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獨(dú)立思考是突破顏值文化的唯一出路 古哥古點(diǎn) 2015年11月30日 黑洞不是黑的（下） 《幺正特性和霍金輻射》 量子力學(xué)和廣義相對論這兩個(gè)分別從極小尺度和極大尺度發(fā)展而來的且都已被實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證為正確的理論，彼此之間卻有著諸多的沖突，黑洞信息悖論就是其中最具體，也是最形象的一個(gè)表現(xiàn)形式。堅(jiān)持廣義相對論的學(xué)者，比如著名的霍金，認(rèn)為宇宙間的光速上限已經(jīng)徹底堵死了黑洞之內(nèi)任何信息出逃的可能機(jī)制，而信奉量子力學(xué)的人則對于黑洞將會(huì)破壞最基本的信息守恒性表示難以接受。兩方都堅(jiān)持自己理論中的金科玉律，矛盾因此產(chǎn)生。 實(shí)際上，在黑洞信息悖論產(chǎn)生的過程中，這兩種理論已經(jīng)摻和在一起了。大家可能會(huì)想到一個(gè)問題，如果廣義相對論堅(jiān)持光速為宇宙速度上限的話，那么在黑洞中先別說信息就連物質(zhì)也應(yīng)該無法逃脫才是，但是霍金根據(jù)彎曲時(shí)空的量子場理論所構(gòu)造的霍金輻射機(jī)制卻告訴人們黑洞不是有進(jìn)無出的萬物終結(jié)者，它反過來是可以持續(xù)向外輻射粒子的，從而把自己的質(zhì)量慢慢蒸發(fā)掉。這種看似違背了光速壁壘的機(jī)理正是通過引入量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榱孔硬▌?dòng)性最拿手的本領(lǐng)就是隧穿，也就是在小尺度下使低能量的粒子反直覺的掙脫高能量的陷阱。如果覺得對于這一現(xiàn)象缺乏直觀理解的話，可以把它類比為地球大氣層的散逸過程。從理論上來說，靜態(tài)的氣體分子會(huì)被鎖定在地球特定的引力半徑內(nèi)，然而在大氣層的最邊緣處不可避免的擾動(dòng)會(huì)使邊緣分子有機(jī)會(huì)越出引力邊界。霍金輻射也是類似，只不過其邊界是黑洞的視界，其擾動(dòng)是量子擾動(dòng)而非普通能量帶來的熱擾動(dòng)。霍金輻射很重要，以前曾經(jīng)有人擔(dān)心在歐洲建設(shè)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)上有可能因高能而產(chǎn)生出微型黑洞進(jìn)而吞噬掉地球，實(shí)際上這是多慮了。LHC的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)夠不上所謂普朗克加速器的級別，而且就算產(chǎn)生了微型黑洞，因?yàn)槌叽鐦O小，，它也會(huì)很快的被霍金輻射蒸發(fā)掉。盡管霍金輻射尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)（這也是霍金沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)的原因），但是它已經(jīng)成為一種被廣泛接受的黑洞研究中的標(biāo)準(zhǔn)理論?？梢哉f，量子化徹底改變了黑洞中物質(zhì)的命運(yùn)，但是對于信息又將如何呢？