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《朝闻道》:斯蒂芬 • 霍金提出的终极问题(上)

摘要: 刘慈欣曾经写过一篇名为《朝闻道》的短篇小说,在小说的最后,斯蒂芬. 霍金代表人类问了最后一个问题:宇宙的目的是什么?

刘慈欣曾经写过一篇名为《朝闻道》的短篇小说,《朝闻道》讲述的是这样一个故事,人类建造了最大的粒子加速器,名字叫做爱因斯坦赤道,当爱因斯坦赤道即将启动去探寻宇宙大统一模型的时刻,一个自称为宇宙排险者高级文明出现了,并把爱因斯坦赤道蒸发了。高级文明代言人告诉科学家们,大统一模型的证明会带来宇宙的毁灭。因为知识密封准则,他们无法告诉人类大统一模型的真相。于是人类科学家们便想出了一个“两全其美” 的办法,让高级文明把宇宙的终极奥秘告诉自己,代价是获得知识之后的科学家个体的毁灭。排险者答应了,并且在戈壁滩上制造了一个 “真理祭坛”,科学家们在上面得到自己要知道的真理,然后就被毁灭。

在小说的最后,斯蒂芬·霍金代表人类问了最后一个问题:

最后一个上真理祭坛的人是斯蒂芬 · 霍金,他的电动轮椅沿着长长的坡道慢慢向上移动,像一只在树枝上爬行的昆虫。他那仿佛已抽去骨胳的绵软的身躯瘫陷在轮椅中,像一支在高温中变软且即将熔化的蜡烛。

轮椅终于开上了祭坛,在空旷的圆面上开到了排险者面前。这时,太阳落下了一段时间,暗蓝色的天空中有零星的星星出现,祭坛周围的沙漠和草地模糊了。

“博士,您的问题?” 排险者问,对霍金,他似乎并没有表示出比对其他人更多的尊重,他面带着毫无特点的微笑,听着博士轮椅上的扩音器中发出的呆板的电子声音:“宇宙的目的是什么?” 天空中没有答案出现,排险者脸上的微笑消失了,他的双眼中掠过了一丝不易觉察的恐慌。

“先生?”霍金问。

仍是沉默,天空仍是一片空旷,在地球的几缕薄云后面,宇宙的群星正在涌现。

“先生?”霍金又问。

“博士,出口在您后面。”排险者说。

“这是答案吗?”

排险者摇摇头:“我是说您可以回去了。”

“你不知道?”

排险者点点头说:“我不知道。”这时,他的面容第一次不仅是一个人类符号,一阵的悲哀的黑云涌上这张脸,这悲哀表现得那样生动和富有个性,这时谁也不怀疑他是一个人,而且是一个最平常因而最不平常的普通人。

“我怎么知道。”排险者喃喃地说。

斯蒂芬霍金:物理学的不死天王

斯蒂芬 · 威廉 · 霍金(英语:Stephen William Hawking,1942 年 1 月 8 日-),英国剑桥大学著名物理学家,被誉为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家之一。肌肉萎缩性侧索硬化症患者,全身瘫痪,不能发音。 1979 至 2009 年任卢卡斯数学教授,是英国最崇高的教授职位。霍金是当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是当今享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家之一,还被称为 “宇宙之王”。他唯一能动的地方只有两只眼睛和 3 根手指,其他地方根本不能动。

不过,在今天,有很多所谓的精英分子对于世俗民众对霍金的推崇不屑一顾,不少人认为对于霍金的推崇是言过其实,这些人认为,让霍金出名的并不是他的学术成就,而是他的病。在知乎上搜索一下霍金,有不少类似的问题和答案,而且赞同数都挺高。

无论是精英分子还是世俗大众,要去对霍金的学术成就进行评价,都无疑是痴人说梦。我们知道霍金被大家所津津乐道的还有他输掉的三次打赌。但同样的,大多数人对于霍金三次打赌所代表的含义一无所知。

在东野圭吾《嫌疑人 X 的献身》中有一段经典的对话,发生在数学家石神和物理学家汤川之间:

“很有意思。” 石神说,“之前你问过我一个问题:设计别人解不开的问题,和解开那个问题,何者比较难——你还记得吗?”

