|
何曉陽 | 2015-09-03 07:45 劉慈欣曾經(jīng)寫過一篇名為《朝聞道》的短篇小說,在小說的最后,斯蒂芬. 霍金代表人類問了最后一個(gè)問題:宇宙的目的是什么?
劉慈欣曾經(jīng)寫過一篇名為《朝聞道》的短篇小說,《朝聞道》講述的是這樣一個(gè)故事,人類建造了最大的粒子加速器,名字叫做愛因斯坦赤道,當(dāng)愛因斯坦赤道即將啟動(dòng)去探尋宇宙大統(tǒng)一模型的時(shí)刻,一個(gè)自稱為宇宙排險(xiǎn)者高級(jí)文明出現(xiàn)了,并把愛因斯坦赤道蒸發(fā)了。高級(jí)文明代言人告訴科學(xué)家們,大統(tǒng)一模型的證明會(huì)帶來宇宙的毀滅。因?yàn)橹R(shí)密封準(zhǔn)則,他們無法告訴人類大統(tǒng)一模型的真相。于是人類科學(xué)家們便想出了一個(gè)“兩全其美” 的辦法,讓高級(jí)文明把宇宙的終極奧秘告訴自己,代價(jià)是獲得知識(shí)之后的科學(xué)家個(gè)體的毀滅。排險(xiǎn)者答應(yīng)了,并且在戈壁灘上制造了一個(gè) “真理祭壇”,科學(xué)家們在上面得到自己要知道的真理,然后就被毀滅。 在小說的最后,斯蒂芬·霍金代表人類問了最后一個(gè)問題:
斯蒂芬霍金:物理學(xué)的不死天王斯蒂芬 · 威廉 · 霍金(英語:Stephen William Hawking,1942 年 1 月 8 日-),英國劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家,被譽(yù)為繼愛因斯坦之后最杰出的理論物理學(xué)家之一。肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥患者,全身癱瘓,不能發(fā)音。 1979 至 2009 年任盧卡斯數(shù)學(xué)教授,是英國最崇高的教授職位。霍金是當(dāng)代最重要的廣義相對論和宇宙論家,是當(dāng)今享有國際盛譽(yù)的偉人之一,被稱為在世的最偉大的科學(xué)家之一,還被稱為 “宇宙之王”。他唯一能動(dòng)的地方只有兩只眼睛和 3 根手指,其他地方根本不能動(dòng)。 不過,在今天,有很多所謂的精英分子對于世俗民眾對霍金的推崇不屑一顧,不少人認(rèn)為對于霍金的推崇是言過其實(shí),這些人認(rèn)為,讓霍金出名的并不是他的學(xué)術(shù)成就,而是他的病。在知乎上搜索一下霍金,有不少類似的問題和答案,而且贊同數(shù)都挺高。 無論是精英分子還是世俗大眾,要去對霍金的學(xué)術(shù)成就進(jìn)行評(píng)價(jià),都無疑是癡人說夢。我們知道霍金被大家所津津樂道的還有他輸?shù)舻娜未蛸€。但同樣的,大多數(shù)人對于霍金三次打賭所代表的含義一無所知。 在東野圭吾《嫌疑人 X 的獻(xiàn)身》中有一段經(jīng)典的對話,發(fā)生在數(shù)學(xué)家石神和物理學(xué)家湯川之間:
在霍金打賭這個(gè)事情上,霍金永遠(yuǎn)是那個(gè)出題的人?;艚鸪龅淖铍y的問題在物理學(xué)界被稱為 “霍金佯謬”,而《黑洞戰(zhàn)爭》這本書的作者則是解決了“霍金佯謬” 的倫納德. 薩斯坎德?!逗诙磻?zhàn)爭》這本書揭開了斯蒂芬. 霍金與倫納德. 薩斯坎德、赫拉德. 特霍夫特關(guān)于黑洞本性論戰(zhàn)的深層內(nèi)幕,而這一論戰(zhàn)關(guān)系到我們對整個(gè)宇宙的根本認(rèn)識(shí)。 在《黑洞戰(zhàn)爭》的封底寫道,在 30 年前,一位年輕的英國物理學(xué)家斯蒂芬. 霍金宣稱落入黑洞的事物確實(shí)消失了。大多數(shù)科學(xué)家沒有意識(shí)到這種觀點(diǎn)的意義所在,不過美國物理學(xué)家倫納德. 薩斯坎德與荷蘭物理學(xué)家赫拉德. 特霍夫特意識(shí)到,如果霍金的觀點(diǎn)是正確的,那么我們必須拋棄以往所有關(guān)于宇宙的基本定律。 也就是說,如果霍金是正確的,那么從愛因斯坦到奧本海默,再到費(fèi)曼的所有人都全錯(cuò)了,物理學(xué)本身也將處于危機(jī)之中。 我們都是物理學(xué)家
