前言



第一部 風雲變色

1 第一槍

2 暗星

3 不是老祖宗的幾何學

4 「愛因斯坦，別指示上帝該做什麼」

5 普朗克創造了更好的衡量標準

6 在百老匯的酒吧裡

7 能量與熵

8 惠勒的子弟兵（或：黑洞裡可以裝進多少資訊？）

9 黑光



第二部 突襲

10 霍金的資訊是怎麼遺失的，又不知從何找起

11 荷蘭抵抗運動

12 誰會在意？

13 僵持不下

14 阿斯本的小衝突



第三部 回擊

15 聖巴巴拉之役

16 等等！把重接好的神經迴路還原吧

17 亞哈船長在劍橋

18 宇宙是個全像圖



第四部 縮小戰線

19 大規模推論武器

20 愛麗絲的飛機（或：可看見的最後那個螺旋槳）

21 數黑洞

22 南美戰勝

23 核物理？你在開玩笑吧！

24 謙卑

後記

謝誌

名詞解釋



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推薦序



葉振斌，國立東華大學物理系副教授



　　黑洞資訊問題是量子力學和廣義相對論之間產生的矛盾，而這兩個理論都有數學上的美妙架構，和無懈可擊的實驗證據支持，因此要修正任何一方都是很困難的，也更難相信我們大自然會由無法相容的零件拼湊而成。



　　因此在1970年代霍金提出此問題，認為黑洞在輻射的過程中違反量子力學原則後，就吸引了許多極為傑出的理論物理學家的關注，包括了本書的作者色斯金，他認為量子力學的原則是對的，而在重力效應重要的黑洞，像霍金一樣用粒子的場來描述這世界的基本組成是不合適的，因此便開始了這場「黑洞戰爭」。



　　色斯金是理論物理學家，也是個說故事高手，事實上他寫學術文章的方法也像在說故事一樣，正如他和學生的討論方式，並不是像大家想像中的物理學家那樣充滿數學推導和計算，而是大部分時候像在聊天，偶爾畫些圖，物理學家稱這樣的研究方式為「思想實驗」。愛因斯坦就是思想實驗的箇中好手，這是在臺灣受基礎科學訓練出來的人很難想像的，我們的教育缺乏的，正是這種從看似瑣碎零星的線索中分析歸納出背後真理的想像力，在本書中便有許多這樣的示範。



　　另外雖然在色斯金的書中似乎以一方認輸結束了這場戰爭，不過其實這場戰爭還在持續著，甚至因為結合了量子計算的發展而變得更加火熱，在這本書原文出版（2008年）之後，黑洞資訊問題有了一個新的轉折，那就是「黑洞火牆」悖論的發現，因此讓許多理論物理學家回頭過來想，弦論、全像原理、互補原理就足以拯救量子力學嗎？更甚者，就算霍金認輸了，可是至今還沒有任何一位物理學家可以明確的指出，霍金的計算到底是那裡出錯了。



　　註：筆者在2005-2009年為色斯金的博士班指導學生



前言



有太多東西需要深知，卻沒有什麼可從中深知的。

——羅伯特?海萊因，《異鄉異客》



　　東非莽原上，有一頭年邁的母獅子在窺伺牠想獵得的晚餐。牠偏好年老、反應較慢的獵物，但年輕、健康的羚羊是牠的唯一選擇。羚羊敏銳的眼睛位於頭部兩側，非常適合眼觀四處，搜尋危險的掠食者。獅子的雙眼直視前方，非常適合鎖定獵物，判斷距離。



　　這一次，羚羊的廣角掃描器沒看見掠食者，而且牠就在對方的襲擊範圍內游蕩。獅子孔武有力的後腿一蹬，就撲向驚慌失措的受害者。永恆的競賽再度展開。



　　儘管受年事拖累，這頭獅子仍是優秀的短跑健將。起初差距縮小了，但獅子力大無窮的快縮肌逐漸缺氧。沒過多久，羚羊天生的耐力勝出，到某一刻，獅子和獵物的相對速度翻轉了；縮小的差距又開始拉開。察覺到命運逆轉的瞬間，獅子殿下自認失敗，潛回矮樹叢中。



　　五萬年前，有個疲憊不堪的獵人發現一個巨石堵住的洞口：要是他能搬開沉重的障礙物，就有個安全的安身處。這個獵人能挺直站著，跟長得像人猿的祖先不一樣。他用那種直立的姿勢，使勁推巨石，但巨石一動也不動。為了取得更有利的角度，獵人讓腳遠離大石一些。當他的身體幾乎呈水平時，施力在恰當方向上的分量會大得多。巨石移動了。



　　距離？速度？正負變號？角度？作用力？分量？獵人未受過教育的腦袋裡，進行過哪些十分複雜的計算，更不必說那頭獅子了？我們通常會在大學物理教科書裡初次遇到這些專門的觀念。那頭獅子從哪裡學會判斷獵物的速度，甚至相對速度？那個獵人修過物理課，學了作用力的觀念嗎？也學到三角學，會計算正弦值和餘弦值來算出分量嗎？



