科學(xué)研究探索的是萬(wàn)物之本。萬(wàn)物之本是什么？上帝是如何設(shè)計(jì)這個(gè)世界的？這是愛(ài)因斯坦的困惑。首先簡(jiǎn)單概括了牛頓力學(xué)及麥克斯韋電磁理論。從經(jīng)典理論碰到的困難，引出愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論的思考和歷史過(guò)程。第一章主要介紹狹義相對(duì)論的基本概念。第二章介紹廣義相對(duì)論少不了的數(shù)學(xué)工具：黎曼幾何。從幾何直觀和物理應(yīng)用的意義上來(lái)引進(jìn)黎曼幾何，并重點(diǎn)突出內(nèi)蘊(yùn)幾何思想的重要性。第三章中解釋了狹義相對(duì)論引發(fā)的有趣佯謬及質(zhì)能關(guān)系式。第四章介紹廣義相對(duì)論的基本思想，第五章則是主要介紹了宇宙學(xué)中的大爆炸理論、暗物質(zhì)、暗能量等假設(shè)的來(lái)龍去脈、最新研究狀況等等。從《上帝如何設(shè)計(jì)世界：愛(ài)因斯坦的困惑》中也可看到這些偉大發(fā)現(xiàn)背后的故事和科學(xué)家的思路歷程�？茖W(xué)家們是如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的？他們歷經(jīng)了一些什么樣的困難？他們又是如何想到了解決問(wèn)題的方法的？探討發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的歷史，領(lǐng)略其背后隱藏著的生動(dòng)靈感和科學(xué)精神。
作者簡(jiǎn)介：
張?zhí)烊�，女，科普作家，美�?guó)得州奧斯汀大學(xué)理論物理博士，現(xiàn)住美國(guó)芝加哥。研究課題包括廣義相對(duì)論、黑洞輻射、費(fèi)曼路徑積分、毫微微秒激光、集成電路EDA軟件等。發(fā)表專業(yè)論文三十余篇。2008年出版科普小說(shuō)《新東方夜譚》；2010年11月出版懸疑小說(shuō)《美國(guó)房客》。2012年開(kāi)始，在科學(xué)網(wǎng)發(fā)表一系列科普博文，其文風(fēng)深入淺出，趣味盎然，亦保持科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，深得讀者喜愛(ài)。是第六版《十萬(wàn)個(gè)為什么》物理卷參編者之一。已出版多部暢銷科普讀物：《蝴蝶效應(yīng)之謎：走近分形與混沌》《世紀(jì)幽靈：走近量子糾纏》《電子，電子？誰(shuí)來(lái)拯救摩爾定律？》《數(shù)學(xué)物理趣談：從無(wú)窮小開(kāi)始》《噴頭下的世界：漫談3d打印》。
目錄：
造物者的奧秘：寫(xiě)在廣義相對(duì)論誕生100周年
第一章時(shí)間空間之謎
1.牛頓點(diǎn)亮的火把
2.電磁交響曲
3.尋找以太
4.相對(duì)性原理
5.什么是“同時(shí)”？
6.萬(wàn)有引力
7.量子革命
第二章黎曼幾何
1.幾何幾何
2.迷人的曲線和曲面
3.爬蟲(chóng)的幾何
4.愛(ài)因斯坦和數(shù)學(xué)造物者的奧秘：寫(xiě)在廣義相對(duì)論誕生100周年第一章時(shí)間空間之謎1.牛頓點(diǎn)亮的火把2.電磁交響曲3.尋找以太4.相對(duì)性原理5.什么是“同時(shí)”？6.萬(wàn)有引力7.量子革命第二章黎曼幾何1.幾何幾何2.迷人的曲線和曲面3.爬蟲(chóng)的幾何4.愛(ài)因斯坦和數(shù)學(xué)5.矢量的平行移動(dòng)6.阿扁的世界7.測(cè)地線和曲率張量第三章相對(duì)論佯謬知多少1.雙生子佯謬2.同時(shí)的相對(duì)性3.閔可夫斯基時(shí)空中的固有時(shí)4.四維時(shí)空5.勻加速參考系上的Alice6.飛船佯謬7.質(zhì)能關(guān)系E=mc2第四章引力和彎曲時(shí)空1.等效原理2.圓盤(pán)佯謬和場(chǎng)方程3.實(shí)驗(yàn)證實(shí)4.時(shí)空中的奇點(diǎn)5.霍金輻射6.黑洞的戰(zhàn)爭(zhēng)第五章茫茫宇宙1.宇宙常數(shù)的故事2.大爆炸模型3.永不消失的電波4.探索引力波5.暗物質(zhì)6.引力透鏡7.暗能量8.路在何方？前言當(dāng)你仰望繁星密布的夜空，環(huán)顧神秘莫測(cè)的宇宙，你可能會(huì)提出種種疑問(wèn)：星星到底有多少？宇宙究竟有多大？實(shí)際上，從遠(yuǎn)古時(shí)代起，人類就開(kāi)始了對(duì)天體運(yùn)行及宇宙起源的探索和思考，無(wú)論是西方舊約中的上帝創(chuàng)世紀(jì)，還是中國(guó)神話中的盤(pán)古開(kāi)天地，都將天地宇宙描述成是處于永恒的運(yùn)動(dòng)和變化之中。