愛因斯坦為什麼說:“小的是重的,大的是輕的”?丨聖芭芭拉會戰 (下)丨黑洞戰爭 10丨AC茂的模

如果黑洞互補型原理是正確的
那麼在觀察者眼中
一個掉入黑洞的氫原子只有達到世界附近溫度為10萬度的點時才會被電離
這只可能發生在離世界非常近的位置
大約只有百萬分之一釐米的距離
這聽起來並不十分困難
百萬分之一釐米比普朗克長度好多了
想要觀測這個氫原子
需要一個波長為10的負六次方釐米的光子來照亮它
但問題在於波長這麼小的光子具有極高的能量
這些能量足以使它們在撞擊原子時候電離原子
換句話說
任何證明原子不會被炙熱的延伸世界電離的嘗試都會導致原子被電離
講得更深刻一些就是
任何觀察電子和質子在世界上隨機遊動的歧途
都會將粒子炸掉
並把它們散射到世界各處
為了追蹤在世界表面厚度為普朗克尺度的表層中的原子
我們必須用比普朗克能量更高的光子去撞擊它
沒人知道這樣的碰撞會是什麼樣子
世界上還沒有一臺加速器能將粒子加速到接近普朗克能量
約翰·普雷斯基爾將這個想法總結成了一個原理
任何關於黑洞互補性原理將導致可觀測矛盾的理論證明
將不可避免地依賴於那些關於超越普朗克尺度物理學的無根據假設
換句話說
這就是對一個遠遠超出我們經驗範圍的自然做出的假設
接著普雷斯基爾提出了他的質疑
假設有一筆特的信息掉入了黑洞
根據黑洞互補性原理
外部的某個人可以收集霍金輻射並最終還原這一筆特信息
但是假設在收集完這一筆特信息後
他帶著這一筆特信息跳進了黑洞
那麼在黑洞內部會有這一筆特信息的兩份拷貝嗎
這一質疑沉重打擊了黑洞互補性原理
如果內部的某人發現了兩份同一筆特的拷貝
那麼這將破壞量子不可克隆定理
但是普雷斯基爾自己就給出了部分的答案
他推測這兩個複製品在他們撞上起點前可能不會相遇
當外部觀測者能夠還原信息並跳入黑洞之時
那個原本的信息早已經到達起點了
而臨近起點的物理學屬於量子引力的神祕未知領域
想要還原一筆特信息需要用輻射一半霍金光子的時間
如果黑洞輻射光子的速率特別慢
那麼輻射掉一個恆星質量的黑洞所產生的一半的霍金光子
可能要花10的68次方年
這個時間要比宇宙年齡大得多
但是隻需要幾分之一秒
那個原始的信息就會被起點所毀滅
顯然要從霍金輻射中得到這個信息
然後跳入黑洞與原始的那個進行比較是不可能的
所以黑洞互補性原理暫時還是安全的
既然這個理論看上去如此不靠譜
那為什麼不摒棄它呢
要回答這個問題
先要從愛因斯坦的一個思想實驗說起
自狹義相對論發表以來
一項重要的再認知工作就是要求破除
大的是重的小的是輕的這樣一個本能
並用一個完全相反的邏輯
大的是輕的小的是重的來代替它
就像很多其他情況一樣
愛因斯坦是第一個模糊地意識到這種邏輯導致的思想者
這裡需要用到他的光子縮小核思想實驗
想像有這樣一個核子
核內空無一物除了幾粒光子
並且核子可以任意地改變大小
其內壁是一些能夠完全反射的鏡子
所以被捕獲在覈子裏的光子
將在這些鏡子裏來回反彈無法逃逸
一個被禁錮在封閉區域內的波
其波長不可能比那個區域的尺寸大
把一個波長10米的波裝進一個1立方米的正方體核子
這是不可能的
然而把一個波長1釐米的波裝進去就毫無壓力
愛因斯坦想像不斷地縮小這個核子
而將那些光子始終禁錮在裏面
隨著核子的變小
光子的波長不可能保持不變
唯一可能的就是每一個光子的波長都一定隨著核子變小了
最終核子將變得極其微小
裏面充滿了極高能量的光子
這是由於他們的波長相應的變短了
而繼續縮小核子會增加更多的能量
根據愛因斯坦的智能方程E等於mc方
如果核子裏的能量增加
那質量也同樣會增加
因此它變得越小
質量增加的越多
也就是前面說的那個反直覺的結論
小的是重的
大的是輕的
大小和質量的關系被愛因斯坦以另一種方式顯現出來
大自然看起來是具有層次性結構的
結構中的每一層由更小的物體構成
因此分子由原子構成
原子由電子 質子和中子構成
質子和中子由夸克構成
粒子對撞實驗與我們日常的觀測並沒有本質性區別
我們日常的觀測中光被物體反射
然後聚焦到人眼的視網膜上
但如果要探測非常小的尺度
我們就必須用能量極高的光子
顯然用高能量的光子探查原子時
大量的質量會被聚集在一個很小的空間
我們可能永遠無法把粒子加到普朗克能量