看起來，即使霍金輻射是正確的，這種黑洞所擁有的唯一的輸出機(jī)制，其隨機(jī)波動(dòng)釋放出來的粒子里大概也不會(huì)藏有任何信息，所以進(jìn)入黑洞中的物質(zhì)所攜帶的原始信息應(yīng)該是永遠(yuǎn)的消失了；但另一方面，如果輸入黑洞的信息真的被摧毀了，那么這些信息含有的熵就會(huì)使整個(gè)黑洞的總熵值不斷增長，而熵對應(yīng)著溫度，這意味著黑洞的溫度將不可思議的快速升高，這和實(shí)際的情況明顯不同。所以問題是，信息究竟去哪了？ 擺在面前的看起來只有四種可能： 1，信息真的丟失了，需要另外想辦法解釋溫度升高的問題。 2，信息沒有丟失，它隱藏在黑洞內(nèi)部一個(gè)神秘的內(nèi)核當(dāng)中，黑洞蒸發(fā)到最后不會(huì)把其物質(zhì)全部釋放，而是會(huì)留下一個(gè)普朗克尺度大小的殘余物，其中包含全部的信息，實(shí)際上這是一個(gè)熵奇點(diǎn)。 3，信息沒有丟失，它通過神秘的通道已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到了另一個(gè)與我們分離的嬰兒宇宙當(dāng)中。這有些詭辯的色彩，因?yàn)榧幢闼钦娴模珜τ谖覀冞@個(gè)宇宙來說，信息還是不可逆轉(zhuǎn)的失去了。 4，信息沒有丟失，也沒有被隱藏或轉(zhuǎn)移，而是不可思議的就被編碼在了那唯一輸出的看似沒有規(guī)則的霍金輻射當(dāng)中。 黑洞中的霍金輻射 實(shí)際上，這四種可能恰好也就是黑洞信息悖論出現(xiàn)時(shí)，物理學(xué)界提出的解決方案的分類。 第一種觀點(diǎn)最省事也最直接，放棄信息守恒，這就是霍金等人的看法，反正黑洞內(nèi)部是個(gè)奇點(diǎn)，反常的現(xiàn)象多了去了，再打破個(gè)信息守恒也沒什么。 第二、三種觀點(diǎn)實(shí)際上是一類，都主張信息還在只是沒有離開黑洞，不過他們解決矛盾的具體途徑看起來都有些異想天開，要么引入了一個(gè)熵的奇點(diǎn)，要么依托于更難以想象的異次元空間； 第四種觀點(diǎn)類似于福爾摩斯的看法，在排除了所有其他可能性后，剩下的情形不管多么的不可思議那就應(yīng)該是真相。實(shí)際上持有這類觀點(diǎn)的人往往都是務(wù)實(shí)的量子理論專家，他們不愿意違背量子意義下的微觀可逆性，同時(shí)也不想依靠平行世界來解決問題。這里面的代表人物就是胡夫特和薩斯坎德。 嬰兒宇宙的創(chuàng)造和信息隱藏 80年代，薩斯坎德曾經(jīng)促狹的做了一次面向頂尖物理學(xué)家的民意測驗(yàn)，當(dāng)時(shí)他正在德克薩斯大學(xué)參加一次研討會(huì)，包括斯蒂芬·溫伯格（StevenWeinberg）、威利·菲施勒（Willy Fischler）等在內(nèi)的一批物理大牛全都與會(huì)。期間薩斯坎德詢問這些科學(xué)家對于黑洞信息悖論的看法，即如果對上述的幾個(gè)解決方案進(jìn)行投票的話，他們愿意選擇哪一項(xiàng)。結(jié)果除了溫伯格棄權(quán)外，其他的人里面，相信信息已經(jīng)永久丟失的與相信信息仍然被某種機(jī)制保存下來的比例大約是3:1，也就是說這個(gè)時(shí)期霍金的陣營牢牢占據(jù)著主動(dòng)權(quán)。也難怪，從那些垃圾一樣的霍金輻射廢料中想發(fā)現(xiàn)隱藏信息的線索是在太不可思議了。 不過胡夫特和薩斯坎德是少數(shù)堅(jiān)持下來的頑固者。