今天介紹的這本《黑洞戰(zhàn)爭》，不僅是一本科普書，也是一本回憶錄，記載了很多作者的個人經(jīng)歷，我們還可以把它當(dāng)作一本科學(xué)史相關(guān)的書來讀，了解在最近幾十年，理論物理學(xué)家們都做了哪些工作。
黑洞
“黑洞”到底是什么，人們是怎么發(fā)現(xiàn)它的。了解了這個我們才知道這本書主要在爭論什么。
黑洞是一種并不算稀少的天體，它吸收一切東西，而且是有去無回，就算是一顆恒星接近黑洞，也會被黑洞的引力給撕碎，吸收進(jìn)去。黑洞這個名詞的意義早就從天文學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到了我們的日常生活中了，我們習(xí)慣說某個東西，或者某個機(jī)構(gòu)，甚至說某個人就是一個黑洞，意思就是從天文學(xué)的黑洞演化而來的。實際上，黑洞，Black Hole，這個名詞出現(xiàn)的時間并不算太久，它是在1967年由美國著名的物理學(xué)家約翰·惠勒提出來的，但是實際上人類認(rèn)識到黑洞這種天體有可能存在，起碼是在理論上有存在的可能，已經(jīng)有兩個多世紀(jì)的時間了。
黑洞
我們說黑洞吸收一切物質(zhì)，這和引力作用有關(guān)，也和人類對于光的本質(zhì)的探索有關(guān)系。在18世紀(jì)晚期，當(dāng)時牛頓已經(jīng)去世半個世紀(jì)了，但是他所創(chuàng)建的牛頓力學(xué)體系仍然統(tǒng)治著整個物理學(xué)界，這個力學(xué)體系的核心就是萬有引力，質(zhì)量越大的物體，引力越大。那么有人就思考，會不會存在一種引力特別大，讓一切物質(zhì)都逃不掉的天體呢？不僅是這樣，在當(dāng)時的物理學(xué)界還有一場持續(xù)了很久的大辯論，探討光到底是粒子還是波。牛頓在生前就一直堅持認(rèn)為光是一種粒子，就是因為牛頓在科學(xué)界有著崇高的地位，所以在整個18世紀(jì)，光的“粒子說”一直占據(jù)上風(fēng)。那按這個說法，光既然是一種粒子，它就有可能會受到重力的影響。再結(jié)合萬有引力的理論，就會引發(fā)一些人的思考了，比如說當(dāng)時的法國物理學(xué)家皮埃爾·拉普拉斯和一位英格蘭的牧師幾乎不約而同地有了一個想法：會不會存在一種大質(zhì)量，大密度的恒星，它的引力太大，就連光都沒法逃脫呢？要是這樣的話，那這個恒星不就是全黑的，完全看不見了嗎？這就是人類對于黑洞這種天體最早的一種想象。
黑洞
什么樣的天體，才會讓光都逃不出去呢？比如說距離我們最近的恒星太陽，當(dāng)再過50億年，它的燃料都燒光了，就會坍縮成一個和地球差不多大小的白矮星，這時候它的引力就要比原來大多了，但還是不能限制住光從它的表面離開。但是再重一些，假如一顆恒星的質(zhì)量達(dá)到了太陽的五倍，當(dāng)它燃料耗盡開始坍縮的時候，它就會形成一個密度無窮大，有很強(qiáng)破壞性力量的點，我們稱為奇點，就連光都沒辦法逃出它的引力場。這樣的一種天體，我們以前叫它暗星，現(xiàn)在叫它黑洞。在宇宙中，很多黑洞都是由坍塌的恒星形成的，這就是我們這本書主要探討的對象。
黑洞
我們說連光都沒法逃出黑洞的引力場，但黑洞這種強(qiáng)大的引力也是有界限的。任何物質(zhì)，只要接近黑洞的奇點到了某一個距離之內(nèi)，那它就再也不能逃離了。如果我們拿這個距離當(dāng)半徑，就能以奇點為球心畫出一個球來，這個球面就叫做黑洞的視界。這個視界就把宇宙分成了兩個部分，在視界內(nèi)部的光線永遠(yuǎn)都沒法逃出來，因為越過這個界限的光線就相當(dāng)于被黑洞所吸收，再也出不來了，你也就不可能看到它了。比如說在我們銀河系的中心就有一個超大型黑洞，它的視界半徑達(dá)到了1000萬英里，這么一個巨大的黑洞依靠自己的引力把整個銀河系的物質(zhì)都維系在一起。
黑洞
