這則悖論,正是霍金留給世人的遺產——而他將把公式刻在墓碑上

2020-12-06 大狗說

今天，史蒂芬·霍金去世，76歲。

由此而來的悼念與歌頌，鋪天蓋地。恐怕連他老人家都想像不到，自己在中國竟有如此高的點擊率。而這早已是國內媒體資訊行業的一種常態。

當然，對於一位科學工作者的緬懷致敬是毋庸置疑的。畢竟，他為科研和科普作出了卓越貢獻，激發了無數人的科學思維。他對廣大民眾的意義，也遠不止一本《時間簡史》。但是，雖然偉大，但霍金並沒有給世人以答案。我們不做臆想，不做揣測，只來說說那些關於霍金的，實實在在的悖論和爭議。

史蒂芬·霍金

霍金悖論

2012年，來自加利福尼亞大學聖芭芭拉分校的四位物理學家提出了震驚整個物理界的思想實驗。他們分別叫艾爾米裡、馬羅夫、波爾欽斯基和蘇利，被同行們戲稱為AMPS四人組。

這個問題涉及到霍金輻射。當成對的正反虛粒子在黑洞的事件視界附近產生時，每一對粒子都以所謂的「糾纏」彼此聯繫。但是如果當這對粒子中的一個落入黑洞，而另一個逃逸離去，成為霍金輻射的粒子，那麼它們彼此之間的聯繫與所包含的信息會發生什麼變化呢？

一派思想認為，信息會在黑洞消散時被保留下來，並且被置入到那些霍金輻射粒子的微妙聯繫之中。

黑洞火牆悖論

但是，AMPS四人組發出疑問，對於黑洞內外的觀察者來說，這會是什麼樣的？這裡讓我們引入甲乙兩個人。

就身在黑洞之外的甲來看，外部的粒子已經在視界處和其反粒子夥伴相分離。為了保留信息，它必須和另一個霍金輻射粒子發生糾纏。

而掉入黑洞的乙並不是這個視角。根據廣義相對論，對於自由下落的觀察者，引力會消失，所以乙看不到事件視界。對他來說，那個粒子依然和它的夥伴糾纏著，因為並沒有視界將它們分開。於是，悖論形成。

如果甲的說法正確，那麼根據廣義相對論，乙就不會在視界處遇到虛無空間，而是會被霍金輻射壁壘，也就是所謂的「黑洞火牆」燒焦；如果乙的說法正確，那麼信息就會丟失，這違背了量子力學的基本定律。

難以驗證的霍金輻射

說到這裡，我們就必須回過頭來看一看霍金輻射。

多年前，霍金推翻了自己曾經的觀點，認為熱力學在黑洞中也扮演著重要角色。他指出，任何擁有熵的事物都具有溫度，而任何具有溫度的物質都能夠散發輻射。

霍金意識到，他曾經的想法只考慮到了廣義相對論，也就是說，無論粒子還是熱量，任何東西都無法從黑洞逃脫。但是當量子力學介入的時候，故事就不一樣了。

根據量子力學，短暫的正反粒子對會不斷地出現在虛無的空間中，只在轉瞬之間就會泯滅。當這樣的情況發生在事件視界附近時，正反粒子對會被分離，一個粒子落入到視界之後，另一個則會逃逸。這使得它們永遠無法再次相會，也不能毀滅。孤獨的粒子從黑洞的邊緣以輻射的形式流出。於是這種量子的隨機性也就成為了熱量的隨機性。

加州理工學院理論物理學家肖恩·卡羅爾曾說：「大多數物理學家都認同霍金最偉大的貢獻在於對黑洞散發輻射的預言。儘管人們仍然無法通過實驗來確認霍金預言的真實性，但大家基本都認為這是正確的。」

驗證霍金理論的實驗的確非常困難。因為黑洞的質量越大，溫度也就越低。對於一個大型黑洞來說，即那些天文學家可以通過望遠鏡探測到的黑洞，輻射的溫度太微不足道，以至於難以測量。正如霍金本人常常指出的那樣，正是由於這個原因，他沒法獲得諾貝爾獎。儘管如此，這一預言足以讓他在科學史上佔據重要位置。而從黑洞邊緣流出的量子粒子也將永遠被稱作霍金輻射。

霍金和女兒露西

萬物理論

霍金曾要求將Bekenstein-Hawking熵方程式（黑洞熱力學）刻在他的墓碑上。如今這件事可能真的要兌現了。它代表了物理學科的終極大融合，因為其中包含了和引力有關的牛頓常數，在量子力學方面發揮作用的普朗克常數，堪稱愛因斯坦相對論護身符的光速，以及作為熱力學先驅的玻爾茲曼常數。

