Quora精选:我们怎能相信科学,同时又信仰宗教

本文来自:煎蛋   阅读原文

【正文】

这个答案,有点长。不过请予我点耐心,在后面的几分钟里,我会让你有所收获。首先,允许我问一个似乎无关的问题:你听说过哈勃望远镜做过的一次「超深空观测实验」吗?

这件事情是这样的,NASA在几年前完成了一幅低分辨率的夜空图,然而他们想看到更深更远。于是他们挑选了3平方角分,只有全天空12,700,000分之一的面积,大概只有铅笔尖那样宽,人手臂那样长的一片宇宙。这对于整个外太空来说,真是微不足道的一块不毛之地,但NASA决定让哈勃新调教过的新镜头对准这片空无,看看从那里有没有光子会被哈勃捕捉到。

每次哈勃环绕地球,它就会对准这个角度观测20分钟。经过400个轨道周期的观测,他们把采集到的数据分析出来,结果看到的不是星星,不是星云,而是一万多个 星系 。看来所谓「不毛之地」根本不是空的。假设一个星系里有一千亿颗星球,就意味着那里有着千万亿颗星球,可能孕育着无数的,我们未知的生命形态。

我想,这个结果,可以让我们好好思考,想想我们现在所知的一些,然后再想想我们周围所未知的一切。记住这点,然后我们继续谈下去。

== 先来点科学…… ==

我是一名科学家,受过专业训练。在我大学毕业的时候,我已经被灌输了上千小时的科学方法,在学术期刊上发表过很多经过同行评议的专业论文,在国家级学术会议上发表自己的工作成果,我三分之一的生命是在实验室里度过的。为了什么?因为我认为,想要了解这个古怪的世界所发生的事情,没有比直接从基础研究开始做起更好的办法了。

你不得不承认,在过去的一百年间,科学取得了无比辉煌的成就——我们消灭了天花和小儿麻痹症,把人类送上了月球,发明了因特网,人类的寿命也延长了三倍。

但我认为,在我的科学生涯里最重要的体验,是当我游走科学的边界,站在这些伸向未知领域的栈桥的尽头,前方是无人涉足过的深海,比如为什么质能会守恒,或者暗物质/能量是什么,又或者为什么有多重宇宙,我们的意识从何而来。这就是科学所教给我们的:知道自己的浩瀚无知。

现在,很多人认为随着一代代人的努力,科学的栈桥会继续向前铺筑……但是前方是无边无际的大海,我们不能确定可以走到多远,而且,我确定在我们21世纪所剩的最后一点生命花火里,应该看不到筑达彼岸的那刻。所以,再说一次:科学之锤带来的信息,是我们所面对的未知,要远远超过我们所有的已知。

鉴于此,我感到这个问题的核心,是关于广泛存在于普通公众中对于科学的误解,这种误解在近几十年间不断扩散,特别是在政治舞台上:认为科学离开了可知的数据,面对未知领域的时候,就不能去赌上一把,认为科学,就是利用各种公式和定理,去完美地描述整个宇宙的图景。

如此看待人类的科学活动,真是太拙劣,太让人捉急了。

科学从某些方面来看,就是在反证他人的假说(当然也包括宗教论断),但事实上,还远不止于此。真正的科学,是关于如何提出富有创造力的新假说——而且在科学的态度里很重要的一部分,就是在思想上可以同时包容不同的假设。我们的科学活动,就是每天在实验室里提出新的假说,然后去寻找证据去评价,和支持这些的假说。

不过,常常会有些问题超过现在的科学水平太多,以目前的科学知识,尚无法回答这些问题,结果就是我们没能给这些问题找到证据。这很正常——科学允许各种假说,一起拿来摊在桌面上讨论。这种「模棱两可」,是我们与自然的关系中的一部分,是包围着我们的浩瀚的未知的一部分。

== 再讲讲宗教…… ==

我的母亲是一位生物学家,而且是个虔诚的基督徒,她坚持让我阅读圣经,了解圣经上的所有故事,还要去教堂做礼拜。虽然我经历了这么多年的科学训练,我依然习惯向上帝祈祷,虽然我知道他根本不存在,或者他对此并不在意,而且我遇见过很多事情,我只能说是「祈祷显灵了」,虽然我体内鄙视此道的那部分斥之为「心里安慰」或者「纯属巧合」。所以我把自己归入「不够虔诚」。

想想吧,世界上有超过2000种宗教,而且你也知道所谓「无神论者」,他们看到信教的人,就会嘲笑道:竟然有人会相信这些荒唐的东西。当然,信教的人也如此看待无神论者。

设想一下这个场景:可能是在机场,或者酒吧,你遇到个随便什么不认识的人聊了起来,然后你问他/她:嘿,听说过哈勃望远镜的「超深空观测实验」吗?我敢保证大部分人根本没有听说过这档子事。但是大部分人却能告诉你很多关于他们的文化典故,因为这是他们从小到大的成长环境。

你不用成为一个人类学家,就能明白我们所处的环境,决定了我们神经系统的感知。所以,如果你在沙特阿拉伯长大,基本上你就是信伊斯兰教。如果你出生在罗马,你应该是个天主教徒;在特拉维夫,就信犹太教;在斯普林菲尔德,俄亥俄,就是新教徒(抱歉,这样分类实在是太粗鲁了,但你们知道我是什么意思。)

所以在斯普林菲尔德,或者俄亥俄不会有太多的犹太教信众,或者在麦加也不会有新教徒。因为所谓文化,是我们自己创造出来的文化,我们认同我们被灌输的东西,如果只存在一种你所信的真理,你当然希望这种真理能占领全世界,很可惜,数据并不支持这种想法。最让人崩溃的是,对于我们被灌输的文化,总会时不时有人跳出来与之抗争,来捍卫他们自己的文化认知。

你听说过刚果库巴国人的创世故事吗?这个故事是这样的:那里曾经有一个叫曼波的白色巨人,他忽然肚子痛,很痛,于是他把星星、月亮、大地吐得到处都是。接着他又肚子痛了,又把动物、人类、大树吐了一地,里面有豹子、铁砧、老鹰、女人和狒狒、苍穹和草药、还有男人和雷电。

如果你觉得库巴人的故事,对于解释我们世界的起源太过离奇,那就把你自己想成一个库巴人,你也会觉得西方人的关于一对光屁股情侣,一条蛇,还有它们惹来的惩罚的故事感到莫名其妙,如果你是个在堪萨斯州的库巴人,你肯定会为了把自己的故事写到孩子的故事书里而奋斗。

世界上各种宗教的教义经典,经常是无比优美的文学作品,饱含水晶般璀璨的智慧,要知道这是千年之前的古人写成,他们根本不知道宇宙的浩瀚无际,或者大爆炸理论、细菌感染、DNA、又或者数学,甚至对他们周围环境的认识也十分有限。思想家爱默生说过,上一代人的宗教故事,成为了下一代人的文学语境——的确如此,现在已经没有人会为诸神而战,或者为了罗马人还是希腊人的神而战。

== 所以,怎样调和科学与宗教的关系? ==

我不会说库巴人的白巨人和亚当与夏娃之间,谁对谁错,因为这两个故事互相矛盾……作为一个科学家,我说他们都错了,因为所有的证据都证明他们错了。

举个例子,圣经故事里,我们的世界只有6000年,但是我们最先进的科学告诉我们,这个世界已经超过45亿年,起码圣经无法解释日本人的陶器要比这个世界还要古老。

在我看来,这种事情上,我持中间立场。很久以来,我觉得以我们的知识,要去驳倒无神论者是很难的,但我们可以很容易地对宗教故事说三道四。

所以,让我感到惊讶的是我看到的一些事实,比如当你走近一家书店,你可以看到「纯无神论者」的书和「宗教原教旨主义者」的书放在一起,他们动用全部的精力互相指责,把对方逼向极端,对此乐此不疲。

是不是应该有第三种声音呢? 非黑即白的态度太不科学了,如果你再想想那个哈勃的故事里,宇宙深处的可能性……

 

把犹太教——基督教——伊斯兰教的观点——乒!当做宇宙中一种可能性。

把东方宗教的观点——乓!这也是宇宙里的一种观点。

关于我们只是物质地存在,死了就是没别的了的想法,也作为一个可以接受的观点。

说,我们是外星人放在这里的实验品……听上去有点搞,不过,管它呢,这也是一种可能性。

 

当你把这2000多种说法,当做2000多个点放在整个可能性空间里来看,你会发现在每个观点之间,还有大量的可能性存在。虽然这些可能性都极其微小又完全不相同,但正是它们组成了整个「可能性的空间」,但是我们对这样一个,作为整体的可能性空间探讨甚少,相反,我们的讨论只局限在错误的一分为二之间:上帝存在 vs. 上帝不存在。

……然后,就没有然后了,讨论结束了。:-(

事实是,真的有很多人是抱着中立态度的,有时候,他们称自己为「不可知论者」。我不这么说自己,是因为这种说法常常让人觉得犬儒和讨厌——特别是当人们说「我是不可知论者」的时候,他们的意思是:我不确定在天上有没有一个白胡子老爷爷叫上帝。

所以,我把自己称之为「可能论者(Possibilian)」。对于一个可能论者来说,他们的信仰是对新知的探索,能乐观地抱着科学的创新态度,同时持有不同的观点。作为一个可能论者,所有事情都是……首先来讲都是有可能的。然后搬出所有的科学工具,来检验一下这种可能性。比如,如果超能力存在就太棒了!但是我们现在所有的科学工具都无法找到超能力存在的证据。

「可能主义」(或者叫:积极怀疑主义),本质上就是在科学无法触及的领域所采取的态度,当我们所有的工具都无法回答一些问题的时候,我们必须认识到「概率空间」的含义,有些事情我们可以测量观察,但是还有另外一些,目前还无法解释清楚。

对于我们未知事物持有一种开放的态度非常重要,因为我们知道这些未知的事物对我们的重大意义。对于每一代的科学家,总有人觉得这些科学家已经知道了整个宇宙的一切事情,但请想想如何离开地磁圈来解释北极光,在发明泵之前描述心脏的作用,或者在明白什么是生物电之前,讲讲肌肉是怎么工作的。我们当然是先建立假说,但假说很快会被新知证伪。所以在很多未知的问题上,人们能在宗教、假说、超能力里找到了安慰。

就算现在,我们也是这样。

例子1:我们已经有了牛顿力学,爱因斯坦相对论和量子物理理论,然后我们就想呀,很好,我们已经找到了所有的东西。但是天文学家又来捣乱了,他们观测天体和星系的运动,然后用万有引力推算,他们发现……不对啊,有东西被偷了还是怎么的,貌似有些东西我们看不见又尝不到的,但是公式里缺了它们就不WORK了啊!为了交差,这帮人就开始「说胡话」了,把这些「小误差」叫做「暗物质」——说真的,鬼知道这些「暗物质」是啥,但是,这样公式就能配平了。可能你们有些人已经知道了这个「科学丑闻」:这真不是「小误差系数」什么的,因为这些「暗物质」占到所有已知物质的90%——你们这些骗经费的坟蛋!你们不知道的东西也太多了点吧?!

