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1700931682 黑洞战争 [:1700930468]
1700931683 第6章 百老汇之约
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1700931685 我和理查德·费曼的第一次谈话是在曼哈顿上区的百老汇的西区咖啡馆中,那年是1972年,那时我32岁,是一个相对不知名的物理学家;费曼53岁,纵使他已不处于全盛时期,老狮王毕竟还是狮王,他依然是个很难对付的大人物。他到哥伦比亚大学做一个关于部分子的新理论的演讲。部分子是费曼关于诸如质子、中子和介子这样一些亚原子核粒子的假想组分(部分)所使用的术语,如今我们称它们为夸克和胶子了。
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1700931687 当时,纽约是高能物理的主要中心,焦点是哥伦比亚大学的物理系。哥伦比亚大学的物理有着光荣和著名的历史。拉比(I.I.Rabi)是美国物理学的一位先驱者,确立了哥伦比亚大学成为最有威望的物理机构之一,直到1972年,哥伦比亚的声望达到了顶峰。耶什华大学的贝尔弗科学研究生院的理论物理规划[56],至少说来是不错的,我当时是那里的教授,但哥伦比亚毕竟是哥伦比亚,贝尔弗的地位远不及它那样崇高。
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1700931689 费曼的演讲如同预期的那样,引起了巨大的震动。他在物理学家的心灵和智慧当中占有一个极为特殊的位置。不仅因为他是有史以来最伟大的理论物理学家之一,而且因为他是所有人的英雄。他是演员、小丑、鼓手、坏男孩、攻击传统理念的人和智慧出众的人,他让一切看起来都很简单。其他人经过几个小时的艰难的数学计算来回答的一些问题,他用20秒就能说明为什么答案是显而易见的。
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1700931691 费曼自视极高,不过他仍有足够的兴趣来此地聚会。几年之后,我和他成为好朋友,不过在1972年,他是一个名人,而我是从第181街道北部的穷乡僻壤来的,一个不起眼的追星族。我乘坐地铁在演讲前2个小时到达了哥伦比亚,希望能和这位伟大的人物说几句话。
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1700931693 理论物理系在浦品楼的第19层[57]。我断定费曼会到那里溜达。我首先看见的人是李政道,他是哥伦比亚大学物理系的士林翘楚[58]。我问他费曼教授是否在附近,李政道友好地反问:“你想做什么?”我回答道:“是这样的,我想问他有关部分子的一个问题。”李政道又说道:“他很忙。”就这样结束了交谈。
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1700931695 故事本来将要终结,我忽然心有灵犀一点通。当我走进洗手间时,马上发现费曼恰好站在小便池前面。我蹑手蹑脚地靠近他,嗫嚅着说:“费曼教授,我可以问您一个问题吗?”“好,不过得先让我解决完现在的事情,接着我们可以到他们给我准备的办公室里去,是有关什么方面的问题呢?”那时那刻,我发现实际上我并没有关于部分子的问题,于是我编造了一个有关黑洞的问题。黑洞这个术语是由约翰·惠勒4年前杜撰的。惠勒曾经是费曼的论文指导老师,但费曼告诉我,关于黑洞他几乎一无所知。我从朋友大卫·芬克尔斯坦(David Finkelstein)那里了解到了一点儿极为有限的知识,他是黑洞物理学的先驱者之一。1958年戴夫写了一篇有影响力的论文,以此来说明黑洞视界是一去不复返之点。在我所了解的事情当中,黑洞有一个位于其中心的奇点和围绕着奇点的视界。戴夫同时还向我解释了,为什么没有东西能从视界之内逃出。我最终知道的事情是,虽然我不清楚我是如何了解它的,一旦黑洞形成,它无法分裂或消失,两个或两个以上的黑洞可以合并在一起,从而形成一个更大的黑洞,但永远没有东西能使一个黑洞分裂成两个或两个以上的黑洞。换句话说,一旦黑洞形成,那么将没有办法来摆脱它。
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1700931697 大约在此期间,年轻的史蒂芬·霍金对黑洞的经典理论发起了革命。他最重要的发现之一,是黑洞视界面积永不减少这个事实。霍金和他的合作者詹姆斯·巴丁(James Bardeen)、巴登·卡特(Barndon Carter)用广义相对论,得到了支配黑洞行为的一组定律。新定律与热力学定律(有关热的定律)异乎寻常的相似,尽管这个相似性被认为是一个巧合。有关面积永不减少的规则,是热力学第二定律的一个类比,它声称系统的熵永不减少。在费曼的演讲期间,我怀疑自己是否听说过这个工作,甚至是霍金这个名字,然而霍金关于黑洞动力学的定律最终对我的研究产生了重要的影响,长达20多年。
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1700931699 无论如何,我想向费曼提的问题是,量子力学是否会使黑洞通过分裂为小黑洞的方式来使其瓦解呢?我想这有点儿类似于将非常大的原子核分裂成其他小原子核。我匆忙地向费曼解释,为什么我认为它应该发生。
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1700931701 费曼说他从未考虑过此事,而且逐渐开始厌倦引力这个问题。量子力学对引力的效应,或者说引力对量子力学的效应太微弱,从来没有被观测到。他并不是认为这个问题,在本质上是没有意思的,而是认为没有某些可观测的效应来引导理论,因此猜测它的运作方式是毫无希望的。他说曾在几年前考虑过这个问题,不想再重新开始为此事而思索了。他猜测可能需要500年时间,量子引力才能被理解。费曼说无论如何他需要放松一下,来准备一个小时之后的演讲。