即使后來(lái)人類掌握了科學(xué)這個(gè)銳利的武器，也仍然賦予宇宙以動(dòng)態(tài)的圖像，而非靜止和一成不變的。既然宇宙處于不停的變化之中，那么，它變化的歷史如何？它是否有一個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)？它是如何演化成我們現(xiàn)在所觀察到的這種形態(tài)的？它未來(lái)的命運(yùn)如何？對(duì)這一大串問(wèn)題，也許每種宗教、甚至每個(gè)人，都有自己的說(shuō)法，但我們這兒感興趣的，是科學(xué)家們?nèi)绾位卮疬@些問(wèn)題，更為具體地說(shuō)，物理學(xué)家們是如何回答這些問(wèn)題的？
科學(xué)是人類走向文明過(guò)程中創(chuàng)造的奇跡，是古往今來(lái)成百上千個(gè)科學(xué)家心血和智慧的結(jié)晶�？茖W(xué)研究探索的是萬(wàn)物之本。萬(wàn)物之本是什么？從古到今，不同學(xué)派給出不同答案。畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為“萬(wàn)物皆數(shù)”。但萬(wàn)物皆由物質(zhì)構(gòu)成，萬(wàn)物之本應(yīng)與研究物質(zhì)的物理學(xué)有關(guān)。物理學(xué)是“究物之理”的科學(xué)，探討研究從無(wú)限小的微觀世界到無(wú)限大的宏觀世界，擔(dān)當(dāng)了“上窮碧落下黃泉”的艱巨任務(wù)。
在物理學(xué)中，有一個(gè)偉大的物理學(xué)家的名字，印在了每一個(gè)現(xiàn)代基礎(chǔ)物理理論的篇章中，他就是：愛(ài)因斯坦。當(dāng)你仰望繁星密布的夜空，環(huán)顧神秘莫測(cè)的宇宙，你可能會(huì)提出種種疑問(wèn)：星星到底有多少？宇宙究竟有多大？實(shí)際上，從遠(yuǎn)古時(shí)代起，人類就開(kāi)始了對(duì)天體運(yùn)行及宇宙起源的探索和思考，無(wú)論是西方舊約中的上帝創(chuàng)世紀(jì)，還是中國(guó)神話中的盤(pán)古開(kāi)天地，都將天地宇宙描述成是處于永恒的運(yùn)動(dòng)和變化之中。即使后來(lái)人類掌握了科學(xué)這個(gè)銳利的武器，也仍然賦予宇宙以動(dòng)態(tài)的圖像，而非靜止和一成不變的。既然宇宙處于不停的變化之中，那么，它變化的歷史如何？它是否有一個(gè)起點(diǎn)和終點(diǎn)？它是如何演化成我們現(xiàn)在所觀察到的這種形態(tài)的？它未來(lái)的命運(yùn)如何？對(duì)這一大串問(wèn)題，也許每種宗教、甚至每個(gè)人，都有自己的說(shuō)法，但我們這兒感興趣的，是科學(xué)家們?nèi)绾位卮疬@些問(wèn)題，更為具體地說(shuō)，物理學(xué)家們是如何回答這些問(wèn)題的？科學(xué)是人類走向文明過(guò)程中創(chuàng)造的奇跡，是古往今來(lái)成百上千個(gè)科學(xué)家心血和智慧的結(jié)晶�？茖W(xué)研究探索的是萬(wàn)物之本。萬(wàn)物之本是什么？從古到今，不同學(xué)派給出不同答案。畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為“萬(wàn)物皆數(shù)”。但萬(wàn)物皆由物質(zhì)構(gòu)成，萬(wàn)物之本應(yīng)與研究物質(zhì)的物理學(xué)有關(guān)。物理學(xué)是“究物之理”的科學(xué)，探討研究從無(wú)限小的微觀世界到無(wú)限大的宏觀世界，擔(dān)當(dāng)了“上窮碧落下黃泉”的艱巨任務(wù)。在物理學(xué)中，有一個(gè)偉大的物理學(xué)家的名字，印在了每一個(gè)現(xiàn)代基礎(chǔ)物理理論的篇章中，他就是：愛(ài)因斯坦。其實(shí)，何止是物理學(xué)。在偉大的科學(xué)巨匠中，愛(ài)因斯坦在公眾中的影響力無(wú)人能比，他的頭像連小學(xué)生都認(rèn)識(shí)，他的名字家喻戶曉。如今，這位偉人離開(kāi)這個(gè)世界已經(jīng)超過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，他所作出的幾項(xiàng)最杰出的貢獻(xiàn)，包括1905年提出光電效應(yīng)和狹義相對(duì)論，以及1915年建立的廣義相對(duì)論，也都已經(jīng)是100年之前的故事了。