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霍金要把这则公式刻在自己的墓碑上——它是留给世人的悖论,也是伟大遗产

2018-03-16

昨天,斯蒂芬·霍金去世,76岁。

由此而来的悼念与歌颂,铺天盖地。恐怕连他老人家都想象不到,自己在中国竟有如此高的点击率。而这早已是国内媒体资讯行业的一种常态。

当然,对于一位科学工作者的缅怀致敬是毋庸置疑的。毕竟,他为科研和科普作出了卓越贡献,激发了无数人的科学思维。他对广大民众的意义,也远不止一本《时间简史》。但是,虽然伟大,但霍金并没有给世人以答案。我们不做臆想,不做揣测,只来说说那些关于霍金的,实实在在的悖论和争议。

斯蒂芬·霍金

霍金悖论

2012年,来自加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的四位物理学家提出了震惊整个物理界的思想实验。他们分别叫艾尔米里、马罗夫、波尔钦斯基和苏利,被同行们戏称为AMPS四人组。

这个问题涉及到霍金辐射。当成对的正反虚粒子在黑洞的事件视界附近产生时,每一对粒子都以所谓的“纠缠”彼此联系。但是如果当这对粒子中的一个落入黑洞,而另一个逃逸离去,成为霍金辐射的粒子,那么它们彼此之间的联系与所包含的信息会发生什么变化呢?

一派思想认为,信息会在黑洞消散时被保留下来,并且被置入到那些霍金辐射粒子的微妙联系之中。

黑洞火墙悖论

但是,AMPS四人组发出疑问,对于黑洞内外的观察者来说,这会是什么样的?这里让我们引入甲乙两个人。

就身在黑洞之外的甲来看,外部的粒子已经在视界处和其反粒子伙伴相分离。为了保留信息,它必须和另一个霍金辐射粒子发生纠缠。

而掉入黑洞的乙并不是这个视角。根据广义相对论,对于自由下落的观察者,引力会消失,所以乙看不到事件视界。对他来说,那个粒子依然和它的伙伴纠缠着,因为并没有视界将它们分开。于是,悖论形成。

如果甲的说法正确,那么根据广义相对论,乙就不会在视界处遇到虚无空间,而是会被霍金辐射壁垒,也就是所谓的“黑洞火墙”烧焦;如果乙的说法正确,那么信息就会丢失,这违背了量子力学的基本定律。

难以验证的霍金辐射

说到这里,我们就必须回过头来看一看霍金辐射。

多年前,霍金推翻了自己曾经的观点,认为热力学在黑洞中也扮演着重要角色。他指出,任何拥有熵的事物都具有温度,而任何具有温度的物质都能够散发辐射。

霍金意识到,他曾经的想法只考虑到了广义相对论,也就是说,无论粒子还是热量,任何东西都无法从黑洞逃脱。但是当量子力学介入的时候,故事就不一样了。

根据量子力学,短暂的正反粒子对会不断地出现在虚无的空间中,只在转瞬之间就会泯灭。当这样的情况发生在事件视界附近时,正反粒子对会被分离,一个粒子落入到视界之后,另一个则会逃逸。这使得它们永远无法再次相会,也不能毁灭。孤独的粒子从黑洞的边缘以辐射的形式流出。于是这种量子的随机性也就成为了热量的随机性。

加州理工学院理论物理学家肖恩·卡罗尔曾说:“大多数物理学家都认同霍金最伟大的贡献在于对黑洞散发辐射的预言。尽管人们仍然无法通过实验来确认霍金预言的真实性,但大家基本都认为这是正确的。”

验证霍金理论的实验的确非常困难。因为黑洞的质量越大,温度也就越低。对于一个大型黑洞来说,即那些天文学家可以通过望远镜探测到的黑洞,辐射的温度太微不足道,以至于难以测量。正如霍金本人常常指出的那样,正是由于这个原因,他没法获得诺贝尔奖。尽管如此,这一预言足以让他在科学史上占据重要位置。而从黑洞边缘流出的量子粒子也将永远被称作霍金辐射。

霍金和女儿露西

万物理论

霍金曾要求将Bekenstein-Hawking熵方程式(黑洞热力学)刻在他的墓碑上。如今这件事可能真的要兑现了。它代表了物理学科的终极大融合,因为其中包含了和引力有关的牛顿常数,在量子力学方面发挥作用的普朗克常数,堪称爱因斯坦相对论护身符的光速,以及作为热力学先驱的玻尔兹曼常数。