這與其說是什么個(gè)人品質(zhì)，不如更加客觀的說是多年的粒子物理研究素養(yǎng)讓他們對于量子力學(xué)中的可逆性的膜拜已經(jīng)變成深入骨髓的信仰，而這點(diǎn)自然是廣義相對論專業(yè)出身的霍金所不能體會(huì)的。薩斯坎德管這叫做“大粒子沙文主義”，相應(yīng)的，霍金等人應(yīng)該就是“大相對論主義”。 不管是什么主義，有一點(diǎn)是共同的，就是黑洞信息悖論因?yàn)樗婕暗某叨群湍芰康年P(guān)系，基本已經(jīng)脫離了實(shí)證范圍，研究者完全是高來高去，玩的都是數(shù)學(xué)。從某種程度上來說，在這個(gè)領(lǐng)域檢驗(yàn)各種理論是否正確的標(biāo)準(zhǔn)是邏輯而非實(shí)驗(yàn)。有人說，這怎么可以？科學(xué)不是實(shí)證化的認(rèn)知體系嗎，靠邏輯檢驗(yàn)怎么能行？的確如此，但是請注意，邏輯的自洽性雖然不能證明，但是可以證偽。數(shù)學(xué)上都會(huì)出矛盾的理論不用實(shí)驗(yàn)就是錯(cuò)的。所以，胡夫特他們做的工作的本質(zhì)上來說不是在證明自己的正確，而是在證明霍金的錯(cuò)誤。 斯蒂芬·溫伯格 現(xiàn)在還回到剛才提出的關(guān)鍵問題，如果持有第四種觀點(diǎn)，也就是相信信息的守恒，而且相信信息沒有被神秘的隱藏或者轉(zhuǎn)移到別的宇宙中，那么它們到底是通過什么辦法逃脫黑洞的呢？ 一種簡單的想法是這樣的。在黑洞的外側(cè)有一條邊界線，它是一條像地球上的經(jīng)緯線一樣只存在于現(xiàn)象中而非存在于實(shí)際中的線。物體一旦穿過這條邊界后，就再也無法掙脫黑洞的引力，有點(diǎn)像漩渦的邊緣，一旦滑入就會(huì)直墜中心。這條邊界叫做黑洞的視界，因?yàn)橐暯缇€以內(nèi)連光線都出不來，全部是黑的，就好像黑洞的可見邊界。假設(shè)有一種粒子復(fù)印機(jī)，它可以將每一個(gè)輸入的粒子準(zhǔn)確無誤的復(fù)印成兩個(gè)一模一樣的輸出粒子，也就是說經(jīng)過復(fù)印的粒子會(huì)再產(chǎn)生出一個(gè)完全相同的備份來?，F(xiàn)在在黑洞視界的外側(cè)密密麻麻的擺滿成千上萬臺(tái)粒子復(fù)印機(jī)，如此一來，任何墜向黑洞的物體的粒子都將通過其中的一臺(tái)復(fù)印機(jī)，并產(chǎn)生出一個(gè)相同的復(fù)制品來。此后，我們只要把復(fù)制品重新反射到黑洞之外，同時(shí)允許原件不受阻礙的繼續(xù)滑向黑洞，就可以做到既不違背廣義相對論的定律，同時(shí)又保證原始信息沒有陷入黑洞而使量子理論免受挑戰(zhàn)。 把黑洞的視界看做一臺(tái)粒子復(fù)印機(jī)，這聽起來是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的點(diǎn)子，但可惜的是它是不可能的。因?yàn)槿绻钪嬷姓娴挠羞@樣的粒子復(fù)印機(jī)存在的話，量子測不準(zhǔn)原理便會(huì)失效。當(dāng)人們想同時(shí)準(zhǔn)確的測量一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量時(shí)，只要先克隆出一個(gè)同樣的粒子，然而對這一對兒粒子，一個(gè)測量位置，一個(gè)測量動(dòng)量即可。這顯然違背了量子力學(xué)所要求的最小不確定性，所以不是正確的解答。 黑洞視界 那么正確的黑洞信息悖論解決方案是什么呢？嚴(yán)格的說，沒有所謂正確的答案。