盡管每個(gè)人都知道愛(ài)因斯坦的名字，但卻未必了解他的工作。就此而言，愛(ài)因斯坦和牛頓在公眾心目中的印象不一樣。經(jīng)典的牛頓力學(xué)實(shí)例，在日常生活中隨處可見(jiàn)：當(dāng)你坐在加速運(yùn)動(dòng)的汽車上，能感覺(jué)到力的作用，你知道如何運(yùn)用牛頓第二定律來(lái)計(jì)算加速度和力的關(guān)系；當(dāng)你和對(duì)面跑過(guò)來(lái)的朋友撞在一起，大家都感覺(jué)傷害痛楚時(shí)，你會(huì)用牛頓第三定律，即作用力等于反作用力來(lái)解釋這個(gè)現(xiàn)象，因?yàn)槟鞘侵袑W(xué)物理的內(nèi)容。但如果問(wèn)你，愛(ài)因斯坦對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)到底是些什么呢？那就不是人人都能說(shuō)出一個(gè)所以然的了。也許很多人都能用一個(gè)詞匯來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題：相對(duì)論啊。然而，相對(duì)論又是什么呢？愛(ài)因斯坦為什么想到了要?jiǎng)?chuàng)立兩個(gè)相對(duì)論呢？相對(duì)論在物理學(xué)中以及各門(mén)科學(xué)、各行各業(yè)中有哪些應(yīng)用？這兩個(gè)理論與我們的現(xiàn)實(shí)生活能關(guān)聯(lián)起來(lái)嗎？大多數(shù)人可能就難以回答了。1905年，被稱為愛(ài)因斯坦的奇跡年，這一年內(nèi)他發(fā)表了6篇有影響力的論文，分別引領(lǐng)了物理學(xué)三個(gè)不同領(lǐng)域中的研究方向。其中的狹義相對(duì)論徹底改變了人們的經(jīng)典時(shí)空觀；有關(guān)光電效應(yīng)的文章揭開(kāi)了量子革命的篇章；另一篇?jiǎng)t從分子運(yùn)動(dòng)的理論解釋了布朗運(yùn)動(dòng)，對(duì)統(tǒng)計(jì)物理有所貢獻(xiàn)。100年前，1915年，愛(ài)因斯坦提出了他最引為得意的廣義相對(duì)論，這個(gè)理論至今仍然是天體物理及宇宙學(xué)中建立天體星系運(yùn)動(dòng)模型以及宇宙演化模型的理論基礎(chǔ)。近年來(lái)該領(lǐng)域中熱門(mén)研究的大爆炸理論、暗物質(zhì)、暗能量等等，也都是與此有關(guān)。愛(ài)因斯坦曾經(jīng)說(shuō)過(guò)一句名言：“我想知道上帝是如何設(shè)計(jì)這個(gè)世界的�！蔽覀儾环翆⑸衔闹械摹吧系邸崩斫鉃椤按笞匀弧�。因此，愛(ài)因斯坦提出了物理學(xué)的，也是科學(xué)研究的一個(gè)最基本問(wèn)題：大自然的秘密是什么？大自然的脈搏如何跳動(dòng)？大自然在造物時(shí)遵循哪些基本原理？上帝是如何設(shè)計(jì)這個(gè)世界的？這是愛(ài)因斯坦的困惑，也是對(duì)科學(xué)感興趣的廣大讀者的困惑。中國(guó)是數(shù)學(xué)物理大國(guó)，喜歡思考物理中“大”問(wèn)題的成年人和青少年都不少。中國(guó)人從古時(shí)候開(kāi)始，就對(duì)造物主的秘密，宇宙的起源等問(wèn)題潛心探索、追尋不止。本書(shū)的目的便是向廣大讀者介紹兩個(gè)相對(duì)論的基本概念，帶領(lǐng)讀者探索了解愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論的大概思路歷程。此外，作為相對(duì)論的應(yīng)用，也簡(jiǎn)單介紹與這兩個(gè)理論相關(guān)的天文、宇宙學(xué)方面的最新進(jìn)展。使讀者體會(huì)到科學(xué)家“認(rèn)識(shí)自然規(guī)律，探索大自然造物秘密”的科學(xué)方法，從而啟發(fā)公眾對(duì)科學(xué)的興趣和思考。十分令人感到遺憾，愛(ài)因斯坦將他天才的后半生貢獻(xiàn)給了一項(xiàng)前途渺茫的研究。他一直在理論物理中尋找一條統(tǒng)一之路，企圖將所有的物質(zhì)及各種基本的相互作用，囊括在一個(gè)單一的理論框架中，那是愛(ài)因斯坦最后的夢(mèng)想。盡管愛(ài)因斯坦為此奮斗了幾十年沒(méi)有獲得成功，但這個(gè)大統(tǒng)一之夢(mèng)，已經(jīng)深深扎根在理論物理學(xué)家們的心中，一直是理論物理學(xué)研究的中心問(wèn)題之一。在這本小小的通俗讀物中，作者首先用短短的篇幅，簡(jiǎn)單概括了牛頓力學(xué)及麥克斯韋電磁理論。