《黑洞不是黑的：霍金BBC里斯讲演》读后感2300字
信息可以被消灭么?
把字典烧掉, 有何难~
巧的是, 那天 古哥古典 居然花了两集聊这事. (还编了一个非常雷的暴君和科学家的故事, 帮助理解.)
(发现, 无论是谁, 聊到 黑洞话题时, 都不忘捎带上法国人的对这词儿的文化歧视(歧义) — 以及越抹越黑的 黑洞无毛. 好吧, 当个理论物理学家本来也没多少段子好讲, 虽说耳膜都听出茧子来了.)
无论如何, 正主儿聊这事儿, 总是更加畅爽 — 听Stephen唠嗑, 如饮醇醪.
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[ destroying information ]
如果你 洗牌 一副扑克, 或 胡乱扭动 一个整齐的魔方, 似乎原先的 规则 的顺序被破坏, 陷入更加 混乱.
但如果你架上摄像头, 按照视频中的顺序反过来重来一遍, 无论多少步骤, 你总可以将其还原为初始的样子 — 追溯和复原, 只是个技术问题.
在群论中, 称 对称与集合变换. 逆运算(操作) 是其中的基本特征. 对于一个有限集合, 在有限的操作步骤内可以遍历.
碎纸机的情况稍微复杂一些, 但是, 同样, 如果你架上一部摄像头, 只要其全过程可描述, 可追溯, 就可以复原 — 只是个技术问题 (成本更贵一些, 当然.)
烧掉一本字典, 氧化一条dna, 降解一具尸体, 或者把Terminator投入滚滚熔岩, 都只是增加了难度和成本, 但没有改变其 可追溯, 可复原 的本质.
信息可以被真的消灭么?
理论上, 宇宙中任何基本粒子, 的行为, 都是可逆的, 可追溯的, 符合规律的. (热力学的定律, 并不与任何微观规律冲突, 它只是告诉我们一个统计学的大概率方向, 而已.)
然而, 黑洞呢?
是否例外?
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[ a brief history of black hole ]
经典黑洞
自从牛顿的万有引力定律问世, 人们就在思考物质是如何 被星体束缚 的问题.
慢速飞行的苹果或炮弹, 总会掉到地上; 但是如果它足够快, 就可以以引力为法向加速度, 一直飞在天上. 此即 (地球的)第一宇宙速度 v1 = 7.9km/s.
而当初始动能超过 完全克服全部地球引力 所需, 它就可以 真正摆脱 地球束缚, 去向任何诗和远方. 此即 (地球的)第二宇宙速度 v2 = 2^.5 * v1 = 11.2km/s
克服和逃离地球的第一, 第二宇宙速度, 当然与地球质量相关. 于是人们进一步设想: 能束缚光的星体, 需要多大的质量? (黑洞的第一宇宙速度, 即是光速.)
这即是经典框架下的黑洞概念.
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光, 引力, 和相对性原理
1865年, Maxwell预言了电磁波的存在, 计算其速度与光速相同, 于是断言光是一种电磁波.
1888年(Maxwell死后9年), Hertz用实验证明电磁波的存在.
1905年, Einstein发表 Special Theory of Relativity. 搞定了 光速恒定这个经典框架下的bug.
进而, 在思考 惯性质量 和 引力质量 的同一性后, 于1915年以 黎曼几何 创建了引力的场方程, 即 General Theory of Relativity.
用Wheeler话说:
质量弯曲了时空, 时空给运动指路.
GToR(广义)是 a相对性原理, b引力, c光和谐共存的框架. 只有在这框架中, 才能建立自洽的黑洞模型.
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广义黑洞
1915年, GToR问世一个月, 就算出一个解– 一个理想化的黑洞模型. 如果以事件视界 为其表面, 那么其大小与经典框架下的居然一样. (意外么?!)
1928年以后, 钱德拉塞卡和Oppenheimer陆续提出了 恒星的命运模型 系列:
恒星内的氢氦聚变, 产生的能量与其引力抗衡. 当聚变结束, 燃烧殆尽后, 则会在引力下坍缩. 若以太阳质量为M.
<1.4M, 终为 白矮星 (White Dwarf), 此即 钱德拉塞拉极限
1.4M 到 3.2M 之间, 为 中子星, 此即 奥本海默-沃尔可夫极限
>3.2M, 为, 黑洞.
开始认为, 黑洞是无毛的(无信息), 黑暗的(无辐射). 投向黑洞的物质会渐渐红移, 直到穿越事件视界时, 发出的波长被红移到无穷大– 温度为0.
1971年前后, 学界共识: 恒星在引力下探索的黑洞, 除3个特征外再无它物: 质量, 角动量, 电荷.
