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史瓦西的经典黑洞的结构其实十分简单。它有一个边界（事件视界），包括光在内的任何东西一旦越过了事件视界就有去无回，从那一瞬间起，它们与外界就断绝了所有的联系，当然也无法与外界交换信息。事件视界的大小（也就是我们通常说的黑洞的大小）由黑洞的质量决定。事件视界并不是实体，在那儿其实什么都没有，它只是代表有去无回的分界线。黑洞的中心是一个密度无限大的“奇点”，任何掉进黑洞的物体最后都会消失于这个“奇点”。在“奇点”与事件视界之间也是什么都没有。事件视界具有很奇特的性质：对于一个被吸入黑洞的物体，当它穿过事件视界时，不同的观测者会看到完全不同的现象。在一艘飞船被吸入黑洞的过程中，如果让它每秒钟都发出一次无线电信号，在外界的观测者看来，飞船越靠近事件视界，信号到达的间隔会变得越长，当它穿过事件视界时，信号就再也收不到了—飞船彻底消失了。但是对飞船里的观测者，飞船穿过事件视界时，任何特殊的事情都不会发生，真正的毁灭只发生于飞船到达“奇点”的那一瞬间。
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在我们的宇宙里，天文学家已经观测到了各式各样的黑洞。银河系的中心就是一个非常巨大的黑洞。通常当一颗质量很大的恒星将它可以用来进行核聚变的物质消耗殆尽时，就会发生由引力引起的“坍塌”，恒星的密度会变得极大而形成黑洞。
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黑洞在物理学中从来就是一个“麻烦制造者”。让我们来做一个想象中的实验：划定一个半径为一米的球形区域，然后不断往里面扔书、手机、电脑等等，这些东西都带有一定数量的信息（当然也都有一定数量的熵）。假设我们有办法控制这个区域使其不能增大，随着越来越多的东西被扔进去，该区域中物质的密度就会越来越大。当密度最终达到一个临界值，这个区域就将成为一个黑洞。此后再往里面扔东西，就无论如何也没办法保持区域不增大了，因为黑洞的半径与它的质量成正比。由于任何东西都不可能从黑洞里逃出来，所以这部分信息也就再也不能为外界所知了。更糟糕的是，经典黑洞是没有温度的，没有温度的物体的熵是零，而熵是零意味着信息不存在。也就是说，经典黑洞会让宇宙的熵减少（这与热力学第二定律相悖）并使信息消失。这就在理论上产生了极大的危机。我们都知道能量守恒是物理世界的根本定律之一，能量可以传输、转换，但不能消失。信息也一样，可以传输、转换，甚至被掩盖、隐藏，但不能彻底消失。也许有人会想，如果把一本书烧了，书里记载的信息难道不是消失了吗？表面看来似乎是这样，但深一层想，所谓书和书里的字说到底其实就是许多原子按特定顺序排列组合而成。烧书的过程不外乎就是将这些原子的顺序打乱的过程。如果有极为精准的仪器能够追踪、捕捉所有这些四散而去的原子，原则上就可以再把它们都“放”回原处，从而将书复原。这意味着书虽然烧了，但书里的信息并未毁灭，只是被那些四散而去的原子携带走了。
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第一个在黑洞熵的研究上获得实质性突破的，是柏肯斯坦（Bekenstein）。他那时还在普林斯顿大学读研究生（1973年），师从大名鼎鼎的惠勒（John Wheeler，1911—2008，黑洞这个名词就是他创造的）。柏肯斯坦基本上凭的是物理直觉和唯象的分析，他虽然得到了一个重要结论—黑洞的熵与黑洞的表面积成正比，却没能计算出正确的比例常数。由于柏肯斯坦的结论缺少坚实的理论基础，当时没有引起太多人的重视。直到霍金（Stephen Hawking）于1974年非常巧妙地将量子效应应用于黑洞的研究，得出了黑洞具有温度的重要结论，才彻底解决了物理学上的这一“危机”。