然后，從經(jīng)典理論碰到的困難，引出愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論的思考和歷史過(guò)程。第一章主要介紹狹義相對(duì)論的基本概念。第二章介紹廣義相對(duì)論少不了的數(shù)學(xué)工具：黎曼幾何。對(duì)此，作者盡量少用公式，而是從幾何直觀和物理應(yīng)用的意義上來(lái)引進(jìn)黎曼幾何，并重點(diǎn)突出內(nèi)蘊(yùn)幾何思想的重要性。作者在第三章中敘述解釋了幾個(gè)狹義相對(duì)論引發(fā)的有趣佯謬，及質(zhì)能關(guān)系式。第四章介紹廣義相對(duì)論的基本思想，第五章則是主要介紹了宇宙學(xué)中的大爆炸理論、暗物質(zhì)、暗能量等假設(shè)的來(lái)龍去脈、最新研究狀況等等。本書(shū)使用輕松有趣的語(yǔ)言，配以精美的圖片，由物理專業(yè)人士寫(xiě)成，適合各個(gè)領(lǐng)域的大學(xué)本科生，研究生，對(duì)科學(xué)感興趣的高中學(xué)生，以及所有渴求科學(xué)知識(shí)的大眾閱讀。作者在書(shū)中盡量避免使用技術(shù)術(shù)語(yǔ)和令人心煩的數(shù)學(xué)公式，而代之以優(yōu)美流暢、引人入勝的文筆，以及圖解的方法，來(lái)介紹看起來(lái)深?yuàn)W的物理理論。因?yàn)楣蕉伎梢栽谙嚓P(guān)的教科書(shū)里找到，科普書(shū)不同于教科書(shū)，科普書(shū)的目的是激發(fā)讀者對(duì)該學(xué)科的興趣，進(jìn)而也帶領(lǐng)讀者輕松入門(mén)。實(shí)際上，很多學(xué)生所缺少的不是公式和運(yùn)用公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算的技巧，而是建立公式和理論時(shí)，科學(xué)家們的思路歷程。科學(xué)家們是如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的？他們歷經(jīng)了一些什么樣的困難？他們又是如何想到了解決問(wèn)題的方法的？因此，本書(shū)將少量的公式和推導(dǎo)，放到了附錄中。并且，寫(xiě)出這些式子的重點(diǎn)也不是公式本身，而是通過(guò)敘述公式背后的故事，探討發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律的歷史，使讀者從看起來(lái)枯燥無(wú)味的數(shù)學(xué)中，發(fā)現(xiàn)其背后隱藏著的生動(dòng)靈感和科學(xué)精神。此外，本書(shū)雖然是一本科普書(shū)，卻著眼于追尋自然和宇宙的本質(zhì)問(wèn)題，因而也包含一些具有真正學(xué)術(shù)價(jià)值的材料，涉及許多奮戰(zhàn)在科研前線的科學(xué)家正在思考、解決的問(wèn)題。而且處處以物理學(xué)理論為根基。令一般讀者感到別開(kāi)生面，值得一讀；令專業(yè)人士也會(huì)感到分外親切，輕松了解或重溫黎曼幾何、相對(duì)論，這些聽(tīng)起來(lái)神秘高深的理論。本書(shū)也將介紹與愛(ài)因斯坦相對(duì)論思想有關(guān)的幾個(gè)基本物理學(xué)原理：最小作用量原理、對(duì)稱性原理、相對(duì)性原理、等效原理等。廣義而言，這幾個(gè)基本原理已經(jīng)超越了物理原理的范圍，可以說(shuō)成是大自然的基本原理，也許這就是愛(ài)因斯坦所追求的“上帝造物”的部分秘密？當(dāng)你讀完這本小書(shū)之后，可能你對(duì)愛(ài)因斯坦的疑問(wèn)，能得出一些你自己的新理解和新結(jié)論。一百年過(guò)去了，偉人是否后繼有人？理論物理、天文、及宇宙學(xué)路向何方？這些不是容易回答的問(wèn)題。然而，廣義相對(duì)論建立后的這段歷史時(shí)期中，為了繼承這位先輩的衣缽，眾多科學(xué)家們始終在努力奮斗。況且，誰(shuí)能說(shuō)本書(shū)的讀者中，就沒(méi)有將來(lái)的第二個(gè)愛(ài)因斯坦呢？霍金輻射物理學(xué)的專業(yè)詞匯中，恐怕很難找出別的術(shù)語(yǔ)，能比“黑洞”一詞更深入公眾之心，黑洞又和那個(gè)輪椅上歪歪倒倒的傳奇人物霍金的名字連在一起。因此，兩者都廣為人知。40年之前，英國(guó)物理學(xué)家史蒂文·霍金將量子論引入黑洞的經(jīng)典理論【30】，提出hawkingradiation的觀點(diǎn)。