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霍金三赌

已有 6021 次阅读 2009-7-28 08:07 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦

 
 
前些天想起物理学家的风格,物理学家的个性和风格不仅体现在研究中,还融化在生活里。拿物理学来玩笑,是很多物理学家的娱乐,那就像文人联句;拿物理学来赌博,则是更高级的娱乐,文人也许只有在竹林七贤里去找影子了。Bernoulli兄弟打赌(比赛),赌出变分法;而赌博本身养出概率论。(当然,博弈也生出了精神病。)我要讲的故事没那么久远,就发生在最近这些年,发生在剑桥和加州。霍金同他的伙伴们为黑洞“赌”过几回,每回都输了。(我写的这篇故事曾经发表在《科学时报》,时间忘了;网上链接也没找到,所以重新贴出来,略有修改。他们赌博的问题,现在和当时一样,仍然可以争论。)
 
2004年7月,第17届国际广义相对论与引力论大会(GR17)前夕,大会主席、德国Golm爱因斯坦研究所的Curt Cutler教授收到霍金的来信,说“我已经解决了黑洞信息疑难,我想来讲一讲。”Cutler“夹塞”给他安排了一个大会报告,题目是“黑洞的信息疑难”。老霍报告说:物理学是安全的,信息可以从黑洞逃出来。换句话说,老霍认输了!
 
老霍认输,大概是注定的事情。Susskind就说,“在霍金认输之前,他可能是世界上惟一一个还抱着错误的人。”老霍“好赌”而赌运不佳,以前的几场也差不多都输了。所以,我们不奇怪他再多输一场。我们奇怪的,只是这一场似乎输得太快。
 
老霍的赌,从30年前开始,都跟黑洞有关。而关于黑洞的赌,更在他之前就展开了。
 
1971年11月,索恩(K. Thorne)和钱德拉塞卡(S. Chandrasekhar)为旋转黑洞是不是稳定打过赌:“假如黑洞旋转很快,它的脉动会稳定吗?脉动会强烈到撕裂黑洞的地步吗?”计算机计算的结果令人“失望”:不论黑洞旋转多快,脉动都是稳定的。可老钱不相信计算机,他需要“真正的”理论证明。(这跟许多人对“四色定理”的所谓计算机证明的态度倒是一样的。)15年后,霍金的学生Bernard Whiting从理论上证明了这个结论,老钱才不得不认输,给赢家老索订了一年的《花花公子》,但老索没敢要。
 
还有一个相关的问题:旋转的黑洞会辐射吗?也是1971年,老索在莫斯科访问泽尔多维奇(Y. B. Zel’dovich)。老泽告诉他,“旋转的金属球会发出电磁辐射,所以同样的,旋转的黑洞应该发射引力波。”老索自然不信,他甚至不知道旋转的金属球能产生电磁辐射。于是老泽跟他打赌。老泽大概从海明威的《那片陌生的天地》里知道了白马威士忌,就要老索拿一瓶白马下注。1975年9月,老索第五次访问莫斯科,真的把白马带去了。我们知道,那时,“西方”已经相信了霍金的黑洞蒸发;然而遗憾的是,相信辐射的苏联人却不相信黑洞会蒸发,他们说在黑洞失去旋转以后,辐射也会停下来。
 
黑洞的热力学理论建立之后,人们开始在天空寻找黑洞。70年代,最可能的后选者是天鹅X-1。霍金认说它不是,老索说是。1974年12月19日,哥俩开了赌:如果老霍赢了,老索给他一年的《私家侦探》(Private Eye);如果老索赢了,老霍给他一年的《阁楼》(Penthouse,跟《花花公子》差不多的成人男性杂志)!这回老索不担心家里人的态度,因为他自己没想会赢。可是,据老索自己回忆,10多年后,“1990年6月的一个晚上,我正在莫斯科与前苏联同行工作时,斯蒂芬带着家属、护士和朋友,闯进我在加州理工学院的办公室,把赌约找出来,在上面签字画押,认输了,还印上一个大拇指印。”这大概是老霍的第一次“名赌”,第一次认输。
 
我们知道,老霍在做黑洞之前,就以奇点定理出名了。而他更有名的赌局,也是关于奇点的。老霍相信彭罗斯(Roger Penrose)的宇宙监督猜想,认为奇点都藏在视界里;而老索和他在加州的同事普雷斯基尔(John Preskill)却认为奇点也可能“裸露呈现”。于是,1991年9月24日,他们开了新的赌局。这本该是一场漫长的赌博,然而老霍却在1997年画押认输了。原来,Matthew Choptuik、Andrew Abrahams和Chuck Evans等人通过模拟球状波的坍缩,得到了一个无穷小的裸露的奇点,尽管它(也许)只能存在无限短的时间就把自己毁灭了,但奇点终归是奇点。
 