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在量子理论中，真空并不是真的什么都没有，而是不断有正粒子和反粒子对（比如电子和正电子）在生成和湮灭。只是这个过程极为短暂，从宏观上看就像什么都没发生一样。但如果正—反粒子对恰好是在黑洞的事件视界上生成，情况就会大不一样。黑洞会“优先”将反粒子吸入，而正粒子则飞向外界。于是从外界看起来，黑洞就像一个生成源，会辐射正粒子。另一方面，由于反粒子带有负能量，吸入反粒子会使黑洞的能量减少，再通过著名的E＝mc2，就意味着黑洞的质量会变小。此一过程在整体上看就像黑洞会辐射粒子并逐渐缩小，换句话说就是黑洞会蒸发。这个结论在物理界引起极大的轰动，被命名为霍金蒸发。能够辐射的物体就有温度，也就允许有熵。以霍金蒸发为基础，不但可以导致柏肯斯坦的结论，而且能计算出黑洞熵与黑洞表面积之间的正确的比例常数。
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在霍金的论文发表后，黑洞具有熵已成为不争的事实。但是黑洞是否会吞噬信息的问题还远没有解决。霍金和卡特尔（Carter）等人在1973年曾严格证明了“黑洞无毛定理”：“无论什么样的黑洞，其最终性质仅由几个物理量（质量、角动量、电荷）唯一确定。”即当黑洞形成之后，只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量，其他一切信息（“毛发”）都丧失了，黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质，对前身物质的形状或成分都没有记忆。也就是说黑洞虽然有熵，但被带入的信息终究还是被毁灭了，即使从理论上讲也无法“复原”。霍金的这一观点当时被物理界的绝大多数人所接受，只有特霍夫特（Gerard’t Hooft，获1999年诺贝尔物理奖）和沙氏金（LeonardSusskind）等少数几个人提出质疑。他们认为信息和能量一样是不可毁灭的，即使黑洞也不能让信息消失。
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特霍夫特
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特霍夫特是一个很有想象力的人，他在1993年猜测，信息并没有被黑洞吞噬，而是像熵一样“留”在了黑洞的表面。这是一种全息效应，与我们通常说的全息摄影的原理颇为相似：将描述一个三维空间物体的全部信息存储在一个二维的表面上。1994年沙氏金把这个猜测提升为全息原理，它不但适用于黑洞，对任何给定的空间，其内的所有信息都可以由边界面上的信息来完整描述。推而广之，宇宙中的所有信息全都反映在宇宙的边界上。沙氏金甚至认为真实的物理实际是在边界的表面上，我们生活的三维空间不过是全息影像而已。这个原理实在有点太过玄乎，所以尽管沙氏金提供了一些直观的论证，特霍夫特也曾尝试通过建构某种模型来支持该原理，但开始时基本上没什么人相信。霍金等人还从理论上对全息原理提出了强烈质疑。直到1997年年底，智利物理学家马德西纳提出了在超弦理论研究中占重要地位的马德西纳猜想，情况才发生了根本的变化。马德西纳猜想大体上是说描述某种较高维空间的物理性质的弦论可以等价为低一维的空间中的量子场论，也就是在空间与包围它的表面之间建立起了某种对偶关系。这个猜想虽然还没有被完整证明，但已在弦论研究的很多方面得到了验证，今天几乎没有人怀疑它的正确性。马德西纳猜想为全息原理奠定了一个坚实的理论基础，沙氏金最终利用超弦理论得以回答本文最开始提出的问题。他的结论是：在一个给定大小的空间中，能够存储于其内的信息确实是有限的，这个极限就是该空间的表面面积除以普朗克面积（普朗克长度约为1.6×10-35米，普朗克面积则约为2.6×10-70平方米）。值得注意的是，该极限是与给定空间的表面积成正比，而不是像通常直观想象的那样与其体积成正比。以一个半径为一米的球体为例，其表面积大约为12平方米，可存于其内的信息的极限差不多是4×1070个位元。这是一个理论上存在，实际上可能永远接近不了的极限。
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三汤对话 [:1702202818]