例子2:我们来谈谈人类的大脑。这东西是我们见过最复杂的设备;这一定是从外星球进口的高级货。它的神经元连接密度是如此之高,一立方厘米的脑组织里的神经元,要比银河系所有的星球还多。没错,这个湿漉漉,精密设计的超级设备,你也有一个。它就是你一切的情感、欲望、希望和野望。如果你掉了你的小指头,可能没什么大不了的,但是如果你切掉同样大小的一块脑组织,你的意识状态就完全改变了。

该死的是,我们不知道用一些基本部件,怎样装配出一个能产生自我意识的东西的。给你亿万个乐高脑细胞积木,然后让你把它们装起来,你得玩到什么时候才能问它说:「亲~你喜欢吃青椒吗?」

这就是问题。没有任何一个公式可以回答为什么我们能「望梅止渴,闻臭思屁」。我们不光没有关于大脑如何工作的任何理论……而且我们连这种理论长什么样子都不知道。

== 结论 ==

所有这一切,都需要一点智慧。

虽然我无法证明上帝的存在,但这不代表他就是不存在——现在的科学工具对此还不够。所以我同时相信科学,有持有宗教信仰——有些情况下,科学能给我答案;另外一些时候,科学不能,当手头的科学工具不足以支持我去找寻奇迹发生的原因的时候,我很乐意把奇迹算在上帝或者其他未知力量的帐下,知道科学找到答案为止。如果科学永远也不能找到答案,好吧,这我也可以接受。

对于那自作聪明地认为,不要对任何事情发表绝对的看法的态度的人,我觉得这样的人那更适合玩政治的人。我承认人们喜欢那些能做出坚定决策的人。如果你要决定和谁结婚,出售资产,或者移居到别的城市,这些事情都需要明确的抉择。

但我也要指出,在很多领域里,合适的就是正确的,就算有些时候还不是那么合适。你会随便问一个人说,你是不是相信存在「地外文明」?你会在意他的观点吗?你会认为他的观点要比天文学家更重要吗?如果不是,那么说明有些领域确实不适合妄下定论,装作你证据凿凿的样子。

我觉得现在人们有点病态,而且厌烦了人们断言那些其实可能根本还没确定的事情。就如伏尔泰所言:虽然不确定让人沮丧,但太绝对就让人害怕了。

所以,不管怎么样。作为一个「可能论者」,我怀着Geek的创新精神去发现新知,同时又包容各种可能性。而且我常乐于地对科学八卦发表评论。科学,教给人类的最重要的四个字就是:我不知道。

对于那些还在宗教与科学之间与人争吵的人,我想说:学会与未知和多种观点相容。这不光是希望你们能持开放态度,更是希望你们能去探索新知。这不仅对我们的教育非常重要,甚至对于立法也同样这样,甚至关系到我们未来的战争(或者没有)。简单来说,请抛弃教条,回到好奇与理性。看看你能不能与「可能」和「未知」好好相处。:-)

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这个答案,有点长。不过请予我点耐心,在后面的几分钟里,我会让你有所收获。首先,允许我问一个似乎无关的问题:你听说过哈勃望远镜做过的一次「超深空观测实验」吗?

这件事情是这样的,NASA在几年前完成了一幅低分辨率的夜空图,然而他们想看到更深更远。于是他们挑选了3平方角分,只有全天空12,700,000分之一的面积,大概只有铅笔尖那样宽,人手臂那样长的一片宇宙。这对于整个外太空来说,真是微不足道的一块不毛之地,但NASA决定让哈勃新调教过的新镜头对准这片空无,看看从那里有没有光子会被哈勃捕捉到。

每次哈勃环绕地球,它就会对准这个角度观测20分钟。经过400个轨道周期的观测,他们把采集到的数据分析出来,结果看到的不是星星,不是星云,而是一万多个 星系 。看来所谓「不毛之地」根本不是空的。假设一个星系里有一千亿颗星球,就意味着那里有着千万亿颗星球,可能孕育着无数的,我们未知的生命形态。

我想,这个结果,可以让我们好好思考,想想我们现在所知的一些,然后再想想我们周围所未知的一切。记住这点,然后我们继续谈下去。

== 先来点科学…… ==

我是一名科学家,受过专业训练。在我大学毕业的时候,我已经被灌输了上千小时的科学方法,在学术期刊上发表过很多经过同行评议的专业论文,在国家级学术会议上发表自己的工作成果,我三分之一的生命是在实验室里度过的。为了什么?因为我认为,想要了解这个古怪的世界所发生的事情,没有比直接从基础研究开始做起更好的办法了。

你不得不承认,在过去的一百年间,科学取得了无比辉煌的成就——我们消灭了天花和小儿麻痹症,把人类送上了月球,发明了因特网,人类的寿命也延长了三倍。

但我认为,在我的科学生涯里最重要的体验,是当我游走科学的边界,站在这些伸向未知领域的栈桥的尽头,前方是无人涉足过的深海,比如为什么质能会守恒,或者暗物质/能量是什么,又或者为什么有多重宇宙,我们的意识从何而来。这就是科学所教给我们的:知道自己的浩瀚无知。

现在,很多人认为随着一代代人的努力,科学的栈桥会继续向前铺筑……但是前方是无边无际的大海,我们不能确定可以走到多远,而且,我确定在我们21世纪所剩的最后一点生命花火里,应该看不到筑达彼岸的那刻。所以,再说一次:科学之锤带来的信息,是我们所面对的未知,要远远超过我们所有的已知。

鉴于此,我感到这个问题的核心,是关于广泛存在于普通公众中对于科学的误解,这种误解在近几十年间不断扩散,特别是在政治舞台上:认为科学离开了可知的数据,面对未知领域的时候,就不能去赌上一把,认为科学,就是利用各种公式和定理,去完美地描述整个宇宙的图景。

如此看待人类的科学活动,真是太拙劣,太让人捉急了。

科学从某些方面来看,就是在反证他人的假说(当然也包括宗教论断),但事实上,还远不止于此。真正的科学,是关于如何提出富有创造力的新假说——而且在科学的态度里很重要的一部分,就是在思想上可以同时包容不同的假设。我们的科学活动,就是每天在实验室里提出新的假说,然后去寻找证据去评价,和支持这些的假说。

不过,常常会有些问题超过现在的科学水平太多,以目前的科学知识,尚无法回答这些问题,结果就是我们没能给这些问题找到证据。这很正常——科学允许各种假说,一起拿来摊在桌面上讨论。这种「模棱两可」,是我们与自然的关系中的一部分,是包围着我们的浩瀚的未知的一部分。

== 再讲讲宗教…… ==

我的母亲是一位生物学家,而且是个虔诚的基督徒,她坚持让我阅读圣经,了解圣经上的所有故事,还要去教堂做礼拜。虽然我经历了这么多年的科学训练,我依然习惯向上帝祈祷,虽然我知道他根本不存在,或者他对此并不在意,而且我遇见过很多事情,我只能说是「祈祷显灵了」,虽然我体内鄙视此道的那部分斥之为「心里安慰」或者「纯属巧合」。所以我把自己归入「不够虔诚」。

想想吧,世界上有超过2000种宗教,而且你也知道所谓「无神论者」,他们看到信教的人,就会嘲笑道:竟然有人会相信这些荒唐的东西。当然,信教的人也如此看待无神论者。

设想一下这个场景:可能是在机场,或者酒吧,你遇到个随便什么不认识的人聊了起来,然后你问他/她:嘿,听说过哈勃望远镜的「超深空观测实验」吗?我敢保证大部分人根本没有听说过这档子事。但是大部分人却能告诉你很多关于他们的文化典故,因为这是他们从小到大的成长环境。

你不用成为一个人类学家,就能明白我们所处的环境,决定了我们神经系统的感知。所以,如果你在沙特阿拉伯长大,基本上你就是信伊斯兰教。如果你出生在罗马,你应该是个天主教徒;在特拉维夫,就信犹太教;在斯普林菲尔德,俄亥俄,就是新教徒(抱歉,这样分类实在是太粗鲁了,但你们知道我是什么意思。)

所以在斯普林菲尔德,或者俄亥俄不会有太多的犹太教信众,或者在麦加也不会有新教徒。因为所谓文化,是我们自己创造出来的文化,我们认同我们被灌输的东西,如果只存在一种你所信的真理,你当然希望这种真理能占领全世界,很可惜,数据并不支持这种想法。最让人崩溃的是,对于我们被灌输的文化,总会时不时有人跳出来与之抗争,来捍卫他们自己的文化认知。

你听说过刚果库巴国人的创世故事吗?这个故事是这样的:那里曾经有一个叫曼波的白色巨人,他忽然肚子痛,很痛,于是他把星星、月亮、大地吐得到处都是。接着他又肚子痛了,又把动物、人类、大树吐了一地,里面有豹子、铁砧、老鹰、女人和狒狒、苍穹和草药、还有男人和雷电。

如果你觉得库巴人的故事,对于解释我们世界的起源太过离奇,那就把你自己想成一个库巴人,你也会觉得西方人的关于一对光屁股情侣,一条蛇,还有它们惹来的惩罚的故事感到莫名其妙,如果你是个在堪萨斯州的库巴人,你肯定会为了把自己的故事写到孩子的故事书里而奋斗。

世界上各种宗教的教义经典,经常是无比优美的文学作品,饱含水晶般璀璨的智慧,要知道这是千年之前的古人写成,他们根本不知道宇宙的浩瀚无际,或者大爆炸理论、细菌感染、DNA、又或者数学,甚至对他们周围环境的认识也十分有限。思想家爱默生说过,上一代人的宗教故事,成为了下一代人的文学语境——的确如此,现在已经没有人会为诸神而战,或者为了罗马人还是希腊人的神而战。

== 所以,怎样调和科学与宗教的关系? ==

我不会说库巴人的白巨人和亚当与夏娃之间,谁对谁错,因为这两个故事互相矛盾……作为一个科学家,我说他们都错了,因为所有的证据都证明他们错了。

举个例子,圣经故事里,我们的世界只有6000年,但是我们最先进的科学告诉我们,这个世界已经超过45亿年,起码圣经无法解释日本人的陶器要比这个世界还要古老。

在我看来,这种事情上,我持中间立场。很久以来,我觉得以我们的知识,要去驳倒无神论者是很难的,但我们可以很容易地对宗教故事说三道四。

所以,让我感到惊讶的是我看到的一些事实,比如当你走近一家书店,你可以看到「纯无神论者」的书和「宗教原教旨主义者」的书放在一起,他们动用全部的精力互相指责,把对方逼向极端,对此乐此不疲。

