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1700934120 这类差不多的计算是不可能说服史蒂芬·霍金的,它们的胜算并不会比我的论证高。然而,完整的结果正在接近。根据瓦法的提议,制造一个巨大经典视界的极端黑洞,需要一些新的装配部件。幸运的是,这些必要的零件将在圣芭芭拉被发现。
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1700934122 波尔钦斯基的D-胚
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1700934124 D-胚应该被称为是P-胚,这里的P就是波尔钦斯基(Polchinski)的首字母[202]。但是在波尔钦斯基发现这个胚的时候,P-胚这个术语已经被用在了一个不相关的东西上了。所以波尔钦斯基就用19世纪德国数学家约翰·狄利克雷(Johann Dirichlet)的名字给它们命名,称它们为D-胚。狄利克雷与D-胚并不直接相关,但是与他关于波的数学研究相关。
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1700934126 英语“胚”(brane)这个词在字典中并不存在,只在弦论中使用。它来自一个普通的单词——膜(membrane),一个可以延伸、可以弯曲的二维曲面。波尔钦斯基1995年关于D-胚的发现,是近年来物理学上最重要的事件之一。它不久就对从黑洞到核物理的所有东西,都产生了深远的影响。
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1700934128 最简单的胚是0维的,被称为0-胚。一个粒子或是一个空间点是0维的,因为在一个点上面没有地方可以移动,所以粒子和0-胚是同义词。我们升高一维,来看1-胚,它是1维的。一根基本弦就是1-胚的一个例子。膜——2维的物质面——是2-胚。那么3-胚呢——有这样的东西吗?想象一块橡皮的立方体充满了一个空间区域。你可以称其为充满空间的3-胚。
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1700934130 我们似乎有点偏离了方向。很明显,我们没有办法把一个4-胚填入3维的空间中。但是如果空间具有紧致维呢——例如有6个紧致维呢?在这种情况中,4-胚中的一个方向可以沿着紧致方向延伸。实际上,如果总共有9维,那么空间可以是9维以及9维以下的任意维度。
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1700934132 一个D-胚不仅仅是一种胚,它有一个非常特殊的特性——基本弦可以在上面终结。考虑D0-胚的情况。D意味着是一个D-胚,而0意味着是0维的。所以D0-胚是一个基本弦可以在其上终结的粒子。
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1700934134 D1-胚通常被称为是D-弦。这是因为一个D1-胚是1维的,它自身就是一种弦,虽然我们不应该将它和基本弦搞混[203]。一般来说,D-弦要比基本弦重得多。D2-胚是膜,类似于橡皮纸,但是,同样具有基本弦可以在上面终结的特性。
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1700934136 D-胚只是一个波尔钦斯基在弦论中添加的一个随意的奇想?仅仅是因为他觉得可以那么做?我想,在他开始的一些探索工作中可能是这样的。理论物理学家常常会发明一些新的概念只是为了摆弄摆弄它们,看看它们能导出什么结果。实际上,1994年波尔钦斯基第一次向我展示D-胚这个概念的时候,讨论的真正精神是:“看,我们可以在弦论里面加一些新的东西。这不是很好玩吗?我们可以研究一下它们的特性。”
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1700934141 但是在1995年的某个时候,波尔钦斯基意识到D-胚弥补了弦论在数学上的一个很大的漏洞。实际上,它们的存在是一个必要补充,使不断扩大的逻辑和数学网络得以改进。为了构造一个更好的极端黑洞,D-胚是所需要的那个缺失的神秘零件。
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1700934143 取得成功的弦论数学
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1700934145 在1996年,瓦法和安迪·斯特鲁明格突然发动了袭击。通过结合弦和D-胚,他们可以构造出一个带有较大且明确经典视界的极端黑洞。因为一个极端黑洞被认为是一个大型的经典物体,量子晃动只有在视界上面才有一些不可忽视的效应。现在没有了摆动,弦论可以更好地给出霍金公式中所蕴藏着的隐藏信息的总量,而且没有不确定的因子2或者是π,也没有正比记号。
