據《科學(xué)美國人》報道，以色列物理學(xué)家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）于2015年8月17日逝世，享年68歲。
雅各布·貝肯斯坦（1947-2015）。圖片來(lái)源：wikipedia
貝肯斯坦的名字可能在物理學(xué)界之外沒(méi)有幾個(gè)人聽(tīng)說(shuō)過(guò)。但是他所從事的主要領(lǐng)域，卻可能使現代物理學(xué)創(chuàng )造的最廣為人知的概念之一——黑洞。而在黑洞領(lǐng)域，他的貢獻是舉足輕重的。
黑洞是啥？它是黑的。被它吸進(jìn)去的人出不來(lái)。進(jìn)了黑洞基本上會(huì )死但也許可以穿越時(shí)空。我們對黑洞的了解大多停留在此，這恐怕還是看過(guò)《星際穿越》之后的結果。它在科幻領(lǐng)域里是重要的道具，但僅此而已。要說(shuō)和黑洞相關(guān)的名字，大概能想到的也就是斯蒂芬·霍金和基普·索恩了。
但黑洞從它誕生起，就讓物理學(xué)家頭大不已。
黑洞降生在第一次世界大戰的戰壕中?？枴な吠呶鳎↘arl Schwarzschild），德國物理學(xué)家，國防軍炮兵中尉，在東線(xiàn)面對著(zhù)俄國人的子彈和炮火，靠物理學(xué)來(lái)緩解戰爭的恐懼。他在戰壕中患上了一種罕見(jiàn)而極為嚴重的皮膚病——天皰瘡（Pemphigus），在1916年去世，年僅42歲。但是他生命的最后一年里依然出產(chǎn)了三篇極為重要的論文，其中一篇就是基于愛(ài)因斯坦剛剛發(fā)表的廣義相對論而進(jìn)行的推算。他在狹小的戰壕中計算廣大空間的曲率，卻遇到了一個(gè)難題——方程式在某一點(diǎn)上似乎“爆炸”了，得出了無(wú)法理解的結果。
算出了黑洞的卡爾·史瓦西。圖片來(lái)源：wikipedia
五十多年后，物理學(xué)家將這個(gè)無(wú)法理解的爆炸稱(chēng)為“黑洞”。今天我們幾乎可以肯定，黑洞真的存在于我們的宇宙中。
但史瓦西不能理解自己的計算結果，不是沒(méi)有理由的。一個(gè)黑色的、引力強到連光都無(wú)法逃脫的物體，看起來(lái)很簡(jiǎn)單，卻引發(fā)了不計其數的問(wèn)題。
亞瑟·愛(ài)丁頓爵士曾經(jīng)說(shuō)，“如果有人指出你心愛(ài)的宇宙理論和麥克斯韋方程矛盾，那麥克斯韋方程也許會(huì )倒霉。如果你的理論和實(shí)際觀(guān)察矛盾，實(shí)驗物理學(xué)家有時(shí)候是會(huì )把事情搞砸。但如果你的理論和熱力學(xué)第二定律矛盾——那我不能給你一絲一毫的希望；你的理論必將在最深重的羞辱中轟然坍塌?！?/span>
而我們開(kāi)始對于黑洞的描述，恰恰就是這樣！雅各布·貝肯斯坦發(fā)現，早年對黑洞的描述是和熱力學(xué)沖突的。
如果我們有一團熱氣體，它里面分子在快速亂飛，因而很無(wú)序，“熵”很高。把它丟進(jìn)黑洞里，一旦跨越了黑洞的“邊界”（“事件視界”），它就出不來(lái)了。但進(jìn)去之后會(huì )發(fā)生什么？假如黑洞真的只是一個(gè)無(wú)限壓縮器，把所有東西都壓到一起，變成廣義相對論設想的平滑無(wú)特征的一小點(diǎn)，那原來(lái)的混亂狀態(tài)就沒(méi)了，熵也沒(méi)有了。這就是赤裸裸地違反了熱力學(xué)第二定律。
