http://www.sina.com.cn 2006年12月06日 08:04 北京科技報
黑洞模擬圖
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點(diǎn)擊此處查看全部科技圖片試想一頭大象闖入黑洞會(huì )怎么樣？這也許聽(tīng)起來(lái)像天方夜譚。然而美國加里福尼亞州斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家薩斯坎德卻用幾十年時(shí)間來(lái)“營(yíng)救”它。他的研究結果出人意料，大象竟然在黑洞的兩邊，這在物理界引起“大地震”，甚至動(dòng)搖了愛(ài)因斯坦的“相對論”。
霍金賭輸了
二十世紀七十年代，牛津大學(xué)著(zhù)名科學(xué)家斯蒂芬·霍金從理論上提出黑洞不是真黑，而會(huì )慢慢蒸發(fā)，并過(guò)幾十億年消失。人們稱(chēng)它為“霍金輻射”，這種現象常發(fā)生在黑洞的邊緣。但是霍金自問(wèn)，如果黑洞最終消失，里面的一切將會(huì )怎樣？他推測所有物質(zhì)會(huì )隨輻射漏回宇宙，速度比光還要快，以逃脫黑洞的“魔爪”。
30年來(lái)霍金堅信黑洞中的信息一定是在蒸發(fā)中被毀滅。他認為輻射是隨機的，不包含最初進(jìn)入黑洞時(shí)的信息。為此1997年他和加利福尼亞州理工大學(xué)物理學(xué)家基普·索恩及同校的約翰·普雷斯基爾打賭，賭注是一本《棒球百科全書(shū)》。這事沉寂多年，直到2004年6月，霍金出人意料地在愛(ài)爾蘭都柏林的會(huì )議上宣稱(chēng)，自己一直以來(lái)在走彎路，黑洞沒(méi)有摧毀信息。因為《棒球百科全書(shū)》很難買(mǎi)到，所以霍金只好送給普雷斯基爾教授一本《板球百科全書(shū)》作為補償，一時(shí)成為科學(xué)界的佳話(huà)。
萬(wàn)物之理
是什么使霍金改變想法的呢？是美國新澤西州普林斯頓大學(xué)高級研究學(xué)院一名叫胡安·馬多西納的青年科學(xué)家。盡管當時(shí)他名不見(jiàn)經(jīng)傳，但是在過(guò)去十年中一些科學(xué)家認為他對理論物理學(xué)作出了杰出的貢獻。他采用了超弦理論，又稱(chēng)萬(wàn)物之理(TOE)，很好地協(xié)調了量子理論和相對論。在1998年的弦論會(huì )議上，人們借用“瑪卡蓮娜”的旋律，以一首名為 “馬多西納”的歌曲向他致敬。
1997年他發(fā)展了薩斯坎德和荷蘭烏得勒支大學(xué)的杰勒德·胡夫特提出的超弦理論。他認為，黑洞像其他東西一樣有一個(gè)邊界，它的蒸發(fā)和邊界上相互作用的量子相符合。在宇宙中普通量子不會(huì )發(fā)生信息丟失，那么在黑洞中同樣也不存在信息的神秘失蹤。他說(shuō)：“邊界理論考慮到了量子力學(xué)的規則。它讓所有的信息很明了。”
雖然這個(gè)結果令人吃驚，但是多數物理學(xué)家到目前為止認可這個(gè)想法。薩斯坎德說(shuō)：“包括霍金在內的反對派不得不放棄，因為這個(gè)理論是如此精確。所有的理論物理學(xué)家從最實(shí)用的目的出發(fā)都認為全息原理和信息守恒是真實(shí)的。”
大象闖黑洞
