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演讲百分之百是费曼式的。他的风采充满了整个舞台,用布鲁克林的腔调和肢体语言,这些夸张的手段来演示每一点。听众被迷住了。他告诉我们如何用简单直观的方式来考虑量子场论中有难度的问题。几乎其他人都用另外一种旧的方法来分析他所处理的问题。旧方法很困难,但他发现了一个技巧,使得它们都变得非常简单,就是部分子的技巧。费曼挥舞着他的魔杖,所有的答案都跳出来了。令人感到啼笑皆非的是,这旧的方法是基于费曼图的。
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对我而言,演讲最精彩的部分是当李政道打断费曼的演讲,问了一个问题,或者更像用问题的方式变相地做了一个陈述。费曼声称某种特定的图,它称为Z图,永远不会出现在他的新方法中,这简化了问题。李政道问道:“是不是在某些用矢量和旋量描写的理论当中,Z图并不是给出零结果呢?但我想它大概可以被解决。”演讲厅如同墓地一样安静。费曼看着这位士林翘楚5秒钟,接着说:“搞得定它。”然后继续做演讲。
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演讲之后,费曼走到我旁边问道:“嗨,你叫什么?”他说考虑了我的问题,想和我讨论。他问我是否知道我们随后可以见面的一个地方吗?就这样我们到西区咖啡馆见面了。
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我们随后将回到咖啡馆,但我首先需要将有关引力和量子力学的一切都告诉你们。
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我想讨论的问题是与量子力学对黑洞的效应有关的。广义相对论是引力的经典理论。当物理学家用经典的这个词时,并不是指来自于古希腊,它仅仅指理论没有包括量子力学效应而已。我们对量子理论如何影响引力场所知甚少,但所知道的这一点与在空间以引力波传播的微小的扰动有关。我所了解的这些扰动的量子理论的大多数是费曼做出的贡献。
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我们在第4章中已了解到,上帝没有理睬爱因斯坦不玩骰子的要求。当然,问题的关键是,经典物理学中确定的东西,在量子物理学中变得不确定了。量子力学从不告诉我们将发生什么;它告诉我们这个或那个将要发生的概率。确切地说,一个放射性的原子什么时候会衰变是不可预测的,但量子力学可以告诉我们的是,它很可能会在接下来的10秒钟发生衰变。
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诺贝尔物理学奖得主默里·盖尔曼(Murry Gell-Mann)从怀特(T.H.White)的《从前和将来的国王》那里借来句格言:“任何不被禁止的事情都是欲罢不能的。”然而在大多数情形下,经典物理学中有许多不可能发生的事件,在量子理论中是可能发生的。不是不可能,而仅是这些事件未必会发生。然而无论多么不太可能,如果你等足够长的时间,那么它们最终将会发生。因此,任何不被禁止的事情都是欲罢不能的。
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典型的例子是一种被称为隧道效应的现象。想象一辆停在山顶的汽车。我们忽略所有不相关的东西,例如,摩擦力和空气阻力。我们同时假定司机不刹车,那么汽车将自由下滑。很显然,如果汽车停在最低点,它就不会突然开始运动。无论朝哪个方向运动都是上坡,而且如果汽车开始时处于静止状态,它将没有能量去上山。如果我们不久之后发现汽车越过山峰之后再往下滑,那么只有假定:或者我们推了它一程,或者它以某种其他方式获得了能量。在经典力学中,汽车自发地跃过山峰是不可能的。
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但是记住,任何不被禁止的事情都是欲罢不能的。如果汽车是量子力学的(所有的汽车确实都是如此),那么没有什么能阻止它突然出现在山峰的另一侧。这种现象未必会发生,对于像汽车这般大而重的物体,是非常、非常不大可能,但并不是不可能。因此,如果有足够的时间,那么它将是欲罢不能的。如果等待足够长的时间,我们将会发现汽车从山峰的另一侧滑下。由于汽车就像穿过山峰中的一条隧道一样,因而这种现象称为隧道效应。
