往屆回聲|最簡單又最複雜的黑洞,是否藏着物理學終極理論?

澎湃新聞記者 虞涵棋

2020-10-26 18:06 來源:澎湃新聞

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編者按:第三屆世界頂尖科學家論壇將於10月30日-11月1日在上海舉行。包括61位諾貝爾獎得主在內,近140位諾貝爾獎、圖靈獎、菲爾茲獎、沃爾夫獎、拉斯克獎等全球頂尖科學獎項得主出席。論壇期間將有130餘場科學家獨立演講、70餘場主題峯會,大部分活動將通過網絡向公眾直播。
在過往的兩屆世界頂尖科學家論壇上,宇宙是科學家繞不開的話題。科學殿堂的頂級獎項諾貝爾獎已經連續兩年將物理學獎頒給了天體物理學領域。其中,黑洞在今年是首次獲得諾獎的垂青。
澎湃新聞特此整理世界頂尖科學家論壇往屆參與者關於黑洞的討論。新科諾貝爾物理學獎得主安德烈亞·蓋茲(Andrea Ghez)今年也將來到世界頂尖科學家論壇,帶來有關銀河系中心黑洞的研究分享。

今年的諾貝爾物理學獎頒給了“黑洞和銀河系中最黑暗的祕密”。委員會主席大衞·哈維蘭(David Haviland)表示:“今年獲獎者們的發現為緻密和超大質量天體的研究開闢了新天地。但是,這些奇異天體仍有許多待解之謎,激勵未來研究。不僅有關於它們內部結構的問題,還有如何在黑洞附近的極端條件下檢驗我們的引力理論。”
提起黑洞,絕大多數人想到的第一個名字一定是霍金。但我們要從另一個並不十分知名的科學家講起:卡爾·史瓦西(Karl Schwarzschild)。
在第一次世界大戰的東線炮火中,這位德國天文學家、國防軍炮兵中尉用物理計算來緩衝面對俄國人的恐懼。他因為罹患嚴重的皮膚病,在1916年去世,年僅42歲。不過,在生命中的最後一年,史瓦西推算愛因斯坦的廣義相對論,得到了一個令人費解的解:
在離緻密天體或大質量天體的中心某一距離處,由於引力太大,逃逸速度等於光速,在此距離以內的任何物質都不能溢出,包括光本身。
後人將此距離稱為史瓦西半徑。我們現在不難看出,史瓦西解出的這個宛如中國古代神獸“饕餮”的奇點就是黑洞,而史瓦西半徑就是黑洞的視界。
不過,黑洞(Black hole)這個朗朗上口的名稱,還要等待美國物理學家約翰·惠勒(John Wheeler)在1969年紐約的一次學術會議上拋出,隨後才流傳開來。
第二屆世界頂尖科學家論壇期間,在上海電力學院舉行的“黑洞與空天科技峯會”上,2004年諾貝爾物理學獎得主、量子色動力學的主要奠基人之一大衞·格羅斯(David Gross)用一句話來形容黑洞:“黑洞是時空的陷阱。”
黑洞不黑
我們接着來講另一個大眾不熟悉的名字,雅各布·貝肯斯坦(Jacob Bekenstein)。這位已故以色列物理學家是上面提到的黑洞命名者惠勒的學生。
1972年,貝肯斯坦在《物理學評論》發表了一篇名叫《黑洞和熵》的論文,一石激起千層浪。他提出,黑洞的熵就是它的表面積除以普朗克常數平方再乘以一個無量綱數。或者説,越大的黑洞熵越多,和表面積完全成正比。
由於信息和熵之間密不可分,這篇論文也給黑洞內所能包含的信息——乃至有限空間內所能包含的最大信息——規定了上限。後人稱之為“貝肯斯坦上限”。
這篇論文激起的巨浪中就包括霍金的質疑。
要知道,有熵就有温度,有温度就有輻射,但黑洞是任何東西都無法逃逸的界面,怎麼能向外輻射呢?
後來爭論的結果,聽説過“霍金輻射”這個專業術語的讀者想必可以猜到了。兩年後的1974年,霍金通過理論推導提出了黑洞輻射,即黑洞非但有温度,還會向外輻射微弱的光波。當成雙成對的粒子——如電子和正電子,或一對光子——在強烈的引力場中產生時,其中一個粒子會墜入黑洞,另一個會逃離,從而產生這種輻射。
這篇論文的標題同樣簡潔有力:《黑洞不黑》。
貝肯斯坦因其開創性的貢獻,將他自己的名字和霍金綁定在了一起。黑洞輻射有時也被稱作“貝肯斯坦-霍金輻射”。
霍金錯了嗎?
黑洞不黑,這事還沒完。
就像它的誕生來自於對廣義相對論的推算,黑洞這種天體有時就像純粹的思想實驗,最簡單卻又最複雜,環環相扣,每一步的推算都會引發後續的麻煩。
貝肯斯坦-霍金輻射引發的麻煩是,黑洞輻射會將信息帶出嗎?如果輻射一直進行下去,速度越來越快,黑洞會自己蒸發殆盡,走向壽命的盡頭,那它之前“吃”進去的信息也憑空消失了嗎?
按照量子力學的敍述,信息既不能被完全複製,但也不會憑空丟失。“如果你把信息投入到黑洞當中,你的信息就完全丟失了,否則就必須改變量子力學的基本原理。”大衞·格羅斯解釋道。
“貝肯斯坦和霍金關於黑洞行為模式的計算,和我們之前所做過的一些演算和預測似乎是不一致的,呈現了一種比較奇異的狀態,這也是我們在過去的幾十年試圖解釋的。”
霍金當年為此和自己的兩個好朋友打了個賭。一個是2017年諾貝爾物理學獎得主、引力波探測功勳、《星際穿越》顧問基普·索恩(Kip Thorne),另一個則是加州理工教授、“量子霸權”提出者普雷斯吉爾(John Preskill)。