“记得。我的答案是,设计问题比较难。我向来认为,解答者应该对出题者心怀敬意。”

在霍金打赌这个事情上,霍金永远是那个出题的人。霍金出的最难的问题在物理学界被称为 “霍金佯谬”,而《黑洞战争》这本书的作者则是解决了“霍金佯谬” 的伦纳德. 萨斯坎德。《黑洞战争》这本书揭开了斯蒂芬. 霍金与伦纳德. 萨斯坎德、赫拉德. 特霍夫特关于黑洞本性论战的深层内幕,而这一论战关系到我们对整个宇宙的根本认识。

在《黑洞战争》的封底写道,在 30 年前,一位年轻的英国物理学家斯蒂芬. 霍金宣称落入黑洞的事物确实消失了。大多数科学家没有意识到这种观点的意义所在,不过美国物理学家伦纳德. 萨斯坎德与荷兰物理学家赫拉德. 特霍夫特意识到,如果霍金的观点是正确的,那么我们必须抛弃以往所有关于宇宙的基本定律。

也就是说,如果霍金是正确的,那么从爱因斯坦到奥本海默,再到费曼的所有人都全错了,物理学本身也将处于危机之中。

我们都是物理学家

遂古之初,谁传道之?

上下未形,何由考之?

冥昭瞢闇,谁能极之?

冯翼惟像,何以识之?

—— 屈原,《天问》

在东非稀树草原的某个地方,一头年迈的狮子正在寻觅它的美餐,它很想捕捉年老体弱、行动迟缓的猎物,但眼前只有一头年轻而健康的羚羊,是它唯一可能的选择。羚羊的双眼非常适合巡视四周,它用谨慎的目光搜索着捕食者危险的活动区域。捕食者的目光正视前方,极其适合于锁定它的猎物以及测量距离。羚羊这次的大角度扫描漏过了捕食者,它漫步到了被捕及的范围之内。狮子强有力的后缩,然后猛然冲向那惊慌的猎物。永恒而经典的比赛重新开始了。

尽管狮子已经被年龄拖累,但这头大型的猫科动物依然是出色的短跑运动员,它们之间的距离开始接近。但是狮子强有力的快肌纤维渐渐变得缺氧,不久羚羊天生的耐力取胜了,在某一刻,狮子和它的猎物之间的相对速度变成了负号,距离从起初的渐渐缩短,到慢慢开始拉大。好运稍纵即逝,狮子意识到失败了,它灰溜溜地回到灌木丛中。

5 万年前,一个疲倦的猎人发现了一个被大石块挡住的山洞口,如果他能移走这个沉重的阻碍物,那么这个洞口将是一个安全的休息场所。这个猎人直立着,这不同于它的猿人祖先。他站在那里用力地推石块,石块不动。为了找到一个更好的角度,他移动双腿,调节与石块的距离。当他的身体几乎处于水平时,所施的力在有效的方向上,有一个很大的分量,大石块被移走了。

距离?速度?符号的改变?角度?分量?猎人未受教育的头脑中发生了令人难以置信的、复杂的计算,狮子的头脑中也同样如此。我们通常是在高中的物理课本上首次遇到这些专门概念的。狮子从哪里学会测量猎物的速度以及更为重要的相对速度呢?猎人学过物理课程中力的概念吗?他了解三角学中计算正弦和余弦的方法吗?

当然,事实上所有复杂的生物物种都有内在的、天生的物理概念,这是通过进化灌输到它们的神经系统的。如果没有这些预编的物理程序,它们就无法生存。变异和自然选择使我们甚至是动物都成了物理学家。对人类而言,大尺寸的大脑使得这些本能进化成我们意识层次上的概念。

事实上,我们都是经典物理学家。

重新装备自己

吾欲知神甚多,神予吾者太吝。

—— 罗伯特. 安森. 海因莱因,《异乡异客》

我们都是经典物理学家,我们可以在很浅显的水平上感觉到力、速度和加速度。我们天生内置的触觉可以通过冷和热来感觉物质分子和原子的运动,我们内置的听觉和视觉可以接受一定频率内的声波和电磁波,但我们也就仅此而已,没有更多的能力。在《异乡异客》这部科幻小说中,罗伯特. 海因莱因创造了一个专用词汇 Grok 来表达对现象深层次的直觉,以及近乎本能的理解。我 Grok 力、速度和加速度,我 Grok 三维空间,我 Grok 时间和数字 5,一块石头和一支矛的轨迹是可以 Grok 的,但是对于我的 Grok 能力而言,标准的 Grok 用到十维时空,或者数字 10^1000 时就失效了,当用到电子世界和海森堡不确定性原理时会更糟。

