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若把快门速度提得更高,你所看到的是正在扰动和振荡着的弦上的每一个部分,所以这个新的图像看起来更加的混乱,铺开的面积也更大。
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但是这仍不是尽头,过程还将不断地重复。每一个小弦圈、弦的每一次弯曲,都会分解为扰动更加剧烈的弦圈和波形曲线。
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当鲍勃注视着一个类弦粒子掉向视界时,他看到了什么?起初,振荡很快而看不清楚,他所看到的只是一个微小的类毂的中心。但不久之后,接近视界时的特有性质开始起作用了,弦的运动显得慢了下来。他渐渐地可以看到越来越多振荡的结构,就跟他看爱丽丝的复合螺旋桨一样。随着时间的推移,速度更快的振荡可以被看到了,弦看起来越长越大,并且布满了黑洞的整个视界。
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但是如果我们随着粒子一起掉下去又会怎样呢?那么,这是一个很正常的时期。高频的扰动还是高频的扰动,远远超过我们低速相机的频率范围,处在视界附近没有给我们什么优势。就如同在爱丽丝的飞机的情况中,我们能看见的就是细小的毂。
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弦论和量子场论都认为事物会随着快门速度的增加而变化。不过在量子场论中,物体是不会变大的。与此相反,它们似乎会分裂成为越来越小的物体,更小的俄罗斯套娃。但是当各个组分接近普朗克长度时,一个全新的模式就出现了:爱丽丝飞机模式。
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在拉塞尔·霍本(Russell Hoban)的寓言《老鼠和他的孩子》中[190],有一个很好玩的(不是特意的)故事,可以用来比喻量子场论是如何工作的。曾经在它们噩梦般的历险中,这两只玩具机械鼠,鼠爸爸和儿子发现了一罐令他们无比着迷的梵僧牌狗粮[191]。在罐头的标签上画着一只狗拿着一罐狗粮,这罐狗粮的标签上又画着一只狗拿着一罐狗粮,如此等等。为了看到“最后一只可以看到的狗”,老鼠们一层一层地往下看,但是它们永远不能确信自己已经看到了它。
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东西里面藏着东西,东西里面又藏着东西——这就是量子场论的故事。然而,与梵僧牌的标签不同,物体是移动的,它们越小移动得越快。所以要看到它们,你需要一个很厉害的显微镜和一个速度很快的照相机。但是注意一件事情:不论是分解分子还是那罐梵僧牌狗粮似乎都不是越来越大,就像越来越多的结构被发现一样。
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弦论则不同,它的方式更像是爱丽丝的飞机。随着事物的速度减慢,越来越多的弦状的“螺旋桨”就会进入视线。它们占据空间中越来越多的位置,整个复杂的结构跟着增长。当然,爱丽丝的飞机是一个类比,但是它抓住了弦论的许多数学特性。弦,跟其他任何东西一样,有量子晃动,但是方式却很特殊。就像爱丽丝的飞机,或者她的狗哨的乐曲版本,弦以许多不同的频率振动。大部分的振动速度太快而无法被发现,即便是用强大的粒子加速器所提供的高速快门也无法捕捉。
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当我在1993年开始意识到这些的时候,我也开始理解霍金的盲点。对于大部分量子场论出身的物理学家来说,带有晃动结构的、不断变大的、无边界粒子的概念是极其怪异的。具有讽刺意味的是,唯一暗示了存在着这些可能性的人,就是这个世界上最伟大的量子场论学者,我的战友赫拉德·特霍夫特。虽然他用他自己的方式陈述了这个想法——不是用弦论的语言,但是他的工作也表达了随着检测时间的分辨率的提高,物体会变大的想法。相比之下,霍金的策略锦囊中装的是梵僧牌狗粮而不是爱丽丝的飞机。对于霍金来说,量子场论和它的点粒子是微观物理的全部和终结。
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第21章 数黑洞