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三汤对话 反物质之谜
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1908年6月30日早晨7点17分，在俄罗斯荒凉的西伯利亚通古斯地区发生了一次巨大的爆炸。爆炸的火球让天空中的太阳都显得暗淡无光，2000平方公里的森林被烧掉，几千棵大树被连根拔起。附近仅有的几栋农舍全遭摧毁，里面的银器都因高温而熔化了。据估计，这次爆炸的威力相当于摧毁广岛的原子弹的1000倍！幸好爆炸地点非常偏远，离最近的城市也有800公里之遥，因而没有造成太大的损失。至于爆炸的原因则众说纷纭，被比较普遍接受的观点是来自外太空的巨大陨石的撞击所引起。但是这种解释有一个问题，陨石撞击应该留下一个像月亮上的环形山那样的巨大陨石坑，而在爆炸地点却看不到。1965年，利比（W. F. Libby，1908—1980，获1960年诺贝尔化学奖）、科温（Clyde Cowan，1919—1974，本应获得诺贝尔物理奖，由于早逝而未能得到）和阿特勒瑞（C. R. Atluri）在英国《自然》杂志上发表了一篇论文，提出一个全新的观点—通古斯大爆炸是由外太空来的反物质引起的。反物质是什么？这必须从狄拉克和他的相对论量子力学说起。
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狄拉克
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狄拉克（Paul Dirac，1902—1984）是20世纪最伟大的物理学家之一。他恐怕还不仅是一般意义上的天才，他对物理的洞察力让同时代的其他天才都自叹弗如。就连量子力学的奠基人之一，当时在物理界如日中天的海森堡（Werner Heisenberg，1901—1976，获1932年诺贝尔物理学奖）都对他退避三舍。在一封给泡利（W. E. Pauli，1900—1958，获1945年诺贝尔物理学奖）的信里海森堡说：“为了不持续地被狄拉克所烦扰，我换了一个题目做，得到了一些成果。”言下之意是他不愿意和狄拉克在同一问题上竞争。然而狄拉克对这些似乎并不自知，即使知道了大概也不会当回事。对于出名，狄拉克是避之唯恐不及。1933年，当他得知自己获得诺贝尔物理学奖后，曾对核物理之父卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937，获1908年诺贝尔化学奖）表示他不想出名，想拒绝这个荣誉。不过，卢瑟福的劝说很具说服力，“如果你真这样做，你会更出名，人家更要来麻烦你”。为了不至“更出名”，他只好乖乖地去领奖。狄拉克还有一大特点，就是潜心学问，一向少言寡语。据说有一次他出席剑桥大学的一个宴会，正好坐在同样沉默寡言的小说家福斯特（E. M. Forster，1879—1970）旁边，在长时间无言以对之后，狄拉克终于转过头问了一句：“山洞里发生了什么？”意指福斯特的小说《印度之旅》中的某个情节。福斯特良久没有答话，直到宴会即将结束、甜点上桌时，他才蹦出一句：“我不知道。”
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狄拉克原本是学数学的，有一次偶然选了一门由一位哲学教授讲的关于爱因斯坦相对论的课，尽管从课堂上没学到多少东西，却把他的兴趣从数学引向了物理。他立即决定申请到著名的剑桥大学的研究生院去学物理。在剑桥，狄拉克学习了量子论创始人玻尔（Niels Bohr，1885—1962，获1922年诺贝尔物理学奖）的原子理论之后，一个奇妙的想法让他如醉如痴：将狭义相对论与量子论结合在一起，从而获得对微观粒子的性质更准确、更完美的描述。相对论和量子论是近代物理学的两大基石。狭义相对论主要是描述宏观世界中空间与时间的关系及物体高速运动时的规律的理论。量子论则是研究微观世界里物理现象的理论。要把两者结合到一起可不是一件容易的事。狄拉克每天花大量的时间一边散步一边沉思，夜深人静时再在纸上演算和推导。可是在很长一段时间里，他的研究毫无进展，作为出发点的克莱因—戈登方程总是把他领入死胡同。终于有一天，在1928年一个寒冷的夜晚，当他坐在剑桥圣约翰学院一间酒吧的壁炉前冥思苦想时，突然灵光一闪（也许这就是禅宗所谓的顿悟吧）明白了问题的症结所在—克莱因—戈登方程中与时间相关的部分是不正确的。于是，著名的狄拉克方程诞生了！这个方程不但在物理学里占有极重要的地位，对化学以及很多如今被广泛应用的新技术（例如医院里通用的核磁共振成像技术）都有着不可估量的影响。按杨振宁的说法，狄拉克方程“是惊天动地的成就，是划时代的里程碑”。