20 世纪初,大量的直觉观念失效;物理学在完全陌生的现象面前显得不知所措。假设我出生的时间早了 100 年(也就是假设我出生于 1882 年),那么,当 1887 年迈克尔逊和莫雷发现地球在假设的以太中的轨道运动不可观测时,我正好 5 岁;1897 年汤姆逊发现电子的时候,我 15 岁;1905 年爱因斯坦发表狭义相对论的时候,我 23 岁;1927 年海森堡发现不确定性原理的时候,我已经 43 岁了。进化的压力也不可能使我对于这些根本不同的世界产生本能的认识。因此,我们的神经网络, 至少是我们中的某些人的, 事先为装备自己做好准备,这使得但可以去询问这些晦涩的现象,而且可以创造精确的抽象概念,用新的、非直觉的深刻概念来处理和解释它们。

霍金是做好准备的人群中最优秀的一个。

黑洞

霍雷肖,天地间的奇事很多,远超越你的理性

—— 威廉. 莎士比亚,《哈姆雷特》

在人类头脑的所有概念中,最奇异的应该就是黑洞,黑洞是空间中有一定边界的洞,任何事物都可以落进去,但没有东西能够逃出来;黑洞是一个引力强大到能够将光牢牢抓住的洞;黑洞是一个能令空间弯曲和时间卷曲的洞;它经常出现在科幻小说里,我们在真实宇宙却无法直接观测它的存在。不过,经过了很好检验的物理学定律坚定地的预言,黑洞是存在的,仅仅是在我们的银河系里,可能就有几百万个,但它们太暗了,我们看不见;天文学家想发现它们也很难。

最早关于黑洞的概念出现于在 18 世纪的晚期,那个时候我大天朝正处于乾隆皇帝七下江南,纪晓岚智斗和珅的时候,当时的法兰西物理学家拉普拉斯和英格兰牧师米歇尔同时产生了一个惊人的想法。那个时代的物理学家都对天文学有着强烈的兴趣,而有关天体的所有了解都来源于他们发出的光。在米歇尔和拉普拉斯的时代,尽管牛顿已经去世半个世纪了,但他在物理学上依然有着最强大的影响力。牛顿坚信光是由微小的粒子组成的,如果是这样,那么光微粒必然会受到重力的影响。拉普拉斯想知道,是否存在着一种大质量大密度的恒星,以至于光无法逃离它们的引力。如果存在这样的恒星,那么它们不是全黑以至于不可见吗?

诸如一块石头、一颗子弹,这样的抛射体能够逃脱出地球的引力吗?从某种意义上说,也能也不能。一个有质量的引力场永远不会终止,它永远延续着,并随着距离的增加越来越弱,。例如,一个抛射体永远无法彻底逃脱地球的引力。但是,如果以极大的速度向上快速扔出一个抛射体,那么它将永远持续它向外的运动,随着距离增长引力越来越弱,无法使其回头回到地面,这就是抛射体逃脱地球引力的本意。

最强壮的人也无法将一个石头扔向太空,在忽略空气阻力的情况下,手枪向上发射的子弹大约能达到 3 英里的高度。存在一个特定的速度,恰好足够发射一个物体到达一个永久的外轨道,这个速度被称为逃逸速度。根据牛顿的引力定律,宇宙中的任何物体之间的作用是相互吸引的,引力正比于它们质量的乘积,反比于它们之间距离的平方.F=mMG/D^2

如果你的高中物理知识还有印象,你可以算出,逃逸速度的公式为V=√(2MG/R)。这个公式清楚的表明,质量越大,半径 R 越小,逃逸速度越大。

逃离地球表面的初始速度大约是每秒 11 千米,相比较之下,半径为 1 英里的小行星的逃逸速度大约是轻易能够达到的每秒 2 米;太阳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,太阳注定不能永远保持相同的尺寸,当恒星的燃料消耗殆尽时,由内热产生的向外的压力消失,引力就像一个巨大的钳子一样,使恒星坍缩为它原有尺寸的一小部分。大约 50 亿年后,太阳将会枯竭,坍缩成白矮星,它的半径和地球相当。从它的表面逃离需要的速度为每秒 4000 英里,快极了,但依然只是光速的 2%。

