2021-02-06科学 光阴似箭,日月如梭,一转眼老鼠掉进黑洞已经一年了。 一天,猫又来到了黑洞旁边。它知道,在它的时间线上,老鼠还没有真正掉进黑洞视界(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物体吗?)。它还在想,老鼠到底会安然无恙地穿过黑洞视界,还是会在视界化为灰烬(Mandelbrot:如何理解「我们的宇宙有可能是遥远宇宙的全息投影」?)。这时,猫意外地发现,上次遇到的那位老者也在太空中负手而立,眺望那个有去无回的深渊。 猫上前搭讪:「老先生,上次你说黑洞视界表面充斥着很高的能量,是真实的吗?」 老者认出了猫,回答说:「那有什么理论是绝对真实的?我们只是在用各种理论尽量接近真实。对于黑洞来说,这些理论要说接近真实都比较勉强。任重而道远啊。」 看见猫在发呆,老者又说:「不过这里面还有很多细节。如果你有兴趣的话,我们可以慢慢谈。」 猫连忙点点头。 1. 广义相对论 「你该知道黑洞理论起源于广义相对论吧?」老者问道。 「知道一点。大概就是说,物质被压缩到那个史瓦西半径以内。它的巨大引力造成附近时空的极度扭曲,结果,连光都跑不出来。」猫绞尽脑汁,结结巴巴的挤出几句话。 「差不多是这么回事。那么老鼠掉进黑洞的过程实际上是一个自由落体的过程。它不会感觉到黑洞引力对它有任何影响。即使在它穿过视界的时候,也不会发生什么戏剧性的事件。我们把这个假设叫做No Drama。」老者用尽量简单的语言开始讲述。 听到熟悉的内容,猫激动地直点头:「对对,这个我知道。」 2. 霍金辐射 看见猫居然听得懂,老者谈兴大发,兴致勃勃的接着说:「后来,霍金,就是你上次遇到那个老头,用量子力学的原理来研究黑洞,意外地发现,原先我们以为一毛不拔的黑洞其实会通过蒸发损失质量。我们把这个理论叫做 霍金辐射 。」 老者掏出一块小黑板,开始画图。 「真空中总是在不停地产生正负粒子对,然后它们又很快互相湮灭,回归真空。这本来无伤大雅,但是如果它发生在黑洞视界附近,问题就出现了。」 猫被勾起了好奇心:「什么问题?」 「黑洞强大的引力能够撕裂这个这个粒子对。结果,一个带着正能量的粒子挣脱了引力,逃离了黑洞。而另一个带着负能量的粒子却掉进了黑洞。这样,黑洞不断吸收负能量粒子,质量不断减小。质量小到一定程度的时候,它就会在一场爆炸中烟消云散。」老者尽力选择最简单的语言解释了霍金辐射和黑洞蒸发理论。 猫觉得学到了新知识。它兴奋的说:「这么说,黑洞也不是永恒的了?天文学家观察到黑洞的末日了吗?」 老者笑了笑说:「黑洞的寿命很长,长到几乎失去了意义(Mandelbrot:宇宙中有哪些细思极恐之事?)。等所有的恒星都熄灭,我们也等不到黑洞爆炸。」 3. 量子纠缠 「不过,还是回到正题上来吧。」 老者接着说:「你看,这两个粒子来自同一个粒子对。它们有相反的状态,比如动量、自旋什么的。但是,如果你没有观察它们,它们的状态是不确定的。比如,任何一个粒子都同时具有向上和向下的自旋方向。也就是说,它们处于一种叠加态。」 看着猫迷惑的目光,老者决定再解释两句:「如果你观察其中一个粒子,它会马上从两种状态中 选择 一个。比如,你会发现它的自旋方向是向上或者向下的。」 听到这里,猫突然想起了什么,愤愤不平地说:「叠加态这个词儿我听说过。一个叫薛定谔的家伙为了验证这个理论,弄得我一个兄弟至今生死不知。」 老者并不打算回顾历史问题:「让人惊奇的事情还在后面呢?由于两个粒子具有相反的状态,所以这时候你也就知道了另一个粒子的状态。看起来好像这个粒子在被观察的瞬间,把自己的选择告诉了它的同伴。即使它们相隔千山万水,信息也能瞬间到达。我们把这种奇特的现象叫做量子纠缠。」 猫大吃一惊,说:「怎么可能?难道这种信息传送的速度超过了光速?这不符合相对论吧?」 「看起来是这样。不过量子纠缠的原理目前没有人知道。」 老者想了想,底气不太足地说:「也许相互纠缠的的粒子之间有一条微型虫洞,可以在瞬间传递信息。」 