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为什么研究黑洞这么重要?黑洞到底隐藏了什么秘密,吸引力这么强

2018-07-19

今天介绍的这本《黑洞战争》,不仅是一本科普书,也是一本回忆录,记载了很多作者的个人经历,我们还可以把它当作一本科学史相关的书来读,了解在最近几十年,理论物理学家们都做了哪些工作。

黑洞

“黑洞”到底是什么,人们是怎么发现它的。了解了这个我们才知道这本书主要在争论什么。

黑洞是一种并不算稀少的天体,它吸收一切东西,而且是有去无回,就算是一颗恒星接近黑洞,也会被黑洞的引力给撕碎,吸收进去。黑洞这个名词的意义早就从天文学领域扩展到了我们的日常生活中了,我们习惯说某个东西,或者某个机构,甚至说某个人就是一个黑洞,意思就是从天文学的黑洞演化而来的。实际上,黑洞,Black Hole,这个名词出现的时间并不算太久,它是在1967年由美国著名的物理学家约翰·惠勒提出来的,但是实际上人类认识到黑洞这种天体有可能存在,起码是在理论上有存在的可能,已经有两个多世纪的时间了。

黑洞

我们说黑洞吸收一切物质,这和引力作用有关,也和人类对于光的本质的探索有关系。在18世纪晚期,当时牛顿已经去世半个世纪了,但是他所创建的牛顿力学体系仍然统治着整个物理学界,这个力学体系的核心就是万有引力,质量越大的物体,引力越大。那么有人就思考,会不会存在一种引力特别大,让一切物质都逃不掉的天体呢?不仅是这样,在当时的物理学界还有一场持续了很久的大辩论,探讨光到底是粒子还是波。牛顿在生前就一直坚持认为光是一种粒子,就是因为牛顿在科学界有着崇高的地位,所以在整个18世纪,光的“粒子说”一直占据上风。那按这个说法,光既然是一种粒子,它就有可能会受到重力的影响。再结合万有引力的理论,就会引发一些人的思考了,比如说当时的法国物理学家皮埃尔·拉普拉斯和一位英格兰的牧师几乎不约而同地有了一个想法:会不会存在一种大质量,大密度的恒星,它的引力太大,就连光都没法逃脱呢?要是这样的话,那这个恒星不就是全黑的,完全看不见了吗?这就是人类对于黑洞这种天体最早的一种想象。

黑洞

什么样的天体,才会让光都逃不出去呢?比如说距离我们最近的恒星太阳,当再过50亿年,它的燃料都烧光了,就会坍缩成一个和地球差不多大小的白矮星,这时候它的引力就要比原来大多了,但还是不能限制住光从它的表面离开。但是再重一些,假如一颗恒星的质量达到了太阳的五倍,当它燃料耗尽开始坍缩的时候,它就会形成一个密度无穷大,有很强破坏性力量的点,我们称为奇点,就连光都没办法逃出它的引力场。这样的一种天体,我们以前叫它暗星,现在叫它黑洞。在宇宙中,很多黑洞都是由坍塌的恒星形成的,这就是我们这本书主要探讨的对象。

黑洞

我们说连光都没法逃出黑洞的引力场,但黑洞这种强大的引力也是有界限的。任何物质,只要接近黑洞的奇点到了某一个距离之内,那它就再也不能逃离了。如果我们拿这个距离当半径,就能以奇点为球心画出一个球来,这个球面就叫做黑洞的视界。这个视界就把宇宙分成了两个部分,在视界内部的光线永远都没法逃出来,因为越过这个界限的光线就相当于被黑洞所吸收,再也出不来了,你也就不可能看到它了。比如说在我们银河系的中心就有一个超大型黑洞,它的视界半径达到了1000万英里,这么一个巨大的黑洞依靠自己的引力把整个银河系的物质都维系在一起。

