解读:《黑洞战争》 -脱水精华版

今天要为你解读的书是黑洞战争它的作者是美国著名物理学家伦纳德萨斯坎德。
萨斯坎德是世界级的理论物理学权威，美国国家科学院院士也是显理论的创始人之一。
1981年萨斯坎德在一次物理学的聚会上，第一次遇到了英国物理学家斯蒂芬霍金。
那年霍金39岁智力超凡且充满自信。
当有人向霍金提出问题时，他的最初反应总是绝对的沉默，最终的回答却经常令人不可思议。
他脸上的微笑则再说你可能没有理解我说的是什么，但我知道我就是对的。
也正是在那次聚会上霍金提出了一个大胆的论断。
信息在黑洞中被丢失了。
这个论断之所以大胆，因为它违背了信息守恒定律，也就是信息会改变形态，但永远不会被消灭。
信息守恒定律是物理学最重要的定律之一爱因斯坦，奥本海默，费曼等物理学家也是在信息守恒定律的基础上建立和完善了量子力学。
量子力学与广义相对论并列为现代物理学的两大支柱。
一旦霍金被证明是对的黑洞真能消灭信息量子力学，将从根本上陷入危机。
为了保卫已有的物理学大厦，科学家们掀起了一场持续了26年的黑洞战争。
本书作者萨斯坎德也参与其中。
他作为量子力学的捍卫者和其他科学家一起共同应对霍金的挑战，在本书中，萨斯坎德详细介绍了这场战争的始末。
神秘的黑洞到底隐藏着哪些秘密黑洞到底能不能消灭信息呢。
下面我就从黑洞战争的缘起，论战和结局三个方面为你解读这场科学大讨论探索黑洞的秘密。
黑洞战争围绕着一个关键问题展开信息落入黑洞到底会不会丢失。
那么这里就涉及到两个问题。
第一为什么量子物理学家认为信息不能被丢失第二霍金又是怎样让信息在黑洞中被丢失的。
先来说说为什么信息不能丢失。
在物理学中信息并不是虚无缥缈的东西，因为信息必须被记录需要附着在物质上。
像分子原子光子这些粒子都可以储存不同数量的信息。
从这个意义上看信息是一种实在的东西跟物质密切相关。
整个宇宙中的物质总量是有限的，相应的宇宙中能储存的信息总量也是有限的，而且这些信息的总量是守恒的。
这就要说到物理学中的一个重要的定律叫做信息守恒定律，他是说信息不会凭空产生，也不会凭空消失。
但是信息的状态会发生改变。
比如同样一堆碳原子由一种方式组合可以得到石墨，而用另一种方式组合又可以得到钻石。
不同的排列方式其实就是信息的状态在发生改变，于是得到了不同的物质。
不管信息怎样改变，他永远都不可能丢掉或者被摧毁，不会从宇宙中消失。
举个例子。
当你烧掉一本书会得到一堆灰烬。
如果你能将灰烬中的每个原子都小心地收集起来，并且准确的测量烟雾和热辐射中的所有属性理论上你就能重构这本被烧掉的书。
这本书的信息还存在于宇宙之中，他没有丧失，只是变得难以读取罢了。
信息守恒定律是量子力学的基石，因为量子力学是建立在概率的基础上，我们没法描述单个粒子确定的状态，而只能描述他的概率分布。
但不管哪一种情况的概率是多少总概率和必须等于一也就是100%。
如果某件事情，所有的概率加在一起，不是一那世界就乱套了，根本没法计算。
信息守恒定律就是规定了这种物理世界的运行逻辑，所有信息不多，不少，可以组合可以拆分可以改变形态，但是加在一起，永远能100%还原成最初的事物。
但是霍金却指出黑洞可以打破信息守恒定律，让信息丢失。
这就说到了第二个问题，霍金是怎样让信息在黑洞中被丢失的呢。
这得从黑洞的性质说起。
黑洞是一种具有强大引力的天体，它像一个永恒存在的监狱，包括光在内的所有物质进入黑洞都将被禁锢其中有去无回。
因此，我们永远无法看到黑洞内部的样子。
