯坎德认为,就科学而言,他与霍金的关系,可谓势不两立。在有关黑洞、信息及所有类似事物的深层次问题上,他们之间有着深刻的分歧。全息原理的这一成功,使得物理学界对“黑洞信息丢失”理论的看法得到扭转。
  2004年7月21日,第17界广义相对论和引力国际会议在爱尔兰首都都柏林市举行。霍金宣布,黑洞的演化是符合因果律的,并没有发生信息丢失。霍金输掉了这场赌赛,并送给普雷斯基尔一套板球百科全书。有趣的是,虽然第四场赌局的获胜者是索恩和普雷斯基尔,但是索恩并不同意霍金单方面宣布失败的意见,认为这件事情不应该霍金一个人说了算;而普雷斯基尔则直接表示没有听懂霍金的报告,搞不清为什么自己突然赢了。虽然2004年霍金宣布赌局失败时所采用的证明没有使用全息原理,而是采用传统的量子场论方法,但全息原理的应用已经超出了弦理论的范围,而且在越来越广阔的领域发挥着越来越重要的作用,比如量子色动力学、夸克胶子等离子体物理。


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