黑洞战争与全息原理

    《黑洞战争》是一本回忆录，作者是当代最后一名费曼式的物理学家，斯坦福大学的伦纳德·萨斯坎德。他参与了一场旷日持久的战争，一场对黑洞本质的辩论大战，这场大论战扭转了物理学家对世界本质的认识，引发了一场全新的革命，极大地推动了物理学的发展。参加论战的一方主要是萨斯坎德本人和1999年诺贝尔物理奖获得者、荷兰国宝级物理学家赫拉德·特霍夫特；另一方则是公众心目中最熟悉的物理学家斯蒂芬·霍金。

    黑洞是公众都听说过但是又不甚了解的一个词，虽然早在200多年前拉普拉斯就提出过类似的概念；1917年卡尔·史瓦西就从数学上构造出了黑洞的数学结构，物理学上严格的黑洞概念于1939年由奥本海默等提出；但直到1965年，著名物理学家约翰·惠勒提出了“黑洞”这个通俗易懂的名词以后，它的特性才为公众所熟知，并迅速引起人们的极大关注，成为科幻小说和好莱坞电影中的常客。

    关于黑洞的特性，几乎每个人都能说上几句，比如，物体一旦进入黑洞视界，就永远不能再逃出黑洞的魔爪；黑洞中心有奇点，任何物质进入黑洞都会被撕裂；黑洞周围的时空会发生极大的错乱，掉进黑洞的物体，从外界来看似乎永远在往下掉，这个过程一直持续到无穷远的未来；等等。

    如此神奇的一个物理学对象，物理学家们当然趋之若鹜。但是，研究越深入，物理学家对黑洞本质的争议越大。在黑洞研究史上，曾经有过四次赌局，霍金参与了其中三次赌局。第一次是钱德拉塞卡与凯普·索恩为旋转黑洞的稳定性问题而打赌，索恩赢；第二次是1975年索恩与霍金为天鹅座X－1是否包含黑洞打赌，霍金输；第三次是1991年霍金与索恩、约翰·普雷斯基尔为黑洞裸奇点是否存在而打赌，霍金输；第四次1997年霍金再次与索恩和普雷斯基尔打赌，物质掉入黑洞后信息是否会丢失。本书所描写的，正是这第四次赌局。

    在这里简单介绍一下黑洞信息丢失问题。正如大家都知道的，任何物质进入黑洞视界后都无法返回，原本饱含信息的物质掉入黑洞以后，信息似乎发生了丢失，因为黑洞只会放出几乎不含信息的热辐射，如果黑洞真的辐射到最后，彻底变成热，那么形成黑洞的那些物质所带进去的信息会从宇宙中消失掉。一直以来，量子物理学家们对霍金辐射抱有保留意见，这会破坏他们所珍视的轻、重子数守恒等重要的守恒定律。更重要的是，这样一个过程不满足幺正性，这直接违反了量子力学的基本原理。如果黑洞真的导致信息丢失，那么量子力学这座宏伟的理论大厦就要坍塌。量子力学和广义相对论是现代物理的两大基础，这两个理论都极为成功，获得了众多实验的精确验证；不过这两个理论似乎水火不相容，一直以来，人们试图融合这两个看起来毫不相干的理论，但总是失败，黑洞信息丢失问题只是广义相对论与量子理论相冲突的又一个典型例子。因此，虽然这次打赌的人只有霍金、索恩和普雷斯基尔这三位广义相对论学家，但由于这次论战涉及到两大基本原理的本质冲突，整个物理学界都极为关注。一般来说广义相对论界是支持霍金的，而量子界则普遍怀疑霍金的观点。

    问题解决的关键在于特霍夫特和萨斯坎德所提出的一个全新的物理学原理：全息原理。这个原理认为，世界上每一比特的信息都存储在这个宇宙的边界上，边界就像全息图一样记载了全空间的所有信息，包括所有的物质组成，所有的相互作用。最重要的是，物质落入黑洞的过程完全可以用边界上的量子理论来描述，所有过程都是既不违反量子力学、也不违反引力理论。