是不是应该有第三种声音呢? 非黑即白的态度太不科学了,如果你再想想那个哈勃的故事里,宇宙深处的可能性……

 

把犹太教——基督教——伊斯兰教的观点——乒!当做宇宙中一种可能性。

把东方宗教的观点——乓!这也是宇宙里的一种观点。

关于我们只是物质地存在,死了就是没别的了的想法,也作为一个可以接受的观点。

说,我们是外星人放在这里的实验品……听上去有点搞,不过,管它呢,这也是一种可能性。

 

当你把这2000多种说法,当做2000多个点放在整个可能性空间里来看,你会发现在每个观点之间,还有大量的可能性存在。虽然这些可能性都极其微小又完全不相同,但正是它们组成了整个「可能性的空间」,但是我们对这样一个,作为整体的可能性空间探讨甚少,相反,我们的讨论只局限在错误的一分为二之间:上帝存在 vs. 上帝不存在。

……然后,就没有然后了,讨论结束了。:-(

事实是,真的有很多人是抱着中立态度的,有时候,他们称自己为「不可知论者」。我不这么说自己,是因为这种说法常常让人觉得犬儒和讨厌——特别是当人们说「我是不可知论者」的时候,他们的意思是:我不确定在天上有没有一个白胡子老爷爷叫上帝。

所以,我把自己称之为「可能论者(Possibilian)」。对于一个可能论者来说,他们的信仰是对新知的探索,能乐观地抱着科学的创新态度,同时持有不同的观点。作为一个可能论者,所有事情都是……首先来讲都是有可能的。然后搬出所有的科学工具,来检验一下这种可能性。比如,如果超能力存在就太棒了!但是我们现在所有的科学工具都无法找到超能力存在的证据。

「可能主义」(或者叫:积极怀疑主义),本质上就是在科学无法触及的领域所采取的态度,当我们所有的工具都无法回答一些问题的时候,我们必须认识到「概率空间」的含义,有些事情我们可以测量观察,但是还有另外一些,目前还无法解释清楚。

对于我们未知事物持有一种开放的态度非常重要,因为我们知道这些未知的事物对我们的重大意义。对于每一代的科学家,总有人觉得这些科学家已经知道了整个宇宙的一切事情,但请想想如何离开地磁圈来解释北极光,在发明泵之前描述心脏的作用,或者在明白什么是生物电之前,讲讲肌肉是怎么工作的。我们当然是先建立假说,但假说很快会被新知证伪。所以在很多未知的问题上,人们能在宗教、假说、超能力里找到了安慰。

就算现在,我们也是这样。

例子1:我们已经有了牛顿力学,爱因斯坦相对论和量子物理理论,然后我们就想呀,很好,我们已经找到了所有的东西。但是天文学家又来捣乱了,他们观测天体和星系的运动,然后用万有引力推算,他们发现……不对啊,有东西被偷了还是怎么的,貌似有些东西我们看不见又尝不到的,但是公式里缺了它们就不WORK了啊!为了交差,这帮人就开始「说胡话」了,把这些「小误差」叫做「暗物质」——说真的,鬼知道这些「暗物质」是啥,但是,这样公式就能配平了。可能你们有些人已经知道了这个「科学丑闻」:这真不是「小误差系数」什么的,因为这些「暗物质」占到所有已知物质的90%——你们这些骗经费的坟蛋!你们不知道的东西也太多了点吧?!

例子2:我们来谈谈人类的大脑。这东西是我们见过最复杂的设备;这一定是从外星球进口的高级货。它的神经元连接密度是如此之高,一立方厘米的脑组织里的神经元,要比银河系所有的星球还多。没错,这个湿漉漉,精密设计的超级设备,你也有一个。它就是你一切的情感、欲望、希望和野望。如果你掉了你的小指头,可能没什么大不了的,但是如果你切掉同样大小的一块脑组织,你的意识状态就完全改变了。

该死的是,我们不知道用一些基本部件,怎样装配出一个能产生自我意识的东西的。给你亿万个乐高脑细胞积木,然后让你把它们装起来,你得玩到什么时候才能问它说:「亲~你喜欢吃青椒吗?」

这就是问题。没有任何一个公式可以回答为什么我们能「望梅止渴,闻臭思屁」。我们不光没有关于大脑如何工作的任何理论……而且我们连这种理论长什么样子都不知道。

== 结论 ==

所有这一切,都需要一点智慧。

虽然我无法证明上帝的存在,但这不代表他就是不存在——现在的科学工具对此还不够。所以我同时相信科学,有持有宗教信仰——有些情况下,科学能给我答案;另外一些时候,科学不能,当手头的科学工具不足以支持我去找寻奇迹发生的原因的时候,我很乐意把奇迹算在上帝或者其他未知力量的帐下,知道科学找到答案为止。如果科学永远也不能找到答案,好吧,这我也可以接受。

对于那自作聪明地认为,不要对任何事情发表绝对的看法的态度的人,我觉得这样的人那更适合玩政治的人。我承认人们喜欢那些能做出坚定决策的人。如果你要决定和谁结婚,出售资产,或者移居到别的城市,这些事情都需要明确的抉择。

但我也要指出,在很多领域里,合适的就是正确的,就算有些时候还不是那么合适。你会随便问一个人说,你是不是相信存在「地外文明」?你会在意他的观点吗?你会认为他的观点要比天文学家更重要吗?如果不是,那么说明有些领域确实不适合妄下定论,装作你证据凿凿的样子。

我觉得现在人们有点病态,而且厌烦了人们断言那些其实可能根本还没确定的事情。就如伏尔泰所言:虽然不确定让人沮丧,但太绝对就让人害怕了。

所以,不管怎么样。作为一个「可能论者」,我怀着Geek的创新精神去发现新知,同时又包容各种可能性。而且我常乐于地对科学八卦发表评论。科学,教给人类的最重要的四个字就是:我不知道。

对于那些还在宗教与科学之间与人争吵的人,我想说:学会与未知和多种观点相容。这不光是希望你们能持开放态度,更是希望你们能去探索新知。这不仅对我们的教育非常重要,甚至对于立法也同样这样,甚至关系到我们未来的战争(或者没有)。简单来说,请抛弃教条,回到好奇与理性。看看你能不能与「可能」和「未知」好好相处。:-)

Quora精选:我们怎能相信科学,同时又信仰宗教

本文来自:煎蛋   阅读原文

【正文】

这个答案,有点长。不过请予我点耐心,在后面的几分钟里,我会让你有所收获。首先,允许我问一个似乎无关的问题:你听说过哈勃望远镜做过的一次「超深空观测实验」吗?

这件事情是这样的,NASA在几年前完成了一幅低分辨率的夜空图,然而他们想看到更深更远。于是他们挑选了3平方角分,只有全天空12,700,000分之一的面积,大概只有铅笔尖那样宽,人手臂那样长的一片宇宙。这对于整个外太空来说,真是微不足道的一块不毛之地,但NASA决定让哈勃新调教过的新镜头对准这片空无,看看从那里有没有光子会被哈勃捕捉到。

每次哈勃环绕地球,它就会对准这个角度观测20分钟。经过400个轨道周期的观测,他们把采集到的数据分析出来,结果看到的不是星星,不是星云,而是一万多个 星系 。看来所谓「不毛之地」根本不是空的。假设一个星系里有一千亿颗星球,就意味着那里有着千万亿颗星球,可能孕育着无数的,我们未知的生命形态。

我想,这个结果,可以让我们好好思考,想想我们现在所知的一些,然后再想想我们周围所未知的一切。记住这点,然后我们继续谈下去。

== 先来点科学…… ==

我是一名科学家,受过专业训练。在我大学毕业的时候,我已经被灌输了上千小时的科学方法,在学术期刊上发表过很多经过同行评议的专业论文,在国家级学术会议上发表自己的工作成果,我三分之一的生命是在实验室里度过的。为了什么?因为我认为,想要了解这个古怪的世界所发生的事情,没有比直接从基础研究开始做起更好的办法了。

你不得不承认,在过去的一百年间,科学取得了无比辉煌的成就——我们消灭了天花和小儿麻痹症,把人类送上了月球,发明了因特网,人类的寿命也延长了三倍。

但我认为,在我的科学生涯里最重要的体验,是当我游走科学的边界,站在这些伸向未知领域的栈桥的尽头,前方是无人涉足过的深海,比如为什么质能会守恒,或者暗物质/能量是什么,又或者为什么有多重宇宙,我们的意识从何而来。这就是科学所教给我们的:知道自己的浩瀚无知。

现在,很多人认为随着一代代人的努力,科学的栈桥会继续向前铺筑……但是前方是无边无际的大海,我们不能确定可以走到多远,而且,我确定在我们21世纪所剩的最后一点生命花火里,应该看不到筑达彼岸的那刻。所以,再说一次:科学之锤带来的信息,是我们所面对的未知,要远远超过我们所有的已知。

鉴于此,我感到这个问题的核心,是关于广泛存在于普通公众中对于科学的误解,这种误解在近几十年间不断扩散,特别是在政治舞台上:认为科学离开了可知的数据,面对未知领域的时候,就不能去赌上一把,认为科学,就是利用各种公式和定理,去完美地描述整个宇宙的图景。

如此看待人类的科学活动,真是太拙劣,太让人捉急了。

科学从某些方面来看,就是在反证他人的假说(当然也包括宗教论断),但事实上,还远不止于此。真正的科学,是关于如何提出富有创造力的新假说——而且在科学的态度里很重要的一部分,就是在思想上可以同时包容不同的假设。我们的科学活动,就是每天在实验室里提出新的假说,然后去寻找证据去评价,和支持这些的假说。

不过,常常会有些问题超过现在的科学水平太多,以目前的科学知识,尚无法回答这些问题,结果就是我们没能给这些问题找到证据。这很正常——科学允许各种假说,一起拿来摊在桌面上讨论。这种「模棱两可」,是我们与自然的关系中的一部分,是包围着我们的浩瀚的未知的一部分。

== 再讲讲宗教…… ==

我的母亲是一位生物学家,而且是个虔诚的基督徒,她坚持让我阅读圣经,了解圣经上的所有故事,还要去教堂做礼拜。虽然我经历了这么多年的科学训练,我依然习惯向上帝祈祷,虽然我知道他根本不存在,或者他对此并不在意,而且我遇见过很多事情,我只能说是「祈祷显灵了」,虽然我体内鄙视此道的那部分斥之为「心里安慰」或者「纯属巧合」。所以我把自己归入「不够虔诚」。