黑洞呈现给我们的结构极其简单。
想要描述一个黑洞只需要三个参量就可以质量电荷和角动量。
角动量是一个有关旋转的参量，只要知道了这三个量你就知道了一个黑洞的一切。
在宇宙中你恐怕没法找到比黑洞还要简单的东西了，因为千姿百态的天体和物质都包含着大量的信息。
比如地球包含了动植物生命的信息，火星包含了陨石坑火山与峡谷的信息。
就连一颗小小的糖块儿也包含了亿万个分子运动的信息。
可是黑洞呢，在宇宙成千上万个黑洞中要区别它们的不同，只需要观测质量电荷和角动量这三个量，除此之外，黑洞与黑洞在无差别。
美国物理学家约翰惠勒是黑洞一词的提出者，他对此杜撰了一个谚语叫做黑洞无毛定理说的就是黑洞像一个光头一样，除了质量电荷角动量这三根毛再没有其他信息的毛发了。
可是霍金却给无毛的黑洞又增加了一点毛。
他证明出黑洞还具有温度。
这个观点在当时可是惊世骇俗。
人们普遍认为黑洞是没有温度的，它处于绝对零度。
为什么黑洞就不该有温度呢，因为一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射热辐射是要放射出粒子的黑洞可是一种引力大到连光都不放过的天体。
只进不出怎么可能向外辐射粒子呢。
但是霍金用严格的计算证明出黑洞真的会辐射粒子。
这就是著名的霍金辐射。
是霍金一生中最重要的理论贡献之一。
那么黑洞是怎样发出辐射的呢。
要想理解这种辐射，我们需要一点量子力学的知识。
在量子力学中，当空间中出现能量起伏时可以凭空产生一对正反粒子。
他俩一个携带正能量，一个携带负能量。
两个例子会在极短的时间内相遇碰撞并且湮灭，这样就不会违反能量守恒定律。
我们无法观测到这些粒子所以为他们取名叫虚粒子和虚反粒子空虚的虚。
霍金发现，如果这两个例子出现在黑洞附近时，奇怪的事情就发生了一个例子会掉进黑洞，而另一个粒子会逃离出去。
最常见的就是虚反粒子掉入黑洞虚粒子逃出去。
虚反粒子携带的是负能量，他被黑洞吸收后会抵消掉黑洞的能量，根据质能方程损失能量就意味着损失质量黑洞就变轻了。
而那个逃出去的虚粒子携带正能量。
没有了虚反粒子跟他配对儿，他就不会湮灭掉就会由虚变实留在宇宙中变成一个实例子。
于是，整个过程的实际效果就相当于黑洞向外释放粒子，同时损耗自己的质量。
这种向外辐射的粒子流就是霍金辐射。
那么问题来了，因为长久以来人们一直认为黑洞是如同钻石一样永恒存在的。
黑洞一旦形成物理科学中就没有任何机制可以破坏它或消灭它。
可是霍金辐射却告诉大家黑洞会一直辐射总有一天会像夏天的池水一样蒸发殆尽，完全消失干净。
黑洞这座看似永恒的监狱，有一天会灰飞烟灭，那么里面关着的信息也必将跟着丢失这就彻底违反了信息守恒定律。
于是一个理论物理学界的火药桶被点炸了黑洞战争彻底打响。
萨斯坎德说，当自己听到这个黑洞信息悖论时简直陷入了完全的混乱，而霍金却仿佛在量子力学的坟墓上兴奋的舞蹈。
不仅是萨斯坎德，整个物理学界都在对这个悖论争论不休。
下面我们就来讲第二部分有关黑洞战争的大讨论。
要解决一个物理问题，最直观的办法就是观测。
可是，让人抓狂的事，我们永远不可能观测到霍金辐射。
为什么呢。
因为根据霍金推导出的黑洞温度公式质量越大黑洞越冷质量越小黑洞越热。
热量是从高温向低温进行辐射的只有相对热的黑洞才有可能观测到霍金辐射这就意味着黑洞的质量必须足够小。
可是现实中的黑洞质量都实在太大了，它们都是恒星级别的质量，所以极其寒冷，他们总是在不断的吸收能量，而不是蒸发能量。
