2021-02-06科學 光陰似箭,日月如梭,一轉眼老鼠掉進黑洞已經一年了。 一天,貓又來到了黑洞旁邊。它知道,在它的時間線上,老鼠還沒有真正掉進黑洞視界(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物體嗎?)。它還在想,老鼠到底會安然無恙地穿過黑洞視界,還是會在視界化為灰燼(Mandelbrot:如何理解「我們的宇宙有可能是遙遠宇宙的全像投影」?)。這時,貓意外地發現,上次遇到的那位老者也在太空中負手而立,眺望那個有去無回的深淵。 貓上前搭訕:「老先生,上次你說黑洞視界表面充斥著很高的能量,是真實的嗎?」 老者認出了貓,回答說:「那有什麽理論是絕對真實的?我們只是在用各種理論盡量接近真實。對於黑洞來說,這些理論要說接近真實都比較勉強。任重而道遠啊。」 看見貓在發呆,老者又說:「不過這裏面還有很多細節。如果你有興趣的話,我們可以慢慢談。」 貓連忙點點頭。 1. 廣義相對論 「你該知道黑洞理論起源於廣義相對論吧?」老者問道。 「知道一點。大概就是說,物質被壓縮到那個史瓦西半徑以內。它的巨大重力造成附近時空的極度扭曲,結果,連光都跑不出來。」貓絞盡腦汁,結結巴巴的擠出幾句話。 「差不多是這麽回事。那麽老鼠掉進黑洞的過程實際上是一個自由落體的過程。它不會感覺到黑洞重力對它有任何影響。即使在它穿過視界的時候,也不會發生什麽戲劇性的事件。我們把這個假設叫做No Drama。」老者用盡量簡單的語言開始講述。 聽到熟悉的內容,貓激動地直點頭:「對對,這個我知道。」 2. 霍金放射線 看見貓居然聽得懂,老者談興大發,興致勃勃的接著說:「後來,霍金,就是你上次遇到那個老頭,用量子力學的原理來研究黑洞,意外地發現,原先我們以為一毛不拔的黑洞其實會透過蒸發損失品質。我們把這個理論叫做 霍金放射線 。」 老者掏出一塊小黑板,開始畫圖。 「真空中總是在不停地產生正負粒子對,然後它們又很快互相湮滅,回歸真空。這本來無傷大雅,但是如果它發生在黑洞視界附近,問題就出現了。」 貓被勾起了好奇心:「什麽問題?」 「黑洞強大的重力能夠撕裂這個這個粒子對。結果,一個帶著正能量的粒子掙脫了重力,逃離了黑洞。而另一個帶著負能量的粒子卻掉進了黑洞。這樣,黑洞不斷吸收負能量粒子,品質不斷減小。品質小到一定程度的時候,它就會在一場爆炸中煙消雲散。」老者盡力選擇最簡單的語言解釋了霍金放射線和黑洞蒸發理論。 貓覺得學到了新知識。它興奮的說:「這麽說,黑洞也不是永恒的了?天文學家觀察到黑洞的末日了嗎?」 老者笑了笑說:「黑洞的壽命很長,長到幾乎失去了意義(Mandelbrot:宇宙中有哪些細思極恐之事?)。等所有的恒星都熄滅,我們也等不到黑洞爆炸。」 3. 量子纏結 「不過,還是回到正題上來吧。」 老者接著說:「你看,這兩個粒子來自同一個粒子對。它們有相反的狀態,比如動量、自旋什麽的。但是,如果你沒有觀察它們,它們的狀態是不確定的。比如,任何一個粒子都同時具有向上和向下的自旋方向。也就是說,它們處於一種疊加態。」 看著貓迷惑的目光,老者決定再解釋兩句:「如果你觀察其中一個粒子,它會馬上從兩種狀態中 選擇 一個。