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黑洞战争 [:1700930478]
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黑洞战争
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第3篇反攻篇
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第15章 圣芭芭拉之役
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1993年一个星期五的下午，其他所有人都回家了。我、约翰·乌格勒姆和拉鲁斯·索拉修斯还坐在我斯坦福的办公室中，吹着微风，喝着拉鲁斯·索拉修斯刚做的咖啡。冰岛人做的咖啡是全世界最浓烈的。据拉鲁斯·索拉修斯所说，这与他们的深夜喝咖啡的习惯有关。
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拉鲁斯·索拉修斯（Larus Thorlacius）是一个高个子的冰岛维京人[114]（他说他的祖先不是这些挪威勇士，而是爱尔兰的奴隶）。他刚从普林斯顿大学拿到博士学位，那时是斯坦福的一个博士后。约翰·乌格勒姆（John Uglum）是一个来自得克萨斯的共和党人（他并不热衷宗教，而是一个艾茵·兰德笔下的自由主义者）[115]。他是我的研究生。不论我们政治立场和文化背景有多么不同——我是来自南布朗克斯的信奉自由主义的犹太人[116]——我们是兄弟，而且我们做了很多男人们在一起干的事情：坐下来一起喝咖啡（有时也喝一些比较烈性的饮料），争论政治，讨论黑洞。过了没多久，一个来自新西兰的名叫阿曼达·佩特（Amanda Peet）的学生也加入了我们的“兄弟连”[117]，我们的成员增加到了3个兄弟1个姊妹。
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到了1993年，黑洞不仅进入了许多物理学家的视野，而且也成了大家感兴趣的焦点。部分原因是一年半之前的一篇论文，这篇由4位美国物理学家撰写的论文，激起了人们对黑洞的兴趣。柯特·卡兰（Curt Callan），一个普林斯顿的精英，是基本粒子物理界的一位领军人物，也是20世纪60年代以后美国科学界一位颇具影响力的人物。（他是索拉修斯的博士生导师）安迪·斯特鲁明格（Andy Strominger）和史蒂夫·吉丁斯（Steve Giddings）是两个年轻的正崭露头角的加州大学圣芭芭拉分校的教员。在我印象中那时两人的区别是：吉丁斯穿的是短裤，斯特鲁明格穿的是背带裤。芝加哥大学的杰夫·哈维（Jeff Harvey）是一个伟大的物理学家，一位才华横溢的作曲家（参见第24章结尾部分），还是一个单口相声演员。他们几个一起被称为是CGHS，他们所写的那个简化版本的黑洞被称为CGHS黑洞。他们的文章在当时引起了一阵短暂的轰动，部分原因在于他们声称最终解决了黑洞蒸发中的信息丢失问题。
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为什么CGHS理论那么简单呢？回过头来看，这种简单化是带欺骗性的，因为它所述的宇宙的空间部分只有一维。这个世界甚至要比埃德温·艾博特（Edwin Abbott）虚构的平地二维世界还要简单[118]。在CGHS所构想的宇宙中生物生活在一条无穷细的线上。这些生物简单至极：仅仅是一些单个的基本粒子。在这个一维宇宙的尽头是一个质量极大、密度极高的黑洞，任何靠它太近的东西都不能逃出它的“捕获”。
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CGHS所写的文章在数学上极其优美地分析了霍金辐射，但是在分析过程中，他们犯了一个错误。他们宣称量子力学消去了奇点及其相关的视界。有些人指出了其中的错误，我和索拉修斯以及我们的同伴乔治·鲁索（Jorge Russo）也在其中。这使得我们团队对CGHS黑洞颇为精通。（甚至有一个CGHS理论的特别版本，被称为RST模型，以我们三个人的首字母命名。）
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在那个星期五，我、乌格勒姆和索拉修斯在下班之后坐在一起是为了一个即将到来的专门关于黑洞难题和佯谬的会议。这个会议将在几周后的位于圣芭芭拉的加州大学圣芭芭拉分校的理论物理研究所（ITP）召开[119]。ITP究竟是多棒的一个物理研究所呢？简单回答就是确实好。在1993年的时候，它已经是黑洞研究的一个活跃的中心。
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詹姆斯·哈特尔（James Hartle）是UCSB中最为资深的黑洞专家。吉姆是一个非常著名的学界元老[120]，他曾与霍金在量子引力未走红的时候共同完成了一些开创性的工作。而物理系中有四位年轻的成员，他们都将在这场黑洞的战争中起重要作用。这4个年轻人当时都是30多岁，极其活跃。你们已经认识了吉丁斯和斯特鲁明格（CGHS中的G和S）。虽然他们都是我很欣赏的朋友，但在接下来的两年中他们是令人恼怒的对手。他们对那些错误想法的过分执着常常搅乱我的思维。然而，最终他们却自救了。