就是因為黑洞有這樣的性質(zhì)，所以這本書里邊的三個主角，也因此引發(fā)了黑洞戰(zhàn)爭。其中最重要的原因就在于黑洞它是一個宏觀物體，同時它又具有很多量子特性。這句話是什么意思呢？目前現(xiàn)代物理學(xué)有兩大支柱理論，一個是廣義相對論，它主要描述的是宏觀的物體，時空和物質(zhì)之間的相互作用；另一個是量子理論，它描述的是微觀世界的運動規(guī)律。在平時的物理學(xué)研究里，這兩種理論互不干涉。但我們想要讓物理學(xué)繼續(xù)發(fā)展，就必須把這兩個理論結(jié)合在一起。想要讓它們?nèi)诤希捅仨氄业揭环N既是宏觀又是微觀的東西。聽起來挺矛盾的，而黑洞這種天體，恰好同時具有宏觀物體的形態(tài)和微觀量子理論的一些特性，可以說，兩種理論在這種天體上交匯了。
黑洞
在這種情況下，我們就看出研究黑洞的意義了。兩種理論在黑洞上都適用，那么我們理解了黑洞，就有可能可以找到一條融合兩種基本理論的方法。當(dāng)然了，目前我們只能在理論上進(jìn)行研究。
霍金在1981年對其他兩個人發(fā)起了進(jìn)攻，薩斯坎德形容說，這就像“一場奇襲”。霍金的觀點很明確，他認(rèn)為在這種情況下就應(yīng)該拋棄量子力學(xué)，因為它和廣義相對論有很多無法調(diào)和的矛盾，這就說明量子力學(xué)一定是有錯誤的。他為什么這么說呢？因為黑洞是一個宏觀物體，這屬于廣義相對論的研究范圍，物理學(xué)家利用廣義相對論計算，得出的結(jié)論是：它是一切物質(zhì)的終結(jié)。那也就是說，只要信息越過了黑洞的視界，就永遠(yuǎn)不會再返回了，會永遠(yuǎn)地消失。
黑洞
霍金曾經(jīng)在《時間簡史》這本書里提出過一個理論，說黑洞有一個特性叫做“霍金蒸發(fā)”，意思是說，黑洞不是只會吸收外界的物質(zhì)的，也會逐漸的向外輻射粒子，那既然有輻射，黑洞就會逐漸變小、消失，但即使整個黑洞都蒸發(fā)掉，它曾經(jīng)吸收的那些信息也找不回來了。但是，“信息永遠(yuǎn)消失了”這個結(jié)論，是和量子理論相違背的，因為量子力學(xué)里邊有一個最基本的定理叫做“信息不滅”。意思是說，從量子力學(xué)的角度來說，物理信息是永遠(yuǎn)都不會丟失的。因此霍金認(rèn)為，量子理論存在錯誤。
但是薩斯坎德這一邊是怎么看的呢？他們認(rèn)為，這場所謂的黑洞戰(zhàn)爭，也可以說是一場保衛(wèi)量子力學(xué)的戰(zhàn)爭，絕對不能否定量子力學(xué)。在這一點上他們就有了根本性的沖突。
黑洞
你看，廣義相對論和量子力學(xué)，在黑洞這里就形成了尖銳的對立?；艚鹣嘈判畔⒈缓诙从肋h(yuǎn)吃掉、消失了，而薩斯坎德和特霍夫特堅持認(rèn)為，信息不會消失，但是又不知道該怎么反擊。薩斯坎德和特霍夫特各提出了幾種可能的解釋方法，但是都不夠充分。結(jié)果黑洞戰(zhàn)爭的雙方誰也沒法說服誰，陷入了一種僵持狀態(tài)。用薩斯坎德的說法，就是“黑洞戰(zhàn)爭是一場持久戰(zhàn)”。
說了這么多，那這場爭論有什么意義呢？我們要知道，在科學(xué)研究中“解決”問題非常重要，但是“發(fā)現(xiàn)”問題，也同樣非常重要。薩斯坎德就從他們之間的爭論中發(fā)現(xiàn)，這個關(guān)于黑洞的悖論，是他們這一代物理學(xué)家面臨的最重要的問題。他說，這是一個能夠趕上普朗克、愛因斯坦、海森堡和過去其他物理英雄們成就的偉大機(jī)遇，因為他們發(fā)現(xiàn)了一個偉大的問題。就是說，如何解決物理學(xué)的兩大支柱理論，在黑洞上的矛盾。薩斯坎德相信，要解決這個問題，關(guān)鍵不是拋棄掉量子力學(xué)，而是要調(diào)和它和廣義相對論之間的矛盾。
黑洞
實際上，關(guān)于如何統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對論，早就有物理學(xué)家進(jìn)行這方面的嘗試了，想要把兩個理論結(jié)合成一個統(tǒng)一的“量子引力理論”，但是在這方面一直沒有什么進(jìn)步。就連著名的物理學(xué)家理查德·費曼對此都持悲觀態(tài)度，認(rèn)為實現(xiàn)兩種理論大統(tǒng)一的目標(biāo)離我們太遙遠(yuǎn)了，而且人們找不到研究的方向。