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一天早上,我从楼上下来吃早饭。我的妻子——安妮对我说,你把T恤穿反了,把编织的V形穿在背面了。后来当我从外面慢跑回来的时候,她笑着说:“现在是把里面穿在外面了。”于是我就开始琢磨,穿一件T恤有多少种方式?安妮嘲笑着说:“你们物理学家就喜欢思考这种愚蠢的问题。”为了证明我超凡的智慧,我马上声明,穿一件T恤有48种方式。首先,你可以将你的头穿过4个洞中的任意一个。现在剩下了3个洞给你的躯干。挑完一个给脖子一个给躯干,还剩两个机会给你的左臂。一旦你选择了你的左臂,那么只有一个选择留给了你的右臂。所以这就意味着4×3×2=24种方式可以选择。但是你可以把T恤里外反着穿,这样又是另外的24种,所以我很自豪的宣布我解决了这个问题:48种方式来穿一件T恤。安妮并不感到吃惊。她回答道:“不,有49种,你还忘了一种。”我很困惑地问道:“我遗漏了哪一种?”她说:“你可以把它揉成一个球然后随手一扔……”你知道我的意思了吧[192]。
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物理学家们(或许还包括数学家们)对于数数目非常在行——特别是数可能性。计算可能性是了解熵的中心思想,但是在黑洞的问题中,我们究竟应该计算什么呢?肯定不是一个黑洞能用多少种方式来穿一件T恤。
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为什么计算黑洞有多少种可能性那么重要呢?毕竟,霍金在他计算得到熵等于普朗克单位下视界面积的时候已经给出答案了。但是关于黑洞的熵仍有许多的困惑。下面就来告诉你个中原因。
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霍金认为关于熵就是隐含信息的整个想法——如果你知道细节的话,信息是可以计算的——在考虑黑洞的时候一定是错的。他并不是唯一这么说的人。几乎所有的黑洞专家都得出同样的结论:黑洞的熵是不一样的,与计算量子态个数没有任何关系。
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为什么霍金和相对论学家们会有这么激进的一个想法呢?问题在于霍金的论证颇具说服力,他认为人们可以朝黑洞里面不断地丢信息,但却没有任何信息会流出来——就像把无数个小丑塞入小丑车中一样[193]。如果熵是通常意义上的熵,即,所有可能被隐藏在黑洞中的可能的信息的总数,那么这些被隐藏的信息总数一定是有限的。但是如果有无穷多的比特掉进了黑洞,那么这将意味着黑洞熵的计算无法囊括所有隐藏的可能性——而且这也意味着,物理学中一个最古老的最受信任的分支——热力学,需要一个革命性的新基础。因此,了解黑洞熵是否真的计算了一个黑洞所可能有的结构,就变得非常紧迫。
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在这一章中,我将告诉你们,弦论学家是如何计算的,以及他们是如何给出一个关于贝肯斯坦—霍金熵的量子力学基础的——一个能排除信息丢失的可能性的基础,这些工作仍在进展中。这是主要的成就,而且它在反对霍金观点的征途上,走了很长一段路,黑洞不能吞噬信息。
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但是,首先让我解释一个观点,这是由赫拉德·特霍夫特最早提出来的。
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特霍夫特的猜想
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自然界中有许多不同的基本粒子。说物理学家们并不完全了解,是什么使得它们彼此不同,这并不为过。但是如果不去问一些深层的问题,我们还是可以从经验的角度,去观察所有这些由实验上得知的或是从理论上预言的粒子。为了将它们都展示出来,我们把它们都画在一根轴上面,画一幅类似于基本粒子谱的图。横轴表示质量,左边端点是最轻的物体,朝右边质量逐渐增加。竖线表示具体的粒子。
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在能量较低的那端是那些人们熟悉的粒子,我们已经确定它们的存在。其中有两个没有质量并以光速移动的是光子和引力子。接下来是中微子、电子和一些夸克、μ轻子、另外一些夸克、W玻色子、Z玻色子、希格斯玻色子以及τ轻子。这些名字和细节并不重要。
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