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1700931703 演讲百分之百是费曼式的。他的风采充满了整个舞台,用布鲁克林的腔调和肢体语言,这些夸张的手段来演示每一点。听众被迷住了。他告诉我们如何用简单直观的方式来考虑量子场论中有难度的问题。几乎其他人都用另外一种旧的方法来分析他所处理的问题。旧方法很困难,但他发现了一个技巧,使得它们都变得非常简单,就是部分子的技巧。费曼挥舞着他的魔杖,所有的答案都跳出来了。令人感到啼笑皆非的是,这旧的方法是基于费曼图的。
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1700931705 对我而言,演讲最精彩的部分是当李政道打断费曼的演讲,问了一个问题,或者更像用问题的方式变相地做了一个陈述。费曼声称某种特定的图,它称为Z图,永远不会出现在他的新方法中,这简化了问题。李政道问道:“是不是在某些用矢量和旋量描写的理论当中,Z图并不是给出零结果呢?但我想它大概可以被解决。”演讲厅如同墓地一样安静。费曼看着这位士林翘楚5秒钟,接着说:“搞得定它。”然后继续做演讲。
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1700931707 演讲之后,费曼走到我旁边问道:“嗨,你叫什么?”他说考虑了我的问题,想和我讨论。他问我是否知道我们随后可以见面的一个地方吗?就这样我们到西区咖啡馆见面了。
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1700931709 我们随后将回到咖啡馆,但我首先需要将有关引力和量子力学的一切都告诉你们。
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1700931711 我想讨论的问题是与量子力学对黑洞的效应有关的。广义相对论是引力的经典理论。当物理学家用经典的这个词时,并不是指来自于古希腊,它仅仅指理论没有包括量子力学效应而已。我们对量子理论如何影响引力场所知甚少,但所知道的这一点与在空间以引力波传播的微小的扰动有关。我所了解的这些扰动的量子理论的大多数是费曼做出的贡献。
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1700931713 我们在第4章中已了解到,上帝没有理睬爱因斯坦不玩骰子的要求。当然,问题的关键是,经典物理学中确定的东西,在量子物理学中变得不确定了。量子力学从不告诉我们将发生什么;它告诉我们这个或那个将要发生的概率。确切地说,一个放射性的原子什么时候会衰变是不可预测的,但量子力学可以告诉我们的是,它很可能会在接下来的10秒钟发生衰变。
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1700931715 诺贝尔物理学奖得主默里·盖尔曼(Murry Gell-Mann)从怀特(T.H.White)的《从前和将来的国王》那里借来句格言:“任何不被禁止的事情都是欲罢不能的。”然而在大多数情形下,经典物理学中有许多不可能发生的事件,在量子理论中是可能发生的。不是不可能,而仅是这些事件未必会发生。然而无论多么不太可能,如果你等足够长的时间,那么它们最终将会发生。因此,任何不被禁止的事情都是欲罢不能的。
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1700931720 典型的例子是一种被称为隧道效应的现象。想象一辆停在山顶的汽车。我们忽略所有不相关的东西,例如,摩擦力和空气阻力。我们同时假定司机不刹车,那么汽车将自由下滑。很显然,如果汽车停在最低点,它就不会突然开始运动。无论朝哪个方向运动都是上坡,而且如果汽车开始时处于静止状态,它将没有能量去上山。如果我们不久之后发现汽车越过山峰之后再往下滑,那么只有假定:或者我们推了它一程,或者它以某种其他方式获得了能量。在经典力学中,汽车自发地跃过山峰是不可能的。
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1700931722 但是记住,任何不被禁止的事情都是欲罢不能的。如果汽车是量子力学的(所有的汽车确实都是如此),那么没有什么能阻止它突然出现在山峰的另一侧。这种现象未必会发生,对于像汽车这般大而重的物体,是非常、非常不大可能,但并不是不可能。因此,如果有足够的时间,那么它将是欲罢不能的。如果等待足够长的时间,我们将会发现汽车从山峰的另一侧滑下。由于汽车就像穿过山峰中的一条隧道一样,因而这种现象称为隧道效应。
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1700931724 对于一个如同汽车般重的物体而言,它穿过的概率是如此之小,以至于(平均来讲)需要难以计数般长的时间才能使汽车自发地出现在山峰的另一侧。为写下一个足够大的数字来表示这个时间,需要一个很多位的数,即使每一位数字写成质子大小,并让它们紧紧地堆积在一起,也远超过整个宇宙的大小。然而,完全相同的效应可以允许一个α粒子(两个质子和两个中微子)穿过原子核,或者是电子穿过回路中的空隙。
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1700931726 在1972年的那天,我想,尽管经典黑洞有固定的形状,然而量子涨落可以使视界的形状发生微小的晃动。一般情形下,非旋转黑洞的形状是一个理想的球面,但量子涨落应该会使它变形,简要地说是球面将变平或变扁。进一步而言,涨落常常会是很大的,以至于黑洞变形成为一个由细颈来连接的一对较小的近似的球面,在细颈处发生分裂将会非常容易。重的原子核以此种方式来自发地分裂,那么为什么黑洞不可以呢?从经典意义上来讲,它不可能发生,就像小汽车不能自发地跃过山峰一样。然而真的是绝对禁止的吗?我找不到它应该这样的理由。我认为等待足够长的时间,黑洞最终会分裂为两个较小的黑洞。
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1700931731 我关于黑洞衰变的想法
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