而2014年1月，據(jù)說(shuō)這位著名科學(xué)家在一篇文章中否定了自己對(duì)黑洞的看法，認(rèn)為黑洞不存在。但是仔細(xì)研究了一下霍金的文章之后【31】，感覺(jué)霍金的原意與媒體渲染下造成的公眾影響大相徑庭。量子力學(xué)和相對(duì)論是上世紀(jì)物理學(xué)的兩項(xiàng)重大成果。100年左右的歷史中，大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和天文觀測(cè)資料分別在微觀和宏觀世界驗(yàn)證了這兩個(gè)理論的正確性。然而，當(dāng)這兩個(gè)理論碰到一起的場(chǎng)合，卻總是水火不相容，這其中的根本原因，都得歸罪于“引力”（gravitation）這個(gè)桀驁不馴的家伙。從1687年牛頓發(fā)表萬(wàn)有引力定律，到愛(ài)因斯坦1915年的廣義相對(duì)論，直到現(xiàn)在……。幾十上百年來(lái)，一代又一代的理論物理學(xué)家們，傾注了無(wú)數(shù)心血，花費(fèi)了寶貴光陰，至今仍然對(duì)它的本質(zhì)知之甚少，難以駕馭。所幸的是，需要同時(shí)用到兩個(gè)理論來(lái)解決引力問(wèn)題的場(chǎng)合不多，可以說(shuō)是非常之少。在研究宇宙和天體運(yùn)動(dòng)的大尺度范圍內(nèi)，廣義相對(duì)論可用于解決引力問(wèn)題，而在量子理論大顯神通的微觀世界中，引力非常微弱，大多數(shù)情況都可以對(duì)其效應(yīng)不予考慮。然而，有兩個(gè)例外的情況，必須既要用到量子力學(xué)，又要應(yīng)用引力理論。它們之中的一個(gè)是宇宙的開(kāi)始時(shí)刻，即大爆炸的起點(diǎn)；另一個(gè)就是黑洞。在這兩種情況下，尚未被物理學(xué)家統(tǒng)一在一起的引力和量子，便打起架來(lái)了�；艚饘�(duì)黑洞問(wèn)題發(fā)表的最新說(shuō)法，便是為了解決理論上的矛盾而提出的一種方案。廣義相對(duì)論的核心是引力場(chǎng)方程。方程的一邊是物質(zhì)的能量動(dòng)量張量，另一邊則是由四維空間的曲率及其導(dǎo)數(shù)組成的愛(ài)因斯坦張量。著名美國(guó)物理學(xué)家約翰惠勒曾經(jīng)用一句話來(lái)概括廣義相對(duì)論：“物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)”【32】。這句話的意思就是說(shuō)，時(shí)空和物質(zhì)通過(guò)引力場(chǎng)方程聯(lián)系到了一起。這種聯(lián)系可以利用圖1來(lái)說(shuō)明。左圖中，極重的天體使得周圍空間彎曲而下凹，這種下凹的空間形狀又影響了這個(gè)天體以及周圍其它物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。還可以進(jìn)一步用一個(gè)日常生活中容易理解的現(xiàn)象來(lái)作比喻：一個(gè)重重的鉛球放在橡皮筋繃成的彈性網(wǎng)格上，使橡皮筋網(wǎng)下陷。然后，另外一些小球掉到網(wǎng)上，它們將自然地滾向鉛球所在的位置。如何解釋小球的這種運(yùn)動(dòng)？牛頓引力理論說(shuō)：小球被鉛球的引力所吸引。而廣義相對(duì)論說(shuō)，是因?yàn)殂U球造成了它周圍空間的彎曲，小球不過(guò)是按照時(shí)空的彎曲情形運(yùn)動(dòng)而已。兩個(gè)圖則表明：天體質(zhì)量越大，空間彎曲將會(huì)越厲害。大到一定的程度，蹦蹦網(wǎng)被撐破而形成了一個(gè)東西全往下掉再也撿不起來(lái)的“洞”，即黑洞。在上世紀(jì)70年代以前，物理學(xué)家一直沿用黑洞的上述廣義相對(duì)論模型。但是，黑洞的引力是如此之巨大，尺寸又是如此之小，對(duì)引力的量子理論躍躍欲試的理論物理學(xué)家們，自然而然地將手伸進(jìn)了這個(gè)迷宮。70年代初，理論物理學(xué)家JacobBekenstein研究了黑洞的熵及其熱力學(xué)性質(zhì)；史蒂芬霍金則提出黑洞也有輻射，即霍金輻射�；艚鹫J(rèn)為，在黑洞的事件視界邊緣，由于真空漲落，將不斷發(fā)生粒子反粒子對(duì)的產(chǎn)生和湮滅。因?yàn)樘幱谝暯邕吘�，很大的可能性，這兩個(gè)粒子中的一個(gè)將掉入黑洞，另一個(gè)則表現(xiàn)為像是黑洞的輻射。由于這種被稱之為霍金輻射的現(xiàn)象，黑洞將不斷地緩慢地?fù)p失能量。最終的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致所謂的“黑洞蒸發(fā)”而消失不見(jiàn)。