如果太阳再重一些,即大约是现在质量的 1.5 倍,那么增加的质量会更好把它挤压过白矮星阶段。恒星内的电子会被挤压到质子里面,形成一个稠密得难以想象的中子球。中子星表面的逃逸速度大约是 80% 的光速。

如果坍缩的恒星更重的话,即达到太阳质量的 5 倍,那么即便是密集的中子星也无法承受向内的引力,它最终会探索到一个奇点。奇点的逃逸速度远远大于光速,暗星,也就是今天我们称为黑洞的东西诞生了。

想象你正在一个黑洞附近,但是距离奇点尚有一段距离,你想开动飞船以光速逃离黑洞,你能成功吗?答案依赖于黑洞的质量和你开始旅程的精确奇点。一个被称为视界的假想球面将宇宙分为两部分,从视界内发出的光不可避免被拉回黑洞,而从视界外发出的光能够逃脱黑洞的引力。如果太阳被变成了黑洞,世界半径大约是 2 英里。

视界的半径被称为史瓦西半径。它的计算公式为 RS=2MG/c^2。质量和史瓦西半径成正比是物理学家知道的黑洞的第一件事,地球的质量是太阳的百万分之一,因此它的史瓦西半径大概是一个乒乓球大小。相比之下,有一个超大尺寸的黑洞,潜藏在银河系中心,它的史瓦西半径是 1000 万英里,与地球环绕太阳的轨道大小相当。

就在今天,天文学家利用美国太空总署(NASA)的哈伯太空望远镜,发现距离地球 6 亿光年拥有类星体的 Mrk231 星系有两个互相公转的黑洞。专家估计,双重黑洞的主黑洞质量是太阳的 1.5 亿倍;另一个黑洞的质量则是太阳的 400 倍,由于它们距离很近,因此轨道周期仅 1.2 年。更进一步的研究发现,两个黑洞产生的能量,让 Mrk231 星系的星体产生率是银河系的 100 倍。

黑洞的熵

有相当一段时间,物理学家认为黑洞是异常简单的怪物,因为黑洞的一切性质,包括它的引力作用强度、它对星光轨道的偏转、它的表面形状和大小等等,仅仅只由三个参数决定,分别是黑洞的质量,黑洞的角动量,还有黑洞的电荷。而且黑洞不能带太多的电荷,假如电荷太多,它会很快从星际气体中吸引相反的电荷来中和自己的电荷。黑洞旋转的时候,会带动空间一起旋转,而空间又带动周围的物质一起旋转。

知道了黑洞的质量和角动量,又知道它的电荷一定少的可以忽略,那么可以根据广义相对论公式来计算黑洞应该具有的一切性质,比如引力作用强度、相应的星光偏转能力以及更有意义的,黑洞的形状和大小。

黑洞的熵的想法相当深奥,熵的概念普遍存在于日常生活的大量物理现象中,这个概念最早起源于热力学的初创时期,1850 年,德国物理学家克劳修斯将一个系统无法获得的能量称为系统的熵。并且,任何一个封闭系统的熵总是随着时间而增加的。19 世纪 90 年代,玻尔兹曼从更加基本的定律中推得热力学第二定律,玻尔兹曼论证道,如果你同意气体是由无规则运动的分子组成的,那么原则上你就可以使用概率的方式计算出各种感兴趣的物理量,甚至熵。根据玻尔兹曼的观点,系统的熵可以被认为是系统混乱程度的度量,熵越高,意味着系统的混乱程度越高,随机性越强。对于一副扑克牌来说,还没有开封的时候熵最低,因为这个时候扑克牌处于最有序的状态,洗牌之后,扑克牌的熵变高了,因为扑克牌的顺序被打乱了。同样,处于接近绝对零度状态的气体的熵非常低,升高稳定,气体分子开始运动,系统处于各种各样的状态中,熵随之增加。

让我们做一个思维体操,想象你自己正在围绕黑洞运动,你拥有一个装满热气体的容器,显然它具有大量的熵,接着你把容器抛向黑洞,按照标准的思维方式,容器会简单的消息在视界之后。实际上,容器最终会从可见宇宙中消失。这可有点不妙,按照流行的观点,黑洞是一个简单的东西,它的视界是一个极为规则无特征的球面,除了它们的质量和旋转速度,任何一个黑洞都和其他黑洞是一样的,这样的视界无法隐藏任何的信息,那么我们把容器扔进去之后,这个宇宙的熵减小了。