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加里·霍洛维茨（Gary Horowitz）是UCSB中第三个年轻的教员。霍洛维茨是一个广义相对论的专家，一位相对论学家。他那时已经是该领域中一位杰出的领军人物。他也曾跟霍金有过紧密的合作，对黑洞的了解也不比任何人逊色。最后一位是乔·波尔钦斯基（Joe Polchinski），那时他刚刚从得克萨斯大学转到圣芭芭拉。乔曾和我合作过许多课题，我对他颇为了解。虽然我觉得他很易于相处、具有真正的幽默感，但是我常常对他的思维力量和思维速度以及他的卓越才华感到敬畏。从我们最早认识的那时起——当时乔25岁左右，我40岁——我就很确定他将来必定会成为他那个时代中最伟大的理论物理学家。他没有让我失望。
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这帮杰出的年轻物理学家紧密地抱成一团。有时候他们的课题是黑洞，有时候是弦论。凭借他们卓越的才华，这个紧密的小团体成了理论物理学界一股非常强大的力量。这也使得圣芭芭拉成了即使不是唯一，也是一个最适合理论物理学家工作的乐园（即使不是那个唯一的乐园）。毋庸置疑，圣芭芭拉的关于黑洞的会议将会成为一个重要的事件。
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这次会议大概是为了激情赞美已发表的CGHS论文而举办。人们希望CGHS所发明的数学工具里蕴藏着解决当时被称为信息佯谬（information paradox）的钥匙。会议的主办者邀请我能做一个关于我、索拉修斯和乔治·鲁索在斯坦福所做工作的报告。所以我们才在那个星期五的晚上在那儿讨论我应该说些什么。
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也许是这杯具有超级咖啡因的咖啡，或者是雄性荷尔蒙在体内的澎湃，抑或是三个火枪手战友情谊的作用，我对乌格勒姆和索拉修斯说：“见鬼，我不想说关于CGHS和RST。它们不会有前途[121]。我想我们应该行动起来，彻底改变我们原来的想法。让我们冒回险，讲一些大胆的话来吸引他们真正的注意。”
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我们三人在寻求霍金的矛盾结论的出路已经有一段时间了，一个想法慢慢开始形成。这只是一个模糊的想法，甚至没有名字，但是现在却是行动的时候了。
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我认为我们三个应该一起把我们那些不成熟想法的碎片整理起来，即使我们不能证明它，也要让它变得更加确切一点。只是给一个新概念命名，有时候也会使问题清晰。我提议我们写一篇关于黑洞互补性原理的文章，而且我会在圣芭芭拉的会议上宣布这个全新的想法。
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“不要忘了服用你的反重力药片”（见第13章）是用来解释我脑中所想东西的很好的起点。就像黑泽明的电影《罗生门》，这是一个不同参与者眼中所看到的故事，一个结论完全矛盾的故事。在皇帝和伯爵的版本中，那个被迫害的物理学家史蒂夫毁灭了，他被包围视界的难以置信的高温给摧毁了。按照史蒂夫的看法，故事的结局完全不同，而且要美好得多。很显然，如果这两个版本不都是真实的，那么其中一个必定是错的，史蒂夫不可能既活下来又被杀死在视界附近。
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我对我的同伴们说：“尽管听起来那么疯狂，黑洞互补性原理的重点在于两种版本都是同样真实的。”
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我的两个朋友觉得很困惑。我不记得后来我具体讲了什么，但肯定是类似下面这些话。黑洞外面的每一个人，包括伯爵、皇帝以及皇帝那些忠诚的子民，大家所看到的事情都是相同的[122]：史蒂夫被加热、蒸发变成了霍金辐射。而且这一切都发生在他到达视界之前。
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我们怎样理解这件事？我想唯一能够与物理学规律相符的办法，就是假设在视界的上面存在着某种超热表层，其厚度很可能不大于一个普朗克长度。我向乌格勒姆和索拉修斯承认我并不确切地知道这个表层是由什么构成的，但是我解释说，黑洞的熵意味着这个表层必定由一些微小的客体组成，这些客体的大小很可能不超过普朗克长度。这个炙热表层会吸收任何掉在视界上面的东西，就像一滴滴溶解在水中的墨水一样。我记得当时把这种不知名的小物体叫做视界原子，当然我说的并不是普通的原子。我对于这些原子的了解不比19世纪那些物理学家对普通原子的了解多，唯一知道的就是它们确实存在。
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这个炙热的表层需要一个名字。天体物理学家已经发明了这样一个名字，我最终采纳了它。他们想象有一个膜包裹在黑洞视界表面，并用此来分析黑洞的某些电特性。天体物理学家们把这个假想的表面叫做延伸视界，但是我提出的是一个实在的表层，而不是一个想象的表面，其位于视界上面的厚度为普朗克长度。而且我声称任何实验都可以证实视界原子的存在[123]，例如，可以放下温度计测量视界原子的温度。
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