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对于一个如同汽车般重的物体而言,它穿过的概率是如此之小,以至于(平均来讲)需要难以计数般长的时间才能使汽车自发地出现在山峰的另一侧。为写下一个足够大的数字来表示这个时间,需要一个很多位的数,即使每一位数字写成质子大小,并让它们紧紧地堆积在一起,也远超过整个宇宙的大小。然而,完全相同的效应可以允许一个α粒子(两个质子和两个中微子)穿过原子核,或者是电子穿过回路中的空隙。
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在1972年的那天,我想,尽管经典黑洞有固定的形状,然而量子涨落可以使视界的形状发生微小的晃动。一般情形下,非旋转黑洞的形状是一个理想的球面,但量子涨落应该会使它变形,简要地说是球面将变平或变扁。进一步而言,涨落常常会是很大的,以至于黑洞变形成为一个由细颈来连接的一对较小的近似的球面,在细颈处发生分裂将会非常容易。重的原子核以此种方式来自发地分裂,那么为什么黑洞不可以呢?从经典意义上来讲,它不可能发生,就像小汽车不能自发地跃过山峰一样。然而真的是绝对禁止的吗?我找不到它应该这样的理由。我认为等待足够长的时间,黑洞最终会分裂为两个较小的黑洞。
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我关于黑洞衰变的想法
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现在回到西区咖啡馆。在咖啡馆里,我一边慢慢地啜饮着啤酒,一边等了费曼大约半个小时。我对此考虑得越多,它似乎越有意义。黑洞无法通过量子隧道效应来瓦解,首先它分裂成两部分,接着是四部分,八部分,最终分裂成大量的微观组分。按照量子力学的准则,黑洞的永恒存在是没有任何意义的。
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费曼在一到两分钟前走进了咖啡馆,朝我坐着的地方走过来。我怀着见大人物的心情,因此又点了两杯啤酒。我还没来得及付账,他拿出钱包,将所需要支付的钱放在桌上。我不清楚他是否留下了小费。我啜饮着啤酒,但是我发现费曼的酒杯从未离开桌子。我开始重新审视我的论点,认为黑洞最终会分裂成微小的碎片。这些碎片会是什么呢?虽然没有明说,唯一合理的答案是诸如光子、电子和正电子这样的基本粒子。
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费曼认可我的观点,认为没有什么能够阻止这种情况的发生,但他认为我的图景是错误的。我形象地认为黑洞首先会分裂成几乎等同的两部分。每一部分再分裂成两半,直到所有的部分都是微观尺度为止。
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费曼关于黑洞衰变的想法
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问题是,需要巨大的量子涨落才能使一个大黑洞分裂成两半。费曼感到存在一个更为合理的图景,即视界分为一块几乎等同于原来视界大小的部分,另一微观部分飞走了。当这种过程重复进行时,大黑洞会逐渐收缩,直到一无所有。这听起来是正确的,视界的微小部分脱离出去似乎比黑洞分裂为两个大的部分的可能性更大。
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谈话大约持续了一个小时。我不记得我们说再见了没有,也不记得我们有没有定下计划,去追寻这个想法。我晋见了狮王,他没有让我失望。
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如果我们对这个问题思考得更为深入一些,可能会意识到引力很可能会将这些微小的部分拉回视界,某些发射的部分可能会与落下的部分相碰撞。视界正上方是一个复杂的碰撞区域,由于反复碰撞,它可能会因此而升高温度。我们甚至可能认为视界正上方的区域是由沸腾的粒子形成的一个热环境。同时我们可能想到这加热的质量的行为如同任何热的物体一样,它会以热辐射的形式辐射热量。但我们没有这样做下去,费曼回到了他的部分子理论,我回到了是什么将夸克禁闭在质子内部的问题。
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现在正是一个大好时机,我将确切地告诉你们信息是什么了。信息、熵和能量是三个不可分割的概念,这是下一章的主题。
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