打个简单的比方。
能进行霍金辐射的黑洞，像是一壶开水能像空气中辐射热量可是现实中的黑洞却像是刚从冰箱里取出的冰块儿不仅不辐射热量，还要从空气中吸收热量。
想让冰块放热周围的空气就得比冰块还要低。
据估算宇宙还需要几十亿年温度才可能降到比黑洞还要低。
这个时候黑洞才会开始蒸发。
更要命的是黑洞蒸发的时间也相当缓慢，至少需要十的60次方年才能观测到黑洞的质量或尺寸的改变。
因此，人类要通过观测来解决黑洞信息悖论是彻底无望的。
那么解决这个问题就只能靠理论思考了。
科学家们大致形成了四种观点。
第一个观点直接站到霍金一边认为信息确实丢失了。
这一方阵的科学家主要是广义相对论学家。
广义相对论和量子力学是物理学中两套比较精确的理论，他们一个掌管大尺度天体一个掌管小尺度威力。
两套理论，虽然各自完美自洽，但是他们的基础理论却不相同，所以难以相容。
霍金本人是个广义相对论学家，他提出黑洞可以消灭信息威胁到了量子力学的基本定律，对广义相对论却不构成直接威胁。
所以几乎所有的广义相对论学家都接受了霍金的结论。
觉得要错也是你们量子力学出错啦。
这显然是量子力学家们不能接受的不少人都反对破坏基本定律，于是提出了第二和第三种观点。
第二种观点认为信息没有丢失，只是被隐藏起来了，储存在黑洞蒸发的残余物中。
根据这种想法当黑洞质量减小到一粒灰尘那么重的时候黑洞可能会停止蒸发。
留下的微小的残余物质就像是一个信息，地下室，所有被黑洞吞噬的信息都会紧紧地密封在这个微不足道的小空间里。
这是解决黑洞信息悖论的一个著名观点，可是萨斯坎德却不认同。
因为这就意味着一个极其微小的粒子中可以隐藏任意多的信息。
有限的空间储存无限的信息，这是不被允许的。
因此，这个观点很难成立。
第三种观点就比较具有科幻色彩了。
他是说在黑洞内部深处的某个地方空间的一小片，分离了，形成了一个微小的自给自足的宇宙又叫做婴儿宇宙。
所有曾经落入黑洞之中的信息都进入了这个婴儿宇宙里。
这跟第二种观点不同的是第二种观点中的黑洞残余物所包含的信息依然存在于我们这个宇宙中还可以被研究和观测。
可是婴儿宇宙却是一个跟我们完全独立的时空，我们既不能观测也无法与之交流，他就像是一个损坏的硬盘里面存储的信息，虽然没被删掉，但是我们也无法读取。
虽然这种观点解决了信息丢失的问题，可是在萨斯坎德看来，不可观测和信息丢失也没什么两样都是他不能认同的。
以上这三种观点都无法很好地解决黑洞信息悖论。
萨斯坎德作为一位量子物理学家，他将破解这个难题视为一场保卫量子力学的战争。
她苦思冥想，简直快患上了强迫症，有时做梦都会梦到自己被霍金掐住脖子，然后从梦中惊醒，浑身是汗。
在苦思冥想中，他发现了一条与前三种观点完全不同的第四种思路。
这条思路的核心在于黑洞的边界叫做视界是觉得是边界的界。
世界是黑洞和外部空间的分界线。
当一个物体接近黑洞时会感受到引力越来越大。
当引力大到一个临界点光都开始无法逃脱时就到达了黑洞的视界。
一旦越过世界任何东西就都一去不复返了。
世界是一个单向的门，只准进不准出。
所以科学家通常说的黑洞的大小其实就是指黑洞视界面积的大小。
但不管黑洞是大还是小，它都是一个质量和体积有限的天体。
这说明他对信息有一个负载量的上限。
那如果我们不停地往黑洞里扔东西会发生什么事儿呢。
当黑洞满载的时候信息应该会露出来。
可是，世界是一个一去不复返的临界点，他又不允许有东西漏出来，萨斯坎德想解决问题的关键一定在世界上。