黑洞

就是因为黑洞有这样的性质,所以这本书里边的三个主角,也因此引发了黑洞战争。其中最重要的原因就在于黑洞它是一个宏观物体,同时它又具有很多量子特性。这句话是什么意思呢?目前现代物理学有两大支柱理论,一个是广义相对论,它主要描述的是宏观的物体,时空和物质之间的相互作用;另一个是量子理论,它描述的是微观世界的运动规律。在平时的物理学研究里,这两种理论互不干涉。但我们想要让物理学继续发展,就必须把这两个理论结合在一起。想要让它们融合,就必须找到一种既是宏观又是微观的东西。听起来挺矛盾的,而黑洞这种天体,恰好同时具有宏观物体的形态和微观量子理论的一些特性,可以说,两种理论在这种天体上交汇了。

黑洞

在这种情况下,我们就看出研究黑洞的意义了。两种理论在黑洞上都适用,那么我们理解了黑洞,就有可能可以找到一条融合两种基本理论的方法。当然了,目前我们只能在理论上进行研究。

霍金在1981年对其他两个人发起了进攻,萨斯坎德形容说,这就像“一场奇袭”。霍金的观点很明确,他认为在这种情况下就应该抛弃量子力学,因为它和广义相对论有很多无法调和的矛盾,这就说明量子力学一定是有错误的。他为什么这么说呢?因为黑洞是一个宏观物体,这属于广义相对论的研究范围,物理学家利用广义相对论计算,得出的结论是:它是一切物质的终结。那也就是说,只要信息越过了黑洞的视界,就永远不会再返回了,会永远地消失。

黑洞

霍金曾经在《时间简史》这本书里提出过一个理论,说黑洞有一个特性叫做“霍金蒸发”,意思是说,黑洞不是只会吸收外界的物质的,也会逐渐的向外辐射粒子,那既然有辐射,黑洞就会逐渐变小、消失,但即使整个黑洞都蒸发掉,它曾经吸收的那些信息也找不回来了。但是,“信息永远消失了”这个结论,是和量子理论相违背的,因为量子力学里边有一个最基本的定理叫做“信息不灭”。意思是说,从量子力学的角度来说,物理信息是永远都不会丢失的。因此霍金认为,量子理论存在错误。

但是萨斯坎德这一边是怎么看的呢?他们认为,这场所谓的黑洞战争,也可以说是一场保卫量子力学的战争,绝对不能否定量子力学。在这一点上他们就有了根本性的冲突。

黑洞

你看,广义相对论和量子力学,在黑洞这里就形成了尖锐的对立。霍金相信信息被黑洞永远吃掉、消失了,而萨斯坎德和特霍夫特坚持认为,信息不会消失,但是又不知道该怎么反击。萨斯坎德和特霍夫特各提出了几种可能的解释方法,但是都不够充分。结果黑洞战争的双方谁也没法说服谁,陷入了一种僵持状态。用萨斯坎德的说法,就是“黑洞战争是一场持久战”。

说了这么多,那这场争论有什么意义呢?我们要知道,在科学研究中“解决”问题非常重要,但是“发现”问题,也同样非常重要。萨斯坎德就从他们之间的争论中发现,这个关于黑洞的悖论,是他们这一代物理学家面临的最重要的问题。他说,这是一个能够赶上普朗克、爱因斯坦、海森堡和过去其他物理英雄们成就的伟大机遇,因为他们发现了一个伟大的问题。就是说,如何解决物理学的两大支柱理论,在黑洞上的矛盾。萨斯坎德相信,要解决这个问题,关键不是抛弃掉量子力学,而是要调和它和广义相对论之间的矛盾。

黑洞

实际上,关于如何统一量子力学和广义相对论,早就有物理学家进行这方面的尝试了,想要把两个理论结合成一个统一的“量子引力理论”,但是在这方面一直没有什么进步。就连著名的物理学家理查德·费曼对此都持悲观态度,认为实现两种理论大统一的目标离我们太遥远了,而且人们找不到研究的方向。

