魏郎爾

據(jù)《科學美國人》報道，以色列物理學家雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）于2015年8月17日逝世，享年68歲。

貝肯斯坦的名字可能在物理學界之外沒有幾個人聽說過，但他所從事的主要領域，卻可能是現(xiàn)代物理學創(chuàng)造的最廣為人知的概念之一——黑洞。而在黑洞領域，他的貢獻舉足輕重。

黑洞是什么？它是黑的。被它吸進去的人出不來，基本上會死，但也許可以穿越時空。我們對黑洞的了解大多停留在此，這恐怕還是看過《星際穿越》之后的結果。它在科幻領域里是重要的道具，但僅此而已。要說和黑洞相關的名字，大概能想到的也就是斯蒂芬·霍金和基普·索恩了。

黑洞從誕生的那一刻起，就讓物理學家頭大不已。

黑洞降生在第一次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)壕中。德國物理學家、國防軍炮兵中尉卡爾·史瓦西在東線面對著俄國人的子彈和炮火，靠物理學來緩解戰(zhàn)爭的恐懼。他在戰(zhàn)壕中患上了一種罕見而極為嚴重的皮膚病——天皰瘡，并于1916年去世，年僅42歲。但在他生命的最后一年里，他依然出產(chǎn)了三篇極為重要的論文，其中一篇就是基于當時愛因斯坦剛剛發(fā)表的廣義相對論而進行的推算。他在狹小的戰(zhàn)壕中計算廣大空間的曲率，卻遇到了一個難題——方程雖然是有解的，但有一個解在某一點上似乎“爆炸”了，得出了無法理解的結果。

50多年后，物理學家將這個奇特的解稱為“黑洞”。今天我們幾乎可以肯定，黑洞真的存在于我們的宇宙中。但史瓦西不能理解自己的計算結果，不是沒有理由的。一個黑色的、引力強到連光都無法逃脫的物體，看起來很簡單，卻引發(fā)了不計其數(shù)的問題。

亞瑟·愛丁頓爵士曾經(jīng)說，“如果有人指出你心愛的宇宙理論和麥克斯韋方程矛盾，那麥克斯韋方程也許會倒霉。如果你的理論和實際觀察矛盾，實驗物理學家有時候會把事情搞砸。但如果你的理論和熱力學第二定律矛盾——那我不能給你一絲一毫的希望，你的理論必將在最深重的羞辱中轟然坍塌?！?/p>

而我們開始對黑洞的描述，恰恰就是這樣！雅各布·貝肯斯坦發(fā)現(xiàn)，早年對黑洞的描述是和熱力學沖突的。

如果我們有一團熱氣體，它里面分子在快速亂飛，因而很無序，“熵”很高。把它丟進黑洞里，一旦跨越了黑洞的“邊界”，它就出不來了。但進去之后會發(fā)生什么？假如黑洞真的只是一個無限壓縮器，把所有東西都壓到一起，變成廣義相對論設想的平滑無特征的一小點，那原來的混亂狀態(tài)就沒了，熵也沒有了。這就是赤裸裸地違反了熱力學第二定律。

因此，黑洞必須有熵。但光說有不行，到底有多少？

1972年，貝肯斯坦在《物理學評論》發(fā)表了一篇里程碑式的論文，標題就十分霸氣：黑洞和熵。他提出，黑洞的熵就是它的表面積除以普朗克常數(shù)平方再乘以一個無量綱數(shù)?；蛘哒f，越大的黑洞熵越多，和表面積完全成正比。

而且，因為信息和熵之間密不可分的關系，這篇論文也成功地給黑洞內所能包含的信息乃至有限空間內所能包含的最大信息規(guī)定了上限。今天我們稱之為“貝肯斯坦上限”。

這是一個典型的能讓所有其他人都變成馬后炮的結論：講出來之后就很符合直覺，但沒有他的論證，別人就是抓不住。

要問這個結論有什么了不起？過去40年里理論物理學一些最重要的觀點，全都是在這個基礎上出來的。

20世紀物理學最偉大的兩個成就，一個是廣義相對論，一個是量子力學。廣義相對論一般用來處理很大的東西，比如引力、時空彎曲，質量太小的東西，用它來處理則不明顯；而量子力學一般用來對付很小的東西，甚至比原子更小，太大的東西，用它不好計算。