在東非稀樹草原的某個(gè)地方,一頭年邁的獅子正在尋覓它的美餐,它很想捕捉年老體弱、行動(dòng)遲緩的獵物,但眼前只有一頭年輕而健康的羚羊,是它唯一可能的選擇。羚羊的雙眼非常適合巡視四周,它用謹(jǐn)慎的目光搜索著捕食者危險(xiǎn)的活動(dòng)區(qū)域。捕食者的目光正視前方,極其適合于鎖定它的獵物以及測量距離。羚羊這次的大角度掃描漏過了捕食者,它漫步到了被捕及的范圍之內(nèi)。獅子強(qiáng)有力的后縮,然后猛然沖向那驚慌的獵物。永恒而經(jīng)典的比賽重新開始了。 盡管獅子已經(jīng)被年齡拖累,但這頭大型的貓科動(dòng)物依然是出色的短跑運(yùn)動(dòng)員,它們之間的距離開始接近。但是獅子強(qiáng)有力的快肌纖維漸漸變得缺氧,不久羚羊天生的耐力取勝了,在某一刻,獅子和它的獵物之間的相對速度變成了負(fù)號(hào),距離從起初的漸漸縮短,到慢慢開始拉大。好運(yùn)稍縱即逝,獅子意識(shí)到失敗了,它灰溜溜地回到灌木叢中。 5 萬年前,一個(gè)疲倦的獵人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)被大石塊擋住的山洞口,如果他能移走這個(gè)沉重的阻礙物,那么這個(gè)洞口將是一個(gè)安全的休息場所。這個(gè)獵人直立著,這不同于它的猿人祖先。他站在那里用力地推石塊,石塊不動(dòng)。為了找到一個(gè)更好的角度,他移動(dòng)雙腿,調(diào)節(jié)與石塊的距離。當(dāng)他的身體幾乎處于水平時(shí),所施的力在有效的方向上,有一個(gè)很大的分量,大石塊被移走了。 距離?速度?符號(hào)的改變?角度?分量?獵人未受教育的頭腦中發(fā)生了令人難以置信的、復(fù)雜的計(jì)算,獅子的頭腦中也同樣如此。我們通常是在高中的物理課本上首次遇到這些專門概念的。獅子從哪里學(xué)會(huì)測量獵物的速度以及更為重要的相對速度呢?獵人學(xué)過物理課程中力的概念嗎?他了解三角學(xué)中計(jì)算正弦和余弦的方法嗎? 當(dāng)然,事實(shí)上所有復(fù)雜的生物物種都有內(nèi)在的、天生的物理概念,這是通過進(jìn)化灌輸?shù)剿鼈兊纳窠?jīng)系統(tǒng)的。如果沒有這些預(yù)編的物理程序,它們就無法生存。變異和自然選擇使我們甚至是動(dòng)物都成了物理學(xué)家。對人類而言,大尺寸的大腦使得這些本能進(jìn)化成我們意識(shí)層次上的概念。 事實(shí)上,我們都是經(jīng)典物理學(xué)家。 重新裝備自己
我們都是經(jīng)典物理學(xué)家,我們可以在很淺顯的水平上感覺到力、速度和加速度。我們天生內(nèi)置的觸覺可以通過冷和熱來感覺物質(zhì)分子和原子的運(yùn)動(dòng),我們內(nèi)置的聽覺和視覺可以接受一定頻率內(nèi)的聲波和電磁波,但我們也就僅此而已,沒有更多的能力。在《異鄉(xiāng)異客》這部科幻小說中,羅伯特. 海因萊因創(chuàng)造了一個(gè)專用詞匯 Grok 來表達(dá)對現(xiàn)象深層次的直覺,以及近乎本能的理解。我 Grok 力、速度和加速度,我 Grok 三維空間,我 Grok 時(shí)間和數(shù)字 5,一塊石頭和一支矛的軌跡是可以 Grok 的,但是對于我的 Grok 能力而言,標(biāo)準(zhǔn)的 Grok 用到十維時(shí)空,或者數(shù)字 10^1000 時(shí)就失效了,當(dāng)用到電子世界和海森堡不確定性原理時(shí)會(huì)更糟。 20 世紀(jì)初,大量的直覺觀念失效;物理學(xué)在完全陌生的現(xiàn)象面前顯得不知所措。