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1700933800 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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1700933805 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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1700933810 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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1700933812 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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1700933814 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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1700933819 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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1700933821 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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1700933823 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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1700933825 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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1700933827 设想当爱丽丝掉向视界时,她回头看后面紧跟着的原子。原子看起来很正常,甚至当它穿越视界的时候。它的电子继续以平常的速度绕着原子核旋转,而且它看起来并没有比其他原子更大——大概就是这页纸的10亿分之一的大小。
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1700933829 对于鲍勃来说,他看到原子在接近视界的时候慢了下来,而且与此同时热运动把它撕成了碎片并散落在一块不断变大的面积上。原子看起来就像一架微型的爱丽丝的飞机。
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1700933831 我的意思是原子有螺旋桨,螺旋桨上又有螺旋桨,这样无限循环下去吗?出乎你们的意料,我就是这个意思。基本粒子一般被想象成非常小的物体。爱丽丝的复合螺旋桨的中心看起来也很小,但是整个装置,包括所有级结构,极为巨大甚至是无穷大的。我们在说粒子很小的时候,我们有没有可能搞错了?实验上是怎么说的?
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1700933833 在思考关于粒子的实验观测的时候,把每一个实验都想象成一个类似于给运动物体照相的过程是很有益处的。捕捉高速运动的能力取决于相机记录图像的速度。快门的速度是时间分辨率上一个重要测量量。显然,快门速度将对爱丽丝的复合螺旋桨的摄影过程起关键作用。一台较慢的照相机能抓住的只是螺旋桨的中心毂。一台快一些的照相机可以捕捉到另外一些高频率的结构。但是,即便是最快的照相机也只能捕捉到复合螺旋桨的某个部分——除非是在当飞机掉入黑洞的时候拍摄它。
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1700933835 在粒子物理实验中与快门速度相应的是碰撞粒子的能量:能量越高,快门越快。对于我们,不幸的是,快门速度严格地受制于粒子加速至高能的能力。理想情况下,我们可以分辨在比普朗克时间小的时间区域上发生的事情。这需要一些正在加速到比普朗克质量还大的粒子——原则上很简单,但是实际是不可能做到的。
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1700933837 我们在这里稍作停留,想一下现代物理所面临的巨大困难。为了观测最小的物体和最快的运动,20世纪的物理学家依赖于越来越大的加速器。第一台加速器只有桌面大小,非常简易,可以用于探测原子的结构。原子核则需要更大的机器,有些跟建筑物一样大。夸克只有用那些有几英里长的加速器才能被发现。现在最大的加速器,瑞士日内瓦的大型强子对撞机,周长约有20英里,但是还是太小,无法把粒子加速到普朗克质量。多大的加速器才能分辨出普朗克频率下的运动呢?这个答案是令人沮丧的,简单来说:为了加速一个粒子到普朗克质量,加速器至少要与我们的星系一样大。
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1700933839 简而言之,用现代技术来看普朗克运动,就好比用一个曝光时间为1000万年的相机来给转动的螺旋桨拍照。基本粒子看起来很小,这是因为我们所看到的只是中心部分,显然是情理之中的事情。
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1700933841 如果实验不能告诉我们,粒子是否具有边远的高频振荡的结构,我们必须依赖于我们最好的理论。在20世纪的下半叶,研究基本粒子最有力的数学框架就是量子场论。量子场论是一个令人兴奋的领域,开始的时候它假设粒子很小,可以被看成仅仅是空间上的一些点。但是这样的图像不久就崩溃了。粒子很快地被更多的粒子所包围,这些粒子飞速地过来又飞速地离开。而这些新过来的和新离开的又被甚至更快出现和消失的粒子所包围。用快门速度更快的照相机,就可以看到粒子越来越多的内部结构——振荡越来越快的粒子出现和消失。一个慢速的照相机看到的分子就是一团模糊。只有在快门速度快到能抓住原子运动的时候,它才会显示出一群原子的样子。这个故事在原子层面上不断地重复着。对于原子核周围那一团电荷所形成的模糊,只有在更快的实验中才能分辨出来是电子。原子核分辨成为质子和中子,它们又分辨成为夸克,以此类推。
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1700933843 但是,这些曝光越来越快的照片,并不揭示一个占据越来越多空间的膨胀的结构,而这正是我们在找寻的主要特性。反而,它将告诉我们越来越小的粒子形成像俄罗斯套娃式的层次结构[189]。这不是我们解释粒子在视界附近行为所需要的。
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1700933845 弦论则要有前途得多。弦论所说的东西是与直觉违背的,所以多年来物理学家们都不能了解它。弦论所描述的基本粒子,那些假设的细小弦圈,就像复合的螺旋桨一样。我们从一个慢速的快门开始,这时一个基本粒子看起来就像一个点;可以看成是螺旋桨的中心。现在加快快门的速度,直到曝光时间只比普朗克时间长一点点。图像所显示的粒子就是一根弦。
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