4. 黑洞火墙 猫没有兴趣深究这种玄之又玄的问题,它问道:「好吧,可这给黑洞理论带来什么问题呢?」 老者抖擞精神,在黑板上画了另外一个例子。 「比如,米奇和米妮是诞生于黑洞视界的一个正负粒子对;而唐纳和黛西是诞生于视界的另一个粒子对。它们都是相互纠缠的。」猫点点头,表示理解。 「在离开黑洞之后,米奇不可避免地会和其他逃离黑洞的粒子发生纠缠,比如,上图中的黛西。问题就出来了:量子纠缠是一种一对一的关系。米奇不可能同时和两个粒子发生纠缠。在和黛西发展超友谊关系以前,它必须和米妮分手。」 猫若有所思的说:「这么说,量子纠缠就像那种传统的恋爱关系,容不下第三者。」 老者促狭的一笑:「是啊。我发现最近你和邻居家的大白猫打得火热。你敢不敢同时去勾搭一下街对面的波斯猫?」 想想大白猫揪住自己的尾巴在地上乱砸的恐怖情景,猫连忙大摇其头。为了转换话题,猫问道:「分手就分手呗,这对粒子来说不是什么问题吧?」 「问题大了。量子纠缠需要很高的能量才能打破的。这就意味,黑洞视界表面实际上充斥强大的能量,大到足以打破量子纠缠,让米奇肆无忌惮地去寻找新的伴侣。」 猫想了想,问道:「这么说,黑洞视界实际上是一道高能量的火墙了?」 老者点点头:「我们确实把它叫做黑洞火墙。」 猫总觉得这个理论有问题。想了半天,它问道:「天下没有 免费的午餐。这个庞大的火墙需要的能量一定不少吧?这些能量从哪里来?」 「这是个好问题。」老者赞许地说,「你可以这样理解,能量来自黑洞蒸发损失的质量。」 老者又在黑板上画了一张图。 「从我们的角度来看,通过霍金辐射逃出黑洞的粒子,能量非常低。这也是黑洞长寿的秘诀。但是不要忘了,这些粒子都是从黑洞强大的引力场中爬出来的。引力场对粒子的能量也有红移效果(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物体吗?),所以,从黑洞外观察到的粒子和它刚诞生时并不一样。」 猫好奇的问:「那么粒子刚诞生的时候是什么样子呢?」 老者回答道:「要回答这个问题,我们只需要让时钟倒转,让时间回到粒子刚诞生的时刻。」 猫插嘴说:「这个方法是不是和我们研究宇宙大爆炸的方法一样?」 老者心想:「这个傻猫知道的事情还真不少。」 他点点头,说:「不错。如果让时钟倒转,我们会看到粒子向黑洞视界坠落,它的能量越来越高。不难看出,粒子从黑洞视界产生的时候,它携带了很高的能量。这应该就是黑洞火墙能量的来源了。」 5. 问题 擦掉黑板上的图,老者问道:「我讲了这么多,你看出其中的问题了吗?」 猫想了半天,结结巴巴地说:「看起来好像广义相对论和量子力学有冲突。」 老者微笑着说:「不错,这就是问题的关键。广义相对论认为黑洞视界和别的空间位置并没有什么区别,它只是一个逃逸速度恰好等于光速的表面,所以老鼠可以毫发无伤的掉进去。而量子力学认为黑洞视界有一个高能量的火墙,它会把老鼠烧成灰烬。」 猫觉得世界观收到了冲击——原来万能的科学也有不能解决的问题。它张大嘴,发了半天呆,最后傻乎乎的问:「那怎么办?」 老者并不在乎:「没什么大不了的。也许我们需要放弃其中一个了理论了,或者我们需要放弃两个,而去寻找一种新的理论来完美地解释黑洞。这不就是我们的工作吗?不过,目前能够调和这个矛盾的理论还没有出现。」 老者沉思了片刻,说:「我有时候在想,也许广义相对论和量子力学都是对的。它们从不同的角度描述了同一个现象。猫安然无恙的穿越黑洞和猫被火墙化为灰烬都是真实的。」 猫撇撇嘴,想:「这些物理学家还真是敢想。这不是胡说八道吗?」 思来想去,它觉得还是在无法接受这个想法,于是状着胆子表示反对:「这,这好像有点自相矛盾吧?」 老者摇摇头,满不在乎地说:「无妨。只要老鼠不能回到我们身边,和我们交流它在黑洞里面的经历,不就没有矛盾了?」 猫突然发现自己竟然无言以对,不过它转念一想,这种观点好像也有可取之处——也许和大白猫谈恋爱与勾搭波斯猫都是自己的叠加态呢?想到这里,它就哼着小曲,喜滋滋的回家去了。