要是信息沒(méi)有在黑洞里丟失，那么它又在那里？馬多西納說(shuō)：“霍金輻射不是隨機的，其中包含著(zhù)進(jìn)入黑洞物質(zhì)的微妙信息。”
薩斯坎德認為這項研究是一大進(jìn)步,可以用大象闖黑洞的思想試驗來(lái)描述。
想象小女孩艾麗絲在一個(gè)安全的距離看黑洞，突然一頭大象愚蠢地向黑洞邊界走去。她發(fā)現大象越靠近黑洞邊界速度越慢，這是廣義相對論在起作用。大象在“霍金輻射”的烘烤下變成一堆灰。在艾麗絲看來(lái)，大象的信息就在灰燼中。
故事還蠻曲折。當大象闖入黑洞時(shí)，艾麗絲沒(méi)有意識到她的朋友鮑勃正騎在象背上。鮑勃也得感謝相對論，當他穿過(guò)黑洞邊界時(shí)甚至沒(méi)有覺(jué)察到。在宇宙中邊界不像一堵磚墻，而只是一個(gè)點(diǎn)。隨后他自由降落，黑洞里和宇宙中的其他地方?jīng)]什么分別。最后重力一下子將鮑勃征服，把他連同大象撕得四分五裂。不過(guò)這時(shí)鮑勃卻看到了保存的信息。
兩個(gè)故事都談不上美麗，但哪一個(gè)正確呢？依艾麗絲看，大象從未通過(guò)邊界，之前已經(jīng)被“霍金輻射”吞沒(méi)；按鮑勃來(lái)說(shuō)，大象穿過(guò)了邊界，并且始終快樂(lè )地飄浮，直到變成“
意大利式細面條”。這兩個(gè)故事互相矛盾，那么大象到底在哪里呢？
答案你也許猜到了，薩斯坎德認為大象在黑洞的兩邊。他說(shuō)：“量子力學(xué)總是用‘或者’替代‘和’。光是波還是粒子，要根據你做的試驗來(lái)定。黑洞的情況也一樣, 我們有時(shí)用闖入的物質(zhì)來(lái)描述，有時(shí)靠傳出的霍金輻射來(lái)說(shuō)明。所以一只大象同時(shí)在兩個(gè)地方：活大象在黑洞中，而死大象在黑洞外。”
薩斯坎德補充說(shuō)，如果黑洞足夠大，同一只大象的兩個(gè)位置可能相距幾十億光年。
動(dòng)搖“相對論”
按照愛(ài)因斯坦的“相對論”，在一定條件下距離會(huì )伸縮，時(shí)間能快慢，但是物體的時(shí)空位置還是精確地被劃定。然而薩斯坎德覺(jué)得，所有最新的證據表明一個(gè)物體在時(shí)空中的位置不再是確定的。他稱(chēng)這是“新式相對論”，不僅適用于黑洞,而且也可用在其他地方。只要有邊界，只要是任何加速的東西———地球、太陽(yáng)系和銀河系等，這個(gè)規律就會(huì )起作用。
這一觀(guān)點(diǎn)無(wú)疑在物理界引起“大
地震”，甚至動(dòng)搖了愛(ài)因斯坦的“相對論”。加利福尼亞大學(xué)的理論家史蒂夫·吉丁斯說(shuō)：“我們被推進(jìn)了一個(gè)自相矛盾的黑洞，我們能想象的有關(guān)黑洞的每一種結果與現代物理學(xué)的一些重要方面背道而馳?？赡芴綔y黑洞的信息將導致一場(chǎng)革命，意義和量子力學(xué)的出現一樣深遠。通過(guò)破譯黑洞的信息，人類(lèi)可能會(huì )發(fā)現宇宙的另一邊是怎樣的。”
黑洞計算機
馬薩諸塞州技術(shù)學(xué)院的塞思·勞埃德認為, 這個(gè)理論有助人們從黑洞中獲取信息。當下落的“霍金粒子”與黑洞內的物質(zhì)相合，它就會(huì )發(fā)送這個(gè)物質(zhì)的信息給黑洞內的“同伴”。如果這個(gè)計劃奏效，黑洞將令人信服地作為量子計算機來(lái)使用。
-文/仁壽