这显然和热力学第二定律相违背。

霍金佯谬

熵是永不减小的,还有一个东西和它类似,也是永不减小的,这个东西就是黑洞的视界。20 世纪 60 年代,霍金证明黑洞的视界永不减小。事实上这个证明用非数学语言也比较容易解释,想象一个黑洞,它的史瓦西半径正比于质量,而视界面积则正比于半径的平方,因此视界面积正比于质量的平方。假定我们将一个质量为 M1、视界面积为 A1 的黑洞和质量为 M2、视界面积为 A2 的黑洞接合到一起,新黑洞的质量是 M1+M2,新的视界面积正比于 (M1+M2)^2, 这个数大于 M1^2+M2^2,也就是说大于 A1+A2。也就是说,黑洞的面积是永远增加的。

1974 年,霍金对物理学做出了他这辈子最大的贡献,他证明了黑洞的视界就是黑洞的熵,并且精确的给出了黑洞的温度公式T=(hc^3)/(16π^2GMk)

用霍金这个公式能够得出什么呢?这个公式说明了黑洞的熵非常大,即使是天文学上最小的黑洞的熵也是非常巨大。一个质量为太阳质量的黑洞,它的熵高达 10^10^16,这个数字大到难以想象,黑洞是一个混乱度极高的研究对象…

但是,这怎么可能呢?如果黑洞真的处于无序当中,那么支配这种无序状态的微观态又是什么呢?广义相对论说黑洞具有质量、电荷以及自旋,还有什么能够让黑洞中存在无序?也就是熵呢?

直到 23 年之后,科学家们才能够开始回答霍金提出的这一问题,而对这一问题的解答,改变了我们对于宇宙的最根本的认识。

科学家们逐渐认识到,我们的宇宙其实是一副全息图。

未完待续…

【钛媒体作者介绍:何晓阳, OneAPM 创始人】

本文系作者 何晓阳 授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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何晓阳
何晓阳

OneAPM创始人

评论(19

  • 一叶轻舟 一叶轻舟
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    4

    完全看不懂,没法喷

    2015-09-04 00:17 via android
  • 匿名用户 匿名用户
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    3

    是的,宇宙确实是一副全息图。我们可以观察到的宇宙信息总合在一起就是一副全息图。观察不到的无序信息也就是熵。把宇宙的一部分物质(也就是全息图的一部分信息)丢入黑洞。物质信息被打碎打乱投射在黑洞视界的内球面上,外界依然不可见。但是黑洞的熵增加了(外界依然观察不到,但不代表物质消失了。只是信息被打碎为无序状态的存在,)。所以能被观察到的所有物质其实就是全息映像图。

    2015-09-03 19:54 via h5
  • 钛AQz9rG 钛AQz9rG
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    2

    文章写得真好,能把如此深奥的问题写得引人入胜!赞

    2015-09-03 13:00 via android
  • 青衫飞墨 青衫飞墨
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    1

    黑洞的质量与黑洞的速度成正比,进入黑洞的绝大多数物质无法再出来。

    2017-08-11 16:48 via pc
  • ksni88 ksni88
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    0

    快出下

    2015-09-05 23:48 via android
  • 匿名用户 匿名用户
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    0

    我也相信宇宙1:1的说法.

    2015-09-05 15:10 via h5
  • 王永刚Larry 王永刚Larry
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    0

    看完还是觉得蛮有意思的,希望关于黑洞、虫洞等的研究更深入些。by众投社

    2015-09-04 10:54 via pc
  • 春满乾坤 春满乾坤
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    0

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    2015-09-04 08:23 via weibo
  • 薛斐 薛斐
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    1

    如果用“分形”的概念,宇宙应该是自相似的。也就是说,不论你在多大规模上看,或者你用光年这么大的尺度,还是比微米更小的尺度,去观测宇宙,得出的结论但是相似的。就好像蛇吞进自己的尾巴,继续往里吞,还是往外吐,都无穷无尽。这样的结构,也许就是最终的答案。无论人类观测宇宙的“尺度”规模有多大多小,都是有限的。而宇宙是无限的。宇宙究竟是怎样的,人类只能猜测,然后选择相信或者质疑。相信的人得到安心,找到心灵的家,从而止步。选择质疑的人继续探索下去。

    2015-09-04 00:49 via h5
  • 西梅吹雪 西梅吹雪
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    0

    瞎扯

    2015-09-03 21:54 via android

Oh! no

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