真空漲落產(chǎn)生的粒子反粒子對(duì)，有點(diǎn)像上一節(jié)所舉例子中的艾麗絲和鮑勃。只不過(guò)正反粒子對(duì)是憑空隨機(jī)產(chǎn)生的，不像兩個(gè)活人，是父母生出來(lái)的。但它（他）們符合的經(jīng)典運(yùn)動(dòng)圖像可以類比。既然霍金開(kāi)了一個(gè)頭，將量子論引入了黑洞研究中，人們便蜂擁而至。然而，至今40年過(guò)去了，除了遭遇到許多困難，提出了幾個(gè)悖論之外，可以說(shuō)成果甚少。首先，黑洞由星體塌縮而形成，形成后能將周圍的一切物體全部吸引進(jìn)去，因而黑洞中包括了大量的信息。而根據(jù)“霍金輻射”的形成機(jī)制，輻射是由于真空漲落而隨機(jī)產(chǎn)生的，所以并不包含黑洞中任何原有的信息。但是，這種沒(méi)有任何信息的輻射最后卻導(dǎo)致了黑洞的蒸發(fā)消失，那么，黑洞原來(lái)的信息也都全部丟失了�？墒橇孔恿W(xué)認(rèn)為信息不會(huì)莫名其妙地消失。這就是黑洞的信息悖論。此外，形成“霍金輻射”產(chǎn)生的一對(duì)粒子是互相糾纏的。量子糾纏態(tài)是量子理論最基礎(chǔ)的概念之一，已經(jīng)被各種實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。處于量子糾纏態(tài)的兩個(gè)粒子，無(wú)論相隔多遠(yuǎn)，都會(huì)相互糾纏，即使現(xiàn)在一個(gè)粒子穿過(guò)了黑洞的事件視界，也沒(méi)有理由改變它們的糾纏狀態(tài)，這點(diǎn)顯然與相對(duì)論預(yù)言的結(jié)果相矛盾。黑洞戰(zhàn)爭(zhēng)理論物理學(xué)家們一直為解決信息悖論及與黑洞相關(guān)的其它問(wèn)題而努力，提出了各種方案和理論。美國(guó)斯坦福大學(xué)教授倫納德·薩斯坎德（LeonardSusskind，1940年－）是一個(gè)幽默風(fēng)趣的美國(guó)理論物理學(xué)家，頗有理查德·費(fèi)曼的風(fēng)格。據(jù)薩斯坎德自己回憶，因?yàn)楦咧袝r(shí)候是一個(gè)“壞小子”而大學(xué)階段學(xué)了工程，后來(lái)才立志成為一個(gè)理論物理學(xué)家。薩斯坎德是弦論的創(chuàng)始人之一，他著有一本《黑洞戰(zhàn)爭(zhēng)》【48】，精彩地描述了物理學(xué)界30年來(lái)有關(guān)黑洞本質(zhì)特性的一場(chǎng)論戰(zhàn)。論戰(zhàn)中的一方是薩斯坎德和1999年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主，荷蘭物理學(xué)家赫拉德·特霍夫特，另一方則是公眾熟悉的霍金。如上一節(jié)中介紹的，霍金提出了霍金輻射以及黑洞蒸發(fā)的理論，造成信息悖論。然而，薩斯坎德等意識(shí)到，這種觀點(diǎn)不符合量子力學(xué)，將使物理學(xué)陷入危機(jī)。而薩斯坎德等認(rèn)為，并非理論本身有問(wèn)題，而是由于霍金對(duì)量子論的概念有錯(cuò)而造成的危機(jī)。黑洞的確是一個(gè)令物理學(xué)家們著迷而又困惑的研究對(duì)象。物理學(xué)家霍金似乎已經(jīng)成了大眾心目中“黑洞”一詞的代表，將他視為研究黑洞的最高權(quán)威。然而，你可能沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)，霍金因?yàn)閷?duì)黑洞問(wèn)題的理解上3次與物理學(xué)界的同行們打賭，但有趣的是，每次都以霍金輸?shù)糍�局而告終。在當(dāng)今世界上研究引力理論的眾多物理學(xué)家當(dāng)中，美國(guó)理論物理學(xué)家基普·索恩（KipStephenThorne，1940-）（《星際穿越》電影的科學(xué)顧問(wèn)）被認(rèn)為是權(quán)威之一。索恩是加州理工學(xué)院教授，和費(fèi)曼一樣，他也是當(dāng)年約翰·惠勒在普林斯頓大學(xué)的博士學(xué)生之一。索恩喜歡以黑洞問(wèn)題為目標(biāo)與人打賭，而且每次都贏。除了其中的三次贏了霍金之外，還有最早一次是贏了印度裔美國(guó)物理學(xué)家、諾貝爾物理獎(jiǎng)得主錢德拉塞卡，那次，他們是就黑洞穩(wěn)定性的問(wèn)題打賭。由此可知索恩對(duì)黑洞概念功底之深。1997年，索恩與霍金就以上所述的黑洞信息丟失問(wèn)題打賭。霍金認(rèn)為黑洞蒸發(fā)后信息沒(méi)有了，而索恩和普雷斯基爾認(rèn)為黑洞可以隱藏它內(nèi)部的信息。