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我觉得黑洞战争就是一场争取新范式的经典斗争。黑洞互补性原理赢得了“投票调查”并不代表任何实质性的胜利。实际上,我最想影响他们观点的那些人,包括乔·波尔钦斯基,加里·霍罗维茨,安迪·斯特鲁明格还有最重要的霍金投了反对票。
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在接下来的几个星期中,我和拉鲁斯·索拉修斯总结分析了实际情况并解决了普雷斯基尔的那个问题。这花了我们一定的时间,但是我确信如果那天我和普雷斯基尔以及佩吉的谈话能再继续半个小时的话,在那里我们就应该能够把这个问题解决了。实际上,我认为普雷斯基尔已经给出了一半的答案。简单地说就是,把1比特信息从黑洞中辐射出来需要花一定的时间。普雷斯基尔推测,当外部观测者能够还原信息并跳入黑洞之时,那个原本的信息早已经到达奇点了。唯一的问题就是从霍金辐射中还原那1比特信息需要多久才行。
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有意思的是,在圣芭芭拉会议一个月前的一篇优秀的论文中已经给出了这个答案。那篇文章虽然没有明说,但是却含蓄地表明了还原1比特信息需要用辐射一半霍金光子的时间。如果黑洞辐射光子的速率特别慢,那么辐射掉一个恒星质量的黑洞所产生的一半的霍金光子可能要花1068年,这个时间要比宇宙年龄大得多。但是只需要几分之一秒那个原始的信息就会被奇点所毁灭。显然,要从霍金辐射中得到这个信息然后跳入黑洞与原始那个进行比较是不可能的。黑洞互补性原理是安全的。谁是这篇出色论文的作者呢?唐·佩吉。
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第16章 颠来倒去
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在20世纪60年代,有一次我去格林尼治村的一个先锋派剧院看演出。居然出现了一个滑稽幽默的情节,观众被请上舞台,代替舞台工作人员和活动背景,在幕间参与演出。
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一个妇女被告知要把一个椅子搬到舞台的后面,但是当她刚一碰到它时,椅子就变成了一捆柴火。另一个观众抓住一个小箱子的把手使劲儿拽,但是这箱子一动也不动。我的工作就是举起一块6英尺见方的大石头交给一个站在那个较低的阳台上的观众。为了贯彻精神,我用双臂抱住它,并假装用我全身的力量在举。当这块巨石被轻易地抛向空中,仿佛只有几盎司那么重时,真正的认知冲突就在瞬间出现了。其实,它只是个上了漆的西印度轻木薄壳。
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人脑中有关物体大小和质量间的联系必定是那些难以改变的本能之一,即我们无意识的物理学“干扰克机制”中的一部分。如果一个人始终不断地在这一点上犯错很可能意味着严重的脑残,除非这个人碰巧正好是一个量子物理学家。
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继爱因斯坦1905年的发现之后一项伟大的再认知工作就要求破除大的是重的,小的是轻的这样一个本能,并用一个完全相反的:大的是轻的,小的是重的,来代替它。就像很多其他情况一样,爱因斯坦是第一个模糊地意识到这种奇异的爱丽丝式的逻辑倒置[131]。当时他抽的是什么烟呢?抽的只是他烟斗中的板烟丝而已。跟以往一样,爱因斯坦影响最深远的那些结论,只来自于他脑中所进行着的最简单的思想实验。
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难以置信的光子缩小盒
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这个独特的思想实验是从一个可以调节的盒子开始。除了几粒光子盒内空无一物,并且盒子可以任意地改变大小。其内壁是一些能够完全反射的镜子,所以被捕获在盒子里的光子,将在这些镜子间来回反弹,无法逃逸。
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一个被禁锢在封闭区域内的波,其波长不可能比那个区域的尺寸大。试想一下把一个10米的波装进一个1米的盒子。
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这是不可能的。然而,将一个1厘米的波装进去就毫无问题。
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爱因斯坦想象不断地缩小这个盒子而将那个光子始终禁锢在里面。随着盒子的变小,光子的波长不可能保持不变。唯一可能的就是每一个光子的波长都一定随着盒子变小了。最终盒子将变得极其微小,里面充满了如此高能量的光子,这是由于它的波长相应地变短了。继续缩小盒子甚至会增加更多的能量。
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但是回想一下爱因斯坦那个最著名的方程,E=mc2。如果盒子里的能量增加,那质量也同样会增加。因此,它变得越小,质量增加得越多。质朴的直觉又一次把它颠倒了过来。物理学家必须重新认识这个规律:小的是重的,大的是轻的。
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大小和质量的关系以另一种方式显现出来。自然界看来是具有层次性构造的,结构中的每一层由更小的物体构成。因此分子由原子构成;原子由电子、质子和中子构成;质子和中子由夸克构成。科学家们通过粒子撞击目标原子,并观察其产生物发现了这些结构层次。从某种意义上来讲,这与通常的观测并没有那么多的不同。平常的观测中光(光子)被物体反射,然后聚焦到胶片上或者是人眼的视网膜上。但是如前面我们所看到的,如要探测非常小的尺度,我们就必须用能量极高的光子(或者是其他粒子)。显然,用高能量的光子探查原子时,大量的质量——至少按基本粒子物理的标准是这样——被聚集在一个很小的空间。
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我们画一幅图来给出尺寸和质量(能量)的倒数关系。我们用竖轴来表示要探查的尺度,横轴则表示光子分辨物体所需要的质量(能量)。
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曲线形状很明确:物体越小,观察到它需要花更大的质量(能量)。理解大小和质量(能量)间的相反关系是20世纪大部分时间中,每一个读物理的学生都必须做的事情。
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爱因斯坦的光子盒并不是一种怪诞想法。尺度越小意味着质量越大的想法已渗透到了现代基本粒子物理的每个角落。但具有讽刺意义的是,21世纪却指望着对这种认识的再度装备。
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想了解个中原因的话,就想象我们要确定比普朗克长度小100万倍的尺度上存在着什么,如果真存在着什么的话。也许自然界的层次性结构能延伸到那个深度。20世纪的标准方式,我们应该用一个是普朗克能量100万倍的光子去探查目标。但是这种方式必将会事与愿违。
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我为什么这样说呢?虽然我们可能永远无法把粒子加速到普朗克能量,更不用说是它的100万倍了,但是,倘若能够做到的话,我们已经知道将会发生的事情。那么大的质量被填进一个如此小的空间会形成一个黑洞。我们将会被黑洞的视界所阻隔,它会把我们所要探测的每一样东西都藏在它的内部。当我们想通过提高光子的能量来看更小的距离时,视界将变得越来越大并且隐匿越来越多的东西:又是一种令人左右为难的情况[132]。
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