题目

挑战霍金 的“大象闯黑洞”是怎样动摇相对论的呢?

提问时间：2020-10-18

答案

试想一头大象闯入黑洞会怎么样?这也许听起来像天方夜谭.然而美国加里福尼亚州斯坦福大学的物理学家萨斯坎德却用几十年时间来“营救”它.他的研究结果出人意料,大象竟然在黑洞的两边,这在物理界引起“大地震”,甚至动摇了爱因斯坦的“相对论”.霍金赌输了 二十世纪七十年代,牛津大学著名科学家斯蒂芬·霍金从理论上提出黑洞不是真黑,而会慢慢蒸发,并过几十亿年消失.人们称它为“霍金辐射”,这种现象常发生在黑洞的边缘.但是霍金自问,如果黑洞最终消失,里面的一切将会怎样?他推测所有物质会随辐射漏回宇宙,速度比光还要快,以逃脱黑洞的“魔爪”.30年来霍金坚信黑洞中的信息一定是在蒸发中被毁灭.他认为辐射是随机的,不包含最初进入黑洞时的信息.为此1997年他和加利福尼亚州理工大学物理学家基普·索恩及同校的约翰·普雷斯基尔打赌,赌注是一本《棒球百科全书》.这事沉寂多年,直到2004年6月,霍金出人意料地在爱尔兰都柏林的会议上宣称,自己一直以来在走弯路,黑洞没有摧毁信息.因为《棒球百科全书》很难买到,所以霍金只好送给普雷斯基尔教授一本《板球百科全书》作为补偿,一时成为科学界的佳话.万物之理 是什么使霍金改变想法的呢?是美国新泽西州普林斯顿大学高级研究学院一名叫胡安·马多西纳的青年科学家.尽管当时他名不见经传,但是在过去十年中一些科学家认为他对理论物理学作出了杰出的贡献.他采用了超弦理论,又称万物之理(TOE),很好地协调了量子理论和相对论.在1998年的弦论会议上,人们借用“玛卡莲娜”的旋律,以一首名为 “马多西纳”的歌曲向他致敬.1997年他发展了萨斯坎德和荷兰乌得勒支大学的杰勒德·胡夫特提出的超弦理论.他认为,黑洞像其他东西一样有一个边界,它的蒸发和边界上相互作用的量子相符合.在宇宙中普通量子不会发生信息丢失,那么在黑洞中同样也不存在信息的神秘失踪.他说：“边界理论考虑到了量子力学的规则.它让所有的信息很明了.” 虽然这个结果令人吃惊,但是多数物理学家到目前为止认可这个想法.萨斯坎德说：“包括霍金在内的反对派不得不放弃,因为这个理论是如此精确.所有的理论物理学家从最实用的目的出发都认为全息原理和信息守恒是真实的.” 大象闯黑洞 要是信息没有在黑洞里丢失,那么它又在那里?马多西纳说：“霍金辐射不是随机的,其中包含着进入黑洞物质的微妙信息.” 萨斯坎德认为这项研究是一大进步,可以用大象闯黑洞的思想试验来描述.想象小女孩艾丽丝在一个安全的距离看黑洞,突然一头大象愚蠢地向黑洞边界走去.她发现大象越靠近黑洞边界速度越慢,这是广义相对论在起作用.大象在“霍金辐射”的烘烤下变成一堆灰.在艾丽丝看来,大象的信息就在灰烬中.故事还蛮曲折.当大象闯入黑洞时,艾丽丝没有意识到她的朋友鲍勃正骑在象背上.鲍勃也得感谢相对论,当他穿过黑洞边界时甚至没有觉察到.在宇宙中边界不像一堵砖墙,而只是一个点.随后他自由降落,黑洞里和宇宙中的其他地方没什么分别.最后重力一下子将鲍勃征服,把他连同大象撕得四分五裂.不过这时鲍勃却看到了保存的信息.两个故事都谈不上美丽,但哪一个正确呢?依艾丽丝看,大象从未通过边界,之前已经被“霍金辐射”吞没；按鲍勃来说,大象穿过了边界,并且始终快乐地飘浮,直到变成“意大利式细面条”.这两个故事互相矛盾,那么大象到底在哪里呢?答案你也许猜到了,萨斯坎德认为大象在黑洞的两边.他说：“量子力学总是用‘或者’替代‘和’.光是波还是粒子,要根据你做的试验来定.黑洞的情况也一样,我们有时用闯入的物质来描述,有时靠传出的霍金辐射来说明.所以一只大象同时在两个地方：活大象在黑洞中,而死大象在黑洞外.” 萨斯坎德补充说,如果黑洞足够大,同一只大象的两个位置可能相距几十亿光年.动摇“相对论” 按照爱因斯坦的“相对论”,在一定条件下距离会伸缩,时间能快慢,但是物体的时空位置还是精确地被划定.然而萨斯坎德觉得,所有最新的证据表明一个物体在时空中的位置不再是确定的.他称这是“新式相对论”,不仅适用于黑洞,而且也可用在其他地方.只要有边界,只要是任何加速的东西———地球、太阳系和银河系等,这个规律就会起作用.这一观点无疑在物理界引起“大地震”,甚至动摇了爱因斯坦的“相对论”.加利福尼亚大学的理论家史蒂夫·吉丁斯说：“我们被推进了一个自相矛盾的黑洞,我们能想象的有关黑洞的每一种结果与现代物理学的一些重要方面背道而驰.可能探测黑洞的信息将导致一场革命,意义和量子力学的出现一样深远.通过破译黑洞的信息,人类可能会发现宇宙的另一边是怎样的.” 黑洞计算机 马萨诸塞州技术学院的塞思·劳埃德认为,这个理论有助人们从黑洞中获取信息.当下落的“霍金粒子”与黑洞内的物质相合,它就会发送这个物质的信息给黑洞内的“同伴”.如果这个计划奏效,黑洞将令人信服地作为量子计算机来使用