但是倘若能夠做到的話
我們已經知道將會發生的事情
那麼大的質量被填進一個如此小的空間
會形成一個黑洞
我們將會被黑洞的世界所阻隔
它會把我們想要探測的每一樣東西都藏在它的內部
而當我們想通過提高光澤能量來看更小的距離時
世界將變得越來越大
並且隱匿越來越多的東西
這又是典型的左右為難的情況
你把槍放下
我為什麼要放下
你先把槍放下
他放我就放
我放你敢開槍嗎
你怎麼知道我不敢
你把槍放下
讓他先放
你以為他敢開槍
你怎麼知道我不敢開槍
那麼碰撞會產生什麼呢
破晶輻射
僅此而已
但是隨著黑洞的變大
破晶輻射的光子的波長也在變大
微小的亞普朗克尺度物體的清晰圖像
將被這些長波長的光子所產生的
越來越模糊的圖像所取代
所以隨著碰撞能量的增加
我們最多也只能在一個較大的尺度上
重新認識大自然
因此還原論這種認為事物
是由更小東西構成的理論
將在普朗克尺度的時候
停下前進的腳步
在物理學中
紫外和紅外這兩個術語
所呈現出來的意義
已經超越了它們僅僅與短波長
和長波長有關的本意
物理學家們現在常常用UV表示高能
用IR表示低能
但是新的認知理論
把它們都混淆起來了
超越普朗克質量後
能量越高意味著尺度越大
能量越低意味著尺度越小
這種混淆體現在術語上
新的趨勢是把大尺度和高能量等同起來
這被模糊不清地稱為
紅外-紫外聯繫
正是因為對紅外-紫外聯繫缺乏理解
才使物理學家們在關於
信息掉入世界的實質的問題上
受到了誤導
回到前面提到的
觀察一個原子掉入黑洞的過程
隨著時間的推移
原子越來越接近世界
這需要越來越高能量的光子
去變息這個原子
最終能量會變得很大
光子和原子的碰撞會產生一個大的黑洞
然後圖像只能通過
長波長的霍金輻射整合起來
結果並不是原子圖像變得更加清晰
而是變得越來越模糊
直到該原子看起來覆蓋了整個世界
從外部來看
就好像一滴墨水融解在一杯熱水中一樣
儘管黑洞互補性原理
看起來是如此的不可思議
但它似乎是自洽的
並且推導過程
和海森堡的不確定性原理一脈相承
一部分迷茫的與會學者
轉而認同了特胡夫特和薩斯凱德的觀點
然而霍金並沒有為之動容
就在聖巴巴拉會議接近尾聲之際
約瑟夫·波爾欽斯基站起來說
他要做一個調查投票
問題是
你相信當黑洞蒸發時
信息如霍金所主張的那樣丟失了嗎
或者你相信如特胡夫特和薩斯凱德所宣稱的
信息會跑出來嗎
與會者被要求在常見的三個選項
以及外加的第四個選項中選擇一個投票
第一
信息掉進黑洞後便不能挽回的丟失了
第二
信息在霍金輻射中的光子和其他粒子中
第三
信息被束縛在微小的普朗克尺度的殘留物中
第四
其他
大家舉手錶決
波爾欽斯基在報告廳前面的白板上統計了結果
最終結果為
信息丟失25票
信息從霍金輻射中出來39票
殘留物7票
其他6票
量子派取得了投票的勝利
但是這個結果沒有什麼意義
科學不像政治
它並不是由民意來決定的
常規的科學發展進程
一般是實驗數據的累積
用理論模型解釋這些數據
最後解方成
這一進程常常會被主要範式的變更所打斷
而一個範式的改變
無非就是用一種世界觀代替另一種世界觀
之後
整套新的思考問題的方式出現
並替代了先前的概念框架
達爾文的自然選擇原理就是一個範式的改變
愛因斯坦把空間和時間歸為時空
再變為可行變有彈性的時空
也是範式的改變
量子力學的邏輯取代經典的決定論
也是範式的一個重要變革
科學範式的改變
並不像藝術或政治範式的改變
藝術和政治中觀點的改變
僅僅就是觀點的改變
相比較而言
牛頓的運動規律
並不會回到亞裏士多德哲學
而廣義相對論也不會變回牛頓力學
因為在對太陽系做精確預測的時候
廣義相對論顯然比牛頓的引力理論更準確
範式的改變在科學中
並不會像在藝術和政治中那樣左右橫跳
而是單向的 前進的
換句話說
這種改變是真實的改變
當然 科學是人的科學
在爭取新範式的鬥爭中
觀點和情感就像在人類其他任何活動中一樣不穩定
但是不管怎麼說
當所有流行的觀點都被科學方法過濾掉時
一些細微的真理內核就被留了下來
它們可能會被改進
但是一般來說是不會被逆轉的
黑洞戰爭就是一場爭取新範式的鬥爭
量子派贏得了聖巴巴拉會議的投票調查
並不代表任何實質性的勝利
波爾欽斯基 斯特羅明格
還有霍金都投了反對票
戰爭的走向仍撲朔迷離