想想吧,世界上有超过2000种宗教,而且你也知道所谓「无神论者」,他们看到信教的人,就会嘲笑道:竟然有人会相信这些荒唐的东西。当然,信教的人也如此看待无神论者。

设想一下这个场景:可能是在机场,或者酒吧,你遇到个随便什么不认识的人聊了起来,然后你问他/她:嘿,听说过哈勃望远镜的「超深空观测实验」吗?我敢保证大部分人根本没有听说过这档子事。但是大部分人却能告诉你很多关于他们的文化典故,因为这是他们从小到大的成长环境。

你不用成为一个人类学家,就能明白我们所处的环境,决定了我们神经系统的感知。所以,如果你在沙特阿拉伯长大,基本上你就是信伊斯兰教。如果你出生在罗马,你应该是个天主教徒;在特拉维夫,就信犹太教;在斯普林菲尔德,俄亥俄,就是新教徒(抱歉,这样分类实在是太粗鲁了,但你们知道我是什么意思。)

所以在斯普林菲尔德,或者俄亥俄不会有太多的犹太教信众,或者在麦加也不会有新教徒。因为所谓文化,是我们自己创造出来的文化,我们认同我们被灌输的东西,如果只存在一种你所信的真理,你当然希望这种真理能占领全世界,很可惜,数据并不支持这种想法。最让人崩溃的是,对于我们被灌输的文化,总会时不时有人跳出来与之抗争,来捍卫他们自己的文化认知。

你听说过刚果库巴国人的创世故事吗?这个故事是这样的:那里曾经有一个叫曼波的白色巨人,他忽然肚子痛,很痛,于是他把星星、月亮、大地吐得到处都是。接着他又肚子痛了,又把动物、人类、大树吐了一地,里面有豹子、铁砧、老鹰、女人和狒狒、苍穹和草药、还有男人和雷电。

如果你觉得库巴人的故事,对于解释我们世界的起源太过离奇,那就把你自己想成一个库巴人,你也会觉得西方人的关于一对光屁股情侣,一条蛇,还有它们惹来的惩罚的故事感到莫名其妙,如果你是个在堪萨斯州的库巴人,你肯定会为了把自己的故事写到孩子的故事书里而奋斗。

世界上各种宗教的教义经典,经常是无比优美的文学作品,饱含水晶般璀璨的智慧,要知道这是千年之前的古人写成,他们根本不知道宇宙的浩瀚无际,或者大爆炸理论、细菌感染、DNA、又或者数学,甚至对他们周围环境的认识也十分有限。思想家爱默生说过,上一代人的宗教故事,成为了下一代人的文学语境——的确如此,现在已经没有人会为诸神而战,或者为了罗马人还是希腊人的神而战。

== 所以,怎样调和科学与宗教的关系? ==

我不会说库巴人的白巨人和亚当与夏娃之间,谁对谁错,因为这两个故事互相矛盾……作为一个科学家,我说他们都错了,因为所有的证据都证明他们错了。

举个例子,圣经故事里,我们的世界只有6000年,但是我们最先进的科学告诉我们,这个世界已经超过45亿年,起码圣经无法解释日本人的陶器要比这个世界还要古老。

在我看来,这种事情上,我持中间立场。很久以来,我觉得以我们的知识,要去驳倒无神论者是很难的,但我们可以很容易地对宗教故事说三道四。

所以,让我感到惊讶的是我看到的一些事实,比如当你走近一家书店,你可以看到「纯无神论者」的书和「宗教原教旨主义者」的书放在一起,他们动用全部的精力互相指责,把对方逼向极端,对此乐此不疲。

是不是应该有第三种声音呢? 非黑即白的态度太不科学了,如果你再想想那个哈勃的故事里,宇宙深处的可能性……

 

把犹太教——基督教——伊斯兰教的观点——乒!当做宇宙中一种可能性。

把东方宗教的观点——乓!这也是宇宙里的一种观点。

关于我们只是物质地存在,死了就是没别的了的想法,也作为一个可以接受的观点。

说,我们是外星人放在这里的实验品……听上去有点搞,不过,管它呢,这也是一种可能性。

 

当你把这2000多种说法,当做2000多个点放在整个可能性空间里来看,你会发现在每个观点之间,还有大量的可能性存在。虽然这些可能性都极其微小又完全不相同,但正是它们组成了整个「可能性的空间」,但是我们对这样一个,作为整体的可能性空间探讨甚少,相反,我们的讨论只局限在错误的一分为二之间:上帝存在 vs. 上帝不存在。

……然后,就没有然后了,讨论结束了。:-(

事实是,真的有很多人是抱着中立态度的,有时候,他们称自己为「不可知论者」。我不这么说自己,是因为这种说法常常让人觉得犬儒和讨厌——特别是当人们说「我是不可知论者」的时候,他们的意思是:我不确定在天上有没有一个白胡子老爷爷叫上帝。

所以,我把自己称之为「可能论者(Possibilian)」。对于一个可能论者来说,他们的信仰是对新知的探索,能乐观地抱着科学的创新态度,同时持有不同的观点。作为一个可能论者,所有事情都是……首先来讲都是有可能的。然后搬出所有的科学工具,来检验一下这种可能性。比如,如果超能力存在就太棒了!但是我们现在所有的科学工具都无法找到超能力存在的证据。

「可能主义」(或者叫:积极怀疑主义),本质上就是在科学无法触及的领域所采取的态度,当我们所有的工具都无法回答一些问题的时候,我们必须认识到「概率空间」的含义,有些事情我们可以测量观察,但是还有另外一些,目前还无法解释清楚。

对于我们未知事物持有一种开放的态度非常重要,因为我们知道这些未知的事物对我们的重大意义。对于每一代的科学家,总有人觉得这些科学家已经知道了整个宇宙的一切事情,但请想想如何离开地磁圈来解释北极光,在发明泵之前描述心脏的作用,或者在明白什么是生物电之前,讲讲肌肉是怎么工作的。我们当然是先建立假说,但假说很快会被新知证伪。所以在很多未知的问题上,人们能在宗教、假说、超能力里找到了安慰。

就算现在,我们也是这样。

例子1:我们已经有了牛顿力学,爱因斯坦相对论和量子物理理论,然后我们就想呀,很好,我们已经找到了所有的东西。但是天文学家又来捣乱了,他们观测天体和星系的运动,然后用万有引力推算,他们发现……不对啊,有东西被偷了还是怎么的,貌似有些东西我们看不见又尝不到的,但是公式里缺了它们就不WORK了啊!为了交差,这帮人就开始「说胡话」了,把这些「小误差」叫做「暗物质」——说真的,鬼知道这些「暗物质」是啥,但是,这样公式就能配平了。可能你们有些人已经知道了这个「科学丑闻」:这真不是「小误差系数」什么的,因为这些「暗物质」占到所有已知物质的90%——你们这些骗经费的坟蛋!你们不知道的东西也太多了点吧?!

例子2:我们来谈谈人类的大脑。这东西是我们见过最复杂的设备;这一定是从外星球进口的高级货。它的神经元连接密度是如此之高,一立方厘米的脑组织里的神经元,要比银河系所有的星球还多。没错,这个湿漉漉,精密设计的超级设备,你也有一个。它就是你一切的情感、欲望、希望和野望。如果你掉了你的小指头,可能没什么大不了的,但是如果你切掉同样大小的一块脑组织,你的意识状态就完全改变了。

该死的是,我们不知道用一些基本部件,怎样装配出一个能产生自我意识的东西的。给你亿万个乐高脑细胞积木,然后让你把它们装起来,你得玩到什么时候才能问它说:「亲~你喜欢吃青椒吗?」

这就是问题。没有任何一个公式可以回答为什么我们能「望梅止渴,闻臭思屁」。我们不光没有关于大脑如何工作的任何理论……而且我们连这种理论长什么样子都不知道。

== 结论 ==

所有这一切,都需要一点智慧。

虽然我无法证明上帝的存在,但这不代表他就是不存在——现在的科学工具对此还不够。所以我同时相信科学,有持有宗教信仰——有些情况下,科学能给我答案;另外一些时候,科学不能,当手头的科学工具不足以支持我去找寻奇迹发生的原因的时候,我很乐意把奇迹算在上帝或者其他未知力量的帐下,知道科学找到答案为止。如果科学永远也不能找到答案,好吧,这我也可以接受。

对于那自作聪明地认为,不要对任何事情发表绝对的看法的态度的人,我觉得这样的人那更适合玩政治的人。我承认人们喜欢那些能做出坚定决策的人。如果你要决定和谁结婚,出售资产,或者移居到别的城市,这些事情都需要明确的抉择。

但我也要指出,在很多领域里,合适的就是正确的,就算有些时候还不是那么合适。你会随便问一个人说,你是不是相信存在「地外文明」?你会在意他的观点吗?你会认为他的观点要比天文学家更重要吗?如果不是,那么说明有些领域确实不适合妄下定论,装作你证据凿凿的样子。

我觉得现在人们有点病态,而且厌烦了人们断言那些其实可能根本还没确定的事情。就如伏尔泰所言:虽然不确定让人沮丧,但太绝对就让人害怕了。

所以,不管怎么样。作为一个「可能论者」,我怀着Geek的创新精神去发现新知,同时又包容各种可能性。而且我常乐于地对科学八卦发表评论。科学,教给人类的最重要的四个字就是:我不知道。

对于那些还在宗教与科学之间与人争吵的人,我想说:学会与未知和多种观点相容。这不光是希望你们能持开放态度,更是希望你们能去探索新知。这不仅对我们的教育非常重要,甚至对于立法也同样这样,甚至关系到我们未来的战争(或者没有)。简单来说,请抛弃教条,回到好奇与理性。看看你能不能与「可能」和「未知」好好相处。:-)

如果宇航员掉进黑洞会怎样?

转载自:http://www.mzyfz.com/cms/benzhousheping/shepingzhuanqu/keji/html/1246/2013-05-17/content-753892.html

本文作者:兹亚·梅拉利是英国伦敦的自由科学作家。

本文译者:马任意在2006-2010年期间,先后在中国科学院上海天文台和韩国国立忠南大学进行博士后研究,现任教于厦门大虚无利息,研究方向包括黑洞吸积盘理论和宇宙学激波。

如果一个宇航员掉进了黑洞

2012年3月,美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所的弦理论学家约瑟夫·普金斯基开始思考“自杀”的问题——以数学形式进行的思想实验:如果一个宇航员掉进黑洞会发生什么情况?很显然他会死,但究竟怎么个死法呢?