　　事實當然是，所有複雜的生命形式都有內建好了的、出於本能的物理觀念，這些觀念已經透過演化放進天生的神經系統中，#1沒有這個預先編寫好的物理軟體，就不可能生存下來。突變與天擇讓我們成為物理學家，甚至動物。人類腦容量大，就讓這些本能演變成我們意識層次上的觀念。



　　替我們自己重新接線



　　事實上，我們都是古典#2物理學家。我們憑本能感受力、速度與加速度。羅伯特?海萊因（Robert Heinlein）在科幻小說《異鄉異客》（Stranger in a Strange Land, 1961）中，發明了grok（深知）這個字#3，來表達對於某個現象有這種極為憑直覺、幾乎發自內心深處的理解。我深知力、速度與加速度。我深知三維空間。我深知時間和數字5 。石子或長矛的軌跡是可深知的。但當我嘗試把它應用到十維時空或101,000這個數字，甚至應用到充滿電子的世界和海森堡測不準原理時，我的內建標準規格深知器就故障了。



　　在20世紀之交，直覺大規模故障了；物理學忽然發現自己對完全陌生的現象感到困惑不已。亞伯特?邁克生（Albert Michelson）和愛德華?莫立（Edward Morley）發現偵測不到地球穿過假想以太（ether）的軌道運動時#4，我的祖父已經十歲了。他二十多歲時，世人才知道有電子；在愛因斯坦發表狹義相對論那年，他三十歲，而當海森堡發現測不準原理時，他已步入中年。演化的壓力不可能讓人類出於本能理解這些完全不同的世界。不過，我們神經網路中的某種東西，至少在我們當中的某些人身上，已經準備好做一次非比尋常的重接線，不僅能讓我們詢問這些晦澀難解的現象，還能建構出數學上的抽象概念（非常難憑直覺理解的新概念）去處理並解釋這些現象。



　　快速，創造了第一個重新接線的需求——速度快到幾乎比得上轉瞬即逝的光束的速度。在20世紀之前，沒有任何一種動物的移動速度快過每小時100英里，即使在今天，光行進得實在太快了，除了科學上的目的外，對其他各方面而言它根本沒行進：燈一打開，光就即刻出現了。早期人類根據像光速這樣的超高速進行調適，不需要與生俱來的大腦線路。



　　為了速度重新接線，是突然間發生的。愛因斯坦不是異類；他默默無聞努力了十年，把自己的老舊牛頓物理接線換掉。但在當時的物理學家看來，想必就像他們當中自然出現了一種新人類——某個能從四維時空（space-time）而不是三維空間的角度觀看世界的人。



　　為了把他所稱的狹義相對論與牛頓的重力論統合起來，愛因斯坦又奮戰了十年——這次是在物理學家萬目睽睽下。最後出現的就是廣義相對論，完全改變了對於幾何學的所有傳統看法。時空變得柔韌、扭曲或變形，有物質存在時，它幾乎就像一張處於壓力下的橡皮紙。在過去，時空是被動的，它的幾何性質是固定不變的；在廣義相對論中，時空成為主動的參與者：行星、恆星等大質量物體可讓它變形，但無法把它視覺化——不管怎麼樣，沒有大量額外的數學就辦不到。



　　1900年，也就是愛因斯坦站上舞臺的前五年，還有一個更古怪的典範轉移啟動了：有人發現光是由光子#5或光量子這種粒子組成的。光的光子理論只在暗示即將到來的革命；思想上的訓練會遠比史上所見的任何事情來得抽象。量子力學不僅僅是新的自然律，還需改變古典邏輯法則，也就是每個心智健全的人用來作推論的普通思考法則。它看起來很荒誕，但無論荒誕與否，物理學家都能用一種叫做量子邏輯（quantum logic）的新邏輯替自己重新接線。我在第4章會解釋你必須熟悉的量子力學知識，請做好被它搞迷糊的準備。每個人都一樣。



　　相對論和量子力學從一開始就是勉強湊成對的夥伴。它們一奉子成婚，就開始出現暴力行為了——針對物理學家每一個可能的提問，數學都會爆發出狂暴的極大數字。量子力學和狹義相對論花了半個世紀才調解，但數學上的不一致性最後終於消除了。到1950年代初期，理查?費曼（Richard Feynman）、朱利安?許溫格（Julian Schwinger）、朝永振一郎（Sin-Itiro Tomanaga）和弗里曼?戴森（Freeman Dyson）#6已經為狹義相對論與量子力學的綜合體，稱為量子場論（Quantum Field Theory），打下基礎，但廣義相對論（愛因斯坦為狹義相對論和牛頓重力論所提出的綜合體）與量子力學仍然調解不了，儘管不乏嘗試。費曼、史帝芬?溫伯格（Steven Weinberg）、布萊斯?德威特（Bryce DeWitt）和約翰?惠勒（John Wheeler）都曾嘗試把愛因斯坦的重力方程式「量子化」，但得到的結果全是數學垃圾。這也許不令人意外；量子力學管轄非常輕的東西所構成的世界，相形之下，重力似乎只對非常重的大團物質很重要。假設沒什麼東西夠輕，讓量子力學變得重要，而且又要夠重，使重力變得重要，似乎是很保險的做法。因此在整個20世紀下半葉，許多物理學家認為追求這樣的統合理論一無是處，只適合瘋子和哲學家。