三人打賭的賭注是一本百科全書(shū)。黑洞信息悖論實(shí)質(zhì)上也是因?yàn)閺V義相對(duì)論與量子理論的沖突而產(chǎn)生的，霍金站在廣義相對(duì)論一邊，薩斯坎德等則站在量子論一邊，索恩和普雷斯基爾其實(shí)都算是引力方面專家，不過(guò)，他們獨(dú)具慧眼，將賭注下到了薩斯坎德一邊。薩斯坎德和特霍夫特從計(jì)算黑洞熵而悟出了一個(gè)全息原理，從而解釋了信息悖論。全息原理認(rèn)為，信息不會(huì)丟失，黑洞的邊界儲(chǔ)存了進(jìn)到黑洞中的包括物質(zhì)組成和相互作用的所有信息。另外，薩斯坎德熱衷于互補(bǔ)原理。類似于量子力學(xué)中認(rèn)為光“既是波又是粒子”互補(bǔ)的觀點(diǎn)，薩斯坎德認(rèn)為黑洞內(nèi)外的兩個(gè)觀測(cè)者觀察到的現(xiàn)象也是互補(bǔ)的。比如說(shuō)，故事中的Alice可以既在黑洞內(nèi)，又在黑洞外。不要非得取其一，完全可以同時(shí)“既是此又是彼”，是互補(bǔ)的兩者。換言之，物質(zhì)落入黑洞的過(guò)程，完全可以用邊界上的量子理論來(lái)理解和描述。物理學(xué)家們使用全息原理直接計(jì)算出了多種黑洞的熵，計(jì)算表明霍金蒸發(fā)并非隨機(jī)的，其中包含了進(jìn)入黑洞的物質(zhì)的所有信息。全息原理的成功，使得霍金本人也認(rèn)輸了。2004年一次廣義相對(duì)論和引力國(guó)際會(huì)議上，霍金宣布，黑洞的演化是符合因果律的，并沒(méi)有丟失信息，他承認(rèn)輸?shù)袅诉@場(chǎng)賭賽。2013年，美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校四位理論物理學(xué)家（AMPS）發(fā)表了一篇論文：《BlackHoles：ComplementarityorFirewalls？》【33】。文章的四個(gè)作者，以理論物理學(xué)家約瑟夫玻爾欽斯基（JosephPolchinski）為首。他們提出“黑洞火墻”悖論。（作者注：Firewall可以翻譯成防火墻，但在這兒的意思不是“防火”的墻，而是“著火”的墻，故翻為“火墻”）。他們認(rèn)為，在黑洞的視界周圍，存在著一個(gè)因?yàn)榛艚疠椛涠纬傻哪芰烤薮蟮幕饓�。�?dāng)量子糾纏態(tài)的粒子之一，或者說(shuō)愛(ài)麗絲，穿過(guò)視界掉到這個(gè)火墻上的時(shí)候，并不是像廣義相對(duì)論所預(yù)言的，悠悠然什么也不知道，毫無(wú)知覺(jué)地穿過(guò)視界被拉向奇點(diǎn)，而是立即就被火墻燒成了灰燼。原來(lái)的量子糾纏態(tài)也在穿過(guò)視界的瞬間便會(huì)立即被破壞掉。這篇論文把矛盾集中到了黑洞的邊界—事件視界（EventHorizon）上。就此爭(zhēng)論表態(tài)，霍金于2013年8月份在加州圣巴巴拉卡維利理論物理研究所召開(kāi)的一次會(huì)議上發(fā)表了講話。而霍金2014年1月22日發(fā)表的文章便是基于這個(gè)會(huì)議發(fā)言。為了解決這個(gè)矛盾，霍金提出了一個(gè)新的說(shuō)法，認(rèn)為事件視界不存在，而代之以一個(gè)替代視界叫做apparenthorizon（表觀視界），認(rèn)為這個(gè)所謂的表觀視界才是黑洞真正的邊界。并且，這一邊界只會(huì)暫時(shí)性地困住物質(zhì)和能量，但最終會(huì)釋放它們。因此，霍金沒(méi)有否定黑洞的存在，只是重新定義了黑洞的邊界。黑洞問(wèn)題爭(zhēng)論的實(shí)質(zhì)，是廣義相對(duì)論和量子理論產(chǎn)生的矛盾。只有當(dāng)有了一個(gè)能將兩者統(tǒng)一起來(lái)的理論，才能真正解決黑洞的問(wèn)題。統(tǒng)一路在何方？談到物理學(xué)史的時(shí)候，我們常常說(shuō)到20世紀(jì)初物理學(xué)天空中的兩朵烏云，一朵發(fā)展為量子力學(xué)，一朵發(fā)展成了相對(duì)論。一百多年來(lái)，這兩個(gè)理論分別在理論物理學(xué)中的兩個(gè)極端：微觀世界和宇觀世界中叱咤風(fēng)云。然而，當(dāng)它們碰到一起的時(shí)候，卻顯得水火不相容，似乎弄得物理學(xué)家們啞口無(wú)言，手腳無(wú)措。歷史總是呈現(xiàn)某種螺旋式的循環(huán)。有時(shí)候，事情轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去又回到看起來(lái)是非常古老的問(wèn)題。如今我們碰到的問(wèn)題是：世界是由什么構(gòu)成的？