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新泽西的物理学家们是一群思想锐利、极有主见的人。爱德华·威顿(Edward Witten),普林斯顿高等研究所的头号人物,不只是一位伟大的物理学家,还是一位全球首屈一指的数学家。有些人可能会说闲谈和空想并不是他所擅长的(虽然我发现他的冷幽默和广泛的好奇心非常有意思),但是每个人都会承认他思想的严谨是他最强的地方。我说的不是数学上那种没必要的严格性,而是清晰、认真、仔细思考过的论证。跟威顿谈论物理有时候很费劲,但却总是物有所值的。
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在罗格斯大学的讨论和交流具有异乎寻常的高质量。在罗格斯大学有6位非常有成就的理论物理学家,他们中的每一个都深受敬仰,不仅在弦论圈中,在更为广泛的物理界亦是如此。他们都是我的朋友,其中有3个特别要好。我在汤姆·班克斯(Tom Banks)、史蒂夫·申克(Steve Shenker)和内森·“内蒂”·塞伯格(Nathan“Nati”Seiberg)还很年轻的时候就认识他们了,而且我很喜欢他们这个群体。这6个罗格斯大学的物理学家都有着令人生畏的智力。这两所研究所以严谨闻名,你休想带着那些尚未成熟的想法从那里逃脱。
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现在,我知道我自己的论点,离完全成熟还很远。黑洞互补性原理,爱丽丝的飞机,用弦做的比喻,再结合一些粗糙的估算:我的图像就是将它们整合在一起。但是在1993年并没有什么工具能把这些想法变成严格数学。然而,我所坚持的这些想法却与新泽西那些强势的物理学家们,产生了共鸣。特别是威顿的反应,他或多或少直接接受了这个关于黑洞视界的假设,即,黑洞视界是由一些弦的片段所构成。他甚至算出了弦是如何在一个类似黑洞蒸发的方式中蒸发的。申克、班克斯和他们的伙伴迈克尔·道格拉斯都为如何精确化这些想法,提出了非常有用的建议。
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其中有一位在那里做访问的弦论学家,我并不太熟悉。康朗·瓦法(Cumrun Vafa),一个哈佛的年轻教授,从伊朗跑到美国来普林斯顿研究物理。1993年的时候,他被认为是世界上最具创造力和数学技巧的理论物理学家之一。虽然主要是研究弦论,但是他对黑洞物理也颇具造诣,当我在罗格斯大学解释熵是如何在一个具有弦结构的视界上产生的时候,他也是听众之一。我们随后的谈话是具有决定性意义的。
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极端黑洞
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我在报告中说道,如果一个电子掉入黑洞中,这个黑洞将带电,这点大家都明白。这个电荷很快地遍及视界,并将导致一种排斥作用,把视界略微往外推出一点。
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但是并没有理由放一个电子就停下来。你想让视界带多少电荷,视界就能带多少电荷。你让它带的电荷越多,视界向外移动得就越多。
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康朗·瓦法指出有一种非常特殊的带电黑洞,其引力的吸引作用和电的排斥作用正好相平衡。这种黑洞被称为是极端的。根据瓦法所说的,极端黑洞将会是一个理想的实验室,可用来检验我的想法。他认为它们可能是一把通向精确计算的钥匙,那里宽松的正比记号(~)将被坚实的等号(=)所取代。
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让我们更深入地了解一下这个带电黑洞的想法。荷电球通常是不稳定的。因为电子相互排斥(记住规则:同性相斥,异性相吸),如果一个电荷云恰巧形成,它通常会马上被电的排斥力撕裂。但是如果电荷球质量足够大,引力便可以抵消电所产生的排斥力。因为宇宙中所有东西都会因引力而相互吸引,这就会出现一个引力和电力的竞赛——引力把电荷拉到一起而电力把它们推开。一个带电的黑洞是一场拔河比赛。
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如果荷电球质量很大,而所带的电荷很少的话,引力将赢得这场拔河比赛,该球将收缩。如果质量很小而带的电量很大,那么电排斥力将会获胜,该球将膨胀。当电荷和质量处于某种合适的比例时,它们将达到平衡。这时,电的排斥力和引力相互平衡,这场拔河比赛将成为平局。这就是极端黑洞。
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现在设想我们有两个控制器,一个是引力的,一个是电力的。起初,把两个控制器都打开。当引力和电力处于完全平衡时,我们就会得到一个极端黑洞。倘若我们减小引力而不减小电力,那么电力将会赢得这场拔河比赛。但是,如果我们按一定比例同时减小它们,那么这种平衡将持续下去。每一边都在变小,而任何一边都不会占得优势。
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如果我们最终把控制器都调到0,那么引力和电力都消失了。剩下的是什么呢?一根各个部分之间没有相互作用的弦。在整个过程中,熵是不变的。但是故事的高潮是质量居然也没有变化。这两个电力和引力相互抵消,没有起什么作用,这是一个用技术化的方式来说明,能量始终保持着它开始时的量。
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瓦法认为如果我们知道如何在弦论中构造这些极端黑洞,那么我们就能以很高的精度来研究其在引力和电力变化时的情况。他说这应该是可行的:利用弦论,来精确地计算那个数值因子。对于这一点,我完全没有能力去计算。为了将所有想法结合起来,精确地计算数值因子成了弦论学家追逐的圣杯[200],也是实现我想法的一条途径。但是没有人知道,如何用弦论所提供的配件,去组装一类合适的带电黑洞。
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弦论有点像一套非常复杂的装配式玩具[201],带有许多不同的零件,这些零件可以通过某种自洽的模式拼凑在一起。后面我将告诉你们一些这种数学上的“轮子和齿轮”,但是在1993年用来铸造极端黑洞的一些重要的零件还没有被发现。
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印度物理学家阿肖克·森(Ashoke Sen)是第一个尝试组装极端黑洞并检验黑洞熵的弦论理论的人。在1994年他已经非常接近了,但是还不足以完成这件事情。在理论物理学家中,森的地位很高。他是一位深刻的思想家,也是一个技巧上的奇才。森是一位害羞而带着很重孟加拉口音的小个子,他的讲演以思路清晰闻名。他用完美的教法论技术,在黑板上写下每一个新的概念。每一个概念在他的讲述下都像水晶一样清澈,这也是他一贯的风格。他的学术论文也有着同样的清晰度。
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我并不知道森正在做一些黑洞的工作。但是在我结束剑桥的旅行,返回美国后不久,有人——我记得是阿曼达·佩特——给了我一份他正在读的论文。这是一篇技术性的长文章,但是在最后的几段中,森用了弦论的想法,就是我在罗格斯大学上描述的那些,来计算一类新型的极端黑洞的熵。
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森的黑洞是由我们在1993年所了解的一些零件所组成——基本弦和6个额外空间维。森接下去做的事情很简单,但是非常聪明,发展了我早期的一些想法。他基本的想法就是考虑一根处于极高激发态的弦,而且这根弦在一个紧致方向上缠绕了许多圈。在这个简化的柱面世界中——线地的增粗版本——一根缠绕着柱面的弦就像是一根被套在塑料管子上面的橡皮筋。
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这样的弦比普通的粒子要重一些,因为它需要能量来缠绕在柱面上。在典型的弦理论中,这根缠绕着柱面的弦其质量可能比普朗克质量大几个百分点。
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接着森用单根弦在柱面上缠绕两圈。
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如果一个弦论学家说这根弦的绕数是2,那么这根弦要比缠绕一次的弦来得重。但是如果弦在这个紧致的方向上缠绕不是一次、两次而是数十亿次会怎样呢?
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