不过,老霍输得并不情愿,所以公然在认输的T恤衫上写“自然憎恶裸奇点”(nature abhors naked singularity——这句话篡改了亚里士多德的名言:Nature abhors a vacuum)——今天他仍然那么说。为什么呢?因为,只有精心调节波的能量,才可能出现裸露的奇点。换句话说,那是根本不可能在自然状态下发生的事情。于是,1997年2月5日,他们决定把赌继续下去。这回,老霍添加了一个“一般初始条件”,这就排除了那种特殊条件下的坍缩波产生的裸奇点。老普告诉老霍,很遗憾听他那么说。“有一个奇点是我们大家都认可的,那就是大爆炸,宇宙本身。”
 
修正后的赌局还没有结果,老索在60岁生日时(2000年6月)“斗胆”提出了一个“预言”:  
在霍金、普雷斯基尔和我还健在的时候,我们关于宇宙监督的新赌就会有结果。谁会赢呢?恐怕是霍金,但那不是显而易见的,而我也不会拿预言来破坏我们的赌约。但我还是要预言,为了了结我们的游戏——发现裸奇点能否不通过振幅的微调而产生——还需要三样工具:铅笔加稿纸的计算,数值相对论的计算,引力波的搜寻。  
就在签订这个新赌约的第二天,老普又同老霍和老索打了一个赌(赌约还在加州理工学院索恩的办公室外展览呢),他的立场是,“当初始的纯量子态经过引力坍缩形成黑洞时,黑洞蒸发的最终状态将仍然是一个纯量子态。”通俗地说,黑洞吞噬的信息不会在蒸发中消失。老普后来还举了一个有趣的例子:在原则上,我们可以通过火苗和灰烬来恢复被烧的百科全书的内容!所以,赌注是一套百科全书——最新版的《棒球大百科》(Total Baseball, The Ultimate Baseball Encyclopedia)。
 
这场晚开的赌局,赌的是霍金在1975年8月的一篇文章(“可预言性在引力坍缩下的崩溃”)里提出的问题:系统状态的部分信息丢失在黑洞里,所以,最终状态不是一个纯量子态。老霍和老索相信,那信息将永远隐藏,即使黑洞消失了,也不可能再释放出来。这就是有名的“信息疑难”。
 
我们原想,了结这场赌局也许需要更长的时间,然而,令人惊奇的是,老霍又“匆忙”认输了——跑到GR17去“向大家报告,我想我已经解决了理论物理学的一个大问题。”
 
老霍向大会散发的文本说,“没有我以前认为的分离的婴儿宇宙,信息还稳稳地留在我们的宇宙中。”他还说,“很抱歉我令科幻小说迷们失望了。只要信息还保留着,就不可能通过黑洞到其他宇宙去旅行……如果你跳进一个黑洞,你的质量和能量还将回到我们的宇宙来,只不过是以破碎的形式,它包含着你的信息,但我们不能识别它的状态。”
 
在剑桥听过他报告的Gary Gibbons认为,现在还不能下结论。老索也在会上解释说,“表面看来,那是很可爱的论证,但我还不了解所有的细节。”他还告诉记者,我们不能听霍金说什么就是什么,而必须自己去检验所有的事情。Preskill更坦白,他说:“我很老实——我不明白他的讲话。”John Baez也认为,在场的物理学家都怀着“怀疑的好奇”,而没有喜出望外。
 
最后,霍金在大会上当着大家的面输给老普一本《棒球大百科》,不过他说,“也许应该送他一堆灰烬。”
 
【霍金的论文见arXiv:hep-th/0507171v2,10.1103/PhysRevD.72.084013;更新的关于信息疑难的讨论,可以看看“本家”Lee Smolin的arXiv:0901.3156。Smolin是加拿大Waterloo“圆周理论物理研究所”(PI)的“元老”,他“最近”(两年前)挑起了一场圈引力与超弦论的战争;老霍从剑桥退休后,接受了PI的第一个Distinguished Research Chair,今年夏天起,每年要去那儿chair一段时间。PI准备了40把老霍那样的chair,感兴趣的同学别错过了机会!】
 


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