因此，黑洞必須有熵。但光說(shuō)有不行，到底有多少？
1972年，貝肯斯坦在《物理學(xué)評論》發(fā)表了一篇里程碑式的論文，標題就十分霸氣：《黑洞和熵》。他提出，黑洞的熵就是它的表面積除以普朗克常數平方再乘以一個(gè)無(wú)量綱數?；蛘哒f(shuō)，越大的黑洞熵越多，和表面積完全成正比。
而且，因為信息和熵之間密不可分的關(guān)系，這篇論文也成功地給黑洞內所能包含的信息——乃至有限空間內所能包含的最大信息——規定了上限。今天我們稱(chēng)之為“貝肯斯坦上限”。
這是一個(gè)典型的能讓所有其他人都變成馬后炮的結論：講出來(lái)之后就很符合直覺(jué)，但沒(méi)有他的論證，別人就是抓不住。
要問(wèn)這個(gè)結論有什么了不起？過(guò)去四十年里理論物理學(xué)一些最重要的觀(guān)點(diǎn)，全都是在這個(gè)基礎上出來(lái)的。
20世紀物理學(xué)最偉大的兩個(gè)成就，一個(gè)是廣義相對論，一個(gè)是量子力學(xué)。廣義相對論一般用來(lái)處理很大的東西——比如引力，比如時(shí)空彎曲；質(zhì)量太小的東西，它不明顯。而量子力學(xué)一般用來(lái)對付很小的東西——比原子更??；太大的東西，不好算。
黑洞的質(zhì)量非常大，但又非常致密，能把這巨大的質(zhì)量壓到很小的一點(diǎn)上，這樣兩者就都適用——然而物理學(xué)家發(fā)現它們走到一起似乎會(huì )產(chǎn)生矛盾。
這個(gè)矛盾非同小可。物理學(xué)界的圣杯是所謂的“萬(wàn)物之理”，一個(gè)單一理論解釋所有物理現象。但是在一個(gè)至關(guān)重要的地方——統一四種作用力——物理學(xué)家卡住了。引力和剩下的幾種力看起來(lái)簡(jiǎn)直大相徑庭，而所屬的理論也不同：引力歸廣義相對論管，而電磁力之類(lèi)的則是量子力學(xué)。
二者的矛盾必須調和，要調和必須找到一個(gè)二者都能發(fā)揮作用的地方——而黑洞就是這樣一個(gè)地方。
要統一四種作用力（尤其是引力和其他三種力），黑洞是至關(guān)重要的入手點(diǎn)。圖片來(lái)源：sciencenews.org
在這個(gè)基礎上，出現了無(wú)數的進(jìn)展。
比如霍金最出名的貢獻之一：霍金輻射。傳統上認為黑洞是不能向外發(fā)出任何東西的。當初貝肯斯坦提出黑洞熵理論后，霍金曾經(jīng)表示不相信：要有熵就得有溫度，要有溫度就一定要向外發(fā)出熱輻射，這怎么可能！
然而兩年之后霍金意識到，由于量子力學(xué)的不確定性原理，黑洞真的是會(huì )釋放出一點(diǎn)點(diǎn)輻射的，并且滿(mǎn)足黑體輻射的公式。今天，霍金輻射也被稱(chēng)為霍金-貝肯斯坦輻射。
再比如黑洞信息悖論。量子力學(xué)是一個(gè)處理概率的學(xué)科，概率和信息是直接對應的。但是所謂概率，只有當所有可能發(fā)生的情況加起來(lái)等于1的時(shí)候才有意義，不然就講不通。這就帶來(lái)了一個(gè)后果——信息永遠不能丟失，也不能被真正復制。
霍金輻射提出之后，一個(gè)看似自然的推論就是，如果你始終不往黑洞里喂東西，它的輻射最終會(huì )讓自己完全蒸發(fā)。那蒸發(fā)之后的信息哪里去了？自然的想法是這些信息從黑洞里跑掉了——但是黑洞里的信息自己是不能出來(lái)的，要跑掉必須復制，而這一復制又違背了另一個(gè)規定。