假設(shè)我出生的時(shí)間早了 100 年(也就是假設(shè)我出生于 1882 年),那么,當(dāng) 1887 年邁克爾遜和莫雷發(fā)現(xiàn)地球在假設(shè)的以太中的軌道運(yùn)動(dòng)不可觀測時(shí),我正好 5 歲;1897 年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子的時(shí)候,我 15 歲;1905 年愛因斯坦發(fā)表狹義相對論的時(shí)候,我 23 歲;1927 年海森堡發(fā)現(xiàn)不確定性原理的時(shí)候,我已經(jīng) 43 歲了。進(jìn)化的壓力也不可能使我對于這些根本不同的世界產(chǎn)生本能的認(rèn)識(shí)。因此,我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 至少是我們中的某些人的, 事先為裝備自己做好準(zhǔn)備,這使得但可以去詢問這些晦澀的現(xiàn)象,而且可以創(chuàng)造精確的抽象概念,用新的、非直覺的深刻概念來處理和解釋它們。 霍金是做好準(zhǔn)備的人群中最優(yōu)秀的一個(gè)。 黑洞
在人類頭腦的所有概念中,最奇異的應(yīng)該就是黑洞,黑洞是空間中有一定邊界的洞,任何事物都可以落進(jìn)去,但沒有東西能夠逃出來;黑洞是一個(gè)引力強(qiáng)大到能夠?qū)⒐饫卫巫プ〉亩?黑洞是一個(gè)能令空間彎曲和時(shí)間卷曲的洞;它經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說里,我們在真實(shí)宇宙卻無法直接觀測它的存在。不過,經(jīng)過了很好檢驗(yàn)的物理學(xué)定律堅(jiān)定地的預(yù)言,黑洞是存在的,僅僅是在我們的銀河系里,可能就有幾百萬個(gè),但它們太暗了,我們看不見;天文學(xué)家想發(fā)現(xiàn)它們也很難。 最早關(guān)于黑洞的概念出現(xiàn)于在 18 世紀(jì)的晚期,那個(gè)時(shí)候我大天朝正處于乾隆皇帝七下江南,紀(jì)曉嵐智斗和珅的時(shí)候,當(dāng)時(shí)的法蘭西物理學(xué)家拉普拉斯和英格蘭牧師米歇爾同時(shí)產(chǎn)生了一個(gè)驚人的想法。那個(gè)時(shí)代的物理學(xué)家都對天文學(xué)有著強(qiáng)烈的興趣,而有關(guān)天體的所有了解都來源于他們發(fā)出的光。在米歇爾和拉普拉斯的時(shí)代,盡管牛頓已經(jīng)去世半個(gè)世紀(jì)了,但他在物理學(xué)上依然有著最強(qiáng)大的影響力。牛頓堅(jiān)信光是由微小的粒子組成的,如果是這樣,那么光微粒必然會(huì)受到重力的影響。拉普拉斯想知道,是否存在著一種大質(zhì)量大密度的恒星,以至于光無法逃離它們的引力。如果存在這樣的恒星,那么它們不是全黑以至于不可見嗎? 諸如一塊石頭、一顆子彈,這樣的拋射體能夠逃脫出地球的引力嗎?從某種意義上說,也能也不能。一個(gè)有質(zhì)量的引力場永遠(yuǎn)不會(huì)終止,它永遠(yuǎn)延續(xù)著,并隨著距離的增加越來越弱,。例如,一個(gè)拋射體永遠(yuǎn)無法徹底逃脫地球的引力。但是,如果以極大的速度向上快速扔出一個(gè)拋射體,那么它將永遠(yuǎn)持續(xù)它向外的運(yùn)動(dòng),隨著距離增長引力越來越弱,無法使其回頭回到地面,這就是拋射體逃脫地球引力的本意。 最強(qiáng)壯的人也無法將一個(gè)石頭扔向太空,在忽略空氣阻力的情況下,手槍向上發(fā)射的子彈大約能達(dá)到 3 英里的高度。存在一個(gè)特定的速度,恰好足夠發(fā)射一個(gè)物體到達(dá)一個(gè)永久的外軌道,這個(gè)速度被稱為逃逸速度。根據(jù)牛頓的引力定律,宇宙中的任何物體之間的作用是相互吸引的,引力正比于它們質(zhì)量的乘積,反比于它們之間距離的平方.F=mMG/D^2 如果你的高中物理知識(shí)還有印象,你可以算出,逃逸速度的公式為V=√(2MG/R)。這個(gè)公式清楚的表明,質(zhì)量越大,半徑 R 越小,逃逸速度越大。 逃離地球表面的初始速度大約是每秒 11 千米,相比較之下,半徑為 1 英里的小行星的逃逸速度大約是輕易能夠達(dá)到的每秒 2 米;太陽表面的逃逸速度比地球表面的逃逸速度大 50 倍左右,依然比光速慢很多。