　　但其他人認為這個看法目光短淺，在他們看來，有兩種不相容甚至矛盾的自然理論，是智識上無法容忍的想法。他們相信，在決定物質最小構成要素的性質方面，幾乎可以肯定重力發揮了作用，問題是物理學家探究得不夠深入。他們確實是對的：在世界的地下室，距離小到無法直接觀測的地方，自然界最小的東西就在彼此身上施加強大的重力。



　　今天普遍認為，重力和量子力學在確定基本粒子定律方面，將扮演同等重要的角色。但自然界基本構成要素的體積小到無法想像，如果需要徹底重新接線才能理解這些要素，應該不會有人感到意外。不管新的線路是什麼，都會稱為量子重力（quantum gravity），即使不知細部形式，我們還是可以有把握地說，新典範會牽涉到非常陌生的空間與時間概念。空間位置和時間瞬息的客觀現實正走上解決之道，走上同時性#7、決定論#8和渡渡鳥的路。量子重力描述一種比我們所想像的主觀許多的現實。我們將會在第18章看到，這種現實在很多方面就像全像術投射出來的幽靈般三維幻覺。



　　理論物理學家正努力在陌生的國度立足。就像在過去，想像實驗（thought experiment，又稱為思想實驗）揭露了基本原理之間的自相矛盾與分歧，這本書要談的，正是為了一個想像實驗而引發的爭論。史蒂芬?霍金（Stephen Hawking）在1976年設想，要把一點資訊（譬如一本書、一部電腦，甚至是一個基本粒子）丟進黑洞。霍金認為黑洞是終極羅網，因此外界大概會遺失那點資訊，無法挽回。這種看似單純的評述，絕不像聽起來那麼單純；它在預示整個近代物理學體系的根基可能會動搖，搖搖欲墜。有什麼東西出了極大的問題；最基本的自然律（即資訊守恆律）岌岌可危。對於關注此事的人來說，要麼霍金錯了，不然就是物理學300年來的核心支撐不了。



　　起初很少人關注。在將近二十年裡，這場爭論多半進行得很低調。荷蘭大物理學家傑拉德?特霍夫特（Gerard ’t Hooft）和我是站在知識分水嶺其中一邊的雙人組，霍金和一小群相對論學者站在另一邊。大多數的理論物理學家，尤其是研究弦論的物理學家，直到1990年代初期才開始意識到霍金提出的預兆，接著他們大部分還弄錯了。反正錯了一段時間。



　　黑洞戰爭是一場真正的科學爭論——與關於智慧設計論* 或全球暖化是否存在的偽辯論，完全是兩回事。那些假論點是政治操弄者為了讓天真的大眾分不清是非真偽而編造的，無法顯現科學上真正的意見分歧。相較之下，在黑洞問題上產生的分歧是實際存在的。哪些物理學原理該信賴，哪些該捨棄，卓越的理論物理學家意見不一致。他們應該追隨霍金，支持他的保守時空觀點，還是追隨特霍夫特和我自己，支持我們的保守量子力學觀點？每個觀點似乎只會導致弔詭和矛盾，要麼時空（自然律發生的舞臺）可能不是我們所想的那樣，不然就是熵和資訊的崇高原理是錯的。幾百萬年的認知演化和數百年的物理經驗再次愚弄我們，我們發現自己需要新的心智接線。



　　《黑洞戰爭》在頌揚人類心智及其發現自然律的非凡能力，它解釋了一個遠比量子力學和相對論離我們的官能更疏遠的世界。量子重力在處理比質子小一億兆分之一的物體。我們從未直接體驗這麼小的事物，而且可能永遠也不會，但人類的聰明才智已經讓我們推斷出真有它們存在，而且令人驚訝的是，進入那個世界的入口是質量與體積都非常大的物體：黑洞。



　　《黑洞戰爭》也是關於某項發現的編年史。全像原理（Holographic Principle）是所有物理學當中最難靠直覺理解的抽象概念之一。這是二十多年來對掉入黑洞的資訊的命運進行論戰的最高點。這不是仇敵之間的戰爭；主要的參與者甚至都是朋友。然而這是激烈的知識理念之爭，論戰雙方相互尊重，而且意見分歧。



　　有一種普遍的見解必須澄清。物理學家，尤其是理論物理學家的公眾形象，往往是書呆子氣，交遊不廣，興趣怪異、非人類又無聊。這真是大錯特錯。我所認識的大物理學家，還有很多偉大的物理學家，都極具個人魅力，滿懷熱情，想法有趣十足。個性和思考方式的差異一直讓我很感興趣。在我看來，寫給普通讀者看的物理書裡沒把人的成分寫進來，似乎就遺漏了有趣的東西。除了科學的一面，在寫這本書的過程中，我還試圖記錄這個故事的某些情感面。

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