按照当时公认的理论,最初他不会感到有任何特别,即使在他落到黑洞的事件视界时。事件视界是一个看不见的界限,在界限以内没有任何东西能逃离黑洞的吸引。但最终,几小时、几天或几个星期后,如果黑洞足够大,他会开始觉察到拉着他脚的重力比拉着他头的重力更强大,这种吸引力拖着他无情地向下落,重力差会迅速加大而将他撕裂,最终他的遗体会被扯得粉碎而落入黑洞那无限致密核心。

普金斯基和他的两个学生艾哈迈德·艾姆哈里、詹姆斯·萨利,加上该校的另一位弦理论学家唐纳德·马洛夫一起,对这一事件进行了重新计算。根据他们的计算,却呈现出完全不同的另一番场景:量子效应会把事件视界变成沸腾的粒子大漩涡,任何东西掉进去都会撞到一面火焰墙上而被瞬间烤焦。

研究小组在去年7月发表了他们的计算结果,震动了整个物理学界:因为这面火墙违反了基本的物理学法则——等效性原理。等效原理即引力质量和惯性质量等效,在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。按照这一原理,宇航员掉进万有引力场——即便是像黑洞那么强大的引力场时,他所看到的实际景象和飘在太空的观察者所看到的是一样的。等效原理最早在一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦清晰地提出,并作为他《广义相对论》的基础。如果等效原理不成立,爱因斯坦的理论框架也将瓦解。

普金斯基等四人也深知这一推论可能导致的后果,所以还提出了另一种备选结局:没有形成火墙。但这种解释的代价同样巨大,他们不得不牺牲量子力学,这是描述亚原子粒子之间相互作用的理论法则,也是物理学的另一根支柱。

这一结果激起了一股研究火墙热潮,物理学家们纷纷抛出各种方案试图打破僵局,但还没有一篇论文能解释得让所有人都满意。面对这种状况,圣芭芭拉分校的量子物理学家斯蒂芬·吉丁斯说这是“一场物理学基础的危机,需要一次革命才能解决问题。”

上个月,物理学界研究黑洞的专家们齐聚在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所(CERN)召开会议,面对面地讨论了这一问题,希望能打开一条通向“量子引力”统一理论的新途径,将自然界所有的基本力囊括其中——或许这将成为物理学家们几十年来未曾有过的荣耀。

火墙的想法“动摇了大部分人所相信的黑洞理论的基础”,加利福尼亚大学伯克利分校弦理论学家拉斐尔·布索在会议上说,“从根本上说,它把量子力学放在了广义相对论的敌对面,却没给我们留下任何线索:下一步该朝哪个方向走?”

普利什基尔与霍金的“赌局”

说到“火墙危机”的根源,还要追溯到1974年。当时英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金证明,量子效应会使黑洞在达到一定温度后变得孤立,然后黑洞会缓慢地发出热辐射—光子及其他粒子—质量逐渐减少,直到完全蒸发掉。

但这些粒子并不是火墙,落入事件视界的宇航员不会注意到这种辐射,这是它与相对论所描述场景之间的细微差别。但霍金的结果依然令人震惊,因为按照广义相对论方程的描述,黑洞只会吞噬质量而增长,并不会蒸发。

基本上,霍金的争论进入到了对量子领域的观察,“空”间并非是真空,在亚微观的尺度上,它处于一种持续不断的动荡涨落状态:成对的粒子和反粒子不断出现又迅速湮灭。只有在非常精微的实验中,才能观察到这种亚显微程度的混乱。霍金意识到,当一对粒子—反粒子出现在黑洞的事件视界时,其中一个会落入黑洞,使它们不能再结合湮灭,幸存的那个粒子会以辐射形式向外发出,为平衡向外发出粒子的正能量,被吸入的粒子会以负能量进入——这是量子法则所允许的,负能量将从黑洞的质量里扣除,从而使黑洞缩小。

霍金的原始分析已经过提炼并由许多研究人员加以扩展,其结论现在已被广为接受。但这也带来了令人不安的现实,黑洞辐射对量子力学理论提出了质疑。

量子力学认为信息不会消灭。从理论上说,通过检测从黑洞发出辐射的量子态,就可能获得掉进去的那个粒子的一切信息。但霍金指出事情没那么简单:发出辐射是随机的。掷一公斤的石头或一公斤计算机芯片结果都一样,看着黑洞直到它死亡,也没办法知道它是怎么形成的或有什么东西落到了上面。

这称为黑洞信息悖论。对这一问题,物理学家们分成两个阵营:一派以霍金为代表,认为在黑洞死亡时信息真的会消失,如果这与量子法则相矛盾,则需另建更好的量子理论。另一派以加利福尼亚理工学院的量子物理学家约翰·普利什基尔为代表,则坚持站在量子力学这一方。“有一段时间,我很认真地试图重新构建一个包含信息损失的替代理论。” 普利什基尔说,“但我找不到任何有意义的东西,没人能找到。”

这一僵局持续了二十年,直到1997年才有答案,这个答案现已众所周知——当时普利什基尔与霍金公开打赌而获胜,他认为信息不会丢失,因此从霍金那里赢了一本棒球百科全书。但在当年,打破这一僵局全靠哈佛大学物理学家胡安·马尔达西那的发现。

马尔达西那的发现建立在一个更早期观点上,即宇宙中的任何三维区域都可以用二维边界上的信息编码描述出来,这和激光以二维全息图的方式给三维景象编码非常类似。斯坦福大学弦理论学家,也是全息理论创世人之一的莱昂纳多·萨斯坎德说:“我们用‘全息’这个词作为一种隐喻。但经过更多数学推衍后,它似乎拥有了更实际的意义:宇宙是信息在边界上的投影。”

马尔达西那提出的是一个关于全息理论的具体的数学方程,同时借鉴了超弦理论的观点,假设基本粒子是由极微小的能量环振动而形成。他的模型描述了一个只受万有引力统治的、包含了弦和黑洞的三维宇宙,经由一个二维面反射,其中的元素粒子和场域遵循普遍量子法则而无需万有引力。住在此三维空间的居民永远也看不到这个界面,因为它在无限遥远的地方。但这并不重要:三维宇宙中发生的任何事都可以用二维宇宙中的方程同样完好地表达出来,反过来也一样。“我发现了一个数学词典,能让你在这两个世界的‘语言’之间来回转变。” 马尔达西那解释说。

这意味着,即使是一个三维黑洞的蒸发,也能用二维世界的语言来描述,在这里没有万有引力,只以量子法则为最高准则,这里的信息也永远不会丢失。如果这里的信息能被保存,那也已订购能被保存于三维世界中。但出于某种原因,信息却在从黑洞中逸失。

 

那堵让人颠三倒四的“火墙”

几年后,马洛夫证明了任何量子-引力模型都要遵守相同法则,不管它是不是从弦理论构建的。“这一结合了马尔达西那和马洛夫的研究,让我有了转变。”马里兰大学量子物理学家泰德·雅各布说,他长期以来一直坚持信息损失论。2004年,霍金公开承认了他的错误,输给普利什基尔一本厚厚的棒球百科全书,结束了物理学界这场著名的赌约。

这就是马尔达西那发现的意义:让大部分物理学家认为悖论已经解开,虽然还没人能解释霍金辐射怎样从黑洞中走漏了信息的。“我猜测,我们只是都在假设会有一个明确的答案。”普金斯基说。

但事实并非如此。2012年初,当普金斯基和研究小组着手去厘清这模糊的一端时,他们很快碰到了另一个矛盾,这个矛盾让他们导出了致命的火墙。

霍金曾指出,从黑洞中逃逸的任何粒子的量子态都是随机的,所以粒子不可能携带任何有用的信息。但到了上世纪90年代中期,萨斯坎德和其他一些物理学家意识到,如果粒子各自的状态有某种程度的“纠缠”的话,即对其中一个进行测量将立即影响另一个而不管它们之间相隔多远,那么辐射量子态中的信息就能以一个整体的形式被编码。

但实际情况又是怎样的呢?对一个将被发射出去的粒子而言,与其纠缠的“另一半”将牺牲在黑洞里。如果萨斯坎德他们是对的,它还得跟所有在它之前发出的霍金辐射相纠缠。然而在量子力学中有一个严格的事实叫做“纠缠一对一”,即一个量子系统不可能同时与两个独立系统完全纠缠。

为了躲开这一悖论,普金斯基与论文合著者们意识到,其中之一的纠缠关系变得难以为继,为了给霍金辐射编码,不得不放弃。他们决定剪掉逃逸的霍金粒子与其落难“伴侣”之间的联系,但这是有代价的。“这是一个狂暴的过程,就像打破分子键一样要释放出能量。”普金斯基说,这些能量是由于切断大量粒子对之间关联而产生的,因此十分巨大。“事件视界将变成一个大火圈,烧掉任何掉进去的东西。”但是反过来,又违反了等效原则以及它所认定的自由落体所感到的情景应该和飘在太空一样,如果是这样,则物体不可能以烧毁而告终。所以,他们先在arXiv网站发表了一篇论文,坦白地给物理学家们提出了一个两难选择:要么接受火墙的存在,这将打破相对论;要么接受黑洞信息会丢失,量子力学是错的。马洛夫说:“对我们来说,在这两难之选中选择火墙只是不那么疯狂而已。”

这篇论文震惊了整个物理学界。雅各布森说:“把放弃爱因斯坦的等效性原则作为最佳选择,这简直是难以容忍的。”布索也同意,还补充说:“火墙凭空出现在太空中,这可能性并不比一堵砖墙凭空出现撞到人们脸上的可能性更大。”如果爱因斯坦的理论在事件视界不适用,宇宙学家们就不得不怀疑,它在其他地方能不能完全适用。

普金斯基也承认,他们有可能犯下愚蠢的错误,所以他找到了全息理论奠基人之一的萨斯坎德,请他帮忙寻找疏漏的地方。“我的第一反应是他们弄错了,”萨斯坎德说,他还发表了一篇论文作为反驳,但经过深入思考后他很快又收回了这些言论。“我的第二反应是他们是对的,第三反应是他们还是错的,第四反应是他们又对了。”他笑着说,“这让我得了一个诨名叫‘悠悠’(the yo-yo),但大部分物理学家的反应跟我也差不多。”

从那以后,在arXiv上讨论这个主题的文章超过了40篇,但迄今为止,还没人能在逻辑上找出他们有任何缺陷。“这真是一场美好的争论,这表明我们在对黑洞的理解上存在某种不一致的地方,”唐·佩吉说,他是霍金在上世纪70年代期间的合作伙伴,现在加拿大埃德蒙顿的艾伯塔大学,也是为解决这两难之选而提出创造性方案的成员之一。

