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霍金说,我们并非无法逃离黑洞

Dennis Ooverbye2016-06-08 21:26:01

唯一要做的似乎就是超越极限?

本文只能在《好奇心日报》发布,即使我们允许了也不许转载*

马萨诸塞州坎布里奇电 — “黑洞无毛。”(A black hole has no hair.)

半个世纪以前,理论物理学家、物理学术语创造大师、普林斯顿大学教授约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)提出了这个看似简短不合逻辑的神秘结论,为现代物理学立下了一根支柱。

“黑洞无毛”理论根据经典的引力场方程式,描述了大自然消除落入黑洞的一切物体大部分属性的能力。黑洞的这一特点严重破坏了科学预测未来的能力,颠覆了我们对于宇宙运作方式的理解。

如今,事实证明,这个理论似乎有可能是错误的。

近来,史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)坐着轮椅穿过哈佛大学古老的木墙板桑德斯剧场(Sanders Theater)舞台,向黑洞开战。黑洞是科学界所能想象到的最可怕的恶魔之一,霍金博士自己也曾为它的出现添砖加瓦。黑洞就像是宇宙中一个难以穿透的无底深渊,长期以来,人们始终认为,没有任何东西能够从其视界逃脱——就连光线和思想也不能。

然而现在,这位一生都在与卢·格里克病作斗争的科学家告诉我们:我们不必如此畏惧黑洞。

本周出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上刊登的一篇论文中,霍金博士和他的同事、哈佛大学教授安德鲁·施特罗明格(Andrew Strominger),以及英国剑桥大学(Cambridge University)教授马尔科姆·佩里(Malcolm Perry)表示,他们已经找到了指明逃离黑洞方法的线索。

“黑洞曾一度被认为是永远无法逃脱的监狱,但实际情况并非如此,”霍金博士用他著名的、由合成器处理过的机械声音说道,“要是你觉得自己被黑洞困住了,那也别放弃,摆脱黑洞的方法还是有的。”

黑洞是爱因斯坦(Einstein)广义相对论中最不祥的预言:过多的物质或能量聚集在一点会使宇宙失控,像魔术师的斗篷一样吞噬一切。

起初,科学家们在提到黑洞时,只会把这些怪物比作永远无法逃脱的监狱。40 年前,霍金博士彻底颠覆了人们对黑洞的理解。他的方程式显示,黑洞不会永久存在。随着时间的流逝,黑洞会“泄露”此前吸收的物质,随后发生爆炸,喷射出放射物和粒子。

图说:(左起)正在研究黑洞物理的马尔科姆·佩里、安德鲁·施特罗明格和史蒂芬·霍金。图片来源:Anna N. Zytkow

自那以后,物理学界最亟待解决的一项问题就变成了:等到黑洞最终消失的时候,它会不会释放出所有此前吸收的物质?

霍金博士的计算曾被认为是、而且现在依然是一项突破性进展,它能够帮助科学界理解引力和联系力学之间的联系,以及宇宙丝状构造和宇宙内部亚原子粒子之间的联系——即宇宙大结构和小结构之间的联系。

但这其中存在一个问题。根据霍金博士的估算,黑洞崩溃时喷射出的放射物是随机的。因此,和被吸入黑洞的事物有关的大部分信息都会被抹去——无论黑洞是吸入了大象还是驴子,大众还是凯迪拉克,它所吸入事物所具有的一切属性“信息”都会被抹去。

爱因斯坦曾说过一句著名的话:“上帝不会掷骰子。”1976 年,霍金博士对爱因斯坦的这句话进行了回击:“上帝不但会和宇宙掷骰子,有时候他还会把骰子掷到我们看不见的地方去。”

然而,他当时的计算违背了现代物理学的一项原则:从理论上来说,逆转时间、重现两辆车碰撞或一颗死亡的恒星塌缩成为黑洞的可能性总是存在的。

宇宙就像是一种超级计算机。它应该有能力记录一辆车是绿色的小型 敞篷载货卡车、另一辆车是红色的保时捷这样的信息,或者某件物品是由物质组成的、某件物品是由反物质组成的这样的信息。这些事物可能会被毁灭,但是它们的“信息”——即它们本质的物理属性——应该是永存的。

事实上,此前据霍金博士所言,这些信息在黑洞里似乎会丢失,就好像宇宙的存储芯片上储有的部分信息被抹去了一样。根据这一理论,只有和被吸入事物的质量、电荷和角动量有关的信息才会被保存下来。

至于这些东西是由反物质组成的还是由物质组成的、是男是女、是甜是酸……这些信息都将不复存在。

(这一理论被提出后,)一场口舌之争、观念之战接踵而至。四月份,霍金在桑德斯剧场的舞台上指出,众所周知,黑洞信息悖论并不是什么深奥的论点。相反,它向有关现实本质及其运转方式的基本信念提出了挑战。