光阴似箭,日月如梭,一转眼老鼠掉进黑洞已经一年了。 一天,猫又来到了黑洞旁边。它知道,在它的时间线上,老鼠还没有真正掉进黑洞视界(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物体吗?)。它还在想,老鼠到底会安然无恙地穿过黑洞视界,还是会在视界化为灰烬(Mandelbrot:如何理解「我们的宇宙有可能是遥远宇宙的全息投影」?)。这时,猫意外地发现,上次遇到的那位老者也在太空中负手而立,眺望那个有去无回的深渊。 猫上前搭讪:「老先生,上次你说黑洞视界表面充斥着很高的能量,是真实的吗?」 老者认出了猫,回答说:「那有什么理论是绝对真实的?我们只是在用各种理论尽量接近真实。对于黑洞来说,这些理论要说接近真实都比较勉强。任重而道远啊。」 看见猫在发呆,老者又说:「不过这里面还有很多细节。如果你有兴趣的话,我们可以慢慢谈。」 猫连忙点点头。 1. 广义相对论 「你该知道黑洞理论起源于广义相对论吧?」老者问道。 「知道一点。大概就是说,物质被压缩到那个史瓦西半径以内。它的巨大引力造成附近时空的极度扭曲,结果,连光都跑不出来。」猫绞尽脑汁,结结巴巴的挤出几句话。 「差不多是这么回事。那么老鼠掉进黑洞的过程实际上是一个自由落体的过程。它不会感觉到黑洞引力对它有任何影响。即使在它穿过视界的时候,也不会发生什么戏剧性的事件。我们把这个假设叫做No Drama。」老者用尽量简单的语言开始讲述。 听到熟悉的内容,猫激动地直点头:「对对,这个我知道。」 2. 霍金辐射 看见猫居然听得懂,老者谈兴大发,兴致勃勃的接着说:「后来,霍金,就是你上次遇到那个老头,用量子力学的原理来研究黑洞,意外地发现,原先我们以为一毛不拔的黑洞其实会通过蒸发损失质量。我们把这个理论叫做 霍金辐射 。」 老者掏出一块小黑板,开始画图。 「真空中总是在不停地产生正负粒子对,然后它们又很快互相湮灭,回归真空。这本来无伤大雅,但是如果它发生在黑洞视界附近,问题就出现了。」 猫被勾起了好奇心:「什么问题?」 「黑洞强大的引力能够撕裂这个这个粒子对。结果,一个带着正能量的粒子挣脱了引力,逃离了黑洞。而另一个带着负能量的粒子却掉进了黑洞。这样,黑洞不断吸收负能量粒子,质量不断减小。质量小到一定程度的时候,它就会在一场爆炸中烟消云散。」老者尽力选择最简单的语言解释了霍金辐射和黑洞蒸发理论。 猫觉得学到了新知识。它兴奋的说:「这么说,黑洞也不是永恒的了?天文学家观察到黑洞的末日了吗?」 老者笑了笑说:「黑洞的寿命很长,长到几乎失去了意义(Mandelbrot:宇宙中有哪些细思极恐之事?)。等所有的恒星都熄灭,我们也等不到黑洞爆炸。」 3. 量子纠缠 「不过,还是回到正题上来吧。」 老者接着说:「你看,这两个粒子来自同一个粒子对。它们有相反的状态,比如动量、自旋什么的。但是,如果你没有观察它们,它们的状态是不确定的。比如,任何一个粒子都同时具有向上和向下的自旋方向。也就是说,它们处于一种叠加态。」 看着猫迷惑的目光,老者决定再解释两句:「如果你观察其中一个粒子,它会马上从两种状态中 选择 一个。比如,你会发现它的自旋方向是向上或者向下的。」 听到这里,猫突然想起了什么,愤愤不平地说:「叠加态这个词儿我听说过。一个叫薛定谔的家伙为了验证这个理论,弄得我一个兄弟至今生死不知。」 老者并不打算回顾历史问题:「让人惊奇的事情还在后面呢?由于两个粒子具有相反的状态,所以这时候你也就知道了另一个粒子的状态。看起来好像这个粒子在被观察的瞬间,把自己的选择告诉了它的同伴。即使它们相隔千山万水,信息也能瞬间到达。我们把这种奇特的现象叫做量子纠缠。」 猫大吃一惊,说:「怎么可能?难道这种信息传送的速度超过了光速?这不符合相对论吧?」 「看起来是这样。不过量子纠缠的原理目前没有人知道。」 