“火墙”依然存在大家仍需努力

据萨斯坎德说,大家最看好的一个方案是由美国普林斯顿大学量子物理学家丹尼尔·哈洛和加拿大麦吉尔大学计算机科学家帕得里克·海登共同提出的。他们的考虑是,如果那个宇航员真去测量的话,他能不能觉察到矛盾的存在。为了做到这一点,宇航员要首先对大部分向外发射的霍金辐射进行分析,然后再跳入黑洞检测落入其中的粒子。两人的计算显示,要对辐射加以分析是极其困难的,以至于在他分析完再跳进去之前黑洞就已经蒸发殆尽。“并没有基本法则来阻止宇航员不能测量矛盾,”哈洛说,“但实际上,这是不可能的。”

而吉丁斯认为,火墙悖论需要一个根本性的解决方案。根据他的计算,如果是逃逸粒子离开事件视界一小段距离以后,外发的霍金辐射和落入黑洞的粒子之间的纠缠才被打破,那释放出的能量就会大大减少,并不会产生火焰墙。虽然这保护了等效原则,但却要修改部分量子法则。在欧洲粒子物理研究所的会议上,与会者都对吉丁斯的模型实验大感兴趣:该模型预测,当两个黑洞合并时,它们可能会在时空中形成特殊的波纹,而被地球上的引力波天文台探测到。

此外还有一个方案能挽救等效原则,但由于争议太大而很少人敢去冒这个险:黑洞会有信息损失,在多年前那次打赌中霍金是对的,但却不幸过早地认输。事到如今形势又反了过来,在去年底斯坦福大学召开的关于黑洞火墙的专题讨论会上,正是跟霍金打赌的普利什基尔抛出了这一反面方案。不过反响甚微。“令人惊讶的是,人们并没有认真地思考这一可能性,好像这跟火墙一样疯狂。”普利什基尔说,尽管他本人补充了这一点,但在直觉上他仍认为信息是无损的。

物理学家们不愿把霍金以前的赌约拿来旧事重提,这也是一个迹象,表面了人们对马尔达西那引力—量子理论词典的巨大尊敬,这似乎也证明了信息不会损失。“这是迄今为止对万有引力的最深刻理解,因为它联系到了量子领域。”普金斯基说,他比较了马尔达西那的结果和19世纪的单一理论发现,如与光、电、磁有关的理论。“如果火墙之争发生在上个世纪90年代初,我想可能会引发激烈的关于信息会不会损失的论辩,”布索说,“但是现在,没人想证明‘马尔达西那是错的’。”

这让马尔达西那感到很荣幸,大部分物理学家都支持他而毫不隐晦地反对爱因斯坦,他觉得这有点不可能。“为了完全理解火墙悖论,我们可能还得充实一下词典,但却不必把它扔掉了。”

迄今为止,唯一达成一致的是这一问题不会很快平息。普金斯基摆出了科学家们提出的所有想要“平息”火墙的方案,仔细考虑着他看到的其中的缺陷,最后得出结论说:“我很抱歉没人能推翻火墙,但是请继续努力。”

如果宇航员掉进黑洞会怎样?

转载自:http://www.mzyfz.com/cms/benzhousheping/shepingzhuanqu/keji/html/1246/2013-05-17/content-753892.html

本文作者:兹亚·梅拉利是英国伦敦的自由科学作家。

本文译者:马任意在2006-2010年期间,先后在中国科学院上海天文台和韩国国立忠南大学进行博士后研究,现任教于厦门大虚无利息,研究方向包括黑洞吸积盘理论和宇宙学激波。

如果一个宇航员掉进了黑洞

2012年3月,美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所的弦理论学家约瑟夫·普金斯基开始思考“自杀”的问题——以数学形式进行的思想实验:如果一个宇航员掉进黑洞会发生什么情况?很显然他会死,但究竟怎么个死法呢?

按照当时公认的理论,最初他不会感到有任何特别,即使在他落到黑洞的事件视界时。事件视界是一个看不见的界限,在界限以内没有任何东西能逃离黑洞的吸引。但最终,几小时、几天或几个星期后,如果黑洞足够大,他会开始觉察到拉着他脚的重力比拉着他头的重力更强大,这种吸引力拖着他无情地向下落,重力差会迅速加大而将他撕裂,最终他的遗体会被扯得粉碎而落入黑洞那无限致密核心。

普金斯基和他的两个学生艾哈迈德·艾姆哈里、詹姆斯·萨利,加上该校的另一位弦理论学家唐纳德·马洛夫一起,对这一事件进行了重新计算。根据他们的计算,却呈现出完全不同的另一番场景:量子效应会把事件视界变成沸腾的粒子大漩涡,任何东西掉进去都会撞到一面火焰墙上而被瞬间烤焦。

研究小组在去年7月发表了他们的计算结果,震动了整个物理学界:因为这面火墙违反了基本的物理学法则——等效性原理。等效原理即引力质量和惯性质量等效,在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。按照这一原理,宇航员掉进万有引力场——即便是像黑洞那么强大的引力场时,他所看到的实际景象和飘在太空的观察者所看到的是一样的。等效原理最早在一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦清晰地提出,并作为他《广义相对论》的基础。如果等效原理不成立,爱因斯坦的理论框架也将瓦解。

普金斯基等四人也深知这一推论可能导致的后果,所以还提出了另一种备选结局:没有形成火墙。但这种解释的代价同样巨大,他们不得不牺牲量子力学,这是描述亚原子粒子之间相互作用的理论法则,也是物理学的另一根支柱。

这一结果激起了一股研究火墙热潮,物理学家们纷纷抛出各种方案试图打破僵局,但还没有一篇论文能解释得让所有人都满意。面对这种状况,圣芭芭拉分校的量子物理学家斯蒂芬·吉丁斯说这是“一场物理学基础的危机,需要一次革命才能解决问题。”

上个月,物理学界研究黑洞的专家们齐聚在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所(CERN)召开会议,面对面地讨论了这一问题,希望能打开一条通向“量子引力”统一理论的新途径,将自然界所有的基本力囊括其中——或许这将成为物理学家们几十年来未曾有过的荣耀。

火墙的想法“动摇了大部分人所相信的黑洞理论的基础”,加利福尼亚大学伯克利分校弦理论学家拉斐尔·布索在会议上说,“从根本上说,它把量子力学放在了广义相对论的敌对面,却没给我们留下任何线索:下一步该朝哪个方向走?”

普利什基尔与霍金的“赌局”

说到“火墙危机”的根源,还要追溯到1974年。当时英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金证明,量子效应会使黑洞在达到一定温度后变得孤立,然后黑洞会缓慢地发出热辐射—光子及其他粒子—质量逐渐减少,直到完全蒸发掉。

但这些粒子并不是火墙,落入事件视界的宇航员不会注意到这种辐射,这是它与相对论所描述场景之间的细微差别。但霍金的结果依然令人震惊,因为按照广义相对论方程的描述,黑洞只会吞噬质量而增长,并不会蒸发。

基本上,霍金的争论进入到了对量子领域的观察,“空”间并非是真空,在亚微观的尺度上,它处于一种持续不断的动荡涨落状态:成对的粒子和反粒子不断出现又迅速湮灭。只有在非常精微的实验中,才能观察到这种亚显微程度的混乱。霍金意识到,当一对粒子—反粒子出现在黑洞的事件视界时,其中一个会落入黑洞,使它们不能再结合湮灭,幸存的那个粒子会以辐射形式向外发出,为平衡向外发出粒子的正能量,被吸入的粒子会以负能量进入——这是量子法则所允许的,负能量将从黑洞的质量里扣除,从而使黑洞缩小。

霍金的原始分析已经过提炼并由许多研究人员加以扩展,其结论现在已被广为接受。但这也带来了令人不安的现实,黑洞辐射对量子力学理论提出了质疑。

量子力学认为信息不会消灭。从理论上说,通过检测从黑洞发出辐射的量子态,就可能获得掉进去的那个粒子的一切信息。但霍金指出事情没那么简单:发出辐射是随机的。掷一公斤的石头或一公斤计算机芯片结果都一样,看着黑洞直到它死亡,也没办法知道它是怎么形成的或有什么东西落到了上面。

这称为黑洞信息悖论。对这一问题,物理学家们分成两个阵营:一派以霍金为代表,认为在黑洞死亡时信息真的会消失,如果这与量子法则相矛盾,则需另建更好的量子理论。另一派以加利福尼亚理工学院的量子物理学家约翰·普利什基尔为代表,则坚持站在量子力学这一方。“有一段时间,我很认真地试图重新构建一个包含信息损失的替代理论。” 普利什基尔说,“但我找不到任何有意义的东西,没人能找到。”

这一僵局持续了二十年,直到1997年才有答案,这个答案现已众所周知——当时普利什基尔与霍金公开打赌而获胜,他认为信息不会丢失,因此从霍金那里赢了一本棒球百科全书。但在当年,打破这一僵局全靠哈佛大学物理学家胡安·马尔达西那的发现。

马尔达西那的发现建立在一个更早期观点上,即宇宙中的任何三维区域都可以用二维边界上的信息编码描述出来,这和激光以二维全息图的方式给三维景象编码非常类似。斯坦福大学弦理论学家,也是全息理论创世人之一的莱昂纳多·萨斯坎德说:“我们用‘全息’这个词作为一种隐喻。但经过更多数学推衍后,它似乎拥有了更实际的意义:宇宙是信息在边界上的投影。”

马尔达西那提出的是一个关于全息理论的具体的数学方程,同时借鉴了超弦理论的观点,假设基本粒子是由极微小的能量环振动而形成。他的模型描述了一个只受万有引力统治的、包含了弦和黑洞的三维宇宙,经由一个二维面反射,其中的元素粒子和场域遵循普遍量子法则而无需万有引力。住在此三维空间的居民永远也看不到这个界面,因为它在无限遥远的地方。但这并不重要:三维宇宙中发生的任何事都可以用二维宇宙中的方程同样完好地表达出来,反过来也一样。“我发现了一个数学词典,能让你在这两个世界的‘语言’之间来回转变。” 马尔达西那解释说。

这意味着,即使是一个三维黑洞的蒸发,也能用二维世界的语言来描述,在这里没有万有引力,只以量子法则为最高准则,这里的信息也永远不会丢失。如果这里的信息能被保存,那也已订购能被保存于三维世界中。但出于某种原因,信息却在从黑洞中逸失。

 

那堵让人颠三倒四的“火墙”

几年后,马洛夫证明了任何量子-引力模型都要遵守相同法则,不管它是不是从弦理论构建的。“这一结合了马尔达西那和马洛夫的研究,让我有了转变。”马里兰大学量子物理学家泰德·雅各布说,他长期以来一直坚持信息损失论。2004年,霍金公开承认了他的错误,输给普利什基尔一本厚厚的棒球百科全书,结束了物理学界这场著名的赌约。