因?yàn)閯偛乓呀?jīng)說過，這里所有人在討論時(shí)，運(yùn)用的工具都是各種類型的思想實(shí)驗(yàn)，而非真實(shí)實(shí)驗(yàn)。思想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果只可以作為手段，卻不可以成為理論的基礎(chǔ)。當(dāng)然，作為證偽的方式，思想實(shí)驗(yàn)是有用處的。所以截止到目前，所謂的合理答案，只是還沒有被發(fā)現(xiàn)邏輯缺陷的數(shù)學(xué)上構(gòu)造出來的可能性而已，也因此這樣的合理答案實(shí)際上不止一種。我們在這里要介紹的是在這個(gè)悖論問題上最后改變了物理學(xué)界普遍支持霍金的這一態(tài)度的一種理論模型，即胡夫特和薩斯坎德發(fā)展出來的全息理論。它本身不一定正確，但他至少說明霍金錯(cuò)了。 這得從一個(gè)故事說起。遙遠(yuǎn)的星球上有一位專制的統(tǒng)治者X總統(tǒng)和一位性格耿直而敢于犯上直言的Y科學(xué)家。科學(xué)家總是給總統(tǒng)提出各種意見，招來了獨(dú)裁者的嫉恨，最后他決定要把Y一家徹底消滅掉?？偨y(tǒng)身邊的壞人們出盡了各種主意，X總統(tǒng)仍覺得這些手段不夠狠，直到有一位書記官說可以把Y一家送到黑洞里，總統(tǒng)才喜笑顏開。他覺得這種方式才算給力。消息傳到科學(xué)家耳朵里，家里的人哭成一片，只有科學(xué)家冷靜的向X總統(tǒng)提出了最后一個(gè)要求，說如果要讓我進(jìn)入黑洞，請選擇把我們送到一個(gè)大質(zhì)量的黑洞里?？偨y(tǒng)一聽，更高興了，他認(rèn)為黑洞越大引力就越強(qiáng)，就會(huì)把科學(xué)家撕的越加粉碎，所以毫不猶豫的答應(yīng)了這個(gè)條件。行刑的日子很快到了，科學(xué)家和他的家屬們乘坐一條大型飛船開赴事先選定的巨型黑洞，總統(tǒng)和他的佞臣們則通過大型望遠(yuǎn)鏡觀看這一過程。當(dāng)看到飛船緩緩的接近黑洞視界，逐漸融化和被撕碎在這條熾熱的邊界上時(shí)，獨(dú)裁者們心滿意足的哈哈大笑起來。然而他們不知道的是，此時(shí)此刻飛船里面的Y先生一家人正舒舒服服的平靜的駛過了黑洞視界線。雖然Y知道，這艘飛船最終將抵達(dá)黑洞的中心處的奇點(diǎn)而萬劫不復(fù)，但是他特意選擇的這個(gè)超大型黑洞保證了早在飛船抵達(dá)奇點(diǎn)前，他們一家人已經(jīng)平安的結(jié)束了自然的壽命。 這是怎么回事？有人作弊嗎？不，這里面沒有任何人為的欺騙，總統(tǒng)看到飛船在黑洞邊界處的毀滅和科學(xué)家感覺到飛船平安的進(jìn)入黑洞都是真實(shí)的情況。出現(xiàn)這種矛盾只因?yàn)樗麄円粋€(gè)在黑洞外面，一個(gè)在黑洞里面，一個(gè)是量子理論的結(jié)果，一個(gè)是廣義相對論的等效原理的推論，他們都是真實(shí)的。我知道，這樣的解釋等于沒解釋，肯定是不能化解此時(shí)此刻很多人心中的疑問的，飛船只有一艘，不管從哪里看，不管是黑洞外面還是里面，其歷史結(jié)局只可能是一種，怎么可能因?yàn)橛^察者位置上的差別就出現(xiàn)兩個(gè)不同的劇情呢？這里呢，首先給出一個(gè)薄弱的類比，就是相對性，根據(jù)相對論知識(shí)，不同位置上的觀察者的時(shí)間流逝快慢是不同的，這說明時(shí)間不是絕對的而是相對不同的人有不同的時(shí)間。