在这种情况下,黑洞战争揭示出来的悖论,一下子就让两种理论短兵相接了。但即便如此,人们对这个问题的研究还是没有进展,甚至物理学界对这个问题都不够重视。让这场黑洞战争从一开始,就陷入了僵持的持久战。萨斯坎德统计了一下,虽然这场黑洞战争在1981年就开始了,但他发现在1981到1989年这八年之间,霍金没有发表任何有关于黑洞的论文,而且所有的物理学期刊上,总共只有8篇论文讨论了黑洞信息的丢失问题。其中有一篇是萨斯坎德自己写的,另外七篇都是由和他站在同一条战线上的特霍夫特写的,除了这两个人之外,物理学界没有人在这个领域发表任何论文。这就表明,这个研究领域在这一段时间里完全被忽视了。但萨斯坎德认为,这个问题会在之后逐渐吸引学术界的重视。

黑洞

面对这么一个有着重要意义的难题,萨斯坎德是怎么解决的呢?他利用了量子力学发展过程中一个非常重要的原理,叫做“互补原理”。互补原理最初是由丹麦的物理学大师尼尔斯·波尔提出来的。人类当时已经认识到,物质都有波动和粒子的两面性,所以波尔就提出,一个物理学现象,只有在你观测它的时候,它才成为一个现象,在你观测它之前它是不存在的。比如说,你观测一个粒子波动方面的性质,它就呈现出波动性;观测它粒子方面的性质,它就呈现出粒子性——互补性原理给了萨斯坎德很大的启发。

黑洞

他认为自己终于有了可以战胜霍金,取得这场黑洞战争的胜利了,所以他在书里把这个阶段称为是“反攻”。萨斯坎德的武器,就是把互补原理应用到了黑洞信息丢失的悖论中,他得出了一个非常惊人的解释。比如说有东西从外界掉进了黑洞,如果有一个人在黑洞外面进行观察,他会发现,在黑洞的视界,就是我们刚刚说受黑洞引力影响的那个球体,它的周围有一个炽热的表层,因为它能量相当的高,任何东西接触到这个表层都会被吸收,然后逐渐蒸发,飞向外部空间,又会回到宇宙里。萨斯坎德比喻说,这就像是有东西掉进了热汤里,被热汤蒸发掉了,那么这个东西的信息也就被蒸发物带走了,并没有消失。这个解释听上去还不奇怪,但是如果用上互补原理,就会有点不可思议了。这个意思是说,我们刚才说的是观察者在黑洞外面,如果在黑洞内部还有一个观察者,这个观察者看到的就是完全不同的现象,他会看到在黑洞的视界附近什么都没有发生,那个东西就是直接落进了黑洞里。

黑洞

你听到这样的解释会不会觉得完全无法理解?为什么两个观察者会看到的会是完全不同的现象呢?萨斯坎德认为,黑洞把宇宙分成了两个区域,也就是黑洞的视界里和视界外,这两个区域属于不同的时空,有着完全不同的因果关系,所以可以出现两种不同的结果。他认为这个解释尽管看上去荒谬,但是它必定是对的。就像是大侦探福尔摩斯曾经说的:当你排除了所有不可能性的时候,不论剩下的有多不合理,它一定就是真相。

黑洞

所谓取得最后胜利,就是要通过黑洞的互补性原理,和现有的一些物理学理论相结合,最终探索出一条路。这条路就是我们刚刚说的,要能把量子力学和广义相对论融合起来,最终得到一个大统一理论。只有达到这样的一个目的,才能称得上最终赢得了黑洞战争。萨斯坎德提出了“黑洞互补原理”,但是现在还只是一个想法,缺少数学基础,还不是一个完整的理论。

黑洞

可以说人类到现在,在这方面和几十年前相比研究进展仍然不大,而且在这两个理论的交汇处:黑洞,关于它的性质人们至今仍然争论不停,不断产生出各种新的问题和悖论。

黑洞

题外话:读书可以扩充我们知识边界,获得更多看问题的视角,但盲从是要不得的...

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