这就是马尔达西那发现的意义:让大部分物理学家认为悖论已经解开,虽然还没人能解释霍金辐射怎样从黑洞中走漏了信息的。“我猜测,我们只是都在假设会有一个明确的答案。”普金斯基说。

但事实并非如此。2012年初,当普金斯基和研究小组着手去厘清这模糊的一端时,他们很快碰到了另一个矛盾,这个矛盾让他们导出了致命的火墙。

霍金曾指出,从黑洞中逃逸的任何粒子的量子态都是随机的,所以粒子不可能携带任何有用的信息。但到了上世纪90年代中期,萨斯坎德和其他一些物理学家意识到,如果粒子各自的状态有某种程度的“纠缠”的话,即对其中一个进行测量将立即影响另一个而不管它们之间相隔多远,那么辐射量子态中的信息就能以一个整体的形式被编码。

但实际情况又是怎样的呢?对一个将被发射出去的粒子而言,与其纠缠的“另一半”将牺牲在黑洞里。如果萨斯坎德他们是对的,它还得跟所有在它之前发出的霍金辐射相纠缠。然而在量子力学中有一个严格的事实叫做“纠缠一对一”,即一个量子系统不可能同时与两个独立系统完全纠缠。

为了躲开这一悖论,普金斯基与论文合著者们意识到,其中之一的纠缠关系变得难以为继,为了给霍金辐射编码,不得不放弃。他们决定剪掉逃逸的霍金粒子与其落难“伴侣”之间的联系,但这是有代价的。“这是一个狂暴的过程,就像打破分子键一样要释放出能量。”普金斯基说,这些能量是由于切断大量粒子对之间关联而产生的,因此十分巨大。“事件视界将变成一个大火圈,烧掉任何掉进去的东西。”但是反过来,又违反了等效原则以及它所认定的自由落体所感到的情景应该和飘在太空一样,如果是这样,则物体不可能以烧毁而告终。所以,他们先在arXiv网站发表了一篇论文,坦白地给物理学家们提出了一个两难选择:要么接受火墙的存在,这将打破相对论;要么接受黑洞信息会丢失,量子力学是错的。马洛夫说:“对我们来说,在这两难之选中选择火墙只是不那么疯狂而已。”

这篇论文震惊了整个物理学界。雅各布森说:“把放弃爱因斯坦的等效性原则作为最佳选择,这简直是难以容忍的。”布索也同意,还补充说:“火墙凭空出现在太空中,这可能性并不比一堵砖墙凭空出现撞到人们脸上的可能性更大。”如果爱因斯坦的理论在事件视界不适用,宇宙学家们就不得不怀疑,它在其他地方能不能完全适用。

普金斯基也承认,他们有可能犯下愚蠢的错误,所以他找到了全息理论奠基人之一的萨斯坎德,请他帮忙寻找疏漏的地方。“我的第一反应是他们弄错了,”萨斯坎德说,他还发表了一篇论文作为反驳,但经过深入思考后他很快又收回了这些言论。“我的第二反应是他们是对的,第三反应是他们还是错的,第四反应是他们又对了。”他笑着说,“这让我得了一个诨名叫‘悠悠’(the yo-yo),但大部分物理学家的反应跟我也差不多。”

从那以后,在arXiv上讨论这个主题的文章超过了40篇,但迄今为止,还没人能在逻辑上找出他们有任何缺陷。“这真是一场美好的争论,这表明我们在对黑洞的理解上存在某种不一致的地方,”唐·佩吉说,他是霍金在上世纪70年代期间的合作伙伴,现在加拿大埃德蒙顿的艾伯塔大学,也是为解决这两难之选而提出创造性方案的成员之一。

“火墙”依然存在大家仍需努力

据萨斯坎德说,大家最看好的一个方案是由美国普林斯顿大学量子物理学家丹尼尔·哈洛和加拿大麦吉尔大学计算机科学家帕得里克·海登共同提出的。他们的考虑是,如果那个宇航员真去测量的话,他能不能觉察到矛盾的存在。为了做到这一点,宇航员要首先对大部分向外发射的霍金辐射进行分析,然后再跳入黑洞检测落入其中的粒子。两人的计算显示,要对辐射加以分析是极其困难的,以至于在他分析完再跳进去之前黑洞就已经蒸发殆尽。“并没有基本法则来阻止宇航员不能测量矛盾,”哈洛说,“但实际上,这是不可能的。”

而吉丁斯认为,火墙悖论需要一个根本性的解决方案。根据他的计算,如果是逃逸粒子离开事件视界一小段距离以后,外发的霍金辐射和落入黑洞的粒子之间的纠缠才被打破,那释放出的能量就会大大减少,并不会产生火焰墙。虽然这保护了等效原则,但却要修改部分量子法则。在欧洲粒子物理研究所的会议上,与会者都对吉丁斯的模型实验大感兴趣:该模型预测,当两个黑洞合并时,它们可能会在时空中形成特殊的波纹,而被地球上的引力波天文台探测到。

此外还有一个方案能挽救等效原则,但由于争议太大而很少人敢去冒这个险:黑洞会有信息损失,在多年前那次打赌中霍金是对的,但却不幸过早地认输。事到如今形势又反了过来,在去年底斯坦福大学召开的关于黑洞火墙的专题讨论会上,正是跟霍金打赌的普利什基尔抛出了这一反面方案。不过反响甚微。“令人惊讶的是,人们并没有认真地思考这一可能性,好像这跟火墙一样疯狂。”普利什基尔说,尽管他本人补充了这一点,但在直觉上他仍认为信息是无损的。

物理学家们不愿把霍金以前的赌约拿来旧事重提,这也是一个迹象,表面了人们对马尔达西那引力—量子理论词典的巨大尊敬,这似乎也证明了信息不会损失。“这是迄今为止对万有引力的最深刻理解,因为它联系到了量子领域。”普金斯基说,他比较了马尔达西那的结果和19世纪的单一理论发现,如与光、电、磁有关的理论。“如果火墙之争发生在上个世纪90年代初,我想可能会引发激烈的关于信息会不会损失的论辩,”布索说,“但是现在,没人想证明‘马尔达西那是错的’。”

这让马尔达西那感到很荣幸,大部分物理学家都支持他而毫不隐晦地反对爱因斯坦,他觉得这有点不可能。“为了完全理解火墙悖论,我们可能还得充实一下词典,但却不必把它扔掉了。”

迄今为止,唯一达成一致的是这一问题不会很快平息。普金斯基摆出了科学家们提出的所有想要“平息”火墙的方案,仔细考虑着他看到的其中的缺陷,最后得出结论说:“我很抱歉没人能推翻火墙,但是请继续努力。”

如果宇航员掉进黑洞会怎样?

转载自:http://www.mzyfz.com/cms/benzhousheping/shepingzhuanqu/keji/html/1246/2013-05-17/content-753892.html

本文作者:兹亚·梅拉利是英国伦敦的自由科学作家。

本文译者:马任意在2006-2010年期间,先后在中国科学院上海天文台和韩国国立忠南大学进行博士后研究,现任教于厦门大虚无利息,研究方向包括黑洞吸积盘理论和宇宙学激波。

如果一个宇航员掉进了黑洞

2012年3月,美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校卡弗里理论物理研究所的弦理论学家约瑟夫·普金斯基开始思考“自杀”的问题——以数学形式进行的思想实验:如果一个宇航员掉进黑洞会发生什么情况?很显然他会死,但究竟怎么个死法呢?

按照当时公认的理论,最初他不会感到有任何特别,即使在他落到黑洞的事件视界时。事件视界是一个看不见的界限,在界限以内没有任何东西能逃离黑洞的吸引。但最终,几小时、几天或几个星期后,如果黑洞足够大,他会开始觉察到拉着他脚的重力比拉着他头的重力更强大,这种吸引力拖着他无情地向下落,重力差会迅速加大而将他撕裂,最终他的遗体会被扯得粉碎而落入黑洞那无限致密核心。

普金斯基和他的两个学生艾哈迈德·艾姆哈里、詹姆斯·萨利,加上该校的另一位弦理论学家唐纳德·马洛夫一起,对这一事件进行了重新计算。根据他们的计算,却呈现出完全不同的另一番场景:量子效应会把事件视界变成沸腾的粒子大漩涡,任何东西掉进去都会撞到一面火焰墙上而被瞬间烤焦。

研究小组在去年7月发表了他们的计算结果,震动了整个物理学界:因为这面火墙违反了基本的物理学法则——等效性原理。等效原理即引力质量和惯性质量等效,在任何一个时空点上都可以选取适当的参考系,使物质的运动方程中不再含有引力项,即引力可以局部地消除。按照这一原理,宇航员掉进万有引力场——即便是像黑洞那么强大的引力场时,他所看到的实际景象和飘在太空的观察者所看到的是一样的。等效原理最早在一个世纪前由阿尔伯特·爱因斯坦清晰地提出,并作为他《广义相对论》的基础。如果等效原理不成立,爱因斯坦的理论框架也将瓦解。

普金斯基等四人也深知这一推论可能导致的后果,所以还提出了另一种备选结局:没有形成火墙。但这种解释的代价同样巨大,他们不得不牺牲量子力学,这是描述亚原子粒子之间相互作用的理论法则,也是物理学的另一根支柱。

这一结果激起了一股研究火墙热潮,物理学家们纷纷抛出各种方案试图打破僵局,但还没有一篇论文能解释得让所有人都满意。面对这种状况,圣芭芭拉分校的量子物理学家斯蒂芬·吉丁斯说这是“一场物理学基础的危机,需要一次革命才能解决问题。”

上个月,物理学界研究黑洞的专家们齐聚在瑞士日内瓦附近的欧洲粒子物理研究所(CERN)召开会议,面对面地讨论了这一问题,希望能打开一条通向“量子引力”统一理论的新途径,将自然界所有的基本力囊括其中——或许这将成为物理学家们几十年来未曾有过的荣耀。

火墙的想法“动摇了大部分人所相信的黑洞理论的基础”,加利福尼亚大学伯克利分校弦理论学家拉斐尔·布索在会议上说,“从根本上说,它把量子力学放在了广义相对论的敌对面,却没给我们留下任何线索:下一步该朝哪个方向走?”