    全息原理是物理学最近五十年中最具革命性、最重要的物理思想，其地位相当于量子论的测不准原理、相对论的相对性原理和光速不变原理或等效原理，是物理学的公理性原理。在本书中萨斯坎德详尽地介绍了他和特霍夫特如何从黑洞熵等工作中猜出全息原理，如何将全息原理应用到黑洞中，如何和其他超弦学家合作构造出一些具体黑洞的熵，弦理论如何结合全息原理获得巨大发展，等等。

    在书中，萨斯坎德还介绍了他所钟爱的黑洞互补原理。物体进入黑洞时，存在两类观测者，在黑洞外部的观测者和伴随物质掉入黑洞的观测者；在外部观测者看来，信息被极热的量子视界面上加热并蒸发出来，整个过程是量子力学式的，信息未丢失，而是被“反射”出黑洞；而从伴随观测者看来，信息随着物体下落，没有任何特殊事件发生，信息未丢失。两种观测者是互补的，但两种参考者不可能同时存在，就像量子力学中不能同时精确测量动量和位置一样。

    萨斯坎德非常喜爱黑洞互补原理，其实如果用最新的观点来看，黑洞信息丢失问题可以更简洁地解释：在全息原理中空间中的黑洞可以用边界上的非零温量子场论来描述，表面上看物质的信息被黑洞视界遮住，看不见了；可是在边界上对应的信息仍然存在，信息并未丢失。实际上，到1998年物理学家们就已经用全息原理直接计算出了多种黑洞的熵，计算表明霍金蒸发并非随机的，其中包含了进入黑洞的物质的所有信息。

    黑洞熵的计算是极大的成功，很多对弦论抱有怀疑态度的物理学家因为这个工作转而支持弦论起来了。而这一切，都离不开全息原理，离不开萨斯坎德、特霍夫特与霍金长达30年的学术争论。萨斯坎德写道：“……就科学而言，本人与他（霍金）的关系，可称为势不两立。在有关黑洞、信息及所有类似事物的深层次问题上，我们有着深刻的分歧……”全息原理的这一成功，使得物理学界对黑洞信息丢失问题的看法得到扭转。最后，连霍金本人也认输了。

    2004年7月21日，第17界广义相对论和引力国际会议在爱尔兰首都都柏林市举行。霍金宣布，黑洞的演化是符合因果律的，并没有丢失信息，他输掉了这场赌赛，并送给普雷斯基尔一套板球百科全书。有趣的是，虽然第四场赌局的获胜者是索恩和普雷斯基尔，但是索恩并不同意霍金单方面宣布失败的意见，认为这事不应该霍金一个人说了算；而普雷斯基尔则直接表示没有听懂霍金的报告，搞不清为什么自己突然赢了。虽然2004年霍金宣布赌局失败时所采用的证明没有使用全息原理，而是采用传统的量子场论方法，但是全息原理的应用已经超出弦理论、黑洞，而在越来越广阔的领域发挥着重要坐用，比如量子色动力学、夸克胶子等离子体物理，并开创了全息超导、全息超流等新领域。

    这是来自最前沿的大物理学家所提供的第一手资料，不仅对物理学爱好者有极大的帮助，对于科学史家也是极为珍贵的历史资料，对正在学习相关理论的年轻教师和研究生，也有很好的借鉴作用。萨斯坎德很崇拜费曼，不仅学习费曼思考物理的方式，还在生活中也学习费曼，活得非常精彩。像费曼一样，他极其重视物理思想。萨斯坎德有着很强的直觉，能超越公式的迷雾，把握住物理现象背后的本质规律，这也是他能成为全息原理开创者的重要原因。

    本书的译者之一李新洲先生是国内最早从事量子场论数学结构研究的先驱者之一，对全息原理有着深刻的认识，很早就关注相关工作并多次在国内科普期刊上进行推介，如今又在第一时间将萨斯坎德的书译成中文，希望广大物理爱好者和相关专业人士能够参考和借鉴。