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当狄拉克将他的著名方程应用到电子上时，他很快就发现了一个令人惊讶的事实：在方程的解里面，不但有准确描述电子特性的解，同时还存在对应于负能量状态的解！我们都知道在现实世界里能量只可能是正的。面对类似情况，一般的物理学家可能会怀疑方程本身有误，或认为这些负能解只是一种纯数学的非物理解而不去管它。但狄拉克不是一般的物理学家，在判断一个物理理论是否正确的标准上，他和爱因斯坦是一党，他们都以理论优雅（elegance）与否为最高准则。28岁就成为苏联科学院院士的伽莫夫（Geoge Gamov，1904—1968）半开玩笑地总结了他们这一派人所信奉的四大信条：一、如果一个优雅的理论与实验相符，其正确性毋庸置疑；二、如果一个优雅的理论与实验不符，实验肯定是错的（海森堡公理）；三、如果一个不优雅的理论与实验不符，事情则还有可为—通过改进理论有可能使它与实验相符（玻尔修正案）；四、如果一个不优雅的理论与实验相符，事情就没指望了（伽莫夫观念）。什么样的理论是优雅的呢？按爱因斯坦的说法，这理论应该“尽可能地简单，但却不能再行简化”。狄拉克方程是非常优雅的，因而狄拉克对它的正确性绝对有信心，同时他也相信负能量解一定有它的深刻含义。经过缜密的思考，他于1931年断言负能量解实际上对应的是与电子相反的另一种粒子。他将其称为空穴，负能量的空穴在现实世界里看起来就是具有正能量的反粒子。电子带负电荷，与电子对应的反粒子就应该带有数量相等的正电荷。刚开始，狄拉克以为质子（构成原子核的基本粒子之一）就是电子的反粒子，不过他很快就意识到虽然质子带有数量与电子相等的正电荷，但质子的质量比电子大太多，因而它们不可能是一对粒子—反粒子。他最后的结论是一定存在一种电荷与电子相反、质量与电子相同的新粒子—反电子（后来被更名为正电子）。这个大胆的预言立刻在物理界掀起了轩然大波，大多数人都抱持怀疑态度，甚至有人将反粒子理论作为开玩笑和嘲弄的对象。可出乎所有人的意料，仅仅一年之后安德森（C. D. Anderson，1905—1991，获1936年诺贝尔物理学奖）就在研究宇宙线（从外太空来的高能粒子）时发现了正电子！从此人们开始接受反物质的存在。狄拉克后来又进一步预言所有的基本粒子都有与它们对应的反粒子，比如有质子就应该存在反质子。反质子果然在1955年被塞格雷（Emilio Segre，1905—1989）和张伯伦（Owen Chamberlain，1920—2006）发现，这为他们赢得了1959年的诺贝尔物理学奖。
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当反物质遇到物质，比如正电子遇到电子，它们就会湮灭并释放出能量。根据爱因斯坦的著名公式E＝mc2，即使质量m很小，由于光速c的数值很大，释放出的能量E也是极为可观的。这就是前面提到的利比等人用反物质来解释通古斯大爆炸的理论基础。
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认识到反物质的存在，使人们对物理世界的了解向前跨出了一大步。杨振宁曾把狄拉克这一大胆的、独创性的预言比之为负数的首次引入，“负数的引入扩大并改善了我们对于整数的理解，它为整个数学奠定了基础，狄拉克的预言扩大了我们对于场论的理解，奠定了量子电动场论的基础”。但是有一件事始终令物理学家们疑惑不解：按照当下流行的大爆炸宇宙论（宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的），宇宙生成之初物质和反物质应是对称的，简单说就是物质和反物质的数量在开始时应该一样多。为什么我们看到的宇宙却是一个只有物质的宇宙？反物质都跑到哪里去了？于是就有了各种各样试图解释这个现象的理论。