然而,太陽注定不能永遠(yuǎn)保持相同的尺寸,當(dāng)恒星的燃料消耗殆盡時(shí),由內(nèi)熱產(chǎn)生的向外的壓力消失,引力就像一個(gè)巨大的鉗子一樣,使恒星坍縮為它原有尺寸的一小部分。大約 50 億年后,太陽將會(huì)枯竭,坍縮成白矮星,它的半徑和地球相當(dāng)。從它的表面逃離需要的速度為每秒 4000 英里,快極了,但依然只是光速的 2%。 如果太陽再重一些,即大約是現(xiàn)在質(zhì)量的 1.5 倍,那么增加的質(zhì)量會(huì)更好把它擠壓過白矮星階段。恒星內(nèi)的電子會(huì)被擠壓到質(zhì)子里面,形成一個(gè)稠密得難以想象的中子球。中子星表面的逃逸速度大約是 80% 的光速。 如果坍縮的恒星更重的話,即達(dá)到太陽質(zhì)量的 5 倍,那么即便是密集的中子星也無法承受向內(nèi)的引力,它最終會(huì)探索到一個(gè)奇點(diǎn)。奇點(diǎn)的逃逸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光速,暗星,也就是今天我們稱為黑洞的東西誕生了。
想象你正在一個(gè)黑洞附近,但是距離奇點(diǎn)尚有一段距離,你想開動(dòng)飛船以光速逃離黑洞,你能成功嗎?答案依賴于黑洞的質(zhì)量和你開始旅程的精確奇點(diǎn)。一個(gè)被稱為視界的假想球面將宇宙分為兩部分,從視界內(nèi)發(fā)出的光不可避免被拉回黑洞,而從視界外發(fā)出的光能夠逃脫黑洞的引力。如果太陽被變成了黑洞,世界半徑大約是 2 英里。 視界的半徑被稱為史瓦西半徑。它的計(jì)算公式為 RS=2MG/c^2。質(zhì)量和史瓦西半徑成正比是物理學(xué)家知道的黑洞的第一件事,地球的質(zhì)量是太陽的百萬分之一,因此它的史瓦西半徑大概是一個(gè)乒乓球大小。相比之下,有一個(gè)超大尺寸的黑洞,潛藏在銀河系中心,它的史瓦西半徑是 1000 萬英里,與地球環(huán)繞太陽的軌道大小相當(dāng)。 就在今天,天文學(xué)家利用美國太空總署(NASA)的哈伯太空望遠(yuǎn)鏡,發(fā)現(xiàn)距離地球 6 億光年擁有類星體的 Mrk231 星系有兩個(gè)互相公轉(zhuǎn)的黑洞。專家估計(jì),雙重黑洞的主黑洞質(zhì)量是太陽的 1.5 億倍;另一個(gè)黑洞的質(zhì)量則是太陽的 400 倍,由于它們距離很近,因此軌道周期僅 1.2 年。更進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),兩個(gè)黑洞產(chǎn)生的能量,讓 Mrk231 星系的星體產(chǎn)生率是銀河系的 100 倍。 黑洞的熵有相當(dāng)一段時(shí)間,物理學(xué)家認(rèn)為黑洞是異常簡單的怪物,因?yàn)楹诙吹囊磺行再|(zhì),包括它的引力作用強(qiáng)度、它對星光軌道的偏轉(zhuǎn)、它的表面形狀和大小等等,僅僅只由三個(gè)參數(shù)決定,分別是黑洞的質(zhì)量,黑洞的角動(dòng)量,還有黑洞的電荷。而且黑洞不能帶太多的電荷,假如電荷太多,它會(huì)很快從星際氣體中吸引相反的電荷來中和自己的電荷。黑洞旋轉(zhuǎn)的時(shí)候,會(huì)帶動(dòng)空間一起旋轉(zhuǎn),而空間又帶動(dòng)周圍的物質(zhì)一起旋轉(zhuǎn)。 知道了黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量,又知道它的電荷一定少的可以忽略,那么可以根據(jù)廣義相對論公式來計(jì)算黑洞應(yīng)該具有的一切性質(zhì),比如引力作用強(qiáng)度、相應(yīng)的星光偏轉(zhuǎn)能力以及更有意義的,黑洞的形狀和大小。 黑洞的熵的想法相當(dāng)深?yuàn)W,熵的概念普遍存在于日常生活的大量物理現(xiàn)象中,這個(gè)概念最早起源于熱力學(xué)的初創(chuàng)時(shí)期,1850 年,德國物理學(xué)家克勞修斯將一個(gè)系統(tǒng)無法獲得的能量稱為系統(tǒng)的熵。