黑洞奧秘特輯2：霍金瘋狂的物理革命，真理是隨機的嗎？丨AC茂的模

1927年 第五屆索爾維會議在比利時布魯塞爾召開 一張匯聚了物理學界智慧指導的明星照 成爲了這次會議的歷史見證 會議期間 愛因斯坦和波爾進行了激烈的交鋒 他認爲量子力學似乎暗示存在某種超距作用 而這是違背狹義相對論的 波爾的解釋是 微觀粒子在空間的位置是概率分佈的 是隨機的 但一經測量 位置就確定了 但是這種說法又違背了因果律 於是愛因斯坦留下了那句名言 上帝是不置頭子的 波爾也用了一句話回擊 愛因斯坦 請你不要告訴上帝該怎麼做 如果兩個物理學家只是在爭論一個哲學觀的問題 那麼是不會有結果的 但愛因斯坦和波爾爭論的實際是某種全新的物理 是愛因斯坦無法接受的地球OL新版本補丁 量子力學 愛因斯坦反對這種想法 反對自然定律中有着隨機的 無法控制的因素 他認爲如果量子力學是對的 那麼人類將永遠也無法預測未來 同樣的 波爾也不喜歡這個想法 但他接受了它 他相信未來的物理學會重新改寫量子力學 改寫的部分也包括愛因斯坦所恐懼的不可預知性 在量子力學的科普視頻中 理查的費曼的名言總被提及 我可以有把握地說 沒有人懂量子力學 但這句話並不是全文 他隨後還補充了一句 自然界的行爲越是奇異 越是無法用一個模型來描述它 甚至對最簡單的現象也是如此 因此理論物理學已經放棄了這一點 費曼的這段話並不是說物理學家應該放棄解釋量子現象 而是說人類無法用形象化的術語來解釋量子現象 也就是說 用人話是講不明白量子力學的 於是 費曼也不得不訴諸抽象的數學 但是不要灰心 通過看科普視頻 也是能夠體會到這個偉大理論的一部分要點的 愛因斯坦堅決地維護定義實在論 而這正是物理學家們應該擺脫的首要觀點 定義實在論意味着 如果我們對現在瞭解的足夠多 那麼未來就是可預測的 牛頓力學以及它的一切推論 都是有關預測未來的 拉普拉斯堅信人類終有一天可以預測未來 他在他的概述論導論部分寫道 我們可以把宇宙現在的狀態視爲其過去的果 以及未來的因 如果一個智者能知道某一刻所有自然運動的力 和所有自然構成的物件的位置 假如他也能夠對這些數據進行分析 那宇宙裏最大的物體到最小的粒子的運動 都會包含在一條簡單公式中 對於這智者來說 沒有事物會是含糊的 而未來只會像過去般出現在他面前 這個智者就是物理四神獸之一的拉普拉斯獸 在當時 電磁力 強力和弱力都還未被發現 所以拉普拉斯的這段話 只是簡單地展示了牛頓運動定律的推論 在牛頓物理學中 想要預測未來 你只需要知道宇宙中所有粒子 在某一時刻的位置和速度 以及作用在每一個粒子上面的力即可 但事實上 牛頓和拉普拉斯看待自然界的觀點 並非愛因斯坦的定義實在論 而是純粹的決定論 什麼是決定論 要理解這個概念 我們可以構建一個極爲簡單的宇宙模型 一個只有0和1的世界 我們試着給這個世界增加一些規則 第一條規則是 什麼都不會發生 在這樣規則的一個宇宙中 如果第一個數字是1 那麼接下來的數字就永遠是1 如果第一個數字是0 那麼接下來的數字就永遠是0 那麼這個世界的歷史就會是11111 或者是0000 永遠循環下去 在這條規則下運行的世界是非常枯燥的 接下來這條規則稍微好一些 無論某一時刻是什麼狀態 下一秒轉換爲相反的狀態 那麼這個世界的歷史就會是10101010 或者是01010101 同樣永遠循環下去 這兩條規則都是決定論的 意味着未來完全由初始點的狀態決定 不管在哪種情況下 只要你知道了初始條件 就可以確切地預測 未來的任何一個時間點會發生什麼 這樣的一個世界聽起來就很無聊 如果我是造物主的話 最起碼也要加個簡單的隨機定律吧 比如無論初始狀態是什麼 接下來的時刻1和0將隨機出現 這樣的話 任何1和0的排列組合序列就都有可能出現了 但如果只有一條隨機性的定律 那麼這個世界的未來就完全是混亂 不可預測的了 這好像又枯燥了起來 如果想讓這個世界有那麼點趣味性的話 定律最好不是純粹決定性的 