比如,你會發現它的自旋方向是向上或者向下的。」 聽到這裏,貓突然想起了什麽,憤憤不平地說:「疊加態這個詞兒我聽說過。一個叫薛丁格的家夥為了驗證這個理論,弄得我一個兄弟至今生死不知。」 老者並不打算回顧歷史問題:「讓人驚奇的事情還在後面呢?由於兩個粒子具有相反的狀態,所以這時候你也就知道了另一個粒子的狀態。看起來好像這個粒子在被觀察的瞬間,把自己的選擇告訴了它的同伴。即使它們相隔千山萬水,資訊也能瞬間到達。我們把這種奇特的現象叫做量子纏結。」 貓大吃一驚,說:「怎麽可能?難道這種資訊傳送的速度超過了光速?這不符合相對論吧?」 「看起來是這樣。不過量子纏結的原理目前沒有人知道。」 老者想了想,底氣不太足地說:「也許相互纏結的的粒子之間有一條微型蟲洞,可以在瞬間傳遞資訊。」 4. 黑洞火墻 貓沒有興趣深究這種玄之又玄的問題,它問道:「好吧,可這給黑洞理論帶來什麽問題呢?」 老者抖擻精神,在黑板上畫了另外一個例子。 「比如,米契和米妮是誕生於黑洞視界的一個正負粒子對;而唐納和黛西是誕生於視界的另一個粒子對。它們都是相互纏結的。」貓點點頭,表示理解。 「在離開黑洞之後,米契不可避免地會和其他逃離黑洞的粒子發生纏結,比如,上圖中的黛西。問題就出來了:量子纏結是一種一對一的關系。米契不可能同時和兩個粒子發生纏結。在和黛西發展超友誼關系以前,它必須和米妮分手。」 貓若有所思的說:「這麽說,量子纏結就像那種傳統的戀愛關系,容不下第三者。」 老者促狹的一笑:「是啊。我發現最近你和鄰居家的大白貓打得火熱。你敢不敢同時去勾搭一下街對面的波斯貓?」 想想大白貓揪住自己的尾巴在地上亂砸的恐怖情景,貓連忙大搖其頭。為了轉換話題,貓問道:「分手就分手唄,這對粒子來說不是什麽問題吧?」 「問題大了。量子纏結需要很高的能量才能打破的。這就意味,黑洞視界表面實際上充斥強大的能量,大到足以打破量子纏結,讓米契肆無忌憚地去尋找新的伴侶。」 貓想了想,問道:「這麽說,黑洞視界實際上是一道高能量的火墻了?」 老者點點頭:「我們確實把它叫做黑洞火墻。」 貓總覺得這個理論有問題。想了半天,它問道:「天下沒有 免費的午餐。這個龐大的火墻需要的能量一定不少吧?這些能量從哪裏來?」 「這是個好問題。」老者贊許地說,「你可以這樣理解,能量來自黑洞蒸發損失的品質。」 老者又在黑板上畫了一張圖。 「從我們的角度來看,透過霍金放射線逃出黑洞的粒子,能量非常低。這也是黑洞長壽的秘訣。但是不要忘了,這些粒子都是從黑洞強大的重力場中爬出來的。重力場對粒子的能量也有紅移效果(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物體嗎?),所以,從黑洞外觀察到的粒子和它剛誕生時並不一樣。」 貓好奇的問:「那麽粒子剛誕生的時候是什麽樣子呢?」 老者回答道:「要回答這個問題,我們只需要讓時鐘倒轉,讓時間回到粒子剛誕生的時刻。」 貓插嘴說:「這個方法是不是和我們研究宇宙大霹靂的方法一樣?」 老者心想:「這個傻貓知道的事情還真不少。」 他點點頭,說:「不錯。如果讓時鐘倒轉,我們會看到粒子向黑洞視界墜落,它的能量越來越高。