即, 在广义框架下, 黑洞是没有信息的– 这是磨学界数十年的魔咒.
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绝对0度
Hawking与Penrose合作发现 黑洞视界面积不减 定理.
与热力学的 熵不减 类比, 1972年, 博肯斯坦将 视界面积 定义为 其熵的量度(无序度), 代表其过程中丢失的信息.
(但Hawking坦承, 他也不知道视界的表面积跟熵到底是不是一个东西, 以及为什么.)
问题在于, 在经典(包括广义)框架下, 黑洞视界是 红移的尽头, 即温度为0.
然而黑洞是有熵的, 即, 有温度, 有辐射. 于是(与热3)矛盾!
(热3由由能斯特和Plank归纳为: 在绝热可逆过程中, 熵增为0; 而, 在绝对0度, 熵为0.)
热3又称为 绝对0度不可达到定律.
所以, 这不仅仅是什么无聊的信息问题. 因为, 度无辐射黑洞的存在, 是违反(热力学) 时间箭头的!
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Hawking Radiation
光都能捆锁的黑洞, 怎么可能有辐射呢?
于是, 量子力学被叫来救场.
1974年, Stephen Hawking(本书作者)发现, 黑洞可以从视界发射粒子流, (与黑体辐射相似), 有辐射谱 — Hawking Radiation.
Hawking的解释整合了Richard Feynman的虚粒子对理论, 让其在视界成对产生, 一内一外, 无中生有!
其温度由视界表面的引力来度量– 温度与黑洞质量成反比. (质量越大的黑洞 能够存储更多有序/信息.)
即, 随着辐射散失质量, 黑洞温度不断升高, 当达到某温度(温度有上限么)时, 以爆发告终.
在Plank单位下, 熵为视界面积的1/4. (S = π r^2)
Hawking Radiation是Einstein以后引力物理最伟大的成就. 在此框架下, 引力, 量子论, 和热力学得到优美的统一.
观测的麻烦在于, 太阳质量的黑洞, 其辐射温度只有2.7k, 完全淹没在宇宙的微波背景辐射下; 而小质量的黑洞, 只能从宇宙创生之初寻找 — 即 太初黑洞. 迄今还没发现. 于是Hawking自嘲说, 快点发现了, 我才能得诺奖.
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黑洞信息悖论
因为黑洞被认为是 除质量, 角动量, 电荷三者外, 再无其它信息 的单纯存在 — 即 “黑洞无毛”, 毛即信息.
(柏肯斯坦猜测, 黑洞的熵和辐射是均匀分布在表面的.)
于是, 关于 进去的信息去哪了 这个问题, 出现几派观点:
1/ 信息被完全消灭了, 2/ 信息被捆锁在黑洞里, 最终烧成一个信息核(Plank尺度的一个信息奇点), 3/ 信息可能原路返回宇宙(编码在Hawking Radiation中), 4/ 信息不能回本宇宙了, 但可以平移到其它宇宙去(可能是一个婴儿的宇宙, who knows..).
Hawking本人的观点, 依次思考过1,2,3,4.
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超平移对称
1962年, 人们发现平坦时空内存在 超平移对称. 其中的 软引力子 携带某种 荷, 无能量, 有角动量.
于是2015年, Hawking意识到静止黑洞的视界, 也存在这种 超平移对称. 与之相关的守恒荷, 称为 引力的软毛 — 与黑洞的 质量, 角动量, 电荷守恒 的 三根硬毛 相对应.
在这个设想下, 借助更高维的模型(至少是5维, 或许是11维), 信息或许可以穿越到其它的平行宇宙中去 — 就像 Chris Nolan的电影 Interstellar 所展现的那样..
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学界都认为, Stephen Hawking的最大贡献是 Hawking radiation — 理论完美的融合了, 引力, 热力学, 和量子力学.
然而Hawking自己最自豪的是提出 量子宇宙学的无边界设想– 并不是 “奇点” 和 “大爆炸”. (这在其 The Grand Design 中, 有更详细的讨论.)
如果将Hawking 毕生的成就浓缩为两句话:
1 黑洞辐射贯通引力, 量子和信息.
2 量子无边界让宇宙无中生有.
关于黑洞是否违反时间箭头, 这是一个更大的话题. 也许答案是惊人的yes. (Penrose认为, 在极大尺度下的引力具有 负熵. 但这不是本书的话题.)
引力本身似乎就是宇宙常规法则的一个例外 — 或许其真如interstellar那样, 可以穿越时间的阻隔..
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这是一本小书 (只有两个演讲, 一个续篇), 却带给读者一个宏大的视野, 无穷的想象, 无界的宇宙, 和莫大的快乐.
bravo!
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