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规律很简单:成像的清晰程度取决于形成图像的波的波长。脸部特征的尺度只有几厘米,只有波长达到那么小的时候那些特征才变得清晰起来。当波长变为1/10厘米时,脸就会变得比较清晰,虽然肖像还是可能会遗漏一些脸上的小疙瘩。
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假设海森伯想要照一幅关于电子的清晰的图像以得到精度1微米下电子的位置[125],那他必须使用波长短于1微米的光。
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现在开始设置一个圈套。回忆我们前面第4章中所提到的,光子的波长越短,其能量就越大。例如,单个无线电波光子的能量很小,作用在一个原子上面几乎没什么反应。相反的,一个波长为1微米的光子就有足够能量可以把电子撞到更高能态的量子轨道上。一个紫外光子,其波长约为前者的1/10,它有足够的能量把电子撞飞出原子。因此海森伯被套住了。如果他想很精确地确定电子的位置,就必须付出代价。他必须用能量极高的光子去撞击它,而这个撞击会使得电子随机地改变自己的运动方式。如果他用一个低能量的光子轻轻地撞击,那么他将会得到一个关于电子位置的非常模糊的图像。这真是一件令人左右为难的事情。
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你可能在想,我有没有可能测量电子的速度呢?答案是可以测量的。你所要做的就是测量两次位置,但是精度只能很低。例如,你可以用一个长波光子得到一幅非常模糊的图像,然后隔很长时间后再做一次。通过测量这两幅模糊的图像,我们有可能可以精确地确定其速度,但是付出的昂贵代价就是位置的精确程度。
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海森伯想不出什么可以让他同时确定电子位置和速度的办法。我想那时的他,当然还有他的导师玻尔开始思考假设一个电子同时具有位置和速度是否合理。根据玻尔的哲学,人们要么把电子说成是有位置的,其位置可以用一个短波光子来精确测量,要么就把它说成是有速度的,其速度可以用一个长波光子来测量速度,但是这长与短不能同时兼备。对于一种特性的测量会排斥对另一种特性的测量。玻尔是这么解释的,他认为位置和速度是电子互补的两个方面。当然海森伯的论证并不是特别针对电子的,同样可以是质子、原子或是保龄球。
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那个关于伯爵、皇帝和史蒂夫的故事看起来是矛盾的,但是这种矛盾只是表面上的。在视界内部寻找1比特信息和同时在视界外部寻找它是相互排斥的,就像测量位置和速度是相互排斥一样。没有人能够同时待在视界后面和前面。至少这就是我想在圣芭芭拉上想说的。
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圣芭芭拉
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黑洞是真实的。宇宙中充满了黑洞,它们是某种最为绚丽和狂暴的天体。但是在1993年的圣芭芭拉会议上,大部分的物理学家对天文学上的黑洞并不是特别有兴趣。关注的中心是思想实验,而不是望远镜观测。信息佯谬最终高歌猛进,进入了人们的视线。
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这次会议规模并不大,大概总共有100人参加。当我走进会议厅时,我看见许多我认识的人。霍金坐在他的轮椅上,远远地待在一边。雅各比·贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)坐在听众席的中间,我以前从没有见过他。当地团队中的史蒂夫·吉丁斯、乔·波尔钦斯基,安迪·斯特鲁明格和加里·霍罗维茨坐在显眼的地方。他们在后来的革命中扮演了重要的角色,但是这时他们还是敌人,是信息丢失那一派中迷惘的步兵。赫拉德·特霍夫特坐在前排的右侧,已经为战斗做好了准备。
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霍金的演讲
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下面是我对霍金那次报告的回忆。霍金无力地坐在他的轮椅中,头部的重量压得他的脖子挺不起来,这时大家都安静地翘首以待。他坐在报告台的右侧,在那里他可以看到房间前方硕大的投影屏,同时也可以审视到全场听众。那时霍金已经丧失了用他自己的声带说话的能力。他通过他的电子声,把他事先准备好的录音播送出来,同时一个助手在后面操控着投影仪。投影仪与播放的录音是同步的。我在想他为什么非得坐在那儿呢?
