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一听到延伸视界这个名字我就很喜欢,采用它也是出于我自己的一些目的。今天延伸视界已经是黑洞物理学中的一个标准概念了。它的意思就是位于视界表面厚度为一个普朗克长度的、由炙热的微观“自由度”构成的薄层。
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这个延伸视界可以帮助我们理解黑洞是如何蒸发的。某一个活跃的视界原子中的一个常常受到略大于通常情况的撞击而脱离表面飞向外部空间。你可以把延伸视界粗略地看成一个薄而炙热的大气层。在这个意义上,关于黑洞蒸发的描述就与地球大气逐步蒸发到外太空的方式极为相似。而且因为黑洞在蒸发时会损失质量,所以它必定还将收缩。
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但是到这里故事只讲了一半——从黑洞外部看到的一半。就这一半自身而言并没有什么特别的地方。有东西掉进了热的汤里面,热汤蒸发,信息被蒸发物带走了。这一切都很正常。如果我谈论的不是黑洞,是其他任意事物,那么这样的解释就不足为奇。
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那么从内部看会是怎样的呢,或者更精确点说就是一个自由下落的观测者看到的是什么?我们可以称它为史蒂夫的版本。它似乎与来自外部的描述(皇帝和伯爵的版本)矛盾。
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我提出了两个假设。
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对于任何在黑洞外部的观测者,延伸视界看起来就像是一个由视界原子构成的炎热表层。它吸收了掉在黑洞表面的每一比特信息,并带着它们“持球跑进”且最终把它们发射出去(以霍金辐射的方式)。
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对于一个自由下落的观测者,视界看起来就是一个空无一物的地方。虽然对于他们来说那是一个一去不复返点,但是他们在视界附近并没有发现任何特别之处。在很久以后才会遇到摧毁性的环境,那时他们已经离奇点非常近了。
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虽然加上这第三条假设有点多余,但是无论如何我还是加了。
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假设1和假设2都是正确的,而且这个表面的矛盾并不是真实的。
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索拉修斯对此表示怀疑。他问道,两个矛盾的阐述怎么可能都是真的呢?掉向黑洞的史蒂夫在视界上丧生了,而同时他又存活了百万年,这在逻辑上是矛盾的。基本的逻辑表明一种情形与相反的情形不可能同时真实地发生。实际上,我也在问自己同样的问题。
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以前斯坦福大学物理系的二楼陈列着一个全息图像。光投射到一个带有细小明暗光点随机分布样式的二维胶片上并被反射,然后聚焦在空中形成一个飘浮的三维图像,在你走过时这位年轻的性感女性会向你抛媚眼。
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你可以绕着这个虚拟的图像走一段,并从不同的角度观察她。我、索拉修斯和乌格勒姆在经过这个全息图时常常特别留意。当时我对索拉修斯开玩笑说黑洞表面,也就是说视界,肯定是一幅全息图,一张关于黑洞内部所有三维事物的二维胶片。索拉修斯并不赞同。在那个时候,我也不能深刻理解。实际上,我确实难以找到我讲话的意义。但是我一直在继续思考并得到了一些更为严格的答案。物理学是一门实验和观测的科学,当所有的脑海景象都抽走后[124],剩下的只是一堆实验数据以及用于总结数据的数学方程。两个脑海景象的差异并不意味着一个真正的矛盾。与我们试图了解的实在相比,人们的思维图像与我们以往进化所形成的桎梏更为密切。只有当实验得出矛盾的结果时,真正的矛盾才会出现。例如,如果两支相同的温度计都被插入同一壶热水中而他们得到的温度却不相同,这样的结果是我们无法接受的,我们会认为其中一支温度计坏了。脑海景象在物理学中有其自身的价值,但如果它们导致了实验数据中并不存在的矛盾,那么这个图像不是一个正确的图像。
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如果我们假设史蒂夫和伯爵的这两种黑洞的阐述都是真实的,我们就能够揭露一个真正的矛盾吗?要查明一个矛盾,两个观测者就必须在实验结束的时候走到一起比较实验记录。如果一个观测者是在视界里面观测的,而另一个观测者则没有穿过黑洞视界,那么根据视界的定义,他们不能走到一起比较实验数据。所以这里不存在真正的矛盾——只有一个糟糕的脑海景象。
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乌格勒姆问霍金会有怎样的回应。我的答案是:“哦,霍金会微笑。”最后证明我是对的。
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互补性原理
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互补性原理这个词是由传奇的量子力学领袖尼尔斯·玻尔引入物理学的。玻尔和爱因斯坦是朋友,但是他们对于量子力学中的佯谬和表观矛盾争论不休。爱因斯坦是真正的量子力学之父,但是他逐渐对这个领域产生了厌恶。他试图用他那无可匹敌的智力寻找量子力学逻辑基础的漏洞。爱因斯坦一次次认为他已经找到了矛盾,而玻尔一次次地用互补性原理作为他自己的武器进行反击。
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作为一种解决佯谬的方法,我用互补性原理来描述量子黑洞并非偶然。在20世纪20年代,量子力学领域中遍布了各种表观矛盾。其中一个就是那个未被解决的关于光的争论:它是波,还是粒子?有些时候它的行为表现为这样的方式,而在其他时候它又以相反的方式出现。说光既是波又是粒子是荒谬的。我们怎么才能知道何时使用粒子方程,又何时使用波方程?
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另一个难题:我们认为粒子是一些占据了一定空间位置的微小客体。粒子可以从一点移动到另一点。为了描述它们的运动,我们必须确定它们的移动速度以及它们移动的方向。差不多根据定义,我们就能知道粒子具有位置和速度。但是,不!用一种看起来没有逻辑的逻辑,海森伯的不确定性原理坚持认为位置和速度并不能同时被确定。这又是一派胡言。
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这些非常奇怪的事情发生了。看来理性被扔到了爪哇国。当然在实验数据中并没有真正的矛盾,每一个实验都有一个确定的结果,刻度盘的一个读数,一个数字。但是脑海景象中有些东西是错了。我们脑中所装备的关于实在的模型,无法抓住光的特性或粒子运动的那种不确定的方式。
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我自己关于黑洞佯谬的观点与玻尔关于量子力学佯谬的观点是一样的。在物理学中,只有导致不一致的实验结果的矛盾才是矛盾。玻尔坚持要求用字精准。如果用字含糊不清,那么它们有时会导致出现原本没有的矛盾。
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