普利什基尔与霍金的“赌局”

说到“火墙危机”的根源,还要追溯到1974年。当时英国剑桥大学的物理学家斯蒂芬·霍金证明,量子效应会使黑洞在达到一定温度后变得孤立,然后黑洞会缓慢地发出热辐射—光子及其他粒子—质量逐渐减少,直到完全蒸发掉。

但这些粒子并不是火墙,落入事件视界的宇航员不会注意到这种辐射,这是它与相对论所描述场景之间的细微差别。但霍金的结果依然令人震惊,因为按照广义相对论方程的描述,黑洞只会吞噬质量而增长,并不会蒸发。

基本上,霍金的争论进入到了对量子领域的观察,“空”间并非是真空,在亚微观的尺度上,它处于一种持续不断的动荡涨落状态:成对的粒子和反粒子不断出现又迅速湮灭。只有在非常精微的实验中,才能观察到这种亚显微程度的混乱。霍金意识到,当一对粒子—反粒子出现在黑洞的事件视界时,其中一个会落入黑洞,使它们不能再结合湮灭,幸存的那个粒子会以辐射形式向外发出,为平衡向外发出粒子的正能量,被吸入的粒子会以负能量进入——这是量子法则所允许的,负能量将从黑洞的质量里扣除,从而使黑洞缩小。

霍金的原始分析已经过提炼并由许多研究人员加以扩展,其结论现在已被广为接受。但这也带来了令人不安的现实,黑洞辐射对量子力学理论提出了质疑。

量子力学认为信息不会消灭。从理论上说,通过检测从黑洞发出辐射的量子态,就可能获得掉进去的那个粒子的一切信息。但霍金指出事情没那么简单:发出辐射是随机的。掷一公斤的石头或一公斤计算机芯片结果都一样,看着黑洞直到它死亡,也没办法知道它是怎么形成的或有什么东西落到了上面。

这称为黑洞信息悖论。对这一问题,物理学家们分成两个阵营:一派以霍金为代表,认为在黑洞死亡时信息真的会消失,如果这与量子法则相矛盾,则需另建更好的量子理论。另一派以加利福尼亚理工学院的量子物理学家约翰·普利什基尔为代表,则坚持站在量子力学这一方。“有一段时间,我很认真地试图重新构建一个包含信息损失的替代理论。” 普利什基尔说,“但我找不到任何有意义的东西,没人能找到。”

这一僵局持续了二十年,直到1997年才有答案,这个答案现已众所周知——当时普利什基尔与霍金公开打赌而获胜,他认为信息不会丢失,因此从霍金那里赢了一本棒球百科全书。但在当年,打破这一僵局全靠哈佛大学物理学家胡安·马尔达西那的发现。

马尔达西那的发现建立在一个更早期观点上,即宇宙中的任何三维区域都可以用二维边界上的信息编码描述出来,这和激光以二维全息图的方式给三维景象编码非常类似。斯坦福大学弦理论学家,也是全息理论创世人之一的莱昂纳多·萨斯坎德说:“我们用‘全息’这个词作为一种隐喻。但经过更多数学推衍后,它似乎拥有了更实际的意义:宇宙是信息在边界上的投影。”

马尔达西那提出的是一个关于全息理论的具体的数学方程,同时借鉴了超弦理论的观点,假设基本粒子是由极微小的能量环振动而形成。他的模型描述了一个只受万有引力统治的、包含了弦和黑洞的三维宇宙,经由一个二维面反射,其中的元素粒子和场域遵循普遍量子法则而无需万有引力。住在此三维空间的居民永远也看不到这个界面,因为它在无限遥远的地方。但这并不重要:三维宇宙中发生的任何事都可以用二维宇宙中的方程同样完好地表达出来,反过来也一样。“我发现了一个数学词典,能让你在这两个世界的‘语言’之间来回转变。” 马尔达西那解释说。

这意味着,即使是一个三维黑洞的蒸发,也能用二维世界的语言来描述,在这里没有万有引力,只以量子法则为最高准则,这里的信息也永远不会丢失。如果这里的信息能被保存,那也已订购能被保存于三维世界中。但出于某种原因,信息却在从黑洞中逸失。

 

那堵让人颠三倒四的“火墙”

几年后,马洛夫证明了任何量子-引力模型都要遵守相同法则,不管它是不是从弦理论构建的。“这一结合了马尔达西那和马洛夫的研究,让我有了转变。”马里兰大学量子物理学家泰德·雅各布说,他长期以来一直坚持信息损失论。2004年,霍金公开承认了他的错误,输给普利什基尔一本厚厚的棒球百科全书,结束了物理学界这场著名的赌约。

这就是马尔达西那发现的意义:让大部分物理学家认为悖论已经解开,虽然还没人能解释霍金辐射怎样从黑洞中走漏了信息的。“我猜测,我们只是都在假设会有一个明确的答案。”普金斯基说。

但事实并非如此。2012年初,当普金斯基和研究小组着手去厘清这模糊的一端时,他们很快碰到了另一个矛盾,这个矛盾让他们导出了致命的火墙。

霍金曾指出,从黑洞中逃逸的任何粒子的量子态都是随机的,所以粒子不可能携带任何有用的信息。但到了上世纪90年代中期,萨斯坎德和其他一些物理学家意识到,如果粒子各自的状态有某种程度的“纠缠”的话,即对其中一个进行测量将立即影响另一个而不管它们之间相隔多远,那么辐射量子态中的信息就能以一个整体的形式被编码。

但实际情况又是怎样的呢?对一个将被发射出去的粒子而言,与其纠缠的“另一半”将牺牲在黑洞里。如果萨斯坎德他们是对的,它还得跟所有在它之前发出的霍金辐射相纠缠。然而在量子力学中有一个严格的事实叫做“纠缠一对一”,即一个量子系统不可能同时与两个独立系统完全纠缠。

为了躲开这一悖论,普金斯基与论文合著者们意识到,其中之一的纠缠关系变得难以为继,为了给霍金辐射编码,不得不放弃。他们决定剪掉逃逸的霍金粒子与其落难“伴侣”之间的联系,但这是有代价的。“这是一个狂暴的过程,就像打破分子键一样要释放出能量。”普金斯基说,这些能量是由于切断大量粒子对之间关联而产生的,因此十分巨大。“事件视界将变成一个大火圈,烧掉任何掉进去的东西。”但是反过来,又违反了等效原则以及它所认定的自由落体所感到的情景应该和飘在太空一样,如果是这样,则物体不可能以烧毁而告终。所以,他们先在arXiv网站发表了一篇论文,坦白地给物理学家们提出了一个两难选择:要么接受火墙的存在,这将打破相对论;要么接受黑洞信息会丢失,量子力学是错的。马洛夫说:“对我们来说,在这两难之选中选择火墙只是不那么疯狂而已。”

这篇论文震惊了整个物理学界。雅各布森说:“把放弃爱因斯坦的等效性原则作为最佳选择,这简直是难以容忍的。”布索也同意,还补充说:“火墙凭空出现在太空中,这可能性并不比一堵砖墙凭空出现撞到人们脸上的可能性更大。”如果爱因斯坦的理论在事件视界不适用,宇宙学家们就不得不怀疑,它在其他地方能不能完全适用。

普金斯基也承认,他们有可能犯下愚蠢的错误,所以他找到了全息理论奠基人之一的萨斯坎德,请他帮忙寻找疏漏的地方。“我的第一反应是他们弄错了,”萨斯坎德说,他还发表了一篇论文作为反驳,但经过深入思考后他很快又收回了这些言论。“我的第二反应是他们是对的,第三反应是他们还是错的,第四反应是他们又对了。”他笑着说,“这让我得了一个诨名叫‘悠悠’(the yo-yo),但大部分物理学家的反应跟我也差不多。”

从那以后,在arXiv上讨论这个主题的文章超过了40篇,但迄今为止,还没人能在逻辑上找出他们有任何缺陷。“这真是一场美好的争论,这表明我们在对黑洞的理解上存在某种不一致的地方,”唐·佩吉说,他是霍金在上世纪70年代期间的合作伙伴,现在加拿大埃德蒙顿的艾伯塔大学,也是为解决这两难之选而提出创造性方案的成员之一。

“火墙”依然存在大家仍需努力

据萨斯坎德说,大家最看好的一个方案是由美国普林斯顿大学量子物理学家丹尼尔·哈洛和加拿大麦吉尔大学计算机科学家帕得里克·海登共同提出的。他们的考虑是,如果那个宇航员真去测量的话,他能不能觉察到矛盾的存在。为了做到这一点,宇航员要首先对大部分向外发射的霍金辐射进行分析,然后再跳入黑洞检测落入其中的粒子。两人的计算显示,要对辐射加以分析是极其困难的,以至于在他分析完再跳进去之前黑洞就已经蒸发殆尽。“并没有基本法则来阻止宇航员不能测量矛盾,”哈洛说,“但实际上,这是不可能的。”

而吉丁斯认为,火墙悖论需要一个根本性的解决方案。根据他的计算,如果是逃逸粒子离开事件视界一小段距离以后,外发的霍金辐射和落入黑洞的粒子之间的纠缠才被打破,那释放出的能量就会大大减少,并不会产生火焰墙。虽然这保护了等效原则,但却要修改部分量子法则。在欧洲粒子物理研究所的会议上,与会者都对吉丁斯的模型实验大感兴趣:该模型预测,当两个黑洞合并时,它们可能会在时空中形成特殊的波纹,而被地球上的引力波天文台探测到。

此外还有一个方案能挽救等效原则,但由于争议太大而很少人敢去冒这个险:黑洞会有信息损失,在多年前那次打赌中霍金是对的,但却不幸过早地认输。事到如今形势又反了过来,在去年底斯坦福大学召开的关于黑洞火墙的专题讨论会上,正是跟霍金打赌的普利什基尔抛出了这一反面方案。不过反响甚微。“令人惊讶的是,人们并没有认真地思考这一可能性,好像这跟火墙一样疯狂。”普利什基尔说,尽管他本人补充了这一点,但在直觉上他仍认为信息是无损的。

物理学家们不愿把霍金以前的赌约拿来旧事重提,这也是一个迹象,表面了人们对马尔达西那引力—量子理论词典的巨大尊敬,这似乎也证明了信息不会损失。“这是迄今为止对万有引力的最深刻理解,因为它联系到了量子领域。”普金斯基说,他比较了马尔达西那的结果和19世纪的单一理论发现,如与光、电、磁有关的理论。“如果火墙之争发生在上个世纪90年代初,我想可能会引发激烈的关于信息会不会损失的论辩,”布索说,“但是现在,没人想证明‘马尔达西那是错的’。”

这让马尔达西那感到很荣幸,大部分物理学家都支持他而毫不隐晦地反对爱因斯坦,他觉得这有点不可能。“为了完全理解火墙悖论,我们可能还得充实一下词典,但却不必把它扔掉了。”

迄今为止,唯一达成一致的是这一问题不会很快平息。普金斯基摆出了科学家们提出的所有想要“平息”火墙的方案,仔细考虑着他看到的其中的缺陷,最后得出结论说:“我很抱歉没人能推翻火墙,但是请继续努力。”