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1700934147 这并不是你那类基础的传统黑洞。这个斯特鲁明格和瓦法用弦和D-胚所构建的黑洞,听起来像一个精心安排的梦魇,但是它是人们所寻找的大型经典视界中最简单的结构。所有弦论的数学技巧都被用上了,包括全部的额外维、弦、D-胚、还有许多其他的技巧。首先,这些弦被嵌在许多D5-胚上,这些胚撑满了6个空间紧致方向中的5个。除了被嵌入在D5-胚上,它们还在其中一个紧致方向上,缠绕了大量的D1-胚。然后它们增加弦的数量,弦的两头都被按在D-胚上面。又一次,弦上那些露出来的片段将变为包含着熵的视界原子。(如果你有一点迷糊的话,不要担心。我们进入了一个新领域,人类大脑无法轻易重新装备的领域。)
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1700934149 斯特鲁明格和瓦法沿用了他们早先用过的步骤。首先,他们将控制器读数调到0,这样引力和其他作用力将会消失。没有了这些力的干扰,我们可以精确计算在开弦的扰动中能储存多少熵。这些技巧性很高的计算要比以往任何东西都要来得复杂而精妙,但是他们施展了数学绝技,成功了。
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1700934151 下一个步骤就是解这类极端黑洞的爱因斯坦场方程。计算这个面积并不需要不确定的伸展步骤。正如我与大家共同所愿,斯特鲁明格和瓦法发现视界的面积和熵并不仅仅是成正比的;那些黏在胚上的弦,其上的摆动中所隐藏的信息,与霍金的公式完全一致。他们已经找到了它。
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1700934153 就如以往常发生的那样,几乎同时,有好几组人突然想出同一个新的想法。斯特鲁明格和瓦法在做他们的工作的同时,最聪明的新一代物理学家中的一个,当时还只是一个普林斯顿的学生,胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)完成了他的学位论文。胡安·马尔达西纳的博士论文的导师是柯特·卡兰(CGHS中的C)。马尔达西纳和卡兰也将D5-胚和D1-胚以及开弦结合。在几个星期中,斯特鲁明格和瓦法,卡兰和马尔达西纳各自发表了他们的论文。他们的方法不太一样,但是他们的结论完全证实了斯特鲁明格和瓦法所说的。
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1700934155 事实上,卡兰和马尔达西纳能够在先前的工作上走得更远一些,而且还可以计算准极端黑洞。一个极端黑洞在物理上是很奇怪的一个东西。它是一个带有熵的物体,但是没有热能,没有温度。在大部分的量子力学的体系中,一旦所有能量都被抽走,那么一切东西都被牢牢地钉在了位置上。例如,如果把一块冰块的所有热能都抽走的话,那剩下的将是一块完美的不带有任何瑕疵的水晶。任何水分子的重新分布都需要能量,所以重新分布会增加热能。所有热能都被抽走后的冰,不含过剩的能量,没有温度,没有熵。
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1700934157 但是也有例外。某些特殊的系统有许多能量取相同最低值的状态。换句话说,即便是所有的能量被抽走后,仍有许多种重组系统的方式来隐藏信息,并且这不增加能量。物理学家们说这些系统有着退化的基态。带有退化基态的系统具有熵——它们可以隐藏信息——甚至是在绝对零度。极端黑洞是这些特殊的系统的一个理想的例子。不像普通的史瓦西黑洞,它们处于绝对零度的时候,就意味着它们不蒸发。
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1700934159 我们回到森的例子中。在这种情况下,弦上的摆动都朝着一个方向运动,因此它们不会相互撞击。但是假设我们加一些反方向运动的摆动。如你所预期的,它们与原来的那些摆动相撞并制造了一些混乱。实际上,它们加热了弦,提高了温度。不像普通的黑洞,这些准极端黑洞不会完全地蒸发,它们把它们过剩的能量排出去,并回到极端的状态。
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1700934161 卡兰和马尔达西纳能用弦论来计算准极端黑洞蒸发的速率。弦论用来解释蒸发过程的方式是令人着迷的。当两个摆动朝着两个相反的方向移动并相撞时,如下图:
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1700934166 它们会形成一个单个的,更大的摆动,看起来就像这样:
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