黑洞的引力非常大，但又非常致密，能把許多質量壓到很小的一點上，這樣兩者就都適用，然而物理學家發(fā)現(xiàn)它們走到一起似乎會產(chǎn)生矛盾。

這個矛盾非同小可。物理學界的圣杯是所謂的“萬物之理”，一個單一理論解釋所有物理現(xiàn)象。但是在一個至關重要的地方——統(tǒng)一四種作用力——物理學家卡住了。引力和剩下的幾種力看起來簡直大相徑庭，而所屬的理論也不同：引力歸廣義相對論管，而電磁力之類的則歸量子力學。

二者的矛盾必須調和，要調和必須找到一個二者都能發(fā)揮作用的地方，而黑洞就是這樣一個地方。而要統(tǒng)一四種作用力（尤其是引力和其他三種力），黑洞是至關重要的入手點。在這個基礎上，出現(xiàn)了無數(shù)的進展。

比如霍金最出名的貢獻之一：霍金輻射。傳統(tǒng)上認為黑洞是不能向外發(fā)出任何東西的。當初貝肯斯坦提出黑洞熵理論后，霍金曾經(jīng)表示不相信：要有熵就得有溫度，要有溫度就一定要向外發(fā)出熱輻射，這怎么可能！

然而兩年之后霍金意識到，由于量子力學的不確定性原理，黑洞真的會釋放出一點點輻射，并且滿足黑體輻射的公式。今天，霍金輻射也被稱為霍金-貝肯斯坦輻射。

再比如黑洞信息悖論。量子力學是一個處理概率的學科，概率和信息是直接對應的。但是所謂概率，只有當所有可能發(fā)生的情況加起來等于1的時候才有意義，不然就講不通。這就帶來了一個后果——信息永遠不能丟失，也不能被真正復制。

霍金輻射提出之后，一個看似自然的推論就是，如果你始終不往黑洞里喂東西，它的輻射最終會讓自己完全蒸發(fā)。那蒸發(fā)之后的信息哪里去了？自然的想法是這些信息從黑洞里跑掉了——但是黑洞里的信息自己是不能出來的，要跑掉必須復制，而這一復制又違背了另一個規(guī)定。

黑洞會蒸發(fā)殆盡，進入黑洞的信息是隨之消失了，還是以某種機制被保存下來？這個悖論還沒有完整的解決方案，它背后也許反映了量子力學是不完備的，解決了它，也許就找到了量子力學和廣義相對論協(xié)調的方式。但無論如何，它誕生于黑洞的信息和熵理論，解法也一定與貝肯斯坦的貢獻密不可分。

再比如互補性原理和全息原理。它來自對抗黑洞信息悖論的思路之一?；パa性原理認為，雖然黑洞里的觀測者是看到信息掉進去了，但黑洞外的觀測者看到的只是信息堆在事件視界上，沒有真的掉進去。這是廣義相對論的時間稀釋原理的表現(xiàn)，越靠近黑洞引力越強，時間流逝越慢，所以外面的人永遠看不到信息真的落入黑洞。兩個觀測者不能溝通，所以并不矛盾。

但這就意味著全息原理必須成立——黑洞內部的三維的信息，經(jīng)過某種神秘的變換，可以在二維的表面上完全體現(xiàn)出來，并且不涉及引力？雖然聽起來很瘋狂，但一系列證據(jù)表明它可能真的在某些場合下成立。

更加瘋狂的是，后來物理學家提出，弦理論——就是生活大爆炸里謝耳朵成天用來唬人的那個理論——和量子理論是等價的，前提是后者不包含引力而且維度更低。這種神奇的場/弦對應和全息理論不謀而合，而且經(jīng)過更復雜的數(shù)學把戲之后，真的就能把信息在蒸發(fā)過程中丟出去還不違反量子理論。量子理論沒事兒，要修的是相對論。

但別高興得太早，問題還沒解決呢——比如互補性原則推導出來的黑洞火墻悖論。這是一個更加微妙更加麻煩的悖論，也是過去三年里最令相關研究者頭大的悖論之一，此處不再詳述；但這依然和黑洞信息、黑洞熵密不可分，依然是貝肯斯坦栽下的樹上開出的花朵之一。

而這棵大樹最終可能會讓我們解決量子力學和廣義相對論的沖突，得到完整的量子引力理論——從而克服過去一百年間最為困擾物理學家的難題。

有些科學家是天生的明星，但更多的科學家在學界之外就默默無聞。以學術的角度而言，這絕對不意味著后者就不重要了——貝肯斯坦就是這樣一位研究者。斯人已逝，但他的思想會繼續(xù)流傳下去，也許將為后世我們最偉大的物理學成就——萬物之理奠基。（來源：果殼網(wǎng) 責任編輯/梅松）