或純粹隨機性的 這些都太極端了 一個定律主要是決定性的 僅僅有一點隨機性 這樣就好玩多了 比如說 下一秒的狀態有90%的概率保持不變 有10%的概率變成另一個數字 那麼世界的歷史就可能會變成這個樣子 在這樣的規則下 你想要預測未來就會變得容易許多 你知道了第一個數字是1 那麼預測第二個數字也是1的成功率就很高 你甚至可以直接預測接下來的兩個數都是1 依然可能是準確的 這樣的規律足以讓所有毒狗兩眼放光 去過賭場的朋友可能會注意到 那些出了長弦或常裝的百家樂賭桌 往往會聚集最多的毒狗 因爲在這種情況下 毒狗會有一種自己能夠預測未來的錯覺 但這只是賭博遊戲中出現了看似特殊的排列組合 給你造成的一種錯覺 實際上你下一局的贏面和在任何一個其他賭桌上 毫無區別 是完全隨機的 你可能會覺得奇怪 連小學生都知道 隨機現象在自然界中是普遍存在的 比如拋硬幣的結果是正還是反 就是隨機的 還用得着量子力學來讓我們的世界變得不確定嗎 但事實上 在不考慮量子力學的情況下 拋硬幣的結果實際上是決定性的 它無法被預測的原因 僅僅是因爲我們無法精確計算 與之相關的每一個經典現象 比如拋出硬幣的力 屋子中的空氣流 硬幣和空氣分子熱振動的細節 都與結果相關 這種我們日常生活中 因爲算力不足而產生的隨機性假象 並不是困擾愛因斯坦的東西 愛因斯坦抵制的隨機性是說 自然界最深邃的定律 有着無法避免的隨機性 即使我們知道了所有細節 也無法克服它 這纔是那句上帝不知投資的真實含義 一個不允許隨機性存在的原因是 在大多數情況下 過程一定不能違背能量守恆定律 這些定律說明 雖然能量有多種形式 可以從其中的一種轉化到另一種 但能量的總量永不變化 能量守恆定律是自然界中 最精確的確立了的事實之一 推翻它的餘地留得非常少 在量子力學中 還存在另一個非常精妙的物理定律 它甚至比能量守恆定律更爲基本 也就是可逆性 或者說信息守恆定律 信息守恆意味着 如果你精確地瞭解現在 那麼你也能夠了解任何時刻的將來 但是僅僅是它的一方面 我們同樣可以說 如果精確地瞭解現在 那麼你也可以完全瞭解過去 這些定律在時間上是雙向的 在一個只有0和1的世界中 一個純粹的決定論可以保證信息完全守恆 例如如果定律是 無論某一時刻是什麼狀態 下一秒後轉爲相反狀態 那麼知道任意時刻的數字 將來和過去就都可以完美地預測 但是隻要加入極小的隨機性 這個完美的可預知性就會被徹底破壞 現在我們把世界觀調整一下 在0和1的世界裏加入2 規則改成0後面的數字一定是1 1後面的數字一定是2 2後面的數字一定是0 那麼如果初始數字是0的話 世界的歷史就會是012 012 012 012 一直循環下去 有一個簡單的方法可以驗證信息守恆 讓一個物理系統運轉一段時間 在時間段結束時改變定律 新的定律與舊的定律相反 比如把原來的012變成210 然後讓系統逆向運轉和前次同樣長的時間 原來的歷史會復原 回到初始點 無論你經過了多長時間 決定性定律總能保持良好的記憶 回到初始條件 爲了檢測信息守恆 你甚至不需要知道最底層的邏輯是什麼 只要知道0 1 2後面應該是什麼就行了 只要定律是決定性的 這個實驗總是能行得通 但如果有隨機性 實驗就會失敗 那我說了半天 難道是在論證決定論是正確的嗎 當然不是 回到愛因斯坦 愛因斯坦的另一個名言是 上帝是微妙的 但也沒有心懷惡意 物理定律看起來確實沒啥惡意 除了引力 但是量子力學的定律是十分微妙的 因爲它們竟然可以允許隨機性 能量守恆和信息守恆三者共存 那麼量子力學的隨機性會破壞信息守恆嗎 答案是 這依賴於我們是否對其進行觀測 注意這裏的觀測指的是測量它的位置和動量 不是拿眼睛去看 如果我們觀測了 那麼反向運動的結果將會是隨機的 信息守恆會失效 但是如果我們不進行觀測 而是僅僅將定律反向運行 那麼任何量子運動都是可逆的 換句話說 儘管量子力學有它的不可預知性 然而它依然遵守信息守恆定律 無論上帝是否心懷惡意 