Bekenstein-Hawking Formula

这些不同常数的存在暗示了终极的万物理论,所有的物理学都能够统一起来。而这也印证了霍金最初的预感,即理解黑洞将是解开这一更深层理论的关键。

霍金的突破可能解决了关于熵的问题,但它也引出了一个更为棘手的问题。如果黑洞能够释放辐射,那么它们最终将会消散殆尽。那些坠入黑洞的信息会怎么样呢?它们也会消失吗?如果是这样,这将违反量子力学的核心原则。另一方面,如果它们从黑洞中逃脱出来,又会违反爱因斯坦的相对论。随着黑洞辐射的发现,霍金已经让物理学两大终极定律相互冲突对抗,黑洞信息损失悖论也由此诞生。

1976年,霍金在《Physical Review D》上发表了另一篇极具突破性和争议性的论文,题为 “Breakdown of predictability in gravitational collapse(引力坍缩的可预测性分解)” 。他认为,当黑洞最终耗尽质量时,它确实会将其所有信息带走。这种说法显然与严禁信息损失的量子力学产生了巨大的冲突。此后,物理学家们纷纷站队,展开了持续至今的大争论。确实,很多人都承认,信息损失是理解量子引力的最主要障碍。

用卡罗尔的话说,霍金1976年提出的关于黑洞信息丢失的观点无疑是一项伟大的成就,甚至说是该课题出现以来理论研究方面最重要的发现之一。

霍金的妥协

20世纪90年代后期,弦理论的产生让大多数理论物理学家相信,霍金的黑洞信息损失理论是错误的。但霍金固执己见,继续深入研究。直到2004年,他才终于改变了主意。

在都柏林的一次会议上,他戏剧性地宣布了最新观点:黑洞不能丢失信息。

然而今天,一种被称为“黑洞火墙”的新悖论又引发了疑问(如前所述)。无论问题的答案如何,我们都能够看到,霍金提出的内容正是解决量子引力问题的核心。

“黑洞辐射引发了严重的困惑,我们仍然难以理解,”卡罗尔表示, “可以这么说,霍金辐射是我们对量子力学和引力最终调和所了解的最大线索,也是现今理论物理学领域面临的最大挑战。”

在随后的人生中,霍金始终活跃在理论物理学的前沿。他在将量子力学应用到宇宙范畴方面起到了推动作用,可以说是引领了量子宇宙学领域。由于疾病的限制,霍金无法书写出复杂的方程式。不过这促使他以更新颖的方式在脑海中思考问题——常常以几何形式对问题进行重构。然而,像爱因斯坦一样,霍金没能再产出早年那样革命性的工作。

超级明星

不得不提的是,很多人对围绕霍金的种种问题都存在疑问。关于他的病情,关于他的理论,关于他的语音合成器……一切似乎都存在着令人费解的地方。

《时间简史》的出版无疑让霍金走上了文化旋涡的中心。用加利福尼亚大学伯克利分校的人类学家Hélène Mialet的话说,霍金在镜头前扮演着大众眼中的“霍金角色”,他似乎是在玩弄他的文化地位。Mialet在2012年出版书籍《Hawking incorporated》时引发了相当的争议。她曾调查过霍金身边的人如何帮助霍金打造并维持其公众形象。确实,不少人都有这样的想法,在霍金的背后,可能存在着所谓的“霍金团队”。

鲜明的公众形象使霍金的生活容易了很多。尽管病情恶化,但霍金的语音设备也在不断更新,使其更容易和大众交流对话。换个角度去想,能够专心思考自己的科学,不必担心周围的琐碎,对霍金来说确实是件好事。

用卡罗尔的话讲,自爱因斯坦以来,斯蒂芬·霍金对于理解引力所作出的贡献,无人能及。他是引领世界的理论物理学家,在同领域研究中,无疑是顶尖的学者。况且,他在面对可怕疾病的同时做到了这一切。这更让霍金成为一个鼓舞人心的励志人物,历史必将会铭记住他。

也许直到今天,都很少有人真正能够理解霍金的理论精华。

但至少,那些充斥网络,诸如“霍金警告不要登月”,“霍金预言地球毁灭,人类尽快移民火星”之类的字眼,可以不再出现了。

感谢,致敬,安息。

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