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就像我在1993年圣芭芭拉会议结束后几周中所思考的,这种奇特的行为,让我想起以前看到过的一些东西。24年前,那时弦论还属幼年时期,我正被这些微小的类弦物的某种未知特性所困扰。我那时称这些代表基本粒子的弦为“橡皮筋”。
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根据弦论,世界上每一个物体都是由一维的有弹性的弦构成,这些弦能拉伸、弹拨和绕转。我们把粒子看作一个比普朗克尺度大不了多少的微型橡皮筋。如果一根橡皮筋开始晃动和振荡,假设橡皮的各个部分之间没有摩擦力,那么这种晃动和振荡会永远继续下去。
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增加弦的能量会使弦振荡得更加剧烈,有些时候看起来像是一团巨大的剧烈振荡的纱线。这些振荡是热振荡,它们给弦增加了真实的能量。
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但是我们不能忘记量子晃动。即使在一个没有能量的系统中,即系统处于其基态,晃动也不能完全被去除。这些基本粒子的复杂运动是奇妙的,但是通过类比,我可以告诉你其中的一些奥妙。首先我要讲的是关于狗哨和飞机螺旋桨的故事。
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由于某些原因,狗对高频率声音很敏感,甚至是许多人不能听到的频段。也许是狗的耳鼓更轻盈些,所以能够察觉更高频率的振动。因此,如果你想叫你的狗,但是又不想打扰你的邻居,那么你可以使用一个狗哨。狗哨的声音频率很高,人的听力系统对它没有反应。
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现在设想爱丽丝跳进一个黑洞,并且吹响她的狗哨,来给她留给鲍勃照看的雷克斯[187]发了一条信息[188]。这个频率对于鲍勃的耳朵来说太高了,起初他什么都没有听到。但是想一下,一个信号若在视界附近发出将会发生什么呢?从鲍勃的角度来看,爱丽丝和她所有的身体机能,似乎都在慢下来,其中也包括她哨子声音的频率。虽然这个声音一开始超出了鲍勃的听域,但是随着爱丽丝慢慢靠近视界,鲍勃渐渐可以听见哨声。假定爱丽丝的狗哨覆盖了整个高频段,有些甚至超过了雷克斯的听域。鲍勃会听到什么?起初什么也听不到,但是不久后,他便慢慢听到一些哨子发出的最低频率的声音。随着时间推移,更高一点的也能听到了。最后鲍勃能听到爱丽丝哨子所吹出的整个交响乐曲。当我跟你讲关于飞机螺旋桨的故事的时候,你脑子里面要留着这个故事的印象。
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你应该看过飞机螺旋桨逐渐变慢直到停止的样子吧。开始的时候那些叶片是看不见的,你只能看到中间的毂。
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但是当螺旋桨慢下来,频率低于每秒钟30转后,可以看到叶片了,整个装置也变得更大了。
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现在设想一只带有“复合”螺旋桨的飞机。我们称其为爱丽丝的飞机。每只叶片的尖上有一个轴,上面装了一只“第二级”的螺旋桨。这只第二级的螺旋桨要比原先的那只转得快许多——我们先定为快10倍。
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当第一级螺旋桨可以看到的时候,第二级螺旋桨还是看不到的。随着桨的转速变慢,第二级螺旋桨也看得见了。这个结构似乎还可以继续下去。第三级螺旋桨被装在了第二级螺旋桨的末端。那些螺旋桨的转速是第二级螺旋桨的10倍。这需要更长的时间把速度降下来,但是这个复合式的螺旋桨将不断延伸开去,其面积越来越大。
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爱丽丝的飞机并不仅停留在第三级上面。它的螺旋桨将无限制地扩展开去。随着它不断变慢,人们便可以看到越来越多的螺旋桨。整个装置越变越大,最终变得巨大无比。但是除非螺旋桨完全停止,否则你所能看到的螺旋桨的级数永远是有限的。
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很容易想到,下一步就是爱丽丝驾驶她的飞机径直地飞向一个黑洞。这时鲍勃会看到什么呢?根据我已告诉你的,特别是关于黑洞和时间机器,你自己便可以得出结论。随着时间的推移,螺旋桨会慢下来。最终,第一级螺旋桨出现了,接着可以看到越来越多的螺旋桨,逐级涌现出来,最终覆盖整个视界。
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这就是鲍勃将会看到的。但是随着螺旋桨一起运动的爱丽丝将看到什么呢?没有任何特别的事情。如果她正在吹她的狗哨,那么这个声音对她来说还是听不见的。如果她朝螺旋桨看,那么叶片还是转得太快以至于她的眼睛或相机都看不见。她将看到你和我在看一个高速旋转的螺旋桨时所看到的——仅是桨的中心毂,而没有其他别的东西。
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你可能会认为这样的图像有些不对劲。爱丽丝可能看不见高速转动的螺旋桨,但是如果说它们是不可观测的似乎又有点儿太过分了。毕竟,它们可以轻易地把她切成碎片。实际上,对于真实的螺旋桨来说,这是真的,但是我现在所描述的模型更加的微妙。回忆一下第4章和第9章,我解释说自然界中有两类晃动:量子晃动和热晃动。热晃动是危险的;它们可以把能量转移到你的神经末梢或者是做一份牛排。如果温度足够高的话,它们可以撕裂分子或原子。但是不论你让你的牛排待在一个冷的、没有东西的真空的空间中多久的时间,电磁场的量子扰动并不会有什么效用,它还是完全生的。
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在20世纪70年代,黑洞理论学家们如贝肯斯坦、霍金特别是威廉·温鲁(William Unruh)证明了在一个黑洞视界附近,热晃动和量子晃动以一种奇怪的方式混合在一起。对于穿越视界的人来说晃动似乎是无害的量子扰动,而对于选在黑洞外面的任何东西来讲晃动就变成了极其危险的热扰动。就像爱丽丝那些转动的螺旋桨是量子晃动(对于爱丽丝来说看不见),但是当它们在鲍勃的参考系下变慢时,它们就变成了热晃动。如果鲍勃悬在视界表面的话,爱丽丝无法察觉的这些温和的量子运动,对他来说是极其危险的。
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到现在你可能对黑洞互补性原理已经有所了解。实际上,这与我在第15章中所解释的关于一个原子掉入黑洞的情况非常相似。因为这是5章前的东西了,这里快速地回顾一下。
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