不難看出,粒子從黑洞視界產生的時候,它攜帶了很高的能量。這應該就是黑洞火墻能量的來源了。」 5. 問題 擦掉黑板上的圖,老者問道:「我講了這麽多,你看出其中的問題了嗎?」 貓想了半天,結結巴巴地說:「看起來好像廣義相對論和量子力學有沖突。」 老者微笑著說:「不錯,這就是問題的關鍵。廣義相對論認為黑洞視界和別的空間位置並沒有什麽區別,它只是一個逃逸速度恰好等於光速的表面,所以老鼠可以毫發無傷的掉進去。而量子力學認為黑洞視界有一個高能量的火墻,它會把老鼠燒成灰燼。」 貓覺得世界觀收到了沖擊——原來萬能的科學也有不能解決的問題。它張大嘴,發了半天呆,最後傻乎乎的問:「那怎麽辦?」 老者並不在乎:「沒什麽大不了的。也許我們需要放棄其中一個了理論了,或者我們需要放棄兩個,而去尋找一種新的理論來完美地解釋黑洞。這不就是我們的工作嗎?不過,目前能夠調和這個矛盾的理論還沒有出現。」 老者沈思了片刻,說:「我有時候在想,也許廣義相對論和量子力學都是對的。它們從不同的角度描述了同一個現象。貓安然無恙的穿越黑洞和貓被火墻化為灰燼都是真實的。」 貓撇撇嘴,想:「這些物理學家還真是敢想。這不是胡說八道嗎?」 思來想去,它覺得還是在無法接受這個想法,於是狀著膽子表示反對:「這,這好像有點自相矛盾吧?」 老者搖搖頭,滿不在乎地說:「無妨。只要老鼠不能回到我們身邊,和我們交流它在黑洞裏面的經歷,不就沒有矛盾了?」 貓突然發現自己竟然無言以對,不過它轉念一想,這種觀點好像也有可取之處——也許和大白貓談戀愛與勾搭波斯貓都是自己的疊加態呢?想到這裏,它就哼著小曲,喜滋滋的回家去了。
光陰似箭,日月如梭,一轉眼老鼠掉進黑洞已經一年了。 一天,貓又來到了黑洞旁邊。它知道,在它的時間線上,老鼠還沒有真正掉進黑洞視界(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物體嗎?)。它還在想,老鼠到底會安然無恙地穿過黑洞視界,還是會在視界化為灰燼(Mandelbrot:如何理解「我們的宇宙有可能是遙遠宇宙的全像投影」?)。這時,貓意外地發現,上次遇到的那位老者也在太空中負手而立,眺望那個有去無回的深淵。 貓上前搭訕:「老先生,上次你說黑洞視界表面充斥著很高的能量,是真實的嗎?」 老者認出了貓,回答說:「那有什麽理論是絕對真實的?我們只是在用各種理論盡量接近真實。對於黑洞來說,這些理論要說接近真實都比較勉強。任重而道遠啊。」 看見貓在發呆,老者又說:「不過這裏面還有很多細節。如果你有興趣的話,我們可以慢慢談。」 貓連忙點點頭。 1. 廣義相對論 「你該知道黑洞理論起源於廣義相對論吧?」老者問道。 「知道一點。大概就是說,物質被壓縮到那個史瓦西半徑以內。它的巨大重力造成附近時空的極度扭曲,結果,連光都跑不出來。」貓絞盡腦汁,結結巴巴的擠出幾句話。 「差不多是這麽回事。那麽老鼠掉進黑洞的過程實際上是一個自由落體的過程。它不會感覺到黑洞重力對它有任何影響。即使在它穿過視界的時候,也不會發生什麽戲劇性的事件。我們把這個假設叫做No Drama。」老者用盡量簡單的語言開始講述。 聽到熟悉的內容,貓激動地直點頭:「對對,這個我知道。」 2. 