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理论之一是，在大爆炸产生了我们所在的以物质为主的宇宙时，也同时产生了一个对应的以反物质为主的反宇宙。这个理论基本上是无法验证的，因为宇宙和反宇宙是不连通的。如果一定要找到某种连通的途径，只能是通过更高维的空间（我们生活在三维空间中）或玄之又玄的所谓“虫洞”。这些东西实在有点太过玄妙，在这里不谈也罢。
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另一个理论认为可能存在与物质的星云、星系等等相对应的反物质的星云、星系，它们共存于同一个宇宙中，由于相隔遥远，所以不会撞到一起而湮灭。如果真是那样，一些来自“反世界”的反原子核就有可能飞到地球来。这些反原子核一旦与大气层遭遇就会湮灭，所以要想探测到它们，只可能在大气层的边缘或之外。斯穆特（G. F. Smoot III，1945—，获2006年诺贝尔物理学奖）和他的同事们曾经用巨形气球把探测反原子核的实验装置升到大气层的边缘，经过几年的持续观测，他们只测到了一次像是反氧原子核的实例。在运用复杂的统计方法进行分析之后，他们得出这个观测结果的可信度为75％。可惜由于这只是一个再也没能被重复的孤立事件，斯穆特等人无法据此达成任何定论。
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按照计划，明年（2012年）2月27日美国的“奋进”号航天飞机将把由著名华裔物理学家丁肇中（1936—，获1976年诺贝尔物理学奖）主导研制的阿尔法磁谱仪（AMS-02）送到国际空间站。阿尔法磁谱仪的建造花了15亿美元，历时16年。它的两个主要目的之一就是探测反粒子（另一个是探测暗物质）。阿尔法磁谱仪比斯穆特的装置不知要先进多少倍。而对探测反粒子来说，空间站的环境比大气层的边缘又要理想很多倍。这两项因素加在一起，使物理学家们对它抱有很大期望。
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对于反物质，目前比较通行的理论（严格说只能算是一种看法）认为，宇宙生成时物质和反物质确实是对称的，但由于我们目前还不知道的机制，在宇宙发展的过程中，反物质统统消失了，只剩下了物质。欧洲核子研究组织的大型强子对撞器（简称LHC）专门设计了一个装置LHCb（LHC的四个探测器之一），希望在不久的将来能解答有关反物质的这个关键问题：在宇宙生成之初，反物质与物质是否真的有足够的不同，而让物质在某个时间开始赢得了主导权并形成我们今天看到的宇宙。LHC是集二十余国之力、耗时十多年、投资超过一百亿美元建造起来的世界上最大的粒子加速器，可以说是有史以来最庞大、最复杂的超级实验装置。它的主加速环就有将近27公里长，开动时，其耗电量相当于一座中等规模的城市。LHC在2008年开始运转，预计将于2013年达到最高设计能量。到那时，两束被加速到99.9999991％光速的质子将迎头对撞，在瞬间产生出巨大的能量和极高的温度，使人们能看到相当于宇宙处于最初（即大爆炸开始后）两百万亿分之一（5×10-15）秒时的状态。如果那时观察到物质与反物质是对称的，并且追踪到其后物质如何“战胜”反物质，物质—反物质之谜就能被彻底解开了。相反，如果观察到物质与反物质是不对称的，那就有两种可能：其一是物质与反物质处于对称状态的时间比两百万亿分之一秒更早，这就需要造更大的粒子加速器来验证。其二是目前的大爆炸宇宙论有缺陷，需要物理学家们来进一步完善它（当然，也没准得彻底推倒重来）。究竟会发生什么样的情况，只有待到2013年见分晓了。
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