霍金認為黑洞的蒸發不同於常規的物理學過程,不會將信息帶出黑洞。基普也站在了霍金這一邊。
普雷斯吉爾則堅信在量子力學機制下,信息不會消失,而總是能以某種微妙的形式釋放出來。就像兩本不同的百科全書燒成了看上去一模一樣的灰燼,也總能鑑別出細微的差別。
兩邊的賭注是,“贏家從輸者那裏拿到一本他想要的百科全書,從而自由獲取他想要的信息。”這個賭約,最終以霍金拱手認輸結束。
2004年,在都柏林舉行的國際廣義相對論和引力大會上,霍金當眾作了一份關於信息不會被黑洞毀滅的報告,通過複雜的拓撲計算推翻了他近30年來的判斷。他在隨後的新聞發佈會上叫來索恩和普雷斯吉爾,向普雷斯吉爾送上一本2688頁、重達7公斤的棒球百科全書,裏面記錄了16000名職業棒球運動員的生涯。
普雷斯吉爾是個美國人,也是個棒球粉。棒球百科全書在英國可並不好找,以至於霍金一度想用板球百科全書敷衍過去,甚至開玩笑説要把百科全書燒成灰寄過去。
這位已故的英國物理學家以“打賭狂魔”聞名。早在1974年,當人類發現的第一個黑洞候選天體天鵝座X-1尚未得到確認時,霍金就抱着“風險對沖”的心態與索恩打賭,黑洞並不存在。
如果黑洞並不存在,索恩將給霍金訂閲4年的英國諷刺雜誌《Private Eye》;反之,霍金將給索恩訂閲1年的美國成人雜誌《閣樓》。
在1988年出版的《時間簡史》中,霍金寫道:“打賭的時候我們有80%的把握天鵝座X-1是個黑洞,現在有95%的把握,但這個賭還沒分出勝負。”
1990年,在第二版的《時間簡史》中,霍金承認輸掉賭約:“儘管從打賭至今,天鵝座X-1的身份仍未蓋棺定論,但其他一些黑洞觀測證據使我願賭服輸。我把一年的《閣樓》雜誌和妻子的憤怒送給索恩了。”
如今,神祕黑洞已經成為天文物理的“顯學”,但霍金就黑洞信息悖論問題的願賭服輸,並未得到廣泛的認可。
大衞·格羅斯(David Gross)在回答學生提問時説道:“我們很希望能夠證明霍金是錯的,希望證明黑洞並不違反量子力學基本的原理。換句話説,我們需要證明的就是在黑洞物理學理論當中,所謂的信息都應該被牢牢地被鎖在黑洞裏面。”
挑戰時空認知
格羅斯和他的學生弗朗克·維爾澤克(Frank Wilczek)因為發現了夸克的“漸進自由”現象而獲得諾獎。這是一種反直覺的神奇現象:核力在很短的距離裏會減弱,讓原子核中的夸克表現得像自由粒子,而當距離拉大後,束縛它們的吸引力反而變大。這也能幫助解釋,為什麼我們無法直接把原子核拆成夸克。
研究夸克這種極微小粒子的物理學家,為什麼會和黑洞這種極龐大天體扯上關聯?
原來,根據霍金等人嚴格證明的“黑洞無毛定律”:無論什麼樣的黑洞,其最終性質僅由幾個物理量(質量、角動量、電荷)唯一確定。
也就是説,僅用上述三個參數就可以清晰描繪出一個黑洞,沒有複雜的“毛邊”信息。惠勒因而戲稱這個理論為“黑洞無毛定律”,不愧是命名大師。
令人驚訝的是,這樣的話,黑洞就和一個簡單的基本粒子很相似。至大至小,至重至輕,至繁至簡,化而為一。
黑洞信息悖論,從根本上是描述宏觀世界的廣義相對論和描述微觀世界的量子力學之間出現悖論。那換一個方向,真正的引力理論和量子理論,能否在黑洞這種奇妙天體上出現大統一?
要知道,現代物理的終極追求之一,就是大統一理論,也稱作萬物之理。理論上宇宙間僅存在四種相互作用力,引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力。之前的科學家已經證明後三種力在本質上是同一種作用力的不同表現,只有引力遲遲未能歸納其中。
弦理論就是其中一個努力的方向。它認為世界的基本單位是二維的“能量弦”,弦在不同形態下表現為所有的基本粒子和四種相互作用力。
黑洞這種擁有極端引力場,而性質又簡潔如基本粒子的天體,是否可能是引力和其他三種力銜接的橋樑?粒子物理學家在微觀世界苦苦尋覓而屢屢碰壁,能否在黑洞附近找到答案?
“過去十幾年一個非常有意思的現象,就是我們對於粒子物理的認知一再挑戰我們對時間和空間的基本認知。”格羅斯説道。“我們要在量子的層面對時空進行重新認識。比如説,空間是不是可能超過三個維度呢?”
“在過去20年間,我們在理解開放弦和閉合弦之間的二象性上有很大的進展,我們在量子場論和絃理論的整合方面也有所突破,這種深刻的二象性理解毫無疑問會給我們帶來更多的發現,也許能幫助回答像黑洞和宇宙起源這樣非常深刻的問題。”他説道。
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責任編輯:李躍羣
校對:劉威
澎湃新聞報料:4009-20-4009   澎湃新聞,未經授權不得轉載
關鍵詞 >> 世界頂尖科學家論壇,黑洞,大統一理論,量子力學,相對論

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