霍金警告称,如果这些(有关现实的)规则在黑洞里不起作用,那么它们在其他地方也有可能会失效。如果基本信息消失在了一个无底洞中,“过去”这一概念本身可能会陷入岌岌可危的境地——我们可能甚至无法确保我们自己的历史是真实的,我们的记忆可能只是幻觉。

他说:“过去告诉了我们我们是谁。没有过去,我们就会失去我们的自我认同。”

令历史学家们感到幸运的是,十年前,在黑洞信息之争中,霍金博士认输了。他当时承认,根据弦理论(即所谓的“万有理论”),宇宙中不可能出现信息丢失的情况。

至少从原则上来说是这样。霍金博士认为,信息总是会被保存下来的——比如说,就算你烧掉了一本书,这本书的信息也会被烟雾和灰烬保存下来。经过恰当的计算,你应该能够重现书上墨水、文本的模式信息。

当时,霍金博士因为此事输给了加州理工学院(Caltech)物理学家裴士基(John Preskill)一本信息检索方便快捷的棒球百科全书。

图说:霍金博士、佩里博士和施特罗明格博士的计算可以为黑洞研究提供新的线索。

其实并非“无毛”

但是,无论是霍金博士还是其他科学家,没有任何一个人能够提出令人信服的看法,解释这一情况是怎么发生的、所有这些“信息”是如何逃过黑洞无情的清理手段的。

事实上,四年前曾有一队物理学家试图解决这一问题。他们提出了一项颇有争议的看法,认为黑洞内部可能存在一堵能量防火墙,能够阻止一切事物离开甚至进入黑洞。

新的研究结果并没能解决这一难题。但他们确实打破了著名的“黑洞无毛”理论,打破了黑洞会夺走所有吸入事物的本质属性的看法。

大约四年前,施特罗明格博士开始研究起了最早可以追溯到 1960 年代的引力相关理论。赫尔曼·邦迪(Hermann Bondi)、M·G·J·冯德布尔格、A·W·K·梅茨纳(A. W. K. Metzner)和雷纳·萨克斯(Rainer Sachs)1962 年发表的论文,以及后来获诺贝尔物理学奖斯蒂芬·温伯格(Steven Weinberg)1965 年发表的论文指出,引力其实并不像惠勒说得那样“残酷无情”。

从正确的角度来看,黑洞可能并不是“荒凉的不毛之地”。

所谓“正确的角度”并不仅仅只有遥远的太空(在进行理论计算时科学家通常都会这么假设),它还包括遥远的时间——遥远的未来,用专业术语来说就是“空无穷(null infinity)”。

近来,施特罗明格博士在哈佛广场喝咖啡时解释说:“空无穷就是指那些光线不会被黑洞吞噬的地方。”

也就是说,你可以把黑洞表面上的光线想象成头朝外、试图以光速逃离的一束稻草。这束稻草被黑洞巨大的引力给吸住了。

但是,在被黑洞吸收的新事物的影响下,个别几根稻草却可以微微向内或向外滑动,一点一点地前进或后退。比如说,当一个粒子被吸进黑洞时,它就会前后移动光线稻草。这个过程被称为“超平移(supertranslation)”。

“超平移”就会在黑洞边界上留下可以泄露秘密的图案(从黑洞的边界开始,光线就不会被吸回黑洞中了——这种图案也就是施特罗明格博士和他的同时所谓的“柔软毛发”光晕(a halo of “soft hair”)。这就像是你的 iPhone 上的像素点或黑胶唱片上起伏的沟槽,它们都包含了穿过视界消失的事物的信息。

“我们常常会听到黑洞无毛这个说法,”施特罗明格博士和一位博士后研究员亚历山大·齐博尔多弗(Alexander Zhiboedov)在 2014 年发表的一篇论文中指出,这个想法是错误的,“黑洞有一头茂密、无限多的超平移秀发。”

现在,霍金博士也加入了他的阵营。

多年来,他和施特罗明格博士以及其他一些同僚一起隐居在水力压裂技术先驱、石油商人乔治·P·米切尔(George P. Mitchell)名下的一处德州牧场上,在与世隔离的环境下进行研究。由于医生建议霍金最好不要乘坐飞机,所以 2014 年 4 月,他们将隐居地搬到了英国赫里福郡。

霍金就是在那里第一次听闻“黑洞的柔软毛发”的。当时他非常兴奋。于是他,以及施特罗明格博士和佩里博士开始一起进行研究。

那年秋天,霍金博士在斯德哥尔摩宣布,他们马上就要研究出信息悖论的解决方法了,引起了轰动。从某种程度上来说,此事也令施特罗明格博士和佩里博士有些吃惊——此前他们一直都在尽力保持低调。