它確實是微妙的 雖然在真實世界中 反向運行物理定律幾乎是不可能的 但從數學上是完全可行的 這就是爲什麼前面說 我們只能用數學語言來描述量子力學的圖景 量子力學的數學可逆性 或者說夭正性 對它自身的一致性極爲重要 沒有它 量子邏輯將無法保持完備 但是爲什麼在結合了引力與量子力學後 霍金會推導出信息守恆被破壞這樣的結論呢 這是源於我們對黑洞的無知 在講宇宙大爆炸的時候 我曾經提到過這一理論的命名者 及堅定反對者 弗雷德·霍伊爾 當時霍伊爾有一個狂熱的粉絲 名叫斯蒂芬·霍金 霍金在牛津大學讀本科期間非常崇拜霍伊爾 並立志要成爲他的研究生 1962年 在結束本科學習後 霍金打算報考霍伊爾的研究生 但是很遺憾 霍伊爾的學生太多 霍金就被調劑給了另外一位老師 丹尼斯·夏馬 夏馬是劍橋大學的天文學和宇宙學教授 劍橋是當年最聰明最傑出的人 在有關引力的深奧難題上 檢驗他們智力的三個地方之一 另外兩個是普林斯頓和莫斯科 夏馬的男孩是一群才華橫溢的年輕物理學家 包括構建了宇宙學中的人責原理的布蘭登·卡特 大不列顛皇家天文學家馬丁里斯 數學教授菲利普·坎德拉斯 著名天文學家約翰·巴羅 以及宇宙學家喬治·埃利斯 當然還有我們這個系列視頻的主角 斯蒂芬·威廉·霍金 夏馬是一個很負責任的老師 他對自己的每一個學生都盡心盡力 特別是霍金這樣深有殘障的年輕人 雖然他自己也支持霍伊爾的穩恆態宇宙模型 但是他鼓勵霍金有自己的想法 從師承關係上來說 夏馬是狄拉克的學生 所以說起來狄拉克算是霍金的師爺 他們也都先後擔任過那個最負盛名的教職 盧卡斯數學教授 夏馬在劍橋大學的一個學生提出了一個瘋狂的想法 量子力學賦予黑洞以熱力學性質 即熱量以及伴隨它的溫度 黑洞的溫度反比於它自身的質量 質量越大溫度就越低 一個如同恆星一樣大的巨型黑洞 會有極微小的溫度 比地球上任何實驗室中的任何物體都要冷 夏馬錶示 我聽得懂 也沒有大受震撼 他隨即提出一個更簡單 但更有想象力的觀點 如果存在極微微小的黑洞 那麼它們就非常熱 甚至比任何恆星都要熱 於是他大膽地預言黑洞會蒸發 當時的物理學家普遍認爲黑洞是永恆存在的 它一旦形成 物理學中就沒有任何機制可以破壞它 或消滅它 這種由死亡恆星形成的黑空區域 將永恆地持續無限冷 無限安靜的狀態 但是 夏馬在一場演講中提出 就像太陽光下的水滴一樣 黑洞也會一點一點地蒸發 並且最終會徹底消失 作爲他的解釋 是電磁熱輻射帶走了黑洞的質量 熱量和溫度是物理學中最爲人熟知的兩個概念 我們每個人都有一個自帶的溫度計和自動調溫箱 進化爲我們提供了與冷暖密切相關的感覺 然而熱量的本質究竟是什麼呢 當一杯熱水變冷時 熱水不熱的杯子缺損了什麼呢 如果你通過一個顯微鏡來觀測微小的塵斑 或者漂浮在熱水中的花粉粒 你會發現微粒會在水面上不停運動 阿爾伯特·愛因斯坦在1905年首先解釋了這個布朗運動 它是快速有力的分子頻繁碰撞微粒的結果 如同其他物質一樣 水也是由到處運動的分子組成的 它們自身之間與容器壁 以及與其他外來的雜質之間相互碰撞着 當運動是隨機混沌時 我們就稱它爲熱量 對通常物體而言 當你以熱量的形式開始增加能量時 將導致分子隨機動能的增加 也就是說溫度與熱量相關 當隨機運動的分子撞到你的皮膚上時 它們會刺激你的神經末梢 讓你體驗到了溫度的感覺 單個分子的能量越大 你的神經末梢受到的影響就越強 你就感到越熱 你的皮膚只是許多類型的溫度計之一 它可以感覺記錄分子的混沌運動 因此 粗略地說 一個物體的溫度 是它單個分子能量的涼度 當物體冷卻時 能量被排走了 分子緩慢下來 最終 當越來越多的能量被消除時 分子達到了最可能低的能量狀態 如果我們忽略量子力學 此時分子運動完全靜止下來 在這種情況下 沒有更多的能量被排走 物體將處在絕對零度 大多數物體至少反射一點光 朱漆是紅色的原因 在於它反射紅光 或者更精確地說 它反射了一定波長的組合 而我們的眼睛和大腦認爲它是紅色的 