并且,任何一個(gè)封閉系統(tǒng)的熵總是隨著時(shí)間而增加的。19 世紀(jì) 90 年代,玻爾茲曼從更加基本的定律中推得熱力學(xué)第二定律,玻爾茲曼論證道,如果你同意氣體是由無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子組成的,那么原則上你就可以使用概率的方式計(jì)算出各種感興趣的物理量,甚至熵。根據(jù)玻爾茲曼的觀點(diǎn),系統(tǒng)的熵可以被認(rèn)為是系統(tǒng)混亂程度的度量,熵越高,意味著系統(tǒng)的混亂程度越高,隨機(jī)性越強(qiáng)。對于一副撲克牌來說,還沒有開封的時(shí)候熵最低,因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候撲克牌處于最有序的狀態(tài),洗牌之后,撲克牌的熵變高了,因?yàn)閾淇伺频捻樞虮淮騺y了。同樣,處于接近絕對零度狀態(tài)的氣體的熵非常低,升高穩(wěn)定,氣體分子開始運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)處于各種各樣的狀態(tài)中,熵隨之增加。 讓我們做一個(gè)思維體操,想象你自己正在圍繞黑洞運(yùn)動(dòng),你擁有一個(gè)裝滿熱氣體的容器,顯然它具有大量的熵,接著你把容器拋向黑洞,按照標(biāo)準(zhǔn)的思維方式,容器會(huì)簡單的消息在視界之后。實(shí)際上,容器最終會(huì)從可見宇宙中消失。這可有點(diǎn)不妙,按照流行的觀點(diǎn),黑洞是一個(gè)簡單的東西,它的視界是一個(gè)極為規(guī)則無特征的球面,除了它們的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度,任何一個(gè)黑洞都和其他黑洞是一樣的,這樣的視界無法隱藏任何的信息,那么我們把容器扔進(jìn)去之后,這個(gè)宇宙的熵減小了。 這顯然和熱力學(xué)第二定律相違背。 霍金佯謬熵是永不減小的,還有一個(gè)東西和它類似,也是永不減小的,這個(gè)東西就是黑洞的視界。20 世紀(jì) 60 年代,霍金證明黑洞的視界永不減小。事實(shí)上這個(gè)證明用非數(shù)學(xué)語言也比較容易解釋,想象一個(gè)黑洞,它的史瓦西半徑正比于質(zhì)量,而視界面積則正比于半徑的平方,因此視界面積正比于質(zhì)量的平方。假定我們將一個(gè)質(zhì)量為 M1、視界面積為 A1 的黑洞和質(zhì)量為 M2、視界面積為 A2 的黑洞接合到一起,新黑洞的質(zhì)量是 M1+M2,新的視界面積正比于 (M1+M2)^2, 這個(gè)數(shù)大于 M1^2+M2^2,也就是說大于 A1+A2。也就是說,黑洞的面積是永遠(yuǎn)增加的。 1974 年,霍金對物理學(xué)做出了他這輩子最大的貢獻(xiàn),他證明了黑洞的視界就是黑洞的熵,并且精確的給出了黑洞的溫度公式T=(hc^3)/(16π^2GMk) 用霍金這個(gè)公式能夠得出什么呢?這個(gè)公式說明了黑洞的熵非常大,即使是天文學(xué)上最小的黑洞的熵也是非常巨大。一個(gè)質(zhì)量為太陽質(zhì)量的黑洞,它的熵高達(dá) 10^10^16,這個(gè)數(shù)字大到難以想象,黑洞是一個(gè)混亂度極高的研究對象… 但是,這怎么可能呢?如果黑洞真的處于無序當(dāng)中,那么支配這種無序狀態(tài)的微觀態(tài)又是什么呢?廣義相對論說黑洞具有質(zhì)量、電荷以及自旋,還有什么能夠讓黑洞中存在無序?也就是熵呢? 直到 23 年之后,科學(xué)家們才能夠開始回答霍金提出的這一問題,而對這一問題的解答,改變了我們對于宇宙的最根本的認(rèn)識(shí)。 科學(xué)家們逐漸認(rèn)識(shí)到,我們的宇宙其實(shí)是一副全息圖。 未完待續(xù)… 【鈦媒體作者介紹:何曉陽, OneAPM 創(chuàng)始人】 |
|
|