霍金声称,尽管信息陷入了令人绝望的一团紊乱,但“从理论上来说却是能够恢复的,只是不能再用于任何实际用途了”。

1 月,霍金博士、施特罗明格博士和佩里博士在网上发表了一篇题为《黑洞的柔软毛发》(Soft Hair on Black Holes)的论文,展示了他们理论的基本原则。

在这篇论文中,他们承认,从黑洞无毛理论被推翻到解决信息悖论还有很长一段路要走。但这是一个进步。

施特罗明格博士表示,他们的研究显示,科学界一直以来都忽略了关于黑洞如何消失的某些基本原理。而现在,他们可以提出更加尖锐有针对性的问题了。他说:“我希望我们现在已经抓住了解决问题的关键。”

“黑洞有柔软毛发”这一理论是否足以解决信息悖论?这点目前还不得而知。对此,其他物理学家给出的回应相当谨慎。

图说:4 月,霍金博士在哈佛大学表示,黑洞“曾一度被认为是永远无法逃脱的监狱,但实际情况并非如此”。图片来源:Pat Greenhouse / 《波士顿环球报》,盖蒂图片社

新泽西州普林斯顿高级研究院(Institute for Advanced Study)的胡安·马尔达西那(Juan Maldacena)提到这一新观点时表示:“它对于黑洞信息悖论的意义还有待观望。不过,它可能确实有些影响作用。”

逃脱计划?

在黑洞研究上,施特罗明格博士具有很高的威信。1996 年,他和库姆鲁恩·瓦法(Cumrun Vafa)进行了一场知名的运算,计算了黑洞的信息量,证实了霍金博士黑洞大爆炸的著名推论。

他们的工作只是闻名遐迩但却还未得到证实的万有理论——弦理论——所取得的巨大成就中的一项。一旦黑洞容量估算结果能够和超平移估算结果相匹配,物理学家们就能够建立对黑洞的工作基本原理的全新理解。

不过,施特罗明格博士和佩里博士承认,他们目前距离实现这一目标还很远。在一篇尚未发表的论文中,施特罗明格博士表示,他们已经能够证明,信息不仅可以通过想要逃逸出黑洞的光线的前后移动来表达,还可以通过光线的扭曲形式来表达。

上个月,霍金博士在哈佛大学又一次肯定了他此前在斯德哥尔摩宣布的内容。

这位喜欢做出戏剧性声明的科学家告诉我:“四十年前写论文的时候,我认为信息将会被传入另一个宇宙。”而现在他认为,信息会被储存在黑洞的视界内。

“黑洞消失时,信息将会被重新发射。我和我在哈佛大学的同事安德鲁·施特罗明格以及剑桥大学的马尔科姆·佩里的研究工作显示了从黑洞中恢复信息的原理。”

你甚至可以逃出黑洞——至少从理论上来说,逃出黑洞是可行的。极限总是能够被超越的。

霍金博士自己就是一个很好的证明。

他长期坐在轮椅上,却养育了三个孩子,出版了畅销书籍《时间简史》。他因为气管切开术失去了声音。他离婚、再婚、再离婚。在某种意义上,他已经成为了一个流行偶像。上周,他称唐纳德·J·特朗普是一个“蛊惑民心的政客”

他得过好几次肺炎。来到波士顿之前,他先乘着一架瑞士救护飞机,带着几名护士和一名确保他的电脑和声音合成器正常工作的 IT 专家飞到了纽约。唯一能够超越他高超才智的,可能就只有他的倔强程度了。

霍金博士和他的同事白天在一间旅馆里工作,晚上参加宴会庆典——其中有一场宴会派对还是在媒体大亨鲁伯特·默多克(Rupert Murdoch)的家中举办的。

慈善家、企业家尤里·米尔纳(Yuri Milner)负担了这项巨大的开销。他希望霍金博士能够在场帮助宣布一个新的项目:我们是否能够让外观像 iPhone 一样的飞船飞往离地球最近的恒星半人马座阿尔法星(Alpha Centauri)。

“是什么让人类成为了独一无二的存在?”霍金博士在世界贸易中心一号大楼(One World Center)顶楼参加典礼时煞有介事地问道,“引力把我们往下拉,但我却坐着飞机飞到了这里。我失去了我的声音,但我却能利用声音合成器讲话。”

“我们是怎么超越这些极限的?”他继续道,“我们利用自己的头脑和机器。”

翻译 熊猫译社 钱功毅

题图来自 northtexasdrifter.blogspot.com

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