類似的 藍漆反射的是我們認爲是藍色的組合 雪是白色的 因爲冰晶表面同等地反射所有的可見光 然而有些表面幾乎一點也不反射光 比如落入一個黑鍋表面的光 最終使鐵鍋自身的溫度升高 這些就是我們大腦認爲是黑色的東西 物理學上一個完全吸收光的物體 被稱爲黑體 在夏馬之前 物理學家一直認爲黑洞是黑體 拉普拉斯和米歇爾早在18世紀就想到了這一點 而愛因斯坦和施瓦西證明了它 當光落入黑洞世界時 它將完全被吸收 換句話說 如果你在這之前問一個物理學家 黑洞的溫度是多少 得到的回答很可能是 黑洞沒有溫度 你可能會槓回去 胡說八道 任何物體都應該有溫度 這個想法會自然地催生出一個答案 是啊 如果黑洞沒有熱量 那麼它一定是在絕對零度的 因此 在霍金之前的所有物理學家都宣稱 黑洞實際上就是黑體 現在 說黑體一點都不發光是不正確的 根據物理學家的定義 太陽也是一個黑體 但太陽遠不是你所想象的那樣黑 它的表面輻射大量的光 但它一點也不反射光 對於物理學家而言 這樣的性質仍然基本符合黑體的定義 同樣的 任何一個極冷的物體 只要它不處於絕對零度 也會輻射出電磁波 但是 由黑洞發出的輻射 絕不能和反射光混淆 它是由原子的振動或碰撞產生的 而且與反射光不同的是 它的顏色依賴於輻射體的溫度 夏馬的解釋在當時看來是非常詭異的 他說黑洞是黑體 但它們不是處於絕對零度 每個黑洞都具有各自的溫度 而這依賴於它們的質量 夏馬的這一觀點 可以說是黑洞戰爭中的薩拉熱窩事件 他以這種最令人吃驚的方式 告訴世人一件事情 由於黑洞具有熱量和溫度 因此它必須輻射電磁波 或者說光子 這意味着它將損失能量 而根據愛因斯坦的智能方程 E等於mc方 能量等同於質量 如果一個黑洞失去了能量 那麼它同樣也丟失了質量 這就將我們帶到了夏馬的故事中 最精彩的部分 黑洞的尺寸 即它的史瓦西半徑 直接正比於它的質量 如果一個黑洞的質量減少 那麼它的尺寸也會減小 因此當黑洞輻射能量時 它將會收縮 直到它的尺寸不大於一個基本粒子爲止 那時它就會徹底消失得無影無蹤 用夏馬的說法 黑洞就像夏天的池水一樣蒸發完了 這場演講自始至終 夏馬都試圖告訴每位聽衆 他不是這些觀點的首創 他總是說 霍金說這個 霍金說那個 就像一個諾貝爾獎得主的父親 談及他的寶貝兒子一樣 然而儘管他這樣說 人們仍然認爲這個不知名的霍金 僅僅是一個幸運的學生 他恰好在合適的時間和地點 趕上了夏馬的研究項目 有名的物理學家在演講中 慷慨地提到一個傑出學生的名字 是一個傳統 無論觀點是多麼鮮明的 還是多麼狂熱的 人們自然而然地認爲 他來源於較爲資深的物理學家 而事實上 當時的霍金早已不是一個普通的學生了 到1974年 霍金已經成爲了 廣義相對論研究的一顆新星 他和羅傑·彭羅斯 爲這個學科做出了重大的貢獻 更令人欽佩的是 霍金的絕大多數成就 都是在他被診斷出劍動症後 才發展出來的 在夏馬這場演講的那年 霍金就已經完全癱瘓了 人們都在說他幾年之後就會死 他似乎正在經歷痛苦和絕望 但夏馬卻說 在當時的聽衆看來 夏馬描述霍金在面對逆境時的勇氣 似乎有些誇張 但是在之後的幾十年 人們意識到這些話不能說是用詞不當 只能說是恰如其分 在夏馬的演講中 他只是報告了霍金的結論 而沒有提供任何專業基礎的支撐 畢竟夏馬並不是霍金所使用的 量子場論方面的專家 他是一個幾乎不用方程的人 離譜的是 在他演講給出的方程中 包括同領着引力的牛頓常數G 涉及了狹義相對論的光速C 量子力學的普朗克常數H 還有波爾茲曼常數K 它們同時出現在一個方程裏是幾個意思 黑洞 引力和相對論 這幾樣還是很搭調的 不過再加入量子力學和熱力學 就顯得很奇怪了 熱力學的問題 夏馬好歹還解釋了 但量子力學是爲原子 電子和光子這種小別致準備的 爲什麼要引入量子力學來討論黑洞呢 夏馬的演講令許多物理學家陷入困惑 蒸發的黑洞究竟是一個誇張的故事 一個瘋狂的 不成熟的推測 還是名副其實的物理革命呢