霍金放射線 看見貓居然聽得懂,老者談興大發,興致勃勃的接著說:「後來,霍金,就是你上次遇到那個老頭,用量子力學的原理來研究黑洞,意外地發現,原先我們以為一毛不拔的黑洞其實會透過蒸發損失品質。我們把這個理論叫做 霍金放射線 。」 老者掏出一塊小黑板,開始畫圖。 「真空中總是在不停地產生正負粒子對,然後它們又很快互相湮滅,回歸真空。這本來無傷大雅,但是如果它發生在黑洞視界附近,問題就出現了。」 貓被勾起了好奇心:「什麽問題?」 「黑洞強大的重力能夠撕裂這個這個粒子對。結果,一個帶著正能量的粒子掙脫了重力,逃離了黑洞。而另一個帶著負能量的粒子卻掉進了黑洞。這樣,黑洞不斷吸收負能量粒子,品質不斷減小。品質小到一定程度的時候,它就會在一場爆炸中煙消雲散。」老者盡力選擇最簡單的語言解釋了霍金放射線和黑洞蒸發理論。 貓覺得學到了新知識。它興奮的說:「這麽說,黑洞也不是永恒的了?天文學家觀察到黑洞的末日了嗎?」 老者笑了笑說:「黑洞的壽命很長,長到幾乎失去了意義(Mandelbrot:宇宙中有哪些細思極恐之事?)。等所有的恒星都熄滅,我們也等不到黑洞爆炸。」 3. 量子纏結 「不過,還是回到正題上來吧。」 老者接著說:「你看,這兩個粒子來自同一個粒子對。它們有相反的狀態,比如動量、自旋什麽的。但是,如果你沒有觀察它們,它們的狀態是不確定的。比如,任何一個粒子都同時具有向上和向下的自旋方向。也就是說,它們處於一種疊加態。」 看著貓迷惑的目光,老者決定再解釋兩句:「如果你觀察其中一個粒子,它會馬上從兩種狀態中 選擇 一個。比如,你會發現它的自旋方向是向上或者向下的。」 聽到這裏,貓突然想起了什麽,憤憤不平地說:「疊加態這個詞兒我聽說過。一個叫薛丁格的家夥為了驗證這個理論,弄得我一個兄弟至今生死不知。」 老者並不打算回顧歷史問題:「讓人驚奇的事情還在後面呢?由於兩個粒子具有相反的狀態,所以這時候你也就知道了另一個粒子的狀態。看起來好像這個粒子在被觀察的瞬間,把自己的選擇告訴了它的同伴。即使它們相隔千山萬水,資訊也能瞬間到達。我們把這種奇特的現象叫做量子纏結。」 貓大吃一驚,說:「怎麽可能?難道這種資訊傳送的速度超過了光速?這不符合相對論吧?」 「看起來是這樣。不過量子纏結的原理目前沒有人知道。」 老者想了想,底氣不太足地說:「也許相互纏結的的粒子之間有一條微型蟲洞,可以在瞬間傳遞資訊。」 4. 黑洞火墻 貓沒有興趣深究這種玄之又玄的問題,它問道:「好吧,可這給黑洞理論帶來什麽問題呢?」 老者抖擻精神,在黑板上畫了另外一個例子。 「比如,米契和米妮是誕生於黑洞視界的一個正負粒子對;而唐納和黛西是誕生於視界的另一個粒子對。它們都是相互纏結的。」貓點點頭,表示理解。 「在離開黑洞之後,米契不可避免地會和其他逃離黑洞的粒子發生纏結,比如,上圖中的黛西。問題就出來了:量子纏結是一種一對一的關系。米契不可能同時和兩個粒子發生纏結。在和黛西發展超友誼關系以前,它必須和米妮分手。」 貓若有所思的說:「這麽說,量子纏結就像那種傳統的戀愛關系,容不下第三者。」 老者促狹的一笑:「是啊。我發現最近你和鄰居家的大白貓打得火熱。你敢不敢同時去勾搭一下街對面的波斯貓?」 