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IR-胚附近即将相撞的两个原子核
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这时对偶性显示其威力。一方面,我们可以用四维版本来看,在那里两个物体碰撞并形成一个黑洞。这时黑洞在IR-胚附近,就像地板上的一个巨大的水坑。这需要多少能量呢?要比在UV-胚附近形成黑洞少得多。实际上,对于RHIC来说这个能量很容易达到。
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另一方面,我们还可以从三维的角度来看这个问题。在这种情况下,强子或原子核碰撞,并产出一堆夸克和胶子。
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起初时,在任何人都没有意识到QCD可能会与黑洞物理有关系的时候,QCD的专家们已经预计到碰撞所产生的能量,会以一团粒子气的形式再次出现,这团气体不遇到任何阻力,并快速地散开。但是他们所看到的则完全不同:能量凝结成团,看起来很像一团流体——称为热夸克汤。热夸克汤并不真是什么流体,它有一些令人惊讶的流动特性,与黑洞的视界极为相似。
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所有的流体都具有黏滞性。黏滞性是一种作用在流体中,有相对滑动的各个层面之间典型的摩擦力。黏度是一个物理量,用来区别黏滞性很强的流体,如蜂蜜,与不太黏的流体,如水。黏度并不只是一个定性的概念。而对于每一种流体来说,有一个精确的数值测量被称为剪切黏度[221]。
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理论学家们一开始就用了一些标准的近似方法,并得出结论:热夸克汤具有很高的黏度。而最终结果却是它的黏度小得令人惊讶[222]。除了一些了解弦论的核物理学家,每个人对此都感到很意外。
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根据对黏度的某种定量测量,热夸克汤是科学领域所知道的黏度最小的流体——要比水的黏度小很多。即使是超流体液氦(小黏度的前冠军)也要比它黏得多。
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自然界中有什么东西,可以与热夸克汤的这种低黏度相匹敌呢?有,但是并不是一种通常流体。一个黑洞的视界在它被扰动时表现得也像一个流体。例如,一个小的黑洞掉进了一个大黑洞里面,大黑洞的视界上会产生一个临时的突起,类似于一滴蜂蜜,滴在一壶蜂蜜上面所产生的突起。这个视界上的突起就像在一个黏性流体一样传播。很久以前,黑洞物理学家们计算了视界的黏度,当转换成流体的语言时,它很轻松的击败了超流体氦。当弦论学家开始猜测黑洞和核碰撞之间的联系的时候[223],他们意识到所有东西中热夸克汤,是最类似于黑洞视界的东西。
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什么东西最终会成为这团流体呢?就像一个黑洞,热夸克汤也蒸发,变成了各种类型的粒子,包括核子、介子、光子、电子和中微子。黏度和蒸发仅是视界和热夸克汤共同特性中的两种。
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在研究核流体的热潮中,人们希望能够知道有没有其他特性能够显示与黑洞物理是相类似的。如果这个潮流继续下去,将意味着我们拥有了一个非凡的机会来证明霍金和贝肯斯坦的理论,以及黑洞互补性原理和全息原理。这是一扇探究量子引力世界的至关重要的窗口,在那里尺寸被放大了,频率被减缓了,这样普朗克距离不再比质子小很多。
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有人说和平只是战争之间的短暂间隙。但是在科学上却跟战争相反,托马斯·库恩说得很对:大部分“普通科学”发生在巨变之间,是一个长期的、平静的、单调的过程。黑洞战争导致了物理学定律的一次疯狂的重建,但是现在我们看到它已经在那些天天都要用到的更普通的物理学中起到作用。就像先前许多次的革命性的想法一样,全息原理正在从激进的范式,渐渐地转变成核物理学每天都要用到的工具。
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第24章 大成若缺
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我们只是一些生活在一颗普通恒星的行星上的高级的猴子。但是我们可以理解宇宙。这使我们变得与众不同。
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——史蒂芬·霍金
