打字猴:1.70093407e+09
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1700934071 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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1700934073 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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1700934075 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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1700934077 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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1700934079 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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1700934081 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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1700934083 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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1700934085 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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1700934090 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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1700934092 接着森用单根弦在柱面上缠绕两圈。
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1700934097 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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1700934102 没有极限限定弦在这个紧致的空间方向上能绕多少次。最终,它将变成一个跟恒星甚至星系一样重的东西。但是它所占据普通的空间——普通的非紧致的三维空间——很小。所有的质量都被禁锢在如此小的一个空间中,那么一定会形成黑洞。
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1700934104 森还用了一个技巧:沿着弦摆动,而它就是1993年前后弦论中剩下的那个配件。正如我一年前所说的那样,信息被隐藏在摆动的细节中了。
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1700934106 一根具有弹性的弦上面的摆动并不是固定不变的。它们沿着弦运动就像波一样,有一些顺时针移动,有一些逆时针移动。两个摆动朝着同方向沿着弦互相追逐并不相撞。然而,如果两个波以相反方向移动,那么它们必将相撞,情况就会变得非常混乱和复杂。所以森选择用步伐一致的不会相撞的顺时针波,来储存所有隐藏的信息。
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1700934108 当所有零部件被装配起来,各个控制器被开启,森的弦没有其他的选择,只能变成黑洞。但是不同于普通的黑洞,在环形紧致方向上的绕缠使得这类极端黑洞非常特殊。
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1700934110 极端黑洞是带电的。那么电荷在哪里?答案已经知道好多年了:在一个紧致方向上缠绕一根弦会带来电荷。每绕一圈就会带来一个单元的电荷。如果弦是朝一个方向绕转,那么它带正电;如果它朝另一个方向绕转,那么它将带负电。森的那些巨大的绕法多样的弦,可以看做是由引力聚在一起的一个荷电球——换句话说就是一个带电黑洞。
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1700934112 面积是一个几何概念,时空的几何是由爱因斯坦的广义相对论所决定的。唯一能知道黑洞视界面积的方式,就是用爱因斯坦引力方程计算它。森,一个解方程的大师,很轻松地解出了这个关于他造出来的特殊黑洞的方程,并计算了视界的面积。
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1700934114 灾难!当方程被解出,视界面积被求出后,答案居然是零!换句话说,视界缩小到了仅仅是一个空间点,而不是一个巨大的球壳。所有的熵都被储存在那些摆动中,像蛇一样的弦似乎集中到了一个极小的空间点中。这不仅仅是黑洞的麻烦,它也与全息原理有着直接的矛盾:一个空间区域的最大的熵就是它以普朗克单元为单位的面积。一定是什么地方出错了。
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1700934116 森很清楚地知道哪里出了问题。爱因斯坦方程是经典的,这意味着他们忽略了量子扰动。除去量子扰动,在氢原子中的电子会掉向原子核,而整个原子的大小不会超过一个质子。但是由不确定性原理导致的量子的零点运动使得原子要比原子核大10 000倍。森意识到同样的问题可能发生在视界上。虽然经典物理预言它将收缩成一个点,但是量子扰动将使它膨胀到我所说的一个延伸视界。
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1700934118 森做了必要的修正:他粗略地估算了一下,发现熵和延伸视界的面积确实是成正比的。这是弦论关于视界熵的另一次胜利,但是如以往那样,这次胜利并不完全。我们仍离目标很远,还是不能精确地确定量子扰动会使视界延展多少。虽然森的工作是那么的出色,但是仍然只能以一个宽松的“~”结束。森最多也只能说,黑洞的熵是与视界的面积成正比的。虽然已经很接近了,但是仍然没有拿到那根最后的钉子。那个“盖棺定论”的计算还没有做。
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