這個(gè)類比不行啊，時(shí)間相對性是由時(shí)空扭曲造成的，這很容易理解，但飛船的結(jié)局怎么可能是相對的呢？那么再增強(qiáng)一點(diǎn)比喻，就是光的波粒二象性，光在有些實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)粒子特性，在有些實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)波動(dòng)特性，它不就是把兩種不同的結(jié)果融為一身的嗎？那也不行啊，波粒二象性是可以通過幾率波或別的途徑加以想象的，而飛船毀滅了還是沒有毀滅這兩者怎么可能同時(shí)存在呢？ 黑洞互補(bǔ)原理 實(shí)際上黑洞就是一個(gè)這么奇特地方，量子力學(xué)中把光的波粒二象性也稱為互補(bǔ)性，而在黑洞的內(nèi)外，飛船的毀滅與平安兩種結(jié)局的并存同樣的被稱為黑洞互補(bǔ)原理。不管你覺得多么的不可思議，但只要你認(rèn)為廣義相對論和量子理論是正確基礎(chǔ)的話，這個(gè)互補(bǔ)原理就是成立的，至少在邏輯意義上是成立的。它的數(shù)學(xué)解釋非常復(fù)雜，我們在這里給出一個(gè)不太準(zhǔn)確的比喻加以說明。前面提到的粒子復(fù)印機(jī)模型雖然是錯(cuò)誤的，但它卻抓住了黑洞佯謬的關(guān)鍵，就是黑洞的邊界層。就像薩斯坎德說的，人人都在想進(jìn)入浴缸以后的情況，唯獨(dú)沒有人注意到進(jìn)入水層的那一瞬間是怎么回事。視界表層就是解開黑洞佯謬的鑰匙?，F(xiàn)在可以描述這個(gè)比喻了，一個(gè)人正在地面行走，他的頭頂有一架無人機(jī)在穩(wěn)步的跟蹤拍攝，很快這個(gè)人走進(jìn)了一個(gè)特殊的路段，在這個(gè)路段的上方有一層玻璃頂棚，它不是平板狀的玻璃，而是彎曲的類似哈哈鏡一樣的玻璃板，所以此時(shí)的天空攝像機(jī)透過玻璃板會(huì)看到一個(gè)扭曲的人形。再往里走，頭頂天花板的玻璃構(gòu)型更加復(fù)雜，不僅表面劇烈起伏而且還有窩成的玻璃圈或者各種各樣獨(dú)立的玻璃碎塊，因此人的形象經(jīng)過這一層的投射已經(jīng)變成了不可識(shí)別的一堆細(xì)碎的影子，對此不妨稱之為超級哈哈鏡。好了，現(xiàn)在你也許明白了，黑洞的視界表面就是這么一個(gè)瘋狂的超級哈哈哈鏡，黑洞外面的人看到的是行人的碎片，而里面行走的人此刻依然安好。不過，這樣的說法還有點(diǎn)不太準(zhǔn)確，更恰當(dāng)?shù)氖俏覀兊冒堰@個(gè)描述反過來，超級哈哈鏡的碎塊才是真正的行人信息，而哈哈鏡下面行走的人是這些信息構(gòu)成的三維影像，這就是全息原理。信息只蘊(yùn)藏在黑洞的表面，里面的一切都是信息的三維投影罷了。如此一來，黑洞悖論便不復(fù)存在，因?yàn)樾畔⒏緵]有進(jìn)入黑洞內(nèi)部。 黑洞互補(bǔ)性原理聽起來是很古怪的，不用說普通受眾，物理學(xué)家也未必全然接受。還記得我們上期節(jié)目提到的索恩-霍金-普銳斯基爾大賭局（Thorne–Hawking–Preskillbet)嗎？當(dāng)2004年，霍金自己愿賭服輸時(shí)，最初和他站在一邊下注的索恩說，不能霍金說輸就算我們輸，我還沒有認(rèn)輸呢！而另一位突然獲勝的普銳斯基爾而更搞笑，他說自己也不知道為什么就贏了，因?yàn)榛艚鹬v的東西他完全聽不懂。 索恩-霍金-普銳斯基爾大賭局
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