黑洞會(huì )蒸發(fā)殆盡，進(jìn)入黑洞的信息是隨之消失了（圖左），還是以某種機制（如圖右的火墻悖論）被保存下來(lái)？圖片來(lái)源：bibliotecapleyades.net
這個(gè)悖論還沒(méi)有完整的解決方案，它背后也許反映了量子力學(xué)是不完備的；解決了它也許就找到了量子力學(xué)和廣義相對論協(xié)調的方式。但無(wú)論如何，它誕生于黑洞的信息和熵理論，解法也一定與貝肯斯坦的貢獻密不可分。
再比如互補性原理和全息原理。它來(lái)自對抗黑洞信息悖論的思路之一?；パa性原理認為，雖然黑洞里的觀(guān)測者是看到信息掉進(jìn)去了，但黑洞外的觀(guān)測者看到的只是信息堆在事件視界上，沒(méi)有真的掉進(jìn)去。這是廣義相對論的時(shí)間稀釋原理的表現，越靠近黑洞引力越強，時(shí)間流逝越慢，所以外面的人永遠看不到信息真的落入黑洞。兩個(gè)觀(guān)測者不能溝通，所以并不矛盾。
但這就意味著(zhù)全息原理必須成立——黑洞內部的三維的信息，經(jīng)過(guò)某種神秘的變換，可以在二維的表面上完全體現出來(lái)，并且不涉及引力？雖然聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，但一系列證據表明它可能真的在某些場(chǎng)合下成立。
更加瘋狂的是，后來(lái)物理學(xué)家提出，弦理論——就是生活大爆炸里謝耳朵成天用來(lái)唬人的那個(gè)理論——和量子理論是等價(jià)的，前提是后者不包含引力而且維度更低。這種神奇的場(chǎng)/弦對應和全息理論不謀而合，而且經(jīng)過(guò)更復雜的數學(xué)把戲之后，真的就能把信息在蒸發(fā)過(guò)程中丟出去還不違反量子理論。量子論沒(méi)事兒，要修的是相對論。
但別高興得太早，問(wèn)題還沒(méi)解決呢——比如互補性原則推導出來(lái)的黑洞火墻悖論。這是一個(gè)更加微妙更加麻煩的悖論，也是過(guò)去三年里最令相關(guān)研究者頭大的悖論之一，此處不再詳述；但這依然和黑洞信息、黑洞熵密不可分，依然是貝肯斯坦栽下的樹(shù)上開(kāi)出的花朵之一。
根據圖左的互補性理論，宇航員在越過(guò)視界、一去不復返時(shí)，其實(shí)什么都沒(méi)有發(fā)生——對視界外的人來(lái)說(shuō)，永遠看不到信息真的落入黑洞；宇航員本人也不會(huì )感覺(jué)到任何異樣，直到在奇點(diǎn)被徹底壓扁。量子力學(xué)要求黑洞視界之內存在一道輻射“火墻”，將宇航員瞬間焚成灰燼；在這種情況下，信息得以保留，但卻違背了廣義相對論。圖片來(lái)源：sciencenews.org
而這棵大樹(shù)最終可能會(huì )讓我們解決量子力學(xué)和廣義相對論的沖突，得到完整的量子引力理論——從而克服過(guò)去一百年間最為困擾物理學(xué)家的難題。
有些科學(xué)家是天生的明星，但更多的科學(xué)家在學(xué)界之外就默默無(wú)聞。以學(xué)術(shù)的角度而言，這絕對不意味著(zhù)后者就不重要了——貝肯斯坦就是這樣一位研究者。斯人已逝，但他的思想會(huì )繼續流傳下去，也許將為后世我們最偉大的物理學(xué)成就——萬(wàn)物之理——奠基。（編輯：Ent）
作者：魏郎爾
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