那么黑洞视界到底隐藏着什么玄机呢。
下面我们就来讲第三部分，看看萨斯坎德是如何用世界来解释黑洞信息悖论的。
要破解黑洞信息悖论就要了解落入黑洞的信息到哪里去了。
我们前面说到信息是需要被存储和记录的，它是一种实体几乎同物质一样。
那么，人们自然会联想到储存信息是要占据一定空间的。
可是现在我们却要说到一个反直觉的结果了。
一个空间区域中能储存的最大信息量并不等同于区域的体积，而是等于区域的表面积。
是不是听着有点懵，这跟黑动物又有什么关系呢，我们来详细解释一下。
科学家发现，当黑洞吸收其他物质时黑洞会变大，不仅它的质量会变大，它的表面积也就是前面讲到的世界面积也会增大。
如果我们把黑洞看成是一个气球，那么世界就是气球的橡皮膜，当黑洞吸收物质信息时，就好像往气球里吹气。
橡皮膜的面积就会增大。
有趣的是橡皮膜增加的大小还十分有规律。
计算发现，不管黑洞原来的尺寸大小是多少，每当加入一比特信息时，任何黑洞的视界面积都恰好会增大一个普朗克面积。
比特是物理信息的最小单位，而普朗克面积是物理面积的最小单位大约是十的负74平方米。
这形成了一个奇妙的对应关系。
一比特信息对应着一普朗克面积，也就是说隐藏在黑洞中信息的总和等于黑洞视界的面积总和。
或者更简洁的说信息等于面积。
这听上去简直匪夷所思，连物理学家们都感到困惑。
为什么信息等于面积，而不是体积呢。
毕竟信息是一种物质实体似乎有很多内部的空间被浪费掉了。
但是物理计算的结果就是与我们的直观感觉恰恰相反。
不仅是在黑洞信息与面积之间的正比关系也同样能在我们身边找到。
萨斯坎德举了这样一个例子。
埃及的亚历山大图书馆曾是历史上最古老最宏大的图书馆。
假设我们让图书馆里的空间都分成普朗克单元，也就是物理学中最小的体积单元。
再让每一个单元里都塞满信息那么理论上这个图书馆能装的比特数是十的109次方个比特。
可是在现实世界中，大自然并不能做到将每一个体积单元都塞得满满的。
信息在空间中的分布还要遵守一定的规则。
因此实际的结果是这座图书馆最多可以容纳十的七十四次方比特的信息，这比十的109次方要小许多。
现在埃及国王得知敌人将秘密信息藏在了图书馆里他颁布了一道法令，禁止隐藏任何信息。
为了符合这套法令的要求信息必须写在图书馆的外壁上。
虽然这么做浪费空间，但这是法律。
可是图书馆外壁上能存多少信息呢。
计算结果令人大吃一惊外壁上能储存的比特数目正适时的七十四次方。
这是现代物理学中最惊人最奇特的发现之一即可以存放在一定空间区域中的最大信息量等于区域的表面积，而不是区域的体积。
听到这里，你还猛吗。
这个例子听上去似乎违反常识完全超出了我们日常的经验和想象非常抽象。
你可能很难想象这是怎么回事儿。
但这却是根据物理学公式和数学计算得出的结果。
让我再举个例子，帮助你理解。
照骗我们都熟悉。
照片明明是一张二维的图片，但我们却能在照片中看到三维的图像信息。
照片上呈现的人物景色都是有层次有深度，是立体的。
这说明二维平面是可以储存三维信息的。
看3D电影就更加直观了，投射在平面幕布上的影像，经过3D眼镜的光学成像变成了生动的立体画面。
不过照片和电影显然不能储存全部的三维信息，他们只能展现某一个角度的画面。
我们要想看侧面背面是看不到的。
那有没有办法在二维胶片上储存三维场景中的全部信息呢。
当然可以，这就是全息图。
全息图是用全景照相机，将物体记录在全息胶片上构成的图。
全息胶片跟普通的胶片不同，这种胶片显示的不是图像，而是杂乱无章的像素点阵。