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为了理解相对论,我们重新装备自己,这已经够难了。而如果是为了量子力学那更困难了。可预见性或者决定论必须离开,而失败的经典逻辑必须要被量子逻辑所取代。人们用抽象的无限维希尔伯特空间、数学上的对易关系以及其他一些怪异的发明来描述。
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在整个20世纪的重新装备的过程中,至少到90年代中期,时空的实在性、事件的客观性已经是无可争议了。人们普遍认为量子引力在研究时空的大尺度特性时没什么用。史蒂芬·霍金以及他的信息佯谬,却无意或说是很不情愿地带我们走出了这个框架。
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关于物质世界的新的观点在过去十多年的时间中不断地演变着,包括一种新的相对性原理和一种新的量子互补性原理。在1905年的时候,关于两个事件同时性的客观性就被否认了,但是事件本身这个概念却被坚实地保留了下来。如果一个核反应发生在太阳上,所有的观测者都会同意它发生在太阳上。没有人能在地球上观测到它。但是在引力作用极其强大的黑洞里,却出现了一些异常,一些破坏事件客观性的东西发生了。一件在自由下落的观测者看来是发生在巨型黑洞的内部的事件,在视界外部的另一个观测者看来却是在霍金辐射的光子中被“持球跑进”了。一个事件不能同时发生在视界内部和视界外面。同样的事件要么发生在视界后面要么在视界前面,这取决于观测者做的是哪个实验。但是互补性原理所有诡异的特性,在全息原理面前就成了小巫见大巫。立体的三维的世界似乎只是某种幻象,而真正的事情发生在空间的边界上面。
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对于我们大部分人来说,一些像同时性(狭义相对论中的)和决定性(量子力学中的)这样的概念的崩溃,只不过是个别物理学家所感兴趣的晦涩而奇怪的事情。但是真实的世界截然相反:人类动作不自然的缓慢以及人身体内的1028个原子都是自然界的特例。对于每个人而言,宇宙中存在着1080个基本粒子。它们中大部分都以接近光速的速度运动,而且不是无法确定其位置就是无法确定其速度。
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我们在地球上所感受到的引力作用之弱也是一个意外。宇宙在一个急速膨胀的状态中诞生;空间中的每一点都被一个半径比单个质子还小的视界所包围。宇宙中最著名的居民——星系——围绕着不断地吞噬着恒星和行星的巨型黑洞而形成。宇宙中每10 000 000 000比特信息中有9 999 999 999比特是与黑洞的世界相关的。显然,我们关于空间、时间和信息的这些幼稚的想法,用来了解自然是完全不够的。
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量子引力的再装备过程,还远远没有完成。我不认为,我们已经有了一个能代替客观时空的老范式的合理框架结构。弦论强有力的数学是有帮助的,它使我们可以给出一个严格的框架,来验证那些我们只能在哲学层面争论的问题。但是弦论是一项未完成的,仍在继续中的工作。我们不知道它的确定原理,也不知道它是现实世界的最基本的描述,还是征途中另一个暂时性的理论。黑洞战争告诉我们一些非常重要而又出人意料的东西,但是它们仅仅是一个暗示,用来告诉我们现实与我们脑中的图像是如此的不同。即便是在我们用相对论和量子力学重新装备过之后,情况仍然如此。
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宇宙视界
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黑洞战争已经结束(这样讲可能会使很多还在为此战斗的人感到沮丧),但是就算它结束了,自然界,这个伟大的好事者,又投给了我们另一个曲线球[224]。在马尔达西纳发现的同时,物理学家开始确信我们生活在一个有着非零宇宙学常数的宇宙中。一个小得出奇的自然常数[225],比任何物理学常数都要小,宇宙学常数是宇宙未来的主宰者。
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宇宙学常数,也被称为暗能量。近一个世纪以来,它一直是物理学家们感到烦恼的事情。1917年,爱因斯坦推测有一种反引力,它可以使宇宙中每样物体都排斥其他物体,以此来抵消通常引力的吸引作用。这个猜想并不是没有根据的,它是严格基于广义相对论的数学的。该方程有一个额外项的自由度,这个额外的项被称为宇宙学项。这种新作用的强度与一个新的自然常数成正比,即所谓的宇宙学常数,这个常数用大写的希腊字母Λ表示。如果Λ是正的,那么宇宙学项便会产生随距离增加而增加的排斥力;如果是负的,那么这个新的作用力则是一种吸引力;如果Λ是零,那么没有新的作用力,我们可以忽略它。
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