想想大白貓揪住自己的尾巴在地上亂砸的恐怖情景,貓連忙大搖其頭。為了轉換話題,貓問道:「分手就分手唄,這對粒子來說不是什麽問題吧?」 「問題大了。量子纏結需要很高的能量才能打破的。這就意味,黑洞視界表面實際上充斥強大的能量,大到足以打破量子纏結,讓米契肆無忌憚地去尋找新的伴侶。」 貓想了想,問道:「這麽說,黑洞視界實際上是一道高能量的火墻了?」 老者點點頭:「我們確實把它叫做黑洞火墻。」 貓總覺得這個理論有問題。想了半天,它問道:「天下沒有 免費的午餐。這個龐大的火墻需要的能量一定不少吧?這些能量從哪裏來?」 「這是個好問題。」老者贊許地說,「你可以這樣理解,能量來自黑洞蒸發損失的品質。」 老者又在黑板上畫了一張圖。 「從我們的角度來看,透過霍金放射線逃出黑洞的粒子,能量非常低。這也是黑洞長壽的秘訣。但是不要忘了,這些粒子都是從黑洞強大的重力場中爬出來的。重力場對粒子的能量也有紅移效果(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物體嗎?),所以,從黑洞外觀察到的粒子和它剛誕生時並不一樣。」 貓好奇的問:「那麽粒子剛誕生的時候是什麽樣子呢?」 老者回答道:「要回答這個問題,我們只需要讓時鐘倒轉,讓時間回到粒子剛誕生的時刻。」 貓插嘴說:「這個方法是不是和我們研究宇宙大霹靂的方法一樣?」 老者心想:「這個傻貓知道的事情還真不少。」 他點點頭,說:「不錯。如果讓時鐘倒轉,我們會看到粒子向黑洞視界墜落,它的能量越來越高。不難看出,粒子從黑洞視界產生的時候,它攜帶了很高的能量。這應該就是黑洞火墻能量的來源了。」 5. 問題 擦掉黑板上的圖,老者問道:「我講了這麽多,你看出其中的問題了嗎?」 貓想了半天,結結巴巴地說:「看起來好像廣義相對論和量子力學有沖突。」 老者微笑著說:「不錯,這就是問題的關鍵。廣義相對論認為黑洞視界和別的空間位置並沒有什麽區別,它只是一個逃逸速度恰好等於光速的表面,所以老鼠可以毫發無傷的掉進去。而量子力學認為黑洞視界有一個高能量的火墻,它會把老鼠燒成灰燼。」 貓覺得世界觀收到了沖擊——原來萬能的科學也有不能解決的問題。它張大嘴,發了半天呆,最後傻乎乎的問:「那怎麽辦?」 老者並不在乎:「沒什麽大不了的。也許我們需要放棄其中一個了理論了,或者我們需要放棄兩個,而去尋找一種新的理論來完美地解釋黑洞。這不就是我們的工作嗎?不過,目前能夠調和這個矛盾的理論還沒有出現。」 老者沈思了片刻,說:「我有時候在想,也許廣義相對論和量子力學都是對的。它們從不同的角度描述了同一個現象。貓安然無恙的穿越黑洞和貓被火墻化為灰燼都是真實的。」 貓撇撇嘴,想:「這些物理學家還真是敢想。這不是胡說八道嗎?」 思來想去,它覺得還是在無法接受這個想法,於是狀著膽子表示反對:「這,這好像有點自相矛盾吧?」 老者搖搖頭,滿不在乎地說:「無妨。只要老鼠不能回到我們身邊,和我們交流它在黑洞裏面的經歷,不就沒有矛盾了?」 貓突然發現自己竟然無言以對,不過它轉念一想,這種觀點好像也有可取之處——也許和大白貓談戀愛與勾搭波斯貓都是自己的疊加態呢?想到這裏,它就哼著小曲,喜滋滋的回家去了。