这是三维信息被分解后的二维形式。
当激光照射到胶片上时，光线发生散射和重组在空间中重构出一个自由漂浮的真实的三维图像。
想必你在电视电影中已经领略过这种神奇的成像技术。
他最诡异的地方在于你从任何一个角度观察他都是立体的。
前面说到的亚历山大图书馆，只要使用正确的技术就可以在图书馆的表面构建出一幅涵盖所有藏书信息的全息图。
并在图书馆内部还原出全部的三维信息。
现在我们终于说到解决黑洞战争的核心命门了。
梳理一下前面的思路。
信息等于面积，而不是体积。
因此信息可以储存在一个二维表面上。
在黑洞处这个储存信息的二维表面就是黑洞的视界萨斯坎德认为掉进黑洞的信息并不会消失，他们全部储存在了黑洞表面的世界上那么这样一来，黑洞辐射出的例子就将获取这些储存在黑洞表面的信息。
信息被编码在荔子上粒子携带着信息飞离黑洞，所以信息在黑洞蒸发后并不会消失，而是会重新回到宇宙空间。
这就拯救了信息守恒定律也保住了量子力学的根基。
萨斯坎德将这种观点从黑洞延伸到了整个宇宙。
这将颠覆你对真实世界的理解。
他发表了一篇论文题目就叫世界是一幅全息图。
萨斯坎德指出，尽管宇宙看起来具体而真实，但其实它只是一幅巨大而细节丰富的全息图像。
想象一下宇宙被一个巨大的球面包裹。
全宇宙的信息都被编码并储存在这个巨大的球面上。
我们眼中的三维世界，这个充满了心系山川，海洋城市和人类的宇宙其实是一幅全息图。
我们生活在这幅全息图里周围的一切都只是宇宙边缘二维平面的投影。
世界万物全都是幻觉，是储存在宇宙边缘的信息投射到我们世界的假象。
这个观点太过惊人，萨斯坎德的朋友对他说你的确是个优秀的物理学家，但是你已经疯了。
事实上，这个宇宙全息理论也确实尚未证实还只是个猜想。
其实整个黑洞战争所涉及的领域基本上已经脱离了实证的范围。
研究者们基本上是高来高去玩的都是数学，从某种程度上来说，在这个领域里检验理论正确性的标准是逻辑而非实验。
你可能要问科学不是实证化的认知体系吗，单靠逻辑检验怎么能行呢。
的确如此逻辑的自洽性，虽然不能证实，但是可以证伪。
也就是说，如果一个理论连数学上都会出现矛盾呢，不用实验肯定是错的。
当科学家们用数学验证全息原理以及它所涉及的一系列复杂的弦理论时得出的值是合理的，她在公事上是成立的。
这些理论也许是自然界正确的理论，也可能不是。
但是他已经能在数学上击破霍金的理论证明霍金的论证在数学上是错误的。
黑洞战争终于熄灭的战火，这时候已经是1998年了，距离战争打响已经过了17年。
这时的霍金已经56岁了。
恶化的病情使它与外界几乎不能在交流。
他并不知道物理界到底发生了什么，他需要时间来消化。
直到2007年，霍金正式承认信息确实可以从黑洞中逃出来，而不会在黑洞中凭空消失。
黑洞战争正式画上了句号。
以上就是黑洞战争的故事。
虽然这场论战以霍金认输而告终，但这丝毫不影响霍金在物理学界的声望。
2002年在霍金60岁生日宴会上，萨斯坎德作了发言，他说。
就科学而言，我本人与霍金的关系，可称之为势不两立。
但是在我认识的所有物理学家中，霍金对我的影响最为深远。
我思考的几乎每一个问题都在关心掉入黑洞的信息的命运。
正是他提出了这一有深刻见地的命题。
迫使我们重新思考物理学的根基，并形成了一个全新的模型，这是霍金做出的巨大贡献。
黑洞战争极大地推动了物理学的发展。
人们相信物理学的终极理论，实现广义相对论和量子力学融合的万物理论就隐藏在未来对黑洞的研究中。