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尽管是机器声,但是他的嗓音还是充满了个人特色的。他的微笑告诉我们,他胸有成竹且极端自信。霍金的不可思议之处在于:他那动弹不了的脆弱身体是如何给沉闷乏味的演讲注入了勃勃生机的呢!霍金的脸上散发着罕有的磁性和魅力。
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这个报告本身并没有什么令人难忘的地方,至少从内容上来说是这样的。霍金讲了他计划要讲的——也是我不打算讲的——CGHS理论以及CGHS为什么会失败(他大方地承认是RST发现了这个错误)。他主要的内容是:如果你正确地使用CGHS的数学,那么得到的结果将支持他关于信息不能从黑洞被辐射出去的理论。对于霍金而言,CGHS告诉他的是,这个理论的数学恰恰证明了他的观点。对我而言,它告诉我的不仅是脑海景象有缺陷,而且量子引力的数学基础也有缺陷,至少CGHS所包含的那部分,是不自洽的。
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霍金的报告中最特别的地方就是紧接着的问答部分。一个会议的组织者走上台向听众征求问题。一般提的问题都是技术性的,有些时候极其冗长,以显示提问者知道他所讲的东西。但是这时整个会场一片死寂。100个追随者犹如安静得出奇的大教堂中的缄默的修道士。那时霍金正在写他的答案。他与外界世界交流的方式令人惊讶。他不能说话也不能举起他的手来比划出手语。他的肌肉严重萎缩,不能使出任何力气。他既没有力气也无法协调手指在键盘上打字。如果我没记错的话,那时他是通过对一支控制棒施加微弱的压力来进行交流。[126]
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他的轮椅扶手上装有一个小的电脑显示屏,一系列的电子词汇和字母接连不断地从屏幕上闪过。霍金从里面一个个地挑选出来并把他们存在电脑中,这样来组成一两句句子。这个过程可能会用上10分钟。在这位神谕使者写他的答案的时候,整个会场安静得像个地下室[127]。所有的讨论都停止了,人们悬着心期盼着。最终给出的答案:可能仅仅是简单的一两句话,或者干脆用是或非来回答。
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我曾看到过这样一幕的发生,一次是在一个有100名物理学家的房间里,一次是在一个有5000名观众的小型体育馆里,其中还包括南美的一个总统、军队的总参谋长以及一些高级将领。我对于这种异常安静的反应既觉得好玩又感到愤怒(为什么我的时间要被浪费在这个闹剧上)。我在心里一直想要弄出点声响,哪怕仅与邻座说说话也好,尽管我未能付诸实施。
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是什么使得霍金有这样的专注力,让他能够宣示上帝和宇宙最深奥秘密的神谕呢?霍金是一个傲慢的人,满脑子都是他自己,极端地以自我为中心。但是我认识的人中有一半以上都是如此,包括我自己,这个问题的部分答案我想在于这位摆脱了肉体束缚乘着轮椅在宇宙中翱翔的智者,个人所具有的魔力和神秘。但是另外部分原因在于理论物理界是一个小圈子,里面的人相互都已经认识许多年。对我们中的很多人来说,这是一个大家庭,而霍金是这个家庭中深受爱戴和尊敬的一员,即使他有时让人感到沮丧和厌恶。我们都知道除了这种沉闷冗长的方式,他没有其他的办法来传达信息。因为我们重视他的观点,所以我们安静地坐在那里等待着。我认为也可能是霍金在写答案的过程中思想高度集中,以至于他未能意识到身边那种不寻常的安静。
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正如我所说的,这个报告并没有什么可值得记住的。霍金重申了他往常的观点:信息进了黑洞并且永远不会出来。等到黑洞完全蒸发后,它们将全部消失。
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赫拉德·特霍夫特紧跟着马上站了起来。他也是一位在物理学界广受推崇的人,一位具有超凡魅力的人。特霍夫特台风极佳,他的威望使人肃然起敬。虽然他不容易被理解,但是他没有霍金那种神谕使者般的神秘。他是一位直率而睿智的荷兰人。
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特霍夫特的报告永远充满了有趣的东西。他喜欢用肢体语言来解释观点,而且他知道如何做出漂亮的示意图。过了这些年,我还能回忆起他为演示黑洞视界而制作的一个视频。一个球面上随机地覆盖着黑或白的像素点。当视频开始播放后,像素点开始由黑到白和由白到黑地闪烁。画面就好像是坏了的电视机屏幕上的“雪花点”。显然,这表明特霍夫特的想法与我的类似,也认为存在着一层活跃的快速变化的视界原子,它们构成了黑洞的熵。(我期待他兼具我的呐喊,给出他关于黑洞互补性原理的版本,但是如果他还正在思考这个东西,他是不会着重讲的。)
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特霍夫特是一位极其深刻而且具有创造力的思考者。与许多非常具有创造力的人一样,他的报告通常也很难被人理解。在他的报告结束之后,有部分听众走了。这并不是因为他的报告太无聊——完全不是那样——而是他们不懂他的逻辑。记住,黑洞的视界应该是一个空无一物的地方,而不是一个坏了的电视机屏幕。
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总的来说,我怀疑他俩并没有改变人们关于黑洞中信息的命运的任何想法。没有人对听众进行投票调查,但是我猜测那时有2/3的人倾向于霍金。
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值得注意的是,我发现其余听众中的绝大多数都顽固地拒绝接受这个佯谬的正确答案。大部分报告都提及了3种可能的答案。
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