老者想了想,底气不太足地说:「也许相互纠缠的的粒子之间有一条微型虫洞,可以在瞬间传递信息。」 4. 黑洞火墙 猫没有兴趣深究这种玄之又玄的问题,它问道:「好吧,可这给黑洞理论带来什么问题呢?」 老者抖擞精神,在黑板上画了另外一个例子。 「比如,米奇和米妮是诞生于黑洞视界的一个正负粒子对;而唐纳和黛西是诞生于视界的另一个粒子对。它们都是相互纠缠的。」猫点点头,表示理解。 「在离开黑洞之后,米奇不可避免地会和其他逃离黑洞的粒子发生纠缠,比如,上图中的黛西。问题就出来了:量子纠缠是一种一对一的关系。米奇不可能同时和两个粒子发生纠缠。在和黛西发展超友谊关系以前,它必须和米妮分手。」 猫若有所思的说:「这么说,量子纠缠就像那种传统的恋爱关系,容不下第三者。」 老者促狭的一笑:「是啊。我发现最近你和邻居家的大白猫打得火热。你敢不敢同时去勾搭一下街对面的波斯猫?」 想想大白猫揪住自己的尾巴在地上乱砸的恐怖情景,猫连忙大摇其头。为了转换话题,猫问道:「分手就分手呗,这对粒子来说不是什么问题吧?」 「问题大了。量子纠缠需要很高的能量才能打破的。这就意味,黑洞视界表面实际上充斥强大的能量,大到足以打破量子纠缠,让米奇肆无忌惮地去寻找新的伴侣。」 猫想了想,问道:「这么说,黑洞视界实际上是一道高能量的火墙了?」 老者点点头:「我们确实把它叫做黑洞火墙。」 猫总觉得这个理论有问题。想了半天,它问道:「天下没有 免费的午餐。这个庞大的火墙需要的能量一定不少吧?这些能量从哪里来?」 「这是个好问题。」老者赞许地说,「你可以这样理解,能量来自黑洞蒸发损失的质量。」 老者又在黑板上画了一张图。 「从我们的角度来看,通过霍金辐射逃出黑洞的粒子,能量非常低。这也是黑洞长寿的秘诀。但是不要忘了,这些粒子都是从黑洞强大的引力场中爬出来的。引力场对粒子的能量也有红移效果(Mandelbrot:黑洞真的是吞噬了物体吗?),所以,从黑洞外观察到的粒子和它刚诞生时并不一样。」 猫好奇的问:「那么粒子刚诞生的时候是什么样子呢?」 老者回答道:「要回答这个问题,我们只需要让时钟倒转,让时间回到粒子刚诞生的时刻。」 猫插嘴说:「这个方法是不是和我们研究宇宙大爆炸的方法一样?」 老者心想:「这个傻猫知道的事情还真不少。」 他点点头,说:「不错。如果让时钟倒转,我们会看到粒子向黑洞视界坠落,它的能量越来越高。不难看出,粒子从黑洞视界产生的时候,它携带了很高的能量。这应该就是黑洞火墙能量的来源了。」 5. 问题 擦掉黑板上的图,老者问道:「我讲了这么多,你看出其中的问题了吗?」 猫想了半天,结结巴巴地说:「看起来好像广义相对论和量子力学有冲突。」 老者微笑着说:「不错,这就是问题的关键。广义相对论认为黑洞视界和别的空间位置并没有什么区别,它只是一个逃逸速度恰好等于光速的表面,所以老鼠可以毫发无伤的掉进去。而量子力学认为黑洞视界有一个高能量的火墙,它会把老鼠烧成灰烬。」 猫觉得世界观收到了冲击——原来万能的科学也有不能解决的问题。它张大嘴,发了半天呆,最后傻乎乎的问:「那怎么办?」 老者并不在乎:「没什么大不了的。也许我们需要放弃其中一个了理论了,或者我们需要放弃两个,而去寻找一种新的理论来完美地解释黑洞。这不就是我们的工作吗?不过,目前能够调和这个矛盾的理论还没有出现。」 老者沉思了片刻,说:「我有时候在想,也许广义相对论和量子力学都是对的。它们从不同的角度描述了同一个现象。猫安然无恙的穿越黑洞和猫被火墙化为灰烬都是真实的。」 猫撇撇嘴,想:「这些物理学家还真是敢想。这不是胡说八道吗?」 思来想去,它觉得还是在无法接受这个想法,于是状着胆子表示反对:「这,这好像有点自相矛盾吧?」 老者摇摇头,满不在乎地说:「无妨。只要老鼠不能回到我们身边,和我们交流它在黑洞里面的经历,不就没有矛盾了?」 猫突然发现自己竟然无言以对,不过它转念一想,这种观点好像也有可取之处——也许和大白猫谈恋爱与勾搭波斯猫都是自己的叠加态呢?想到这里,它就哼着小曲,喜滋滋的回家去了。