在這種情況下，黑洞戰(zhàn)爭揭示出來的悖論，一下子就讓兩種理論短兵相接了。但即便如此，人們對這個問題的研究還是沒有進(jìn)展，甚至物理學(xué)界對這個問題都不夠重視。讓這場黑洞戰(zhàn)爭從一開始，就陷入了僵持的持久戰(zhàn)。薩斯坎德統(tǒng)計了一下，雖然這場黑洞戰(zhàn)爭在1981年就開始了，但他發(fā)現(xiàn)在1981到1989年這八年之間，霍金沒有發(fā)表任何有關(guān)于黑洞的論文，而且所有的物理學(xué)期刊上，總共只有8篇論文討論了黑洞信息的丟失問題。其中有一篇是薩斯坎德自己寫的，另外七篇都是由和他站在同一條戰(zhàn)線上的特霍夫特寫的，除了這兩個人之外，物理學(xué)界沒有人在這個領(lǐng)域發(fā)表任何論文。這就表明，這個研究領(lǐng)域在這一段時間里完全被忽視了。但薩斯坎德認(rèn)為，這個問題會在之后逐漸吸引學(xué)術(shù)界的重視。
黑洞
面對這么一個有著重要意義的難題，薩斯坎德是怎么解決的呢？他利用了量子力學(xué)發(fā)展過程中一個非常重要的原理，叫做“互補原理”。互補原理最初是由丹麥的物理學(xué)大師尼爾斯·波爾提出來的。人類當(dāng)時已經(jīng)認(rèn)識到，物質(zhì)都有波動和粒子的兩面性，所以波爾就提出，一個物理學(xué)現(xiàn)象，只有在你觀測它的時候，它才成為一個現(xiàn)象，在你觀測它之前它是不存在的。比如說，你觀測一個粒子波動方面的性質(zhì)，它就呈現(xiàn)出波動性；觀測它粒子方面的性質(zhì)，它就呈現(xiàn)出粒子性——互補性原理給了薩斯坎德很大的啟發(fā)。
黑洞
他認(rèn)為自己終于有了可以戰(zhàn)勝霍金，取得這場黑洞戰(zhàn)爭的勝利了，所以他在書里把這個階段稱為是“反攻”。薩斯坎德的武器，就是把互補原理應(yīng)用到了黑洞信息丟失的悖論中，他得出了一個非常驚人的解釋。比如說有東西從外界掉進(jìn)了黑洞，如果有一個人在黑洞外面進(jìn)行觀察，他會發(fā)現(xiàn)，在黑洞的視界，就是我們剛剛說受黑洞引力影響的那個球體，它的周圍有一個熾熱的表層，因為它能量相當(dāng)?shù)母撸魏螙|西接觸到這個表層都會被吸收，然后逐漸蒸發(fā)，飛向外部空間，又會回到宇宙里。薩斯坎德比喻說，這就像是有東西掉進(jìn)了熱湯里，被熱湯蒸發(fā)掉了，那么這個東西的信息也就被蒸發(fā)物帶走了，并沒有消失。這個解釋聽上去還不奇怪，但是如果用上互補原理，就會有點不可思議了。這個意思是說，我們剛才說的是觀察者在黑洞外面，如果在黑洞內(nèi)部還有一個觀察者，這個觀察者看到的就是完全不同的現(xiàn)象，他會看到在黑洞的視界附近什么都沒有發(fā)生，那個東西就是直接落進(jìn)了黑洞里。
黑洞
你聽到這樣的解釋會不會覺得完全無法理解？為什么兩個觀察者會看到的會是完全不同的現(xiàn)象呢？薩斯坎德認(rèn)為，黑洞把宇宙分成了兩個區(qū)域，也就是黑洞的視界里和視界外，這兩個區(qū)域?qū)儆诓煌臅r空，有著完全不同的因果關(guān)系，所以可以出現(xiàn)兩種不同的結(jié)果。他認(rèn)為這個解釋盡管看上去荒謬，但是它必定是對的。就像是大偵探福爾摩斯曾經(jīng)說的：當(dāng)你排除了所有不可能性的時候，不論剩下的有多不合理，它一定就是真相。
黑洞
所謂取得最后勝利，就是要通過黑洞的互補性原理，和現(xiàn)有的一些物理學(xué)理論相結(jié)合，最終探索出一條路。這條路就是我們剛剛說的，要能把量子力學(xué)和廣義相對論融合起來，最終得到一個大統(tǒng)一理論。只有達(dá)到這樣的一個目的，才能稱得上最終贏得了黑洞戰(zhàn)爭。薩斯坎德提出了“黑洞互補原理”，但是現(xiàn)在還只是一個想法，缺少數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，還不是一個完整的理論。
黑洞
可以說人類到現(xiàn)在，在這方面和幾十年前相比研究進(jìn)展仍然不大，而且在這兩個理論的交匯處：黑洞，關(guān)于它的性質(zhì)人們至今仍然爭論不停，不斷產(chǎn)生出各種新的問題和悖論。
黑洞
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