Bekenstein-Hawking Formula

這些不同常數的存在暗示了終極的萬物理論，所有的物理學都能夠統一起來。而這也印證了霍金最初的預感，即理解黑洞將是解開這一更深層理論的關鍵。

霍金的突破可能解決了關於熵的問題，但它也引出了一個更為棘手的問題。如果黑洞能夠釋放輻射，那麼它們最終將會消散殆盡。那些墜入黑洞的信息會怎麼樣呢？它們也會消失嗎？如果是這樣，這將違反量子力學的核心原則。另一方面，如果它們從黑洞中逃脫出來，又會違反愛因斯坦的相對論。隨著黑洞輻射的發現，霍金已經讓物理學兩大終極定律相互衝突對抗，黑洞信息損失悖論也由此誕生。

1976年，霍金在《Physical Review D》上發表了另一篇極具突破性和爭議性的論文，題為 「Breakdown of predictability in gravitational collapse（引力坍縮的可預測性分解）」 。他認為，當黑洞最終耗盡質量時，它確實會將其所有信息帶走。這種說法顯然與嚴禁信息損失的量子力學產生了巨大的衝突。此後，物理學家們紛紛站隊，展開了持續至今的大爭論。確實，很多人都承認，信息損失是理解量子引力的最主要障礙。

用卡羅爾的話說，霍金1976年提出的關於黑洞信息丟失的觀點無疑是一項偉大的成就，甚至說是該課題出現以來理論研究方面最重要的發現之一。

霍金的妥協

20世紀90年代後期，弦理論的產生讓大多數理論物理學家相信，霍金的黑洞信息損失理論是錯誤的。但霍金固執己見，繼續深入研究。直到2004年，他才終於改變了主意。

在都柏林的一次會議上，他戲劇性地宣布了最新觀點：黑洞不能丟失信息。

然而今天，一種被稱為「黑洞火牆」的新悖論又引發了疑問（如前所述）。無論問題的答案如何，我們都能夠看到，霍金提出的內容正是解決量子引力問題的核心。

「黑洞輻射引發了嚴重的困惑，我們仍然難以理解，」卡羅爾表示， 「可以這麼說，霍金輻射是我們對量子力學和引力最終調和所了解的最大線索，也是現今理論物理學領域面臨的最大挑戰。」

在隨後的人生中，霍金始終活躍在理論物理學的前沿。他在將量子力學應用到宇宙範疇方面起到了推動作用，可以說是引領了量子宇宙學領域。由於疾病的限制，霍金無法書寫出複雜的方程式。不過這促使他以更新穎的方式在腦海中思考問題——常常以幾何形式對問題進行重構。然而，像愛因斯坦一樣，霍金沒能再產出早年那樣革命性的工作。

超級明星

不得不提的是，很多人對圍繞霍金的種種問題都存在疑問。關於他的病情，關於他的理論，關於他的語音合成器……一切似乎都存在著令人費解的地方。

《時間簡史》的出版無疑讓霍金走上了文化旋渦的中心。用加利福尼亞大學伯克利分校的人類學家Hélène Mialet的話說，霍金在鏡頭前扮演著大眾眼中的「霍金角色」，他似乎是在玩弄他的文化地位。Mialet在2012年出版書籍《Hawking incorporated》時引發了相當的爭議。她曾調查過霍金身邊的人如何幫助霍金打造並維持其公眾形象。確實，不少人都有這樣的想法，在霍金的背後，可能存在著所謂的「霍金團隊」。

鮮明的公眾形象使霍金的生活容易了很多。儘管病情惡化，但霍金的語音設備也在不斷更新，使其更容易和大眾交流對話。換個角度去想，能夠專心思考自己的科學，不必擔心周圍的瑣碎，對霍金來說確實是件好事。

用卡羅爾的話講，自愛因斯坦以來，史蒂芬·霍金對於理解引力所作出的貢獻，無人能及。他是引領世界的理論物理學家，在同領域研究中，無疑是頂尖的學者。況且，他在面對可怕疾病的同時做到了這一切。這更讓霍金成為一個鼓舞人心的勵志人物，歷史必將會銘記住他。

也許直到今天，都很少有人真正能夠理解霍金的理論精華。

但至少，那些充斥網絡，諸如「霍金警告不要登月」，「霍金預言地球毀滅，人類儘快移民火星」之類的字眼，可以不再出現了。

感謝，致敬，安息。

= 百家號獨家約稿 =

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