100多年前，人們就相信所有的物質(zhì)都是由原子組成的，但那時(shí)候?qū)υ咏Y(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)卻還知道很少，直到1911年盧瑟福提出原子的行星模型，才使得人們能夠在腦海中對(duì)原子勾畫(huà)出一個(gè)具體直觀的圖像。而這五、六十年來(lái)粒子物理的發(fā)展，使我們了解到更深層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型告訴我們，我們能觀察到的所有一切物質(zhì)，包括地球、太陽(yáng)、星星，都是由12種基本粒子組成的，其中包括6種夸克和6種輕子，可以將它們分成4個(gè)家族。然而，近年來(lái)宇宙學(xué)的長(zhǎng)足進(jìn)展，給理論物理學(xué)提出了許多新問(wèn)題。特別是宇宙學(xué)家們對(duì)宇宙物質(zhì)成分絕大部分是暗物質(zhì)和暗能量的新看法，完全是標(biāo)準(zhǔn)模型未曾預(yù)料到的。物理學(xué)家們好像又回到了100多年之前的困惑，不過(guò)這次面對(duì)的不是原子，而是暗物質(zhì)和暗能量。這些奇怪的“暗貨”，構(gòu)成宇宙96%的成分，主宰了宇宙的動(dòng)力學(xué)，關(guān)系著宇宙的過(guò)去和未來(lái)。物理學(xué)家接受它們的存在，卻不知道它們到底是什么�？茖W(xué)的規(guī)律永遠(yuǎn)如此，任何時(shí)候都有數(shù)不清的疑問(wèn)和困惑。正如人們所說(shuō)的：疑問(wèn)和困惑才能啟發(fā)靈感，危機(jī)就是轉(zhuǎn)機(jī)和生機(jī)。或許，暗物質(zhì)和暗能量就是新時(shí)代天空中的兩片烏云，它們有可能引發(fā)物理理論新的革命。當(dāng)感覺(jué)“山窮水盡疑無(wú)路”時(shí)，才有可能迎來(lái)“柳暗花明又一村”的景象。也有學(xué)者認(rèn)為，相對(duì)論和量子理論本來(lái)就只是20世紀(jì)尚未完成的物理學(xué)革命的第一步。從這兩個(gè)理論的研究繼而提出的“引力量子”統(tǒng)一理論才是21世紀(jì)物理學(xué)中真正的難題。只有徹底解決這個(gè)問(wèn)題，才能解決宇宙學(xué)中的暗物質(zhì)和暗能量等等問(wèn)題。這似乎又有些類似于愛(ài)因斯坦后半生所追求的統(tǒng)一之夢(mèng)，當(dāng)然，此夢(mèng)非彼夢(mèng)，時(shí)間已經(jīng)過(guò)去了大半個(gè)世紀(jì)，無(wú)論是在基礎(chǔ)物理學(xué)的理論方面，還是在宇宙學(xué)天文學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方面，都有了許多愛(ài)因斯坦無(wú)從預(yù)料的進(jìn)展和結(jié)果。不過(guò)，追求統(tǒng)一理論的愿望是一致的。也許這是一個(gè)只能無(wú)限逼近，但卻永不可及的遙遠(yuǎn)目標(biāo)，是上帝精心策劃的造物秘密之一，它讓物理學(xué)家們前仆后繼，孜孜以求，永不放棄，追尋那個(gè)渺茫又美麗的夢(mèng)。不過(guò)，物理學(xué)家們心甘情愿，義不容辭，因?yàn)樗麄儚膶?mèng)中滿足了自我，得到了無(wú)窮的樂(lè)趣。物理學(xué)家們企圖從不同的途徑來(lái)邁向大統(tǒng)一之路，有的人從量子理論開(kāi)始，想將相對(duì)論包括進(jìn)來(lái)，這條路發(fā)展出了弦論；有的從廣義相對(duì)論出發(fā)，企圖將經(jīng)典引力理論量子化，然后再修正量子理論；有的人則傾向于干脆放棄原來(lái)的兩個(gè)理論，另辟捷徑。這多條道路有時(shí)分道揚(yáng)鑣，有時(shí)又會(huì)聚在一起。無(wú)論走哪一條路，起碼的要求是既要考慮愛(ài)因斯坦理論中“新穎的時(shí)空觀”，也得兼顧量子論中的“奇談怪論”，需要既是物質(zhì)的理論，又是時(shí)空的理論；既能詮釋微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，又能解釋宇宙演化的歷史；能夠包羅各種理論，解釋所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這是一個(gè)艱巨的任務(wù)。前進(jìn)的方向很多，曙光也許就在前方。何時(shí)才能到達(dá)勝利的彼岸呢，取決于年輕一代科學(xué)家的加入和努力。
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